設備振動を電力に変換するワイドバンド振動発電技術の開発と適用株式会社竹中工務店 技術研究所
井上 竜太

１．はじめに近年、ありとあらゆるモノがネットワークに繋がる Machine to Machine(M2M) や、自律的な通信機能を持ったモノ同士が人を介さずに情報交換・自動制御を行う Internet of Things(IoT，モノのインターネット)への期待が高まっている。しかし、期待の高まりに呼応して、これらのモノに取り付けられる膨大な数のセンサへの配線による電源供給や電池交換が、センサーネットワーク社会の実現，普及への大きな課題として取り上げられることも多くなってきた。
この問題を解決する技術として注目を集めているのが、今まで注目されることなく捨てられてきた光，振動，熱，電磁波などの環境中に希薄に分散しているエネルギーから電力を得る「エネルギーハーベスティング」技術である。得られる発電量は数μW 程度にとどまるが、近年、センサや無線通信機などの小型電子機器の低消費電力化が進んだことで、この微小な電力でも十分活用できるアプリケーション例の登場が徐々にみられるようになってきた 1)〜7)。
本稿は、振動をエネルギー源とする振動発電に関して、空調ダクトや設備機器などの設備振動を電力に変換するワイドバンド振動発電技術の開発と適用について報告するものである。以降 2 章では、振動発電の特徴，課題について述べる。3 章では、空調ダクトの振動を利用するシステムを取り上げ、ダクトの振動性状や利用する上での課題について述べるとともに、課題を解決すべく開発した発電デバイスやセンサモジュールについて紹介する。4 章では、実稼働オフィスのダクト振動から得た電力でセンサモジュールを駆動し、温湿度の測定およびデータの無線送信ができることを確認した環境モニタリング検証試験について述べる。5 章では、加速度センサへの電源供給の実現性および設備機器や土木構造物などのインフラの健全性モニタリングの可能性について述べる。
２．振動発電とは
表1 ハーベスティング可能なエネルギー量
振動をエネルギー源とする振動発電は、取り出すこと単位面積当たりのエネルギー源
具体例
エネルギー量ができるエネルギー密度が他のエネルギー源に対して振動
人，機械，橋梁，建築物
10‑4 〜10‑3 W/cm2高いという特徴を持っている。表 1 に示すように、直射直射日光
10‑1 W/cm2
光
日光は別として、振動発電は他のエネルギー源に比べて照明，室内日光
10‑4 W/cm2
10〜100 倍の抽出可能なエネルギーを潜在的に有して熱体温，車の廃熱
10‑5 W/cm2
いる 1)〜4)。また、太陽光や風に比べ得られるエネルギー
電磁波
放送波，無線LANの電波
10‑6 W/cm2
量は微小であるが、振動は自動車，鉄道，機械，人などが動く度に必ず発生するため、気象や天候に左右されないエネルギー源であるともいえる。
振動発電に関する研究開発は、大学や電子デバイスメーカで行われており 1)〜3)，5)〜12)、それらの発電方式は基本的には以下に示す 4 分類のいずれかに属される。
①電磁誘導：磁石とコイルの相対移動による磁束変化で発電する方式②圧 電：圧電素子に応力を加えることで起電する圧電効果を利用した方式③静電誘導：電荷を帯びた基板と，その基盤に対向する基板の相対移動により発電する方式④磁 歪：応力を加えることで発生する金属内部の磁場の変化のうち外部への漏れた分を巻き付けたコイルを通じて電気に変換する方式
いずれの方式においても、一般的な振動発電デバイスは、基本的に一質点系の振動モデルの構造を有しており、振動源の振動数が質点系の固有振動数と一致し共振した時には大きな発電量が得られる反面、振動源の振動数が共振から外れた時に発電量が低下するという弱点も併せ持っている 1)〜3)。

1

一方で、様々な環境下で発生している実際の環境振動は、振幅や振動数が一定のものは少なく、ほとんどがランダム性を有している。設置環境ごとに性状が異なる振動源に対して発電デバイスの発電特性をいかにマッチングさせるかが、振動発電の実用化への最大の課題といっても過言ではない。
振動発電の代表事例としては、スイッチを押すことで振動を発生させ、そのエネルギーから得た電力で無線信号を送信する無線スイッチが挙げられる 1)〜3)，13)，14)。海外を中心に、主に照明の On/Off信号や、カードキーの差し込みによるホテル客室扉の開閉信号などへの適用が報告されている他、国内でもデバイス開発が進められている。また、人の歩行などの動作で床パネルを加振した際に電気を発生させる床発電システムについても駅改札での試験 9)，15)やスポーツ施設への適用 16)などの例が報告されている。しかし、これらの事例のように、発電デバイスに人力を直接加えることによって強制的に振動を発生させた例は報告されているものの、上述の共振に係る理由から、日常的に発生している環境振動を振動源として利用した例は見受けられない。

加速度（mG0-P）

加速度（mG0‑P）

加速度（mG0‑P）

３．ワイドバンド振動発電技術の開発
建物内のどこにでも在る環境振動によってセンサの電源が確保できれば、エネルギー源を人の触る所に限定する必要がなくなり、振動利用の選択肢や用途をさらに広げることができる。そこで筆者は、発電デバイス側で発電できる振動数帯域のワイドバンド化により、微小かつランダムな環境振動による発電の実現を目指すこととした。
３．１ 建物の至る所に存在する振動源（空調ダクト）の振動特性
発電デバイスのワイドバンド化の目標を定めるために、建物の至る所に存在する振動源として空調ダクトを選択し、実稼働中のオフィス，機械室，倉庫において、ダクト 19 箇所の振動調査を実施した。
図 1 に、調査結果の例として、2 箇所（ダクト A，B）
60で測定した加速度波形の FFT 周波数分析結果を示す。
20.4HzダクトＡ50図中▼で示した最大ピークの振動数について比較す
14.6Hz4024.4Hz
ると、ダクト A が 20.4Hz であるのに対し、ダクト B
3043.9Hzでは 34.3Hz となっており、倍率にして約 1.7 倍の差2010が生じている。最大ピークの他に、加速度が 10mG を0超えるピークを図中▽で示したが、最大ピークと同様、1020304050607060 0振動数（Hz）
ダクトＢ
ダクト A，B のピークで同じ振動数のものはなくばら5040ついている。これらの振動数のばらつきは、鋼板の大34.3Hz
33.5Hz30
きさ，リブ間隔，吊りピッチなどのダクト側の振動特22.5Hz20性や、回転数などの送風機側の特性との共振具合など10に起因して発生していると考えられる。
0010203040506070
図 2 に、全 19 箇所のダクトの測定結果のうち、加振動数（Hz）
図1 空調ダクト振動の周波数分析結果例
速度 10mG 以上のピークを抜きだす形でプロットした
1000
加速度と振動数の分布図を示す。図中、最大ピークを●：最大ピーク●で示し、それ以外のピークを○で示した。10mG 以上○：10mG以上のピークのピークは 8Hz〜68Hz の広帯域に分布し、最大ピーク100に限っても 16Hz〜38Hz（倍率 2.4 倍），11mG〜120mG と広帯域に分布している。
10この結果から、少なくとも、最大ピークの振動数分布範囲をカバーできるワイドバンドな発電特性と、加速度 10mG 程度でもセンサ，無線通信の電源を供給で1きる電力が得られる発電能力の両方が、空調ダクトを010203040506070振動数（Hz）振動源として利用する発電デバイスに求められる性能
図2 空調ダクトの振動分布であるといえる。

2発電量（μW）

1 質点系
2 質点系
３．２ ワイドバンド振動発電デバイス
発電量
2質点系
発電量
空調ダクト用の発電デバイスの発電方式には、電振動(大)発電量(大)(大)
帯域磁誘導を採用した。一般的な電磁誘導型の発電デバ 振動 発電量
(広)
発電部
(小)
(小)
イスは、磁石またはコイルをバネ材で支持した 1 質振動
発電部
増幅機点系で構成され、デバイスと振動源の振動数の一致
1質点系
構造体(共振)時には大きな発電量が得られるよう設計さ振動(小) （振動源）
振動(小)振動数れる。しかし、不一致時には発電量が著しく低下す
図3 2質点系の構成と効果（概念図）る弱点を併せ持っている点は先述の通りである。
振動発電
デ バイス
今回、広帯域に分布するダクト振動に対して発電直径：91㎜
デバイスのワイドバンド化を図るため 2 質点系の高さ：37㎜構成を用いた。図 3 に、2 質点系の構成と効果の概念図を示す。発電部や振動増幅機の質量や剛性のバランスによって、発電量の向上や帯域のワイドバンド化が実現可能となっている。写真 1 に、開発した振動発電デバイスを示す。発電デバイスは、発電デ無線センサモジュールバイスとして許容される寸法，重さ，ダクトの振動（温湿度センサ内蔵）特性とのマッチングなどを考慮し設計した。
写真1 振動発電デバイスと無線センサモジュール
発電デバイスの発電特性を、図 4 に示す。図には、[ 設計・開発協力：ミツミ電機 ]100振動台上に発電デバイスを設置し、様々な振動数で微小振動10mG0-P時のデータ※データ提供：ミツ ミ電機
10mG0‑P の振動を与えた時の発電量を示した。発電特10性は 2 質点系特有の二峰形の形状となり、12Hz〜41Hz の範囲で極小値 2μW 以上の発電量が得られる2μW以上をキープようになっている。すなわち、本デバイス 1 台で、1ダクト振動の最大ピークの振動数範囲を包含するワイドバンドな発電特性を有している。
0.101020304050３．３ 低消費電力型無線センサモジュール
振動数（Hz）
発電デバイスのワイドバンド化により、建物の至図4 振動発電デバイスの発電特性
床ス ラブ
天井懐る所に存在する空調ダクトを電源として利用できる可能性が広がった。この電源を利用する用途とし
ダク ト 振動空気の流れては様々なものが考えられるが、ここでは一例として、図 5 に示すようなオフィス空間における温湿度振動発電
デ バイスなどの環境モニタリングを行うセンサモジュール
無線センサ
R F 受信機
モ ジ ュールについて述べる。
居室空間
図 6 に、センサモジュールのブロック図を示す。
空調制御
センサモジュールは、整流回路，コンデンサ，電源
シ ス テム
監視回路，DC‑DC コンバータ，温湿度センサ，RF‑ICで構成される。RF‑IC の通信方式は、汎用性や低消費電力性を考慮し ZigBee Green Power の規格に準
図5 オフィス空間の温湿度モニタリングのイメージ拠したものとした。発電デバイスによって得られた発電デバイス
センサモジュール
交流電力は、まず、整流回路を通じて直流に変換さ整流回路
れコンデンサに蓄えられる。次に、コンデンサの蓄DC-DC
コンデ 電圧監視
電電圧が 1.4V を上回ると DC‑DC コンバータが起動
コンバータ
ンサ
回路：蓄電電圧
し、電圧 2.2V が温湿度センサと RF‑IC に供給され、
温湿度：DC-DC出力電圧（2.2V）
RF-IC
センサ
：信号
温湿度データの取得と送信が実行される。一回のデ
図6 センサモジュールのブロック図ータの取得と送信に 450μJ の電力量が必要である。

3

データの取得と送信の時間間隔は、モニタリングする居室の用途などに応じて任意に設定することができる。設定した時間の間に 450μJ 以上の電力量が供給されれば、空調稼働時にはセンサモジュールは停止することなく稼働し、データを送り続けることができる。上述の発電デバイスを 10mG 程度の振動環境下に 5 分間設置して得られる発電量は 600μJ(＝2μW×300 秒)以上であり、急激な温湿度変化が生じないオフィス空間において 5 分間隔のモニタリングなどが行える仕様となっている。
空調停止によってダクトからの振動エネルギーの供給が途絶えた場合には、コンデンサに蓄電された電力によってセンサモジュールを駆動させ、コンデンサの電圧が 0.9V を下回った時点で停止するようになっている。空調稼働時だけ温湿度などを把握する環境モニタリングの用途であれば、本センサモジュールは十分に役割を果たすことができる。空調停止時にもデータの収集が必要な場合は、停止期間にもセンサモジュールを駆動し続けさせる容量を持ったコンデンサが必要となる。

8,000

350

４．空調ダクトの振動利用による温湿度モニタリング検証試験
空調ダクトの振動により電源を供給されたセンサモジュールによって温湿度モニタリングができ発電デバイス発電デバイス（ダク ト上面に設置）ることを検証するため、平面寸法 48m×8m の実稼
加速度センサダクト働オフィスにおいて試験を行った。検証試験の実施状況として、写真 2 に天井懐側のダクトおよび発電デバイスの設置状況を、写真 3 にオフィス空間側ダクト上面の様子を示す。
写真2 検証試験の実施状況
４．１ センサモジュール駆動，通信の確認
無線センサ
空調吹出口
検証試験の結果、ダクト振動からの電源供給によモジュールりセンサモジュールの駆動が確認できた箇所を、図 7に示す。 無 作 為 に 選 ん だ 天 井 懐 内 の ダ ク ト の92%(12/13 箇所)において空調吹出口の温湿度デー
無線センサ
モジュールタを測定できることが確認，検証できた。
写真 4 に、データ受信機およびモニタリングソフ
ト画面を示す。センサモジュールから送信された温湿度データは、受信機(USB ドングル)にて受信され、8m×48mの実稼働オフィスPC に保存される。モニタリングソフトにて保存デー
写真3 実稼働オフィスの実証試験
タを参照し、現在の温湿度や履歴を確認することが12,00012,000
12,0006,0006,000できる。現時点の試作システムでも、センサモジュール 4 台のデータを保存，表示することが可能で、将来的にはさらに対応台数を増やす予定である。
：モジュール駆動NG：モジュール駆動OK
振動発電による電源供給と並んで、無線によって図7 実稼働オフィスの検証試験の結果データを送受信できる通信距離やその信頼性の確認は、検証すべき重要な項目である。今回、敢えて
温湿度温湿度(現在)(履歴)
厳しい通信条件として、軽鉄下地で吊り下げられた天井懐内のボード上側にセンサモジュールを移設した場合についても、通信テストを実施した。そのデータ受信機
結果、天井懐のセンサモジュールから送信されたデータを、30m 離れたオフィス空間内において 100%の受信率で受信できることが確認できた。意匠的に送信アンテナを室内側に設けることができない場
写真4 データ受信機およびモニタリングソフト画面
合でも、同一室内であれば、天井懐内と居室の間で[ 設計・開発協力：ミツミ電機 ]十分にデータ送受信ができることを実証した。

4600

設置前

400

加速度（mG）

４．２ 発電デバイス設置前後のダクト振動
本試験では、写真 2 に示すように加速度センサを設置し、発電デバイスの有無によるダクト振動の違いについても測定を行った。加速度波形を図 8 に、FFT 周
波数分析結果を図 9 に示す。主に 17Hz〜21Hz および27Hz の複数の振動数成分の振動が電力に変換されて小さくなっており、ワイドバンドな発電特性を持つ本発電デバイス特有の効果が表れている。

設置後

2000‑200‑400‑6000123456時間（sec）

78910

図8 発電デバイス設置前後のダクト振動の波形
60電力に変換された振動エネルギ

505赤外線

人感(焦電)

３軸加速度

ＣＯ２湿度

大気圧

環境光

温度

消費電流

加速度（mG0‑P）：設置前
５．温湿度モニタリング以外の用途への適用検討
40：設置後30
５．１ 加速度センサへの電源供給
20
本技術が電源を供給できるセンサは、温湿度セン10サに限らない。図 10 に、各種センサの消費電流の目
0010203040506070安 6)を示す。いずれのセンサも、温度センサよりは振動数（Hz）
図9 発電デバイス設置前後のダクト振動の周波数分析結果
消費電流が大きいが、センシングの頻度や駆動時間が少ない用途であれば振動発電でも十分に駆動させ環境モニタリング
動作検出
10mAることができる可能性がある。
1mA
ここでは、様々なセンサの中から、特に、インフラの健全性モニタリングへの活用が期待されている100μA
加速度センサを取り上げる。図 10 を参考に、仮に消10μA
費する電流を 200μA，電圧を 2V とすると、1 分間の駆動に必要な電力量は 24,000μJ となる。発電デバ
1μA
イスを 10mG の振動環境下(発電量 2μW)に設置した
100nA
場合にはこの電力量を 200 分で供給できる。
５．２ インフラの健全性モニタリングの可能性
加速度センサのインフラへの適用用途としては、
図10 各種センサの消費電流
まず、図 11 に示す回転機器の状態監視が挙げられる。 人が巡回して1 日に 1 回程度の頻度で、1 分間の加速度波形が計測 目・耳・測定で判断(人件費の発生）無線信号 （異常検知情報）
できれば、経年劣化による軸ブレなどの検知が可能
加速度計などであり、振動発電での電源供給が十分可能な頻度，発電デバイス
・・・
振動数一定駆動時間となっている。本技術を適用することで、（振動源）[振動発電＋動作モニタリング]
従来は人が巡回し判断していた機器の維持管理の省 [従来の点検方法]
図11 回転機器の動作モニタリング
力化を図ることができる上、発電の履歴などから機器の実稼働時間の記録を参照することで、適切な時期に部品交換や機器更新を行えるようにもなる。
回転機器の状態監視の用途では、エネルギー源としてダクト振動ではなく監視対象の機器振動から電力を得た方が効率的である。そこで、写真 5 に示す設備(A)熱源ポンプ(B)冷却塔機器について振動測定を実施した。結果を図 12 に示す。ピーク振動数は異なるものの、いずれの設備機器でも 10mG0‑P の以上の振動が発生していることがわかる。この結果と、本振動発電デバイスの発電特性および 5.1 にて述べた電力量から、機器の振動から加速度センサの電源を供給し、状態監視を行える可能性は十(C)冷凍機(D)送風機
写真5
設備機器の振動測定状況分にあると考えられる。

70

加速度（mG0‑P）

加速度センサは、機器以外にも、橋梁，トンネル63mG
ポンプ60などの土木構造物のモニタリングへの活用も期待
冷却塔
50冷凍機
されている。これらのモニタリングには、①構造物
40送風機のデータを正確に把握するセンシング，②センシン
3019mG
グしたデータから構造物の状態を判定する解析技
14mG
13mG
20
術，③取得したデータを正確にサーバに送る無線通13mG
10
信，④センサや無線を駆動するための自立電源、の00102030405060
4 要素が求められる 6)，7)。①，②の面で解決すべき振動数（Hz）
課題が多く残されている現状ではあるものの、本稿
図12 設備機器の振動測定例で紹介した振動発電技術は③，④において一定の価値を提供できるものであり、今後、土木構造物の健全性モニタリングなどへの適用も図りたい。

70６．おわりに
本稿では、ワイドバンド振動発電デバイスおよび低消費電力型センサモジュールを開発し、空調ダクトの振動を温湿度センサの電源として利用して環境モニタリングを行った検証試験について述べた。また、加速度センサへの電源供給の実現性を示すとともに、加速度センサを用いた設備機器や土木構造物などのインフラの健全性モニタリングの可能性について述べた。
エネルギーハーベスティングに関する研究開発の例は国内外で多数見受けられるようになってきたが、今まで電力として利用できなかった微小かつランダムな環境振動をセンサ電源として利用可能とする本技術は、海外を含めて例をみない先駆的な取り組みであると捉えている。また本技術は、本稿で例示した用途以外にも、建設，設備やインフラの管理，防災，セキュリティ，交通，流通など様々な分野に展開できる汎用性と可能性を持っている。Machine to Machine（M2M）や Internet ofThings(IoT，モノのインターネット)の実現に向け、膨大な数のセンサへの電源供給が大きな課題と考えられる中、今後も本技術の適用を進め、産業発展に貢献したい。
[参考文献]
1)鈴木雄二監修：環境発電ハンドブック，エヌ･ティー･エス出版，2012.11
2)桑野博喜監修:エネルギーハーベスティング技術の最新動向，シーエムシー出版，2010.10
3)久米秀尚：エネルギー・ハーベスティングで「ローパワー」から「ノーパワー」へ，日経エレクトロニクス，No.1038，pp.67‑75，2010.9
4)Tony Armstrong：エネルギー・ハーベスティング電源回路の効率向上がカギ，日経エレクトロニクス，No.1047，pp.83‑90，2011.15)野澤哲生：環境発電の省エネが進展 1μW 以下で動作可能に，日経エレクトロニクス，No.1065，pp.73‑80，2011.96)久米秀尚，中道理：朽ちないインフラ 電子技術が建造物を守る，日経エレクトロニクス，No.1106，pp.23‑39，2013.47)久米秀尚：インフラ監視 期待と現実，日経エレクトロニクス，No.1106，pp.49‑57，2013.88)堀口睦弘：圧電振動発電技術の紹介，計測技術，2011 年 5 月号， pp.35‑38，2011.59)速水浩平著：振動力発電のすべて，日本実業出版社，2008.110)鈴木雄二：エレクトレットを用いた静電誘導型 MEMS 発電器，静電気学会誌，Vol.35

No.5，pp.197‑202,2011.911)上野敏幸：磁歪材料を用いたマイクロ振動発電素子，ケミカルエンジニヤリング，Vol.5612)上野敏幸：磁歪材料を用いた振動発電，日本磁気学会誌まぐね，Vol.6No.1，pp.39‑44,2011.1

No.3，pp.140‑145,2011.613)EnOcean 社ホームページ： http://www.enocean.com/
14)河合基伸：用途広がるエネルギー･ハーベスティング，日経エレクトロニクス，No.1065，pp.151，2011.915)小林三昭他：環境発電「床発電システム」の開発，アーバンインフラ･テクノロジー推進会議 第 21 回技術研究発表会，A216)小林三昭他：床発電システムの一般施設・スポーツ施設への適用，アーバンインフラ･テクノロジー推進会議 第22回技術研究発表会，A5[備考]
本稿は、空気調和･衛生工学 第 87 巻 第 2 号および 2013 年度日本建築学会大会にて発表済みの内容を含んでいる。

6