見えた！
グリーンMEMSセンサ端末の姿
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研究所
つくば研究センター伊藤寿浩

グリーンMEMSセンサ端末とは？
• 平均消費電力：< 150 μW• フットプリント：20 mm x 50mm以下（絆創膏サイズ）• フレキシブル化が可能（通信機能と温度センサが搭載された“本体”のサイズが3 mm角）
次の講演「出来てきたファブリック型自立電源」

自立電源を支える技術50
蓄
電量 25(mJ)00
センサ端末用LSI（1.2×3.0mm）

開発回路有り⇒300秒で蓄電開発回路無し⇒1100秒で蓄電

500

1000

時間（秒)
端末用LSIと自立電源による蓄電時間の実測例

エネルギーマネジメント回路を搭載したセンサ端末用LSIを開発
エネルギー利用効率の向上（従来比3倍）を実証

本体とアンテナ
昨年のNMB展の報告「見えてきた・・・・・」

「本体（モジュール）」を支える技術
Viaキャパシタ内蔵型Siインターポーザ

短電文化技術グリーンMEMSセンサの姿

非接触で電力使用量を可視化する
高感度電流・磁界センサの開発■ 無線対応が可能な100μ W以下の超低消費で駆動する、超小型でかつ高感度なセンサ■ ファクトリー等の現場で扱いやすく、高いSN比の実現する、センサ及び周辺デバイスの構造
低消費電力高感度ＭＲセンサ
磁界ＭＲセンサ＜特徴＞
ｹｰﾌﾞﾙを囲う構造により高精度に電流測定が可能

磁性薄膜

ＭＲセンサ構造体

磁界＜特徴＞
ｹｰﾌﾞﾙに貼るだけ電流測定ができる簡便性

電流試作・評価中の電流センサ構造例（ブースで展示）
ＮＭＥMＳ技術研究機構

今の姿■ ファクトリにおいて実証実験を実施し、提案した電流・磁界センサによって消費電流をモニタリングできることを実証（※有線端末）
実証対象装置（NC加工機）とセンサ設置のようす提案した電流・磁界センサ

消費電流モニタリング結果■ 自立電源と無線送信機を搭載した電流・磁界センサを試作
自立電源＆無線送信機を搭載した端末

無線送信機
電流・磁界センサ

出力（8bit）

太陽電池

出力特性
250
200
150
100500精度：±(0.5%FS + 2dig)

0102030
電流設定値 [A]ＮＭＥMＳ技術研究機構

40

イベントドリブン型塵埃量センサの開発
 空気の流れや気圧の変化を低消費電力で検出するトリガースイッチの開発
 無線通信機能を有するイベントドリブン型小型低消費電力塵埃量センサの開発
太陽電池
塵埃検出部

カンチレバー型
トリガースイッチ
処理回路・無線回路

イベントドリブン型塵埃量センサの構成
トリガースイッチによって必要なときのみ塵埃センサを動作させることにより、端末全体の待機時の消費電力を3μWまで削減

ＮＭＥMＳ技術研究機構

今の姿
 無線通信により測定結果をPC上にリアルタイムで表示できる
小型塵埃センサ端末を試作

端末ごとの塵埃量推移グラフ

端末ごとの塵埃量数値データ

試作した塵埃センサ端末の外観

PC上に表示される測定結果

ＮＭＥMＳ技術研究機構

イオン液体のCO2吸着を用いた低消費電力
CO2濃度センサの開発■ 研究のポイント
従来のCO2センサ(NDIR, 固体電解質)と比べ, ①低消費電力 (1/100～1000以下)②高速検出 (10s程度) ③小型化 (1cm×1cm)を実現したCO2センサを開発■特徴
・光源やヒーター用いない・ インピーダンス変化を利用したシンプルなセンサ

CO2 GasAbsorption

Impedance Measurement■イオン液体に着目
・CO2を特異的に吸着・導電性が高い・安定性が高いIonic-Liquid Gel
ＮＭＥMＳ技術研究機構

Au Electrode今の姿◆ CO2センサおよびセンサ端末

従来より計測時間が非常に短く,低消費電力なセンシングが可能！

CO2センサ (1cm×1cm)

40℃, 45℃のCO2濃度別のZ値

110000Z値 [Ω]

10000040℃
45℃
累乗 (40℃)
多項式 (40℃)
多項式 (45℃)

90000

80000

70000
0

CO2センサ端末 (2cm×5cm)

500

1000

1500
2000
2500
CO2濃度 [ppm]3000

分解能100ppmで検出可能※センサのみの消費電力

ＮＭＥMＳ技術研究機構

3500

センサネットワーク用VOC（揮発性有機化合物）濃度センサの開発■ゴール
環境中のVOCをモニタリングして排気システムに消費する電力を低減させるための低消費電力・小型・低価格のVOC濃度センサを開発する
VOC
sensor
VOCsensor■センサの原理
Gain

VOC吸着により共振周波数が変化する
共振周波数の変化をVOC濃度に換算する
VOC GasFrequency

InitialAdsorption

ＮＭＥMＳ技術研究機構

Release今の姿■VOC濃度センサモジュール（ VOC濃度センサ・低消費電力回路・無線IF回路）を開発した。
■トルエン暴露による共振周波数シフトの繰り返し再現性を検証した。
流路

VOC濃度センサモジュールの特徴
低消費電力（0.1mW）
小型（20(W)x50(L)x15(H) [mm3 ]）
低価格（¥1000-/センサモジュール）ワイド測定レンジ（100-5000ppm）

流路

25
Freuency shift [Hz]専用基板
無線IF回路0-25-50

Toluene:5000ppm,100sccm
Temperature: 23+/-2 C-750

VOC濃度センサモジュール

VOC濃度センサ

180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800
Time [sec]トルエン暴露による共振周波数シフトの短期繰り返し再現性(トルエン暴露：図中グレーゾーン）

ＮＭＥMＳ技術研究機構

人の数と動きがわかる
小型・低消費電力な人感センサの開発■ 研究のポイント：世界で初めてウェハレベル真空封止技術を活用した人感センサ向け小型＆高感度16x16素子非接触温度センサの開発［狙い］

省エネ効果［％］空調による省エネ手法

エネルギーロスの要因

夏期

中間期

冬期

必要なセンサ
温湿度①

不在エリアの設定温度緩和／停止（人検知による自動制御）

不在エリアの無駄運転

~13%

0%

~6% ○

②

CO2濃度にもとづく換気量制御

過剰換気（基準値：1000ppm）

~8%

0%

~8%

③

中間期の窓開閉ガイダンス（温暖な気候時の自然換気）

無駄運転

0%

~30% 0%○AA‘

ＮＭＥMＳ技術研究機構

人検知○○［センサの特徴］

ウェハレベル真空封止による赤外線センサ素子の高感度化

ＣＯ２○○

今の姿
ウェハレベル真空封止を利用した高感度赤外線センサの間欠駆動により、 小型・低消費電力な人感センサ部を実現【センサ端末の構造】【作製した端末】

間欠駆動により平均消費電力100uWを達成

5.0cm

赤外線アレーセンサ

1.6cm

人感センサ部

１回/min動作時の平均消費電力95uW（駆動電圧3.0V）

2.0cm

人検知基板

【人検知結果】（可視カメラ画像）

赤外線センサが高感度なため、少ない平均回数で人検知が可能（赤外線センサ熱画像）
人と検知される領域（赤色部）

無線、自立電源部（ローム殿提供）ＮＭＥMＳ技術研究機構＊赤外線センサ出力の平均回数0回

電力使用量「見える化」のためのセンサネットワーク用フレキシブル電流センサ■ 研究のポイント■ 敷設スペースを大幅に減少できる、「巻き付け式」
フィルム型電流センサを開発■ 小型(50mm×20mm)、フレキシブル(厚さ100μ m)（１）クランプ端末
センサ端末

クランプ50 mm
ケーブル
磁性コア
絶縁層20 mmコイル

開発したフィルム型電流センサ
貫通配線

ＮＭＥMＳ技術研究機構

今の姿

センサ
無線端末

無線端末

センサ
クランプ

ケーブル

電極

無線端末との接続

コイルの出力電圧(mV)
Output voltage (mV)

■ 無線端末と組み合わせることで、ワイヤレスセンサネットワークを構築■ コイルに発生する二次電流を活用して無線端末に給電
353025201510500204060
80
Primary
current
一次電流(A)(A)

100

センサの特性評価

ＮＭＥMＳ技術研究機構

実証を支える技術
 WiFiマルチホップ機能を開発。メッシュネットワーク構成でのコンセントレータ間データ転送を確認
 クラウドから３G／LTEを介して、コンセントレータを経由した空調機器アクチュエーションを実現 グリーンセンサ端末、受信機との接続を実施。クラウドへのセンサデータ送信を確認
デバイス環境

キャリア環境クラウド環境

センサデータの定期収集
コンセントレータ制御／管理
ＮＴＴデータクラウド

920MHz
無線
グリーンセ
ンサ無線

コンセントレータ
コンセントレータ

コンセントレータ

Internet

グリーンセンサ
端末

MVNO(OCN)

3G/LTENTTdocomo

WiFiマルチホップ
コンセントレータ間転送

スマートコンビニ

スマートオフィス

コンセントレータ
アクチュエーション
簡易メンテナンス
空調機器

コントローラスマートファクトリスマートコンビニへの社会実装
グリーンセンサによる省エネ対策・設計技術の開発■コンビニエンスストア（CVS）という比較可能な多くの店舗（2,000店）に約20,000個の無線センサを実装。長期モニタリングデータを活用した省エネ10%を実現or省エネ10%に資する具体的対策の提示

ＮＭＥMＳ技術研究機構

２５年度成果ＮＭＥMＳ技術研究機構

天井に貼るだけでスマートオフィスを実現するセンサネットワークシステムの開発■中小オフィス（エネ管理者不在、省工事重視）向けシステムを提案。
（特長：赤外線ｱﾚｰｾﾝｻで部屋を俯瞰し､ロスの発見と即時解消を行う）＜中小オフィス向けＧＳＮシステムの構成＞［ＧＳＮ（現地オフィス）］
空調機［クラウドサーバ］

省エネ手法
１.不在エリア制御【省エネ手法】
アプリケーション
２.換気量制御・不在エリア制御
・分析機能(見える化) ３.窓開閉ガイダンス
・換気量制御・窓開閉ガイダンス
・自動制御機能
４.断熱不良箇所の抽出・改善

自動制御コントローラ
制御指令データＬＡＮ

Wi-Fi子機(市販品)

赤外線ｱﾚーｾﾝｻ920
MHz帯ｺﾝｾﾝﾄﾚｰﾀ(受信装置)

・断熱不良箇所の抽出・改善

Wi-Fi

Ｍ２Ｍクラウド基盤
センサデータＬＴＥ または ３Ｇ

ＤＢ

計測＆処理

データ収集・転送【特徴１：スマートセンサ 】
・天井に貼るだけで部屋を俯瞰。
・太陽電池と無線機能を一体化し，電源・配線工事を不要化。
・リアルタイム処理を可能にする分散処理。

見える化

見える化(通知)データ
制御指令データ

データ蓄積【特徴２：スマートアプリケーション 】
・単一種類センサで、複数の省エネアプリを運用。
・省エネ行動を誘発する情報の作成と見える化。

発生ロス（例：冷え過ぎ） ※１分毎に情報を更新

ＮＭＥMＳ技術研究機構

２５年度成果■省エネアプリ（見える化、自動制御）を開発し、クラウドに実装⇒試作機（ｾﾝｻ、GCON+ｸﾗｳﾄﾞ）と統合し、一気通貫の動作を確認
アプリ概要
アプリ構成

ロスの発生場所・種類を抽出し、問題箇所を直観的に知らせる画面を表示（対策も表示／実施）。
＜要約画面＞

見える化＜詳細確認画面＞ 表示内容■「不在エリア制御」向け
冷やし過ぎ・暖め過ぎのエリア（人有無で基準を変える）を表示。

【凡例】
ロス発生場所
人の位置
温度分布■「換気量制御」向け
換気量が過剰な（人数が定員より少ない）エリアを表示。

表示内容
・室温分布図と人位置を表示。
重畳して、大きなロスの発生箇所をアイコンで表示。
・下欄に、省エネ対策を表示。

■「窓開閉ｶﾞｲﾀﾞﾝｽ」向け
外気温と室温分布図を併せて表示。
■「断熱不良箇所の抽出」向け
熱の出入りが多いエリア（室温の変化率から特定）を表示。

自動制御 … ロスの発生箇所・種類を元に、制御の対象・内容を決定し、制御指令を送信する（毎分）。
※通信仕様： 日本冷凍空調工業会「ＨＴＴＰインタフェース仕様」に準拠
ＮＭＥMＳ技術研究機構

スマートビル用低コスト・メンテナンスフリー
グリーンネットワークシステムの開発
大規模業務用ビルにおけるエネルギーマネジメントによる省エネルギーの達成■無線センサネットワークシステムの構築■データの見える化、データ分析手法の開発

クラウド

大規模業務用ビル・工場
インターネット
ビッグデータ分析ツール
エネルギーマネジメントシステム
病院

ホテル

タブレット端末（見える化）G-CON

商業ビル

居住環境
照明・コンセントオフィス

グリーンセンサ
温湿度、電流照度、CO 2
赤外線アレイ･･

コンサルティングサービス

空調機

無線センサ
流量、熱量･･
大学

ポンプ
監視制御システム
省エネ制御（機器発停、設定値変更等）

熱源機器

工場・地域冷暖房施設

中央監視装置ＮＭＥMＳ技術研究機構

２５年度成果
1)郊外型大規模商業施設

2) 大規模複合商業施設

系統別電力量の詳細計測

大空間の温度、CO2の多点計測、クラウド環境構築⇒用途別電力比率により省エネ手法を選定
用途別電力使用比率

店舗系統
電灯(39.1%)

FCU(44.3%)

空調(FCU)の運転方法の見直し

フードコート
厨房機器
動力(44.2%)

FCU(0.1%)
コンセント(0.3%)
6.6kW (1%)

電灯(33.5%)⇒室内環境の見える化、省エネ手法の提案
温度分布

自然光の利用

空調停止
3時間後

コンセント
(22.2%)

27m

電源BOX(16.3%)

50.0kW (7%)
ストックエリア

エリア別電力使用量

フードコート231.6kW (34%)

298.9kW (43%)
106.2kW
(15%)

その他
店舗系統
コールセンター空調負荷の詳細計測⇒外気温度、来場者数により負荷予測可能

3) 大規模家電量販店
クラウド環境構築（GCON複数台設置）
赤外線アレイ設置 ⇒更なる省エネ提案

外気温による負荷予測
冷房負荷予測（休日）
冷房負荷予測（平日）
暖房負荷予測赤外線アレイ

クラウドからの見える化

環境センサ
GCON

Wi-Fi

大規模家電量販店
平均外気温と日空調負荷の相関関係

３G回線

ＮＭＥMＳ技術研究機構

3G/LTE
社内LAN

クラウド
インターネット

光回線

機器・設備毎の原単位管理を可能とする
スマートファクトリ用グリーンセンサネットワークシステムの開発
お客さま側

集約サーバ

一次側

Aルート

Aルート

MDMS

スマートメータ（電力量）

二次側

Internet
グリーンセンサ（電力量）

BEMS／FEMS（東光高岳製）データ分析結果フィードバック（コスト低減・事業活動改善 等）

生産設備単位にグリーンセンサ（電流センサ 等）を取付け、事業活動データ（生産データ 等）

機器・設備単位の原単位管理を実現（目標１０％の省エネ効果）

ＮＭＥMＳ技術研究機構

２５年度成果■異業種（一般機械、輸送用機械、金属製品 等）において電力見える化システムを設置■工場向け無線クランプシステムの試作を実施

生産データと組合せることにより、生産プロセス単位の電力ロス・電力ピーク要因の追求が可能となった。

広範な工場・事業場における無線システムの有効性や必要となる仕様の抽出が完了した。

電力ピーク要因の追求 等

需要の見える化シミュレーション（東光高岳製）

工場向けセンサ試作（マルチタイプ）ＮＭＥMＳ技術研究機構

コンセント型
マルチホップ中継器

ご清聴ありがとうございました。