高宮 真/TAKAMIYA Makoto

高宮 真 准教授

【研究分野】
半導体システム分野
【研究領域】
集積パワーマネジメント回路
【研究室URL】
http://icdesign.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

社会の課題をエレクトロニクスで解決

現在は一人ひとりが小さなコンピュータであるスマートフォンを所有する時代となり、エレクトロニクスがもたらす圧倒的な便利さを誰もが享受しています。しかし世の中には「少子高齢化」、「エネルギー問題」、「都市と地方」など課題が山積しており、これらの課題に対してエレクトロニクスはまだ十分には貢献できておりません。そこで、高宮研究室では「社会の課題をエレクトロニクスで解決」することをビジョンに掲げ、研究に取り組んでいます。エレクトロニクスの応用範囲を従来型の電子機器であるスマートフォンから、社会課題解決に向けてモノ(IoT)から体表(ウエアラブル)へ、さらには体内(インプランタブル)へと拡大する上で必要不可欠となるのが「電力供給技術」です。そこで、高宮研究室はLSI設計をコア技術として「集積パワーマネジメント」の研究を行っています。

高宮研究室の特徴

高宮研究室の特徴は3つあります。

(1)LSI設計技術を駆使して、小型軽量化・賢い制御を実現
(2)IoT分野のnWからパワーエレクトロニクスのkWまで幅広い電力範囲をカバー
(3)異分野の知見を交差させて新しい解を提供

IoTノード向けのエネルギーハーベスティング、無線給電、DC-DCコンバータ

設置後は電池交換不要で永久に動作するIoTノードを実現するためには、エネルギーを環境から取り出すエネルギーハーベスティングや無線給電と、それに伴う電圧変換回路(DC-DCコンバータ)が必要とされます。一例として図1に電源コード外皮から電力を獲得する温度・照度センサノードを示します。ビルのエネルギー管理向けに気温と照度を測定して無線で送信する無線センサノードの電池交換の手間を削減するため、電源コード外皮からの電界エネルギーハーベスティングを提案しました。従来のエネルギーハーベスティングとは異なり、確実に電力が得られる点が特徴です。バッテリーレスで4分毎に気温と照度を測定して無線で送信する無線センサノードを実証しました。

パワートランジスタ(IGBT)駆動用波形制御プログラマブルゲートドライバ

パワーエレクトロニクスとLSIの異分野連携により、図2のIGBTのゲート駆動電流をデジタルインタフェースで変えられるプログラマブルゲートドライバICを開発しました。 IGBTのスイッチング過程におけるゲート電圧波形を最適に動的制御することにより、スイッチング時の損失低減とスイッチングノイズ低減を両立することができました。

ウエアラブル用超薄型フレキシブルデバイス向けのエネルギーハーベスティング、無線給電

ウエアラブル向けの厚さ1um~10umの超薄型フレキシブルデバイスは外部との配線接続やバッテリー搭載は困難なため、電力供給方法が大きな課題でした。そこで、有機トランジスタ回路技術を駆使してエネルギーハーベスティング、無線給電を用いたウエアラブル用フレキシブルデバイスの提案と実証を行いました。図3に太陽電池で発電し、音で発熱を知らせる全てがフレキシブルデバイスで構成された有機トランジスタ回路搭載の「腕章型発熱アラーム」を示します。

空間を飛び回るミリメートルサイズのLED光源

ヒューマン・コンピュータ・インタラクションと集積パワーマネジメントの異分野連携により、超音波集束ビームを用いて空中浮遊・移動する直径4ミリメートルの極小LED光源(図4)を開発しました。無線給電を使用した電池の不要化と、LED 点灯に必要な無線給電用受信回路の専用IC化の2点を工夫したことで小型・軽量化を実現し、超音波による微弱な力でも浮き上がらせることに成功しました。極小LED 光源の空間中の移動と点灯・消灯はコンピュータから無線で制御でき、将来は手で触れる空中ディスプレイ向けの発光画素への応用が期待されます。

学生へのメッセージ

現在の形態のスマートフォンを万人が持ち歩く世の中が到来することを10年前に予測していた人はほんの一握りです。人々の生活を一新するようなイノベーションを実現する技術基盤がエレクトロニクス、特にLSIです。本研究室ではLSI設計技術をコアとして、エレクトロニクスの未来像を発信していきたいと思います。見学は随時受け付けておりますので、ご連絡をお待ちしております。

図1:電源コード外皮から電力を獲得する温度・照度センサノード
図2:IGBT駆動用波形制御プログラマブルゲートドライバIC
図3:太陽電池で発電し音で発熱を知らせる腕章型発熱アラーム
図4:空間を飛び回るミリメートルサイズのLED光源(Luciola)