電界磁界結合型ワイヤレス給電技術
-電磁誘導・共鳴送電の理論と応用-

【著者紹介】

篠原　真毅 （しのはら　なおき） （監修／第1章）

京都大学生存圏研究所教授。
平3京都大・工・電子卒。平5京都大大学院工学研究科修士課程修了。平8同大大学院工学研究科博士課程修了 （京大工博）。同年・同大超高層電波研究センター助手、平22同大生存圏研究所教授。主として宇宙太陽発電所と無線電力伝送に関する研究に従事。IEEE、URSI、電子情報通信学会会員。IEEE Microwave Theory and Techniques Society （MTTS） Technical Committee 26 （Wireless Power Transfer and Conversion） Member。電子情報通信学会無線電力伝送研究会委員長。電磁波エネルギー応用学会理事。ワイヤレス電力伝送実用化コンソーシアム代表。ワイヤレスパワーマネージメントコンソーシアム代表他。

粟井　郁雄 （あわい　いくお） （第2章、第11章7節）

昭38年京大・工・電子卒。昭43同大学院博士課程了、工博。京大助手、 （株） ユニデン技師長、山口大教授、龍谷大教授を歴任、現在 （株） リューテック代表取締役。マイクロ波フィルタ、人工誘電体、ワイヤレス給電の研究開発に従事。電子情報通信学会フェロ－、IEEE Life Fellow.

松木　英敏 （まつき　ひでとし） （第3章1-4節）

東北大学大学院医工学研究科教授。
1980年東北大学大学院工学研究科電気及通信工学専攻博士課程後期3年の課程修了 （工学博士）。1980年東北大学工学部助手。1985年助教授。1998年大学院教授。生体電磁工学、磁気応用工学に関する研究に従事。2011～2014年医工学研究科長。2010～2011年電気学会基礎・材料・共通部門長。2011～2012年日本磁気学会会長。

居村　岳広 （いむら　たけひろ） （第3章5節）

東京大学大学院新領域創成科学研究科助教。
2005年3月上智大学理工学部電気電子工学科卒業。2007年3月東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻修士課程修了。2010年3月同大学大学院工学系研究科電気工学専攻博士後期課程修了。

平山　裕 （ひらやま　ひろし） （第4章1節）

名古屋工業大学大学院工学研究科准教授。
1998年電気通信大学電気通信学部卒業。2003年電気通信大学電気通信学研究科博士後期課程修了。博士 （工学）。2003年名古屋工業大学工学研究科助手。2007年名古屋工業大学工学研究科助教。2013年名古屋工業大学工学研究科准教授。マイクロ波工学・環境電磁工学・アンテナ工学・無線電力伝送工学の研究に従事。電子情報通信学会、IEEE会員。

稲垣　直樹 （いながき　なおき） （第4章2-5節）

名古屋工業大学名誉教授。
昭和37年東工大・理工・電気B卒、昭和42年同大大学院博士課程了、博士 （工学）。同年同大助手、昭和45年名工大助教授、昭和59年同教授、平成15年南山大教授。平成22年同大定年退職。昭和54年～55年米国オハイオ州立大エレクトロサイエンス研究所客員研究員 （文部省在外研究員）。電波工学の教育・研究に従事。電子情報通信学会より昭和39年稲田賞、昭和49年論文賞、昭和58年業績賞を各受賞。平成1年IEEE APS Tokyo Chapter Chair、平成18年～19年IEEE APS Nagoya Chapterの初代Chair。電子情報通信学会フェロー、IEEE Life Fellow.

川原　圭博 （かわはら　よしひろ） （第5章）

東京大学准教授。
2005年東京大学博士課程修了。博士 （情報理工学）。現在東京大学准教授。2011年ジョージア工科大学客員研究員、2013年マサチューセッツ工科大学客員講師。ユビキタスコンピューティングおよび無線電力伝送の研究に従事。

成末　義哲 （なるすえ　よしあき） （第5章）

1989年生。2014年東京大学大学院情報理工学系研究科修士課程修了。同年同研究科博士課程に進学、日本学術振興会特別研究員。室内給電無線化の研究に従事。原島博学術奨励賞など受賞。IEEE、電子情報通信学会、情報処理学会各会員。

細谷　達也 （ほそたに　たつや） （第6章、第10章）

1995年 （株） 村田製作所入社、現在に至る。博士 （工学）。2007年より同志社大学大学院客員教授。主に、高性能電力変換装置の開発設計に従事。ワイヤレス給電システムの研究開発を推進。ワイヤレス・パワー・マネジメント・コンソーシアム副代表。電子情報通信学会、電気学会、パワエレ学会、自動車技術会委員。

市川　敬一 （いちかわ　けいいち） （第6章）

1998年（株）村田製作所に入社。高周波モジュール商品の研究開発に従事。現在、ワイヤレス電力伝送モジュールの研究開発に従事。

陳　強 （ちん　きょう） （第7章）

東北大学大学院工学研究科通信工学専攻電磁波工学分野教授。
平成6年東北大学博士後期課程修了。博士 （工学）。現在東北大学大学院工学研究科通信工学専攻電磁波工学分野教授。専門は電磁波工学。IEICE、IEEE会員。

袁　巧微 （えん　ちゃおうぇい） （第7章）

仙台高等専門学校教授。
中国出身、1990年東北大学に留学、現在国立仙台高等専門学校教授。専門分野は電磁波工学・アンテナ工学。電子情報通信学会、アメリカIEEE学会所属。2009年喜安善市賞受賞。無線電力伝送研専研究会幹事。

大平　孝 （おおひら　たかし） （第8章、第11章3節）

豊橋技術科学大学大学院教授。
1983年大阪大学博士課程了。工博。NTTにて通信衛星の設計を担当。2005年ATR波動工学研究所長。IEEE Distinguished Lecturer. IEEE Fellow. IEICE Fellow.

関屋　大雄 （せきや　ひろお） （第9章）

千葉大学大学院融合科学研究科准教授。
平成13年慶應義塾大学大学院理工学研究科電気工学専攻修了。博士 （工学）。主として電力増幅器、共振型コンバータに関する研究に従事。IEEE、電子情報通信学会シニア会員。

竹野　和彦 （たけの　かずひこ） （第11章1節）

NTTドコモ先進技術研究所環境技術研究グループ。
1990年九州大学大学院修了、NTT入社、1998年NTTドコモ転籍、現在に至る （工学博士）。情報通信用エネルギー技術、リチウムイオン電池管理技術、ワイヤレス給電技術が専門。電子情報通信学会会員。

高橋　俊輔 （たかはし　しゅんすけ） （第11章2節）

早稲田大学環境総合研究センター。
1972年早稲田大学大学院理工学研究科卒。1972年三井造船 （株） 入社船舶設計、水中ロボット、メカトロ機器開発に従事、2003年退職。2003年早稲田大学環境総合研究センター参与、電動バス開発に従事。2012年より客員上級研究員として非接触給電研究の学生指導、現在に至る。2003年昭和飛行機工業 （株） 入社。EV、非接触給電開発に従事。2013年退職。自動車技術会ワイヤレス電力伝送技術委員会幹事。

原川　健一 （はらかわ　けんいち） （第11章4、 5節）

2013年にExH （イークロスエイチ） 設立。竹中工務店技術研究所で2009年に電界結合送電に成功。現在は、新会社で電界結合電力伝送技術を用いた産業機器の製品化を目指している。

田代　晋久 （たしろ　くにひさ） （第11章6節）

信州大学学術研究院工学系准教授。
九州大学大学院総理工助手、信州大学工学部助教を経て2012年より准教授。研究分野は磁気応用工学で、主に微弱磁界計測技術とその応用に関する研究。IEEE学会会員、AEM学会会員、電気学会上級会員。信州大学SDTC運営委員、ワイヤレス電力伝送実用化コンソーシアム学識委員、3Gシールドアライアンス会員メンバー。

宮越　順二 （みやこし　じゅんじ） （第12章）

京都大学生存圏研究所特定教授。
1981年大阪市立大学大学院医学研究科修了 （医学博士）。1996年京都大学大学院医学研究科助教授。2002年弘前大学医学部教授。2010年現職就任。専門は、電磁波生命科学、放射線基礎医学。国際がん研究機関 （IARC） 「ELF・RF発がん性評価委員」。世界保健機関 （WHO） －ELF環境保健クライテリア・タスク会議メンバー。国際非電離放射線防護委員会 （ICNIRP） 常設委員 （SCⅡ）。国際生体電磁気学会 （Bioelectromagnetics Society） 理事。総務省「生体電磁影響に関する検討会・委員」。公益法人日本アイソトープ協会理事。放射線安全管理部会部会長。日本磁気科学会副会長など歴任。

横井　行雄 （よこい　ゆきお） （第13章）

（公社） 自動車技術会ワイヤレス給電システム技術部門委員会幹事（2012年～）。
京都大学生存圏研究所研究員 （2014年～）。
1969年日本無線株式会社入社。2004年長野日本無線 （株） 移籍。2011年退任。ワイヤレス給電技術、信号処理技術、電子航法・GPSナビゲーション技術。自動車技術会、電子情報通信学会会員。1971年に日本で初めてFFT信号処理装置を実用化、その後ロランCなど電子航法装置の実用化を行い、船舶・漁業の安全・効率化に貢献。1990年以降世界初の車載GPS受信機の実用化、小型化を実現し、車載位置情報の普及に貢献。2007年からは磁界共鳴方式等のワイヤレス給電の産業化に尽力。"

【目次】

第１章　はじめに

第２章　共鳴（共振）送電の基礎理論

1. 2.1　共鳴送電システムの構成
   1. 2.1.1　共鳴送電の原理
   2. 2.1.2　電源・伝送路・負荷
2. 2.2　結合モード理論による共振器結合の解析
   1. 2.2.1　モード展開
   2. 2.2.2　結合モード方程式の導出
   3. 2.2.3　結合モード方程式の解法
   4. 2.2.4　結合モード理論の有効性
3. 2.3　磁界結合および電界結合の特徴
   1. 2.3.1　磁界／電界結合の制御
   2. 2.3.2　磁界結合共振器の応用原理
   3. 2.3.3　電界結合共振器の応用原理
4. 2.4　WPT理論とフィルタ理論
   1. 2.4.1　WPTシステム設計理論とその問題点
   2. 2.4.2　フィルタ設計理論とその問題点

第３章　電磁誘導方式の理論

1. 3.1　はじめに
2. 3.2　電磁誘導の基礎
   1. 3.2.1　マックスウェルの方程式
   2. 3.2.2　エネルギーと電磁波伝播
   3. 3.2.3　ファラデーの電磁誘導則
3. 3.3　高結合電磁誘導方式
   1. 3.3.1　電圧源励磁の磁心と磁束
   2. 3.3.2　変圧器等価回路
   3. 3.3.3　伝送効率
4. 3.4　低結合型電磁誘導方式
   1. 3.4.1　最大効率条件
   2. 3.4.2　漏れリアクタンス補償法
   3. 3.4.3　低結合型における電力伝送機構
5. 3.5　低結合型電磁誘導方式Ⅱ
   1. 3.5.1　磁界共振結合の等価回路
   2. 3.5.2　電圧・電流による入出力の特性式
   3. 3.5.3　入出力電圧・電流の設計
   4. 3.5.4　端子間電圧計
   5. 3.5.5　高周波電源
   6. 3.5.6　大電力用送受電コイル
   7. 3.5.7　実験例

第４章　磁界共鳴（共振）方式の理論

1. 4.1　概論
   1. 4.1.1　はじめに
   2. 4.1.2　結合共振型ワイヤレス給電技術の分類
   3. 4.1.3　結合共振型ワイヤレス給電のモデルによる各方式の説明
   4. 4.1.4　インピーダンス整合から見た結合共振型ワイヤレス給電
2. 4.2　電磁誘導から共鳴（共振）送電へ
   1. 4.2.1　方形コイルによる誘導方式の例
   2. 4.2.2　方形コイルによる共鳴方式の例
   3. 4.2.3　電力波と散乱行列による電力伝送効率の表現
3. 4.3　電気的超小形自己共振構造の4周波数と共鳴方式の原理
   1. 4.3.1　偶奇解析と4周波数
   2. 4.3.2　閉路構造の例
   3. 4.3.3　開路構造の例
4. 4.4　等価回路と影像インピーダンス
   1. 4.4.1　等価回路
   2. 4.4.2　影像インピーダンスのパターン
5. 4.5　共鳴方式ワイヤレス給電系の設計例

第５章　磁界共鳴（共振）結合を用いた
マルチホップ型ワイヤレス給電技術

1. 5.1　マルチホップ型ワイヤレス給電における伝送効率低下
2. 5.2　帯域通過フィルタ（BPF）理論を応用した設計手法
3. 5.3　ホップ数に関する拡張性を有した設計手法
4. 5.4　スイッチング電源を用いたシステムへの応用

第６章　電界共鳴（共振）方式の理論

1. 6.1　電界共鳴方式ワイヤレス給電システム
   1. 6.1.1　電界結合型の基本構成
   2. 6.1.2　電界共鳴ワイヤレス給電システムの構成
2. 6.2　電界共鳴ワイヤレス給電の等価回路
   1. 6.2.1　電界結合における等価回路
   2. 6.2.2　電界共鳴ワイヤレス給電システムのF行列共鳴解析
3. 6.3　電界共鳴ワイヤレス給電システムの応用例
   1. 6.3.1　電界結合型ワイヤレス電力伝送モジュール
   2. 6.3.2　タブレット端末製品への組込み試作例
   3. 6.3.3　電磁干渉ノイズの測定

第７章　近傍界によるワイヤレス給電用アンテナの理論

1. 7.1　ワイヤレス給電用アンテナの設計法の基本概要
2. 7.2　インピーダンス整合条件と無線電力伝送効率の定式化
3. 7.3　アンテナと電力伝送効率との関係
   1. 7.3.1　アンテナのモデル
   2. 7.3.2　インピーダンス整合時の電力伝送効率
   3. 7.3.3　整合回路の電気損失を考慮した電力伝送効率
4. 7.4　まとめ

第８章　電力伝送系の基本理論

1. 8.1　はじめに
2. 8.2　電力伝送系の2ポートモデル
3. 8.3　入出力同時共役整合
4. 8.4　最大効率
5. 8.5　効率角と効率正接
6. 8.6　むすび

第９章　ワイヤレス給電の電源と負荷

1. 9.1　共振型コンバータ
2. 9.2　DC-ACインバータ
   1. 9.2.1　D級インバータ
   2. 9.2.2　E級インバータ
3. 9.3　整流器
   1. 9.3.1　D級整流器
   2. 9.3.2　E級整流器
4. 9.4　E2級DC-DCコンバータとその設計指針
5. 9.5　E2級DC-DCコンバータを用いたワイヤレス給電システム
   1. 9.5.1　トランスの損失
   2. 9.5.2　E級インバータからみた整流器側の等価抵抗
   3. 9.5.3　電力伝送効率の近似表現
   4. 9.5.4　電力伝送効率向上のために
   5. 9.5.5　具体的設計例
6. 9.6　むすび

第10章　高周波パワーエレクトロニクス

1. 10.1　高周波パワーエレクトロニクスとワイヤレス給電
   1. 10.1.1　高速化と高周波化の違い
   2. 10.1.2　パワーエレクトロニクスとスイッチング技術
   3. 10.1.3　スイッチングコンバータにおける電力損失
2. 10.2　ソフトスイッチング
   1. 10.2.1　ソフトスイッチングと最適ZVS動作
   2. 10.2.2　ZVS動作のD級インバータとE級インバータの比較
3. 10.3　直流共鳴方式ワイヤレス給電
   1. 10.3.1　直流共鳴方式とMIT方式
   2. 10.3.2　直流共鳴方式とインピーダンス整合
   3. 10.3.3　直流共鳴方式のシステム構成
4. 10.4　直流共鳴方式ワイヤレス給電の解析
   1. 10.4.1　周期状態区分法
   2. 10.4.2　常微分状態方程式による回路解析
   3. 10.4.3　複エネルギー回路による過渡現象解析
   4. 10.4.4　共鳴フィールドの周波数領域解析
5. 10.5　共鳴システムの統一的設計法と10MHz級実験
   1. 10.5.1　共鳴システムの統一的設計法（MRA/HRA/FRA）
   2. 10.5.2　入力インピーダンスと電圧利得の解析
   3. 10.5.3　結合係数kによる位置ずれと傾きに対する解析
   4. 10.5.4　GaN FETを用いた10MHz級動作実験
   5. 10.5.5　共鳴フィールドの実証実験

第11章　ワイヤレス給電の応用

1. 11.1　携帯電話への応用
   1. 11.1.1　適用の背景
   2. 11.1.2　電磁誘導型のワイヤレス給電に関して
   3. 11.1.3　試作機の電力変換効率の測定結果
   4. 11.1.4　評価結果の考察
2. 11.2　電気自動車への応用I
   1. 11.2.1　EV用ワイヤレス給電方式の開発動向
   2. 11.2.2　公共交通自動車へのワイヤレス給電の開発動向
   3. 11.2.3　EVでの今後の展開
3. 11.3　電気自動車への応用II
   1. 11.3.1　電化道路電気自動車（EVER）
   2. 11.3.2　インフラからの走行中給電
   3. 11.3.3　ホイール経由のワイヤレス電力伝送（V-WPT）
   4. 11.3.4　乗用車用タイヤによる給電実験
4. 11.4　産業機器（回転系・スライド系）への応用
   1. 11.4.1　電界結合方式
   2. 11.4.2　既存の回転系への電力供給方法と問題点
   3. 11.4.3　電界結合方式による回転系への電力伝送
   4. 11.4.4　既存のスライド系への電力供給方法と問題点
   5. 11.4.5　スリット付同軸線路の原理
   6. 11.4.6　電界結合方式によるスライド系への電力伝送I
   7. 11.4.7　電界結合方式によるスライド系への電力伝送II
   8. 11.4.8　スライド系での電力伝送の実証
   9. 11.4.9　まとめ
5. 11.5　建物への応用
   1. 11.5.1　建物における残念な現実
   2. 11.5.2　ロボットが生かせる建物
      （少子高齢化対策としてのロボット活用）
   3. 11.5.3　あるべき建物の姿
   4. 11.5.4　バス型給電方式（非接触給電・通信統合回線）
   5. 11.5.5　フリーポジション給電方式
   6. 11.5.6　展開イメージ
   7. 11.5.7　世の中の動向
   8. 11.5.8　まとめ
6. 11.6　環境磁界発電
   1. 11.6.1　一様磁界発生コイル
   2. 11.6.2　磁界発電モジュール
   3. 11.6.3　磁束収束技術
   4. 11.6.4　信州大学環境磁界発電プロジェクト
7. 11.7　新しい応用
   1. 11.7.1　隔壁給電
   2. 11.7.2　水中給電
   3. 11.7.3　ディスクリピータの応用

第12章　電磁波の安全性

1. 12.1　歴史的背景
2. 12.2　電磁波の健康影響に関する評価研究
   1. 12.2.1　概要
   2. 12.2.2　疫学研究
   3. 12.2.3　動物実験
   4. 12.2.4　細胞実験
3. 12.3　国際がん研究機関（IARC）や世界保健機関（WHO）の評価と動向
4. 12.4　電磁過敏症
5. 12.5　電磁波の生体影響とリスクコミュニケーション
6. 12.6　おわりに

第13章　ワイヤレス給電の歴史と標準化動向

1. 13.1　ワイヤレス給電の歴史
   1. 13.1.1　TESLAの送電タワーの時代
   2. 13.1.2　電気自動車の歴史；４次におよぶEVブーム
   3. 13.1.3　MITによる磁界共鳴の衝撃
   4. 13.1.4　Toyota　Puriusの実証評価
2. 13.2　標準化の意義
   1. 13.2.1　標準化の4つの側面
   2. 13.2.2　標準と基準、法制度との関連
   3. 13.2.3　商用化のためのロードマップ
3. 13.3　国際標準の意義と状況
   1. 13.3.1　製品の標準；機器安全性と相互接続性
   2. 13.3.2　IECとISO、ITU、CISPR、ICNIRP
   3. 13.3.3　IECとISO標準のレベルとEVでの分担範囲
   4. 13.3.4　ワイヤレス給電の国際標準化・規格化
4. 13.4　不要輻射　漏えい電磁界の基準；CISPR
5. 13.5　日中韓地域標準化活動
6. 13.6　日本国内の標準化
7. 13.7　今後のEV向けワイヤレス給電標準化の進み方
8. 13.8　ビジネス面における標準化-スタンダードバトル-

【参考文献】

• A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic，“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonators,” Science Magazine, 317, pp.83-86, July 2007.
• 藤山義祥，“誘電体共振器を用いたワイヤレス電力伝送装置の電界強度”，信学技報WPT2013-42 （2014-03），2014．
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• 松木英敏、高橋俊輔、“ワイヤレス給電技術が分かる本”、オーム社、東京都、平成23年7月．
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• 黒川兼行、“マイクロ波回路入門”、丸善、東京、昭和38年6月．
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• 吉川竜也、張陽軍、粟井郁雄、“WPTシステムにおける電界成分と磁界成分の解析”、信学ソ大予稿集、B-1-30、2013年9月．
• 澤原裕一、石崎俊雄、粟井郁雄、“WPTシステムにおける共振器最適化の検討”、信学技報WPT-2013-13、2013年7月．
• 粟井郁雄、澤原裕一、石崎俊雄、“磁界結合共振器WPTシステムによる隔壁給電”、信学技報WPT2014-19、2014年4月．
• 粟井郁雄、澤原裕一、山口和也、堀田昌志、石崎俊雄、“水中のワイヤレス給電における電磁気学的諸問題”、信学論誌B、Vol.J96-B、No.11、pp.1284-1293、2013年11月．
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• 粟井郁雄、澤原裕一、生田祐也、張陽軍、石崎俊雄、“WPTガイドの応用-小型軽量なリピータによる隔壁給電-”、信学技報WPT2013-14、2013年7月．
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