PRESS RELEASE (技術)

高性能・小型化を可能とするワイヤレス給電の解析・設計技術を開発

携帯電話でのワイヤレス給電や複数モバイル機器への同時給電を実現

本技術の詳細は、9月14日（火曜日）から大阪府立大学（大阪府堺市）で開催される電子情報通信学会 2010年ソサイエティ大会にて発表いたします。

開発の背景

近年、携帯電話やノートパソコン、デジタルカメラなど、身の回りに多くのモバイル機器を所有するようになり、電源ケーブルを接続する煩わしさから解放してくれるワイヤレス給電が期待されています。

ワイヤレス給電技術には、主な方式として電磁誘導方式と磁界共鳴方式があります（図1）。電磁誘導方式は、送電と受電コイルの間の磁束によって生じる起電力を利用するもので、コードレス電話などで実用化されています。しかし、近い距離でしか給電できず、送電側と受電側の位置合わせも必要なため、電源ケーブル接続の専用充電台と変わらない使い勝手でした。

これに対し、2006年に提案された磁界共鳴方式は、コイルとコンデンサ（注2）を共振器として使い、送電と受電デバイスの間の磁界の共鳴によって電力を伝送します。数cmから数mの範囲で離れた位置での送受電が可能であり、複数の機器に対しても同時に給電できることから、モバイル機器や電気自動車への適用を目指してさまざまな技術開発が行われています。

図1. ワイヤレス給電方式の原理図

課題

磁界共鳴方式の送受電デバイスの設計時には、機器の大きさからコイルの大きさを決定し、それに最適となるようにコンデンサの容量を決定します。しかし、送電デバイスと受電デバイスのコイルの形状に依存する浮遊容量（注3）の影響や、機器の筐体やバッテリーなどによる電磁気が、送受電デバイス間の共鳴現象に複雑な影響を与えるため、それを解析し設計する時間がかかります。設計用に使われる一般的なハイスペックのパソコン（注4）を用いても、送受電デバイスの基本的な解析だけで約24時間もの時間が必要となり、小型にすればするほどより難解になります。従来は、携帯電話に搭載できるほどの送受電デバイスの小型化は周りの影響を受けやすく、さまざまな機器を同時に給電しようとするとその機器どうしで影響を受け合ってしまうため、それらの複雑な影響を解析することが難しい状態でした。小型で多様なデザインを受け入れる必要のあるモバイル機器のワイヤレス給電を実用化するにあたり、解析・設計技術は大きなボトルネックとなっています。

開発した技術

今回、磁界共鳴型ワイヤレス給電の送受電デバイスの解析・設計時間を大幅に削減しつつ、周辺の金属体や磁性体から影響を受けやすい小型の送受電デバイスであっても、ねらった共鳴条件に正確に合致する設計をすることが可能な技術を開発しました。

開発した技術は以下の通りです。

1. コイルモデルを解析する電磁界シミュレーターとコンデンサモデルを含めて共鳴状態を解析する専用の回路シミュレーターを連成することで、異なる大きさのコイルを用いた複数の送受電デバイスを一度に正確かつ高速に解析する技術
2. 給電効率を最大とする評価関数に基づいて、ねらった共鳴条件に対して正確な設計条件を自動的に求めることができる技術

上記の2つの技術を組み合わせた実用的な世界初の磁界共鳴設計シミュレーターにより、送受電デバイスをねらった共鳴条件に対して正確かつ短時間で設計することが可能になります。

効果

開発した解析・設計技術を用いて小型で薄型の受電デバイスを設計し、ワイヤレス給電機能を内蔵した携帯電話を試作しました（図2）。試作した携帯電話は、送電範囲内の自由な位置で給電できるにも関わらず、85%の高い給電効率を達成しています。

また、複数の機器に対しての同時給電の解析の例として、1つの送電デバイスから3台の受電デバイスに接触した状態で給電する場合について、送電デバイスのコイルサイズを変化させた特性を図3に示します。この特性は、3つの受電デバイスへの給電効率と電力から最適なコイルサイズを示すものであり、従来の解析時間に比べ約150分の1に相当する約10分で解析することができました。このように送受電デバイスが複数あっても、設計時間を大幅に短縮することができます。

さらに、送電デバイスから離れた自由な位置に受電デバイスが複数ある場合の設計にも有効で、図4に示すような離れた位置での複数給電も可能となります。

---

図2. 受電デバイスを内蔵した試作携帯電話

---

(a) 3台同時給電の解析モデル

(b) 3台同時給電の規格化コイルサイズ特性

(c) 送受電コイル切断面の磁界強度分布

図3. 解析モデルと送電共振デバイスのコイルサイズ特性解析例

---

図4. 離れた位置での複数給電の例

---

今後

今後は、開発した解析・設計技術を用いて、携帯電話などのモバイル機器におけるワイヤレス給電システムの研究・開発を行い、2012年の実用化を目指します。また、今回開発した成果は、モバイル機器のみならずプリント板とLSI間の電力送電や電気自動車のような移動体への給電などに幅広く適用を検討していく予定です。

注釈

  注1 株式会社富士通研究所：

代表取締役社長 富田達夫、本社 神奈川県川崎市。

  注2 コンデンサ：

絶縁体をはさんで向かい合う2枚の電極によって電荷を蓄えることができる部品。

  注3 浮遊容量：

線間で発生する寄生容量。

  注4 ハイスペックのパソコン：

クロック3.33GHz、RAM48GBの64bitマシンを使用。

本件に関するお問い合わせ

株式会社富士通研究所
ITS研究センター
電話： 078-934-9044（直通）
E-mail： wireless-press@ml.labs.fujitsu.com

---

プレスリリースに記載された製品の価格、仕様、サービス内容、お問い合わせ先などは、発表日現在のものです。その後予告なしに変更されることがあります。あらかじめご了承ください。