ワイヤレス給電の現状と将来の展望
早稲田大学 電動車両研究所
髙橋 俊輔
201８年1月2５日
環境ベテランズファームセミナー
NPO法人 新現役ネット会議室

WASEDA University

目

次

1.ワイヤレス給電システムとは
2. EV用ワイヤレス給電の動向

3. 汎用機器向けワイヤレス給電の動向
4. ワイヤレス給電における課題
5. 将来の展望

ワイヤレス給電とは

3電磁誘導や電波を利用して、離れた場所へワイヤレスで給電する技術

コンセントではなく充電器

AC
ワイヤレス電力伝送方式

AC

充電器

非放射型

放射型
その他の方式DC①磁界結合方式

電磁誘導方式
磁界共振方式②電界結合方式③電波方式（マイクロ波など）④光方式（レーザーやＬＥＤなど）⑤エバネセント波方式⑥超音波方式⑦回転磁石方式

磁界結合方式（電磁誘導方式）
・19世紀のファラデーやカランの時代に発見された
電磁誘導 （ トランス ） の原理を利用
・コイル間に発生する電磁誘導を利用して給電・近距離 （ 数mm～数十cm ） で微小電力から100kW以上の大電力まで効率良く （ 90%以上も可能 ） 伝送できる・給電方式としては給電コイル上に静止して行うチャージ方式と給電ライン上を移動しながら行うレール方式がある
チャージ式

パナソニック
親子電話の子機充電（1997年)

Plugless Power社
電気自動車への給電（2010年)

マイケル・ファラデー
イギリス
電磁誘導現象発見（1831年）

4

ニコラス・カラン
アイルランドの牧師
誘導コイル発明（1836年）

レール式

BOMBARDIER社
電車への250kW（2009年)

磁界結合方式（磁界共振方式）
•
•
•
•

5

2007年6月米MITのMarin Soljacic教授の研究グループが発表
共振回路同士の共鳴現象を利用，2mの距離で60W送電伝送効率は40～45%
基本原理は新しくはないものの、給電方式としては新たな方式
その後多くの会社が発表し、3kW程度のものが出てきた

2m

60W

60W

1m

50cmφ

0.6 m
1 A / m(1.25 T )

150 W

1m

210 V / m

400 W

32W / m 2

9.9 MHz
60 W

MITの発表写真(2007年）

150 W

400 WN  5.25

アルプス電機@ワイヤレスジャパン2014

インテル

60 W

伝送効率約60%（含整流回路）50cm

Marin Soljaci（MIT 2007)

1kW

60cm
伝送効率88%

WiTricty @CES 2015

30cm

長野日本無線

IHI

ソニー
出典：各社HPの写真より

電界結合方式

6

磁界結合だけでなく電界結合（誘電結合）共振方式も発表されている送電側と受電側にそれぞれ電極を設置し、一種のコンデンサのように電極が近接したときに発生する「電界」を利用してエネルギーを伝送する技術
電界結合方式の特徴
・電磁誘導方式などに比べて伝送効率が高い
・機器の位置自由度が高い
充電台と端末の電極をぴったり合わせなくても充電可能
・ひとつの充電台に対して複数の機器・端末を対応させることが可能
・ワイヤレス給電部の発熱が少ない
基本的にギャップが小さく、・電極の材料や在質、厚さの自由度が高い
未だ出力が小さい・透明電極採用も可能

豊橋技術科学大学（WTP2012)（出力 50～60Wギャップ 10cm以上）

豊橋技科大と大成建設の共同開発（CEATEC2014）

村田製作所の５Ｗ透明電極型(WTP2012)

電界結合方式の伝送回路図

複数機器に給電できる電界共鳴方式（出典：http://www.nikkeibp.co.jp/）7

電波（マイクロ波）方式
過去の研究成果
・19世紀にテスラが通信実験を行う
ウォーデンクリフタワー
・マイクロ波などの電波をアンテナで受信、整流回路で直流に変換（レクテナ）
・電波のビームを絞ることで長距離大電力伝送も可能

最近の動向と今後の方向性
京都大学での検討
日本電業工作とVolvo
グループ（2012年）
・4m以上離れて10kW電力伝送

三菱重工業（2008年）
・NEDOから受託研究・2009年2月のENEX2009に展示
・出力1kW、効率38%
マグネトロン管4本使用
・周波数 2.45GHz

京都大学宇治キャンパス電波暗室

マイクロ波の放射が認められていない
出典：NEDOカタログより

出典：2013 International Symposium on Electromagnetic Theory ,Naoki Shinohara光給電（レーザー）方式

8

レーザー光を太陽電池で受け取ることでエネルギー電力伝送が可能

レーザー方式SSPSモデル（出典： 宇宙航空研究開発機構資料）

レーザエネルギおよび情報供給システムのコンセプト（出典：http://wwwng.fujikin.co.jp/csr/stp/sou/patent_download.php?id=12050005）

フラットトップなビームプロファイル
出典：http://www.ssr.titech.ac.jp/research/project_22.html

人体防護の観点からビームエネルギー密度の減少が必要

ビームエネルギー密度減少方法

エバネセント波方式

9エバネセント波の発生

放射型のマイクロ波を使いながら、伝送空間にはヒトは入り込めない！
エバネセント波は非放射型と言う中間的な方式
基本的にギャップが小さく、出力が小さい

DC

負荷

発振器

整流器

コネクタ

コネクタ

出典：篠田：計測と制御 第46巻第2号pp.98-103(2007)その他のワイヤレス給電方式
超音波方式

10

回転磁石方式・20kHz以上の超音波を利用

・カナダ・ブリティッシュコロンビア大学（UBC）が開発

・伝送可能距離は7m程度

・磁石の回転を利用

・電圧は8Vで出力はQiクラス以下

・周波数150Hz以下

・広範囲にわたって電力伝送
部屋中を動き回りながらでも充電可能

・高周波の電磁界が発生せず、人体に対する影響がない

・電力と同時にデータの送受信可能・給電部と受電部のギャップ10cm

・人体に対する影響がない

・出力 3.3kW・壁などの遮蔽物に弱い

・送電効率90％超

受信側デバイスは充電ステーションは厚さ
シート状アンテナ
5mm以下、壁掛け式
出典：http://juggly.cn/archives/124730.html

・給電部と受電部の位置合わせ精度が低くてもよい

出典：http://sustainablejapan.net/?p=2719

各方式の伝送電力と伝送距離
100m＊ 人体防護の観点からの制限 ＊＊高度な安全装置により規制緩和された場合

ワイヤレス電力伝送方式

10m
EVに求められる領域

レーザー＊＊

電波＊

1m
伝送距離

11

ホムユース機器等に求められる領域

10cm

放射型③電波方式（マイクロ波など）④光方式（レーザーなど）

磁界共振

1cm
電磁誘導
電界結合

超音波

1mm
0.01

0.1

1

10

100

伝送電力 （Ｗ）

1k非放射型①磁界結合方式
・電磁誘導方式
・磁界共振方式②電界結合方式

10k

100k

中間型／電磁波以外の方式⑤エバネセント波方式⑥超音波方式⑦回転磁石方式

ＥＶ用のワイヤレス電力伝送方式の概要と回路構成
磁界結合方式の原理と回路構成

12静止型の回路構成例とコンデンサ配置
伝送効率を
最大にする

電源力率を1に近づけ電圧変動率を最小にする

Cｓ

I２

IL

IIN
VIN
ギャップで磁路が切れ磁束が漏れる

Cｐ

結合係数 k ＜ 1

励磁インダクタンスは
M1＝k・L1
M2＝k・L2

1次側と2次側を積極的に共振させると磁界共振型になる

漏れインダクタンスはLe1＝(1－k)・L1
Le2＝(1－k)・L2
相互インダクタンスは
M＝√M1・M2＝k・√L1・L2

V２
RL

目

次

1. ワイヤレス給電システムとは

2.EV用ワイヤレス給電の動向
3. 汎用機器向けワイヤレス給電の動向
4. ワイヤレス給電における課題

5. 将来の展望EV用ワイヤレス充電システム
国内
日産リーフ（2011技術説明会）

三菱 iMiEV(東京モーターショー2011)

トヨタ（CEATEC2013）14

ホンダ フィット EV（さいたまE-KIZUNA2014）

Bosch (2017年7月）

海外Dimler Mercedes-Benz (2016年10月）

PHEV S550e
Qualcomm/Brusa

コンセプトカー「Generation EQ」
Paris Motor Show 2016

VW (2016年10月）

EV向けの新プラットフォーム
赤枠内が受電コイル

国内ではほとんど発表が無くなっているのに対し、海外では実搭載を含め発表が続いている

日本でのワイヤレス充電バス

早稲田大学での電動バス・ワイヤレス給電開発の年度別概要
年
度

公
的
研
究
資
金

2002
（H14）

2003
（H15）

2004
（H16）

2005
（H17）

「先進電動
バスシステ
ム開発・
導入可能
性調査」
NEDO-FS
事業「WEB-0」
早大自主開発「先進電動マイクロバス交
通システムモデル事業」
NEDO-モデル事業

2006
（H18）

2007
（H19）

2008
（H20）

2009
（H21）

2010
（H22）

「電動バス 「奈良試験 「低炭素社会
システム研 運行」奈良 モデル事業」
県／市
究」
経産省
早大自主
「オンデマンド 「産官学連携
開発
電気バス実事業」環境省
験」環境省「電動バスシステムの大都市近郊適合性調査事業」
NEDO-FS事
業

2011
（H23）

2012
（H24）

16

2013
(H25）

2014～16(H26～28）「チャレンジ２５地域づくり事業」環境省「CO2排出削減対策強化誘導型技術開発・実証事業」環境省「電気バス実 「側面給電」国交省
験」 国交省「自然エネルギー活用充電ステーション」埼玉県「同」 NEDO-実用
化研究開発「非接触給電装置」
NEDO-先導研究開発「走行中給電」
NEDO-挑戦研究「走行中給電」
NEDO-FS研究

研
究開発★ WEB-1★ WEB-2★ IPS(30kW)★

WEB-0

公
道
実
証
試
験

★

IPS(10/60/150kW)

＠本庄市（WEB-1&2，第1～2期）
＠三鷹市（WEB-2，第1～3期）

★
★

WEB-3
側面給電

（WEB-2）
＠新宿区（WEB-2）（WEB-3）＠大阪中之島（WEB-2）
＠堺市（WEB-2）

WEB-3Adv.
＠長野市（WEB-3／4）

＠熊谷市（WEB-3）

＠守山市（WEB-2）

＠昭島（WEB-1）

＠奈良遷都1300年（WEB-2 ）＠奈良市（WEB- 1 ）（WEB-1Adv. ）＠ユーカリが丘（WEB-1&2）

★

WEB-4

＠奈良瑠璃絵 （WEB- 1Adv. ）（WEB-1Ａｄｖ．)★EVﾒﾙﾌｧ★
＠川崎市（WEB3Adv.&EV
メルファ）

国交省などでのWPTシステム運用
マウンド方式17

一次コイルの設置方法は？
Wampfler社製IPT（30kW）の設計寸法
最低地上高：198mm《内訳》
コイル間ギャップ ： 50mm
マウンド高さ：148mm

2次コイル
（固定）

1次コイル

車両条件
・エアサス標準位置(上昇も下降も無い状態)

1次コイル設置改善策（道路面と面一にする）
ニーリング機能＋コイル昇降装置

下降

2次コイル
（昇降）

昭和飛行機製IPS（50kW）の設計寸法
最低地上高：198mm《内訳》
ニーリング寸法 ： 50mm
コイル間ギャップ ： 50mm
コイル昇降寸法 ： 98mm

1次コイル

2008年 洞爺湖サミット

2008年 羽田空港

148mm
望ましい設計寸法はコイル 昇
降装置無しでエアサスのみの方式であるが、148mmのコイル間ギャップが必要となる
電磁波漏洩が大きくなるためコ
イル昇降装置装備

2011年 東京駅南口

2011年 東京ビッグサイト

欧州でのワイヤレス充電バス

欧州のワイヤレス充電バス
MiltonKeynes(120kW）

London(200kW)＊

19s’Hertogenbosch(120kW)＊

Berlin(200kW)＊

Bruges(200kW)

Braunschweig(200kW)

Torino／Genova(60kW)

Mannheim(200kW)＊

茶字 2017年11月実施（環境省PJ）
赤字 2015年10月実施（環境省PJ ）緑字 2005年10月実施（NEDO PJ） ＊印写真出典：ネット資料

英Milton Keynes市EVバス実証事業
三井物産とARUPが2014年1月から路線バス事業

20

2次コイルは昇降式
Route No.7
片道約24kmワイヤレス給電システム ：IPT Technology社製電磁誘導式
120kW出力（30kW×4台）
充電時間は両ターミナルで10分間
ギャップは4cmで下降時間は2秒
地上コイルの耐荷重は6トン
冷却方式 1次側
水冷
2次側
空冷
高周波電源装置はコイル下高周波ラインが短い
コイルピット構造
設置性が良い景観性が良い日本国内導入当時は昇降式は否定的・ギャップを広げる方向への開発

昇降式の利点が見直されつつある・大電力でも電磁波漏洩対策が容易
・コイルを小型にできる

5

地上コイル

2次コイルの設置状況
出典：http://www.bbc.com/news/technology-25621426①モニターユニット②冷却システム③コイル面④地中筐体⑤高周波電源装置

地上コイルの設置

中国でのワイヤレス充電バス

ZTE（中興通訊）のワイヤレス充電バス展開

22

ZTEが戦略的パートナーシップを結ぶ３８市のうちe-BUSを導入した市(2015年）
Zhangjiakou张家口（ kW×4基）

赤字 2016年8月実施（環境省PJ ）緑字 2016年1月実施（Volvo PJ）

Hohhot呼和浩特（ kW×2基）

黑龙江

Changchun
長春（ kW×3基）

吉林
新疆

辽宁
甘肃

Chengdu成都（30kW×2基）

内蒙古

青海

Lijiang云南Guiyang

貴陽（30kW×2基）

江苏
安徽

湖北

贵州

湖南
广西

海南

北京

郑州
（120kW×5基）

山东

河南

四川

丽江
（30kW）

大理（30kW）

山西

陕西

西藏

Dali

河北

宁夏

Zhengzhou

江西

上海
浙江

Xiangyang襄阳（120kW×2基×2か所）

福建广东

Shenzhen

深圳（60kW×2基）

Huidong,
Huizhou惠州惠东（120kW×2基）

2016年12月、 ZTE Smart
Auto が深圳公共交通から
204台のWPT付きバス受注
出典：ZTE Leading Industrial Solution and Commercial Implementation Case Study in China /2016

EVバス運行路と充電場所（運用中の都市）
襄陽市

23

鄭州市
全長 約43.7km

全長 約22.6km

車両外観

ルート全長 ： 22.6km
コイル設置 ： 2台×2ターミナル
電源盤出力 ： 120kW（60kW×2台のコイル）
運行 ： 2014年9月開始

2基の120kW電源盤と冷却システム、
奥に高圧電源盤（160kVA）

横2連の車上コイル

車両外観と電源盤

ルート全長 ： 43.7km
コイル設置 ： 2台×10基
電源盤出力 ： 120kW（60kW×2台のコイル）
運行 ： 2014年9月開始

車上コイル

第2期工事を計画中

地上コイル

縦2連の地上コイル

米国でのワイヤレス充電バス

カリフォルニア州Monterey市のWPT式EV Bus運用
2014年Q3
2016年6月

商用運用を計画
実運用開始

運用社

Monterey Salinas Transit

25

ルート仕様
・走行距離

7.2km

ワイヤレス給電システム仕様
・製造所
・出力
・周波数
・エアギャップ
・充電
・充電場所

WAVE
50kW
23.4kHz17.8cm
30分間運用10分間充電1箇所

地中に設置された１次コイル

２次コイルの設置状況

ロングビーチで商用運用を開始

バス仕様

2016年4月から運用開始
ルート走行距離8.6マイル・タイプ
コーチ型
・電池搭載量 213kWh
・台数
2台

ワイヤレス給電システム仕様
・出力
・充電
・充電場所

EVバスルート

出典：IEEE ECCE2013 SS3.3 Hunter Wu
http://www.montereyherald.com/article/NF/2015
0608/NEWS/150609796

出典：http://www.lbbizjournal.com/singlepost/2016/04/11/Long-Beach-TransitReceives-First-Battery-Electric-Bus

50kW
1時間運用中、10～20分間充電2箇所

EVバス用ワイヤレス充電システム
製造所

東芝

昭和飛行機工業

WAVE

中興通信
（ZTE）

SIPS30K/50k

型式名

OLEV
Technologies

Momentum
Dynamics

OLEV

26

IPT Technology

IPT Technology

Bombardier

IPT Charge
120kW（30kW x 2 x 2）4cm
左右±5cm前後±5cm93%

IPT Charge
100/200/300kW（50kW x 2/3/4）
13cm

PRIMOVE200

90%

1.5～4.5cm
左右±10cm
前後±30cm
90%

AC～DC

AC～DC

AC～DC

Circular

Circular

Circular

出力44kW30/50kW50kW30/60/120kW

100kW (20kW x 5)

50kW/200kW

ギャップ10.5cm左右20cm
前後15cm84%

12cm/5cm

20cm以下16～25cm

20cm

15～20cm±10cm/±5cm±12.5cm±15cm

92%/93%

90%

90%

83%

AC～DC

AC～DC

DC～DC

AC～DC

AC～DC

Solenoid

Circular

Circular

Circular

Circular

Circular

120/84.7x120/
84.7x 3.3cm

91cmφ

1m2

125 x 69 x 11.7cm
x5122cmφ／102.5 x 87.5 x 6cm 110 x 108 x 5.5cm
x4
x 2/4/6

600kg(120kg x 5)

22kg／

280kg (70kg x 4)

許容位置ずれ効率
コイル形状

２次コイル寸法 62 x 80 x 4.65cm

40%の円内／90～91%

200kW

220 x 90 x 10cm

２次コイル重量

107kg

60kg/37kg

周波数

85kHz

22kHz

23.4kHz

85kHz

20kHz

23.5kHz

20kHz

20kHz

20kHz

発表時期

2015

2008/20112016/6

2014/92014/92013/9／2017/6

2014/1

2016/1

2014/32次コイル
昇降式もあり成都／襄陽／鄭州／深圳

KAISTの事業実
施会社

通信はDSRC

備考
運用都市

写真

川崎（終了）

長野（終了）

Monterey

亀尾／大田広域350kg

2次コイル昇降式 ニーリング機能
Columbia

Milton Keynes／s’Hertogenbosch

London2次コイル昇降式
FOD、清掃装置
Braunschweig／
Bruges／Berlin目次

1. ワイヤレス給電システムとは
2. EV用ワイヤレス給電の動向

3. 汎用機器向けワイヤレス給電の動向
4. ワイヤレス給電における課題

5. 将来の展望

家庭・オフィス機器への応用

従来からあった家庭内でのワイヤレス充電
水回りで使用したり待ち受け時間の長い電気製品

小型・薄型化でコネクタレスにしたい機器

位置決め用兼磁束鎖交用コ
ア中央凸極部SUICAもワイヤレス給電”完全なワイヤレス給電機器”
FOMA®端末用

電動歯ブラシや髭剃り

電話子機やインターホンとその回路例

29

Fellica読み書きの仕組み（出典：ソニーHPより）

乾電池は非常に高い電気の缶詰
単3型のアルカリ電池の場合

30電池へのワイヤレス充電

・Panasonicの単3アルカリ電池容量
1時間かけて放電の場合 → 900×1= 900mAh
5時間かけて放電の場合 → 300×5= 1500mAh
10時間かけて放電の場合 → 180×10=1800mAh（1.8Ah）・最大容量の10時間率での電池エネルギー量
1.5V×1.8Ah=2.7Wh・Panasonicの単3アルカリ電池価格
オープン価格なので量販店での4社平均単価 → 74円／本

・電池の電気代
74円／2.7Wh=27.4円／Wh（27,400円／kWh）

Charge Pad

Charge Pad（出典：三洋カタログ） （出典：パナソニックカタログ）

・電力会社の電気代
電気代単価は27円／kWh（主要電力会社10社平均単価・2014年春）● 実に、電池の電気代は商用電気の１，０００倍以上の高さ● 更に多くの金属資源を浪費（1本につき23.5g）する

ワイヤレス給電による常時給電あるいは蓄電池への充電が求められる
出典：http://industrial.panasonic.com/www-ctlg/ctlgj/qAAC4000_JP.html
http://csknowledge.panasonic.co.jp/app/answers/detail/a_id/9728

置く電池（出典：AAK社カタログ）

LEDホームライト（出典：プロト社カタログ）

TV／PC／タブレットなどへのワイヤレス給電
ソニーのワイヤレス給電システム
距離50cmで約60Wの電力伝送
伝送効率約80％

日立マクセルのiPad2用Air Voltage
約10Wの電力伝送
伝送効率約70％

31

サンワサプライのワイヤレスマウス
約0.2Wの電力伝送USBから電力供給

50cm

デルの
ワイヤレス給電システム
磁界発生
マウス内回路に電力供給

http://www.sony.co.jp/SonyInfo/N
ews/Press/200910/09-119/

出典：
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2007/05
23/sanwa.htm

家庭内でのその他の応用例
ワイヤレス給電タンブラー

ハンディ電子機器

32

ゲーム機へのワイヤレス充電

置きらく充電 レシーバー for PS3(出典：スペックコンピュータ社カタログ）

デジタルビデオカメラ「HC-V720M」

腕時計「W700」

室内ディスプレイへの給電

ディサプライング社DS Hot Mug
出典：http://hi722.blog95.fc2.com/blogentry-1218.html

ヘッドフォンへの充電（ＴＤＫ）

出典：
http://www.amazon.co.jp/dp/B00ATOD89
2/ref=cm_cr_asin_lnk

ワイヤレス充電システムESPASIO-5（出典：クリーンパワー・テクノロジー社カタログ）

ドアモニターや電子ロックのワイヤレス給電への応用
ワイヤレス給電式ドアモニターシステム
ワイヤレス給電式電子ロックシステム
映像をワイヤレス送信する電源は乾電池、待機電流が多く直ぐに電池が無くなる

電子ロックの電池交換作業

第1回Qi（チー）ワイヤレスパワーアイデアコンテストに
早稲田大学紙屋研究室の修士1年呉さんがドアモニ
ターへのワイヤレス給電システムを応募、CEATEC2015に展示されTDK賞を獲得した（2015年）

ワイヤレス給電式電子ロックシステム（ＬＩＸＩＬ）

33

電動アシスト自転車等へのワイヤレス給電
長岡技術科学大学と日本ケミコン（二次電池展2014）34

埼玉大学とベルニクス（武蔵浦和駅前2016ほか）

電動アシスト自転車

対向送受電コイル式

差し込み送受電コイル式

電動車椅子への展開例

200W

1分間充電

ホームユースでのパワーレンジ
パワーレンジと機能

35

アプリケーション

2.5W以下・より小さく・充電機能の集積度
5W
・良好な熱対策・より薄く・他の応用への充電制御機能の有無

10～15W
・良好な熱対策・より薄く・他の応用への充電制御機能の有無
・5Wとの互換性
15～120W・12.6～21V出力の3～5セル構成
・良好な熱対策
・バッテリーパック充電御機能の付加・Qi規格仕様の開発は2018年以降
120W以上・各社による独自検討段階
・Qi規格仕様については白紙状況
将来的な展開出典：著者作成

モバイル機器への応用

家具へのQiワイヤレス給電導入
岡村製作所「AirFeed（エアフィード）」シリーズ2012年6月発売

37

IKEAのワイヤレス給電照明

４つの利用シーン

テクノフロティア2012にて

SamsungのA4WPを使ったワイヤレス給電家具

机上面に表示された「qi」マーク「qi（チー）」規格対応
・配線、送電コイルフラット組込み型オフィス家具
・机上面に「qi」マーク表示
・天板は非防水構造
・ Convenient Power社の「qi」システム組込
・最大出力：5W
120Wクラスにも対応予定（PC用）
・価格：ハイテーブル98,595円～
出典：岡村製作所News Release 2012年6月14日

出典：Samsung、A4WPプレゼン資料

店舗へのQiワイヤレス給電導入事例
ANA 空港ラウンジ

プロント、タリーズコーヒー

てもみん

38

NＯＫＩAによる空港コーヒー店

テーブル
の裏面
出典：http://www.dream-seed.com/weblog/archives/2013/03/25106/

自動車でのQiワイヤレス給電導入
トヨタが北米向けAvalon
2013モデルのコンソールに
Qi充電パッドを装備

Jeep Cherokee 2014モデルに搭載

デンソーがプリウス向け車載用ワイヤレス
充電器を発売 価格は1万4910円

出典：http://www.wirelesspowerconsortium.com/data/downloadables/1/1/0/4/20130501-jeep-cherokee-andtoyota-prius-with-in-vehicle-qi-wireless-charging.pdf

39

水中機器・ロボットへの応用

水中／壁を通してワイヤレス充電できる

41

水槽壁の内外に置いたコイル間で給電ができ、水中モーターを駆動する。感電しない。
応用
・水中ロボットへの給電
・ガラス窓を通して給電

試作AUV「マリンバード」
出典：川崎重工技報第154号2004年1月

電源装置（空中）
AC100V
窓を閉めたままベランダのLED
デコレーションに給電できる

DC0V～24V(100W)

Ｍ

往還型深海探査機「江戸っ子１号」
隔壁が樹脂、ガラスなどの非金属であれば隔壁給電式も可能 水中コンセント

出典：日本海洋工学会・日本船舶海洋工学会
第 23 回海洋工学シンポジウム 2012 年8月

レールシステム エレベーター用途
レール式電力伝送システム構成図

EXPO 2000, ハノーバー市
HERMES TOWER用エレベーター

42

オフィスビル用斜行エレベーター（２００５年ハンブルグ）

写真：Wampfler社提供

照明、換気、扉、通信用電力供給
通常のケーブルカーにも適用可能

スプラッシュゾーン用途例
アミューズメント用途

ケーブル
オランダ：Walibi World(2005)
写真：Wampfler社提供

日本での水中仕様の提案例ＯＬＣ向け（ディズニー・シー）
図：三井造船提供

コンテナクレーンへの適用例

43

Roadway Lighting使用例

写真：Wampfler社提供

ワイヤレス式船舶用陸電供給
1次コイルと2次コイルを少し力が掛かったら外れるようにすることでケーブルの切断防止、1次コイルは水中に落ちても漏電せず安全である

出典：Paul Vahle GmbH & CO.のHPおよびカタログ

警備・介護用ロボット等へのワイヤレス充電

44

２００５年の愛知万博に出展

高齢者見守りロボット

小型非接触給電システム（600W）が搭載された綜合警備保障㈱のC4ロボット・ピップ(株)の24時間見守り機能付きメンタルケアロボット
・高齢者との遊び相手の3歳児のイメージ
・介護サービスへの通報
機能・ワイヤレス給電機能・高齢者の充電へのストレスフリー・電界結合式を搭載
・送電部は椅子・受電部は人形のお尻

床に埋め込まれたコイルの上にロボットが載ると電池に充電ができる

ホンダのアシモは連続では30分しか出演できないが、C4ロボッ
トは朝から晩まで出演できた
コストパフォーマンスを上げるため、夜は警備ロボット、昼はロ
ビーの充電器が埋められた場所で案内ロボットとして使う

３０ｃｍ□

写真：綜合警備保障提供

従来の充電では壁まで行き自律充電

ロボット側２次コイル

床埋め込み用1次コイル

小型無人偵察機「Devil Ray」のワイヤレス給電
Small Unmanned Aircraft System (SUAS).

45

・PLUSプログラムで2006年から開発
・Defence Research Associates社が取り組む・プロトタイプの試験中
・発進は手投げ
着陸は近傍磁界センサー

送電線の磁界を探し、それに沿って移動して偵察

・送電線探索は遠方磁界センサー
敵情偵察

・充電は商用周波数での電磁誘導方式

0.15m

充電中も偵察を続行
0.6m

送電線につかまりワイヤレス充電
1.2m

送電線は格好な航法用ビーコン
出典：https://www.dra-inc.net/index.php?Itemid=80&id=62&option=com_content&view=article

推定性能
最大ペイロード 0.9 kg
最大飛行時間 85 分
巡航速度
68 km/h

46

工場内機器等への応用

レールシステム 工場内搬送システム
自動車組立・溶接・塗装ライン用途（モノレールタイプ）

物流・搬送・クリーンライン用途（搬送台車システム）

スキレットシステム（ソーティングシステム）

BMW、 ドイツ

三菱自動車、豪州（AGVタイプ）

DAF、オランダ

47

GM、上海

Wal Mart、ドイツ
写真：Wampfler社提供

キャパシタ搭載工場内搬送台車（AGV）へのワイヤレス給電

キャパシタAGV向けワイヤレス給電（ダイヘン)

AGV向けワイヤレス給電（HEADS)

キャパシタAGV向けワイヤレス給電（ダイフク)

48

AGV向けワイヤレス給電（昭和飛行機工業)

潜り込み式AGV用ワイヤレス給電（日本テクモ）

電動工具へのワイヤレス充電

49

セル生産への対応が求められる自動車や家電などでの組み立てライン

電池ユニットの損耗が激しい
短時間での頻繁な取り外し
電池寿命が短い
軽量で長寿命のキャパシタに期待システム全景締め付け本数を少なくし、短時間充電
電磁結合面が規定距離内を検知したら給電開始
の機能付き
応用

・小型ロボットの充電使用キャパシタ（Ｍａｘｗｅｌｌ殿ご提供）

半円筒状コイル
送電コイル

受電ユニット（受電コイル＋整流器）

既存の電池ケース内への配置検討

商用周波数式ワイヤレス給電

50・インバーターで高周波化せず、50/60Hzの商用周波数を使って非接触で伝送・小出力ならば単相でも良いが、大型のものは３つのコイルで３相を伝送させることも可能
・大型になるが耐久性を必要とする応用に使える
他の応用
・船舶用陸電の供給充電

２次側コイルをここに設置して地上の１次コイルから給電する

モーター車
混銑車を回転させる

混銑車
300トンの銑鉄
を運搬する

地中埋設１次コイル

ＴＤＬジョリートロリー向け

製鉄会社混銑車向け

機関車
混銑車を移動させる

51

回転機器への応用

回転体へのワイヤレス給電
コイルを向かい合わせるだけで、回転体に影響を与えない軽量、接触抵抗無しで連続的に給電できる電力だけでなくCCリンク等で信号授受も可能

52

ロボットの腕回転部

応用
・防水型給電ソケット
・光－電力複合カプラーに応用可能

リモートカプラーシステム
平面式代用スリップリング

中央に光通信装置装備可能

実際のスリップ
リングの構造円周式代用スリップリング

出典：ビー・アンド・プラス社カタログより

劇場の回り舞台用途
従来の方式

レール式ワイヤレス給電方式

コンダクターレール

設置場所
舞台
回転速度
バネ式または電動式ケーブルリール ピックアップ
ケーブル長さ高周波電源容量・摩耗、ケーブル損傷
・火災： Staatstheater Braunschweig(2004)： 重量 70トン 舞台長さ 17m： 6m/min.
： 2.2kW×10台： 45m： 35kW
写真：Wampfler社／Ｃｏｎｄｕｃｔｉｘ－Ｗａｍｐｆｌｅｒ社提供

53

CTスキャナーへの応用

54医療機器への応用

植え込みワイヤレス医療機器と消費電力

カプセル内視鏡（数10mW）

56

ワイヤレス給電式心臓ペースメーカ
英Cambridge Consultants社が米EBR Systemsと世界初のワイヤレス給電方式心臓ペースメーカ共同開発①エネルギー・ハーベスティング

Wireless Cardiac
Stimulation
system (WiCS)

英Zarlink Semiconductor社（Microsemi社が買収）のコンソーシアムがSIMM（SELF-ENERGIZINGIMPLANTABLE MEDICAL SYSTEMS）プロジェクトで、心拍をエネルギー源とする心臓ペースメーカのプロトタイプを開発駆動に必要なエネルギーの2割程度を発電①従来配線②右心室パルス③超音波電力伝送②体外からの非接触充電システム
東北大松木研究室

従来方式心臓ペースメーカ
・電源 リチウム一次電池（胸部埋め込み）
寿命は10年程度
・電源部サイズ 5cm程度と大きい
・配線
上大静脈経由で右心室内の電極に
冠状静脈洞など経由で左心室の電極にこの配線をワイヤレス化
電池の交換は定期的に必要

解決策

57

人工内耳への応用
人工内耳の仕組み

中耳を利用しマイクレスに

58

従来システム

MITのワイヤレス送電器を装着したスマートフォンを耳にあて、耳に埋め込んだ小型電池を1日1回充電してICを駆動するシステム

出典： http://www.ricoh.co.jp/shuwa/qa/naiji.html

最新システム F-IMEHD（Fully Implantable Middle Ear Hearing Device 韓国）

寝ている間に人工内耳を充電するスマート枕
出典： IEICE Electronics Express,Vol.6,No.18,1318-1324

出典： 日経エレクトロニクス，2014年3月3日号，pp.16-17

新型システムワイヤレス給電式人工視覚システム
人工視覚システムの構成

Second Sight Argus II

結婚10年目で「初めて」妻の顔を見る
ミネソタ州のメイヨー・クリニックがTVに

出典：http://www.keyence.co.jp/rd-site/interview/0904_01/02.jsp
http://www.capitalbay.com
http://www.scoopnest.com

59

白、黒、グレーによる50～60
ピクセルのコントラストイメージを患者は見ている

Second Sight社製装置

コンタクトレンズへのワイヤレス給電
眼圧測定機能付きコンタクト・レンズ
スイスSensimed社製
眼科医が患者に装着し、翌日取り外すまでの、ほぼ１日間の眼圧変化のデータを得ることができる
コンタクトレンズには、眼圧を検出するための薄い
MEMS圧力センサ、信号処理LSIや送受信用のRFデバイスが集積されているコンタクト・レンズに集積されたデバイスは、電磁波を通して駆動するため電源は搭載していない

出典： SENSIMED Triggerfish公式サイトより

仮想情報空間表示コンタクト・レンズ

60

涙用グルコースセンサー

コンタクトレンズにテキストメッセージや実際の風景に仮想情報空間を重ねて表示
波長が475nmのInGaN/GaN構造青色LED素子
動物実験中

GoogleのTear Glucose Sensor

出典： EE Times Europe 2011年11月28日

Fraunhofer IMSによる
Wireless Tear Glucose Sensor

体内移動医療機器へのワイヤレス給電
カプセル内視鏡（アールエフ社）
・患者の検査時ジャケットに数M～数十MHzのコイルを装備
・カプセル内視鏡消費電力35mW程度（1.8Vで20mA前後）

出典：
http://www.nikkeibp.co.jp/article/dho/20100924/246304/?ST=print&rt=nocnt

61

目

次
1. ワイヤレス給電システムとは

2. EV用ワイヤレス給電の動向
3. 汎用機器向けワイヤレス給電の動向

4. ワイヤレス給電における課題
5. 将来の展望

電磁波の課題

人体安全性に対する考えの過去と現在

米B.フランクリンの雷実験と露G.W.リヒマン教授の感電死

M.キュリーの放射能被爆死

64

N.テスラのコロナ放電実験中の読書

電磁波の人体への影響がわかっている現代でもWiTricityのCEO.ギラー氏は感受性の高い頭部に電磁波を平気で照射

ワイヤレス電力伝送方式の周波数帯

刺激作用

65

熱作用
人体との共鳴領域

表面加熱作用

光化学作用

生体作用の周波数依存性
数100kHz
20kHz～15MHz
50Hz～200kHz
2.45GHz（マイクロ波）
375THz

人体へは
熱的影響
が大部分

人体へのEMI（電磁干渉）混入経路
高圧送電線
感電
・直接接触
・接触電流
電磁界中の非接地導電物体に接地人体が触れることで接触点を介して流れる電流

ビオ・サバールの法則
電流と距離が関係
電圧は関係しないので高電圧だと言っても必ずしも大きくない

電圧一定→電界置一定
省令により地表1mで3kV/m以下

66

全身曝露と局所曝露
全身曝露
遠方のアンテナマルコーニが無線電信を発明してから120年程度

局所曝露
近傍のアンテナ

電波に毎日さらされているが、影響があるのかま
だ良くわからない

なるべく電磁波をあびない方が良い

高圧電線

67・周波数帯により分布は異なる

携帯電話からの電磁波による感受性の高い脳への影響

20年程度しか経っ
ていなくてもっと影響がわからない
下記のようなことがわかってきている・アンテナの伸縮により分布は異なる

人体防護指針の考え方

68

曝露量∝影響の重篤度
4W/kg
公衆

1/50：0.08W/kg

電磁波（高周波）の熱作用

職業

1/10：0.4W/kg■決定論的作用から決められる◇閾値を超えると影響有り
曝露量∝影響の重篤度◇閾値以下では本来は何も起こらない■人体の健康を守るために超えてはならない曝露の限度値◇安全係数があり､指針値を超えると直ぐに悪影響がある、というわけではない■健康への不安無く、曝露が許容される限度値◇指針の根拠に含まれない未知の生体作用がある可能性を否定することはできない

電磁界に対する人体防護69

人体に影響を及ぼさない電磁波の強さの指針が出されている• 総務省電波防護指針
1990年
1997年

答申(10kHz‐300GHz）
局所吸収指針の追加
ICNIRPとの整合が強まった• 国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）のガイドライン
1994年
1998年

静磁界防護指針
時間変動する電界、磁界，
電磁界防護指針0‐300GHz
1999年 欧州理事会勧告(公衆曝露を対象）
2004年
EU指令(職業曝露を対象）
2010年
100kHzまでの制限緩和
WHOはガイドラインにもとづきリスク管理することを推奨

ICNIRPの参考レベル

ICNIRPの人体防護ガイドライン

70

コイルの近傍ではガイドラインをキープできず、車体などでコイルのそばに近づけないようにする
r=1 m地点における最大漏洩磁界r=1 m（30kWタイプの20kHzでのシミュレーション）
27μT(2010年版）

実際の電磁界計測結果
基準値（μT）
防護指針／91.5

ICNIRP／6.25

バス車内

バス車外

1.5

4.5

条件：距離0.5m ギャップ80mm 位置ずれ60mmにて

2010年11月11日、Health Physics誌に改訂ICNIRPガイドラ
インが公表され、HP上にFact Sheetが掲載された
66.5μT

6.25μT(1998年版）

心臓ペースメーカの最大許容磁束密度（ドイツの規格）
周波数

磁束密度

15kHz

88.7μT

20kHz

66.5μT

基本制限値が改訂版では誘導電流密度ではなく、体内誘導
電界強度に基づいている。これはIEEE規格と同様である。

100kHzまでで27μTと約4倍、緩和の方向に向かっている電動バスでの漏洩磁界測定結果例
WEB-3Adv.／44kW型の実測値

50kW型の実測値

最大値
1.324μT
丸の内（床面給電）測定結果

最大値
側面給電方式深川（側面給電）測定結果
4.366μT

床面給電方式
バッテリ充電状況
40.8～43.8kW

0.051μT 100cm
50cm

0.074μT

地上高 6cm

71

0.166μT

100cm

0.388μT

50cm

0.052μT

0.052μT

0.136μT

0.081μT

地上高 50cm

地上高 6cm

0.143μT

100cm
床面高さ
50cm

車両前方

0.058μT
0.077μT
0.130μT

0.195μT

50cm

0.115μT
0.173μT

0.530μT

1.651μT 0.072μT100cm
1.048μT

100cm

50cm

50cm

0.101μT
0.393μT
4.366μT
100cm 0.053μT

地上高 6cm

0.052μT

0.072μT

0.090μT
0.156μT
床面高さ0.906μT

コイル中心高さ

0.152μT
0.197μT
0.062μT
0.085μT

0.101μT
0.127μT

0.418μT
0.218μT

50cm

50cm

地上高 6cm

1.324μT

バッテリ充電状況
47.0～49.5kW

0.067μT 100cm

100cm

100cm

0.135μT

0.083μT

車両前方

100
cm

0.112μT

最大値
約1.1μT

地上高 6cm

0.194μT

床面給電方式および側面給電方式の全ての測定点において、電波法の規制値より、小さい磁界となった。また、より厳しいICNIRPの公衆の暴露指針値よりも小さい磁界となった。

電波法の高周波利用設備規定に該当するため、各地の総合通信局に許可申請を提出、許可を受ける必要がある
・無線設備65条2項に規定されている下記数値を満足している必要がある
450kHz以下の使用周波数の輻射の電界強度は、
100m電界規制値＝ 1mV/m 以下、かつ高周波出力が500W以上の場合 30m電界規制値＝ P mV/m 以下 （Pは装置の出力W）
500
500W以下の場合 30m電界規制値＝ 1mV/m 以下

広帯域電界測定結果
120

暗騒音
1次電源+IPSｺｲﾙ（対向）1次電源+IPSｺｲﾙ（直交）20kHzの基本調波

110Electric Filed [dBμV/m]

１.電力パート
高周波利用設備・電波法第100条2項と電波法施行規則第45条3項に規定されている無線設備及び前号の設備以外の設備であって 10kHz 以上の高周波電流を利用するもののうち、総務省令で定めるもので 50W を超えるもの

72

100
90

想定する規制値

80
70
60
50
40
30
20
0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Frequency [MHz]10kW、10kHz～400kHzの１例

3m法とか10m法で計測した電界値を30mと100m電界規制値に換算したうえで、電波法に合致するか審査判定する

2.通信パート
微弱無線局
・無線設備から3mでの電界強度が右図のレベル以下
・無線設備から500mメートルでの電界強度が200μV/m以下で周波数などが総務省告示で定められているもの
これを超えると特定小電力無線局扱いになる
いずれも日本独自の規格で海外ではそれぞれの法律に合わせる必要がある
出典：総務省HPより

異物の侵入への課題

平板形状の異物挟み込みの影響度
侵入異物の誘導加熱
大出力の装置ではコイル空間に金属があると誘導電力で加熱される

74

異物検知システム（FOD)の検討が必要

電磁誘導による平板形状金属試料の温度上昇
・透磁率の高い金属ほど発熱が大きい
・抵抗率の高い金属ほど発熱が大きい
・同一素材でも面積が大きいほど渦電流のループが大きくなり熱損失が大きい

材質

比透磁率
（真空＝1.0）

抵抗率
（Ωm）

サイズ
（mm）

温度上昇
（deg）

アルミニウム（A5052)1.000022.65 × 10-8

50×50
t 1.0

14

銅

0.999991

1.68 × 10-8

50×50
t 1.0

6

鉄
（SPCC)

2000（軟鉄）

1.00 × 10-7

50×50
t 1.0

160

鉄
（SPCC)

2000（軟鉄）

1.00 × 10-7

25×25
t 1.0

80

条件 ： 出力1.0kW

周波数 ： 90kHz

出典：パイオニア資料（WPT2012-24）に筆者がデータを加えて作成

異物挟み込みによる温度上昇と対応が要求される充電時期対応が必要な充電時期

平板形状以外の金属試料の温度上昇
硬貨発熱試験(黒ﾃｰﾌﾟ)
日本国コイン・コイン
面積が小さく温度上昇は大きくない

45

・飲料水の缶

40

新500
旧500
100
50
10
5
1

35

温度℃

アルミもスチール缶も温度上昇が激しい・釘
大小にかかわらず50～60℃で大きくない

30
25
20
15
10

・ステンレスたわし

30kW@22kHz試験結果

5(b) 給電準備中

0

温度上昇が大きい
渦電流ではなく細い線材では共振が考えられる
ステンレスたわし(a) 給電前

15分で43℃

50

0

5

10

15

20

25

経過時間（分)安全性評価 異物温度上昇グラフ
03 ステンレスたわし

スチール缶

500
475

8分で375℃

450
425

140

400

120

375
350

100

325

温度 ℃

温度 T(℃)

300
275
250

1分で200℃

225
200
175

(c) 給電中

80

25秒で120℃

60
40

150

1kW@45kHz試験結果

125

10kW@22kHz試験結果

100
75

20

50

0

25
0
0

60

120

180

240

300

360

420

480

540
600
経過時間 t (s)
異物

660

720

780

840

900

960

1020

1080

0

10

20

30

経過時間 （秒）室温

出典：2006年NEDO報告書

40

50

75

Qualcommのシステム

異物検知実施例76

テクノバ（EVTec2014）

東芝・早大による環境省プロジェクトでの異物検知と生体検知（2016）

・異物検知（FOD)
・生体検知（LOP）

給電中の主磁束によりマルチコイルセンサー内に大きな循環電流が流れることで検知

メッシュに微弱な電流を流して検知

無誘導コイル形状の電極配置

右の箱はコイン入り、左は空箱

地上コイル脇に地面すれすれに設置されたレーザーセンサー

電極形状

検知ランプが点灯し、給電停止
図：Qualcomm資料

１円玉

小動物を摸した25ml水入り風船

地上コイル脇に蹲る人物

標準化などの課題国内・国際標準化／法制化活動マップ（EV関連）

78

海外
UL

連携

SU2750

SAE

ISO

IEC

J2954

TC22

TC69

非接触給電標準化ＴＦ（自動車）

J2847/6

SC21

ANSI

（制御用通信）（電気自動車）

電力供給装置側の安全性などの規格化（電気自動車）

SG1
WP1A

CISPR
EMC／EMI

相互にリエゾン配置
対等の立場で協調

国際周波数割当
電波法規上の取扱い

AWG

PT61980

リエゾン
連携

ITU-R

（アジア太平洋）
WPT-WG

審議

CJK

・磁気を利用した電力伝送
システム対象・IEC 61980シリーズ の明確
化

日本

（日中韓）
WPT-WG

日本側受け皿JSAE

JARI

ワイヤレス給電システム
技術部門委員会

V2G CLリエゾン

非接触給電SWG
通信TG
連携

BWF
連携

総務省

WPT-WG

情報通信審議会

WPT標準開発部会

電波利用環境委員会
ワイヤレス電力伝送
作業班

EMC/EMI・人体防護など

ARIB
（電波
産業
会）

国内
標準化

標準化項目での合意案の1例
使用周波数の標準化

79

コイル形状の標準化

国際／国内で既に多くの周波数に割り当てがあり、空いている周波数帯が限られる
20.5～100kHz ： 電磁調理器（イミュニティに関連）

サーキュラー方式（円形コイル）9～315kHz ： EU 医療用インプラント
110～205kHz ： Qi
90～110kHz ： FCC

135.7～137.8kHz ： アマチュアハム

使用可能と考えられる周波数帯

150～280kHz ： EU AMラジオ

バス等大型
車輌向け
69.9342.0021.0581.38-ＥＶ向け
38.10kHz 56.19kHz 71.43kHz 90.00kHz

××

SAE J2954 Ver.1.0推奨範囲（20～100kHz）
10kHz

未決定

50kHz

×

140.91148.5kHz 欧米での要求が強かった

150kHzほぼ85kHz帯で決定

200kHz134.2kHz：スマートキー／イモビライザー（トヨタ、スズキ、マツダ）
125kHz：スマートキー／タイヤ空気圧モニタ（ホンダ、日産、三菱、ルノー、フォード、現代、ボルボ）
95／110／117kHz：駐車場車両検知システム

40／60／77.5kHz：電波時計

20kHz：スマートキー（ベンツ）

DD／DD-Q方式

VDE推奨範囲（140kHz +50/-20kHz）

100kHz

22kHz：スマートキー（アウディ）

主として、
この両者で
互換性協議

最近、SAE、QualcommHalo、ドイツのメー
カー等が85kHz帯を推奨するようになった

ソレノイド方式（トランス巻き）

モバイル機器の規格化

80

携帯端末
１次側が変わっても充電可

Qi規格
WPC（Wireless Power Consortium)

iPhone Xでの利便性が高い家庭にあるベースの組合せ
iPhoneとDocomoを同時に充電

A4WP (Alliance for WirelessPower)

未統合

2008年12月にWPCを立ち上げ
採用が追い風
2010年12月にQi規格発表
フィリップス主導LG、東芝、ソニーなど235社（2016年1月）
電磁誘導 ＠105～205kHz
120Wまで開発（2017年から）、スマートキッチン規格として2.4kWを検討中
ギャップ4cm
すでに商品化済み
2012年5月にA4WPを立ち上げ
クアルコム、サムスン主導で121社（2014年11月）
磁界共振 ＠6.78MHz
20～50Wを目指す
規格の統合
ギャップ数cm

PMA（Power Matters Alliance）
2012年3月にPMAを立ち上げ
デュラセル、スターバックスなど68社（2014年11月）
電磁誘導 ＠300～350kHz
5W
ギャップ数cm

統合の流れ
外出先での充電2015年1月
2015年6月

A4WPとPMAが規格統合への合意
A4WPとPMAが規格の統合
PMAはA4WPの磁界共鳴「Rezence」の採用
A4WPはマルチモードの実装サポートオプションとしてPMAの規格を採用

2015年11月

新しい「AirFuel Alliance」が発足
出典：著者作成

国内・国際標準化／動向マップ（家電機器関連）

出典：

81

目

次
1. ワイヤレス給電システムとは

2. EV用ワイヤレス給電の動向
3. 汎用機器向けワイヤレス給電の動向

4. ワイヤレス給電における課題

5. 将来の展望

技術開発の方向性

特許出願から見たワイヤレス給電の技術動向
特許庁 平成２６年度特許出願技術動向調査
ワイヤレス給電に関する各国の特許公報、論文を調査、日本のこの分野における強み、弱みを分析し、「技術開発の方向性」、「市場開拓のための課題」、および「知的財産戦略に関する課題」の観点から、以下の提言が行われた。
提言１
提言２

提言３

技術開発の方向性（１）電気自動車
EV用ワイヤレス給電技術およびそのFODやロバスト性向上技術
技術開発の方向性（２）モバイル機器
コイル、コアなどの構成部品とモジュール化、実装技術
技術開発の方向性（３）
新たな応用分野
エナジーハーベスティング、回転体、医療機器、検査・診断機器

提言４
提言５
提言６

市場開拓のための課題（１） 電気自動車への普及戦略
市場開拓のための課題（２） ニーズに適合した技術開発
市場開拓のための課題（３） 複数規格への対応

提言７
提言８
提言９

知的財産戦略に関する課題（１）
知的財産戦略に関する課題（２）
知的財産戦略に関する課題（３）

標準化と連携した知的財産戦略
実証実験と知的財産戦略
中小企業・ベンチャー企業への支援
出典：特許出願技術動向調査報告書

84EVへの走行中給電

電動バスでの走行中給電実証試験の動向

86

PATHプロジェクト(～1996年）

Bombardier（2012年）

KAIST Gumi City（2013年)

Utah州立大（2015年)

米国で実施
1次側セグメント長さ
150m
7.6cmギャップを効率60%以上
ピックアップ容量 6～10kW／ 台
給電コイル幅
1m
周波数
400Hz
建設コスト
0.74～1.22M$/km（1億円/km程度）

ベルギー ロンメル市で実施
Flanders’ DRIVE researchプロ
ジェクト
1次側セグメント長さ125m +
260m
アスファルトとコンクリート舗装で相違を検証
給電コイル長さ
3.6m
周波数
20kHz

24km中36m×4ヶ所＝144mで実施
2箇所の静止中給電も並行実施
17cmギャップを効率85%で200kW送電
ピックアップ容量15kW／台
給電コイル幅80cm

長径152m×短径91mの楕円試験路の3か所で計400mで走行中給電
2箇所の静止中給電も並行実施
出力 750kW（AC～トラック間）
総合効率 80%以上
10年以内に90%台が目標
電磁漏洩対策として、静止型と同じコイルを埋め、車両の進行に応じてスイッチ
ング制御
バスと道路施設の経過観測を実施中

出典：ＰＡＴＨ資料

出典：EcofriendのHP，「UITP Vienna 2009」

出典：CJK WPT02札幌 7月8～9日発表資料

出典：Zeliko Pantic,IAS Webinar
Series,10 June 2016

欧州の走行中給電プロジェクト
LondonHighway EnglandがFS実施、TRLが検討を引き継ぐ

Satory2017年から実験開始

計画、デモ段階のものが多く、なかなか実現しない

87

Gävle
2016年6月開始、パンタグラフ接触式

Gothenburg
2013年6月、
地上接触式

Lommel2012年実験終了

Malaga

写真＆図：各社HP／資料より入手

Torino／POLIT
Torino／SAET日本での走行中給電

88

豊橋技術科学大学
V-WPT（Via Wheel Power Transfer方式

ダイヘン/奈良先端科学技術大学院大学
平行二線方式

東大/東洋電機製造/日本精工
コイル埋設/インホイール方式

電界共振結合方式なので電磁漏洩は少なくできる

磁界共振結合方式でコイルが無く安価にできる

磁界共振結合方式

両輪間の絶縁の確保が難しい

平行二線間からの電磁漏洩が心配

脚下荷重の増加が心配
1輪あたり、
容量1500Fのセルを12
個直列にし
て前輪2輪
に搭載

容量3600Fのセルを21個直列にして搭載、
52.5Vで使用
CEATEC2014
大成建設と共同開発

2016年5月
キャンパス内にて走行実験

出典：豊橋技術科学大学資料より2017年1月
大分工場内にて撮影
出典：http://www.synthesis.co.jp/product/wpt/

2017年4月
キャンパス内にて走行実験

http://www.nikkei.com/article/DG
XMZO15038230X00C17A4000000/

走行中給電の課題とその対応
電磁放射への各種対策が必要
・BOMBARDIER PRIMOVE技術

道路埋設への各種対策が必要
・国土技術政策総合研究所の検討

89

道路埋設への対策の一例
・京都大学での検討 安価にできる可能性

この区間が給電中・KAIST

Segment method
コイルの埋め込み深さ
道路メンテナンスの点から最低0.6m、できれば1m

京都大学宇治キャンパス電波暗室

・高速道路総合技術研究所の検討
高度な制御システムが必要
コストの増加・国土交通省超伝導リニア 10kHz未満

道路埋設にあたってはコンクリート埋設コイル構造
システムが大型になる

大ギャップ化が必要 電磁漏洩の増加
コストの増加マイクロ波の放射が認められていない
図：各社HP／資料より入手

新たなコイル・デバイス等の構成部品

電線のブレークスルーが求められている
ワイヤレス給電用の多くの工業用材料が進歩をしている
１．半導体
２．鉄心
３．コンデンサ
４．電線
Au、Ag
超伝導
Cu、Al

Ge、Si
フェライト
フィルム

SiC、GaN
アモルフォス
セラミック： 超高価（半導体のボンディングケーブルなど特殊用途）： 超高価（リニアモーターなど特殊用途）： 汎用、安価（数10年経っても大きな性能向上がない）（EV社会での銅需要の増大）

銅に変わる電線材料のブレークスルーが求められている

21世紀工業技術の大きな課題

カーボンナノチューブ電線の出現!!
1Ga/cm2で銅の1000倍
1.3～1.4g/cm3で通常の樹脂並み
嵩密度は0.02～0.15g/cm3と非常に小さい
引張強度 50～70GPaで銅の100倍
熱伝導率 2000～3000W/mKで銅の10倍
電流密度
真密度

電線のブレークスルーが見えてきた91

プリント基板コイルはいろいろな機能を持つ
大電力プリント基板コイル

フレキシブル基板銀ナノペースト印刷コイル

金属薄膜で形成したEV用コイル
プリント基板コイルでも3kWの電力伝送ができる
銅箔厚が225μmならば３ｍｍ幅でも１０A流せる

・インクジェットプリンタで容易に印刷してコイルができる・生体センサやウェアラブル機器への応用が容易
・研究開発レベルでは容易にコイルパターンを
検討できる

3mm幅

7.5mm幅銅箔コイル部
幅を微妙に変えて近接効果に対応

92

12.5mm幅

厚銅基板の電流と線幅3mm幅のプリント基板コイルでも10A流せる

出典：東京大学川原研究室資料より引用

プリント基板を用いたワイヤレス給電用コイルの研究
バルクコイルの電流強度解析
導体を薄膜にした時の電流分布

93

研究対象各種バルクコイル

コイル各部における電流密度とジュール損失
プリント基板コイル

電流密度分布（時間平均値）

ジュール損失密度分布（時間平均値）

コイル各部における電流密度ベクトルの様子
フレキシブル両面プリントコイル

銀ナノペースト
インクジェット
印刷基板
出典：小林王義 博士学位論文「バルクコイルを用いたモバイル機器用
ワイヤレス給電装置の設計手法に関する研究」（２０１４年）

プリント基板を用いたワイヤレス給電用コイルの応用
回転体へのワイヤレス給電

フレキシブル基板銅コイル
密閉容器内にコネクタ無しに外部から給電できる容器形状に合わせて容器内外にコイルを配置
薄さを要求される用途でのワ
イヤレス給電用コイル

実際のスリップ
リングの構造ワイヤレス給電式
12W型コネクタ

中央に光通信装置装備可能

コイルを向かい合わせるだけで、回転体に影響を与えない軽量、接触抵抗無しで連続的に給電できる電力だけでなくCCリンク等で信号授受も可能
応用
・防水型給電ソケット
・光－電力複合カプラーに応用可能

94

ワイヤレス給電と使用デバイス

95

電源の電力容量（VA)

10M
Si-Thyristor

SiC-IGBT

1M

LRT

100k

バス

SiC-MOSFET

10k

走行中給電

EV

工場内搬送機器
Si-IGBT

AGV
ロボット

1k

GaN HEMT

Si-MOSFET

小型モバイル機器／計測器
100

0.1k

1k

10k

動作周波数

100k

（Hz)

1M

10M

GaNで効率90％、電動アシスト自転車用ワイヤレス給電

96・Transphorm社は2017年4月19～21日に開催された「TECHNO-FRONTIER 2017」で、量産出荷しているGaNを用いたHEMT製品の採用事例としてベルニクス社の電動アシスト自転車用ワイヤレス給電システムを公開
・ワイヤレス給電システムのPFCユニットにGaN HEMTを採用、理由として、シリコンのパワートランジスタに比べGaNは高速スイッチングが行えるのでPFC回路を小型化できることと、変換効率が高いことの2つ
・PFCユニットの容量は250W（最大出力電流0.7A）で、サイズは100×90×38.5mm、PFCユニットの変換効率
はAC200V入力、DC360V出力時で96％

充電ポール（黒色部が送電電源）と電動アシスト自転車

1次コイルに2次コイルを挿抜する様子PFCユニット、赤枠で囲まれたところにGaNが使われている新たな応用分野

未来の机の上は電線のない世界

98

ワイヤレスキッチン
Cordless kitchen appliances 「A powerful new kitchen concept」

台所調理器具

清掃しやすい台所・調理器

小さな調理スペース

99

WPC White paper - April 2013

安全に楽しめる食卓

コードレスキッチン規格

Haierのコードレスブレンダー@CES2013

http://www.gizmodo.jp/2013/01/post_11461.html

東芝のワイヤレスキッチン展示@CEATEC2015

・2013年3月～2016年には完成
機能・性能仕様、インターフェイス仕様、試験仕様など
・仕様のポイント①正しい受電デバイスに必要電力だけ供給
検出、認証、確認のプロトコル②受電デバイスから送電制御
安全性の確保③高い安全性
異物検出④低い待機電力ワイヤレス給電ホーム

100

壁に張り付ける有機EL照明
ローム社
＠CEATEC2011

東芝ワイヤレス給電付き有機EL＠ライティング・
フェア 2013

出典：イークロスエイチ原川氏資料考えられる応用例

・線状コンセント・自動ドア、自動カーテン
・電力伝送蝶番
・フリーポジション電力伝送テーブル
・フリーポジション電力供給床

出典：http://eetimes.jp/ee/articles/1110/14/news144_3.html
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20130306/269713/?ST=nedsmart

建築構造物を用いたマイクロ波無線ユビキタス電源
鹿島建設のオフィス向けワイヤレス給電
ユビキタス社会に対応した電源インフラ
建物内の 構造体などにより生じる閉空間を利用
2.45GHzマイクロ波による無線電力伝送システム
システム構成①給電用マグネトロン →②給電用導波管→③可変電力分配器 →④デッキプレートを利用した導波管→⑤アンテナと整流回路を含むコンセントアダプタ
コンセントアダプタより DC電力を供給
要素技術の開発とそれらを組み上げた実大空間の試作を行い、システムの実現性は確認済み

出典：http://www2.iee.or.jp/ver2/ias/22-newsletter/2010/06/06.pdf

101

空中移動体へのワイヤレス給電
空中移動体へのワイヤレス給電は距離的には放射系を使用
・マイクロ波 数10kWの大出力が可能だが、人体防護の課題
・レーザー光 数kWの出力だが、総合効率が低い課題
無燃料飛行機への給電（1992年京都大学)
無燃料飛行機
MILAX

マイクロ波(2.411GHz)

マイクロ波送電器・受電部が軽量・大出力が可能102

規制の緩和が必要

レーザー光による給電
・小さな半導体
アレイモジュール
で出力・出力100W連続
アンドができるので大出力容易
・波長975nm

・電力に信号の重畳も容易
・受電部が軽量・中出力

1充電航続距離が短いドローンへの給電および充電法
有線給電方式不自由な飛行

ワイヤレス充電方式

103

マイクロ波給電方式

両方式とも現状は地上で箱に収め充電、充電ケーブル接続の手間を無くしただけ

光無線給電でも可能
有線と無線の組み合わせ

無線による電力供給

電源供給機としての役目のみ
有線による電力供給
電源／コントロール
ステーション

契約高層ビルの上で自動充電を繰り返しながら目的地まで長距離飛行

ドローンポート：ワイヤレス充電
ステーション

将来の医療機器へのワイヤレス給電①
体内ロボットへのワイヤレス給電（信州大学） 体深部の極小インプラントを無線給電によって駆動させる技術を開発
スタンフォード大学のAda Poon氏の研究グ
ループ
体内の血管を自律的に移動し、脳や心臓の神経に取り付いて直接刺激を与える超小型・自律型の極小インプラントを開発中
1.6GHzの電波に特殊な変調を加える

6cm角のアンテナプレートからでも、長さ2mmのデバイスにも高い効率で給電
1966年公開「ミクロの決死圏」
ヘルムホルツコイルから30mWを給電

出典：http://ggsoku.com/tech/httpggsoku-comtechwireless-energy-transfered-implants/104将来の医療機器へのワイヤレス給電②
豊橋技術科学大学が脳の表面に貼り付けられる柔らかい無線電力伝送デバイスを実現
ブレインマシンインターフェースの課題
・動物が手足を動かすと脳の神経細胞から微弱な神経電位が生じる
・神経電位の解析は、ヒトとロボットをつなぐブレインマシンインター
フェースの実現に向けて盛んに研究されている・現在は主にワイヤを用いて脳表面に埋め込まれた電極から神経電位の計測が行われている
・頭蓋骨の開口部から感染症を引き起こす懸念がある
・長期間にわたって脳の信号を観測するためには、生体内に完全に埋め込む無線神経インターフェースの開発が求められている

豊橋技科大での開発内容
・シリコン基板による高機能かつ小型な回路チップを、厚さ10μmのフレキシブルフィルムに実装する手法を開発
・同手法を用いて、整流器チップとフィルムアンテナを一体化した無線電力伝送デバイスを製作
・デバイスは5mm×27mmの面積で、シリコン基板による回路面積が全体の3%を占める
・大部分がフレキシブルフィルムで構成されていて、脳の形状に対して柔軟に密着することが可能
・同デバイスを水槽に浸して、10cmの距離で無線電力を伝送することに成功
・埋め込みデバイスに無線電力を供給することで、さまざまな回路を駆動することが可能となる・今後、シリコンチップにさらなる回路機能を搭載することで無線で脳の信号を取り出すことを目指す
出典：http://www.excite.co.jp/News/column_g/20160212/Cobs_391793.html

105

2016年2月12日

将来の医療機器へのワイヤレス給電③
経皮型ワイヤレス給電式人工心臓

ワイヤレス駆動の補助人工心臓用ポンプ

皮膚を貫通する伝染やパイプが無いので感染の危険性が少なく、患者への負担が少ない

・経皮型は体内に2次コイル、整流や電源などの駆動装置と人工心臓のポンプを植え込まねばならない
・東北大学は、体内に埋め込んだ小型ポンプに、ワイヤレスで外部から磁界を印加して駆動するタイプの補助人工心臓を開発
・大きさは単2形乾電池と同程度で、120mmHg以上の圧力で1分
当たり5L以上の流量と、人間の心臓と同程度のポンプ能力を備える

体外1次コイル

体内2次コイル

出典：http://www.nanobme.org/summeries/summeries16.html

出典： http://www.riec.tohoku.ac.jp/lab/elecbio/index-j.html

106ボルト軸力計測装置へのワイヤレス給電の応用

107

ボルト軸力計測装置
・歪みゲージによる軸力計測により下記を検知できる
当初軸力＞計測軸力 → 当該ボルトの緩み
当初軸力＜計測軸力 → 他ボルトの緩み
歪みゲージ付きボルトは全数でなく、必要数に絞れる・計測ケーブルの端末処理が大変

・ボルトの中心に歪みゲージ／アンプ、無線送信機を埋め込み、ヘッド面に受電コイルを設置し、検査時に給電コイルから給電、その電力で計測したデータを無線で収集するシステム

開発したシステム全景

・IDを付加して計測ボルトを特定できる

歪みゲージ

アンプ 無線送信機

受電コイル

高周波
電源

電池

受信機

データ
収集装置

送信アンテナ

トンネルの断面構造
におけるロックボルト

107

斜面の法面崩落防止用のアンカーボルトタイヤ空気圧監視システムへのワイヤレス給電
タイヤ空気圧監視システム（TPMS）
アメリカでは2007年9月から義務化
日本では特定無線設備申請が必要

間接式 ABSセンサーの差を利用
誤差が大きい、エラーが多い
直接式
ベルトタイプ ホイール内部にベルトで固定
電池交換が大変
バルブタイプ
ホイールバランスが必要
ホイール形状により装着できない
共通課題
電池寿命 3～5年で交換が必要
送信間隔 約3秒 夜間駐車時も作動
ワイヤレス給電化
回転する検査機器への給電車が動いている時のみ給電
電池レスによる軽量化
ホイールバランスが不要

108

市場規模

2030年のHV／PHV／EVの販売予測
2017年6月、富士経済がHV,PHV,EVと関連部品の2035年までの世界市場展望を発表

EV:400万台
PHV:320万台

充電器が必要な車の台数 ： 720万台
このうちの20%がワイヤレス給電システム搭載と予測
2030年で約144万台の販売予測
ワイヤレス給電システム1式25万円として3,600億円の市場

110

2030年の汎用ワイヤレス給電市場規模予測

111

モバイル用ワイヤレス給電モジュール金額の予測（ HIS、2015年3月15日）

147億＄
126億＄

63億＄

17億＄
5億＄

モバイル用のみで傾向から13年後の2030年には155億＄（1.75兆円）と想定される（113円／＄ベース）
出典：http://press.ihs.com/press-release/technology/2015-set-be-breakthrough-year-17-billion-wireless-power-industry-ihs-saysご清聴ありがとうございました

早稲田大学 電動車両研究所
髙橋俊輔