はじめに

 エネルギーハーベスティングコンソーシアム（EHC¹）は、日本企業のエネルギーハーベスティング事業の早期立ち上げと国際競争力強化の支援を目的として、2010年5月に設立された任意団体である²。当時、我が国におけるエネルギーハーベスティング技術の事業化の取り組みは、欧米と比較して10年程度は遅れていた。現時点においては、我が国での取り組みは欧米にかなり追いついていると言えるが、そこに至るまでの道のりは決して平たんではなかった。本稿では、エネルギーハーベスティングを巡る国内外の動きと、その中でのEHCの歩みを紹介する。

１．2010年頃の国内外の状況とEHC設立の経緯

 2010年頃、エネルギーハーベスティングは世界的なブームを迎えていた。IoT（モノのインターネット）という言葉は、まだ日本国内ではほとんど知られていなかったが、欧州や中国では、積極的な政策支援が行われ、研究開発や実証プロジェクトも数多く実施されていた。特に欧州では、IoT向け電源技術としてのエネルギーハーベスティング研究への支援が数多くなされており、ベンチャー企業も生まれてきていた。米国では、IoTがテロに活用される危険が指摘され、欧州や中国でのようなブームにはなっていなかったが、エネルギーハーベスティング技術については、主に軍事技術としてDARPAやNASAによる支援が古くからなされ、ベンチャー企業も多数生まれていた。
 無線技術の低消費電力化が進展するに伴い、エネルギーハーベスティング技術をIoT電源に利用できる現実性が高まってきていた。欧米の展示会が、エネルギーハーベスティング技術をフィーチャーし始め、ベンチャー企業の出展で観客の注目を集めていた。例えば、米国シカゴ郊外で毎年開催されていたセンサ関連の大規模な展示会Sensors Expo ＆ Conferenceでは、2010年に、初めてエネルギーハーベスティングがフィーチャーされ、十数社のベンチャー企業が並んだ。2009年に英国ケンブリッジで開催されたEnergy Harvesting ＆ Storage Europeも好評で、翌年からは、欧州と米国で毎年展示会が開催されることとなった。日本では、2010年のテクノフロンティア展で、エネルギーハーベスティングゾーンが設けられ、多くの観客を集めた。
 欧米の展示会では、すぐに買って使える製品群が並んでいたことに対して、日本の展示会で見られたのは開発品の参考展示であり、事業化の面で欧米と日本の差は大きかった。当時は、日本政府の政策的支援もなく、差は開くばかりの状況であった。
 このようなタイミングで、エネルギーハーベスティングコンソーシアムは発足した。きっかけとなったのは、筆者が当時書いていたブログ「WBB最新情報³」である。WBBとはワイヤレスブロードバンドのことで、エネルギーハーベスティングとは関係がない。海外ではエネルギーハーベスティングの事業化が進んでいるのに、国内ではほとんど知られていない。そのような状況を打破するために、たまたま別テーマで書いていたブログに間借りをしてエネルギーハーベスティングの記事を書き始めた（図１）⁴。これが2008年のことである。
 その後、エネルギーハーベスティングのブログ記事へのアクセス数は増加を続け、Google検索でエネルギーハーベスティングの検索順位1位にもなった。それに連動するように、講演依頼も増えてきた（最盛期には、週1回のペースで講演をしていた）。講演では、日本はこんなに遅れているという話をしていたが、あるとき、知人から、コンソーシアムを作ってはどうかという意見をいただいた。そこで、講演の最後にコンソーシアムの話をするようにしたところ、講演の聴衆間でディスカッションが起きるなど、非常に関心が高いことが分かった。
 コンソーシアムに関心がある企業が50社を超え、本格的に設立を考え始めたのが2009年後半である。いろいろと経緯があり、筆者は2010年5月にエネルギーハーベスティングコンソーシアムを立ち上げた。

２．EHCの設立目的

 2010年時点では、環境発電に関して優れた要素技術を有している日本企業が多いにも関わらず、事業化では欧米に遅れていた。欧米では、政府支援プロジェクトを基に多くのベンチャー企業が誕生し、環境発電技術、蓄電技術、無線技術等を統合した完成度の高い製品が多数市販されていた。一方、日本では、大規模な政策的支援は行われず、材料や単体の発電デバイスの研究が主で、蓄電技術、無線技術等と統合した実用的なシステム製品の開発は遅れていた。いわば、我が国の事業化の取組状況は欧米に10年遅れていた。
 出遅れ感のある我が国企業が、先行する海外ライバル企業に伍していくためには、各社の有する強みを結集することによる研究開発の加速、商品開発の迅速化が不可欠であること、当時リーマンショック後で経済の見通しが明るくない中で、将来マーケットを開拓していくためには、1企業当たりの負担を軽減しつつ、戦略的に市場創出を具現化していくための仕掛けが重要であること、新たな産業の創出、特に、注目高まる環境産業・グリーン産業創出のためには、グリーンニューディールに象徴される政策・制度と産業界の活動を一体化した取組みが重要であることから、我が国企業の国際競争力の強化に向け、アライアンスの構築が重要と考えられた。
 このような状況で、個別要素技術ではポテンシャルを有している我が国のエネルギーハーベスティング技術を国際的に競争力のあるビジネスとするために、関係企業を中心とした情報共有、共同活動の推進等を行うプラットフォームとして、EHCが設立された。そして、会員各社の事業（競争領域）には立ち入らず、メンバー各社が個別で行う必要の無い活動、個別では実行しにくい活動（非競争領域）を連携して推進していく母体としての活動を目指した（図２）。
 当時のエネルギーハーベスティングの世界的なブームに加えて、「欧米に比べて10年遅れている」というキャッチーなフレーズで、メディアに好意的に取り上げられたこともあり、設立時点で12社だった会員企業は、年度末には30社を超えるまでに急増した。

３．その後の国内外の状況とEHCの活動

 エネルギーハーベスティング技術は発電技術であるが、単に発電しただけでは使えない。整流や電圧調整のための電源回路や、蓄電デバイス、低消費電力の無線やセンサも同時に必要であり、発電量が変動することへのソフトウェア的な対処も必要である。このような、エネルギーハーベスティング技術を利用しようとしたときの難しさが徐々に明らかになるにつれて、初期のブームは沈静化していった。
 特に、2013年のInfinite Power Solutions（IPS）社の撤退は、業界に衝撃を与えた。当時、エネルギーハーベスティングと組み合わせるのに適した蓄電デバイスの選択肢がほとんどない中で、IPS社の薄膜全固体リチウムポリマー電池は、業界のデファクトとなっていた。唯一使えるといってよい同社の製品が利用できなくなったことで、世界で多くの試みがとん挫したと思われる。日本でも、IPS社の電池を搭載していたアルティマ社と東京エレクトロンデバイス社の環境発電開発用キットの販売が中止された。その後、2015年には熱電発電のMicropelt社が倒産、2016年には振動発電のAdvanced Cerametrics社が倒産するなど、2010年頃に注目された多くのベンチャー企業が市場から消えていった。
 EHCでは、設立後すぐに、海外企業からの入会希望があり、受け入れるべきか会員企業内でも議論となった。シーズを持つ会員企業からは、我が国企業を支援するためのコンソーシアムで海外企業を利するのかという反対意見があった。また、ニーズを持つ会員企業からは、技術の選択肢が増えるので参加を歓迎する意見もあった。そして、日本に定住していない者が活動に参加する場合に、輸出管理規制に誰が責任を持つのかという指摘もあった。これらの意見を踏まえ、適正な情報管理のために、準会員というランクが作られることとなった（図３）。

 海外企業も含め、EHCの会員数は一時59社まで増加したが、世界的なブームの沈静化とともに会員数は減じ、その後、安定的な活動のフェーズに入る。
 EHC会員企業には、基礎研究段階から製品販売段階まで、いろいろなフェーズの会社が属しており、業種も多岐にわたる。それらの会員企業の活動を支援するため、EHCでは様々な活動を行っている。
その時々の状況に応じて活動内容は変化するが、構想は以下のとおりである。

次回に続く－

【著者紹介】
竹内　敬治（たけうち　けいじ）
株式会社NTTデータ経営研究所
エネルギーハーベスティングコンソーシアム事務局

■著者略歴
1988年３月京都大学大学院工学研究科修士課程修了（工学修士）。大手シンクタンクなどを経て、2010年5月より株式会社NTTデータ経営研究所。
2010年5月、エネルギーハーベスティングコンソーシアムを設立し、事務局を務める。
JST CREST・さきがけ複合領域「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」領域アドバイザー。
文科省地域イノベーション・エコシステム形成プログラム「磁歪式振動発電事業化プロジェクト」事業プロデューサ（金沢大学客員教授）。
JST未来社会創造事業大規模プロジェクト型「センサ用独立電源として活用可能な革新的熱電変換技術」採択課題「磁性を活用した革新的熱電材料・デバイスの開発」アドバイザー（NIMSリサーチアドバイザ）。 NEDO技術委員。（いずれも記事掲載時点）

はじめに

2010年代前半に米国の起業家が、年間1兆個のセンサを活用した膨大なセンサネットワークを張り巡らせることで、地球規模での社会問題の解決に活用しようといった“Trillion Sensors Universe”構想を提唱したが、様々な課題によりセンサの設置台数は大きく増加しておらず、実現に至っていない。2021年10月に調査会社ガートナー社が発表した「日本における未来志向型インフラ・テクノロジのハイプ・サイクル」によると、IoT（モノのインターネット）は過度な期待に応えらなく関心が失われつつある”幻滅期“の中にあり、市場へ浸透する啓蒙活動期には至っていない状況と分析している。
株式会社KELKは、IoTの課題の１つである膨大な数のセンサへの電源供給問題への解として、2017年に熱電素子でのエネルギーハーベスティング（EH）により動作するIoTデバイス（熱電EHデバイス KELGEN SDケルジェン　エスディー）を開発した。2020年には熱電EHにより電池レスで継続的にモータなどの回転機器の振動の状態を自動で測定する世界初の『熱電EH振動センサデバイスKSGD-SV』を発売した。
本稿では、熱電エネルギーハーベスティングによるIoTデバイス（熱電EHデバイス）の特長、および熱電EHデバイスの利活用事例として、工場内のインフラ設備の状態を継続的に監視する故障予兆検知用モニタリングシステムを紹介する。

２．株式会社KELK

 株式会社KELKは、コマツが始めた熱電半導体の研究開発を前身として1966年に設立した熱電素子の研究開発から応用製品の製造販売までを行う熱電素子のリーディングカンパニーである。高性能と高品質を要求される半導体製造装置の前工程で使用される温度制御装置、および通信のインフラを支える光通信向け半導体レーザの精密温調用の高性能熱電素子において世界トップメーカーである。熱電発電においては、世界最高効率7.2%（受熱側温度280℃、放熱側温度30℃の温度帯）の熱電発電モジュールと応用機器を製品化している。

3．熱電発電のしくみ

 熱電発電は、熱電半導体と呼ばれる材料を介して熱を電気に直接変換するゼーベック効果(図１)を応用した技術である。ゼーベック効果は、金属もしくは半導体の両端に温度差が生じると、両端の電子もしくは正孔濃度分布に差異が発生し、起電力（熱起電力）が生じる現象である。
P型、N型の熱電半導体素子（熱電素子）を金属電極により交互に多数直列接続することにより、同じ熱流方向に対して、それぞれの熱電素子の熱起電力が累積され、より大きな電圧を得ることができる。

 熱電素子による熱電変換の効率(η)を高めるには、熱電素子の性能指数Zまたは熱電素子の両端間の温度差ΔTjを大きくする（式１および図２）。

４．KELGEN SDの発電部の性能

 熱電素子は、他の金属材料に比べ機械的な強度が弱い。また、水分に触れるとマイグレーションや短絡により破損に至る。一方、熱電素子を保護するために樹脂などで覆うと熱電素子の両端の温度差が小さくなり発電効率は著しく低下する。
 KELGEN SDの発電部（図３）は熱電素子への機械的衝撃や熱変形の影響を低減し、熱電素子の両端の温度差を保つ構造を備える。また、発電部の筐体は、熱電変換効率を高めるため、設置面で受熱した熱をKELGENの受熱面へ効率よく伝え、放熱面から安定して外気に熱伝達する構造とし、筐体による熱電素子両端の温度差の低下を低減した。これらにより、発電部は熱電素子両端の温度差を保ち、耐衝撃性・耐振動性はJIS C 60721-3-3,-4に適合する構造を実現した。また、発電部は屋外でも使用可能な保護等級IP67規格へ対応する防塵・防水性能を備える。発電部の動作温度範囲は受熱面側温度で-5～80℃である。
 KELGEN SDは、高性能熱電素子KELGEN（ケルジェン）による起電力を昇圧して蓄電した微小な電力を電源とし、温度や振動を測定してデータを無線で送信する電池レスのIoTデバイスである。

 KELGEN SDの発電部は、受熱面温度と雰囲気との温度差10℃から（発電部の上下の表面温度差で7℃程度から）自己発電により動作する。
発電部の性能を評価するため、屋外の負荷が一定な排気モータにKELGEN SDの発電部を設置し、昼夜・天候の変化に対する発電部の温度差の変化を観察した。（図４）　晴天の6月19日において、昼と夜でモータの表面温度は15℃変化したが、発電部の設置側と放熱側との温度差は一定である。雨天の6月20日において、７時から12時にかけて発電部は全体として降雨により一時的に10℃近く冷却されたが、モータからの一定な排熱を受熱する設置側の温度と放熱側との温度差はほぼ一定している。また、8月と12月とでの気温の変化に対する発電部の設置側と放熱側との温度差を評価し結果、気温の差は30℃以上となったが、発電部の温度差は一定であることを確認した。KELGEN SDの発電部は、昼夜・天候・季節の変化に対し、安定した温度差を保つことができ、安定した電力を発電する。

５．熱電EH振動センサデバイス

 熱電エネルギーハーベスティングにより動作するKELGEN SDの代表製品として、設備故障の原因で最も割合の大きな回転機器の振動を測定する熱電EH振動センサデバイスKSGD-SV（図５）を紹介する。

 設備の故障予兆検知向けに振動の状態を把握するには、周波数レンジ5kHz以上、かつサンプリング点数1,000点以上での測定が必要である。一般的にセンサデバイスの測定値は有線または無線により外部機器へ送信され、外部機器内で振動状態を評価する指標である振動加速度ピーク値、速度RMS値などを演算する。KSGD-SVでは振動センサデバイスの消費電力を大幅に削減するため、測定した振動値を内蔵するマイコンにより演算し、演算した各指標の結果のみを無線で送信する。これにより、熱電エネルギーハーベスティングで発電した微小な電力のみで動作する世界初の振動センサデバイスを実現した。

 KSGD-SVの発電部は、昼夜・天候・季節により変動する周囲からの受熱量（モータ等からの排熱を除く）により全体としての温度が変化する。一方、モータは、省エネルギー化が進んでいるものの、その効率により入力する電気エネルギーに対し、５％～15％が熱エネルギーとして捨てられる(図６)。

 モータの表面温度はその効率からの排熱により周囲環境に比べ高くなる。モータの表面に設置されたKSGD-SVの発電部は、モータが動作するとその設置側の温度と雰囲気とに温度差が生じ、温度差10℃から自己発電し動作する。

１）KSGD-SVの基本構成
 KSGD-SVは、サンプリング周波数26kHz、サンプリング点数約7,000点で測定する振動センサと温度センサを搭載したセンサ部と、温度差10℃（無風状態）からの自己発電で動作する発電部とで構成される。発電部の上下面には温度モニタ用のセンサを備える。

2）測定項目
 KSGD-SVには、測定項目が異なる3種類の製品がある（表１）。各製品は、周波数レンジは7.5kHz（±3db）、7,000点以上のサンプリング値につき演算を1回実行する。最上位機種のKSGD-SV4は有線式や携帯式の振動診断計に備わるエンベロープ FFT^※(2) 解析機能を備える世界初の熱電EH振動センサデバイスである。エンベロープFFT解析機能は、回転機器の異常時に発生する規則的な衝撃波の周期を解析し、故障箇所の特定を支援する。
KSGD-SV6は測定項目を絞り、短時間での充電により計測を実行する。

 １回の測定に要する蓄電時間は、発電部が動作を始める温度差10℃の環境においてKSGD-SV4は45分、KSGD-SV6は8分である。携帯式の振動診断計レベルに性能が向上した電池レスで動作するKSGD-SVは、保全員による巡回点検の廃止を支援する。

次回に続く－

【著者紹介】
村瀬　隆浩（むらせ　たかひろ）
株式会社ＫＥＬＫ　熱電発電事業部　部長

■略歴
1989年　コマツ　入社
2002年　株式会社ＫＥＬＫ入社、現在に至る