JP4498242B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は電子機器に係り、さらに詳しくは、人が携帯して、入退室管理、電子乗車券、決済用途等で使用する非接触ICカードや、又セキュリティや流通などセンサ・ネットワーク系の機器に対して、無駄な電力を削減することができ、システム全体のエネルギー利用効率を上げる技術に関する。

従来の電子機器は、図４に示されるように磁場または電波を受信し電力を供給するＲＦコイル４０１とＲＦコイル４０１の交流を直流に変換するダイオード４０６およびキャパシタ４０７とＲＦ送信回路４０４から構成される(特開平１１−０５５１６５)。

この電子機器を分類する点として、自らの中にエネルギーを持って自立的に動作するか否か、という点がある。例えばＲＦＩＤチップに代表されるバーコードの置き換えを狙った応用やＩＣカードを利用した鉄道の出改札システムのようなケースでは自身の中にバッテリを持たせず、通信と同時に電磁的に電力を与えて動作させている。この応用は自立的に動作することはないから使う場所が限定される。相手になるリーダー／ライターがいる場所でしか使えない。また、電力の伝送を伴うため、リーダーとの距離がそれほどとれない。非常に軽く、非常に数量の多い安価なアプリケーションで用いられていることが多い。一方、電池や外部電源を持って自立的に動作するシステムもある。いまのところセキュリティや流通などで使われている。これら自立的なシステムは、何かをセンシングして知らせる、いわゆるセンサ・ネットワーク系が多い。セキュリティ系の場合は人や火災をセンシングし、流通系の場合は運搬商品の温度などをセンシングする。センシングを伴わない場合としては、セキュリティ系では鍵の遠隔操作、流通系では価格表示、といった情報伝達系の応用もあり、センサ・ネットワーク系において非常に期待されているものである。
特開平１１−０５５１６５号公報

このような従来の電子機器において、空中に電磁波を飛ばしていくため送信にも受信にも、無線通信にはある程度の電力が必要である。無線の場合、送信された電力のごくわずかな部分だけしか受信側ＲＦコイル４０１に届かないため、図４では図示していないがＲＦ増幅器(アンプ)等を用いてそれを増幅すると余計な電力がかかってしまう。あるいはそれを一気に受信しようとするとＲＦコイル４０１のサイズを大きくする必要があり、この場合、電子機器の総実行面積が大きくなってしまうという課題を有していた。また、ＲＦコイル４０１の代わりに電池や外部電源を用いた場合、スタンバイ状態(回路が動作していない状態)でも電力が消費されているので、エネルギー利用効率が非常に悪いという課題を有していた。本発明はかかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、スタンバイ状態に消費される無駄な電力を削減することができ、システム全体のエネルギー利用効率をあげることを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、電磁波を受信し電力に変換するＲＦコイルと、ダイオードと第１のキャパシタとからなる整流回路を介して前記ＲＦコイルに接続された昇圧回路と、前記昇圧回路で昇圧された電力を蓄える第２のキャパシタを有するとともに、前記第２のキャパシタの充電、放電を制御する、前記昇圧回路に接続された充放電回路と、前記充放電回路に接続されたＲＦ送信回路とを備え前記昇圧回路にはキャパシタで動作するチャージポンプ方式の回路を採用するものである。

このため、スタンバイ状態に消費される無駄な電力を削減することができ、システム全体のエネルギー利用効率をあげることができる。

本発明の電子機器では、以下の効果を得ることができる。
（１）ＲＦ送信回路が動作していないときのスタンバイ時消費電力はゼロである。
（２）電子機器の中に昇圧回路を有しているため、低い発電電圧でも情報送信が可能である。つまり、コイルの大きさを小さく出来、またシステム側の送信パワーも小さくすることが可能になる。
（３）昇圧回路にはキャパシタのみをスイッチングすることで動作するチャージポンプ方式の回路を用いているため、ノイズ発生が少ない

以下、この発明に係る電子機器の実施の最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る電子機器は、電磁波を受信しＲＦコイルから電力が供給され、システムが動作する機器に関するものである。

図１は、本実施の形態に係る電子機器の概略構成を示している。電子機器は、電磁波を受信し電力に変換するＲＦコイル1と、ＲＦコイル１の交流を直流に変換するダイオード６およびキャパシタ７と、変換された直流電圧を昇圧する昇圧回路２と、昇圧回路２で昇圧された電力を蓄えるキャパシタ５と、キャパシタ５の電圧をモニタしてキャパシタ５の充電・放電を制御する充放電回路３と、ＲＦ送信回路４から構成されている。

ここで、ＲＦコイル1から一度に大きな電力を得る場合には、ＲＦコイルのサイズを大きくしなければならない。昇圧回路２には、コイルとキャパシタを使ったレギュレータやキャパシタのみをスイッチングするチャージポンプ方式の回路が用いられる。ＲＦコイル１の出力電圧が小さい場合、低い電圧で昇圧動作が行われる昇圧回路でなければならない。キャパシタ５にはキャパシタの他、電気二重層や二次電池が用いられる。充放電回路３は昇圧回路２から供給される電力をキャパシタ５に蓄える機能を有する。

本発明の電子機器における各ブロックの接続方法は、ＲＦコイル１の出力端子と昇圧回路２の入力端子を、整流回路を介して接続し、昇圧回路２の出力端子と充放電回路３の入力端子を接続する。充放電回路３の充放電端子とキャパシタ５の入力端子を接続し、キャパシタ５の接地端子を接地し、充放電回路３の出力端子とＲＦ送信回路４の電源入力端子を接続する。

以上のように接続された電子機器は以下のように動作する。

ＲＦコイル１によって電磁波が受信されることで電力を発電し、その電力を昇圧回路２で昇圧する。昇圧回路２はＲＦコイル１から供給される電力で起動が掛かり、昇圧動作を開始する。ＲＦコイル１から出力される電圧が非常に低い場合、昇圧回路２の動作手順は非常に重要である。まずＲＦコイル１から供給された電力で昇圧回路２内部の発振回路が動作を開始し、昇圧動作を開始する。このときの昇圧された電圧はあまり高くないが、この昇圧された電圧を昇圧回路２の内部回路に戻してあげることで、少しずつ昇圧回路２の出力電圧を上げていくことができる。これを繰り返すことで高い電圧を発生させることができる。昇圧された電力は充放電回路３を通してキャパシタ５に充電される。そして、キャパシタ５に蓄えられた電力は一気にＲＦ送信回路４に供給される。

本発明の昇圧回路２としてキャパシタのみをスイッチングするチャージポンプ方式の昇圧回路（以降ＣＰ昇圧回路と略省。）を採用している。これは、キャパシタのみをスイッチングするチャージポンプ方式の昇圧回路の場合、コイルとキャパシタを使ったレギュレータ方式の昇圧回路とは異なり、コイルによる磁場の発生が無い為、ノイズの発生を防ぐことができるためである。図２は図1の昇圧回路２としてＣＰ昇圧回路を採用した場合における本発明の実施の形態に係る電子機器の概略構成を示している。

図３は、図２に示す本発明の電子機器に関わるＣＰ昇圧回路１０１の概略回路図を示した図である。

以下では、上記ＣＰ昇圧回路１０１の構成を図３に基づき詳細な説明を行う。

図３に示す様に、ＣＰ昇圧回路１０１は、発振回路３２０とＳＯＩウェーハを用いた完全空乏タイプＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以降ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳと略称する）３０１〜３０６と昇圧用キャパシタ３０７〜３１１とで構成されており、各ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０１〜３０６は、それぞれがダイオード接続され、ＣＰ昇圧回路１０１の入力端子２２２と出力端子２２４との間に、入力端子２２２から出力端子２２４への方向が順方向となるように直接接続されている。ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０１とＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０２間のノードには、昇圧用キャパシタ３０７の片側電極、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０２とＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０３間のノードには、昇圧用キャパシタ３０８の片側電極、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０３とＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０４間のノードには、昇圧用キャパシタ３０９の片側電極、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０４とＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０５間のノードには、昇圧用キャパシタ３１０の片側電極、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０５とＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０６間のノードには、昇圧用キャパシタ３１１の片側電極がそれぞれ接続されている。昇圧キャパシタ３０７，３０９，３１１のもう片方の電極は、発振回路３２０から出力されるオンデューティ５０％のクロック信号Ａ（ＣＬＫＡ）が入力され、昇圧用キャパシタ３０８、３１０のもう片方の電極には、前記クロック信号Ａ（ＣＬＫＡ）と位相が９０度ずれており、他の条件は全く同じクロック信号Ｂ（ＣＬＫＢ）が入力され、発振回路３２０の電源端子は、ＣＰ昇圧回路１０１の電源端子２２３に接続された構成である。

なお、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０１〜３０６は、しきい値が０．１５Ｖ程度であり、発振回路３２０は、ＳＯＩウェーハを用いた完全空乏タイプＣＭＯＳＦＥＴで構成されているため、電源端子３２１に機器の動作電圧としては極めて低い電圧である０．３Ｖ以上の電圧が印加された場合に動作が可能である。

また、発振回路３２０が出力するクロック信号Ａ（ＣＬＫＡ）とクロック信号Ｂ（ＣＬＫＢ）の周波数は１ＭＨｚ程度に設定しており、ＣＰ昇圧回路１０１の出力端子２２４から出力される電力は、５μＷ程度で十分であるので、昇圧用キャパシタ３０７〜３１１は、１００ｐＦ程度あれば良い。従って、ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳ３０１〜３０６や発振回路３２０と同一のチップ内に昇圧キャパシタ３０７〜３１１を作成することができる。

つまり、上記の構成のＣＰ昇圧回路とすることにより、実装面積が小さく、０．３Ｖ以上の電圧が、ＣＰ昇圧回路の入力端子と電源端子に接続されれば、１．５Ｖの電圧まで昇圧された５μＷ程度の電力を得ることが可能なＣＰ昇圧回路が実現できる。

以上のように構成することにより、低電圧から動作を開始する昇圧回路がＲＦコイルに接続されているため、ＲＦコイルが小さくて発電電力が低くても情報を送信することができる。これにより、システム側の送信パワーも小さくすることが可能である。

さらに昇圧回路に充放電回路とキャパシタが接続されているため、ＲＦコイルで受信した発電電力が小さくても、キャパシタに蓄えて、一気にＲＦ送信回路に電力を供給することが可能であり、またＲＦコイル1によって受信されていないスタンバイ状態での消費電力はゼロとなる。

上述の発明はセンサ・ネットワーク系において利用可能である。

本実施の形態に係る電子機器の概略構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る電子機器の概略構成を示すブロック図である。 本発明の電子機器に関わる図２におけるCP昇圧回路の概略回路図である。 従来の電子機器の概略構成を示すブロック図である

符号の説明

１、４０１ ＲＦコイル
２ 昇圧回路
３ 充放電回路
４、４０４ ＲＦ送信回路
５、７、３０７〜３１１、４０７ キャパシタ
６、４０６ ダイオード
１０１ ＣＰ昇圧回路
２２２ 入力端子
２２３、３２１ 電源端子
２２４ 出力端子
３０１〜３０６ ＦＤ−ＳＯＩタイプＮＭＯＳトランジスタ
３２０ 発振回路

Claims (4)

1. 電磁波を受信し電力に変換するＲＦコイルと、
   ダイオードと第１のキャパシタとからなる整流回路を介して前記ＲＦコイルに接続された昇圧回路と、
   前記昇圧回路に接続された充放電回路と、
   前記充放電回路に接続され、前記充放電回路により充電および放電が制御される、前記昇圧回路で昇圧された電力を蓄えるための第２のキャパシタと、
   前記充放電回路に接続されたＲＦ送信回路とから構成され、
   前記充放電回路は、前記第２のキャパシタに充電された電力が、前記ＲＦ送信回路が使用する電力以上であるときに前記ＲＦ送信回路に前記電力を供給する電子機器。
2. 前記昇圧回路はチャージポンプ方式の回路であることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 前記チャージポンプ方式の回路からなる前記昇圧回路は昇圧キャパシタを同一チップ内に備えていることを特徴とする請求項２記載の電子機器。
4. 前記チャージポンプ方式の回路からなる前記昇圧回路は完全空乏タイプのＣＭＯＳ型ＦＥＴにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子機器。

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