JP2007142594A - 電波受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電波復調段において信号損失が少なく高精度で、製造過程において周波数選択度Ｑの微調整の必要がなく、搭載機器の材質に左右されない、高感度な電波受信装置を提供する。
【解決手段】電波受信装置１０は、パルス発生部１と、ＭＩ素子２０と集磁部２１とを備え外部電波を磁界の変化として検出し電気的に応答するアンテナ部２と、アンテナ部２の出力を増幅する増幅部３０と、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３１と、Ａ／Ｄ変換部３１の出力から所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部３と、デジタルフィルタ部３の出力を電波受信装置１０を搭載する電子機器に対応した所望の出力に変換する信号処理部４とを有する。デジタルフィルタ部３は、バンドパスフィルタ３２と、整流部３３と、ローパスフィルタ３４と、波形整形部３５とで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子とデジタルフィルタ回路とで構成される、電波受信装置に関する。

従来の技術として、電波時計用の電波受信機が知られている。電波時計の電波には４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの長波標準電波があり、それぞれ１ＨｚのＡＭ変調がかけられている。そのＡＭ変調波を復調することで日本標準時の時刻情報を得ることができる。ＡＭ変調波を復調するための受信機として、腕時計等にも搭載可能な小型の電波時計受信用ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）がある（例えば非特許文献１）。

この電波時計受信用ＬＳＩは、電波信号を整流した後、積分する方式をとっており、コイル式のアンテナと、受信電波増幅用の増幅部と、所望の周波数の信号のみを取り出す水晶フィルタと、信号整流用の整流部と、信号を積分する積分部を有する。

この電波時計用ＬＳＩは、オートゲインコントロール機能を有し、幅広い電圧ダイナミックレンジを有する。また、消費電力５０μＡ、最小入力感度１μＶｒｍｓであり、高感度かつ低消費電力を実現している。
木下雅貴、「電波時計受信用ＬＳＩ」、マイクロメカトロニクス、日本、社団法人日本時計学会、１９９９年５月、第４３巻 第４号、Ｐ６３−６９

しかし、従来の電波時計用ＬＳＩによると、回路はすべてアナログ回路によって構成されているため、水晶フィルタ等において信号損失が生じ、また、装置内の各部品において物性上の温度特性や経年変化が生じるという問題がある。また、装置に用いるアンテナはコイル式であり、装置全体のＬＣＲの関係において周波数選択度Ｑを決定するため、装置製造の際はＱの微調整を必要とする。また、コイル式アンテナは金属近傍で著しく感度を低下させるため、搭載する電子機器に使用する材質に制約が生じる。

従って、本発明の目的は、電波復調段において信号損失が少なく高精度で、製造過程において周波数選択度Ｑの微調整の必要がなく、搭載機器の材質に左右されない、高感度な電波受信装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、電波による外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子からなる磁気検出部と、前記ＭＩ素子が前記外部磁界に反応する方向に沿って、前記ＭＩ素子の両端に近接して対称構造にて設置され、高透磁率材料からなる集磁部とを有するアンテナ部と、前記外部磁界に基づいて生じる前記アンテナ部の電気的応答をデジタル処理し、所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部とを含むことを特徴とする電波受信装置を提供する。

このような構成によれば、磁気検出部に対し対称的に誘磁性を有する集磁部を設けることで集磁性が高まり、その電気的応答を後段のデジタルフィルタでフィルタリングすることで所望の周波数の信号を高い精度で取り出すことができる。

本発明は上記目的を達成するため、電波による外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子からなる磁気検出部と、前記ＭＩ素子が前記外部磁界に反応する方向に沿って、前記ＭＩ素子の両端に近接して対称構造にて設置され、前記外部磁界について一定以下の周波数成分を集磁する性質を有する高透磁率材料からなる集磁部とを有するアンテナ部と、前記外部磁界に基づいて生じる前記アンテナ部の電気的応答から所望の帯域の周波数成分を取り出すデジタルバンドパスフィルタと、ＡＣ信号をＤＣ信号へと変換する整流部と、所望の周波数以上の信号をカットするデジタルローパスフィルタと、信号の波形を整形する波形整形部とを含み、所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部とを含むことを特徴とする電波受信装置を提供する。

このような構成によれば、高透磁率材料の集磁効果により、ＭＩ素子単体の場合に比べ装置が高感度になる。また、高透磁率材料が一定以上の周波数成分に対し不感となるため、受信電波に高周波成分が含まれず、デジタルフィルタにおいてアンチエイリアシングの必要がなくなる。また、コイル式アンテナに換えてＭＩ素子を使用したことにより、製造の際にアンテナが持つ周波数選択度Ｑの微調整の必要がなくなると同時に、コイル式アンテナでは著しく感度が低下する金属近傍等での受信が可能になる。また、受信電波の処理にデジタル回路を用いたことにより、信号の損失や装置自体の劣化等を抑えることができる。

前記高透磁率材料は、前記外部磁界について１００ｋＨｚ以下の周波数成分を集磁する性質を有するコバルトアモルファスを用いて構成してもよい。

前記高透磁率材料は、前記外部磁界について１ＭＨｚ以下の周波数成分を集磁する性質を有するフェライトを用いて構成してもよい。

本発明によれば、電波復調段において信号損失なく高精度で、製造過程において周波数選択度Ｑの微調整の必要がなく、搭載機器の材質に左右されない、高感度な電波受信装置を構成することができる。

以下に、本発明の電波受信装置の実施の形態を図面を参考にして詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に関する電波受信装置の概略構成図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるデジタルフィルタ部の詳細図である。

（電波受信装置の構成）
この電波受信装置１０は、パルス電圧を発生するパルス発生部１と、ＭＩ素子２０と集磁部２１とを備え外部電波を磁界の変化として検出し電気的に応答するアンテナ部２と、アンテナ部２の出力を増幅する増幅部３０と、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３１と、Ａ／Ｄ変換部３１の出力から所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部３と、デジタルフィルタ部３の出力を電波受信装置１０を搭載する電子機器に対応した所望の出力に変換する信号処理部４とを有する。

デジタルフィルタ部３は、４０ｋＨｚおよび６０ｋＨｚのキャリアを分別するデジタルバンドパスフィルタ３２と、ＡＣ信号をＤＣ信号へと変換するデジタルの整流部３３と、１ＨｚのＡＭ変調信号を取り出すデジタルローパスフィルタ３４と、矩形波のパルスを取り出すデジタルの波形整形部３５とで構成される。

なお、デジタルバンドパスフィルタ３２とデジタルローパスフィルタ３４は、ＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタもしくはＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタ形式により構成される。

（アンテナ部の構成）
図２は本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ部の構成を示す平面図である。

アンテナ部２は、外部磁界に対しインピーダンス変化として電気的に応答するＭＩ素子２０と、コバルトアモルファスリボンを用いて構成され、ＭＩ素子２０の両端に設けることにより外部磁界を集磁する効果を有する集磁部２１と、ＭＩ素子２０と集磁部２１の基台となるＳｉ基板２２と、ＭＩ素子２０と集磁部２１とＳｉ基板２２とを封止固定するための封止樹脂２３とを有する。なお、封止樹脂２３は必ずしも透明である必要はないが、内部構造を説明するため、透明なものを使用する。

図３（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ部の詳細を示す平面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。

図３（ａ）と（ｂ）に示すように、ＭＩ素子２０は、Ｓｉ基板２２の表面上につづら折れ状にパターン形成された高透磁率磁性膜２００と、高透磁率磁性膜２００を外部と電気的に接続するため、また高透磁率磁性膜２００どうしを電気的に接続するためのアルミニウム（Ａｌ）からなる電極２０１とを有する。また、ＭＩ素子２０と集磁部２１はＳｉＯ_２によるパッシベーション膜２０２により電気的に絶縁されている。

ＭＩ素子２０は、高透磁率磁性膜２００と集磁部２１の間隔Ｄ１が２．０ｍｍ以下となるように両者を設置している。また、高透磁率磁性膜２００と集磁部２１の厚み方向の中心軸ずれＤ２が０ｍｍとなるようにＳｉ基板２２に段部を形成している。

また、高透磁率磁性膜２００は約１μｍの厚みを有する。集磁部２１は、長さ１２．５ｍｍ、幅１．２ｍｍ、厚さ２０μｍの形状のものを使用する。パッシベーション膜２０２は約０．５μｍの厚さを有する。

（電波受信装置の動作）
以下に、本発明の実施の形態における電波受信装置の動作を図１から図４を参照しつつ説明する。

アンテナ部２１において、ＭＩ素子２０の両端に設けられた集磁部２１は、集磁部２１の外側の一端から外側の他端にかけてＭＩ素子２０を貫くように磁束を集磁する。ＭＩ素子２０は長手方向にて集磁された磁束に反応し、インピーダンスが変化する。アンテナ部２１は、電磁波である電波に関しても同様に反応し、インピーダンスが変化する。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る集磁部の材質による特性を示すグラフである。

集磁部２１は、コバルトアモルファスを使用する場合、１００ｋＨｚ以上の周波数の電波に対し著しく透磁率が低下する。その結果、ＭＩ素子２０を貫く磁束密度が減少し、見かけ上アンテナ部２は１００ｋＨｚ以上の電波に対し不感となる。

パルス発生部１の出力は、上記のアンテナ部２１のインピーダンス変化に基づき変化し、増幅部３０とＡ／Ｄ変換部３１で処理された後、デジタルフィルタ部３へと入力される。デジタルフィルタ部３は、所望の帯域の周波数信号のみを信号処理部４へと出力する。

（第１の実施の形態の効果）
上記した実施の形態によると、集磁部２１に用いたコバルトアモルファスの特性により１００ｋＨｚ以上の周波数を持つ電波に対し不感となり、信号減衰のないローパスフィルタとして使用できるため、デジタルフィルタ部３において高周波電波に対するアンチエイリアシングを行う必要がなくなり、デジタルフィルタ部３の簡略化、また消費電力の減少が望め、優れた構成であると言える。また、集磁部２１を持たない代わりにアンテナ部２の後段にローパスフィルタを用いた場合と異なり、パルス発生部１からアンテナ部２へ入力する信号に高周波またはパルス矩形波を使用することが可能になり、高周波またはパルス矩形波を使用した信号処理の結果、電波受信装置１０を高感度に構成することが可能になる。また、コバルトアモルファスの集磁効果により、アンテナ部２全体としての感度が向上する。

また、集磁部２１に柔軟に変形できるコバルトアモルファスのリボンを用いたことにより、搭載機器のケース形状に合わせることが可能となり、搭載方法の制約が減少し、小型の電子機器にも搭載可能となる。また、コバルトアモルファスは、１００ｋＨｚ以下においては周波数選択度Ｑを持たずフラットな周波数特性を有するため、金属近傍でのＱの変化等の影響を考慮する必要がなく、金属ケースを使用した電子機器等に搭載することが可能になる。

また、信号処理のフィルタとしてデジタルフィルタ部３を用いたことにより、フィルタリングに伴う信号の損失がなくなる。また、整流部３３において整流の際のＶ_Ｆを０とできる。また、デジタルフィルタ部３は、温度特性がなく、経年変化も生じないため、安定した動作が保証することができる。また、デジタルフィルタ部３は、ソフト上で周波数選択度Ｑを制御するため、精度の良いフィルタリングを実現可能にし、チューニングも可能となる。このため、後段の信号処理部４において、温度特性や経年変化の影響を受けていない精度の良い信号を用いて信号処理が行える。

なお、アンテナ部２は集磁部２１にフェライトを使用して構成しても良い。図４に示すように、フェライトは１ＭＨｚ以下において周波数選択度Ｑを持たずフラットな周波数特性を有するため、コバルトアモルファスに対しより広い範囲の周波数帯域で電波受信が可能となる。また、本実施の形態では特に４０ｋＨｚおよび６０ｋＨｚの電波受信について記載したが、フェライトを使用しデジタルフィルタのフィルタリングを調整することにより、所望の周波数の外部磁場を検出することが可能である。例えば、２５０ｋＨｚの電波を使用するＲＦ−ＩＤタグの受信機や、１２５ｋＨｚおよび３１５ｋＨｚの電波を使用する自動車等のキーレスエントリーシステムの受信機、また周波数１ＭＨｚの電波を受信するＡＭ受信機として使用可能である。

〔第２の実施の形態〕

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る腕時計型の電波修正時計を示し、図５（ａ）は、外部構成を示す平面図、図５（ｂ）は、内部構成を示す平面図である。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の符号を付している。

（腕時計の構成）
図５（ａ）に示すように、腕時計５は、時刻を分単位で示す長針５Ａと、時刻を時間単位で示す短針５Ｂと、時刻を刻印してある文字盤５Ｃと、各部品を収納する腕時計ケース６と、時刻を手動にて調整する調整部７とを有する。

図５（ｂ）は文字盤５Ｃを取り外した内部構成図であり、同図が示すように、腕時計５は内部に、パルス発生部１と、アンテナ部２と、増幅部３０と、Ａ／Ｄ変換部３１と、デジタルフィルタ部３とを含む電波受信装置１０と、信号処理部４と、長針５Ａと短針５Ｂを制御する針駆動部８とを含む時計機能部９を有する。アンテナ部２は、ＭＩ素子２０と、腕時計ケース６に合わせて変形されたコバルトアモルファスからなる集磁部２１とを有する。

図６（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に関する腕時計型の電波修正時計の概略構成図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）における時計機能部の詳細図である。

図６（ａ）に示すように、電波受信装置１０は、パルス電圧を発生するパルス発生部１と、ＭＩ素子２０と集磁部２１とを備え外部電波を磁界の変化として検出し電気的に応答するアンテナ部２と、アンテナ部２の出力を増幅する増幅部３０と、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３１と、Ａ／Ｄ変換部３１の出力から所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部３とを有する。電波受信装置１０の後段には、デジタルフィルタ部３の出力に基づいて腕時計５の長針５Ａと短針５Ｂを制御するための時計機能部９が設置される。

図６の（ｂ）に示すように、時計機能部９は、デジタルフィルタ部３から出力される標準電波に応じたデジタル信号を時刻情報に応じた出力信号に変換処理する信号処理部４と、信号処理部４の出力信号に基づいて長針５Ａ、短針５Ｂを駆動する針駆動部８とを有する。

（腕時計の動作）
以下に、本発明の第２の実施の形態における腕時計型の電波修正時計の動作を図５から図６を参照しつつ説明する。

アンテナ部２１において、ＭＩ素子２０の両端に設けられた集磁部２１は、集磁部２１の外側の一端から外側の他端にかけてＭＩ素子２０を貫くように磁束を集磁する。ＭＩ素子２０は長手方向にて集磁された磁束に反応し、インピーダンスが変化する。アンテナ部２１は、電波時計用の標準電波である４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの電磁波に関しても同様に反応し、インピーダンスが変化する。

集磁部２１は、コバルトアモルファスを使用しているため、１００ｋＨｚ以上の周波数の電波に対し著しく透磁率が低下する。その結果、ＭＩ素子２０を貫く磁束密度が減少し、見かけ上アンテナ部２は１００ｋＨｚ以上の電波に対し不感となる。

パルス発生部１の出力は、上記のアンテナ部２１のインピーダンス変化に基づき変化し、デジタルフィルタ部３へと入力される。デジタルフィルタ部３は、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの周波数のキャリアを分別し、１ＨｚのＡＭ変調信号を復調して取り出し、時計機能部９へと出力する。時計機能部９の信号処理部４は、デジタルフィルタ部３からの入力を針駆動部８に対応した信号へと変換し出力する。針駆動部８は、信号処理部４の出力に従い、長針５Ａと短針５Ｂを文字盤５Ｃ上の正確な時刻位置へと駆動し、時刻表示を修正する。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、集磁部２１に用いたコバルトアモルファスの特性により１００ｋＨｚ以上の周波数を持つ電波に対し不感となり、信号の減衰のないローパスフィルタとして使用できるため、デジタルフィルタ部３において高周波電波に対するアンチエイリアシングを行う必要がなくなり、デジタルフィルタ部３の簡略化、また消費電力の減少が望め、優れた構成であると言える。また、１００ｋＨｚ以上をカットするフィルタリングは、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの周波数を使用している日本標準時の標準電波に適したフィルタリングであるとも言える。

また、集磁部２１を持たない代わりにアンテナ部２の後段にローパスフィルタを用いた場合と異なり、パルス発生部１からアンテナ部２へ入力する信号にパルス矩形波を使用することが可能になり、パルス矩形波を使用した信号処理の結果、電波受信装置１０を高感度に構成することが可能になる。また、高周波発生装置を用いずに構成したことにより、大がかりな部品を使用することなく電波受信装置１０を構成することができるため、腕時計５の設計の制約が減少する。

また、コバルトアモルファスの集磁効果により、ＭＩ素子２０と集磁部２１の間隔が３０μｍ、厚み方向の軸ずれが０ｍｍの場合、集磁部２１を設置しない場合に比べて、アンテナ部２全体としての感度が約２倍に向上するため、より広範囲において腕時計５は時間情報を受信することができる。

また、集磁部２１に柔軟に変形できるコバルトアモルファスのリボンを用いたことにより、腕時計ケース６に形状を合わせて設置することが可能となるため、腕時計５の設計の制約が減少する。また、コバルトアモルファスは、１００ｋＨｚ以下においては周波数選択度Ｑを持たずフラットな周波数特性を有するため、金属近傍でのＱの変化等の影響を考慮する必要がなく、腕時計ケース６として金属ケース等を使用することが可能になり、材料選択に制限がなくなる。また、電波受信装置１０を設置した後に周波数選択度Ｑの微調整の必要がないため、製造時に工程を簡略化することができ生産性が向上する。

なお、本実施の形態では特に４０ｋＨｚおよび６０ｋＨｚの電波受信について記載したが、デジタルフィルタのフィルタリングを調整することによりＤＣ磁場および低周波の磁場を検出することも可能である。例えば、定磁場を検出する方位計等の機器や、地中の金属探知機等、また人体の間接の動きや心臓の鼓動等の数Ｈｚの動きに基づいた電波および磁場を検出する測定器にも応用が可能である。以上の応用についても同等のスケールにて装置が構成可能であり、腕時計等の小型の電子機器に搭載することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に関する電波受信装置の概略構成図である。（ｂ）は、図１（ａ）におけるデジタルフィルタ部の詳細図である。 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ部の構成を示す平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ部の詳細を示す平面図である。（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る集磁部の材質による特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る腕時計型の電波修正時計を示し、（ａ）は、外部構成を示す平面図、（ｂ）は、内部構成を示す平面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に関する腕時計型の電波修正時計の概略構成図である。（ｂ）は、図６（ａ）における時計機能部の詳細図である。

符号の説明

１…パルス発生部、２…アンテナ部、３…デジタルフィルタ部、４…信号処理部、５Ａ…長針、５Ｂ…短針、５Ｃ…文字盤、５…腕時計、６…腕時計ケース、７…調整部、８…針駆動部、９…時計機能部、１０…電波受信装置、２０…ＭＩ素子、２１…アンテナ部、２１…集磁部、２２…Ｓｉ基板、２３…封止樹脂、３０…増幅部、３１…Ａ／Ｄ変換部、３２…バンドパスフィルタ、３３…整流部、３４…ローパスフィルタ、３５…波形整形部、２００…高透磁率磁性膜、２０１…電極、２０２…パッシベーション膜

Claims (4)

1. 電波による外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子からなる磁気検出部と、前記ＭＩ素子が前記外部磁界に反応する方向に沿って、前記ＭＩ素子の両端に近接して対称構造にて設置され、高透磁率材料からなる集磁部とを有するアンテナ部と、
   前記外部磁界に基づいて生じる前記アンテナ部の電気的応答をデジタル処理し、所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部とを含むことを特徴とする電波受信装置。
2. 電波による外部磁界を検出するＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子からなる磁気検出部と、前記ＭＩ素子が前記外部磁界に反応する方向に沿って、前記ＭＩ素子の両端に近接して対称構造にて設置され、前記外部磁界について一定以下の周波数成分を集磁する性質を有する高透磁率材料からなる集磁部とを有するアンテナ部と、
   前記外部磁界に基づいて生じる前記アンテナ部の電気的応答から所望の帯域の周波数成分を取り出すデジタルバンドパスフィルタと、ＡＣ信号をＤＣ信号へと変換する整流部と、所望の周波数以上の信号をカットするデジタルローパスフィルタと、信号の波形を整形する波形整形部とを含み、所望の周波数成分を取り出すデジタルフィルタ部とを含むことを特徴とする電波受信装置。
3. 前記高透磁率材料は、前記外部磁界について１００ｋＨｚ以下の周波数成分を集磁する性質を有するコバルトアモルファスからなることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の電波受信装置。
4. 前記高透磁率材料は、前記外部磁界について１ＭＨｚ以下の周波数成分を集磁する性質を有するフェライトからなることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の電波受信装置。

Images