エネルギーハーベスティングによる電池レスセンサー設計

「Trillion Sensors（1兆個のセンサー）」構想に代表されるように、センサーの年間導入数は将来的に1兆個規模に達するとの予測が、半導体・センサー業界で以前から示されてきました。こうしたセンサーの急速な普及に伴い、データの保存・処理だけでなく、センサーへの電力供給も重要な課題となっています。

そこで注目されているのが、光や熱、振動など周囲のエネルギーを電力に変換するエネルギーハーベスティング（環境発電）です。

近年の低消費電力センサーは、高精度な計測や制御を実現し、遠隔監視システムや自律動作システムなど幅広い用途で利用されています。エネルギーハーベスティング技術を組み合わせることで、これらのワイヤレスセンサーは電源配線や電池交換を必要とせず、長期間にわたる自律動作が可能になります。

図1に、エネルギーハーベスターを電源として利用した超低消費電力センサーの基本構成を示します。

図1：エネルギーハーベスターを利用した超低消費電力センサーの基本構成

自律動作型センサーは、一般的に次の要素で構成されます。

• エネルギーハーベスター
• センサー
• 蓄電デバイス
• 電源管理IC
• マイコン（MCU）
• ワイヤレス通信モジュール

このようなシステムでは、限られた発電量の中で安定した動作を実現することが重要です。各デバイスを選定する際は、動作電圧の適合だけでなく、無線送信時などに流れるピーク電流、待機時の消費電流、そして間欠動作を含めた平均消費電流を見積もり、発電量と蓄電容量に見合うようシステム全体の消費電力を最適化する必要があります。

自然界や周囲の環境には、電力に変換できるさまざまなエネルギーが存在します。エネルギーハーベスティングでは、こうした環境中のエネルギーを利用して電力を生成します。

光エネルギー

太陽光や屋内外の照明は、太陽電池（ソーラーセル）を用いて電力に変換できます。発電効率を高めるためには、設置環境の光量や入射光の特性に合わせて太陽電池を選定することが重要です。

表1 主なエネルギーハーベスティング電源の発電性能（代表値）

※数値は利用環境やデバイス構成によって大きく変化する代表値です。なお、光・熱・振動・RFの各行は単位面積あたりの発電電力（電力密度）を示すのに対し、電磁誘導の行は1動作あたりに得られるエネルギー量を示しており、単位系が異なる点にご注意ください。

物理量を測定するための小型センサーは数多く存在しており、さまざまなメーカーから供給されています。なかでもMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）センサーは、小型・高性能・低消費電力という特長を備えており、IoT機器やワイヤレスセンサーの普及を支える重要なデバイスとなっています。

主なMEMSセンサーメーカーには、STMicroelectronics、Bosch Sensortec、Texas Instruments、NXP、Analog Devices、Seiko Epson、Infineon Technologies、Murata、Sensata Technologies、Melexisなどがあります。

これらのメーカーは、加速度センサー、ジャイロセンサー、圧力センサー、磁気センサー、温度センサーなど幅広い製品を展開しており、低消費電力化が求められるIoT機器や産業機器で広く採用されています。エネルギーハーベスティング用途では、測定時の消費電流だけでなく、待機時電流や、しきい値超過時のみマイコンを起動させる割り込み出力機能の有無が、選定上の重要な指標となります。

エネルギーハーベスティングを利用するワイヤレスセンサーシステムでは、発電量や出力電圧が環境によって変化するため、電源管理ICが重要な役割を担います。電源管理ICは、エネルギーハーベスターから得られる不安定な電力を安定化し、蓄電デバイスの充電やシステムへの電力供給を管理します。また、電源管理ICには、システムや蓄電デバイスを保護するための各種保護機能が組み込まれています。

低電圧保護（Undervoltage Protection）

蓄電デバイスの電圧が一定値を下回ると、負荷への電力供給を停止する機能です。バッテリーの過放電を防ぎ、性能や寿命の低下を抑えます。また、蓄電量が不足した状態でシステムが起動と停止を繰り返すことを防ぎ、一定量まで充電されてから動作を開始させる役割も担います。

過電圧保護（Overvoltage Protection）

充電電圧を監視し、設定値を超えた場合は余剰エネルギーを逃がしたり、充電経路を制限したりして、蓄電デバイスを過充電から保護します。

過電流保護（Overcurrent Protection）

規定値を超える電流が流れた際に、電流を制限または遮断する機能です。ヒューズと異なり自動的に復帰できる点が特長で、蓄電デバイスの過放電や短絡による回路の損傷を防ぎます。

超低消費電力の組み込みシステムでは、マイコン（MCU）の選定が消費電力や動作時間に大きく影響します。特にエネルギーハーベスティングを利用するワイヤレスセンサーでは、限られた電力を有効活用するため、低消費電力モード、高い処理性能、そして高速なウェイクアップ機能を備えたMCUが求められます。

なかでも重要なのが、スリープ状態からの高速復帰機能です。センサーシステムは通常、消費電力を抑えるためにできるだけ長くスリープモードで待機し、必要なときだけ動作します。そのため、短時間で復帰できるMCUほど、システム全体の消費電力を低く抑えることができます。

RX111では、動作モードによって必要な電源電圧が変わることはなく、1.8V～3.6Vの動作電圧範囲内であればすべてのモードを利用できます。ただし、高速モード、中速モード、低速モードで使用できるクロック周波数は電源電圧によって異なります。

RX111は、消費電力を抑えるためにスリープモード、ディープスリープモード、ソフトウェアスタンバイモードの3つの省電力モードを備えています。これらのモードでは、CPUやメモリ、周辺回路の動作を段階的に停止することで消費電力を削減できます。

• スリープモード（Sleep Mode）：CPUのみを停止し、RAMの内容や周辺モジュールの動作を保持するモードです。32MHz動作時の復帰時間は0.21μsと短く、イベント発生時に素早く処理を再開できます。
• ディープスリープモード（Deep Sleep Mode）：CPUに加えて、RAMやフラッシュメモリへのアクセスも停止するモードで、スリープモードよりもさらに消費電力を抑えられます。参考として、32MHz動作時に複数の周辺機能を有効にした通常動作時の消費電流は約4.6mAであり、ディープスリープモードではこれを大きく下回ります。通常動作への復帰時間は2.24μsです。
• ソフトウェアスタンバイモード（Software Standby Mode）：発振回路やPLLを含め、CPU、SRAM、フラッシュメモリ、DTC、周辺モジュールの大部分を停止する最も省電力なモードです。必要に応じてIWDT、RTC、LVDのみを動作させ続けることができ、消費電流は350nA～790nAまで低減されます。ただし発振回路の再起動が必要なため復帰には時間を要し、復帰時間は4MHz動作時で約4.8μs、32MHz動作時で約40μsです。間欠動作の周期が長い用途では、このモードを基本状態とすることで平均消費電流を大幅に削減できます。

RX111ではさらに、クロック分周比や周辺モジュールごとの動作設定を変更できるため、用途に応じたきめ細かな消費電力管理が可能です。

IoT機器やワイヤレスセンサーの普及に伴い、電源配線や電池交換に依存しないシステムへの需要が高まっています。こうした背景から、光、熱、振動、電磁波などの環境中に存在するエネルギーを利用するエネルギーハーベスティング技術が注目されています。

エネルギーハーベスティングシステムを構築するためには、発電デバイスだけでなく、低消費電力MEMSセンサー、蓄電デバイス、電源管理IC、マイコン（MCU）、ワイヤレス通信モジュールを適切に組み合わせることが重要です。特に、発電量が限られる環境では、システム全体の消費電力を最適化することが設計の鍵となります。

蓄電デバイスには充電式バッテリー、スーパーキャパシタ、全固体電池などの選択肢があり、用途や使用環境に応じた選定が求められます。また、電源管理ICは発電エネルギーを効率よく利用するとともに、蓄電デバイスやシステムを保護する重要な役割を果たします。

さらに、低消費電力MCUやBLEをはじめとする無線通信技術の進化によって、エネルギーハーベスティングを活用した電池レスセンサーの実用化が進んでいます。今後はスマートビルディング、産業機器の状態監視、スマートホーム、ウェアラブル機器など、さまざまな分野で導入がさらに拡大していくと考えられます。

エネルギーハーベスティングは、保守の手間や廃棄物を削減しながらセンサーを長期間稼働させられる技術であり、持続可能なIoTシステムを支える中核技術の一つになると期待されています。