次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

ワイヤレス給電の技術概容
早稲田大学 環境総合研究センター

髙橋俊輔

抄録
電池への充電作業を容易にするワイヤレス給電システムは近傍界に貯蔵されるエネルギーを利用する非放射型のものと遠方界を利用する放射型のものとに大別され、それぞれ磁界結合式、
電界結合式、エバネセント波式およびマイクロ波などの無線式、レーザ式に分けられる。それ
ぞれの方式の内容およびその得失を説明する。そのうちでワイヤレス給電システムとして最も良く使われている磁界結合式での課題について取り上げ、その対策等についても解説する。

1. はじめに

ケーブルレス、すなわちワイヤレス給電にできないかと言う要求が出てくる。

現代は、場所や時間の制約を超え、いつでも、どこれらは携帯電話に限らず電気自動車でも家電やこでも、誰とでも、何とでも情報を交換できる社会、工場内で使われる他の電気製品でも同様である。そラテン語で、いたるところに存在するという意味のこで、実用化されているワイヤレス給電の実例をい言葉を使ったユビキタス・ネットワーク社会になりく つ か 示 す と、 電 気 自 動 車 用 の 3.3kW あ る い はつつある。特に携帯電話やタブレットなどの小型情

7kW のものは既に完成の域にあるが、グローバル報端末機器の性能向上と価格低下は著しく、現在のな商品であるため現在、日米欧で進められている標

地球上の携帯電話台数は 77 億台を超えて 1 人 1 台

準化が制定されない限り発売はされない。電動バス

強を保有する計算で、インフラ整備の遅れた後進国

はローカルなものなので、既に図 1 のように 30kW

ほど使用者数が伸び、ここでも情報の共有化が進みのものが実証に供され、海外では 120kW や 200kWつつある。

のものが実際に使われている。

この情報社会の申し子のような携帯電話もユビキ家電では、CEATEC2015 で展示されたワイヤレ

タスにならない時がある。充電時である。充電時にスキッチン（図 2）があり平らな木製の調理台に乗はケーブルで商用電源に接続されるため “どこでも”せるだけで使えるコードレス台所電気用品や卓上照という条件が満たされなくなる。そこで、電源も明灯が出現している。

図1

ワイヤレス給電式電気バス WEB-3

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図2

3

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ワイヤレスキッチン

工場では、 図 3 に示すように物を搬送する AGV

移動ロボットへのワイヤレス給電も実施されていなどに数多く使われ、その他に電動ドライバーなどて、水中ロボットや警備ロボットへの搭載例があの工具や図 4 のようにロボットアームの肩の回転部

り、介護ロボットとしては図 5 のような独居老人をへの給電に使われている。

見守るロボットにも搭載されている。
やや特殊なものとしては、SUICA のようにボルトにワイヤレス給電をして埋め込まれた歪ゲージのデータを送電側に送信してインフラの健全度を測る
計測システムが開発されている（図 6）1）。

図3

高周波
電源

電池

受信機

データ
収集装置

ワイヤレス給電式 AGV
歪み
ゲージ

アンプ

無線
送信機

図6

受電
コイル

送信
アンテナ

ボルト軸力計測装置

医療機器用として、ペースメーカーや人工心臓な
ど体内植え込み機器への給電ラインが経皮をすると患者の苦痛や感染症のリスクが大きくなるので、それを防ぐためワイヤレス給電システムがいろいろ検討され、既に図 7 に見られる人工内耳や人工眼、それに植え込みではないがカプセル内視鏡などで実現
図4

している。

ロボットアーム回転部へのワイヤレス給電

図5

図7

ワイヤレス給電式介護補助ロボット

ワイヤレス給電式人工内耳の仕組み 2）

1）高橋俊輔：EV に限らない産業分野など、ワイヤレス給電の新しい適用，オーム社，Vol.102，No.5，pp.21-24（2015）2）小木保雄：人工内耳の仕組み，リコー手話クラブ Q&A 集

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次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

2. ワイヤレス給電の基本

また、長距離をワイヤレス電力伝送させるものとしては、宇宙空間に展開した太陽光パネルで発電した電力を地上に送電する太陽光発電衛星の構想があ充電装置において、電源装置から電気製品に電力るが、それを応用したものとして 1992 年京都大学を供給するコネクタ部のプラグとレセプタクルの組はマイクロ波を使って燃料等のエネルギーを搭載しみ合わせを充電カプラという。充電カプラは通電方ない飛行機にワイヤレス給電をするシステムの実験式から、通常の金属同士の接触を用いて電気的に伝を行っている。

送する接触式と、一般的には送電モジュールと受電モジュールを向かい合わせ、その間の空間を介して電磁気的に伝送する非接触式に大別される。
ワイヤレス給電は一般的には電磁波を介して電力

無燃料飛行機 MILAX

伝送を行うが、微小ダイポールアンテナのように電界を放射する放射源の近傍においては電界成分が支配的で、電磁界の電界と磁界の比率（E/H）、すなわ
ち波動インピーダンスは図 9 の a のように高い値にマイクロ波（2.411GHz）なる。距離が離れるにつれて次第に磁界が誘導され空間のインピーダンスが低下していき、放射源から充分に遠方の自由空間においては、波動インピーダ
ンスは 376.7 Ωの自由空間インピーダンスに一定と

マイクロ波
送電器

なる。これに対して、図 9 の b の微小ループアンテ
ナのように磁界を放射する放射源の近傍においては、磁界成分が支配的で、その波動のインピーダン
スは低い。そして、放射源から遠ざかるにつれて、

図8

ワイヤレス給電式飛行機 3）

その波動のインピーダンスは自由空間インピーダン
スに近付く。このような、放射源の近傍で波動のイ
ンピーダンスが自由空間インピーダンスと大きく異

そこで本稿では、上記のワイヤレス給電システムなる領域を近傍界と呼び、距離が充分に離れて波動に使われる方式の概容とそれぞれの方式の特徴およのインピーダンスが自由空間インピーダンスに近付

びその課題について述べる。

いた領域を遠方界と呼ぶ。

波動インピーダンス Ｅ／Ｈ︵Ω︶電界 E が大近傍界と遠方界の境界
50Hz では 950km
1GHz では 48mmａ

自由空間インピーダンス
376.7Ω
（120π）

エネルギー貯蔵
非放射型
近傍界

遠方界
エネルギー伝搬ｂ

放射型

磁界 H が大距離／波長

図9近傍界と遠方界

3）篠原真毅 , マイクロ波給電システムの開発と応用 ,KEC 情報 ,220 号 ,pp18-23（2012）2015.11.30. no.279

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tokugikon近傍界はエネルギーが貯蔵された状態の非放射域分けられ、非放射型は磁界結合式、電界結合式、エで、ここを利用するワイヤレス給電システムはアン

バネセント波式に分けられ、放射型は電波（マイクテナを置くだけではエネルギーが取り出せないのロ波）式、レーザ式に分けられる。さらに磁界結合

で、結合や共振と言った方法で溜まったエネルギー式は電磁誘導式と磁界共振式に分けられる。

を汲み出してやる必要がある。一方、遠方界はエネ

それぞれの方式の伝送電力と伝送距離との関係をルギーが伝搬する放射域で、ここでのワイヤレス給図 11 に示す。図中にユビキタス領域と EV などに使電システムはアンテナを置くだけでエネルギーは自われる領域を示した。また、マイクロ波などの電波然と入り込んでくるが、アンテナに当たって跳ね返は人体防護上の制約があり出力が低くなっている

らないよう共振させるなどの方法が必要である。

が、人が立ち入らない閉鎖空間では伝送電力はもっと大きくすることができる。

3. ワイヤレス給電の方式（1）磁界結合式
ワイヤレス給電方式は大きく分けて図 10 のように近傍界で使われる非放射型と遠方界での放射型に

磁界結合式は放射源の近傍に広がる磁界を伝送媒体として利用する方式で、従来から使われている磁非放射型間に広がるエネルギーを共振を利用して積極的に掬

磁界共振式②電界結合式

ワイヤレス
電力伝送方式

い上げる磁界共振式がある。

③エバネセント波式④電波式（マイクロ波など）

放射型

図 10

イ 電磁誘導式⑤レーザ式

1831 年に英国の Michael Faraday が磁気の変動

ワイヤレス電力伝送方式

から電気が発生することを見出した。静止している
導線の閉じた回路を通過する磁束が変化すると、そ＊電磁波の人体防護の観点からの制限による

100m
10m

伝送距離

1m

束の鎖交を利用する電磁誘導式と放射源の周囲の空電磁誘導式①磁界結合式の変化を妨げる方向に電流を流そうとする電圧（起電力）が生じるという、 変圧器の基本原理である

レーザー

ファラデーの電磁誘導法則の発見である。1836 年

EV・搬送機器に求められる領域

電波＊ ユビキタス機器に求められる領域10cmにアイルランド・メイヌース大学の Nicholas Callan
司祭が誘導コイルを発明し、これが変圧器として広磁界共振く用いられる初めてのものとなった。この電磁誘導
1cm
1mm
0.01

図 11

0.1

1

10

の原理に基づき対向させたコイルと磁束収束用の磁

電磁誘導

電界結合
100

伝送電力（Ｗ）

1k

10k

性体を用い、送受電コイル間に共通に鎖交する磁束100kを利用するワイヤレス給電システムは、図 12 に示すようにギャップのある変圧器である。

各方式の伝送電力と伝送距離

図 12電磁誘導式の原理

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次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

一般的な変圧器の 1 次コイルに交流電流を流すとキャパシタンス C2p を入れて効率を最適化していコイル周囲に磁界が発生、1 次／2 次コイルを共通る。 また 1 次側も L1 により電源力率が低くなるのに鎖交する磁束により 2 次コイルに誘導起電力が発でキャパシタンス C1s により補正を行っている。こ生する。理想的な変圧器では 1 次コイルの磁束は全のコンデンサの挿入方法は図 13 に示す代表的なもて 2 次側に伝えられる。この場合の両コイルの磁束のの他に、直並列に入れるなどシステムにより各種伝達度合いφ 2/ φ 1 を示す結合係数 k は 1 である。

方法がある。

しかし、非接触化のためコア間にギャップがある

一般的な EV 用などの電磁誘導式ワイヤレス給電

場合にはそこから漏れ磁束が発生、磁束φ 2 が小さシステムの構成は、図 14 に示すように地上側シスくなるため k は 1 よりも小さくなる。この漏れ磁束テムとして商用周波数から電磁誘導に必要な高周波が変圧器の 1 次／2 次側の自己インダクタンスにそを発生させる高周波電源装置、1 次コイル、高周波

れぞれ直列に接続された漏れインダクタンス Le1、

電源装置から 1 次コイルまでの送電ケーブルとイン

Le2 として、チョークコイルと等価な働きをする。

ピーダンス調整用のキャパシタボックス、それに車両側システムとしては 2 次コイルと高周波を直流に直す整流器 ､ バッテリーマネジメントシステムと地上側の高周波電源との間で制御信号をやりとりする
通信装置から構成される。高周波電源装置の内部は、図 15 のように商用電源を直流に変換する AC/(a) S／S方式

DC コンバータ、高周波（方形波）を出力する高周波(b) S／P方式

インバータ、正弦波に変える波形変換回路、安全対策のための絶縁トランスで構成されている。

(c) P／S方式

S : 直列図 138）バッテリマネジメントシステム(c) P／P方式

7）畜電池

9）通信装置P : 並列6）整流器

コンデンサの挿入位置の例
3）キャパシタボックス

つまり、変圧器として働く励磁インダクタンスは5）2 次コイル

自己インダクタンスのうちの k 倍で、残りの部分は漏れインダクタンスになる。そのため、ワイヤレス

2）送電ケーブル

給電は変圧器に比べ励磁インダクダンスが小さく、

4）1 次コイル

1）高周波電源装置

漏れインダクタンスによる電圧降下が大きいシステ
図 14

ムといえる。電磁誘導式はギャップが数 mm という電磁誘導式システムの構成

ことが良く本に書かれているが、それは通常の変圧器のコイルだけを離して電力伝送をするため、電圧商用周波数降下が大きく電力を効率よく伝送できないからである。電力を効率よく伝送するためには、1 次側の周直流電圧 高周波（方形波）

高周波
AC/DC
コンバータ インバータ

波数を数 10kHz の高周波にして 2 次誘起電圧を上げたり、コイルのインダクタンスにコンデンサを並

波形変換
回路

列や直列に接続した共振回路を用いるのが通常であ

絶縁
トランス

正弦波

る。2 次側の最適負荷抵抗 Z L は R L-j ω L2 と表され、整流・平滑 逆流阻止
回路
ダイオード
直流電圧

負のインダクタンス成分が損失を発生させている。
そこでこのインダクタンス成分を打ち消すために

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図 15

7

電磁誘導式システムの回路構成

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図1に示した早稲田大学が開発した電動バス

伝送をする磁界共鳴の技術を活用していて、その基

WEB-3／WEB-4 に搭載した 30kW 電磁誘導式シス

本原理は新しくはないものの、給電方式としては新

テムは、1 次側、2 次側でそれぞれ共振を取るなど

たな方式といえる。送電側コイルから放射される磁最適設計をすることでコイル間ギャップを 140mm

束を直接受電側コイルに鎖交させれば前述の電磁誘に増加させ、1 次コイルを地面と面一に埋め込み、導式となるが、送信側の磁束が受信側に殆ど鎖交し長野市で 2014 年 3 月までの 3 年間、2 台の電動バていない k が 0.01 以下となるようにコイル間距離スを用いて日本初の有料実証運用試験を実施したを十分に離した状態で、磁界共振式は電磁誘導式と

4）。また、英国 Milton Keynes 市の電気バスでは IPT

殆ど同じシステムを使いながら送受電コルサイズとTechnology 社がコイル間ギャップは 40mm である

空間波長、空間磁界分布をうまく制御してエネルが 120kW を、 ベ ル ギ ーBruges 市 や ド イ ツ

ギーを伝送している。そのため、伝送量を確保する

Braunschweig 市 で は Bombardier 社 が コ イ ル 間

ためにコイル形状、サイズ、波長、伝送距離に一定

ギャップはやはり 40mm で 200kW をワイヤレス給の制約が生まれ、その制約条件が崩れると共鳴が起電している

こらず電力伝送ができない。アンテナのインダクタ

。

5）6）

このようにある程度のギャップをもって既に大電

ンス L と静電容量 C による LC 回路として共振する力を伝送できるようになっているが、位置合わせの

周波数の交流電力を送信側アンテナに印加すると、点ではギャップ寸法程度しか位置ずれの許容寸法がその周辺に振動磁場が発生し、共鳴現象によって数取れないのが最大の欠点である。

波長以内の距離にある受信側アンテナに電力が伝わる。すなわち、共鳴方式の電力伝送は「近接場」のロ 磁界共振式

共鳴を利用するもので、電磁誘導式と比較して利用

2007 年 に 米 国 Massachusetts Institute ofする磁場がずっと弱く、それでいてより長い距離をTechnology（MIT）の研究チームが、2m 離れた距伝送できる。また、非放射型の共振方式は遠方に電離で 60W の電力を送ることに成功したことで磁界磁波の形で流出するエネルギーが少ないため、放射共振式が一躍注目を浴びるようになった。

電磁波を使用するマイクロ波式に比べ電力の伝送効

図 16 に MIT が発表したシステムの概要を示す

率が高く、二つのアンテナコイルの間に障害物がが、送信側と受信側のコイルを高い Q 値を持つヘリ

あっても利用可能である。

カルコイルにして磁気的に同じ周波数で LC 共振さ

電磁誘導式の図 13 〜図 15 のシステムとほとんどせ、空間に蓄積される磁気エネルギーを通して電力同じでありながら電磁誘導式よりもギャップが大き

送電コイル

受電コイル

電磁結合

磁気共鳴

電磁結合

150W
400W

N= 5.2560W

同じ周波数で共鳴（高次成分）

送電側共鳴コイル（LのみでCは空間容量）

図 16

受電側共鳴コイル（LのみでCは空間容量）

MIT が発表したシステムの概要

4）永田祐之，木村祥太，飯田ひかり，紙屋雄史，髙橋俊輔，大聖泰弘：先進電動マイクロバス交通システムの開発と性能評価（第 9 報）─
開発車両の長期営業運行中に得られた非接触給電装置に係る各種データの詳細分析─自動車技術会 2014 年秋季大会学術講演会前刷
集 ,No.149-14,298,pp.13-18.（2014）
5）Maq Alibhai：Wirelessly charged electric buses in Milton Keynes,Eurotransport,Vol.12,Issue 2,pp.20-23（2014）
6）Tim Dickson：Wireless Electrification, Eighth International Hydrail Conference,（2013）

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次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

く取れることや位置ずれの許容度が大きいという特ンダクタンス L を調整しなければならないという課

徴を持つ磁界共振式は現在開発が進んでいる EV 用題がある。インダクタンスを変えるのは大変なためのワイヤレス給電システムの殆どが採用している。

周波数を調整する方式を採用すると、占有帯域幅の増大につながる。さらに、共振回路の Q に応じて接（2）電界結合式

合容量およびインダクタンスに高い電圧が印加されるという課題もある。

前記のように送電側と受電側の LC 共振器間の「磁並列共振型回路は接合容量が共振回路の一部と界」エネルギーを媒介にしてワイヤレス電力伝送がなっていないために、C1 や C2 に比して接合容量が可能であれば、送電側と受電側にそれぞれ電極を設小さい場合には、接合容量が変化しても共振回路の置し、電極が近接したときに発生する「電界」のエ

周波数に与える影響が小さいことが特徴である。さネルギーを媒介にした方式もまた成り立つ、これがらに、図 17（b）の②の共振回路が共振している場

電界結合式である。これはまさにコンデンサであ

合には、その両端のインピーダンスが極めて大きくり、コンデンサはいわば極板間に変位電流を流すこなるため、接合容量が変化しても共振回路①の出力とでワイヤレスにエネルギー伝送を行うデバイスで電圧が共振回路②に印加されることになり、接合容ある。

量の変化、すなわちギャップ間距離の変動に対して

すなわち、この方式は電極を近接させたときに形

大きな余裕度を持つことになる。回路的には LC 共成される静電容量（接合容量）に交流電圧を印加し振を用いる点では、電磁結合式と同様であるが、電静電誘導の作用によって電力伝送させる方式で、電流を流すことで磁界を作らねばならない電磁結合式

力伝送回路に共振を取り入れた電界結合式と共振をに対し、電界を利用するため電極間に電圧を印加す

用いないアクティブキャパシタンス方式があるが、るだけで良い。従って、電磁結合式に比べ装置が小

ここでは前者について取り上げる。図 17 に示すよ型化する特色があるが、空気中への放電を避けるた

うに電界結合式にも直列共振型（a）と並列共振型

めに電界強度に上限が存在する。その結果、静電エ（b）がある。

ネルギーは数 J/m3 程度であり、小電力機器が対象

直列共振型回路は、接合容量 C に直列にインダクになると思われる。一方、電界結合の電極間はコンタンス L を接続して共振条件を満たすことにより、デンサと同じなので、磁界に比べて平等電界は比較

接合部のインピーダンスをきわめて小さくしてエネ的実現し易く、水平方向の位置ずれに対応しやすい

ルギーを伝送している。ただ、送電側と受電側電極が、送電側と受電側の電極を近づける必要がある。

間の容量はギャップ状態によって変化するので、共現在実用化されているコイルからコイルへ電力を給

振条件を維持するためには、発信周波数 f またはイ

電する電磁結合式で問題となる異物侵入時の誘導加熱や、人体への電磁波防護、高周波による電波法の制限といった問題が生じないメリットがある。しかも、電磁誘導方式と違い、フェライトやリッツ線コイルを用いないため、機器の重さやコストを低減できる。出力が大きな機器に対しても、接触させる面
積を広げるだけで対応できるのも利点である。
既に直列共振を用いた電界共鳴給電システムとして、100W の電力を効率 90％で白熱電球に給電している。

（3）エバネセント波式
（a）

図 17

（b）

図 18 に示すように、屈折率の高い媒質 2 から低い媒質 1 に電磁波が入射する場合、入射角θ i が臨

電界結合式システムの回路構成

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9tokugikon

界角θ c より小さい時はスネルの法則に従ってθ 1

電磁エネルギーの大半が曲面に閉じ込められてしまの角度で屈折する。入射角が臨界角と同じになる

い、滲み出るほんの僅かなエネルギーしか外に取りと、出射角が 90 度となり面内に沿って進む。入射出せないと言うのが問題である。すなわち、送電電角が臨界角を越えると、透過せず実線のように電磁力（注入電力）と受電電力の比で定義される通常の波は全反射するが、その際には波数の境界面に対す効率という値で評価すると、極めて低い値となってる垂直成分が虚数になっているために 1 波長程度ましまう。

で低媒質側の内部に伝搬しない電磁波が浸透することになる。このように境界面で全反射するとき、その背面に波長以下の領域（エバネセント場）内に滲
み出るように存在する電磁波のことを「エバネセント波」と呼ぶが、これは近傍界における電磁波の性質を強く持ったものである。ここで波数 n とは単位
長さあたりに含まれる波の数で、単位は /m、波長m の逆数である。振動数 f（＝周波数）は単位時間あたりに揺れる波の数で、単位は /s あるいは Hz で、

図 19

エバネッセント波式の構造 7）周期の逆数である。波数と振動数の関係は、伝搬速度 v を介して、f ＝ nv になる。
後述するマイクロ波を利用する方式であるため、
エバネセント波の波面

同様の課題はあり、小電力を対象とした通信系とのΘ1＜θc

共存が、この方式の特徴を生かすシステムと考えられる。

低屈折率媒体エバネセント波

高屈折率媒体Θ1＝θc（4）無線（マイクロ波）式

入射光の波面反射光

入射光

遠方にまで伝搬する電磁波の存在は 1864 年に英

Θ1＞θc

Θ1＞θc

Θ1＝θc Θ1＜θc

図 18

エバネセント波の発生原理

国 の James Maxwell が 予 言、1888 年 ド イ ツ のHeinrich Hertz が火花放電で発生した電磁波により、遠くの受信リングの間隙に火花が生じることで実験的に証明した。この遠方にまで伝搬する電磁波

エバネセント波式はこのことに着目、図 19 に示を利用するのが無線式であるが、実際に電力伝送がすように全反射を起こす壁で挟まれた領域内にマイ実現するまでには長い時間が掛かった。1894 年にクロ波を注入、一方の壁から滲み出るエバネセント

ワ イ ヤ レ ス 給 電 の 特 許 を 取 得 し た 米 国 の Nikola

波を通してエネルギーの授受を行う方式である。すTesla が 1901 年に電波塔から 150kHz の電波を用い

なわち、エバネセント波式は遠方に届きやすいといた 300kW の電力伝送実験を行った。しかし、周波う電波の最大の特長を生かしつつ、一方で電波を閉数が低すぎて電磁波が拡散し、電力を受け取る側でじ込めてしまうという秀逸な方式である。それは、の電力密度が低くなりすぎ失敗した。無線電力伝送

我々が日常生活において曲面と認識する形状でも、が可能になったのは、大電力のマイクロ波送信を使

波長サイズの点からマイクロ波にとっては平面と同うレーダーが開発された第 2 次世界大戦以降であじとなるため、曲面内伝送が可能になるわけである。1964 年に米国の William Brown が 2.45GHz 帯る。しかしながら、エネルギー伝送の立場からは、の マ イ ク ロ 波 電 力 を、 自 身 が 発 明 し た レ ク テナ

7）T.Terada,H.Fukuda,and T.Kuroda,"Transponder Array System with Universal On-Sheet Reference Scheme for Wireless Mobile Sensor
Networks without Battery or Oscillator,"IEICE Trans.Fundamentals,Vol.E98-A,No.4,pp.-,Apr.2015.

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次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

増幅器

増幅器

受電
アンテナ

･････

移相器

高出力マイクロ波
送電アンテナ
5.8GHz帯

･････

移相器

･････

移相器

増幅器

･････

マイクロ
波発振器

移相器

パイロット信号パイロット信号パイロット信号
送電アンテナ
受電アンテナ
2.45GH帯z

ビーム方向制御系

受電
モジュール

出力装置

ビーム方向制御系

受電部

送電部

図 20

無線式の概略系統図（rectenna）で受信、直流に変換して電力伝送がで合式の走行中給電における給電コイルを道路上に設

き る こ と を 実 証 し た。 レ ク テ ナ は rectifying

置する問題点を克服できる可能性がある。しかし、

antenna の略で、格子状に配置されたアンテナエレ

人体への電磁放射の安全性検証の問題があり、まだメントで受けたマイクロ波のエネルギーを、順方向

電波暗室内でのレベルである 9）。

電圧降下が少ないショットキーバリアダイオードで電磁波は距離により拡散するので、拡散した無線

直接、直流に変換するアンテナである。

電力を収集するためアンテナを大きくする必要があ

図 20に無線式の概略系統図を示すが、このシステ

り、EV などのモバイル用途としては大きさの制約

ムの場合、複数のアンテナ素子から放射されるマイの課題がある。また非常に高い高周波を扱うため、クロ波の振幅と位相を制御、空間合成して任意のビー

それぞれのデバイスでの損失が大きく、全体効率がム形状を形成できるフェーズドアレイアンテナおよ

低いと言う欠点がある。

びマイクロ波ビームの送電方向を示す案内信号によ（5）レーザ式

り任意の方向にビームを向けられる機能がある 8）。
この任意のビーム形状とビーム方向を制御できる機能を使用すると、図 21 に示す照明灯のように設レーザ式は図 22 のように THz 帯のレーザビーム

置したマイクロ波送電アンテナから走行中のトラッを面発光で送信、ソーラーセルと同じように半導体

クの動きに合わせてトラックの上部に連続して給電で受信し、半導体の光起電力効果を利用して光エネできるシステムを構築できる。これにより電磁界結ルギーを直接電気に変換することで電力を伝送する

図 21

図 22

マイクロ波による走行中給電のイメージ

レーザ式の電力伝送原理 10）  8）http://www.ard.jaxa.jp/research/hmission/hmi-mssps.html
  9）外村博史：ワイヤレス電力伝送システムの自動車適用に向けた WG 活動 ,WiPoT symposium WG#2,pp.1-10（2013）10）http://www.ssr.titech.ac.jp/research/project_22.html

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4. ワイヤレス給電の課題技術である。レーザ式は無線式と同じく遠方界を利用しているが、空間をエネルギーで満たすという考え方は難しいが、ビーム形成の点では MHz 帯のマ

現在、ワイヤレス給電システムとして広く使われイクロ波よりも周波数の高いレーザ式の得意分野でている磁界結合式のものに絞って、その課題を以下あり、数百 m の距離であれば発散角が小さく、そに説明する。その他の方式については、それぞれののビーム径は殆ど拡大しない特徴があるため、少な項目において示した。

い減衰で長距離にまでエネルギーを伝搬できる。

（1）電磁放射従って、 マイクロ波と同様に宇宙エレベータといった航空宇宙分野を中心に研究が進められてきたが、近年は宇宙からより近距離の移動体が対象とな

ワイヤレス給電は電力伝送に電磁波を使うため、り、災害監視用無人飛行機やドローン、月面探査使用に当たっては電波法等の規制を受ける。電波法

ローバーや一般のロボットなどへの給電が試みられ上、電波は 0Hz 以上 3THzまでの電磁波を指すが、ている。

わが国の電波防護指針において管理される電波は複数個装備する場合、それぞれの素子で同期を取10kHz 以上 300GHzまでである。ワイヤレス給電はる必要はないが、マイクロ波などで通常行われていワイヤの制約から解放されるメリットの反面、空間るフェーズドアレー方式のような位相制御が困難でに放出される電磁界のエネルギーによる電磁環境があるため、迅速なレーザビーム方向制御が困難で高他のシステムに影響を及ぼす可能性が存在するため、精度の追尾技術が必要となるといった問題がある。

電磁両立性（EMC：Electromagnetic Compatibility）

もし半導体レーザなどでフェーズドアレーができるの確立が課題である。EMCは狭義には無線通信や電ようになれば、高効率、高出力な長距離伝送が可能

子機器への干渉の問題であるが、広義には人体へのとなるほか、ビーム方向制御などの駆動部が不要と影響（生体 EMC）の問題も含まれる。図 24に示すよなるのでメンテナンスフリーになる。ただ、ビーム

うに電磁波の生体への影響は、電離放射線は遺伝子の経路上に人間が入った場合を想定して、ビームのレベルで大きな損傷を与えるが、可視光線から紫外

エネルギー密度が一定値以下となるよう、図 23 の線の領域では光化学作用、可視光線の長波長領域かようにレンズ等でレーザのビームを広げて伝送し、

ら赤外線、電波領域では刺激作用と熱作用である。

受電素子を小型にするため受電側でビームを絞って電磁界利用において、生体 EMC は重要な問題でやるなどの工夫が必要になる。また、地上で使用すある。電磁界の生体安全性については、人体曝露にる場合には、雲、霧など気象条件に左右されるので、関する防護指針を満たすように、世界各国で法制化優れた収束性や遠距離伝送能力を十分に活用できなされている。電磁放射に対する人体防護はわが国でい課題もある。

は総務省の電波防護指針にも示されているが、一般的には WHO が推奨する国際非電離放射線防護委員
会（ICNIRP）のガイドラインに従い、使用周波数ごとのガイドライン数値以下にする必要がある。
電磁放射による電磁干渉については、電波法上、ワイヤレス給電システムは高周波利用設備として、
電波法第 100 条 2 項と電波法施行規則第 45 条 3 項
により、10kHz 以上の高周波電流を利用して出力が 50W を超えるものは各地の総合通信局に設置許可申請を提出して許可を受ける必要がある。申請に

図 23

ビームエネルギー密度減少方法

当たっては無線設備 65 条 2 項に規定されている使

11）11）春山かおる：ワイヤレス電力伝送 , 映像情報メディア学会誌 ､Vol.65,No.2,pp.142-146（2011）

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次世代のエネルギー供給〜ワイヤレス給電〜

刺激作用

熱作用
人体との共鳴領域

図 24

表面加熱作用

光化学作用

電磁波による生体への影響

用周波数 450kHz 以下の輻射電界強度が、100m 電

電磁環境が他のシステムに影響を及ぼす可能性があ

界規制値で 1mV/m 以下、かつ高周波出力が 500W

るため、2 次コイルが無い状態では 1 次コイルに通以 下 の 場 合 は 30m 電 界 規 制 値 が 1mV/m 以 下、

電しないようなインターフェイスを付けている。何500W 以上の場合は 30m 電界規制値が 1mV/m を超らかの通信手段で 1 次コイルが直上にある 2 次コイ

えない範囲で√（P／500）（P は装置の出力 W）を乗

ルを認識、ハンドシェイクが成立してから電力伝送

じた値以下の数値を満足している必要があることはを始めると、コイル間に渦電流を生じやすい形状の衆知である。しかし、これをクリアするのは開発、金属を入れても、それを検知するのはかなり難し製造にあたってかなりの努力が必要である。

く、そのまま電力伝送を続けると、図 25 のように、10kW 出力のワイヤレス給電システムでは、コイル（2）誘導加熱間に置いたステンレス製の金属タワシが 1 分間で200℃、8 分間で 375℃まで上昇してしまう。そこ

ワイヤレス給電システムは、前記のように 1 次コ

で何らかの有効な異物検知（FOD：Foreign Object

イルから空間に放出される電磁界エネルギーによる温度 Ｔ︵℃︶

ステンレスたわし

500
475
450
425
400
375
350
325
300
275
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
0

Detection）システムの搭載が必要となる 12）。

8分間で375℃

1分間で200℃

100kW@22kHz
60

120

180

240

300

360

420

480

540

600

660

720

780

840

900

960 1020 1080

経過時間（s）t

異物

サーモグラフ写真

室温

図 25 異物による誘導加熱実験結果

12）高橋俊輔：自動車分野におけるワイヤレス電力伝送技術と EMC, 電子情報通信学会 , 第 25 回 EMC ワークショップ論文集 ,pp.67-107.2013

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EV 用のワイヤレス給電システムにおいて、2013

また、ワイヤレス給電技術だけでなく FOD など

年に Qualcomm Halo 社が異物検知機能の付いたシ周辺技術での開発も進められていて、そう遠くない

ステムを発表している。図 26 のように 1 次コイル表

時期にワイヤレス給電技術を使ったユビキタス社会面にループになるようメッシュを切ったアレイ板をが実現するのではないかと思っている。

貼り、そのループに微弱な電流を流しておき、金属がコイル上にある場合での電流の変化を検知して送電モジュールの動作を停止するようにしている。図に示すようにコインのような小さな金属も検知、ドライバーのスマホに知らせることができる 13）。FOD
システムとしては他にカメラや感熱センサ、静電容量センサ、マルチコイルなどが検討されている。

右の箱はコイン入り、
左は空箱

profile髙橋 俊輔（たかはし しゅんすけ）

図 26

1972 年 早稲田大学大学院 理工学研究科卒
1972 年 三井造船株式会社入社 LNG 船などの機関部基本設計、水中ロボット開発、各種メカトロシステム営業に従事、2003 年退職
2003 年 昭和飛行機工業株式会社入社 EV、ワイヤレス給電の開発に従事、2013 年退職
2003 年 早稲田大学 環境総合研究センター参与兼客員上級
研究員 電動バス、ワイヤレス給電の研究開発に従事、現在に至る
2014 年 京都大学 生存圏研究所研究員 ワイヤレス給電の研究に従事、現在に至る

Qualcomm Halo 社の異物検知システム

5. おわりに
ワイヤレス給電システムは各社がいろいろな方式
での開発を進め、安全で簡単、手間いらずの利点が認められ、既に多くの分野で実際に使われている。
これらが更に普及していくためには、国際標準化や電磁放射の規格化が必要で、EV やモバイル機器では IEC や ITU-R の場で検討が進められていて、数年内には纏まる見込みである。

13）http://www.nikkei.com/article/DGXNASFK1103R_R10C13A1000000/

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