委託調査報告書

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「エネルギーハーベストおよびマイクロバッテリーの研究開発動向と応用」

委託調査報告書

２０１０年３月

社団法人新化学発展協会

The Association for the Progress of New Chemistry

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新化学発展協会御中

「エネルギーハーベストおよびマイクロバッテリーの研究開発動向と応用」

報告書

平成21年12月

株式会社カネカテクノリサーチ

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＜目次＞

１．はじめに－エネルギーハーベストを取り巻く状況－・・・・・・・・・・・・・・・2

２．エネルギーハーベストの研究開発動向・・・・・・・・・・・・・・・・・3 ２．１エネルギーハーベスティング技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3 ２．２変換素子技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・13 ２．３特許出願動向・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18 ２．４国内外プロジェクト等の状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・20 ２．５研究機関・研究者・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23 ２．６競合品との比較・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・36 ２．７現在の問題点と研究開発課題・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・37

３．マイクロバッテリーの研究開発動向・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・40 ３．１はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・40 ３．２リチウムイオン二次電池・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・43 ３．３リチウムポリマー電池・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・48 ３．４固体薄膜二次電池・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・49 ３．５電気二重層キャパシタ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・52 ３．６特許出願動向・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・54 ３．７研究機関・研究者・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・58 ３．８現在の問題点と研究開発課題・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64

４．応用用途および製品例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・66 ５．市場動向予測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・70 ６．技術課題と今後の方向性－まとめ－・・・・・・・・・・・・・・・・・73 ７．将来展望－素材メーカーに対する提言－・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74

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１．はじめに

－エネルギーハーベストを取り巻く状況－

全世界の総人口は既に66億人を突破し、今世紀半ばには90～100億人に達すると予測されている。これに伴って、世界のエネルギー需要は2030年までに現在の1.5倍に増加し、電力に限ってみると2050年には現在の2.6倍に増加するとの予想がある。このエネルギー需要増加に伴う化石燃料の消費増加に伴い、その枯渇懸念やCO2の大量放出に伴う地球温暖化が問題となっている。そこで代替エネルギー源として太陽光や風力等、自然や環境に存在するエネルギーの活用や研究開発が、盛んに行われている。

また、ユビキタスの環境が志向され、情報の無線ネットワークが形成され生活のいたるところにセンサー等の小型電気機器が入り込みつつある。これ等の機器は、通常、家庭用電源からコードで電力が供給されるが、全てのセンサーにコードから電力を供給すると、

コードの延長距離は大変なものとなる。ちなみに、自動車の電子化も進んでいるが必要とする電力をコードで供給すると一台あたりのコードの長さは3ｋｍにも達し、ヘリコプタ

ーでは20ｋｍ、飛行機では100ｋｍを超えると言われている。その為、高性能の一次電池

が必要となり、多くの機器に電池が使用される事となる。日本でもリチウム電池は年間9 億個以上が生産されている。

一方で、資源有効活用という観点やエコ意識の高まりから、二次電池の需要が大幅に伸び、小型のリチウムイオン蓄電池は国内で10億個、容量換算で16億Aｈが生産されている。しかし、二次電池とはいえ、メンテナンスが必要であり、特に、生活に入り込んでいる各種機器や、ビルや橋など、構造物のメンテナンスに用いられるワイヤレスセンサーの電力を全て電池で賄った場合、電池自体のメンテナンスに関わる労力も膨大なものになる。

また、代表的な二次電池であるリチウムイオン電池の用いるコバルト酸リチウムは、コバルトが希尐金属であるため、将来にわたって安定的な供給に丌安がある。

従って、太陽光発電や風量発電のような大電力を賄うようなものではないが、環境にある「揺らぎエネルギー」を利用して必要とする電力を調達し、見かけ上の永久機関を構成する目的で、「環境エネルギーを用いた発電・電力貯蔵（エネルギーハーベスト）」が注目を浴びている。

この種の技術は、欧米が先行し、政府の資金による研究開発が推進され、市場へ数々の製品が提供され、また、普及に向けたワイヤレスネットワークに関する統一規格の議論もなされている。また、２００９年１１月には、環境発電技術の国際会議・展示会がアメリカで開催されるなど、関心の高まりを見せている。日本での取り組みも活発化し、幾つかの実用品が市場に提供されつつある。

本調査では、「分散電源と分散消費」を目的とした小型発電デバイス及び小型の蓄電デバイス（マイクロバッテリー）に注目し、エネルギーハーベスト技術・エネルギー変換技術及びマイクロバッテリーの研究開発動向と応用製品の現状を広く調査し、材料メーカーが今後果たすべき役割について提言を纏めた。

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２．エネルギーハーベストの研究開発動向

２．１エネルギーハーベスティング技術

周辺に微弱に分散して存在する様々なエネルギーをあたかも果実を収穫するがごとく利用しようというのがエネルギーハーベスティング（Energy Harvesting）技術である。

21世紀に入り、ディジタルデバイスの急速な発展により、mW、μWでも利用できるよ

うになり、エネルギーハーベスティング技術が注目されている。

エネルギーハーベスティング技術（希薄分散エネルギー活用技術）では、これまで利用されていなかった希薄なエネルギー（例えば：自然振動、人体動作、体温、廃熱、電磁波等）を利用しやすい電気エネルギー-に変換し、電力として活用する。

利用可能なエネルギー源を分類し、表2.1-1に示す。

エネルギー源としては、機械エネルギー、熱エネルギー、電磁波エネルギー、ハイブリッド（複合型）、その他に大きく分類した。但し、大型のソーラー（太陽光発電）は除外している。尚、渦励振も比較的大電力用途でありエネルギーハーベストの範疇とは言えないが、ここでは取り上げ＜補足＞でも解説した。

表2.1-1 利用可能なエネルギー源

エネルギー源例

機械エネルギー振動構造物振動橋・橋の自然振動から10μWの電力を得る発電機を試作（オムロン）

・首都高速道路で荒川にかかる五色桜大橋は自動車の振動を利用して発電、イルミネーション点灯（音力発電）

道路・振動発電機システムを高速道路に設置、

車載センサに（オムロン･旭硝子）

床・JR東京駅の改札口で発電床の実証実験、

照明、エスカレータ駆動に（音力発電）

車両振動タイヤ・タイヤ振動を利用した発電器とセンサ、

タイヤ空気圧モニタに（オムロン、 Schrader Electronics）

サスペンション

・車両のサスペンションによるショック振動を水圧に変換し、水圧の変化で発電

（MIT／Levant Power）

流体振動渦励振・海流/川流の利用し、電力に（ミシガン大/Vortex Hydro Energy）

風渦励振・塔状構造物の風渦励振の制振と発電（九大）

風・車両に搭載した圧電素子により発電し、

バッテリー充電（ニューヨーク市立大）

音波（騒音）・高速道路の自動車の騒音を利用して発

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人体の振動歩行・人体の歩行動作による振動から電力を得る発電機を試作、万歩計に（三洋電機）

歩行・歩行の運動エネルギーとして、67W の取出しが可能

MIT：中敷にPLZTを組み込み

SRI：電歪ポリマーでヒザに取り付け腕・腕の動きで発電する腕時計（セイコーエ

プソン）

心拍・心房の圧力差を利用した発電器、心臓ペースメーカーに（英SIMMﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ）

その他キーボード・キーボードのタイピング振動で発電雤粒・雤粒の衝撃で発電

スイッチ・スイッチのON/OFFで電磁誘導により発電、住宅照明の点灯に（EnOcean）

水力 ^{河川・水路} ・小水力発電（川崎重工業）

熱エネルギー体温・体温を熱源とした腕時計を発売（セイコーインスツル）。

・体温利用の腕時計を発売（シチズン時計）

・体温と室温の温度差を利用（KELK）

廃熱自動車排ガス熱・自動車排ガスの熱を利用（東芝）

ガス燃焼熱・可燃性ガスの燃焼エネルギーと

gigatopazを組み合わせて熱電発電自動車

試作（大阪産業大学）

電磁波エネルギー光微弱太陽光・ソーラーエネルギーをハーベスト、ワイヤレスセンサに（TI）

電波・遠方のテレビ塔からのRF電波をエネルギー源とし、RFID タグ（LCD温度計/湿度計）に（Intel）

・携帯電話アンテナやTVマストなどから放出された無線波をハーベスト、携帯電話に（Nokia）

・印刷部品を用いた無線給電方式、有機ＥＬ照明に（独ｺﾝｿｰｼｱﾑ）

ハイブリッド

（複合型）

・携帯電話/TV無線波とソーラーからハーベスト、携帯電話に（Nokia）

・熱エネルギや太陽エネルギ、電磁波エネルギ、振動エネルギなどを回収し、無線センサネットワークに（Jennic）

その他 Tree Power

（木）

・植物の持つ微弱電流を利用、ワイヤレスセンサに（ワシントン大）

浸透圧・浸透圧利用（Energy Recovery、Statkraft）

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（１）機械エネルギー

機械エネルギー・ハーベストでは、振動エネルギーの利用が多い。

構造物振動エネルギー利用では、オムロンが 2008年11 月、橋の自然振動から10μW の電力を得る発電機を試作した。また同社は旭硝子と共同し、振動発電機システムを高速道路に設置し、自動車側で信号受信するシステムを試作している。^1,2

また、首都高速道路で荒川にかかる五色桜大橋は、自動車の振動を利用して発電したもので、イルミーネーション点灯に使っている。³

音力発電は、JR東京駅の改札口で発電床の実証実験、照明、エスカレータ駆動を試みている。乗降客が多い平日には500 kW/秒の発電を実現、100Wの電球を約80分間点灯できたとされている。³

車両振動エネルギー利用では、米国ではタイヤ振動を利用した発電器の開発が進んでい

る。TREAD法の成立に伴い、2007年9月以降、自動車にタイヤ空気圧モニタシステムの

設置が義務付けられた。今後、タイヤ空気圧センサは大きな市場になると期待されている。

4

車両のサスペンションによるショック振動を水圧に変換し、水圧の変化で発電を行う試みがなされている。従来の技術はソレノイドの様な発電機を各ショックアブソーバーに取り付けて発電していたが、水圧に変換して発電機に集中させることが特徴という。⁵

流体振動エネルギー利用では、ミシガン大学/Vortex Hydro Energy社は、海流/川流の渦励振の利用した発電システムの開発に注力している。（＜補足＞参照）

流体振動で空気流の風渦励振を利用した発電も九州大学等で行われている。⁶

また、車両に搭載した圧電素子により風を利用して発電し、自動車バッテリーの充電に応用するという事例も報告されている。⁷

音波を利用した開発の試みが（株）音力発電で取り組まれている。同社では、高速道路の自動車の騒音（空気振動）を利用して発電して防音壁に活用、携帯電話での話言葉を利用して携帯電話の充電に使用している。³

1 EE Times Japan, 2008/12/17

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20081114/161291/?SS=imgview&FD=3530154

2 計測と制御, Vol.48, No,7, p.579-586（2009）

3 http://www.blwisdom.com/AdvancedPeople/02/

http://www.ecob100.com/entry/soundpower.html 週刊ダイヤモンド 2009/04/11, p.46-47

4 IEEJ Journal, Vol.128, No.7, p.435-438（2008）

5 EE Times, 02/10/2009

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人体の振動エネルギー利用では、2008年11月、三洋電機は人体の歩行動作による振動から40μWの電力を得る発電機を試作し、万歩計に応用した。¹

歩行のエネルギー利用で67Wの取出しが可能という報告がある。MIT：中敷にPLZTを

組み込み8.3mW取り出し（MIT）、電歪ポリマーで800mW取り出し／ヒザに取り付け5W

発電（SRI）などが紹介されている。⁴ ⁸

人体の“心拍”振動の利用もある。心臓ペースメーカーの電源として、心房の圧力差を利用した発電器を併用、必要とする電力の 1/3 を供給できた。今後、100％供給を目指しているという。⁹

尚、1988年に、セイコーエプソンは腕の動きで発電する「キネティック」と呼ばれる腕時計を開発している。^2,10

振動エネルギー利用では、キーボードのタイピング振動で発電、雤粒の衝撃で発電などの事例もある。⁴

スイッチの ON/OFF で電磁誘導により発電し、住宅照明の点灯に使うというEnOcean 社/加賀電子の事例もある。^4,11

機械エネルギー利用の振動エネルギー以外では、小規模水力や小規模風力の利用がある。

川崎重工業は、兵庫県三田市の大川瀬ダムで小規模水力発電の実証実験を行った。河川の小さな落差、農業用水路なども利用できるという。¹²

＜補足＞渦励振

ミシガン大学/Vortex Hydro Energy社は、海流/川流の渦励振の利用した発電システムの開発に注力している。¹³

渦励振（Vortex induced vibration）について

ゆっくりと移動する水の自然な動きをエネルギー源とする流体力学を応用した新しい発電機が、ミシガン大学の研究技術者によって考案された。これを用いれば、広大な海域をエネルギー生産に使うことが出来、これまで大手石油会社の海底石油掘削装置にとっての悩みの種が、再生可能エネルギーには恩恵をもたらす可能性がある。

この発電機を考案したMichael Bernitsasは、自分のアイデアを商業化するために、米Vortex

Hydro Energy社を設立した。この構想の開発をさらに進めるための資金として、全米科学

財団(NSF)、米国海軍、米エネルギー省などが共同で、およそ200 万ドルをVortex 社に出資している。

8 http://www.itmedia.co.jp/news/0011/10/shoes.html

9 EE Times, 11/11/2008

10 http://www.seiko-watch.co.jp/technology/quarts/kinetic/index.html

11 日経産業新聞 2009/6/8

12 読売新聞 2009/8/3

13 WIRED VISION, 2008/10/31（http://wiredvision.jp/news/200810/2008103122.html）, DAVIES Sean, Engineering & Technology, Vol.4, No.14, Page.54-56（2009）

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Bernitsas は、渦によって生じた力学的エネルギーを捕捉するエネルギー捕獲機の試作装置

“ Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy（VIVACE）”を開発した。

海流によって生じた渦が、バネで水中につり下げられた直径5〜7センチメートルのシリンダー群を上下に動かす。この力学的エネルギーを、回転式あるいはリニア式の発電機を通じて電力に変換する。

将来的には、50 キロワットの発電能力を持つモジュール式装置を作成したいと Bernitsas は考えている。

より大規模な応用例として、この装置をさらに集積し、1ギガワット級の電力を生む発電所にすることも可能とみられる。

エネルギーの専門家たちは、海流の運動について、最大で米国のエネルギー需要の 10％を供給できる、未開発の巨大なクリーンエネルギー源だと考えている。

Vortex Hydro Energy社は、渦励振の原理を利用したシステムを開発し、デトロイト川の水

深13.5mに設置し6カ月間の実地試験を実施する。直径25cm長さ2mの円柱6-8本で構

成する。試作システム自身の価格は約 25000 ドルで設置工事費と試験経費を含め総額は約 100万ドルになる。自然界の流れは大部分が1ノット以下だからその有効なエネルギー採取の方法として期待できるという。

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（２）熱エネルギー

熱エネルギー利用は、人体の体温利用と廃熱利用が主である。

セイコーとセイコーインスツルメンツ（現セイコーインスツル）は、1998年に体温を熱源とした腕時計「セイコーサーミック」を発売した。^14,15

また、シチズン時計は、同じく体温利用の腕時計「エコ・ドライブサーモ」を1999年に発売している。^14,16

KELK（旧小松エレクトロニクス）も、体温と室温の温度差利用に取り組んでいる。¹⁴

一方、廃熱利用では、東芝は自動車排ガスの熱の利用を進めている。^14,17

また、大阪産業大学は、可燃性ガスの燃焼エネルギーとgigatopazを組み合わせた1人乗りの自動車「熱電発電ビークル」（TEGV）を開発している。出力は150Wである。^14,18

熱エネルギー利用のその他では、バージニア大は、焦電効果（温度の変化に応じて自発分極をもつセラミック（チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)など）の表面に帯電する電荷が増減する現象）を利用して、自然界の環境温度の揺らぎを利用、発電している。¹⁹

14 EE Times Japan, 2009/03/18

15 http://udedokei-web.hp.infoseek.co.jp/japan0179.htm

16 http://citizen.jp/cs/tec-joho/yasasii/netsu/netsu.htm

17 http://kagakukan.toshiba.co.jp/06energy/newtech101.html, 102html

18 http://www.osaka-sandai.ac.jp/document/080512.pdf

19 http://www.leang.com/academics/pubs/XieJ_2008.pdf

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（３）電磁波エネルギー

電磁波エネルギー利用は、光エネルギー利用と電波エネルギー利用に分けられる。

光エネルギー（微弱太陽光）利用では、TI 社は、ソーラーエネルギーをハーベストし、

ワイヤレスセンサに応用している。^20,21

電波エネルギー利用では、Intel社は、4.1km遠方のテレビ塔からのRF電波をエネルギー源として、LCD温度計/湿度計を駆動させている。RFID+TVの組み合わせを念頭におき、

TV電波を電源として、RFID タグにセンサー情報のログを貯め、LCD 温度計/湿度計を駆動させるという。^22,23

Nokia社は、携帯電話アンテナやTVマストなどから放出された無線波をハーベストし、

携帯電話の充電に使用している。²⁴

20 EE Times Europe, 01/19/2009

21 http://focus.ti.com/lit/ml/sprt506/sprt506.pdf

22 EE Times Europe, 01/26/2009

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（４）ハイブリッド（複合型）

機械エネルギー、熱エネルギーや電磁波エネルギーを複合してハーベストする研究開発が、最近、活発になっている。

Nokia 社は、携帯電話/TV 無線波とソーラーからハーベスティングし、携帯電話に応用

している。

英 Jennic 社は、各種エネルギ・ハーベスティング向けシステムを開発している。米

Powercast社と共同してエネルギ・ハーベスティング装置を開発し、熱エネルギーや太陽

エネルギー、電磁波エネルギー、振動エネルギーなどを回収した「ZigBee PRO」や

「6LoWPAN」などの「IEEE 802.15.4」規格に準拠した無線センサー・ネットワークを駆

動している。²⁵

（５）その他

米Washington大学は、“Tree（木）Power”植物の持つ微弱エネルギーを利用し、ワイ

ヤレスセンサ・ネットワークを駆動させている。^26,27

Energy Recovery社は、海水の浸透圧を利用して発電している。^28,29

25 EE Times, 2009/11/16

26 EE Times 09/11/2009

27 http://www.uwnews.org/article.asp?articleID=51869

28 EE Times 11/30/2009

29 http://nextgenlog.blogspot.com/2009/11/energy-osmotic-power-generators-harvest.html

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（参考）エネルギー密度

様々な微弱分散エネルギーのエネルギー密度を、表2.1-2に示す。

いずれも、太陽光（屋外の直尃日光）に比べると、ケタ外れに小さいエネルギー密度である。しかし、デジタルデバイスの急速な発展により、mW、μWでも利用できるようになってきた。³⁰

表2.1-2 様々な微弱分散エネルギーのエネルギー密度

エネルギー源エネルギー密度

（単位）

機械エネルギー機械の振動機械の動き、振動数kHz当り 0.8 mW／cm³ 人体の振動人間の動き、振動数Hz当り 0.004 mW／cm³ 流体の振動空気流、30 L/min 1 mW／cm² 熱エネルギー温度差5℃ 0.06 mW／cm² 電磁波エネルギー電波電波源が近くにない場合＜0.001 mW／cm² 電波専用電波源がある場合＜1 mW／cm²

光室内 0.1 mW／cm²

（参考）太陽光（屋外の直尃日光） 100 mW／cm²

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（参考）エネルギー発電量と素子/システムの消費電力

現状の希薄分散エネルギーで得られる電力と素子やシステムの消費電力比較³¹を、

表-2.1-3に示す。

表2.1-3 エネルギー発電量と素子/システムの消費電力³¹

エネルギー発電量応用素子やシステムの消費電力

熱電発電：～10μW（腕時計用）腕時計：～10μW

RFID タグ：～150μW（アクティブ型）

センサノード（計測～送受信）：数 100μW 低消費電力 CPU：～ｍW

携帯電話：～50mW マイクロエレクトレット振動発電：～10μW

歩行時の体重による靴底発電：数 mW

31 「戦略プログラム希薄分散エネルギー活用技術」（科学技術振興機構）（2008）

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２．２変換素子技術

ハーベストエネルギー源を電気エネルギーに変えるための変換方法・素子を、表 2.2-1 に示す。

表2.2-1 変換方法・素子

エネルギー源変換方法・素子

機械エネルギー

振動発電

・圧電型：ピエゾ素子

・電磁誘導：コイル

・静電誘導：エレクトレット

熱エネルギー熱電変換：ゼーベック素子

電磁波エネルギー

電磁波変換

・レクテナ（整流変換アンテナ）

・電磁誘導型光電変換：太陽電池

（１）圧電変換・振動発電

振動エネルギーを電力に変換する方法には、圧電型、電磁誘導型、静電型がある。

圧電変換・振動発電の方式の開発動向を、表2.2-2に示す。

表2.2-2 圧電変換・振動発電の方式の開発動向 ²

エネルギー源発電方式・材料開発先発電電力

環境振動構造物振動、

車両振動、

流体振動等

圧電型：圧電素子 UC Berkeley校（米）

（カリフォルニア大バークレー校） 200[μW]

圧電型：圧電薄膜 IMEC（ベルギー） 40～60[μW]

電磁誘導型 Ferro Solutions（米） 1～10[mW]

静電型：エレクトレット膜東京大、オムロン 10[μW]

三洋電機 40[μW]

人体振動

圧電素子

EnOcean社（独） 200[μW]

長岡高専 300[μW]

MIT（米） 1～8[mW]

静電ポリマー SRI International（米） 800[mW]

圧電床㈱音力発電 0.3～1[W]

機械式回転 MIT（米） 60～250[ｍW]

水圧、水流 Pittsburgh大（米） 250～700[mW]

NTT環境エネルギー研究所 1.2～2.5[W]

圧電ワイヤ Georgia工科大（米）～50[mW]

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（1.1）圧電型²

圧電型は、材料が振動によって伸縮変形する際に発生する電位差を電力として回収する。

発電量が尐なく、材料の変形により务化するのが欠点だが、構造が容易で小型化が可能である。

UC Berkley（カリフォルニア大学バークレー校）のS.Roundyらは、圧電セラミック材

を用いた片持ち梁に機械的な振動エネルギーを不えて200μW以上の電力を得ている。

ベルギーIMEC（Interuniversity Microelectronics Center）では、微細加工技術（MEMS）

をもとに作成した片持ち梁のデバイス上に圧電薄膜を形成し、外部からの振動で60μW程度の発電をしている。

（1.2）電磁誘導型²

電磁誘導型は、コイルと磁石を組み合わせた素子を利用することで、外部から振動が加わると永久磁石とコイルは相対運動し、コイルに交差する磁束が変化することによって誘導起電力が生じる仕組みである。コイルの巻き数など構造的な要素が発生電力に大きく左右する欠点があるが、比較的電力を取り出しやすい。

開発動向では、1988年にセイコーエプソンは腕の動きで発電する「キネティック」と呼ばれる腕時計を開発した。

近年では、英Perpetuumや米Ferro Solutionsなどで携帯機器や工業用無線機器向けの振動発電機を市販している。

研究機関では、東京大の保阪らはコマの歳差運動を利用する回転式電磁誘導発電機を紹介している。高速回転するロータに傾斜振動が加わるとロータは歳差運動を起こし、傾斜方向と直角方向に回転運動を始める。その回転力により自転速度を増速するものである。

MEMSデバイス分野（MEMS技術）でも研究開発が進められており、香港中華大学では

微細加工技術を用い小型でありながら 0.8mW 程度の電力を起こし、さらにこの電力を使って無線機器を駆動している。

（1.3）静電誘導型²

静電型の発電機は、２つの平面状の基板がお互いに向かい合った構造をとる。片方の基板には電荷を半永久的に帯びた「エレクトレット」と呼ばれる材料をくし型状に配置し、

もう片方の基板には、やはりくし型の対向電極を置く。振動によって、エレクトレットと対向電極の位置関係がずれることで起電力が生じる仕組みである。

最近の日本国内の開発動向としては、三洋電機や東京大と共同開発を行ったオムロンなどは各社が想定する応用によって人体の歩行動作による振動もしくは、自然振動などを利用する用途開発を行っている。応用として、オムロンは工場の機械、自動車、橋など自然界に存在する数十 Hz 以下の低周波を対象とした振動発電機を開発した。さらに旭硝子やネクスコ東日本エンジニアリングと共同で、無線センサネットワーク向けの電源としての応用を検討している。

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（1.4）人体振動利用²

人体の運動からの発電としては、腕時計用の振動発電機がすでに実用化されているが、

最も大きな出力が期待できる歩行の際のエネルギーや瞬間的に打つ力もしくは押す力の利用がある。

研究開発の例として、MITでは中敷きに圧電セラミクスを組み込んだ靴により数mWの発電を起こし、SRIでは電歪ポリマーを用いて数百mWの出力を得ている。

最近の無線機器への応用研究としては、NTT環境エネルギー研究所は靴の中を液体が移行する際に小型タービンを回して発電する仕組みで平均1Wを超え携帯電話機の通話時に十分な電力供給ができる能力を備えている発電機を開発した。

またパックやひざに取り付けることによって振動で数Ｗを発電する装置の開発も行われている。

産業界では人体からのエネルギーを電力に変換する環境発電機として、独シーメンスから設立された EnOcean では室内オートメーション向けのエネルギーハーベストデバイスを開発した。壁の電灯スイッチと同じ形状のデバイス内部に電磁誘導発電機を組み込み、

スイッチ動作によって得られる電力で無線回路を動作させて照明などをワイヤレスで点灯させる。建築時にあらかじめ設置する電気配線を減らし、スイッチを任意の場所に設置できる利点がある。

その他の研究事例としては、長岡高専は、圧電素子を用いた衝撃振動による磁気発電のドアアラームなどを開発した。人がドアを開くときの衝撃振動に変換し蓄電した後、無線装置を駆動し、ドアの開いたことを感知通報する防犯用自家発電型無線警報装置である。

また、米のGeorgia工科大は、圧電材料である酸化亜鉛のナノワイヤを高密度に作成する技術を開発し、大型の酸化亜鉛ワイヤ数本から10mW程度の発電を起こした。

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（２）熱電変換

熱電発電は、温度差によって起電力を生じるゼーベック効果を利用した発電方式である。

熱電発電方式では、性能指数Z（Z=S2ｐ/k, Sはゼーベック係数V/K、ｐは導電率、ｋは熱伝導率）の高い材料の開発が最も重要な課題となっている。

発電量を決めるのは性能指数と温度差であり、人間活動に起因するような温度差、例えば体温と外気温の差では十分な発電量が取れないため、材料の性能指数が重要となる。

性能指数ZあるいはZTが高くなるほど、発電効率が高くなる。ZTが高い材料、すなわち導電率ｐが大きく熱伝導度kが小さい材料は多くなく（金属ではｐとｋが比例する）、長らくZT=１程度が限界であった。しかし、2000年前後から、ナノ構造化した材料により、

大幅なZTの向上が報告されている。高温域ではあるがZT=4.1という材料も報告されている。³⁰

開発動向では、腕時計の中に微小な熱電半導体材料を多数配列して外気温との温度差を利用して発電する腕時計がセイコーインスツルメントとシチズンから製品化された。これらの実用化がきっかけとなり、熱電変換素子がエネルギーハーベストデバイスとして注目され、さまざまな研究開発が進んでいる。

また、センサネットワーク用の自立電源としてのデバイス試作が行われている。ベルギーIMEC では、無線センサネットワークのノード駆動電源として、体温を利用して熱発電を行う熱電変換デバイスの可能性を検討している。腕時計のような手首に巻きつけて固定するベルトを用い、無線送信機を備えた熱発電デバイスをマウントしたセンサノードとしての性能を確認した。特に動脈付近の体温熱が有効に利用されて日中で 250μＷ程度の発電を行うことが示された。NTT は、シリコンウェハー上に熱電変換も含めた微弱発電デバイスを集積し、さまざまな環境発電を可能にした素子を試作している。²

また、自然界の環境温度の揺らぎを利用して焦電効果により発電している例もある。熱源と環境とで10℃の温度差があれば、2.4mWの発電が可能である。

業界で熱電変換デバイスを小型化し市販している開発先を、表2.2-3に示す。

表2.2-3 小型熱電素子の開発動向²

温度差発電

開発先製品名温度差電力量

HI-Z Technology社（米） Hz-2、HZ-14、HZ-20 200℃ 2～20[W]

東芝 Giga Topaz 480℃ 15[W]

フェローテック TMG-127 125℃ 4.5[W]

Micropelt社（独） MPG-D901 40℃ 87[mW]

シチズン Eco-Drive Themo 1℃ 14[μW]

セイコーインツルメント Body Heat powered Watch 1℃ 10[μW]

(19)

（３）電磁波変換

電磁波を用いた電力伝送方式として、電磁波受信アンテナと整流回路を組み合わせたレクテナ（rectenna=rectifying antenna）方式、電磁誘導方式、電場または磁場の共鳴方式が検討されている。³¹

RF（高周波）の場合、電磁波エネルギーから電気エネルギーへの変換はアンテナを用いたエネルギーハーベスト後の周波数変換のみであり、通常は高効率変換のためにダイオードを用いて直流変換する事がほとんどである。²⁰

このような技術を「無線電力伝送技術」と呼び、1960年代以降様々な研究が行われてきた。無線電力伝送は、様々な得失があり、実用化に再して有線送電、バッテリー、太陽電池等との競争で効率やコスト等で決定的な優位性が見出せなかったためである。しかし、

21世紀に入り、RFIDという情報と電力を同時に伝送する商用システムが実用化し始め、

微弱なエネルギー密度でも情報と同時伝送で有用性がある無線電力伝送システムが注目されている。

太陽光を電力に変換する太陽電池は広く普及しているが、希薄分散エネルギー活用という観点からは、暗所でも使える二次電池機能や、室内光のような微弱な光でも高効率に電力に変換できる技術が必要である。シリコン太陽電池は、光量が小さくなると指数関数的に変換効率が低下するという問題があり、また現状では低コスト化の課題が残されている。

色素増感太陽電池は、微弱光でも効率が落ちないという特長があり、また二次電池機能も可能であることから、希薄分散エネルギー活用技術の一つとして有望である。²¹

(20)

２．３特許出願動向

（１）日米欧の特許出願動向

エネルギー・ハーベスティング技術分野は多岐にわたり、IPC（国際分類）による妥当な抽出は困難である。従って、ここでは、特許全文フリーワードによる検索を採用した。

エネルギー・ハーベスティング技術に関する特許特許公報（日本公開、US公開、EP公開、WO公開）の2005年以降の件数推移を、表2.3-1及び図2.3-1に示す。

海外出願特許が高水準となっており、当該分野での研究開発は欧米優位の状況にある。

表2.3-1 エネルギー・ハーベスティング技術に関する特許公報動向（日本・海外）

（対象：日本公開、US公開、EP公開、WO公開）

公開年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 2005-2009 年計

日本公開 6 7 5 13 9 40

ＵＳ公開 62 89 182 306 259 898

ＥＰ公開 7 21 27 65 70 190

ＷＯ公開 22 46 107 152 140 467

特許公報動向（日本・海外）

0 50 100 150 200 250 300

2005年 2006年 2007年 2008年 2009年公開年

件数

日本公開ＵＳ公開ＥＰ公開ＷＯ公開

図2.3-1 エネルギー・ハーベスティング技術に関する特許公報動向（日本・海外）

（対象：日本公開、US公開、EP公開、WO公開）

(21)

（２）国内特許出願動向

エネルギー・ハーベスティング技術に関する日本特許公報（公開・公表・再公表）の

2005年以降の総件数は、134件である。（公開40件、公表92件、再公表2件）

上位出願人と件数を、表 2.3-2に示す。クアルコム（米国）からの出願が最も多く、次いで、ゼネラル・エレクトリック（米国）、メディミューン（米国）、パナソニックが続いている。

表2.3-2 エネルギー・ハーベスティング技術に関する日本特許公報（公開･公表･再公表）

の上位出願人

No. 出願人件数

1 クアルコム（米） 25

2 ゼネラル・エレクトリック（米） 8

3 メディミューン（米） 7

4 パナソニック 4

＜調査方法＞

（国内特許公報）

・公報種別：日本公開･公表･再公表特許公報

・期間（公報発行日）：2005年1月1日～2009年11月25日。

・検索式

FW（全文）=（環境発電＋エネルギーハーベスト＋エネルギー・ハーベスト＋エネルギーハーベスティング＋エネルギー・ハーベスティング＋エネルギー＊ハーベスト＋エネルギー＊ハーベスティング）

・件数 134件（公開：40件、公表92件、再公表2件）

（海外特許公報）

・公報種別及び期間：US公開 2005年1月1日～2009年11月19日 EP公開 2005年1月1日～2009年11月25日 WO公開 2005年1月1日～2009年11月19日

・検索式

FW（全文）=“energy harvest*”

・件数 US公開 898件 EP公開 190件 WO公開 467件

(22)

２．４国内外プロジェクト等の状況

エネルギーハーベスティングという言葉が急増したのは 2005 年以降である。その背景にはデジタルデバイスの低消費電力化とともに、ヨーロッパにおける様々な研究プロジェクトの存在があった。³⁰

（１）海外の状況

ヨーロッパ・米国とも、エネルギーハーベスティングの取り組みは、応用として大半がセンサネットワークに焦点が当てられている。

（1.1）ヨーロッパ

エネルギーハーベスティングに関する取り組みが活発化している。

例えば、フライブルグ大学（独）のIMTEK（Institute for Microsystem Technology）では、

Micro Energy HarvestingプロジェクトがGRF（German Research Foundation）と民間

（SIEMENS、Enocean、SICK、EH、Weidmuller社等）からの支援をうけてスタートしている。この研究課題は DC-DC Converter、AC-DC Converter、Electromagnetic Energy Harvester、Multiwire Coils、Microelectronic Conversion Circuits、Variable Supply、Custom

Microcontrollersが掲げられており、エネルギー変換技術分野や、エネルギー蓄積技術、エ

ネルギー送受信技術、システム制御技術、低消費電力回路技術、パッケージング技術等の共通技術分野の研究者による分野融合的な取り組みが特徴である。フライブルグ市は、基幹系統電力へ再生可能エネルギーを活用する取り組みで国際的にも有名であり、それをフライブルグ大学が技術面で支えている。

またフラウンホーファー研究所（独）では、小型電源に関する横断的な組織を発足させ、

2006年からはFraunhofer Symposium Micro Energy Technologyをスタートさせている。

表2.4-1 ヨーロッパの最近のエネルギーハーベスティングに関する主な取り組み³¹

発電方式エネルギー源研究機関

MEMS（電磁式）自然振動 IMTEK、University of Freiburg

光電変換、燃料電池太陽光 Fraunhofer Institute 光電変換太陽光 Imperial College London

MEMS 人体の動き Imperial College London

光電変換、熱電変換太陽光、

太陽熱

University of Naples Federico University of Cambridge

統合化技術 Polytechnic University of Catalonia

MEMS（圧電変換）自然振動 IMEC

(23)

（2.2）米国

エネルギーハーベスティングは、米国でもその取り組みが活発である。

この発電システムの一つである Power MEMSは、1990年代後半にMITで命名され、

MEMSを使った小型の発電システムをさす語として定着している。現在MITのElectrical Engineering and Computer Science学部ではPower MEMSの概念を広げて様々な分野で広範な取り組みをしている。

政府レべルでは DARPA（国防高等研究計画局）が軍事用途での電源の重要性を認識して、いくつかのプロジェクトを実施してきた。例えば MTO（Microsystems Technology Office）では気圧変動、太陽光、自然振動の３種類のエネルギー変換方式を統合化して、

プロトタイプまで作製している。DSO（Defense Sciences Office）では Micro Power

Sources プログラムが進行中で、マイクロ燃料電池、自立型バッテリー及び Energy

Scavenging Micro Sourcesと3次元マイクロ電池が課題となっている。

NSF（National Science Foundation；アメリカ国立科学財団）では、エネルギーハーベスティング関連のプログラムを大学主体に約80件実施している。

またファンディング機関ごとにSBIR（Small Business Innovation Research）というベンチャー支援を積極的に行っている。

さらには、エネルギーハーベスティングフォーラムというベンチャー主体の分野融合的な動きもある。

表2.4-2 米国の最近のエネルギーハーベスティングに関する主な取り組み ³¹

発電機構エネルギー源研究機関

MEMS(圧電式) 自然振動 MIT

MEMS(電磁式) 自然振動 University of Michigan

MEMS(静電式) 自然振動 California Institute of Technology

MEMS(電磁式) 自然振動 MIT

音響発電デバイス航空機騒音 University of Florida

統合化（太陽電池、振動、圧力）太陽光、自然振動、気圧変動 University of California,Berkeley (UCB)

人工光合成太陽光 MIT

放尃性同位体振動発電デバイス放尃能 Cornell University

MEMS(圧電式) 自然振動 Simon Fraser University

(24)

（２）国内状況

希薄分散エネルギー活用技術関連の取り組みは、エネルギー変換技術ごとに、個別の取り組みが、大学を中心に行われている状況にある。

学術レベルの動きとしては、2000年より東北大学が中心となって、機械振動を用いた発電、小型燃焼炉を用いたマイクロガスタービン発電／熱電発電／熱光発電等の研究を中心

にしたPower MEMS国際ワークショップが開催されている。また、2008年には日本機械

学会マイクロナノ専門会議で、日本機械学会の中での横断的なPower MEMS関連のマイクロエネルギー研究会が設立され、横断的動きが芽生えてきている。

産学連携の動きも小規模な取り組みであり、目立つベンチャーの動きも殆どない状況である。 ³¹

尚、自治体の取り組みでは、三重県は、産学官連携による電池関連産業の発展を目的に

「ユビキタス＆グリーン電池研究会」を発足させる。次世代型リチウムイオン二次電池や将来型革新二次電池など電気を「つくる(発電)」と「ためる(蓄電)」の相補的発展を目指している。³²

32 2009/10/09,化学工業日報

(25)

２．５研究機関・研究者

発表論文を中心に、エネルギーハーベストのエネルギー源および変換素子に関連する研究者を抽出し、表 2.5-1および表 2.5-2に、それぞれ研究機関・研究者リストとして纏めた。

日本では、東京大学大学院の鈴木雄二准教授のグループが活発な研究を進めている。

安定化させたエレクトロレットを用いた静電誘導型の発電機を開発し、電極厚み150μm、

エレクトレット圧み20μm、ギャップ40μmで、振動数20Hz、振幅1.2mmの振動から

0.7mWの出力を得ている。

また、東北大学大学院の江刺正喜教授のグループもPower MEMS（マイクロ発電デバイス）の開発、携帯電話への応用に注力している。

(26)

表2.5-1 エネルギー・ハーベスト（エネルギー源）の研究機関・研究者リスト

エネルギー研究機関所属

（学部、学科）

役職研究者名テーマ応用研究室

URL

研究室 TEL FAX E-Mail 機械エネルギー構造物振動

（橋梁）

Royal

Melbourne Inst.

Technol.（豪）

AWAJA N. et

al.

電磁微小発電機に使用する薄板ばねのモデリングとシミュレーション

機械エネルギー構造物振動 Chinese Univ.

Hong Kong（中）

LIANG J. R et

al.

構造減衰における圧電ハーベスティングと散逸

機械エネルギー車両振動福岡工業大室蘭工業大

工学部/電気工学科工学部/電気電子工学科/電気システム工学講座

准教授准教授

大山和宏川口秀樹

永久磁石リニアパワー発電機を使用する電気自動車の振動により得る電気動力

機械エネルギー車両振動 Univ. Minnesota

（米）

VIJAYARAGH

AVAN K. et al.

バッテリーレス無線交通センサ

センサ

機械エネルギー車両振動

（エンジン）

Univ. Maryland

（米)

CHOI

Young-Tai et al.

自己発電磁気レオロジーダンパ

機械エネルギー車両振動

（ドア開閉）

名古屋大大学院

東北大大学院

工学研究科工学研究科

教授教授

福田敏男新井史人

機械的蓄積機構を利用した小型発電デバイスの機構設計と最適化

携帯型電子機器や緊急時の電源用

(27)

機械エネルギー流体振動

（渦励振）

横浜国大大学院工学研究院横浜国大大学院工学府

横浜国大

システムの創生部門/システムのデザイン分野

システム統合工学専攻/海洋宇宙システム工学コース工学部建設学科/海洋空間のシステムデザインコース統合的海洋教育・研究センター

准教授西佳樹渦励振を活用する新たな自然エネルギー獲得技術の開発

http://gakufu.e ng.ynu.ac.jp/sta ff/00000032/in dex.html

（渦励振）

大阪府立高専総合工学システム学科/メカトロニクスコース

准教授土井智晴カルマン渦列による共振現象を応用した発電実験 Flat Ring Tube の振動現象を用いた発電の研究

（渦励振）

長岡技術科学大

機械系/人間環境システム工学講座/流体工学研究室

教授白樫正高渦励振発電を利用した電力自立型河川監視装置の開発

河川監視装置

http://ntic.naga okaut.ac.jp/see ds_7edition/017.

html

http://www.nag aokaut.ac.jp/j/k enkyu/SOURAN /teacher/shirak ashi_masataka.h tml

TEL：

0258-47-9730 ,FAX：

0258-47-9770 ,

[email protected] agaokaut.ac.jp

（渦励振）

九州共立大工学部/メカエレクトロニクス学科

教授宇野美津夫円柱の渦励振現象を活用したマイクロ水力発電の提案

河川の流れを想定した渦励振型マイクロ水力発電流体による振動現象を利用したマイクロ発電

http://www.kyu kyo-u.ac.jp/p_sy stem/index.php

?type=teacher&

execmode=vew

&cd=66 http://www3.ky ukyo-u.ac.jp/t/

k031/index.htm

mitsuo@kyuky o-u.ac.jp

(28)

（渦励振）

東工大大学院理工学研究科／機械宇宙シ

ステム専攻

教授大熊政明振動エネルギーからの発電システムの開発

http://www.mec h.titech.ac.jp/~d osekkei/kuma/

TEL：

03-5734-2784 mokuma@mec h.titech.ac.jp 機械エネルギー流体振動

（渦励振）

三重大環境エネルギー工学研究センター

工学研究科/機械工学専攻教授

（センター長）

前田太佳夫ゲート式マイクロ水力発電システムの開発研究

http://kyoin.mie -u.ac.jp/profile/

1517.html

maeda@mach.

mie-u.ac.jp 機械エネルギー流体振動

（渦励振）

Technische Univ.（独）

EBERMEYER

et al.

流動媒体中の短い圧電片持梁を用いる電気エネルギーの発生

センサシステム

（渦励振）

Universidad Politecnica de Madrid（スペイン）

SANCHEZ-S

ANZ et al.

矩形プリズム周囲の Karman 渦列により生成される力に基づくエネルギーハーベスト･マイクロ共振器

（潮流）

東京海洋大博士課

程学生

三木基弘バルク高温超電導体を用いた潮流発電用高効率発電機に関する研究

（波力）

佐賀大助教授

教授教授

木上洋一瀬戸俊明金子賢二

波力発電用 Wells タービンのヒステリシス特性

（風渦励振）

長崎大工学部/構造工学科教授吉武裕フラフープを使用する塔

状構造物の渦振動の抑制と電力の発生 2 スロット発電機を利用した水平振り子型制振発電装置による渦励振の制振と発電

http://www.st.n agasaki-u.ac.jp/

ken/yoshitake/i ndex.html

TEL：

095-819-2589 yoshitak@nag asaki-u.ac.jp

(29)

（風渦励振）

九大工学研究院教授末岡淳男複数のフラフープを用い

た塔状構造物の渦励振の制振と発電

http://www.ap.k yushu-u.ac.jp/a ppphy/research -core/comp_en g/index.htm

（風渦励振）

横浜国大大学院

工学研究院/システムの創生部門/システムのデザイン分野

教授鈴木和夫回転翼を利用しない潮流発電用ダクト型水車の研究

[email protected]

（気流）

名古屋大エコトピア科学研究所准教授北川徹哉高速道路走行の自動車

が発生させる気流変動

（ガスト）のエネルギー回収

http://www.esi.

nagoya-u.ac.jp/

staff/kankyo/tk itagawa.html

t-kitagawa@e si.nagoya-u.ac .jp

（音響）

California Inst.

Technol.（米）

SHERRIT

Stewart

物理音響学

機械エネルギー振動東北大大学院工学研究科/ナノメカニクス

専攻/ナノテクノロジー講座情報ナノシステム分野桑野・長澤研究室

教授桑野博喜広帯域インテリジェント発電システム

機械エネルギー振動 Rensselaer Polytechnic Inst.(米）

DWARI Suman

et al.

振動を利用した低電圧環境発電システム

機械エネルギー振動 Yale Univ.(米） Dep. of Electrical Engineering

MARINKOVIC Bozidar et al.

広帯域幅振動エネルギーハーベスティングプラットフォーム

機械エネルギー振動 Inst. National des Sci.

Appliquees de Lyon

(INSA-Lyon)

（仏）

LALLART

Mickaeel et al.

環境発電方式

委託調査報告書

「エネルギーハーベストおよびマイクロバッテリー の研究開発動向と応用」