Realization of new power supply method to wearable devices using wireless power transmission between garments
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20H04175
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 60060:Information network-related
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
大村 廉 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10395163)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮路 祐一 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50712923)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
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| Keywords | ウェアラブルコンピューティング / 無線電力伝送 / 電源管理 / コイル設計 / ウェアラブル・コンピューティング |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，各ウェアラブルデバイスの電源管理の手間軽減を目指し，ズボンと上着などの衣類間や，衣類とデバイス間で電力を伝送する際の適切な手法を明らかにすることを目的とする．まず，送信側および受信側のコイルの形状や大きさなどについて，コイルに生じる変形（曲げやシワなど）の影響を考慮しつつ，高い効率，かつ，安定した電力伝送を実現できる方法をシミュレーションによって明らかにする．次に，同様にシミュレーションを用いて人体に対する安全性を確認する．そして，安全性を確認した上で，各衣類上に実際にコイルを作成し，ユーザの各姿勢や動作状況下における伝送効率やその変化を評価し，各実装方式における有効性を確認する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は当初の計画として， 1)コイル形状の拡張，2)装着想定部位の増加，を行ないより網羅的に衣類上での無線電力伝送に適したコイル形状を明らかにすることを目的とした．
1)については，正方形，円形以外に，新たに長方形，三角形，六角形を新たに形状として追加した．また，2)については，最も一般的と考えられる袖口とスマートウォッチの関係にフォーカスしてウェアラブルウォッチのサイズ3cm×3cmのコイルサイズをベースとしたものの，伝送効率が送信側と受信側コイルの重なり面積に依存することを考慮して，3cm×3cmのサイズにおさまるようコイルを設計する場合，および，コイル自体が3cm×3cmの面積を持つよう設計した場合の2種類の比較検討を行なった．それぞれ設計したコイルについて，衣類やウェアラブルデバイス上で発生しうるズレや曲げを発生させながら，伝送効率をシミュレーションを用いて評価した．
結果から，特に制約がない場合には，正方形同士でコイルを実装した場合に最もバランス良く高い伝送効率とズレや曲げへの高い耐性が得られることが明らかになった．また，衣類側（曲げが発生する側）に正方形コイルを用いると，いずれのデバイス側のコイル形状においても他より高い効率と曲げやズレへの耐性を得られることが分かった．また，デバイス側のコイルは，円形，正六角形，正方形を使用すると長方形，正三角形コイルよりも高い効率やズレへの高い耐性が得られることがわかった．
通常の無線電力伝送では基本的には送受信コイルペアで設計されるため任意のコイル形状の組合わせはほとんど考慮されない．一方，衣類同士や衣類とデバイスはそれぞれ別々にデザインされる場合も多く，任意のコイル形状が組み合わされる可能生が高い．このような指針が得られたことは，今後ウェアラブル上での電力伝送を実現して行くうえで非常に重要な意味を持つと考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前述のよう2020年度は 1)コイル形状の拡張，2)装着想定部位の増加，を行ないより網羅的に衣類上での無線電力伝送に適したコイル形状を明らかにすることを目的とした．また，3)人体への影響の評価方法について検討を開始することを予定した．
1)コイル形状については，前述のよう，これまで対象としていた正方形と円形に加え，新たに長方形，三角形，六角形を新たに形状として追加し，評価対象に加えた．2)装着部位については，具体的に想定したのは袖口とウェアラブルウォッチの組合わせであるが，対象とした3cm×3cmのサイズは他にも腕回り，襟や足首などでもほぼ共通で適用可能なサイズである．このため，同時に装着想定部位の増加を行えている．
なお，1)および2)の実験結果から，曲げが発生する側には正方形コイルを用いると，いずれのデバイス側のコイル形状においても他より高い効率と曲げやズレへの耐性を得られること，および，デバイス側のコイルは，円形，正六角形，正方形を使用すると長方形，正三角形コイルよりも高い効率やズレへの高い耐性が得られることがわかった．この事について，3cm×3cmに収まるコイルサイズだけでなく，各形状の面積を3cm×3cmに固定したときにも，ほぼ同様の傾向が得られることが判った．もちろん，伝送効率については大きくコイル同士の重なり面積に依存するものの，この研究から得られた傾向は，同程度の大きさであれば多少のサイズの変化には影響しない傾向であるという事も判った．
3）については実際に検討を開始し，シミュレーション上で詳細な人体モデルを配置することは困難であるものの，人体の誘電率を摸擬した物体を配置して対応するなとの方向性を得ている．
このように，研究計画は当初の予定通り進められている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度はこれまでの成果に加え１）コイルサイズ種類の多様化，２）曲げ曲率の多様化を行い，より網羅的に衣類上での無線電力伝送に適するコイル形状を明らかにする．また，３）実機の製作，を行なうとともに，４）人体の影響（電力伝送時に人体が受ける影響，および，人体が近くに存在することによる伝送効率への影響）評価を開始する．
１）について，これまでの研究では胴回りにおける電力伝送（一昨年度，10cm），および，スマートウォッチと袖口での電力伝送（昨年度，3cm）を想定して評価を行なった．今年度はこれに加え，より小型の1cmや中間の5cmサイズのコイルを加えて評価し，サイズと伝送効率の関係を明らかにする．また，２）曲げ率の曲率については，これまで胴回りや手首における曲げの曲率をを適用してその影響の評価を行なったが，今年度は足首や肩，首回りなどの曲率を適用して．曲げの曲率と各形状における伝送効率への影響を明らかにする．そして，これらの結果を統合し，衣類上の無線電力伝送における有効なコイル形状やその傾向を明らかにする．上記１）や２）の完遂により，一通りのコイル形状パラメータについて，その電工創立の評価結果が揃うことが機体できる．この結果に基づき，３）において，れまでの研究から適切と考えられる形状や比較のための形状を抜粋して実機を作成し，実機上での効率の評価を行なう．４）の人体の影響について，昨年度の検討により，シミュレーション内で厳密な人体モデルの作成を行なうことは困難を伴うことが判った．一方で，人体と同等の誘電率を持つ物体を配置して簡易的（擬似的）な形で評価を行なう方法についてはまだ十分な検討が行えていない．今年度は，先行研究などの調査を進め，今年度は簡易的な方法での人体への影響／人体からの影響を評価できるようにする．
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
