| 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ド / バッテリーレス / センサ端末 / 弛張型発振回路 / 電磁共鳴方式 / 電力伝送 |
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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動作化を可能とし、低電力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。平成30年度では、主に「電磁波による空間の反射型センシング技術」に関する以下の要素技術を回路解析、試作実験により明らかにした。
（１）反射型センサ回路の低電圧・低電力動作化追及と高機能化：①低電力動作化にはアナログの周波数変調型が有利と判断し、センサの容量または抵抗値が変化することにより発振周波数が変化するRC弛張型発振回路をセンサ回路として採用し、低電力回路の構成法、設計法を明らかにし、有効性確認のため0.7μｍCMOSプロセス技術による集積回路チップ/モジュールの試作を行った。その結果、5μW＠0.6Vの低電圧低電力動作の実現に成功した。②さらに高効率反射回路および複数のセンサ端末の設置を可能とするマルチチャネル動作化回路の構成法、設計法を明らかにした。
（２）バッテリーレス動作化：センサ端末に電力を供給する方法として、RF給電および電磁共鳴による電力伝送技術について検討を行った。RF給電ではアンテナサイズが大きくなることから、電磁共鳴方式に着目し電力受信回路、および前記の集積回路チップを実装した反射型小型センサ端末モジュール（約2cm角）を設計試作し、バッテリーレスでのセンシング動作の実現に成功した。また室内光レベルの光エネルギーによる動作実現にも成功した。
（３）アプリケーション展開＆システム化技術：抵抗型、容量型センサの他、電位生成型センサにも対応できるよう電位/容量変換回路の検討を行い反射型ｐHセンサ端末モジュールの開発に成功した（医療分野への応用を想定）。またセンサネットワークを構築する上で必要となる電磁波源、情報収集端末の検討を行い、ソフトウエア無線技術の応用によりシステム化できる見通しを得た。
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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30年度は、「電磁音波による空間の反射型センシング技術」に関する検討を進めた。その結果、①反射型センサ回路のさらなる低電圧・低電力動作回路を考案し、集積回路チップ化/モジュール化の実現に成功し、また、②電磁共鳴方式による電力伝送、および微弱な室内光によるバッテリーレスでのセンシング動作の実現にも成功した。③また、アプリケーション展開に向け、抵抗型、容量型、電位出力型などの様々なセンサに対応できる回路構成を明らかにした。④システム化においても、ソフトウエア無線技術の応用により電磁音波源、情報収集端末を構築できる見通しを得た。おおむね計画通りに進捗していると考える。
しかし、電磁共鳴方式による電力伝送を利用した場合、通信距離は数cm程と短く、RF伝送ではアンテナサイズが大きくなる問題が顕在化している。また、電磁波によるセンシング技術に関しては上記の成果を得たが、光や音波の有効な活用法が具現化できていない。次年度は、アプリケーションに応じた電力の供給法、環境エネルギーの活用法を整理するとともに、電磁波に加え光や音波のハイブリッド活用法の見直しを進め、具体的なシステム実現に焦点を当て研究を推進する。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成31年度（令和元年度）は、平成29、30年度で得た反射型センサ端末回路/モジュール技術の改善、高機能化を進めるとともに、ワイヤレスセンサネットワークとしてのシステム化に重点を置き研究を推進する。
① 反射型センサ端末用集積回路チップの高機能化：これまでの回路技術の検討結果を発展させマルチチャネル動作が可能で、エネルギハーベシティング機能を有するセンサ端末回路の集積回路チップ化を行ない、バッテリーレス動作に適した低電力センサ端末の小型化、高機能化を追求する。集積回路チップ化は、最小加工寸法0.7～0.18μｍの低廉のCMOSプロセスを適用する。エネルギーハーベスタ回路は、光、電波、磁気などのエネルギーを想定し高効率化を追求する。
② システムコンポーネントの構築：反射型センサ端末によるセンサネットワークを構築するには、電磁波源、情報収集端末が必要である。PLLシンセサイザモジュールによるRF信号生成技術、RF直交変復調モジュールによりRF信号情報収集技術とソフトウエア無線技術の応用により、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ワイヤレスセンサシステムとしての構成法、設計法を明らかにする。
③ アプリケーションに応じたセンサ端末＆システム構成技術：電波、光、音波の活用法の見直しを進め整理し、アプリケーション（医療、工場、オフィス、インフラモニタなど）に応じたセンサ端末の構成法およびシステム構成法を明らかにするとともに、有効性の確認および課題の抽出を目的として環境モニタリングシステムを例にプロトタイプシステムの構築を目指す。なお、システム化においては、RFIDなどの規格も参考にし、早期実用化も念頭に研究を推進する。
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