立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

給電困難な機器への給電を実現するワイヤレス電力伝送用送受電素子の基礎開発
Developlement of feeding and receiving probes in wireless power transfer for difficult- to- feed equipment2161011

研究代表者

豊橋技術科学大学

工学研究科准教授

田村昌也

電磁界シミュレータを用いて図 1 に示すように[研 究 の 目 的]複数の金属散乱体を有した全面金属壁で覆われ医療設備や輸送用機器，工場インフラといった閉空間 (工場設備を縮小模擬した簡易モデ

た人間の生活を支える機械には安全・安心な運

ル：496×477×291 mm) を作製し，まず見通用の観点から多数の高性能センサが配置されてし内に配置した送受電器の理論最大電力伝送効いる。これらは給電配線の設計制限や断線など率を算出した。結果，キャビティ共振モードの重要な課題を有する。バッテリ給電とした場合

基本モードを送電周波数に設定することで見通は充電・交換作業の煩雑性や設置場所へ立ち入し内において理論上伝送効率 70% 以上で送電る危険が生じることから，解決策としてワイヤできることが確認されている。しかしながら，レス電力伝送が注目されている。しかしながら，本提案手法の有効性を実証するためには，従来技術では設備内・機器内の見通し狭窄から①

見通し外での受電効率十分な電力が送電できない。

②共振モードが情報通信へ与える影響

そこで，我々は導波管モードを利用した新しを明確化する必要がある。そこで，本研究ではい方式を提案し，設備内・機器内でのワイヤレ①を明らかにするため，送受電方法の指針を構ス電力伝送を実現すること目標に研究開発を進築する。現在の試作モデル内の見通し外 2 か所めている。提案方式は，複雑な構造を構成するに受電点を新たに追加し，最大電力伝送効率を金属筐体や外壁を外導体，内部に存在する金属枠などの散乱体，絶縁物や液体などの誘電体をリアクタンス成分とみなしてリッジ導波管として扱うことを特徴とする。特に閉ざされた系ではキャビティ共振モードが発生する。リッジ導波管キャビティ共振の場合，内部の散乱体を含めて生じるため，見通し内・見通し外という概念が無い。つまり，いわゆる見通し外の領域にも必ず電界あるいは磁界が分布するため，受電器の設置場所に応じて電界，磁界，あるいは両方の界から電力を取り出すことができる。
これまでに提案方法の原理検証を行うべく，
― 1 ―

図1

複数の金属散乱体を有する遮蔽閉空間立石科学技術振興財団算出した。続いて，②を明らかにするため，前述の見通し内 1 か所，見通し外 2 か所にワイヤレスセンサモジュールを配置して実際にワイヤレス電力情報伝送を行い，通信品質の評価を行った。
[研究の内容，成果］
図2

1．見通し外での受電効率送電器と受電器の配置

まず，電磁界シミュレーションにより試作モデル内に励振される共振モードにおける電磁界分布を明らかにし，見通し外に分布する電場を調べた。モデル内に配置される散乱体はリアクタンスとして動作する。そのため，共振モードの周波数は，散乱体の無いキャビティ共振器の共振周波数よりも低周波化する。共振周波数だ(赤：強度が強い，青：強度が弱い)

図3

けならば，固有値解析で求められるが，実際は電界分布：357 MHz (左)，456 MHz (右)送電器から励振される電磁界の向き，すなわち，送電器の配置と形状で励振されるモードが決まるため，見通し内外の受電器が受電できる共振モードを選択する必要がある。そこで，送受電器 (送 電 器 Tx，受 電 器 Rx1，Rx2，Rx3) を配置した図 1 に示すモデルでシミュレーションと測定を行い，S パラメータの透過量から共振周波数の特定を行った。送受電器はモノポール型プローブとヘリカル型プローブの 2 種類作製

図4

金属網に置き換えた試作モデルしてそれぞれ測定を行った。プローブ長はともに約 10 cm とした。結果を図 2 に示す。結果

療設備や輸送用機器，工場インフラといった機

よ り，い ず れ の プ ロ ー ブ で も 357 MHz，456器の内部空間は，必ずしも完全遮蔽となっていMHz で見通し内外とも高い透過量が確認されない，あるいは完全に金属で覆うことは難しい。

た。特にヘリカル型プローブでは 357 MHz にそこで，金属網で区切ることに注目した。金属おいて最も高い透過特性を示した。図 3 に示す

網は網目サイズに対して波長が長い場合は電気両周波数での電界分布を比較すると 357 MHz壁として動作し，網目サイズに対して波長が短では強度は低いが全体的に電界が分布している

い場合はその存在を無視することができ，電波のに対し，456 MHz では Rx2，3 付近から Txは透過する。つまり，電力を送電する電波は内側にのみ電界が分布していることが分かる。こ部に閉じ込めるため，提案方式を用いて電力をれより，全体に電界が分布している 357 MHz送電できるだけでなく，情報を伝送する電波はを送電周波数に適している判断した。

透過して外部で送受信できる特徴も新たに与えここまでは，金属で完全に遮蔽された空間でられる。これを実証するため，図 4 に示すようの実証について論じてきた。しかしながら，医に作製モデルの一面をアルミニウム板から金属― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図5

完全遮蔽と金属網を使った場合の S パラメータの測定結果

表1

理論最大電力伝送効率 η maxの比較

全面金属 η max
金属網を使用 η max

Tx-Rx1
71.6%

Tx-Rx2
33.1%

Tx-Rx3
41.7%

70.2%

32.4%

40.7%
図6網に置き換え，送受電器間 (Tx-Rx1, Tx-Rx2,Tx-Rx3) の S パラメータを測定した。図 5 に

表2示す結果から，金属網に置き換える前後で Sパラメータはほぼ一致する結果になることが確認された。さらに理論最大電力伝送効率 η maxもセンサ駆動実験のモデル (上図) と測定風景

金属網無しでの PER
金属網ありでの PERPER の比較
Rx1

Rx2

Rx3

3.4 %
5.2 %4.8 %
5.5 %

3.4 %
6.8 %

同様に表 1 に示すとおりほぼ一致する結果となり，見通し外でも約 30% 以上の効率を実現で受信機へ送信する。
駆動実験の結果，見通し内外に設置したワイきることが明らかとなった。

ヤレスセンサモジュールに対し，1 対 1 の条件で送電電力 40 mW を入力した場合にモジュー2．共振モードが情報通信へ与える影響
続いて，Rx1, Rx2, Rx3 それぞれに受電回路ルの駆動を実現できた。また，実験モデルの外を搭載したワイヤレスセンサモジュールを配置側に設置したパソコンでセンサモジュールと情し，送電器 1：受電器 1 とした場合でキャビ報通信を実現できた。続いて，共振モードが情ティ共振モードワイヤレス電力情報伝送の実験

報通信へ与える影響を調べるため，上記の実験を行った。実験モデルは図 6 に示すように試作において PER (Packet Error Rate) を測定し，モデル内の送電器から電力を送電し，ワイヤレ金属網を取り外して直接センサへ給電して駆動

スセンサモジュールに搭載した受電器と受電回し，ラップトップの受信機で受信した場合の路より駆動電力を取り出す。これによりセンサPER と比較した結果を表 2 に示す。

モジュールを駆動させ，データをモデル外に設

表 2 から分かるとおり，少なくとも温度情報置したラップトップに接続された受信機で受信は正確に送受信できており，電力伝送に使用すする。送電周波数は 1. で決定した 357 MHz をる共振モードが情報通信に大きな影響を与えて用いた。情報通信は IEEE802. 15. 4 を準拠するはいないことが確認できる。以上の成果から，

2.4 GHz 帯 ワ イ ヤ レ ス セ ン サ モ ジ ュ ー ル

ワイヤレス電力伝送に使用する周波数は実験モ(TWE-LITE from Mono Wireless Inc.) を用いデル内に閉じ込めることができ，情報通信に使た。このモジュールは温度センサを搭載してお用する周波数は実験モデルと透過して外部で送り，試作モデル内の温度情報をセンシングして受信できることを明らかにした。

― 3 ―立石科学技術振興財団

電回路の開発を行う予定である。

[今後の研究の方向，課題］
本研究結果より，［成果の発表，論文等］①

見通し外での受電効率②

共振モードが情報通信へ与える影響

Tamura, “Cavity Resonator Wireless Power Trans-が明確化され，提案手法の有効性が明らかと

fer in an Enclosed Space with Scatterers utilizing[1]

I. Takano, D. Furusu, Y. Watanabe, and M.

Metal Mesh,” IEICE Trans. Electron, vol. E100-C,なった。しかも，完全に遮蔽する必要はなく，金属網を用いることで，見通し外でも十分に電no. 10, 2017. (to be published.)[2]

I. Takano, D. Furusu, Y. Watanabe, and M.

力が供給できるという効果だけでなく，電力をTamura, “Study on Cavity Resonator Wireless

送電する電波は内部に閉じ込め，情報を伝送す

Power Transfer to Sensors in an Enclosed Spacewith Scatterers,” in Proc. of IEEE MTT-S Int. Conf.

る電波は透過して外部で送受信できるという新on Microwaves for Intelligent Mobility 2017,

しい発見があった。実用化を進める上で，この発見は非常に有益であり，さらなる研究の展開

Nagoya, Japan, Mar. 2017, pp. 1-4.
[3] 高野一平，古巣大吾，渡邊耀介，田村昌也“閉鎖空間内におけるキャビティ共振を用いた無線電力伝が期待できる。

送 方 法 に 関 す る 研 究，
”信 学 技 報，WPT-62, vol.

今後は医療設備や輸送用機器，工場インフラへの実用化に向けて，任意の位置にセンサを配置できるようにするべく，受電器の差動化，任意位置でのセンサモジュールの駆動が可能な受― 4 ―116, no. 452, pp. 27-30, Feb. 2017.
[4]

高野一平，渡邊耀介，田村昌也，“閉鎖空間内にお け る 複 数 位 置 へ の 無 線 電 力 伝 送 方 法 の 検 討，”

2016 信学ソ大，no. B-21-27, p. 485, Sep. 2016.