周囲の磁場からエネルギーを採取し自己発電するセンサーが開発される

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　マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームたちが、電池もコンセントもいらない画期的な自己発電センサーを開発した。それは周囲の磁場からエネルギーを取り込み、長期にわたってデータを収集する。

　たとえば、電源の確保がむずかしい船内で、モーターの配線にこのセンサーを取り付けておく。するとそこで発生する磁場で発電して作動し、温度などをモニタリングする。そのデータを見れば、モーターの健康状態をいつでもチェックできるというわけだ。

　今回開発されたのは、セルフ発電の温度センサーだ。だが、そのシステムはさまざまなものに応用可能で、磁場だけでなく、振動や太陽光のような他の動力源でも使えるという。

バッテリーがいらない自己発電センサー

　バッテリーがいらない自己発電センサーは、たとえば船などで重宝されるだろう。

　船内にはコンセントがほとんどなく、そこに接続する機器も厳しく制限されている。だからオフィスや家のように、気軽に電源を確保なんてことはできない。

　そうした環境であってもメンテナンスは重要だ。だから理想を言えば、モーターの振動を常にモニタリングし、ベアリングなどの状態を把握しておきたいところだ。

　しかし、そのためのセンサーの電源をどうするのかが問題となる。

　センサーを取り付けるなら、そのための電気インフラを設ける必要があり、多額のお金が必要になる。だが限られた予算の中ではそれも難しい。

　そこで電源要らずのセルフ発電センサーの出番となる。これをモーターの配線に取り付けておけば、そこで発生する磁場を利用して発電し、勝手に必要なデータを収集してくれる。バッテリーレスなので、充電や電池を交換する手間もない。

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周囲の磁場を利用して発電

　今回MITの研究チームが開発したのは、磁場から発電して動作する電池フリー・コンセントフリーの温度センサーだ。だが、本当に重要なのは、それを実現した「電力管理回路システム」だ。

　それを開発するため、研究チームは3つの課題をクリアしなければならなかった。

　まず、”コールドスタート”が可能なシステムであること。つまり初期電圧がなくてもシステムを起動できる必要があった。

　この課題は、集積回路とトランジスタのネットワークに工夫を凝らし、起動に十分な電気をたくわえさせることで克服された。

　2つ目の課題は、バッテリーなしでも、効率的に電気をためて、それを利用できるようにすることだ。

　バッテリーを利用してしまうと、システムが複雑になり、交換などの手間もかかるうえに、火災の危険もある。

　そこで自己発電システムでは、電気をためる装置としてコンデンサーが採用された。

　コンデンサーはバッテリーよりもシンプルで、導電板の間の電界に電気を蓄える。さまざまな素材から作れ、動作条件やスペースなどに合わせて調整しやすいのも魅力だ。

　最後の課題が、システム内の電気をどう制御するのかという問題だ。システムをきちんと機能させるには、電気の使用状況を常にチェックし、それに合わせて上手に配分してやらなければならない。

　そのために研究チームは制御アルゴリズムを開発し、システムの頭脳であるマイクロコントローラーに電気量のチェックや、センサーのオンオフなどを行わせることにした。

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エネルギー消費の少ないデータ送信手段法を模索

　こうして設計された電力管理回路システムと市販の温度センサーを組み合わせたのが、今回のセルフ発電センサーだ。

　このセンサーは磁場からエネルギーを吸い取り、その電気で温度をモニターし、Bluetooth経由でスマホにデータを送信する。

　研究チームが試しに使ってみたところ、重要な課題も見つかったという。それは使用できる電気に制限があることだ。あまりに大きな電気を取り込もうとすると、爆発する危険があるのだ。

　ちなみにこのセンサーで一番電気を食うのは、データ通信だったという。そこで今後は、光や音を使うなど、よりエネルギー消費の少ないデータの送信手段が模索されている。

　この研究は『IEEE Sensors Journal』（2023年12月4日付）に掲載された。

References:Self-powered sensor automatically harvests magnetic energy | MIT News | Massachusetts Institute of Technology / written by hiroching / edited by / parumo

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