2022年2月

第818号

まもなく離陸する光無線給電―小型端末、移動体から宇宙応用まで―
東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所准教授
1. はじめに宮本智之

以上のように、これまでの給電には様々

微小なセンサー等から大型の移動機器などな方式があるものの課題が多い。そこで無まで、社会では様々な端末・機器が利用され線給電への期待が高まっている。図1のようている。これら機器では、そこに利用する通に無線給電は配線が不要で接続の負荷もな

信の無線化がほぼ完了し、その無線化を起点

く、また常時に十分な電力量を給電可能でに多様な応用やサービスなどが創出され、社ある。このため無線給電は単に配線を置き会に大きなイノベーションをもたらしてい換えるのでなく、新しい給電の仕組みの提る。

供により、新しい応用やサービスなどの創一方、これら機器には電力が必要だが、これにはコンセントからの配線かバッテリーを出、つまりイノベーションのカギになるといえる。

利用している。配線では十分な電力をいつで

本稿では、この無線給電方式として、新たも利用できるが、移動などの機器の利用法をな方式といえる光ビームを用いる光無線給電

大きく制約している。バッテリーは利用時に方 式 1-3）に つ い て、そ の 技 術 の 原 理、特 徴、は無線であり、携帯端末から電気自動車、ド課題、また、著者らの取り組みを含めて最新

ローンなどを実現している。バッテリーも充の動向を解説する。

電時に配線接続するので、機器への給電には有線が必要である。利用可能な電力量の制約から稼働時間や機能を制約し、充電中の機器

電力量の制約

利用も制限されるなど課題が多い。技術進展

大電力により蓄電量の増加などが進んでいるものの、重量・体積・コスト・充電時間などの課題解決には非常に長い期間を要する。環境に存在する電波や振動、温度差などを利用する

無線給電

有線給電
バッテリ

配線要

配線不要

配線の
必要性

エネルギーハーベスティング（環境発電）も進展している。この方式は配線不要で永続的

環境発電
微小電力

に機器を稼働できる優れた特徴をもつが、通常、非常に小さな電力しか利用できないた

図1

各種の給電方式の位置づけ

め、適用機器を強く抑制する。
1

トピックス

2. 光無線給電の基本的特徴

強く制限されている。このため、マイクロ波

2. 1

方式は技術的には高度な仕組みが開発されて従来の無線給電方式

無線給電としては電磁誘導方式がよく知らいるが、数年前より海外で認可が下りはじれており、例えば標準規格のQi方式は携帯端め、国内では2020年に答申が行われて、ごく末などに広く実用されている。電磁誘導はト

小電力からの利用が始まる段階である5）。

ランスに相当するが電界を用いるコンデンサ
2. 2に相当する方式もある。これらは高い給電効

光線給電方式

率を簡素に実用化できるが、数cm以下のご

このように無線給電方式は様々にあるが課く近接の給電に制約されるため、結合方式や題や制約が多い。そこで光無線給電（optical

コネクタレス方式といわれる。なお、これら

wireless power transmission：OWPT）が魅力的方式に共鳴（共振）特性を適用して給電距離である 1-3）。光ビームを利用する本方式は電を10倍ほどまで拡大する方式が2007年に発明

磁波を用いる放射方式の一つだが、光はマイされ、無線給電への注目の起点といわれていクロ波より5桁以上短い波長のため回折が小る 。ただし、それでも数mといった距離にさく、小型でも高効率に長距離給電が可能とは対応ができない。より長距離に給電可能ないえる。また、光源デバイスや受光デバイス

方式として、マイクロ波ビームを用いる放射は直流動作であり、数100THzという光の高方式がある。マイクロ波は遠方まで伝搬する

い周波数も機器へのノイズとならないため、が、波長の長さから小型アンテナではビームEMIが発生しない。これらの特徴から多くのの広がりである回折が大きいため、効率的な機器を無線給電化できるといえ、新しい機器

利用範囲は10 mほどまでといえる。なお、こや新しい応用を広げる基盤になる方式と考えれらの既存の無線給電方式では交流・高周波られる。表1に各種の給電方式の特徴をまとを利用することから、周辺の機器などへの電

めた。

4）

磁ノイズ干渉（EMI）の懸念があり、応用が

表1
給電方式
有

各種の給電方式の比較（著者の私見）設置負荷 遠隔動作 移動対応

電力量

効率

電磁
ノイズ

サイズ
重量

線

×

○

×

◎

◎

○

△

バ

ッ

テ

リ

△

○

◎

△

○

○

×

環

境

発

電

◎

◎

○

×

△

◎

△

電 磁 誘 導、
電 界 方 式

○

×

△

◎

◎

×

○

電 界・磁 界無 線 共 鳴 方 式

○

△

△

◎

◎

×

○

マイクロ波

◎

○

◎

○

△

×

○

光

◎

◎

◎

○

○

◎

◎

2

2022年2月

3. 光無線給電は新しい方式か？

第818号に基づく本分野の文献数の推移を示す。この

光無線給電はレーザなどのビーム光源と光

分野はデバイスからシステム・応用まで広く

電変換デバイスを利用する。光電変換デバイ

関わるが、2010年代前半まで10〜30件/年程スはその原理やデバイスがいわゆる太陽電池

度の文献数であった。同様な調査で「無線給であるため、本稿では太陽電池と呼ぶ。両デ電」は直近で6千件/年、「環境発電」や「IoT」

バイスは1950-60年代に発明されており、こは2万件/年であり、「光無線給電」はこれられを受けて1970年ころには光無線給電のコンの1/100や1/1000のごく少数の取組であった。

。つまり、この

なお、光無線給電も最近数年で100件/年を超方式は決して最近に提案されたものではな

え始めており、先の他の分野も100件/年を超い。

えてから5〜10年間で10倍以上に文献数が増

セプトが提示されている

6、7）

加していることから、光無線給電も研究開発

はこれまで多くない。図2に関連キーワードの活性化のしきい値に達したと考えている。

170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

1968
1970
1972
1974
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022

文献数

一方で本方式に関わる研究開発の取り組み

図2

光無線給電の文献数推移

4. 光無線給電の応用範囲概要
光無線給電はどのような機器や応用に利用革新による多様なイノベーションを期待できる。

できるのであろうか。光源の光出力として準図3に応用分野をグループ分けした。IoTセ

備 可 能 な mW か ら kW の 電 力 範 囲 が、ま た、ンサー端末のようなmWやW以下の超小型機

ビーム光が到達可能なcmからkmの距離範囲

器、スマートフォンのような携帯端末やコンが応用範囲といえる。つまり、微小なセンサー

ピュータなどの情報端末、また玩具などの数端末から持ち歩く携帯端末、ドローンのよう

10W程度までの機器、さらに数10WからkWに自由に動き回る機器はもちろん、通常は固程度までを利用する民生機器を含む中・大型

定して利用してきた機器はもちろん、テーブの機器、および電気自動車（EV）、ロボット

ルや棚など現時点で電気を利用していない機などの移動体（モビリティ）への応用も期待器などへも、高度な機能や移動の機能を付与される。これらへの適用が進むと、機器へのできるポテンシャルがある。光無線給電にも給電配線がなくなり、充電作業も必要がなく

後述のように課題はあるが、すべての機器がなるので、機器が電力を利用しているという応用の対象といえる。無線という給電方式の意識さえ消え去るかもしれない。なお、多く
3

トピックスは機器への給電を想定するが、機器内の特に5. 光無線給電のシステム構成と機能要素

回転機構や移動機構など、配線に課題がある

5. 1

機器応用も期待される 。

システムの概要

本節では、光無線給電のシステムの概要と

8）

これらの応用範囲は既存の無線給電方式でこれを構成する機能要素について概説する。

も検討されている。機器の多くはどこかに設

光無線給電はビーム光源と太陽電池を基本置したり、移動体も床上や路面上を移動するとするが、実際のシステムには図4のようにものが多い。この場合はごく短距離の既存の様々な機能要素が必要である。給電対象機器

無線給電も利用できるが、必要な給電側の設の検知・追跡、対象機器の方向に光ビームを備の数から光無線給電が有利といえる。ま向けるビーム走査、効率的な光の照射のためた、空中を移動するドローンや水中を移動すの光ビームの形状などの制御、また、機器側る水中ドローンなどの移動体は3次元的に移の給電量把握や給電状態の制御のための通信動する。宇宙空間なども類似である。これらなどが、多くの光無線給電システムに必要とはその移動の自由度から遠隔の無線給電が必考えている。さらに、光ビームの不適切な照須であり、光無線給電がもっとも有効な方式

射を避ける安全技術、複数の光源や複数の端と考えられている 。

末を連携させる高機能化技術などもシステム

9）

機器への応用以外に、いわゆる給電インフ構成として必要である。

ラ自身への利用も期待できる。光無線給電の効率から常用のインフラへの適用は制約されると考えるが、災害時のなどの一時的な電力

光源不足の解消のための送電などに有効と考えビーム走査る。また宇宙では重量物となる配線の輸送も制約されるため、機器内、機器間や基地間な

ビーム制御

ビーム制御

対象検知

どの地上であれば配線を用いる場合に光無線給電が利用可能と考えられる。さらに、いわ通信

ゆる宇宙太陽光発電における地上への給電に

図4

太陽電池

高機能
安全

機器

通信

光無線給電のシステム構成も利用が検討されている 。
10）

なお、実際のシステム構成や必要な機能要素は応用により大きく異なる。固定した光源
超小型機器 （mW）

小型機器 （W）

から固定した機器へ、固定した光源から移動

体内埋込用
IoTセンサー
IoTタグ，IoTビーコン
装置内給電．．．

携帯端末，PC
小型民生機器
玩具
装置内給電．．．

する機器へ、移動する光源から固定した機器

中・大型機器 （kW）
大型民生機器
産業機器
小型ロボット小型ドローン．．．

モビリティ （kW）

OWPT

送電インフラ
（kW-MW-GW）

図3
4

AGV，ロボット
超小型EV，EV
商用ドローン
水中ドローン．．．

災害時・一時的送電
月面・惑星ベース間送電
宇宙太陽光発電．．．

光無線給電の応用範囲

へ、移動する光源から移動する機器へなど、多様な組み合わせが想定される。電力量や給電距離、移動速度なども応用により大きく異なり、それぞれの応用により、どのような仕組みや構成がどのような特性で必要となるか、まさに検討が始まった段階と考えている。
一方で、利用する多様な機能要素は、身の2022年2月

第818号

回りの機器や技術を見ればわかるように、そればシステムサイズは大型だがkWを超えるのほとんどは既存のデバイスや技術を転用す

シングルモード光出力が実用されている。まることが可能といえる。つまり、光無線給電

た、宇宙太陽光発電などではシングルモード

は実現性の高い技術方式といえる。

ビームを光増幅して高出力化することが考えられている。いずれにせよ、光出力（給電量）

5. 2

機能要素－光源と給電距離、システムの複雑性がトレードオ

光無線給電において、大電力を利用するにフの関係にあり、応用に応じた構成が必要とは高出力な光源が必要となる。幸いこの光出なる。なお、ビーム品質の悪いマルチモード

力は、レーザ照明やレーザ加工などの高出力でも数倍のビーム広がり角である。このため

光ビームの応用分野が広がっており、これを100m程度までの距離ではマルチモードでも転用できる。1mm角ほどの微小な半導体レー十分小さな受電サイズが可能といえる。な

ザでも単一チップで数Wが得られ、そのアレ

お、実際の長距離のビーム伝搬では空気中のイ型チップで数10W、多数のチップを組み合損失や擾乱などが伝送特性に大きく影響す

わせた高出力レーザ装置ではkWや数10kWがる。

実用されている。つまり、後述の受電側の効給電効率に関係する光源の電気光変換効率率を考慮してもkWクラスの給電までは実現について、図5に各種の波長の半導体レーザ

可能な状況である。実際に光無線給電の高出とLEDの効率を示す。半導体レーザでは波長

力 の 事 例 と し て、75W（JAXA）（PowerLight Technology社）

12）

11）

や 400Wなどがある。

光ビームの長距離への伝送は光源出力と密接に関係する。レーザビームは概念的には非0.8-1.1μmで75%近い効率が報告されており、将来的に80%超も期待される。現在の市

14）

販レベルでも広い波長範囲で40%超となっている。

常に細いビームを長距離に伝搬できるイメー

1ジであるが、実際には光も回折現象のためは、伝搬路損失がなくてもビーム広がりによりすべての光を受光できず、給電量や給電効率が大きく低下する要因となる。これは大型の受光装置を利用すれば解決可能だが、通常は機器に応じた受光サイズとなる。長距離伝送には狭いビーム広がり角が可能なシングル
モードという高品質なビーム特性が必要となる。シングルモードビームをレンズにより直径10cm程度に拡大すれば、1kmの伝送でも数

Wall plug e ciency

ビーム広がりがある。特に長距離の給電で

LD
VCSEL
LED

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

00

図5

.5

11

Wavelength ( m).52半導体レーザとLEDの効率の報告値の例

10cmのサイズに広がる程度である 13）。ただし、単体の半導体レーザのシングルモード光

長距離に有効なファイバレーザの効率は、

出力は数W程度が上限となっている。複数の半導体レーザ光により励起して新たにレーザレーザを組み合わせると通常はシングルモー

光を発生するため半導体レーザ自身より低下

ドにならない。なお、ファイバレーザを用いするが、30-50%程度も達成可能である。また、
5

トピックス

近年LEDの効率は半導体レーザ並みになって

GaAsが利用されている。しかし、任意波長いる。太陽電池への照射ではLEDも単色光との単色光の照射を前提にすると、原理的にはして扱え、光出力もチップ面積当たりでは半より短波長を吸収端波長とする太陽電池の効導体レーザと遜色ない。ただし、本質的に全率が高くなる。つまり青色や紫外用太陽電池

方位に光出射するLEDはビーム特性のみが（受光素子）が実現できると効率は最大80%レーザに比べて光無線給電への応用上の課題

超も期待されている。これまで短波長向け太となる。ただし、レーザの安全性に関する規

陽電池の取組はほとんど行われていなかっ制も考慮すると、LEDも比較的短距離向けでた、ごく最近に光無線給電向けに短波長用とは重要な光源になると考えている。

してGaN系材料の検討が行われ、42.7%の効率が報告された17）。

5. 3

機能要素－太陽電池

通常の太陽電池は、太陽光の照射では広い

なお、波長整合の必要性から太陽電池は光スペクトルのために20%程度の光電変換効率

源と一体に高性能化が必要である。現時点でである。しかし、図6のように、太陽電池のは近赤外の光源と太陽電池の特性が最も優れバンドギャップ（吸収端）に近い波長の単色る。短波長化は上述のように原理特性から今光を照射すると、2倍ほどの効率で動作が可後の進展が強く求められる。一方、長波長の能となる。さらに太陽電池は光強度密度を増

波長1.5μm帯は目に安全なアイセーフ帯で重加すると効率が増加する。このため太陽光の要である。また光ビームによる給電は非可視

100倍近い強度の単色光で、Siを利用した単のビームだけでなく、安全面から視認が可能

色向けの太陽電池で40%以上 、また、GaAs

な可視が有効という考えもある。このようにを利用した単色向けの太陽電池で最大68.9%

様々な応用や状況により、様々な波長帯の光の効率が報告されている 。なお、一般的な源と太陽電池の両方の高性能化が必要であろ

太陽電池は、太陽光スペクトルを前提に吸収

う。

15）

16）

端 波 長 を 近 赤 外（0.8-1.0 μ m）と す る Si や太陽電池にはもう1つ考慮が必要な点がある。太陽電池の効率はそのモジュール構成と1.0

光ビームの照射パターンが大きく影響する。

d=1 m
d=1m

0.9

SiやGaAsの太陽電池は、単体セルの出力電

0.8Efficiency

0.7

圧が0.5-0.9 Vと低く電圧変換回路などの効率3.0 (~100sun)

が高めにくいことから、複数セルを面的に並0.6

べて直列接続して出力電圧を高める。この場

0.5

0.03A/cm2(~1sun)

0.4
0.3
0.2

に不均一強度のビームを照射すると、電力取Under sunlight

0.1
0合、電流連続の考えから太陽電池モジュール

00.5

出しの効率が大きく低下し、特に光照射のな
1.0

1.5

2.0

Wavelength (µm)

図6 単色光に適した吸収端をもつ太陽電池への単色光照射時の効率の理論曲線と報告値の例。
楕円は太陽光照射の特性。

6

いセルがあると他のセルに高強度の光が照射されても電力が取り出せない。このため光ビームを太陽電池モジュール全体に均一強度で照射し、さらにモジュールからの光漏れがない照射が必要となる。これにはいくつかの

2022年2月

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方策が検討されており、著者らはビーム照射

だが、PDは電流（量子）効率と応答速度のの位置ずれ耐性などの特徴も得られるフライ

バランスをとった設計となっており、電力効

アイレンズ系の適用を提案している 。フラ率に最適化されていないことに注意が必要でイアイレンズとはレンズアレイであり、図7ある。このほか光レクテナというマイクロ波のようなレンズのセットとして構成する。1

無線給電で利用するデバイスに相当する仕組

つまたは複数のビームでも、フライアイレン

みも検討されているが20）、光周波数の高さかズ系によるビームの空間分割とその重ね合わら効率を議論する段階に至っていない。

18）

せという機能により、原理的には損失なく、照射ビーム位置にもよらず、矩形で高い均一性のビームが得られる。

5. 4

光無線給電の給電効率

給電効率は光無線給電の重要な性能指標でなお、同一吸収層をもつ多接合型構造やある。入力電力から出力電力の本来の給電効

19）、短波長用の太陽電池が実現されれば数V率のほか、光出力から出力電力、伝搬路損失程度の出力電圧が得られるため直列接続が不を除いた考えなど、全体の構成により様々な要になる。これらの利用では、大きな太陽電効率が議論されるが、光源効率と太陽電池効池モジュールが必要な場合でも各セルを並列率の積が本来の給電効率の上限になる。現状に接続すればよく、結果的に光ビームの均一の市販デバイスとして各効率40%を仮定する

照射が不要になる。このように太陽電池や光と給電効率は16%となる。実際には光学系やビームは応用や適用デバイスにより構成が変伝搬損失、ビーム受光効率などにより給電効わる。

率は数−数10%ほど低下する。このため実験
レ ベ ル の 評 価 で は 10% 前 後 の 効 率 に な る。

太陽電池の代わりのデバイスの議論もあ100%近い有線や90%以上も可能な電磁誘導る。特にフォトダイオード（PD）の利用もに比べると効率は非常に低く、光無線給電の議論されるが、本質的には半導体pn接合なの重要な課題といえる。ただし、無線であるこで太陽電池と同じである。太陽電池は電力効と、回折が小さく短距離から長距離まで小型率、つまり出力電流と出力電圧の両方が重要

で も 効 率 変 化 が 少 な い な ど の 特 徴 が あ り、コリメートレンズ

h

f

F
X

レーザ

太陽電池面
フライアイレンズ

図7

結像レンズ

フライアイレンズ系による矩形均一強度ビームの生成原理（上）と動作デモ例（下）。
7トピックス

これらの機能性に注目することが重要であろ全技術などにも活用することになる25）。画像う。

認識技術や深層学習などを活用することで高現時点の構成では上記程度の給電効率とな度かつ高精度な安全システムが可能になるとるが、報告されている両デバイスの最高効率考えているが、やはり光無線給電の特徴や利は 半 導 体 レ ー ザ は75%を 超 え、太 陽 電 池 も用条件に応じた最適化などが重要である。

70%近い。これらを利用すれば給電効率の上限は50%を超える。さらに将来的にそれぞれ

6. 光無線給電システムの最新動向と応用事例が80%になれば給電効率64%が期待される。

これまでに述べたように光無線給電は多様

これらの将来的な効率も電磁誘導に比べればな応用に適用可能である。基盤技術として要決して高いとは言えないが、多くの応用が可素技術や基本的なシステムの研究開発が進め能であろう。このような高効率に向けた光源

られる一方で、具体的な応用に向けた研究開や太陽電池、光学系などの改善が重要である。

発も進められている。ここでは後者の視点から事例を紹介する。

5. 5

このほかの機能要素

すでに述べたように、光源と太陽電池以外

6. 1

体内埋込端末にも、機器の位置・距離・回転などに応じて体内埋込機器は配線による充電が困難なたビーム形状・ビームサイズ・ビームの焦点位

め光無線給電が検討されている。心臓のペー置などを制御するビーム形状制御、また、ビー

スメーカ向けを想定した仮想皮膚下に設置しムの方向走査など、光学系に関わる機能が必た太陽電池への充電や26）、光神経刺激用に最要である。ただし、これらも基本的には既存

終的に脳に埋め込むことを想定した1mm角の光学系技術を活用できると考えている。

ほどの微小チップへの光による無線給電 27）

また、ビーム走査には給電対象の検知・認などが報告されている。このほかにも細胞温識・追跡といった機能も必要である。カメラ

度センサー 28）などの極微小デバイスへの給画像や3Dカメラのように距離情報も得られ電として検討されている。

る様々な方式が光無線給電向けに検討されている 21-24）。また、これに組み合わせる画像認

6. 2

IoT小型端末

識に深層学習なども適用されているが、これ数cm角ほどが想定されるセンサー、タグ、らは近年非常に低コストに実現可能なため、ビーコンといった小型IoT端末は、IoTのコン

光無線給電への注目の1つの側面ともいえる。

セプトからも膨大な端末数の設置が期待され

なお、長距離への給電や高速移動する機器へる。この場合、配線やコネクタ接続によるバッの給電を考えると、対象認識技術とビーム走

テリーの充電は大きな導入の負荷になる。光査には非常に高い精度や高速な動作が求めら無線給電により遠隔から充電が可能になればれる。すでに述べたように、これらの機能要作業負荷が抑制される。著者らは固定設置さ素の多くは既存技術を適用できるが光無線給れた走査型光源から複数端末に順次光無線給電向けに最適化や特化した技術の研究開発が電する構成や29）、図8のように作業者やロボッ重要である。

ト、ドローンなどに搭載した懐中電灯のよう

なお、対象認識技術などは光ビームの人やな光源から遠隔に充電する構成について検討

対象以外の物体への不要な照射を抑制する安している30）。これらは現時点で利用が望まれ

8

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600

electricityo utput (mW)

500

532
400

380
300

316

200

268

224

100

131

0

2018

図8

IoT端末の手持ち型光源による遠隔充電のイメージ

2019

2020

2020

2020

2021

図9

IoT端末のLED利用の手持ち型光源による出力電力の改善

図10

複数光源の連携による光無線給電の高度化ことも踏まえ、安全面で有利なLEDを光源システムとして検討を進めており、図9のように手持ちサイズ用の構成ではLED光源により1mの距離で5cm角の太陽電池から500mW以上の電力が達成可能とした31）。これは真夏の
太陽光による太陽電池出力と同等以上に相当
する。
6. 3

情報端末、家電製品

情報端末や家電製品への無線給電はその高い需要から実現が望まれる。仕組みとしては
IoT端末向けと類似といえるが、機器の種類が多く、機器の位置も頻繁に移動するなど、給電の仕組みとしてはより多様な対応が必要である。
また、人など への不適 切な照射の抑 制とこのほかに数W程度までの情報端末や玩具

いった安全面への対応だけでなく、光無線給などに向けた光無線給電が、イスラエルのベ

電の課題の一つといえる対象以外の物体によ

ンチャー企業のWi-Charge社より製品レベル

る光ビームの遮蔽への対策も必要になる。すで開発されている33）。また、米国ベンチャー

でに述べた高度なセンシングや複数光源の連のPHION Technologies社は三菱地所と提携し係制御などが必要になると考えている。著者てビル内の端末への光無線給電の実証試験を

らは図9のように光源のそれぞれに3Dカメラ

行うことを発表した34）。すでに述べた多様なを搭載し、対象までの距離などにより光源を機能を、安全面なども含めて高度に実現する選択して給電を制御する方式を検討しているには課題も多いと考えられるが、具体的な実。

32）用化の取り組み開始され始めた。
9

トピックス

なお、給電という機能に加え、特に民生用

電時間、また充電スポットへの移動は機器

途では機器に搭載した黒色の太陽電池が意匠の稼働率を大きく抑制する。インフラとしの点で課題になると考えられる。著者らは、ての給電設備の準備は必要だが、インフラ

光無線給電が単色光を利用することから、給は共有設備のためコストへの影響を抑制で電用の波長のみを透過して、他の波長帯を色き、また、機器の稼働時間の制約がなくななどの意匠制御に利用することを提案し、波るといった利点から、光無線給電による走長フィルタや散乱光制御について検討してい行中給電への転換は将来の社会の構築としる 。

て有効であろう。

35）

実際の地上走行型機器への走行中給電の
6. 4

地上走行機器への走行中給電

取り組みは、簡易な展示用デモンストレー

より大電力の機器となるモビリティへの光

ションはいくつかあるものの、明瞭な検討

無線給電が有望である。モビリティはバッテを進めた事例があまりない。著者らは、光リー搭載やその充電が課題だが、移動中給電

ビームの直線性や小さな広がりを利用して、によりこの課題を根本的に解決できる。ただ移動体の移動軸の後（前）から光無線給電

し、光無線給電による移動中給電の事例はますることを提案している。これにより給電だ少なく、その多くは基本動作の確認程度のインフラ設備数を大きく抑制できる。実物段階である。次節で飛行中給電について示の自動車などによる検証には至っていない

し、本節では地上走行型機器の走行中給電のが、図11のように玩具（ミニ四駆）に太陽電事例を説明する。

池を搭載して連続走行に向けた検討を進め

地上走行型機器には、電気自動車、ロボッている。光の非照射区間も走行するためにト、AGVなどがある。これらは自動運転を

1.5F程度のキャパシタをバッテリーに見立て利用した無停止・連続稼働が求められるとて搭載している。図12では2つの直線路のそ考えている。バッテリーへの充電作業や充れぞれに光ビームを準備し、片方は光出力

VCSEL@20W
Car

VCSEL@0~40W

図11 太陽電池を搭載した玩具自動車。
光ビーム形状への整合のため斜めに設置している。

10

図12

超小型自動車の走行中光無線給電デモ

2022年2月

第818号

20W、もう一方は最大40 Wを照射した。充

行中給電や、重量1kgほどの比較的大きなド電したキャパシタのみでは2周ほどの走行だ

ローン（マルチコプター型）の500Wクラス

が、2つの光ビームによりではさらに2周ほどのレーザーによる飛行中給電で数10分間の連走行した 。連続的な走行には光出力の増加

続飛行を実証している38）。この実証ではカメや光利用率の改善が必要であるが、近く達ラも搭載し、災害時の長時間の現場観測など

成できると考えている。

を想定したものであり、現時点でも非常に高36）

なお、実際の電気自動車への適用は容易と度なシステムや取り組みといえる 39）。一方、いえないが、重量やサイズなどに応じたシ

米 国 の ベ ン チ ャ ー 企 業 の PowerLight

ステム特性のスケール則（1次近似）を考えTechnology 社（当 時 は Laser Motive 社）がれば数kWの光出力という現存するレーザ光Ascending Technologies社とともに2010年ころ源の利用で動作は達成できると想定していより数10cmサイズのドローン（マルチコプ

る。

ター型）の飛行中光無線給電をデモし40）、12
時間ほどの長時間の連続飛行を実証している

6. 5

飛行体への飛行中給電。

41）

移動体への移動中給電としては、地上走行

著者らも、近年の超小型のドローン（マル型機器よりも飛行体への取り組みが先行してチコプター型）の機能性が高まっていることいる。すでに述べたように、移動の自由度のを踏まえ、超小型ドローンの連続飛行を実現

高い飛行体への飛行中給電は光無線給電が最

す べ く 検 討 を 進 め て い る。図 13 の よ う に、も有効なためである。ただし、それでも報告

100g程度の超小型ドローンでも数W以上の消例は動作の簡易な検証の段階である。

費電力であり、光出力には数10Wが必要であ最初の報告例は、2003年にNASAが模型飛る。実際に図14のように超小型ドローン（利行機への適用をデモしている 。また、2000

用したのは玩具）を20-30Wの光出力により連

年代後半には、近畿大がカイトプレーンの飛続浮遊するといった検証を進めている42、43）。

37）

Power Consumption (W)

100

Drone

10

10 W/100 g
1

10

図13

100

Weight (g)

小型、超小型ドローンの重量と消費電力の例

Laser

1000

図14

超小型ドローンの飛行中（浮遊中）
光無線給電デモ11

トピックス

超小型では、サイズや重量の制約があるも

6. 7

高出力、長距離の光無線給電のの、光源出力は対応しやすい。一方で、比高出力、長距離は光無線給電の本質的な特較的大型のドローンへの飛行中光無線給電

徴となるが、実際の検討事例はあまり多くな

は、走行中光無線給電と同様に実用レベルへい。

の展開にはより高出力として10倍、100倍の宇宙応用を見据えた取り組みは、国内では光出力が必要であり容易ではないが、先述のJAXAにおいて、宇宙太陽光発電や月面上へようにすでに10年以上前に実証されているよの応用などを想定し、800mの長距離の光無

うに、要素技術やシステム化は可能であり、線給電の地上実験を最近報告している46）。ま

より実用に向けたシステム構築により社会実

た、先のようにPowerLight Technology社は動装も期待できる。

作実証として300m以上、400Wクラスの実験

なお、飛行中無線給電の場合も、光源シスを報告しており12）、この技術をもとに2021年

テムのインフラとしての整備が重要となる。

にスウェーデンのエリクソン社と提携し、携

特に任意場所への飛行に対応するには広域な帯基地局の無線稼働に向けた取り組みを報告

インフラ整備が必要である。だたし、上空へしている47）。なお、PowerLight Technology社の滞空でもセンシングや中継基地局など様々

も宇宙応用などを見据えていると考えられ、な活用が期待されている。後者の場合は比較

創エネや宇宙開発に関わる国家レベルの取り的簡素なシステム化で実現が可能であろう。

組みが活発化し始めたと考えている。

6. 6

7. まとめ

水中への光無線給電

水中は吸収が大きいため電波がほとんど通光無線給電の原理、特徴、課題、また、著らない。このため水中の無線技術はこれまで者らの取り組みを中心に最新の成果や動向を音波利用が基本であり、無線給電という考え解説した。光無線給電は既存の無線給電に対はほとんど存在しなかった。ただし、光は特して多くの利点があり有望な方式といえる。

に青色や緑色の短波長帯では数10mほどまで

ただし、効率や安全性の確保など技術的にも伝搬可能であり、この波長帯の高出力レーザ

また社会実装上も多くの課題がある。研究開も現在は容易に利用可能になった。このため発の取り組みはその応用範囲に比べてまだま

水中の光無線給電が注目され始めている。

だ極めて少ないといえるため、本分野へのよ

著者らは、水中における光無線給電の基礎的システムの構築

44）や、水上と水中の間に光ビームを通す光無線給電45）などを検討している。前者は、水流などで機器間の位置変り多くの研究開発者の参画を期待している。
本分野の進展により、新しい機器や新しい応用など広くイノベーションにつながるであろう。

動が生じやすい場合でも給電を安定化させる
ためフライアイレンズ系の適用性を検討して謝辞いる。また後者は水面の波がビームを大きく

本稿で紹介した著者の研究については、卒散乱させ、また時間的なビームパターン変動

業生を含む研究室学生の多大な努力により得を生じさせるため、これらの基礎的な影響評られたものである。ここで改めて感謝する。

価などを進めている。

また、ツルギフォトニクス財団、フジクラ財団、高橋産業経済研究財団などの研究助成

122022年2月

第818号

や、企業との共同研究による研究の進展も多中給電に関する技術マップの整理, NEDO

い。多様な取り組みにご協力いただいた皆様

成果報告書, P12004, 2019.
10. JAXA, 宇宙太陽光発電システム（SSPS）に感謝申し上げる。

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High efficiency operation of 9xx-nm broad

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area laser diode and its cavity length

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Improved13

トピックス

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powerlight-achieve-base-station-wireless-

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