電池レスIoTデバイスのためのエレクトレットを用いた環境発電器の開発
柳 依然, 陸 嘉, 謝 鴻, Kasidis Kittipaisalsilpa, 王 晗. 張 玉橙, 毛 澤田, 森 拓真, 鈴木 邦子, 三好 智也, 鈴木 雄二
概要
現在、CPS（Cyber Physical Space）/IoT社会への流れが強まってきており、様々でのレイヤーでの取組みが盛んに進められている。環境に広く薄く存在するエネルギーから小電力を取り出す環境発電は、実世界におけるセンシングを行うばらまき型デバイスの電源として注目されており、例えば無線センサの８割以上は環境発電なしには実現できないとする報告もある。本研究で取組むウエアラブルデバイス向けの環境振動発電は、環境発電の応用分野の中で将来的なマーケットが最も大きいと期待される低消費電力のコンシューマープロダクツとの整合性が高く、新産業創出に大きく貢献すると考えられる。
近年の低消費電力VLSI技術、無線技術の発達により、無線センサを駆動するために必要な電力は減少しつつあるが、多くのアプリケーションでは依然として供給電力量が不足する状況であり、環境発電デバイスのさらなる高出力化が強く求められている。また、ウエアラブルデバイス向けの環境発電を社会実装するためには、発電量の予測がもう一つの重要な課題である。個人差、時間的変動がある人間の動きでは、統計的振動環境を考慮した標準的評価方法が必要である。
環境発電のエネルギー源（鈴木, 2012）
本研究では，低周波数帯の環境振動から小容積において最も効率良く電気的エネルギーを取り出す方法と考えられる，エレクトレットを用いた静電誘導発電に取り組んでいる．エレクトレットとは，絶縁体の中に電荷を半永久的に注入したものであり，適切な材料を選べば，数十年にわたって外部電場を発生させることができる．下図にエレクトレットを用いた静電誘導発電の原理を示す．対向させた電極に反対符号の電荷が誘導され，エレクトレットと電極の重なり面積，あるいは間隔を変化させることによって外部回路に交流を取り出すことができる．
エレクトレットを用いた静電誘導発電の原理
本研究室では，化学系，電気系の研究者，産業界とも連携しながら，新しい材料・プロセス開発，モデリング，発電デバイス設計・試作，新しい非線形電源管理回路の提案，実動作条件に適した評価方法の提案などを通じて，下記のようにエレクトレット発電デバイスの実用化に向けた幅広い研究を行ってきた．-
１．超高性能ポリマー・エレクトレット材料の開発
２．軟X線・紫外線を用いた制御性の高い新しいエレクトレット荷電技術の開発
３．環境振動のための低共振周波数を有するMEMS振動構造の開発
４．エレクトレットMEMS振動発電器の開発
５．回転型エレクトレット発電機の開発
６．MEMS技術を用いた高性能圧電ポリマーによる発電スイッチの開発
７．非定常温度変化によるエレクトレット発電の提案
８．エレクトレット発電器のモデル化と高出力化
９．人体運動のモデリングと力学的環境発電のための標準的試験方法の提案
「超高性能ポリマー・エレクトレット材料の開発
」においては，アモルファスフッ素樹脂CYTOPにアミノシランを添加剤として加えることによって，CYTOPポリマーと添加物の相分離によってエレクトレット膜中に電荷トラップとして作用するナノクラスタを形成させ，2 mC/m^2（15um厚さにおいて）高い表面電荷密度を実現した（Sakane et al., 2008; Kashiwagi et al., 2011）．また，量子化学計算を用いてCYTOPポリマー中の過剰電子が末端基近傍に存在することを明らかにし，CYTOPとアミド結合する分子を加えることによって，さらに高い4 mC/m^2（15um厚さにおいて）の極めて高い表面電荷密度が得られることを明らかにした(Kim et al., 2018)．エレクトレット分野において，量子化学計算に基づいて材料設計が行われたことも初めてであったが，表面電荷密度のチャンピオンデータを塗り替え，注入電荷がガラス転移点よりも高い温度において高い熱的安定性を持つことを示した．
また，軟Ｘ線，真空紫外線を用い，コロナ荷電に代わる制御性の高い新しい荷電方法の開発を行った（Honzumi et al., 2011; Hagihwara et al., 2012）．特に，軟Ｘ線荷電では，パッケージ後の荷電も可能であり，エレクトレットに注入した電荷を熱プロセスで減衰することなく発電器を構成することが可能であり，実用上有用な手法と考えられる（Kim et al., 2014）．
エレクトレット発電器としては，樹脂ばねを用いた低共振周波数の振動発電器，櫛歯型電極を持つ高効率の振動発電器，人体の運動からの発電に適する回転型発電機の３種類について，設計法の確立，試作方法の開発，デバイス評価を行っている．
櫛歯型電極を持つ振動発電器では，SOIプロセスを用いて，1枚のマスクで発電器を構成することが可能であり，組立も不要であるという特長を持つ．70 - 150um厚のデバイス層を用い，櫛歯電極を形成した後にエレクトレット膜としてparylene-Cを蒸着することによって，櫛歯電極の側壁に「垂直エレクトレット」を形成し，軟Ｘ線により荷電する．ケルビン力顕微鏡を用いた計測から，7um幅の開口部から奥行き70umまで均一に荷電できることを明らかにした（Fu & Suzuki, 2014, 2015）．また，1cm角の発電器において，500 Hz，2.9gの振動から5.3uWの発電量が得られ，発電の変換効率が45%に達することを示した（Fu & Suzuki, 2014）．
櫛歯電橋を持つMEMSエレクトレット発電器（Fu et al., 2014, 2015）
回転型発電機では，金属加工によるローター，ステーターと，プリント基板技術により作られる電極・エレクトレット基板，ミニチュアボールベアリングを組み合わせることにより，基板間隔を100um程度に保ちながら，回転運動を支持する極めて薄い構造を持つデバイスを試作した．表面電位が800Vの場合には，外部負荷を最適化することによって，毎秒１回転の回転速度において約240uWが得られ，将来的にはGPSなどの駆動が可能となると期待される(Adachi et al., 2017, Miyoshi et al., 2018)．
回転型エレクトレット発電機（Adachi et al., 2017, Miyoshi et al., 2018）
また，回転型発電機を腕に装着した場合の発電量を予測し，歩行時の発電出力が最大となるように最適な設計を行うため，モーションキャプチャを用いた歩行解析，腕振りモデルの構築，マルチリンクロボットを用いた発電量の評価を行っている (Tanaka et al., 2018, 2019)．
モーションキャプチャによる歩行解析，腕動作の２リンクモデルとマルチリンクåロボット（Miyoshi et al., 2018）
さらに，MEMS技術を用いた圧電ポリマーエレクトレットの提案（Lu et al., 2018），温度変化を用いたエレクトレット発電の提案（Xie et al., 2018）を行い，また，異方性誘電率液体の導入，非線形電源管理回路の開発によって，さらなる高出力化の検討を進めている．
プロジェクト: JST戦略的創造研究推進事業（Crest）「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」 「ウエアラブルデバイスのための高出力エレクトレット発電の創成」[2015-2021年度, 研究代表者：鈴木 雄二] ，および民間企業などとの共同研究
主な共同研究者：
加藤 隆史（東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻）
田中 優実（東京理科大学）
吉田 真史（東京都市大学）
中川 活二（日本大学）
高宮 真（東京大学生産技術研究所）
岡添 隆（AGC）
Adrien Badel（University of Savoie, Mont Blanc）
最近の発表論文
レビュー・解説
- Suzuki, Y.,
"Electrostatic/Electret-based Harvesters,"
in Micro Energy Harvesting, eds. Briand, D., Yeatman, E., and Roundy, S., Wiley-VCH, pp. 149-174 (2015).
(doi:10.1002/9783527672943.ch8) - Suzuki, Y.,
"Electret-based Vibration Energy Harvesting for Sensor Network,"
Invited talk, 18th Int. Conf. Solid-state Sensors, Actuators, and Microsystems (Transducers ’15), Anchorage, pp. 43-46, (2015).
(doi:10.1109/TRANSDUCERS.2015.7180856) - Suzuki, Y.,
"Recent Progress in MEMS Electret Generator for Energy Harvesting,"
IEEJ Trans. Electr. Electr. Eng., Vol. 6, No. 2, pp. 101-111 (2011).
(doi:10.1002/tee.20631) - 鈴木 雄二（監修）,
「環境発電ハンドブック - 電池レスワールドによる豊かな環境低負荷型社会を目指して」
エヌ・ティ・エス，(2012)
超高性能ポリマー・エレクトレット材料
- Kim, S., Suzuki, K., and Suzuki, Y.,
“Development of A High-performance Amorphous Fluorinated Polymer Electret Based on Quantum Chemical Analysis,”
18th Int. Conf. on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2018), Daytona Beach, T4B-01 (2018) (Best Paper Award). - Kim, S., Suzuki, K., Sugie, A., Yoshida, H., Yoshida, M., and Suzuki, Y.,
“Effect of Terminal Group of Amorphous Perfluoro-Polymer Electrets on Electron Trapping,”
Sci. Tech. Adv. Mater., Vol. 19, No. 1, pp. 486-494 (2018).
(doi:10.1080/14686996.2018.1477395)
- Kashiwagi, K., Okano, K., Miyajima, T., Sera, Y., Tanabe, N., Morizawa, Y., and Suzuki, Y.,
“Nano-cluster-enhanced High-performance Perfluoro-polymer Electrets for Micro Power Generation,”
J. Micromech. Microeng., Vol. 21, Issue 12, No. 125016, (2011).
(doi:10.1088/0960-1317/21/12/125016) - Sakane, Y., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Development of High-performance Perfluorinated Polymer Electret and Its Application to Micro Power Generation,"
J. Micromech. Microeng., Vol. 18, No. 10, 104011, 6pp. (2008).
(doi:10.1088/0960-1317/18/10/104011) - Tsutsumino, T., Suzuki, Y., Kasagi, N., and Sakane, Y.,
"Seismic Power Generator Using High-Performance Polymer Electret, "
19th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2006), Istanbul, pp. 98-101 (2006).
(doi:10.1109/MEMSYS.2006.1627745)
新しいエレクトレット荷電技術の開発
- Kim, S., and Suzuki, Y.,
“Photoelectric-charging-enhanced MEMS Electret Energy Harvester with Vacuum Package,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 773, No. 012012 (2016).
(doi:10.1088/1742-6596/773/1/012012) - Kim, S., and Suzuki, Y.,
“MEMS Comb-Drive Electret Energy Harvester Charged after Packaging,”
IEEE Sensors 2016, Orlando, pp. 1239-1241 (2016).
(doi:10.1109/ICSENS.2016.7808819)
- Kim, S., Fu, Q., Hagiwara, K., and Suzuki, Y.,
“Development of A Pre-packaged MEMS Electret Energy Harvester Before Charging,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 557, No. 012063 (2014).
(doi:10.1088/1742-6596/557/1/012063)
- Hagiwara, K., Goto, M., Iguchi, Y., Tajima, T., Yasuno, Y., Kodama, H., Kidokoro, K., and Suzuki, Y.,
“Electret Charging Method Based on Soft X-ray Photoionization for MEMS Applications,”
Trans. IEEE, Dielectr. Electr. Insul., Vol. 19, No. 4, pp. 1291-1298 (2012).
(doi:10.1109/TDEI.2012.6260003) - Honzumi, M., Hagiwara, K., Iguchi, Y., and Suzuki, Y.,
"High-Speed Electret Charging Method Using Vacuum UV Irradiation,"
Appl. Phys. Lett., Vol. 98, 052901, (2011).
(doi:10.1063/1.3548866)
低共振周波数を有するMEMS振動構造
- 三好 智也, 鈴木 雄二,
“広帯域振動エネルギーハーベスティングのための双安定機構を有するインターポーザの開発,”
第9回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 札幌, 2018年10月30日-11月1日, 01pm1-PN-164.【日本機械学会・マイクロナノ工学部門・優秀講演論文表彰】 - Minakawa, Y., and Suzuki, Y.,
“Low-resonant-frequency MEMS Electret Energy Harvester with X-Shaped High-aspect-ratio Parylene Spring,”
Proc. 12th Int. Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2012), Atlanta, pp. 133-136, (2012). - Kamezawa, C., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Mechanical Response Evaluation of High-thermally-stable-grade Parylene Spring,"
22nd IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2009), Sorrento, pp. 615-618 (2009).
(doi:MEMSYS.2009.4805457) - Suzuki, Y., and Tai, Y.-C.,
"Micromachined High-Aspect-Ratio Parylene Spring and Its Application to Low-frequency Accelerometers,"
J. Microelectromech. Syst., Vol. 15, No. 5, pp. 1364-1370 (2006).
(doi:10.1109/JMEMS.2006.879706)
エレクトレットMEMS振動発電器
- Murotani, K., and Suzuki, Y.,
"MEMS Electret Energy Harvester with Embedded Bistable Electrostatic Spring for Broadband Response,"
J. Micromech. Microeng., Vol. 28, Issue 10, No. 104001 (2018).
(doi:10.1088/1361-6439/aac8cc) - Fu, Q., and Suzuki, Y.,
“In-plane Gap-closing MEMS Vibration Electret Energy Harvester on Thick BOX Layer,”
18th Int. Conf. Solid-state Sensors, Actuators, and Microsystems (Transducers ’15), Anchorage, pp. 1925-1928, (2015).
(doi:10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181328) - Fu, Q., and Suzuki, Y.,
“A Design Method of In-plane MEMS Electret Energy Harvester with Comb Drives,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 557, No. 012011 (2014).
(doi:10.1088/1742-6596/557/1/012011) - Fu, Q., and Suzuki, Y.,
“MEMS Vibration Electret Energy Harvester with Combined Electrodes,”
27th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’14), San Francisco, pp. 409-412, (2014).
(doi:10.1109/MEMSYS.2014.6765663) - 松本 光一，猿渡 久美雄，鈴木 雄二,
「エレクトレット環境振動発電による電池レス無線センサの試作」,
電気学会論文誌Ｃ, 132巻, 3号, pp. 344-349, (2012).
（J-Stage） - Matsumoto, K., Saruwatari, K., and Suzuki, Y.,
“Vibration-powered Battery-less Sensor Node Using Electret Generator,”
11th Int. Workshop on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2011), Seoul, pp. 134-137 (2011). - Suzuki, Y., Miki, D., Edamoto, M., and Honzumi, M.,
“A MEMS Electret Generator With Electrostatic Levitation For Vibration-Driven Energy Harvesting Applications,”
J. Micromech. Microeng., Vol. 20, Issue. 10, No. 104002, 8pp, (2010).
(doi:10.1088/0960-1317/20/10/104002)
回転型エレクトレット発電機
- Miyoshi, T., Adachi, M., Tanaka, Y., and Suzuki, Y.,
”Low-profile Rotational Electret Energy Harvester for Battery-less Wearable Device,”
Invited talk, IEEE/ASME Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2018), Auckland, TuBT5.6 (2018).
(doi:10.1109/AIM.2018.8452249) - Miyoshi, T., Adachi, M., Suzuki, K., Liu, Y., and Suzuki, Y.,
“Low-profile Rotational Electret Generator Using Print Circuit Board for Energy Harvesting from Arm Swing,”
31th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’18), Belfast, pp. 230-232 (2018).
(doi:MEMSYS.2018.8346526) - Adachi, M., Miyoshi, T., Suzuki, K., Fu, Q., Fang, Q., and Suzuki, Y.,
“Development of Rotational Electret Energy Harvester Using Print Circuit Board,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012062 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012062) - Nakano, J., Komori, K., and Hattori, Y., and Suzuki, Y.,
“MEMS Rotational Electret Energy Harvester for Human Motion,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 660, No. 012052 (2015).
(doi:10.1088/1742-6596/660/1/012052)
MEMS技術を用いた高性能圧電ポリマー
- Lu, Y., and Suzuki, Y.,
“Push-button Kinetic Energy Harvester with Soft-X-ray-Charged Folded Multilayer Piezoelectret,”
18th Int. Conf. on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2018), Daytona Beach, W3B-01 (2018) (Best Paper Award Finalist). - Lu, J., and Suzuki, Y.,
“Soft X-ray-Charged Multilayered Piezoelectret with Embedded Electrode for Push-botton Energy Harvesting,”
31th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2018), Belfast, pp. 646-648 (2018).
(doi:10.1109/MEMSYS.2018.8346637) - Lu, J., Cho, H., and Suzuki, Y.,
“Soft X-ray Charged Piezoelectret for Kinetic Energy Harvesting,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 773, No. 012031 (2016).
(doi:10.1088/1742-6596/773/1/012031) - Feng, Y., and Suzuki, Y.,
“All-polymer Piezoeelctret Energy Harvester with Embedded PEDOT Electrode,”
27th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’14), San Francisco, (2014), pp. 374-377.
(doi:10.1109/MEMSYS.2014.6765654) - Feng, Y., Hagiwara, K., Iguchi, Y., and Suzuki, Y.,
“Trench-filled Cellular Parylene Electret for Piezoelectric Transducer,”
Appl. Phys. Lett., Vol. 100, Issue 26, 262901 (2012).
(doi:10.1063/1.4730952)
非定常温度変化によるエレクトレット発電
- Xie, H., Morimoto, K., and Suzuki, Y.,
“Electrostatic Unsteady Thermal Energy Harvesting Using Nematic Liquid Crystal,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012033 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012033) - Xie, H., Morimoto, K., and Suzuki, Y.,
“Electret-based Unsteady Thermal Energy Harvester Using Potassium Tantalate Niobate Crystal,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 773, No. 012023 (2016).
(doi:10.1088/1742-6596/773/1/012023) - Yoshida, J., Morimoto, K., and Suzuki, Y.,
“Electrostatic Thermal Energy Harvester Using Unsteady Temperature Change,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 476, No. 012079 (2013).
(doi:10.1088/1742-6596/476/1/012079)
エレクトレット発電器のモデル化と高出力化
- Liu, Y., Badel, A., and Suzuki, Y.,
“Dual-stage Electrode Design of Rotational Electret Energy Harvester for Efficient Self-powered SSHI,”
18th Int. Conf. on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2018), Daytona Beach, W2B-02 (2018). - Feng, Y., Shao, B., Tang, X., Han, Y., Wu, T., and Suzuki, Y.,
“Improved Capacitance Model Involving Fringing Effects for Electret-Based Rotational Energy Harvesting Devices,”
IEEE Trans. Electr. Dev., Vol. 65, Issue 4, pp. 1597-1703, (2018).
(doi:10.1109/TED.2018.2803145) - Kittipaisalsilpa, K., Kato, T., and Suzuki, Y.,
“Characterization of Fluorinated Nematic Liquid Crystal for High-power Electret Energy Harvester,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012044 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012044) - Liu, Y., and Suzuki, Y.,
“Self-powered SSHI for Electret Energy Harvester,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012022 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012022) - Kittipaisalsilpa, K., Kato, T., and Suzuki, Y.,
“Liquid-crystal-enhanced Electret Power Generator,”
29th IEEE Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS’16), Shanghai, pp. 37-40 (2016).
(doi:10.1109/MEMSYS.2016.7421551) - Chen, R., and Suzuki, Y.,
“Suspended Electrodes for Reducing Parasitic Capacitance in Electret Energy Harvesters,”
J. Micromech. Microeng., Vol. 23, Issue 12, 125015 (2013).
(doi:10.1088/0960-1317/23/12/125015) - Miki, D., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Effect of Nonlinear External Circuit on Electrostatic Force of Micro Electret Generator,"
15th Int. Conf. Solid-state Sensors, Actuators, and Microsystems (Transducers' 09), Denver, pp. 636-639 (2009).
(doi:10.1109/SENSOR.2009.5285405) - Marboutin, C., Suzuki, Y., and Kasagi, N.,
"Optimal Design of Micro Electret Generator for Energy Harvesting,"
7th Int. Workshop Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2007), Freiburg, pp. 141-144 (2007).
回転型発電機の最適設計のための歩行時の腕振り運動モデリング
- Tanaka, Y., Miyoshi, T., and Suzuki, Y.,
“Stochastic Modelling of Human Arm Swing Toward Standard Testing for Rotational Energy Harvester,”
18th Int. Conf. on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS 2018), Daytona Beach, T4B-03 (2018). - Tanaka, Y., Miyoshi, T., and Suzuki, Y.,
“Modeling of Arm Motion for Rotational Energy Harvester,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012006 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012006)
IEC/TC47 WG7における国際標準化（ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄﾘｰﾀﾞｰを務めたもの）
- IEC 62047-28:2017 Semiconductor devices - Micro-electromechanical devices - Part 28: Performance testing method of vibration-driven MEMS electret energy harvesting devices
- IEC 63150-1 ED1: Semiconductor devices - Measurement and evaluation methods of kinetic energy harvesting devices under practical vibration environment - Part 1: Arbitrary and random mechanical vibrations (FDIS)
最終更新: 2019-03-31