環境振動発電素子の広帯域化に成功 エネルギーハーベスティングへの応用に期待

要点

• 環境振動発電素子の広帯域化に向けた低閾値整流昇圧回路を設計
• MEMSと集積回路による実システムを開発して広帯域化に成功
• 振動発電素子の利用環境拡大に貢献

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の山根大輔助教（兼 科学技術振興機構さきがけ研究者）、東京大学 生産技術研究所の年吉洋教授と遠山幸也大学院生らは、環境振動発電素子^[用語1]の広帯域化に向けた低閾（しきい）値整流昇圧回路^[用語2]を設計し、MEMS^[用語3]と集積回路によるシステムを開発して素子の広帯域化に成功した。環境振動発電素子の利用環境拡大に貢献するとともに、無線IoT^[用語4]センサー端末などへ向けたエネルギーハーベスティング（環境発電）技術の性能向上につながると期待される。 本研究では、あらゆる環境振動発電素子の広帯域化に向け、環境振動周波数でも動作可能な低閾値整流昇圧回路を設計、その回路を利用した電気機械システムを提案した。さらにMEMSと集積回路の技術を用いてシステムを開発、広帯域化を実証した。従来の広帯域化手法は、特殊な機械構造やその調整回路が必要だったため、素子サイズ増大や素子ごとの専用回路が必要だった。

研究成果はドイツのベルリンで開催される国際会議「Transducers 2019 - The 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems（トランスデューサー2019 第20回固体センサー・アクチュエーター・マイクロシステム国際会議）」で6月26日（現地時間）に発表された。

背景

次世代のIoT電源として、エネルギーハーベスティングの研究・開発が盛んに行われている。特に振動型の環境発電素子は、電池フリー、夜間・暗所でも発電可能であるため、低電力無線IoT端末向けの発電素子として注目されている。

環境振動発電素子は入力振動の周波数が素子の共振周波数^[用語5]から外れた際に出力が急減することが主な技術課題としてあげられている。従来技術では、発電可能な入力振動の広帯域化のため、特殊な機械構造やその機械構造を調整するための専用回路を用いており、素子サイズの大型化や素子ごとの回路調整が必要だった。

研究成果

山根助教らはあらゆる環境振動発電素子の広帯域化に向け、環境振動周波数でも動作可能な低閾値整流昇圧回路（VBR：voltage-boost rectifier）を設計し、その回路を利用した新たな電気機械システムを提案した。図1にそのシステム概要を示す。

微弱な環境振動エネルギーから環境振動発電素子を用いて電気エネルギーを生成する場合、入力振動の周波数が環境振動発電素子の共振周波数から外れると出力が急激に低下する。そのため従来の整流技術（図1：ダイオード整流として表記）では、非常に狭い帯域のみ電力として取り出していた。

今回の研究では環境振動周波数（主に1,000 Hz以下）で動作可能な低閾値整流昇圧回路を新たに開発し、その回路を環境振動発電素子の後段に接続した新システムを提案した。図1の低閾値整流昇圧回路は、従来の整流素子よりも最低入力電圧が低く、さらに入力電圧を所望の電圧まで上げられる。

これにより、従来は回収不可能だった周波数帯域の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能となる。また、提案システムは環境振動発電素子の機械構造によらず適用可能なため、高い汎用性を有している。

今回の実証実験では、図2に示すようにMEMSと集積回路の技術を用いて実システムを開発した。環境振動発電素子にはエレクトレット型MEMS振動発電デバイス^[用語6]を用いており、低閾値整流昇圧回路はシリコンCMOS（complementary metal-oxide semiconductor＝相補型金属酸化膜半導体）プロセスで作製した。

振動試験機で発電素子を振動させた際のシステム出力電圧を測定した結果、従来のダイオード整流と比較して帯域が拡大していることがわかった。所望の出力電圧を1.0 V～3.3 Vとした場合、従来技術と比較して約3倍の広帯域化に成功した。

今後の展開

今回の研究では低閾値整流昇圧回路を利用した新たな電気機械システムを提案し、MEMSと集積回路の技術を用いた実システムにより広帯域化の実証に成功した。この技術を用いてあらゆる環境振動発電素子の利用環境を拡大することにより、無線IoTセンサー端末などへ向けた電池・配線・利用環境フリーのエネルギーハーベスティング技術の飛躍的な性能向上につながると期待される。

今回の成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られた。

JSTはこの領域で、様々な環境に存在する熱、光、振動、電波、生体など未利用で微小なエネルギーを、センサーや情報処理デバイスなどでの利用を目的としたμW～mW程度の電気エネルギーに変換（環境発電）する革新的な基盤技術の創出を目指している。

上記研究課題（1）では、エレクトレット実装技術とCMOS-MEMS技術を融合し、環境振動エネルギーをmW級の電気エネルギーに変換する小型振動発電デバイスの実現を目指し、開発を行っている。

上記研究課題（2）では、次世代の無線センサノードに必要な10 mW級の自立電源を実現するために、MEMS技術とイオン材料技術を駆使して、環境振動から未利用エネルギーを回収し発電する振動発電素子の研究に取り組んでいる。

論文情報

国際会議 :	The 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems （Transducers 2019）
論文タイトル :	BANDWIDTH ENHANCEMENT OF VIBRATIONAL ENERGY HARVESTERS BY A VOLTAGE-BOOST RECTIFIER CIRCUIT
著者 :	Yukiya Tohyama, Hiroaki Honma, Noboru Ishihara, Hiroshi Toshiyoshi, and Daisuke Yamane

• プレスリリース 環境振動発電素子の広帯域化に成功 ―エネルギーハーベスティングへの応用に期待―
• 振動発電素子のエレクトレット外付けに成功│東工大ニュース
• MEMS構造をCMOS-LSIと一体化した加速度センサー開発―超小型で1G以下の高分解能検知を実現―│東工大ニュース
• 加速度を超広域・高分解能で検知可能なMEMSセンサを開発│東工大ニュース
• 山根大輔
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 山根 大輔 Daisuke Yamane
• 東京工業大学 科学技術創成研究院 （IIR）
• 未来産業技術研究所
• 工学院 - 電気電子系
• さきがけ
• [微小エネルギー] 微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出 （CREST・さきがけ複合領域） | さきがけ
• 研究成果一覧