JP2008061208A

JP2008061208A - ワイヤレス通信装置及び方法並びにワイヤレス給受電装置及び方法

Info

Publication number: JP2008061208A
Application number: JP2006239105A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takatsukasa; 健二高務
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】電力源を持たない応答器に対し供給できる電力量を増大可能とするワイヤレス通信装置及び方法を提供する。
【解決手段】質問器１０は、従前と同じく13.56MHz帯の搬送波の信号によって応答器２０に電力と情報を供給する無線通信／電力供給回路１１と、13.56MHz帯外の周波数の信号によって電力を供給する電力供給補助回路１３と、結合手段１２とを有している。一方、応答器２０は、従前と同じく13.56MHz帯の搬送波の信号を受けてここから情報を取り出すとともに電力に変換する無線通信／電力受給回路２１と、13.56MHz帯外の周波数の信号を受けてこれを電力に変換する電力受給補助回路２３と、結合手段２２とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス（無線）での電力供給技術に関し、特に、微弱電波の法規制の範囲内において、電力源を持たない応答器に対し供給できる電力量を増大可能とするワイヤレス通信装置及び方法並びにワイヤレス給受電装置及び方法に関するものである。

近年、非接触ＩＣカードを利用したＩＣカードシステムが改札用などに盛んに利用されるようになってきた。非接触ＩＣカードとしては、電波の飛ぶ距離（データ伝送距離）によって、「密着型」、「近接型」、「近傍型」および「遠隔型」に形式的に分類されている。そして「密着型」は、伝送距離が2mm程度で搬送波として4.9MHzが使用されてISO 10536として標準化されている。また「近接型」は、伝送距離が10cm程度で搬送波として13.56MHzが使用されISO 14443として標準化されている。また「近傍型」は、伝送距離が70cm程度で、搬送波として13.56MHzを使用するものと125〜500kHzを使用するものとが混在しており、さらに「遠隔型」は、伝送距離が１m以上で搬送波として2.45GHzが使用されることになっている。

「近接型」の非接触カードは通信方式によってさらに「タイプＡ」、「タイプＢ」及び「タイプＣ」に分類される。「近接型」は、ISO 14443で標準化されているように搬送波として13.56MHzが使用されるものであり、「タイプＡ」は、Mifare(マイフェア)カードとしてヨーロッパ、アジアを中心に普及している。「タイプＢ」は、日本では住民基本台帳カードとして普及し、さらに「タイプＣ」は、“FeliCa(登録商標)”カードをベースに日本では交通系のカード、電子マネーとして普及している。

上述した「タイプＣ」の非接触ＩＣカードを利用したシステムでは、電池などの電力源を持たない（バッテリレス）ＩＣカード（応答器）はリーダ／ライタ（質問器）の発する搬送波を電力源として動作可能にされる（特許文献１参照）。

図１２は、従来のワイヤレス通信装置（ＩＣカードシステム）の構成を示す図である。図１２において質問器（リーダ／ライタ）１０は、無線通信／電力供給回路１１により搬送波13.56MHzを使用して電力を結合手段１２を介して供給するとともにデータについはASKなどの変調方式を用いて応答器（ＩＣカード）２０に送信する。応答器（ＩＣカード）２０はASKなどの変調方式で変調された搬送波13.56MHzを結合手段２２を介して無線通信／電力受給回路２１で受け、まず上記搬送波13.56MHzを電力に変換した後に上記搬送波13.56MHzを使って送信されてきたデータに対する応答データを結合手段２２を介して返送する。この場合、上記搬送波は微弱電波の法規制範囲の出力を超えて出力することは法令で禁止されているので電波出力をアップさせることはできない。
特開平１１−２３４１６４号公報

このように従来のＩＣカードを利用したワイヤレス通信装置(ＩＣカードシステム)は、搬送波13.56MHzの帯域でのみワイヤレスでの電力供給を行っているので、質問器から応答器へのワイヤレスでの電力供給が微少なものとならざるを得ないという課題があった。

上述のように電力供給が微少なものとなるため応答器が駆動できる必要最低限の質問器からの距離は10cmを超えることができず、この通信可能距離を延ばすには、より多くの電力を応答器に供給できるようにする手立てが採られていなかったという課題があった。

上記した課題を解決するために本発明は、電力源を持たない応答器に対し供給できる電力量を増大可能とするワイヤレス通信装置及び方法並びにワイヤレス給受電装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、電力供給側から電力受給側に対して許容されたデータ通信用帯域外から電力を供給することを基本原理とする。具体的には質問器から応答器に対するデータ通信用帯域13.56MHzの電力供給の際、それ以外の法規制内の広帯域の周波数を活用し、応答器に対してより多くの電力量を供給する。ここで、微弱電波の法規制は、322MHz以下が質問器から3mの距離で500（約54dB）μV/mの出力制限となっているので、これを活用するものである。

そしてこの原理を応用し、電力供給側からデータ通信を除外し電力受給側に微弱電波によるワイヤレス電力供給を行い、電力受給側は微弱電波による電力を受給する。

本発明によれば、応答器に対して送出できる最大電力を増大させることができ、質問器・応答器間の電力供給可能距離を引き延ばすことができる。これに伴って、質問器・応答器間の通信可能距離も長くなり、通信距離が短いという制約を緩和できる。また、質問器・応答器間の障害物への耐性を向上させることができる。

また本発明によれば、微弱電波によるワイヤレスの電力供給及び受給を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るワイヤレス通信装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において本発明のワイヤレス通信装置は、無線通信／電力供給回路１１に対して電力供給補助回路１３が付加された質問器１０と、無線通信／電力受給回路２１に対して電力受給補助回路２３が付加された応答器２０とで構成される。本発明の実施形態に係る質問器１０は、従前と同じく13.56MHz帯の搬送波の信号によって応答器２０に電力と情報を供給する無線通信／電力供給回路１１と、13.56MHz帯外の周波数の信号によって電力を供給する電力供給補助回路１３と、結合手段１２とを有している。一方、本発明の実施形態に係る応答器２０は、従前と同じく13.56MHz帯の搬送波の信号を受けてここから情報を取り出すとともに電力に変換する無線通信／電力受給回路２１と、13.56MHz帯外の周波数の信号を受けてこれを電力に変換する電力受給補助回路２３と、結合手段２２とを有している。

情報を受信する場合、応答器２０の無線通信／電力受給回路２１に設けられている共振回路（図示せず）は、情報が有る場合には搬送波13.56MHz帯に共振し、共振回路の電圧が高くなるためその電流が少なくなり、質問器１０から受信した情報は電圧波形から復調するため、13.56MHz帯外の周波数の信号からの影響を受けずに情報を受信することができる。したがって、応答器２０に電力受給補助回路２３が付加されても応答器２０の無線通信／電力受給回路２１に変更を加える必要がない。

また、質問器１０と応答器２０との間の通信において、従前の通信方式を変えることなく併用が可能であり、電力供給補助回路１３は従前の質問器１０に後付けする形で実現できる。ここで、13.56MHz帯外の周波数の信号電力が共振回路（図示せず）によって遮断される訳ではなく、信号電力として応答器２０の回路に与えられているので、それだけ電力量を増大させることができる。一方、応答器２０側では、13.56MHz帯外の周波数の信号から回路に流れる電流をバンドパスフィルタ（図２（ｂ）参照）で濾波することで各周波数を分離し、それぞれを整流化（図２（ｂ）参照）することで電力を受給する。

ここでは、無変調の２つの周波数の信号で応答器を給電する例について説明する。図２〜図４に示すように本発明の第１の実施例は、質問器１０側では、従前のとおり13.56MHzの搬送波を90%-ASK（Amplitude Shift Keying）変調した出力に、40.68（13.56×3）MHz（図２（ａ）の第１の周波数131）、54.24（13.56×4）MHz（図２（ａ）の第２の周波数132）の周波数の信号を電力源として電力供給補助回路１３に加える。質問器１０の電力供給補助回路１３に付加された40.68（13.56×3）MHz、54.24（13.56×4）MHzの周波数の信号を、応答器２０側では、電力受給補助回路２３のバンドパスフィルタ（BPF）（図２（ｂ）の第１のBPF231及び第２のBPF232）で濾波しこれを図２（ｂ）の電力受給補助回路２３の整流手段241,242で整流して電力として受給する。

図３は、図２に示した電力供給補助回路１３の出力波形を示す図であり、部分的に波形を拡大して示している。
図４は、図３に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図であり、13.56MHzにおけるスペクトル分布Ａを拡大してその右部に示し、40.68（13.56×3）MHzのスペクトル及び54.24（13.56×4）MHzのスペクトルは微弱電波の法規制である500（約54dB）μV/mの出力制限内にあることを示している。

このように本発明の第１の実施例では、利用可能な周波数帯域を複数周波数の搬送波で埋めることができ、給電量を大きくすることができる。よって、応答器が受給できる電力が増大するため、質問器とバッテリレス応答器との通信可能距離を長くすることができる。

ここでは、13.56MHzのクロック周期の擬似乱数系列（PN符号）でPSK（Phase Shift Keying）した1つの周波数（54.24（13.56×4）MHz）の信号で給電する例について説明する。図５〜図７に示すように本発明の第２の実施例は、質問器１０側では、従前のとおり13.56MHzの搬送波を90%-ASK変調した出力に、54.24（13.56×4）MHzの周波数（図５（ａ）の第１の周波数131）を擬似乱数系列でPSK変調した信号も電力源として電力供給補助回路１３に加える。質問器１０の電力供給補助回路１３に付加されたPSK変調された54.24（13.56×4）MHzの周波数の信号を、応答器２０側では、電力受給補助回路２３のバンドパスフィルタ（BPF）（図５（ｂ）の第１のBPF231）で濾波しこれを図５（ｂ）の電力受給補助回路２３の整流手段241で整流して電力として受給する。

図６は、図５に示した電力供給補助回路１３の出力波形を示す図であり、部分的に波形を拡大して示している。
図７は、図６に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図であり、13.56MHzにおけるスペクトルを除いて、54.24（13.56×4）MHzのスペクトルは微弱電波の法規制である500（約54dB）μV/mの出力制限内にあることを示している。

このように本発明の第２の実施例では、搬送波を拡散して電力密度を規定内に収めることで、1つの搬送波だけで実現できる。つまり、質問器と応答器共に搬送波の発生回路と周波数フィルタを小規模に抑えることができる。

なお、搬送波の周波数を13.56MHzの整数倍とし、擬似乱数系列（PN符号）の拡散クロック周期を13.56MHzにしたのは、従前のワイヤレス通信方式で使用している13.56MHzへの干渉を極力低減すべく、給電用の周波数成分が0になる周波数（ノッチ）を13.56MHzに重ねるためである。よって、拡散クロック周期をノッチ周波数NHzとし、搬送波を13.56MHz+NHzとしても良い。

ここでは、13.56MHzのクロック周期の擬似乱数系列（PN符号）でPSK（Phase Shift Keying）した２つの周波数の信号で給電する例について説明する。図８〜図１０に示すように本発明の第３の実施例は、質問器１０側では、従前のとおり13.56MHzの搬送波を90%-ASK変調した出力に、40.68（13.56×3）MHz（図８（ａ）の第１の周波数131）、54.24（13.56×4）MHz（図８（ａ）の第２の周波数132）の周波数を擬似乱数系列でPSK変調した信号も電力源として電力供給補助回路１３に加える。質問器１０の電力供給補助回路１３に付加されたPSK変調された40.68（13.56×3）MHz、54.24（13.56×4）MHzの周波数の信号を、応答器２０側では、電力受給補助回路２３のバンドパスフィルタ（BPF）（図８（ｂ）の第１のBPF231及び第２のBPF232）で濾波しこれを図８（ｂ）の電力受給補助回路２３の整流手段241,242で整流して電力として受給する。

図９は、図８に示した電力供給補助回路１３の出力波形を示す図であり、部分的に波形を拡大して示している。
図１０は、図９に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図であり、13.56MHzにおけるスペクトルを除いて、40.68（13.56×3）MHzのスペクトル及び54.24（13.56×4）MHzのスペクトルは微弱電波の法規制である500（約54dB）μV/mの出力制限内にあることを示している。

このように本発明の第３の実施例では、上述した第１の実施例よりも搬送波の数が少なく、第２の実施例よりも規定帯域内のスペクトルをくまなく敷き詰めることができる。なお、第３の実施例の説明では、２つの周波数の信号を例に説明したが、２つの周波数に限定されるものではない。

以上の説明をさらに補足すれば、上記第２の実施例及び第３の実施例のように13.56MHzのクロック周波数で拡散変調（PSK変調）するなら、13.56MHz帯外での周波数の出力は13.56MHzの搬送波の約5%の電圧でスペクトルマスクに収まる。そして質問器から13.56MHz帯外の周波数を20種送れば、13.56MHz帯の搬送波で供給する分と合わせて応答器に対して２倍の電力を供給でき、電力供給可能距離を最大で約1.4倍（≒√２倍）とすることができる。また上記では、専らPSK変調を例に説明したが、これのみに限定されず他の角度変調を用いることができる。

ここでは、上記第１〜第３実施例で説明した情報を伝送するための電力給受電の応用として情報の伝送を伴わないワイヤレス給受電の例について説明する。図１１に示すように本発明の第４の実施例は、内部にアンテナ（図示せず）が張り巡らされた卓上マット100に上記各実施例の質問器１０の電力供給補助機能を持たせる。そして、卓上マット100上に置かれたキーボード200およびマウス300に上記各実施例の応答器２０の電力受給補助機能を持たせる。つまり、コンセント110を経由してＡＣ電源が供給される卓上マット100内には上述した第１〜第３実施例に示したような電力供給補助機能を備えるとともに卓上マット100内に張り巡らされたアンテナ（図示せず）から上述した第１〜第３実施例に示したように所定の周波数帯の１つ又は複数の搬送波信号を放射してワイヤレス給電を行い、キーボード200やマウス300は電力受給補助回路（図示せず）によってワイヤレスで電力を受給する。電力の供給に利用する周波数帯および給電方法としては上述した第２及び第３実施例に示したように法的に許された広帯域のスペクトルマスクで電力供給及び受給を行う。

このように本発明の第４の実施例では、キーボードやマウスには従来のような赤外線通信を行うためのバッテリを持たせなくて済むので製品を軽量化することができる。なお、本発明の第４の実施例は、パソコン（ＰＣ）（図示せず）のワイヤレス化を図るうえで卓上マット100からキーボード200やマウス300に対してワイヤレスの電力供給を行い、キーボード200やマウス300はワイヤレスで供給された電力を使ってパソコン（ＰＣ）本体（図示せず）との赤外線通信を行う。キーボードやマウスがパソコン（ＰＣ）本体（図示せず）と赤外線通信を行う手段は従前と変わりはない。

なお、第４の実施例では情報の伝送を伴わないワイヤレス給受電の例を説明したが、この実施例に限定されるものではない。情報伝送を伴うワイヤレス給受電であっても良い。

本発明の実施の形態に係るワイヤレス通信装置の構成を示す回路ブロック図である。図１に示した電力供給補助回路および電力受給補助回路の第１の構成を示す図である。図２に示した電力供給補助回路の出力波形を示す図である。図３に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図である。図１に示した電力供給補助回路および電力受給補助回路の第２の構成を示す図である。図５に示した電力供給補助回路の出力波形を示す図である。図６に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図である。図１に示した電力供給補助回路および電力受給補助回路の第３の構成を示す図である。図８に示した電力供給補助回路の出力波形を示す図である。図９に示した電力供給補助回路のスペクトル分布を示す図である。本発明の実施の形態に係るワイヤレス給受電装置の構成を示す図である。従来のワイヤレス通信装置の構成を示す回路ブロック図である。

符号の説明

１０質問器
１１無線通信／電力供給回路
１２結合手段
１３電力供給補助回路
２０応答器
２１無線通信／電力受給回路
２２結合手段
２３電力受給補助回路
131〜13n 通信帯域外信号発生手段
141 拡散変調手段
231〜23n バンドパスフィルタ
241〜24n 整流手段

Claims

質問器から応答器に対して電力供給するワイヤレス通信装置において、
前記質問器は、
データ通信を目的とするワイヤレス通信手段と、
電力供給を目的としてデータ通信の帯域外の信号を送出するワイヤレス給電手段を備え、
前記応答器は、
データ通信を目的とするワイヤレス通信手段と、
前記質問器が電力供給を目的としてデータ通信の帯域外から送出した信号を受信して電力を取り出すためのワイヤレス受給手段を備える、
ことを特徴とするワイヤレス通信装置。
請求項１記載のワイヤレス通信装置に用いられる質問器であって、
前記質問器は、前記電力伝送を目的とする信号として、1つまたは複数の周波数帯で無変調の信号を送出する手段を備えていることを特徴とする質問器。
請求項１記載のワイヤレス通信装置に用いられる質問器であって、
前記質問器は、前記電力伝送を目的とする信号として、１つまたは複数の周波数帯における位相変調信号を拡散して送出する手段を備えていることを特徴とする質問器。
請求項１記載のワイヤレス通信装置に用いられる応答器であって、
前記請求項２または３に記載の質問器から送出されている各周波数の帯域毎のバンドパスフィルタを備え、各帯域から電力受給することを特徴とする応答器。
質問器から応答器に対して電力供給するワイヤレス通信方法であって、
前記質問器は、データ通信を目的とするワイヤレス通信工程と、電力供給を目的としてデータ通信の帯域外の信号を送出するワイヤレス給電工程を含み、
前記応答器は、データ通信を目的とするワイヤレス通信工程と、前記電力供給を目的としてデータ通信の帯域外から送出した信号を受信して電力を取り出すためのワイヤレス受給工程を含む、
ことを特徴とするワイヤレス通信方法。
所定の周波数帯の搬送波信号を微弱電波で放射して広帯域のスペクトルマスクで電力供給を行うワイヤレス給電手段と、所定の周波数帯の搬送波信号を微弱電波で受信して広帯域のスペクトルマスクで電力を受給するワイヤレス受給手段と、を備えて構成されるワイヤレス給受電装置。
ワイヤレス給電手段は、１つまたは複数の周波数帯における位相変調信号を拡散して送出する手段を備えることを特徴とする請求項６記載のワイヤレス給受電装置。
所定の周波数帯の搬送波信号を微弱電波に放射して広帯域のスペクトルマスクで電力供給を行う工程と、所定の周波数帯の搬送波信号を微弱電波で受信して広帯域のスペクトルマスクで電力を受給する工程を含んで成るワイヤレス給受電方法。