Energy Harvesting 環境発電
The Internet of Things (IoT), which aims to create a more affluent society by using information obtained from wireless sensor terminals mounted on various objects, is attracting attention. However, the number of wireless sensor terminals is said to be as many as 10 trillion, making maintenance impossible and making battery replacement impossible. Environmental power generation is expected to be the power source for next-generation wireless sensor terminals. Environmental power generation is an effort to recover vibration, light, heat, and RF energy that has been discarded in the past, and high-power vibration power generation elements, solar cells, thermoelectric elements, and rectenna have been developed. In this research, we are fabricating and evaluating zero-energy devices that use the energy recovered by these power generation devices to drive electronics.
様々なモノに無線センサ端末を搭載して，そこから得られる情報を用いて，より豊かな社会を目指すInternet of Things (IoT)が注目を集めている。しかしながら無線センサ端末の数は，10兆個ともいわれメンテンスが不可能であり，電池交換ができない課題が存在する。次世代型無線センサ端末の電源として期待されているのが，環境発電である。環境発電は，従来捨てられていた振動，光，熱，RFエネルギーを回収する取り組みであり，高出力な振動発電素子，太陽電池，熱電素子，レクテナが開発されている。本研究では，これら発電素子が回収したエネルギーでエレクトロニクスを駆動するゼロ・エネルギーデバイス作製と評価を行っている。
Event driven circuit イベントドリブン回路
Vibration is a promising energy source because it is abundant in the environment and can generate electricity even in dark places. We fabricated an electret vibration power generation device that generates electricity in the vibration range (acceleration < 1 G, frequency 200 Hz), where conventional piezoelectric and electromagnetic induction devices are unable to generate electricity, to drive a wireless sensor terminal. The energy consumption of the wireless sensor terminal was 1.2 mJ per operation, and wireless communication was successfully achieved once every 60 seconds when the vibration power generation device was used as the power source.
振動は環境中に潤沢に存在しており，暗所でも発電できるため，エネルギー源として有望である。従来の圧電体，電磁誘導が発電不可能だった振動領域（加速度<1G，周波数 200 Hz)において，発電するエレクトレット振動発電素子を作製することで，無線センサ端末を駆動した。無線センサ端末の1駆動あたりの消費エネルギーは1.2 mJであり，振動発電素子を電源とした場合，60秒に1回の頻度で無線通信を行うことに成功した。
Battery-less sensor 電池レスセンサ
The output power of power-generating devices is increasing year by year, with vibration power-generating devices showing an output power of 100 µW/cm2. On the other hand, power consumption of LSIs is decreasing, and a timer IC can be driven with a power consumption of 60 nW. Based on this trend, by the 2020s, the output power of power generation devices will exceed the power consumption of LSIs, and it will be possible to drive LSIs with power generation devices. In this study, we confirmed the validity and appropriateness of the above idea by driving ICs with power-generating elements. Using the fact that the oscillation frequency of the ring oscillator depends on the supply voltage, we proposed a battery-less sensor that uses a power-generating element as the sensor and power source. This device can perform analog-to-digital conversion with pulse density modulation according to the output of the generator element.
発電素子の出力は年々増大しており，振動発電素子は出力100 µW/cm2を示す。一方，LSIの消費電力は減少しており，タイマIC程度であれば消費電力60 nWで駆動できる。このトレンドを踏まえると2020年代には，発電素子出力がLSIの消費電力を上回り，発電素子によるLSIの駆動が実現可能である。本研究では，ICを発電素子で駆動することで，上記アイデアの有効性・妥当性を確認した。リングオシレータの発振周波数が電源電圧に依存することを利用して，発電素子をセンサかつ電源とした電池レスセンサを提案した。本素子は発電素子の出力に応じて，パルス密度変調でアナログ-デジタル変換を行うことができる。
S. Yamada, et al., IEEE Electron Device Lett., 2017
