JP6136506B2 - 通信回路および通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ回路の共振周波数を変化させる、強誘電体材料を用いて形成された可変容量素子を備えた通信回路、およびそれを備えた通信装置に関する。

通信機器、例えば携帯電話機などは小型化が進んでいることから、アンテナなどの各部品は小型化が要求されている。アンテナに関して、アンテナは、その大きさと帯域幅とに密接な関係があり、アンテナの小型化が進むに従って通信に必要な帯域幅を得ることが困難になってきている。そのため、可変容量素子をアンテナ回路に付加して、共振周波数を適宜最適値に調整できるようにした回路が構成される場合がある。

可変容量素子は、制御電圧が印加されることで、容量値が変化する。しかしながら、特に強誘電体材料を用いた可変容量素子は、時間経過と共に容量が低下する特性を有している。このため、強誘電体可変容量素子を備えたアンテナ回路は、使用時間の経過と共に共振周波数が最適値からずれるといった問題がある。

特許文献１には、強誘電体材料を用いた可変容量素子を有する共振アンテナの共振周波数を、長期間、安定して制御することのできる回路が開示されている。特許文献１では、所定のタイミングで、可変容量素子に印加する制御電圧の極性を反転させている。制御電圧の極性を反転させることで、容量特性の経時変化の影響が互いに打ち消しあうように作用し、可変容量素子の容量を長期間、安定して制御できる。

特開２０１２−２０９８２８号公報

しかしながら、特許文献１のように、制御電圧の極性を反転させる場合、回路にスイッチを設ける必要があるなど、回路構成が複雑になるといった新たな問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、回路を複雑にすることなく、制御電圧に対する可変容量素子の容量特性の経時変化を防止して、長期間、安定した通信ができる通信回路、およびそれを備えた通信装置を提供することにある。

本発明は、アンテナ回路と、制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる、強誘電体材料を用いて形成された可変容量素子と、前記制御電圧を発生させる制御電圧発生部と、前記アンテナ回路が非通信であるか否かを判定する非通信判定部と、前記非通信判定部が非通信であると判定した場合、前記可変容量素子への前記制御電圧の印加を停止する制御電圧停止部とを備えたことを特徴とする。

この構成では、通信に影響を及ぼすことなく、可変容量素子の容量変化を都度リセットすることで、制御電圧に対する可変容量素子の容量特性の経時変化を防止できる。その結果、使用時間の経過による通信回路の特性変化を防止でき、長期間の安定した通信が可能である。

前記制御電圧停止部は、前記制御電圧発生部の制御により前記制御電圧の発生を停止することが好ましい。

この構成では、簡易な構成で制御電圧の印加停止制御ができる。

前記電圧制御停止部は、５μs〜１msの間、前記制御電圧の印加を停止することが好ましい。

この構成では、可変容量素子の容量変化を短期間だけリセットすることで、アンテナ回路による通信に影響を及ぼさないようにできる。

前記非通信判定部は、前記アンテナ回路による通信の終了を検知することで、非通信状態であると判定することが好ましい。

この構成では、通信終了のタイミングを、非通信状態とみなすことで、通信状態の判定が容易となる。

前記非通信判定部は、電源である二次電池への充電が開始または終了したことを検知することで、非通信であると判定することが好ましい。

この構成では、アンテナ回路による通信に影響を及ぼさないタイミングで、可変容量素子の容量変化をリセットできる。

本発明によれば、通信に影響を及ぼすことなく、可変容量素子の容量変化を都度リセットすることで、制御電圧に対する可変容量素子の容量特性の経時変化を防止できる。その結果、使用時間の経過による通信回路の特性変化を防止でき、長期間の安定した通信が可能である。

実施形態に係る通信回路の回路図 可変容量素子の内部の全体の回路図 ＲＦＩＣによる可変容量素子への制御電圧の印加停止動作を示すフローチャート ＲＦＩＣによる可変容量素子への制御電圧の印加停止動作を示すフローチャート 可変容量素子へ印加する制御電圧のタイムチャートを示す図 制御電圧の印加を停止した場合の可変容量素子の容量比の経時変化を示す図 実施形態に係る通信回路を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図 実施形態に係る通信回路を適用した別の例の無線通信装置の筐体内部の構造を示す図

図１は、本実施形態に係る通信回路１の回路図である。通信回路１はＮＦＣモジュールの一例である。通信回路１は、可変容量素子１０、ＲＦＩＣ１１、およびアンテナコイル１２を備えている。

ＲＦＩＣ１１は高周波（ＲＦ）信号を処理する集積回路である。ＲＦＩＣ１１の二つのＲｘ端子にはアンテナ回路が接続されていて、ＲＦＩＣ１１はこのアンテナ回路から受信信号を入力する。アンテナ回路は、可変容量素子１０およびアンテナコイル１２のＬＣ並列回路である。可変容量素子１０は、制御電圧（バイアス電圧）に応じて容量値が定まる容量素子であって、アンテナ回路の共振周波数を所定周波数に定める。アンテナコイル１２は通信相手のアンテナと電磁界結合して近距離通信のための送受信を行う。アンテナ回路の共振周波数は、例えばＮＦＣ通信において中心周波数１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯を利用する場合には、１３．５６ＭＨｚに定められる。

ＲＦＩＣ１１の二つのＴｘ端子には、送信フィルタを構成するインダクタＬ１１，Ｌ１２およびキャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２０が接続されている。また、この送信フィルタには、ＲＦＩＣ１１とアンテナコイル１２との結合度調整用の素子としてキャパシタＣ２１，Ｃ２２が接続されている。

例えば、通信回路１が外部から信号を受信する、所謂カードモードの場合、ＲＦＩＣ１１はパッシブ動作するので、Ｒｘ端子への入力信号から電源電圧を生成するとともに受信信号を読み取り、送信時にはＴｘ端子に接続されている回路（負荷）を負荷変調する。また、例えば通信回路１自身が信号を発信する、所謂リーダライタモードの場合には、図示しない二次電池を電源としてＲＦＩＣ１１はアクティブ動作するので、送信時にＲｘ端子を開放してＴｘ端子から送信信号を送信し、受信時にはＴｘ端子を開放してＲｘ端子から受信信号を入力する。

このように、通信回路は動作モードに応じて、ＲＦＩＣ１１からアンテナコイル１２側を見たインピーダンスが変化する。各動作モードに応じてアンテナ回路の共振周波数が最適となるように（ＲＦＩＣ１１からアンテナコイル側を見たインピーダンスが整合するように）、可変容量素子１０が制御される。

図２は可変容量素子１０の内部の全体の回路図である。可変容量素子１０は、制御電圧印加回路１０Ｒおよび可変容量部１０Ｃを備えている。可変容量部１０ＣはポートＰ１３−Ｐ１４間への印加電圧に応じてポートＰ１１−Ｐ１２間の容量値が定まる。制御電圧印加回路１０Ｒは、ＲＦＩＣ１１のＩＯ端子ＩＯ０〜ＩＯ４に第１端が接続され、第２端が共通接続された抵抗素子Ｒ２１〜Ｒ２５で構成されている。この共通接続されたラインが可変容量部１０ＣのポートＰ１３に接続されている。

可変容量部１０Ｃは容量素子Ｃ１〜Ｃ６および抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９で構成されている。可変容量部１０Ｃにおいて、容量素子Ｃ１〜Ｃ６の両端には抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９を介して制御電圧が印加される。抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９の抵抗値は等しい。これらの抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９は、容量素子Ｃ１〜Ｃ６に制御電圧を印加するとともに、ポートＰ１１−Ｐ１２間に印加されるＲＦ信号がポートＰ１３，Ｐ１４へ漏れるのを抑制する。容量素子Ｃ１〜Ｃ６は、対向する電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタである。強誘電体膜は、印加される電界の強度に応じて分極量が変化して、見かけ上の誘電率が変化するので、制御電圧によって容量値を定められる。

ＲＦＩＣ１１はＩＯ端子ＩＯ０〜ＩＯ４を選択的にハイレベル（電源電圧）またはローレベル（グランド電圧）に設定する。したがって、ＲＦＩＣ１１のＩＯ端子ＩＯ０〜ＩＯ４のレベルに応じて、抵抗素子Ｒ２１〜Ｒ２５は抵抗分圧回路として作用し、その分圧比と電源電圧とに応じた制御電圧が可変容量部１０ＣのポートＰ１３に印加される。可変容量部１０ＣのポートＰ１４はグランドに接続されているので、可変容量部１０ＣのポートＰ１３−Ｐ１４間に制御電圧が印加されることになる。

図１に戻り、ＲＦＩＣ１１は、例えばＦＰＧＡ（Field ProgrammableGate Array）であって、可変容量素子１０への制御電圧の印加制御などの各種制御を行う。具体的には、ＲＦＩＣ１１は、アンテナ回路が非通信である場合に、可変容量素子１０への制御電圧の印加を停止する。なお、可変容量素子１０へ印加する制御電圧を発生するＲＦＩＣ１１は、本発明に係る制御電圧発生部に相当する。

上述したように、可変容量素子１０は電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタであって、制御電圧が印加されて誘電率が変化することで、容量値が変化する。そして、強誘電体材料を用いた可変容量素子１０は時間経過と共に容量が低下する。このため、アンテナ回路の共振周波数は時間経過と共に変化し、通信特性に影響が及ぶ。そこで、本実施形態に係る通信回路１は、自身が非通信の状態である場合において、可変容量素子１０への制御電圧の印加を短期間停止して、時間経過と共に容量が低下することを防止する。

具体的には、本実施形態に係るＲＦＩＣ１１は、通信回路１が搭載される電子機器（例えば、携帯電話機など）の主制御回路１００と通信し、その主制御回路１００から種々のデータを入出力する。そして、ＲＦＩＣ１１は、主制御回路１００からのデータに基づいて、可変容量素子１０への制御電圧の印加を停止する。以下、通信回路１で行われる具体的な動作について説明する。

図３および図４は、ＲＦＩＣ１１による可変容量素子１０への制御電圧の印加停止動作を示すフローチャートである。

図３の動作では、ＲＦＩＣ１１は、主制御回路１００から入力されるデータから、電源である二次電池の充電が開始されたか否かを判定する（Ｓ１０）。この判定処理を行うＲＦＩＣ１１が、本発明に係る非通信判定部に相当する。充電が開始されていない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、ＲＦＩＣ１１はこの動作を終了する。充電が開始された場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ＲＦＩＣ１１は、アンテナ回路は非通信状態であるとみなし、可変容量素子１０へ印加する制御電圧の発生を停止する（Ｓ１１）。この停止処理を行うＲＦＩＣ１１は、本発明に係る制御電圧停止部に相当する。ＲＦＩＣ１１は、制御電圧の発生を停止してから５μs待機し（Ｓ１２）、その後、制御電圧を発生させ、可変容量素子１０へ印加する（Ｓ１３）。

なお、図３では、二次電池の充電開始時に、制御電圧の印加を停止しているが、二次電池が満充電となったとき、または、充電ケーブルが外されたときをＲＦＩＣ１１が検知して、制御電圧の印加を停止するようにしてもよい。

図４の動作では、ＲＦＩＣ１１は、通信中の通信回路１による通信が終了したか否かを判定する（Ｓ２０）。この判定処理を行うＲＦＩＣ１１は、本発明に係る非通信判定部に相当する。通信が終了していない場合（Ｓ２０：ＮＯ）、ＲＦＩＣ１１はこの動作を終了する。通信が終了した場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ＲＦＩＣ１１は、可変容量素子１０へ印加する制御電圧の発生を停止する（Ｓ２１）。ＲＦＩＣ１１は、制御電圧の発生を停止してから５μs待機し（Ｓ２２）、その後、ＲＦＩＣ１１を制御して制御電圧を発生させ、可変容量素子１０へ印加する（Ｓ２３）。

なお、制御電圧の印加停止期間は、５μs〜１ｍｓの期間内であることが好ましいが、本実施形態では５μsとしている。また、アンテナ回路を介した通信の終了直後を、非通信状態であるとみなして、制御電圧の印加を停止しているが、定期的に、アンテナ回路を介した通信を行っているか否かを判定して、制御電圧の印加を停止するようにしてもよい。

以下に、制御電圧の印加を停止した場合における可変容量素子１０の容量の経時変化についての評価結果を示す。

図５は可変容量素子１０へ印加する制御電圧のタイムチャートを示す図である。行った評価方法では、１０ｓの間、２Ｖの制御電圧を可変容量素子１０へ印加し、１０ｓ毎に５μｓの期間、−２Ｖの制御電圧を印加している。

図６は、制御電圧の印加を停止した場合の可変容量素子１０の容量比の経時変化を示す図である。図６は、制御電圧を印加してから１分後の可変容量素子１０の容量を基準として、可変容量素子１０の容量比の経時変化を示している。また、図６では、対比するために、可変容量素子１０に２Ｖの制御電圧を印加し続けた場合の経時変化を示す。図６から分るように、５μｓの期間、制御電圧を停止する制御を行った場合、制御電圧を印加し続けた場合と比べて、可変容量素子１０の容量比の変化量は少ない。

図７は、本実施形態に係る通信回路１を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。図７では、無線通信装置１００の上部筐体９１と下部筐体９２とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。

上部筐体９１の内部には回路基板７１，８１、バッテリーパック８３等が収められている。回路基板７１には、可変容量部１０、ＲＦＩＣ１１および主制御回路１００などが実装されている。この回路基板７１にはＵＨＦ帯アンテナ７２、カメラモジュール７６等も搭載されている。また、回路基板８１にはＵＨＦ帯アンテナ８２等が搭載されている。回路基板７１と回路基板８１とは同軸ケーブル８４を介して接続されている。

下部筐体９２には、カメラモジュール７６のレンズが光学的に露出する開口９２Ａが形成されている。さらに、下部筐体９２には、面状導体であるアンテナコイル１２が、開口９２Ａを囲うように設けられている。このアンテナコイル１２には、接続ピン１０Ｐを通じて可変容量部１０が接続されている。このアンテナコイル１２、可変容量部１０およびＲＦＩＣ１１などにより、本実施形態に係る通信回路１を構成している。

図８は、本実施形態に係る通信回路１を適用した別の例の無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。この例では、下部筐体９２には、ブースターコイルアンテナ１２Ａが形成されている。このブースターコイルアンテナ１２Ａは後に示す給電コイル１２Ｂと磁気的に結合し、磁界アンテナとして作用する。

回路基板７１には、可変容量部１０に接続された給電コイル１２Ｂが実装されている。給電コイル１２Ｂは、磁性体コアにコイル状の導体が巻回されて構成されている。ブースターコイルアンテナ１２Ａおよび給電コイル１２Ｂは両者に磁束が鎖交するように配置されている。これらブースターコイルアンテナ１２Ａおよび給電コイル１２Ｂは、図１のアンテナコイル１２に相当する。

以上説明したように、通信回路１が非通信であるときに、可変容量素子１０への制御電圧の印加を短期間５μｓ停止することで、通信に影響を及ぼすことなく、可変容量素子１０の容量変化を一度リセットすることができ、可変容量素子１０の容量の経時変化を防止できる。その結果、時間経過による通信回路１の特性を防止でき、長期間の安定した通信が可能である。

１−通信回路
１０−可変容量素子
１０Ｒ−制御電圧印加回路
１０Ｃ−可変容量部
１１−ＲＦＩＣ
１２−アンテナコイル
１００−主制御回路
Ｃ１〜Ｃ６−容量素子
Ｒ１１〜Ｒ１９−抵抗素子
Ｒ２１〜Ｒ２５−抵抗素子
ポート−Ｐ１１〜Ｐ１４

Claims (5)

1. アンテナ回路と、
   制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる、強誘電体材料を用いて形成された可変容量素子と、
   前記制御電圧を発生させる制御電圧発生部と、
   前記アンテナ回路が非通信であるか否かを判定する非通信判定部と、
   前記非通信判定部が非通信であると判定した場合、前記可変容量素子への前記制御電圧の印加を５μs〜１msの間停止する制御電圧停止部と、
   を備えた通信回路。
2. 前記制御電圧停止部は、前記制御電圧発生部の制御により前記制御電圧の発生を停止する、
   請求項１に記載の通信回路。
3. 前記非通信判定部は、前記アンテナ回路による通信の終了を検知することで、非通信状態であると判定する、
   請求項１または２に記載の通信回路。
4. 前記非通信判定部は、電源である二次電池への充電が開始または終了したことを検知することで、非通信であると判定する、
   請求項１から３の何れかに記載の通信回路。
5. 請求項１から４の何れかに記載の通信回路を備えた通信装置。

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