Electric Power Generation from Environmental Vibration (Vibration Energy Harvesting)

Abstract

表面技術 — 16 — 348 1 ．はじめに 自然エネルギーの利用促進に対する意識の高まりとともに， 環境中に存在する希薄なエネルギーを電気に変換するエナ ジーハーベスト技術が注目されている。対象となる環境エネ ルギーは，光，熱，電磁波および微小振動や風力等，通常身 の回りに存在している未利用希薄エネルギーである。エナ ジーハーベストに属する技術の中で最も高い出力が得られる 発電方式は太陽電池であり，自然エネルギーの中心的技術と して現在広く普及すると共に，近年大規模発電設備等の建設 により電力供給に占める割合が拡大している。一方，太陽電 池は太陽光が届かない室内等の環境下では大幅な発電量低下 が不可避であり，その使用環境や発電可能な時間帯が大きく 制限される。 風力や振動等の機械的な環境エネルギーも比較的大きな出 力が得られることから，太陽電池の利用が適さない環境下に おいて，特に低消費電力機器への電力供給源として期待が高 まっている。例えば輸送機器や橋梁等の構造物，また回転機 器等，使用時に振動が発生する環境では，振動による運動エ ネルギーを効率的に電気に変換することでセンサ等の微小電 力で動作するデバイス駆動がその対象となる。元来これまで 利用されてこなかった希薄エネルギー変換技術であるため大 電力発電は対象外となるが，特に無線通信機能を有したセン サノードのバッテリーフリー化による利便性向上が主な目的 となる。建築物のヘルスモニタリング，輸送機器や住宅等の センサ利用範囲の拡大，更にこれまでバッテリー駆動が大き な障害となっていたウェアラブル機器への応用が期待されて いる。これらセンサデバイスへの応用においては，振動発電 デバイスの発電量向上と共に，無線通信を含む集積回路の低 消費電力化に対する取り組みも併せて進められており，IoT （Internet of Things） への応用を含めセンサ技術の新しい展開 として期待されている。 2 ．振動発電技術の特徴 振動発電素子に要求される仕様はそれぞれ用いられる用途 によって異なり，発電出力以外にその周波数特性，サイズ等 について使用環境を考慮したデバイス設計が必要となる。一 方，小型かつ高い発電出力は共通した要求性能であり，更に 低コスト，高い信頼性が実用における必要条件となる。特に， センサ素子との統合，集積化が求められることから MEMS （Micro-electromechanical systems） の新しい技術領域として現 在活発に研究が行われている。 センサ素子の電源として用いる場合，設置場所に存在する 環境振動の性質と素子の構造を整合させ，効率よく発電する ことが必要となる。つまり，環境振動の最も大きな周波数に 発電素子の共振周波数を整合させることになる。代表的な機 器を動作させた場合に生じる振動の最も強い周波数とその加 速度を表 1 に示す 。一般に環境振動は 200 Hz 以下の周波 数でピークを持ち，その加速度も 10 m/s 程度以下と小さい。 MEMS エナジーハーベスターは小型化に伴い通常その共振 周波数も高くなるが，素子設計の方針として比較的低周波数 でかつ弱い加速度においても大きな振動が生じる振動子であ ることが求められる。 一方，ウェアラブル機器を想定した場合，歩行に伴う振動 の利用が主なエネルギー源となる。ランニングを含む歩行動 作による振動周波数は一般に 1 Hz 程度であり，歩行時にお いても踵に印加される衝撃は 50 m/s 程度と非常に高いこと が報告されている 。しかしながらウェアラブル機器の場合， 振動エネルギーによる環境発電（振動発電） 神 野 伊 策 a a 神戸大学 大学院工学研究科 （〒 657︲8501 兵庫県神戸市灘区六甲台町 1︲1）