第1部 市場動向　意識させずに充電可能に

　かばんを机の上に置いておくだけで中に入れてある携帯電話機が自動的に充電されたり、電気自動車を駐車している間に内蔵電池が充電されたりしている……。現在研究開発が進められている「共鳴方式」と呼ぶワイヤレス送電技術^＊1）を使えば、さまざまな電気機器に電源を接続したり、内蔵電池を充電したりといった作業を意識する必要のない世界が到来するかもしれない（図1）。

従来方式には課題あり

　ワイヤレス送電技術の歴史は古く、1900年代にさかのぼる。磁束密度の単位に名を残したことで知られるNikola Tesla（ニコラ・テスラ）がワイヤレス送電用の鉄塔を建設し、広い範囲に無線で電力を送る実験を試みた。1960年代に入ると、マイクロ波帯の電磁波を使って大電力を長距離伝送しようという研究がスタートした。電磁波は、電界（E）と磁界（H）の値で決まるエネルギを持つ。従って、受電側でこれをうまく収集できれば、電力として活用できるとのアイディアである。

　民生分野に目を向けると、電磁誘導を用いたワイヤレス送電技術が、1990年代から広く実用化されている。この現象は、送電側デバイス（コイル）と受電側コイルの2つを離して設置しておき、送電側に交流電力を供給すると受電側コイルから電力を抽出できるというものだ。この原理は、「ファラデーの電磁誘導の法則」として知られている。

　例えば、洗面所など水分が多い場所で使用したり、頻繁に脱着を繰り返したり、ゴミやほこりが多い環境で使ったりといった、金属接点の使用を避けたい電子機器や産業機器で採用されてきた。金属接点を使わなければ、水周りでも接点が劣化して接続不良を引き起こす心配はない。また、脱着を繰り返した場合でも端子の破損を気にしなくて済むほか、ゴミやほこりの付着による漏電（トラッキング現象）が生じないというメリットがある。電気シェーバや電気歯ブラシ、コードレス電話機、浄水器内部の紫外線発生器に採用されているほか、半導体や液晶ディスプレイの製造工場などの設備で利用されている。最近では、金属接点を無くして外観を美しく見せたり、使い勝手を高めたりする目的で、ワイヤレス・マウスや照明、携帯電話機、ゲーム機のリモコンにも採用されている。

数mを高効率送電可能

　上記のような用途で、ワイヤレス送電技術の採用事例は着実に増えているものの、従来の方式には課題があり、限られた用途にのみ採用されているのが現状だ。

　まず、マイクロ波帯の電磁波を使った方式は、基本的に電磁波のエネルギが四方八方に放射されるために伝送効率が低い。確かに、アンテナの面積を大きくしたり、エネルギを集中させる特殊な仕組みを盛り込んだりすることで伝送効率を高めることは可能ではあるものの、民生分野向けにはコストや安全性の観点から難があり、実用化には至っていない。

　次に電磁誘導方式については、高い伝送効率を得るには、送電側と受電側のコイルを近接させて設置する必要があるほか、2つのコイルの軸を合わせて正対させることが求められる。例えば、携帯電話機に組み込むことを想定した直径が数cmのコイルを使った場合、コイル間距離は1cm以下、コイルの軸も数mmの範囲で一致させることが求められる。この条件下では90％を超える伝送効率^＊2）が得られるものの、この条件から外れると急激に効率が低下してしまう。

　すなわち従来方式では、高い伝送効率を得るには送電側と受電側を近接させる必要があり、両者の距離を広げるには低い伝送効率で妥協せざるを得なかった。ワイヤレスや非接触とは言いつつも、利用状況が制限されてしまっていたのである。

　ところがここにきて、風向きが大きく変わりつつある。その理由が、共鳴方式と呼ぶ新たなワイヤレス送電技術の登場だ。米Massachusetts Institute of Technology（MIT）が2006年に理論を発表し^†1）、2007年にその理論に基づいた試作機を作成して実際にワイヤレスで送電可能なことを実証した^†2）。

　この共鳴型の最大の特徴は、数mといった中距離を、高い伝送効率でワイヤレス送電可能なことである（図2）。例えば、MITが2007年に発表した論文では、送電距離が2mの場合に40％、1mの場合に90％の伝送効率（結合部のみ）を得たとしている^†3）。これまでの方式に比べると、「初めて見たときは、ありえない結果だと感じた」と説明する研究者がいるほど、非常に高い値である。しかも、狙った機器にのみ電力を送れる。送電したくない機器に電力が送られてしまうことはない。

　MITの論文発表をきっかけに、数多くの企業や研究機関がこの共鳴方式に関する研究開発を開始した（図3）。例えば、米Intel社は2008年8月に開催した開発者向け会議「Intel Developer Forum（IDF）」で「Wireless Resonant Energy Link（WREL）」と呼ぶワイヤレス送電技術を開発していることを明らかにした。米Qualcomm社は、「eZone」と呼ぶ送電技術を開発し、2009年2月に開催された展示会「Mobile World Congress 2009」でこれを組み込んだ携帯電話機を動かして見せた。

　MITから技術移転を受けたベンチャー企業である米WiTricity社は、電気自動車やデジタル家電、パソコン、携帯電話機、産業工具といったさまざまな分野の試作機をすでに作成済みである（図4）。図4（a）は、ノート・パソコンと携帯電話機に向けて、同時に電力を供給している様子である。ノート・パソコンの2次電池は取り外してあり、無線で供給した電力で直接ノート・パソコンを稼働させている。ノート・パソコンに組み込んだ受電側コイルと送電側コイルの面は正対せず直交した状態だ。送電側コイルはコルク・ボードの裏側にあり、携帯電話機に対して同時に送電することも可能である。

　図4（b）は、電気自動車での利用を想定した試作機である。送受電コイル間の距離はおよそ13cmで、コイルの結合部の伝送効率は95％だという。kWクラスの電力を送電可能である。自動車の筐体を模した鉄板があった場合でも高い伝送効率が得られる。図4（c）では、小型液晶テレビに無線で電力を供給して直接稼働させた。送電側コイルと受電側コイルの向きは直交しているが、十分な電力が送れるという。図4（d）は、机に埋め込んだ送電側コイルで複数の携帯電話機を同時に充電している様子。図4（e）に示したように、送電側コイルから数10cm離した場合でも充電可能だとする。数10cm離せれば、携帯電話機を入れたかばんを机の上に置いたり、ポケットに入れたまま机に近づけるだけで充電できる。

　日本国内の企業については、2009年8月に開催された環境関連の展示会「信州環境フェア2009年」で長野日本無線がデモを披露したほか、昭和飛行機工業が、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の支援を受け、移動中の電気自動車に対するワイヤレス送電の可能性について研究している。このほか複数の大学が研究開発を進めている。

活用範囲は広がる

　高い伝送効率を維持したまま送電距離を伸ばせれば、恩恵を受けられる製品分野は格段に増える。

　まず、2次電池で稼働させる携帯型電子機器の分野がある。現在、身の回りには2次電池を内蔵した数多くの携帯型電子機器があり、その種類は増える一方だ。スマートホンやネットブック、ネットブックをさらに小型にした携帯型情報端末（MID）が、続々と市場に投入されている。これらの携帯型機器の特徴は、高機能かつ多機能ながら、小型で携帯性に優れているという点である。ただし、高機能/多機能化の一方で、内蔵電池の容量はなかなか増えていない。「リチウムイオン2次電池が開発されてほぼ20年になり、その間にエネルギ密度は2倍以上になった。しかし、その成長曲線は飽和しつつある。現在の技術で電池容量を高めようとすると、安全性のマージンが下がってしまう」（NTTドコモの移動機開発部技術推進担当部長を務める竹野和彦氏）という指摘がある。この結果、これらのスマートホンやネットブックなどでは機器の稼働時間よりも携帯性を優先しているのが現状だ。

　ワイヤレス送電技術を使ってユーザーが無意識のうちに充電できるようになれば、この課題は解決する。例えば、机に送電器を組み込んでおけば、その机の周囲にスマートホンを入れたかばんを置いたり、洋服のポケットに入れたままいすに座ったりするだけで、充電可能だ。夜寝る前に充電台に差し忘れて翌日の朝に焦ったり、電池容量を気にして使用したりすることも無くなるだろう。

　また、今後普及が見込まれる電気自動車にもワイヤレス送電技術は重要である。「電気自動車の普及は、充電作業をいかに容易にするかにかかっているだろう」（昭和飛行機工業の特殊車両総括部EVP事業室で技師長を務める高橋俊輔氏）と指摘する声は多い。ここにワイヤレスで電力を供給する技術が生きる。

　現在実用化または開発中の電気自動車は、1回の充電当たりの走行距離が最大160km程度と、現在のガソリン車に比べると大幅に短い。しかも、暖房や冷房といった空調を利用した場合、この値はさらに短くなる。このため、電源ケーブルを使って充電するとなると、現在のガソリン車に比べて動力源（電気）を供給する作業頻度は大きく増えてしまう。ワイヤレス送電の設備を自宅の駐車場に設置しておけば、単に車を止めるだけで充電でき、電源ケーブルを接続する手間は生じない。さまざまな商業施設の駐車場にあらかじめ設置するといったようにインフラとして整備されれば、充電作業が必要なことを意識することすら無くなるだろう。

　安全性の観点からも、ワイヤレス送電技術のメリットは多い。電気自動車を利用するのは晴れた日ばかりとは限らない。雨の日もあれば、嵐の日もあるだろう。ワイヤレス送電技術を使えば、雨の日に屋外で充電する場合でも接続部がぬれてしまう危険性は無い。もちろん、電気自動車では感電しないような仕組みが搭載されるものの、電源ケーブルと金属接点の接続部がぬれてしまった場合、乾燥させる必要がある。

　電気自動車のほかにも、電動バスにニーズがありそうだ。「電動バスに利用されている2次電池は、高価でしかも重い」（同氏）。2次電池の重量を減らせればその分、単位電力量当たりの走行可能距離が長くなるものの、電気容量が減ってしまい走行可能距離は短くなってしまう。そこで、バス・ステーションに戻るたびに、ワイヤレス送電技術を使って充電すれば、手間を掛けずにこのジレンマを解消できるというわけだ。

　上記に説明した電気自動車や電動バスに関するワイヤレス送電技術のメリットすべては、共鳴方式に限らずほかの方式でも得られる。実際、日産自動車は2009年7月に開催した「先進技術説明会」で、電磁誘導方式のワイヤレス送電装置を搭載した電気自動車を公開した（図5）。また、昭和飛行機工業では同方式のワイヤレス送電装置を使った電動バスの実証実験を数多く実施している。ただ、位置を厳密に合わせる必要のない共鳴方式を使うことで、自動車やバスの駐車位置の自由度を格段に高めることが可能だ。「移動中の電気自動車や電動バスへのワイヤレス送電に共鳴方式は有効だ。非常に期待している技術である」（同氏）。

　このほか、カプセル内視鏡といった、体内で動作させる医療機器に加えて、移動しながら稼働させる産業機器やロボットに対しても共鳴方式は有効である。電磁誘導方式では充電中には動作を止める必要があるのに対して、共鳴方式を採用すれば動作させながら充電できる。

課題解決の研究進む

　共鳴方式を使ったワイヤレス送電技術の研究開発は始まったばかりで、もちろん実用化に向けた課題はいくつかある。現在、これらの課題解決を目指した取り組みが進められている。実際の製品を利用した試作機を複数作成しているWiTricity社では、「2010年の後半には、何らかの最終製品が市場に登場するのではないか」（同社のPresident兼CEOを務めるEric Giler氏）と意気込む。

　これまで長年、研究開発が進められてきた電磁誘導方式と、マイクロ波を使った電磁波方式に関しても、技術開発は着実に進む。電磁誘導方式に関しては、受電側コイルの設置自由度を高める取り組みがある。携帯型機器向けワイヤレス送電モジュールの高効率化と安全性の確保に向けた技術開発は、2004年ころに一段落したようだ。次の開発動向として、例えば送電側コイルを複数使ったりすることで、受電側コイルの位置をきっちり合わせなくても、高い伝送効率を維持する仕組みの開発がある。マイクロ波帯の電磁波を利用した方式に関しては、大電力の長距離伝送のみならず、多数のセンサー端末に向けてmWレベルの小電力を同時供給するという用途を想定した研究が進められている。ワイヤレス送電技術を実現する3つの方式の特徴などを表1にまとめた。