ワイヤレス電力伝送の特許状況分析: 私たちの生活の電化に向けた次のステップ?

低電力の家電製品から小型の埋め込み型医療機器まで、ケーブルが不要なため、短距離のワイヤレス電力伝送はすでに大きな利点があり、非常に便利です。しかし、当社の特許ランドスケープ分析では、シニアコンサルタント兼Chemistryプラクティスリーダーのニコラス・ノワックが説明するように、電気の使用方法に永遠に革命をもたらす可能性のある技術の将来が明らかになりました。

過去数十年にわたり、エネルギーとデータは私たちの日常生活に欠かせないものとなっています。電子機器の使用と依存が進化したのと同様に、テクノロジーも進化し、データは「有線」から「無線」へと移行し、情報へのアクセスが民主化しています。エネルギーへのアクセスでも同じことが可能だとしたらどうでしょうか?

ワイヤレス電力伝送とは何ですか?

ワイヤレス電力伝送は、ワイヤレスエネルギー（伝送）またはワイヤレス電力転送（WPT）とも呼ばれ、物理的なコネクタやワイヤを必要とせずに、電源から電気機器に電気エネルギーを伝送できる技術です。

現在、この技術は主にスマートフォンや電動歯ブラシの充電に使用されていますが、一部の埋め込み型医療機器や、ごく一部では電気自動車 (EV) の充電にも使用されています。

ワイヤレス電力伝送はどのように機能しますか?

• 理論的には：

ワイヤレス充電は電磁誘導の原理に基づいて機能し、電磁波の優れた特性を活用します。

物理学の授業で習ったように、同じ周波数を持ち、同時に上下する 2 つの波が空間のある地点で合流すると、建設的干渉により、それらの波が加算されて高さが 2 倍、エネルギーが 4 倍の波が作られます。しかし、同じ 2 つの波が空間の別の場所で合流し、一方が半周期遅れて動いている場合は、互いに打ち消し合い、破壊的干渉により信号がなくなります。これは、光、音響 (これがノイズキャンセリング ヘッドフォンの原理です)、無線周波数波など、あらゆる種類の波に当てはまります。

この概念を理解することは、ワイヤレス電力伝送の目的にとって重要です。ある地点で 2 つの波が生成されると、それらは伝播して図 2 に示すように動作します。空間内のいくつかの地点では破壊的な干渉 (エネルギーなし) が発生し、他の地点では建設的な干渉 (エネルギーが多い) が発生します。これらの干渉の数と強度は、生成地点間の距離と生成間の時間差によって異なります。

そこから、より多くの波を生成し、それらを時間的に完全に同期させることにより、波を一方向に進めることができます。すると、エネルギーの大部分が真下に移動し始めます。そこからタイミングを変更すると、図 3 に示すように、建設的な干渉を伴う波の進む方向を選択して変更できます。その方向の変更は、タイミングを制御するだけで管理できるため、機械的な動きは一切必要ありません。

しかし、これで終わりではありません。波の発生のタイミングを制御することで、別の便利な機能も提供されます。これにより、選択した空間内のポイントにさらに多くのエネルギーを送信できます。したがって、この機能を完璧にすることで、エネルギーの約90％をこの特定の焦点に送信でき、エネルギーを拡大する一種の虫眼鏡のようになります。この共鳴誘導結合は、ワイヤレス電力伝送の大幅な改善の基盤になる可能性があります。

• 実際には：

実際には、ワイヤレス電力伝送には、充電ベース内から電磁波を生成する送信誘導コイルと、対象デバイス内の受信誘導コイルを使用して電磁場からのエネルギーを電流に変換し、バッテリーを充電したりデバイスに電力を供給したりすることだけが必要です。現在、ワイヤレス充電を効率的に機能させるには、送信コイルと受信コイルを互いに近づけて適切に位置合わせする必要があります。ただし、前述の共鳴誘導結合システムを使用すると、送信コイルと受信コイル間の距離をさらに広げることができます。

ワイヤレス充電技術の将来の発展の可能性

比較的新しい技術であるワイヤレス充電は、この分野でさらなる進歩と進歩を促すさまざまな開発が行われています。現在、主な研究開発 (R&D) の課題は次のとおりです。

• 複数のデバイスの充電: 将来的には、ワイヤレス充電システムは、各デバイスに個別の充電器を必要とせずに、複数のデバイスを同時に充電する機能を備えるようになります。これにより、スマートホームデバイス、電気自動車、モバイルデバイスなど、複数のデバイスを充電する利便性が向上します。
• 充電速度と出力の向上:これにより、ユーザーはスマートフォン、電気自動車、その他の電子機器などのデバイスをより速く充電できるようになります。
• 電気自動車を確実に充電: 電気自動車市場の成長により、道路、駐車場、自宅のガレージにワイヤレス システムが組み込まれるようになり、この分野のさらなる進歩が促進されます。
• 共振充電の使用: ワイヤレス電力伝送技術は今後も発展を続け、充電パッドとの正確な位置合わせを必要とせずに、非常に長い距離での充電と柔軟性の向上が可能になります。しかし、さらなる目標は、地球に向けて電気を送る宇宙ベースの太陽光発電システムのように、超長距離の電力伝送を可能にすることです。

この最後の開発分野が成功すれば、宇宙で発電することで世界中の電力供給チェーンを変えることができるかもしれない。大気、夜間、雲がないため、太陽電池パネルは地球上の最良の場所に比べて効率を4倍に高めることができる。しかし、長距離のワイヤレス電力伝送は、まだ大幅に改善する必要がある。2021年に研究者チームは、マイクロ波から電気への変換効率73％で、1.6kWの電力を1kmの距離に送信したが、宇宙での大気損失がはるかに少なく、距離が長い低周波マイクロ波でさらにテストを完了する必要がある。

この潜在的に破壊的な技術の重要な側面は、その経済分析です。フルサイズの太陽光発電システムの開発と打ち上げには 163 億ポンドかかると推定され、年間 20% の最低投資収益率を考慮に入れると、宇宙ベースの太陽光発電システムは、そのおよそ 100 年の寿命で、1MWh あたり 50 ポンドのエネルギーを生成できると結論付けられました。これは、今日のヨーロッパの電気料金とほぼ同じです。

しかし、明らかに、解決すべき課題は数多く残っており、それらは極めて重要です。まず、エネルギーの無駄と熱の発生を最小限に抑えるために、あらゆる種類の高電力伝送のエネルギー効率を大幅に改善する必要があります。次に、安全性の問題に対処する必要があります。実際、ワイヤレス電力伝送方法がデバイスと人間の両方にとって安全であることを保証することが重要であり、これが最優先事項です。これらの懸念は低電力および高電力アプリケーションに当てはまりますが、日常的な使用では、互換性の問題を回避するための材料とシステムの標準化という別の側面に対処する必要があります。

ワイヤレス電力伝送の特許状況分析

特許出願分析は、技術の将来を予測するのに役立つなど、イノベーションに関する貴重な洞察を提供します。このパートでは、ワイヤレス充電イノベーションの特許出願から、この革新的なソリューションの背後にある主要な業界プレーヤーや主要な研究開発市場など、この技術の次世代について何がわかるかを共有します。

特許動向は、この技術の革新状況について何を教えてくれるでしょうか?

この技術におけるイノベーションと研究開発活動を理解するために、当社独自のIP インテリジェンス ソフトウェアを使用してマクロ検索を実行しました。IPコンサルティング サービスの専門知識を使用して収集された特許を分析することで、この分野の研究の進歩と投資に関する魅力的なグローバルな洞察を作成することができました。

合計すると、データベースには過去 20 年間に出願された 50,000 件を超える特許ファミリーが含まれています。特許出願動向を見ると、20 年前には毎年 200 件強の特許しか出願されていなかった指数関数的な成長技術が明らかになりましたが、2021 年には 5,000 件以上が出願され、年平均成長率 (CAGR) は 20% となっています。しかし、この動向はここ数年鈍化しているようで、2009 年から 2018 年にかけての拡大期にはほぼ 28% の CAGR を記録しましたが、2019 年から 2021 年にかけては CAGR がわずか 1% となっています。

ワイヤレス充電イノベーションの地理的ホットスポット

優先国出願は、ほとんどの場合、研究開発が行われた国で行われるため、このデータを見ると、どの国が最も革新的で、どの国が発明を保護しようとしているかがわかります。よくあることですが、中国はこれらのワイヤレス充電の発明の主な発信国として特定されており、特許ファミリーの総数の約 45% を占めています。

米国は特許ファミリーの 22% を占め、堅実な第 2 位に位置しており、この国が高度な技術分野でさらに革新を進めるための回復力を示しています。韓国と日本の企業がこれに続き、約 10% の特許がこれらの国で最初に出願されています。研究活動へのヨーロッパの貢献は、アジアや米国と比較するとまだ小さく、主にドイツとイギリスが主導しています。

下のグラフは、中国を除く主要国の特許出願件数の推移を示しています。このグラフから、この期間の最初の10年間は​​、特許出願件数で米国が他国を大きくリードしていましたが、日本や韓国などの他国に対するリードは低下し、2021年には初めて韓国の出願件数が米国の出願件数を上回ったことがわかります。

ワイヤレス充電イノベーションの市場カバレッジ

最も多くの発明が主要なイノベーション国である中国と米国で発表されているのは驚くことではありません。しかし、ヨーロッパはここで3位に上り詰めました。これは、ヨーロッパ大陸がすでに非常に電化されており、多くの将来の開発がヨーロッパで重要な成熟した市場を見つけることができるためです。

ワイヤレス電力伝送: 特許動向とトッププレーヤー

ワイヤレス充電の主なイノベーターには、エレクトロニクスおよび半導体業界の大手企業が含まれています。トヨタ自動車は、500 を超える特許ファミリーの堅実なポートフォリオを持つ、特許取得上位 50 社の中で唯一の自動車メーカーです。

主な貢献者はサムスンで、1,800 以上の特許ファミリーを所有しており、そのうち 1,600 が現在も有効です。次に続くのは LG 社で、サムスンの特許数の半分以下です。WiTricity は、この分野で革新的な純粋なプレーヤーであり、「未来志向のワイヤレス EV 充電システム」を専門としています。同社のデータベースには 263 の特許ファミリーがあり、そのうち 230 が現在も有効です。同社は特許取得率が最も高く、ポートフォリオの 86% が特許取得済みです。

その他の重要なプレーヤーとしては、クアルコム、アップル、中国国家電網公司（SGCC）、キヤノン、パナソニックなどがあり、いずれもすでにこの分野に参入しているか、この分野で目立つプレーヤーとして主導的な地位を確保している大企業です。これらの企業のほとんどは、幅広い用途のワイヤレス充電のさまざまな側面に関する特許を所有しているSGCCを除き、主にモバイルデバイスの充電分野で活動しています。

次の表は、過去 6 年間における主要アクターの特許活動を示しています。この活動を見ると、誰がその分野に参入し、誰が離脱しているかについて興味深い洞察が得られます。下の表には、サムスンやトヨタなど、世界的な活動を考慮すると特許出願の分布が比較的正常である主要アクター (過去 10 年間で 70%、過去 6 年間で約 40%) は表示されていません。

最近非常に活発に活動している企業に注目すると、 Oppo、Xiaomi、Huawei、Vivo Mobileなどの中国の小型電子機器メーカーが目立ちます。これら4社はいずれもポートフォリオの95%以上を過去10年間に、80%以上を過去6年間に申請しています。これは、米国や韓国のモバイルデバイスメーカーと競争するために、革新を起こし、価値の高い提案を行う製品を提案したいというこれらの企業の意欲を示しています。

過去 10 年間でポートフォリオの 85% 以上を埋めたその他の最近の新規参入企業としては、小規模企業である WiTricity、WiTS、NuCurrent、Energous、AMOSENSE がありますが、これらの新規参入企業、つまり Witricity、Energous、WiTS のほとんどは、過去 5 年間で活動が減少しています。

• NuCurrent は、磁気誘導と磁気共鳴の原理に基づくワイヤレス電力伝送技術を開発しており、民生用電子機器、ウェアラブル、医療機器、自動車、産業オートメーション、IoT (モノのインターネット) デバイスに応用されています。
• Energous は、ワイヤレス充電および遠隔給電技術の大手開発企業です。同社の WattUp プラットフォームは、スマートフォン、ウェアラブル、IoT デバイスなど、さまざまなデバイスで無線周波数 (RF) ベースのワイヤレス充電を可能にします。
• AMOSENCEは、超薄型磁気シールドシートやワイヤレス電力伝送アンテナモジュールなど、ワイヤレス充電デバイス用の部品を専門に開発している特殊材料会社です。
• WiTS株式会社は、サムスン電機のモバイルワイヤレス電力伝送事業を継承し、2019年4月に設立されました。以来、スマートフォン向けアンテナ付き無線送信受信モジュール、ワイヤレス充電パッド向けアンテナ付き無線送信モジュール、NFCチップアンテナなどの開発を行ってまいりました。

この表の他の種類の企業を見ると、10 年前には活動していたものの、現在はこの分野に興味を持っていない大手企業がいくつかあることがわかります。このカテゴリには、Intel、Qualcomm、Robert Bosch、Panasonic などの企業が該当します。

Qualcomm の戦略は興味深いものです。当社のソフトウェアでは、特許の影響度と非自己引用の数も表示できるため、たとえば Samsung と Qualcomm のポートフォリオを比較すると、これらの数値は非常に興味深いものになります。

この表から、クアルコムが所有する特許数はサムスンが所有する特許数の 3 分の 1 に過ぎないことがわかりますが、米国企業の非自己引用数は韓国企業よりも多いです。これは、上記の赤で示された「平均特許強度」の列に考慮されており、特許ファミリーの平均強度はクアルコムの方がサムスンより 50% 近く高いことを示しています。クアルコムは、年間維持コストが 140 万ドルを超える特許を出願し続けるよりも、自社の強みを生かしてポートフォリオの価値を高めたいと考えていると考えられます。

先ほど述べた宇宙アプリケーションを簡単に見てみると、カリフォルニア工科大学の Ali Hajimiri 教授率いるチームによる特許がいくつかあることに気が付きます。同教授は、このテーマについて非常に興味深い TED 講演を行いました 3。この特許は、宇宙に配備されることを目的とした大規模な太陽光発電所に関するもので、発電された電力はマイクロ波放射や光などの無線信号を介して地球に伝送されます。

ワイヤレスエネルギー伝送に関する 50,000 件を超える特許データベースには、NASA、RTX、Astrium、Redwire Space、および廃業した Escape Dynamics などの譲受人からの特許出願を含む、宇宙ベースのアプリケーションに焦点を当てた特許ファミリが 80 件だけあります。

Nicolas Nowak は、 IP 戦略およびイノベーションのシニア コンサルタントであり、Chemistryチームのプラクティス リーダーです。分析Chemistryおよび品質管理の修士号と材料化学の博士号を持つ Nicolas は、無機化学、プロジェクト管理、コンサルティング活動で 16 年以上の経験があります。特に、COLAS SA では視覚化およびセキュリティ アプリケーション用のガラスベースの複合材料に携わり、Johnson Matthey では太陽電池アプリケーション用の新しいガラスおよびメタライゼーション銀ペーストのシニア サイエンティストとして活躍しました。