面発光レーザーを用いた光無線給電技術

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(1)Special Issue. 面発光レーザーを用いた光無線給電技術宮本智之東京工業大学科学技術創成研究院未来産業技術研究所（〒横浜市緑区長津田町5）. Optical Wireless Power Transmission Technology Using VCSEL 7RPR\XNL0,<$0272 FIRST, IIR, Tokyo Institute of Technology, R2-39, 4259 Nagatsuta, Midori-ku, Yokohama 226-8503. （5HFHLYHG$XJXVW） Unlike the progress of wireless communication, power transmission technology to the equipment lags. The existence of wiring and its connections greatly restricts the location, the installation, the PDLQWHQDQFHDQGWKHFRQÀJXUDWLRQRIHTXLSPHQW2SWLFDOZLUHOHVVSRZHUWUDQVPLVVLRQ 2:37

(2) LVDNH\ technology for expanding the field of wireless usable equipment since it is small and provides long GLVWDQFHWUDQVPLVVLRQ$VDGHPRQVWUDWLRQRIDSURWRW\SHRIWKH2:37V\VWHPZHDSSOLHGDYHUWLFDO FDYLW\VXUIDFHHPLWWLQJODVHU 9&6(/

(3) DUUD\WRDFKLHYHHOHFWULFRXWSXWRI:IURPDVRODUFHOODWD WUDQVPLVVLRQGLVWDQFHRIP:HDSSOLHGXQLIRUPEHDPLUUDGLDWLRQRQWKHVRODUFHOOXVLQJDOHQVV\VWHP DVHULHVFRQQHFWHG9&6(/DUUD\PRGXOHDQGD*D$VVRODUFHOOWRWKHSURWRW\SH3RZHUWUDQVPLVVLRQ HIÀFLHQF\RIXSWRZDVREWDLQHG)XWXUHSURVSHFWVDUHDOVRGLVFXVVHG Key Words2SWLFDOZLUHOHVVSRZHUWUDQVPLVVLRQ/DVHU9&6(/6RODUFHOO3RZHUFRQYHUVLRQHIÀFLHQF\ 1．はじめに機器の動作には，情報とエネルギーが必要である．情報通信の無線は一般化したため，機器に残る配線である. を述べる．なお，光無線給電には，端面出射レーザーも利用できるが，VCSELは2次元アレーの面状光源や光出力端面の劣化がないなど，光無線給電用の高出力光源としてより有効と考えている．. 給電も無線にすることが期待されている．情報通信は移動通信・無線通信で数 Gbpsもの高速通信が可能となり，また，極低電力の無線通信技術なども. 2．無線給電の現状と課題. 進展し，IoTから自動運転まで，民生・産業機器の多くを無線化可能となった．無線化は，有線に比べて通信速. 無線給電の意義は配線なく電力を利用できることである．その意味で，バッテリ−は配線なく機器を利用可能. 度や安定性に劣る，回線の妨害や窃取という課題がある. だが，充電時に配線が必要なため，接続の手間やコネク. ものの，移動中利用，配線や接続が不要，システム柔軟. タ劣化，常時稼働不可などの課題がある．また，エネル. 化，見栄えが良いなどの多くの優位性から，急速に一般. ギーハーベスティングは一切の配線が不要で常時稼働可. 化したといえる．一方で，電気エネルギー供給（給電）は機器の残された有線となり，配線の存在と接続の手間は，通信と同様. 能だが，機器環境に応じたエネルギーと発電技術が必要. に，機器の利用形態，設置性，機器形態などを制限して. 機器によってはこれら方式を適用できず，また，多くの. いる．情報と給電を無線化した真の無線化により，単な. 機器の機能性拡大の制限要因になっているといえる．そこで無線給電である．すでに電動歯ブラシ，非接触カード，スマートホンなどに利用され，電気自動車の無. る配線の削減にとどまらない新たな視点の機器やシステムの創出も期待できる．本論文では，無線給電の現状と課題を述べ，光無線給電の優位性と動向を概説する．また，本研究室による面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL）を用いた光無線給電を報告し，本方式の課題や将来展望 1 2. であり，適用機器が制限される．さらにどちらも，利用可能な電力量の制限という重要な課題がある．このため. 線充電 1も実用目前となっている．また，直線移動機構や回転機構など配線が複雑な機器への応用 2も検討されている．今後，無線給電により移動しながら常時稼働可能になれば，小型機器に加え，産業用ロボット，介護用. 日経XTECH， “EV用無線給電技術の標準化動向” ，KWWSVWHFKQLNNHLESFRMSGPDWFOIHDWXUH 日刊工業新聞経， “ロボ関節，ケーブルレス化” ，KWWSVZZZQLNNDQFRMSDUWLFOHVYLHZ. 第 46 巻第 12 号面発光レーザーを用いた光無線給電技術. 693.

(4) になる．つまり，実用的には給電距離が数 cm程度から装置サイズ大型化で1 2 m程度となるものの，無線というよりコネクタレス給電となる．一方，放射型と呼ばれる無線給電方式として，マイクロ波ビーム方式2）がある．また，検討例は少ないが超音波方式）もある．これらは装置サイズに対して長距離給電可能である．ただし，波長に応じた回折があるため，給電距離や波長に応じてビームサイズを大きくする必要がある．マイクロ波ビーム方式については，技術開発は進む一方で電波利用規制が課題であったが，その実用化に向けた制度整備の検討も日本国内で議論され始めた4）．光は数7+]とマイクロ波より桁も高周波である．同じ放射型であるが小さなビームサイズも長距離まで到達可能で，周波数帯制約もない．この光ビームを用いる光無線給電（2SWLFDO:LUHOHVV3RZHU7UDQVPLVVLRQ2:37）は，既存の無線給電の様々な制約を取り除き，多様な機器などに適用可能なため，真の無線化の鍵になると考えている． ⠊ᅖࢆ࢚ࢿࣝࢠ࣮ఏ㏦ࡍࡿ㸬ࡑࡢཎ⌮࠿ࡽ⤥㟁ຠ⋡ ௨ ୖ ࡶ ྍ ⬟ ࡛ ࠶3．光無線給電とは ࡿࡀ㸪㊥㞳࡟ᑐࡋ࡚ᛴ㏿࡟㟁☢ ⏺ࡀᙅࡃ࡞ࡿࡓࡵ㸪⤥㟁㊥㞳ࡣ㸪㟁☢ㄏᑟ࡛ࢥ࢖ࣝ ᚄࡢᩘศࡢ 㸪☢⏺ඹ㬆࡛ྠᩘಸ⛬ᗘ࡟࡞ࡿ㸬ࡘࡲ 光無線給電は，光のエネルギーを電力として取り出 ࡾ㸪ᐇ⏝ⓗ࡟ࡣ⤥㟁㊥㞳ࡀᩘ ⛬ᗘ࠿ࡽ⿦⨨ࢧ࢖ す．つまり，太陽光発電と同じ原理である．太陽光発電 ࢬ኱ ᆺ໬࡛ ⛬ᗘ࡜࡞ࡿࡶࡢࡢ㸪↓⥺࡜࠸࠺ࡼ の場合，巨大システムも可能だがエネルギーハーベス ࡾࢥ ࢿࢡࢱࣞࢫ⤥㟁࡜࡞ࡿ㸬ティングの一つのため，太陽光が届く環境のみで，太陽 ୍ ᪉㸪ᨺᑕᆺ࡜࿧ࡤࢀࡿ↓⥺⤥㟁᪉ᘧ࡜ࡋ࡚㸪࣐ 光のエネルギー密度 Mass，太陽光が地上まで ࢖ࢡ ࣟ Ἴ ࣅ ࣮ ࣒ ᪉ ᘧ （AM: ࡀ ࠶Air ࡿ㸬 ࡲࡓ㸪᳨ウ౛ࡣᑡ࡞ ࠸ࡀ ࡿでAM1が㸬ࡇࢀࡽ ࢧ࢖ࢬ࡟ に㉸通㡢過Ἴ す᪉ るᘧ大気ࡶの࠶量垂ࡣ 直⿦ 入⨨ 射，の条ᑐ 件 2 ࡋ࡚ 㛗㊥㞳 ⤥ 㟁 ྍ ⬟ ࡛ ࠶ ࡿ 㸬 ࡓ ࡔ ࡋ 㸪 Ἴ 㛗 ࡟ ᛂ ࡌ ࡓ でN:P ）やスペクトルに応じた出力という制約があ ᅇᢡ ࡀ࠶ 㸪⤥ 㟁㊥ ࡸ Ἴ 㛗仮 ࡟定 ᛂࡌ ࣮࣒ࢧ る．太ࡿ 陽ࡓ電ࡵ池変換効㞳率をす࡚ るࣅ とFP角 ࢖ࢬ ࢆ ኱ ࡁ ࡃ ࡍ ࡿ ᚲ せ ࡀ ࠶ ࡿ 㸬 ࣐ ࢖ ࢡ ࣟ Ἴ ࣅ ࣮ ࣒᪉ で:，1 m角で:であり，多くの機器で機器サイズ ᘧ࡟ࡘ࠸࡚ࡣ㸪ᢏ⾡㛤Ⓨࡣ㐍ࡴ୍᪉࡛㟁Ἴ฼⏝つไ よりも大きな太陽電池が必要といえる． ࡀㄢ㢟࡛࠶ࡗࡓࡀ㸪ࡑࡢᐇ⏝໬࡟ྥࡅࡓไᗘᩚഛࡢ 光無線給電とは，)LJのようにビーム光源と受光デ ᳨ ウ ࡶ ᪥ ᮏ ᅜ ෆ ࡛ ㆟ ㄽ ࡉ ࢀ ጞ ࡵ ࡓ 㸧㸬）バイスにより構成されるものといえる．光電変換の ග ࡣᩘ ࡜࣐࢖ࢡࣟἼࡼࡾ ᱆ࡶ㧗࿘Ἴ 受光デバイスには太陽電池を用いる．太陽光を前提にし ࡛ ࠶ ࡿ 㸬ྠ ࡌ ᨺ ᑕ ᆺ ࡛ ࠶ ࡿ ࡀ ᑠ ࡉ ࡞ ࣅ ࣮ ࣒ ࢧ ࢖ ࢬ ࡶ ないが，本論文では太陽電池とよぶ．この光無線給電㛗㊥㞳ࡲ࡛฿㐩ྍ⬟࡛㸪࿘Ἴᩘᖏไ⣙ࡶ࡞࠸㸬ࡇࡢ. ගࣅ࣮࣒ࢆ⏝࠸ࡿග↓⥺⤥㟁㸦㸸㸧ࡣ㸪᪤Ꮡࡢ ↓⥺⤥㟁ࡢ Light Solar ᵝࠎ࡞ไ⣙ࢆྲྀ ࡾ 㝖 ࡁ 㸪 ከ ᵝ ࡞ ᶵ ჾ ࡞ ࡝cell ࡟㐺⏝ྍ⬟ source ࡞ࡓࡵ㸪┿ࡢ↓⥺໬ࡢ㘽࡟࡞ࡿ࡜⪃࠼࡚࠸ࡿ㸬 Power source. 㻟㻚. Optical transmission ග ↓ ⥺ ⤥medium 㟁࡜ࡣ system. Equipment. )LJ6FKHPDWLFFRQÀJXUDWLRQRI2:37 ග↓⥺⤥㟁ࡣ㸪ගࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢆ㟁ຊ࡜ࡋ࡚ྲྀࡾ ฟࡍ㸬ࡘࡲࡾ㸪ኴ㝧ගⓎ㟁࡜ྠࡌཎ⌮࡛࠶ࡿ㸬ኴ㝧 694 ගⓎ 㟁ࡢሙྜ㸪ᕧ኱ࢩࢫࢸ࣒ࡶྍ⬟ࡔࡀ࢚ࢿࣝࢠ࣮ ࣁ࣮࣋ࢫࢸ࢕ࣥࢢࡢ୍ࡘࡢࡓࡵ㸪ኴ㝧ගࡀᒆࡃ⎔ቃ ࡢ ࡳ ࡛ 㸪ኴ 㝧 ග ࡢ ࢚ ࢿ ࣝ ࢠ ࣮ ᐦ ᗘ㸦 ࡢ᮲௳࡛ 㸧ࡸࢫ࣌ࢡࢺࣝ࡟ᛂࡌࡓฟຊ࡜࠸࠺ไ⣙ࡀ. は，ビーム光による長距離給電，高効率高出力な半導体光源や太陽電池により小型軽量，ビーム光源出力による電力量可変という特徴が期待できる．さらに，既存の無線給電と異なり，光源も太陽電池もdc動作のため，多段階の直流交流変換回路が不要で回路構成が簡略なほか，高周波電磁ノイズ干渉（EMI）の懸念や対策も不要となる．このように光無線給電には多くの優位性があり，主要デバイスといえる半導体光源や太陽電池も実用済みのため，高い実現性がある．しかし，これらデバイスは数年の歴史があるにもかかわらず，光無線給電の実施例は非常に少ないという特異な分野である．)LJは，光無線給電に関連する論文・解説等の文献と特許出願の累積である．なお，特許出願は日本，米国，EUの年からの累積である．なお，全てを調査しきれていないことは注意が必要である．どちらも指数関数的な増加であるが，文献数は現在件ほどしかなく，特許出願は件以上あるものの最近で件/年と光無線給電の適用可能な範囲を考えると非常に少ないと考えている．光無線給電の文献等の数は少ないが，その動向として提案も含めた応用の例を挙げる．宇宙ステーション），宇宙太陽光発電），月面探査機やドローン11），体内埋め込み機器），スマートホン等14）．この他の取組もあり，広い応用の検討例があるが，実用段階はほぼない．ただし，現時点でイスラエルの:L&KDUJH社，米3RZHULight社の2つのベンチャー企業が存在する．検討例や実施例が少ない技術上の理由として，以前は高出力光源の利用が容易でなかったことや，低い給電効率が懸念されていたと考えている．これらは近年に改善 ⏝ ῭ࡳࡢࡓࡵ㸪㧗࠸ᐇ⌧ᛶࡀ࠶ࡿ㸬ࡋ࠿ࡋ㸪ࡇࢀࡽ されつつあり，また，センシングなどの周辺技術も利用 ࢹ ࣂ࢖ࢫࡣᩘ ᖺࡢṔྐࡀ࠶ࡿ࡟ࡶ࠿࠿ࢃࡽࡎ㸪しやすくなってきた．さらに，無線給電の応用範囲の広 ග↓⥺⤥㟁ࡢᐇ᪋౛ࡣ㠀ᖖ࡟ᑡ࡞࠸࡜࠸࠺≉␗࡞ がりから，無線という機能・特徴がより強く求められ始 ศ㔝࡛࠶ࡿ㸬 ࡣ 㸪ග ↓ ⥺ ⤥ 㟁 ࡟ 㛵㐃 ࡍ ࡿ ㄽ ᩥ ࣭ めており，これから本方式の重要性は増してくると考えゎㄝ➼ࡢᩥ⊩࡜≉チฟ㢪ࡢ⣼✚࡛࠶ࡿ㸬࡞࠾㸪≉チている． ฟ 㢪 ࡣ ᪥ ᮏ 㸪⡿ ᅜ 㸪 ࡢ ᖺ࠿ࡽࡢ⣼✚࡛࠶ࡿ㸬 ࡞࠾㸪඲࡚ࢆㄪᰝࡋࡁࢀ࡚࠸࡞࠸ࡇ࡜ࡣὀពࡀᚲせ 4．光無線給電システムの検討 ࡛࠶ࡿ㸬࡝ࡕ ࡽࡶᣦᩘ㛵ᩘⓗ࡞ቑຍ࡛࠶ࡿࡀ㸪ᩥ⊩ ᩘࡣ⌧ᅾ ௳࡯࡝ࡋ࠿࡞ࡃ㸪≉チฟ㢪ࡣ ௳௨ ୖ࠶ ࡿࡶࡢࡢ᭱㏆࡛ ௳ ᖺ࡜ග↓⥺⤥㟁ࡢ㐺⏝ 4.1 固定機器間光無線給電 ྍ⬟ ࡞⠊ᅖࢆ⪃࠼ࡿ࡜㠀ᖖ࡟ᑡ࡞࠸࡜⪃࠼࡚࠸ࡿ㸬光無線給電の実現性評価を目的に取り組んでいる我々 1000. Cumulative number. ロボット，自動運転タクシー，さらには空飛ぶ自動車などまで，今後の社会の変革にも重要な役割を果たすであろう．無線給電には複数の方式がある．結合型として，磁界を利用する電磁誘導とMITから年に発表された磁界共鳴1），電界を利用する電界結合と電界共鳴があり，現在は実用段階である．これらはトランスやコンデンサに相当し，高周波電磁界の近傍界範囲をエネルギー伝送する．その原理から給電効率以上も可能であるが，距離に対して急速に電磁界が弱くなるため，給電距離は，電磁誘導でコイル径の数分の1，磁界共鳴で同数倍程度. 100. 10. 1 1960. 1970. 1980. 1990. 2000. 2010. 2020. Year. )LJ&XPXODWLYHRISXEOLVKHGSDSHUV FORVHGFLUFOH

(5) DQG SDWHQWDSSOLFDWLRQ RSHQFLUFOH

(6) RI2:37 レーザー研究 2018 年 12 月 ග↓⥺⤥㟁ࡢᩥ⊩➼ࡢᩘࡣ ᑡ࡞࠸ࡀ㸪ࡑࡢືྥ࡜ ࡋ࡚ᥦ᱌ࡶྵࡵࡓᛂ⏝ࡢ౛ࢆᣲࡆࡿ㸬Ᏹᐂࢫࢸ࣮ࢩ ࣙࣥ 㸪Ᏹᐂኴ㝧ගⓎ㟁㸪᭶㠃᥈ᰝᶵࡸࢻ࣮ࣟ ࣥ 㸪యෆᇙࡵ㎸ࡳᶵჾ 㸪ࢫ࣐࣮ࢺ࣍ࣥ➼ 㸬.

(7) Special Issue. の検討）について，その概要を報告する．想定する適用先は，高圧送電系統のシステム制御機器である．特に今後広がる直流系システムでは，主系統からの電力取得に課題があるため，電力遮断器などの制御用の高絶縁給電に向け，給電距離2 m，給電量:の光無線給電を目標としている．本システムは，給電と受電装置間は位置固定され，給電効率は強い制約にならない．また，高輝度光ビーム近傍への人の侵入も制限できる．. Heatsink with fan VCSEL array module Fresnel lens. Thermal viewer Reflector tube. 4.2 実験装置構成光源にはVCSELを適用した．VCSELの2次元アレー化によるスケーラブルな光出力や，面状の対称ビーム，光学損傷（&2'）の影響がないという特徴が光無線給電に有効である．実際に数:の高出力VCSELアレーが市販されている．太陽電池にはSiおよびGaAsを適用した．光無線給電は，単色光を利用することで，太陽光に比べて太陽電池変換効率を高くできる．)LJは，Si （Q g = 1.1 Rm）とGaAs （Q g Rm）への単色光照射時の変換効率の簡易な解析結果である．量子効率1，曲線因子とし，出力電圧が太陽電池のバンドギャップ（Eg）相当より 9低いとした．Eg相当波長（Q g）近傍の単色. 光により高効率となるため， Rmの波長が適当である．一方，半導体レーザーの電気光変換効率の報告例は， VCSEL，端面出射レーザーともに，GaAs系の Rm帯が高い．報告されている半導体レーザーの最大効率はを超える）．このため， Rm帯の光源とSi，GaAs太陽電池の組合せは，効率の面から現状の最適な選択といえる．電力出力:には，概算でその2 4倍の光出力が必要である．そこでまず，市販VCSELアレーの単一チップモジュールを用いてシステムの基礎特性を評価した． VCSELモジュールはPP角チップで定格出力: （電流$），波長QP，ピーク効率である．)LJにシステム構成例を示す．上部からファン付きヒートシンクに設置したVCSELモジュール，ビーム整形用フレネルレンズ，下部に12セル直列接続型FP角多結晶Si太陽電池モジュール（$0の変換効率）を設置した．太陽電池には周囲漏れ光も利用するため反射板の筒を設 60 GaAs (Eg-0.4). Efficiency (%). 50. Si (Eg-0.4). GaAs (Eg-0.6). 40 30. Si (Eg-0.6). 20 10 Eg. Eg. 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Wavelength (nm). )LJ&DOFXODWHGFRQYHUVLRQHIILFLHQF\RIVRODUFHOOIRU monochromatic light. 第 46 巻第 12 号面発光レーザーを用いた光無線給電技術. Solar cell module Power source Electronic variable load. )LJ([SHULPHQWDOVHWXSRI2:37 置した．なお，太陽電池は負荷を接続しないと自身でエネルギー消費して発熱するため，適宜，電子負荷により電力消費させた．光源と太陽電池間距離をFPとし，光源出力: （$，電源装置制限）で太陽電池に光照射した．実験では，光パワーメータによる光出力測定，赤外線ビューワによる光照射範囲確認，サーモビューワによる発熱部確認，太陽電池I-Vカーブ測定装置による給電特性評価を行った．直列接続型太陽電池は出力電圧を高められるが，モジュール全面の均一光照射が必要である．このため，フレネルレンズにより，正方形のVCSELアレーチップを正方形の太陽電池モジュールに拡大投影して均一照射した．VCSELアレーの面状の対称ビームは，このような簡易なレンズ構成の適用が可能なため有効である． 4.3 単一チップVCSELアレーとSi太陽電池レンズと反射板なしでは，光は円形状に広がり，漏れ光や太陽電池面の不均一な光強度分布のため，光源出力:に対して太陽電池出力は:に留まった．これは光出力に対しの効率である．レンズ（$5コート無）と反射板を用いことで，同:，となり，太陽電池変換効率は太陽光下のより大きく増加することを確認した．また，太陽光下の単結晶Si太陽電池モジュール（セル直列接続）を適用し，$5コート付レンズ利用で同:，まで向上した．この条件では目標の距離2 mで:や，分間連続動作で出力変動のほとんどない安定動作も確認している）． 4.4 VCSELアレーの直列接続先の実験では，PP角の単一チップVCSELアレーを$で駆動した．配線の損失は電流の2乗に比例するため，このような大電流は電源から見た給電効率に大きく影響する．太い配線で損失抑制可能だが，実験構成や光源モジュールのサイズを制限してしまう．そこで小さ. 695.

(8) なVCSELアレーチップを複数用いる直列接続を検討した．損失の数値解析から，単一チップの入力電圧9，電流$，往復配線長FPに対して，，直列接続にすると，電圧，9，電流，4 Aとなり，チップ入力電力に対する配線損失電力の比（損失比）は，直径PPの細い配線でも，，以下と小さくなる．単一チップでは直径1 mmの配線でも損失比は1程度となり，電力の半分が配線で消費される．なお，直列数を多くすると，電圧増加や部品点数増加などが生じるため，直列程度までが適当と考えている．実験として，定格出力: （電流$），波長QP の1 mm角VCSELモジュールを個直列接続した．試作モジュールを)LJに示す．FP角のファン付き銅製ヒートシンク上に設置した．このモジュールでは，レンズの拡大投影による太陽電池モジュール均一照射ができない．このため，レンズを利用せず，光広がりにより太陽電池モジュールをほぼ照射できる距離FPとした．ただし，太陽電池モジュールからの漏れ光が発生する． Table 1 に実験結果を示す．12直列多結晶Si太陽電池モジュールを用いた．直列接続VCSELモジュールには配線直径PP，配線長FP，単一チップVCSELモジュールには配線直径2 mmを2本並列で配線長FPとした．直列接続の光出力は，測定可能ビームサイズの制限から内側直列の測定結果を2倍している．結果として，直列接続化により，光源側効率はほぼデバイス自身の効率に近い特性となり，また，給電効率も大きく改善. された． 4.5 GaAs太陽電池次に，効率改善のため，GaAs太陽電池を適用した．太陽電池では，照射光の光子エネルギーとEgの差が損失になるほかに，出力電圧がEg相当にならないことも効率低下要因となる．これは太陽電池に接続される負荷による電圧降下のほか，負荷がない場合の電圧（開放電圧）も擬フェルミレベル差により決まるため，Eg相当より小さくなる．後者は，材料物性のほか，生成キャリア密度つまり光照射強度でも変化するが，太陽光強度程度の開放電圧は，材料依存があまりなく，Eg相当電圧より 9低くなる．このことは，大きなEgの太陽電池ほど，光子エネルギーに対する電圧効率が高くなる． )LJからも，GaAsはSiより高効率が期待される．実験では，市販のセルサイズがFP×FPのフレキシブルGaAs太陽電池を個用いて，FP× FPサイズの直列接続モジュールを製作した．)LJにモジュール写真を示す．モジュール外枠は'プリンターにより製作した．光源は，波長QPの直列接続VCSELモジュールを直列2並列として，入力電流$，総光出力:とした．レンズなし，距離FPとして，GaAs 太陽電池モジュールと多結晶Si太陽電池モジュールの特性比較を行った． Table 2 に実験結果を示す．Si太陽電池の給電効率に対し，GaAs太陽電池はと高効率となっ. VCSEL array. VCSEL array )LJ6HULHVFRQQHFWHG9&6(/PRGXOH6FKHPDWLFYLHZ VKRZVDUUDQJHPHQWRIFKLSVRI9&6(/V 7DEOH([SHULPHQWDOUHVXOWVRI2:37XVLQJVHULHVFRQnected VCSEL module. VCSEL module type. 1 chip. VHULHV. 6RXUFHFXUUHQWLQSXW $

(9). . . 6RXUFHYORWDJHLQSXW 9

(10). . . /LJKWRXWSXW :

(11). .

(12). Light source peak HIÀFLHQF\

(13) VSHF

(14) /LJKWVRXUFHHIÀFLHQF\

(15) /LJKWRXWSXW6RXUFHLQSXW

(16). . . .

(17). . . &HOORXWSXW :

(18). 7RWDOHIÀFLHQF\

(19). 696. . . )LJ)DEULFDWHG*D$VVRODUFHOOPRGXOH 7DEOH([SHULPHQWDOUHVXOWVRI2:37XVLQJ*D$VVRODU cell module. Solar cell type UHÁHFWRUWXEH

(20). 6RXUFHFXUUHQWLQSXW $

(21). Si ZR

(22). 6RXUFHYORWDJHLQSXW 9

(23) /LJKWRXWSXW :

(24) &HOORXWSXW :

(25). 6RODUFHOOHIÀFLHQF\

(26) &HOORXWSXW/LJKWRXWSXW

(27) 7RWDOHIÀFLHQF\

(28). GaAs ZR

(29) . GaAs ZLWK

(30). . .

(31) . . . . . . . . レーザー研究 2018 年 12 月.

(32) Special Issue. た．なお，太陽電池モジュールサイズの違いのほかに，光源波長がGaAsに有利なことも注意が必要である．Si に適した波長を仮定すると給電効率と計算されるが，それでもGaAsはSiの倍の給電効率となる．なお，光漏れ抑制のために，反射板を用いたところ， GaAs太陽電池の出力:，太陽電池効率，給電効率を達成した．電力出力はほぼ目標値を達成した． 4.6 給電効率改善の見通し Table 2 の実験では，反射板利用でも全ての光を太陽電池に照射できていない．直列接続光源に限らず，光ビームと太陽電池形状の不整合があると効率が減少するため，光ビーム形状の制御や均一光強度生成などが必要である．そこでプロジェクタのバックライトやフォトリソグラフィなどに用いられるフライアイレンズ系を検討しており），今後，効率改善が可能と考えている．なお，QP帯/('によるGaAs太陽電池の評価で効率を確認しているほか，報告値ではQPの単色光でや），GaAsの同一材料多接合太陽電池構造の強光強度において以上の高効率も報告されている）．これら報告値を想定した給電効率は，となる．さらに単一VCSELではの効率が報告されており21），波長帯の違いやアレー化などの課題もあるが，これらの組合せで，給電効率は，が期待される．さらに端面出射型レーザーにおいて室温近傍での効率が報告されている）．これも波長帯の違いはあるが，太陽電池効率と組み合わせて，給電効率とほぼの構成も期待できる．将来的に，光無線給電に最適化した半導体レーザーと太陽電池として，両者の効率がまで到達すれば，給電効率が期待できる．これには，Egの大きなGaNなどの特性向上も必要であろう．一方，光源も太陽電池も，低温で効率が改善し， Ý&で効率のレーザーも報告されている）．適用領域は制限されるが， Ý& やより低温の.などに局所冷却した高効率光無線給電も可能と考えられる． 5．まとめ光無線給電の意義と動向，光無線給電システムの基礎的評価結果を述べた．光無線給電は効率が課題だが，要素デバイスの構成を最適化し，給電効率の実証と，今後以上も期待できることを述べた．:クラスで給電距離2 mを達成したが，P程度も容易に給電可能なことを確認している．焦点可変レンズ系による広い距離範囲への適用が可能である．一方で，簡易なレンズ系では，室内の任意位置への光照射時に光ビーム変形が給電効率に影響する．光学系負荷を抑制したビーム照射法の検討なども必要である．この他，安全面なども含め. 第 46 巻第 12 号面発光レーザーを用いた光無線給電技術. て，取り組むべき課題も多いが，将来的には，小型機器から大型機器まで，また，固定機器だけでなく移動機器への光無線給電の拡がりを期待したい．謝辞本研究の一部は，内閣府総合科学技術・イノベーション会議の6,3 （戦略的イノベーション創造プログラム）「次世代パワーエレクトロニクス」（管理法人：（国研）新エネルギー・産業技術総合開発機構（1('2））によって実施された．当該研究では東工大の宮島晋介准教授のほか，勝田優輝氏ら多くの学生諸氏の議論や取組に感謝する．さらに，各種情報提供や議論をいただいた光無線給電検討会とレーザー学会光無線給電技術専門委員会に感謝する．参考文献 1） $.XUV$.DUDOLV50RIIDWW-'-RDQQRSRXORV3)LVKHUDQG M. SoljaĀiþ: Science 317（） 2）N. Shinohara: IEICE ELEX 10（）1. ） 7,VKL\DPD<.DQDL-2KZDNLDQG00LQR,(((6\PS8Otrasonics（） S 4）総務省：電波有効利用成長戦略懇談会報告書概要（） S ）T. Miyamoto: Proc. SPIE 10682（））T. Miyamoto: レーザー学会シンポジウム1（） 6（in -DSDQHVH） . ）T. Miyamoto: Microoptics News 35（）1（LQ-DSDQHVH） . ） :-5RELQVRQ-U1$6$7HFK0HPRUDQGXP （） ; ）石原博幸，中村敏彦，秋山秀典，山部長兵衛，堀井憲爾：レーザー研究 14（）（LQ-DSDQHVH） . ）鈴木拓明：レーザー研究 39（）24（LQ-DSDQHVH） . 11）N. Kawashima and K. Takeda: Robotics and Automation in Construction 2008（Carlos Balaguer and Mohamed Abderrahim Ed.） S 12） . 0XUDNDZD 0 .RED\DVKL 2 1DNDPXUD DQG 6 .DZDWD ,((((QJ0HGLFLQHDQG%LRORJ\0DJD]LQH18（）） 7 7RNXGD 7 ,VKL]X : 1DWWDNDUQ 0 +DUXWD 7 1RGD . 6DVDJDZD 0 6DZDQ DQG - 2KWD$,3$GYDQFHV 8（） 14） 9,\HU(%D\DWL51DQGDNXPDU$0DMXPGDUDQG6*ROODOSWD Proc. ACM Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Tech. 1 （）） 60L\DMLPD.1DNDGD<6KLUDWRUL-.LP70L\DPRWR. Yoshikawa, and K. Yamamoto: Int. PV Sci. and Eng. Conf. （） 7K3R ） < .DWVXWD DQG7 0L\DPRWR -SQ -$SSO 3K\V 57（） 3' ） 3&UXPS0*ULPVKDZ-:DQJ:'RQJ6=KDQJ6'DV- )DUPHU0'H9LWR/60HQJDQG-.%UDVVHXU&/(24(/6 （） -:% ）Y. Katsuta and T. Miyamoto: 23rd Microoptics Conf.（） 3 ） 5-RPHQ)7DQDND7$NLED0,NHGD..LU\X00DWVXVKLWD +0DHQDND3'DL6/XDQG68FKLGD-SQ-$SSO3K\V57 （） 5' ） 6 )DIDUG 0 &$<RUN ) 3URXO[ & ( 9DOGLYLD 0 0 :LONLQV5$UqV9$LPH].+LQ]HUDQG'30DVVRQ$SSO 3K\V/HWW108（） 21） ' =KRX -) 6HXULQ * ;X$ 0LJOR ' /L 4:DQJ 0 6XQGDUHVK6:LOWRQ-0DWKHXVVHQDQG&*KRVKProc. SPIE 9001（） (. 697.

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