すべてのモノがつながるIoTの世界では、「電気」が欠かせない。
どんなにスマートなデバイスをつくっても、電気がなければ動かない。電気を得るには電池がいるが、電池には寿命がある。固定された電源を使おうとすると、場所が限られる。IoTの実装において、電気の問題はどこまでもつきまとってくる。
そもそも、電気とは何だろうか。スマートフォンやパソコンのバッテリー、電源ケーブル、スイッチをおすと作動する機械や照明、夜のイルミネーション、発電所といった、私たちの目に見える用途や場面がイメージされるかもしれない。しかし、これらは電気のほんの一部の姿に過ぎない。
電気は、「電子」のやりとり（酸化還元反応）が行われるさまざまな場所で発生している。植物の光合成、微生物の代謝、金属が酸化するとき、私たちの脳の神経ネットワーク—。私たちの目には見えない“小さな電力市場”が世界にはひろがっている。
そんな小さな電気を生かして、私たちの生活や仕事に活用できたら、社会はどう変わるだろうか？
エイブリック株式会社は、これまで捨てられていた小さな電力を蓄積・濃縮して、無線通信を実現する技術「CLEAN-Boost」を提案している。赤ちゃんの尿で発生するわずかな電気で無線通信を可能にする「おむつ用発電センサ」や水道管の「水漏れ検知」（大成建設と共同開発）などの実証実験が始まっている。
エイブリックは時計のSEIKOブランドでおなじみの、セイコーインスツル株式会社から分社したアナログ半導体専業メーカーだ。SEIKOのルーツである「クオーツ時計」のコア技術を活かし、IoT向けソリューションで打って出ようとしている。
このほど、「CLEAN-Boost」の詳細について、同社CEOオフィス ビジネス・ディベロップメントユニット ジェネラルマネージャー 武内勇介博士、宇都宮文靖博士、スペシャリスト 山﨑太郎氏の3名に話を伺った（聞き手：IoTNEWS生活環境創造室長 吉田健太郎）。
1. SEIKOのアナログ半導体メーカーとして分社
まず、エイブリック株式会社（ABLIC）の事業について説明しよう。2016年1月、セイコーインスツル株式会社から、アナログ半導体の専業メーカーとしてエスエスアイ・セミコンダクタ株式会社が分社した。そこから社名変更を行い、2018年1月に誕生したのがエイブリック株式会社である。社員は連結で 948名（2018年3月31日時点）。国外にも北米、ヨーロッパ、アジアに拠点を持ち、グローバルに事業を展開している。
同社のコア技術は、「クオーツ時計」にある。現在、時計のしくみとして最も一般的なクオーツを実装するには、昔はロッカーほどの大きさが必要だった。SEIKOでは今から約40年前、そのクオーツの機構を「腕時計サイズ」まで小型化し、僅かな電力で正確に時を刻む技術を開発。そこで使われたのが、「CMOS IC」と呼ばれる半導体の技術だった。
エイブリックが得意とする「アナログ半導体」とは、連続する信号（アナログ信号）をあつかう半導体製品だ。1秒ごとなど不連続にデータ（信号）を送る「デジタル半導体」に対して、アナログ半導体はたえず信号を送り続ける。その用途としては、時計やヒトの心拍の信号など、生活や自然の中にあるリアルな動きの検出や制御を行う。
時計の開発に端を発した同社のアナログ半導体は、今では電気で動くデバイスの「制御」「記憶」「計時」「センシング」などの目的に応じて、さまざまな用途で展開されている。その領域は、スマートフォンやパソコンに欠かせない電源用IC（集積回路）、車載IC、各種センサ、メモリなど多岐にわたる。この分野における車載ICのシェアは日本でトップレベル。電源用ICは、ほぼすべてのメーカーのスマートフォンに搭載されている。
こうしたクオーツ時計の開発で培った、デバイスを僅かな電力で緻密に動かすアナログ半導体の技術が、「CLEAN-Boost」のベースになっているのだ。
2. 年間1兆個のセンサが動くIoT時代に必要な、「電池レス」の技術
IoTNEWS生活環境創造室 吉田健太郎（以下、吉田）： アナログ半導体メーカーである御社が、「CLEAN-Boost」を開発した背景について教えてください。
エイブリック武内勇介博士（以下、武内）： 一つには、エンドユーザー様に直接価値を届けたいという狙いがありました。弊社では、これまでさまざまな半導体を手がけてきましたが、それだけではエンドユーザー様に価値を与えられる部分が限られてしまいます。そこで、弊社のコア技術と品質を活かして、現場で使えるような付加価値のある「ソリューション」を提供したいと考えました。
もう一つは、世の中の背景からです。昨今はIoT時代と言われています。アメリカには、毎年1兆個のセンサが使われる「トリリオン･センサ」の世界を10年以内に目指す、産学連携の国際フォーラムがあります（2013年に第1回開催）。そのロードマップによると、センサの数は2024年には年間1兆個に達するだろうという見通しです。
武内： 年間1兆個ものセンサを使ってIoTの世界を実現するには、無線通信に必要な「電池」が重要な役割を担うようになります。しかし、電池には課題があります。使われる電池の個数が増えてくると、回収が大変です。放っておくと液漏れし、火事につながる可能性もあります。
そこで、電池を使わずにセンシングを行う「電池レス」のソリューションが求められてきました。その一つが、「エネルギーハーベスト」（環境発電）と呼ばれる、太陽光や振動、熱などの身のまわりにあるエネルギーを使って発電を行う技術でした。しかし、まだまだ適用できる範囲は限られています。
吉田： 御社の「CLEAN-Boost」は、エネルギーハーベストの技術の一つになるのでしょうか。
武内： 「CLEAN-Boost」は、非常に小さいエネルギーまで発電の対象としています。その点が、他のエネルギーハーベストの技術とは違うところです。「CLEAN-Boost」の発想は、1998年に弊社で製品化した熱発電時計「サーミック」が元になっています。隣にいる宇都宮が回路の設計やセンサの開発を行いました。
エイブリック 宇都宮文靖氏（以下、宇都宮）： 「サーミック」は、体温と気温の差を使って発電します。電池は一切使いません。フル充電すると10か月もちます。1日使うと、必要な電力の10倍たまります。
吉田： すごい。それなら、電池はいりませんね。
宇都宮： ええ。当時は30万円ほどしましたが、今では他社が同じような腕時計を4万円で販売しています。扱う電力は約2マイクロワットで、とても小さなものです。
武内： このように、時計に使うのと同じくらいの微小な電力を使って、無線通信を行うのが「CLEAN-Boost」です。例を二つほどご紹介しましょう。
3. 水滴だけで発電し、スマートフォンにデータを送信
武内： 一つ目は、「おむつ用ワイヤレス発電センサ」です。4年ほど前から立命館大学の道関隆国教授と共同開発を行っています。今年の3月に「トレたま」というテレビ番組（テレビ東京）でもご紹介いただきました。
道関先生が開発した「無線尿失禁センサ」は、水分に触れると少しだけ電子を発生します。そこで発生する電力は僅か60マイクロワット（マイクロはミリの1,000分の1）ほどで、このままでは無線通信には使えません。そこで、その微小な電力を弊社の「CLEAN-Boost」で蓄電・昇圧し、無線通信を行うのです。
もう一つは、「植物発電センサ」です。これも道関先生と共同で開発を行っています。木の樹幹には「道管」という水分の通り道があります。樹幹に電極を刺し、そこを通っている水分で発電するしくみです。現在、ある自治体と実証実験を行っています。
この取り組みはとても面白くて、当初は「電池がなくても木があれば発電できる」というコンセプトで、発電そのものを目的にしていたのですが、あとから植物の生育状態をモニタリングできることに気づきました。
吉田： どういうことでしょうか。
武内： 水が植物の道管を通ると発電し、そのエネルギーがデバイスに蓄えられ、電波が送信されます。その送信間隔を見ることで、植物がどれだけ水分を吸収しているかがわかるのです。そのデータが光合成の活性度と相関がないかどうか、今調べているところです。
吉田： なるほど。面白いですね。
武内： ええ。甘い果物を育てるなど、目的に応じて最適な水やりのタイミングを可視化できるのではないかと考えています。
エイブリック 山﨑太郎氏（以下、山﨑）： 「土壌水分計」はすでに市場に出回っていますが、測れるのは表面の水分のみです。実は、植物はすごく深くまで根を張ります。とくに甘い果物などがそうです。
ですから、表面の水分しか測れないと、植物の状態が厳密にわかりません。私たちのソリューションの場合、植物の道管の水分を直接測りますから、精度よく可視化できます。
4. わずかな電力を増幅する、「CLEAN-Boost」のしくみとは
吉田： お話を聞いていていっそう、「CLEAN-Boost」のしくみが気になってきました。
武内： ありがとうございます。私たちは、この技術を「ししおどし型」の電子回路と呼んでいます。「ししおどし」は、水がある一定量たまると、倒れます。「CLEAN-Boost」はそれと同じように、小さなエネルギー（電力）を蓄積して、ある一定量たまったら濃縮して、無線通信に必要な電力まで引き上げる技術です。具体的には、1μWを30mW、つまり30,000倍にできます。
吉田： 無線通信には、どれくらいの電力が必要ですか？
武内： およそ1ボルトで1ミリワットくらい必要です。ボルタ型電池や、エネルギーハーベストで使われる振動発電、太陽電池（1セル）、微生物発電、温度差発電などでは発電量が不十分です。そのため、無線モジュール側のしくみを工夫しています。ですから使える無線の方式が特殊になり、用途がどうしても限られます。
一方、「CLEAN-Boost」の場合、無線のしくみは一般的なものでかまいません。1ミリワットに満たず、そのままでは発電に使えない電力を「増幅」して、無線で使える電力に昇圧しています。
山﨑： たとえば、さきほどご紹介した「おむつ用ワイヤレス尿発電センサ」は、BLE（Bluetooth Low Energy）を使って、スマートフォンで受信しています。
極小電力のエネルギーハーベストを用いた無線送信のしくみでは、普通はスマートフォンでは受信できません。スマートフォンで受信できるような通信プロトコルだと、電力が足りず電波を飛ばせないのです。受信機側も特殊な回路を使わないといけません。
吉田： どうして、電力を「増幅」できるのでしょうか？
武内： 「CLEAN-Boost」は、センサ（ハーベスタ）から入ってきた電力を検出する「電圧検出回路」と、ある一定の電圧を検出したら昇圧する「昇圧回路」がカギです。
「電圧検出回路」は常時動いてないといけませんから、消費電力はけっこう大きくなります。ところが、弊社の回路では0.1ナノワットというきわめて小さな電力で動くのです。ナノワット単位で動く部品は、おそらく他に世の中にはありません。クオーツ時計で培った、弊社の特徴的な技術です。
吉田： なるほど、そこに御社の時計の技術が活きているわけですか。
武内： そうです。そして、センサ（ハーベスタ）から入力される電力（Win）が、「電圧検出回路」で必要な電力（Wmnt）を上回らなければ、蓄電できません（上の図）。
これは、あらゆる蓄電システムにおいて、共通のしくみです。「CLEAN-Boost」の場合は、クオーツ時計の開発で培った技術を使い、その回路の電力（Wmnt）を極限まで小さくしているために、大きく濃縮されたエネルギー（Wout）を放出して、無線に使うことができるのです。
吉田： 現時点での無線通信の方式はBLEを想定しているとのことですが、蓄電の時間を十分に稼げるような用途の場合には、セルラーやNB-IoTなど、広範囲で使える無線通信でも利用できる可能性がありますか？
武内： あります。簡略的に説明しますと、Woutは、Winから Wmntを引いた電力に時間をかけたエネルギーになるので、時間をかけるほど濃縮されるエネルギーは大きくなります。ですから、用途にもよりますが、蓄電の時間をかけることで4G通信などでも動く可能性があります。
吉田： そうですか。AD変換機やマイコンを使わなくてもセルラーの電波を送れるのは、かなり可能性が広がりますね。
次ページ：5. 他社と共創し、LPWAにも展開
5. 他社と共創し、LPWAにも展開
武内： さきほど、おむつと木の発電の2つの例をご紹介しましたが、他のアプリケーションも色々と進行しています。
現時点で最も製品化に近いのが、大成建設様との共同開発で生まれた「水漏れ検知」のソリューションです。水道管などから僅かに漏れた水滴で発電し、水漏れの現状をスマートフォンなどのデバイスに教えてくれます。水道管に異常があるときだけ作動してデータを送れますから、メンテナンス費用を大きく削減できます。
武内： もう一つは、「CLEAN_アセパッチ」と呼んでいる酵素発電センサです。私たちが日頃かく汗には、乳酸が含まれています。ですから、皮膚から発生する乳酸の量を検出できれば、汗のかき具合をモニタリングできます。
「CLEAN_アセパッチ」では、乳酸を分解する酵素を電極に塗っておきます。酵素が乳酸を分解する際に、電子を発生します。その電子を「電力」として検出することで、汗のかき具合を調べることができます。
他にも、たとえば果糖と反応する酵素を使えば、果物の甘みが分かりますし、さらにアルコールを分解する酵素を使えば、お酒の度数がわかるかも知れません。最近では、遺伝子工学の技術を使うと、さまざまな酵素を自在につくれると聞いています。それらの酵素を電極に使うと、ターゲットの有機物を検出できのではないかと考えています。
武内： 今後はLPWAなどの分野にも幅広く展開したいと考えておりますが、自社だけでは限界があります。無線モジュールでの展開は他のメーカーの方々と提携して、色々な無線方式に対応できるようなビジネスモデルを考えています。
また、弊社としては、「CLEAN-Boost」の技術を使ったたくさんのソリューションがあちこちで勝手に生み出されるような、「プラットフォーム型」のビジネスを志向しています。そのために、「CLEAN-Boost」技術が世の中のより多くの方に知っていただくようなしかけを行っていきたいと思います。
吉田： 今回、お話を伺っていて、「CLEAN-Boost」は「省電力」の技術という見方の他に、実は見落としていた巨大な“超省電力市場”が埋もれている可能性があるのではと感じました。
武内： エネルギーハーベスティングの普及には、技術の理解と共に、使えるセンサの種類が増え、この技術がいろいろな分野に浸透していくことが必要です。そのため弊社では、簡単な確認用センサと無線モジュールをパッケージにした実験キットの販売を開始しました。
より多くの方々にエネルギーハーベスティングでどんなことができるかを実感いただきたいと思っております。特に発電するセンサやハーベスタを独自にお持ちの方、研究されている方には、確認用センサの代わりに無線タグにつないでもらい、電池レスセンシングを実感してほしいと思っております。
吉田： 貴重なお話をどうもありがとうございました。
【関連リンク】
・「CLEAN-Boost」