エネルギーハーベストと特許
1. 背景
現代社会は、あらゆる物理的オブジェクトがインターネットを介して相互に接続される、IoT（モノのインターネット）デバイスの爆発的な普及期を迎えています[1]。パソコンやスマートフォンといった従来の通信端末に留まらず、家電製品、産業機械、自動車、医療機器、さらには橋梁や道路といった社会インフラに至るまで、多様なモノにセンサーや通信機能が組み込まれようになりつつあります[2]。
一方で、社会のあらゆる場所にセンサーが配置されるようになったことに伴い、膨大な数のデバイスに対する電源供給のメンテナンス手間や、電池交換に伴うコスト、さらには廃棄電池による環境負荷が大きな課題として浮上しています。このような背景から、周囲の環境に存在する微小なエネルギーを収穫して電力に変換する「エネルギーハーベスト（環境発電）」への期待が急速に高まっています。
エネルギーハーベストが注目される背景には、IoTの普及そのものよりも、「配線できない」「電池交換しにくい」「交換点数が多すぎる」という運用上の制約があります。水インフラ分野では、地下環境で電池交換や充電作業が難しく、センサー数が増えるほど保守コストが膨らむことが適用条件として整理されていますし[3]、経済産業省系の実用化案件でも、バッテリーレス化による配線費・交換費・廃棄電池負荷の低減が価値として明示されています[4]。さらに、産総研の湧水温度差発電は、日陰や夜間でも連続的な環境計測を可能にしうる例であり、太陽光に依存しない自立電源の必要性を示しています[5]。つまり、環境発電は「発電量の大きさ」よりも、むしろ「保守困難な場所にセンサーと通信を置けること」に社会的意義がある技術として広がっているとみることができるでしょう。
エネルギーハーベストの考え方は、持続可能な開発目標（SDGs）やカーボンニュートラルの達成に向けた取り組みとも合致し、社会インフラの維持管理やスマートシティの実現に不可欠な技術として注目されてきています。
2. 技術要素
現在のエネルギーハーベストは、光・温度差・振動・人の動き・電波・湿度といった環境エネルギーを、単独の発電素子で使い切る技術というより、微弱で変動的な入力を「使える電源」に仕立てるシステム技術として発展しています。村田製作所やEnOceanの資料では、振動、光、温度差を利用したバッテリーレス機器が、無線センサーやスイッチ用途で成立する条件として整理されています[6]。熱電分野のレビューでは、材料や素子構造に加えて、極低入力電圧から起動できる制御回路や高効率の電力管理が市場化に近づけた要素とされています[7]。RFエネルギーハーベストでも、アンテナ、整合回路、整流器、電源管理ユニットの連鎖が性能を決め、低出力電圧や狭いダイナミックレンジが主要課題として挙げられています[8]。したがって、特許の読み方も、発電原理だけでなく、源泉選定、電源変換、蓄電、通信動作の全体整合をみる必要があります。
· 発電源の選定：光、温度差、振動、RF、湿度は、得られる電圧・電流・時間変動が大きく異なるため、用途ごとに発電原理の選択が必要です。[9][5][6][8]
· 整流・昇圧・最大電力点追従：微弱入力を使える電圧に変える回路がボトルネックになりやすく、PMICやMPPT/PPTの知財比重が高い分野です。[7][8][10]
· 蓄電・バッファリング：発電は連続でも負荷動作はパルス状であることが多く、コンデンサや二次電池との協調設計が重要です。[11][7][10]
· 低消費電力化との同時最適化：無線送信、センシング、MCU待機電力を下げなければ、発電素子だけでは成立しません。[11][7][12]
· 耐環境実装：地下、水辺、機械設備、建築内装など、設置環境が多様なため、筐体・機械構造・取付方法も特許テーマになります。[5][3][4][6]
· 複合化：一つの源だけでは足りない場面が多く、熱電＋湿度、振動＋電磁、RF＋蓄電などの複合ハーベストが増えています。[7][8][13][14]
3. 特徴的な特許分類
· H10N10/13、H10N10/17
ゼーベック効果を用いる熱電デバイスのうち、熱交換手段やセル・熱電対構造の工夫を拾いやすい記号です。流体との熱交換、板状モジュール、スタック構造を伴う産業廃熱回収では有効な入口になりやすい分類です。
· H10N15/20
異常ネルンスト効果のような熱磁気系を扱う発明で有用です。従来のゼーベック型と異なり、面内配線や熱流センサとの一体設計を含むため、熱電一般だけでは拾いにくい新規群を補足しやすいと考えられます。
· H02N2/186(CPC)、H02N2/188(CPC)、H10N30/304(CPC)、H10N30/306(CPC)
振動ハーベスタ、共振型構造、圧電ビーム、カンチレバー型発電に対応する記号です。単一共振から広帯域・多共振への流れを読むうえで実務的に使いやすい組合せです。
· H01H35/42、H01H9/54、H01M14/00
湿度変動電池のように、発電原理が化学・湿度応答・機械スイッチングにまたがる場合に有用です。湿度で動くリレー整流のような発明は、典型的な発電分類だけでは見落としやすく、この横断性自体が検索上の注意点になります。
· G05F1/67、H02J50/001(CPC)、H02M3/155
最大電力点追従、エネルギーハーベスティング用電源管理、低電圧DC-DC変換をみる際の重要記号です。環境発電では、発電素子単体よりも、PMIC・昇圧・蓄電の従属クレームが事業化の障壁になりやすいため、回路系IPCは外しにくいといえます。
· H10N と旧 H01L35・H01L41 の併用
近年の固体素子系では H10N 側への再編が進んでいる一方、過去公報や同族には旧 H01L 記号が残ります。長期の先行技術調査では、新旧IPCを併用しないとヒット漏れが生じやすい点に留意したいところです。
4. 特許出願動向と注目技術
最近10年の特徴では、前半は産業廃熱回収や電源管理IC、後半は広帯域振動、異常ネルンスト、湿度変動電池など「入力変動そのものを扱う発明」へ重心が移っているように思われます。
以下に、近年のエネルギーハーベストにおける、いくつかの特許公報を解説します。
WO2017056514A1。これは温度差発電を熱交換器構造まで踏み込んで扱い、流路、スペーサ、板剛性、熱交換効率を一体でクレーム化しています。熱電材料そのものより、実装・熱流設計に知財の主戦場があることを示す公報です。
EP3497772A1。発電素子を問わず使えるPMICの重要性を示しています。入力電圧の評価と最適動作点の追従を中核に、蓄電・負荷との橋渡しを行う構成であり、環境発電分野が「回路アーキテクチャ勝負」でもあることをよく表しています。
WO2023079410A1。複数のカンチレバー共振子を段階配置した広帯域の圧電振動ハーベスタで、単一共振の弱点を補う設計思想が鮮明です。設備振動が一定でない実環境を前提にした発明であり、社会実装寄りの改良方向を示しています。
以下の表には、上の３報を含めた5報をまとめました
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特許番号 / 公開番号 |
発明の名称 |
権利者/出願人 |
発行日/公開日 |
Google Patents |
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WO2017056514A1 |
熱電発電装置及び熱電発電方法 |
Hisaka Works Ltd / Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd / Chiyoda Corp |
2017-04-06 |
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EP3497772A1 |
Power management integrated circuit with optimum power point evaluation |
E Peas SA |
2019-06-19 |
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WO2022264940A1 |
熱電発電デバイス |
National Institute for Materials Science |
2022-12-22 |
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WO2023079410A1 |
Piezoelectric multi-resonator device for energy harvesting or actuating |
Imperial College Innovations Ltd / Politecnico di Milano |
2023-05-11 |
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JP2023183896A |
湿度変動電池用整流素子及び整流方法 |
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST |
2023-12-28 |
5. 今後の展望と課題
今後のエネルギーハーベストの知財実務では、発電素子単体の特許だけを追っていては足りない場面が増えそうです。実際の製品や実証では、発電原理よりも、どの環境エネルギーを選び、どの程度の変動を許容し、どのPMICで起動し、どの蓄電素子で平滑化し、どの通信周期で動かすか、という「電源システム全体」の設計で差がつくことが多いからです。したがって、特許調査では、H10N や H02N のようなトランスデューサ分類だけでなく、G05F、H02M、H02J、さらには H01H や H01M までを含めた横断検索が必要になると考えられます。旧 H01L と新 H10N の併用も、長期遡及では外しにくい要件です。
また、事業判断では、FTO の対象を「発電デバイス」だけに限定しないほうが安全です。たとえば、熱電や圧電の基本原理が公知であっても、昇圧開始条件、擬似MPPT、入力整合、整流方式、機械構造、筐体固定、無線送信トリガ、蓄電制御などのサブシステム特許が実施障害になることがあります。とくに、振動系では共振帯域拡張、湿度系では機械式整流、熱電系では熱流路設計や平面配線、RF系では整合回路と整流器・PMUの境界が争点になりやすいように思われます。そのため、FTO調査では、完成品の分解図ベースで部材・回路・制御シーケンスを洗い出し、特許クレームに対応づける作業が重要です。[8]
他方、攻めの観点では、社会実装条件に即したクレームが依然として有効だと思われます。地下、水辺、夜間、暗所、配線困難箇所、メンテナンス人員不足、バッテリー廃棄物削減といった現場課題に紐づけることで、単純な発電効率競争から一歩離れた出願設計がしやすくなります。特許明細書でも、発電量だけに焦点を当てるより、起動電圧、待機消費、保守周期、設置自由度、交換コスト、環境耐性を織り込むほうが、事業部門との整合が取りやすくなると思われます。さらに、拒絶対応や係争に備える意味では、材料論文、センサネットワーク論文、企業技術資料、実証ニュースまで含めた無効資料調査の重要性も高まります。エネルギーハーベストは学術論文先行で事業化が続く分野が多く、非特許文献が実質的な先行技術になることが少なくないためです。知財部門としては、発電原理の新規性だけを見るのではなく、「運用コストの削減をどこまで技術で言語化できるか」を評価軸に据えることが、今後ますます重要になるものと思われます。[9][5] [3][4][7] [12][8]
[1] 令和3年版 情報通信白書｜IoTデバイスの急速な普及 - 総務省,
URL: https://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/r03/html/nd105220.html
[2] Powering the Trillion Sensor Industrial Internet of Things Dream - IIoT World,
URL: https://www.iiot-world.com/industrial-iot/powering-the-trillion-sensor-industrial-internet-of-things-dream/
[3] 応用物理学会「エネルギーハーベスティングを用いた水インフラ災害対策技術」
URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/oubutsu/90/3/90_181/_pdf/-char/ja
[4] 中小企業庁「車両等の無線によるIoT化を実現する小型ハーベスティング関連プロジェクト概要」
URL: https://www.chusho.meti.go.jp/sapoin/index.php/cooperation/project/detail/4259
[5] 産業技術総合研究所「湧水に浸すと発電できる『湧水温度差発電』」
URL: https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2024/pr20240610/pr20240610.html
[6] Murata Manufacturing「Energy Harvesting and Wireless Sensor Networks」
URL: https://corporate.murata.com/technology/techmag/metamorphosis16/appnote/02
[7] Maciej Haras, Thomas Skotnicki, “Thermoelectricity for IoT – A review”
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285518307286
[8] “Recent progress and development of radio frequency energy harvesting devices and circuits”
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523006821
[9] 産業技術総合研究所「空気中の湿度変化を利用して発電する『湿度変動電池』を開発」
URL: https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2021/pr20210602/pr20210602.html
[10] Google Patents「EP3497772A1 - Power management integrated circuit with optimum power point evaluation」
URL: https://patents.google.com/patent/EP3497772A1/en
[11] EnOcean「The Easy Way to Energy Harvesting Wireless Products」
URL: https://www.enocean.com/wp-content/uploads/redaktion/pdf/white_paper/WhitePaper_EnOcean_Product_Integration_v4.0.pdf
[12] Mahidur R. Sarker et al., “Micro energy harvesting for IoT platform: Review analysis toward future research opportunities”
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S240584402403809X
[13] Google Patents「WO2022264940A1 - 熱電発電デバイス」
URL: https://patents.google.com/patent/WO2022264940A1/ja
[14] Google Patents「WO2018119180A1 - Energy harvesting devices and sensors, and methods of making and use thereof」
URL: https://patents.google.com/patent/WO2018119180A1/en
[15] Google Patents「WO2017056514A1 - 熱電発電装置及び熱電発電方法」
URL: https://patents.google.com/patent/WO2017056514A1/ja
[16] Google Patents「WO2023079410A1 - Piezoelectric multi-resonator device for energy harvesting or actuating」
URL: https://patents.google.com/patent/WO2023079410A1/en
[17] Google Patents「JP2023183896A - 湿度変動電池用整流素子及び整流方法」
URL: https://patents.google.com/patent/JP2023183896A/ja
