小 特 集 の 発 行 に あ たって

編集チームリーダ

湯田泰明

Yasuaki Yuda

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送
最近，通信技術の発展によりあらゆる情報端末がネットワークに接続する社会が到来すると話題となっている．情報端末であるため電力が必要となるが，全ての端末を電源に接続するのは厄介である．そこで注目されるのが無線（ワイヤレス）での電力供給である．また，気候変動などの環境問題に対する方策の一つとして，二酸化炭素などの排ガスを出さない電気自動車の普及がこれまで以上に求められる時代となってきている．電気自動車の充電にも，充電プラグを接続することなくワイヤレスで充電できれば使いやすさが増すと期待される．ましてや移動しながらでも給電できるようになれば飛躍的な利便性の向上と言えよう．このように，電源への接続を必要としないワイヤレスでの電力給電，電力伝送が，これからの社会の実現に向けて大いに注目を集めている．
ワイヤレスでの電力伝送は，実は歴史が古い．1890 年代終盤にニコラ・テスラが無線での電力伝送を考案していたことが知られている．これは，同じく無線を使った通信の実験が，マルコーニによりなされた時期と近い時期である．ワイヤレス電力伝送は，その当時はうまく発展できなかった．一方で無線通信は成功し，その後大いに発展して，今や社会に欠かせない重要な基盤となった．ワイヤレス電力伝送は，無線通信に遅れること 100 年ほどたち，近年，目覚ましい技術革新がなされ大きく発展するときが来ている．ワイヤレス
電力伝送技術は，通信技術とともに将来社会を支える重要な基盤技術として位置付けられるようになってきた．
本小特集は，ワイヤレス電力伝送について，専門家の方々に分かりやすく解説頂き，最新技術ついて論じて頂く．まず，技術的，政策的な概要を解説頂き，次に，ワイヤレス電力伝送における高周波回路理論を論じて頂く．そして，ワイヤレス電力伝送の最新の技術研究として，共振結合方式のワイヤレス電力伝送における回路要素である可変リアクタに関する研究，マイクロ波空間伝送方式のワイヤレス電力伝送におけるIoT 端末向けの屋内伝送の研究，またドローンなどの移動物体への給電や長距離電力伝送といった屋外伝送の研究について，それぞれ論じて頂く．更に，ワイヤレス電力伝送における電波放射の人体への影響について解説頂く．この先，情報通信の進歩と合わせて発展が期待されるワイヤレス電力伝送について，多くの読者に読んで頂ければうれしい限りである．また，本号では，「子どもに教えたい通信のしくみ」のコーナーでも，スマートフォンなどの無線給電として使われているワイヤレス充電の仕組みについて解説されているので，併せて読んで頂きたい．
最後に，本小特集に御執筆頂いた著者の皆様には，大変興味深い記事，論文を御執筆頂き心から感謝申し上げます．

小特集編集チーム
湯田泰明，井上和弘，後藤 薫，
坂野寿和，佐藤陽一，瀧川道生ⓒ電子情報通信学会 2021

EV

ジュニア会員向けページ

ワイヤレス充電（ワイヤレス給電）のしくみ
名古屋工業大学

平山

裕

Hiroshi Hirayama

れが時間変動すると，受電側コイルに誘導電圧が発生し1. まえがきます．この電圧により負荷抵抗（給電対象）に電流が流「夢の技術」と言われた「ワイヤレス給電」技術も，れ，電力が供給されます．

スマートフォンにワイヤレス充電機能が搭載されるようになり，身近になってきました．本稿では，スマート3. Qi 規格

フォンに搭載されている「Qi」のしくみについて概観
します．

Qi 規格も，電力伝送のしくみは電磁誘導です．従来

一方，コネクタを差さずに充電できる利便性はあっての機器は，送電側と受電側を特定の組合せで使用するこも，充電パッドに載せなければ充電できないことを不便とを前提としています．これに対し Qi 規格は充電器とに思っている読者も多いことでしょう．そこで，現状の被充電デバイスの組合せを気にせずに使えるようにした方式の限界について説明した後，その限界を打開する技

ものです．Qi は「チー」と発音し，中国語の「気」が術についても説明します．

語源です．当初の Qi 規格では 100 kHz から 200 kHz
程度の周波数を用い，5 mm の距離で 5 W の電力伝送をサポートしています．現在では 15 W のものも規格2. 電磁誘導化され市販されています．

ワイヤレス給電はこれまでにも電動歯ブラシやコード
レスフォンで広く実用化されています．これらの機器で4. 電磁誘導の限界

空間を超えて電力を伝送する基本的な原理は，電磁誘導（図１）です．送電側コイルに電流が流れると，アン送電側と受電側の距離 ( 伝送距離 ) が離れていくと，ペールの法則により，磁界（磁束）が発生します．この送電側のコイルが作る磁束のうちで受電側を貫く磁束が磁束の一部（実線矢印）が受電側コイルを貫き，かつそ

減り，受電側を貫かない磁束（「漏れ磁束」と呼ぶ）が送電側コイルを流れる
電流による磁束(受電側コイルに鎖交する）

送電側コイルを流れる
電流による磁束(受電側コイルに鎖交しない）

ファラデーの法則
磁束の時間変化
電界の空間変化

受電側コイル

交流電源

図１
通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

∂B
∂t

負荷抵抗

アンペールの法則
送電側コイル

4∇×E = −

磁界の空間変化電流∇×H = J

電磁誘導の原理ⓒ電子情報通信学会 2021

電力の流れ
直流 or
商用電源

整合回路・力率補償回路
電力増幅器・
高調波処理回路
インバータ
トランジスタ・ＦＥＴ
インダクタ・キャパシタ
周波数変換
整流回路

負荷
ダイオード

図２

結合器
コイル・アンテナ

基本波インピーダンス変換
高調波インピーダンス変換
整合回路・力率補償回路
高調波処理回路

電磁結合
結合器
コイル・アンテナ

インダクタ・キャパシタ

ワイヤレス給電の回路ブロックとその機能増加します．これは，「結合係数」の低下とも説明でき

インバータ回路（原理）

ます．この結果，受電電圧が減少し，受電電力・伝送効率も低下します．
皆さんは，「送電側の出す電磁波のうち，受電側が受け取る電磁波が少なくなるから伝送効率が低下する」と

直流

電流の
向き

S2

S1

S1・S4 を閉じた時考えるかもしれません．しかし，電磁誘導方式において

交流

は，それは次の二つの理由により正確ではありません．

S3

第 1 に，コイルの導体抵抗を無視するならば，伝送

S4

S2・S3 を閉じた時距離が大きくなり受電電力が減っても，伝送効率は理論
的には常に 100% です．なぜなら，負荷での受電電力は減るものの，電源から供給される有効電力も減ってい

図３

スイッチングにより直流を交流に変換するしくみ

るため，その比率としての伝送効率は 100% のままです．実際にはコイルの導体抵抗が無視できませんので，給電システムの重要なデバイスですが，これだけではワ

伝送距離が離れていくとコイルで熱になる電力の割合がイヤレス給電は実現できません．電磁誘導方式でも，次増加し，伝送効率が低下します．

節に述べるほかの方式でも，電磁結合機能のほかに周波第 2 に，コイルの大きさが波長に対して極めて小さ

数変換・インピーダンス変換の機能が必要です（図 2）．

いため，電磁波として放射される電力はほとんどありま
せん．電磁波として放射する「遠方界」を使用するので【周波数変換】電力が空間を伝わるためには時間変化

はなく，電磁界として存在する「近傍界」を使用していする電界・磁界が必要です．そのため，送電側では直流るのが電磁誘導方式なのです．

等の電源から交流を発生させるインバータや電力増幅

伝送距離の増大による伝送効率の低下は，以下のよう器，受電側では交流を直流に戻す整流器が必要です．

にも説明できます．伝送距離が増大すると，漏れ磁束がインバータで直流を交流に変換する原理を図 3 に示増え，無効電力が増えます．無効電力は送電側コイルのします．この例では 4 個のスイッチを使ってコイルに

周囲に磁気エネルギーとして蓄積される電力に対応しま

流れる電流の向きを切換えています．1 秒間当りにス

す．無効電力であっても電流を流す必要があるので，コイッチを切り換える回数が，そのまま交流の周波数とな

イルの導体抵抗によって熱損失が発生します．これを抑ります．

制するためにキャパシタによる力率補償を行っているのここで主役となる部品は，スイッチとして使われるトですが，それでも伝送距離の増加や，特に横方向の位置

ランジスタや FET などの半導体です．青色 LED に使わずれに対しては著しく伝送効率が低下します．

れる窒化ガリウム (GaN) が，ワイヤレス給電の効率を高めるデバイスとして期待されています．

5. ワイヤレス給電のシステム
コイルやアンテナ（「結合器」）はもちろんワイヤレス【インピーダンス変換】電力を効率良く伝送にするには「インピーダンス変換」が必要となります．使用する
子どもに教えたい通信のしくみ

ワイヤレス充電（ワイヤレス給電）のしくみ

5ジュニア会員向けページ
周波数（基本波）において，伝送効率が高くなるように

電磁気学・電磁波工学・環境電磁工学・パワーエレクト

回路間や機器を整合させ電圧と電流の比率を変換しま

ロニス・マイクロ波技術・半導体技術など，複数の学す．無効電力の低減のための力率補償もインピーダンス

問・技術領域にまたがる知見を集結する必要がありま

虚部の変換といえます．

す．更に，安心して使用するためには人体への安全性，

周波数変換の際には，基本波の整数倍の周波数の電ほかの電波利用システムへの干渉，ほかの電子システム

圧・電流が発生します．これを「高調波」と呼びます．

への誤動作の問題を解決する必要があります．その上，スイッチングデバイスでの電力損失を抑制するために電波を扱うシステムであるため，各国の法律や規制に適は，高調波のインピーダンス制御が必要になります．不合する必要があります．ビジネスとして展開するために要放射の低減のためにも高調波インピーダンス制御が必

は標準化も重要です．

要です．

このような課題を乗り越え，将来的には，「今ある給電ケーブルを無線化する」のではなく，「ワイヤレス給6. ワイヤレス給電の方式

電を前提とした」アプリケーションが世の中を変えていくものと期待されます．

電磁誘導方式の限界を打ち破るために，様々な方式が検討されています．大別すると，電界や磁界を用いる近参考文献

傍界方式と，空間放射する電磁波を用いる遠方界方式が（1）RF ワ ー ル ド No.43, CQ 出 版 社 , 東 京，Aug.

あります．前者は伝送効率が高いものの伝送距離が短2018.

く，後者はその逆という特徴があるため，用途に応じて(2) 松室尭之 , 成末義哲 , 石野祥太郎 , 田中勇気 , 無線

使い分けていく必要があります．利用シーンからは，走電力伝送コンテストへの招待──ジュニア会員の挑

行中の車両に給電する方法，水中で電力伝送を行う方法

戦 求 む！── ,などが研究されています(1)．

信 学 誌，vol.103 no.8 pp.849-

855, Aug. 2020.

また，電子情報通信学会では，ワイヤレス給電によって走行する「ミニ四駆」の速さを競うなど，統一されたルールの下で様々な技術を競うコンテストを開催し，研究開発の活性化を図る取組みも行われています (2)．

7. むすびワイヤレス給電は，強い期待を集めながらも，まだ発展の途上にあります．実用化のためには，電気回路学・

6通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

平山

裕（正員）

2003 電通大大学院電気通信学研究科博士後期課程了．同年名工大・工・電気情報・
助手．2007 同大学・工・電気電子・助教，
2013 准教授，現在に至る．

解

説

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

Society 5.0 に貢献する
ワイヤレス電力伝送システム――実用化に向けた課題と取組み――
庄木裕樹

Hiroki Shoki ㈱東芝

利用範囲が拡大するワイヤレ
ス電力伝送技術Electric Vehicle）への充電用途のための WPT システ

既 に， 私 た ち の 周 り に は， ワ イ ヤ レ ス 電 力 伝 送

ブルレスの電源供給，移動するものに対する充電・給電（WPT：Wireless Power Transmission/Transfer， 以を実現するなど，ユーザに対して利便性をもたらしてく

降 WPT と表記する）技術が用いられているものが多い．

れるものであることから，今後は，図 1 に示すように，

電気屋さんに行けば，スマートフォン，電動歯ブラシ，

更に利用範囲が広まると考えられる．ここで，WPT 技

コードレスフォンなどに利用するワイヤレス充電・給電

術における大電力化，遠距離化，高効率化，高安全性が機器が容易に手に入る．また，一般には余り知られていポイントになる．また，自動運転，ロボット，ドローン

ないかもしれないが，工場内の自動搬送車両（AGV：など今後の社会に変革をもたらす移動体との相性が良い

Automatic Guided Vehicle）の充電用途にも既に実用特徴もある．

1

化さ れて いる．更に，近々には，電気自動車（EV：

図1

ムが商用化される見込みである．
WPT 技術は電気機器の全てに利用可能であり，ケー

本稿では，２. において未来社会における WPT 技術

既に実用化されている WPT 技術と今後の発展＊出典：使用した図・写真は次の文献・資料から引用．①産業競争力懇談会 2016 年度推進テーマ「ワイヤレス電力伝送の普及インフラシステム」最終報告書，②情報通信審議会ワイヤレス電力伝送作業班第 5 回資料 5-4-2，③ ITU-R 文
書 Annex 6 to Document 1A/260-E-0ⓒ電子情報通信学会 2021

解説

Society 5.0 に貢献するワイヤレス電力伝送システム――実用化に向けた課題と取組み――

7

解

説

Technology Reviews and Reportsの貢献について述べ，３. において複数の WPT 技術方イノベーション創造プログラム（SIP：Cross-ministerial

式 に つ い て 説 明 す る と と も に，2030 年 を 想 定 し たStrategic Innovation Promotion Program） の 第 2 期

WPT 技術の適用分野について説明する．また，４. で（2018 年度から 2022 年度までの 5 年間）の課題「IoEは，WPT 技術の実用化に必要な国内外での制度化の状（Internet of Energy）社会のエネルギーシステム」の中（3）
では，WPT システムの早期の社会実装に向けた検討（2），況について紹介する．

が進められており，WPT システム向けの高周波 GaN デ

2

ワイヤレス電力伝送技術による未来社会への貢献

WPT 技術の有効性は利便性だけではない．様々なメEV 走行中給電システム（6），ドローン用 WPT システム（7）の研究開発が行われている．

内閣府が提唱する Society 5.0（超スマート社会）（1）の3実現に向け，WPT 技術がどう貢献できるかという観点

WPT 技術は社会へ多くの便益を提供するものである

でまとめてみた．Society 5.0 社会での要求として，図が，幾つかの技術方式があり，伝送電力，電力伝送効

2 に示すように，①安心・安全で健康な社会への実現，率，電力伝送距離などの性能により使い分けがされてい②全てのる．技術の詳細については各々参考文献などを参考にしリットから未来社会への貢献も期待される．図 2 には，ものへの柔軟かつ効率的なエネルギーのWPT 技術方式とその適用分野

供給，③脱炭素化，④エネルギーシステムの安定性維持て頂き，ここでは概要のみ以下に記載する．

などがあり，その各々の要求に対して WPT 技術で解決（1）電磁誘導方式 WPT（3）：送電コイルに励振する電されることが多い．例えば，菅総理大臣の所信表明演説

流により高周波磁界を発生させ，これを受電コ

での「2050 年までに，温室効果ガスの排出を全体としイル側に結合させ，受電コイルに発生する誘導てゼロにする」という脱炭素社会の実現に向けては，日電流により電力を取り出す方式．一般的に，電本の二酸化炭素排出量の約 20% を示す運輸部門におい

力伝送距離は短いが，大電力伝送が可能であり，て，EV や走行中給電の普及による脱炭素効果は大きく，

電力伝送効率も高い．

そこに WPT 技術は大きく貢献するはずである．また，（2）磁界共振方式 WPT（3），（6），（8）：基本的な原理は電新型コロナウイルスによるパンデミックの最中にある状磁誘導方式と同じであるが，電気回路的に共振況において，バイタルセンサ，医療機器へのワイヤレス回路になるように形成することにより，電磁誘給電が医療現場における機器の柔軟配置や労力の効率化

導方式 WPT に比較して電力伝送距離を大きくでをもたらすことなどへの期待が大きい．内閣府の戦略的きる．また，位置合わせについては，多少のコ

図2
8

バイス（4），IoT センサ向け屋内給電 WPT システム（5），通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

Society 5.0 社会における WPT 技術の利用効果

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

イル位置ずれがあっても電力伝送が可能である．

れている．送受電のための光デバイスが比較的

この方式は磁界（磁場，磁気）共鳴方式などと小さくできる，光の直進性を利用して遠距離ま呼ばれることもある．前述の電磁誘導方式と統で電力伝送できるなどの利点がある．

合して，磁界結合方式とも呼ばれる．
（3）電界結合方式 WPT（3），（7），（9）：送電電極と受電電

ここで，図 1 に挙げたような応用分野に対して，前極によりコンデンサ（キャパシタ）を構成する

述の WPT 技術方式のどれが有効かということを考えてことにより，回路的に接続されることが基本的

みたい．図 3 には，受電電力と電力伝送距離を指標に，な動作原理である．電極間に電界が発生し，そ2030 年を想定して実現されると考えられる応用分野とれが結合することにより電力伝送が行えること

その技術方式について示してみた．ここで，「実現されから，電界結合方式と呼ばれる．電力伝送距離る」という点については，コストなどの点で経済的にビは短いが，大電力伝送，高い電力伝送効率が可

ジネスモデルが成り立つようなことを想定しており，コ能である．磁界共振方式のように，こちらはイ

スト度外視で技術的に実現できるようなものは除外してンダクタを付加することにより共振回路を形成いることに留意されたい．また，この図は研究開発に携する方式もある．
（電界共振方式と呼ばれる．
）

われている方の中には異論もあるかもしれないが，あく（4）マイクロ波空間伝送方式 WPT

：前

（3）
，
（5）
，
（10）
，
（11）

述の（1）〜（3）の方式は，比較的近傍の領域

までも筆者の経験と知識によるところであることも御了解願いたい．この図のポイントは以下である．

での電力伝送を行うものである一方で，マイク・電力伝送距離が数十 cm 以下であれば，受電電力のロ波空間伝送方式 WPT はアンテナにより意図的大小によらず，磁界共振方式，電界結合方式は適用に電波を放射させ，アンテナにより受電するこ範囲が広く，今後の発展性も高い．EV の走行中給とで，遠くまで電力を伝送する方式になる．し電などは経済成立性の問題もクリアできている（6）．

かし，一般的には電力伝送効率が低い．アンテ・一方，電力伝送距離が 1 m を超えるような用途にナサイズがポイントになることから，マイクロ

ついては，マイクロ波空間伝送方式，若しくは光伝波などの高い周波数帯を利用することが多い．

送方式が有効である．しかし，コストなどの点を考（5）光伝送方式 WPT：前述の（1）〜（4）の方（12）

式は，いわゆる電磁波を利用するものであるが，えると受電電力が 100 W を超えると実用化は厳しい．

これらに対して，赤外線など光周波数帯で電力・電力伝送距離が数十 m を超える場合には，マイク伝送を行う方式についても研究が盛んに進めら

ロ波空間伝送方式よりも光伝送方式の方が有効であ

図32030 年を想定した WPT 適用分野とその技術方式
解説

Society 5.0 に貢献するワイヤレス電力伝送システム――実用化に向けた課題と取組み――

9

解

説

Technology Reviews and Reports

る．理由は，光領域での送電を行うことから送受電

なく，WPT 技術の実用化のためには，電波法上での取デバイスともに小形化が可能であるからである．

扱いが明確になっている必要がある．図 4 に，WPT 技

・電力伝送距離が 1 m を超える領域で受電電力 100

術方式ごとの電波法上及び国際法規上での取扱いについW 程度以上については，研究開発レベルでの例はて現状を示す．

あるものの，2030 年頃の想定で経済性を考えて実電磁誘導方式，磁界共振方式，電界結合方式の各用化できるかという点ではまだ解がないように思WPT 技術方式については，意図的に電磁波を放射するう．後述する制度面でのハードルも高い．逆の見方ものでないことから，国内の電波法上では「高周波利用をすると，この領域で実用化できる技術方式が実現設備」の扱いになっている．一方，マイクロ波空間伝送

できれば，間違いなくイノベーションの実現となる．

方式に関しては，現段階で明確な電波法上のカテゴリー

4

はまだない．
（実験局としての申請は可能．
）しかし，

ワイヤレス電力伝送の制度の状況

2019 年 2 月に始まった総務省での制度化検討の議論の結果，意図的に電波を放射するものであることから，本章では，電波法の取扱い対象になる電磁誘導方式，「無線設備」として制度化される方向になっている（13）．

磁界共振方式，電界結合方式，マイクロ波空間伝送方式

以下に，高周波利用整備扱いの WPT 機器とマイクロ波についての制度化の状況について説明する．言うまでも空間伝送方式 WPT 機器の国内制度の状況について説明

図4

表1
送電電力
50W 以下WPT 技術方式ごとの電波法での取扱い状況

磁界結合方式と電界結合方式 WPT の国内電波法での取扱い状況
磁界結合方式

電界結合方式

通信を伴わない WPT 機器は高周波利用設備としての扱い．50W を超えなければ，個別許可申請は不要．
⇒ 電波有効利用成長戦略懇談会報告書において，「実態を踏まえて規律の在り方を検討することが必要」とされている．

基本的には高周波利用設備として個別許可申請が必要． 基本的には高周波利用設備として個別許可申請が必要．
50W 以上
ただし，
ただし，数百 W クラス モバイル機器用 6.78MHz 帯磁界結合方式 WPT は高モバイル機器用 400kHz 帯電界結合方式 WPT は高周周波利用設備 / 型式指定機器として省令化
波利用設備 / 型式指定機器として省令化
基本的には高周波利用設備として個別許可申請が必要．
ただし，数 kW クラス
高周波利用設備として個別許可申請が必要
電気自動車用 85kHz 帯磁界結合方式 WPT は高周波利用設備 / 型式指定機器として省令化
10kW 以上
10

高周波利用設備として個別許可申請が必要

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送に詳細な議論を行い，安全で安心して利用できる WPTする．

機器として制度化がなされた．
また，今後の WPT 機器の普及・発展を考えると，更4.1 高周波利用設備としての WPT 制度の状況
表 1 に，磁界結合方式（電磁誘導方式と磁界共振方なる製品の適用範囲の拡大や多様化にも対応できるよう式の総称）と電界結合方式 WPT についての現在の電波に次のような WPT 機器の制度化の必要性もあると考え法での取扱い状況を示す．概要は以下のとおりである．

られる．

・磁界結合方式と電界結合方式 WPT については高周① EV 用 WPT 機 器 の 制 度 の 拡 張： 具 体 的 に は，
AGV などの産業用機器，カートやマイクロ EV，波利用設備の対象．
・基本的には高周波利用設備は個別設置許可が必要で電動バイクなどのパーソナルモビリティなどへあるが，高周波出力が 50 W 以下で通信を伴わないの応用やバス向けなどへの大電力化などが挙げ

WPT 機器については個別許可申請が不要．現在，られる．

市場に出回っている携帯端末向けのワイヤレス充電② 家電・モバイル機器向け磁界結合方式 WPT の大電力化対応：PC などへの充電・給電には 100 W

器はこの扱いになる．
・以下の 50 W を超える WPT 機器については，高周クラスの電力伝送が必要になる．これまで，50

波 利 用 設 備 の 型 式 指 定 機 器（ 電 波 法 施 行 規 則 第W 以下で設置許可不要であった WPT 機器をベー

四十六条）として 2016 年に省令化された

スに，産業界としては大電力化へ対応したい要望

．総

（14）

務大臣により型式指定機器として指定を受ければ，がある．

どこでも利用できる．
（ただし電気自動車用 WPT③ 産業用途向けに電界結合方式 WPT の大電力化：

機器に関しては鉄道線路より 5 m 以上離す条件あ制度化された電界結合方式 WPT を産業用途のロり．
）

ボットや AGV，ドローンなどに活用する検討が◇電気自動車（EV）用 85 kHz 帯磁界結合方式 WPT◇モバイル機器用 6.78 MHz 帯磁界結合方式 WPT◇モバイル機器用 400 kHz 帯電界結合方式 WPT

始まっている．kW クラスの大電力化に対応した制度化が産業界から要望されている．
このうち，②と③に関しては，ブロードバンドワイヤ

前述の三つの WPT 機器の省令化にあたっては，「ほレスフォーラム（BWF）（15）から総務省へ制度化要望をかの無線システムへの干渉が許容できるレベル以下であ

提出し，総務省の電波利用環境委員会の WPT 作業班にること」，
「総務省の電波防護指針をクリアし，電磁波において制度化に向けた技術条件の検討が開始された（16）．

よる人体防護に対して安全であること」などの条件の下

図5

マイクロ波帯空間伝送 WPT の初期段階（第 1 ステップ）の実用化形態（17）解説

Society 5.0 に貢献するワイヤレス電力伝送システム――実用化に向けた課題と取組み――

11

解

説

Technology Reviews and Reports
利用で送電電力が数十 W 以下クラスに限定し，利用周

4.2 マイクロ波空間伝送 WPT の制度化の状況
WPT システムにおける電力伝送距離を伸ばすことにより，WPT 技術の利用範囲が広がることは言うまでもない．そこで，マイクロ波空間伝送 WPT の制度化の議波数帯としては，920 MHz 帯，2.4 GHz 帯，5.7 GHz
帯の 3 周波数帯を提案している．
空間伝送 WPT 作業班での，特に，既存の無線システ
ムとの共存のための検討の結果がまとめられ，一部答申論がスタートしている．
産業界として，以下の実用化シナリオを想定している．

された（13）．2021 年夏には新制度として施行される予定である．

◇第 1 ステップ：2020 年実用化．屋内限定で人体検知時には送電を止めるなど利用条件が限定される．

4.3 国際的な WPT システムの制度化の状況

送電電力は数十 W クラスで，IoT センサ，モバイ

欧 米 な ど で は，WPT 機 器 を ISM（Industrial,

ル機器向けが中心．この利用形態を図 5 に示す．

Scientific and Medical） 機 器 や SRD（Short Range◇第 2 ステップ：2022 年頃の実用化を目指す．屋Devices）機器とみなしてその法令を適用する例や，韓内・屋外利用で第 1 ステップと送電電力や受電対国のように大電力 WPT 機器用の周波数帯を決めた例は

象機器は同じであるが，人体回避技術やほかの無線あるものの，電波法制度の中で明確に WPT 機器というシステムとの共用化技術を確立することにより，人カテゴリーを設けた制度化は我が国が世界最初になる．

体やほかの無線システムが存在する環境において

WPT 機器の法的な扱いは国によって異なるものの，そも同時にワイヤレス電力伝送を行う．

の利用周波数の国際統一など国際協調の議論は国際電気◇第 3 ステップ：2025 年以降の実用化を目指す．屋通信連合 無線通信部門（ITU-R）を中心に行われてい

内・屋外利用で，kW クラスの大電力化を行い，スる． 図 4 に 示 す よ う に，ITU-R で は，WPT 機 器 を

マートモビリティ，ロボット，ドローン向けとして

NON-BEAM WPT（磁界結合方式，電界結合方式など利用する．

近傍界領域における WPT）と BEAM WPT（マイクロ波空間伝送 WPT など電波を意図的に放射させるもの）

前述の特に第 1 ステップに関しては，2018 年 2 月にに 分 け て 議 論 を 行 っ て い る． 以 下 に，NON-BEAM開催された総務省電波有効利用成長戦略懇談会（第 6 回）

WPT と BEAM WPT の分類別に ITU-R での議論状況

において，BWF からマイクロ波空間伝送 WPT に関すの最新動向をまとめる．

る制度化の要望を公表した

ことをきっかけに，総務（17）

省の陸上無線通信委員会の空間伝送方式ワイヤレス電力
伝送システム作業班（以下，空間伝送 WPT 作業班）において制度化に向けた技術的条件の検討が始まった

．

（18）

空間伝送 WPT 作業班における技術条件の検討・調査

NON-BEAM WPT に関しての検討結果が以下のレ
ポートにまとめられている．
① Report ITU-R SM.2303-2 （19）：NON-BEAMのポイントは以下になる．

WPT に関する応用や標準化，各国の制度化状況（A）利用周波数検討：空間伝送方式ワイヤレス電力などがまとめられ，我が国の WPT 作業班で行っ伝送システムの利用ニーズを踏まえ，利用周波数

た他システムとの共用化の検討結果についてもの検討を行う．

掲載されている．

（B）被干渉・与干渉システムの範囲：（A）の周波数② Report ITU-R SM.2449（20）：100〜148.5 kHz

帯を使用する空間伝送方式ワイヤレス電力伝送シを利用するポータブル機器向け磁界結合 WPT のステム及び同周波数帯または隣接周波数帯を使用

他システムとの共用化に関する検討結果をまとするほかの既存システムをそれぞれ与干渉・被干めたもの．

渉システムとして，既存の無線システムとの共存のための検討を行う．
（C）人体への安全性：（A）及び（B）で調査する空③ Report ITU-R SM.2451（21）：磁界結合を用いた
EV 用 WPT 機器の他システムとの共用化に関する検討結果をまとめたもの．

間伝送方式イヤレス電力伝送システムの運用形態，

また，これらの検討結果を基に，ITU-R として推奨

要求条件等をある程度明確化した上で，人体へのする WPT 機器の利用周波数帯が以下の ITU-R 勧告に

安全性について検討を行う．人体への電波ばく露まとめられている．

の基準になる電波防護指針を遵守することが前提になる．
第 1 ステップにおける空間伝送方式 WPT 機器，屋内
12

4.3.1 NON-BEAM WPT

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

④ Recommendation ITU-R SM.2110-1（22）：前述の Report ITU-R SM.2451 での共用化検討の結果に基づき，EV 用 WPT 機器として ITU-R とし小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送て推奨する利用周波数が明記されている．我が国

波の中で執筆している．思い返せば，2020 年のお正月の省令や IEC（国際電気標準会議）や SAE（米の頃は，2020 年は東京オリンピック・パラリンピック

国自動車技術者協会）などの国際標準規格としてが開催され，お祭りのような楽しい一年になるはずだっ記載されている 85 kHz 帯（79〜90 kHz）が推たのが，突然奈落の底に落とされてしまった．本稿が掲奨されている．

載される頃には，きっと新型コロナウイルスによるいろ⑤ Recommendation ITU-R SM.2129：前述のいろな問題が解決され，元どおりの安心で健康で平和にReport ITU-R SM.2449 での共用化検討の結果

過ごせる社会に少しでも戻っていることを心から祈ってに基づき，ポータブル機器向け磁界結合 WPT 機

いる次第である．

（23）

器の利用周波数として 100〜148.5 kHz が推奨

読者の中に技術開発や研究に携わっている方も多いと思う．どんな逆境においても，技術開発によってそのされている．
以上のレポート作成や勧告化にあたっては，我が国は逆境を跳ね返し，生活を保障し豊かにすることが研究主導的に活動しており，我が国の検討結果も盛り込むな

者・技術者の使命ではないかと考える．新型コロナウイ

ど，国際協調議論に大いに貢献している．

ルスまん延による医療現場での問題などを見ていると，

上記以外の特記事項として，EV 用 WPT 機器を考慮

例えば，各種のバイタルセンサや医療用機器・ロボット

した国際電波法（Radio Regulations）の改訂の議論がなどへ WPT 技術は利用でき，その利用価値は大きい．

2015 年から 2019 年にかけて進められてきたが，最終子孫に輝く未来を残すために，皆さんで英知を集め，連的には NON-BEAM WPT を前提とする国際電波法の改携し，協力することで，今の困難を克服していければと訂は不要との結論になった．

願う次第である．
■ 文献

4.3.2 BEAM WPT
ITU-R に お け る WPT 機 器 の 議 論 は， こ れ ま で のNON-BEAM WPT から BEAM WPT へウェートが移行しつつある．
BEAM WPT に関する ITU-R での検討結果として既に公開されているのは，BEAM WPT によるアプリケー
ションに特化させた Report ITU-R SM.2392（24） のみである．しかし，現在では，以下の作業が進行中である．
① Report ITU-R SM.2392 の改訂② BEAM WPT の他システムとの共用検討に関する新レポートの作成③ BEAM WPT として推奨する利用周波数の勧告化
NON-BEAM WPT と同様に，BEAM WPT でも我が国は上記活動に積極的に参画しており，我が国の制度化検討の結果を随時レポートなどに入力している．また，
利用周波数の勧告化に関しては，我が国の制度で利用される予定と同じ周波数帯（920 MHz 帯，2.4 GHz 帯，
5.7 GHz 帯）を提案している．
一方，国際電波法の改訂に関しては，BEAM WPT は
意図的に電波を放射するものであることから，国際電波法の中に明確なカテゴリーを設けるべきという意見もある．今後，国際社会と協調しながら，国際電波法の改訂についても議論していく予定である．

5

WPT 技術で未来社会へ貢献を

本稿の原稿は，新型コロナウイルスまん延による第三
解説（1） 内閣府 , Society 5.0,
https://www8.cao.go.jp/cstp/society5̲0/index.
html（2） 科学技術振興機構 , 戦略的イノベーション創造プロ
グラム（SIP）第 2 期課題「IoE(Internet of Energy)
社会のエネルギーシステム」，テーマ C「IoE 応用・実用化研究開発」,
https://www.jst.go.jp/sip/p08/team-c.html（3） 庄木裕樹 , IoE 社会に貢献するワイヤレス電力伝送
技 術 , 信 学 誌，vol.103, no.10, pp.1009-1015,
Oct. 2020.
（4） 天野 浩 , WPT システム実現のための高周波 GaN
パ ワ ー デ バ イ ス , 信 学 誌，vol.103, no.10,
pp.1016-1022, Oct. 2020.
（5） 梶原正一 , iTAF による高効率で安全なマイクロ波
空間伝送 WPT システム , 信学誌，vol.103, no.10,
pp.1016-1022, Oct. 2020.
（6） 藤本博志，藤田捻之，永井永寿，清水 修，皆川裕介， 電気自動車への走行中ワイヤレス給電 , 信学誌，vol.103, no.10, pp.1030-1036, Oct. 2020.
（7） 濱田 浩 , ドローン給電のための WPT システム ,信学誌，vol.103, no.10, pp.1037-1042, Oct. 2020.
（8） 成末義哲 , 共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ , 信学通誌，vol.15, no.1, pp. 23- 33,
June 2021.
（9） 大平 孝 , ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論 , 信学通誌，vol.15, no.1, pp. 15- 22, June
2021.
（10）三友敏也 , IoT デバイス等を無線化する屋内向けマ
イクロ波給電システム , 信学通誌，vol.15, no.1,
pp. 34- 45, June 2021.
（11）本間幸洋 , マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力
伝 送 技 術 , 信 学 通 誌，vol.15, no.1, pp. 46- 54,
June 2021.
（12）宮本智之 , 光無線給電への期待̶新たな光応用分野の創出に向けて̶, 信学論（C），vol. J103-C, no.
5, pp.270-278, May 2020.

Society 5.0 に貢献するワイヤレス電力伝送システム――実用化に向けた課題と取組み――

13

解

説

Technology Reviews and Reports（13） 総務省 , 「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システムの技術的条件」のうち「構内における空間伝送型ワイヤ
レス電力伝送システムの技術的条件」, July. 2020.
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https://www.soumu.go.jp/main̲sosiki/joho̲
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ム作業班（第 1 回）資料 , Feb. 2019.
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http://www.itu.int/pub/R-REP-SM.2303（20）ITU-R：Report ITU-R SM.2449, Technicalcharacteristics and impact analyses of non-beam

14

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

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http://www.itu.int/pub/R-REP-SM.2449-2019（21）ITU-R：Report ITU-R SM.2451, Assessment of
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http://www.itu.int/pub/R-REP-SM.2392

庄木裕樹（正員：フェロー）
昭 57 北 大・工・電 子 卒．昭 59 同大学院修士課程了．同年（株）東芝
入社．以来，アンテナ，無線システ
ム，ワイヤレス電力伝送などの研究
開発及び制度化・標準化活動に従事．
現在，同社研究開発センター上席エ
キスパート．博士（工学）．平 3 年
度本会学術奨励賞，平 13 年度本会論文賞各受賞．

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論
Radio-Frequency Circuit Theory for Wireless Power Transfer to Win the Race
大平孝

Takashi Ohira†

ワイヤレス給電システムの一般的ブロック構成を示し，各ブロックの設計開発に役立つ基本理論を紹介す
る．結合系の最大電力伝送効率を支配する kQ 理論を述べる．一般化 kQ 式を用いることで，電界や磁界など様々な結合方式の設計が可能になる．インピーダンスと反射率の関係を直感的に捉えることができる複素数平面を示す．
この平面上でインピーダンスを頂点とする三角形の二辺の長さの比が反射率である．反射率と定在波比の関係を視覚的に捉えるための教材として考案されたゴムひもモデルを示す．このゴムひもモデルを使えば，数式も電卓も用いることなく，計算尺のような感覚で定在波比の振舞いを習得できる．結合系において，入力ポートと出力ポート両方で同時に整合をとることの重要性を述べる．電圧定在波比を二乗した電力定在波比の導入で，従来のスミス図表の中心付近が拡大される．インピーダンス
平面上の 2 点間を結ぶ曲線の長さを回路設計規範とするという考え方を述べる．高周波インバータを高効率で動作させるための負荷条件は複素数平面上で測地線となる．ダイオード整流回路で電源と負荷の抵抗比が流通角と電力変換効率を決定する．
ここで述べた高周波回路理論は今後多彩なワイヤレス給電系の開発に大きく貢献する．

Summary

Key Words

kQ 積，測地線，離底角，流通角，電力定在波比

1 まえがきれくらいが受電器に届くのかが第 1 の関心事であハードウェア技術開発の基本が「ものづくり」にる．
そもそも電波はどこまで届くのかという素朴なあることは言うまでもない．ワイヤレス給電においても設計と試作の積み重ねが今日の結果を生み出し疑問に答えるのが図 2（a）とフリスの伝達式てきた．しかしながら，従来の発想だけではどうし

h =GT fても越えられない性能限界の壁にぶつかることがある．そのときブレークスルーとなるのが「新しい理

m 2
p GR
4rd

（1）

論構築」である．ここではワイヤレス給電技術の開である．伝送効率η（送信電力

発過程で生み出された高周波回路理論を紹介する．

力

ワイヤレス給電システムの機能ブロック図を図 1

例し，波長λで正規化した伝搬距離に示す．本ブロック図を参照しながら次章以下をお比例する．フリスの伝達式は遠方界で成立する．送

読み頂けると各理論の位置付けを把握しやすい．

受信間の距離が近づくと成立しなくなる．

に対する受信電の割合）は送受信アンテナ利得積

に比

の二乗に反

ワイヤレス給電システムの多くは図 2（b）に示
すように近傍界の結合を利用する．このような近傍

2 フリスと kQ結合でも成立する基本則が

図 1 の中央に位置する結合系（送電器＋受電器）に着目する．送電器から発する高周波電力のうちど

図1†lhmax = -1
l +1

（2）

ワイヤレス給電システムのブロック構成

豊橋技術科学大学，豊橋市
Toyohashi University of Technology，
Toyohashi-shi，441-8580 Japanⓒ電子情報通信学会 2021

解説論文

ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論

15（a）遠方界
図２（b）近傍界ワイヤレス伝送システムである．一般に電力伝送効率は後述する電源と負荷のインピーダンス整合状態に依存する．これらイン
ピーダンスを最適に調整して得られる効率の上限値の意味でηに添字 max を付した．上式右辺のκは

l=

（3）

2

1+( kQ)で与えられる．ここで登場した kQ が本章の主役である．
元来 kQ は文字どおり結合係数 k と Q ファクタの積を意味していた．最近の理論研究により拡張され汎用性のある公式
2

2

R21+X21kQ =R11R22-R12R21（4）が導き出された（1）〜（5）．これを「一般化 kQ 式」と呼ぶ．添字付きの R と X は，結合系を線形相反 2

図３ プラグインコイルとステアタイトバリコンで構成した可変整合回路ポート網とみたときの Z パラメータの実部と虚部である（Z11=R11+jX11 など）．一般化 kQ 式の発見

により様々な結合系（電界・磁界・導波路・共振器・アンテナ・それらの接続・複合系などあらゆる
方式）に式（2）を適用することが可能となった．

3 インピーダンス整合
図 1 で結合系の前後に整合回路が挿入されてい図４

る．整合回路の役割はインバータから結合系へ，結インピーダンス平面上の三角形

合系から整流回路へとそれぞれ最適なインピーダン
スに変換することである．これら二つの整合が最適標値（ここでは簡単のため 50 Ωとする）にどれくとなったとき初めて式（2）で示した最大効率が達らい近づいたかを判定する指標として反射率成できる．
整合回路の試作例を図 3 に示す．HF 帯（3〜30
MHz）では，リアクタ素子としてコイルとコンデ

Z-50
b
=
Z+50
a

（5）

ンサを用いるのが一般的である．この例では幅広いが用いられる．γの物理的意味は入射波に対する反インピーダンスに適合させるため，プラグ着脱式の射波の振幅比である（6），（7）．Z が目標値に完全一致

コイルと回転式可変コンデンサ（バリコン）を用い（Z=50）したとき無反射（γ = 0）となる．

ている．
変換された複素インピーダンス Z = R + jX が目
16c=

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

上式を直感的に捉えることができるインピーダ
ンス平面を図 4 に示す．三角形の二辺の長さの比小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

図７

t=

1+c
1-c

（6）

SWR メータ大集合を直読できる目盛も備えている．VSWR の物理的反射率と VSWR の相互連関表

最大値と最小値の比である．無反射状態ではρ =γ

ρ1，全反射状態ではρ = となる．γとρの換算数

0

1

0.2

1.5

0.5

3

0.6

4

0.75

7

0.8

9

は数式を用いず VSWR の動きを視覚で捉えるため

0.9

19

の教材として考案された．縦軸横軸に等間隔目盛を1∞刻んでおけば計算尺のような感覚で習得できる．

図５
表１

低損失伝送線路に負荷抵抗を接続

意味は入射波と反射波が干渉して生じる電圧振幅の値例を表 1 に示す．
γとρの関係を視覚的に理解する図形モデルを
図 6 に示す．支点ピンから張ったゴムひもの右端を横軸上で左右にスライドする．この右端の座標をρとするとき，ρ =1 の位置から立てた垂線がゴムひもに達する高さがγである．このゴムひもモデル

VSWR は，反射率やリターンロスと同様に，インピーダンス整合状態を定量的に示す指標である．
それに加えて，VSWR の自然対数が後述するポア
ンカレ長を導入するための公準になるということが近年の理論研究で明らかになってきた（７. 参照）．

5 入出力ポート同時整合
図 1 において整合回路が 2 か所備えられている．
もしインバータへの電力反射を防ぐ目的であれば，整合回路を送電器の手前だけ 1 か所で行ってもよ
図６

ρからγが図形的に読み取れるゴムひもモデル

いことになる．ではなぜ整合回路を 2 か所に備えるのだろうか．その目的はシステム全体の伝送効率の向上である．これを入出力ポート同時整合と呼（b：a）がすなわちγである．頂角θの物理的意味

ぶ．この考えはワイヤレス結合に限らず一般の線形はのちほど説明する．

2 ポート系において成立する．図 7 に示す伝送線路の例でそれを説明する．

4 反射率と定在波
入射波と反射波の電力を同時に観測する計測器を図 5 に示す．これらの計測器では，両電力に加伝送線路の減衰定数をα，線路長をℓと書く．線路が低損失すなわち（7）0<aℓ<<1

えて反射率γから次式で換算される電圧定在波比であると想定し，これを線形 2 ポート系とみなし（VSWR）て式 (4) から一般化 kQ を計算すると解説論文

ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論

171kQ = ℓa（8）となる．これを式（2）と（3）に代入して（9）hmax = 1-2aℓを得る．このηmax は負荷と線路が整合（Ro=Zo）しているときに達成できる．これがもし不整合（Ro Zo）
なら伝送効率がh =1- fR0Z
+ 0 p al
Z0
R0

（10）

となる．この式の括弧内は 2 より大きいので

図８

ベルトラミ円盤（11）h<hmaxとなる．これが入出力ポート同時整合の意義である．
物理的に解釈してみよう．線路の右端で不整合があると線路内で多重反射による過剰損失が生じる．
たとえ左端で整合しても，この損失を取り戻すことはできない．分かりやすく言うと，どちらかの端で

図９

反射が生じるともう一方の端で帳尻を合わせようとしても後の祭り，ということを意味している．

た新しい複素数6 VSWR と PSWR

X=

t2-1 ji
e
t2+1

（14）

3. の式（5）で示した反射率γに位相という概念を定義する．ρ=1 のとき Ω は原点に位置する．ρ

を組み入れよう．入射波に対する反射波の位相回転が 1 から大きくなると Ω は原点からθ方向へ離れてをθと書く．これを虚指数関数で表した

いく．ρ→ の極限は単位円 |Ω|=1 となる（8）〜（10）．

ji

（12）

e = cosi+jsini

インピーダンス Z = R + jX を Ω の複素数平面上に写像すると，図 8 に示すような原点中心で半径 1を位相因子と呼ぶ．j は虚数単位．位相回転θは図の円盤となる．この円盤は 19 世紀のイタリアの数

4 に示した三角形の頂点の内角に等しい．なぜなら学者ユージニオ・ベルトラミ（図 9）の考案である

三角形の二辺がそれぞれ入射波と反射波に呼応することから「ベルトラミ円盤」と呼ぶ．ベルトラミ円からである．この位相因子を式（5）に取り入れた

盤は水平線が R 軸に，外周円が X 軸に対応すると

t-1 ji
C=
e
t+1

（13）

いう点でスミス図表と類似している．ベルトラミ円盤の特徴は，原点付近のインピーダンス軌跡がスミス図表に比べて局所的に拡大表示されることであを複素反射率と呼ぶ．複素数 Γ を写像する複素数平面をスミス図表と呼ぶ．Γ=0 が無反射状態，つる．
ベルトラミ円盤上では， を固定してを変えたとき描かれる軌跡「等リアクタンス線」が全て直まりスミス図表の原点である．
大電力のワイヤレス給電では僅かの不整合でも線になる．これらの直線は右端の点 1 + j0 から左反射電力による影響が深刻となる．ゆえに反射率が方向へ放射状に伸びる弦であり，その傾きは­ /50

ゼロに近い領域を拡大表示する工夫が望まれる．そとなる．

こで，ρを二乗した電力定在波比（PSWR）ρ の2

出番となる．式（13）で右辺のρをρ で置き換え
2

18

ユージニオ・ベルトラミ（1835-1900）

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

一方， を固定してを変えたとき描かれる軌跡「等抵抗線」はだ円になる．これらのだ円は水平小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

線を軸にして上下対称形であり，全て右端の点 1 +dK =j0 で鉛直に接し合う．これらだ円の軸比 と抵抗
値

の間には
（15）

502+R2=502r 2

2
2
1-c

2

2

dc +c di（18）

2となる．ここで，γはΓの絶対値，θはΓの偏角である．式（17），（18）は 19 世紀にフランスの数学者アンリ・ポアンカレ（図 11）が定めた平面上という美しい法則が成り立つ．

の微分計量である．当時ポアンカレ長は純数学的な

7 ポアンカレ長計量として扱われた．それが 21 世紀に入り VSWR

整合回路など高周波受動回路は無損失の素子で明してきた（13）．

という回路的指標と密接に関係するということが判構成することが望ましい．しかし現実の受動素子には表皮効果や近接効果など電力を損なう要因が含まれる．大電力のワイヤレス給電システムでは僅かの8 離底角方程式

電力損も大きな発熱につながる．しかも厄介なこと

図 1 において入力 DC 電力を RF に変換する役割に，同じ素子定数でもその素子が回路内のどこに使を担うのがインバータである．高周波インバータのわれるかによって損失電力つまり発熱量が異なる．

回路例を図 12 に示す．同図下に示す方形波をトラ

そこで，インピーダンスが複素数平面上の 2 点間ンジスタのベースに入力する．トランジスタをオンをある曲線に沿って移動する道のり（すなわち曲線

オフスイッチとして用いることで高い変換効率が達の長さ）を回路設計規範とするという考え方が浮上成できる．更にターンオン時の瞬間コレクタ電圧がしたゼロになるように LC 回路を設定することにより理

．

（11）
，
（12）

滑らかな曲線の長さ はその曲線を微小区間に分割し，各区間の微小長さ

ング（ZVS）動作と呼ぶ．

を積分すること（16）

K= C dKで計算できる．微小線分のポアンカレ長は論効率が 100% となる．これをゼロ電圧スイッチ

平面上でこの回路にはとが 2 個ずつ含まれている．

は DC 電流だけを通すチョークコイルである．

1
1はトランジスタがターンオフするときにサージ電圧が発生するのを抑制する． 2 と

1
=
R

2

2

dR +dX（17）を正弦波化する直列共振器である．

2

は出力電流

この回路の動作を理解する近道として，負荷の抵となる（図 10）
．これをΓ平面（式（13）を写像する複素数平面）上の極座標で表現すると

図 10

図 11

インピーダンス平面上の微小線分

アンリ・ポアンカレ（1854-1912）

図 12

ZVS インバータ基本回路図と入出力波形
解説論文

ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論

19

図 14
図 13

抗値

6.78MHz 3kW E 級 SiC インバータ

インピーダンス平面上の半円と離底角

並びに直列共振器のリアクタンス

X =~L 2 -

1
~C 2

（19）

に着目しよう．ここでω=2π/T は入力方形波の角周波数である．これら負荷抵抗とリアクタンスが条件
f

Rˆ =

1
1
4
- X̂ p f X̂ - + 2 p
2
2
r

図 15

単直列ダイオード整流回路（20）
ぶ．離底角 z の回路的意味は，図 12 に示した入出を満たすときインバータが ZVS 動作となる． と力波形の位相差 z である．その意味で，式（23）R と＾X
による正規化を意味する．つまり＾は位相差と負荷インピーダンスの関係を表していZ を移動させることで，る．ZVS 測地線上で動作点 ＾に冠した＾記号は並列コンデンサのリアクタンス

値 1/ ω

1はコンデンサ1から右側を見込んだ正規化インˆ jX̂
Ẑ = R+

（21）

ピーダンス

ら 90 まで変化させ得る．このことが上記半円軌跡から幾何学的に読み解ける（14）〜（16）．
特に離底角が z= 32.5 となる位置に動作点を設定することで，ターンオン時の瞬時コレクタ電圧にの実部と虚部

ˆ ~C1 R , X=
ˆ ~C1 X
R=

理論効率 100% を維持したまま出力位相 z を 0 か（22）

加えてその時間傾斜/も同時にゼロにできる．

これを E 級動作と呼ぶ．SiC パワーデバイスを用いて試作した大電力 E 級インバータの例を図 14 に示である．
ZVS 条件式（20）は一見ちょっと複雑に見えるす．

が，これをインピーダンス平面上に描画するときれい な 半 円 形 の 軌 跡 と な る（ 図 13）．この半円をZVS 測地線と呼ぶ．一般に測地線とは，平面上に9 流通角方程式与えられた 2 点間を最短ポアンカレ長で結ぶ曲線

インバータの逆機能すなわち RF を DC に変換す経路のことである．

Z と上側
図 13 において ZVS 測地線上の動作点 ＾る．整流回路の基本構成例を図 15 に示す．ダイ

切片 0.5 を結ぶ弦が縦軸となす角 z を離底角と呼オードは RF 電力を吸収して DC 電力を生成する．

ぶ．離底角は三角法より

コイルは生成された DC 電力が左側へ逆戻りするの

2Rˆ
tanz=
1-2Xˆ

（23）

を満たすことが分かる．これを離底角方程式と呼20るのがブロック図１の右端に位置する整流回路であ通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021を防ぐ．コンデンサは RF 電力が右側へ漏えいするのを防ぐ．
RF 電源が供給可能な最大有能電力に対する整流回路 DC 出力電力の割合を整流効率ηd と呼ぶ．単小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

図 18

図 16

抵抗比から流通角と整流効率が決まる

大型ドローンと電動カートに高周波電力を供給する実験（豊橋技術科学大学 未来ビークルシティ
リサーチセンターにて）き整流効率が最大 81% に達する．
更に整流効率を高める手段として，ダイオードを2 個用いる倍電圧や倍電流整流トポロジーがある．
これにより最大効率で 10 ポイント以上向上するとともに許容入力電力も倍増する（17）．倍電流整流回路の試作例を図 17 に示す．大電力システムへの拡張を狙って整流回路並列運転の研究も鋭意進められている（19）．
図 1713.56MHz 3kW 倍電流ダイオード整流回路

10 将来展望
高周波を用いるワイヤレス電力伝送は小型軽量

直列ダイオード整流回路の効率は

83hd = 2 sin idr（24）の利点を生かして，移動体や飛しょう体への搭載が期待されている．非接触給電によってビークル，モビリティ，ロボット，ドローン，ゴーカートなど．ここで様々なシステムの活動範囲と利便性が飛躍的に拡大

θd はダイオード流通角 2θd の半角である．下添字する（20）〜（25）．理論研究に加えて社会実装に向けたはダイオード整流を意味する．流通角は導通角とものづくりと実証試験も行われている（図 18）．シも呼ばれる．上記関数を図 16 の実線曲線で示す．

ステムが複雑になればなるほど基本理論の重要性がRF 電源の出力インピーダンスを r，DC 負荷の抵増す．今後の多彩なワイヤレス給電系の開発においとなることが理論的に証明できる

（17）
〜
（19）

d

抗値を

て，本記事紹介の高周波回路理論が大きく貢献するとすると流通角方程式

rrtanid-id=
R-r

（25）

だろう．
謝辞

本研究は内閣府 SIP「ワイヤレス給電ドローン」，愛知県重点研究「GaN 半導体パワーデバ

によりθd が決定する．この式はθd に関する超越方イス」，豊橋市「遊園地ゴーカート給電」からの支程式であるが，逆にθd を与えれば抵抗比 R/r をプ援を得た．本論文は査読委員と校閲委員の方々に二ロットすることができる．その結果を図 16 の破線

度にわたって詳しくお読み頂いた上で採録となっ曲線で示す．

た．この場をお借りして厚くお礼申し上げる．

これら破線と実線を組み合わせてたどる経路を矢印破線で示す．抵抗比から出発，流通角を介して整流効率を読み取ることができる．この経路を逆向きにたどれば，整流効率が最大となるのはθ=π/2
すなわち = のときであることが分かる．このと■ 文献（1） 大平 孝 , フリスと kQ, ITU ジャーナル , vol.49,
no.7, pp.13-16, July 2019.
（2） 大平 孝 ワイヤレス電力伝送 , 電波技術協会報

解説論文

ワイヤレス給電を成功に導く高周波回路理論

21

FORN，no.330, pp.46-49, Sept. 2019.
（3） 大平 孝 , 最大伝送効率の早見チャートと RGQ
チ ャ ー ト , RF ワ ー ル ド , no.50, 巻 末 折 込 付 録 ,April 2020.
（4） T. Ohira, The kQ product as viewed by ananalog circuit engineer, IEEE Circuits andSystems Magazine, vol.17, no.1, pp.27-32, Feb.
2017.
（5） T. Ohira, Power transfer theory on linear
passive two-port systems (invited), IEICE Trans.
Electron., vol.E101‒C, no.10, pp.719-726, Oct.
2018.
（6） 大平 孝 , これでわかった三つの反射係数 , RFワールド , no.49, pp.103-105, Jan. 2020.
（7） 大平 孝 , 乾電池と豆電球から見えてくる電力伝送
理論 , 信学誌 , vol.104, no.1, pp.75-80, Jan.
2021.
（8） T. Ohira, Beltrami-Klein disk model as viewed
for use in impedance trajectory projection,
IEICE Commun. Express, vol.9, no.7, pp.256261, July 2020.
（9） T. Ohira, Power standing wave ratio, IEEE
Microwave Magazine, vol.21, no.10. pp.92-93,
Oct. 2020.
（10）T. Ohira and S. Abe, Power standing wave ratio
as a local grid magnifier for close observation ofimpedance trajectories (invited), IEEE Radio
Frequency Integration Technology, pp.52-54,
Hiroshima, Nov. 2020.
（11）大平 孝 , スミスチャートの歩き方［I］
̶LC 編̶,信学誌 , vol.103, no.7, pp.709-712, July 2020.
（12）大平 孝 , ポアンカレ視点で見る 3 素子π型リタク
タ 回 路 , RF ワ ー ル ド , no.52, pp.131-135, Oct.
2020.
（13）T. Ohira, A radio engineerʼs voyage to doublecentury-old plane geometry, IEEE Microwave
Magazine, vol.21, no.11, pp.60-67, Nov. 2020.
（14）T. O h i r a , L o a d i m p e d a n c e p e r t u r b a t i o nformulas for class-E power amplifiers, IEICE
Commun. Express, vol.9, no.10, pp.482-488,
Oct. 2020.
（15）T. Ohira, Geometric view to class-E operation of
RF power inverters, SAEJ International Electric
Vehicle Technology Conference, Yokohama, May
2021.
（16）M. Mizutani, S. Koyama, S. Abe, and T. Ohira,Geodesic theory of zero-voltage-switching RF
power inverters for constant-voltage or -current
output operation, IEEE International ConferencePower and Energy, pp. 85-90, Penang, Dec.
2020.
（17）T. Ohira, Power efficiency and optimum load
formulas on RF rectifiers featuring flow-angle
equations, IEICE Electron. Express, vol.10,
no.11, pp.1-9, June 2013.
（18）S. Abe and T. Ohira, RF input impedance

22

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

formula on single-series diode rectifiers featuringflow-angle equation (invited), IEICE Asian
Wireless Power Transfer Workshop, Xiʼan, Nov.
2019.
（19）R. Honda, K. Chiathong, S. Abe, and T. Ohira,Current cutoff behavior observed when twin
rectifiers combine their DC output power inparallel, IEEE International Conference Powerand Energy, pp.145-149, Penang, Dec. 2020.
（20）M. Miyazaki, S. Abe, Y. Suzuki, N. Sakai, T.
Ohira, and M. Sugino, Sandwiched parallel
plate capacitive coupler for wireless powertransfer tolerant of electrode displacement,
IEEE International Conference Microwave
Intelligent Mobility, pp.29-32, Nagoya, March
2017.
（21）T. Ohira, A battery-less electric roadway vehicle
runs for the first time in the world (invited),IEEE International Conference Microwave
Intelligent Mobility, pp.75-78, Nagoya, March
2017.
（22）濱田 浩 , ドローン給電のための WPT システム ,
信学誌 , vol.103, no.10, pp.1037-1042, Oct. 2020.
（23）T. Ohira, S. Tsukamoto, N. Sakai, S. Abe, M.
Sugino, N. Sakura, and K. Sasaki, Livedemonstration: An HF capacitive wireless powertransfer to a quad-rotor drone, IEEE
International Symposium Circuits and Systems,
p.2336, Sapporo, May 2019.
（24）S. Tsukamoto, S. Abe, T. Ohira, G. Ueta, H.
Nozaki, and H. Hamada, Capacitive coupling
wireless power transfer system for drone
charging stations, URSI Japan Radio Science
Meeting, C1-4, p.66, Tokyo, Sept. 2019.
（25）S. Tsukamoto, R. Honda, M. Mizutani, S. Abe,and T. Ohira, Capacitive coupling wirelesspower transfer scheme for drones and runningelectric vehicles, International Journal ofIndustrial Electronics and Electrical Engineering,in press.
（2020 年 10 月 26 日受付，12 月 28 日再受付）

大平孝 （正員：フェロー）

阪大大学院博士課程了 . NTT にて衛星搭載 GaAsMMIC の設計を担当 . ATR
執行役員・波動工学研究所長を経て
現在豊橋技科大未来ビークルシティリ
サーチセンター長 . 一般化 kQ 理論を構築 . 電気自動車のバッテリーレス走行に世界で初めて成功 . 内閣府 SIP にてワイヤレス給電ドローンを開発中 .
工博 . URSI Fellow. IEEE Life Fellow.

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ
Variable Reactors for Wireless Power Transfer via Resonant Coupling
成末義哲

Yoshiaki Narusue†

共振型ワイヤレス電力伝送では，送受電器として非放射形の共振器を用いることにより，高力率かつ高効率な中距離の電力伝送を実現する．しかし，我々の生活環境中は実験環境とは異なり，金属や水，人体など様々な物体が存在するため，それらの影響により共振周波数に変動が生じる．動作環境への適応能力を有し，必要な電力を安定的に給電可能なワイヤレス電力伝送システムの構築に向けて，可変リアクタによる共振周波数補正機構が求められている．
本論文では，可変リアクタによる共振周波数補正の原理について概説した上で，現在研究が進められている可変リアクタをその動作原理に基づき分類し，それぞれの特徴を比較する．中でもフィードバックレスで力率補正が可能な FET ブリッジ形可変リアクタについて深く掘り下げ，その動作原理を図説するとともに，6.78 MHz 動作における性能と課題について筆者が実施した実機実験の結果も踏まえて解説する．最後に可変リアクタ技術の今後の研究課題について議論する．

Summary

ワイヤレス電力伝送，共振結合，可変リアクタ，共振周波数補正

Key Words

1 まえがきことで共振条件が崩れる．このような原理から，金バッテリーの充電は今や生活のルーチンである．

体であるプラスチック製の机に置くだけでもその共属製のテーブルなどに置いたときはもとより，誘電スマートフォンやノート PC，タブレット端末など，

振周波数は変化する．

バッテリー駆動型情報端末なしでは我々の生活は成工場や居住空間など様々な動作環境において，必り立たない．電子機器の数や種類が増加するにつ要な電力を安定的に給電可能なワイヤレス電力伝送

れ，充電の負担もまた増大し続けている．

システムを構築する際には，その影響を低減するた

この問題を解決する手法として，近年注目されてめの対処技術が必須である．無線通信分野でダイいるのがワイヤレス電力伝送である．その試み自体

バーシチ技術をはじめとした様々な方策が通信環境

は 100 年以上前から行われてきたが，技術の進歩

変化への対策として発達してきたのと同様に，ワイとともに近年大きな盛り上がりを見せている

ヤレス電力伝送においても，動作環境や経年劣化等．

（1）

盛り上がりに火をつけるきっかけとなったのはへの対処技術の開発が求められている．

2007 年にマサチューセッツ工科大学の研究グルー

対処技術の一つのアプローチが可変リアクタでプによって発表された共振現象を利用したワイヤレ

ある．リアクタとはその名のとおりリアクタンスをス電力伝送である．共振方式ワイヤレス電力伝生じさせる回路素子であり，つまり，コイルやキャ送では，送受電器として非放射形の共振器を用いる

パシタのように主に虚数のインピーダンスを有することにより，高力率かつ高効率な中距離の電力伝送回路素子である．可変リアクタとはリアクタンスをを実現できる．裏を返すと，高力率かつ高効率に電動的に調整可能な回路素子及び回路網を指す．可変力を伝送するためには，送受電器が動作周波数で共リアクタを用いて，動作環境からの影響や経年劣化

振状態にあることが必要不可欠である．

及び各部品の個体差などを打ち消す共振周波数補正（2）

しかし，動作環境からの影響や経年劣化，更には各部品の個体差により，共振周波数は変化し得る．

を施すことにより，動作環境によらず高力率かつ高効率な電力伝送を実現できる．

例えば共振器近傍に金属片が存在する場合，電磁界

そこで本論文では，可変リアクタによる共振周波を弱めるように電流が生じ，その影響で共振器が蓄数補正の原理について概説した上で，現在研究が進える電気エネルギー及び磁気エネルギーが変化する

められている可変リアクタをその動作原理に基づき分類し，それぞれの特徴を比較する．中でもフィー†

東京大学大学院工学系研究科，東京都
Guraduate School of Engineering The Universityof Tokyo，Tokyo，113-8656 Japanⓒ電子情報通信学会 2021

ドバックレスで力率補正が可能な FET ブリッジ形
可変リアクタについて深く掘り下げ，その動作原理を図説するとともに，6.78 MHz 動作における性能
解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ

23

図1

可変リアクタによる共振周波数補正と課題に関して筆者が実施した実機実験の結果も踏正の役割について考える．図 1（b）のインピーダ

まえて解説する．最後に可変リアクタ技術の今後のンス Z'rx は送電器から見た受電器のインピーダンス

研究課題について議論する．
共振結合方式ワイヤレス電力伝送は磁界結合を主とする磁界共振結合方式と電界結合を主とする電界共振結合方式の二つに分類でき，その両者に本論であり，図 1（c）の電圧源 V'rx は，送電器が生成した磁界によって受電器内に生じた誘導電圧である．より厳密には，Z'rx（ = R'rx + jX'rx ）及び V'rx はそれぞれ図中の数式により定義される．

文で解説する可変リアクタは適用可能である．ただ

図 1（b）に示す送電器側の可変リアクタンス

し，誌面の都合と可変リアクタに関する従来研究のXvr_tx の役割は，電源から見た力率を改善すること

数を踏まえて，本論文では磁界共振結合方式ワイヤにあり，そのためには送電器内のリアクタンスを可レス電力伝送を例に解説を行う．

変リアクタにより打ち消せばよい．そのとき等価回路は図 1（b'）となり，力率が 1 となるとともに，2 可変リアクタによる共振周波数補正

送電器の寄生抵抗 rtx が十分に小さければ，入力電可変リアクタの解説に進む前に，本章では可変リンスの実部 R'rx に印加される．ゆえに送電器におけアクタによる共振周波数補正について概説する．

る共振周波数補正は力率改善に寄与する．

図 1（a）に磁界共振結合方式ワイヤレス電力伝図 1（c）に示す受電器も同様である．受電器内送の等価回路を示す．この等価回路では，送受電器のリアクタンスを可変リアクタによって打ち消すこのインダクタンス L 及びキャパシタンス C が動作とによって，誘導電圧 V'rx を電源として見たときの環境の影響や経年劣化の影響で，設計値からの変動

力率が 1 となり，また，V'rx はほぼ全て負荷に印加が生じているものと仮定し，この影響を打ち消すた

される．これは送電器が生成した磁界に対して，効めに送受電器それぞれに可変リアクタを接続してい率良く電力を負荷に伝えていることを意味しておる． 図 1（a） の 等 価 回 路 は， 図 1（b） 及 び 図 1

り，受電器における共振周波数補正は伝送効率向上（c）のように送受電器を分離した形に変換できる．

に寄与する．

送受電器を分離した等価回路を用いて共振周波数補24

圧はほぼ全て，送電器から受電器を見たインピーダ

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

上記より，可変リアクタによる共振周波数補正

小特集
表1
構造

実装規模

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

ワイヤレス電力伝送用可変リアクタの分類とその特徴
調整能力

電力

損失

制御容易性

主な文献

トリマコンデンサ △モータが必要

○連続的

○

○

△フィードバック必須（3）

リアクタアレー△部品点数多△離散的△主にリレーによる○△フィードバック必須 （4）（5）（6）

PWM キャパシタ

○○連続的△動作条件による△動作条件による △フィードバック必須 （7）（8）（9）

FET ブリッジ○○連続的△動作条件による△動作条件によるは，本質的にはリアクタンスを打ち消すことによる○フィードバックレス
（10）
（11）
で力率補正可能3.2 リアクタアレー

力率補正とみなすことができ，送受電器のインダク

リアクタアレーはキャパシタとスイッチのみか

タンス及びキャパシタンスにおける設計値からの変ら成るキャパシタアレーと，インダクタを併せて用動を打ち消すことで力率及び伝送効率の改善に寄与いる LC アレーの 2 種類がある．キャパシタアレー

する．ただし，実際の設計では，電源である RF イとはその名のとおり，図 2（b）に示すように多数

ンバータの効率を向上させるために送電器側のリアのキャパシタをアレー状に接続したものであり，スクタンスを完全に打ち消すのではなく，誘導性リア

イッチを用いてキャパシタを選択的に接続すること

クタンスを一部残存させる場合があることを申し添により，その合成リアクタンスを調整する（4）．LC

えたい．

アレーではインダクタ及びキャパシタを用いて L
形のインピーダンス整合回路網を構築した研究など

3

可変リアクタの分類と特徴が知られている（5）．
集中素子を用いるため実現できるリアクタンス

マイクロ波領域で可変リアクタとして用いられは離散的であり，高精度な共振周波数補正を目指すてきたバラクタダイオードは，共振結合方式ワイヤ

ほどに多数の素子が必要となる．また，その性能はレス電力伝送の主な動作周波数である kHz 帯及び素子とスイッチの性能に依存する．特に MHz 帯に

MHz 帯においては取り扱うことができる電力が小おいては，耐圧に優れ，かつ，オン抵抗及び寄生容

さいため，適用可能なアプリケーションが非常に限量が小さいスイッチが必要となるが，上記を満たす

定的である．

半導体リレーは今のところ市販されていない．PIN

そこで本章では共振方式ワイヤレス電力伝送用

ダイオードを使用して実装した例は存在するものに検討がなされている可変リアクタについて解説すの， 扱 っ て い た 電 力 は 最 大 25 mW で あ る（6）．

る．動作原理により大別した可変リアクタの分類をMHz 帯において，より大電力の伝送システムで使表 1 にまとめ，それぞれの構造の一例を図 2 に示用するためにはメカニカルリレーをスイッチとしてす．また，それぞれの特徴を下記にて概説する．

用いるほかないものの，メカニカルリレーは寿命や動作音などの観点からその使用を敬遠される場面も

3.1 トリマコンデンサ

トリマコンデンサは，機械的に電極対向面積を調整することでキャパシタンス調整する可変コンデン存在する．したがって，リアクタアレーの性能は，
アプリケーションなどから生じる素子及びスイッチの制約に左右される．

サの一種である．トリマコンデンサは，図 2（a）のように扇形の電極対が向かい合っている構造と3.3 PWM（Pulse Width Modulation）キャパシタ

なっており，一方を回転させることで電極対向面積

（7）
英語では
“PWM-controlled switched capacitor”

を変化させることができる．その構造ゆえにサイズ

や“variable switched capacitor”（8） と表記されに対する静電容量は非常に小さく，大きなキャパシている技術であるが，ほかの技術であるスイッチト

タンスを得るためには物理的にも非常に大形となキャパシタと混同するのを防止するために，本稿でる．また，機械的機構を用いてキャパシタンスを調は PWM キャパシタと呼ぶこととする．

整するため共振周波数補正に用いるためにはモータ

PWM キャパシタは一般にキャパシタに並列に接も併せて必要となる（3）．一方で，取り扱うことが続して使用し，図 2（c）に示すような FET（Field

できる電力の大きさ及び損失という観点では非常にEffect Transistor）とキャパシタを直列に接続した

優れている．

もの（7）や FET 二つをコモンソースで直列に接続したもの（8）などがある．どちらの方式でも，FET ス
解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ25

イッチング用 PWM 波形のデューティ比を制御す

る．D 級インバータと同様に，上段と下段の FETることにより，並列接続したキャパシタに流れる電を交互にオンオフし，その位相と電源電圧の位相と流量を制御することで，基本波におけるキャパシタの差によってリアクタンスを調整できる．この方式

ンスを仮想的に調整する．

は，理論上，−∞ から ∞ まで任意のリアクタンスを

PWM キャパシタは，理論的には大きな電力を取実現でき，特に電圧源を基準として位相を π / 2 だり扱うことが可能である．しかし，MHz 帯におけけずらしたとき，自動的に力率補正に適したリアク

る検討は筆者の知る限りまだ報告がなく，取り扱う

タンスに収束するという特徴がある．

ことができる電力の大きさや損失などの性能は明ら

この方式はその回路構造から取り扱うことのでかでない．PWM キャパシタのようにスイッチング

きる電力を十分に確保できるだけでなく，D 級インを伴う手法は，一般に動作周波数が高くなるほどにバータ用の IC を流用できる点もメリットと言える．

損失が大きくなるものの，スイッチング条件次第で一方で，FET ブリッジ方式も PWM キャパシタとその損失は最小限に抑えられる．取り扱うことがで同様に，動作周波数と同じ周波数でオンオフを繰りきる電力の大きさも FET における発熱に左右され返すため，その損失と取り扱うことができる電力のるため，損失と同様にスイッチング条件に依存す

大きさは動作周波数とスイッチング条件に依存する．加えて，このスイッチング動作は，インバータる．また，PWM キャパシタと同様にスイッチング

や整流回路と同様に高調波の発生源となり得る点に動作は高調波の発生源にもなり得る点に注意が必要

も注意が必要である．

である．
上述のように，トリマコンデンサ及びリアクタア

3.4 FET ブリッジ

この方式は提案がなされた最初の論文で

レーの欠点を補う方式として，PWM キャパシタ方

Automatic Tuning Assist Circuit（ATAC）と名付

式と FET ブリッジ方式が台頭してきている．PWM

けられているものである．本論文ではその構造

キャパシタ方式と FET ブリッジ方式は大電力を取がイメージしやすいよう，あえて FET ブリッジ方

り扱うことができる上，連続的な可変リアクタであ式と呼ぶこととする．

る．図 3 に FET ブリッジ形可変リアクタを筆者が（10）

FET ブリッジ方式では図 2（d）のように二つの片面基板で実装したものを示すが，この写真からもFET と一つのキャパシタを用いる．D 級インバー

分かるとおり，ディスクリート IC を用いたとして

タと回路構造が非常に似ており，違いは FET ブリッも小形に実装することが可能である．一方で PWM

ジ形可変リアクタには DC 電圧源がないことであキャパシタと FET ブリッジ方式はその性能が動作

図2
26

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

可変リアクタの分類と構造の一例

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

周波数とスイッチング条件に依存するという欠点がび負荷 R + jX を直列に接続した場合のみを想定しあり，可変リアクタの各方式は一長一短の特徴を有ているわけではないことに注意されたい．電源 Vする．

及び負荷 R + jX は，鳳－テブナンの定理に基づき

ただし，FET ブリッジ形可変リアクタにはほか得られる，FET ブリッジ形可変リアクタから見たの手法にはない特異な特徴がある．それはフィード等価電圧源及び等価直列インピーダンスを表してい

バックがなくとも力率補正を実現できる点にある．

る．

繰返しとなるが，電源電圧とスイッチングの位相を

FET ブリッジ形可変リアクタの動作をその一例

π / 2 ずらしておくだけで，自動的に力率補正がなにより説明する．ここでは図 4 に示す吹き出しのされる．ほかの手法とは異なり，電流や電圧の位相ようにワイヤレス電力伝送システムの送電器側におを計測・フィードバックする必要がなく，システム

いて，可変リアクタを用いて力率補正を行う場合をを単純化できる点が FET ブリッジ方式の最大のメ

取 り 上 げ る． つ ま り， 等 価 直 列 イ ン ピ ー ダ ン ス

リットと言える．

R + jX はワイヤレス電力伝送システムの入力イン

しかし，これまでの FET ブリッジ形可変リアク
タに関する研究報告は kHz 帯が主であり，日本国

ピーダンスに相当し，可変リアクタの所望のリアク
タンスは−X である．

内で磁界共振結合のワイヤレス電力伝送に割り当て

FET ブリッジ形可変リアクタによる力率補正のられている 6.78 MHz での動作報告は非常に限定

基本原理は，所望のリアクタンス−X で生じる電圧

的である．そこで次章以降では，FET ブリッジ

降下−XI を生成することによって，−X の可変リア

形可変リアクタの 6.78 MHz 動作に関して筆者がクタを仮想的に実現するものである．ただし，FET実施した実測結果も踏まえて議論する．FET ブリッブリッジ形可変リアクタは D 級インバータとは異ジ形可変リアクタの動作原理を一歩深く解説するとなり DC 電圧源が接続されていない．D 級インバー

ともに，その動作原理から見えてくる高周波数動作

タでは DC 電圧源が接続されるため，これにより出における現状と課題を実測結果も踏まえて把握す

力電圧が決定されるのに対し，FET ブリッジ形可る．

変リアクタにおけるキャパシタの DC 電圧 Vcap は可（12）変リアクタへの入力電流 I を整流することによって

4

FET ブリッジ形可変リアクタの基本原理生成される．
FET ブリッジ形可変リアクタの動作は等価直列
インピーダンスの虚数成分 X の正負によって異なFET ブリッジ形可変リアクタの動作原理を解説

る．今回は簡単のため X > 0 に限定して図説する．

し，その特徴であるフィードバックを用いずとも力

このとき，FET ブリッジ形可変リアクタは−X なる率補正が実現できるメカニズムを明らかにする．

容量性リアクタンスを実現すればよい．実現するリ

図 4 に示す等価回路を用いて解説する．この等

アクタンスが容量性の場合，図 5 に示すように，

価回路は FET ブリッジ形可変リアクタに電源 V 及

FET ブリッジ形可変リアクタからの出力電圧が電

図4
図3FET ブリッジ形可変リアクタの実装例

FET ブリッジ形可変リアクタによる送電器側力率補正の動作イメージ
解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ27源電圧 V より π / 2 だけ位相が遅れるようゲート
ソース間電圧を生成する．FET ブリッジ形可変リアクタの動作はキャパシタの DC 電圧 Vcap がその定常状態の値 Vth との大小により異なるため，以下ではその各場合の動作を示す．

4.3 Vcap > Vth のとき

キャパシタの DC 電圧が Vth よりも大きくなった

とき，FET ブリッジ形可変リアクタのリアクタン

ス Xvr は Xvr < −X であるから，電流 I の位相は電源

V の位相よりも進んでいる．このとき，図 5（c）に示すようにキャパシタに流入する電荷量は負とな
4.1 Vcap < Vth のとき

り，キャパシタの DC 電圧 Vcap は下降を続ける．こキャパシタの DC 電圧が Vth にまだ達していないのフェーズでは FET ブリッジ形可変リアクタはイ

とき，FET ブリッジ形可変リアクタのリアクタン

ンバータ動作を行っているものといえ，キャパシタ

ス Xvr は−X < Xvr ≤ 0 であるから，X + Xvr > 0 であの DC 電圧 Vcap が下降を続けることにより，リアク

り電流 I の位相は電源 V の位相よりも遅れている．

FET ブリッジ形可変リアクタのキャパシタに電流が流入するのは vgs1 = high かつ vgs2 = low の間であタンス Xvr は所望値−X に近づいていく．

上記のように，キャパシタの DC 電圧 Vcap は図 5

り，図 5 には可変リアクタに電流が流入するとこ（a）の整流動作，若しくは図 5（c）のインバータ

ろを赤，流出するところを青で示している．図 5

動作を経て，最終的には図 5（b）の定常状態で平（a）から分かるように，電流 I の位相が電源 V の衡値である Vth に収束し，このとき電源電圧 V と電位相よりも遅れているときキャパシタに流入する電流 I の位相が一致する．これは力率が 1 となってい荷量は正となり，キャパシタの DC 電圧 Vcap は上昇ることと等価であり，自動的に力率補正がなされて形可変リアクタは整流動作を行っているものと言え今回は X > 0 としたため，FET ブリッジ形可変る．キャパシタの DC 電圧 Vcap は上昇を続けること

リアクタは容量性リアクタンスを実現するために電いく．

ゲートソース間電圧を生成していた．X < 0 の場合を続ける．つまりこのフェーズでは FET ブリッジ

により，リアクタンス Xvr は所望値−X に近づいていることを意味している．

源電圧よりも π / 2 だけ位相が遅れるように FET のには逆に電源電圧よりも π / 2 だけ位相が進むように FET のゲートソース間電圧を生成することで，

4.2 Vcap = Vth のとき

キャパシタの DC 電圧が Vth に達したとき，定常状態となる．このとき FET ブリッジ形可変リアク

る誘導性リアクタンスを実現できる．また，本稿でタのリアクタンス Xvr は Xvr = −X であるから，電は詳細な解説を行わないが，X の正負にかかわらず

流 I の位相は電源 V の位相と一致している．図 5

単一の位相変位のみで力率補正が可能である FET（b）に示すように，このときキャパシタに流入す

ブリッジ形可変リアクタ向け入力回路網も提案される電荷量は相殺されて 0 となり，キャパシタの DCている（13）．

電圧 Vcap は Vth を維持する．

図5
28

キャパシタの DC 電圧が平衡値に達したとき−X な

電源電圧 V との位相差を π / 2 に限定せず，より

FET ブリッジ形可変リアクタの定常状態と過渡状態における動作

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集
一般的な動作についても概説する．図 6 にて解説に用いるパラメータを定義する．T は周期，f は動作周波数，ϕ は電源電圧 V に対する Vvr の位相差で未来社会を支えるワイヤレス電力伝送
FET ブリッジ形可変リアクタの 6.78
5 MHz
動作

ある．ここではデットタイム Δd もまた図 6（a）

磁界共振結合のワイヤレス電力伝送は日本国内

中で定義している．デッドタイムとは Q1 及び Q2

では 6.78 MHz で標準化されている（14）．FET ブの両者が共にオフとなる時間であり，これは Q1 及

リッジ形可変リアクタを 6.78 MHz で動作させた

後述するように損失低減の観点からも Δd は重要な

ムなどの動作条件との関連に関する議論はこれまで

パラメータである．

報告がない．そこで，本稿では，FET ブリッジ形

び Q2 が同時にオンとなるのを防止するとともに，

Δd を簡単のため 0 として解析すると，誌面の都報告は既にあるものの（12），その損失とデッドタイ

可変リアクタの性能劣化要因について説明したの合上導出過程は割愛するが，FET ブリッジ形可変

ち， 筆 者 が 計 測 し た 6.78 MHz に お け る FET ブ

リアクタの動作可能範囲は tan （X/R）−π / 2 ≤ ϕ ≤リッジ形可変リアクタの実測結果を報告する．

−1tan （X/R）+ π / 2 を満たす ϕ の範囲であり，その−1ときのリアクタンスはXvr = − d R + X n
tanϕ

（1）

動作周波数の上昇に伴う性能劣化要因はスイッチング損にある．動作周波数が高くなるほど FETにおけるスイッチング損が問題となることが，D 級
インバータの研究により知られている．FET ブリッ

により記述できる．この式からも X > 0 のときにジ形可変リアクタの回路構造は D 級インバータのは ϕ = π / 2 で Xvr = −X であり，X < 0 のときには回路構造と酷似しているため，その特性は D 級イ

ϕ = − π / 2 で Xvr = −X となることが分かる．リア
クタンス Xvr のダイナミックレンジを調べるため，
位相 ϕ の関数としてリアクタンス Xvr を描画した結ンバータの知見を応用して説明できる．
スイッチング損とデッドタイムの関係について

果を図 6（b）に示す．図 6（b）から，理論上は−の FET がオンとなる際に生じるスイッチング損を∞ から +∞ まで任意のリアクタンスが実現可能であ例に説明する．下段の FET がオンとなる際には，ることが分かる．また，キャパシタの DC 電圧の平オフ状態のときに寄生キャパシタンスに蓄積した電衡値 Vth は荷が，オン状態になったときにドレーン側からソー

Vth =

π|V |
| Xvr sinϕ |2R（2）

図 7 を用いて図説する．図 5（b）の条件下で下段

スに流入することで結果として損失になる．図 5（b）から分かるように，上段の FET がオンからオである．ただし V は実効値ではなく，波高値表記でフとなるタイミングでは，電流は可変リアクタからある．Xvr が ± ∞ に漸近する場合でも，Vvr は π | V |流出する方向に流れているため，上段下段両者の/ 2 に漸近するため，過度な電圧ストレスがかかることはない．

FET がともにオフの間は寄生キャパシタンスに蓄積した電荷を抜き出す．これにより，可変リアクタの出力電圧 vvr (t ) は減少するが，図 7（a）に示す
ように，デッドタイムが短く電荷を抜き出し切れずに下段の FET がオンとなると，蓄えられていた電

図6

FET ブリッジ形可変リアクタの理論解析
解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ

29

荷がドレーン側からソースに流入することで損失とる．

なる．一方でデッドタイムは長ければよいわけでは

上 記 の 議 論 を 踏 ま え て，6.78 MHz に お け る

なく，図 7（b）に示すようにボディダイオードにFET ブリッジ形可変リアクタの実測結果を見ていよる損失が生じる．したがって，損失を低減するた

きたい．図 8 に実測環境を示す．可変リアクタをめには，可変リアクタの電圧 vvr が 0 となるタイミ

構 成 す る FET と し て EPC8010 を 選 定 し た．

図 5（b）は可変リアクタが容量性リアクタンス

また，出力キャパシタンスが小さいことから，ス（Xvr < 0）を実現する場合の動作を示しているが，イッチング損を低減できる．本実験では EPC8010

ング付近でオンにしなければならない．

EPC8010 は GaN FET であり高周波特性に優れる．

誘導性リアクタンス（Xvr > 0）を実現する場合にの評価基板 EPC9068 を用い，可変リアクタ及び入は，上段の FET がオンからオフとなるタイミング

力 電 圧 源 を 実 装 し た． ま た， ゲ ー ト ド ラ イ バ

では，その電流は可変リアクタに流入する方向に流LM5113 への入力信号は FPGA ボード DE0 を用いれているため，デッドタイム中に電荷を逆に蓄えてて生成した．本実験において入力電圧源である

しまう．ゆえに Xvr > 0 のときには，デッドタイム

EPC9068 への DC 入力電圧 VDC は 10 V で固定とは上段下段の FET が共にオンとならない限り短いした．インピーダンスの計測には Tektronix 社製オ

ほうがよく，また，スイッチング損が Xvr < 0 と比シ ロ ス コ ー プ MDO3024 及 び 電 圧 プ ロ ー ブ

較して大きくなることから，動作周波数が高くなる

TPP0250，電流プローブ TCP0030A を用いた．計ほどにその損失がリアクタとしての動作の妨げにな

測 に お い て は 誤 差 を 最 小 化 す る た め に OPEN/
SHORT/LOAD 補正を施した．標準 DUT（Device
Under Test）には HUBER+SUHNER 社製 RF ター
ミネータ 65_SMA-50-0-1/111_N を使用した．
デッドタイム Δd とリアクタンス X の正負が可変リアクタの動作に与える影響を調べるため，負荷 A（10.69-j50.28）， 負 荷 B（10.12+j50.11） の そ れ
ぞれに対し，デッドタイムを変化させながら可変リ
アクタのインピーダンスを計測した．可変リアクタの損失抵抗 Rvr 及びリアクタンス Xvr の実測結果を
図 9 及び図 10 に示す．リアクタンスが負である負荷 A の場合には，可変リアクタのインピーダンス

Zvr が理論値 ϕ によらず大きくずれており，理論ど
図 7 FET ブリッジ形可変リアクタにおけるスイッチング
損

図8
30

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

おりに動作しているとは言い難い．これは上述した損失による影響であると考えられる．図 9（a）に

実測環境

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

示す損失抵抗を見ると，デッドタイムが短いほど損が大きいほど，可変リアクタの出力電圧も大きくな

失抵抗も小さくなっており，これは上の議論とも一るため，デッドタイムに抜き出さなければならない

致する．それに対してリアクタンスが正である負荷

電荷量が増えるためである．

B の場合，ϕ ≥ π / 4 の範囲では，リアクタンス Xvr

上記の実測結果より，FET ブリッジ形可変リアの値と理論値はよく一致している．また，損失抵抗

クタの 6.78 MHz 動作において，リアクタンス X

Rvr についても ϕ ≥ 3π / 8 であれば，損失抵抗も比較的小さくなっており，特に力率補正に用いる ϕ =π / 2 においてはデッドタイム Δd = 0.06T のときに損失抵抗 Rvr = 0.60（Ω）であり，このとき可変リアクタの Q 値は約 80 である．一方で，負荷 B であっても ϕ < π / 4 の範囲では損失抵抗が大きく，が正でありかつ ϕ = π / 2 付近である場合には，理論値に近く低損失な動作が可能であることが確かめられた．一方で，リアクタンス X が負の場合には理論値どおりの動作は得られなかった．ゆえに，6.78 MHz において力率補正に用いる際には，共振器のリアクタンスの設計値を 0 ではなくあらかじ

リアクタンスも理論値とは大きくずれてしまっていめ誘導性にしておくことによって，動作環境などのる．

影響を受けたとしてもそのリアクタンスが負となら続いて力率補正に対する性能を調べるために，ϕ= π / 2 で固定し，負荷のリアクタンスを正の方向に変化させた際の損失抵抗 Rvr 及びリアクタンス
Xvr を計測した．その結果を図 11 に示す．図 11 かないように設計するのがよいものと考えられる．よす場合には，可変リアクタのリアクタンスは理論値と非常に近い傾向を示す．また，損失抵抗 Rvr が最6 可変リアクタに関する今後の研究課題

小となるデッドタイムは各リアクタンス X に応じ

可変リアクタに関する研究の方向性として，既存て異なっており，X が大きくなるに従ってデッドタの方式の低損失化以外に二つの視点を議論したい．

イムも長くなる傾向にある．これはリアクタンス X

一つ目は新たな可変リアクタ方式の考案である．E

り汎用的な可変リアクタとして使用するためには，低損失化が最たる課題であり，今後の研究の進展が期待される．

ら見て取れるように，誘導性リアクタンスを打ち消図9

負荷 A（10.69-j50.28 Ω）に対する可変リアクタンスの実測値

図 10

負荷 B（10.12+j50.11 Ω）に対する可変リアクタンスの実測値
解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ

31

図 11

力率補正動作時における可変リアクタのインピーダンス実測値

級インバータのトポロジーを応用した可変リアクタ

技術の研究開発は今後ますます，低損失化，高周波（15）など低損失かつ高周波数動作可能な可変リアクタ

数動作，制御の簡素化など様々な観点から検討が進の研究も報告され始めているが，今のところ決定的められていくことになろう．ブレークスルーを起こな技術進展はなく，今後も検討が進んでいくものとす新たな可変リアクタ方式が発案されることを期待考えられる．また，既存の可変リアクタを複数組みするとともに，筆者自らも果敢に挑んでいきたい．

合わせるハイブリッド型可変リアクタも議論する価値があるものと筆者は考える．例えば，低損失動作の研究が先行している PWM キャパシタと，フィードバックレスで力率補正が可能な FET ブリッジ形
可変リアクタとを組み合わせることにより，両者の欠点を補い合った可変リアクタを実現し得る．
もう一つの視点は受電器側の可変リアクタ制御である．受電器側で力率補正を施すためには，既存の技術では Bluetooth（9） や赤外線通信（16） などの無線通信の併用が必須であり，システムの複雑化を招くと同時に，周波数資源の有効活用という観点から も 望 ま し く な い． 給 電 と 同 時 に 通 信 も 行 う
SWIPT（Simultaneous Wireless Information andPower Transfer）技術に基づく可変リアクタ制御
や，通信を用いない受電器側自己完結型の可変リアクタ制御に関する研究が今後一層進むものと考えられ，現在筆者も FET ブリッジ形可変リアクタの通信を用いない受電器側制御の検討を進めている（17）．

7 あとがき工場や居住空間など多様な動作環境において必
要な電力を安定的に給電するための可変リアクタ技
術について解説した．本論文で特に焦点を当てた
FET ブリッジ形可変リアクタは，6.78 MHz 動作
におけるスイッチング損など検討の余地が残されているものの，フィードバックなしで力率補正可能であるという，ほかの方式にはない特徴を有しており，より一層の研究の進展が期待される．
共振方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ
32

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

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Jan. 2021.
（2020 年 11 月 9 日受付，2021 年 1 月 6 日再受付）

成末義哲 （正員）
平 24 東大・工・電子情報卒．平 29
同大学院情報理工学系研究科博士課
程了．現在，同大学院工学系研究科
講師．博士（情報理工学）．無線電力
伝 送，セン サ ネットワーク，‘ もの ’の イン タ ー ネット 等 の 研 究 に 従 事．
平 24 IEEE RWS The Second Best
Student Paper Award， 平 24 電 気
電子情報学術振興財団原島学術奨励賞， 平 30 IEEE CCNC Best Paper Award， 令 2 ACM IMWUTDistinguished Paper Award 等各受賞．本会無線電力伝送研究専
門委員会幹事補佐，無線通信システム研究専門委員会専門委員，
超知性ネットワーキングに関する分野横断型研究会専門委員会専
門委員，IEICE Electronics Express 編集委員．IEEE，情報処理学
会各会員．

解説論文

共振結合方式ワイヤレス電力伝送向け可変リアクタ

33

IoTデバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム
Indoor Microwave Power Transfer System to Realize Fully True Wireless IoT Devices
三友敏也

Toshiya Mitomo†

近年の IoT デバイス普及に伴い，センシングデータ等の送受信の無線化が進んでいる．一方で電源配線は残るため，配線が困難な箇所 ( 動く場所・狭い場所・高所等 ) への設置が難しい．電池を用いることで配置の制約は解消されるものの，ある程度 ( 平均 1 mW 超 ) の消費電力では電池交換が必要となり，多額の交換コストが発生してしまう．解決手段として，マイクロ波により数 m 先のセンサ等デバイスに電力を届けるマイクロ波電力伝送技術が注目を集めている．本論文では数〜 10 m 程度のエリアに対し最大数百 mW 程度の電力を送電可能な 5.7 GHz 帯を用いたマイクロ波
給電システムの紹介を行う．

Summary

Key Words

マイクロ波給電，ビームフォーミング，無線 IoT

1 背景・概要
1.1 マイクロ波遠隔給電のあらましの給電も将来的に大きな需要が見込まれるユース
ケースとなる．
マイクロ波として 5.7 GHz 帯（世界的に ISM バ

近年のインダストリー 4.0 等に向けた IoT（Inter-

ンド（産業科学医療用バンド）として用いられる周net of Things）デバイス普及に伴い，センシング波数帯）を用いた際の送電距離と受信電力の関係を

データ等の送受信の無線化が進んでいる．一方で電図 2 に示す．
（受電側アンテナサイズは数 cm〜10

源確保のための配線若しくは電池が必要となる．情cm 程度のサイズを想定．
）1 mW 以下程度で動作報の無線化ができたとしても電源配線により IoT

可能な無線受動センサから , 少なくとも数 W が必

デバイスが配置困難となる問題を根本的に解決する要となるモバイル機器を対象とした図となっておことができない．電池を用いることで配置の制約はり，図中の点線で示される数値は送電 EIRP（等価解消されるものの，ある程度（平均 1 mW 超）の等 方 放 射 電 力 ） を 示 す． な お， 点 線 の 左 下 が 各

消費電力では電池交換（ボタン電池（CR2302 等）

EIRP でカバー可能な距離・電力の領域となる．こでは 1 か月に 1 回の交換に相当）が必要となり，の図より各種能動センサ（100 mW 程度）までを多額の交換コストが発生してしまう．

数 m で動作させるためには 70 dBm 程度の EIRP

この問題の解決手段として，マイクロ波により数が必要であることが見積もられる．なお，1〜数m 先のセンサ等デバイスに電力を届けるマイクロmW 程度の機器に対しては複数（最大数十台程度）

波電力伝送技術が注目を集めている（1）〜（3）．図 1 に想定されるマイクロ波給電を適用したアプリケー
ション・ユースケースの例を示す．無線給電の利点
として数 m 以上の距離の伝送かつ複数台数への給電が可能な点を生かし，工場・プラント及び物流現場におけるセンサ類の完全無線化が可能となる．配線工事・電池交換が不要となるため，旧型装置に
IoT デバイスを添付するレトロフィットによる IoT化が容易に実施可能となる．更なる発展として，より一般的な環境でのモバイルデバイス等各種機器へ† （株）東芝 研究開発センター，川崎市

Corporate Research & Development Center,Toshiba Corp., Kawasaki-shi, 212-8582 Japan34

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

図1

マイクロ波給電アプリケーション例ⓒ電子情報通信学会 2021

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送
ビーコン信号を送電と同じ複数アンテナで受信し，その位相情報から給電時のビームを生成するレトロ
ディレクティブビームフォーミング（RD-BF）方式（1）は，受電ターゲットに対し電力合成を行うことが可能であり，大きな電力の送電に対応可能である．一方で RD-BF 方式は給電・受電装置が 1 対 1となるため，多数の IoT センサノードに対してはそのまま利用することができない．
複数ターゲットへ必要な電力を送電するべく，複数給電対象に同時に送電可能なビーム生成を行う手

図2

マイクロ波給電受信電力と送電距離の関係への給電が可能となる．

法 max-sum方式（6） や max-min

方式（7） が提案されている．max-sum 方式は複数給電対象に対する給電総量が最大となるようなビームを生成す

上記のように実際の IoT デバイスを駆動するたるものであり，max-min 方式は複数給電対象のうめには EIRP 70 dBm 程度が必要となるが，このち最も受電電力が小さくなる対象への給電電力量を

EIRP の値は同様の 5 GHz 帯の無線機器である無最大化するビームを生成する同時複数給電の実現を

線 LAN AP（アクセスポイント）に対し 30 dB 以狙うものである．しかしながら，前者は一部の給電上高い値となるため，一般的な無線機器のハード

対象に電力が集中する場合でも条件を満たしてしま

ウェア構成では実現が難しいものとなる．また，大うケースがあること，後者は最小値の改善はあるも電力の無線信号を出力することはほかの無線機器へのの全体的に給電電力が低減する課題がある．更の混信等の低減や人体への影響を考慮（電波防護指に，両者ともにハードウェア実装時の制約により，

針更なる給電電力の低減が発生する．

（4）を遵守）する必要がある．なお、現時点では

電波法関連法で定義されていない無線機器となるた

第 1 の制約は受電装置の入力 RF 電力に対する整め、ほかの無線との共存・人体防護に関して現在法

流効率の非線形性（8）である．RF 入力信号の DC 信整備の活動が実施中である（5）．したがって，電力号への整流はダイオード等の非線形素子を用いるたの伝送のみならずほかの無線との共存等実際の利用

め，その効率は入力電力に対し非線形に増減する．

にあたっては必須の技術となる．

同時給電を行った際に各受電装置への受電電力が単

本論文では，ビームフォーミング技術を利用し複一への給電に対し低減するため，整流効率が大きく数の受電ターゲットに対し最適な電力供給を実現す

劣化してしまう．第 2 の制約は送電出力用増幅器

る時空間給電アルゴリズム，小形かつ数百 mW オーの最大出力電力の制約（9）である．複数同時給電可

ダーの電力を供給可能な EIRP 70 dBm を実現しつ

能なビーム生成には各アンテナ素子の出力振幅・位

つ , ほかの無線への影響を低減した送電器技術を紹相を含めた制御（BF ウェイト）が必要となるため，介する．

給電装置の送信回路には広い出力ダイナミックレンジが必要となる．したがって，過大な出力電力マー2マイクロ波ビームを利用したマルチセンサデバイスへの無線給電

2.1 あらまし前章にて述べたように IoT 無線機器の配線・電ジンを備えた給電システムの構築が必須となってしまう．また、無線 IoT デバイスは通信を任意に行うため，充電可能な二次電池を搭載することが前提となっており，必ずしも同時多数給電を行う必要がない．

池交換を不要とする手段の一つとして，マイクロ波

このような実装面も含めた課題を解決するため，による遠隔給電が近年着目されているが，十分な電時間・空間で複数受電装置への給電を最適化する

力を受電側デバイスに届けることが課題となる．マ

時空間 BF アルゴリズム

イクロ波をアンテナから放射する給電において，複制御により各受電装置の要求電力量を満たす給電を

数アンテナを用いることでアンテナから発生した電高速に実施することに成功した．以下，提案のアル力を，受電デバイス側で合成するビームフォーミン

ゴリズム及び同アルゴリズムを適用した実機評価結グ（BF）技術を用いた給電システムは，給電電力,果を述べる（3）（10）．

を提案し，位相のみの密度において有利となる．特に，受電側からの電波
解説論文

IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

35

なる．
）受電装置は整流後の DC 出力電力を測定し2.2 提案時空間 BF アルゴリズム

前節で述べた課題を解決する手段として， 時空ており，第 3 のステップとして送電装置に受電電を提案する．前節にて述べた力及び要求電力量を送付する．なお，受電器は無線

ように，RD-BF 方式のみでは複数給電対象への最センサ等であることが前提となるため，既存の無線

適な給電は不可であるが，時分割給電を組み合わせ

規格にて通信を行うことが前提となる．ここで，ることによりこの課題を解決している．時分割を適番目の受電装置に対して用することで各受信デバイスへの給電は離散的となた電力をるが、前節に記載したように二次電池を搭載したシ各受電装置からの電力フィードバック情報に基づ

ステムに対しては運用が可能である．

き，各 RD-BF パターン（間 BF アルゴリズム

図 3 に提案アルゴリズムの概要を示す．提案法

間隔,番目のビームで受電しとする．続いて第 4 のステップでは）に割り当てる時間を最適化する．給電時間は供給電力に対応

は図の下側に示される五つのステップに分割するこする．最後に第 5 のステップとして各 BF パターンとができる．第 1 のステップは RD-BF に必要な伝を最適時間間隔で本給電を実施する．

搬路推定であり，台の受電装置から順番に給電

この給電方式で扱う最適化問題は，最小の時間でと同一周波数の正弦波信号がビーコンとして送信さ必要な電力量を送付することとなるため，総給電時れる．給電装置は送電に用いる間すなわち各 BF パターンによる給電時間

個のアンテナ素子それぞれに受信機も備えており，各素子の位相・の合計値を最小化することに対応しており，以下となる．

振幅情報から給電装置­各受電装置間の伝搬路（ =1,2,…, ）を推定する．
（前節にて述べたレト
ロディレクティブ制御を指す．
）第 2 のステップでは得られた伝搬路に基づいた RD-BF による短時間

各受電装置には二次電池や消費電力に依存する要求の試行給電を合計

電力量があるため，各給電対象に対し給電される総回実施する．
（受電器数と同一の伝搬路に基づくビーム生成を行う場合は

図3
36

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021=と電力量，すなわち前記の各ビームの受電電力“ 時空間 BF アルゴリズム ” の概要

,

小特集

図4

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

給電の線形最適化問題（ =2）の例と給電時間の積の総和が要求量を超える必要があり，以下で表される．

上記の制約に時間は正の実数となる前提を加えると，上記の最適化問題は線形計画問題として形式化することができる．線形計画問題では，各制約条
件が線形一次関数となるため，解が許容される領域
が図 4（給電装置が二つの場合の例）に示すように多角形で表され，その頂点に最適解が存在する．三図5

つ以上の給電装置が存在する場合（ >2）は多角形

マイクロ波給電装置構成

が多面体で表され，図による解導出が困難となるが，シンプレックス法を用いることにより高速に探入力され，ビームフォーミングに必要な位相制御及び索可能である．なお、対象となる受電デバイス

必要な電力をアンテナに供給する役割を持っており、の位置や要求給電電力は変化する可能性があるが，図に示すようにビームフォーミングの信号ベクトルを生提案の最適化を都度行うことにより対応することが成するための可変利得増幅器（VGA）
・6 ビット精度可可能となる．

変移相器及び 12 dBm 出力の出力アンプにより構成さ2.3 給電・受電装置構成

き補正や位相・振幅制御を行う従来手法（ max-sum（11）

れている．なお、VGA は各素子間の出力レベルばらつ
図 5 に 64 素子のフェーズドアレー給電装置の構成

及び max-min ）検証に用いる．RF 部の受信回路

図を示す．給電装置の送受信部は高周波信号を扱う（RF 部図面下側のパス）はビーコンを受信することを64 個の RF 部信号分配・受信信号処理部より構成さ目的とし低雑音増幅器（LNA），VGA 及び直交 LO 信

れている．信号分配は外部から供給される高周波信号号を扱う直交復調器（ミクサ回路）により構成されてを 4 段の信号分配器により 64 分配する構成となっている．直交復調器は LNA からの出力信号と信号分配・

おり，外部コンポーネントと表面実装素子とを組み合わ

受信処理部から供給される 5.7 GHz 帯正弦波信号とせた構成となっている．

を乗算することで低周波（直流）の直交信号出力をコ

RF 部は給電用の送信及び受電装置からのビーコン

ネクタを介して信号生成・分配及び受信信号処理を行

信号受信機能を備えたものとなっており，信号送受はうベースボードに伝送する．出力された信号はアナロ

給電装置のモードに応じアンテナ出力端の切換スイッ

グ・ディジタル変換回路（ADC）に接続され，直交受チ（SPDT）により制御される．RF 部搭載の送信回路

信信号を用いることで，各受信素子の位相・振幅情報（RF 部図面上側のパス）は送信時には信号分配・受信はディジタルドメインで取得される．RF 部は図 6 に示処理部から 64 分配された 5.7 GHz 帯正弦波信号がすように 50 mm 角のサイズとなっており，同一サイズ
解説論文

IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

37

のパッチアンテナ（利得約 7 dBi）を表面実装コネクタ点の測定を実施している．
図 9 に上記の評価結果を示す．同図（a）は給電装を介して接続する構成となっている．
受電装置の構成を図 7 に示す．アンテナからの受電

置の各アンテナからの出力信号位相を全て同一（等位信号は整流器モジュールに印加され，負荷として 10相）としたものとなっている．この条件と同一の送受アk Ωの抵抗を接続している．また，出力 DC 信号は同ンテナの位置関係において RD-BF を実施した結果は一基板上の Bluetooth® low energy（BLE）モジュー

同図（b）に示されており，ピークの受信電力が等位相ルに搭載の汎用 ADC により取得される．BLE は IoT条件に対し約 2 dB 向上し，電力半値幅は約 65 mm・向け通信として用いられるケースが多く，給電信号周

3.7 となり鋭いビーム特性が得られることが確認され波数と大きく異なり給電と同時に利用可能であるためる．なお，ピーク電力となる位置と中央からのずれ（10制御無線通信として採用した。送電装置にも BLE が㎜程度（約 0.6 度））は各送信素子の位相・振幅誤差

搭載されており、ビーコン送信・受電切換の SPDT ス

によるものであり，詳細なキャリブレーションによる精イッチの制御及び提案の時空間 BF アルゴリズムに必度向上が可能であると考えられる．

要となる受電出力電圧の給電装置への送信等の制御を受電用アンテナを中央から移動させ，都度 RD を個別に実施した際の各位置における受信電力を同図（c）

行う．

に示す．一様に高い受信電力が得られており，最大・最小値の比は 2.3 dB となった．

2.4 評価結果

試作した給電装置に対し図 8 の測定系にてビーム
フォーミング特性の評価を行った．給電装置からのビー
ムを受電するアンテナを 1 m の距離に設置し，同アン
テナを XY ポジショナにより水平・垂直方向に 100
mm 移動した際の受電電力をパワーメータにて測定した．アンテナは 10 mm ステップで移動させ，計 400

図6

図8給電装置外観図738

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

受電装置構成ビームパターン評価構成

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

図 10
表1

複数対象への給電評価

各 BF パターンに対する受電電力

表 1 に試行給電・最適化後の各 BF パターンに対す
る受電電力及び最適化された ，図 11 に送電時間に対する積分電力の測定結果を示す．本測定は受電ター
ゲット数が 6 系統となるため、利用するビームの種類は同じく 6 種（BF1〜BF6）となる。また、図中の受信ターゲット Rx2 に関しては、近傍の Rx1 及び Rx3 向
けの給電ビーム（表中の BF1 及び BF3）にて必要な電力を賄うことが可能となるため、最適化により利用しな
い結果となった。各ビームによる受信ターゲットに対する供給電力値及び受電要求電力を用いて各ビーム出力
図9

ビームパターン評価結果

時間を最適化する提案法による最短充足時間が 134 秒と予測されたことに対し，測定結果も同一の時間で図に示すように全受電装置の要求値に到達している．一図 10 に給電評価系の構成を示す．送電周波数は方，全受信電力を最大化する max-sum については，

5.725 GHz，各アンテナ素子の空中線電力を 1.6 mW

一部の受電電力は大きいものの受電電力に偏りが生じ，（総送電電力約 100 mW（20 dBm））とした．この際

Rx4-6 についてはほとんど給電できていない．最小受の最大 EIRP は 58 dBm に相当する．受電装置 6 台に信電力を最大化する max-min では，1 台当りの供給

対する給電を行い，伝送距離は最近接のもので 1.0 m

電力の減少が整流器の効率を大きく劣化させることにとしている．図に示すように Rx1-3 を密集，Rx4，5 をより，全受電機の要求値を充足するためには提案法の分散，Rx6 を孤立させて配置している．各受電器の要約 40 倍の時間を要する結果となった．提案法により短求電力量は 1 mW の電力で 10 秒間給電（駆動若しく

時間で全受電器の要求電力量を充足可能であることがは充電）することを想定し一律 0.01 J に設定した．提確かめられた．

案手法との比較のため，従来手法である max-sum・
max-min 手法を適用した測定も併せて実施している．
解説論文

IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

39

図 11

受電電力量の時間変化

2.5 まとめ複数の IoT センサへの遠隔給電において実ハード

側面へ
の漏えい

ウェアの制約下で，短時間で要求受電電力量を充足可能な時空間 BF アルゴリズムを提案した．64 素子の給電装置にて同アルゴリズムを適用した給電評価を行った結果，従来の複数給電アルゴリズムに対し，40 倍高速に要求電力量を供給できることが確認された．

タイルベース・三角配置を採用した小形かつ EIRP
3 70dBm
出力を実現するマイクロ波給電システム
3.1 あらまし１．にて説明したように，消費電力が数百 mW

40

図 12

マイクロ波給電装置の設置条件とほかの無線シス
テムとの共存以上のカメラ等の起動や 1〜数 mW の IoT デバイ

定される典型的なマイクロ波給電システムの設置例

スを多数給電するためには，70 dBm 程度の EIRPを示したものである．給電信号の発信源となる給電で給電が必要となる．一方でより小規模な給電対象

装置は天井に設置されることにより，屋内の広範囲に限定される場合は 40〜50 dBm の EIRP の給電に設置された IoT 等の機器にビームフォーミング

能力で運用可能なケースもある．したがって，マイによる給電を行うことが可能となる．一方でマイク

クロ波給電システムの送電装置は 40〜70 dBm のロ波給電システムが設置されている空間（建屋）の

EIRP をカバーできることが望ましい．

外部には利用者が異なる近傍周波数の無線機器（無また，EIRP が高い無線システムでは，キャリア

線 LAN や気象レーダ等）が存在する．したがって周波数が近い既存無線システムへの影響が課題とな

受電ターゲットには必要な電力（EIRP=70 dBm）

る．例えば 5 GHz 帯無線 LAN システムは ISM バを送信しつつ，側面方向への信号の漏れは既存無線

ンドではあるものの，C バンド気象レーダに対するシステムへの影響がない程度に低減する必要があ

干渉を考慮したシステムとなっている．図 12 は想る．また，天井等への設置を容易に行うためには当通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

然ながら装置の小形・低コスト化も必須となる．
3.2 給電に必要な EIRP 対応・小形化に向けた課題

前 節 に て 述 べ た よ う に， 送 電 装 置 は 40〜70
dBm 程度の EIRP 出力に対応しつつ，ほかの無線システムへの影響を最小限に抑える必要がある．更には小形・低コスト化を実現するためには，大きく二つの視点で問題を解決していく．一つ目は送信向
けパワーアンプ（電力増幅器）を含めたシステム設
計，もう一つはアレーアンテナの構成となる．前者
は装置の電力効率・コスト及び装置サイズに関連
し，後者は側方への信号漏えいと装置表面サイズに影響を及ぼすものとなる．

図 13

タイルベース構成を採用したマイクロ波給電装置

パワーアンプの実装はシステム全体に影響する．
例えばシンプルな構成として高出力のパワーアンプ

3.3 小形給電システム

から各アレーアンテナを励振する構成を用いること

図 13 に提案したマイクロ波給電装置の構成を示す．

が可能であるが，出力 EIRP が低いケースでは不要要求される EIRP に応じスケーラブルに構成を変更可に大形・高コストのアンプが必要となり，本目的に能なタイルベース構成を採用している．信号生成・分は適さない．無線 LAN 等で用いられる表面実装パ

配及び受信信号処理を行うベースボード上に RF 信号

ワーアンプを用いることで大幅な小形・低コスト化

処理（移相・振幅調整・電力出力）を行う RF モジューは可能であるが，一般に入手可能な表面実装部品で

ル及びパッチアンテナが表面実装コネクタにより接続

は最大 500 mW 程度であるため複数のアンプを組されている．この構成により出力 EIRP に応じアンテ

み合わせて所望の電力を得る必要がある．EIRP のナ・RF 素子数及び配列形状を自由に変更可能となり，需要に応じフェーズドアレーの素子数を柔軟に変更

給電アプリケーションごとに専用の送信機を用いることする必要があるが，要求する EIRP に応じて都度設なく容易に適用可能となる．また，素子数の増減が可

計・専用ハードウェア化することは大幅なコスト増能であることから各 RF モジュールからの出力電力をパ大を招くこととなる．

ワーアンプの最も電力効率が高い領域に固定すること

天井にマイクロ波給電装置を設置可能とする薄形化には平面アンテナであるパッチアンテナをアが可能となり電力効率・発熱を改善することが可能となる．

レー素子として用いることが好ましい．しかしなが前節で述べたように表面実装パワーアンプの出力はら装置面積小形化のためにアンテナ間隔を狭めてい最大 500 mW（27 dBm）程度となるため，最大 70

くことにより，素子間のカップリングが増大するこ

dBm の EIRP を実現するために必要な素子数は以下かとによる外部への放射減少が起こり，利得が低下すら導出することができる．

る．我々の見積もりでは 0.5 波長間隔のアレー（55 の 25 素子）では，0.8 波長間隔に比べ 3 dB 以
上利得が低減する．アンテナ間隔を広げることで利得低下を避けることができるが，ビームフォーミン
グの際にグレーティングローブ（12）が発生し，想定外の方向に大電力の不要ふく射が発生し，ほかの無線との共存に重大な影響を及ぼしてしまう．

上記のがアンテナ・RF モジュール素子数を表し，=27dBm がパワーアンプの出力電力となる．

本章では三角配置アンテナ及びタイル状配置をはパッチアンテナの利得であり，一般的に 1/2 波長程採用することで A4 紙サイズに小形化し，70 dBm

度のサイズでは約 7 dBi となる（14）．これらの値からの EIRP をグレーティングローブ抑圧した 64（8EIRP 70dBm に必要な素子数8） 素 子 ア レ ー マ イ ク ロ 波 送 電 装 置 の 紹 介 を 行設置し，任意の方向にビームフォーミングを行うため，,う（3）（13）．

素子配置は 8 行 8 列（8 8）構成とした．64 全素子

は 64 となる．天井にからのパワーアンプ出力電力は 32 W（45 dBm）
，総
アンテナ利得は 25 dBi となる．
解説論文

IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

41

図 14

図 15

給電装置構成図

グレーティングローブが発生しない最大 BF 角とアレー利得の関係

図 14 は，提案するタイルベース送信機のブロック図構成となっている．

を示す．RF 回路は全て表面実装部品で構成されてお本設計では，前節で説明したアンテナ利得とグレー

り，内部 PLL シンセサイザまたは外部信号源から供給

ティングローブのトレードオフを緩和するために，三角された 5.7 GHz 帯の正弦波（CW）信号は，ベース

形（千鳥）配置のアンテナアレーを採用した．アンテ

ボード内で 64 チャネルに分割・バッファリングされたナを三角形に配置することで素子間隔を広げることによ

のち RF モジュールに入力される．RF モジュール搭載

り素子間の結合を低減しつつ素子間の距離が 1/2 波長の 6 ビットの 360 移相器及び 30 dB の可変利得増幅以内となるためグレーティングローブの発生を抑制する器（VGA）によりビームフォーミングのための位相・ことが可能となる．図 15 は，グレーティングが発生し振幅制御が行われる．パワーアンプにより 27 dBm

ない最大のビームフォーミング設定角度（装置正面を（500 mW）に増幅される．RF モジュールは，25 mm

0 度とする）とアンテナ利得をプロットしたものである．

角の基板に実装され，ベースボード上にコネクタによりなお，各プロットは電磁界解析シミュレータによって得接続される．RF 及びベースボードにて受信機能も内蔵られた結果となる．この図よりグレーティングローブのしており，受電装置からのパイロット信号を受信して発生なく設定可能なビーム最大角度と利得の間にトRD-BF の実施や，ほかの無線システムの検出も可能な

レードオフがあることが示唆される．数 m の天井に設

42

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

置された送電装置において電力供給エリアを確保する

磁界シミュレーションの結果を示したものである．0.5

ためには，少なくとも 45 度の最大ビームフォーミング

λ角が好ましいため，図の 45 度より右側が給電装置としローブが発生していない一方，1 λ

0.5 λと 0.5 λ

0.7 λ間隔ではグレーティング
1 λではθ =-30て利用可能な領域となる．図中には格子状に設置され付近でグレーティングローブが発生してしまうことが分たアンテナと三角（千鳥）配置されたアンテナにおけかる．したがって，提案した構成により２．にて紹介しるプロットが記載されており，三角配置が格子配置よた 1 λ間隔に対しアンテナ面積を 1/3 に低減しつつ必りも高い利得を得られることが分かる．この結果より要な利得を維持したまま，グレーティングローブの抑45 度以上のビーム角を最大の利得で得ることができる，圧が可能となる．

0.5 λ

0.7 λ（25mm35.5mm）のピッチ三角形配置を採用した．

3.4 提案給電装置の評価結果

図 16 にパッチアンテナ及び全体配置構成図を示す．

前節までに述べた構成のマイクロ波給電装置を三角形配置によりアンテナ素子が長方形となるため，

試作し，放射特性の評価を行った．図 18 に示すよ

給電点の位置（長辺方向・短辺方向）により図に示す

うに送信機全体のサイズは 260 310 88 mm であように電流分布・密度が異なり，利得が変化する．イ

り，２．にて紹介した装置や文献（15）等に対し大幅

ンピーダンス整合及び利得を最大化するため，給電点

な小形・薄形化により，容易に天井設置が可能となをアンテナ中心から短辺方向にオフセットさせることる． 図 20 は， 図 19 の 測 定 系 に お い て， ビ ー ム

で，電流分布を最適化し利得を向上した．なお，所望

フォーミング角度θ

の利得を最小限のアンテナ面積で得るため，送電信号の受信電力と EIRP を示している．なお，EIRP はは直線偏波としている．偏波損を低減するため受電側

以下の式により算出しており、供給する空中線電力

アンテナ配置の調整や偏波の合成等を行う．図 17 は，は 3.3 と同じく 32 W（45 dBm）とした．

提案した 0.5 λ

0.7 λピッチの 8 8 三角配置アンテ

を 0 度及び 30 度とした場合

ナアレー及び格子状配置（0.5 λ間隔及び 1 λ間隔 64素子）にて，ビームフォーミング角を 30 とした際の電

図 17

図 16

ビーム指向性シミュレーション結果

図 18

パッチアンテナ及び三角配置アレーアンテナ構成
解説論文

給電装置外観IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

43

定結果を図 21 に示す．ピーク EIRP は 64 素子に対し 8 dB 低下しており，計算値（20log（25/64））に等しい．この結果より，タイルベース構成を用いることによりユースケース・アプリケーションに応じた様々な EIRP の要求に対し容易かつ低コストで再構成可能な機能の実現が可能と言える．
3.5 むすび

本章では前章にて紹介した給電装置を小形・大出力化するタイルベース構成かつ三角配置構造のマイクロ波給電装置を紹介した．提案構成により必要な
図 19

指向性・EIRP 測定系

アンテナ利得・EIRP を小形で実現しつつ，ほかの無線機への影響を及ぼすグレーティングローブの低減を可能とした．また，タイルベース構成により
EIRP ＝ 70 dBm より小電力のアプリケーションに対しても容易かつ低コストで対応が可能となる．

4 おわりにIoT デバイスの完全な無線化を推進するマイクロ波給電システムとして開発した複数受電対象・ほかの無線との共存が可能となる技術の紹介を行った．
図 20

EIRP 測定結果

更なる高効率化，より高度な他無線共存・人体への影響低減を実現するシステムの開発を継続して行う．

謝辞 本研究の一部は，内閣府総合科学技術・イ

ノベーション会議の戦略的イノベーション創造プロ

グラム（SIP）「IoE 社会のエネルギーシステム」（管理法人：JST）によって実施された．
■ 文献

図 21

ここで

素子数変更による EIRP 差分

は受信電力，

は受信ホーンアンテナ

利得， は送受間距離を示す．この結果より EIRPは約 69（68.6）dBm となっており，A4 サイズの小形アンテナで給電に必要な EIRP（70 dBm）をほぼ達成した．また，前項のシミュレーション結果と同様に，グレーティングローブが発生していない
ことが確認された．なお，タイルベース配置のうち
25 素子（5 5）アレーを用いた放射パターンの測44

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

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（2020 年 11 月 9 日受付，2021 年 1 月 3 日再受付）

三友敏也 （正員）2000 東京理科大卒．2002 東工大大学院修士課程了．2013 同博士課程了．
博士（工学）．2002（株）東芝入社．
以来，マイクロ波・ミリ波の無線通信システム及びワイヤレス電力伝送などの集積回路・システムの研究開発に従事．2007-08 カリフォルニア大バークレー校客員研究員．現在，同社研究開発センター情報通信プラットフォーム研究所ワイヤレスシステムラボラトリー上席研究員．2018EuMC
Microwave Prize 受賞 .

正 誤2021 年春号（56 号）に掲載の図面につきまして誤りがございました。ここにお詫びするとともに、
下記のとおり正誤表を掲載致します。
● 2021 年春号（56 号） pp.315-322 解説「テレワーク時代のセキュリティ―ペリメタモデルからゼロトラストモデルへ―」
市瀬幸雄／高橋静香／大谷佳裕
p.321 図 5 ゼロトラストモデルの全体像
誤

正

解説論文

IoT デバイス等を無線化する屋内向けマイクロ波給電システム

45

マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力伝送技術
Outdoor Wireless Power Transmission Technology Using Microwaves
本間幸洋

Yukihiro Homma†

電気が実用化されてから 100 年以上の間，電力を送電する方式として「有線」での方式が続けられ，その技術は洗練されてきた．数百 km 離れた場所にあるダムからも，効率良く，安定した電力が安全に私たちの手元に届けられている．一方，「線」があることは何かと煩わしく，スマートフォンやパソコン等を多用する近年は，コンセントの周りはたこ足配線になりがちである．ましてや，屋外で電気を使おうとした場合はより大変である．バッテリーを用意しても，長時間の利用を続けることは難しく，また，屋外の有線での電源供給は手間が掛かる．このような「有線」による電力供給のデメリットから，線のない「ワイヤレス」での送電への期待が高まってきている．
本稿では，各種あるワイヤレス電力伝送の技術の中から，屋外で利用することを想定した，マイクロ波を用いたワイヤレス
電力伝送の技術を紹介する．ワイヤレス電力伝送の原理や課題を説明し，筆者らが実施してきた実証実験等の紹介を行い，屋外でのドローン等の移動型ロボットや緊急時の給電システム，センサへの給電などの利用シーンの検討例を示している．電気の新しい利用方法の検討の一助となることを願う．

Summary

Key Words

ワイヤレス電力伝送，マイクロ波，屋外，アレーアンテナ

1 はじめにの送電線や送電鉄塔のメンテナンスなど，電力会社

先日，義理の父が建設に携わった黒部ダム（富山と，感謝するばかりである．

の皆様はどれだけ大変な苦労をされていることか

県）を訪れた．高さ日本一の大きなアーチ状のダム「その後，家まで届いた電気は？」と思い，私のから放水される様は，ものすごい水の量で圧巻の一部屋の中を見てみた．壁のコンセントからは延長言であった．これだけの水量で発電される電力はどケーブルが何本も延び，机の周りは配線だらけ．ス

れくらいかと思い調べたところ，最大で 335,000

マートフォンの充電器，ノートパソコン，ディスプ

kW という大電力であり，その電力は関西地方にまレイ，照明にゲーム機に…，あっという間に 10 個で送電されている．建設された昭和 30 年代後半にのコンセントが埋まってしまっている．電源ケーブ

は，黒部ダムで発電された電力は，関西で消費されルは絡まっていて，たまに足に引っ掛ける．電気はている電力の二分の一をまかなうほどであったそう

本当に便利なものであるが，とにかく線が多く邪魔だ．関西に住む私にとっては，黒部ダムは生活に大である．

切なものであることを知った．

こんな電気を屋外で使おうと思うと，更に大変でところで，黒部ダムで発電された電気はどのようある．家から屋外用の電線で引き出して門の照明をにして関西まで届けられるのであろうか．家の外を光らせたりしなければならない．キャンプのときは見上げれば気がつくので，誰も迷いはしないかもし

車から線を引き出して，音楽を聴くスマートフォン

れないが，発電された電気はすぐさま電線を通してやおもちゃのドローンを充電する．

送られてくる．富山県の秘境と言えるような場所に

このような現在の有線での電気の利用に対して，ある黒部ダムで発電された電気も，直線距離で 300

筆者らは，電波（マイクロ波）を用いて，電線なし

km も離れた我が家に，電線を通して送られてくる（ワイヤレス）で遠方に電力を届ける技術の研究開発のである．電線が切れたら電気は届かない．台風のを行っている．近年，マイクロ波を用いて長距離に日も，大きな地震の後にも，いかなるときも途切れ電力を届ける空間伝送方式のワイヤレス電力伝送技

なく電気を送り届けるべく，災害時の対応や，日々術の開発や利用するためのルールの調整は進み（1），
屋内のセンサ等への給電等での実用化はもう目の前†

46

三菱電機株式会社通信機製作所，尼崎市
Mitsubishi Electric Corporation，Amagasaki-shi，
661-8661 Japan
通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

である．本稿では，更にその先にある，屋外でのワ
イヤレス電力伝送技術の活用方法について考察・紹介してみたい．
ⓒ電子情報通信学会 2021

小特集

図1

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

マイクロ波電力伝送装置の概念図

マイクロ波を用いたワイヤレス電力
2 伝送技術2.2 筆者らの研究開発の取組

筆者らは，2000 年頃から，宇宙空間で太陽光で発電した電気を地上にワイヤレス送電する宇宙太陽

2.1 マイクロ波電力伝送の原理

光発電システムの研究開発に参加し，マイクロ波をマイクロ波を用いて電力を送る方法について説用いたワイヤレス電力伝送技術の研究開発を始めて明する．マイクロ波は，定義はやや曖昧だが，周波いる．2000 年代にはアレーアンテナや半導体を用

数（電波の波の 1 秒間の振動数：単位 Hz ＝ヘルツ）

い た ワ イ ヤ レ ス 送 受 電 技 術 の 要 素 開 発 を 行 い，が 300 MHz〜300 GHz 程度の電波である．このよ2010 年にはワイヤレス電力伝送の研究開発用の装うな電波は，例えば，携帯電話の通話やデータ通置を開発した（2）．その装置を用いて，屋内の電波暗

信，パソコンの無線 LAN や WiFi，ETC などの通室で多数のセンサへのワイヤレス電力伝送（2012

信に使われている．電波はこのように情報を送る手年）や，小形ロボットへの給電（2013 年，図 2）の段だけではなく，電力を送ることにも利用すること

実証実験を実施し（3），図 1 に示したワイヤレス電力ができる．

伝送が理論どおりに実現でき，センサやロボットに

図 1 にマイクロ波を用いたワイヤレス電力伝送

対してワイヤレス給電が可能なことを実演した．

装置の概念図を示す．左側に機器のイメージ図を右

続いて，屋外での長距離電力伝送の実証試験を側に回路の概念図を示している．ワイヤレス電力伝行った．2015 年には，宇宙太陽光発電の基礎技術

送装置は送電装置と受電装置で構成される．送電装の研究開発として，約 1.8 kW を送電装置から照射

置では，まず発振器で小さなマイクロ波の信号を生して，約 55 m の距離をワイヤレス電力伝送する実成する．その信号は，半導体を用いた増幅回路に証実験（図 3）を行った（4）〜（6）．この実験は，将よって直流電力を使って大きなマイクロ波の信号に来の大電力化や長距離の電力伝送の実現方法を実証

増幅される．その後，送電アンテナから放射され，するために，送電部の大規模化を想定した複数（4空間を伝搬して，受電アンテナで受信される．受信枚）の送電パネルを用いて，屋外の遠方でも原理どしたマイクロ波は，整流回路で直流電力に変換さおりの送電マイクロ波ビームを形成して給電できる

れ，受電装置側で電力として取り出される．このよことを実証している．また，2019 年には，上空のうにして，電波が空間を伝搬して遠方に到達する原約 20〜30 m の距離で，任意の複数の場所にホバ理を利用して，またマイクロ波の信号を増幅して大リングするドローンに対して，完全な自動制御で送きなエネルギー（電力）を乗せて運ぶことにより，

電マイクロ波ビームを形成し，給電できることを実遠方にワイヤレスで電力伝送することができる．

証している（5），（7）．

解説論文

マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力伝送技術

47

図 2 小形ロボットへのワイヤレス電力伝送実験（2013 年）．送電マイクロ波ビームで送電スポットを作り，5 m 程度離れた場所のローバーに約 10 W の給電を行った．

図3

屋外での長距離ワイヤレス電力伝送実証試験（2015 年）の外観図（6）2.3 国内外の実用化の動向

マイクロ波を用いたワイヤレス電力伝送は，近年，アメリカや日本，イスラエルなどのベンチャー企業を中心に，実用化の動きが進んでいる . 実用化

3 屋外での本技術の利用方法
次に，屋外でマイクロ波を用いたワイヤレス電力
伝送技術を利用する方法について示す．

を想定した機器の研究開発・実用化活動が活発に行われており，オフィスや物流，家庭，商業施設，工3.1 周波数とアンテナ方式

場，医療，自動車内など利用シーンでの IoT 機器

周波数 10 GHz 以下のマイクロ波は，雨や霧なやスマートフォンなどへの給電，更に，屋外や宇宙

どでほとんど吸収や減衰することがなく（8），屋外での利用などが提案されている. また，詳で利用するのにも適した電波の周波数である．ま細は公開されていないが，中国でもスマートフォン

た，電波を効率良く送信や受信するアンテナは，多向けのワイヤレス電力伝送装置の開発や，宇宙太陽

くの種類があるが，例えば，「はやぶさ」などの宇

光発電の研究開発などが活発に行われている

宙探査機や人工衛星と通信する際に用いられている（8）〜（12）.

（13）

パラボラアンテナや，複数の小形のアンテナ素子から放射される電波を空間で重ね合わせて送信するア48

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送行い，受電装置の方向に正確に送信することにより，遠方に効率良く給電することが可能となる．

4 屋外での利用シーン
近年，センサや IoT 機器は高性能化し，様々な用途での普及が進んでいる．これらの機器は数が多くなるため，有線で電源をつないだり，電池を必要
図 4 パラボラアンテナ（左）とアレーアンテナ（右）のイメージ図な周期で交換したりするのにコストや人手が掛かる
ことから，マイクロ波を用いたワイヤレス電力伝送
が電力供給の有効な手段として期待されている（1）．
一方，屋外でも，このようなセンサやセキュリ
ティカメラ等の小形機器の活用も進み，更にドロー
ン等の小形ロボットの活用も進んできている．また，近年，台風・大雨や地震などの自然災害も多発しており，これらの非常時における停電などへの対応の問題も発生している．これらの屋外での電源供給の課題に対しても，今後ワイヤレス電力伝送の活用が想定される．
ここでは，これらの屋外でのワイヤレス電力伝送

図5

アレーアンテナ（送電装置）の概念図の利用シーンについて，幾つかの案を示す．
4.1 ドローンやロボット等の移動ロボットへの給電

レーアンテナ（図 4）の利用が考えられる．

ドローンやロボット等の移動ロボットは，バッテ

アレーアンテナは，比較的薄形・小形に作ることリーを搭載し，蓄電された電力を用いて運用されが可能で，持ち運びや設置が簡単であることから，

る．移動ロボットは比較的大きな電力を必要とし，

本稿では，このようなアレーアンテナを用いて，雨バッテリーの容量の範囲で活動時間が制限されてしでも電力伝送が可能な 10 GHz 以下のマイクロ波

まうことが大きな課題となっている．また，移動すを使って給電することを想定する．

る機器であるため，有線での電力供給に不向きである．このため，ワイヤレス電力伝送技術が大きく期

3.2 アレーアンテナについて待されている．

アレーアンテナは，各アンテナから送信する電波

図 6 と図 7 にドローンやロボットに対するワイのタイミング（位相）を調整することにより，電気

ヤレス電力伝送装置の利用イメージを示す．ドロー

的に電波の照射方向を瞬時に切り換えることができンなどを用いた調査や監視作業，危険地域で活動する．更に，アンテナの数を増やして大形化することるロボットにおいて，ワイヤレスで電力を供給できも比較的簡単で，大形化することにより，送電電力

れば，活動時間を長くすることができ，ドローン等

や受電電力を大きくしたり，よりシャープな送電マの有用性が更に向上する．これらの用途では，送電イクロ波を形成して効率良く送電したりすることが装置を様々な場所で利用することを想定して，電源可能になる．これらは，より遠い距離に給電する要や送電装置が車載されていることが望ましい．ま求の強い，屋外での送電装置や受電装置に適した特

た，受電装置は移動ロボットに搭載し，送電装置は徴である．

その受電装置の方向に送電マイクロ波ビームを形成

図 5 にアレーアンテナを用いたマイクロ波の送して照射することで，移動ロボットに給電する．

電制御の原理を示す．マイクロ波発振器から発信さこのように送電することにより，ロボットが活動れたマイクロ波は，各アンテナから送信されるマイ中に電力を供給することができるため，ロボットは

クロ波の位相を移相器でずらして送信することによ

小容量なバッテリーとすることができ，軽量化されり，送信方向を制御したり，送電マイクロ波ビーム

活動時間を長くすることができる．また，ロボットを形成したりすることができる．このような制御をが電力を使用中に給電できることから，給電した電解説論文

マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力伝送技術

49

図6

図8

調査や監視作業を行うドローンやロボットへの給電

図9

図7緊急時ワイヤレス電力伝送システム

緊急時ワイヤレス電力伝送システムの送電装置（左）と受電装置（右）のイメージ図

危険地域で活動するロボットへの給電

力を直接モータなど電力を消費する機器に供給することで，時間をかけた大電力のバッテリー充電という課題がなくなるというメリットも期待される．
4.2 緊急時ワイヤレス電力伝送システム

災害時に，送電線などの電源インフラに被害が出た場合，調査や救助，復旧作業において電源が必要となる．このようなシーンにおいて，有線の電源イ
ンフラの復旧を待たず送電を行うために，図 8 に示すようなワイヤレス電力伝送システムが考えられ
る．

図 10

センサへのワイヤレス電力伝送システムの概念図

4.3 センサや照明への給電

IoT 機器の普及に伴い，今後，屋外でセンサ等へ軽量な受電装置を用意し，ヘリコプター等で災害の給電の要求もより高まると考えられる．図 10 に地に運搬・設置する．送電装置は車に搭載し，電源多数のセンサへの給電方法の一例を示す．送電装置のとれる場所から，あるいは発電機から電力供給をから送信される送電マイクロ波ビームは，位相を調受け，マイクロ波に変換してワイヤレスで送電を行整することにより，送電方向や，送電マイクロ波

い，復旧活動等に利用する．図 9 に，送電装置とビームの形状を変化させることができる．
（例えば，受電装置のイメージ図を示す．いずれも緊急時に早図中にあるような狭い幅のビームや広い幅のビーム期に運用できるよう，移動が可能な装置（車載形，への切換えなど．
）このようにして，所望の場所に軽量等）であることが重要である．

設置したセンサへの給電や，複数のセンサに同時に給電する，といった利用方法が考えられる．

50

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

小特集

図 11

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

センサへのワイヤレス電力伝送実証例（2012 年）

図 11 に複数のセンサへの同時給電の実証実験例

受電装置
受を示す．この実験では，送電方向を分かりやすくするために，受電装置に LED を搭載し，受電した受電装置は LED を点灯させることにより，送電方向を可視化している．送電方向を制御することにより，全てのセンサへ給電したり，右側や左側のセン
サに給電したり，給電するセンサを選択することが経路長Lｎ

送電方向θｎできていることが分かる．また，本実験で分かるよ
うに，本技術で配線を行うことが難しい場所等で照明に活用することも有用と考える．

経路長L1
送信方向θ1

送電アンテナ送図 12

長距離ワイヤレス電力伝送における各送電アンテ
ナの送信方向と経路長のイメージ図

図 13

受電面における送電マイクロ波ビームの強度分布の一例．制御が不十分な場合（左）と制御された
場合（右）のマイクロ波ビームの強度分布（6）．

5 屋外・長距離電力伝送の課題
4. で述べた利用シーンの案は，図 2 や図 3，図11 で実証した技術・原理をベースに，実現していくことができると考えているが，例えばより大電力での受電を可能にしたいなど，利便性を高くするには，長距離・大電力化や高効率化，軽量化などの技

術的な課題がある．以下にこれらの課題について紹介する．
5.1 送電マイクロ波ビームの制御

図 12 に長距離のワイヤレス電力伝送における送率に電力を給電することができる（図 13）（6）,（7）．

電マイクロ波ビームの制御の概念図を示す．大形なアレーアンテナを用いてワイヤレス電力伝送を行う

5.2 長距離電力伝送におけるビーム捕集効率

場合，各送電アンテナから受電装置までの方向（送屋外で利用することを考えた場合，より長距離に

信方向θ）と距離（経路長 L）を検知し，送電するマ

給電する要求が高くなる．そのような利用シーンをイクロ波の位相を補正することにより，よりシャー考えた場合，送電したマイクロ波を限られた受電面

プな送電マイクロ波ビームを形成し，正確な送電方積でどれだけ受電できるかが課題となる．送電アン向を制御することができる．このような送電マイク

テナから送信される電波は，図 13 で示すような送ロ波を送信することにより，遠方の受電装置に高効電マイクロ波ビームを形成した場合でも，一般的に解説論文

マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力伝送技術

51

はある程度の広がり角をもって送信される．この広5.3 受電部の大電力化と軽量化

がり角は，送電アンテナの大きさ（開口径）が大きより大きな電力を得るためには，送電装置からよいほど，また，送信される電波の周波数が高いほどり大きな電力のマイクロ波を送信することに加え，小さくなる．図 14 に，アンテナから送信される送受電装置も大電力のマイクロ波を受信し，整流して電マイクロ波ビームの広がりと受電装置で受電できDC 電力に変換する能力が必要となる（以降，「耐

る範囲のイメージ図を示す．受電装置の大きさを決電力」と呼ぶ）．また，移動ロボットに搭載する受電めた場合，送電距離が近いときは送電したマイクロ装置や可搬形の送電装置は，軽量化が要求される．

波の大部分を受信することができるが，送電距離がこのような課題に対して，筆者らは，超軽量，高遠くなった場合は一部しか受電できなくなる．図

耐電力，高効率（マイクロ波 -DC 変換）を両立さ

15 に，同じアンテナ開口面積の送電装置でマイクせる受電装置の開発を行った（17）．図 16 と表 1 にロ波を送信した場合の，同じ開口面積の受電アンテ

開発した受電装置（一例）の外観図と主要なスペッ

ナでのマイクロ波の照射エリアの計算例を示す．送クを示す．

電距離が遠くなると，同様の大きさ（30 cm 30

このような受電装置を移動ロボットに，例えば約cm）の受電アンテナで，マイクロ波ビームを捕集

30㎝ 30㎝の面積で並べて搭載した場合、最大でできるエリアが狭くなることが分かる．

約 90 W 程度の受電が可能である．ロボット等はワイヤレス電力伝送で給電できる電力は，送信し更なる大電力の給電の要求が強いため、それらに対たマイクロ波を受電装置がどの範囲まで捕集して受応するためには更なる受電装置の高性能化（RF-DC

電できるかを捕集効率とすると，変換に用いるデバイスや整流回路の高耐電力・高効（受電電力）＝（送電電力） （捕集効率）率化等）が必要となる（11）,（13）,（16）.

（受電装置のマイクロ波­DC 電力変換効率）という関係で表される．距離が遠くなると捕集効率が下がるため，長距離の電力伝送では受電電力が低

6 おわりに下する．長距離の電力伝送で，より大きな電力を取電気は，照明や冷暖房，家電や機械，鉄道などでり出したい場合は，送電アンテナや受電アンテナをの利用，食品の加工，工場での利用…などなど，今大きくする，大きさの関係を最適化する（15）,（16），や人々の全ての活動や生活に欠かせないエネルギー

またはできるだけ高い周波数の電波を活用する，なの媒体である．日本では，1878 年（明治 11 年）

どの対策が必要となる．

にアーク灯が点灯されて初めて実用化されてから，

図 14

送電マイクロ波ビームの広がりと受電範囲の関係
図 16表1開発した受電装置の主要スペック

周波数
質量と質量出力比

図 15 受電面における送電マイクロ波ビーム照射エリアの計算例（送電アンテナ□ 1.2m，受電アンテナ□ 30㎝）．送電距離 10m（左）と 100m（右）．
52

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021開発した受電装置の外観

5.8GHz1.30g，0.96g/W ＊ 1

出力1.35W ＊ 1

RF-DC 変換効率74.7% ＊ 1

寸法

40 × 40 × 2.5mm＊1：入力電力＝ 1.82W において．

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

100 年以上の間，このエネルギーの媒体である電化が目前の状況である . 今後，屋外や大電力での利気を有線で送電する技術が磨かれてきた．このた用に向けた研究や調整が進むことが期待されている．

め，現状の様々な送電・給電インフラは有線で行わ筆者らは，様々な実証試験を通じて，電気が離れた場所に無線で給電できることの楽しさ，便利さをれることに最適化されている．
そのような中で，本稿で紹介したマイクロ波を用い体感している．何十 m も先にある照明やセンサ，

た遠距離にワイヤレスで電力伝送する技術は萌芽し，通信装置などを，線なしで，目に見えないマイクロ

20 年前には SF の世界でしかなかったような屋外・波を送信することにより，何のからくりもなく実際

長距離での高精度なワイヤレス電力伝送が可能なこに動作させるのである．技術の開発を行い，実証実とが実証されてきている．屋外で長距離の電験を行うたびに，その有用性の可能性にわくわくし力伝送を更に便利に実用化していくためには，5．でている．一方，4. で例示した屋外でのワイヤレス

紹介したような技術的な課題や，人体防護や既存の電力伝送の利用シーンは一例であり，まだ様々な利

電波システムとの共存の課題をクリアしていかなけれ

用シーンが考えられると思う．
（図 17 と図 18 にそばいけない．そのための研究開発や各のほかの利用シーンの例も示す．
）本稿で例示したは活発に行われており，まずは屋内・近利用シーンは，まだまだ有線での電力供給という，距離でのワイヤレス電力伝送については近年の実用

これまでの電気の利用方法の考え方に縛られている（5）〜（7）（12）,（18）〜（20）

種の調整

（1）

アイデアかもしれない．また，冒頭で述べたダムから都市への送電など，有線での送電技術は洗練された有用なシステムであるため，このような利用シー
ンでは簡単にワイヤレス化する，ということになるとは考えにくい．
本稿を一つのきっかけとして，これまでの有線での送電の概念に捕らわれない，新しく，より良い，屋外や遠距離へのワイヤレス電力伝送の利用シーンや，
ワイヤレス電力伝送技術を活用した便利な，わくわ
くした未来の社会を創造して頂ければ，と願う．
図 17 通信網への活用を想定した大形飛しょう体へのワ
イヤレス電力伝送のイメージ図．地上から給電された電力を利用して飛しょう体の運用や各種通信等の活動を行う．

図 18 離島等へのワイヤレス電力伝送のイメージ図．各
種発電所で発電した電力を発電所のない地域に伝送する．更には宇宙空間に太陽光発電所を建設し，マイクロ波を用いて地上にワイヤレス電力伝送を行う，という宇宙太陽光発電の構想もあり，研究開発が進められている（4），（5）．

■ 文献（1） 総務省，「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システムの技術的条件」のうち「構内における空間伝送型ワ
イヤレス電力伝送システムの技術的条件」−情報通
信審議会からの一部答申−， July 2020.
h t t p s : / / w w w. s o u m u . g o . j p / m e n u ̲ n e w s /s-news/01kiban16̲02000240.html（2） Y. H o m m a ， T ． S a s a k i ， K ． N a m u r a ， F ．
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microwave power transmission experiment，Proc. IAC., C3.2.1, Oct．2019.
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解説論文

マイクロ波を用いた屋外ワイヤレス電力伝送技術

53

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通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

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（20）T. Matsumuro, Y. Ishikawa, and N. Shinohara，Basic study of both-sides retrodirective system
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power transmission， IEICE Trans. Electron.,
vol. E102‒C, no.10, pp.659-665, Oct. 2019.
（2020 年 12 月 10 日受付、2021 年 2 月 27 日再受付）

本間幸洋
三菱電機株式会社通信機製作所，
2000 に三菱電機株式会社入社．以来，電波・光学の観測システム，及び宇宙
太陽光発電やマイクロ波ワイヤレス送電，マイクロ波加熱等のマイクロ波応
用工学の製品開発に従事．博士
（工学）
.

解

説

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

ワイヤレス電力伝送システムからの電磁波ばく露に対する人体安全性
和氣加奈子
大西輝夫

1

2

まえがき

Kanako Wake 情報通信研究機構
Teruo Onishi

情報通信研究機構

電磁波の生体作用

ワイヤレス電力伝送技術は，線でつなぐことなく電力

電磁波の生体作用については人・動物・細胞を対象とを送る技術であり，その研究は無線技術の発明家である

した様々な研究や，ばく露評価技術に関する研究が行わ

ニコラ・テスラにより現在から 100 年以上も前の 1890

れている．これらを基に世界保健機関（WHO : World

年代に始められていた．テスラのワイヤレス電力伝送はHealth Organization）では，環境保健クライテリアを実現しなかったが，その後，マイクロ波送電，RF-ID，

発行している（6），（7）．なお，高周波帯においては最新の電磁誘導を用いた電動歯ブラシ等の「置くだけ充電器」

研究動向を踏まえて，環境保健クライテリアの改定作業など様々な形で研究及び実用化がなされてきたが現在進められている．

．

（1）

2007 年にマサチューセッツ工科大学の研究グループに電磁波の生体作用は，周波数によりメカニズムの異なより磁界方式のワイヤレス電力伝送技術の論文発表が行る作用があることが知られている．電離放射線と呼ばれわれたる周波数 3 × 1016 Hz 以上のＸ線やガンマ線などは，（2）

ことを契機に，研究開発が更に活発に行われるようになった．

生体を構成する分子や原子の電離作用を引き起こす光子

ワイヤレス電力伝送技術は，様々な方式・周波数帯でエネルギーを持つが，ここで話題としているワイヤレス研究開発が進められている．例えば，電気自動車（EV

電力伝送の対象ではないことから割愛する．それに対し: Electric Vehicle） や モ バ イ ル 機 器 へ の 給 電 が 100て，非電離放射線は電離作用を起こすエネルギーはな

kHz 帯及び 6 MHz 帯で検討され制度化が行われていい．図 1 にワイヤレス電力伝送システムの例と周波数る．また近年では，マイクロ波帯を用いた工場内と生体作用の関係を記載する．100 kHz〜10 MHz 以の産業用ロボットへの給電なども研究及び制度化が進め

下の比較的低い周波数では，電磁波により体内に誘導さられている（5）．更には準ミリ波帯・ミリ波帯におけるれる電界・電流により神経や筋の興奮性細胞が刺激を受研究開発も進められている．ワイヤレス電力伝送は，送けることにより生じる刺激作用が支配的と言われてい電側のアンテナやコイルから空間に電磁波を放射し，受る．一方，比較的高周波の領域では，電磁波のエネル

電側のアンテナやコイルで受信することで電力を伝送す

ギーが損失性媒質である生体に吸収されることによる熱る．そのため，アンテナやコイルの近傍には電磁波が発作用が支配的となる．電磁波ばく露からの人体安全性を生する．この電磁波に対する人体安全性を把握すること確保するための電波防護ガイドラインは，これらの確立

は，これから利用が拡大するワイヤレス電力伝送技術のされた生体作用を考慮して策定されている．

（3）
，
（4）

実用化に重要な要素の一つとなっている．
体安全性を確保するために定められている電波防護ガイ

3ドライン，更にはワイヤレス電力伝送システムからの電電磁波へのばく露により人体に好ましくない影響を

波ばく露が電波防護ガイドラインを満足するかを確認す及ぼさないように電波防護ガイドラインが定められているための方法について動向を紹介する．

る．国際的には，非電離放射線防護委員会（ICNIRP :本稿では，電磁波の生体作用，電磁波ばく露による人電波防護ガイドライン

International Commission on Non Ionizing
Radiation Protection）が推奨するガイドライン（8）〜（10）ⓒ電子情報通信学会 2021

解説

ワイヤレス電力伝送システムからの電磁波ばく露に対する人体安全性

55

解

説

Technology Reviews and Reports

図1

ワイヤレス電力伝送システムの例と周波数と生体作用の関係と米国電気電子学会（IEEE : Institute of Electrical andElectronics Engineers）が定めるスタンダード（11）がある． 国内では電波防護指針が定められている（12）〜（16）．
これらのガイドライン等は得られた科学的知見を基に随時更新されており，特に 6 GHz 以上の周波数帯においては，第 5 世代移動通信システム（5G）の導入を見据えて電波防護指針は 2018 年 9 月，IEEE スタンダード
は 2019 年 10 月，ICNIRP ガイドラインは 2020 年 3
月にそれぞれ改定が行われている．
これらのガイドラインはいずれも科学的に確立した作用として刺激作用と熱作用からの防護を基本とし，十分な安全率を考慮するなど，考え方はおおむね一致している．また，職業ばく露若しくは管理環境として健康な
大人がばく露の実態や防護方法等を理解した上で作業時
のみばく露を受ける状況と，公衆や一般環境を区別し，後者により厳しい指針が定められることが多い．ここでは簡単のため，公衆及び一般環境のガイドラインについて示す．更にこれらのガイドラインでは，電磁波の生体

図2

体内誘導電界のガイドライン値（IEEE については脳の値）

表 1 100 kHz から 6 GHz までの SAR のガイドライン値
全身平均 頭部・胴体の局所 四肢の局所
全身平均 SAR［W/kg］

0.08

2

4

作用のメカニズムに関連する体内での物理量である基本
制限（または基礎指針や Dosimetric Reference Limit）

示す．ICNIRP ガイドラインと我が国の電波防護指針はとして，刺激作用に対しては体内誘導電界，熱作用に対10 kHz から 10 MHz で整合しているが，IEEE スタン

しては比吸収率（SAR : Specific Absorption Rate）やダードでは対象となる周波数の上限が 5 MHz であるこ

吸収電力密度（または入射電力密度）で指針値が定義さと，体の各部位で異なる値を設けているなどの違いもある．

れている．これらの体内での物理量は直接的な評価が困

表 1 に 100 kHz から 6 GHz までの SAR のガイドラ

難な場合が多いことから，比較的容易に評価が行える物

イン値を示す．これらはガイドライン間でおおむね整合

理量として参考レベル（または管理指針や Exposure

している．ただし全身平均 SAR は，ばく露により 1℃

Reference Level）が定義されている．参考レベルは，の深部体温の上昇が生じる恐れのあるしきい値 4 W/kg

最悪評価となる条件を想定して基本制限から導出され，から安全率を考慮して決定されているが，ICNIRP ガイ

参考レベルを満足する場合，基本制限を満足すると言え

ドラインや IEEE スタンダードではその最新改定の際にる．

平均時間を 30 分としたのに対し，我が国の電波防護指
針では従来の 6 分が採用されていることに注意が必要

3.1 基本制限
図 2 に刺激作用を考慮した各ガイドライン値の例を
56

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

である．局所 SAR はいずれのガイドラインでも，任意の 10 g の質量において 6 分間平均で定義されている．

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

これは，局所での温度上昇を防止する目的で設けられて
いる．

10000

ICNIRP（熱作用・全身）また 6 GHz 以上の周波数では，ICNIRP ガイドライ

ICNIRP（熱作用・局所）
ICNIRP（刺激作用）

ンや IEEE スタンダードでは局所吸収電力密度 20 W/
度上昇を防止するためのものであり，6 分間でかつ身体表面の平均化面積 4 cm2 の正方形で定義される．ただIEEE（刺激作用）

1000

電界強度[V/m]

m2 以下という指針を新たに設けた．これも局所での温IEEE（熱作用・全身）100

しこれはまだ評価法が定まっておらず，電波防護指針には該当する指針はないことに注意が必要である．
10

1

10

102

103

104

105

106

107

周波数[Hz]3.2 参考レベル

108

109

1010

1011

1012

先に示した基本制限は電磁波の生体作用のメカニズ
図3

ムに関連する体内での物理量で定義されているが，これ入射電界強度の参考レベル

らの量は個々のばく露状況について直接評価することは困難な場合が多い．そのためガイドラインでは，実際の100評価を行いやすくするための参考値として，波源からの入射電磁界や電力密度等が参考レベルとして示されてい図 3 に入射電界の参考レベルを示す．刺激作用を考慮した指針値は瞬時値で定義されているのに対し，熱作用を考慮した指針値は ICNIRP ガイドライン及び IEEE

電力密度
（W/m2）る．
10

電波防護指針（電磁環境度指針）

スタンダードの全身ばく露を想定したものは 30 分間，

電波防護指針（局所吸収指針）ICNIRP（全身）

それ以外は 6 分間の時間平均値で定義されていること

ICNIRP（局所）に注意が必要である．これは，ばく露による温度上昇に

1
10は時間遅れがあるためであり，より短時間のばく露で

102

103

104

周波数
（MHz）

105

106

は，指針値を超えるばく露でも許容される場合がある．
図 4 に全身ばく露及び局所ばく露を想定した入射電

図4

入射電力密度の参考レベル

力密度の参考レベルを示す．IEEE スタンダードの指針
値は ICNIRP ガイドラインの指針値とおおむね整合しための方法を適合性評価法と呼ぶ．この適合性の評価でているため省略した．ICNIRP ガイドラインでは，局所は，誰がどこで評価をしても同じ判断（適合・不適合）

ばく露は 4 cm の平均領域で定義されており，30 GHzになる再現性や信頼性が重要である．また適合性評価に

2以上の周波数の場合，平均領域が 1 cm でのばく露はは，簡便性も重要な要素となる．更には，国際的に流通

下記の 2 倍を超えないという指針も別途設けられていする機器やシステムを想定する場合には，国際的な整合る．一方電波防護指針では，局所ばく露については 30

性も求められる．電磁波へのばく露に対する人体安全性

GHz までは 4 cm ，30 GHz 以上では 1 cm の平均領を考慮した適合性評価法については，国際的には，国際域で定義されている．第 5 世代移動通信システム等を

電 気 標 準 会 議（IEC : International Electrotechnical

想定した局所ばく露については，電波防護指針が厳しめ

Commission） の 専 門 委 員 会（TC: Technicalな指針値となっている．

Committee）106 や IEEE International Committee

2

2

2

on Electromagnetic Safety（IECS）TC34 等で議論が

4

ワイヤレス電力伝送システムの適合性評価法

4.1 適合性評価進められている．ここでは IEC TC106 におけるワイヤ
レス電力伝送システムに対する適合性評価方法の動向を紹介する．
IEC TC106 は 2015 年にワイヤレス電力伝送システ

我々の身の回りで電磁波を発する機器を用いる際にムの適合性評価法を検討するための Working Groupは，先に示した電波防護のためのガイドラインを満足す（WG）9 を設立した．WG9 では当初から開発が活発にることで，安心安全な利用が可能となる．ここで，電波行われていた EV やモバイル機器等に用いられる周波数防護のためのガイドラインを満足しているかを確認する

10 MHz 以下のワイヤレス電力伝送システムを想定し，解説

ワイヤレス電力伝送システムからの電磁波ばく露に対する人体安全性

57

解

説

Technology Reviews and Reports

図5

適合性評価のフローチャート

図6

結合係数を用いた評価イメージ

その緒言に加え，適合性評価方法やばく露評価実施例をる．新たな TR には，対象となるワイヤレス電力伝送シ

2018 年に技術報告書（TR: Technical Report）62905

ステムの緒言，適合性評価法，ばく露評価例がまとめらにまとめた．その後，IEC TR62905 をベースとしれる予定である．本稿では，PT63184 で議論しているて新たな国際規格を策定する目的で Project Team（PT）

30 MHz 以下のワイヤレス電力伝送システム及び WG963184 が同年に結成され，議論を進めている．PT63184

で扱っている 30 MHz 以上のワイヤレス電力伝送シス

では 30 MHz までのワイヤレス電力伝送を対象としてテムの評価法を紹介する．

（17）

公開仕様書（PAS : Publicly Available Specification）の 発 行 が 承 認 さ れ て い る． 更 に， 今 後 発 行 予 定 の

4.2 30 MHz 以下のワイヤレス電力伝送システムのPT63184 の国際規格は IEEE と dual-logo 規格となる予定であり，議論が進められている．一方 WG9 では，

30 MHz 以下のワイヤレス電力伝送システムに対し近年開発が進められている 30 MHz 以上のワイヤレスては，図 1 に示すとおり，10 MHz までは刺激作用，

電力伝送システムについて新たに TR の作成を進めてい100 kHz 以上では熱作用を考慮した電波防護ガイドラ表2
周波数30 MHz 2 GHz
2 GHz 300 GHz

ガイドライン

周波数30 MHz 2 GHz
2 GHz 6 GHz
6 GHz 300 GHz

全身ばく露を想定した場合のばく露評価指標
リアクティブ近傍界

基本制限

放射近傍界

遠方界

全身平均 SAR

参考レベル

入射電界と入射磁界

基本制限

入射電界と入射磁界，
入射電力密度

入射電界，入射磁界，
入射電力密度

全身平均 SAR

参考レベル

−

表3

58

評価法

ガイドライン

リアクティブ近傍界

入射電界と入射磁界

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

遠方界

入射電界と入射磁界，
入射電力密度

入射電界，入射磁界，
入射電力密度局所 SAR
−

基本制限
参考レベル

放射近傍界
局所 SAR

基本制限
参考レベル

入射電力密度局所ばく露を想定した場合のばく露評価指標

基本制限
参考レベル

入射電力密度−

入射電力密度

吸収電力密度−

入射電力密度

入射電力密度

小特集

未来社会を支えるワイヤレス電力伝送

インを満足する必要がある．電波防護ガイドラインへの階であることから，その技術自体や人へのばく露の実態

適合性を確認するためには，図 5 に示すように，電波が未確定であることが，適合性の確認方法を策定する際

防護ガイドラインの基本制限や参考レベルに対して，四の難しさとなっていることも多い．今後国内外の産学官

つの異なる方法で適合性を評価することが可能であり，関係者が一体となって取り組むことがより一層重要とその中のいずれかの方法で評価を実施すればよい．

なっている．

一つ目の方法はコイルに流れる電流による評価法であり，二つ目の方法はシステム周辺の電磁界を評価し参考レベルと比較するものである．しかし，先に説明したとおり，参考レベルは最悪条件を想定して基本制限より導出されており，例えば EV 用のワイヤレス電力システ
ムのように足下にばく露が集中するような場合には，二つ目の方法ではかなり厳しめの評価となることが考えられる．そのため，あらかじめ入射電磁界と体内誘導電界や SAR の関係を数値解析などにより求め，その関係か
ら結合係数（1 以下）を導出し，システム周辺の電磁界との積を取り参考レベルと比較する方法も定められている（図 6）．これが三つ目の方法であり，EV 用ワイヤレス電力伝送システムの近傍に人体が直立している場合，
ICNIRP ガイドラインや電波防護指針を想定した場合に結合係数として 0.15 を用いることが可能であることが示されている（18）．四つ目の方法は，体内誘導電界やSAR を直接的に評価する方法である．
4.4 30 MHz 以上のワイヤレス電力伝送システムの評価法
30 MHz 以上のワイヤレス電力伝送システムに対しては，熱作用を考慮した電波防護ガイドラインを満足するかを確認する必要がある．表 2 及び表 3 に ICNIRP
ガイドラインを例として想定する周波数やばく露状況による評価対象となる物理量をまとめた．
現在取りまとめが行われている TR では，同様の周波数帯で利用されている携帯電話システム等の既存の適合性評価法（19）〜（21）を参考にし，入射電磁界及び電力密度による評価法，SAR による評価法，更には数値解析による評価法が示されている．ただし 6 GHz 以上の周波数帯における局所吸収電力密度の評価法は，まだ十分な議論が行われていないことから，含まれていない．

5

むすび

本稿では，電磁波の生体作用及び電波防護ガイドラインについて解説するとともに，ワイヤレス電力伝送シス
テムに対する適合性評価法の国際標準化動向を紹介した．ワイヤレス電力伝送システムに対する取組のように，開発を進めると同時に電波防護ガイドラインへの適合性の確認方法を策定することは，電磁波の安心安全な利用に非常に重要である．しかしながら，開発が途中段■ 文献（1） 篠原真毅， ワイヤレス電力伝送技術， 信学誌，vol.
100, no. 8, pp. 849-853, Aug. 2017.
（2） A . K u r s , A . K a r a l i s , R . M o f f a t t , J . D .
Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljač ić,Wireless power transfer via strongly coupledmagnetic resonances, Science, vol. 317, no.
5834, pp. 83-86, July 2007.
（3） 情報通信審議会， 答申，諮問第 3 号，
「国際無線障害特別委員会（CISPR）の諸規格について」のうち「ワイヤレス電力伝送システムに関する技術的条件」のうち「電気自動車用ワイヤレス電力伝送システムに関する技術的条件」， 2015.
（4） 情報通信審議会， 答申，諮問第 3 号，
「国際無線障害特別委員会（CISPR）の諸規格について」のうち「ワイヤレス電力伝送システムに関する技術的条件」のうち「6 MHz 帯の周波数を用いた磁界結合型ワイ
ヤレス電力伝送システム及び 400 kHz 帯の周波数を用いた電界結合型ワイヤレス電力伝送システムに関する技術的条件」， 2015.
（5） 情報通信審議会， 答申，諮問第 2043 号，「空間伝送型ワイヤレス電力伝送システムの技術的条件」のうち「構内における空間伝送型ワイヤレス電力伝送システムの技術的条件」， 2020.
（6） World Health Organization, Extremely low
frequency fields, Environmental Health Criteria
Monograph no.238, 2007. http://www.who.int/
peh-emf/publications/Complet̲DEC̲2007.pdf（7） World Health Organization, Electromagnetic
fields（300 Hz ‒ 300 GHz）, Environmental
Health Criteria Monograph no. 137, 1993.
http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/
ehc137.htm（8） International Commission on Non-Ionizing
Radiation Protection, "Guidelines for limiting
exposure to time-varying electric, magnetic, andelectromagnetic fields（up to 300 GHz）," Health
Physics, vol. 74, pp. 494-522, April 1998.
（9） International Commission on Non-Ionizing
Radiation Protection, "Guidelines for limiting
exposure to time-varying electric and magnetic
fields（1Hz to 100 kHz）," Health Physics, vol.
99, pp. 818-836, Dec. 2010.
（10）International Commission on Non-Ionizing
Radiation Protection, "Guidelines for limiting
exposure to electromagnetic fields（100 kHz to
300 GHz）," Health Physics, vol. 118, pp. 483524, May 2020.
（11）Institute of Electrical and Electronics Engineers,"IEEE standard for safety levels with respect tohuman exposure to radiofrequency
electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz," IEEE
Std C95.1, 2019.
（12）電気通信技術審議会 , 諮問第 38 号答申：人体に対する電波防護指針， 1990.
（13）電気通信技術審議会 , 諮問第 89 号答申：電波利用解説

ワイヤレス電力伝送システムからの電磁波ばく露に対する人体安全性

59

解

説

Technology Reviews and Reports

における人体防護の在り方 , 1997.
（14）電気通信技術審議会 , 諮問第 2030 号答申：局所吸収指針の在り方 , 2011.
（15）電気通信技術審議会 , 諮問第 2035 号答申 :「電波防護指針の在り方」のうち「低周波領域（10kHz 以上
10MHz 以下）における電波防護指針の在り方」,
2015.
（16）電気通信技術審議会 , 諮問第 2035 号答申 : ｢電波防護指針の在り方」のうち「高周波領域における電波防護指針の在り方」, 2018.
（17）IEC TR 62905 Ed. 1.0, Technical report on
exposure assessment methods for wireless powertransfer systems, 2018.
（18）K. Wake, I. Laakso, A. Hirata, J. Chakarothai, T.
Onishi, S. Watanabe, V. De Santis, M. Feliziani,and M. Taki, "Derivation of coupling factors fordifferent wireless power transfer systems: Interand intralaboratory comparison," IEEE Trans.
Electromagnetic Compatibility, vol. 59, pp. 677685, April 2017.
（19）IEC/IEEE 62209-1528 ED1, Human exposure toradio frequency fields from hand-held and bodymounted wireless communication devices Human models, instrumentation, andprocedures: Measurement procedure for theassessment of specific absorption rate of human
exposure to radio frequency fields from handheld and body-worn wireless communication
devices（Frequency range of 4 MHz to 10 GHz）,
2020.
（20）IEC 62311 ED2, Assessment of electronic andelectrical equipment related to human exposure60

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

restrictions for electromagnetic fields（0 Hz to
300 GHz）, 2019.
（21）IEC TR63170, Measurement procedure for theevaluation of power density related to human
exposure to radio frequency fields from wirelesscommunication devices operating between 6
GHz and 100 GHz," 2018.

和氣加奈子 （正員）
国立研究開発法人情報通信研究機
構，1995 都 立 大・ 工・ 電 気 卒．
2000 同大学院博士課程了．同年郵政省通信総合研究所（現，独立行政法人情報通信研究機構）入所．以来，生体電磁環境に関する研究に従事．
現在，経営企画部企画戦略室プラン
ニングマネージャー．博士（工学）．

大西輝夫 （正員：シニア会員）
国立研究開発法人情報通信研究機
構，1987 東京理科大・理工・物理卒．2005 千葉大大学院博士課程了．
主に電波ばく露評価及び評価法の標準化に従事．2010 日本 ITU 協会賞，2017IEC1906 賞など各受賞．現在，
電磁波研究所電磁環境研究室主任研
究員．博士（工学）．

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理
シミュレーション【導入編】
MathWorks Japan

1

田中明美

Akemi Tanaka

無線信号を含むセンサ信号が簡単に取得できるので，シはじめにミュレーションだけにとどまらず，実信号を利用する実ディジタル信号処理とは，ディジタル化されたデータの周波数解析やフィルタリングを行うことで，無線通信
信号処理もディジタル信号処理の一つである．
近年，無線通信システムでは，より高い周波数を利用

験などにも使用できる．
なお，本稿では MATLAB の環境がない方にも体得頂
ける内容を紹介し，次号では図 1 に示したソフトウェ
ア無線機の利用などを含めた応用編を紹介する．

することにより，電波の特性は今までよりも多くの要因
が無線通信品質の劣化につながり，経験値やノウハウだ
けでは振舞いを予想できなくなってきている．
また，天候や気温，地形が電波の劣化に大きく影響を

3

MATLAB の活用例

3.1 教育分野

与えるが，決まった天候や気温，地形など同じ環境を実

欧米の大学では，以前から MATLAB が必修となって験で再現することは難しいため，よりシミュレーション

いる学科も多い．近年日本の大学でも，工学系の専門科のニーズが高まっている．

目にとどまらず，数学や AI の授業など，低学年での一しかしながら，専門家内の定説や暗黙の了解となって般的な必修科目での利用（1）も進んでいる．

いる情報が公開されておらず，シミュレータ構築が難し
いため，ディジタル信号処理の中でも無線通信システム

3.2 産業界にフォーカスし，初めて MATLAB を使用したシミュ

要素技術開発から製品開発に至るまで，幅広く用いら

レーションに取り組まれる際に，必要な手順や役立つ情れている．開発の容易化を実現するための各産業分野に報を「導入編」と「応用編」の 2 回に分けて紹介する．

特化したアドオン製品を活用し，開発期間の短縮や品質「導入編」の本稿を読むことで，現在のブロードバン向上を目的に利用されている．無線通信分野では，ITU

ド通信の原形となる 16-QAM のディジタル通信の品質（International Telecommunication Union）で，評価

評価シミュレーションを実装できるようになる．

用のチャネルモデルを MATLAB コードで提供されていⓇるケースなども見受けられる．採用時のスキルセットの

2

シミュレータの選定一つとして，MATLAB 利用経験が求められることもある．

無線通信を含むディジタル信号処理を行うために利用されるソフトウェアは多く存在するが，今回は，初学者でも扱いやすいように，無線通信システムを含むディ
ジタル信号処理に特化した関数や様々な可視化機能があり，正式なドキュメントやサポートが提供されている
MATLAB を利用する．
無線信号が扱える RTL-SDR，ADALM-PLUTO（図1）や，各種センサ信号が扱える Arduino，Raspberry
Pi など低価格なハードウェアもサポートされており，ⓒ電子情報通信学会 2021

図１

安価に購入でき，MATLAB との接続が可能な
RTL-SDR（左），ADALM-PLUTO（右）．

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション

61

4

5.1 MathWorks アカウントを作成（2）

MATLAB の適用分野

MathWorks ア カ ウ ン ト は， 誰 で も 作 成 で き，

MATLAB は，データ解析やアルゴリズム開発のほか，様 々 な シ ス テ ム を 構 築 で き る 開 発 環 境 で あ る．

MATLAB のライセンスがない場合でも以下のことが可能だ．

Windows，MAC OS，Linux OS をサポートし，数学，① MATLAB の評価ライセンス利用

グラフィックス，プログラミングの機能を備え，思考や② MATLAB のドキュメント参照

作業プロセスに合うように設計されている．また，図 2③ MATLAB Online の利用に示すような 100 を超えるアドオン製品により，無線通信，制御システム，ロボティクス，ディープラーニン

MATLAB のライセンスがある場合は，ライセンス管

グ，情報生命科学など，様々な用途をサポートする．無理なども行え，ライセンスが企業／大学のドメインとひ線 通 信 シ ス テ ム に AI を 取 り 入 れ た い 場 合 な ど も，も付いている場合もあるので，所属する企業／大学からMATLAB 環境だけで実現可能である．

提供されるメールアドレスで登録することをお勧めす

また，MATLAB 上で動作する Simulink は，マルチる．

ドメイン及び組込みエンジニアリングシステムのシミュ
レーションとモデルベースデザイン（MBD）のためのブロック線図環境である．

５.2 ライセンス入手法
所属先の企業や大学にて利用可能なライセンスがない場合，若しくは，使用したいオプションが利用可能な

5

ライセンスに含まれていない場合，30 日間の無料ライ

MATLAB を動かす

センス（3）を入手し使用できる． 無料ライセンスをダウ

ここから，初めて MATLAB 使う場合，シミュレー
ションを実行するまでに必要な作業を順番に紹介する．

ンロードするページ（3）から，大学でのキャンパスワイ
ドライセンスの有無も確認できる．
上記ページからは，自身で 100 以上のアドオン製品から必要なものを選択する．どちらのアドオン製品を選

図２62

様々な研究，開発に利用可能な MATLAB．

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション【導入編】

択すべきか迷われた場合には，用途別にアドオン製品をまとめたパッケージ無線通信向け無料 MATLAB 評価版（4）をダウンロードすることをお勧めする．
無線通信向け無料 MATLAB 評価版に含まれる製品① MATLABⓇ② SimulinkⓇ③ Communications ToolboxTM④ Phased Array System ToolboxTM⑤ Antenna ToolboxTM

図３

YouTube MATLAB のインストール方法のキャプ
チャ画面．

図４

MATLAB ドキュメンテーショントップページ .
ここから各アドオン製品のドキュメンテーションが確認できる．

図５

無線通信システムの設計に特化した関数 , ブロックなどを提供するオプション，Communications
ToolboxTM から提供される関数一覧を表示．機能
ごとにまとめられているので目的の関数を探しやすい.

⑥ RF ToolboxTM⑦ RF BlocksetTM⑧ Signal Processing ToolboxTM⑨ DSP System ToolboxTM⑩ Parallel Computing ToolboxTM
こちらの構成では，ベースバンド信号処理，RF，ア
ンテナを含む無線通信システムの物理層の基本的なシ
ミュレーションが行え，BER の計算のような繰返し演
算を高速化する並列演算処理のオプションも含まれている．
また，MATLAB の評価期間 30 日は，PC にインストールした日からではなく，評価ライセンスを取得した
日からカウントが始まるので，実際に使用したい時期に評価ライセンスを取得されるとよい．
5.3 インストール
インストール手順（5）に従いインストールを行う．インストールが終了すれば，特に設定などの必要はなく，すぐに使い始められるのも MATLAB の長所である．
また，YouTube のビデオでは，実際にインストールを行っている画面が動画像（6）で確認でき，インストール
前に必要な確認事項についても言及されている（図 3）．
このビデオの最後に紹介している，2 時間のオンライ
ントレーニングについては，6. で言及する．
前述のドキュメントや YouTube を参照してもインストールができない場合は，「インストールサポート窓口（7）」でサポートが受けられる．

アドオン製品ごとに，例題，関数，ブロックなどの一5.4 ヘルプドキュメント（8）

MATLAB の正式なドキュメンテーション（図 4）では，それぞれの関数やブロックの使い方だけでなく，サ覧も確認できるので，それぞれのアドオン製品で何ができるか概要を把握したり，プログラミングやモデリングの際にも参照できる（図 5）．

ンプルコード，サンプルモデル，技術的な解説，使用されているアルゴリズムの参照元などが提供されている．

5.5 サンプルデモの実行

また，ライセンスを持っていない場合でも，5.1 で説

インストールが問題なくできているか，あらかじめ明した MathWorks アカウントがあれば，大部分のド

MATLAB にバンドルされたサンプルデモを実行する．

キュメントを Web ブラウザで確認できる．

（9）
ここでは，
「MATLAB を使用した 16-QAM の調査」

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション

63

図６

サンプルプログラム「MATLAB を使用した 16-QAM の調査」．

を実行する．
このサンプルデモは前述の MATLAB ドキュメンテー
ションのページ（8）から到達できる．当該ベージ左枠から「Communications Toolbox」
を選択し，「Communications
Toolbox」の下位のツリー「Communications Toolbox入門」を選択する．右枠に表示される「MATLAB を使用した AWGN がある QAM システムの BER の計算」
をクリックすると，「MATLAB を使用した 16-QAM の調査」がある（図 6）．
サンプルのドキュメントを開くと，サンプルの概要と，プログラムが表示される．バックグラウンドがグレーの部分が実際に実行されるプログラム部分で，それ以外はコメントである．
ローカルの PC に MATLAB がインストールされている場合は，「Open in MATLAB Online」の直下に表示
さ れ る「View MATLAB Command」を ク リ ッ ク し，表示されたグレーのバックグラウンド内にある「openExmaple」から始まるテキストを全てコピーし，

図７

グレイ符号 / バイナリー符号のシンボルマッピング
表示．

MATLAB のコマンドウィンドで実行すると，サンプル
コードがエディタ上に開く．
MATLAB をローカルの PC にインストールしていな
い場合には，右上に表示される「Open in MATLAB

場合にも便利である．
実行する場合には，いずれの場合も「ライブエディ
タ」タブにある「実行」アイコンをクリックする．

Online」をクリックすると，Web ブラウザで起動する

エラーメッセージが通知されず，ライブエディタの最

MATLAB を利用し，サンプルプログラムを確認，実行

後に，グレイ符号／バイナリー符号のシンボルマッピン

できる．

グが表示されれば，シミュレーションが終了している．

このサンプルはライブスクリプトという形式で記述されており，一般的な MATLAB のスクリプトの拡張子
は .m であるが，ライブスクリプトの拡張子には .mlx
が使用されている．

図 7 のシンボルマッピングには，関数 scatterplot が使用されている．
>> scatterplot（symgray,1,0,'b*'）;
ここでは，scatterplot に四つの入力引数が指定さライブスクリプトでは，実行結果や，表示されるグラれており，先頭から［表示する信号］，［間引き係数］，フなど，スクリプト内に表示できるほか，パラメータを［オフセット（オフセット +1 番目の信号から表示を開プルダウンメニューやスライダーを利用して設定ができ始）］，［プロットの属性］となっている．復調後の信号るので，プログラミングに慣れていない方と共有される［symgray］を［間引きなし］で，［信号の先頭］から，

64

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション【導入編】［青色のマーカー *］で，コンスタレーションを表示するよう指示している．
実行が確認できたところで，プログラムのポイントを説明する．
プログラム 18，19 行目で関数 qammod を実行し，バイナリー符号／グレイ符号を使用した QAM 変調を行っている．
プログラム抜粋（18 行目，19 行目）
dataMod = qammod（dataSymbolsIn,M,'bin'）;
dataModG = qammod（dataSymbolsIn,M）;

図８

変数 M の変更による実行結果の違い．M=4 の場合（左），M=2 の場合（右）．

図９doc scatterplot 実行結果 . 関数のドキュメントが起動する .

関数 qammod の 2 番目の入力引数として与えられている変数 M がプログラム 1 行目で M=16 と定義されているので，16-QAM を実施する． また，3 番目の引数
は符号の指定になるが，何も指定しない場合には規定のグレイ符号を使用される．
プログラム 33 行目，36 行目で関数 biterr を使用しビットエラーレートを計算している．関数 biterr の 1
番目の入力引数は送信データ，2 番目引数は受信データである．実行後ビットエラーレートを確認でき，理論ど
おり，バイナリー符号より，グレイ符号の方がビットエ
ラーレートが良いことが理解できる．
プログラム抜粋（33 行目，36 行目）[numErrors,ber] = biterr（dataIn,dataOut）;[numErrorsG,berG] = biterr（dataIn,dataOutG）;
サンプルプログラムは書換えが可能であるため，変調方式を変更したり，フェージングチャネルを追加するこ

6

MATLAB を使いこなす

MATLAB が使える環境が整ったため，このパートでは，自身の目的に合ったプログラミングやモデリングがともできる．
変更の一例として，プログラム 1 行目の変調多値数

できるようになるためのトピックを取り上げる．

となる M=16 を M=4 と書き換えて実行すると，QPSK変調を行うことなるため，コンスタレーションの表示にも変化が確認できる．

6.1 トレーニング（10）2 時間程度の無料の入門トレーニングも複数用意され

図 8 も前述の関数 scatterplot を用いている．

ている．
「MATLAB 入門」（11） や「信号処理入門」（12）

各関数の詳細な使い方に関しては，コマンドウィンド

はローカルの PC に MATLAB をインストールしなくてからも，Web ブラウザからも MATLAB が利用できる（図>> doc 関数名10）．また，評価版も含め，ライセンスも必要としないを実行することで，確認ができる（図 9）．

ので，ネットワークに接続された PC があれば，どこでまた，16-QAM から QPSK にすることで，エラーがも受講可能である．

発生する確率が少なくなり，ノイズパワーではバイナ

無料入門トレーニングには，近年無線通信システムへ

リー符号，グレイ符号いずれもエラーが発生しないことの応用も期待されている「機械学習入門」（13）や「ディーが確認できる．

プラーニング入門」（14）のコースもあり，「MATLAB 入

MATLAB コマンドラインから demoと入力する

ことにより図 5 の関数一覧のように，サンプルデモの門」や「信号処理入門」と同様にライセンスなしでWeb ブラウザからも MATLAB が利用できる．

一覧も表示される．目的に近いサンプルデモがあれば，いずれのコースも自身のペースで進めることができ，それをスタートとして利用できるので，ゼロから新たにまとめて 2 時間分受講しなくても，隙間時間を利用し書く必要もなくなる．

て，少しずつ進めることもできる．
こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション

65

図 10 「信号処理入門」コース . このコースは英語のみだが , 本稿で紹介しているほかの入門コースは全て日本語でも受講で
きる .

図 11

MATLAB Answers トップページ．
図 12 「ソフトウェア無線」ディスカバリページ．

6.2 サポート
プログラミングやモデリングでの疑問を解決するた

MATLAB Answers は，必ずしも回答が得られる保証

めに活用できるリソースとして，MATLAB Answers

はないが，次のように心掛けると回答が得られる確率ががある（図 11）．

向上する（16）．

（15）

MATLAB Answers は MATLAB コミュニティの一つ

・具体的にかつ簡潔に記述する

で，世界中からの MATLAB に関する質問が寄せられて・一つの問題にのみ焦点を当てる

おり，検索，閲覧できる．誰でも回答が可能なため，・タイトルにエラー番号を含める

MathWorks の社員だけでなく，多くのユーザから回答

・既に試した手順をリストするを得られる可能性がある．また，テクニカルサポート
チ ー ム に 頻 繁 に 寄 せ ら れ る 内 容 の 質 問 に つ い て は，

6.3 ディスカバリページ

MATLAB Answers で も 順 次 公 開 さ れ て い る の で，MathWorks の Web サイトには，技術計算におけるMATLAB Answers で解決策が見つかるケースも多々あ

課題の解決方法を見つけるディスカバリページ（17）があ

る．

る．

66

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション【導入編】

このページには，MATLAB 及び Simulink の機能をビデオ，参考例，ドキュメンテーション，そのほかのリソースを通して学べるように，技術ごとにまとめられており，無線通信システムに関連するページには，「ソフ
トウェア無線」（図 12）や「ビームフォーミング」など
がある．

7

まとめ

本稿では，MATLAB を入手し，簡単な使いこなしができるところまで，途中つまずかず進めて頂けるよう考慮した．
本稿がこれからプログラミングやシミュレーション
を始める方の一助となれば幸いである．
■ 文献（1） 金沢工業大学，「AI 基礎」を 2019 年度入学生から開講．2020 年度入学生から全学部必修に．
「AI に関する倫理的使用に関する学生宣言」に署名，宣誓も実施．問題発見・解決の手段として AI を活用し，「SDGs」「Society 5.0」に挑戦できる技術者を目指す, Jan. 2019. https://www.kanazawa-it.ac.jp/
kitnews/2019/0117̲ai.html（2） MathWorks, MathWorks アカウントの作成方法を
お し え て く だ さ い．
, 22 Nov. 2017．https://jp.
mathworks.com/matlabcentral/answers/368488mathworks（3） MathWorks， 無料の MATLAB 評価版 , https://jp.mathworks.com/campaigns/products/trials.
html（4） MathWorks， 無線通信むけ無料 MATLAB 評価版 ,https://jp.mathworks.com/campaigns/products/
trials/targeted/wds.html（5） MathWorks， インストールおよびライセンス ,https://jp.mathworks.com/help/install/（6） YouTube， MATLAB の イ ン ス ト ー ル 方 法 , 24
A p r i l 2 0 2 0 . h t t p s : / / w w w. y o u t u b e . c o m /watch?v=1m8iDEdUW-U（7） MathWorks， サポートへの問い合わせ , https://jp.
mathworks.com/support/contact̲us.html（8） MathWorks， ヘ ル プ セ ン タ ー， https://jp.
mathworks.com/help/（9） MathWorks, MATLAB を 使 用 し た 16-QAM の 調
査 ,https://jp.mathworks.com/help/comm/gs/
examine-16-qam-using-matlab.html（10） MathWorks， MATLAB および Simulink トレーニン
グ， https://jp.mathworks.com/services/training.
html?s̲tid=gn̲trg̲ov（11） MathWorks, MATLAB 入門 , https://jp.mathworks.
com/learn/tutorials/matlab-onramp.html（12） MathWorks, 信号処理入門 , https://jp.mathworks.
com/learn/tutorials/signal-processing-onramp.
html（13） MathWorks, 機械学習入門 , https://jp.mathworks.
com/learn/tutorials/machine-learning-onramp.
html（14）MathWorks， ディープラーニング入門 ,https://jp.mathworks.com/learn/tutorials/deeplearning-onramp.html（15）MathWorks， MATLAB Answers， https://jp.
mathworks.com/matlabcentral/answers/index（16）MathWorks， MATLAB Answers に つ い て ,https://jp.mathworks.com/matlabcentral/answers/help（17）MathWorks， 技術計算における課題の解決方法を見つける， https://jp.mathworks.com/discovery.
html?s̲tid=all̲disc̲mw̲ff

田中明美 （正員）セ ル ラ ー シ ス テ ム 基 地 局 向 け LSI/FPGA 開発に従事．無線通信向けプ
ロトタイプハードウェアのエンジニアを経て，2009 から MathWorks Japan
にてシニアアプリケーションエンジニ
アを務める．

こんなツール，使っています

初めてのディジタル信号処理シミュレーション67

街 plus「新宿周辺」
工学院大学

1

山口実靖

探訪

Saneyasu Yamaguchi

世界一の大都会3

内藤新宿

新宿駅の乗降者数は 1 日に 300 万人以上であり，世新宿駅の東側は，江戸時代は「内藤新宿」と呼ばれ界最多です．人が多いことや利用者が多いことが都会

た，甲州街道の最初の宿場でした．また，青梅街道のの定義であるとすると，新宿駅近辺は世界一の大都会

起点でもあり，両街道の分岐点は新宿追分と呼ばれてということになります．本稿は，新宿駅近辺の街の魅いました．今も新宿駅の北を通るのが青梅街道（靖国

力を述べていきます．

通り）であり，南を通るのが甲州街道となっています．

この記事で言う「新宿」とは，主として日本の東京
都の新宿駅の近辺のことです．一部，「新宿区」や「新宿区新宿」のことも述べます．

新宿追分にはその名を冠した団子屋などが今もあります．
かつての内藤新宿は現在の新宿一丁目から三丁目の辺り（新宿駅の東側）で，新宿一丁目の東に大木戸（簡2新宿駅近辺の概要

す．今も，新宿一丁目の東端（住所は内藤町）の四谷「新宿駅近辺」は図 1 のようになっています．新宿駅

区民ホールの一角には四谷大木戸跡があります．このは南北に縦長で，街はおおむね東口側と西口側に分か

四谷大木戸から先（東）が江戸であり，ここまで来れれます．東口側は娯楽施設が多く，西口側はオフィス

ば江戸ですので，玉川上水はこちらの四谷大木戸までやホテルや学校などが多いです．

延びていました．今でも新宿御苑の北の側道（大木戸

図１68

易な関所）があり，大木戸の東が江戸であったわけで

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

新宿駅近辺（地理院地図 Globe を加工して作成）ⓒ電子情報通信学会 2021

「新宿周辺」の西）には玉川上水の名を冠した水道（小川）があります．ただし，こちらは平成に整備した小川でよく見ると東京都水道局が管理する水道の水が流れています．

4

淀橋町，角筈

新宿駅の西側（現在の地名は西新宿）はかつて淀橋町や角筈（つのはず）と呼ばれ，1965 年まで淀橋浄水場という巨大な施設がありました．この跡地に京王プ
ラザホテルなどの高層ビルが建つことになり，新宿副都心として急速に発展していくこととなります．

5

現在の発展

図２

東西移動（地理院地図 Globe を加工して作成）

新宿駅周辺は developed な地域であると言えます．

図 2 の E の位置（地上でも地下でも）から，図の W

一方で私が育ったような郊外は developing な地域での位置（地上でも地下でも）に移動するにはどうしたあったし，今もそうです．比較すると，後者の郊外のらよいでしょうか？ 恐らく一番便利なのが 1 の経路で方が開発が進みそうな気がしますが，実際はそうでもした．地上でも地下でもほぼ同じ場所（地下の方がやないのです．新宿駅近辺の開発の勢いはすごいです．

や南寄り）に通路があります．地上の場合は東口の広2016 年 に 新 宿 駅 南 口 に「 バ ス タ 新 宿 」 と い う 1 日

場から，西口の思い出横丁やユニクロの前まで通路（ト1,000 便以上の高速バスが発着する日本最大のバスンネル）があります．ただし，余り目立つ通路ではな

ターミナルができ，同時に隣接する「ミライナタワー」

く利用者も多くはありません．地下の場合は，東京メと い う 32 階 建 て の 高 層 ビ ル が で き， そ の 中 に

トロ丸ノ内線の東改札（地下）と西改札（地下）の間「NEWoMan」というショッピングセンターがオープンの連絡通路を通ればよい．この連絡通路はとても分かしました．このバスターミナルからは日本の多くの場

りやすく，人通りも多いですが，深夜は閉鎖されます．

所に直接行け，私はこのから九州まで「はかた号」とこの連絡通路は人通りが多く，大きな広告を貼る広さいう高速バスで 12 時間以上かけて移動したこともありがあるため，大規模な広告がなされることが多く，大ます．

量のファンや観客が詰めかける広告が展示されることこの巨大な開発で発展は当分お休みと思いきや，「新も多いです．

宿グランドターミナル」というすごい計画があります．

新宿駅近辺に土地勘がない場合は，2 か 3 の経路を

新宿駅西口の現在の小田急百貨店の位置に 260 m のビ通ることになりますが，かなり時間が掛かります．特ルを建て，東口の現在のルミネエストの位置に同じくに 2 は，「大ガード」と言われる高架下をくぐって行く

260 m のビルを建て，両者間が線路上空デッキでつな

方法で，靖国通りと青梅街道の脇を歩きますが，人通がる予定です．2029 年に完成の予定で今から楽しみでりが少なく，歩いていて心配になるかもしれません．3

す．

は，南口の近辺にはたくさんの人がいて心配になるこ

6

新宿駅の東口と西口の間の移動とはないと思いますが，いずれにしろかなり時間が掛かります．
4 の地下の経路がほぼ直進で分かりやすいわけです

新宿駅近辺は，駅が南北に延びており，この駅が周が，2020 年夏まではここは JR の改札の中であり，入囲の街を東西に分けています．東西ともに栄えており，

場券などを買わないと通過できませんでした．東口に

東西間の移動をすることも多いですが，この移動が非いる利用客が西口にある小田急線や京王線を利用した常にしにくいのです．あるいは 2020 年夏までは，非い場合に上記 1〜3 のようなう回をさせたらかわいそう

常にしにくかったです．
「西口の〇〇に行きたいが，となので，JR 中央東口から JR 構内を通って，JR の乗換

りあえず駅を（東口から）出て，そのあと移動しよう」

え口から小田急線や京王線に行ける運用になっていまなどと考えて行動に移すとひどい目に遭いました．

した．当然ながら，JR 中央東口では両私鉄の切符を買
街 plus 探訪 「新宿周辺」

69

えるようになっていました．
このように非常に不便で評判も悪かった新宿駅の東西の移動ですが，2020 年夏に「東西自由通路」というものができ，これまで JR の構内だった図の 4 の地下の部分が切符がなくても通れる「改札の外」となり，移動はずいぶん楽になりました．図の 1 の丸ノ内線の通路もそんなに離れているわけではないのですが，JR しか使わない利用客はこの経路を見つけられないかもしれません．2029 年頃に線路上空デッキでつながれば，
地上からも分かりやすく，簡単に移動できるようになるのかもしれません．
図３ 移動 : 工学院大学→伊勢丹，高島屋（地理院地図 Globe

7を加工して作成）

ダンジョン

新宿駅近辺は基本的に「2 階建て」になっています．

1

A

地下と地上です．地下道は結構広範囲に広がっていて，かなり遠くまで雨に濡れることなく移動できますが，その複雑さから「ダンジョン」と呼ばれることもあります．どのような移動ができるかを考えてみましょう．

3
2a. 工学院大学→伊勢丹，高島屋
伊勢丹は非常に簡単に行けます．図 3 の 1 の経路で行けます．高島屋も 1 → 2 とすれば，一応 雨に濡れずに行けます．ただし相当な遠回りです．

図４

移動 : 京王プラザホテル→新宿駅（地理院地図 Globe
を加工して作成）

b. 京王プラザホテル→新宿駅

b

京王プラザホテルから新宿駅は，一応 地下を通って濡れずに行くことができます．まず，一般的な移動方法である図 4 の 1 の経路では図の A の部分が屋外となc

り雨に濡れてしまいます．ホテルの建物から雨に濡れずに移動するには図の 2 の経路を使えばよいです．こa 1の経路では，最初に（JR ではなく）京王新線の改札にたどり着きます．そのまま経路 3 を進めば JRdeなどの改札にもたどり着きます．
c. 新宿駅一周
雨に濡れずに新宿駅一周は多分できません．一部がどうしても雨に濡れてしまいます．図 5 のように，新

図５

移動 : 新宿駅一周（地理院地図 Globe を加工して作成）

宿南口（図の a の辺り）から，東京メトロ丸ノ内線新宿駅 b と新宿三丁目駅 c を回り，d 辺りで屋根のある

図では，a と e は地下道でつながっているように見地上に出て甲州街道の下をくぐると，「フラッグス」とえますが，これは駅構内で切符を買わないと入れない

いうビルの前に出ます．どうしてもそこで屋根のない領域です．

階段（あるいはエスカレータ）を上がらないと a にた
どり着けません．ただし，エスカレータ部は屋根があるので，濡れるのは数秒かもしれません．
70

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

「新宿周辺」

8

JR 新宿駅の隠しホーム

JR 新宿駅には，東から順に 1,2 番線ホーム , 3,4 番
線ホーム…と，15,16 番線ホームまであります．切符を買えば全てのホームに自由に入れますが，5,6 番線という知名度が低いホームがあります．ここは「成田エクスプレス」や「スペーシア」や「踊り子」などの発着の少ない便で使われており，利用客も非常に少ないです．場所もほかのホームと比較して極端に南にあり，アクセスも難しく，甲州街道の南側から（甲州街道改札などから）入った場合を除き，7,8 番線ホームの一番

図６

新宿御苑側道沿い（地理院地図 Globe を加工して作成）

高校や東京医大があります．

南側から移動しなくてはならないです．人通りが少な

図 6 の新宿御苑と新宿通りに挟まれた領域は，お勧く，こっそり（?）喫煙室などが設置されています．

めの場所です．大通りと御苑で隔離された場所で，お勧めのお店が多いのです．特に，御苑に接している（窓9

映画館，シネコン

映画と言えば有楽町や池袋が有名ですが，最近は新から御苑が見える）お店はおしゃれで，映画「君の名は。
」（2016 年）の瀧君のアルバイト先のモデルとされているお店もあります．

宿駅近辺も活気があります．東映の Wald9，松竹のピカデリーが成功し，歌舞伎町のコマ劇場跡にも TOHO
シネマズ（歌舞伎町の「ゴジラの建物」）ができ，新宿

11 新宿駅南口には大きなシネコンが三つになりました．これら以外

新宿駅南口近辺は，非常に健全でよいところです．

にも，武蔵野館など多数の映画館があります．シネコ

もちろん，ほかが不健全という意味ではありませんが．

ンはチェーンマスターになることもあり，舞台挨拶な

ちなみに，甲州街道より南は渋谷区内ですので，「バス

どのイベントが新宿で行われることも多いです．

タ」も高島屋も小田急線南新宿駅も渋谷区です．甲州街道の北側には「ルミネ 1, 2」，「ミロード」があり，

10 新宿区新宿甲州街道南側には，線路の東側に高島屋，線路西側に「サザンタワー」という小田急のホテルやスターバック

地名としての新宿は 1 丁目から 7 丁目まであり，新スがあります．また東西のデッキやテラスは線路を越宿駅の東側にあります．1〜3 丁目はおおむね元来の内える橋を使って渡れるのもうれしく，毎年冬には奇麗藤新宿に該当する場所です．1 丁目は歓楽街ではなくなイルミネーションが飾られます．甲州街道南側にはそれなりに住みやすく，私もここに住んでいます．2

新宿駅の「Suica のペンギン広場」があり，テーブルや丁目は，有名な LGBT の方々の街です．繁華街で雑居椅子まで用意され，線路の上から鉄道を見学しながらビルに飲食店などが多数あります．週末は大変なにぎ食事をしたりすることが可能です．ペンギン広場，東

わいです．3 丁目は新宿駅に隣接した東側の地域で，側の高島屋前のデッキ，西側の橋のたもと（サザンタ

伊勢丹や紀伊国屋や中村屋などがあります．4 丁目はワーの前）は，鉄道好きのお子様を連れて見学させる

巨大なお寺があり，その奥には安い宿があります．1〜にはよい場所かと思います．山手線，中央線，総武線，

3 丁目が宿場町で，その南（現新宿御苑）が内藤家の埼京線，湘南新宿ライン，りんかい線，成田エクスプ

屋敷で，2 丁目辺りに花街があり，4 丁目辺りは簡易旅

レス，
「あずさ」
，
「踊り子」
，
「スペーシア」，JR 直通乗館街であったようです．今でも利便性を考えると信じり入れの相鉄線，小田急線を見られます．京王線は地られないほど低価格の宿が複数あります．
「場外馬券売上からは見られません．

り場」もあります．5 丁目は歌舞伎町の東，靖国通り

驚くべきことに踏切もあります．こんな都心に踏切の北で，花園神社などがあります．新宿に住んでみてがあったら「開かずの踏切」になってしまうと心配す分かったのですが，花園神社は地域に根付いており，るかもしれませんが，サザンテラスの南に小田急線のお祭などは地域の人に大切にされています．6 丁目は踏切があります．踏切好きのお子様には喜んでもらえ

スクウェア・エニックスの本社があり，公立の中学・ることでしょう．小さいお子様にはサザンテラスの 2
街 plus 探訪 「新宿周辺」

71

階や 3 階などの安全な場所から見学してもらうのがおりの観光客を驚がくさせるのがはやっているらしく，勧めです．駅を子供の遊び場にすることに違和感を覚YouTube でそのような動画像をよく見掛けます．

える方も多いかと思いますが，南口の Suica のペンギ

新宿御苑は有料の庭園だけあってとても奇麗です．

ン広場などは家族で楽しむように作られており，親子

春の桜，秋の紅葉やバラ，日本庭園などお勧めスポッで楽しんでいる例は多いです．

トが多数あります．子供が安全に走り回れるので子育て世代にもありがたく，私は年に 100 回以上入ってい

12

百貨店

新宿駅近辺には複数の百貨店があります．百貨店で売上げ日本一を誇る伊勢丹新宿店，同様に巨大な高島

ます．御苑の魅力は書ききれないのでまた別の機会に．

14 マスコミの来る場所

屋，駅に隣接しており便利な小田急百貨店や京王百貨

町の人の意見を聞くためなどにマスコミの人が新宿店．ほかにも，丸井があり，百貨店に該当するか分か駅前に来て撮影をしていることも多いです．私の印象

りませんが，ルミネやミロードもあります．以前は伊だと，南口が一番多く，次に西口が多いです．台風な勢丹の向かいに三越もあったのですが，これは「ビッ

どで交通機関にトラブルが生じているときや，消費税

クロ」になってしまいました．

が上がったときは大抵，南口にマスコミが来ています．
南口はスペースが広くて作業がしやすいのでしょうか．

13 観光名所
新宿駅近辺の観光名所はいろいろありますが，研究者（お一人様）に合いそうなのは歌舞伎町（繁華街），
都庁（無料展望台）と高層ビル群辺りでしょうか．研究者の御夫婦やお子様連れですと新宿御苑や新宿駅南
でしょうか．
都庁は，南北の展望台（無料）があり，昼の景色も夜景も絶品です．南展望台にはなぜか「おもいでピアノ」という誰でも自由に弾けるピアノが置いてあります．ここで（観光客の前で）「超絶技巧」を披露して周72

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

山口実靖 （正員）2000 東大大学院工学系研究科電子情報工学専攻博士課程了．博士（工学）．同
年から東大生産技術研究所学術研究支援員，産学官連携研究員，日本学術振興会特別研究員．2006 工学院大・工・講師．2007 准教授．2016 同情報学部准教授．専門はオペレーティングシステム，
通信プロトコル，I/O 処理など計算機の下位層の技術．趣味は新宿の地下通路な
どの下位層の散策．情報処理学会，日本
データベース学会，IEEE 各会員．

My Front ier Jou r ney

私 の 研 究 者 歴My Front ier Jou r ney

電波に魅せられて安藤真（名誉員：フェロー）

1952 生まれ．1979 東工大大学院電気電子工学博士課程了，工博．1979 日本電信電話公社（現 NTT）入社．横須賀電気通信研究所勤務．1982 東工大助手，助教授を経て，1995 同電気電子工学科教授，2015 同理事副学長（研究担当）．2018 国立高等専門学校機構理事（研究・情報担当），2020 同顧問
（非常勤）．2009 IEEE-APS ア
ンテナ伝搬ソサイエティ会長．2018 本会会長．2017 から国際電波科学連合 (URSI)会長，現在に至る．

1. 学部卒業論文と幾何光学的
回折理論
（GTD）
との出会い
筆者は，1952 年に札幌で生まれ，札幌南高校を

東京工業大学名誉教授

安藤真

Makoto Ando

数やフレネル積分などの汎用の特殊関数が，まさに物理現象そのものを表現する道具であることに感銘を受けた．講義資料はその後ほぼそのまま「波動工学」として出版された．

卒業後，
東京工業大学の 5 類電気情報系へ入学した．

そして何より幸運であったと思えるのは，学部卒

父が船の設計技師であった関係で，高校時代から自業研究で対象とした，平板による平面電磁波の回折然と理工系へ興味を持っていた．祖父が全国漁業連

は，高周波回折現象を定性的かつ数学的にも説明で合会の仕事で東京・六本木に滞在していたことで，きるほぼ唯一の例であったことである．数学的な厳故郷を離れた生活はいきなり都心の祖父母宅への居密解である Sommerfeld（ゾンマーフェルト）のフ候から始まった．
当時は学生運動の最中で，サッカー

レネル積分解が，直流から光までの全ての周波数に部の練習を終えて帰宅する途中，米国大使館横の霊おいて物理現象を見事に表現していること（1），フェ

南坂で検問を受けかばんの中身を改められる毎日でルマーの原理や相反性が陽に示されていること，フあった．

レネル積分の近似公式が停留位相法を含む漸近近似

卒業研究では関口利男教授の研究室に配属後，目の一般的な有効性や危うさも示唆していることなには見えぬ電磁波回折現象の可視化をテーマに，赤ど，後々改めてその美しさに気がつき感動したもの

色レーザを用いて平板エッジ回折における干渉じまである．

の挙動を実験し，現象を説明する近似計算の調査に明け暮れた．観測された干渉じまはおおむねホイヘ

ここで高周波回折現象とは何か，について概観す
る．

ンスの原理と吸収体近似で説明できること，そこで高周波における散乱電磁界は，一般に散乱体上には波動現象における位相の重要さ，フェルマーの最誘起される電流から放射されるが，誘起電流を新た

短光路の原理の妥当性を体感した．同時にこれら直な波源と考えるホイヘンスの原理に倣い散乱界を図

感を正確に記述するために世界中の研究者が行った

1 のように定式化する．波源の振幅に依存する関数

膨大な数学的業績に驚いた．関口教授は，境界値問

f と位相に関する項 exp（―jk ＜ r0 ＋ ri ＞）との積を，

題を数学的，解析的に解く正攻法として多くの手法

散乱体全面にわたり面積分する形となる．ここで，を体系化し，大学院の講義をされていた．筆者は講k は波数（2π /λ ），r0 と ri とは図中に示すように，

義資料のコピーを繰り返して読む中で，ベッセル関

積分点から観測点または波源それぞれまでの距離をⓒ電子情報通信学会 2021

私の研究者歴 My Frontier Journey

73

図１

停留位相法による積分の近似．打消し効果，光路長の極値がフェルマーの原理に対応．

表し，r0 ＋ ri は積分点を経由するいわゆる光路長を（2）（GTD: Geometrical Theory of Diffraction）
は，表す．この積分形式をここでは高周波放射積分と呼その概念が 1952 年の国際電波科学連合（URSI：

ぶこととする．積分点の移動とともに，光路長は変Union of Radio Science International）の第一回化するが，高周波で波数 k が大きくなると，移動に電磁界理論シンポジウム（EMTS）に発表されたも伴い位相 k ＜ r0 ＋ ri ＞の変化も，大きくなる．図

のであり，現在に至るまで全ての高周波回折理論の1 では散乱体上の #1 から #3 へ至る一次元の線積

展開においてよりどころとされている．GTD は，分を例に，被積分関数の実部（あるいは虚部）が，上述した高周波回折での主要な寄与を，現象の局所

激しく振動する様子を定性的に示している．包絡線性を前提として，数学的に厳密に解ける「規範問題」に対応する関数 f の変化に比べはるかに速く振動すの一つである半無限平板による平面波回折の解で代るため，これを積分すると正負の打消しが起こる．

用したもので，これに幾何光学の法則を組み込むこ

このためほとんどの区間からの積分への寄与は極めとで汎用性を高めたものである．筆者にとってて小さくなる．積分への主要な寄与が生じるのは，

GTD は生涯のテーマとなり，これを最大限活用し被積分点が移動しても光路長が極値を取り変化しなて「回折体の縁に」仮定すべき等価端部電磁流（EEC）

い停留点と，打切りの結果打消しが不完全となる，を探索することが，博士学位はもちろん，その後の積分範囲の端点からの寄与ということになる．前者

研究経歴の大半を占める課題となった．

はフェルマーの最短（最長）光路の原理に従う幾何
光学成分を表し，後者が散乱体の端，三次元では散る．高周波放射積分をこの二種類の主要な部分から

2. 大学院での高周波回折理論の展開の寄与のみで近似する手法は，停留位相法と呼ばれ大学院修士課程に進学しエッジ回折から円筒にる．散乱回折現象の本質を把握し，高周波回折現象

よる回折への拡張を試みた．Watson 変換に裏付らの「見える化」を行う際のよりどころとなる近似算

れた Creeping Wave 解釈による光線理論の拡張法であり，その近似精度の向上は筆者の研究歴を貫では，これを数学的に体系化に成功した Felsen らくテーマでもある．

の著書に感銘を受けた（3）．筆者は円筒の媒質定数に乱体の周縁から発生するより弱い回折波成分とな

74

回折現象を「数学的にも可視化」でき，高周波による回折波抑制効果を深さ 1/4 波長の歯形で実証おけるエッジ回折の局所性を明示する問題である平したが，図 2 は電波暗室での実験風景である．反面電磁波の半無限板による回折に，光線的な解釈と

射鏡アンテナの後方回込み放射を抑圧するためには汎用性を与えた J.B.Keller の幾何光学的回折理論

金属円筒の縁への装着が効果的ということを示し

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

My Front ier Jou r ney

図２ 歯形円筒による回折波抑制実験風景．
左から渡辺文夫氏（元 KDDI 研究所会長），遠藤信博氏（元NEC 社長），筆者，櫻井仁夫助手．

図３

た（4）．後日，首都高速道路の近隣への騒音対策のたの面上でこれら以外の箇所からの寄与を無視するこめに路側壁の上部先端に円筒が装着されているのをとも近似の要点であり，更に高周波回折理論では，

見て，音波ではあるが合理的な手法であると感心し回折には局所性があると仮定し，停留点や端点以外た．博士課程では，古典的な波動光学である物理光の散乱や形状は，主要な寄与点の誘起電流や回折界学近似 PO との比較をする形で，三次元問題に対すには影響を与えないとしている．

物理光学近似（PO）と幾何光学的回折理論（GTD）
における電流分布近似の違い．

る GTD の理解と修正を行った ．図 1 では，高周これらの仮定に基づき高周波回折の近似解法で

波放射積分の停留位相法による近似原理を一次元のは，未知の誘起電流を，停留点や端部が局所的に同線積分を例に説明したが，一般の散乱体では放射積

じ形状の散乱体のそれで代替えすること，具体的に分は二次元の面積分となる．つまり，誘起面電流のは厳密に解ける（規範）問題の電磁流を流用するこ寄与は高周波では，電流散乱体内部（位相停留点）とが行われる．例えば，積分点において無限接平板

からの反射波と端部稜線に沿った線状の散乱源からの電磁流で代替えする物理光学法 PO や，既に述べの寄与の和で近似されることになる．後者はあたか

たが，散乱体の端部で接する半無限平板の回折界をも周縁部に存在する仮想の線波源である等価端部電流用する GTD などが主要な近似手法として活用さ磁流（EEC）からの放射として表現される．散乱体れている．後者はエッジ近傍における面電磁流を，（5）

面積分の線積分近似と各種計算法における面波源と等価端部波源の関係
Exact




 J

PO


 ds   J FW  ds

補正等価端部電磁流

�𝑊𝑊����𝑊𝑊𝑊𝑊 � ��𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊⃗ 𝑊 ��⃗ 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊� �𝑊𝑊��𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊⃗ 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊


GTD

2

D
1

GTD

物理光学電流FWEEC

JPO

Reduction��� � ��⃗�� 𝑊 𝑊𝑊� 𝑊 ��𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊 𝑊 𝑊𝑊𝑊𝑊⃗

JFW

Reduction

未知

既知

補正電流

物理光学等価端部電磁流 POEEC

等価端部電磁流GTDEEC GO
停留点からの光線寄与

GTD

停留点でのGTDEECは，GTDから逆算できる。
端部に沿う積分では，全ての点のGTDEECが定義される必要．
図４

厳密解 Exact，物理光学的回折理論（PTD），等価端部電磁流法（GTDMEC）における面波源と，面積分→
線積分近似（Reduction）により導出される，それぞれの等価端部電磁流（EEC）の関係図．
私の研究者歴 My Frontier Journey75半無限接平板の電磁流で代用する近似に相当する．

ラソン，ボートなど体育会系のイベントが大変盛ん

代替えとする規範問題の違いを PO と GTD についであり，私も率先してこの伝統を守った．後藤尚久て示したものを図 3 に明示する．これらの手法の教授が千葉大から戻られ，飲み会も同様に重要なイ違いは図 1 の積分表現においては関数 f の近似に，ベントとなった．図 6 は，博士修了を間近に控え端部からの回折に関してはその差は稜線上に仮定すた送別会における両教授と学生の懇親会の様子である線波源である等価端部電磁流（EEC）に現れる．

る．思い返すと関口教授と後藤教授では教育方針も

筆者は世界で競争が繰り広げられていた各種高

水とアルコール（？）の違いがあった．関口教授は周 波 計 算 法 の 相 違 点 と 等 価 性 を， 図 4 の よ う に

先人の研究の体系化を重んじるのに対し，後藤教授

EEC の観点で体系的に比較するとともに，物理光はアイデアの大切さ，
発表の速さを意識されていた．

学的回折理論（PTD）の EEC の陽表現を導出して

関口研究室に属していた筆者は発表や Publication

いる．EEC の値を周縁部に沿って比較すると，位を促されたことはほとんどなく，後藤研究室はじめ

相停留点においては各手法とも同じであるが，これほかの研究室の同期の友人が驚くほどの数の発表を以外の一般的な点では（図 1 における）関数 f の違行っているのを横目で見ては不安も感じ，学位審査

いによって差が生じる．つまり，停留点以外の部位

日から逆算して最低限の論文や学会投稿を行っていにおける EEC の定義の曖昧さが手法の違いとなるた感がある．単純に比較は難しいが，私にとって対ことを示してきた．図 5 は学生時代からあこがれ

照的で特徴のある二つの研究教育方針を，若い時期であった，
PTD の提唱者 P.Y.Ufimtsev 氏とのスナッに体験することができたのは，後に大いに役立った．

プである．なお，現在も続く多くの研究が，関数 fに含まれる誘起電流の改良に向かっているのに対積分点のエッジの向きを修正し GTD をそのまま適

3. 日本電信電話公社への就職と横須賀電気通信研究所

用するユニークな「修正エッジ法」を提唱しその優1979 年博士課程修了後，日本電信電話公社の横し，筆者は，電磁流を変えるのではなく，考察する位性を主張している ．
（6）

関口研究室では，OB も加えて野球，スキー，マ

須賀電気通信研究所に就職した．当時は，光通信と並んで静止衛星通信の研究が盛んであり，私は電波研究室に配属され，衛星搭載局や地球局に用いる反射鏡アンテナの研究を行った．大学の先輩でもある
鹿子嶋憲一博士，後輩であった山田隆氏や学会で交流した高野忠博士などのお世話もあり，社会人生活
は不安も不自由もなくスタートできた．入社時には全員に現場実習が課せられ，筆者は二か月の間，仙台の榴ヶ岡統制無線中継所で保守の実習を行った．
現場の方と鉄塔に登り，50 km 先の対向局との新図５ あこがれの PTD 創始者 P.Y.Uﬁmtsev 氏とのスナッ
プ．ロシアからの留学生と APS1975 イリノイ大で．

図６76

関口・後藤教授を囲んだ博士修了式打上げ（1979
年 3 月）．

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

図７

仙台榴ヶ岡統制無線中継所鉄塔でのアンテナ偏波面調整．

My Front ier Jou r ney
設アンテナの交差偏波面調整や，山頂の無人中継所

筆者のその後の研究生活，特に社会実装の観点で常の保守点検など，無線の前線を体験した．図 7 はに大きな支援を頂いた．ちなみに退社時を境に通信鉄塔上での偏波調整風景である．高砂寮で同室との自由化と公社の民営化へ向けての動きが加速されなった先輩に秋田の実家から毎週一升瓶が 6 本ずた．研究所でもサービス対応，プロジェクト対応につ送られてくるのには驚いた．
中継所ではほかにも，組織が改変され，専門を同じくする研究者は臨機応

実家が近く農業も手伝いながら勤務するなど，地方

変にサービスごと，プロジェクトごとに少人数に分独特の生活スタイルを持つ人も少なくなかった．後散配置されるようになり，持続的に技術を深める集

輩の新人研修の講師役も務め，公社の民営化を想定

団を作ることが難しくなってきた．基礎的な研究をし後輩の育成訓練にも関わった筆者には予期せぬこ遂行すべき大学との役割の差別化は重要であるが，とであったが，縁があって母校へ戻ることになり，

日本では息の長い研究はむしろ企業に実績が多い歴

公社勤務は 1981 年 12 月までの 3 か年に満たない史もある．国研に比して劣らぬ規模を擁する企業研ものとなった．

究 機 関 の 取 る べ き 道 の 選 択 は 難 し い． 昨 今 は

実は電電公社へは修士修了時に就職を希望し学

SDGs，Society 5.0 の広まりとともに，大学や国研内の調整で断念した経緯があった．自身で道を決め

でも科学技術の社会実装への貢献がますます強く求たかに見えても，実は人生には目に見えない力や偶められるようになった．学際分野の振興が重要なこ然が働いていることが多々あるものである．私の場とは異論がないが，社会実装偏重では，専門性や多合は，後ろ髪を引かれる思いを二度経験しながら，様性など長期的な強みの衰退につながる恐れもある

結果として未練を残していた高周波回折に生涯関わと危惧している．

ることができたわけである．
公社在籍は余りに短く，新たな研究成果は上がらず博士課程で学んだ GTD
理論を実装することに終始した思いがある．しかし当時の電気通信研究所は通信，ネットワーク，マイ4. 大学へ復帰
４.１ 高周波回折理論の研究の継続

クロ波などの専門ごとに研究室が作られ，そこは学

1982 年に後藤教授の研究室の助手として 4 年ぶ会でも著名な権威が集まり切磋琢磨できる組織でりに東京工業大学へ戻った．後述するようにアレーあった．私は電波研究室に配属となったが，この 3アンテナが私の二つ目の研究テーマとなったが，卒年間に得た知己（先輩，同僚，後輩）の多くは，そ研で開始した高周波回折の研究は現在まで続いておの後，産・官・学において電子情報通信の広い分野

り，まずこれを概観する．博士修了までの経緯で既で指導的役割を果たされ，公社を離れ大学に戻ったに述べたが，電磁波の散乱問題を理解するには，高図８ 電磁界の積分表示における面電流と停留位相法による面積分→線積分近似による等価端部電磁流の導出と各種の高周波近似解．
私の研究者歴 My Frontier Journey77周波あるいは光の回折現象での，干渉の理解が出発

より精度や適用範囲が劣るとされていた古典的な開となる．図 1 に示した放射積分において，振幅で口面法（AFIM）が，等価性に基づき波源や積分面はなく位相が最も重要な因子となるが，これを一般

を正しく定義し直すだけで，PO に等価で遜色ない的な形で体系化し幾何光学とつないだ GTD は，明

結果を与えることを 1994 年に指摘している（7），（8）．

暗境界や焦点での解の発散などの欠点はあるもの

筆者らは，位相の停留性（フェルマーの原理），相の，全ての意味でその後の回折問題の研究のよりど

反性などの知識を統合する形で，独創的な等価電磁ころとなっている．大学へ戻ってからも，GTD の流「修正エッジ法 Modified Edge Representation

欠点を補う目的で各種計算法の体系化を続ける中（MER）」を提唱し（9），（10）, 古典的な GTD の活用とで，特に等価端部電磁流法（MEC）に焦点を絞り，欠点の克服を実証し，GTD 以後に提案された多く

図 4 で課題として示した，回折の法則を満たさぬの手法をりょうがすることに成功している．図 9

一般的な点における EEC の探索を行ってきた．図に示すように，考察する任意の点で，実際のエッジ

8 は，図 4 の概念を，一般の高周波解析手法についではなく，回折の法則（フェルマーの原理）を満足て，用いる波源の面積分と，停留位相法に代表されする仮想的なエッジを考え，このエッジに GTD をる面積分→線積分変換を一度施して EEC の線積分適用し，EEC を定義するものである．周縁部の中で，で近似した表現を整理したもので，それぞれの表現

回折の法則を満足しない点での EEC を新たに定義が対応する近似解析手法の呼称を付したものであするのではなく，その点で回折の法則を満足する方る．なお EEC の線積分に更に 2 回目の停留位相法

向のエッジを仮想し，GTD により自然な形で EECを適用すれば，例えば GTD のような光線近似までを計算する逆転の発想である．このように稜線すべ変換される．積分近似を 1 回で止めて電磁界を稜ての点で一意に定義された電磁流を，数値的に線積

線での線積分で表現すれば，焦点での発散は解消さ分することにより，散乱界を計算する．結果として，れる．稜線に沿う線積分を具体的に行うためには，

古典的な GTD の回折係数のみを用いて，明暗境界全ての点で被積分関数である EEC が定義されていや焦点での解の発散が解消できる．2007 年には，る必要があるが，図 4 で残された課題としたのは，当初考えてもいなかった展開であるが，その後，ス

GTD から逆算で電磁流を導出できる回折点（停留トークスの定理の解釈により，修正エッジ法が高周点）以外の一般の点では，EEC が未定であること

波に限らず低い低周波，つまり小さな面積の線積分である．

変換に対しても有効であることを発見した．この拡

これまでも GTD の欠点を補うために多くの研究

張により端部からの回折波成分に限らず，内部停留が進められ，積分近似の過程の改良に焦点を当て新点の寄与である幾何光学成分の抽出にも成功していたにフレネル積分を導入した解（UTD,UAT），物る．新しい発見は，まだ続きゴールは先のようであ理光学近似の面積分を残した解（PTD），積分近似

る（11）．最新 2020 年の論文では工学的に有用な成を施す面や経路を変更する方法などが提案されてき果として，やはり光路長に関係するフレネル数を駆た．しかし，それぞれ個別の問題での優位性は示さ

使して物理光学近似と融合することで，幾何光学でれたものの対処療法の感は否めず，複雑さが増す割は取り入れることのできないスロープ回折やグレーには GTD の精度と汎用性に迫ることはなかった．
昨今は計算能力の目覚ましい発達により，図 4 のSource積分の変換から離れて，境界値問題を数値的に解き誘起電磁流や散乱界そのものを求める手法も現実味を帯びているが，本当の高周波では使えない，何よObserver

り現象の理解が深まらないなどの困難があった．
GTD と同様の汎用性，特長を持つには，任意の波源位置，任意の観測方向に対して陽な表現で EECを定義する必要がある．ここで，被積分関数が単なる数学的関数ではなく，マクスウェルの方程式を満足する電磁界であることは特別な意味がある．つまり等価性や相反定理などが内包され，これも駆使す
ると，同じ散乱界を表現するにも，積分面や波源の組合せが複数あることになる．従来物理光学法（PO）
78

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

観測方向

n
kd

ki
τ

Modify edge
1. 散乱体の縁上の任意の点において，その点が停留点になるような仮想的なエッジを定義
2. その修正エッジに対する等価端部電磁流を導出
図９ 修正エッジ法（MER: Modiﬁed Edge Representation）．

My Front ier Jou r ney
ジング回折など，回折の高次項の評価を取り込むこされ上層では内向き円筒波となってスロット列を励とにも成功している．思えば生まれた年に出さ振する．内向き円筒波は進行するに従いエネルギー

れた GTD という概念との付合いが，学士研究から密度が上がるが，適度な結合の固定長スロットペア

40 年以上も続いていることになる．

により放射され逆にエネルギー密度を下げる．全て（12）

４. ２ 平面アレーアンテナの研究
次に新しいテーマとなったアレーアンテナの研のスロットに共通な，適当な長さを選べば両者が均衡し，ほぼ一様にできるはずという狙いであった．
最適なスロット長を実験的に見いだすことにより初究について述べたい．当時研究室では放送文化基金

めて二層構造 RLSA が動作したのは 1984 年でありの助成を受けていたこともあり，円偏波 BS 放送の（14）開始に向けて図 10 のラジアルラインスロットアン

始された BS 放送にほぼ間に合った感がある．このテナ（RLSA）の研究に集中していた．このアンテ

年には，軸対称動作を前提とした周期境界条件を用ナは 1980 年に後藤教授がその原理を発明したもの

いて，スロット長に対する結合量を正確に解析する

で，オーバサイズ導波管と非共振スロットを用いる

プログラムが広川二郎氏により開発された（15）．こ独特の進行波円偏波アレーである（13）．シャワーヘッ

れで，スロット長を位置（径方向）に応じて変える

ドのように中心で供給される外向き円筒波を励振波ことで放射量を自在に制御し開口分布を一様とするとするが，その軸対称性を乱すことなく，開口面上設計が可能になった．シンプルな一層における外向

全てのスロットからの放射強度を一様に，その上でき円筒波でも一様分布を実現する研究が開始され，進行波が端に到達するまでに，いかに電力の全てを1990 年には一層 RLSA が商品化された（16）．進行波放射させるかが，スロット設計の肝であった．当時

アンテナでは一般的に，開口径が小さい場合には終“民生用”のアレーはマイクロストリップなどが主端での残留電力による損失が無視できない．効率を流であったが，これに比較しはるかに損失が小さい

最大とするには一様分布にこだわらず残留電力も含こと，導波管とはいえ 2 枚の円板で平行平板を構めた最適化が必要で，結合をより高めた非一様開口成する十分に薄い構造である点などが特長であっ分布が有利になる．軸対称性の維持，反射の抑圧，た．一方，共振長から微妙にずらした長さの 2 本軸比の維持など多くの制約の中で，1992 年には 12のスロット（ペア）を単位として，
後方反射の抑圧，GHz 帯で利得 35 dBi，効率 67% の RLSA を実現

スロット（放射）結合量の制御，ペアの間隔などをし図 11 のように市場へ提供できた（17）．

，1989 年には商品化が行われた．1987 年に開制御し一様な開口分布を実現することは，発生する

RLSA にとっての最近のハイライトは，惑星探査

高次モードも伝搬し得るオーバサイズ導波管では，用衛星搭載アンテナとしての活躍である．遠い宇宙

困難を極めた．当初はスロット結合量を解析するプから高速でデータを通信するためには，高周波で高ログラムがなく，まず，スロット長を変化させず一利得（鋭いビーム），
高効率のアンテナが必要である．

定としても近似的に径方向に一様に近い開口分布を

更に太陽からの熱による膨張ひずみの特性劣化を抑得られる，内向き円筒波を励振波とする二層構造のえるために平面であることが必要という，RLSA のRLSA を試作した．中央から給電された外向き円筒

特長を最大に発揮できる要求条件であった．搭載の

波はスロットのない下層で伝搬し，円周部で折り返ために軽量で強靭な構造が求められ，ハネカム構造

図 10

一層ラジアルラインスロットアンテナ（RLSA）と類似のシャワーヘッド．

図 11

BS 受信用 RLSA の商品化．
私の研究者歴 My Frontier Journey79Hayabusa 2 Plan - 2014

Planet C (Akatsuki) - 2010

© Japan Aerospace Exploration Agency

8.4GHzFrequency

32.0GHzGain>35.0dBi

Gain>44.1dBi

Bandwidth

5.0MHzBandwidth

5.0MHz

Diameter

90cm

Diameter

90cm

Weight1.16kgWeight1.16kgFrequency

Slot Plate
0.03mmSkin 0.362mm
r=3.1
Honeycomb Core
5mm, r=1.03
Bottom Plate
0.03mm図 12

惑星探査用衛星（あかつき、はやぶさ 2）に搭載されたハネカム構造 RLSA．二つの円形アンテナが送受
RLSA（イメージは JAXA 提供）．

Honeycomb anisotropy

150

100

180

50

140
120
100

160

Cell size

80
60
40
20
0

0

Measured
Field at 25GHz
for 4/16 inch
cell

T
-50

L

W

Honeycomb
core

-100

-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
-160
-180

-150

-150

4/16 inch cell

-100

-50

0

50

100

150

1/8 inch cell

15cm model

図 13 ハネカム構造による異方性とセルサイズの関係．RLSA 開口面電磁界分布の一様性実験及びシミュレーション．

を挟んだ平行平板の RLSA の設計を 2006 年に開始波の存在しない鏡面の裏側の強度補強に用いる搭載している．図 12 に示すように，金星探査機「あかアンテナは存在するが，RLSA は導波路内部がハネつき」では 8 GHz，小惑星探査機「はやぶさ 2」

カムであり構造を切断する面内に電波が伝搬する．

ではミリ波 32 GHz でそれぞれ 35 dBi，44 dBi（19）ミリ波という，波長がハネカムのセルサイズに比べという高利得高効率のアレーが 2 衛星に搭載されて同等あるいはこれより小さい電磁波では，ハネカ

た．いずれも 90 cm の大口径でありながら約 1.16

ム構造は異方性を示す．図 13 は，異方性を考慮せkg の超軽量アンテナである．ハネカム構造を電磁ず約半波長のセルサイズのハネカムを用いた RLSA

（18）

80

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

My Front ier Jou r ney
では，小さなハネカム片を多数寄せ集めて 90 ㎝のアンテナを作成した．いずれの衛星でも一番目立つ
位置に搭載された二つの円板が送受の RLSA である．アンテナのビームが極めて鋭く（高利得），はやぶさ 2 では衛星が惑星着地の際に姿勢を変えた場面でビームが地球方向から外れるため，このアンテナによる高速通信はしばらく断となった．この様
子をテレビで見た我々は，RLSA が見事に動作していることを確認し誇らしく思ったものである．はやぶさ 2 の帰還は大きな成功であったが，このアン
図 14

テナもまさに独創的なもので，世界に類を見ないも各種一層構造導波管スロットアレーの展示．電子情報通信学会 MWE 大学展示．

のである．RLSA は探査ミッションを支える通信イ
ンフラの位置付けであり，ほかの観測機器に比べ注目されることが少ないのが残念ではある．

を 25 GHz で試作し，開口分布を測定した結果である．驚いたことに，開口電磁界分布に見事にハネ

後藤・安藤研究室では，RLSA 以外にも一層構造

カム模様の六角形が現れ，使い物にならない．慌て

導波管アレーについての研究を展開しており，図て，当初無視していたハネカム構造の詳細を組み入

14 は MWE 展示会のブースで様々なアレーを展示れた電磁界シミュレーションを行った．計算規模がしたときの様子である．図 15 は，一層構造平面ア

大きく小口径に対する計算の結果であるが，図の下レーを構造別に 4 種に分類したものである．共通には，セルサイズが約半波長と約 1/4 波長のハネする特徴は，いわゆるパッシブアレーであること，

カムを通過した円筒波が励振する RLSA 開口分布

低損失の導波管でありながら薄形の極めて簡易な構の結果を比較し示す．前者では軸対称性が損なわれ造であり，大口径高利得であるほど導波管の優位性た実験結果を再現でき，同時に 1/4 波長程度に小が顕著となること，反射を抑制した進行波型直列給さなセルサイズを選べば，良好な軸対称性が維持さ電であることから並列給電に比して損失が少ないがれていることが示されている．当時，32 GHz の短動作帯域が狭いこと，などである．これらの特長をい波長に対し 1/4 の細かいセルサイズの大口径低生かし，BS の個別受信，移動体搭載の追尾受信，損失ハネカムは入手困難であったため，はやぶさ 2

家庭用加入者無線など多くの民生応用に実装されSingle-Layer Slotted Waveguide Arrays
Modes

Single-mode
Co-Phase

Oversize

Alternating-Phase

Stacking
Substrate

RLSA

Post-Wall Waveguide

Slot plate

StructuregGroove feed
structure gT-junction

exem ption of contact

＋
○

＋
○

－
○

＋
○

－
○

△

Post-wall planar antenna

Applicability for
millimeter-wave 76GHz 35.5dBi, 64% 26GHz 32.4dBi, 60% 60GHz 32dBi, 55%
Backside

Antenna input Single-layer WG
Std. WG
ports(Adaptor)
Planar circuits

Low side lobe

図 15

○

×

SLL < -25dB

Single-layer WG
Std. WG

××

Thickness of the antenna
substrate : 1.2 mm

m
32 m

＋
○

○

＋
○

○

＋
○

60GHz 27dBi, 59%
Radial WG
Post-wall
WG V
75 mm
Std.WG/Coax
Std.WG/Coax
MMIC
IF
GG

△

△

Upper side

Package×○

perfect contact○

-junction

Connector(for DC and IF)

V DD

(cm)

SLL < -18dB
FWA
Automotive
radar
Automotive
radar
SystemAutomotive radar
Wireless LAN
FWA
mouting
FWA
FWA
Mobile base station
Plasma processing
4 種類の一層構造導波管スロットアンテナ．単一モード導波管（同相，逆相），多モード導波管＝平行平板（RLSA，ポスト壁アレー）．

私の研究者歴 My Frontier Journey81Fabrication Technique by Diffusion Bonding forMulti-layer Corporate Waveguide Feed
Rounded Corner

Top
Layer

2.Diffusion bonding

Pressure, Heat

BottomLayer
Vacuum
1Y. Miura, et al, “Double-layer full-corporate-feed hollow-waveguide slot array antenna in the 60-GHz band,”IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 59, no.8, pp.2844-2851, Aug. 2011.

図 16

拡散接合（Diﬀusion Bonding）による多層構造並列給電アレー．

“Tokyo Tech Wireless-Fiber Project”
2007.4-2012.3-2016.3
40GHz

4G/WiFi/LTE
60GHz

60GHz

図 17

60GHz

60GHz
60GHz

Tokyo Tech Wireless Fiber Project の目指すヘテロジニアスネットワーク．

た．従来軍事用や特殊用途に限られていたアレー技

更なる広帯域化には，制約もある．研究室ではその術の民生応用としては，より低利得で普及している

後，
図 16 のように多層積層構造，
並列給電方式，ビー

八木宇田アンテナ以来となるものであった．学術的

ム走査用給電回路，更にはアクティブアレーなどへにもこれら成果は，高利得平面アレーという新しいの研究の展開も行っている（20）．

工学領域をひらいたと自負している．前述したように，一層構造の直列給電方式は，ミリ波，テラヘル

82

40GHz

60GHz

４. ３ ミリ波ネットワークプロジェクト

ツ帯などへの高周波数化と高利得化に優れている

5G 及び B5G での重要な無線技術課題に，電波が，ディジタル技術を駆使するためのビーム走査やスペクトルの枯渇に対処する新周波数開拓としてミ通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

My Front ier Jou r ney
・ミリ波無線のためのデバイス・回路の開発（シリ波やテラヘルツ帯，干渉回避の指向性アンテナのリコン及び InP）

活用が叫ばれてきた．筆者らは時代の要請に直接応えるネットワークモデルとして平面導波管アレーをまでを包含するもので，学内教員 15 名，日本無線，活用したミリ波ネットワークの構築を掲げ，2007

NEC，KDDI，ウィルコム，Sony，アムシスの参年から総務省プロジェクト「Tokyo Tech Wireless

画を得た一大研究プロジェクトであった．ミリ波をFiber Project」を延べ 10 年にわたり推進してきた．

3GPP 標準ネットワークに取り込むためのヘテロジ

このプロジェクトは，アンテナの開発にとどまらず，

ニアスネットワークの構想を図17にまとめている（21）．

・5G，B5G へ向けて，直進性，耐干渉性を有す

1 km 程度までのマクロセルにおいて従来の周波数るミリ波を活用した移動体通信用ヘテロジニア

による移動体端末の制御を前提に，直径 30 m 程度

スネットワークの構築の高速ホットスポットを 60 GHz で構築し，これ・降雨予測，スループット低下抑制のためのネッらのネットワーク展開を機敏にはかるため 1 km 程

トワーク制御度までの 40 GHz のフロントホール回線を設ける．
プロジェクトでは，デバイス／装置として 40 GHz（1 Gbit/s ×2 <1km）及び 60 GHz（6Gbit/p <10

Frequency (GHz)Distance

(m)

10
10

4

10

3

10

50

WIPAS

1

発した（図 18）．60 GHz のホットスポット通信シ

1Gbpsx2=2Gbps

Backhaul
エントランスB-WIPAS
B-WIPAS2

10数 m）の 2 システム・装置をチップレベルから開100ステムとして超高利得アンテナを基地局としたコン

Outdoor

パクトレンジ通信を新たに提唱した．約 15 cm 四方，40 dBi のアレー（図 19）の基地局アレーによ

6.0Gbps
Digital Electrical
デジタル家電Equipment（Movie）

Digital Electrical USB2.0
デジタル家電Equipment

無線
Radio

0.1

Indoorり電界分布が減衰せずほぼ一様のサービスエリア

動 画

1.0

Data Rate( Gbps )（いわゆるコンパクトレンジ）を 10 数 m まで実現

10

し，端末用にはポスト壁導波管アンテナ，更に 65
nm（RF）及び 40 nm（BB）技術での CMOS チッ“Tokyo Tech Wireless-Fiber Project 2”
2007.4-2012.3-2016.3

プを開発し，これらを用いた通信実験により図 20に示すように反射壁の環境でも劣化のないエラーフ

図 18 プロジェクトで開発する二つのシステム．
40 GHz DDD 方式による 1km フロントホール回線．60
GHz ホットスポット用コンパクトレンジ（10 m 程度）通信．

リー伝送を確認した（22）．次に 40 GHz 帯では，
偏波，及び周波数を完全に共用する究極の周波数有効利用

Electric Field Intensity [dBV/m]

Compact-Range Wireless Access System
60
R

40

2D 2



20
0

-20
-40
100

2

(0.5 )2(1.6 )2(5.0 )2( 16 )( 50 )2
101
102
103
104
Propagation Distance [mm]105Compact range

D=30cm @60GHz R1=1.5m R2=36m (64x64 45dBi)
D=15cm @60GHz R1=0.5m R2=12m (32x32 39dBi)
図 19

コンパクトレンジ通信と高利得導波管アレーアンテナ．15㎝四方 32x32 素子、39dBi アレー，コンパクト
レンジ＝ 12m まで．
私の研究者歴 My Frontier Journey83

の 複 信 方 式 と し て Direction Division Duplex

で，ユーザにストレスなく，三つのコンパクトレン（DDD）方式に挑戦した．図 21 のように密に並べ

ジでオフロードする実験に成功している．金額的，た送受二つの高利得アレーにより 80 dB，更に開期間的にもこれだけの大きなプロジェクトを推進す

発した低消費電力 A-D 変換器による信号処理で 36るため，直接経費で学内に「研究開発推進会議」とdB の，合計で 116 dB の送受アイソレーションを称する運営事務局を設け，研究進捗管理，経費の執実現し，送信信号からの漏れ信号と微弱な受信信号

行，予算の審議，広報，総務省や大学との連絡調整の分離に成功しているを行う体制を構築した．

．伝搬試験では，4 km の（23）

区間での 64 QAM 伝送にも成功している．2016

当時は，企業と異なりプロジェクトごとにいわゆ

年 3 月にはプロジェクトの仕上げとして，図 22 のる総務部署を持たぬ大学が多く，またこれを直接経

Wifi 制御 -40 GHz フロントホール -60 GHz ホット

費としては認めない国プロジェクトが多かったが，スポットの概念実証試験を大岡山キャンパスにおいプロジェクトの部門リーダ（企業も含む）と岩本喜て公開で行った．大容量のコンテンツを，ミリ波帯直氏，松本巌氏，松本元次氏，平出賢吉氏を加えた

Multi-path free environment realized byCompact range by Large arrays

38GHz 1Gbpsｘ２（907Mbps)ｘ２

126

80dB

1Gbps x2, 260MHz
System on Chip for 38G-1Gbps System

Dual 10bit ADC (Improved version)
Low Jitter PLL

実績
1０bit
ADC

AD Cov. 12bit 800Msps for DDD
System 1.6w0.15w

図 20 コンパクトレンジ通信の伝送実験．
高利得アレー基地局を用いると反射物の影響を受けずにエラーフリー．従来の低利得アレーでは 3 m 程度からエラー発生，反射により更に劣化．

図 21 40 GHz Direction Division Diplexing（DDD）の伝送実験．116 dB（アンテナ間で 80 dB、低消費電力
ADC で 36 dB）の送受間アイソレーション．片側１Gbit/s
ｘ 2 ＝ 2 Gbit/s 伝送．

PoC Demonstration of Mm-wave Het Net for big file delivery

 クライアントがコンテンツの要求を行うと、コンテンツ配信サーバがコンテンツを分割し、クライアントがゲートを通過する前に、それぞれのゲー
トに配置
40GHz Fronthaul
Wi-Fi
アクセスポイント

ミリ波
デバイス
60GHz

3

コンテンツ全体を決められたサイズで分割

40GHz
ゲート用
PC

2

１

40GHz
Wi-Fi

(DDD:1Gbit/s x 2)

コンテンツ配信
サーバ

40GHz

１

2

60GHz

60GHz

3

60GHz GATE System

60GHz Handy terminal (6Gbps)

図 22 ミリ波ヘテロジニアスネットワーク実証実験．
Wiﬁ 5 GHz 制御，40 GHz フロントホール，60 Hz ホットスポット 3 か所（コンパクトレンジ通信）．
84

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

My Front ier Jou r ney

図 23

URSI、IEEE

APS アンテナ伝搬ソサイエティ及び電子情報通信学会の歴史と、筆者の活動．
http://ursi.org/ursi̲keydates.php に筆者が加筆．

「研究開発推進会議」では，期間を通じて月に 1 回も及び継続されているワークショップの設計と立上の対面会議を欠かさず，個別技術の進捗報告とプロげに，当時の手代木委員長とともに参加できたこと，

ジェクト最終目標の更改などの技術論議に加え，計1971 年からの歴史を持つ本会由来の会議であるア

画や予算配分の変更など組織を超えた柔軟な運営

ンテナ伝搬国際会議（ISAP）の国際化，海外開催（アを，手元で行うことが可能となった．総務省，大学

ジア回遊での毎年開催）への移行（2005 年）には，や企業の応援に加え，この体制がプロジェクト成功

高野教授らとともに参画できたことが特に印象深いの鍵であったと確信している．

活動であった．
一方，高周波電磁界回折の研究は，電磁界理論研

5. 学会活動究専門委員会（EMT 研）が土俵であった．EMT 研
では毎年 1 回の泊りがけ電磁界理論シンポジウム

筆者は，高周波電磁界研究及びアンテナ伝搬研究には，学生とともに欠かさず参加し，大先輩に厳しに関し，主に三つの学会を活動の場としてきた．期

くもまれたが，一足早く 2003 年に委員長を務めた．

せずしてこれらで会長を務める経験をし，また二つ

EMT 研は，後述する URSI の国内活動を支える受の学会はちょうど 100 年の歴史を刻む時期に遭遇

け皿でもある．ほぼ同じ時期にはマイクロ波研究専した．今後を託す若い世代の活躍と，日本の国際的門委員会（MW 研）の主催するアジアパシフィッ

貢献の発展に参考になればとの思いで，その経緯とクマイクロ波会議（APMC）国内委員会の委員長を

経歴をまとめてみる．図 23 は，国際電波科学連合（URSI）の年表であり，これに筆者の関係した，電気電子工学会（IEEE）のアンテナ伝搬ソサイエティ（IEEE AP-S）と電子情報通信学会（IEICE）での歴史も書き加えている．

５.１ 電子情報通信学会での活動
卒業研究から大学院の修士，博士課程の研究活動
は，本会のアンテナ・伝播研究専門委員会（A.P 研）から始まった．初めての発表を 1976 年に行い，そICSU＋ ISSC →Natural Sci. Social Sci.

の委員長を 2005 年に務めるまで多くを学んだ．
1994 年には若手技術者学生を対象にし，今では，既に 64 回を数える第二種研，また再開催や基礎やアドバンストコースへの拡張を含めると，120 回に

図 24

ISC

国際科学会議 ICSU と国際社会科学協議会 ISSC との合併による国際学術会議（ISC）の設立．2018
年パリ．筆者も参加した．
私の研究者歴 My Frontier Journey

85

図 26
図 25 URSI での初めての大仕事 Commission B Disk editor
1997-2000．

URSI Commission B Electormagnetic Theory
Simpojium（EMTS2004）Pisa における主催者挨拶．

私が毎年帯同する多くの学生が 1 件ずつ発表をす拝命した．当初，筆者にとっては新しい場であったる様子は珍しかったためか，「東工大の安藤はお金MW 研での活動は，他流試合の感覚で参加した中持ち」といううれしいフェイクニュースを何度も聞

国・大連での会議（CJMW1994）における平地康

いた．

剛氏，松本巌氏などマイクロ波展示会（MWE）執また APS に何度か参加するうち，英語圏の聴衆

行部の方との交流がきっかけであった．両氏はそのが集まる大きな会場でも，質問をできる人間は決後 2007 年に開始したミリ波プロジェクトの中核とまった数名しかいないことに気がついた．実は，決して企画立案から事務局運営まで 20 年以上協働さまった数名以外は質問ができない場面は，国内の日せて頂いたことになる．通信ソサイエティに属する

本語会議でもよくある．
つまり言葉の問題ではなく，A.P 研とエレクトロニクスソサイエティに属する

質問する意思あるいは義務感がないと，決して会場

EMT 研と MW 研での活動は，集まりごとに大きくでの質問はできない．そう気づいた瞬間に，周囲の異なる学会運営，文化や研究の仕方を学ぶ良い機会

米国人に対する負い目は消え，国際会議への参加姿であった．人文社会科学までの Interdisciplinary

勢が変わったと自認している．実は学生時代のな領域の重要性が増す現在，自身の視野は狭いこと

1977 年に初めて APS に参加した際，せん別を頂いを自覚しながら，学会やソサイエティを貫いて少した関口先生に，必ず質問をしてくる約束をさせられでも広い範囲で友人や先輩を作ることが大切であた（？）ことも同時に思い出された．この義務感は，る．2019 年に本会の会長を務めることができたの極論すれば，講演者に対する思いやり，会議の盛りも，ソサイエティを横断した分野とコミュニティで上げ，ひいては学会においてのリーダーシップまでの活動が生かされたと考えている．ちなみに電子情通じるのではと感じ，常に学生にも伝えてきた．

報通信学会は 1917 年に設立されており，「次期会

2004 年 か ら AdCom メ ン バ，2009 年 に は，長」を務めた 2018 年には 100 周年の記念行事がIEEE-APS 会 長 に 選 ば れ た が，1949 年 の AP

行われた．

Society 設立以来，米国以外の研究者として初めて

５. ２ IEEE アンテナ伝搬ソサイエティ（APS）での活動

86の会長ということを後で知った．この年以降，欧州
やアジアからも会長が選出されるようになり，APS
は名実ともに国際的に開かれた感がある．残念な思世界のアンテナ伝搬研究者が集う米国の IEEE

い出は，2009 年に会長として米国チャールズトン

APS の会議には，博士課程であった 1977 年のスタにて参加者数 1,300 名の APS を開催したが，このンフォードでの会議（APS77）を皮切りに，ほぼ

年，H1J1 ウイルスが拡散しアジア諸国は渡航禁止

毎年参加していた．恩師の後藤尚久教授は研究費をとなったため，開催さえも危ぶまれたことである．

集め，私は海外担当よろしく多くの学生を帯同し国

後述のとおり 2020 年は URSI 会長としてイタリア際会議に参加しており，誠に有難い役割分担であっローマでの 8 月総会準備も整い 1,800 の論文投稿た．当時海外の研究者は，プロジェクト経費を学生があったものの，COVID-19 の影響で 1 年延期との旅費には使えなかったようで，学生との共著論文

せざるを得ないことになった．図らずも二つのパンを指導教員が一人で何件も発表する人が多かった．

デミックが会長任期と重なったことに，偶然とは思通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

My Front ier Jou r ney
格的な参画は，1997 年から 3 年間の B 分科会（Fieldえず呆然としている．

and Waves）の研究動向をまとめる Disk Editor に

５. ３ 国際電波科学連合（URSI）での活動

任 命 さ れ た こ と が き っ か け で あ っ た（ 図 25）．

最後に，現在会長を務める URSI との関わりにつ1990 年にプラハでの総会に初めて参加した筆者にいて触れる．URSI は，
世界の 40 の学術団体（Union）

とって，1996 年にリールで開催された総会で当時

及び 140 以上の国の学術会議をまとめる組織であの B 分科会議長のバトラー氏から依頼された責務

る国際学術会議（ISC）の中でも，最も古い Union

であるが，全加盟国の技術動向を survey する任務の一つであり，1922 年に第 1 回の総会を開いていの重さに加え，各国の電磁界の権威と直接交信できる．第 2 回の URSI 総会には八木宇田アンテナの八る喜びに，身震いしたことを覚えている．B 分科会

木秀次先生，水晶振動子の古賀逸策先生などが出席が主催する電磁界理論シンポジウム（EMTS）はした記録がある．ちなみに ISC のルーツの国際研

URSI の分科会活動の中でも最も重要な会合であり，究協議会（IRC）は 1919 年に設立され，1931 年

その初回は 1952 年で，かの Keller が GTD を初めに国際科学会議（ICSU）と改組され，長らく世界て発表した会議でもある．同じ年に本会には EMTの自然科学に関する学術活動をまとめてきた．国連研が立ち上がったが，くしくもその年に筆者が生まが 2015 年に提唱した，2030 年に向けた 17 の持れたことになる．筆者は 2002 年から B 分科会の議

続 可 能 な 開 発 の た め の ア ジ ェ ン ダ Sustainable長を務め，2004 年には図 26 に示すイタリア PISA

Development Goals（SDGs）に呼応し，社会科学

で 400 余名の参加により会議 EMTS2004 を主宰しと の 協 働， 学 際 領 域 の 推 進 に 向 け て，ICSU はた．その後 2017 年に Montreal で開催された総会

2018 年に社会科学をまとめる国際社会科学協議会

における選挙で URSI の会長に選出された．日本か（ISSC）と歴史的で後戻りのない形で合体し，ISCらの就任は，温度無異存水晶振動子で有名な古賀逸が設立した．筆者も URSI 会長の立場で図 24 の歴策先生，現・理研理事長の松本紘先生に続き 3 人

史的な ISC 設立会議に参加した．

目である．

URSI は現在，加盟 44 か国，10 の技術分科会をさて話を戻すが，ISC は科学技術で SDGs に貢献持つ国際組織となっているが，数年をかけて 100する方策を進めている．ちなみに日本国内において周年の記念事業を続けている．URSI への筆者の本は，SDGs に貢献する方策として，ICT を主武器と

1
CPS

2030

Inclusive

Sustainable
Dependable

総務省情報通信審議会資料より

図 27 2030 年代に期待される社会像における B5G など情報通信ネットワーク基盤の役割．
サイバー空間と現実空間をつなぐ境界層（センサ、ネットワーク）での電波の役割と、Society 5.0，そして SDG
ｓへの貢献．
（出典：Beyond5G 推進戦略（総務省 2020 年 6 月））
私の研究者歴 My Frontier Journey87

して，Cyber（ディジタル技術）と Physical（現実社会）の世界を情報でつなぎスマート社会を構築す
る Society 5.0 という概念を提唱している．図 27
は総務省のレポートに示された構想である．電波科学を推進する URSI としても，CPS の境界層に位置するセンシングやモニタリングにおける電波の“みる”役割と Byond5G などの通信に代表される“つなぐ”手段の主役としての電波の役割の重要性を自負しつつ，データの共有 CoData や可視化 Disaster
Risk Management など，SDGs 到達への取組に努力している．折しも，SDGs Report 2020 では，
COVID-19 が緊急のリスクとして Part 1 に記載された．地震，環境，温暖化などに加えて感染症が世界共通課題の筆頭に位置付けられ，世界協働，科学と政治の対話で克服すべき課題と明記されている．
2020 年 で 会 長 任 期 を 終 え る 予 定 で あ っ た が，
COVID-19 による延期のため 2021 年 9 月のローマ
総会まで，緊張の職務を続ける所存ではある．
■ 文献（1） A.Sommerfeld, “Mathematische theorie derdiffraction,” Math.Ann., vol.47, p.317, June
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optics and aperture field integration method in
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IEICE Trans. Electron., vol. E79-C, no. 8, pp.
1152-1159, Aug. 1996.
（9） T. Murasaki and M. Ando, “Equivalent edge
currents by the modified edge representation:
Physical optics components,” IEICE Trans.
Electron, vol. E75-C, no.5, pp.617-626, May
1992.
（10）T. Murasaki, M. Sato, Y. Inasawa, and M.  
Ando,“Equivalent edge currents for modifiededge representation of flat plates: Fringe wave

88

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

components,”IEICE Trans. Electron., vol. E76-C,
no.9, pp.1412-1419, Sept. 1993.
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integral to the modified edge representation line
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（12）M. Ali, M. Ando, T. Kinoshita, and T. Kuroki,“Accuracy check of GTD MER with weighted
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grazing incidence and slope wave diffraction,”Radio Science Letters (RSL19-0012R1), vol. 1,2019.
（13）後藤尚久，山本正樹 ,“ラジアル線路を利用した円偏波スロットアンテナ ,”信学技報，AP80-57, 1980．
（14）M. Ando, K. Sakurai, N. Goto, K. Arimura, and Y.
Ito, “A radial line slot antenna for 12 GHz
satellite TV reception,”IEEE Trans.   Antennas
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1985.
（15）広川二郎 , 安藤 真 , 後藤尚久 ,“周期構造モデルによるラジアル導波路とスロットの結合の解析 ,”電学会研資 , EMT89-49, May 1989.
（16）M. Takahashi, J. Takada, M. Ando, and N. Goto,“A slot design for uniform aperture field
distribution in single-layered radial line slot
antennas,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol.
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（17）M. Takahashi, J. Takada, M. Ando, and N. Goto,“Aperture illumination control in radial line slot
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（18）H. Ueda, J. Hirokawa, M. Ando, O. Amano, and
Y. Kamata,“A lightweight radial line slot antenna
with honeycomb structure for space use,”IEICE
Trans. Commun., vol. E91-B, no. 3, pp. 871-877,
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（19）T. Nguyen, R. Jayawardene, K. Sakurai, J.
Hirokawa, M. Ando, M. S. Castaner, O. Amano,
S. Koreeda, T. Matsuzaki, and Y. Kamata,“Propagation characteristics of honeycomb
structures used in mm-wave radial line slot
antennas, ”IEICE Trans. Commun., vol.E97-B,
no.6, pp.1139-1147, June 2014.
（20）張 淼 , 広川二郎 , 安藤 真 ,“積層薄板の拡散接合による 94GHz 導波管スロットアンテナの試作 ,”信学技報 , AP2008-35, pp.35-40, June 2008.
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miweba.eu/#Start（22）M. Zhang, K. Toyosaki, J. Hirokawa, M. Ando, T.
Taniguchi, and M. Noda, “A 60-GHz Band
Compact-Range Gigabit Wireless Access System
Using Large Array Antennas,” IEEE Trans.
Antennas Propag., vol. 63, no. 8, pp. 3432-3440,
Aug. 2015.
（23）M. Zhang, J. Hirokawa, and M. Ando,“Doublelayer plate-laminated waveguide slot array
antennas for a 39 GHz band fixed wireless accesssystem,” IEICE Trans. Commun., vol. E97-B,
no.1, pp.122-128, Jan. 2014.

技術と制度のおはなし

解 説Technology
and Regulation
Technology
and Regulation

ICT における
新たな標準化の推進方策
総務省国際戦略局

渡邊修宏 Nobuhiro Watanabe

1 標準化を取り巻く現状「SEP」という．
）の数について，保有企業上位 6 社がそ

令和 2 年，4G の次の世代の通信サービスとして，

れぞれ 10％ずつとなっており，国内企業では NTT ド

要な標準必須特許（Standard Essential Patent．以下，

5G（第 5 世代移動通信システム）のサービスが開始さ

コモのみが上位に入っている状況です（図 1）．

れました．5G のカバーエリアは各社で徐々に拡大してまた，5G 等の移動通信システムの仕様の検討・作成

おり，4G を上回る通信速度や低遅延，多数接続といっを行う標準化プロジェクトである 3GPP への寄与文書

た特性を生かすことにより，生産性の向上や社会的課題

数約 20 万件のうち，半数以上が海外の大手 4 社というの解決等への活用が期待されています．

調査結果も出ています（図 2）．

一方で，そのような社会を支えるインフラである通信技術の進展が著しい通信分野では，市場が急速に拡大

分野での標準化活動や知財活動において，国内企業の存し続ける一方で，企業間の競争も激しくなっており，既在感が以前よりも出せていないと言われています．民間にシェアを持つ企業であっても，次の規格競争で取り残の調査によれば，5G に関する標準を構成するために必されないように，新たな技術やユースケースの規格化に

NEC
0.7%

OPPO
1.7%

Fujitsu
0.3%

Sony
0.3%

Samsung
11.9%

Intel
1.8%

Qualcomm
11.6%

CATT（Datang）
2.5%
InterDigital
2.8%
Sharp
3.0%
Ericsson
4.8%

Huawei
11.3%

LG
6.8%
NTT DOCOMO
9.5%

ZTE
10.9%
Nokia*
9.7%

図１*:including ALU

5G 必須特許の保有状況（出典）サイバー創研プレスリリース https://www.cybersoken.com/file/press̲5G̲Patents,5G-SEP.pdf※情報通信分野の主要プレーヤが 5G 標準規格に必須であると国際標準化団体に宣言・報告している特許について、真に 5G 標準
規格に必須の特許であるかを客観的に評価し、現実の 5G 必須特許の保有数を推計したもの．
ⓒ電子情報通信学会 2021

解説

ICT における新たな標準化の推進方策

89

技術と制度のおはなし

解 説05000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

HUAWEI

Technology and Regulation
表１ ITU-T における SG 議長／副議長及び WP 議長の数（※ 2019 年，総務省調べ）

ERICSSON

2005 年

2019 年

日本

17

14

NOKIA

米国

15

7

QUALCOMM

中国

8

18

SAMSUNG

韓国

5

16

欧州

40

18

RAN

その他

31

84

SA

総数

116

157

ZTE
INTEL
LG

CT

CATT
NTT DOCOMOれる SEP を獲得することだけを目的化せずに，収益力
図２

3GPP への 5G 標準化寄与文書提出数（出典）5G に資する特許出願・寄書提案に関する調査報告書（第 2 版）
（サイバー創研）
https://www.cybersoken.com/file/press200114.pdf

確保の観点から，自らの製品を差別化する技術を知財化して，戦略的な経営戦略を立てることが重要になってきます．
このような流れの中で，国としても，より良い社会を実現するための技術・サービスの早期実現のためだけで率先して取り組むことが求められています．
また，通信技術は利活用の裾野が大きいことから，関連する特許は通信事業者や通信機器メーカにとどまらなく，我が国の技術の市場展開という視点から，企業等の知財・標準化を積極的に推進していく必要があります．

ず，自動車等の製品やスマートシティのようなユース

ここで，我が国の標準化の現場を見てみると，国際標ケースなど，様々な分野で幅広く影響を及ぼしていま

準化会合での議長・副議長等の役職者は総数が増加してす．近年では，ライセンスをめぐる権利交渉が複雑化しいる一方，それらの役職につく日本人は減少している状ているほか，高額の損害賠償を求めて裁判が起きるケー

況であり（表 1），参加者の高齢化・固定化も課題となっスも発生しています ．

ています（図 3）．

＊

このため，次世代の通信技術等の標準策定には，通信技術を利用した製品やサービスを目指す企業等にとって，リスクを回避する観点からもより関心を持つ必要性が増しています．また，通信技術を開発する企業等にとっても，公平・合理的・非差別的（FRAND：Fair,
Reasonable And Non Discriminatory）条項が求めら

図３

情報通信審議会諮問第 22 号
2 「新たな情報通信技術戦略の在り方」第４次中間答申〜 Beyond 5G 時代における新たな ICT 技術戦略〜
こういった背景を踏まえて，情報通信審議会では令和

デジュール標準化会合への出席者の年齢分布※日本のデータは、経済産業省調べ（平成 29 年）※中国・韓国のデータは、三菱総合研究所「国際標準化に係る中国・韓国の動向について」（平成 28 年 3 月）より

＊ノキア，
「つながる車」特許訴訟で勝訴，ダイムラーは控訴へ
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO62770120Y0A810C2916M00

90

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

Technology and Regulation

Beyond 5G時代における新たなICT技術戦略（概要）0■ Society5.0の実現やグローバル展開に向けたICT技術戦略を推進するため、次期科学技術基本計画（R3年度〜）や国⽴研究開発法⼈情報通信研究機
構（NICT）次期中⻑期計画（R3年度〜）等を⾒据え、ICT分野で我が国が重点的に取り組む研究開発や推進⽅策等の戦略をとりまとめ

重点戦略・・・どの研究開発分野・課題にfocusするか

Beyond 5G 推進戦略等の政府戦略やSociety5.0の早期実現に向けた次世代のICT基盤に必要不可⽋な先端技術等の観点から、戦略的に推進すべき研究領域を特定
近年の社会情勢・ニーズ・技術動向等を踏まえ、国が主導して推進すべき重点研究開発課題を特定（51件（うち戦略4領域の対象30件））
宇宙基本計画など政府の重要政策に鑑み、宇宙分野等の我が国の経済成⻑や産業基盤の強化に資する取組を推進

2025年を⽬途に解決すべき社会課題へアプローチ
脳情報通信
技術の例

•
•

AI

⾳声翻訳・対話システム
社会知解析技術••

脳機能型情報処理システム
脳計測技術

量⼦情報
通信

Beyond 5G
の実現

データ
利活⽤
•
•
•

モバイルネットワーク技術
⾼周波・THz技術
フォトニック/光技術

サイバー
セキュリティ
••量⼦光ネットワーク技術
量⼦ノード技術••

AI×サイバーセキュリティ
耐量⼦計算機暗号

戦略的に進めるべき研究4領域（戦略4領域）
社会を

５つの重点研究開発分野（各分野における重点研究開発課題について、ロードマップを策定）

社会を

観る

◆電磁波先進技術分野

社会（⽣命・財産・情報）を社会（価値）を繋ぐ◆⾰新的ネットワーク分野

守る◆サイバーフィジカルレジリエンス分野

推進戦略・・・研究開発をどのような体制で推進し、成果をどう社会にdeployするか拓く◆フロンティアサイエンス分野

標準化戦略・・・戦略的ツールとして標準化活動を強化

研究開発スキームの強化

研究開発環境の整備

NICT/企業間の連携ラボ等新たなスキームの導⼊戦略４領域において国際ハブ化等の役割を担う研究拠点化を推進

研究開発プロジェクト戦略策定等に資する技術動向等の調査・分析機能の新設

B5G時代における研究開発環境として次世
代テストベッドの構築
電波の開放等（テラヘルツ波等）の政策と連携した研究開発の推進

シーズ創出につながる基礎・基盤的な創発研究から、スタートアップ等の社会実装に⾄る総合研究開発プログ
ラムの創設

上記の取組を活⽤した産学連携によるB5G
研究開発プラットフォームの構築 等

研究開発⽀援やプロジェクト運⽤改善について検討 等

人材育成等

NICT発ベンチャー創出・育成に向けた⽀援体制強化

魅⼒ある研究環境の提供等による中⻑期的な研究開発を担う⼈材の確保
組織を越えた⼈材交流の推進等流動性/ダイバーシティの確保を通じた⼈材育成 等

図４

創る◆ユニバーサルコミュニケーション分野

未来を標準化の推進知財を含め標準化を戦略的に推進する拠点機能（Beyond
5G知財・標準化戦略センター(仮称)）の整備、標準化・知財動向の調査・分析機能の強化
研究開発段階から戦略的パートナーとの標準化活動を推進
する国際共同研究の強化
OSS開発・実装試験環境としてのテストベッドの活⽤、
オープンインターフェース化を推進する異ベンダー機器間の相互接続試験環境の整備
若⼿、ユーザ企業、知財の専⾨家等を含むチームによる標準化活動の⽀援
実績のある⼈材の活⽤、活動機会やインセンティブの拡⼤による若⼿育成等標準化⼈材の確保・育成 等

情報通信審議会「新たな情報通信技術戦略の在り方」第４次中間答申の概要

4.2 標準化に関する取組の⽅向性（標準化の推進⽅策（全体像））

1

標準化活動の推進にあたっては、 標準化を取り巻く状況を継続的に調査分析する機能、オープン・クローズ等戦略的な標準化活動を推進する
体制、迅速なデファクト化につながるオープン化・ソフトウェア化等の実装重視の取組、グローバル・ファーストを踏まえた戦略的なパート
ナー形成等の視点から取組みを強化するとともに、⼈材の固定化・⾼齢化等の顕著な課題のある標準化⼈材の確保・育成に向けた取組も併せて推進

標準化の推進⽅策
標準化活動の⽀援

戦略的なパートナー形成
戦略⽴案・推進体制の整備• 研究開発段階から戦略的パートナーとの標準化活動を推進する国際共同研究の拡充• Beyond 5G、スマートシティ、製造等の⼤ 【拠点機能の体制】
規模の市場獲得に繋がる分野を強化• Beyond 5G等の標準化・知財戦略を推進する• NIST/IEEE,ETSI等と国内標準化機関との連拠点機能（Beyond 5G知財・標準化戦略センター
携強化（仮称））を整備• グローバル市場を狙う標準化活動を強化

 技術仕様案の策定、役職者獲得、会合招聘等を⽀援
 外交交渉能⼒に優れたグローバル⼈材、役職経験者、エキスパート等の活⽤を⽀援
 若⼿、ユーザ企業、知財専⾨家等を含む「チーム」活動の⽀援 等

 標準化戦略等の司令塔機能
 戦略の⽴案と進捗把握（評価等）
 知財の取得・活⽤⽀援 エキスパートの集結

オープン化・ソフトウェア化に対応した実装重視の取組⽀援• NICT、⺠間標準化団体等が強みを活かし連携強化• OSS開発や実装試験環境としてのNICT等のテストベッドの活⽤• 移動通信分野のオープンインターフェー
ス化への取組を加速及び⽀援• 異ベンダー機器間の相互接続・運⽤試験を促進する新たなテストベッドの整備• 標準化動向を俯瞰しタイムリーに把握・分析し、蓄積・共有• 各国企業等の知財動向の把握分析• 過去の標準化活動のノウハウ共有

図５【調査分析機能の強化】

標準化⼈材の確保・育成• 若⼿⼈材が担える活動機会の拡⼤• 標準化活動へのインセンティブ拡⼤（若⼿表彰、活動の⾒える化等） 等• 標準化に実績のある⼈材の確保・活⽤• グローバル⼈材の発掘• 経営層への理解醸成

標準化に関する取組の方向性（標準化の推進方策（全体像））
解説

ICT における新たな標準化の推進方策

91

解 説

技術と制度のおはなし

Technology and Regulation
整備

元年 12 月，技術戦略委員会の下に標準化戦略 WG を立ち上げ，今後の標準化の推進方策について検討を行い，② 戦略的なパートナー形成
研究開発段階から戦略的なパートナーと連携して

令和 2 年 8 月に「新たな情報通信技術戦略の在り方」

標準化活動を推進していくための国際共同研究の拡第 4 次中間答申がとりまとめられました．

充等

新たに取りまとめられたこの戦略では，国として重点的に取り組むべき ICT 分野の研究開発課題等を検討し③ オープン化・ソフトウェア化に対応した実装重視のた「重点戦略」，研究開発の推進体制や研究成果の社会取組支援

実装方策を検討した「推進戦略」，そして「標準化戦略」

NICT 等のテストベッド環境を活用することや，異ベンダ機器間の相互接続・相互運用試験が可能となるの三つの柱で構成されています（図 4）．

新たなテストベッド環境の整備等

標準化戦略では，主要国やグローバル企業が市場展開の視点で積極的に標準化活動に参画する一方で，我が国④ 標準化の活動支援

は，標準化活動やそのための人材の確保に必ずしも十分

外交交渉力に優れたグローバル人材や，標準化エなリソースを割けていないという課題に直面している状

キスパートの活用を支援するとともに，標準化人材の況等を踏まえた上で，「標準化の捉え方と活用の考え方」

拡大・相乗効果を狙ったチームでの活動に支援範囲をを示しています．その中では，標準化を目的化すること拡大すること等なく，市場を創出・拡大する戦略的ツールと捉え，取組⑤ 標準化人材の確保・育成
学生などの若手人材が，標準化動向の調査活動をみを強化すべきとされ，標準化活動を推進するために，担える機会を拡大していくことや，若手人材にとって以下の五つの方策が提言されています（図 5）．

の標準化活動のインセンティブの拡大等① 戦略立案・推進体制の整備
標準化動向について，知財を含めタイムリーに把このような五つの視点から，取組を相互に連携して推握・分析する調査分析機能の強化，Beyond 5G など

進することで，今後の標準化の取組みを抜本的に強化しの知財・標準化を戦略的に推進するための拠点機能のていくことが必要とされました．

Beyond 5G 推進戦略の全体像

2

 Beyond 5G推進戦略は、①2030年代に期待されるInclusive、Sustainable、Dependableな社会を⽬指したSociety 5.0実現のための取組。
②Society 5.0からバックキャストして⾏うコロナに対する緊急対応策かつコロナ後の成⻑戦略を⾒据えた対応策。
 本戦略に基づく先⾏的取組については、⼤阪・関⻄万博が開催される2025年をマイルストーンとして世界に⽰す。

基本方針
グローバル・ファースト

ｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝを⽣むｴｺｼｽﾃﾑの構築

リソースの集中的投⼊• 国内市場をグローバル市場の⼀部と捉えるとともに、我が国に世界から⼈材等が集まるようにするといった双⽅向性も⽬指す。

• 多様なプレイヤーによる⾃由でア
ジャイルな取組を積極的に促す制度設計が基本。

• 我が国のプレイヤーがグローバルな協働に効果的に参画できるようになるために必要性の⾼い施策へ
⼀定期間集中的にリソースを投⼊。

政府と⺠間が⼀丸となって、国際連携の下で戦略的に取り組む

研究開発戦略

知財・標準化戦略

先端技術への集中投資と、⼤胆な電波開放等による戦略的オープン化・デファクト化の促進と、海外の戦略的パートナーとの連携等による世界最⾼レベルの研究開発環境の実現

ゲームチェンジの実現

展開戦略
5G・光ファイバ網の社会全体への展開と、5Gソリューションの実証を通じた産業・公的利⽤の促進等によるサプライチェーンリスクの低減と市場参⼊機会の創出

Beyond 5G必須
特許シェア10％以上

2025年頃から順次要素技術を確⽴

Beyond 5Gの早期かつ円滑な導⼊

Beyond 5G readyな環境の実現2030年度に44兆円の付加価値創出

Beyond 5Gにおける国際競争⼒強化
インフラ市場シェア3割程度
デバイス・ソリューション市場でも持続的プレゼンス

産学官の連携により強力かつ積極的に推進

Beyond 5G推進コンソーシアム①各戦略に基づき実施される具体的な取組の共有、②国内外の企業・大学等による実証プロジェクトの立ち上げ支援、③国際会議の開催※総務省の部局横断的タスクフォースが戦略の進捗を管理。毎年プログレスレポートを作成・公表し、必要に応じて戦略を⾒直す。

図６92

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

Beyond 5G 推進戦略の概要

Technology and Regulation

Beyond 5G 推進戦略〜具体的施策〜

3

研究開発戦略

知財・標準化戦略

展開戦略● Beyond5G 実 現 の 鍵 を 握 る 先 端 技 術 の早期開発を⽬指し、特に「つぼみ」の段階において国のリソースを集中的に投⼊。

● 我 が 国 が ⽬ 指 す Beyond5G の 実 現 と 、ゲームチェンジを⽬指し、知財取得と標準化活動の促進にコミット。

●あわせて、研究開発拠点の構築や⼤胆な電波開放等により世界最⾼レベルの研究開発環境を整備。

●特に、①オール光化、②オープン化、③最⼤限の仮想化、④上空・海上等への拡張、⑤セキュリティの抜本的強化を重視。

●Beyond5Gの早期かつ円滑な展開のため、5Gがあらゆる分野や地域において浸透し、徹底的に使いこなされている「Beyond5G
ready」な環境の早期実現を⽬指す。

（具体的施策）（具体的施策）研究開発プラットフォームを活用した
先端的な要素技術の研究開発


国による研究開発プロジェクトにおいて、我が国に強みがある技術のオープン・クローズ戦略を促進する⽬標設定を検討。
 オープン化・デファクト化に向けた機器開発に係る負担を軽減し、その促進を図るため、相互接続・相互運⽤テストベッドやエミュレータを国が整備。（→内外企業に開放）

Beyond5Gの中核技術となる先端的な要素技術の研究開発を、期間を限り、関係省庁と連携して集中的に推進。



5Gの機能強化に対応した情報通信システムの中核技術の開発により、開発・製造基盤を強化。

戦略的パートナーとの連携体制の構築

安全性、信頼性、供給安定性、オープン性を満たす機器等の開発供給を国が認定する制度を導⼊。

研究開発の初期段階から国際共同研究を拡充し、国際標準化に向けた国際連携を強化。

産官学の主要プレイヤーが参加し、戦略的に標準化等に取り組む「Beyond5G知財・標準化戦略センター」を設置。これを核に戦略の具体化等を図る
 知財・標準化戦略の実効性を⾼めるため、研究開発プロジェクトの採択や新たな電波割当等において、オープン規格の採⽤や国際標準化への貢献・知財の戦略的取得等を条件化することを
検討。


電波の開放




テラヘルツ波など⾼周波数帯域の電波を⼀定期間、原則として⾃由に使⽤できる仕組みを整備。
⼀定の条件を満たして⾏う実験等について無線局免許の取得・変更⼿続きを⼤幅に緩和。

破壊的イノベーションの創出と人材育成

懸賞⾦やアワード型の公募「無線チャレンジ」等
により、新奇なアイデアや⼈材を発掘・⽀援。

図７

地⽅に分散するデータセンターを仮想的な巨⼤クラウドとして⼀体的に運⽤する技術を開発。

サイバーセキュリティ常時確保機能の実現

セキュリティ・バイ・デザインに基づく規格策
定、⾃動で改竄検知や脆弱性検出等を⾏う技術の導⼊、量⼦暗号システムの社会実装等を推進。

課題解決に資するユースケースの構築・拡大


標準化拠点の活用と戦略的な知財・標準化活動の促進

研究開発税制によるデジタル関連の研究開発⽀援が⼗分かを検証し、必要な改正を実施。

税制・財政⽀援等により5G・光ファイバ網の整備拡充とローカル５Gの導⼊を促進（2023年度末までに当初計画の３倍以上の基地局を整備し、全市町村でエリア展開）。また、インフラシェアリングも促進。

オープン化、仮想化、オール光化等の実装・標準化を推進する⺠間部⾨の国際展開を⽀援。

研究開発税制による支援


5G・光ファイバ網の社会全体への展開


開発・製造基盤の強化

（具体的施策）戦略的な知財化・標準化の見極めとオープン化・デファクト化の推進

産官学が協働して研究開発をする「Beyond5G
研究開発プラットフォーム」をNICT等に構築。
エミュレーターやテストベッド等を提供（→⽶独で同様の取組）。 SINET等の研究基盤や若⼿研究者に対するファンディングプログラム等とも連携。

●このため、5G・光ファイバ網の社会全体への展開と5Gの産業・公的利⽤を強⼒に推進。







社会課題解決に向けた5Gソリューションを実証
プロジェクトを通じて確⽴。また、スマートシ
ティの各種機能等をクラウド型（SaaS）の共通
プラットフォーム上で利⽤できる「5Gソリュー
ション提供センター」の仕組みを構築。
⼀つの街を「リビング・テストベッド」として⾃由かつ柔軟な実証を実施できるよう、地域の⼤学等と連携し、地域⼀体型の社会課題解決を図る体制を整備。（スーパーシティの枠組みも活⽤。）
IoT、農業ICT、遠隔医療等について、他国とも連携し３年程度集中的に実証を実施。アイデアの事業化⽀援や⼈材育成にも取り組む。
緊急事態においてもICTにより国⺠⽣活や経済活動が円滑に維持される社会を実現するため、社会全体のデジタル化を推進。

Beyond 5G 推進戦略の具体的施策

Beyond 5G新経営戦略センターの活動状況
「新たな情報通信技術戦略の在り⽅」情報通信審議会第４次中間答申（令和２年８⽉５⽇）及び「Beyond5G推進戦略」（令和２年６⽉30⽇ Beyond 5G推進戦略懇談会）を踏まえ、産学官の主要プレイヤーが結集した「Beyond 5G 新経営戦略センター」(Beyond 5G New Business
Strategy Center)を令和２年12⽉18⽇に設⽴。同⽇、会員会合（第１回）を開催。
 産学官のプレイヤーが参画し、Beyond 5Gに係る知財の取得や国際標準化を戦略的に推進。
活動状況

体制
共同センター⻑
森川博之 東京⼤学⼤学院⼯学系研究科 教授
柳川範之 東京⼤学⼤学院経済学研究科 教授
副センター⻑
原⽥博司 京都⼤学⼤学院情報学研究科 教授
事務局
国⽴研究開発法⼈情報通信研究機構
 Beyond 5G 推進コンソーシアム、内閣府知的財産戦略推進事務局、経済産業省、特許庁をはじめとする関係府省庁、⼀般社団法
⼈情報通信技術委員会、⼀般社団法⼈電波産業会等と密に連携。
 必要に応じてテーマ毎に作業部会を設置し、関係者による議論を促進。

会員

 知財・標準化に関する「Beyond 5G時代に向けた新ビジネス戦略
セミナー」をシリーズ化して開催。
第１回「3G〜5Gにおける取組の歴史からBeyond 5Gを考える」（令和３年３⽉１１⽇）
第２回「経営戦略を成功に導く知財・標準化戦略」（令和３年３⽉２４⽇）
 センターで取り組むべき活動及び⽀援内容についての提案公募を実施（令和３年２⽉５⽇〜同年３⽉４⽇）
公募結果を踏まえ、４⽉以降、Beyond 5Gに係る知財の取得や国際標準化に関する各種情報提供や、専⾨家データベースの構築、専⾨家の斡旋・派遣、パートナーシップ形成の促進などの具体的活動を本格的に開始。

 令和３年３⽉末現在、約140者※の登録あり。
※

主要通信事業者、ICTベンダーのほか、
ユーザー企業、法律事務所、⼤学、⾃治体等が参加。

図８

Beyond 5G 新経営戦略センターの取組
解説

ICT における新たな標準化の推進方策

93

解 説

技術と制度のおはなし

Technology and Regulation

3 「Beyond 5G 推進戦略」

それに先立ち，12 月 10 日にはオンラインでキックオ

また，総務省では，Society 5.0 を支える中核的な機

ディスカッション等を行ったところです＊．

フシンポジウムを開催し，今後の活動等に関するパネル

能 と し て，2030 年 代 に 実 現 が 期 待 さ れ る「Beyond

同日には，Beyond 5G 推進戦略全体の推進母体とな

5G」に期待される事項や，それを実現するための政策

る「Beyond 5G 推進コンソーシアム」も設立されたとの方向性等について検討するため，令和 2 年 1 月からころであり，センターではこのコンソーシアムや関係府

6 月まで「Beyond 5G 推進戦略懇談会」を開催し，令省庁等と密に連携しながら，取組方針の検討や今後の活

和 2 年 6 月に「Beyond 5G 推進戦略」がとりまとめら動に関する意見募集＊＊，関連するセミナー開催等を実れました．

施しています（図 8）．

同戦略では，Beyond 5G を早期かつ円滑に導入し，センターでは，随時企業等の会員登録を行っておりま

安全かつ安定的に活用され，併せて国際競争力の強化をすので，御関心をお持ち頂けたら，ぜひ御参加について図るため，「グローバル・ファースト」，「イノベーショ御検討頂ければ幸いです．

ンを生むエコシステムの構築」，「リソースの集中的投入」といった基本方針を踏まえて，研究開発戦略，知財・標準化戦略，展開戦略を策定し，政府と民間が一丸となって戦略的に取り組むとしています（図 6）．
このうち，知財・標準化戦略では，「戦略的な知財化・標準化やオープン化・デファクト化の推進」，「戦略的パートナーとの連携体制の構築」，「標準化拠点の活用と＊ Beyond 5G 新経営戦略センター キックオフシンポジウム〜 Beyond 5G 新経営戦略を考える 〜（令和 2 年 12 月 10日）https://youtu.be/dyyQdNHCroY＊＊ Beyond 5G 新経営戦略センターにおける知財・標準化活動支援に係る提案募集（令和 3 年 2 月 5 日）
https://www.soumu.go.jp/menu̲news/s-news/
01tsushin04̲02000102.html

戦略的な知財・標準化活動の促進」といった施策が提言されています（図 7）．

4 「Beyond 5G 推進戦略」
これまで御紹介した提言等を踏まえ，総務省では，令
和 2 年 12 月 18 日，Beyond 5G を実現する中核となる技術の国際標準化及び知的財産権の取得を，産学官一体となって戦略的に取り組むため，「Beyond 5G 新経
営戦略センター」（以下，センター）を設立しました．

94

通信ソサイエティマガジン No.57 夏号 2021

渡邊修宏
総務省国際戦略局通信規格課標準化推進 官．2003 総 務 省 入 省．2009 内 閣
府政策統括官（沖縄政策担当）付参事
官補佐．2011 内閣官房医療イノベーション推進室（2012 健康・医療戦略室）参事官補佐．2013 情報通信国際戦略局多国間経済室課長補佐．2015
情報通信研究機構北米連携センター副センター長．2018 総合通信基盤局電波環境課課長補佐．2020 から現職．

巻 末 言べスト・プラクティスが集まるハブとして2021 年度通信ソサイエティ会長 葉玉寿弥
Hisaya Hadama

2020 年 6 月，本会は会長声明：「「コロナ後」の新タートさせました．コロナ禍の真っただ中でオンライ

たな電子情報通信技術の発展に向けて」を発出しンでの開催となりましたが，多くの関係者の御苦労をました．①働き方改革の促進，②レジリエントで安全礎に記念すべき第 1 回を成功裏に終了することができな社会の構築，③新たな ICT 活用の促進，④新たな教ました．

育システムへの貢献，⑤全ての人々に ICT を―の 5 項

この 1 年間の大会・研究会・国際会議のオンライン

目を掲げ，最先端の情報通信技術の開発により社会に化の進展には目を見張るものがあります．これらはひ貢献していくことを宣言したものです．

とえに，学会活動に参画し御貢献頂いている大学・企

昨年秋以来パンデミックが急拡大し，現時点で日本でも医療のひっ迫が伝えられ，世界中で危機は更に深まっているように感じられます．ワクチン接種の進展など光明も見え始めてはいますが，今後，どれくらいの期間にわたって私たちの活動や産業界への悪影響が続くのか，懸念せずにはいられません．この未曽有の災禍の中において，通信ソサイエティは，感染防止徹底を第一としながら会長声明に沿った学会の活動をた
ゆみなく持続していくことが大切だと考えます．社会の状況を注視しながら，ICT を利用した新しいやり方を積極的に取り入れ，社会的役割を着実に果たしていくことが私たちの使命だと思います．
2020 年 3 月の総合大会では大会委員会・学会事務局を中心とする迅速な判断とアクションによって，一部セッションをオンラインで開催することができました．この経験を踏まえて，昨年度のソサイエティ大会
及び総合大会は全面的にオンラインで開催することができました．研究会のオンライン開催にもいち早く取り組みました．2020 年 2 月 26 日には本会研究会の運営方針を議論する研究会連絡会において，オンライン開催の実施方法が議論されました．3 月の研究会は中止を余儀なくされましたが，4 月からは各研究専門委

業の多くの研究者・技術者，とりわけ若手研究者・技術者の集中的な御努力とチームワークの賜物です．学会は多様な人々が集い様々な考えが交わる「場」です．
学会のイベントへの参加のみならず，運営サイドとして多くの会員が参画しています．是非とも，ICT を駆使した新時代の様々な新しいアイデアと工夫を学会イベント運営に持ち寄って，実践的チャレンジを試みる場として利用して頂きたいと思います．オンライン会
議やイベント運営のべストプラクティスを共有し，それぞれの御所属の組織にお持ち帰り頂ければ，と願う次第です．
最後に一言，私自身の率直な思いを記しておきたいと思います．オンラインは〝人脈を作る " ことにおいては，まだまだ会合には及びません．一流の人々と出会い，人柄に触れ，密かに相性を感じたり，セレンディピ
ティーと呼べるようなひらめきをもたらす知的な会話
や，機微情報に触れる雑談などを通じた実体験の価値は減じることはありません．これらは時間と旅費のコストを掛けても，それらをはるかに上回る価値を生み出すと確信しています．笹瀬巌会長の言われる「真の情報通信※」を実現するためにも，同じリアル空間をともに

員会の多大なる御努力によって多くの研究会をオンラする学会イベントの全面的な再開が待たれます．一刻

インで再開させることができました．2020 年 6 月以

も早いコロナ禍の終息を願ってやみません．引き続き

後はほぼ例年どおりの回数の研究会を開催しており，7

通信ソサイエティ会員の力を結集し，このパンデミッ

月からは一部で会合とオンラインを組み合わせたハイ

クを乗り越えていくことに，また，五つの社会貢献に向ブリッド形研究会も実施しています．研究会参加者数

けて情報の流通と議論を生み出す場の継続・発展のたも何とか例年の 7 割を超えるレベルにまで回復してきめに，皆様の御尽力を賜ることができれば幸いです．

ています．設立準備を進めてきた通信ソサイエティが（※）「真の情報通信」については本会誌 2021 年 1

主催する新たな国際会議 ICETC を 2020 年 12 月にスⓒ電子情報通信学会 2021

月号巻頭言を御参照下さい．

AfterwordNEXT ISSUE
小特集

2021 年秋号（第 58 号）2021 年 9 月 1 日発行

V2X

街 plus 探訪：「熊本」住んで・旅して・学んで
若者よ，世界に出よう！：“Brainport Eindhoven” 滞在記
こんなツール，使っています：初めてのディジタル信号処理シミュレーション（応用編）

ジュニア会員向けページ :自動運転車の仕組み……他，御期待下さい

Editors Note
皆さんはこんにちは．いかがお過ごしでしょうか．会社と自宅でオンオフを切り換えていた人間としてはいまだに，テレワークに慣れずにもやもやしています．さて，57 号が発行されて，1 か月もするといよいよ 1 年越しのオリンピックですね．無事に開催されることを祈るばかりです！ （M.T.）

ちょうど編集委員の任期も終え，今号が最後の小特集担当となりました．本マガジンは産学官連携によって誌面を作り上げております．どのような立場の方々にとっても，ますます面白くて価値のあるマガジンになりますよう，お祈り致します．
（K.I.）

コロナにより生活が大きく変わり，長い自粛生活が続いています．そんな中，様々な分野でディジタル化，IT 化が急速に進んだように感じています．無線電力伝送は，そんなIT 社会を支える技術の一つです．自粛生活の中，お読み頂
ければうれしいです．
（Y.Y.）

当方の至らぬ仕事ぶりによって多方面に御迷惑をお掛けしながらやってまいりましたマガジン編集委員を卒業することになりました．とても楽しく貴重な経験をさせて頂きました．この場をお借りして関係の皆様へお礼を申し上げる次第です．ありがとうございました．
（K.G.）

電磁波は情報を伝えたり，対象に当てて調べたり，いろいろな使い方がありますが，本小特集はエネルギーの伝達に使うという話です．これからも工夫次第で便利な使い方が開発されていくと期待できそうです．
（Y.S.）

小さい頃見ていたアニメでは，レーザビームのようなものでロボットだったか航空機にか，瞬時にエネルギーを供給できるシーンをおぼろげに覚えています．電力伝送の究極はこんなことを実現できるといまだに期待しています．
（H.T.）

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EDITORIAL COMMITTEE
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編集副委員長

辻

有馬卓司

遠藤寛之

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編集委員
井上和弘

複写される方へ眞田幸俊
宏之

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2021 年夏号（第 57 号）
2021 年 6 月 1 日発行

大下裕一

大西祥浩

請して下さい．
なお，複写以外の許諾（著作物の転載，翻訳等）に関しては，委託しておりませんので，

北尾光司郎

後藤

薫

坂野寿和

佐藤陽一

直接本会へお問い合わせ下さい．

瀧川道生

田久

修

竹村暢康

中島昭範

〈問合せ先〉 一般社団法人電子情報通信学会

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廣田栄伸

松井健一

山ヶ城尚志

山口実靖

山中仁昭

山本

湯田泰明

和田友孝

蕨野貴之

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TEL〔03〕3433-6691

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発行人／白石智

発行所／一般社団法人

電子情報通信学会 通信ソサイエティ〒 105-0011 東京都港区芝公園 3-5-8 機械振興会館
本誌の愛称は「B-plus」，正式名称は「通 信ソサイエティマガジン」，「IEICE Communications Society Magazine」
です．
本誌掲載論文を文献引用する際は，邦文略称「信学通誌」，英文略称「IEICE Commun. Mag.」を用いて下さい．

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制

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東京都品川区東品川 1-6-16ⓒ Copyright 2021 IEICE. All rights reserved.

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The photograph,
Communication can be seen.

研 究 室 紹 介（株）国際電気通信基礎技術研究所（ATR）（株）国際電気通信基礎技術研究所（通称 ATR）は，
1986 年に関西学術文化研究都市の中核的な研究機関として設立されました．設立当初は知的通信シス
テム，自動翻訳電話，光電波通信，視聴覚機構に関する基礎研究に取り組み，昨今の AI 時代の先駆けとなる研究成果を挙げてきました．最近は，脳情報科学，コミュニケーションロボット等のインタラク
ション技術，無線通信技術，生命科学の分野で次代を担う技術の創出と実装を目指して研究開発，事業化推進に取り組んでいます．
ATR の波動工学研究所及び適応コミュニケーショ
ン研究所は，2019 年から総務省戦略的情報通信研
究開発推進事業（SCOPE）の電波 COE（Center of
Excellence）プログラムを受託しています．これは，無線通信分野の中核的研究拠点構築を目指すもので，先端的研究の推進，研究環境整備とその外部開放，
有識者によるセミナー開催などを行っています（https://w-coe.jp/）．会社設立当初に設置された大坂野寿和（正員）

写真・上
写真・下

中央が ATR（右側は NTT 研究所，左側は国立国会図書館関西館．
）
大型電波暗室（開扉時．室内は奥行 25.5m，幅 14.5m，高さ 12m．）型電波暗室をリニューアルするなど先端的な無線研
究環境を整え，全国の大学研究者などによる外部利用が始まっています．

写真を募集致します
マガジン編集委員会では，「通信がみえる一枚の写真」をテーマに写真（電子ファイル（jpeg）あるいはプリント），タイトル，~
説明文（約 300 字）を募集致します．詳細は，通信ソサイエティマガジン HP（http://www.ieice.org/ cs-edit/magazine/ieice/photo.html）を御参照下さい．
送り先：【郵 送】〒 105-0011 東京都港区芝公園 3-5-8 機械振興会館内 電子情報通信学会 通信ソサイエティマガジン担当【メール】b-plus@ieice.org までお送り下さい．

ISSN 1884-4863

定価 1,047 円（本体 952 円）

雑誌 17783-06