JP7333938B2

JP7333938B2 - Underwater wireless power transmission system

Info

Publication number: JP7333938B2
Application number: JP2019097264A
Authority: JP
Inventors: 昌也田村; 宏輔村井; 泰正仲
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2023-08-28
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: JP2020191761A

Description

本発明は、高周波を送電する送受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システムに関するものである。具体的には、淡水中や海水中などを自由に移動し、配管や橋梁、海底資源探索や断層調査などに用いられる潜水機等へ無線で電力を供給、情報を送受信するための構造および電子機器システムに関する。 The present invention relates to a power transmitting/receiving device for transmitting high frequency power and a wireless power transmission system using the same. Specifically, the structure and electronics for moving freely in freshwater and seawater, supplying power wirelessly to pipes, bridges, submersibles used for submarine resource exploration and fault surveys, etc., and transmitting and receiving information. Concerning equipment systems.

淡水中や海水中における潜水機への無線電力伝送システムは、伝送コイルを用いた磁界結合を利用して送受電する。 Wireless power transmission systems for submersibles in freshwater or seawater transmit and receive power using magnetic field coupling using transmission coils.

例えば、特許文献１では、水中において電力を伝送するための伝送コイルであって、交流電流が流れる環状の電線と非導電性樹脂又は非磁性樹脂を有し、前記電線の周囲を密閉する第１のカバーとを有し、前記電線は前記交流電流が流れることで発生する磁界を介して前記電力を伝送する伝送コイルが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a transmission coil for transmitting power in water, which includes a ring-shaped electric wire through which an alternating current flows and a non-conductive resin or a non-magnetic resin, and seals the circumference of the electric wire. and a cover for transmitting the electric power through the magnetic field generated by the alternating current flowing through the electric wire.

このような従来の無線電力伝送システムでは、高い電力伝送効率を実現するために、金属導体の損失低減から径の大きな金属コイルを数メートルの直径からなる環状に多数回巻いた構造となっている。 In order to achieve high power transmission efficiency, such a conventional wireless power transmission system has a structure in which a large-diameter metal coil with a diameter of several meters is wound many times in an annular shape to reduce the loss of metal conductors. .

また、特許文献２では、高周波インバータと送電共振回路と圧電体を用いた送電超音波振動子などからなる超音波非接触給電システムが開示されている。水中での電力伝送が可能であるが、特に、機械的共振周波数と電力周波数を共に制御する必要があり、システムは複雑である。 Further, Patent Document 2 discloses an ultrasonic contactless power supply system including a high-frequency inverter, a power transmission resonance circuit, and a power transmission ultrasonic transducer using a piezoelectric body. Power transmission in water is possible, but the system is complex, especially since both the mechanical resonance frequency and the power frequency need to be controlled.

特開２０１８－１７０４８０号公報JP 2018-170480 A 特開２０１７－２２０９９０号公報JP 2017-220990 A

従来のアンテナやコイルを用いた無線電力伝送システムでは、電磁波や磁界を発生させるために使用するアンテナおよび伝送コイルの総重量が非常に大きいため、潜水機の総重量が大幅に増加する。また、漏洩する磁界を閉じ込めるための遮蔽金属や伝送効率を改善するために使用するフェライトはさらに潜水機の総重量を増加させる。結果、潜水機の浮力制御が困難になるという課題を有している。 In conventional wireless power transmission systems using antennas and coils, the total weight of the antennas and transmission coils used to generate electromagnetic waves and magnetic fields is very large, which greatly increases the total weight of the submersible. In addition, the shielding metal for confining the leaking magnetic field and the ferrite used for improving the transmission efficiency further increase the total weight of the submersible. As a result, there is a problem that it becomes difficult to control the buoyancy of the submersible.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、伝送効率を劣化させることなく、軽量化された送受電装置およびそれを用いる無線電力伝送システムを実現するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and is to realize a light-weight power transmitting/receiving device and a wireless power transmission system using the same without deteriorating transmission efficiency.

本発明にかかる第一の水中無線電力伝送システムは、
淡水中または海水中において無線による電力電送を行うためのシステムであって、
送電側に設けられる送電装置と、受電側に設けられる受電装置とを備え、
前記送電装置は、２以上の導体平板を有する送電器を備え、前記受電装置は、２枚以上の導体平板を有する受電器を備え、
前記送電器の導体平板と前記受電器の該導体平板とが相互に対向して配置されるものであることを特徴とする。 A first underwater wireless power transmission system according to the present invention includes:
A system for wireless power transmission in freshwater or seawater, comprising:
A power transmission device provided on the power transmission side and a power reception device provided on the power reception side,
The power transmitting device includes a power transmitter having two or more conductor plates, the power receiving device includes a power receiver having two or more conductor plates,
The conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver are arranged to face each other.

上記構成および構造により、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。 With the configuration and structure described above, the total weight of the power transmitter/receiver can be reduced, and power can be wirelessly supplied with high efficiency without using a heavy transmission coil.

また、本発明にかかる第二の水中無線電力伝送システムは、
前記第一の水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器および前記受電器の各導体平板は、それぞれ送電装置または受電装置の各表面に設けられるものであり、前記送電器の前記導体平板および前記受電器の導体平板が、相互に対向して配置される状態において、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする。 Further, the second underwater wireless power transmission system according to the present invention is
The first underwater wireless power transmission system,
The conductor flat plates of the power transmitter and the power receiver are provided on the respective surfaces of the power transmitter and the power receiver, and the conductor flat plates of the power transmitter and the power receiver face each other. The conductor plate is surrounded by an insulator in the arranged state.

上記構成および構造により、少なくとも２つ配置した送電器間の導通や電磁界結合を低減できるので、結果、総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。 With the above configuration and structure, it is possible to reduce conduction and electromagnetic field coupling between at least two power transmitters. can do.

また、本発明にかかる第三の水中無線電力伝送システムは、
前記第二の水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器の導体平板と前記受電器の導体平板とは、相互に同数設けられるものであり、相互に対向して形成される各組ごとに、該導体平板の周囲を絶縁体によって包囲されるものであることを特徴とする。 Further, a third underwater wireless power transmission system according to the present invention is
The second underwater wireless power transmission system,
The conductive flat plates of the power transmitter and the conductive flat plates of the power receiver are provided in the same number, and each pair formed facing each other is surrounded by an insulator. characterized by being

また、本発明にかかる第四の水中無線電力伝送システムは、
前記第二または第三の水中無線電力伝送システムであって、
前記絶縁体は、前記送電装置または前記受電装置のいずれか一方の表面において前記導体平板の周囲に立設されるものであり、該送電器の導体平板と該受電器の導体平板とが対向するとき、前記絶縁体が双方の導体平板を包囲するものであることを特徴とする。 Further, a fourth underwater wireless power transmission system according to the present invention is
The second or third underwater wireless power transmission system,
The insulator is erected around the conductor flat plate on the surface of either the power transmission device or the power reception device, and the conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver face each other. and the insulator surrounds both conductor plates.

また、本発明にかかる第五の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第四のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記導体平板は、正方形または円形に形成された平面を有するものであり、対向して配置される導体平板の表面形状を同じものとしていることを特徴とする。 Further, a fifth underwater wireless power transmission system according to the present invention is
Any one of the first to fourth underwater wireless power transmission systems,
The conductor flat plate has a square or circular flat surface, and the surface shape of the conductor flat plate arranged facing each other is the same.

また、本発明にかかる第六の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第五のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙と、前記受電器の２以上の導体平板が相互に形成する間隙とは、ともに同寸法であり、この間隙寸法は、対向する両者に形成される間隔よりも大きくなるように設けられていることを特徴とする。 Further, a sixth underwater wireless power transmission system according to the present invention includes:
The underwater wireless power transmission system according to any one of the first to fifth above,
The gap formed between the two or more conductive flat plates of the power transmitter and the gap formed between the two or more conductive flat plates of the power receiver are both of the same size, and the size of the gap is It is characterized in that it is provided so as to be larger than the formed interval.

また、本発明にかかる第七の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第六のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電側は、給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの上面に配置され、前記受電器は、前記潜水機の底面に配置されるものであることを特徴とする。 Further, a seventh underwater wireless power transmission system according to the present invention is
The underwater wireless power transmission system according to any one of the first to sixth above,
The power transmission side is a power feeding station, the power receiving side is a submersible, the power transmitter is arranged on the upper surface of the power feeding station, and the power receiver is arranged on the bottom of the submersible. characterized by being

また、本発明にかかる第八の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第六のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電側は、適宜間隔の壁面を有する給電ステーションであり、前記受電側は、潜水機であり、前記送電器は、前記給電ステーションの壁面内側に少なくとも１つずつ分かれて配置され、前記受電器は、前記潜水機の左右両側の側面に少なくとも１つずつ分かれて配置されるものであることを特徴とする。 Further, an eighth underwater wireless power transmission system according to the present invention is
The underwater wireless power transmission system according to any one of the first to sixth above,
The power transmission side is a power feeding station having wall surfaces spaced appropriately apart, the power receiving side is a submersible, the power transmitter is arranged separately at least one inside the wall surface of the power feeding station, and the power receiver is is arranged separately at least one each on the left and right side surfaces of the submersible.

また、本発明にかかる第九の水中無線電力伝送システムは、
前記第一～第八のいずれかの水中無線電力伝送システムであって、
前記送電器および前記受電器は、信号の無線伝送に供されるものであり、前記送電装置および前記受電装置の情報を相互に伝送するものであることを特徴とする。 Further, a ninth underwater wireless power transmission system according to the present invention includes:
The underwater wireless power transmission system according to any one of the first to eighth above,
The power transmitter and the power receiver are used for wireless signal transmission, and mutually transmit information of the power transmitter and the power receiver.

本発明によれば、水中において、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、簡素な無線電力伝送システムにより、送電装置から必要な電力を高効率に受電装置へ供給できるようになる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to supply required electric power from a power transmission device to a power receiving device underwater with high efficiency by a simple wireless power transmission system, without greatly increasing the total weight of a submersible.

本発明にかかる無線電力伝送システム１が配置される環境の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of an environment in which a wireless power transmission system 1 according to the present invention is arranged; FIG. 本発明にかかる無線電力伝送システム１の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration example of a wireless power transmission system 1 according to the present invention; FIG. 本発明にかかる給電ステーション３において、同一平面に設置された送電器１０１を側面から見た断面図である。FIG. 2 is a side cross-sectional view of the power transmitter 101 installed on the same plane in the power supply station 3 according to the present invention; 発明にかかる給電ステーション３において、同一平面に設置された送電器１０１を真上から見た図である。1 is a top view of a power transmitter 101 installed on the same plane in a power feeding station 3 according to the invention; FIG. 本発明にかかる潜水機２において、同一平面に設置された受電器２０１を側面から見た断面図である。FIG. 2 is a side cross-sectional view of a power receiver 201 installed on the same plane in the submersible 2 according to the present invention. 本発明にかかる潜水機２において、同一平面に設置された受電器２０１を真上から見た図である。2 is a top view of the power receiver 201 installed on the same plane in the submersible 2 according to the present invention. FIG. 本発明にかかる無線電力伝送システム１における送電器１０１と受電器２０１の配置関係を示した図である。1 is a diagram showing the arrangement relationship between a power transmitter 101 and a power receiver 201 in a wireless power transmission system 1 according to the present invention; FIG. 本発明の実施例１にかかる送電器の構成図である。1 is a configuration diagram of a power transmitter according to Example 1 of the present invention; FIG. 本発明の実施例１にかかる受電器の構成図である。1 is a configuration diagram of a power receiver according to Example 1 of the present invention; FIG. 本発明の実施例１にかかる送電器と受電器の配置関係を示した図である。It is the figure which showed the arrangement|positioning relationship of the power transmitter and power receiver concerning Example 1 of this invention. 本発明の実施例１にかかる海水を模擬した食塩水の導電率特性図である。FIG. 2 is an electrical conductivity characteristic diagram of salt water simulating seawater according to Example 1 of the present invention. 本発明の実施例１にかかる送受電器間の電力伝送効率特性図である。FIG. 4 is a power transmission efficiency characteristic diagram between power transmitters and receivers according to Example 1 of the present invention; 本発明の実施例２にかかる送電器の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a power transmitter according to Example 2 of the present invention; 本発明の実施例２にかかる受電器の構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a power receiver according to Example 2 of the present invention; 本発明の実施例２にかかる送電器と受電器の配置関係を示した図である。It is the figure which showed the arrangement|positioning relationship of the power transmitter and power receiver concerning Example 2 of this invention. 本発明の実施例２にかかる送受電器間の電力伝送効率特性図である。FIG. 10 is a power transmission efficiency characteristic diagram between power transmitters and receivers according to Example 2 of the present invention; 本発明の実施例１および２にかかる送受電器間の配置を変えた場合の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram when the arrangement between power transmitters and receivers according to Examples 1 and 2 of the present invention is changed; 本発明の実施例１におよび２にかかる淡水を模擬した水道水の誘電正接特性図である。FIG. 2 is a dielectric loss tangent characteristic diagram of tap water simulating fresh water according to Examples 1 and 2 of the present invention;

本発明の実施形態について、以下、図を参照しながら説明する。ただし、説明に使用する図面及び以下の説明は、本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the illustrative drawings and the following description are provided for a thorough understanding of the disclosure and are not intended to limit the claimed subject matter thereby.

本発明にかかる無線電力伝送システムについて、図１を用いて説明する。図１は、本発明にかかる無線電力伝送システム１が配置される環境の一例を示す模式図である。潜水機２は送電装置１００を備えた給電ステーション３に着底している。前記潜水機２はいずれも受電装置２００を搭載している。前記給電ステーション３は設置後の安定性から例えば、陸上よりケーブル５を介して電力と情報を伝送し、海底６に設置する。淡水の場合は水底となる。前記潜水機３は、前記給電ステーション３で十分にバッテリを充電したら、潜水機５のように探索活動などに従事する。
なお、海底まで潜水する必要が無い場合は、電力を送電する母船７よりケーブル８を介して水中給電ステーション９を浮かべてもよい。その場合、潜水機１０は前記受電装置２００を搭載しており、前記給電ステーション９上に着底することで無線電力伝送が行われる。 A wireless power transmission system according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an environment in which a wireless power transmission system 1 according to the present invention is arranged. The submersible 2 has landed on a power supply station 3 having a power transmission device 100 . Each of the submersibles 2 is equipped with a power receiving device 200 . The power supply station 3 is installed on the seabed 6, for example, by transmitting power and information from land via a cable 5 for stability after installation. In the case of fresh water, it is the bottom. When the battery is sufficiently charged at the power supply station 3 , the submersible 3 engages in exploration activities, etc., like the submersible 5 .
If there is no need to dive to the bottom of the sea, an underwater power supply station 9 may be floated via a cable 8 from a mother ship 7 that transmits electric power. In this case, the submersible 10 is equipped with the power receiving device 200, and wireless power transmission is performed by landing on the power feeding station 9. FIG.

図２は、無線電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。無線電力伝送システム１は、送電装置１００、受電装置２００、および金属平板からなる送電器１０１、受電器２０１を備える。受電装置２００は、送電装置１００に搭載した前記送電器１０１から送電される高周波電力を受電器２０１で受電する。 FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a wireless power transmission system. The wireless power transmission system 1 includes a power transmitting device 100, a power receiving device 200, and a power transmitting device 101 and a power receiving device 201 each made of a flat metal plate. The power receiving device 200 receives high-frequency power transmitted from the power transmitting device 101 mounted on the power transmitting device 100 with the power receiving device 201 .

前記送電器１０１は少なくとも２枚以上の金属平板を配置した構造を取る。ここでは２枚の金属平板１０２、１０３を同一平面状に配置した場合を例に説明する。図３は同一平面に設置された前記送電器１０１を側面から見た断面図である。前記金属平板１０２、１０３は同一平面上に配置され、例えば、送電装置１００を保護する外壁と水中が接する表面に設置される。各金属平板を囲うように絶縁体１０４、１０５、１０６が配置される。図４は同一平面に設置された前記送電器１０１を真上から見た図である。前記金属平板１０２、１０３をそれぞれ囲うように前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６のほか、絶縁体壁１０７、１０８が配置されている。 The power transmitter 101 has a structure in which at least two metal flat plates are arranged. Here, an example in which two metal flat plates 102 and 103 are arranged on the same plane will be described. FIG. 3 is a side sectional view of the power transmitter 101 installed on the same plane. The metal flat plates 102 and 103 are arranged on the same plane, and are installed, for example, on the surface where the outer wall that protects the power transmission device 100 is in contact with water. Insulators 104, 105 and 106 are arranged to surround each metal flat plate. FIG. 4 is a top view of the power transmitter 101 installed on the same plane. In addition to the insulator walls 104, 105 and 106, insulator walls 107 and 108 are arranged so as to surround the metal flat plates 102 and 103, respectively.

前記受電器２０１は少なくとも２枚以上の金属平板を配置した構造を取る。ここでは２枚の金属平板２０２、２０３を同一平面状に配置した場合を例に説明する。図５は同一平面に設置された前記受電器２０１を側面から見た断面図である。前記金属平板２０２、２０３は同一平面上に配置され、例えば、受電装置２００を搭載する潜水機２の底面に設置される。図６は同一平面に設置された前記受電器２０１を真上から見た図である。 The power receiver 201 has a structure in which at least two metal flat plates are arranged. Here, an example in which two metal flat plates 202 and 203 are arranged on the same plane will be described. FIG. 5 is a side sectional view of the power receiver 201 installed on the same plane. The metal flat plates 202 and 203 are arranged on the same plane, and are installed, for example, on the bottom surface of the submersible 2 on which the power receiving device 200 is mounted. FIG. 6 is a top view of the power receiver 201 installed on the same plane.

前記受電装置２００を搭載する潜水機２が前記送電装置１００を備えた給電ステーション３に着底したときの無線電力伝送システム１における前記送電器１０１と前記受電器２０１の配置関係を図７に示す。ここでは潜水機２が給電ステーション３に着底した場合で説明する。図７は図５、図６に示したＸ－Ｘ’面における断面図である。潜水機２の底面に設置された前記受電器２０１が送電装置１００を保護する外壁と水中が接する表面に設置された前記送電器１０１がお互いに対向配置となるように潜水機２は給電ステーション３に着底する。このとき、前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７、１０８は潜水機２と給電ステーション３の接触時に生じる衝撃を緩和する役割を果たす。
前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、および潜水機２と給電ステーション３によって囲まれた、金属平板１０２と金属平板２０２が対応配置された領域１１と、金属平板１０３と金属平板２０３が対応配置された領域１２は海水で満たされることになる。湖や河川では前記領域１１と前記領域１２は淡水に満たされることになる。 FIG. 7 shows the arrangement relationship between the power transmitter 101 and the power receiver 201 in the wireless power transmission system 1 when the submarine 2 equipped with the power receiving device 200 has landed on the power supply station 3 equipped with the power transmitting device 100. . Here, a case where the submarine 2 has landed on the power supply station 3 will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view along the XX′ plane shown in FIGS. 5 and 6. FIG. The submersible 2 is arranged at the power supply station 3 so that the power receiver 201 installed on the bottom surface of the submersible 2 and the power transmitter 101 installed on the surface where the outer wall that protects the power transmission device 100 and the surface in contact with the water face each other. land on At this time, the insulator walls 104 , 105 , 106 , 107 , 108 play a role of absorbing the impact caused when the submersible 2 and the power supply station 3 come into contact with each other.
A region 11 surrounded by the insulator walls 104, 105, 106, 107, 108, the submersible 2 and the power supply station 3, in which the metal plates 102 and 202 are correspondingly arranged, and the metal plates 103 and 203. will be filled with seawater. In a lake or river, said regions 11 and 12 will be filled with fresh water.

前記領域１１と前記領域１２が海水で満たされた場合、海水は１ｋＨｚから２０ｋＨｚ付近までは１．０以上のＱ値を示し、２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの間で高い導電率を示すため、送電周波数を１ｋＨｚから１００ＭＨｚの間に設定することで高効率に電力を送電することができる。結果、潜水機は少なくとも金属平板２枚を備えるだけで電界結合に加えて海水の導電率に基づいて海水を伝送線路として取り扱うことにより電力を受電できるため、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、海水中において送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。 When the region 11 and the region 12 are filled with seawater, seawater exhibits a Q value of 1.0 or more from 1 kHz to 20 kHz, and exhibits high conductivity between 20 kHz and 100 MHz. to 100 MHz, power can be transmitted with high efficiency. As a result, the submersible can receive electric power by treating seawater as a transmission line based on the electrical conductivity of the seawater in addition to the electric field coupling only by having at least two metal plates, which greatly increases the total weight of the submersible. Therefore, high-efficiency power supply from the power transmitter can be realized in seawater.

前記領域１１と前記領域１２が淡水で満たされた場合、淡水は２０ＭＨｚから２００ＭＨｚの間で低い誘電正接を示すため、送電周波数を２０ＭＨｚから２００ＭＨｚの間に設定することで高効率に電力を送電することができる。結果、潜水機は少なくとも金属平板２枚を備えるだけで電界結合より電力を受電できるため、潜水機の総重量を大幅に増加させることなく、淡水中において送電器からの必要な電力の高効率給電が実現できる。 When the region 11 and the region 12 are filled with fresh water, since fresh water exhibits a low dielectric loss tangent between 20 MHz and 200 MHz, power can be transmitted with high efficiency by setting the transmission frequency between 20 MHz and 200 MHz. be able to. As a result, the submersible can receive electric power by electric field coupling only by equipping it with at least two metal plates, so the necessary power can be supplied from the power transmitter in fresh water with high efficiency without significantly increasing the total weight of the submersible. can be realized.

なお、金属平板１０２、１０３、２０２、２０３は腐食を防ぐために表面を絶縁体でコーティングしても同等の電力伝送効率を実現できる。 Even if the surfaces of the metal plates 102, 103, 202, 203 are coated with an insulator to prevent corrosion, the same power transmission efficiency can be realized.

本システムは電力伝送のみに限らず、情報も同時に伝送可能である。１例として図２を用いて説明する。まず電力の流れを説明する。給電ステーション３側については以下となる。給電ステーション３では、高周波電力を発生するＲＦ電源１１０が整合回路１１１を介してバラン１１２に接続されている。ＲＦ電源１１０、整合回路１１１はともにシングルエンド端子なので、バラン１１２のシングルエンド端子に接続される。バラン１１２の差動出力端子はダイプレクサ１１３を介して送電器１０１に接続され、電力が送電される。送電器１０１は差動入力なので、ダイプレクサ１１３も差動端子を有している。この際、図示していないが送電電力の反射量はモニタリングされており、反射量が小さくなるように整合回路１１１は自動で調整される。なお、ＲＦ電源１１０は整合回路１１１を介してダイプレクサ１１３に接続されたのち、ダイプレクサ１１３の出力とバラン１１２を接続してもよい。あるいは、バラン機能を有するダイプレクサ１１３を用い、バラン１１２を省略してもよい。あるいはダイプレクサ２１０を差動入力、差動出力で設計し、整合回路１１１にバラン機能を付加してもバラン１１２を省略できる。 This system can transmit information as well as power transmission. An example will be described with reference to FIG. First, the flow of electric power will be explained. The power supply station 3 side is as follows. In the power supply station 3 , an RF power supply 110 that generates high frequency power is connected to a balun 112 via a matching circuit 111 . Since both the RF power supply 110 and the matching circuit 111 are single-ended terminals, they are connected to the single-ended terminal of the balun 112 . The differential output terminals of balun 112 are connected to transmitter 101 via diplexer 113 to transmit power. Since transmitter 101 has differential inputs, diplexer 113 also has differential terminals. At this time, although not shown, the amount of reflected transmitted power is monitored, and the matching circuit 111 is automatically adjusted so that the amount of reflected power is reduced. Note that the RF power supply 110 may be connected to the diplexer 113 via the matching circuit 111 and then the output of the diplexer 113 and the balun 112 may be connected. Alternatively, a diplexer 113 having a balun function may be used and the balun 112 may be omitted. Alternatively, the balun 112 can be omitted by designing the diplexer 210 with differential input and differential output and adding a balun function to the matching circuit 111 .

続いて、潜水機２側について説明する。前記送電器１０１から送電された高周波電力は受電器２０１で受電される。受電器２０１はダイプレクサ２１０の入力端子と接続され、ダイプレクサ２１０の出力端子の一端はバラン２１１に接続される。バラン２１１は整合回路２１２を介して整流回路２１３に接続され、高周波電力を直流電力に変換する。整流回路２１３の他端はバッテリ２１４に接続されており、直流電力が投入されバッテリ２１４を充電する。この際、図示していないが受電電力の透過量はモニタリングされており、透過量が大きくなるように整合回路２１２は自動で調整される。なお、受電器２０１はバラン２１１と接続したあと、ダイプレクサ２１０に接続してもよい。あるいは、バラン機能を有するダイプレクサを用い、バラン２１１を省略してもよい。あるいはダイプレクサ２１０を差動入力、差動出力で設計し、整合回路２１２、整流回路２１３を差動回路で設計することでバラン２１１は省略できる。 Next, the submersible 2 side will be described. The high-frequency power transmitted from the power transmitter 101 is received by the power receiver 201 . The power receiver 201 is connected to the input terminal of the diplexer 210 and one end of the output terminal of the diplexer 210 is connected to the balun 211 . A balun 211 is connected to a rectifier circuit 213 via a matching circuit 212 and converts high frequency power into direct current power. The other end of the rectifier circuit 213 is connected to the battery 214, and DC power is supplied to charge the battery 214. FIG. At this time, although not shown, the transmission amount of the received power is monitored, and the matching circuit 212 is automatically adjusted so that the transmission amount increases. Note that the power receiver 201 may be connected to the diplexer 210 after being connected to the balun 211 . Alternatively, a diplexer with a balun function may be used and the balun 211 may be omitted. Alternatively, the balun 211 can be omitted by designing the diplexer 210 with differential input and differential output, and designing the matching circuit 212 and the rectifier circuit 213 with differential circuits.

次に情報の流れを説明する。潜水機２側において、前記バッテリ２１４はＤＣ／ＤＣ２１５にも接続されており、バッテリ２１４の電力はＤＣ／ＤＣ２０１５を介して通信モジュール２１６に供給される。通信モジュール２１６は、例えばカメラモジュール２２０を有しており、カメラモジュール２２０は信号処理回路２１９を介してラインドライバ２２１に接続され、カメラモジュール２２０で撮影された動画データや画像データが伝送される。さらにラインドライバ２２１から前記通信トランス２１７を介して前記ダイプレクサ２１０の他端へ入力される。前記ダイプレクサ２１０は受電器２０１に接続されているので、受電器２０１から前記送電器１０１へデータ伝送される。すなわち、電力伝送と情報通信の周波数をそれぞれ異なる周波数に設定することで、電力も情報も同時に伝送できる。 Next, the flow of information will be explained. On the submarine 2 side, the battery 214 is also connected to the DC/DC 215 , and the power of the battery 214 is supplied to the communication module 216 via the DC/DC 2015 . The communication module 216 has, for example, a camera module 220. The camera module 220 is connected to the line driver 221 via the signal processing circuit 219, and moving image data and image data captured by the camera module 220 are transmitted. Further, it is input from the line driver 221 to the other end of the diplexer 210 via the communication transformer 217 . Since the diplexer 210 is connected to the power receiver 201 , data is transmitted from the power receiver 201 to the power transmitter 101 . That is, by setting different frequencies for power transmission and information communication, power and information can be transmitted at the same time.

給電ステーション３側では、前記送電器１０１に接続されているダイプレクサ１１３の他端は通信トランス１１４と接続される。通信トランス１１４は電力伝送回路の基準電位と情報通信回路の基準電位を切り離す目的で使用しているが、電力伝送の基準電位と情報通信回路の基準電位をアースできるならば必ずしも接続しなくてもよい。通信トランス１１４の他端は可変ゲインアンプ１１５と接続され、可変ゲインアンプ１１５の他端は信号処理回路１１６に接続される。この経路を通って受信したデータがユーザの手元に届く。
前記信号処理回路１１６の他端は、ラインドライバ１１７に接続されており、例えば、データの受信開始となる信号やデータの受信完了といった情報を伝送する。伝送された情報はラインドライバ１１７の出力に接続された通信トランス１１４を介してダイプレクサ１１３に入力され、さらに前記送電器１０１へと伝わる。そして、送電器１０１から前記受電器２０１へ情報伝送される。前記潜水機２に搭載された受電器２０１で受信した情報は高周波電力と同様に前記ダイプレクサ２１０へ入力される。入力された情報は、先に記したデータ伝送と同じようにダイプレクサ２１０を介して前記通信トランス２１７へ入力される。通信トランス２１７の他端は可変ゲインアンプ２１８に接続されており、前記可変ゲインアンプ２１８の出力は信号処理回路２１９へと入力される。このようにしてデータの受信開始となる信号やデータの受信完了といった情報は前記潜水機２へ伝わり、適宜、通信が行わる。 On the power supply station 3 side, the other end of the diplexer 113 connected to the power transmitter 101 is connected to a communication transformer 114 . The communication transformer 114 is used for the purpose of separating the reference potential of the power transmission circuit and the reference potential of the information communication circuit. good. The other end of communication transformer 114 is connected to variable gain amplifier 115 , and the other end of variable gain amplifier 115 is connected to signal processing circuit 116 . The data received through this route reaches the user.
The other end of the signal processing circuit 116 is connected to a line driver 117, and transmits, for example, a signal for starting data reception and information such as completion of data reception. The transmitted information is input to the diplexer 113 via the communication transformer 114 connected to the output of the line driver 117 and then transmitted to the power transmitter 101 . Information is transmitted from the power transmitter 101 to the power receiver 201 . Information received by the power receiver 201 mounted on the submersible 2 is input to the diplexer 210 in the same manner as high-frequency power. The input information is input to the communication transformer 217 through the diplexer 210 in the same manner as the data transmission described above. The other end of the communication transformer 217 is connected to a variable gain amplifier 218 and the output of the variable gain amplifier 218 is input to the signal processing circuit 219 . In this way, a signal for starting data reception and information such as completion of data reception are transmitted to the submersible 2, and communication is performed as appropriate.

例えば、図３、図４に示す送電器１０１の金属平板１０２、１０３を図８に示す金属平板１４、１５で表現して銅で構成し、金属平板１４と金属平板１５において、各金属平板の少なくとも一辺にＬ型の導体線路１７、１８を接続する。前記Ｌ型の導体線路１７、１８の一端を開放端とし、その開放端には、電力を供給する配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール１９、２０をそれぞれ設ける。前記絶縁体壁１０４、１０５、１０６、１０７をニトリルゴムからなる絶縁体壁２１、２２、２３、２４で、給電ステーション３および潜水機２をそれぞれ比誘電率３．９からなる誘電体基板１６で模擬する。ここで前記Ｌ型の導体線路１７、１８側に設置する前記絶縁体１０８は実験の都合上、模擬していないが、例えば、同様にニトリルゴムで模擬しても特性に影響はない。
そして、図５、図６に示す受電器２０１の金属平板２０２、２０３を図９に示す金属平板２５、２６で表現して銅で構成し、金属平板２５と金属平板２６において、各金属平板の少なくとも一辺にＬ型の導体線路２８、２９を接続する。前記Ｌ型の導体線路２８、２９の一端を開放端とし、その開放端には、電力を取り出す配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール３０、３１をそれぞれ設ける。給電ステーション４を比誘電率３．９からなる誘電体基板２７で模擬した図１０に示す無線電力伝送システム１３を考える。図１０は図８、図９に示したＹ－Ｙ’面における断面図である。図１０に示す無線電力伝送システム１３で実験を行う上で、絶縁体壁２４を底面として垂直に立てらせる。そして、上面側となる前記Ｌ型の導体線路１７、１８側から海水を模擬した食塩水を注ぐため、前記絶縁体１０８は設けていない。 For example, the metal flat plates 102 and 103 of the power transmitter 101 shown in FIGS. 3 and 4 are represented by the metal flat plates 14 and 15 shown in FIG. L-shaped conductor lines 17 and 18 are connected to at least one side. One ends of the L-shaped conductor lines 17 and 18 are open ends, and via holes 19 and 20 are provided at the open ends, respectively, for connecting wirings for supplying electric power, for example, BNC connectors are fixed by soldering. The insulator walls 104, 105, 106, and 107 are insulator walls 21, 22, 23, and 24 made of nitrile rubber. Simulate. Here, the insulator 108 installed on the side of the L-shaped conductor lines 17 and 18 is not simulated for the convenience of the experiment, but the characteristics are not affected even if it is similarly simulated with nitrile rubber, for example.
The metal flat plates 202 and 203 of the power receiver 201 shown in FIGS. 5 and 6 are represented by the metal flat plates 25 and 26 shown in FIG. L-shaped conductor lines 28 and 29 are connected to at least one side. One ends of the L-shaped conductor lines 28 and 29 are open ends, and via holes 30 and 31 are provided at the open ends, respectively, for connecting wiring for extracting electric power and for fixing, for example, BNC connectors by soldering. Consider a wireless power transmission system 13 shown in FIG. 10 in which the power supply station 4 is simulated by a dielectric substrate 27 having a dielectric constant of 3.9. FIG. 10 is a cross-sectional view along the YY' plane shown in FIGS. 8 and 9. FIG. When conducting an experiment with the wireless power transmission system 13 shown in FIG. 10, the insulator wall 24 is vertically erected as a bottom surface. The insulator 108 is not provided in order to pour salt water simulating seawater from the L-shaped conductor lines 17 and 18 which are the upper surface side.

前記誘電体基板１６、２７は長辺を２０．５ｃｍ、短辺を１７．５ｃｍ、厚み１．６ｍｍとし、前記金属平板１４、１５、２５、２６のサイズは、例えば、長辺を１７ｃｍ、短辺を４ｃｍ、厚み７０μｍとする。前記金属平板１４と１５、および前記金属平板２５と２６の間隔は２ｃｍとする。前記絶縁体壁２２、２３、２４の幅を１ｃｍ厚みを２ｃｍとし、前記絶縁体壁２２、２４の長さを２０．５ｃｍ、前記絶縁体壁２３の長さを１８．６ｃｍとし、前記誘電体基板１６の外周に沿って配置する。前記Ｌ型配線１７、１８および２８、２９の幅は２ｍｍとし、開放端側から長さ１１．５ｍｍで直角に曲がり、２０ｍｍ伸びたところで前記金属平板１４、１５、２５、２６とそれぞれ接続される。前記Ｌ型配線１７、１８および２８、２９の開放端側に設けたビアホール１９、２０および３０、３１の直径は０．８ｍｍとする。
前記絶縁体壁２１、２２、２３、２４および前記誘電体基板１６、２７によって囲まれた、金属平板１４と金属平板２５が対向配置された領域３２と、金属平板１５と金属平板２６が対向配置された領域３３を、海水を模擬した濃度３．５％の食塩水で満たす。 The dielectric substrates 16 and 27 have a long side of 20.5 cm, a short side of 17.5 cm, and a thickness of 1.6 mm. The side is 4 cm and the thickness is 70 μm. The distance between the metal flat plates 14 and 15 and between the metal flat plates 25 and 26 is 2 cm. The width of the insulator walls 22, 23, 24 is 1 cm, the thickness is 2 cm, the length of the insulator walls 22, 24 is 20.5 cm, the length of the insulator wall 23 is 18.6 cm, and the dielectric They are arranged along the outer circumference of the substrate 16 . The width of the L-shaped wirings 17, 18 and 28, 29 is 2 mm, the length is 11.5 mm from the open end side, the L-shaped wirings 17, 18, 28, 29 are bent at a right angle and are connected to the metal flat plates 14, 15, 25, 26 at the point where they are extended by 20 mm. . The via holes 19, 20 and 30, 31 provided at the open ends of the L-shaped wirings 17, 18 and 28, 29 have a diameter of 0.8 mm.
A region 32 surrounded by the insulator walls 21, 22, 23, 24 and the dielectric substrates 16, 27 in which the metal flat plate 14 and the metal flat plate 25 are arranged to face each other, and the metal flat plate 15 and the metal flat plate 26 are arranged to face each other. The closed area 33 is filled with a 3.5% saline solution that simulates seawater.

海水を模擬した濃度３．５％の食塩水のＱ値と導電率の測定結果を図１１に示す。１ｋＨｚから２０ｋＨｚ付近までは１．０以上のＱ値を示し、２０ｋＨｚ付近から導電率が向上し、１００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでが導電率４Ｓ／ｍ以上を示す。ここでは導電率が高い周波数帯における電力伝送効率を図１２に示す。図１２は、例えば、前記誘電体基板１６と前記誘電体基板２７を５ｍｍ離して構成した前記無線電力伝送システム１３において、ベクトルネットワークアナライザの一端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール１９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール２０に固定して差動により電力を送電し、ベクトルネットワークアナライザの他端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３０に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３１に固定して差動により送電された電力を受電し、その送電電力と受電電力の比から得られる電力伝送効率を周波数軸でグラフ化したものである。 FIG. 11 shows the measurement results of the Q value and electrical conductivity of 3.5% salt water simulating seawater. A Q value of 1.0 or more is exhibited from 1 kHz to around 20 kHz, conductivity increases from around 20 kHz, and conductivity of 4 S/m or more is shown from 100 kHz to 100 MHz. Here, FIG. 12 shows power transmission efficiency in a frequency band with high conductivity. FIG. 12 shows, for example, in the wireless power transmission system 13 in which the dielectric substrate 16 and the dielectric substrate 27 are separated by 5 mm, one terminal of the vector network analyzer is connected to the single end terminal of the balun, and the difference of the balun is connected. A BNC connector to which one end of the dynamic output terminal is connected is fixed to the via hole 19 by soldering, and a BNC connector to which the other end of the differential output terminal of the balun is connected is fixed to the via hole 20 by soldering to transmit electric power by differential transmission, The other terminal of the vector network analyzer was connected to the single end terminal of the balun, the BNC connector connected to one end of the differential output terminal of the balun was fixed to the via hole 30 by soldering, and the other end of the differential output terminal of the balun was connected. The BNC connector is fixed to the via hole 31 by soldering to receive differentially transmitted power, and the power transmission efficiency obtained from the ratio of the transmitted power to the received power is graphed on the frequency axis.

図１１より海水が高い導電率を示すことで高周波帯では誘電体としてだけでなく導体としても振る舞うことが読み取れる。この海水からなる導体を絶縁体壁で囲うことで導波路が構成される。つまり、前記絶縁体壁２１、２２、２３、２４および前記誘電体基板１６、２７によって囲まれた、金属平板１４と金属平板２５が対応配置された領域３２と、金属平板１５と金属平板２６が対応配置された領域３３が導波路として振う。ここで、前記金属平板１４と前記金属平板１５にお互いに逆相となる高周波電力を投入すると、電気的に切り離された領域３２と領域３３からなる導波路を介して伝送されて、前記金属平板２５および前記金属平板２６で電力を取り出すことができる。例え、前記金属平板１４、１５、２５、２６を絶縁体でコーティングしても海水が導体として振る舞うため、前記金属平板１４、１５、２５、２６と海水が電極として振る舞うコンデンサを形成され、コンデンサ部分は電界結合によって、海水部分は電界結合と海水の導電率に従った導波路を介して電力が伝送されることになる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。 From FIG. 11, it can be read that seawater exhibits high conductivity and behaves not only as a dielectric but also as a conductor in a high frequency band. A waveguide is constructed by enclosing the seawater conductor with an insulator wall. That is, a region 32 surrounded by the insulator walls 21, 22, 23, and 24 and the dielectric substrates 16 and 27, in which the metal flat plates 14 and 25 are arranged correspondingly, and the metal flat plates 15 and 26 are Correspondingly arranged regions 33 act as waveguides. Here, when high-frequency powers having phases opposite to each other are applied to the metal flat plate 14 and the metal flat plate 15, the power is transmitted through the waveguide composed of the electrically separated regions 32 and 33, resulting in the metal flat plate. 25 and the metal plate 26 can take out electric power. For example, even if the metal plates 14, 15, 25, 26 are coated with an insulator, the seawater behaves as a conductor, so that the metal plates 14, 15, 25, 26 and the seawater behave as electrodes. By the electric field coupling, the seawater part will transmit electric power through the waveguide according to the electric field coupling and the conductivity of the seawater. As a result, the total weight of the power transmitter/receiver can be reduced, and power can be wirelessly supplied with high efficiency without using a heavy transmission coil.

なお、ここでは実験の容易さから電力の入力線路としてビアホール１９、２０およびＬ型の導体線路１７、１８、および電力の出力線路としてビアホール３０、３１およびＬ型の導体線路２８、２９を設けているが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板１４、１５および金属平板２５、２６上にビアホールを設けて電力の入力線路および出力線路を設けてもよい。これにより引き回し線路による損失を低減できる。あるいは、金属平板１４、１５および金属平板２５、２６に対して誘電体基板１６、１７を介して対向配置した金属平板をそれぞれ設けることで容量結合により電力を入力、および出力させることができる。これによりビアホールを設ける必要がなく、製作が容易になる。 Here, for ease of experimentation, via holes 19, 20 and L-shaped conductor lines 17, 18 are provided as power input lines, and via holes 30, 31 and L-shaped conductor lines 28, 29 are provided as power output lines. However, this is not necessarily the case. For example, via holes may be provided on the metal flat plates 14, 15 and the metal flat plates 25, 26 to provide power input and output lines. As a result, the loss due to the lead-out line can be reduced. Alternatively, by providing metal flat plates opposed to the metal flat plates 14, 15 and the metal flat plates 25, 26 via the dielectric substrates 16, 17, respectively, power can be input and output by capacitive coupling. This eliminates the need to provide via holes and facilitates manufacturing.

また、実験の容易さから金属平板１４、１５および金属平板２５、２６を同一平面上に構成したが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、図１に示すように潜水機１０が母船７より海中へケーブル８を介して設けた給電ステーション９に着底する場合、図１７に示すように潜水機の側面に金属平板５４、５５を設け、給電ステーション９の側壁上に設けた金属平板５６、５７と対向配置させてもよい。ここでは絶縁体壁を図示していないが、同様に絶縁体壁で前記金属平板５４と前記金属平板５６、前記金属平板５５と前記金属平板５７をそれぞれ囲うことで同等の電力伝送効率を実現できる。 Further, the metal flat plates 14, 15 and the metal flat plates 25, 26 are formed on the same plane for ease of experimentation, but this is not always the case. For example, as shown in FIG. When landing on the power supply station 9 provided in the sea via the cable 8, as shown in FIG. 57 may be arranged opposite to each other. Although insulator walls are not shown here, similar power transmission efficiency can be realized by enclosing the metal flat plates 54 and 56, and the metal flat plates 55 and 57, respectively, with insulator walls. .

実験では前記領域３２、３３に海水を模擬した食塩水を充填したが、淡水を充填しても同等の効果を得ることができる。淡水の場合は、海水に比べて導電率が非常に低いため、絶縁体として振る舞う。その場合、前記金属平板１４と２５、１５と２６がそれぞれ電界結合するため、結果として高効率電力伝送が実現できる。例えば、水道水の誘電正接を図１８に示す。このように水道水に近い淡水ならば、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの範囲で誘電正接が小さくなるので、特に高効率電力伝送が実現できる。この際、淡水が高周波帯では絶縁体として振る舞うことから、前記金属平板１４に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板１５へ、また前記金属平板１５に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板１４へ向かい、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板１４と前記金属平板１５の間隔を、金属平板１４と金属平板２５、および金属平板１５と金属平板２６の距離よりも広くすることで、電気力線は最も近い距離にある導体へ向かうので、前記金属平板１４および前記金属平板１５に発生した電気力線はそれぞれ前記金属平板２５および前記金属平板２６へ向かうようになるので、高効率電力伝送を達成できる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。
In the experiment, the regions 32 and 33 were filled with salt water simulating sea water, but the same effect can be obtained by filling with fresh water. Freshwater behaves as an insulator because it has a much lower conductivity than seawater. In this case, the metal plates 14 and 25 and 15 and 26 are electrically coupled, respectively, so that highly efficient power transmission can be realized as a result. For example, FIG. 18 shows the dielectric loss tangent of tap water. In this way, if the fresh water is close to tap water, the dielectric loss tangent becomes small in the range from 20 MHz to 200 MHz, so highly efficient power transmission can be realized. At this time, since fresh water behaves as an insulator in a high frequency band, the electric lines of force generated by the power applied to the metal flat plate 14 are transferred to the metal plate 15, and the electric force generated by the power applied to the metal flat plate 15. There is a risk that the wire will go to the metal plate 14 and cause a decrease in efficiency. However, by making the distance between the metal flat plate 14 and the metal flat plate 15 wider than the distance between the metal flat plate 14 and the metal flat plate 25, and the distance between the metal flat plate 15 and the metal flat plate 26, the lines of electric force are arranged on the nearest conductor. , the lines of electric force generated in the metal flat plates 14 and 15 are directed toward the metal flat plates 25 and 26, respectively, so that highly efficient power transmission can be achieved. As a result, the total weight of the power transmitter/receiver can be reduced, and power can be wirelessly supplied with high efficiency without using a heavy transmission coil.

例えば、図３、図４に示す送電器１０１の金属平板１０２、１０３を図１３に示す金属平板３４、３５で表現して銅で構成し、金属平板３４と金属平板３５において、各金属平板にＬ型の導体線路３７、３８を接続する。前記Ｌ型の導体線路３７、３８の一端を開放端とし、その開放端には、電力を供給する配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール３９、４０をそれぞれ設ける。前記絶縁体壁１０４、１０６、１０７をニトリルゴムからなる絶縁体壁４１、４２、４３で、給電ステーション３および潜水機２をそれぞれ比誘電率３．９からなる誘電体基板３６、４６で模擬する。ここで前記Ｌ型の導体線路１７、１８側に設置する前記絶縁体１０８は実験の都合上、模擬していないが、例えば、同様にニトリルゴムで模擬しても特性に影響はない。
そして、図５、図６に示す受電器２０１の金属平板２０２、２０３を図１４に示す金属平板４４、４５で表現して銅で構成し、金属平板２５と金属平板２６において、各金属平板にＬ型の導体線路４８、４９を接続する。前記Ｌ型の導体線路４８、４９の一端を開放端とし、その開放端には、電力を取り出す配線を接続するため例えばＢＮＣコネクタをはんだで固定するビアホール４９、５０をそれぞれ設ける。給電ステーション４を比誘電率３．９からなる誘電体基板５１で模擬した図１５に示す無線電力伝送システム５２を考える。図１５は図１３、図１４に示したＺ－Ｚ’面における断面図である。図１５に示す無線電力伝送システム５２で実験を行う上で、絶縁体壁４３を底面として垂直に立てらせる。そして、上面側となる前記Ｌ型配線４７、４８側から海水を模擬した食塩水を注ぐため、前記絶縁体１０８は設けていない。 For example, the metal flat plates 102 and 103 of the power transmitter 101 shown in FIGS. 3 and 4 are represented by the metal flat plates 34 and 35 shown in FIG. L-shaped conductor lines 37 and 38 are connected. One ends of the L-shaped conductor lines 37 and 38 are open ends, and via holes 39 and 40 are provided at the open ends, respectively, for connecting wirings for supplying electric power, for example, BNC connectors are fixed by soldering. The insulator walls 104, 106 and 107 are simulated by insulator walls 41, 42 and 43 made of nitrile rubber, and the power supply station 3 and the submersible 2 are simulated by dielectric substrates 36 and 46 each having a dielectric constant of 3.9. . Here, the insulator 108 installed on the side of the L-shaped conductor lines 17 and 18 is not simulated for the convenience of the experiment, but the characteristics are not affected even if it is similarly simulated with nitrile rubber, for example.
The metal flat plates 202 and 203 of the power receiver 201 shown in FIGS. 5 and 6 are represented by the metal flat plates 44 and 45 shown in FIG. L-shaped conductor lines 48 and 49 are connected. One ends of the L-shaped conductor lines 48, 49 are open ends, and via holes 49, 50 are provided at the open ends, respectively, for connecting wiring for extracting electric power, for example, BNC connectors are fixed by soldering. Consider a wireless power transmission system 52 shown in FIG. 15 in which the power supply station 4 is simulated by a dielectric substrate 51 having a dielectric constant of 3.9. 15 is a cross-sectional view taken along the ZZ' plane shown in FIGS. 13 and 14. FIG. When conducting an experiment with the wireless power transmission system 52 shown in FIG. 15, the insulator wall 43 is vertically erected as a bottom surface. The insulator 108 is not provided in order to pour salt water simulating seawater from the L-shaped wirings 47 and 48 which are the upper surface side.

前記誘電体基板３６、４６は長辺を３０．５ｃｍ、短辺を１７．０ｃｍ、厚み１．６ｍｍとし、前記金属平板３４、３５、４４、４５のサイズは、例えば、半径を５ｃｍ、厚み７０μｍとした円状の電極で表現する。前記金属平板３４と３５、および前記金属平板４４と４５の間隔は５ｍｍとする。前記絶縁体壁４１、４２、４３の幅を１ｃｍ厚みを２ｃｍとし、前記絶縁体壁４１、４２の長さを１７．０ｃｍ、前記絶縁体壁４３の長さを３０．５ｃｍとし、前記誘電体基板３６の外周に沿って配置する。前記Ｌ型配線３７、３８および４７、４８の幅は１．３ｍｍとし、開放端側から長さ８０ｍｍで直角に曲がり、３０ｍｍ伸びたところで前記金属平板３４、３５、４４、４５とそれぞれ接続される。前記Ｌ型配線３７、３８および４７、４８の開放端側に設けたビアホール３９、４０および４９、５０の直径は０．８ｍｍとする。
前記絶縁体壁４１、４２、４３および前記誘電体基板３６、４６によって囲まれた、金属平板３４と金属平板３５、および金属平板４４と金属平板４５が対向配置された領域５３を、海水を模擬した濃度３．５％の食塩水で満たす。 The dielectric substrates 36, 46 have a long side of 30.5 cm, a short side of 17.0 cm, and a thickness of 1.6 mm. It is represented by a circular electrode. The distance between the metal flat plates 34 and 35 and between the metal flat plates 44 and 45 is 5 mm. The width of the insulator walls 41, 42, 43 is 1 cm, the thickness is 2 cm, the length of the insulator walls 41, 42 is 17.0 cm, the length of the insulator wall 43 is 30.5 cm, and the dielectric They are arranged along the outer circumference of the substrate 36 . The L-shaped wirings 37, 38 and 47, 48 have a width of 1.3 mm, bend at a right angle with a length of 80 mm from the open end side, and are connected to the metal flat plates 34, 35, 44, 45 at the point where they extend 30 mm. . The diameter of the via holes 39, 40 and 49, 50 provided at the open ends of the L-shaped wirings 37, 38 and 47, 48 is 0.8 mm.
A region 53 surrounded by the insulator walls 41, 42, 43 and the dielectric substrates 36, 46 and in which the metal flat plates 34 and 35 and the metal flat plates 44 and 45 are arranged to face each other is simulated as sea water. 3.5% saline solution.

海水を模擬した濃度３．５％の食塩水の導電率の測定結果をは図１１に示したとおりである。１００ｋＨｚから１００ＭＨｚまでが導電率４Ｓ／ｍ以上を示す。この周波数帯における電力伝送効率を図１６に示す。図１６は、例えば、前記誘電体基板３６と前記誘電体基板４６を５ｍｍ離して構成した前記無線電力伝送システム５２において、ベクトルネットワークアナライザの一端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール３９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール４０に固定して差動により電力を送電し、ベクトルネットワークアナライザの他端子とバランのシングルエンド端子を接続し、バランの差動出力端子の一端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール４９に固定し、バランの差動出力端子の他端を接続したＢＮＣコネクタをはんだでビアホール５０に固定して差動により送電された電力を受電し、その送電電力と受電電力の比から得られる電力伝送効率を周波数軸でグラフ化したものである。 FIG. 11 shows the measurement results of the electrical conductivity of 3.5% salt water simulating seawater. From 100 kHz to 100 MHz shows a conductivity of 4 S/m or more. FIG. 16 shows the power transmission efficiency in this frequency band. FIG. 16 shows, for example, in the wireless power transmission system 52 in which the dielectric substrate 36 and the dielectric substrate 46 are separated by 5 mm, one terminal of the vector network analyzer is connected to the single end terminal of the balun, and the difference of the balun is connected. A BNC connector to which one end of the dynamic output terminal is connected is fixed to the via hole 39 by soldering, and a BNC connector to which the other end of the differential output terminal of the balun is connected is fixed to the via hole 40 by soldering to transmit electric power by differential transmission, The other terminal of the vector network analyzer was connected to the single end terminal of the balun, the BNC connector connected to one end of the differential output terminal of the balun was fixed to the via hole 49 by soldering, and the other end of the differential output terminal of the balun was connected. The BNC connector is fixed to the via hole 50 by soldering, the power transmitted differentially is received, and the power transmission efficiency obtained from the ratio between the transmitted power and the received power is graphed on the frequency axis.

図１１より海水が高い導電率を示すことで高周波帯では誘電体としてだけでなく導体としても振る舞うことが読み取れる。この海水からなる導体を絶縁体壁で囲うことで導波路が構成される。つまり、前記絶縁体壁４１、４２、４３および前記誘電体基板３６、４６によって囲まれた、金属平板３４と金属平板３５、および金属平板４４と金属平板４５が対向配置された領域５３は導波路として振う。ここで、前記金属平板３４と前記金属平板３５にお互いに逆相となる高周波電力を投入すると、前記領域５３からなる導波路を介して伝送されて、前記金属平板４４および前記金属平板４５で電力を取り出すことができる。この際、海水は高周波帯で導体として振る舞うため、前記金属平板３４に投入された電力は領域５３からなる導波路を介して前記金属平板３５へ、また前記金属平板３５に投入された電力は領域５３からなる導波路を介して前記金属平板３４へ流れ込むため、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板３４と前記金属平板３５の最も近い距離よりも、金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離の方を短くすることで、海水の電気抵抗は金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離の方が小さくなるので、高効率電力伝送を達成できる。例え、前記金属平板３４、３５、４４、４５を絶縁体でコーティングしても海水が導体として振る舞うため、前記金属平板３４、３５、４４、４５と海水が電極として振る舞うコンデンサを形成され、コンデンサ部分は電界結合によって、海水部分は電界結合と海水の導電率に従った導波路を介して電力が伝送されることになる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。 From FIG. 11, it can be read that seawater exhibits high conductivity and behaves not only as a dielectric but also as a conductor in a high frequency band. A waveguide is constructed by enclosing the seawater conductor with an insulator wall. That is, the region 53 surrounded by the insulator walls 41, 42, 43 and the dielectric substrates 36, 46 and in which the metal flat plate 34 and the metal flat plate 35, and the metal flat plate 44 and the metal flat plate 45 are arranged to face each other is a waveguide. Shake as Here, when high-frequency powers having phases opposite to each other are applied to the metal flat plate 34 and the metal flat plate 35 , the power is transmitted through the waveguide formed by the region 53 and is transmitted to the metal flat plate 44 and the metal flat plate 45 . can be taken out. At this time, since seawater behaves as a conductor in a high frequency band, the power input to the metal flat plate 34 is transferred to the metal flat plate 35 through the waveguide formed by the region 53, and the power input to the metal flat plate 35 is transferred to the region 53. Since it flows into the metal flat plate 34 via the waveguide 53, there is a possibility that the efficiency may be lowered. However, by making the distance between the metal flat plate 34 and the metal flat plate 44, and the distance between the metal flat plate 35 and the metal flat plate 45 shorter than the shortest distance between the metal flat plate 34 and the metal flat plate 35, the electrical resistance of the seawater is Since the distance between the flat plate 34 and the flat metal plate 44 and the distance between the flat metal plate 35 and the flat metal plate 45 are smaller, highly efficient power transmission can be achieved. For example, even if the metal plates 34, 35, 44, 45 are coated with an insulator, the seawater behaves as a conductor. By the electric field coupling, the seawater part will transmit electric power through the waveguide according to the electric field coupling and the conductivity of the seawater. As a result, the total weight of the power transmitter/receiver can be reduced, and power can be wirelessly supplied with high efficiency without using a heavy transmission coil.

なお、前記絶縁体壁４１、４２、４３は前記誘電体基板３６、４６を囲うように配置したが、これは実験の都合上、前記領域５３に海水を充てんするために設けた配置であり、必ずしもこれに沿うものではない。 The insulator walls 41, 42 and 43 are arranged so as to surround the dielectric substrates 36 and 46, but this arrangement is provided to fill the region 53 with seawater for convenience of the experiment. This is not necessarily the case.

また、実験の容易さから電力の入力線路としてビアホール３９、４０およびＬ型の導体線路３７、３８、および電力の出力線路としてビアホール４９、５０およびＬ型の導体線路４７、４８を設けているが、必ずしもこれに沿うものではなく、例えば、金属平板３４、３５および金属平板４４、４５上にビアホールを設けて電力の入力線路および出力線路を設けてもよい。これにより引き回し線路による損失を低減できる。あるいは、金属平板３４、３５および金属平板４４、４５に対して誘電体基板３６、４６を介して対向配置した金属平板をそれぞれ設けることで容量結合により電力を入力、および出力させることができる。これによりビアホールを設ける必要がなく、製作が容易になる。 For ease of experimentation, via holes 39 and 40 and L-shaped conductor lines 37 and 38 are provided as power input lines, and via holes 49 and 50 and L-shaped conductor lines 47 and 48 are provided as power output lines. For example, via holes may be provided on the metal plates 34 and 35 and the metal plates 44 and 45 to provide power input and output lines. As a result, the loss due to the lead-out line can be reduced. Alternatively, by providing metal flat plates 34, 35 and metal flat plates 44, 45 opposite to each other with dielectric substrates 36, 46 interposed therebetween, power can be input and output by capacitive coupling. This eliminates the need to provide via holes and facilitates manufacturing.

実験では前記領域５３に海水を模擬した食塩水を充填したが、淡水を充填しても同等の効果を得ることができる。淡水の場合は、海水に比べて導電率が非常に低いため、絶縁体として振る舞う。その場合、前記金属平板３４と３５、４４と４５がそれぞれ電界結合するため、結果として高効率電力伝送が実現できる。例えば、水道水の誘電正接を図１８に示す。このように水道水に近い淡水ならば、２０ＭＨｚから２００ＭＨｚまでの範囲で誘電正接が小さくなるので、特に高効率電力伝送が実現できる。この際、淡水が高周波帯では絶縁体として振る舞うことから、前記金属平板３４に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板３５へ、また前記金属平板３５に投入された電力によって生じる電気力線が前記金属平板３４へ向かい、効率の低下を招く恐れがある。しかし、前記金属平板３４と前記金属平板３５の間隔を、金属平板３４と金属平板４４、および金属平板３５と金属平板４５の距離よりも広くすることで、電気力線は最も近い距離にある導体へ向かうので、前記金属平板３４および前記金属平板３５に発生した電気力線はそれぞれ前記金属平板４４および前記金属平板４５へ向かうようになるので、高効率電力伝送を達成できる。結果、送受電器の総重量を低減でき、重量の大きな伝送コイルを用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。
In the experiment, the region 53 was filled with saline simulating seawater, but the same effect can be obtained by filling with fresh water. Freshwater behaves as an insulator because it has a much lower conductivity than seawater. In this case, the metal flat plates 34 and 35, and 44 and 45 are electrically coupled, respectively, and as a result, highly efficient power transmission can be realized. For example, FIG. 18 shows the dielectric loss tangent of tap water. In this way, if the fresh water is close to tap water, the dielectric loss tangent becomes small in the range from 20 MHz to 200 MHz, so highly efficient power transmission can be realized. At this time, fresh water behaves as an insulator in a high frequency band. A line may go to the metal plate 34 and cause a decrease in efficiency. However, by making the distance between the metal flat plate 34 and the metal flat plate 35 wider than the distance between the metal flat plate 34 and the metal flat plate 44 and the distance between the metal flat plate 35 and the metal flat plate 45, the lines of electric force are arranged on the nearest conductor. , the lines of electric force generated in the metal flat plates 34 and 35 are directed to the metal flat plates 44 and 45, respectively, so that highly efficient power transmission can be achieved. As a result, the total weight of the power transmitter/receiver can be reduced, and power can be wirelessly supplied with high efficiency without using a heavy transmission coil.

１、１３、５２無線電力伝送システム
２、５、１０潜水機
３、９給電ステーション
４、８ケーブル
６海底
７母船
１１、１２、３２、３３、５３領域
１４、１５、２５、２６、３４、３５、４４、４５、
１０２、１０３、２０２、２０３金属平板
１６、２７、３６、４６誘電体基板
１７、１８、２８、２９、３７、３８、４７，４８Ｌ型の導体線路
１９、２０、３０、３１、３９、４０、４９、５０ビアホール
２１、２２、２３、２４、４１、４２、４３、
１０４、１０５、１０６、１０７、１０８絶縁体壁
１００送電装置
１０１送電器
１１０ＲＦ電源
１１１、２１２整合回路
１１２、２１０バラン
１１３、２１０ダイプレクサ
１１４、２１７通信トランス
１１５、２１８可変ゲインアンプ
１１６、２１９信号処理回路
１１７、２２１ラインドライバ
２００受電装置
２０１受電器
２１３整流回路
２１４バッテリ
２１５ＤＣ／ＤＣ
２１６通信モジュール
２２０カメラモジュール

1, 13, 52 Wireless power transmission system 2, 5, 10 Submersible 3, 9 Power supply station 4, 8 Cable 6 Submarine 7 Mother ship 11, 12, 32, 33, 53 Area 14, 15, 25, 26, 34, 35 , 44, 45,
102, 103, 202, 203 metal flat plates 16, 27, 36, 46 dielectric substrates 17, 18, 28, 29, 37, 38, 47, 48 L-shaped conductor lines 19, 20, 30, 31, 39, 40 , 49, 50 via holes 21, 22, 23, 24, 41, 42, 43,
104, 105, 106, 107, 108 insulator wall 100 power transmission device 101 power transmission device 110 RF power supply 111, 212 matching circuit 112, 210 balun 113, 210 diplexer 114, 217 communication transformer 115, 218 variable gain amplifier 116, 219 signal processing Circuits 117, 221 Line driver 200 Power receiving device 201 Power receiver 213 Rectifier circuit 214 Battery 215 DC/DC
216 communication module 220 camera module

Claims

A system for wireless power transmission in freshwater or seawater, comprising:
A power transmission device provided on the power transmission side and a power reception device provided on the power reception side,
The power transmitting device includes a power transmitter having two or more conductor plates, the power receiving device includes a power receiver having two or more conductor plates,
The conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver are arranged to face each other ,
The conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver are provided on each surface of the power transmitter or the power receiver, respectively,
Further, the underwater radio is characterized in that the conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver are surrounded by an insulator when they are arranged facing each other. power transmission system.

The conductive flat plates of the power transmitter and the conductive flat plates of the power receiver are provided in the same number, and each pair formed facing each other is surrounded by an insulator. The underwater wireless power transmission system according to claim 1, characterized by:

The insulator is erected around the conductor flat plate on the surface of either the power transmission device or the power reception device, and the conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver face each other. 3. The underwater wireless power transmission system according to claim 1, wherein said insulator surrounds both conductor plates.

4. The conductor plate according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductor plate has a square or circular flat surface, and the conductor plates arranged opposite to each other have the same surface shape. underwater wireless power transmission system .

The gap formed between the two or more conductive flat plates of the power transmitter and the gap formed between the two or more conductive flat plates of the power receiver are both of the same size, and the size of the gap is The underwater wireless power transmission system according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is provided so as to be larger than the formed interval.

A system for wireless power transmission in freshwater or seawater, comprising:
A power transmission device provided on the power transmission side and a power reception device provided on the power reception side,
The power transmitting device includes a power transmitter having two or more conductor plates, the power receiving device includes a power receiver having two or more conductor plates,
The conductor flat plate of the power transmitter and the conductor flat plate of the power receiver are arranged to face each other,
The gap formed between the two or more conductive flat plates of the power transmitter and the gap formed between the two or more conductive flat plates of the power receiver are both of the same size, and the size of the gap is An underwater wireless power transmission system characterized by being provided so as to be larger than the formed interval.

The power transmission side is a power feeding station, the power receiving side is a submersible, the power transmitter is arranged on the upper surface of the power feeding station, and the power receiver is arranged on the bottom of the submersible. The underwater wireless power transmission system according to any one of claims 1 to 6, characterized in that

The power transmission side is a power feeding station having wall surfaces spaced appropriately apart, the power receiving side is a submersible, the power transmitter is arranged separately at least one inside the wall surface of the power feeding station, and the power receiver is 7. The underwater wireless power transmission system according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one unit is arranged separately on each of left and right side surfaces of the submersible.

9. The power transmitting device and the power receiving device are used for wireless transmission of signals, and mutually transmit information of the power transmitting device and the power receiving device. The underwater wireless power transmission system according to .