JP4823259B2 - 電子回路、無線端末および無線端末システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁波により電力を得て無線端末等へ供給する電子回路、無線端末および無線端末システムに関する。

近年、携帯電話、非接触ＩＣカード、ＲＦＩＤタグなどの無線端末が普及している（非特許文献１参照）。例えば、非接触ＩＣカードは、交通系システムのゲート・アクセス管理、電子マネーによる決済処理などに用いられている。また、携帯電話は各種通話やデータ通信に利用されている。

このような無線端末においては、電源供給手段が非常に大きな問題となっている。例えば、携帯電話は電源として二次電池を備えており、電池容量によっては連続使用時間が制限されるとともに、繰り返し充電を行う必要がある。また、非接触ＩＣカードは電源を持たず、非接触ＩＣカード用識別装置からの電磁誘導によって誘起される起電力により動作する。

後者について、より具体的に説明すると、このシステムは一般的に図１３に示すように非接触ＩＣカード２００と非接触ＩＣカード用識別装置３００とから構成されている。非接触ＩＣカード用識別装置３００では、例えば１３．５６ＭＨｚの電磁波を送出しており、非接触ＩＣカード２００が、非接触ＩＣカード用識別装置３００から１０ｍｍ程度の距離に接近すると、非接触ＩＣカード２００のコイル２００Ａに電磁誘導によって起電力が発生し、この起電力を電源回路２００Ｂによって整流してＩＣなどの回路の駆動に用いている。

「今さら聞けないＩＴキーワード ＩＣタグ／非接触ＩＣカード」、市川通啓、日経コンピュータ、2006.9.4. p.157。

しかしながら、このような従来の無線端末は、第一に専用の電源供給装置が必要になるという問題があった。すなわち、非接触ＩＣカードにおいては、電磁誘導のための電磁波を送出する専用装置が必要である。
また、第二に無線端末を専用の電源供給装置近傍の所定の位置に接近させる必要があった。すなわち、電源供給装置は特定の方向のみに電磁波を発生し、その到達距離も限定されていることから、無線端末を専用の電源供給装置近傍の所定の位置に接近させなければならない。

本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、専用の電源供給装置を設けることなく、また、電源供給のために空間的な位置が限定されることなく、無線端末への電源の供給を可能にすることを目的とする。

このような課題を解決するために本発明は、整流回路、充電回路および放電回路を有する電源部と、電源部を覆う筐体と、筐体の外部に露出して配置され、整流回路に接続された金属からなる電極とを有し、前記電極は、電磁波または電界変化を受けて交流電流を生成し、前記整流回路は、交流電流を直流電流に変換して充電回路に充電し、前記電極の表面積は、筐体を構成する何れの表面よりも大きく、筐体は前記電極の表面領域内に形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記電子回路と、ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、アンテナとを有し、放電回路は無線送信部と電気的に接続され、無線送信部に電力を供給することを特徴とする。

また、本発明は、前記電子回路と、ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、切換スイッチと、制御部とを有し、前記電極は、所定の周波数帯におけるアンテナ機能を有するアンテナ電極であり、このアンテナ電極は、切換スイッチにより電源部または無線送信部の何れか一方に電気的に接続された状態となり、制御部は、ベースバンド回路からの出力に基づいて切換スイッチを駆動し、アンテナ電極の電源部または無線送信部への接続を制御することを特徴とする。
この場合、制御部は、無線送信部が電磁波を送信する間は切換スイッチを駆動してアンテナ電極と無線送信部とを接続し、無線送信部による電磁波の送信が終了すると切換スイッチを駆動してアンテナ電極と電源部とを接続する。

また、本発明は、前記電子回路と、ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、電力整合部とを有し、前記電極は、所定の周波数帯におけるアンテナ機能を有するアンテナ電極であり、電力整合部は、所定の周波数帯における高周波信号を無線送信部からアンテナ電極に伝搬させるとともに、アンテナ電極から入力された所定の周波数帯以外の信号を電源部に伝搬させることを特徴とする。
ここで、この無線端末は、ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線受信部をさらに有する。

また、本発明は、前記無線端末を少なくとも２つ以上備える無線端末システムであって、少なくとも２つの無線端末である第１および第２の無線端末のうち、第１の無線端末が送出した電磁波を、第２の無線端末の前記アンテナ電極が受信して交流電流を生成し、第２の無線端末の整流回路は、その交流電流を直流電流に変換してこの第２の無線端末の充電回路に充電するものである。

本発明においては、電磁波或いは電界変化から電源を得るための電極を設けるように構成した。これにより、特定の電源供給手段に依らず、輻射されている不要な電磁波、および各種電子機器類が輻射している不要な電波、ならびに人体の動きに起因する電界変化により、電気エネルギーを得ることができる。すなわち、電極面積を大きくしておくことで、より多くの電磁波を電気エネルギーに変換することができる。また、電極を筐体の外部に露出させ、指などの人体によって接触可能な状態にしておくことで、人体が受けた電磁波や人体の動きに伴う電界変化に変換し効率良く電極に伝えることができる。また、電極を特定の周波数帯の電磁波と整合するアンテナ電極とすることで、周囲の無線端末が発生している電磁波の一部を電気エネルギーとして変換することもできる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態を示すブロック図である。図１において、電源部１０は電極１１と、整流回路１２と、充電回路１３とから構成され、電極１１は筐体２０から外部に露出した状態にある。電極１１は、通信に用いられる高周波の電磁波、または各種電子機器の発している極低周波の電磁波、或いはこれらの電磁波に起因する電界変化を電流に変換する。

通信用の電磁波としては、携帯電話やＰＨＳなどＧＨｚ帯において０．１Ｗ程度の出力を有するものもある。また、各種電子機器が発する電磁波としては、テレビモニタ、パソコン、コピー機、掃除機など５０／６０Ｈｚ帯のＡＣ電源を用いることによる１００ｍＧ程度の磁束密度に対応した強度を持つ不要輻射がある。

電極１１から出力されたＡＣ電流は、図２（ａ）に示すように整流回路１２に入り、その後、図２（ｂ）に示すように正方向の電圧だけ取り出され、この取り出された電圧によって充電回路１３が充電される。充電回路１３はキャパシタや二次電池などの容量を備えており、所望の容量まで充電されると放電回路１４によって放電され負荷対象となる回路に電源が供給される。

例えば、図３に示すように、整流回路１２としては２つのダイオードＤ１，Ｄ２からなる構成とし、充電回路１３はキャパシタＣとし、放電回路１４は、図示していない電圧判定手段によりキャパシタ電圧が一定の上側しきい値に達した時点で放電回路１４内のスイッチＳＷをオンにして負荷対象回路へ電源を供給する。

スイッチＳＷのオン状態が続くと、キャパシタ電圧が低下してゆき、下側しきい値を下回った時点でスイッチＳＷをオフ状態にする。電圧判定手段において、スイッチＳＷがオフからオンに切り替わる際のしきい値電圧は、スイッチＳＷがオンからオフに切り替わる際のしきい値電圧とは異なる大きな値に設定されている。

図４（ａ）に示すように、整流回路１２、充電回路１３、放電回路１４が筐体２０に入り、電極１１が筐体２０から外部に露出した形態とする。このとき、筐体２０を構成する表面に対し、電極１１が突出された形状としておく。このようにすれば、図４（ｂ）に示すように各種誘電体や指などの人体３１の一部を電極１１に接触することが可能になる。

人体３１は電気的に容量と抵抗が並列に接続された回路モデルとして表現できる。容量成分については人体３１のほとんどは水分で形成されており、比誘電率が８０程度の誘電体である。人体３１の表面積は電極面積よりも大きく、電磁波輻射部３０からの電磁波をより多く受けることができる。

人体３１は誘電率が高いため、空気中を伝搬させるよりも効率良く電磁波を電界変化として電極１１に伝えることが可能になる。また、電源部１０の接地電位に対して人体３１の電位が浮遊状態にある場合、人体３１の動作に伴って人体・衣服間、靴・地面間などの各々の接触面における摩擦によって電荷や電界変化が生じる。このような電磁波輻射部３０からの電磁波による人体３１の電界変化や、人体３１そのものの動作による電界変化を図４（ｂ）に示す形状の電極１１に伝えることができる。

図４（ｃ）に示すように、人体３１の誘電率よりも高い誘電率を備えた絶縁膜３２を形成して電極１１を被覆しておけば、効率良く電界変化を伝えることができる。このような絶縁膜３２としては、例えば比誘電率が２００程度であるＢＳＴ膜（Ｂｒ，Ｓｒ，Ｔｉからなる酸化膜）が挙げられる。

また、抵抗成分を有する人体３１の電位が外部の所定のＤＣ電位に固定されていたとしても、電極１１に入力されるＤＣ成分をカットし、ＡＣ成分のみを入力させることができる。図４（ｄ）のように、筐体２０の複数の面に複数の電極１１を配置し、筐体２０内部で電気的に接続して１つの整流回路１２に入力させるように構成しても良い。この場合、電極１１に外部の人体３１などの誘電体が接触する機会が増加する。

また、図５（ａ）に示すように、電極１１が筐体２０に比べて十分大きい形態とすることもできる。このように構成すれば、図５（ｂ）に示すように、電磁波輻射部３０から発せられた電磁波をより多くの面積で受け入れることができる。

また、大面積の電極１１を可撓性を有するフィルムなどの基材上に形成したり、或いはアルミ箔としたりすることで、曲面を有する筐体２０の側面にも貼り付けることができる。さらに、図５（ｃ）に示すように電磁波輻射部３０のほとんどの面を覆うように形成しても良い。例えば、テレビを電磁波輻射部３０とすれば、映像の発せられる画像面だけは露出しており、その他の面は電極で覆うようにすれば良い。

（第２の実施の形態）
図６は第２の実施の形態を示す図である。この図６は図１の電源部１０に送信部（無線送信部）４０とアンテナＡＴを加えた構成である。送信部４０は、ベースバンド回路４１とＲＦ回路４２とから構成されており、アンテナＡＴにより通信用の電磁波を発する。送信部内のＲＦ回路４２とベースバンド回路４１の電源は放電回路１４から供給される。

すなわち、電極１１から入力された各種電磁波を電気エネルギーに換えて充電回路１３により一定時間保持しておき、必要に応じて放電回路１４から電源を供給することにより送信部４０から電磁波が発せられる。

図６の構成に、受信部（無線受信部）５０を加えて図７のように構成しても良い。すなわち、受信用のベースバンド回路５１とＲＦ回路５２、および、アンテナＡＴを切り替えるスイッチである切換部６０を新たに設ける。また、送信部４０の電源も放電回路１４から供給する。

このような送信部４０と受信部５０を備えた自立的な無線端末（電極１１，電源部１０，放電回路１４，送信部４０，受信部５０，アンテナＡＴ，筐体２０からなる無線端末）を、例えば図８に示すような携帯電話７０の表面に貼り付けて固定した状態としておく。すると、携帯電話７０から輻射される通信用の電磁波を人体３１が受け、その人体３１と電極１１が触れることで上記の無線端末に電源が供給される。

さらに、この無線端末から、携帯電話７０とは異なる周波数の電磁波が送信されることで、携帯電話網を介することなく携帯電話７０の使用状況を知ることができる。例えば、携帯電話７０の通話時間が長いほど電磁波が輻射されている期間が長くなり、キャパシタＣを充電する時間が長くなる。

これにより、キャパシタＣが充電され無線端末が電磁波を送出する頻度が高くなる。この頻度を受信することで、携帯電話７０の使用時間を推定することができる。携帯電話７０を例にしたが、その他の電磁波を発生する各種電子機器に対しても同様の使用方法を適用できることはいうまでもない。

なお、本実施の形態では、充電回路１３の容量または二次電池によってのみ電気エネルギーが充電されるとしたが、これに限ることなく、ボタン電池などの一次電池や他の二次電池を補助的に備えておいても良いことはいうまでもない。また、図８に示すように、送信部４０を電源部１０とともに筐体２０の内部に備えておいても良い。

（第３の実施の形態）
図９は第３の実施の形態を示す図である。この図９は、図６に示す電源部１０における電極１１を、特定の周波数帯域を有するアンテナ電極とした場合の無線端末の例である。図９に示す無線端末は、電源部１０と、送信部４０と、アンテナ電極ＡＴと、切換部６０と、制御部８０とを備える。

アンテナ電極ＡＴは所定の周波数の通信用電磁波を送受信できる。送信部４０が待機しているときには、切換部６０のスイッチは図１０に示すように、アンテナ電極ＡＴと電源部１０間を接続している。これにより、所定の周波数の電磁波を受信して電気エネルギーに変換し容量を充電する。

その後、十分充電した状態で、ベースバンド回路４１が起動された後、制御部８０に送信用の制御信号を送る。これを受けて制御部８０は切換部６０のスイッチを切り替えてアンテナ電極ＡＴと送信部４０とを接続した状態にする。その後、送信部４０からアンテナ電極ＡＴを介して通信用の電磁波を空間に向けて輻射する。電磁波の送出が終了すると、制御部８０が切換部６０のスイッチを、アンテナ電極ＡＴと電源部１０との間を接続する状態にして待機状態となる。

このように電源部１０の電極１１と、送信部４０のアンテナＡＴを共有化することにより、所定の周波数帯の電磁波を用いて、充電および送信が可能になる。例えば、図１１に示すように、基地局１００に対し、或る無線端末１Ａがアンテナ電極ＡＴ１を介して無線信号を送信を行っているときには、基地局１００の無い方向にも不要な電磁波が輻射されている。このような電磁波を、待機中の無線端末１Ｂがそのアンテナ電極ＡＴ２により受けて電気エネルギーに変換する。なお、アンテナ電極ＡＴ２は、第１および第２の実施の形態に示したように、例えば人体３１と接触することで電界変化を受け入れることもできる。

（第４の実施の形態）
図１２は、第４の実施の形態を示す図である。この図１２は、図６に示す電源部１０における電極１１をアンテナ電極ＡＴとし、アンテナ電極ＡＴと電源部１０および送信部４０を、電力整合部９０によって接続した無線端末である。

電力整合部９０は、空間にある電磁波を受け入れ、その周波数帯に応じて電源部１０にのみ電力を送る。例えば、５０Ｈｚの電磁波がアンテナ電極ＡＴから入力された場合、その電磁波の電力は電力整合部９０によって、送信部４０に向かう電力は反射され、電源部１０のみに送られる。

一方、電力整合部９０は送信部４０から送られてきた高周波数帯の信号をアンテナ電極ＡＴのみに送信する。例えば、１ＧＨｚ程度の高周波信号が送信部４０から電力整合部９０に入力された場合、電源部１０へと続く配線とはインピーダンス整合せずに反射され、アンテナ電極ＡＴへと続く配線とインピーダンス整合して電力が伝送され、電力のほとんどが電磁波になって空間へ輻射されてゆく。このような電磁波を所定の方向のみに伝送する素子としては、サーキュレータが挙げられる。

上記の構成にすることで、アンテナ電極ＡＴおよび電力整合部９０で複数の周波数帯の電磁波や電界変化を受け入れて電気エネルギーに変換するとともに、そのエネルギーを用いて特定の周波数帯の電磁波を送出できる。すなわち、アンテナ電極ＡＴとの切換を行う切換部６０や制御部８０が不要になる。なお、アンテナ電極ＡＴは第１および第２の実施の形態に示したように、例えば人体３１と接触することで電界変化を受け入れることもできる。

第１の実施の形態を示すブロック図である。 図１に示す装置を構成する整流回路の入力電圧と出力電圧の波形図である。 図１に示す装置の具体的構成を示す図である。 図１に示す装置の利用例を示す図である。 図１に示す装置の他の利用例を示す図である。 第２の実施の形態を示すブロック図である。 図６に示す装置の変形例を示すブロック図である。 図６に示す装置の他の変形例を示すブロック図である。 第３の実施の形態を示すブロック図である。 図９に示す装置の動作・非動作のタイミングを示す図である。 図９に示す装置の充電状況を示す図である。 第４の実施の形態を示すブロック図である。 従来装置の構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…無線端末、１１…電極、１２…整流回路、１３…充電回路、１４…放電回路、２０…筐体、３０…電磁波輻射部、３１…人体、３２…絶縁膜、４０…送信部、４１，５１…ベースバンド回路、４２，５２…ＲＦ回路、５０…受信部、６０…切換部、７０…携帯電話、８０…制御部、９０…電力整合部、１００…基地局、ＡＴ，ＡＴ１〜ＡＴ３…アンテナ（アンテナ電極）。

Claims (7)

1. 整流回路、充電回路および放電回路を有する電源部と、
   前記電源部を覆う筐体と、
   前記筐体の外部に露出して配置され、前記整流回路に接続された金属からなる電極と
   を有し、
   前記電極は、電磁波または電界変化を受けて交流電流を生成し、
   前記整流回路は、前記交流電流を直流電流に変換して前記充電回路に充電し、
   前記電極の表面積は、前記筐体を構成する何れの表面よりも大きく、前記筐体は前記電極の表面領域内に形成されていることを特徴とする電子回路。
2. 請求項１に記載された電子回路と、
   ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、
   アンテナと
   を有し、
   前記放電回路は、前記無線送信部と電気的に接続され、前記無線送信部に電力を供給することを特徴とする無線端末。
3. 請求項１に記載された電子回路と、
   ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、
   切換スイッチと、
   制御部と
   を有し、
   前記電極は、所定の周波数帯におけるアンテナ機能を有するアンテナ電極であり、
   前記アンテナ電極は、前記切換スイッチにより前記電源部または前記無線送信部の何れか一方に電気的に接続された状態となり、
   前記制御部は、前記ベースバンド回路からの出力に基づいて前記切換スイッチを駆動し、前記アンテナ電極の前記電源部または前記無線送信部への接続を制御することを特徴とする無線端末。
4. 請求項３に記載の無線端末において、
   前記制御部は、前記無線送信部が電磁波を送信する間は前記切換スイッチを駆動して前記アンテナ電極と前記無線送信部とを接続し、前記無線送信部による電磁波の送信が終了すると前記切換スイッチを駆動して前記アンテナ電極と前記電源部とを接続することを特徴とする無線端末。
5. 請求項１に記載された電子回路と、
   ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線送信部と、
   電力整合部と
   を有し、
   前記電極は、所定の周波数帯におけるアンテナ機能を有するアンテナ電極であり、
   前記電力整合部は、前記所定の周波数帯における高周波信号を前記無線送信部から前記アンテナ電極に伝搬させるとともに、前記アンテナ電極から入力された前記所定の周波数帯以外の信号を前記電源部に伝搬させることを特徴とする無線端末。
6. 請求項２ないし請求項５の何れかに記載された無線端末において、
   ベースバンド回路と高周波回路とを有する無線受信部をさらに有することを特徴とする無線端末。
7. 請求項２ないし請求項６の何れかに記載の無線端末を少なくとも２つ以上備える無線端末システムであって、
   前記少なくとも２つの無線端末である第１および第２の無線端末のうち、前記第１の無線端末が送出した電磁波を、前記第２の無線端末の前記アンテナ電極が受信して交流電流を生成し、
   前記第２の無線端末の前記整流回路は、前記交流電流を直流電流に変換してこの第２の無線端末の前記充電回路に充電することを特徴とする無線端末システム。

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