解説

電子機器の駆動時間延長を可能にする
ワイヤレス給電システムの基礎研究と開発事例
吉 田 賢 史Satoshi YOSHIDA

先端理工学部電子情報通信課程

講師

Lecturer, Electronics, Information and Communication Engineering Courseている．さらに近年では，第三の利用法として，ワ

1．はじめにイヤレス給電（無線電力伝送（WPT: wireless power

私は 2023 年 4 月 1 日に先端理工学部の電子情報

transmission））への応用に関して研究開発が進めら通信課程に着任した新任教員である．私の専門分野れている．本稿では，ワイヤレス給電技術の中で，は工学部の中でも電気系，さらに細かく言うと電波

特にマイクロ波を活用する方式に着目し，ワイヤレ工学と呼ばれる分野である．みなさんが日常的に使ス給電により無線通信系のハードウェアの電力供給っているスマートフォンやタブレット端末は，電波を行う新たなシステムの研究開発事例を紹介する．

を活用した無線通信技術により電線がつながっていなくても通信できる．そのほかにも，ノートパソコ

2．研究背景ンやポータブル型のゲーム機などにも無線通信機能前章にて紹介したように，ワイヤレス給電技術にが内蔵され，一昔前には考えられなかったエンター関する研究開発は，国内外問わず活性化してきていテイメントやサービスが出現し，我々の日常生活はる．WPT に焦点を絞った国際会議 WPTC1）が 2013

より便利になるよう変化してきた．この よ う に，

年に創設され，2022 年はフランスのボルドーで，我々の身の回りに電波工学の技術を応用した各種製

2023 年はアメリカのサンディエゴで現地開催され品が多く見られることからも，電波工学関連のさま

た．数年前からは企業等による展示会も併設され，ざまな技術は，人間生活の役に立っている一つの技

WPW（Wireless Power Week）と呼ばれる一大イベ術と言える．

ントとなった．国内では 2022 年春に，電波を用い電波工学の技術は，通信への応用だけではなく，るワイヤレス給電のための法制度が新設され，具体

電子レンジをはじめとする食品の加熱にも活用され的な製品も発売されると同時に，製品を使うための───────────────
本記事は下記の文献の資料を一部転載したものです．
吉田賢史，マイクロ波を用いた無線電力伝送技術のワイ
ヤレスセンサネットワークシステムへの適用事例，静電気学会誌，vol.47, no.2, pp.64-69.（著作権許諾済）
RightsLink License Number: 5581781415545 and
5581790514298 for reuse from［2, 3］

免許取得も報告されている．このようにワイヤレス
給電はこれからの社会を支える IoT デバイスの電源問題を抜本的に解決できる手法として注目を集めており，日夜研究開発が進められている．
人類の宇宙進出は世界中の人々の注目を集め，― １７ ―

表 1 The type of MPT by available transferred
power.
Type

SourceAvailabletransferred power

Systemstructure

Scavenging

Unknown

nW-μW

SimpleHarvesting

Intentional/
unknown

μW-mW

MediumActivetransmission

Intentional

mW-W

Complexなどの無線通信システムに用いられ，数 m から数
百 m 程度の範囲で利用可能であることから，MPT
は他の型の数 cm 程度の伝送距離と比べても数 m
クラスの長距離伝送が可能であり，送受信の位置変動に対する効率低下が他の型に比べて低いという利点がある12）．マイクロ波のエネルギーを空中に拡散させているからこそ位置変動に強い利点が生じるた
め，送電側と受電側を一対一で考えると伝送効率は様々な視点から研究開発が進められているが，以前

著しく低くなる．そのため，受電側の数が千から万著者が所属していた JAXA 宇宙科学研究所では再以上の単位で存在するシナリオでシステムの有効性

使用型の宇宙機の実現を目標とし，再使用ロケットが 見 い だ せ る．近 年 IoT（Internet of Things）関 連実験機（RVT: Reusable Vehicle Test）の研究開発がの研究開発が盛んになってきているが，例えば大規行われている．ロケットと言えばエンジンや機体の模農場内の温度や湿度分布などのモニタリング，橋

構造設計など，機械系の仕事を想像することが多い

梁やトンネルのヘルスモニタリングなどでは，端末が，我々電気系の技術者も RVT 実 現 に 貢 献 す べが 100 個以上になるとバッテリ充電もしくは電池交

く，軽量化とメンテナンス性の改善に資する新技術

換の手間の増加がボトルネックとなるため，本当はとして，金属製のワイヤハーネスを除去し，ワイヤより多くのセンサを使って細かいデータを得たいもレス化してしまうアイディアを提唱してきた．従来のの，メンテナンス問題を理由に粗いデータしか得

ワイヤハーネスで実現されていたセンサデータや制られていない現状がある．MPT はこの問題を解決

御信号の有線データ通信と電力供給を，電波を用いできる可能性を秘めている．

てワイヤレスで行うことでワイヤハーネスを撤去でMPT の特殊なシナリオとして，宇宙太陽光発電が挙げられる．宇宙空間に巨大な太陽光パネルとマ

きる．
本稿では，電波を用いるワイヤレス給電技術に着2, 3）

イクロ波の送電アンテナを建設して，太陽電池で発につい電したエネルギーをマイクロ波のエネルギーに変換て紹介する．電波暗室内での実験室レベルのシステ

し，地上に送電するシステムである．通信分野では目し，具体的なシステム開発を行った例
2）

ム検証結果 と，無線局免許を取得し，RVT 実機を3）

考えられない巨大なアンテナを用い，レーザービー

用いて実証実験を行った結果 の概要についてまとムのようにマイクロ波のビームを絞ることで一対一めた．そのため，本稿には掲載されていない，よりであっても 90％ 以上の伝送効率を達成可能ある．

2, 3）

詳細な技術情報はオリジナルの論文を参照され

このシステムは 30 年以上前に提唱され，国内外の研究者らにより研究開発が進められてきたが，様々たい．

な課題があり実現に至ってはいない．

3．ワイヤレス給電の分類

宇宙太陽光発電を除いた MPT の地上応用の場合

ワイヤレス給電技術は主に磁気共鳴型4, 5），誘導は，送電電力や送電距離にもよるが受電側ではマイ性／容量性結合型6-8），電磁波放射型9, 10）の 3 タイプ

クロワットオーダー，距離が 1m 以下であればミリに分類される11）．電磁波の中でも特にマイクロ波帯

ワットオ ー ダ ー の 電 力 を 得 ら れ る13, 14）．表 1 は，の電波を用いた電磁波放射 型 は MPT（Microwave

MPT システムにおいて扱う電力の大きさによって

power transmission）と呼ばれることもある．マイク

分類した表である．受電電力がマイクロワットもし

ロ波帯の電波はスマートフォンやゲーム機の Wi-Fi

くはそれ以下の場合は，エネルギーを「かき集め― １８ ―

る」意味でスケベンジングと呼ばれ，マイクロワッ
トからミリワット級の場合は「ハーベスティング」と呼ばれる．これらのシステムでは，放送や無線通信システムの電波をエネルギー源とするため，送電基地局を意図的に配置しない場合が多い．さらに電力が大きくなってワット級になると，送電する基地
局を意図的に配置する必要性が生じることから「アクティブトランスミッション」と呼ばれる．本稿で紹介する事例は，アクティブトランスミッションに（a）分類される．

4．MPT と無線通信を両立可能なシステムの設計
4.1

時分割方式と周波数分割方式

宇宙太陽光発電のようにマイクロ波のビームが集中するような特殊事例を除き，マイクロ波のエネル
ギーは空中を拡散するように伝わるため，受電するセンサ局の設置場所に大きな制約はない．また，送電距離の観点から，コイルを用いる方式は数 cm 程（b）

度であるが，MPT の場合は数十 cm 以上にすることができるそのため，無線センサネットワークシス
テムのセンサ局の駆動電力をワイヤレスで供給する
ワイヤレス給電方式は，MPT 方式が適していると

図 1 The system block diagrams of the proposed
sensor network system compatible with MPT:（a）the time-division operation and（b）the frequencydivision operation.

考えられる．しかし，センサデータの伝送や制御には MPT と同じくマイクロ波を用いる無線通信が使

単位時間あたりのデータおよび電力伝送効率の観点われているため，ワイヤレス給電（MPT）と無線から考えると，時分割動作は，MPT とデータ通信

通信を両立させる手段が必須となる．その手段としの時間を直列に共有することになるため，時間的にて，MPT と無線通信の時分割および周波数分割に連続して動作可能な周波数分割方式に比べてデータ

2）

伝送及び電力伝送効率が低くなる．そのため，周波よる両立手法を提案した ．
MPT と無線通信が同じ動作周波数を同時に使用

数分割動作方式に優位性があると思われるが，周波するとデータ通信が不可能となる場合がある．これ

数分割方式では複数の周波数を用いることから周波は，データ通信に比べて大電力な MPT 信号がデー数利用効率が低く，それぞれの周波数に対応した複タ通信信号を強力に妨害してしまうためである．こ数の RF ユニットが必要となるため，ハードウェアの問題を解決するには，MPT と無線通信を行う時

規模が増大してしまう欠点がある．それぞれメリッ

間もしくは周波数を区別すればよい．時分割動作

トとデメリットがあるため，どちらの手法を採用すは，その名の通り時間を区切ってそれぞれのシステ

るかアプリケーションに応じて適切に検討する必要

ムが動作し，相互干渉を最小限に抑えることができがある．

るため，システムとしての信頼性が高い．しかし，― １９ ―

提案システムのブロック図を図 1 に示す．上図が

時分割，下図が周波数分割の場合である．両者ともに 5.8GHz 帯高出力 MPT システムが備わる．一方，
時分割の場合は 5.8GHz 帯，周 波 数 分 割 の 場 合 は
2.4GHz 帯を用いて無線通信を行う．時分割動作では，MPT 用と通信用のタイムスロットを完全に分割し，交互に信号の送受信を行うように制御する．
一方，周波数分割は，MPT 用と通信用の 2 つの周（a）

波数帯域を同時に使用する．通信には，市販されている Zigbee の チ ッ プ セ ッ ト を 用 い，最 大 ビ ッ ト
レートは 250kbps である．センサ局のレクテナで整流された直流電力は，バッテリ充電を介してトラン
シーバとセンサーコントロールユニットの電源として使用される．温度，圧力，水素ガス検知センサからのデータは，無線通信システムによって送信され，基地局に接続された PC の画面上に表示される．なお，レクテナとはレクティファイア（整流器）とアンテナを組み合わせた造語であり，同一基
板上などに一体化したものである．そうではなく，整流器とアンテナを個別に設計し，同軸ケーブルで接続する形態もあり得る．ここで言う整流器とは，5.8GHz のマイクロ波（交流）エネルギーを整流し（b）
図 2 The scheduling for the time-division operation:（a）the total sequence and（b）the details in
one timeslot.

て，直流のエネルギーに変換するデバイスのことでが返信される．基地局でその信号を受信すると，直ある．

ちに MPT システムを ON にするようにパワーアン
4.2

時分割方式におけるタイムスケジューリング

プの電源を制御する．

時分割動作には，MPT とデータ通信の時間制御機能が必要である．図 2 は，時分割動作のタイムス

4.3

MPT システムのパワーダイヤグラム設計

ケジューリングを示している．分割されたタイムス

MPT システムの設計にあたり，整流器への最適

ロットは，複数あるセンサ局のデータ通信に割り当

な入力電力レベルやハイパワーアンプ（HPA: Highてられる．各タイムスロットの長さは 1 秒とした．

power amplifier）の出力電力を決定する必要がある．

各タイムスロット内でデータ通信と MPT を順番に

予備実験の結果，RVT 内の 5.8GHz における伝搬行うが，その時間割合は，データ量に応じて適応的損失は，センサ局の位置を変えることにより 36.6〜に変化するようにした．なお，水素ガス漏れ検知に

58.0dB に変化した2）．そこでパワーダイヤグラムのは秒以下の速報性が必要であるため，ガス漏れセン

計算に用いる RVT 内部の伝搬損失は，単純化してサのための特別時間枠が確保されている．図 2（b）

50.0dB と 定 義 し た．RVT 内 の 主 な 障 害 物 は，水に示すように，基地局からのビーコン信号を受信し素，窒素，酸素のタンクである．また，アルミフ

た後，センサデータの送信を開始する．全てのデー

レームも散乱体となっていると思われる．RVT はタを送信し終わると，基地局へデータ送信終了信号

炭素繊維強化プラスチック製のエアロシェルでカ― ２０ ―

バーされているが，エアロシェルは電波の反射体と作した増幅器の写真を示す．総出力電力を測定によして働くことが想定される．一方で，アンテナ利得

り評価し，飽和電力は 5.8GHz において 48.0dBm では電磁界解析の結果を用い，2×2 アレイで 6.7dBi,

あった．この測定データは要求条件であった 47.0

4×4 アレイで 18.9dBi とした．センサ局の消費電

dBm を満足するものであった．

力はデータシートに記載されるシステム要件から100mW と仮定した．損失や効率のマージンを 20％

5.2

5.8GHz レクテナアレイ

考慮し，整流器の出力電力は 120mW 以上必要であ

図 4 は試作した 5.8GHz レクテナアレイである．

る．さらに整流器の RF-DC 変換効率を 50％ と仮単素子レクテナを 4 つ用いる 2×2 アレイ構成とし定 し た 場 合，こ れ ら の 仮 定 か ら MPT 送 信 機 のた．素子アンテナは円形のパッチ素子である．円形

HPA に要求される出力電力は 47.0dBm（50W）以

パッチに切り欠き加工を施し，円偏波対応とした．

上となった．

円偏波対応により，アンテナの向きに依存する偏波

5．提案システムを構成する主要なマイクロ波ハードウェア開発
5.1

5.8GHz 帯 HPA

損失を考慮せずに済むようにした．パッチアレイア
ンテナ基板裏面に，整流器基板を直接ハンダづけした．素子アンテナの給電ピンと整流器の入力端子は基板内のスルーホールで接続されている．よって，先程の議論から，HPA に必要とされる出力電力

各素子アンテナにつき 1 つずつ整流器が接続されるは 47.0dBm 以上であった．HPA ユニットは，ドラ形態とした．各整流器から出力される DC 電力は

イバアンプ，ミドルパワーアンプ，ハイパワーアン

それぞれ同軸ケーブルで取り出され，後述するセンプから構成される．終段のハイパワーアンプは，大サ局内の充電制御基板で並列合成される．

電力を得るために 4 つ の 25W 級 GaN HEMT ア ン
プの出力を並列合成する方式を採用し，スペックちょうどではなく余裕を持った設計とした．図 3 に製

5.3

基地局とセンサ局のインテグレーション

図 5 は試作した基地局とセンサ局の写真である．
2.4GHz の Zigbee 信号を 5.8GHz に変換するフロントエンド部，2.4GHz の Zigbee ユニット，小型バッ
テリ，センサ制御基板，充電制御部などで構成される．なお，2.4GHz のデータ通信用アンテナには，

図 3 The fabricated HPA unit:（ a ）the driver
amplifier,（ b ） the middle-power amplifier, and（c）the high-power amplifier.

図 4 The photograph of the fabricated 2 × 2
rectenna array:（a）the front side and（b）theback side.

Zigbee ユニットと一体化した平面板状逆 F アンテナを実装し，アルミケースの外に飛び出している．

図 5 Photographs of the fabricated base stationand the sensor node:（a）the base station and（b）
the sensor node.

― ２１ ―

える部品であり，2.4GHz 帯トランシーバ内のマイ

6．提案システムの実験評価

コンでアンプの電源と同期して制御される．センサ

試作した提案システムを実験的に評価するため，局に備え付けられるレクテナの DC 出力電力は，まずは電波伝搬が見通し直線条件下のみとし，壁面

実際のシステムではセンサ局の駆動電源として用い

等での反射波の影響を無視できるようにするため，られるが，本実験においては 100 オームの固定負荷

電波暗室内に測定系をセットアップした．図 6 にその様子を示す．写真左側が送信側，右側が受信側である．送電アンテナは三脚にねじ止めし，受電アン
テナは回転台の上に安置した．以下の節にて，時分割及び周波数分割方式による実験内容について説明する．
6.1

時分割方式システム

図 7 は時分割動作の場合の測定系のブロック図である．基地局の 2.4GHz 帯トランシーバは，データ通信とワイヤレス給電用の正弦波生成の兼用とし，ハードウェア削減になるよう工夫した．そのため，ワイヤレス給電時のタイムスロットにおいては，
Zigbee チップセットを正弦波出力モードに設定する．5.8GHz 帯の高周波回路を集めたフロントエンドユニットには，ミキサー，アンプ，SPDT スイッチが含まれている．ミキサーは，2.4GHz 帯の Zigbee 信号を 5.8GHz に周波数変換するために用いられる．アンプは，周波数変換されて生成された 5.8
GHz 信号を必要な振幅に増幅するために用いられる．SPDT スイッチは，高周波信号の経路を切り替

図 6 Photographs of the measurement setup inside the anechoic chamber.

図 7 The block diagram of the time-division operation evaluation of the wireless communicationin the 5.8 GHz band and the MPT at 5.8 GHz:（a）in the base station and（ b ）in the sensor
node.

― ２２ ―

に直接接続され，出力電力を定量評価できるように定した結果を並べている．結果を比べると通信品質した．そのため，実験中のセンサ局の動作電源供給

はワイヤレス給電のありなしに関わらず変化なしののため，別途安定 化 電 源 を 用 い た．こ の 電 源 は，ため，ワイヤレス給電とデータ通信が両立できてい2.4GHz 帯 Zigbee ユニット，5.8GHz 帯フロントエ

ると考えられる．アンテナ間距離が短くなるにつれ

ンドユニット，および LO 信号生成基板に接続されて，RSSI と 整 流 器 出 力 電 力 は 増 加 し た．ま た，ている．

PER はすべてのアンテナ距離で 1％ 以下を示した．

基地局とセンサ局のアンテナ間距離を 40cm から

なお，測定中に MPT の出力電力は一定とした．そ100cm に変化させた場合の通信品質と受電電力をのため HPA のドレイン電流は一定となっている．

測定した．通信品質の評価項目はパケット誤り率（PER: Packet error rate）と受信 RF 電 力（RSSI: Received power strength indicator）である．図 8 はその6.2

周波数分割方式システム

センサデータ通信には 2.4GHz 帯，ワイヤレス給結果である．ワイヤレス給電とデータ通信を時分割動作させた場合と，ワイヤレス給電なしの場合で測

(a)

(b)

図 8 Dependence on antenna distance for thetime-division operation:（a）the RSSI, the PER,
and the rectifier output power and（b）the draincurrent of the HPA and rectifier output power.

図 9 The block diagram of the frequencydivision operation evaluation of the wirelesscommunication in the 2.4 GHz band and the
MPT at 5.8 GHz:（a）in the base station and（b）in the sensor node.

― ２３ ―

電には 5.8GHz 帯を使用する周波数分割動作方式で

図 8 と同様にワイヤレス給電システムの出力 RF パの実験を行った．図 9 に示す測定系を用いた．デーワーは測定中に変化していない．RSSI はアンテナ

タ通信には時分割システムで利用したトランシーバ

距離の依存性を示さなかった．これは，平面板状逆一式をそのまま用いる．そのため，データ通信は間F アンテナの主ビーム方向が互いに向かい合ってい欠的に行われるが，ワイヤレス給電用の信号は，別ないためである．通信相手の方向により，アンテナ

途外部の信号発生器を利用し，時間的に途切れるこ

利得が変化する．また，PER は実験中 1％ 以下でとなく連続的に送電する．時分割システムと同様にあり，センサデータ伝送に十分な通信品質が保たれアンテナ間距離依存性の基本特性評価に加えて，長ている．一方，ワイヤレス給電システムの評価の観時間動作による電力量収支評価の 2 種類の実験を行

点からは，アンテナ間距離が短くなると整流器出力った．長時間動作実験については，次節にまとめが増加することがわかった．アンテナ間距離 80cm

る．

以下の場合，直流電力 120mW の最低要求を満たし

アンテナ距離の依存性の実験結果を図 10 に示す．

ていた．実際の宇宙機で MPT の性能を最適化するためには，センサノードの配置を決定する際に伝搬損失を十分に考慮する必要がある．
6.3

長時間動作による電力量収支

整流器からの DC 出力電力（電力収入）とセン
サ局の消費電力（電力支出）との電力バランスを評価し，システムの安定性と信頼性を実験的に評価した．収入が支出を上回ればいわゆるバッテリレス化が可能となるが，プラスの収支とならない場合でもバッテリの消費を抑えることで駆動時間延長を可能にするため，ワイヤレス給電の意義は大きい．
(a)

今回は周波数分割システムを用いて実験を行った．120 分間の連続動作を行い，バッテリの電圧や通信品質を測定した．図 11 は 120 分間のうち 60 分
間の測定結果である．RSSI は−55dBm, PER 1％ 以下であったことから，通信品質は良好であると判断した．また途中の通信断等もなく安定した動作であった．比較実験として，ワイヤレス給電なしでデー
タ通信のみを動作させた場合についても同様に実験を行った．その結果も図 11 にプロットしている．
ワイヤレス給電なしの場合は電池電圧が低下した(b)

が，ワイヤレス給電を行う提案システムの場合，電図 10 Dependence on antenna distance for thefrequency-division operation:（a）the RSSI, thePER, and the rectifier output power and（b）thedrain current of the HPA and the rectifier output power.

池電圧は 3.78V から 3.80V へとわずかに上昇した．
したがって，電力量収支は僅かではあるがプラスとなったことがわかった．具体的な数値で電力量を示した図が図 12 である．ワイヤレス給電ありの提案― ２４ ―

システムにおいて，120 分間動作させたときのセン
サ局の電力量の測定結果を示した．条件 A は整流器出力電力（収入），条件 B はレギュレータ出力電力（支出）を示す．図では，5 分間あたりの電力量を積み上げた．トータルの収入および支出電力量
は，それぞ れ 1362.7Ws と 1109.0Ws で あ っ た．収入が支出を 253.7Ws 上回った．これらの結果から，
持続可能で安定した運用性と，ワイヤレス給電とデータ通信の両立性が確認できた．

7．再使用ロケット実験機を用いた提案シス
テム評価
7.1

複数のセンサ局位置における両立性評価

前章までは提案システムの基礎評価として，複雑な電波伝搬環境ではなく壁面等からの反射がない電波暗室内での実験を行った結果を紹介した．本章では，提案システムのより実践的な活用例として，
RVT 実機を用いて提案システムを機内に搭載し，データ通信とワイヤレス給電の両立が可能であるか
実験的に検証した結果について簡単にまとめる．図
13 は実験を行っている様子の写真である．写真で図 11 Long-time operation measurement results
using the frequency-division operation （ within
60 min）:（a）the voltage and current of the battery and rectifier and（b）the RSSI, the PER,
and the rectifier output power.

はセンサ局の位置が基地局直上の 1 箇所のみ紹介し

図 12 Power balance in the sensor node. Conditions A and B mean the rectifier output and theregulator output, respectively.

図 13 Measurement setup of the system evaluation using the RVT:（a）outside of the RVT and（b）MPT antenna inside the RVT.

ているが，実験ではセンサ局を RVT 内の 6 か所に分散配置し通信品質と受電電力を測定した．実験の― ２５ ―

結果，通信品質はどの位置でも問題なかったが，最作試験を行った．本実験では，7.1 節の実験とは異大受電電力は 10mW 程度となり，電波暗室内でのなり，センサ局と基地局間の距離は直線の見通し条

1/10 程度の電力となった．これは，電波暗室内で件下の 25cm とした．図 14 に示す通り，60 分間のは見通 し 80cm 以 下 の 理 想 的 な 条件 で あ っ た が，動作の結果，電波暗室での実験と同様に安定した

RVT 実機では機体による電波の反射を利用するマ

データ通信が持続でき，かつバッテリ電圧はほぼ一ルチパス伝送であり，かつ距離も 1m 以上離れてい定であったことから，提案システムの有効性を確認ることに起因する．受電電力を改善するためには，できた．

送電電力を上げたり，受電アンテナの向きを最適化したりするなどの方策が考えられるが，今後の検討

8．まとめ
本稿では，マイクロ波帯の電波を用いたワイヤレ

課題とする．

ス給電システムと，同じく電波を用いる無線通信シ
7.2

ステムを両立させることにより RVT の小型軽量化

長時間動作による電力量収支

電波暗室内での基礎実験の際と同様に，長時間動及びメンテナンス性の改善に資する新しいシステムの研究開発を行った成果についてその概要を紹介した．

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