機器を配線から解放する安全な光無線給電システム

科学技術創成研究院

未来産業技術研究所

准教授 宮本智之

2017年10月17日（火） 14:30～ 14:55，JST東京本部別館ホール

東京工業大学

『通信』は無線化が進展 2

情報

すでに『有線』の通信は民生機器から消えている

※無線通信搭載を確認した民生機器

固定移動

情報以外

通信の『無線化』の理由

◆優位性• 移動中にも利用可

• 配線・接続の手間が不要

• 見栄えが良い

• システムの柔軟性

• 災害時の復旧容易

◆課題• 通信速度・安定性に劣る

• 回線の妨害・窃取

重大な課題もあるが，その優位性から，社会の『無線化』の要求は急速に拡大！！

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給電：残された有線

•給電の配線は残された有線• 常時あるいは充電時の配線必要

• ハーベスティングは極低電力のみ

•給電配線の存在と接続の手間は，利用形態・設置形態・機器形態などを制限

⇒ 通信に加え給電も無線化で，無線化社会の拡がりによる大きな変革を期待！！

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※通信・給電とも，『幹線』は有線，『ラストnマイル』を無線化

従来の無線給電とその課題

結合型（非放射型）

• 電磁誘導方式

• 磁界共鳴方式（MIT発明）

放射型（非結合型）

• マイクロ波伝送方式

• 環境電波方式

• 超音波方式

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• 給電距離が数mm～1m程度• サイズ・重量が大きい• 電磁波の人体・機器影響

実用段階だが適用機器や利用形態に制限

三菱重工webより JAXA webより

光無線給電とその特徴 6

光源（レーザ等）

太陽電池

太陽光発電は光無線給電だが．．．

• 太陽光があるときだけ

• 低エネルギー密度（1kW/m2）• 10cmx10cm：2W, 1mx1m：200W

⇒ 適用機器を拡げて無線化社会を加速！

光無線給電

• 長距離給電（光ビーム）

• 小型・軽量（光源，太陽電池）

• 大電力（高出力レーザ）

• 機器干渉無，など

光ビーム

電磁誘導

光無線給電の適用範囲 7

1cm

10cm

1m

10m

100m

1km

0.1W 1W 10W 100W 1kW 10kW

ビーム電波

拡散電波

伝送距離

伝送電力

※サイズ，重量，効率，人体・機器影響などを考慮

光無線給電

なぜ今，光無線給電か

レーザや太陽電池は以前からあるのに，

光無線給電は新たに出てきた方式なのか？

• 給電どころか通信の無線応用も狭かった• 従来無線給電が展開されると想像していた• システム構築に課題があった

低すぎる給電効率，高出力光源が利用しにくい

• レーザは安全規制が厳しい

• 通信に続く給電無線化による社会進展の期待• 無線化社会実現には多様な方式が必須• デバイス性能の向上• センサ技術・IoT社会の進展を活用

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以前

現在

光無線給電プロトタイプ 9

Solar Cell1

0-60

cm

VCSEL

Lens

プロトタイプによる光無線給電の

特徴と課題の抽出

• 直流駆動／直流取出しのため容易な構成（従来方式は多段の

AC-DC，DC-DC変換必要）

• メートルクラスの無線給電も容易

プロトタイプの特性評価

•無線給電距離：10-120cm（測定系制限）

• 給電特性の距離依存性少

•給電電力：6W

• （光出力18W時）

•太陽電池効率：33%

• 単色光で高効率化（太陽光下18%のセル）

• 均一照射が高効率に必要

• 照射強度も効率に影響

• システム効率：12.1%

• （使用レーザの効率37%）

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光無線給電の効率 11

LD LD効率太陽電池

太陽電池効率

給電効率

現状

一般LD 35% 一般Si-SC 30% 10%

最高性能LD

72%最高性能SC (GaAs)

66% 48%

将来期待値

GaAs 85% Si 50% 43%

GaN 85% GaN 85% 72%

• 光源，太陽電池とも効率向上必要• 短波長帯の太陽電池開発重要• 非可視・可視など応用に適する波長も重要

光無線給電の問題点

•光無線給電の検討例

• 1対1の給電システムが基本

• 宇宙太陽光発電の将来構想

• ごく少数の製品レベル機器の事例

• 1対1の給電システムの課題

• 機器台数分の光源必要

• 機器電力量が大きいと給電量不足に

• 機器設置場所によって給電不可に

• 強い光ビームは危険性増

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Wi-Charge webより

JAXA webより

提案する光無線給電の概要

•提案システムの基本構成

• 光源と受光器が１～複数個

• 複数光源から複数受光器へ

連続・時分割・空間分割給電

•提案システムにより実現する機能・特徴

• 機器追加時の光源追加不要

• 機器電力量が大きくても複数光源から給電

• 給電経路が使えなくても他の経路で給電

• 複数経路で光密度を低下して危険性抑制

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• 受電ユニットは給電ユニットの光で動作・充電

• 家庭内のほか工場や屋外空間も想定

光無線給電システムのイメージ 14

給電ユニット

受電ユニット

通信

通信

光ビーム

光ビーム

受電ユニット

給電カバー範囲

システム構成の想定

• 受電ユニットの，要求電力・最大電力・受電中電力・給電効率，位置・姿勢，給電経路情報などにより給電状態を制御

• 制御は中央制御や分散制御など

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太陽電池

給電ユニット

受電ユニット 制御装置

中央制御装置

制御装置

光源，走査機構ビーム形状制御

通信

遮蔽物

多様な給電モード１

• マルチ給電： 複数給電ユニットから1つの受電ユニットに給電．大電力利用機器への給電など．

• 時分割給電： 複数受電ユニットに1つの給電ユニットから給電．少ない給電ユニット数で多数機器に給電など．

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受電ユニット 受電ユニット

マルチ給電 時分割給電

給電ユニット 給電ユニット

多様な給電モード２

• 多対多給電： 複数給電ユニットから複数受電ユニットに給電．光強度密度抑制など．

• 経路中継： 光源の総数を抑制しながら，パッシブなミラーなどにより多様な経路を提供．

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受電ユニット

多対多給電

受電ユニット

経路中継ユニット

遮蔽物

給電ユニット 給電ユニット

想定される用途 18

•対象機器：電力を利用する機器全般• 微小電力機器から大電力機器まで• 固定機器，半固定機器，移動機器まで• 時々動作から常時動作まで

•閉空間への適用• 家庭やオフィスの居室• 実験室• 工場内

• その他の適用先• 室外• 屋外

想定される用途のイメージ１

見栄え良く，どこにも設置でき，気楽に移動など部屋のデザイン・使い方，模様替えなどの生活シーン変化！

小電力でも24h動作は配線必須

限定機器（<数W）は無線給電実用

バッテリーで実効無線化．充電配線要

現状⇒

情報

情報以外

固定移動

多くの機器は電力的に有線必須

想定される用途のイメージ２

EV：→無線充電

走行中無線充電

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• 乗り物に気楽に充電• 移動時給電で距離拡大，重量抑制• 24時間常時稼働（介護ロボットなど）

ロボット（産業用介護用など）

空飛ぶ自動車

ドローン

パーソナルモビリティ

Urban Aeronautics webより

実用化に向けた課題

•光源・太陽電池など基本デバイス• デバイス効率向上などを研究中

•提案システムには多様な技術基盤が必要• 小型光ビーム走査法が必要• ビーム形状制御法が必要• 位置・方向・傾き検出法が必要• 光源側と機器側の通信• ビームや散乱光からの安全確保

• より高難易度システムへの挑戦が必要• 微小電力 ⇒ 大電力• 固定 ⇒ 移動• 無人空間 ⇒ 人のいる空間

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企業への期待

• システム化に向けて，以下の技術をもつ／

取り組みたい企業と共同研究希望• デバイスモジュール化

• 光学設計（含ビーム走査）

• 位置・姿勢のセンシング

• 給電状態制御（含通信）

• 無線給電（受電側）応用機器開発

• 安全確保のセンシング・制御

•応用機器，室内環境整備・インフラ整備など

の展開を考えている企業に取組が有効．

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本技術に関する知的財産権

•発明の名称 ：光給電システム

•出願番号 ：特願2017-154386

•出願人 ：東京工業大学

•発明者 ：宮本智之

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お問い合わせ先

東京工業大学 研究・産学連携本部

産学連携コーディネーター 浅澤 博

ＴＥＬ ０３－５７３４－７６９３

ＦＡＸ ０３－５７３４－７６９４

e-mail asazawa@sangaku.titech.ac.jp

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