JP4812808B2 - 携帯端末および充電システム - Google Patents

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本発明は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末および当該携帯端末へ充電する充電システムに関する。
携帯端末の小型化および高性能化によりウェアラブルコンピュータが注目されているが、図13はこのようなウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示している。同図に示すように、ウェアラブルコンピュータ7はそれぞれトランシーバ9を介して人間の腕、肩、胴体などに装着されて互いにデータの送受信を行うとともに、更に手足の先端で触れられるよう壁や床に設けられたトランシーバ9a、9bとケーブルとを介して外部に設けられたパソコン(PC)8と通信を行っている。
ここで、このようなウェアラブルコンピュータ7間、およびウェアラブルコンピュータ7とパソコン8間とのデータ通信に使用されるトランシーバ9は、電界信号検出技術を利用していて、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体である生体に誘起させ、この誘起した電界を用いて情報の送受信を行うものである。なお、トランシーバ9については、特許文献1および特許文献2に記載されている。
特開2001−352298号公報 特開2006−081111号公報
さて、上記のような小型の携帯端末では、電力として交換式の1次電池を用いている。1次電池の場合、電池が消耗すると新しい電池に交換する必要があるため、携帯端末を密封した構造にして完全防水にすることは困難である。
また、携帯端末の電力に、再充電可能な2次電池を用いることが考えられる。しかしながら、電界通信の通信性能を維持するためには携帯端末の電極面積を大きくする必要があり、そのため携帯端末に搭載される2次電池を充電するための受電コイルが電極で覆われてしまい、十分な充電性能が得られないという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、電界伝達媒体を介して情報の送受信を行う携帯端末において、通信性能を低下させることなく、当該携帯端末に搭載された2次電池への充電を行えるようにすることにある。
上記目的を達成するため、本発明は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末であって、充電機から受電する受電コイルと、前記受電コイルにより充電される2次電池と、送信すべき情報に基づく電界を伝達する信号電極と、グランド電極と、を有し、前記受電コイルを挟むように前記信号電極および前記グランド電極が対向して配置され、前記信号電極および前記グランド電極、または前記信号電極もしくは前記グランド電極には、前記受電コイルが受電するためのスリットが形成されている。
また、本発明は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末と、当該携帯端末を充電する充電機とを有する充電システムであって、前記携帯端末は、充電機から受電する受電コイルと、前記受電コイルにより充電される2次電池と、送信すべき情報に基づく電界を伝達する信号電極と、グランド電極と、を有し、前記受電コイルを挟むように前記信号電極および前記グランド電極が対向して配置され、前記信号電極および前記グランド電極、または前記信号電極もしくは前記グランド電極には、前記受電コイルが受電するためのスリットが形成され、前記充電機は、前記受電コイルに送電する送電コイルを有する。
本発明によれば、電界伝達媒体を介して情報の送受信を行う携帯端末において、通信性能を低下させることなく、当該携帯端末に搭載された2次電池への充電を行うことができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施形態である携帯端末の基本構成を示すものである。本実施形態の携帯端末は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末であって、再充電が可能な2次電池を有し、非接触型充電を行うものとする。
図示する携帯端末1は、信号電極11と、グランド電極12と、コンピュータ13と、トランシーバ(通信処理回路)14と、充放電制御回路15と、2次電池16と、受電コイル17とを有する。なお、携帯端末1は非接触型の充電が可能なため、筐体18は完全密封とすることができ、これにより防水性を向上する(または、完全防水とする)ことができる。これにより、病院や介護施設など水に濡れる可能性がある環境においても、携帯端末1を使用することができる。
コンピュータ13は、所定の処理を行うとともに、トランシーバ14を用いて各種情報の送受信を行う。
トランシーバ14は、電界信号検出技術を利用していて、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させ、この誘起した電界を用いて情報の送受信を行うものである。
例えば、トランシーバ14は、図2に示す構成をしており、コンピュータ13からの送信データを入出力(I/O)回路901を介して受け取ると、この送信データを送信部902を介して信号電極11に供給し、当該信号電極11を介して電界伝達媒体に電界を誘起させ、この電界を電界伝達媒体の他の部位に伝達させる。
また、トランシーバ14は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を信号電極11で検出し、この電界を電界検出部905に結合して電気信号に変換する。そして、この電気信号は、信号処理回路906で増幅、ノイズ除去などの信号処理を施され、更に波形整形回路907で波形整形がなされ、入出力回路901を介してコンピュータ13に出力するようになっている。
なお、携帯端末1のトランシーバは、図3に示す構成のトランシーバであってもよい。
図3に示すトランシーバ14は、データを送信するための送信部802と、データを受信するための受信部803と、I/O回路901とを備える。トランシーバ14は、コンピュータ13からの送信データを入出力(I/O)回路901を介して受け取ると、この送信データを送信部802を介して信号電極11に供給し、当該信号電極11を介して電界伝達媒体に電界を誘起させ、この電界を電界伝達媒体の他の部位に伝達させる。送信部802は、送信データを発振器805から出力される搬送波で変調するための変調回路804と、搬送波を出力するための発振器805とを備える。
また、トランシーバ14は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を信号電極11で検出し、この電界を受信部803で受信データに変換して入出力回路901を介してコンピュータ13に出力する。受信部803は、復調信号のHレベルとLレベルの反転が起きていないかを判定して補正するための補正回路806と、搬送波再生回路808で再生された搬送波と受信した信号をもとにデータを再生する復調回路807と、受信した信号から搬送波を抽出する搬送波再生回路808と、を備える。なお、コンピュータ13は、送信データとともに送信と受信の動作の切替を指示するための送受切替信号をトランシーバ14に対して出力するものとする。
信号電極11は、前述のように、送信すべき情報に基づく電界を伝達する。すなわち、信号電極11は、トランシーバ14から供給された送信データの電界を電界伝達媒体に誘起させるとともに、電界伝達媒体に誘起された電界を検出する。
グランド電極12は、トランシーバ14の基準電位となる位置に接続されている。トランシーバ14の基準電位としては、例えば、シグナルグラウンドの他、マイナス電源、プラス電源などを用いることができる。
信号電極11およびグランド電極12は、電極面積を削減すると電界通信の通信性能が劣化してしまう。そのため、所定の通信性能に必要な電極面積を、携帯端末1内でそれぞれ確保する必要がある。
充放電制御回路15は、2次電池16および受電コイル17を制御し、過充電などを防止する。
受電コイル17では、後述する充電機の送電コイルで発生する磁束が貫通し、電磁誘導により電流が流れ、これにより2次電池16に充電する。本実施形態では、金属接点を介さずに非接触で電力伝送する方式として、電磁誘導方式を用いるものとする。
次に、電磁誘導方式の非接触充電について説明する。
図4(a)は、非接触充電の原理を示したものである。図示するように、充電機の送電コイルに電流を流すと磁束が発生し、ファラデーの法則に従い、貫通(鎖交)する磁束により受電コイルに電磁誘導によるループ電流が流れる。
本実施形態の受電コイル17は携帯端末1(図1参照)に搭載され、受電コイル17と充電機の送電コイルとの間には、信号電極11またはグランド電極12が存在する。すなわち、本実施形態では、信号電極11またはグランド電極12を介して非接触充電を行うこととなる。
そのため、本実施形態では、信号電極11またはグランド電極12に、磁束(磁界)を通過させ、受電コイル17にループ電流を流すためのスリット(細長い隙間)を形成する。スリットを設けることにより、受電コイル17にループ電流を流して充電性能を向上するとともに、所定の通信性能を確保するために必要な電極11、12の電極面積を維持することができる。
図5は、グランド電極12にスリットを形成した場合の携帯端末1を示したものである。この場合、グランド電極12を下にした状態で、携帯端末1を充電機(送電コイル)の上に載せて、充電を行うものとする。すなわち、携帯端末1のグランド電極12側を充電機に接触(対向)させて充電する。
図5(a)は、携帯端末1の構造を示す断面図であって、図1と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、図5(a)に示す電子基板13、14、15は、図1のコンピュータ13、トランシーバ14および充放電制御回路15に相当する。
図5(b)は、携帯端末1のグランド電極12側(図5(a)では底面)から見た底面図である。図5(c)は、図5(b)のA−A’部に対応した携帯端末1の断面図である。図示するグランド電極12は、十字形のスリット19が形成され、送電コイルからの磁束が通過できるようになっている。また、本実施形態のスリット19は、少なくとも1つの開口部2が設けられている。すなわち、グランド電極12の端までスリットが設けられている。図示するスリット19では、十字に延びた4つの先端部のうちの1つの先端部2(図5(b)では右先端部)が開口している。スリット19に開口部2を設けるのは、充電機の送電コイルで発生する磁束によるループ電流が、グランド電極12に流れないようにするためである。
図4(b)は、電極とループ電流との関係を説明するための説明図である。開口部がないスリット(すなわち、電極の端までスリットが設けられていない場合)が形成された電極401、402の場合、当該電極自体が符号403に示すように閉回路(コイル状)となってしまい、受電コイルではなく電極にループ電流が流れてしまう。そのため、電極でエネルギーが消費されてしまい、受電コイルへの伝送電力効率が低下してしまう。
一方、少なくとも1つの開口部を有するスリット(すなわち、電極の端までスリットが設けられている場合)が形成された電極404、405の場合、当該電極自体が符号406に示すように閉回路(コイル状)とならず、ループ(パス)が形成されないため、電極にループ電流が流れない。そのため、電極でのエネルギー消費が抑えられて、伝送電力効率を向上させることができる。以上により、電極に形成されたスリットは、少なくとも1つの開口部を有するものとする。
なお、図5は、グランド電極12にスリット19を設けた場合の携帯端末を示したものであるが、グランド電極12ではなく信号電極11に同様のスリット19を設けることとしてもよい。この場合、信号電極11を下にした状態で、携帯端末1を充電機に載せて充電するものとする。また、2次電池16は、グランド電極12側に配置することとする。
図6は、グランド電極12および信号電極11の両方にスリットを形成した場合の携帯端末1を示したものである。この場合、グランド電極12側からでも、信号電極11側からでも、充電を行うことができる。すなわち、グランド電極12を下にした状態でも、あるいは信号電極11を下にした状態でも、携帯端末1を充電機に載せて充電することができる。
図6(a)は、携帯端末1の構造を示す断面図であって、図1と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、図6(a)に示す電子基板13、14、15は、図1のコンピュータ13、トランシーバ14および充放電制御回路15に相当する。また、グランド電極12側および信号電極11側の両側から充電を可能とするため、2次電池16は、受電コイル17と横並びに配置されている。
図6(b)は、携帯端末1のグランド電極12側(図6(a)では底面)から見た底面図、および、携帯端末1の信号電極11側(図6(a)では上面)から見た上面図である。図6(c)は、図6(b)のA−A’部に対応した携帯端末1の断面図である。図示するグランド電極12および信号電極11は、図5で説明したように十字形のスリット19が形成され、当該スリット19は少なくとも1つの開口部2が設けられている。
なお、グランド電極12および信号電極11、またはグランド電極12もしくは信号電極11に形成するスリットは、少なくとも1つの開口部2が設けられていれば、図5および図6に示す形状に限定されず、様々な形状が考えられる。
図7および図8は、電極11、12に形成されるスリットの例を示すものである。図7(a)は図5および図6と同様の十字形スリットを示し、図7(b)は4つの開口部を有する放射形スリットを示す。図8(c)は、十字形スリットにおいて4つの開口部を有し、電極11、12が複数に分割された分割形スリットを示す。分割された各電極11、12は、リード線8により接続されるものとする。図8(d)は、櫛型のスリットが電極11、12の各辺に形成された櫛型スリットを示す。
次に、携帯端末1に充電する充電機について説明する。
図9は、充電機3の基本構造を示したものである。図9(a)は、充電機3の構造を示す断面図である。図示する充電機3は、筐体38の中に、信号電極31と、グランド電極32と、電子基板33と、送電(給電)コイル17とを有する。電子基板33には、携帯端末1のトランシーバ14(図2、図3参照)と同様のトランシーバ、給電制御回路、パソコン(Personal Computer)などのコンピュータとの接続処理部などが含まれている。信号電極31およびグランド電極32は、携帯端末1の信号電極11およびグランド電極12と同様であるため、ここでは説明を省略する。
送電コイル37には、所定の電源から電力供給されることによりループ電流が流れ、磁束が発生し、電磁誘導により携帯端末1の受電コイル17に誘導起電力を発生させる。本実施形態の充電機3はUSB(Universal Serial Bus)などによりパソコンに接続し、パソコンから電力供給されるものとする。
充電機3は、図示するようにグランド電極32を下にして机の上などに置き、信号電極31側に携帯端末1を載せることとする。そのため、送電コイル37で発生する磁束を携帯端末1の受電コイル17に貫通(鎖交)させ、受電コイル17に電磁誘導によるループ電流を流させるために、信号電極31にスリット39を設けることとする。
図9(b)は、充電機3の信号電極11側(図9(a)では上面)から見た上面図である。図9(c)は、図9(b)のA−A’部に対応した充電機3の断面図である。図示する信号電極31は、十字形のスリット39が形成され、送電コイル37からの磁束が通過できるようになっている。また、図示するスリット39は、図4(b)で説明したように、信号電極31にループ電流が流れないようにするために、少なくとも1つの開口部2を有する。なお、信号電極31のスリット39は、図9の形状に限定されず、例えば図7または図8のような形状であってもよい。
図10は、充電機3に携帯端末1を載せて、携帯端末1に充電するとともに、充電機3を介して携帯端末1とパソコン5とが通信する充電システムの概略構成図である。図示する充電システムは、前述の携帯端末1および充電機3と、パソコン5とを有する。
図9で説明したように、充電機3の信号電極31(携帯端末1が載せられる側)にはスリット39が設けられている。また、携帯端末1も、少なくとも充電機3に接する側(充電機3に対向する側)の信号電極11またはグランド電極12にはスリット19が設けられている。これにより、充電機3から携帯端末1に給電される。
また、本実施形態の充電機3は、トランシーバを有するため携帯端末1と電界通信が可能であり、パソコン5とはUSB接続による通信が可能である。また、充電機3は、パソコン5とUSB接続することにより、パソコン5から電源供給されるものとする。
また、充電機3に接続されたパソコン5は、図示しないが、充電機3に電力を供給する電力供給部と、充電機3を介して携帯端末1から認証情報を受信し、当該認証情報に基づいて認証処理を行う認証部と、各種の処理を行う処理部とを有する。
したがって、携帯端末1を充電機3の上に置くことにより、充電機3はパソコン5から供給される電力により携帯端末1に充電(給電)し、携帯端末1とパソコン5は充電機3を介した通信が可能となる。これにより、例えば、携帯端末1を用いてパソコン5へのログイン認証処理を行うことが考えられる。
図11は、携帯端末1を用いたログイン認証処理のシーケンス図である。
最初は、パソコン5はログアウト状態であり(S10)、充電機3の上には携帯端末1が置かれていないものとする。パソコン5の認証部(以下、「パソコン5」)は、所定のタイミングで充電機3に接続確認要求を送信する(S11)。充電機3は、USBを介してパソコン5から接続確認要求を受信すると、電界通信により携帯端末1へ接続確認要求を送信する(S12)。しかし、携帯端末1と充電機3とは接触していないため、電界通信の通信路が確立されず、接続確認要求は携帯端末1に届かず、無応答となる。
そして、ユーザが携帯端末1を充電機3に載せると、充電機3から携帯端末1への充電が開始される(S13)。なお、充電機3の電力は、パソコン5の電力供給部から供給される。また、パソコン5からの接続確認要求が充電機3に送信され(S14)、充電機3は電界通信により携帯端末1へ接続確認要求を送信する(S15)。この場合、携帯端末1と充電機3とは接触しているため、電界通信の通信路が確立され、携帯端末1は接続確認要求を受信し、接続確認応答としてユーザID、パスワードなどの認証情報を受信機に送信する(S16)。なお、携帯端末1と充電機3は、それぞれが備えるトランシーバ(図2、3参照)との間で電界伝達媒体を介した通信路が確立され、電界通信により情報の送受信を行う。認証情報は、携帯端末1のメモリなどに記憶されているものとする。
充電機3は、携帯端末1から受信した認証情報をパソコン5に送信する(S17)。パソコン5は、受信した認証情報が、正当なユーザ(携帯端末1)の認証情報か否かを判別・認証し、正当な場合はログイン処理を行い(S18)、不正な場合はログインを拒否する。これにより、携帯端末1を所有する正当なユーザは、パソコン5を使用することができる。
また、所定のタイミングでパソコン5からの接続確認要求が充電機3に送信され(S19)、充電機3は携帯端末1へ接続確認要求を送信し(S20)、携帯端末1は充電機3を介してパソコン5に接続確認応答を送信する(S21、S22)。
ここで、ユーザが携帯端末1を充電機3から取り上げると、充電機3からの充電が停止する(S23)。また、携帯端末1と充電機3とが接触しなくなるので、電界通信の通信路がなくなり、携帯端末1と充電機3との電界通信が行われなくなる。その後、パソコン5からの接続確認要求は充電機3に送信されるが(S24)、充電機3は接続確認要求を携帯端末1に送信することができない(S25)。パソコン5は、所定の時間内に接続確認応答を受信できないためタイムアウトと判別し(S26)、ログアウト処理を行う(S27)。
以上説明した本実施形態の携帯端末は、非接触型の充電が可能なため、携帯端末の筐体を完全密封にすることができ、これにより防水性を向上させ、あるいは、完全防水とすることができる。これにより、病院や介護施設など水に濡れる可能性がある環境においても、携帯端末を使用することができる。
また、本実施形態の携帯端末では、信号電極およびグランド電極、または信号電極もしくはグランド電極に、スリットを形成する。スリットを設けることにより、送電コイルが発生する磁束を通過させ、受電コイルにループ電流を流して充電性能を向上するとともに、所定の通信性能を確保するために必要な電極面積を維持することができる。
また、本実施形態のスリットは、少なくとも1つの開口部を有する。これにより、充電機の送電コイルで発生する磁束によるループ電流が、信号電極またはグランド電極に流れず、受電コイルに流れるようになり、充電性能を向上させることができる。
また、本実施形態の充電機においても、少なくとも1つの開口部を有するスリットを信号電極に形成する。これにより、充電性能をより向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施形態に対して種々の変形や変更を施すことができる。例えば、上記実施形態では、充電機の電源としてパソコンを用いることとしたが、充電機はACアダプタを有し、AC電源から電力を供給することとしてもよい。すなわち、図12に示すように、充電機3はAC電源(コンセント)に接続することにより、AC電源から当該充電機3の駆動に必要な電力が供給される。充電機3とパソコン5とはLANにより接続され、携帯端末1とパソコン5とは充電機3を介して通信が可能となる。
本発明の実施形態の携帯端末の基本構成図である。 トランシーバの概略構成図である。 トランシーバの概略構成図である。 非接触充電の原理を説明するための説明図である。 携帯端末の構成図、底面図および断面図である。 携帯端末の構成図、底面図・上面図および断面図である。 電極に設けられたスリットの形状の変形例である。 電極に設けられたスリットの形状の変形例である。 充電機の構成図、上面図および断面図である。 充電システムの概略構成図である。 ログイン認証処理のシーケンス図である。 充電システムの概略構成図である。 トランシーバを介してウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示す説明図である。
符号の説明
1 携帯端末
11 信号電極
12 グランド電極
13 コンピュータ
14 トランシーバ
15 充放電制御回路
16 2次電池
17 受電コイル
18 筐体
19 スリット
2 開口部
3 充電機
31 信号電極
32 グランド電極
37 送電コイル
39 スリット
5 パソコン

Claims (9)

  1. 送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末であって、
    充電機から受電する受電コイルと、
    前記受電コイルにより充電される2次電池と、
    送信すべき情報に基づく電界を伝達する信号電極と、グランド電極と、を有し、
    前記受電コイルを挟むように前記信号電極および前記グランド電極が対向して配置され、
    前記信号電極および前記グランド電極、または前記信号電極もしくは前記グランド電極には、前記受電コイルが受電するためのスリットが形成されること
    を特徴とする携帯端末。
  2. 請求項1記載の携帯端末であって、
    前記スリットは、当該スリットが形成された電極の端部まで通じる少なくとも1つの開口部を有すること
    を特徴とする携帯端末。
  3. 請求項1または請求項2記載の携帯端末であって、
    前記スリットは、前記充電機が発生する磁束を通過させ、前記受電コイルにループ電流を流すこと
    を特徴とする携帯端末。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の携帯端末であって、
    前記スリットは、十字形スリットまたは略円形の穴であって、スリットが形成された電極の端部まで通じる少なくとも1つの開口部を有すること
    を特徴とする携帯端末。
  5. 送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行う携帯端末と、当該携帯端末を充電する充電機とを有する充電システムであって、
    前記携帯端末は、
    充電機から受電する受電コイルと、
    前記受電コイルにより充電される2次電池と、
    送信すべき情報に基づく電界を伝達する信号電極と、グランド電極と、を有し、
    前記受電コイルを挟むように前記信号電極および前記グランド電極が対向して配置され、
    前記信号電極および前記グランド電極、または前記信号電極もしくは前記グランド電極には、前記受電コイルが受電するためのスリットが形成され、
    前記充電機は、
    前記受電コイルに送電する送電コイルを有すること
    を特徴とする充電システム。
  6. 請求項5記載の充電システムであって、
    前記充電機に接続されたコンピュータを、さらに有し、
    前記コンピュータは、
    前記充電機に電力を供給する電力供給部と、
    前記充電機を介して前記携帯端末から認証情報を受信し、当該認証情報に基づいて認証処理を行う認証部と、を有し、
    前記充電機は、送信すべき情報に基づく電界を電界伝達媒体に誘起させるとともにこの誘起した電界を検出して情報の送受信を行い、前記携帯端末と通信すること
    を特徴とする充電システム。
  7. 請求項5または請求項6記載の充電システムであって、
    前記スリットは、当該スリットが形成された電極の端部まで通じる少なくとも1つの開口部を有すること
    を特徴とする充電システム。
  8. 請求項5から請求項7のいずれか1項に記載の充電システムであって、
    前記スリットは、前記充電機が発生する磁束を通過させ、前記受電コイルにループ電流を流すこと
    を特徴とする充電システム。
  9. 請求項5から請求項8のいずれか1項に記載の充電システムであって、
    前記スリットは、十字形スリットまたは略円形の穴であって、スリットが形成された電極の端部まで通じる少なくとも1つの開口部を有すること
    を特徴とする充電システム。
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