成果報告書詳細
管理番号20160000000618
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム センサモジュールの研究開発
公開日2016/7/27
報告書年度2014 - 2015
委託先名テセラ・テクノロジー株式会社 国立大学法人東京大学 国立大学法人弘前大学 国立大学法人東北大学 アルプス電気株式会社 東京応化工業株式会社
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約件名 平成26年度ー平成27年度成果報告書 センサモジュールの研究開発

本プロジェクトでは、自立電源デバイスの中でも最もエネルギー密度が高い振動発電デバイスをとりあげ、同デバイスの4つの技術要素である 1.外部環境からエネルギーをデバイス内に効率よく取り込むための、外部エネルギー取り込み機構 2.取り込んだエネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するための素子 3.電気エネルギーのバッファとしての蓄電デバイス 4.電気エネルギーを安定化してULPデバイスに給電するための電源回路について、それぞれ既存技術の評価を行うとともに、画期的な新技術の試作・評価を実施した。また、将来的な無給電センサモジュールの実現を念頭に、モチーフとして想定されるアプリケーションにおいて、必要な自立電源デバイスの対するターゲット開発仕様の策定を目指した。
革新的な外部エネルギー取り込み機構であるジャイロ発電機構開発において、有望な3方式の理論解析を実施。それにより、候補をダイナビー型とモータ回転型に絞りこんだ。この2方式に対して、装置試作による性能評価を実施し、発電機の最適設計には至らなかったものの、時間ともに自転速度が増大する現象を確認。最終的にモータ回転型が最適であると結論付けた。
革新的な機械電気変換材料である磁歪素子の開発に関しては、急冷凝固薄帯およびバルク加工素材の最適化熱処理により、磁区形態と結晶異方性を改良して、磁歪≧1.3倍、磁歪感受率≧3倍を達成。機械的な強度特性や加工性にも優れていることを確認した。特に材料強度と剛性の高いFeCo磁歪合金を用いてハーベスタの試作を行い、打点式で出力≧2mW以上を達成した。一方、代表的な3種類の磁歪材料(Terfenol-D、Galfenol、FeCo)の特性比較にあたり、実用化を考慮し、振動梁曲げ応力方式と、片持ち板バネ構造でGalfenol、FeCoの評価を実施。材料の特性から相応しい用途を考察した結果、FeCoは低価格、高強度、構造工夫による実用化レベルの発電性を有しており、今後の更なる素材開発により実用化と幅広い普及が期待できると結論付けた。
革新的な蓄電技術の開発に関しては、5種類の既存製品を含む各種電池について、カタログなどによるベンチマークと、試験によるベンチマークを実施。提案方式の課題を明確化し、暫定目標性能を設定した。一方で、固体電解質の評価環境を整備し、試作品の評価を実施。種々の固体電解質を評価し電解液系と比較してもそん色ない性能を得ていることを確認できた。更に、電解液系の電池を高性能電源回路開発チームに提供し、ハーベスタと無線通信モジュールを含む回路に組み込み動作を確認した。
革新的な振動発電用の高性能電源回路の開発に関しては、試作機にて世界初の回路基板自給駆動(発電力で自身の消費電力を賄う状態)の実証に成功した。これまで、理論上だけで可能だと考えられてきたことが現実のデバイスに於いて実証でき、その将来性を示した。また、新方式電源回路をモジュールとして無線システムに用いた場合の試験を行い、発電しながら無線送信が可能である事を実証した。システム化した場合の今後の課題が明確になり、エネルギーハーベスティング用電源ICを製品開発する場合の方向性が示せた。
これらの成果を踏まえて、自立電源デバイスに求められる各構成要素のベンチマーキングを実施。想定されるアプリケーションを大きく3つのカテゴリに分け、それぞれのカテゴリに対して目標となる振動スペック、ターゲット発電量を策定した。更に、それぞれのターゲット発電量を達成するための技術として、ジャイロ発電、SSHI回路、磁歪素子等に加えて、状況に応じて更に他の発電原理(熱、RFなど)をアシストとして併用することが最適だと結論付けた。
英文要約Title : Research and Development of Sensor Modules with Energy Harvesters (FY2014-FY2015) Final Report

This project is focusing on the vibration energy harvesters, which can have the highest energy density among all other types of energy harvesting devices. Following four technologies related to vibration energy harvesters were investigated; (1) the effective energy extraction mechanism from the environment, (2) the transducer element who converts vibration energy to electric energy effectively, (3) the energy storage device as a buffer of electric energy, and (4) the circuit for supplying stable electric energy to ULP devices. We aimed at deciding the target specification of the energy harvesters necessary for future self-powered sensor modules.

The gyroscopic energy harvesters as an innovative mechanism of energy extraction from the environment were developed and investigated. The dynabee, the motor revolving and the coriolis vibration generators were compared. The prototype harvesters were evaluated, and the phenomenon of automatic increase in rotation velocity was confirmed. Finally, the motor revolving type concluded to be most suitable among three different types of gyro harvester.

The magnetostrictive device as an innovative mechanoelectric conversion material was developed and investigated. Three typical magnetostrictive materials (Terfenol-D, Galfenol and FeCo alloy) were compared and FeCo alloy was concluded as the most expected material. The magnetic domain form and crystal anisotropy were improved by optimizing heat-treatment, and magnetostriction and magnetostrictive susceptibility were improved more than 1.3 times and three times, respectively. More than 2 mW of electric power output were achieved with a prototype of shock-driven energy harvester using FeCo alloy.

The innovative electrical energy storage device was developed and investigated. A benchmark of five batteries including commercial products was performed by comparing specifications and testing. Various kinds of solid electrolyte were evaluated, and it was confirmed they had the same performance as liquid electrolyte systems. The battery was combined with a harvester and a circuit and functioned properly.

The innovative electric circuit for vibration energy harvesting was developed and investigated. We succeeded in realizing the world's first self-powered drive on the circuit board (the drive status that the power consumption is covered only by power generation) using a prototype model. The test using the new power supply circuit for a wireless communication system as a module was performed.

Based on these outcomes, benchmarking of each component for energy harvester was performed. Potential applications of energy harvesters were summarized into three categories, and the vibration specification and the target amount of electric power generation were settled for each category. The appropriate combination of gyro harvester, SSHI circuit and magnetostrictive device assisted with other electric harvesting principles (heat or radio wave) was concluded as the most effective solution.
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