特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─5

センサネットワーク用低電力アナログフロントエンド回路技術の開発

藤森司

技術研究組合 NMEMS 技術研究機構／（株）日立製作所

センサネットワーク，アナログフロントエンド回路，アナログ ─ ディジタル変換回路，ディジタル補正減する技術として，環境発電技術が注目されている。振1．はじめに動（1），熱，室内光などの環境中に存在するエネルギーで動CO2 排出量削減への世界的な関心の高まりなどを背景作可能な，バッテリーレス無線センサノードを実現できれに，各種機器・設備の省エネルギー化の重要性が高まってば，メンテナンスフリーな低ランニングコスト無線センサいる。その省エネルギー化の有力な方法の一つに，センサネットワークが構築可能となる。

を活用した「見える化」がある。多数個のセンサを活用

このような背景に基づき，筆者らは，各種の店舗やオフし，機器ごとの消費エネルギーや，温湿度などの環境情報

ィス，工場などの環境やエネルギー消費量などの見える化を「見える化」し，「見える化」した情報に基づいた，各を実現し，省エネルギー化（グリーン化）を推進する，環種機器・設備の最適コントロールを実現することで，省エ境発電を用いた無線センサネットワークシステム「グリーネルギー化が期待できる。

ンセンサネットワークシステム」の実現に向け，研究を行

このような，センサによる「見える化」の実現には，セ（3）。図 1 に「グリーンセンサネットワークシスっている（2）ンサを搭載した小型の無線端末（無線センサノード）を用テム」の概略図を示す。無線センサノードは，環境発電でい，配線レスでセンサからの情報を収集できる無線センサ得られたエネルギーのみを用い，センサにより環境情報をネットワーク技術の適用が有効である。これは，多数個の取得し，アナログフロントエンド回路で信号処理（増幅・センサを設置する場合，有線で設置する場合と比較して，アナログ ─ ディジタル変換）を行い，無線で送信する。送設置場所に対する制限が少ないこと，また，設置工事にか信された環境情報は，受信機を通してネットワーク上で処かわるコストが小さくなる，などの点で有利だからであ理され「見える化」と制御へのフィードバックを行う。
この「グリーンセンサネットワークシステム」を実現する。
しかしながら，無線センサネットワークの導入は一部のるうえで，最も大きな技術課題は，環境発電による微小か分野に留まっており，広く普及するには至っていない。普

つ不安定なエネルギーで動作する無線センサノードの実現及を妨げている大きな要因の一つに，ランニングコストのである。環境発電はさまざまな方式が提案されており，発高さが挙げられる。既存の無線センサネットワークでは，電効率は増加してきているが，環境中に存在するエネルギ

各無線センサノードに対し，数か月〜数年ごとに電池交換

ーの小ささから，その手段・方式によらず，発電量は微小などのメンテナンスが必要である。多数個の無線センサノなものとなる。そのため無線センサノードで活用可能な数ードを設置した場合，メンテナンスにかかわるコストが甚

cm 程度の大きさの環境発電素子では，おおむね数 µW 〜大となってしまう。

100 µW 程度の微小なエネルギーしか得られないのが現状

この，無線センサネットワークのランニングコストを低である。また，定常的にエネルギーが得られる環境は一般

室内照明等
環境エネルギー

機器・設備の低電力化制御

蓄積・見える化

環境発電素子・蓄電素子
機器 / 環境情報（消費電力・温湿度・赤外線・ガス等）

センサ増幅アナログディジタル
変換

符号化
無線送信

受信機

情報ネットワーク

信号処理

図1218

グリーンセンサネットワークシステムの概略図© 2013 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─5

センサネットワーク用低電力アナログフロントエンド回路技術の開発に少ないことから，不安定なエネルギー供給となるため，減することが有効と考え検討を行っている。具体的には，使用できるエネルギーはさらに限られた量となる。一方

センサ測定の短時間化，および，アナログ ─ ディジタル変で，数 m 以上の距離の無線送信を行うには，短時間では換結果へのディジタル補正技術，の二つを適用した低電力あるが，少なくとも数 10 mW 級のエネルギーを消費すアナログフロントエンド回路を開発している。以下，このる。また，センサおよびアナログフロントエンド回路も，二つの検討内容について，概要を述べる。

一般に数 mW 以上のエネルギーを消費するものが多い。

2.2

アナログフロントエンド回路の短時間動作化

よって，微小かつ不安定な環境エネルギーを用いた無線セ無線センサノードの動作に最適化した回路システムを構

ンサノードを実現するためには，その構成要素すべての消築するため，センサ測定の短時間化の検討を行っている。

費電力を極力，低電力化するのと併せて，蓄電や間欠動作

図 2（a）は，一般的な無線センサノードで 1 回のセンサなどのシステム動作を環境発電に最適化し，微小なエネル測定を行う際の，消費電力の時間変化の模式図である。横ギーを効率よく活用することが必須となる。また，その無軸が時間，縦軸が消費電力であり，センサ測定にかかわる線センサノードの動作に合わせて，ネットワークシステム総消費電力は面積に比例する。大部分の時間は，スリープ全体を構築・最適化することも必要である。

状態になり，消費電力を節約する。測定を開始すると，セ

本稿では，上記の技術課題を解決するために，我々が開ンサおよび増幅回路などの各回路は大きなエネルギーを消発している要素技術の一つである，低電力アナログフロン費し始める。そして，センサや増幅回路が安定してから，

（3）
（4）

トエンド回路技術について述べる。

2．アナログフロントエンド回路の低電力化
2.1

アナログフロントエンド回路

アナログ ─ ディジタル変換を行い，変換完了後，再び，スリープ状態に移行し消費電力を節約する。
このセンサ測定にかかわる一連の動作を踏まえると，アナログフロントエンド回路の動作時間を短縮することは，我々は，「グリーンセンサネットワークシステム」の無消費電力の削減と同時に，動作するセンサの消費電力も削

線センサノードの必須の構成要素である，アナログフロン減することになり，無線センサノード全体の低電力化に大トエンド回路の低電力化に取り組んでいる。開発しているきく貢献できる。図 2（b）に筆者らが目指している動作

アナログフロントエンド回路は，各種センサの出力するアナログ信号を増幅し，アナログ ─ ディジタル変換する回路

消費電力（ADC）である。アナログフロントエンド回路の性能は，無線センサノードによる測定の精度を決定付けることになアナログディジタル変換回路る。そのため，無線センサノードを実用的なものにするには，測定対象を踏まえた必要十分な精度を有することが必要である。また，測定した信号をディジタル化すること

増幅回路・電源回路等

は，無線送信を行ううえで必須となる。
センサ

我々は，環境発電の発電量を踏まえ，アナログフロントエンド回路の消費電力の目標を，1 秒間に 1 回のセンサ測Sleep

定時で 10 µW 以下とした。また，「グリーンセンサネットワークシステム」で適用する温湿度，消費電流，赤外線，センサ測定（〜msec）

Sleep

Time（a）一般的な無線センサノードの測定動作
消費電力

ガスなどのさまざまなセンサに対応することを踏まえ，測アナログ
ディジタル変換回路

定精度はフルスケールに対し約 0 . 05% 以下（11 bit 以上）を目標に開発している。
この目標を達成するために，我々は，無線センサノード増幅回路・電源回路等の動作に最適化した回路システムを構築することを検討している。一般に，アナログフロントエンド回路の，精度やセンサ測定速度といった性能は，消費電力とトレードオフの関係にある。そのため，通常の回路低電力化の手法のみでは，Sleep

目標達成は難しい。目標達成のためには，無線センサノードの発電量，蓄電時間や無線送信頻度などを踏まえた回路システムを構築し，無線センサノードの平均消費電力を低電学誌，133 巻 4 号，2013 年

センサ測定（〜msec）

Sleep

Time（b）動作時間の短縮化による低電力化

図2

センサ測定にかかわる消費電力の模式図219

特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─5の模式図を示す。センサを起動後，安定するのを待ってかかかわる電力を従来比 50% 以上削減できる見通しである。

ら，増幅回路等を起動する。増幅回路が安定した後，アナ2.3

センサ測定結果のディジタル補正による低電力化

ログ ─ ディジタル変換を行い，変換完了と同時にセンサお次に，ADC へのディジタル補正技術の適用による，低よび増幅回路等の電源を遮断する。このように，センサお電力化について述べる。前項までに述べた目標仕様を達成

よび回路の動作時間を最小化することで，センサ測定動作するためには，11 bit 以上の精度を有し，1 µsec の変換速全体の低消費電力化を目指している。

度を有した ADC が必要である。しかしながら，ADC のこのコンセプトの下，アナログ ─ ディジタル変換回路

変換精度および変換速度と消費電力は，一般に比例関係に（ADC）の低電力化と併せて，変換時間の目標を 1 µsecある。このことから，上記性能を市販の ADC で構成したとした。また，増幅回路，ADC，センサの各電源を制御場合，数 10 mW 程度の大きな消費電力となってしまう。

する回路を集積し，動作安定時間を含む，アナログフロン

我々は，ADC の消費電力を削減するために，ディジタトエンド回路の起動から終了までを 500 µsec 以下で完了

ル補正技術を用いることを検討した。近年，ディジタル補を目標に，開発を行っている。これにより，センサ測定に正技術は，ADC の高分解能化，高速化や，微細 CMOS 回路の適用などを目的として，さまざまな方式が提唱されてADC 誤差の補正値（事前に計算しておく）
試験信号生成回路

アナログ信号

図3

ディジタル補正演算回路

で，ADC の変換誤差を補正する方式（5）を適用し，低電力化を検討している。

（低精度な）
ディジタル値
低電力
ADCいる技術である。筆者らは，その中でも比較的簡素な回路

高精度（約 12 bits）
ディジタル値・分解能：14 bit
・測定精度：10 bit

図 3 に，ディジタル補正技術による低電力化手法の概略を示す。この回路システムは，低電力な ADC と，その変換誤差を測定するための試験信号生成回路，そして，変換誤差を補正するディジタル演算回路からなる。このディジタル補正技術による低電力 ADC の概略

ADC は，低電力化のため，比較的大きな変換誤差を有したままにしてある。この ADC の変換誤差を，集積した試験信号生成回路を使って事前に測定し，補正値を計算し記パワースペクトル密度（dBc）0憶しておく。センサからの信号を測定する際は，この記憶−20しておいた補正値を用いて，アナログ ─ ディジタル変換結

有効 bit 数 10 . 4 bit（SNDR 64 . 2 dB）−40

果を補正することで，必要な精度の変換結果を得ることができる。

−60

開発した回路では，ディジタル補正する前の段階で，変−80換精度は 10 bit 程度となるように設計している。すなわ−100−120

ち，この ADC は 10 bit 程度の変換精度を有する ADC と0.00.1

0.20.3
規格化周波数0.40.5

正計算は，単純な線形計算で実行でき，消費電力としては，ほとんど無視できる演算量であるが，変換精度を約 2パワースペクトル密度（dBc）（a）ディジタル補正前0bit 向上させることが可能である。よって，この方式を用−20いることで，変換精度 12 bit 程度のアナログ ─ ディジタル変換を，10 bit 相当の消費電力で実現できることになる。

−40

有効 bit 数 12 . 4 bit（SNDR 76 . 7 dB）

図 4 に，試作したディジタル補正機能付きの ADC を評−60

価 し た 結 果 と し て，ADC に，8 kHz，2 . 2 Vpp（ 差 動 入−80力，フルスケールの約 90％）のサイン波を入力した際のアナログ ─ ディジタル変換結果のパワースペクトル密度を−100−120

図4220同等の消費電力を有することになる。また，ディジタル補示す。図 4（a）は，ディジタル補正前のパワースペクト
0.00.10.20.3
規格化周波数0.40.5ル密度であり，ディジタル補正前の有効ビット数は 10 . 4bit と見積もられた。次に，図 4（b）は，図 4（a）と同一（b）ディジタル補正後の信号に対し，ディジタル補正演算を行った後のパワースディジタル補正機能付き ADC の評価例

ペクトル密度である。ディジタル補正後の有効ビット数は
IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

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センサネットワーク用低電力アナログフロントエンド回路技術の開発

ナログフロントエンド回路の LSI 試作結果について述べ増幅回路る。試作したアナログフロントエンド LSI のチップ写真
LOGIC 回路を図 5 に示す。0 . 13 µm の CMOS プロセスで作製し，チップサイズは 3 × 3 . 3 mm である。また，コア動作電圧はバッファ回路

ディジタル補正機能付き
アナログ ディジタル回路

1 . 2 V，最大クロック周波数は 20 MHz である。また，表1 に，開発したアナログフロントエンド LSI を構成する各回路の消費電力を測定した結果を示す。
試作したアナログフロントエンド回路を用い，毎秒 1 回のセンサ測定動作時の平均消費電力を測定したところ，
1 µW 程度であった。これは，環境発電を適用した無線セ

図5

試作したアナログフロントエンド LSI のチップ写真
表1

アナログフロントエンド LSI の消費電力ンサノードで用いるのに，十分な低電力性能だと考える。

3．おわりに消費電力

環境発電のエネルギーで動作する無線センサノードを実ロジック回路

0 . 0 mW

現する要素技術の一つとして，低電力アナログフロントエ

基準電圧生成回路

1 . 2 mWンド回路を開発している。センサ測定動作の短時間化と，クロック生成回路

0 . 2 mW

増幅回路

2 . 5 mW

ADC

2 . 5 mW

合計

6 . 4 mW

平均消費電力（1 sample / sec）

約 1 µW

回路ブロックアナログ ─ ディジタル変換回路へのディジタル補正技術を用いた，無線センサノードの動作に最適化した回路システ
ム構築による低電力化を目指している。開発した回路のLSI 試作を行い，平均消費電力を測定した結果，毎秒 1 回の測定時で，1 µW 程度の平均消費電力であった。これ

12 . 4 bit まで向上しており，期待どおり，ディジタル補正は，環境発電を用いた無線センサノードを実現するのに，により高精度化できていることを確認できた。また，その十分に小さな消費電力のアナログフロントエンド回路であ消費電力は，連続動作時で約 2 . 5 mW であった。これは，ると考える。

10 bit の既存 ADC と同程度の消費電力であり，ディジタル補正による低電力化の効果も確認できた。

〈謝辞〉 本研究は，独立行政法人新エネルギー・産業技術

2.4総合開発機構（NEDO）の共同研究業務の結果得られたもアナログフロントエンド回路の試作結果

最後に，前項で述べたディジタル補正 ADC を含む，ア

文 献（１）R. Elfrink, et al. : “First Autonomous Wireless Sensor NodePoweredby a Vacuum-Packaged Piezoelectric MEMS Energy Harvester”,
IEEE International Electron Devices Meeting, pp.543─546（2009）（２）独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構：「グリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクト」
http://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP̲100021.html（３）技術研究組合 NMEMS 技術研究機構：「グリーンセンサ・ネットワー
クシステム技術開発プロジェクト」http://www.nmems.or.jp/gsnpj/（４）T. Fujimori etal. : “Low-Power Analog-Front-End Circuits with

電学誌，133 巻 4 号，2013 年のである。

Digital Calibration for Sensor Networks”, IUMRS-International
Conference on Electronic Materials（2012）（５）W. Liu, P. Huang, and Y. Chiu : “A 12b 22.5 / 45 MS / s 3.0 mW 0.059
mm2 CMOS SAR ADC Achieving Over 90dB SFDR”, ISSCC Dig.
Tech. Papers, pp. 380─381（2009）

藤森司

ふじもり・つかさ（正員）2003 年北海道大学大学院理学研究科物理学専攻修了。同年，（株）
日立製作所 中央研究所に入社。2011 年より，グリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクトに従事。

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