| 研究課題/領域番号 |
17H01279
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
石原 昇 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 特任教授 (20396641)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ワイヤレスセンサネットワーク / 反射型通信 / 電磁音波ハイブリット / 電波 / レーザ光 / 音波 |
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| 研究実績の概要 |
本研究ではセンサ端末のバッテリーレス化を可能とし、メンテナンスフリーのセンサネットワークの構築を可能とする電磁音波ハイブリッド反射型センサネットワーク技術の創出を目的としている。初年度（平成29年度）では「電磁音波ハイブリッドによる空間の反射型センシング技術」に関する以下の基本技術を解析および回路の試作実験により明らかにした。
①電波利用による反射型ワイヤレスセンシング技術：まず、電波を反射するセンサ端末によるセンシング技術の有効性確認を行った。市販部品によりセンサ端末回路を試作し920MHｚの無線信号を用い評価を行った結果、センサ信号に応じた反射信号を得ることに成功した。また回路の消費電力は100μWほどで、従来のワイヤレスセンサ端末の100分の1以下の低電力動作の実現に成功し、低電力のワイヤレスセンシング技術として有効であることを確認した。
②レーザ光による無線信号伝送技術：電波ではエネルギーが空間へ広がるため距離による減衰量が大きい。そこで、レーザ光に無線信号を重畳してセンサ端末に照射し、レーザ光に含まれる無線信号をセンサ情報により反射させる回路の基本検討を行った。実験には、市販の赤色レーザ（1mW出力）とフォトダイオードを用い行った。その結果、レーザ光に電波信号を重畳させ端末側で無線信号に変換し反射させるハイブリッド構成により、より遠方へ高エネルギーの無線信号を端末側へ送り届けることが可能となる見通しを得た。
③反射型センサ回路技術：パッシブ型、アナログ型、デジタル変調型を比較検討し、アナログ型が反射型回路として有利と判断し、CMOS集積回路化の検討を行った。その結果、0.7μmCMOS技術で10μW以下の低電力動作実現の見通しを得た。また、この回路の電源として電波や振動、室内光などの微弱な環境エネルギーを用いる電源回路の構成法、設計法も明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度は、「電磁音波ハイブリッドによる空間の反射型センシング技術」に関する基礎実験を目標として掲げ検討を進めた結果、①電波利用による反射型ワイヤレスセンシング技術の有効性の実証に成功したこと、②レーザ光とのハイブリッド構成が有利となる見通しを得たこと、③反射型センサ回路技術では、市販部品によるモジュールの実現に加え、より低電力な動作を可能とする集積回路の構成法、設計法を明確化したこと、などの良好な結果を得た。おおむね計画通りに進捗していると考える。
しかし、音波利用に関しては、伝搬速度が遅いことを生かした高分解能測距技術としての応用検討を試みたが雑音の影響が大きく良好な結果が得られていない。音波とのハイブリッド構成の活用法については次年度に見直しを進める。上記①の電波利用による反射型ワイヤレスセンシング技術に関しては、これをベースに光や音波とのハイブリッド化、システム化を推進しする。②の電波とレーザのハイブリッド構成の検討では、光送受信回路の高周波化が課題としてクローズアップしているため、次年度の回路検討にフィードバックし解決を図る。③の反射型センサ回路技術については順調に進んでおり、当初の計画通り集積回路チップ化を次年度進めて行く予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度は、平成29年度にクローズアップした課題解決を推進するとともに、システムを構成する物理デバイス（センサインターフェース用集積回路＆モジュール）の試作、評価を当初計画通り推進し、システム化へ向けた礎を築く。
①ワイヤレスセンサインターフェースの集積回路化：平成29年の回路検討結果をベースに反射型インターフェース回路/電源回路（エネルギーハーベスタ）の集積回路チップ化を進める。センサ情報を取り出す回路は、シンプルな発振器型を採用し低電力動作化を狙う。センサ帯域は、音声の伝送までを考慮し最大4 kHzとし、10uW以下の低消費電力動作を実現する。また、回路の動作電力を環境エネルギーで賄うため、エネルギーの充放電制御を行うエネルギーマネージメント回路の設計、試作も行い、センサ端末回路と一体化し、バッテリーレス動作化を狙う。
②反射型センサ端末の小型モジュール化：上記集積回路チップを用いたモジュール化の検討を進める。試作チップは、パッケージに搭載せず、プリント基板上に直接ベアチップ実装し小型化を図る。光インターフェース用にはアバランシェフォトダイオード、音波インターフェース用にはMEMSマイク、無線インターフェース用には高インピーダンスアンテナの適用を検討し、インターフェース回路の高感度化を追求する。
③電磁音波シャワー源の検討：アプリケーション展開できるように小型のRFシンセサイザモジュールや電気光モジュール部品の組合せによる電磁音波シャワー源の設計試作を行い、反射型センサ端末とセットでアプリケーション展開できるシステム化を目指す。
④反射型センサネットワークの通信プロトコル：多数のセンサ端末の情報を集約し、インターネット上へ展開するため、上記物理デバイスの研究開発と並行して、具体的な通信プロトコルの検討に着手する。
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