凭借能量采集从“低功耗”走向“无功耗”　无需电池的世界起步

借能量采集从“低功耗”走向“无功耗”　无需电池的世界起步（一）
人们的动作、桥梁的振动、室内的照明光、汽车的废热、广播电视发射的电波，等等……。“能量采集”技术可以从身边的能量获得电力供我们使用。采集到的电力虽然很小，但由于其无需干电池的便利性，已开始受到世人的热切关注。由于周边部件特性的提高，其可适用的用途在逐步增加。高效率且低功耗的无线IC，将推动其采用的扩大。
对我们身边微小的振动、光、热及电磁波等能量加以收集利用的技术，就是“能量采集”。有效利用我们平常忽略的微小能量的概念，如今正在引起关注。
“能量采集相关设备市场将从2010年的6.05亿美元扩大到2020年的44亿美元。”英国IDTechEx 公司预测（*1）。美国的Innovative Research and Products 公司也表示：“2009年的市场规模为795万美元，但将以73.6％的年率增长，到2014年将达到12.54亿美元。”（*2）
*1:Harrop ,P.et al.,Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2010-2020, IDTechEx Ltd.,July 2010.
*2:Innovative Research and Products, Inc.,ULTRA-LOW POWER (MICROWATT) ENERGY HARVESTING FOR WIRELESS SWITCHES AND WIRELESS SENSOR NETWORKING TYPES,APPLECATIONS,NEW DEVELOPMENTS,INDUSTRY,April 2010.
最大的卖点是“无需电池”
能量采集又称为“环境发电”，具有可在各种条件下发电的优点（图1）。只是所获得的能量非常小（表1）（*3），大半器件的发电量，都只有μW级。如果装在智能手机上，其所提供的电量不足以使手机不用充电。
*3:Roundy, S.et al.,"A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes,"Commputer Communications 26,lssue 11,pp.1131-1144,july 2003.

图1 我们身边存在着各种各样的能量来源
能量采集技术，是指对此前弃之不用的微小能量加以收集和有效利用的技术。能量来源有振动、光、热和电磁波等。 （插图：楠本礼子）

能得到微小电力，却仍获得了市场的热切期待，是因为其具有的“高度便利性”。能量采集的最大卖点，是采用此技术的设备将无需连接线，无需换电池和维护（图2）。就是说，不是“低功耗”，而是可实现“无功耗”。

图2 因无电池便利性提高
要点为：不需要一次性电池的更换与配线（a） 。组合电容与发电机的“振动发电电池”（b） 。与干电池的尺寸与形状相同，可以直接在遥控器上使用。NHK富山电视台与汤浅工机共同开发了转播车千斤顶遥控器试制品（c） ，用手指按钮的力量来发电。
为享受到这种便利而欲采用该技术的领域在一点点地扩大。如，于2010年11月3日开馆的日本千叶县千叶市Hoki美术馆，已决定采用能量采集技术的开关（语音导览用）。并已经完成了设置。
因控制信号以无线方式交换，无需为开关装设新的配线。在需要频繁改动展示品布局的美术馆等，电源线缆的敷设是很大的负担。而无需布线的能量采集技术在这里就能发挥其优势。
周边部件已有变化
能量采集系统典型的构成要素有如下几个：首先①检测出能量来源并使其发电；②电源电路将获得的电力加以转换，储存在电容或充电电池中；③使用积蓄的电力驱动微控制器与传感器；④将传感器得到的信息以无线方式传送到外部（注1）。
注1：兼有①～④功能的单元的价格“5万个批量购入时，每个约为12美元”（凌力尔特公司的Armstrong 语）。
能量采集观念古已有之，研究的历史也很长。其采用之所以直到最近才开始急速扩大，是因为周边部件有了大的进步，在上述的要素中相当于②～④，以及由此可适用范围的扩大。（未完待续 记者：久米秀尚）
无需电池的世界起步（二）
周边元件的进步，指的是为高效利用所发电力的电源电路、传送与接收信号使用的无线IC、微控制器与传感器等功耗的大幅降低（图3）。而此前，发电装置好不容易获得的电力，却被周边元件本身消耗得精光，以致于无法用于所希望的功能。拥有高效率、低功耗电路的IC的涌现，终于使能量采集进入了可实际应用的阶段。

图3 发电量超过本身的消耗
在发电器件性能提高的同时，其周边部件的耗电量正稳步下降。尤其在在耗电量最大的无线收发IC领域，拥有很高技术实力的风险企业的面世具有重要意义。
可从近20mV开始升压
其中，电源电路性能的提高作用很大，这是由于电源电路决定了由能量采集的发电部所获得的微小电力，是否能以较少的损耗来使用。在这方面，最近实现了即使是超低电压也可高效地回收电力。
例如，美国的凌力尔特公司（Linear Technology），其可从极低的20mV电压开始以较高的效率升压的DC-DC转换器“LTC3108”于2009年12月开始了量产。据称，利用热电变换元件时，即使只有1℃的温度差也可获得电力。长年从事电源电路开发的工程师佩服地说：“它可以使比我们在做的电压要低一位数的电压成为能量的来源”（注2）。
注2：LTC3108用内置的n通道MOSFET、外置的升压用变压器和电容器构成共振升压振荡器。如果安装变压比100：1的变压器，则可将20mV的电力升压至2.0V。
凌力尔特公司LTC3108的开发是预料到“能量采集领域会有增长”的结果，于2007年夏季就开始了（该公司电源产品部行销总监Tony Armstrong）。
超低功耗无线IC亮相
凭借能量采集从“低功耗”走向“无功耗”：无需电池的世界起步（二）
作为周边部件的进步，与电源电路作用相当的还有无线收发IC的低功耗化。此前的待机功耗约为1μA左右，现在因半导体的微细化及通信控制的改进等，大幅降低到只有0.2μA左右。
在能量采集用无线收发IC领域显示出其强有力地位的，是德国的风险投资企业EnOcean GmbH。在基于该公司技术的设备间无线通信规格“EnOcean”下，功耗比其他方式小一位数还多。
其低功耗是通过功能的限定实现的。“总之，是简单的控制”（该公司CTO Frank Schmidt说）。例如，据称用于开关的无线IC，是以30ms间传送3次1ms左右的信号来做开或关的控制（图4，注3）。
注3：最新设计作了使接收端接受发送端反馈的改进，提高了便利性。

图4 主攻低功耗及易用性的EnOcean
30ms间信号只传送3次的简单方式（a） 。 待机电流低到只有0.2μA（b） 。所使用的频带会依国家与地区而变。因模块化易用性提高（c） 。
还有将低功耗型的无线LAN用于能量采集的无线通信的动向。出身于美国Intel的技术人员们创办的美国GainSpan公司，开发出了待机时消费电流为以前的1/10～1/100，为1μA以下的无线LAN用IC（注4）。其功耗实现了与“ZigBee”等同。具有可与现有的无线LAN存取点连接使用的优势。而ZigBee也开始了专用于能量采集的无线规格“ZigBee Green Power”的制定。预定在2010年内完成。
注4：低功耗是通过频繁的时钟选通和睡眠模式实现的。
传感器与微处理器也有进步
此外，周边部件的进步例子还有传感器。可取得温湿度等信息的传感器本身，其功耗也降低了。举例来说，照明控制用照度传感器已配备在了手机上，其消费电流数年之中降到了1/5左右。据称，“已确认即使在低电流下，亦可抑制杂音并维持灵敏度”(安华高科)。（未完待续 记者 久米秀尚）
并且，控制能量采集电路及传感器驱动的微控制器方面，已有低功耗产品问世。在这一领域广为使用的是美国德州仪器（TI）的“MSP430”。其售价最低为每个0.25美元。
微控制器的关键点为待机时的电流消耗小，以及唤醒时间短。因为其用于无线传感器网络之类场合时，几乎都是以间歇方式操作，所以待机时的电流消耗特别重要。如果只比较待机时的电流消耗，则瑞萨电子的16bit微控制器也很低，甚至可以作为第一候补（图5）。

图5 应着眼于待机电流
在无线传感器及网络等的用途上，待机时间大大长于作动时间。 （图依瑞萨电子的数据制作）
以薄膜技术制作的热电转换元件
不仅仅只有周边元件的特性改善，能量采集的核心——发电部分也有变化。举例来说，具有高电动势的热电转换元件已经问世。体积小而薄，由1℃的温度差可获得140mV的电压，预计在2011年将开始量产。而一般的元件以数cm见方，却只能产生50mV的电压。
该元件是由德国的Micropelt GbmH开发的。“年产1000万个模块的工厂正在建设之中”（该公司VP Sales & Marketing的Wladimir Punt语），提出了强势的计划。他们利用薄膜技术制成了小型高效的热点转换元件（图6，注5）。
注5：制造工艺为，先在不同晶圆上溅镀制成n型和p型元件，然后将制成的n型和p型元件交错叠加粘贴起来。

图6 小型高性能热电转换元件问世
Micropelt已经开始供应热电转换元件及其模块（a）。据称，通过应用薄膜技术制造，即使尺寸很小也可确保充分的发电量（b） 。（图依Micropelt的资料制作）
热电转换元件虽然很小，但相对于用来高效率利用温度差的热交换器还是显得较大。估计在模块化时，该部分会占整体成本的一大部分。热交换器是决定电力转换效率的关键因素，因情况不同，其会导致2倍以上的发电量差异。该部分的研究还比较薄弱，甚至可能成为周边元件竞争的主要战场。
在无线传感器网络上的应用
因高效率而低功耗的周边电路与发电部分的进步，能量采集成为了可实用的技术。并且，基础已经打好，其应用也在逐步展开。不仅是已开始采用的照明等开关，其应用领域似更为广泛（图7）。（未完待续 记者 久米秀尚）

图7 新思维开拓新的应用
可设想的应用范围很广。特别是有望应用至桥梁与车辆的状态监测以及畜牧与农业等。 （插图：楠本礼子）
最有前景的应用领域是无线传感器网络。由于传感器所获取的数据每小时只需要传送数次，因此功耗可以很低。发电量微小的能量采集系统即可满足其所需（图8）。

图8 无线传感器节点亮相
日本精工（SII）于2010年9月发布了无线传感器节点“Mr. Shoene”，使用该公司自主的特定低功率无线技术。除功耗低外，还具有无指向性特点，因而即使有障碍物信号可以绕过。
这种无线传感器网络的创意本身并无新意，但不用电池的设计将大大扩展其应用范围。例如，从美国麻省理工学院（MIT）独立出去的美国Voltree Power LLC公司，接受了美国农业部的委托，在加州的山林等地构筑了温度传感器网络（注6）。
注6：电源的发电部采用了MIT开发的利用树根部与其周围产生的50～200mV左右的电位差技术。
该网络的目的是检测森林火灾以减少损失。在充分权衡了火灾造成的损失以及相关人员、设备与物资的支出，和建立与运营无线传感器网络成本后，认为建立该网络是合适的选择。
最近，另一个引人瞩目的应用是状态监测。将传感器装设在建筑物与桥梁等构造体上，以观测其状态的变化。并可根据数值的变化时间及变化量判断构造体的寿命，还可用得到的数据作参考，对其进行维护和部件更换。
状态监测在马达与引擎等领域会有很高的需求。在汽车上，要驱动检测各部件状况的传感器，就要敷设大量的连接线。如果代之以可充分利用引擎与马达的热及振动能量的无线传感器，则可大幅削减连接线。
同样，作为状态监测，还可用于管理人和动物健康状况的生命纪录器。如果用在饲养的家畜或野生动物身上，则除位置信息外，还可获得体温与脉博等数据。并且，如果进一步利用动物体温能源，还可省去更换电池的麻烦。
将形成任何人都可使用的环境
如果以无线传感器网络的普及为契机，使公众对能量采集技术的认知度得以提高，今后便可能会开拓出各种各样的应用。而对开拓能量采集应用的企业而言，现在已可轻松到手低功耗周边电路部件可以说是一个很大的进步。
发电元件方面，已有美国的AdaptivEnergy LLC以及英国Perpetuum公司生产的许多制品可供使用。至于无线部分，已经进行了用户即使没有高频电波的专业知识也可以使用的模块化。将要量产使用GainSpan的无线收发器IC的无线传感器网络模块的阿尔卑斯电器电气表示“已接到30多家公司的垂询”。
日本“落后10年”
能量采集应用的气氛虽如此热烈，但日本企业在该业界的地位极之薄弱却令人担忧。事实上，上面所介绍的事例都是海外厂商所为。深知能量采集业界详情的竹内敬治（NTT数据经营研究所社会及环境战略咨询本部资深专家）就指出，“日本已比欧美国家落后10年”。
之所以在实用化上被海外厂商远远拉在后面，其原因是日本企业过分执着于“发电”。日本有很多公司从多年前就开始开发发电元件，其研究开发的重点是提高发电能力。另一方面，也是将其与提高周边电路特性有效结合作为努力方向的欧美企业，抢先开拓市场的结果。
然而，近来情况已在发生变化。日本也有瞄准了商业目标的举动。其象征是“能量采集协会（Energy Harvesting Consortium）”的成立。该协会于2010年5月由13个公司发起成立（表2）。之后又有8家公司加盟。该组织在不断收集信息，并已开始在会员公司之间交换意见。（未完待续 记者 久米秀尚）
从频率可看出各公司的目标
日本公司终于开始从发电能力的竞争逐步转向产品的制造。例如，在振动发电领域可以见到有意制成最终产品的日本企业的行动。欧姆龙、三洋电机和村田制作所三公司，开发了用途有很强的方向性的试制机（图9，注7）。

图9 频带表明了各个企业的目标
图中所示为振动发电机的适用范围。由于应根据设想的应用而优化的目标频率可变，可看出各公司属意的不同目标。 （图依欧姆龙、三洋电机及村田制作所的数据制作）
注7：三公司开发的是利用了称为“驻极体”材料的振动发电机。其原理是，当两个电极的对抗面积因振动而变化时，其相应的感应电荷会发生变化，从而可以产生电流。
振动发电机的发电量，与频率及振动器的振幅成正比。如两者均扩大，则可以轻易提高发电量。但因振动发电机的特性，需要使其能与某种频率发生共振的微调，所以使发电机与目标用途的固有振动频率相吻合是不可缺少的。
因此，仔细审视所发布试制机的振动参数，就可以洞见各公司所瞄准的应用领域。例如，三洋电机因“设想用于人类佩带使用”，所以设定频率为2Hz（注8）。村田制作所设定的频率为10Hz～20Hz，“为商用电源50Hz/60Hz频率的数分之一领域，该领域的振动源很多，因此判断其适用范围很广”。而欧姆龙则认为“工厂、汽车、桥梁等振动多在30Hz左右”。
注8：三洋电机还在开发外形尺寸大至23mm×42mm×6mm，发电量提高到120μW的试制机。
欧姆龙有“将视可开展业务的规模情况，于2011年投入产品”(该公司技术本部核心技术中心主任土居仁）的计划。据称，该公司已将开发的立足点从提高发电量转向了确保可靠性。在无线传感器网络上应用时，因要求“plug and forget”，即安装后至少五年内可以不需要照料，所以确保可靠度成为非常重要的因素。
专利的困扰
实用化时，要留意相关专利。能量采集已有基本的专利存在，已有在从相关业务时，需要留意专利的呼声。拥有专利的是EnOcean公司（注9）。该公司仅已明确的，就拥有18件有关能量采集的专利。
注9：EnOcean公司曾是Siemens公司研究部门的一部分，1995年就开始了能量采集的研究。2001年作为风险投资公司独立时，以EnOcean公司19%的股份为代价，从Siemens公司受让了所有相关专利。
其中，被认为最强的专利为国际专利“WO 98/36395”（图10）。其内容的使用范围非常广。这项专利已经在德国、美国与中国等一些国家生效。1998年该专利曾在日本申请，但专利审查没有通过，因此没有生效。EnOcean对此判决不服，于2008年提出了重新审查的申请。

图10 EnOcean拥有的专利
一般认为“使用能量采集技术获得的电力，无线传送所收集的数据”的专利内容，其适用范围非常广泛。
“我们的设备不会有专利问题吧”——某制造商不安地说。该厂商有在2011年初上市采用能量采集技术设备的计划。“我们的生意是行销产品，而不是专利诉讼”，EnOcean公司CEO Markus Brehler虽有此言，但当产品要扩大销售至海外是，还是有必要考虑到专利的问题。（记者 久米秀尚）