グリーンＭＥＭＳセンサ端末・ネットワークシステムを実現する共通基盤技術

メンテナンスフリーなグリーンセンサネットワーク端末を実現する
超小型高効率自立電源システムの開発

ローム㈱
奥 良彰

ＮＭＥMＳ技術研究機構

発表内容

１．背景と目的
２．開発テーマ概要・目標
３．開発内容の成果(1)エナジーハーベスティング用発電デバイス(DSC)(2)センサネットワーク用キャパシタ(EDLC)(3)超小型高効率自立電源
４．ネットワーク・応用分野
５．まとめ

ＮＭＥMＳ技術研究機構

１．背景と目的■ 今後、普及が見込まれるワイヤレスセンサネットワークにおいてはセンサネットワーク端末への電力供給が大きなネックとなる。
■ 現在の有線電力供給、電池駆動に代えて、周囲環境から電力を生み出すエナジーハーベスティングデバイスを電力源として、屋内照明下でも効率よく発蓄電可能な自立電源を低リーク電流内部電極構造開発する事で、メンテナンスフリーな活物質密着性向上バインダーを用いた電極
低リークセパレータ

低逆電流DSC

グリーンセンサネットワーク端末をDSC

VoutEDLC実現する。
ControlIC

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DC/DCConverter２．開発テーマ概要・目標■ 室内光を利用する発電デバイスのDSC(色素増感型室内光電池)と高出力な蓄電デバイスのEDLC(電気二重層キャパシタ)を開発し、これらからなる発蓄電モジュールと電源回路を最適化する事で超小型高効率自立電源を開発 【発蓄電デバイスのロス低減が重要】■ 上記自立電源搭載のセンサネットワーク端末を試作し実証に提供■ 本研究開発における自立電源の目標値は以下の通り
超小型：

2cm×5cmの外形サイズ

高効率：150μW以上の平均出力（蛍光灯500ルクス環境下）

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３．開発内容の成果(1)-DSC(色素増感型室内光電池)-■ 光発電特性向上に向けた取り組み-発電ロス低減/光吸収増大-

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３．開発内容の成果(1)-DSC(色素増感型室内光電池)-■ 光発電特性向上に向けた取り組み-4直モジュールの試作事例-

ＮＭＥMＳ技術研究機構

３．開発内容の成果(2)-EDLC(電気二重層キャパシタ)-■ 低抵抗化とリーク電流低減に向けた取り組みＮＭＥMＳ技術研究機構

３．開発内容の成果(2)-EDLC(電気二重層キャパシタ)-■ 低抵抗化とリーク電流低減の両立

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３．開発内容の成果(3)-自立電源システム-■ 自立電源の出力試算の一例(3.3V昇圧の場合)

DSC

150uW

EDLC
1F
VEDLC = 1.94V
Icharge = 70uA

EDLC
Vf=0.06V

sensorIIeak=5uA

DC/DC
Converter

η=85%

Sensing：?

VOUT
CPU

Trigger
Trigger：?

CPU Sleep mode：3.3V/5uA

BLE
Drive：3.3V/20mA

3.3V出力で最終取り出し効率は77％→1.8V出力も開発へ
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３．開発内容の成果(3)-自立電源システム-■ 3V出力型自立電源の設計と試作事例～203μA

200Current (μA)

課題1： 自立電源用DSCモジュールのFF低下対策1： 集電極構造採用によるFF改善
結果1： 500ルクス下の発電性能は20％向上し、(a)2直DSCで181uW(b)3直DSCで168uW(c)4直DSCで169uW

250～128μA

150～93μA

501.21V0

課題2： DSCモジュール構造の最適化
対策2： 高効率なDC/DC選定とシミュレーション・実験を実施
結果2： 4直列DSCモジュールが最適で、500ルクス下での自立電源の平均出力130uW
Iout(uA) (=1秒間に得る電荷量) .

2直型
3直型
4直型
5直型 (予測)
6直型 (予測)5040

4直型が最適Vin(Max)Vin(Min)

3020
1000.5

11.5Vin (V)22.5F F 改善

1000.060

集電極有り-2直型集電極有り-3直型
集電極有り-4直型
集電極無し-2直型
集電極無し-3直型

F F 改善0.51.01.77V

1.52.0Voltage (V)

2.44V

2.53.0DSCモジュール• Vop (V)
• Iop (uA)

• Vin (V)• Iin (uA)

昇圧効率(%)(仕様)

最大Iout (uA)

Pout (uW)(自立電源として)

2直型
(実測)

• 1.04V• 181uA• 0.90V• 181uA

67.8%

36.8uA

110.4uW

3直型(実測)• 1.46V• 114uA• 1.32V• 114uA

76.4%

38.3uA

114.9uW

4直型(実測)• 2.02V• 84.0uA• 1.88V• 84.0uA

82.0%

43.2uA(最大値)

129.6uW
(最大値)

5直型
<予測>

• 2.14V• 70.3uA• 2.00V• 70.3uA

82.7%

38.8uA

116.4uW

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３．開発内容の成果(3)-自立電源システム-■ 自立電源システムの最適化と発電デバイスの発電量増大
DSCモジュールの最大出力値
Pmax=196μW

120

3V出力(昇圧DC/DC)
Iout=50.22μA
Vout=3.0V

Current (μA)

10080Pout=150.7μW

Iop(動作電流)60

光源：蛍光灯照度：500ルクス
DSC外寸：20mm×50mm
DSC有効面積率：77.5％

40
20

1.8V出力(降圧DC/DC)
Iout=92.27μA
Vout=1.8V

00.0

0.5

1.0

1.5
2.0
Voltage (V)

2.5

3.0

Pout=166.1μW

Vop(動作電圧)

GSNプロジェクト目標値(150μW)を達成
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３．開発内容の成果-他社との比較-■ 特徴（他社に比べて優れている技術）
発電デバイス/蓄電デバイスの開発だけでなくトータルでの電源システムの開発を実施し（低リーク、低待機電力）、屋内環境で世界最高レベル(他社開発品の2倍以上)の高効率な出力の自立電源を開発■ 実データに基づく他社との優位性比較
他社との比較（優位性）
500ルクス環境での平均出力
GSN(ローム)
19-21μW/cm2の自立電源
他社
8-9μW/cm2の自立電源

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４．ネットワーク・応用分野■ 小型・メンテナンスフリーなワイヤレスセンサネットワーク端末

搭載センサ（既存品）
・温度、湿度、気圧、照度

センサノード20台分(送信側)とPC(受信)との通信検証
ノードが無線送信する時間を各ノードに割り当てる事で、混線する事無く、20ノード全てのセンサ情報をPCに受信させる事を確認

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４．ネットワーク・応用分野■ 小型・メンテナンスフリーなGSN端末(中小スマートオフィス実証)

10％以上の省エネに貢献
省エネ以外への貢献の可能性
・生産性向上（作業効率改善）
・ヘルスケア（活動度モニタリング）・インフラモニタリング、等
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５．まとめ■ 2cm×5cmの超小型高効率屋内用自立電源を開発
・1.8V出力型自立電源、3V出力型自立電源■ 蛍光灯500ルクス下での自立電源の平均出力の目標値達成
・1.8V出力型で166.1μW

・3V出力型で150.7μW

目標値：
2cm×5cmの自立電源で蛍光灯500ルクス下で平均出力150μW以上■ 自立電源駆動GSN送信機/GCON受信機(920MHz)を開発し、中小スマートオフィス実証用に提供(送信機計46台/受信機2台)■ その他、各GSN実証に自立電源、GSN送信機/GCON受信機提供

ＮＭＥMＳ技術研究機構