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TRANSCRIPT
目次
背景
IoT, センサネットワーク、Industries 4.0, Industrial Internet
エナジーハーベスタ
センサネットワーク
まとめ
Kuwano Lab.
社会へのインパクト
１）各種システム（老朽）の最適メンテナンス・管理
２）安全・安心
３）エネルギーと資源の節減・最適化
４）新しい人間のコミュニケーションツール
: 五感の拡張として障害を持つ人には勿
論、健常者にも新しい感覚を提供
Kuwano Lab.
センサ・コミュニケーション・ソサエティ＝センサネットワークを基盤とした社会
Medical Structural diagnostic
Traffic/Logistic
Environment
Security
Data Center
Sensor Cloud
New applications, New data services, and New infrastructures
8 Kuwano Lab.
物のインターネット
Internet of Things (IoT)
IPアドレスを持つスマートフォン、センサ、RFIDタグなどがインターネットに接続され相互の情報交換することにより、ある目的を持つ制御を行う仕組み。
センサネットワーク、M2M(Machine to Machine network)、ビッグデータ、IPv6(232→2128)
IEEE予測（2013年）・・・2020年までに最大1,000億個のものがインターネットで繋がる世界が実現される。
マッキンゼー・グローバル・インスティチュート報告(2013年）、経済効果は2025年までに年間最大で6.2兆ドル(631兆円）。
世界中、いつでも、どこでも、何とでも繋がる。
IoT → IoE (Internet of Everything)
Industries 4.0
Trillion Sensors
Kuwano Lab.
IoTの応用分野
インフラ設備、構造物の保守、保全モニタリング
製造設備の保守・管理モニタリング
環境・エネルギー・省エネ最適化
廃棄物、物品管理
コミュニケーション
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
IoT・・・・・モノづくりと結び付くと
米国では・・・・Industrial Internet
ドイツでは・・・・Industrie 4.0
設計思想（1）Machine Centric
（2）Industrial Big Data
（3）Modern Architecture
（4）Resilient & Secure
Industrial Internet・・・・GEの例
エンジンにセンサを取り付けてセンサ情報を取得
必要な時に必要なレベルでのメンテナンスや修理を実行
不測のエンジントラブル によるフライトのキャンセルで、利益を失うことが減る
職場における情報の活用とコラボレーションのあり方を変える
Cyber-Physical System（CPS）
・モノのインターネットから得た情報を収集・蓄積し、価値ある情報へ加工・分析・モノへの制御指示や、外部のアプリケーションへのデータ提供を行う機能・複数のサービス分野からの情報をCPS- Platformで収集・蓄積・分析・新たなサービスと組み合わせたモノづくり
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
Air Pollution
Monitoring
M. Takeda, MEMS2001
Sensor Node System Overview
Structural
Health
Monitoring
Road
Monitoring
Processing
and Control
Power
Manager
Energy
Storage
Energy
Harvester
Communicator
Memory
Sensor Sensor
Sensor Sensor
Actuator Actuator
Actuator [email protected] 17
センサネットワークを実現する戦略
１）安価なマイクロセンサの実現
・・・・基本構造、回路を全てのセンサで共通に
振動子の利用（表面弾性波、 QCM・・・・ ）
２）自立電源の実現
・・・・エナジー・ハーべスティング
３）送受信装置の低電力化
・・・・
Kuwano Lab.
身の回りに存在する未利用エネルギー密度
Type Energy density (Wcm-2)
Direct irradiation of the Sun
Indirect irradiation of the Sun in room
Electromagnetic wave
10-1
10-4
<10-6
Thermal 10-5
Vibration 10-4 ～ 10-3
Biological 10-3
Kuwano Lab.
エナジー・ハーベスティングの応用と課題
【センサー・ネットワークへの適用を考える】
・ 3m の無線伝送 → －10dBm = 100 μW が必要
・ センサー・ノードを作動させるデューティー比を0.1%とすると（20分毎に1秒のデータ伝送）
→ 0.1 μW が必要
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
相対運動が大きい場合
If we find a relative motion, it is easy to generate a electric power.
Example.
EnOcean NTT
10gf x 1cm = 1mJ 60kgf x 1cm = 6 [email protected] 22
振動発電のモデル(相対運動が小さい場合、共振を利用）
最大出力はω＝ ωnの時で
Pd = mY02ω3／4ζt
(ただし、ζt = cT/2mωn )
23
Kuwano Lab.
各種エネルギー変換法による最大出力密度の見積もり
TypeEnergy density
(mJcm-3) Basic formula Hypothesis
Piezoelectric
Electromagnetic
induction
Elecrostatic
induction
35.4
24.8
4
(1/2)σy2k2/2c PZT 5H
0.25T
3 x 106 Vm-1
(1/2) B2/μ0
(1/2)ε0E2
（S.Roundyらによる）2018.8.3
24
● 構造体+ 高層ビル+ 橋脚+ トンネル
● 機械類+ 工作機械+ 自動車
● 生物・人+ モーション+ 歩行
共振周波数
有 数Hz-数10 Hz
有 数10Hz-数100 Hz
共振周波数の変化
無
小
大：連続変化
大：断続変化パルス状入力
振動源
広帯域動作
低周波駆動
Ambient vibrations
振動によるエネルギーハーベスティングの課題
• 高出力化、高効率化
• 共振振動の利用
• 広帯域化
• システム（整流、蓄電 etc.）
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
PZT, AlN, ZnOの各圧電薄膜の特徴
材料電気機械結合係数
誘電損失
tanδ特記事項
PZT 53/4720% 0.01-0.04
結晶化温度高分極処理要経年劣化
AlN 14% 0.003
結晶化温度低分極処理不要経年劣化小
ZnO <18% 0.01-0.1
結晶化温度低分極処理不要経年劣化小
Kuwano Lab.
PZT, AlN, ZnOの各圧電薄膜の機械特性
材料弾性係数
[Gpa]
破壊応力
[Mpa]
破壊靱性
[Mpa]
バルク
PZT 53/47 50-100 97 1.0-1.1
バルク
AlN330 265 2.6
バルク
ZnO140-183 100-125 1.25-1.42
Kuwano Lab.
各種基板の機械的特性
基板材料弾性係数
[Gpa]
降伏応力
[Mpa]
破壊靭性値【Mpa√m】
Si(001) 130600-7700
（破壊強度）0.95
SUS304 197 205 80
Ti 106 205 7
Cu 117 100
Ni 204 58
バルクAl 69 18 [email protected] 29
PIEZOELECTRIC THIN FILM FOR POWER MEMS
Power Generation Figure of Merit (FOM) for a piezoelectric material:
Piezoelectric charge Piezoelectric voltage[1] S. Trolier-McKinstry et al, 2004 J. Electroceram 12 7-17
[2] R. Elfrink et al, 2009 J. Micromech. Microeng. 19 094005
SUS上に製膜したAlNBy Ziping Cao, Jinya Zhang, and Hiroki Kuwano、
Sensors and Actuators A: Physical, 2012
SUS304: 50 μm
31
SUS基板上に形成した高出力AlN薄膜振動発電デバイスBy Z. Cao, J. He, Q. Wang, M. Hara, H. Oguchi, and H. Kuwano, PowerMEMS 2013 (Journal of Physics: Conference Series 476 (2013) 012034)
Vibrated t 0.2 g
Kuwano Lab.
(K,Na)NbO3薄膜を用いた非線形マイクロ振動発電デバイスby Le Van Minh, Motoaki Hara, and Hiroki Kuwano,
Japanese Journal of Applied Physics, 52(2013) 07HD08
Kuwano Lab.
(K,Na)NbO3薄膜を用いた非線形マイクロ振動発電デバイスby Le Van Minh, Motoaki Hara, and
Hiroki Kuwano, Japanese Journal of
Applied Physics, 52(2013) 07HD08
Kuwano Lab.
(K,Na)NbO3 薄膜によるインパクト型マイクロ振動発電デバイスby Le Van Minh, Motoaki Hara, Hiroyuki Oguchi, and Hiroki Kuwano. MEMS 2013,
Taipei, Taiwan, January 20 – 24, 2013
Kuwano Lab.
PZT薄膜によるインパクト型3次元マイクロ振動発電デバイス
36
XY
Z
Device YZ
XY
Z
Device YZ
XY
Z
Device XY
(a) Vibrating along the X-axis
(b) Vibrating along the Y-axis
(c) Vibrating along the Z-axis
Le Van Minh, Suguru Igarashi, Hiroki Kuwano,3D IMPACT-BASED ALN/SUS MICROENERGY
HARVESTERS FOR MULTI-DIRECTIONAL AND LOW=FREQUENCY VIBRATIONS, Proc. IEEE
MEMS2018, pp.624-627, Northern Ireland
圧電薄膜とエレクトレット薄膜By Hiroshi Okamoto, Takafumi Suzuki, Kazuhiro Mori, Ziping Cao,
Teppei Onuki and Hiroki Kuwano , Int. J. Energy Res. 2009,33,
Fig. The electret electromechanical energy converter model
for a piezoelectric material
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
・・・
a) The unit model b) Integration of the unit model
From
voltage
source
qk
Ground
electrode
Upper
electrode
Electrostatic
induction generation
using
piezoelectric
film
Elecrostatic
induction generation
using
electret
film
圧電体を用いた静電誘導発電とエレクトレットによる静電誘導発電との違い
Surface charge density of electret 10-3 C/m2
, do not need deformation, but displacement
Surface charge density of piezoelectric
10 C/m2 , but need deformation
Surface charge density is dominant for generator
静電誘導発電出力は表面電荷密度の二乗に比例
Pmax= σ2・n・A・2πf／（ε・ε0(ε・g/d+1)/dσ: 表面電荷密度、n:Pole数、f:周波数、d:厚さ、g:ギャップ、 ε:比誘電率、ε0:真空の誘電率
【用途により使い分けることが重要】[email protected] 38
Kuwano Lab.
Ferroelectric dipole electret (FDE) の提案by Haruhiko Asanuma, Hiroyuki Oguchi, Motoaki Hara, Ryo Yoshida, and Hiroki Kuwano, APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 162901 (2013)
ro
Upper Electrode
(fixed)
Lower Electrode
Air Gap
Vib
ratio
n
r1
Vosc
Alternate Current
- - -
FDE
+ + +
- - - - -
+ ++ + +
Vout
Vo
ut(V
)
Time (sec.)
100
50
0
-100
-50
0 0.05 0.10 0.15
Sample, s (mC/m2)
CYTOP, -1.0
F, -12
D, -8.5
B, -12
a
FDEによる発電実験 FDEによる発電実験結果
Kuwano Lab.
Ferroelectric dipole electret (FDE) の発電出力by Haruhiko Asanuma, Hiroyuki Oguchi, Motoaki Hara, Ryo Yoshida, and Hiroki Kuwano, APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 162901 (2013)
Po
p(m
W)
Ez (V/m)
60
40
20
00 8642
CYTOP
Sample F
EDCBA
107
(MgHf)xAl1-xN-based エナジーハーベスタ
Array of (MgHf)xAl1-xN-based VEHs with
chip size of 2.5 × 2.5 mm2
(MgHf)xAl1-xN-based VEHs with different concentrations were
successfully fabricated
Nguyen, H. H., Van Minh, L., Oguchi, H., Kuwano, H., Development of highly
efficient micro energy harvesters with MgHf-codoped AlN piezoelectric films,
Proc. IEEE MEMS2018, pp.222-225, Northern Ireland
41
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
(MgHf)xAl1-xN-based エナジーハーベスタNguyen, H. H., Van Minh, L., Oguchi, H., Kuwano, H., Development of highly efficient
micro energy harvesters with MgHf-codoped AlN piezoelectric films, Proc. IEEE
MEMS2018, pp.222-225, Northern Ireland
42
表面弾性波MEMS応用－ 汎用センサの開発 －
低価格、高機能を実現する
SAWによる汎用センサの開発
【基本構造、信号処理系を共通に】
研究の目的
センサ： 高感度ひずみセンサ，ガスセンサ力センサ，加速度センサなど簡単な構造で多方面の応用
Kuwano Lab.
表面弾性波素子を基本形とした各種センサの開発
バイオセンサ
溶液センサ
ひずみセンサ
力センサ加速度センサ
物理センサ
化学センサ
振動センサ
温度センサ
湿度センサ
流量センサ
粘度センサ
振動センサ
磁気センサ
送信側 IDT 受信側IDT
Piezoelectric material
ZXY
表面弾性波センサ基本形
ガスセンサ
Kuwano Lab.
p
pp
ll
ll
1
1
1
12 pp
pp
ll
llvff
1
1
f
ffl
歪が生じる前後の共振周波数の変化
歪elの式
共振周波数変化によりひずみ量を得られる．
IDTに歪が生じたときの共振周波数変化を計測
Llp
lg lm
W
Llp
lg lm
W
表面弾性波を利用したひずみセンサ
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
バッテリレスSAWひずみセンサ
p
pp
ll
ll
1
1
1
12 pp
pp
ll
llvff
1
1
f
ffl
Strain l
Llp
lg lm
W
Llp
lg lm
W
[email protected] Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
LiNbO3基板SAWを用いた発振型ひずみセンサー無線ひずみセンシングシステムー
Experimental Study of Highly Sensitive
Sensor Using a Surface Acoustic
Wave Resonator for Wireless Strain
Detection by Z. Bao, M. Hara, M.
Mitsui, S. Nagasawa, and Hiroki
Kuwano, Jap. J, Aplied Physics, 51
07GC23
Kuwano Lab.
Si基板上AlN薄膜SAWによるひずみセンサー構造と作製プロセスー
HIGHLY SENSITIVE STRAIN SENSORS USING SURFACE
ACOUSTIC WAVE ON ALUMINUM NITRIDE THIN FILM
FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS by Z. Bao, M. Hara,
and H. Kuwano, Transducers 2015 WP.013 [email protected] 50
Kuwano Lab.
Si基板上AlN薄膜SAWによるひずみセンサ特性
― 0 ― 53 m
― 18 m ― 71 m
― 35 m ― 88 m
HIGHLY SENSITIVE STRAIN SENSORS USING SURFACE
ACOUSTIC WAVE ON ALUMINUM NITRIDE THIN FILM
FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS by Z. Bao, M. Hara,
and H. Kuwano, Transducers 2015 WP.013
LiNbO3基板SAWを用いたH2Sガス検出
Input IDT Solid absorber Output IDT
(Detection)
Ionic liquid
(IL)Network
analyzer
Epoxy
polymer
Surface acoustic wave based sensors employing ionic
liquid for hydrogen sulfide gas detection by Y.
Murakawa, M. Hara, H. Oguchi, Y. Hamate, and H.
Kuwano, Microsyst Technolo(2013) 19: 1255-1259
LiNbO3基板SAWを用いたH2Sガス検出
0 50 100 150 200 250 300 350 400
38.538
38.540
38.542
38.544
38.546
38.548
38.550
38.552
38.554
38.556 ニオブ酸リチウム 直線近似 3σ
Reso
nan
t Fre
quency
[MH
z]
Time [min]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
befor De-gased De-gased exposured to gas
脱ガス前，脱ガス後，実験後の[BMIM][PF6]のFT-IRスペクトル比較
ニオブ酸リチウム基板の結果
硫化水素(H2S) を溶解するイオン液体としてイミダゾリウム系イオン液体を使用
1-butyl-3metylimidazlium hexafluorophosphate
([BMIM][PF6])
Kuwano Lab.
各種のSAW角速度センサ方式
Kurosawa
et. al.
(1998)
Lee
et. al.
(2007)
素子形状SAW形態
定在波
進行波
工作性 出力
難散乱パターン
難一方向性IDT
信号振幅
周波数シフト
Musha
et. al.
(2015)定在波
易一般IDTによる
共振子
周波数シフト
共振子型SAW角速度センサの応答を実験的に確認2018.8.3
試作したSAW角速度センサの特性
55
X軸回転 Y軸回転
図3 Mushaによる共振子型SAW角速度センサの応答評価
Yusuke Musha, Motoaki Hara, Hiroki Asano, Hiroki Kuwano, Oscillator based
surface acoustic wave gyroscope, Proc. 11th Int. Conf. on NEMS, 2016.
Kuwano Lab.
Kuwano Lab.
センサネットワーク実験例（橋脚の振動観測システム）北吉 均、賀 建軍、原 基揚、桑野 博喜、第30回センサシンポジウム（２０１３）、仙台
図 二線式有線センサネットワークの構成
３軸加速度センシングモジュール
56
Kuwano Lab.
センサネットワーク実験例（開発したAlN加速度センサ）北吉 均、賀 建軍、原 基揚、桑野 博喜、第30回センサシンポジウム（２０１３）、仙台
試験質量 シリコンカンチレバー
出力電極(-)
出力電極(+)
出力電極(-)
出力電極(+)
h
Lb
AlN薄膜
シリコンカンチレバー
シリコンカンチレバー
AlN膜
AlN膜
出力電極(-)出力電極(+)
出力電極(+) 出力電極(-)
(a)
(b)Time [5 ms/div.]
Ac
ce
lera
tio
n [m
/s2] O
utp
ut v
olta
ge
[mV
]
500
400
300
200
100
0
-500
-400
-300
-200
-100
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
非鉛窒化アルミニウムを用いたマイクロ加速度センサの構造図
非鉛窒化アルミニウムを用いたマイクロ加速度センサの振動試験結果
Kuwano Lab.
センサネットワーク実験例（橋脚におけるフィールド実験）北吉 均、賀 建軍、原 基揚、桑野 博喜、第30回センサシンポジウム（２０１３）、仙台
maps.google.comより抜粋
ビデオ観察点A
二線式有線加速度センサネットワークの実際の橋脚への敷設
橋脚への敷設された二線式有線加速度センサネットワークの出力波形
まとめ
エネルギーハーベスタはIOT センサネットワークに必須
各種のエネルギーハーベスタが存在
振動利用は、光、熱利用などと相補的
振動利用は実用レベルに到達しつつある
環境負荷の少ないAlN圧電材料
2018.8.3
Kuwano Lab.