JP3867854B2 - 電磁誘導結合装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルを介する電磁誘導結合により外部装置から給電される電力エネルギから安定した内部電源を生成することができ、更には上記コイルを介して外部装置との間で安定に情報通信することのできる電磁誘導結合装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、直径１ｍｍ程度の球状の半導体チップ（ボール）の表面にトランジスタやセンサ等の機能素子や、所定の処理機能を果たす半導体集積回路を形成した球状半導体が提唱されている。この種の球状半導体には、例えば図４に示すように球状の半導体チップ１の表面にアンテナ素子として機能するコイル（ループアンテナ）２を設けたものがある。この球状半導体は、コイル２を介する電磁誘導結合を利用して外部装置から電力供給を受けて作動し、また上記コイルを介して外部装置との間での情報信号を送受するように構成される。
【０００３】
ちなみに半導体チップ１上に形成される集積回路は、例えば図５に示すようにコイル２を介して外部から給電される電力（電磁エネルギ）を受けて所定の内部電源を生成する電源部３、外部装置からの情報信号をコイル２を介して受信する受信部４、また外部装置に対して上記コイル２を介して情報信号を送信する送信部５を備える。更に集積回路は、演算制御部等からなる装置本体６を備えると共に感温素子等のセンサ部７やメモリ８等を備え、装置本体６の動作により所定の機能を果たすように構成される。
【０００４】
尚、コイル２を介する情報信号の送受信は、電力を伝送する電磁誘導磁場をキャリアとして情報信号を変調する等して行われる。
【０００５】
ところで電源部３は、例えば図６に示すようにコイル２を介して給電された電力エネルギを全波整流する整流回路３ａを備えて構成される。ちなみに上記整流回路３ａは一般的には半導体チップ１上に形成されるＭＯＳトランジスタをブリッジ接続して構成される。またコイル２を介して給電される電力エネルギは、そのエネルギ供給元である外部装置との距離によって大きく変化し、概略的には距離の２乗に反比例する。この為、その最大距離Ｌmaxにおいて球状半導体に必要な電磁エネルギを給電し得るように構成された給電系において、球状半導体と外部装置との距離が１／２となったような場合、球状半導体が必要とする電力の４倍もの電力が給電されることになる。この結果、電源部３の内部インピーダンスが一定であるような場合、整流回路３ａを介して求められる電圧（全波整流出力）は４倍もの大きな電圧値を示すことになる。
そこで従来では、専ら、図６に示すように整流回路３ａの全波整流出力をツェナーダイオード３ｂを用いて一定電圧（ツェナー降伏電圧）に規定すると共に、その全波整流出力をコンデンサ３ｃを介して平滑化して安定した内部電源を生成するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらツェナーダイオード３ｂを用いて内部電圧を規定するといえども、外部装置との距離に応じてコイル２を介して給電される電力エネルギが大きく変化することが否めない。この為、整流回路３ａを構成するＭＯＳトランジスタとしては、その最大電力エネルギを見込んだ電力容量を持つものを用いることが必要となり、ＭＯＳトランジスタが大型化（大面積化）することが否めない。また上述した電源回路３においては、例えばコイル２に電磁誘導結合される所定周波数の電磁波をキャリアとして情報信号を変調して送受信する場合、その変調の度合いによってはツェナーダイオード３ｂによる電圧の規定によって、その変調成分が失われる虞もある等の不具合がある。
【０００７】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、その目的は、コイルを介する電磁誘導結合を利用して外部装置から給電される電力エネルギから、安定した内部電源を生成することのできる簡易な構成の電源回路を備えた電磁誘導結合装置を提供することにある。
【０００８】
また本発明の別の目的は、コイルを介する電磁誘導結合を利用して外部装置から給電される電力エネルギをキャリアとして情報信号を変調して該情報信号を送受信するに際して、上記電力エネルギの変化に拘わることなく、その内部電源を安定に生成しながら、確実な情報通信を実現することのできる電磁誘導結合装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係る電磁誘導結合装置は、電力エネルギを有する磁場に電磁誘導結合されるコイルと、このコイルを介して取り込まれる電力エネルギを全波整流する整流回路と、この整流回路による整流出力を平滑化して内部電源を生成する平滑回路とを備えてなり、特にゲート電極直下のチャネル領域を間にしてソース領域とドレイン領域とを対称に配置した素子構造を有し、前記コイルの両端にソースおよびドレインをそれぞれ接続したＭＯＳトランジスタを設け、前記平滑回路の出力電圧を前記ＭＯＳトランジスタのゲートに加えて該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御し、これによって前記コイルに生起される交流電力エネルギの一部を該ＭＯＳトランジスタを介してバイパスすることで前記整流回路に加わる電圧（交流電圧）を制限し、以て該整流回路を介して得られる整流出力電圧（直流電圧）を一定化する定電圧制御回路を設けたことを第１の特徴としている。
【００１０】
即ち、本発明に係る電磁誘導結合装置は、電磁誘導結合により電力エネルギを取り込むコイルに対して並列にＭＯＳトランジスタを設けて該ＭＯＳトランジスタにより前記電力エネルギの一部をバイパスし、これによって整流回路に加える電力エネルギ、ひいてはその交流電圧を制限することで一定の直流電圧（内部電源）を得る。特に前記整流回路による全波整流出力を平滑化して求められる内部電源（直流電圧）に応じて上記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御すれば、このゲート電圧に対してＭＯＳトランジスタが前記コイルから得られる電力エネルギ（交流）の極性に応じて、そのソースおよびドレインとしての機能を入れ換えながら交流的に電力エネルギの一部をバイパスする。この結果、前記整流回路に加わる電力エネルギ（交流）自体を制限することができ、従って整流回路を構成する整流素子（ＭＯＳトランジスタ）の電力容量を、その内部回路が必要とする電力容量に合わせて小さく抑え、整流素子（ＭＯＳトランジスタ）の小型化を図ることが可能となる。
【００１１】
更に本発明に係る電磁誘導結合装置は、上述した構成に加えて前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギの変調成分を検出して、該変調成分により示される情報信号を受信するデータ受信部と、ダイオードを介して前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続されて前記定電圧制御回路とは並列に動作し、送信情報に応じて前記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して前記コイルの前記磁場に対する電磁誘導結合の度合いを変化させて該送信情報を送信するデータ送信部とを備えることを第２の特徴としている。
【００１２】
このようなデータ受信部およびデータ送信部を更に備えて構成される電磁誘導結合装置においては、整流回路による全波整流出力から平滑回路を介してその高周波成分を除去した内部電圧に応じて生成したゲート電圧にて前記ＭＯＳトランジスタを駆動しているので、前記コイルを介して得られる電力エネルギに含まれる変調成分を損なうことなしに前記整流回路に加わる電力エネルギを抑えることができる。従って整流回路から求められる全波整流出力を平滑化して所定の内部電圧を得るに際しても、前述したようにＭＯＳトランジスタを用いて整流回路に加える電力エネルギを制限するだけなので、前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギをキャリアとして情報信号を変調してなる変調成分を確実に検出することが可能となる。
【００１３】
好ましくは前記整流回路は、整流素子としての４個のＭＯＳトランジスタをブリッジ接続して構成されるものであって、前記コイルに並列接続される可変インピーダンス素子としてのＭＯＳトランジスタと共に所定の半導体上に同時集積される。また前記所定の半導体は、その表面に前記コイルを設けた球状半導体として実現される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電磁誘導結合装置について説明する。この電磁誘導結合装置は、例えば外部装置から電磁波を用いて電力エネルギが供給されて作動する球状半導体として実現されるもので、概略的には図１に示すような電源部を備えて構成される。
【００１５】
この図１に示す電源部は、外部装置１０が形成する磁場中に位置付けられて該磁場に電磁誘導結合し、該磁場が有する電力エネルギを取り込むコイル１１を備える。このコイル１１は、電磁誘導結合装置が球状半導体からなる場合、例えば球状の半導体基板の表面に巻装されてアンテナ素子として機能する１ターンないし数ターンの環状コイルからなる。
【００１６】
このコイル１１の両端子間には、前記磁場から該コイル１１を介して得られる電力エネルギ（交流）を全波整流する整流回路１２が設けられ、この整流回路１２による全波整流出力はコンデンサ等からなる平滑回路１３を介して平滑化されて所定の内部電源（直流）として図示しない内部回路に給電されるようになっている。尚、上記整流回路１２は、図６を参照して前述したようにＭＯＳトランジスタをブリッジ接続して構成される。
【００１７】
さてこの電源部が特徴とするところは、前記整流回路１２の前段側に、前記コイル１１の両端にソースとドレインとをそれぞれ接続して該コイル１１に並列接続したＭＯＳトランジスタ１４を設けた点にある。そしてこのＭＯＳトランジスタ１４を駆動するべく、前記平滑回路１３により平滑化された内部電圧を受けて該内部電圧に応じた制御電圧（直流電圧）を生成する定電圧制御回路１５を設け、この定電圧制御回路１５が生成した制御電圧を前記ＭＯＳトランジスタ１４のゲートに加えるようにしたことを特徴としている。
【００１８】
即ち、この電源部は、整流回路１２の交流入力側に並列に設けたＭＯＳトランジスタ１４のゲートに、上記整流回路１２による全波整流出力を平滑化して生成された内部電源に応じたゲート電圧を印加してＭＯＳトランジスタ１４を駆動する。そしてコイル１１を介して得られる電力エネルギ（交流）の一部をＭＯＳトランジスタ１４によりバイパスし、これによって整流回路１２に加える電力エネルギを制限することで該整流回路１２を介して生成される内部電源（直流電圧）の安定化を図ることを特徴としている。
【００１９】
ここで上述した如く構成された電源部について考察すれば、半導体基板上に集積される整流回路１２、平滑回路路１３、および定電圧制御回路１５は、通常、その半導体基板の電位を基準電位として構成される。これに対してコイル１１自体は、その両端は半導体基板の電位（基準電圧）に対して共にフローティング状態にある。しかしコイル１１は整流回路１２に接続されることで、該コイル１１に生起される電力エネルギ（交流）の極性に応じて、その電圧が低い側の端子が半導体基板の電位（基準電圧）に接続されることになる。
【００２０】
一方、このようなコイル１１に対して並列に接続されたＭＯＳトランジスタ１４は、基本的にはそのソース領域とドレイン領域とを、絶縁層を介してゲート電極下に形成されるチャネル領域を介して対称に配置した素子構造を有し、両領域に加えられた電位の大小に応じて一方がソース領域として、他方がドレイン領域として機能する。例えば上記ＭＯＳトランジスタ１４がｎチャネル型のものである場合（ｎ-ＭＯＳトランジスタ）、該ｎ-ＭＯＳトランジスタ１４に対して、そのゲートに前記定電圧制御回路１５にて生成された直流電圧（ゲート電圧）を印加すると、該ｎ-ＭＯＳトランジスタ１４はコイル１１に生起された電圧の極性に応じて、該コイル１１の電位が低い側の端子（半導体基板に接続された側の端子）に接続された領域がソースとして機能する。そしてｎ-ＭＯＳトランジスタ１４は、半導体基板の電位（基準電位）とそのゲート・ソース間に加えられるゲート電圧（直流電圧）に応じて動作して所定の抵抗として働き、コイル１１に生起される交流の電力エネルギ（交流電力）の一部をバイパスする。
【００２１】
この結果、整流回路１２に加えられる電力エネルギがＭＯＳトランジスタ１４の働きにより抑えられ、ひいては該整流回路１２に加えられる交流電圧が抑えられる。そして整流回路１２から得られる全波整流出力の電圧レベルが抑えられ、その平滑化出力（内部電源電圧）が一定の電圧レベルに安定化される。
【００２２】
尚、ＭＯＳトランジスタ１４がｐチャネル型のものである場合には（ｐ-ＭＯＳトランジスタ）、逆にコイル１１の電位が高い側の端子）に接続された領域がソースとして機能し、上述したｎ-ＭＯＳトランジスタと逆に作用する。従ってＭＯＳトランジスタ１４がｎチャネル型のものであるか、或いはｐチャネル型のものであるかに拘わらず、その動作極性を逆とするだけで整流回路１２に対して原理的には全く同様に機能する。
【００２３】
またこのようにしてＭＯＳトランジスタ１４を用いて整流回路１２に加える電力エネルギを制限するように構成された電源部によれば、その内部回路が必要とする電力エネルギに比較してコイル１１を介して得られる電力エネルギが多くなっても、その電力エネルギの余剰分をＭＯＳトランジスタ１４を介してバイパスすることができる。従って整流回路１２を構成する整流素子としてのＭＯＳトランジスタとして、その内部回路が必要とする電力エネルギに対応した電力容量を有するものを用いれば十分であり、ＭＯＳトランジスタの小型化（小面積化）を図ることが可能である。そしてＭＯＳトランジスタ１４についてだけ、コイル１１を介して得られる電力エネルギの余剰分をバイパス可能な電力容量の大きいものを用いればよい。
【００２４】
即ち、整流回路１２を構成するＭＯＳトランジスタとしては、その内部回路が要求する電力容量に応じた素子面積の小さい小型のものを用いれば良く、一方、ＭＯＳトランジスタ１４については、コイル１１を介して給電される余剰電力を見込んだ大型の大電力容量のものとするだけで良い。従ってＭＯＳトランジスタ１４についてだけ素子面積の大きい大電力容量のものを準備すればよいので、電源部全体の素子形成規模（素子形成に必要な面積）を小さくして、その小型化を図ることが可能となる。
【００２５】
ところで上述した構成の電源部は、コイル１１を介して電力エネルギを供給する所定周波数の電磁波をキャリアとして情報信号を変調して情報通信するように構成した電磁誘導結合装置においても有用である。尚、外部装置から球状半導体向けて電力エネルギを伝送すると共に、情報信号を重畳させて情報通信するキャリア信号としては、数百ｋＨz〜数百ＭＨzの周波数のものが用いられる。ちなみに上記情報信号は、例えば球状半導体を作動させるための指令信号や誤り検出符号からなる。また球状半導体から外部装置に向けて送信する情報信号は、前記指令信号に対する応答信号や球状半導体が有する前述したセンサ部７によって求められた測定データや誤り検出符号等からなる。そしてこのような情報信号を前記キャリア信号に重畳させる為の変調方式としては、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）やＦＳＫ（Frequency Shift Keying）等の方式が適宜用いられる。
【００２６】
図２は、上述した電源部に加えてデータ通信機能を備えた電磁誘導結合装置の概略構成を示すもので、その電源部については図１に示すものと同一符号を付して示してある。しかしてコイル１１を介して求められる電力エネルギのキャリアに重畳された情報信号を抽出するデータ受信部は、前記コイル１１の一端に接続された検波回路２１からなる。そしてその検波出力を増幅回路２２を介して所定のレベルに増幅して復調データ（受信データ）を得るように構成される。またクロック生成部２３は、前記コイル１１の一端に接続されて該コイル１１から求められるキャリア成分を抽出し、このキャリア成分の周波数から所定周波数のクロック信号を生成する如く構成される。
【００２７】
これに対してデータ送信部は、前記ＭＯＳトランジスタ１４のゲート電圧を制御して前記コイル１１の前記磁場に対する電磁誘導結合の度合い（コイル１１のＱ）を変化させて該送信情報を送信するロードスイッチ回路２４として実現される。このロードスイッチ回路２４は、ダイオード２５を介して前記ＭＯＳトランジスタ１４のゲート電圧を制御することで、前述した定電圧制御回路１５と並列に機能するように設けられる。
【００２８】
このようなデータ受信部（検波回路２１）とデータ送信部（ロードスイッチ回路２４）とを備えた電磁誘導結合装置によれば、コイル１１を介して得られる電力エネルギから一定の内部電源を生成して作動する場合であっても、電力エネルギの大きさに拘わることなく、安定したデータ通信を実現することができる。
即ち、コイル１１を介して得られる電力エネルギが大きい場合、その交流信号は、内部電圧に対して図３(ａ)に示すように大きな振幅を示す。尚、ここでは情報信号によりそのキャリア信号を１０％の割合で振幅変調し、１００％の振幅で情報［１］を、９０％の振幅で情報［０］を表した例を示している。
【００２９】
このような１０％変調が施された電磁波（電力エネルギ）をコイル１１を介して受信して、例えば図６に示した従来の電源部を介してその内部電源を生成するようにすると、整流回路３ａはその電力エネルギ（交流電力）をそのまま全波整流し、ツェナーダイオード３ｂにてその整流出力電圧の上限値を規定することになるので、図３(ｂ)に示すようにその変調成分が失われてしまう。換言すれば内部電源の電圧を規定するツェナーダイオード３ｂによって、その整流出力電圧が規定されるので、図３(ｂ)にその整流等価波形を示すようにキャリア信号の変調成分が損なわれてしまう。
【００３０】
これに対して本発明に係る電磁誘導結合装置の電源部によれば、ＭＯＳトランジスタ１４によって整流回路１２に供給する電力エネルギ（交流電力）自体を制限するので、図３(ｃ)にその整流等価波形を示すようにキャリア信号の変調成分が損なわれることがない。即ち、平滑回路１３は、整流回路１２から得られる全波整流出力をそのまま平滑化しているに過ぎず、また定電圧制御回路１５は平滑化された内部電源電圧に従ってゲート電圧を生成してＭＯＳトランジスタ１４を駆動して電力エネルギ（交流電力）の一部をバイパスするに過ぎないので、整流回路１２の交流入力端子間には、その振幅がそのまま抑制された交流電力が加えられる。従ってデータ受信部である検波回路２１においては、例えば上記交流電力を全波整流することによって図３(ｄ)に示すように、その振幅レベルの変化（太線Ｆ）として示される変調成分を確実に検出することが可能となる。
【００３１】
同様にしてデータ送信部であるロードスイッチ回路２４を用いてＭＯＳトランジスタ１４をゲート制御しても、図６に示した従来回路のようにツェナーダイオード３ｂの影響を受けることがないので、コイル１１の電気的特性（Ｑ）を等価的に変化させて該コイル１１を介して受信される電力エネルギを担うキャリア信号を確実に変調することができる。そしてコイル１１を介して電磁結合している外部装置側のコイル（アンテナ）の電気特性を変化させて、その情報通信を確実に実行することが可能となる。
【００３２】
即ち、本発明に係る電磁誘導結合装置によれば、電力伝送に用いる電磁波をキャリアとして情報信号を変調してデータ通信する場合であっても、その変調成分により示される情報を損なうことなしに整流回路に加える交流電力を制限して、一定の内部電源電圧を安定に得ることができる。
【００３３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばコイル１１に並列に接続して電力（電圧）調整に用いるＭＯＳトランジスタ１４としては、ｐチャネル形のものであっても、ｎチャネル形のものであっても良い。またＭＯＳトランジスタ１４のゲートに加える電圧は、必要とする内部電源電圧に応じて定めればよいものである。またここでは電磁波からなる電力エネルギを変調して外部装置から球状半導体に対して情報信号を送信する例について説明したが、球状半導体においては、無変調の磁場環境において電力を受け取ったときに予め設定された所定の動作を実行するように構成することも可能である。従ってこの場合には、図２に示す検波回路２１等が不要となる。この際、球状半導体装置側から外部装置に対する情報信号の送信については、ＭＯＳトランジスタ１４の動作を制御して、上述した無変調の磁場環境を変調するようにすれば良い。
【００３４】
要するに本発明は、整流回路の交流入力端側にその交流電圧を規定するＭＯＳトランジスタを設けたことを特徴とするものであり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、コイルを介する電磁誘導結合により給電される電力エネルギを整流して所定の内部電源を生成するに際して、コイルに並列接続したＭＯＳトランジスタを用いて整流回路に加える交流電力自体を制限するので、簡易にして効果的に安定した内部電源を生成することができる。そして電源部をコンパクトに構築することができるので、球状半導体のようにその素子領域（面積）が限られているような場合に電源部を含む半導体機能素子を実現する上で好適である等の利点がある。しかも電力エネルギの伝送に用いる電磁波をキャリアとして情報信号を変調してデータ通信を実現する場合においても、そのデータ通信を阻害することなく、内部電源を安定に生成することができる等の優れた効果が奏せられる。
【００３６】
更にはコイルに並列接続したＭＯＳトランジスタにて、コイルを介して得られる電力エネルギの余剰分をバイパスするので、整流回路を構成する整流素子の電力容量を、その内部回路が必要とする電力容量に合わせて小さくし、小型化することができる等の効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る電磁誘導結合装置における電源部の概略構成図。
【図２】 本発明の別の実施形態に係る電磁誘導結合装置における電源部とデータ通信部の構成例を示す概略図。
【図３】 本発明に係る電磁誘導結合装置の作用を説明するための電圧波形図であって、(ａ)はコイルの出力電圧波形、(ｂ)はツェナーダイオードを用いて整流回路の出力電圧を規制したときの電圧波形、(ｃ)は本発明に係る電磁誘導結合装置において整流回路に加えられる電圧波形、(ｄ)は本発明に係る電磁誘導結合装置において整流回路から得られる電圧波形。
【図４】 球状半導体とその表面に設けられたコイルとの関係を示す図。
【図５】 球状半導体が備える集積回路の概略的な構成例を示す図。
【図６】 球状半導体に設けられる電源回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
１１ コイル
１２ 整流回路
１３ 平滑回路
１４ ＭＯＳトランジスタ
１５ 定電圧制御回路
２１ データ受信部
２４ データ送信部（ロードスイッチ回路）

Claims (3)

1. 電力エネルギを有する磁場に電磁誘導結合されるコイルと、
   このコイルを介して取り込まれる電力エネルギを全波整流する整流回路と、
   この整流回路からの整流出力を平滑化して所定の内部電源を生成する平滑回路と、
   絶縁層を介してゲート電極の直下に形成されるチャネル領域を間にしてソース領域とドレイン領域とを対称に配置した素子構造を有し、ソースおよびドレインを前記コイルの両端間に並列接続したＭＯＳトランジスタと、
   前記平滑回路の出力電圧を前記ＭＯＳトランジスタのゲートに加えて該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御し、前記コイルに生起される交流電力エネルギの一部を該ＭＯＳトランジスタを介してバイパスして前記整流回路に加わる電圧を制限する定電圧制御回路と、
   前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギの変調成分を検出して、該変調成分により示される情報信号を受信するデータ受信部と、
   ダイオードを介して前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続されて前記定電圧制御回路とは並列に動作し、送信情報に応じて前記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して前記コイルの前記磁場に対する電磁誘導結合の度合いを変化させて前記送信情報を前記コイルを介して送信するデータ送信部と
   を具備したことを特徴とする電磁誘導結合装置。
2. 前記整流回路は、整流素子としての４個のＭＯＳトランジスタをブリッジ接続して構成されるものであって、前記コイルに並列接続される可変インピーダンス素子としてのＭＯＳトランジスタと共に所定の半導体上に同時集積されるものである請求項１に記載の電磁誘導結合装置。
3. 前記所定の半導体は、その表面に前記コイルを設けた球状半導体からなる請求項２に記載の電磁誘導結合装置。

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