(57)【要約】  送電装置は、送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電装置に送電する。送電装置は、アンテナと、前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する電力伝送回路とを備える。
2014129531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置と受電装置とを備える電力伝送システムであって、
前記送電装置は、
第１アンテナと、
前記第１アンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと第２アンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する第１電力伝送回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記第２アンテナと、
前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された電力を受け取る第２電力伝送回路と、
を備える電力伝送システム。
【請求項２】
前記送電装置は、前記第１アンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと前記第２アンテナのインピーダンスとで定まる第２の共振周波数を有する通信信号を出力する第１無線通信回路をさらに有し、
前記受電装置は、前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された通信信号を受け取る第２無線通信回路をさらに有する
請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項３】
前記第１アンテナは、第１コイルと、前記第１コイルを覆う誘電体を有する第１包含部と有し、
前記第２アンテナは、第２コイルと、前記第２コイルを覆う誘電体を有する第２包含部とを有する
請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項４】
前記第１の共振周波数に対する前記第２の共振周波数の比は、１０よりも大きく１０００よりも小さい
請求項２に記載の電力伝送システム。
【請求項５】
前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ１で表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ２で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナと前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの間に存在する前記媒体とで形成される容量のキャパシタンス成分をＣ３で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの距離をｄで表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５ｃｍの関係を満たす
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力伝送システム。
【請求項６】
前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の電力伝送システム。
【請求項７】
前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の電力伝送システム。
【請求項８】
前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第１のインピーダンス調整部を備え、
前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第２のインピーダンス調整部を備え、
前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ１０と表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ２０で表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１０＋Ｃ２０）＞０．５ｃｍの関係を満たす
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力伝送システム。
【請求項９】
送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電するための送電装置であって、
アンテナと、
前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する電力伝送回路と
を備える送電装置。
【請求項１０】
送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電するための受電装置であって、
アンテナと、
前記受電装置のアンテナを介して、前記送電装置から、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る電力伝送回路と
を備える受電装置。
【請求項１１】
送電装置と受電装置とのための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力し、
前記受電装置のアンテナを介して、前記出力された電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。
【請求項１２】
送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電する送電装置のための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する
ことを含む電力伝送方法。
【請求項１３】
送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電する受電装置のための電力伝送方法であって、
前記受電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体中の電力伝送システム、送電装置、受電装置、及び電力伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海中の資源探査用機器や、地震の早期発見のための海底地震センサ網の普及が進み、これらの機器へ電力供給を行う装置の需要が高まっている。電力供給を行う装置には、周囲が海水であることから海水中でも効率よく電力を伝送できる無線電力伝送技術を用いる必要がある。無線電力伝送技術としては、電力供給用の金属プラグを露出させる必要がなく、４Ｓ／ｍ程度の導電率を有する海水中であってもショートする恐れのない技術である必要がある。【０００３】
一般的に、電力を無線で送受電する送電装置は、複数巻きした導線からなるコイルを有する。このコイルに交流電力を印加することで、コイルに鎖交する磁束が発生する。この磁束が、受電装置のコイルと鎖交することで受電装置のコイルに誘導電流を生じさせ、電力の伝送が行われる。【０００４】
無線技術については、例えば、特許文献１には、無線のミリ波信号を利用して、端末装置本体とメモリーカード等の着脱可能の電子デバイスとが電磁誘導方式の通信を行う技術が開示されている。
特許文献２には、磁性体を用いて、送電装置と受電装置のインダクタンス値を増大させ、電力伝送の長距離化を図る電磁誘導を用いた技術が開示されている。
特許文献３には、Ｑ値の高いコイルを用いて、同一の周波数で共鳴（磁界共鳴）させることで、送電装置と受電装置の間の相互インダクタンスを向上させ、電力伝送の長距離化を図る電磁誘導を用いた技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２０１１−０２２６４０号公報
【特許文献２】日本国特許第４７７２７４４号公報
【特許文献３】日本国特表２０１２−５０４３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜特許文献３の電磁誘導技術を用いた無線電力伝送技術において、効率よく電力伝送を行うためには、送電装置のコイルと受電装置のコイルとの間の距離をほぼ密接させる必要があった。例えば海水中で電力伝送を行う対象が潜水艇である場合を想定する。この場合、潜水艇へ電力を供給する際に、潜水艇と電力供給元装置との位置合わせを高精度に行わなければならない。よって、安定的に電力供給することが困難である。【０００７】
また、特許文献２と特許文献３に記載されている電力伝送の長距離化技術を、大気中での電力伝送の長距離化技術を海水中に適用しようとしても、わずかな電力伝送効率しか得られないことが明らかとなっている。その理由は、空気と海水とでは、その導電率と誘電率が著しく異なり、大気中の電力伝送と海水中の電力伝送とでは、その媒質中における電力伝送のメカニズムが異なるためである。空気の導電率は０Ｓ／ｍ、比誘電率は約１である。一方、海水の導電率は約４Ｓ／ｍ、比誘電率は約８１である。【０００８】
無線電力が大気中を伝搬する場合と、海水中を伝搬する場合の物理的相違点について簡単に説明する。
大気中の電力伝送の場合、その媒質（大気）自身による電力消費はほとんどない。この場合の電力伝送効率の低下の要因は、主に、コイルでの導体損失、送電装置と受電装置の間の整合損、漏れ磁束などの反射損、そして放射損から成る。特に、特許文献２に記載されている技術では、Ｑ値の高いコイルを用いて、送受電装置近傍にエネルギを溜める非放射現象とすることで、この放射損を効果的に抑制している。【０００９】
海水中の電力伝送の場合、その媒質（海水）が一定の導電性を有しているため、媒質による電力消費がエネルギ損失となる。このエネルギ損失の要因は、海水中の導電率と海水中に発生した電界に基づく。すなわち、この導電率と電界の積に比例した電位勾配が海水中で発生することで損失が生じる。また、海水は導電性が高いため、その海水中において、送電装置から無指向にエネルギを出力すると、対向する受電装置に到達せずに消失するエネルギが増加してしまう。したがって、海水中で効率よく電力伝送を行うためには、対向するコイル面同士を繋ぐような指向性を持たせ、両方のコイル面に対してほぼ垂直なエネルギの流れを形成する必要がある。
ここでのコイル面は、コイルを流れる電流により形成されるループを外形として含む面のことである。【００１０】
上述した大気中と海水中のエネルギの伝搬メカニズムの相違を考慮すると、特許文献１に記載されている技術を用いて海水のような良導体媒質中でミリ波信号を伝送させることは特に困難である。例えば、６０ＧＨｚのミリ波の場合、海水中での伝搬においてエネルギが４分の１に減衰する距離は１００μｍ以下となる。よって、海水中において１０ｃｍ以上の伝搬を行うことは非常に困難である。【００１１】
特許文献２に記載されている磁性体や共鳴を用いた技術により、海水中の電力供給の長距離化を行う場合、磁束が増加する一方で、その増加する磁束に付随して、海水中に放射する電界成分も増加する。結果として、電力伝送効率は上昇しない。さらに特許文献２に記載されている磁性体や共鳴を用いた技術は非放射現象を用いる技術である。このため、導電性の高い媒質中で、電力伝送の長距離化を実現することが根本的に難しい。【００１２】
また、特許文献３に示すような、関連する磁界共鳴技術の場合、大気中では、送電装置のコイルと受電装置のコイルの共振周波数を等しくするだけで、効率のよいエネルギ伝送を行うことができた。しかしながら、海水中においては、その比誘電率が８１と大きいため、共振周波数は、送電装置と受電装置の間にある媒質のインピーダンスの影響を大きく受け、単純な送受電装置の共鳴現象を用いるだけでは、エネルギ伝送を行うことが困難である。また、磁界共鳴技術は非放射現象を用いる技術であるため、導電性の高い媒質中で、電力伝送の長距離化を実現することが根本的に難しい。【００１３】
図３５の表に示すような各種媒質も、比較的高い導電率と比誘電率を有している。したがって、海水中のほか、このような媒質中を無線で電力伝送しようとする場合にも、同様の問題が生じ得る。
特許文献１〜特許文献３に記載されている技術は、電力伝送または通信の何れか一方のみを行う技術である。電力伝送と通信の両方を行うことができる技術が求められている。【００１４】
この発明の目的の一例は、上記課題を解決する電力伝送システム、送電装置、受電装置、及び電力伝送方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の実施態様に係る電力伝送システムは、送電装置と受電装置とを備える。前記送電装置は、第１アンテナと、前記第１アンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと第２アンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する第１電力伝送回路とを備える。前記受電装置は、前記第２アンテナと、前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された電力を受け取る第２電力伝送回路とを備える。【００１６】
本発明の第２の実施態様に係る送電装置は、送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電するために用いられる。この送電装置は、アンテナと、前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する電力伝送回路とを備える。【００１７】
本発明の第３の実施態様に係る受電装置は、送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電するために用いられる。この受電装置は、アンテナと、前記受電装置のアンテナを介して、前記送電装置から、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る電力伝送回路とを備える。【００１８】
本発明の第４の実施態様に係る電力伝送方法は、送電装置と受電装置とのために用いられる。この電力伝送方法は、前記送電装置のアンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力し、前記受電装置のアンテナを介して、前記出力された電力を受け取ることを含む。【００１９】
本発明の第５の実施態様に係る電力伝送方法は、送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電する送電装置のために用いられる。この電力伝送方法は、前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力することを含む。【００２０】
本発明の第６の実施態様に係る電力伝送方法は、送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電する受電装置のために用いられる。この電力伝送方法は、前記受電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取ることを含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の実施形態によれば、送電装置のコイルと受電装置のコイルがほぼ密接した状態から離れた場合に、良導体媒質に拡散して消滅してしまう電磁エネルギを低減することができる。結果として、海水等の良導体媒質中で無線電力伝送の長距離化が可能となる。さらに、共振周波数で通信信号を出力する送電側無線通信回路を備えることで通信も行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態による電力伝送システムを示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態による電力伝送システムの変形例の構成を示す図である。
【図４】送電装置から出力された無線電力が受電装置へ伝搬する際の第一の実施形態による電力伝送システムの等価回路の一部を示す図である。
【図５】第一の実施形態による電力伝送システムにおける、送電側アンテナ、受電側アンテナの容量成分及び送受電装置間に生じる容量成分が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
【図６Ａ】第一の実施形態による電力伝送システムにおける、送電側コイルの外径と送電側包含部の寸法との比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
【図６Ｂ】第一の実施形態による電力伝送システムにおける、送電側コイルの外径と送電側包含部の寸法との比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
【図７】第一の実施形態による電力伝送システムにおける電界ベクトルと磁界ベクトルを示す図である。
【図８】第一の実施形態による電力伝送システムにおける電界ベクトルと磁界ベクトルに基づいて生じるポインティングベクトル（エネルギの流れ）を示す図である。
【図９】第一の実施形態による電力伝送システムにおける、比（通信周波数／電力伝送周波数）と（効率×通信レート）との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第二の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１１】本発明の第二の実施形態による電力伝送システムにおける、第一誘電体の誘電正接及び第二誘電体の誘電正接の比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
【図１２】本発明の第二の実施形態による電力伝送システムにおける、第一誘電体の比誘電率及び第二誘電体の比誘電率が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
【図１３】本発明の第三の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１４】本発明の第三の実施形態の送電側アンテナの変形例の構成を示す図である。
【図１５】本発明の第四の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１６】本発明の第五の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１７】本発明の第六の実施形態による電力伝送システムの構成を示す図である。
【図１８】本発明の第一の実施形態による電力伝送システムの効果を実証するためのシミュレーションモデルを示す図である。
【図１９】本発明の実施例１における送電装置の上面概略図である。
【図２０】本発明の実施例１における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍の電界を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍の電界を示す図である。
【図２２Ａ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍の磁界を示す図である。
【図２２Ｂ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍の磁界を示す図である。
【図２３Ａ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍のポインティングベクトルを示す図である。
【図２３Ｂ】本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置と受電装置近傍のポインティングベクトルを示す図である。
【図２４Ａ】本発明の実施例１による電力伝送システムで使用した媒質を海水から大気に変更した場合のポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図２４Ｂ】本発明の実施例１による電力伝送システムで使用した媒質を海水から大気に変更した場合のポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図２５Ａ】関連する磁界共鳴技術を用いた場合の大気中におけるポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図２５Ｂ】関連する磁界共鳴技術を用いた場合の大気中におけるポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。
【図２６Ａ】本発明の第一の実施形態による電力伝送システムの効果を実際に海水中で実験した結果を示す図である。
【図２６Ｂ】本発明の第一の実施形態による電力伝送システムの効果を実際に海水中で実験した結果を示す図である。
【図２７】本発明の第三の実施形態による電力伝送システムの効果を実証するためのシミュレーションモデルを示す図である。
【図２８】本発明の実施例２における送電装置の側面概略図である。
【図２９】本発明の実施例２における送電装置の送電側下部コイルを受電装置側から見た図である。
【図３０】本発明の実施例２における送電装置の送電側上部コイルを受電装置側から見た図である。
【図３１】本発明の実施例２における受電装置の受電側下部コイルを送電装置側から見た図である。
【図３２】本発明の実施例２における受電装置の受電側上部コイルを送電装置側から見た図である。
【図３３】本発明の実施例２における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。
【図３４】本発明の実施例２におけるＳパラメータ（Ｓ２１）のシミュレーション結果を示す図である。
【図３５】各種媒質の導電率と比誘電率をまとめた表を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る電力伝送システム１を示す図である。
本発明の電力伝送システム１は、図１で示すように、少なくとも送電装置１１及び受電装置１２を備える。
送電装置１１は、送電側アンテナ１１１、送電側電力伝送回路１１２、送電側無線通信回路１１３を備える。送電側アンテナは、第１アンテナと称する場合がある。送電側電力伝送回路は、第1電力伝送回路と称する場合がある。送電側無線通信回路は、第1無線通信回路と称する場合がある。
受電装置１２は、受電側アンテナ１２１、受電側電力伝送回路１２２、受電側無線通信回路１２３を備える。受電側アンテナは、第２アンテナと称する場合がある。受電側電力伝送回路は、第２電力伝送回路と称する場合がある。受電側無線通信回路は、第２無線通信回路と称する場合がある。
第１アンテナ１１１及び第２アンテナ１２１は、良導体媒質（媒体）１３に覆われている。
【００２４】
＜第一の実施形態＞
図２は、本発明の第一の実施形態による電力伝送システム１の構成を示す図である。
以下、本発明の第一の実施形態による電力伝送システム１を、図面を参照して説明する。
電力伝送システム１は、図１に示すように、送電装置１１及び受電装置１２を備える。送電装置１１は、第１アンテナ１１１、第１電力伝送回路１１２、第１無線通信回路１１３、送電側制御回路１１４を備える。送電側制御回路は、第１制御回路と称する場合がある。
受電装置１２は、第２アンテナ１２１、第２電力伝送回路１２２、第２無線通信回路１２３、受電側制御回路１２４を備える。受電側制御回路は、第２制御回路と称する場合がある。
第１アンテナ１１１及び第２アンテナ１２１は、良導体媒質１３に覆われている。第１アンテナ１１１は、送電側コイル１１６及び送電側コイル１１６を覆う誘電体から成る送電側包含部１１７とを備える。送電側コイルは、第１コイルと称する場合がある。送電側包含部は、第１包含部と称する場合がある。受電側アンテナ１２１は、第１アンテナ１１１と同じく、受電側コイル１２６及び受電側包含部１２７を備える。受電側コイルは、第２コイルと称する場合がある。受電側包含部は、第２包含部と称する場合がある。第１コイル１１６、第２コイル１２６は、複数回巻いた銅線などの導体である。第１コイル１１６および第２コイル１２６は、ヘリカルコイルやスパイラルコイルであってもよい。しかしながら、第１コイル１１６および第２コイル１２６は、これらに限定されない。
電力伝送システム１は、図２に示すように、二次電池１２５を備えている。しかしながら、電力伝送システム１は、二次電池１２５を備えていなくてもよい。
また、第１コイル１１６と第２コイル１２６各々は、例えば、後述する図１３のように上部コイルと下部コイルに分割されていてもよい。
本実施形態においては、電力伝送システム１における第１アンテナ１１１及び第２アンテナ１２１を総称して電力伝送部とする。第１コイル１１６及び第２コイル１２６を総称して電力伝送用コイルとする。電力伝送部は送電装置１１から受電装置１２へ電力を伝送すると共に、送電装置１１と受電装置１２との間で通信を行うアンテナとしても機能する。
【００２５】
図３は、本発明の第一の実施形態による電力伝送システム１の変形例の構成を示す図である。
送電側切替回路１１８は、図３で示すように、第１アンテナ１１１、第１電力伝送回路１１２、及び第１無線通信回路１１３の３つの機能部に接続されている。送電側切替回路は、第１切替回路と称する場合がある。
受電側切替回路１２８は、第２アンテナ１２１、第２電力伝送回路１２２、及び第２無線通信回路１２３の３つの機能部に接続されている。受電側切替回路は、第２切替回路と称する場合がある。
第１切替回路１１８および第２切替回路１２８は、スイッチやフィルタであってもよい。しかしながら、第１切替回路１１８および第２切替回路１２８は、本実施形態においては、これらに限定されない。電力伝送システム１は、第１切替回路１１８や第２切替回路１２８を備えていなくてもよい。
【００２６】
第１包含部１１７と第２包含部１２７は、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜２０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成されていてもよい。
【００２７】
ここでは、各実施形態における良導体媒質は海水である場合について説明する。しかしながら、良導体媒質は海水に限定されない。良導体媒質は、例として、図３５の表に示す河川、淡水、水道水、土、コンクリートのように、導電率が１×１０−４Ｓ／ｍ以上で、比誘電率が１より大きな物質であってもよい。
【００２８】
図４は、送電装置１１から出力された無線電力が受電装置１２へ伝搬する際の電力伝送システム１の等価回路の一部を示す図である。
第１電力伝送回路１１２は、さらに、第１アンテナ１１１のインピーダンスを調整する送電側インピーダンス調整部１１９を備えている。送電側インピーダンス調整部は、第１インピーダンス調整部と称する場合がある。第２電力伝送回路１２２は、さらに、第２アンテナ１２１のインピーダンスを調整する受電側インピーダンス調整部１２９を備えている。受電側インピーダンス調整部は、第２インピーダンス調整部と称する場合がある。
第１アンテナ１１１における第１コイル１１６のインピーダンスは、主に、誘導成分（インダクタンス成分）Ｌ１と、第１コイル１１６と第１包含部１１７で形成される容量成分（キャパシタンス成分）Ｃ１から成る。誘導成分Ｌ１と容量成分Ｃ１は、コイルの形状、巻き数、銅線の太さ、及び、第１包含部１１７を構成する誘電体の誘電率やそのサイズ等によって一意に定まる。同様に、第２アンテナ１２１における第２コイル１２６のインピーダンスは、誘導成分Ｌ２と、第２コイル１２６と第２包含部１２７で形成される容量成分Ｃ２とから成る。
本実施形態においては、第１インピーダンス調整部１１９及び第２インピーダンス調整部１２９を総称して、単にインピーダンス調整部とする。
【００２９】
第１電力伝送回路１１２から第２電力伝送回路１２２へ供給された交流電力は、上述したＬ１０、Ｌ２０、Ｃ１０、Ｃ２０と、Ｌ３、Ｃ３から成る等価回路を伝搬する。ここで、“Ｌ３”は、第１コイル１１６と第２コイル１２６における相互インダクタンス成分である。“Ｃ３”は、第１アンテナ１１１と第２アンテナ１２１及び良導体媒質１３で構成される容量成分である。
【００３０】
伝搬する際の伝送効率を上げるために、その伝搬路において、伝搬する交流電力の周波数でインピーダンス整合を採ることが肝要である。図４に示すように、第１インピーダンス調整部１１９は可変容量の容量成分Ｃ１’を備える。また、第２インピーダンス調整部１２９は可変容量の容量成分Ｃ２’を備える。容量成分Ｃ１’およびＣ２’を調整することにより、任意の周波数でインピーダンス整合が得られる。さらに、第１インピーダンス調整部１１９はインピーダンスを調整可能なインダクタＬ１’を備える。また、第２インピーダンス調整部１２９はインピーダンスを調整可能なインダクタＬ２’を備える。インダクタＬ１’およびＬ２’を用いてインピーダンスを調整することにより、可変容量Ｃ１’、Ｃ２’のみでインピーダンス整合を行うよりも、インピーダンスの調整範囲を広げることができる。このようにすれば、送電中に送電装置１１と受電装置１２の位置関係が変わり、Ｃ３の値が変動したとしても、その変動を補償するようにＣ１’、Ｃ２’、Ｌ１’、Ｌ２’を適宜調整することができる。その結果、共振を維持して安定的な電力を供給することができる。
容量の可変手段には、バラクタダイオード（可変容量ダイオード）を用いることができるし、複数の容量をスイッチトランジスタと組み合わせて構成することもできる。インピーダンスを調整するインダクタＬ１’とＬ２’としては、移相器や、可変インダクタなどを用いることができる。
【００３１】
以降においては、第１アンテナ１１１自身が有する容量成分と可変容量や移相器などのインピーダンス調整回路の容量成分の合成容量成分をＣ１０と称し、合成容量成分Ｃ１０を、第１アンテナ１１１のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ１０として説明する。さらに、第１アンテナ１１１自身が有するインダクタンス成分と可変容量や移相器などのインピーダンス調整回路のインダクタンス成分の合成インダクタンス成分をＬ１０と称し、合成インダクタンス成分Ｌ１０を、第１アンテナ１１１のインピーダンスを構成しているインダクタンス成分Ｌ１０として説明する。同様に、第２アンテナ１２１自身が有する容量成分と可変容量や移相器などのインピーダンス調整回路の容量成分の合成容量成分をＣ２０と称し、合成容量成分Ｃ２０を、第２アンテナ１２１のインピーダンスを構成している容量成分Ｃ２０として説明する。さらに、第２アンテナ１２１自身が有するインダクタンス成分と可変容量や移相器などのインピーダンス調整回路のインダクタンス成分の合成インダクタンス成分をＬ２０と称し、合成インダクタンス成分Ｌ２０を、第２アンテナ１２１のインピーダンスを構成しているインダクタンス成分Ｌ２０として説明する。
【００３２】
本実施形態の電力伝送システム１においては、容量成分Ｃ１０、容量成分Ｃ２０、容量成分Ｃ３、および距離ｄが所定の条件を満たす場合に、特に高い電力伝送効率を得ることができる。距離ｄは、第１アンテナと第２アンテナとの間隔を示す。
【００３３】
図５は、第１アンテナ１１１、第２アンテナ１２１の容量成分及び送受電装置間に生じる容量成分が電力伝送効率に与える影響を示す図である。図５の縦軸は、電力供給効率（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を示す。図５の横軸は、「送受電装置１１および送受電装置１２間に生じる容量成分Ｃ３」×「送受電装置１１および送受電装置１２間の距離ｄ」／（「送受電装置１１の容量Ｃ１０」＋「送受電装置１２の容量ＣＣ２０」）を示す。
図５によると、インピーダンス整合がとられている場合に、上記Ｃ１０［ｐＦ］、Ｃ２０［ｐＦ］，Ｃ３［ｐＦ］，ｄ［ｃｍ］が式（１）の条件を満たすときに、特に高い電力伝送効率が得られることがわかる。
【００３４】
【数１】
2014129531.tif 000003
【００３５】
インピーダンス整合がとれていればインピーダンス調整回路が無くてもよい。その場合は、「３０＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５」の関係を満たすときに、特に高い電力伝送効率が得られる。
本実施形態において数１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の周波数帯の電力を考えた場合、第１コイル１１６、第２コイル１２６の外形面積が１０ｃｍ２〜３０ｃｍ２程度、第１アンテナ１１１と第２アンテナ１２１の距離ｄが５ｃｍ〜６０ｃｍ程度の条件で、式（１）を満たすことができる。
【００３６】
本実施形態においては、第１コイル１１６の外径と第１包含部１１７の寸法との比、及び、第２コイル１２６の外径と第２包含部１２７の寸法との比が所定の条件を満たす場合に、特に高い電力伝送効率を得ることができる。
【００３７】
図６Ａおよび図６Ｂは、第１コイル１１６の外径と第１包含部１１７の寸法との比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
図６Ｂは、第１包含部１１７のコイル面に沿う方向の大きさｄ１、および第１コイル１１６の外径ｄ２を示す。図６Ａによると、大きさｄ１を固定し、外径ｄ２を可変して、比（ｄ１／ｄ２）を１．２以上にすることで、作製可能な最小比である１よりも５％以上の高い電力伝送効率を得ることができる。さらに、最小比よりも１０％以上の高い電力伝送効率を得たい場合には、比（ｄ１／ｄ２）の値は１．４以上が好ましい。ただし、第２アンテナ１２１における第２コイル１２６の外径と第２包含部１２７の寸法についても第１コイル１１６の外径と第１包含部１１７の寸法と同様の変更を行った場合である。また、第１アンテナ１１１、第２アンテナ１２１ともに上記の条件を満たせば、より高い効果を得ることができる。
【００３８】
次に、本実施形態による電力伝送システム１の具体的な動作について順を追って説明する。
まず、電力伝送時の動作について述べる。電力伝送時には、第１切替回路１１８は、第１アンテナ１１１と第１電力伝送回路１１２を繋ぐ。この切替の制御は第１制御回路１１４が行う。第２切替回路１２８は、第２アンテナ１２１と第２電力伝送回路１２２を繋ぐ。この切替の制御は第２制御回路１２４が行う。その後、第１電力伝送回路１１２の交流電源（図示せず）が所定の周波数で交流電力を出力する。次に、出力された交流電力は、第１電力伝送回路１１２内の第１インピーダンス調整部１１９、および第１切替回路１１８を介して、第１コイル１１６に供給される。第１アンテナ１１１は、その交流電力を、電磁エネルギとして外部（良導体媒質１３）へと出力する。受電装置１２の第２アンテナ１２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。ここで、第１インピーダンス調整部１１９及び第２インピーダンス調整部１２９は、第１アンテナ１１１、第２アンテナ１２１、良導体媒質１３の各インピーダンスの合成インピーダンスが、伝送電力の周波数で共振するように調整されている。第２アンテナ１２１、すなわち、第２コイル１２６によって受け取られた電力は、第２切替回路１２８、第２電力伝送回路１２２内の第２インピーダンス調整部１２９、第２電力伝送回路１２２内のコンバータ（図示せず）に順に流入する。このコンバータによって交流から直流に変換されたエネルギが、二次電池１２５に供給される。以上により、電力伝送が完了する。
【００３９】
本実施形態による電力伝送システム１では、第１アンテナ１１１、第１インピーダンス調整部１１９、第２アンテナ１２１、第２インピーダンス調整部１２９、良導体媒質１３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数で電力を出力させることで、第２アンテナ１２１に入力される電力を最大とすることができる。また、第１包含部１１７及び第２包含部１２７は、良導体媒質１３中への電界の拡がりを抑える。これにより、良導体媒質１３中に拡散して消滅する電磁エネルギを抑える効果がある。
【００４０】
図７は、第一の実施形態による電力伝送システム１における電界ベクトルと磁界ベクトルを示す図である。図７において、“Ｅ”は電界を表し、“Ｈ”は磁界を表す。
図８は、第一の実施形態による電力伝送システム１における電界ベクトルと磁界ベクトルに基づいて生じるポインティングベクトルＶ（エネルギの流れ）を示す図である。
図７は、電力伝送時において、第１アンテナ１１１と第２アンテナ１２１の間に生じる電界と磁界のシミュレーション結果を模式的に示した図である。図７に示すように、本実施形態の電力伝送システム１では、第１包含部１１７及び第２包含部１２７が良導体媒質１３中への電界の拡がりを抑える。所定の良導体媒質１３とコイルに流れる電流により発生する磁界が良導体媒質１３に渦電流を生じさせる。その渦電流が新たな磁界を作り出す。このような現象が繰り返すことで、コイル面に対して電界と磁界をほぼ平行にすることができる。その結果、図８に示すように、第１アンテナ１１１から第２アンテナ１２１へのポインティングベクトルＶ（電磁エネルギの流れ）をコイル面に対してほぼ垂直に生じさせることが可能となる。
【００４１】
次に、通信時の動作について述べる。ここでは、送電装置１１から受電装置１２へ通信する場合について記述する。受電装置１２から送電装置１１への通信でも、動作は同じである。通信時には、第１切替回路１１８、第２切替回路１２８は、電力伝送部と無線通信回路を繋ぐ。この切替の制御は、第１制御回路１１４および第２制御回路１２４が行う。その後、第１無線通信回路１１３から、所定の周波数で通信信号を出力する。出力された通信信号は、第１切替回路１１８、第１コイル１１６を通して、第１アンテナ１１１から、電磁エネルギとして外部（良導体媒質１３）へと出力する。受電装置１２の第２アンテナ１２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。第２アンテナ１２１、すなわち、第２コイル１２６によって受け取られた通信信号は、第２切替回路１２８を介して、第２無線通信回路１２３に入力される。以上により、通信信号の伝送が完了する。
通信に用いた周波数は、電力伝送の時と同様に、第１アンテナ１１１と第２アンテナ１２１と良導体媒質１３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数である。
【００４２】
図９は、比（通信周波数／電力伝送周波数）と（効率×通信レート）との関係を示す図である。
図９で示すように、電力伝送に用いる周波数（ｆ１）よりも、通信に用いる周波数（ｆ２）を高くすることで、高い電力供給効率と、高い通信レートを得ることができる。特に、「１０００＞比（ｆ２／ｆ１）＞1０」の関係とすることで、高い電力供給効率と、高い通信レートを得ることができる。これは、電力伝送に用いる周波数（ｆ１）を下げることで電力供給効率が高くなる一方で、通信に用いる周波数（ｆ２）を下げると受信信号レベルが上がりＳ／Ｎ比は向上するが比帯域が減少するためである。
【００４３】
以上より、本実施の形態による電力伝送システム１は、送電装置１１と受電装置１２が比較的離れた近傍界であっても、良導体媒質に拡散して消滅してしまう電磁エネルギを最小限に抑えることができる。結果として、海水等の良導体媒質中における無線電力伝送で長距離化と通信が可能となる。
【００４４】
＜第二の実施形態＞
図１０は、本発明の第二の実施形態による電力伝送システム２の構成を示す図である。
第二の実施形態による電力伝送システム２を、図面を参照しながら説明する。
図１０において、電力伝送システム２は、送電装置２１及び受電装置２２を備えている。送電装置２１は、第１アンテナ２１１、第１電力伝送回路２１２、第１無線通信回路２１３、第１制御回路２１４、第１切替回路２１８を備える。受電装置２２は、第２アンテナ２２１、第２電力伝送回路２２２、第２無線通信回路２２３、第２制御回路２２４、第２切替回路２２８を備える。受電装置２２は、さらに二次電池２２５は有していてもよい。
第１アンテナ２１１は、第１コイル２１６、第１コイル２１６を覆う第一誘電体から成る送電側一次包含部２１７１、及び送電側一次包含部２１７１を覆う第二誘電体から成る送電側二次包含部２１７２を備えている。送電側一次包含部は、第１の一次包含部と称する場合がある。送電側二次包含部は、第１の二次包含部と称する場合がある。第２アンテナ２２１は、第１アンテナ２１１と同様の構成を有する。すなわち、第２アンテナ２２１は、第２コイル２２６、受電側一次包含部２２７１、および受電側二次包含部２２７２を備えている。受電側一次包含部は、第２の一次包含部と称する場合がある。受電側二次包含部は、第２の二次包含部と称する場合がある。第１アンテナ２１１及び第２アンテナ２２１は、良導体媒質２３に覆われている。
本実施形態においては、第１の一次包含部及び第２の一次包含部を総称して一次包含部とする。また、第１の二次包含部及び第２の二次包含部を総称して二次包含部とする。
【００４５】
第１の一次包含部２１７１、第１の二次包含部２１７２、第２の一次包含部２２７１及び第２の二次包含部２２７２は、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜１０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成してもよい。
【００４６】
第１の一次包含部２１７１を構成する第一誘電体の比誘電率は、第１の二次包含部２１７２を構成する第二誘電体の比誘電率と異なっていてもよいし、同一であってもよい。第１の一次包含部２１７１を構成する第一誘電体の誘電正接は、第１の二次包含部２１７２を構成する第二誘電体の誘電正接と異なっていてもよいし、同一であってもよい。第２の一次包含部２２７１を構成する第一誘電体及び第２の二次包含部２２７２を構成する第二誘電体についても同様である。
【００４７】
図１０に示すように、第１アンテナ２１１及び第２アンテナ２２１の両方が、一次包含部及び二次包含部を有しているが、この構成に限られない。本実施形態においては、第１アンテナ２１１および第２アンテナ２２１の一方のみが一次包含部及び二次包含部を有していてもよい。
本実施形態の電力伝送システム２は、第一の実施形態で説明したインピーダンス調整部を備えていてもよい。
【００４８】
本実施形態の電力伝送システム２においては、第１の一次包含部２１７１及び第１の二次包含部２１７２を構成する各誘電体の誘電正接が所定の条件を満たす場合に、さらに高い電力伝送効率を得ることができる。
【００４９】
図１１は、第一誘電体の誘電正接及び第二誘電体の誘電正接の比が電力伝送効率に与える影響を示す図である。図１１の縦軸は、電力供給効率（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を示す。図１１の横軸は、第１の一次包含部２１７１の誘電正接に対する第１の二次包含部２１７２の誘電正接の比を示す。図１１は、第１の一次包含部２１７１の比誘電率が１０であり、第１の二次包含部２１７２の比誘電率が２．１である場合を示す。
図１１によると、第二誘電体の誘電正接を第一誘電体の誘電正接よりも大きくすることで、より高い電力伝送効率が得られることがわかる。これは、第１の二次包含部２１７２（第２の二次包含部２２７２）を構成する第二誘電体によって、良導体媒質２３への電界の拡がりを抑制する効果を得るとともに、第１の一次包含部２１７１（第２の一次包含部２２７１）を構成する第一誘電体の誘電正接を小さくすることで、送電側コイル２１６（受電側コイル２２６）近傍における誘電損失を低減させることができる効果に基づく。
【００５０】
本実施形態の電力伝送システム２においては、第１の一次包含部２１７１及び第１の二次包含部２１７２を構成する各誘電体の誘電率が所定の条件を満たす場合に、さらに高い電力伝送効率を得ることができる。
【００５１】
図１２は、第一誘電体の比誘電率及び第二誘電体の比誘電率が電力伝送効率に与える影響を示す図である。
図１２の縦軸は、電力供給効率（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）を示す。図１２の横軸は、第１の一次包含部２１７１の比誘電率に対する第１の二次包含部２１７２の比誘電率の比を示す。図１１は、第一誘電体の誘電正接および第二誘電体の誘電正接が一定である場合を示す。
図１２によると、第二誘電体の比誘電率を第一誘電体の比誘電率よりも大きくすることで、より高い電力伝送効率が得られることがわかる。
【００５２】
次に、本実施形態による電力伝送システム２の具体的な動作について順を追って説明する。
まず、電力伝送時の動作について述べる。電力伝送時には、第１切替回路２１８、第２切替回路２２８は、電力伝送部と電力伝送回路を繋ぐ。この切替の制御は第１制御回路２１４および第２制御回路２２４が行う。その後、第１電力伝送回路２１２の交流電源（図示せず）が、所定の周波数で交流電力を出力する。出力された交流電力は、第１電力伝送回路２１２内の第１インピーダンス調整部２１９、および第１切替回路２１８を介して、第１コイル２１６に供給される。第１アンテナ２１１は、その交流電力を、電磁エネルギとして外部（良導体媒質２３）へ出力する。受電装置２２の第２アンテナ２２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。ここで、第１インピーダンス調整部２１９及び第２インピーダンス調整部２２９は、第１アンテナ２１１、第２アンテナ２２１、良導体媒質２３の各インピーダンスの合成インピーダンスが、伝送電力の周波数で共振するように調整されている。第２アンテナ２２１、すなわち、第２コイル２２６によって受け取られた電力は、第２切替回路２２８、第２電力伝送回路２２２内の第２インピーダンス調整部２２９、および第２電力伝送回路２２２内のコンバータ（図示せず）に順に流入する。このコンバータで交流から直流に変換されエネルギが、二次電池２２５に供給される。以上により、電力伝送が完了する。
【００５３】
本実施形態による電力伝送システム２では、第１アンテナ２１１、第１インピーダンス調整部２１９、第２アンテナ２２１、第２インピーダンス調整部２２９、良導体媒質２３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数で電力を出力させることで、第２アンテナ２２１に入力される電力を最大とすることができる。
第１の二次包含部２１７２及び第２の二次包含部２２７２は、良導体媒質２３中への電界の拡がりを抑える。これにより、良導体媒質２３中に拡散して消滅する電磁エネルギを最小限に抑えることができる。
第１の一次包含部２１７１及び第２の一次包含部２２７１は、第１コイル２１６及び第２コイル２２６近傍における誘電損失を低減させることができる。
【００５４】
次に、通信時の動作について述べる。ここでは、送電装置２１から受電装置２２へ通信する場合について記述する。受電装置２２から送電装置２１への通信でも、動作は同じである。通信時には、第１切替回路２１８および第２切替回路２２８は、電力伝送部と無線通信回路を繋ぐ。この切替の制御は第１制御回路２１４および第２制御回路２２４が行う。その後、第１無線通信回路２１３は、所定の周波数で通信信号を出力する。出力された通信信号は、第１切替回路２１８、第１コイル２１６を通して、第１アンテナ２１１から、電磁エネルギとして外部（良導体媒質２３）へと出力する。受電装置２２の第２アンテナ２２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。第２アンテナ２２１、すなわち、第２コイル２２６によって受け取られた通信信号は、第２切替回路２２８を介して、第２無線通信回路２２３に入力される。以上により、通信信号の伝送が完了する。
ここで、通信に用いた周波数は、電力伝送の時と同様に、第１アンテナ２１１と第２アンテナ２２１と良導体媒質２３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数である。
【００５５】
以上より、本実施の形態による電力伝送システム２は、第一の実施形態による電力伝送システム１よりもさらに高い電力伝送効率を得ることができる。
【００５６】
＜第三の実施形態＞
図１３は、本発明の第三の実施形態による電力伝送システム３の構成を示す図である。
第三の実施形態による電力伝送システム３を、図面を参照しながら説明する。
図１３において、電力伝送システム３は、送電装置３１及び受電装置３２を備えている。送電装置３１は、第１アンテナ３１１、第１電力伝送回路３１２、第１無線通信回路３１３、第１制御回路３１４、および第１切替回路３１８を備える。受電装置３２は、第２アンテナ３２１、第２電力伝送回路３２２、第２無線通信回路３２３、第２制御回路３２４、および第２切替回路３２８を備える。受電装置３２は、二次電池３２５をさらに有していてもよい。
第１アンテナ３１１は、送電側下部コイル３１６１、送電側上部コイル３１６２、第１の一次包含部３１７１、および第１の二次包含部３１７２を備えている。送電側下部コイルは、第１下部コイルと称する場合がある。送電側上部コイルは、第１上部コイルと称する場合がある。第１の一次包含部３１７１は、第１下部コイル３１６１と第１上部コイル３１６２を覆う第一誘電体から成る。第１の二次包含部３１７２は、第１の一次包含部３１７１を覆う第二誘電体から成る。第２アンテナ３２１は、受電側下部コイル３２６１、受電側上部コイル３２６２、第２の一次包含部３２７１、および第２の二次包含部３２７２を備えている。受電側下部コイルは、第２下部コイルと称する場合がある。受電側上部コイルは、第２上部コイルと称する場合がある。第２の一次包含部３２７１は、第２下部コイル３２６１と第２上部コイル３２６２を覆う第一誘電体から成る。第２の二次包含部３２７２は、第２の一次包含部３２７１を覆う第二誘電体から成る。第１アンテナ３１１及び第２アンテナ３２１は、良導体媒質３３に覆われている。
本実施形態においては、第１の二次包含部及び第２の二次包含部を総称して、被覆部とする。
【００５７】
第１の一次包含部３１７１、第１の二次包含部３１７２、第２の一次包含部３２７１及び第２の二次包含部３２７２は、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリルなどの、比誘電率が２〜１０程度で、誘電正接が０．０１以下の誘電体で構成してもよい。
【００５８】
第１下部コイル３１６１および第１上部コイル３１６２の一方または両方が、第１の一次包含部３１７１と第１の二次包含部３１７２の両方に包含されていてもよい。同様に、第２下部コイル３２６１、および第２上部コイル３２６２の一方または両方が、第２の一次包含部３２７１と第２の二次包含部３２７２の両方に包含されていてもよい。
【００５９】
第１下部コイル３１６１と第１上部コイル３１６２には、正負の異なる交流信号が印加される。同様に、第２下部コイル３２６１と第２上部コイル３２６２には、正負の異なる交流信号が印加される。
【００６０】
図１４は、本発明の第三の実施形態の第１アンテナの変形例の構成を示す図である。
図１４で示すように、第１アンテナ３１１において、第１下部コイル３１６１、および第１上部コイル３１６２の一方または両方が、第１の二次包含部３１７２にのみに包含されていてもよい。同様に、第２アンテナ３２１において、第２下部コイル３２６１、および第２上部コイル３２６２の一方または両方が、第２の二次包含部３２７２のみに包含されていてもよい。
【００６１】
第１の一次包含部３１７１を構成する第一誘電体の比誘電率は、第１の二次包含部３１７２を構成する第二誘電体の比誘電率と異なっていてもよいし、同一であってもよい。第１の一次包含部３１７１を構成する第一誘電体の誘電正接は、第１の二次包含部３１７２を構成する第二誘電体の誘電正接の誘電正接と異なっていてもよいし、同一であってもよい。第２の一次包含部３２７１を構成する第一誘電体、第２の二次包含部３２７２を構成する第二誘電体についても同様である。
【００６２】
図１３に示すように、第１アンテナ３１１及び第２アンテナ３２１の両方が、上記に説明した一次包含部、および二次包含部を有しているが、この構成に限られない。本実施形態においては、第１アンテナ３１１および第２アンテナ３２１の一方のみが第一包含部、および第二包含部を有していてもよい。
本実施の形態による電力伝送システム３は、第一の実施形態で説明したインピーダンス調整部を備えていてもよい。
【００６３】
図１３に示したように、第１コイル、もしくは、第２コイルを分割することで、コイルの容量成分（Ｃ１、Ｃ２）がより高まり、第二誘電体による良導体媒質中への電界の拡がりを抑える効果が高まる。
【００６４】
次に、本実施形態による電力伝送システム３の具体的な動作について順を追って説明する。
まず、電力伝送時の動作について述べる。電力伝送時には、第１切替回路３１８および第２切替回路３２８は、電力伝送部と電力伝送回路を繋ぐ。この切替の制御は第２制御回路３２４が行う。その後、第１電力伝送回路３１２の交流電源（図示せず）が所定の周波数で交流電力を出力する。出力された交流電力は、第１電力伝送回路３１２内の第１インピーダンス調整部３１９、および第１切替回路３１８を介して、第１コイル３１６に供給される。第１アンテナ３１１は、その交流電力を、電磁エネルギとして外部（良導体媒質３３）へ出力する。受電装置３２の第２アンテナ３２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。ここで、第１インピーダンス調整部３１９及び第２インピーダンス調整部３２９は、第１アンテナ３１１、第２アンテナ３２１、良導体媒質３３の各インピーダンスの合成インピーダンスが、伝送電力の周波数で共振するように調整されている。第２アンテナ３２１、すなわち、第２コイル３２６によって受け取られた電力は、第２切替回路３２８、第２電力伝送回路３２２内の第２インピーダンス調整部３２９、および第２電力伝送回路３２２内のコンバータ（図示せず）に順に流入する。このコンバータで交流から直流に変換されエネルギが、二次電池３２５に供給され、電力伝送が完了する。
【００６５】
本実施形態による電力伝送システム３では、第１アンテナ３１１、第２アンテナ３２１、良導体媒質３３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数で電力を出力させることで、第２下部コイル３２６１と第２上部コイル３２６２に入力される電力を最大とすることができる。
第１の二次包含部３１７２及び第２の二次包含部３２７２は、良導体媒質３３中への電界の拡がりを抑える。これにより、良導体媒質３３中に拡散して消滅する電磁エネルギを最小限に抑えることができる。
第１の一次包含部３１７１及び第２の一次包含部３２７１は、コイルの容量成分である、第１下部コイル３１６１と第１上部コイル３１６２の間の容量成分、そして、第１下部コイル３１６１と第１上部コイル３１６２の間の容量成分を高めつつ、コイル近傍の誘電損失を低減させる効果がある。
【００６６】
次に、通信時の動作について述べる。ここでは、送電装置３１から受電装置３２へ通信する場合について記述する。受電装置３２から送電装置３１への通信でも、動作は同じである。通信時には、第１切替回路３１８および第２切替回路３２８は、電力伝送部と無線通信回路を繋ぐ。この切替の制御は第１制御回路３１４および第２制御回路３２４が行う。その後、第１無線通信回路３１３は、所定の周波数で通信信号を出力する。出力された通信信号は、第１切替回路３１８を介して、第１アンテナ３１１から、電磁エネルギとして外部（良導体媒質３３）へと出力する。受電装置３２の第２アンテナ３２１は、出力された電磁エネルギを受け取る。第２アンテナ３２１によって受け取られた通信信号は、第２切替回路３２８を介して、第２無線通信回路３２３に入力される。以上により、通信信号の伝送が完了する。
ここで、通信に用いた周波数は、電力伝送の時と同様に、第１アンテナ３１１と第２アンテナ３２１と良導体媒質３３の各インピーダンスの合成インピーダンスで定まる共振周波数である。
【００６７】
以上より、本実施の形態による電力伝送システム３は、第一の実施形態による電力伝送システム１及び第二の実施形態による電力伝送システム２よりもさらに高い電力伝送効率を図ることができる。
【００６８】
＜第四の実施形態＞
図１５は、本発明の第四の実施形態による電力伝送システム４の構成を示す図である。
図１５に示すように、第四の実施形態による電力伝送システム４において、潜水艇１５は送電装置１１を備え、センサ１４は受電装置１２を備えている。本実施形態の技術を用いることで、潮流が起こってセンサ１４と潜水艇１５の位置関係がほぼ密接した状態から変動した場合であっても、第１包含部１１７及び第２包含部１２７が良導体媒質１３中への電界の拡がりを抑える。また、所定の良導体媒質１３とコイルに流れる電流により発生する磁界が良導体媒質１３に渦電流を生じさせる。さらに、その渦電流が新たな磁界を作り出す。このような現象を繰り返すことで、コイル面に対して電界と磁界をほぼ平行にすることができる。その結果、電力伝送効率のよい安定した電力供給と通信を行うことが可能になる。
【００６９】
＜第五の実施形態＞
図１６は、本発明の第五の実施形態による電力伝送システム５の構成を示す図である。
図１６に示すように、第五の実施形態による電力伝送システム５において、潜水艇１６は送電装置１１を備え、潜水艇１７は受電装置１２を備えている。本実施形態の技術を用いることで、潮流が起こって潜水艇１６と潜水艇１７の位置関係がほぼ密接した状態から変動した場合であっても、第１包含部１１７及び第２包含部１２７が良導体媒質１３中への電界の拡がりを抑える。また、所定の良導体媒質１３とコイルに流れる電流により発生する磁界が良導体媒質１３に渦電流を生じさせる。さらに、その渦電流が新たな磁界を作り出す。このような現象を繰り返すことで、コイル面に対して電界と磁界をほぼ平行にすることができる。その結果、電力伝送効率のよい安定した電力供給と通信を行うことが可能になる。
【００７０】
潜水艇１６と潜水艇１７は、送電装置１１を受電装置として用い、受電装置１２を送電装置として用いることで、双方向に電力供給を行うことが可能である。別法として、潜水艇１６及び潜水艇１７各々は、送電装置１１と受電装置１２の両方を備えていてもよい。
送電装置１１を備える潜水艇１６は、船舶または海底に敷設された電力供給源等であってもよい。
【００７１】
＜第六の実施形態＞
図１７は、本発明の第六の実施形態による電力伝送システム６の構成を示す図である。
図１７に示すように、第六の実施形態による電力伝送システム６において、送電装置１１は電源ケーブル１８の接続部に備えられ、受電装置１２は電源ケーブル１９の接続部に備えられている。本実施形態の技術を用いることで、海水（良導体媒質１３）の中であっても、無線で電力供給を行うことができる。その結果、電源ケーブル間を非接触で接続することが可能になり、電源ケーブルの交換が容易で、磨耗することなく信頼性も向上する。
【００７２】
電源ケーブル１８と電源ケーブル１９は、送電装置１１を受電装置として用い、受電装置１２を送電装置として用いることで、双方向に電力供給を行うことが可能となる。電源ケーブル１８と電源ケーブル１９各々は、送電装置１１と受電装置１２の両方を備えていてもよい。送電装置１１及び受電装置１２は無線で情報通信する機能を搭載している。このため、無線通信用の機構を別途設ける必要がなく、電力伝送と共通の機構を使用することにより、小型で低コストのシステムとすることができる。
【実施例１】
【００７３】
図１８は、本発明の第一の実施形態による電力伝送システム１の効果を実証するためのシミュレーションモデルを示す図である。
図１８に示すシミュレーションモデルを用いた第一の実施形態による電力伝送システム１の効果を実証したシミュレーションについて説明する。
第一の実施形態による電力伝送システム１は、図１８に示すように、送電装置４１及び受電装置４２を備えている。送電装置４１及び受電装置４２は、良導体媒質として作用する海水４３で覆われている。送電装置４１は第１アンテナ４１１を備えている。第１アンテナ４１１は第１コイル４１６と第１包含部４１７を備えている。受電装置４２は第２アンテナ４２１を備えている。第２アンテナ４２１は第２コイル４２６と第２包含部４２７を備えている。第１コイル４１６と第２コイル４２６は、スパイラルコイルから成る。【００７４】
図１９は、本発明の実施例１における送電装置４１の上面概略図である。
第１コイル４１６は、図１９に示すように、直径２ｍｍの導線を外径２２０ｍｍ、内径１００ｍｍで２９巻きした単層スパイラルコイル２個を、距離３ｍｍ離して対向させた構造をしている。給電ポートＰは、コイルに電界を発生させるための電力印加端子である。この対向させたヘリカルコイルに対して給電ポートＰから交流電力を印加する。内部誘電体（第１包含部）４１７はフッ素樹脂で構成されている。被覆誘電体（送電装置）４１はアクリルで構成されている。被覆誘電体４１のサイズは、縦２５５ｍｍ、横２５５ｍｍ、高さ１９ｍｍである。電力伝送システム１の共振周波数は約１ＭＨｚである。本実施例では、スパイラルコイルの外径のサイズｄ２と、被覆誘電体のサイズｄ１の比（ｄ１／ｄ２）が、１より大きい１．１６であっても、充分高い電力伝送効率が得られている。比（ｄ１／ｄ２）を、１．１６より大きくすれば、さらに高い電力伝送効率が得られる。
受電装置４２の構成は、送電装置４１と同一である。ただし、ここで示した構成は一例であって、送電装置４１と受電装置４２が同一の構成でなくても、同様の効果が得られる。【００７５】
図２０は、本発明の実施例１における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。
送電装置４１と受電装置４２との距離ｄを１０ｃｍとし、海水中において電力伝送効率のシミュレーションを行った。その結果、電力伝送効率は、図２０に示すように、伝送電力の周波数（ｆ）が１ＭＨｚ付近において、４０％以上と高い値となった。【００７６】
図２１Ａおよび２１Ｂは、本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置４１と受電装置４２近傍の電界を示す図である。図２１Ａは側断面図を示す。図２１Ｂは平面断面図を示す。
図２２Ａおよび２２Ｂは、本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置４１と受電装置４２近傍の磁界を示す図である。図２２Ａは側断面図を示す。図２２Ｂは平面断面図を示す。
図２３Ａおよび２３Ｂは、本発明の実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置４１と受電装置４２近傍のポインティングベクトルを示す図である。図２３Ａは側断面図を示す。図２３Ｂは平面断面図を示す。
実施例１の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置４１と受電装置４２近傍の電界は、図２１Ａおよび２１Ｂに示すように、コイル面と平行な面に沿って回転している。磁界は、図２２Ａおよび２２Ｂに示すように、コイル面と平行な面に沿って放射状に生成されている。ポインティングベクトル（エネルギの流れ）は、このような電界と磁界の流れに基づいて、図２３Ａおよび２３Ｂに示すように、コイル面とほぼ垂直な方向に発生する。この結果、送電装置４１と受電装置４２との距離が１０ｃｍ程度離れた海水中であっても、コイル面に対してほぼ垂直な方向にエネルギの流れが形成され、海水中での長距離化が可能となる。【００７７】
図２４Ａおよび２４Ｂは、本発明の実施例１による電力伝送システム１で使用した媒質を海水から大気に変更した場合のポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。図２４Ａは側断面図を示す。図２４Ｂは平面断面図を示す。
図２４Ａおよび２４Ｂは、大気中において、本実施例による電力伝送システム１の送電装置４１と受電装置４２を１０ｃｍ離したときのポインティングベクトルのシミュレーション結果を示している。
図２４Ａおよび２４Ｂからわかるように、実施例１による電力伝送システム１で使用した媒質を海水から大気に変更した場合、送受電装置面に対して垂直なエネルギの流れは生じず、エネルギは螺旋を描くような流れとなっている。すなわち、コイル面に対してほぼ垂直なエネルギの流れが生じる現象は、良導体媒質中を伝搬するエネルギ特有の現象であり、大気中を伝搬する際には生じない現象である。本発明の実施形態は、良導体媒質中を伝搬するエネルギ特有のコイル面に対してほぼ垂直なエネルギの流れが生じるという現象を利用している。【００７８】
図２５Ａおよび２５Ｂは、関連する磁界共鳴技術を用いた場合の大気中におけるポインティングベクトルのシミュレーション結果を示す図である。図２５Ａは、送電装置１００１および受電装置１００２の側断面図を示す。図２５Ｂは平面断面図を示す。
図２５Ａおよび２５Ｂからわかるように、関連する磁界共鳴技術を用いた場合も、図２４Ａおよび２４Ｂの場合と同様、コイル面に対して垂直なエネルギの流れは生じず、エネルギは螺旋を描くような流れとなっている。しかしながら、図２５Ａおよび２５Ｂの場合における電力伝送効率は９０％である。既に述べたように、この関連する技術による電力伝送システムを用いて、海水中において、無線電力伝送を試みても高い電力伝送効率は得られない。具体的には、シミュレーションの結果では、１０ｃｍの距離で１０％程度の電力伝送効率しか得られないことがわかった。【００７９】
送電装置１００１の第１コイルと第２コイルの受電装置１００２を貫く鎖交磁束が最大となる位相条件における磁界は、図２２Ａおよび２２Ｂで示した本実施例の三次元電磁界シミュレーションにおける送電装置４１と受電装置４２近傍の磁界と同一である。
関連する磁界共鳴技術と、本実施例による電力伝送システム１との物理的な相違点について、以下で説明する。
本実施例による電力伝送システム１では、図２２Ａおよび２２Ｂで示したように、送電装置４１の第１コイル４１６を貫く鎖交磁束と、受電装置４２の第２コイル４２６を貫く鎖交磁束が互いに逆方向の向きとなることで、磁界が最大となり、コイル面に対して平行な磁界を生成する。
一方、関連する磁界共鳴を用いた無線電力伝送技術では、密結合にした場合に共振周波数が２つに分割し、高い方の共振周波数において、送電装置１００１と受電装置１００２のコイルを貫く鎖交磁束の位相が逆相となることが一般に知られている。また、同技術において、共振周波数が分割しない疎結合の状態においては、送電装置４１と受電装置４２のコイルを貫く鎖交磁束の位相が同相となることが一般に知られている。
本実施例が関連する磁界共鳴技術との本質的に違う点は、密結合状態ではなく、共振周波数が分割しない疎結合の状態で、送電装置４１の第１コイル４１６と受電装置４２の第２コイル４２６を貫く鎖交磁束の位相が逆相となることである。【００８０】
図２６Ａおよび２６Ｂは、本発明の第一の実施形態による電力伝送システム１の効果を実際に海水中で実験した結果を示す図である。図２６Ａは、低周波（給電用途）の場合の結果を示す。図２６Ｂは、高周波（通信用途）の場合の結果を示す。図２６Ｂにおいて、矢印Ｒ１は通信用途の部分を示している。矢印Ｒ２はノイズレベルを示している。
送電装置４１と受電装置４２との距離ｄは１０ｃｍである。給電が低周波（約１ＭＨｚ）で行われた場合、電力伝送効率は３０％以上の高い値となった。また、通信が高周波（約９０ＭＨｚ）で行われた場合、ノイズレベルよりも３０ｄＢ以上高い信号強度が得られ、また、比帯域も数ＭＨｚ以上取れる。このため、高い通信レートの通信を行うことができる。
【実施例２】
【００８１】
図２７は、本発明の第三の実施形態による電力伝送システム３の効果を実証するためのシミュレーションモデルを示す図である。
図２７のシミュレーションモデルを用いた第三の実施形態による電力伝送システム３の効果を実証したシミュレーションについて説明する。
第三の実施形態による電力伝送システム３は、図２７に示すように、送電装置５１及び受電装置５２を備えている。送電装置５１及び受電装置５２は、良導体媒質５３で覆われている。送電装置５１は第１アンテナ５１１を備えている。第１アンテナ５１１は、第１下部コイル５１６１、第１上部コイル５１６２、第１の一次包含部５１７１、および第１の二次包含部５１７２を備えている。第１の一次包含部５１７１は、第１下部コイル５１６１と第１上部コイル５１６２とを覆う第一誘電体から成る。第１の二次包含部５１７２は、第１の一次包含部５１７１を覆う第二誘電体から成る。受電装置５２は第２アンテナ５２１を備えている。第２アンテナ５２１は、第２下部コイル５２６１と第２上部コイル５２６２、第２の一次包含部５２７１、および第２の二次包含部５２７２を備えている。第２の一次包含部５２７１は、第２下部コイル５２６１と第２上部コイル５２６２とを覆う第一誘電体から成る。第２の二次包含部５２７２は、第２の一次包含部５２７１を覆う第二誘電体から成る。【００８２】
本実施例におけるシミュレーションモデルは、図２７で示すように、第１の二次包含部５１７２が、第１の一次包含部５１７１の上面及び下面（コイル面と平行な面）のみを覆う構造となっている。すなわち、第１の一次包含部５１７１は、２つの第１の二次包含部５１７２で挟み込まれている。一方、第１の一次包含部５１７１の側面（コイル面と垂直な面）は、直接、送電装置５１によって覆われている。また、本実施例におけるシミュレーションモデルは、第２の二次包含部５２７２が、第２の一次包含部５２７１の上面及び下面のみを覆っている。すなわち、第２の一次包含部５２７１は、２つの第２の二次包含部５２７２で挟み込まれている。一方、第２の一次包含部５２７１の側面は、直接、受電装置５２によって覆われている。【００８３】
図２８は、本発明の実施例２における送電装置５１の側面概略図である。図２８において、長さＬ１は２６０ｍｍ、長さＬ２は２５０ｍｍ、長さＬ３は０．５ｍｍ、長さＬ４は２．５ｍｍ、長さＬ５は１ｍｍ、長さＬ６は５ｍｍである。
第１の一次包含部５１７１の寸法は、縦２５０ｍｍ、横２５０ｍｍ、高さ０．５ｍｍである。第１の一次包含部５１７１は、フッ素樹脂からなる。第１の一次包含部５１７１の比誘電率は６．２であり、誘電正接は０．００１９である。
第１の二次包含部５１７２は、寸法が縦２５０ｍｍ、横２５０ｍｍ、高さ２．５ｍｍのフッ素樹脂を２つ用いて構成される。第１の二次包含部５１７２の比誘電率は１０．２、誘電正接は０．００２４である。
送電装置５１の寸法は、縦２６０ｍｍ、横２６０ｍｍ、高さ２６．５ｍｍ、厚さ５ｍｍである。送電装置５１はアクリルからなる。アクリルの比誘電率は３．３、誘電正接は０．０４である。
本実施例においては、受電装置５２も、上述した送電装置５１と同一の構成としてシミュレーションを行っている。【００８４】
図２９は、本発明の実施例２における送電装置５１の第１下部コイル５１６１を受電装置５２側から見た図である。第１下部コイル５１６１は給電ポートＰ１を有する。図２９において、長さＬ１１およびＬ１２は２０８ｍｍである。
また、図３０は、本発明の実施例２における送電装置５１の第１上部コイル５１６２を受電装置５２側から見た図である。第１上部コイル５１６２は給電ポートＰ２を有する。図３０において、長さＬ２１およびＬ２２は２０８ｍｍである。
第１下部コイル５１６１は、外周辺２０８ｍｍ、５０巻の導体から成る配線で構成されたスパイラルコイルである。第１下部コイル５１６１の配線の直径は１ｍｍ、配線の間隔は１ｍｍである。
第１上部コイル５１６２は、第１下部コイル５１６１と同サイズとした。第１下部コイル５１６１と第１上部コイル５１６２は、０．５ｍｍ離して配置されている。第１下部コイル５１６１の最外周の端部と第１上部コイル５１６２の最外周の端部とが、高周波電力の給電ポートＰ１、Ｐ２となる。第１下部コイル５１６１の螺旋の向きと第１上部コイル５１６２の螺旋の向きは、給電ポートＰ１、Ｐ２を介して、同一方向に磁界が発生する向きで構成する。【００８５】
図３１は、本発明の実施例２における受電装置５２の第２下部コイル５２６１を送電装置５１側から見た図である。第２下部コイル５２６１は受電ポートＰ３を有する。図２９において、長さＬ３１およびＬ３２は２０８ｍｍである。
図３２は、本発明の実施例２における受電装置５２の第２上部コイル５２６２を送電装置５１側から見た図である。第２上部コイル５２６２は受電ポートＰ４を有する。図３２において、長さＬ３１およびＬ３２は２０８ｍｍである。
第２下部コイル５２６１は、外周辺２０８ｍｍ、５０巻の導体から成る配線で構成されたスパイラルコイルである。第２下部コイル５２６１の配線の直径は１ｍｍ、配線の間隔は１ｍｍである。
第２上部コイル５２６２は、第２下部コイル５２６１と同サイズとした。第２下部コイル５２６１と第２上部コイル５２６２は、０．５ｍｍの距離を離して配置されている。第２下部コイル５２６１の最外周の端部と第２上部コイル５２６２の最外周の端部とが、高周波電力の受電ポートＰ３、Ｐ４となる。第２下部コイル５２６１の螺旋の向きと第２上部コイル５２６２の螺旋の向きは、受電ポートＰ３、Ｐ４を介して、同一方向に磁界が発生する向きで構成する。【００８６】
図３３は、本発明の実施例２における電力伝送効率のシミュレーション結果を示す図である。
送電装置５１と受電装置５２とが海水中で１０ｃｍ離れている場合、電力伝送効率のシミュレーション結果は、図３３に示すように、７２％以上の高い値となった。なお、共振周波数は約１４０ｋＨzである。
本実施例における受電装置５２の構成は、送電装置５１と同一の構成である。ただし、ここで示した構成は一例であって、送電装置５１と受電装置５２とが同一の構成でなくてもよい。【００８７】
図３４は、本発明の実施例２におけるＳパラメータ（Ｓ２１）のシミュレーション結果を示す図である。矢印Ｒ１０はノイズレベルを示している。
ＳパラメータのＳ２１は、比（入力端から反射された電力／入力端に入射する電力）で定義される。図３４は、給電の周波数（ｆ１１）と共に、通信の周波数（ｆ２１）も示している。給電周波数（ｆ１１）に対して、１０〜１０００倍の周波数帯域（ｆ１１×１０〜ｆ１１×１０００の帯域）の通信周波数（ｆ１２）で高いＳ／Ｎ比が得られている。これらの給電周波数（ｆ１１）と通信周波数（ｆ１２）を利用することで、電力伝送システム３は、高い電力伝送効率の給電と高い通信レートの通信を行うことができる。【００８８】
本実施例によるシミュレーションで示されたように、コイルを被覆する誘電体を複数で構成することで、誘電体内の損失を増加させずに、低周波化することが可能になり、高い電力伝送効率が得られる。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を示し説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されない。当業者であれば、請求項によって画定される本願発明の範囲を逸脱しないで、構成や詳細に様々な変更をすることができることが理解されるであろう。【００８９】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記の用にも記載されうるが、以下には限られない。【００９０】
（付記１）送電装置と受電装置とを備える電力伝送システムであって、
前記送電装置は、
第１アンテナと、
前記第１アンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと第２アンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する第１電力伝送回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記第２アンテナと、
前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された電力を受け取る第２電力伝送回路と、
を備える電力伝送システム。【００９１】
（付記２）前記送電装置は、前記第１アンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと前記第２アンテナのインピーダンスとで定まる第２の共振周波数を有する通信信号を出力する第１無線通信回路をさらに有し、
前記受電装置は、前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された通信信号を受け取る第２無線通信回路をさらに有する
付記１に記載の電力伝送システム。【００９２】
（付記３）前記第１アンテナは、第１コイルと、前記第１コイルを覆う誘電体を有する第１包含部と有し、
前記第２アンテナは、第２コイルと、前記第２コイルを覆う誘電体を有する第２包含部とを有する
付記１に記載の電力伝送システム。【００９３】
（付記４）前記第１の共振周波数に対する前記第２の共振周波数の比は、１０よりも大きく１０００よりも小さい
付記２に記載の電力伝送システム。【００９４】
（付記５）前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ１で表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ２で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナと前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの間に存在する前記媒体とで形成される容量のキャパシタンス成分をＣ３で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの距離をｄで表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５ｃｍの関係を満たす
付記１から４のいずれか一に記載の電力伝送システム。【００９５】
（付記６）前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える付記１から４のいずれか一に記載の電力伝送システム。【００９６】
（付記７）前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える付記１から４のいずれか一に記載の電力伝送システム。【００９７】
（付記８）前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第１のインピーダンス調整部を備え、
前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第２のインピーダンス調整部を備え、
前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ１０と表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ２０で表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１０＋Ｃ２０）＞０．５ｃｍの関係を満たす
付記１から４のいずれか一に記載の電力伝送システム。【００９８】
（付記９）前記第１コイルの外径に対する前記第１包含部のコイル面に沿う方向の大きさの比が１．２よりも大きい
付記３に記載の電力伝送システム。【００９９】
（付記１０）前記第２コイルの外径に対する前記第２包含部のコイル面に沿う方向の大きさの比が１．２よりも大きい
付記３に記載の電力伝送システム。【０１００】
（付記１１）前記第１包含部は、
前記第１コイルを覆う第一誘電体を有する第１の一次包含部と、
前記第１の一次包含部を覆う第二誘電体を有する第１の二次包含部と、
を備え、
前記第２包含部は、
前記第２コイルを覆う第一誘電体を有する第２の一次包含部と、
前記第２の一次包含部を覆う第二誘電体を有する第２の二次包含部と、
を備える付記３に記載の電力伝送システム。【０１０１】
（付記１２）前記第一誘電体の誘電正接は、前記第二誘電体の誘電正接よりも低いか、または、同一である
付記１１に記載の電力伝送システム。【０１０２】
（付記１３）前記第一誘電体の比誘電率は、前記第二誘電体の比誘電率よりも低いか、または、同一である
付記１１または付記１２に記載の電力伝送システム。【０１０３】
（付記１４）前記媒体は、
導電率が１×１０−４より高く、かつ、比誘電率が１より高い
付記１から付記１３の何れか一に記載の電力伝送システム。【０１０４】
（付記１５）前記媒体が、海水、河川、淡水、水道水、土、コンクリートの何れかである
付記１から付記１４の何れか一に記載の電力伝送システム。【０１０５】
（付記１６）前記媒体の中に発生した電界の少なくとも一部が、前記送電装置の第１コイル面または前記受電装置の第２コイル面に対してほぼ平行に回転しており、かつ、前記媒体の中に発生した磁界の少なくとも一部が、前記送電装置の第１コイル面または前記受電装置の第２コイル面に対してほぼ平行に向いている
付記１から付記１５の何れか一に記載の電力伝送システム。【０１０６】
（付記１７）前記送電装置の第１コイルを貫く鎖交磁束と、前記受電装置の第２コイルを貫く鎖交磁束が、磁界が最大となる位相条件で、互いに逆方向の向きとすることで、コイル面に対して平行な磁界を生成する
付記１６に記載の電力伝送システム。【０１０７】
（付記１８）前記送電装置は、
前記第１アンテナに前記第１電力伝送回路と前記第１無線通信回路のどちらを接続するかを制御する第１制御回路
を備え、
前記受電装置は、
前記第２アンテナに前記第２電力伝送回路と前記第２無線通信回路のどちらを接続するかを制御する第２制御回路
を備える付記２に記載の電力伝送システム。【０１０８】
（付記１９）前記送電装置は、
電力伝送を行う際には、前記第１アンテナに前記第１電力伝送回路を接続する第１切替回路と、
無線通信を行う際には、前記第１アンテナに前記第２無線通信回路を接続する第２切替回路と、
を備え、
前記受電装置は、
電力伝送を行う際には、前記第２アンテナに前記第２電力伝送回路を接続する第１切替回路と、
無線通信を行う際には、前記第２アンテナに前記第２無線通信回路を接続する第２切替回路と、
を備える付記２または１８に記載の電力伝送システム。【０１０９】
（付記２０）送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電するための送電装置であって、
アンテナと、
前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する電力伝送回路と
を備える送電装置。【０１１０】
（付記２１）送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電するための受電装置であって、
アンテナと、
前記受電装置のアンテナを介して、前記送電装置から、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る電力伝送回路と
を備える受電装置。【０１１１】
（付記２２）送電装置と受電装置とのための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力し、
前記受電装置のアンテナを介して、前記出力された電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。【０１１２】
（付記２３）送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して送電する送電装置のための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する
ことを含む電力伝送方法。【０１１３】
（付記２４）送電装置と受電装置との間に介在する媒体を介して受電する受電装置のための電力伝送方法であって、
前記受電装置のアンテナを介して、前記媒体のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。【０１１４】
この出願は、２０１３年２月２０日に出願された日本国特願２０１３−０３１０２４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、電力伝送システム、送電装置、受電装置、及び電力伝送方法に適用し得る。
【符号の説明】
【０１１６】
１、２、３、４・・・電力伝送システム
１１、２１、３１、５１・・・送電装置
１２、２２、３２、４２、５２・・・受電装置
１３、２３、３３、５３・・・良導体媒質（媒体）
１４・・・センサ
１５、１６、１７・・・潜水艇
１８、１９・・・電源ケーブル
４１・・・送電装置（被覆誘電体）
４３・・・海水
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１・・・送電側アンテナ（第１アンテナ）
１１２、２１２、３１２・・・送電側電力伝送回路（第１電力伝送回路）
１１３、２１３、３１３・・・送電側無線通信回路（第１無線通信回路）
１１４、２１４、３１４・・・送電側制御回路（第１制御回路）
１１６、２１６、４１６・・・送電側コイル（第１コイル）
１１７・・・送電側包含部（第１包含部）
１１８、２１８、３１８・・・送電側切替回路（第１切替回路）
１１９、２１９、３１９・・・送電側インピーダンス調整部（第１インピーダンス調整部）１２１、２２１、３２１、４２１、５２１・・・受電側アンテナ（第２アンテナ）
１２２、２２２、３２２・・・受電側電力伝送回路（第２電力伝送回路）
１２３、２２３、３２３・・・受電側無線通信回路（第２無線通信回路）
１２４、２２４、３２４・・・受電側制御回路（第２制御回路）
１２５、２２５、３２５・・・二次電池
１２６、２２６、３２６・・・受電側コイル（第２コイル）
１２７・・・受電側包含部（第２包含部）
１２８、２２８、３２８・・・受電側切替回路（第２切替回路）
１２９、２２９、３２９・・・受電側インピーダンス調整部（第２インピーダンス調整部）
４１７・・・送電側一次包含部（第１の一次包含部、内部誘電体）
４２７、２２７１、３２７１、５２７１・・・受電側一次包含部（第２の一次包含部）
２１７１、３１７１、５１７１・・・送電側一次包含部（第１の一次包含部）
２１７２、３１７２、５１７２・・・送電側二次包含部（第１の二次包含部）
２２７２、３２７２、５２７２・・・受電側二次包含部（第２の二次包含部）
３１６１、５１６１・・・送電側下部コイル（第１下部コイル）
３１６２、５１６２・・・送電側上部コイル（第１上部コイル）
３２６１、５２６１・・・受電側下部コイル（第２下部コイル）
３２６２、５２６２・・・受電側上部コイル（第２上部コイル）
【図１】
2014129531.tif 000004
【図２】
2014129531.tif 000005
【図３】
2014129531.tif 000006
【図４】
2014129531.tif 000007
【図５】
2014129531.tif 000008
【図６Ａ】
2014129531.tif 000009
【図６Ｂ】
2014129531.tif 000010
【図７】
2014129531.tif 000011
【図８】
2014129531.tif 000012
【図９】
2014129531.tif 000013
【図１０】
2014129531.tif 000014
【図１１】
2014129531.tif 000015
【図１２】
2014129531.tif 000016
【図１３】
2014129531.tif 000017
【図１４】
2014129531.tif 000018
【図１５】
2014129531.tif 000019
【図１６】
2014129531.tif 000020
【図１７】
2014129531.tif 000021
【図１８】
2014129531.tif 000022
【図１９】
2014129531.tif 000023
【図２０】
2014129531.tif 000024
【図２６Ａ】
2014129531.tif 000025
【図２６Ｂ】
2014129531.tif 000026
【図２７】
2014129531.tif 000027
【図２８】
2014129531.tif 000028
【図２９】
2014129531.tif 000029
【図３０】
2014129531.tif 000030
【図３１】
2014129531.tif 000031
【図３２】
2014129531.tif 000032
【図３３】
2014129531.tif 000033
【図３４】
2014129531.tif 000034
【図３５】
2014129531.tif 000035
【図２１Ａ】
2014129531.tif 000036
【図２１Ｂ】
2014129531.tif 000037
【図２２Ａ】
2014129531.tif 000038
【図２２Ｂ】
2014129531.tif 000039
【図２３Ａ】
2014129531.tif 000040
【図２３Ｂ】
2014129531.tif 000041
【図２４Ａ】
2014129531.tif 000042
【図２４Ｂ】
2014129531.tif 000043
【図２５Ａ】
2014129531.tif 000044
【図２５Ｂ】
2014129531.tif 000045
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月19日(2015.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置と受電装置とを備える電力伝送システムであって、
前記送電装置は、
第１アンテナと、
前記第１アンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する海水のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと第２アンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する第１電力伝送回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記第２アンテナと、
前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された電力を受け取る第２電力伝送回路と、
を備え、
前記送電装置は、前記第１アンテナを介して、前記海水のインピーダンスと前記第１アンテナのインピーダンスと前記第２アンテナのインピーダンスとで定まる第２の共振周波数を有する通信信号を出力する第１無線通信回路をさらに備え、
前記受電装置は、前記第２アンテナを介して、前記送電装置によって出力された通信信号を受け取る第２無線通信回路をさらに備え、
前記第１アンテナは、第１コイルと、前記第１コイルを覆う誘電体を有する第１包含部と有し、
前記第２アンテナは、第２コイルと、前記第２コイルを覆う誘電体を有する第２包含部とを有する
電力伝送システム。
【請求項２】
前記第１の共振周波数に対する前記第２の共振周波数の比は、１０よりも大きく１０００よりも小さい
請求項１に記載の電力伝送システム。
【請求項３】
前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ１で表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分をＣ２で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナと前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの間に存在する前記海水とで形成される容量のキャパシタンス成分をＣ３で表し、前記第１アンテナと前記第２アンテナとの距離をｄで表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１＋Ｃ２）＞０．５ｃｍの関係を満たす
請求項１または２に記載の電力伝送システム。
【請求項４】
前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える請求項１または２に記載の電力伝送システム。
【請求項５】
前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のインピーダンスを可変するように構成されたインピーダンス調整部
を備える請求項１または２に記載の電力伝送システム。
【請求項６】
前記第１電力伝送回路は、前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第１のインピーダンス調整部を備え、
前記第２電力伝送回路は、前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分を可変するように構成された第２のインピーダンス調整部を備え、
前記第１アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第１電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ１０と表し、前記第２アンテナのインピーダンスを構成するキャパシタンス成分と前記第２電力伝送回路のキャパシタンス成分との合成容量成分をＣ２０で表す場合、
３０ｃｍ＞Ｃ３×ｄ／（Ｃ１０＋Ｃ２０）＞０．５ｃｍの関係を満たす
請求項１または２に記載の電力伝送システム。
【請求項７】
送電装置と受電装置との間に介在する海水を介して送電するための送電装置であって、
アンテナと、
前記送電装置のアンテナを介して、前記海水のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する電力伝送回路と
を備える送電装置。
【請求項８】
送電装置と受電装置との間に介在する海水を介して受電するための受電装置であって、
アンテナと、
前記受電装置のアンテナを介して、前記送電装置から、前記海水のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る電力伝送回路と
を備える受電装置。
【請求項９】
送電装置と受電装置とのための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記送電装置と前記受電装置との間に介在する海水のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力し、
前記受電装置のアンテナを介して、前記出力された電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。
【請求項１０】
送電装置と受電装置との間に介在する海水を介して送電する送電装置のための電力伝送方法であって、
前記送電装置のアンテナを介して、前記海水のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を出力する
ことを含む電力伝送方法。
【請求項１１】
送電装置と受電装置との間に介在する海水を介して受電する受電装置のための電力伝送方法であって、
前記受電装置のアンテナを介して、前記海水のインピーダンスと前記送電装置のアンテナのインピーダンスと前記受電装置のアンテナのインピーダンスとで定まる第１の共振周波数を有する電力を受け取る
ことを含む電力伝送方法。
【国際調査報告】
2014129531.tif 000046
2014129531.tif 000047
2014129531.tif 000048
2014129531.tif 000049