JPWO2011030804A1 - 無線電力変換器および無線通信装置 - Google Patents

Abstract

半導体集積回路内部に構成できるコイル・アンテナを用いて、環境電波を半導体集積回路の動作電力へ効率的に変換する無線電力変換器及び無線通信装置を提供する。無線通信装置は、受信した環境電磁波を直流電圧に変換して、デカップリング容量に電力を充電することで直流電圧を昇圧する。昇圧された直流電圧のそれぞれの値に応じて、アンテナの共振周波数を変更させる。アンテナが異なる共振周波数の環境電磁波を次々に受信することで、所望の直流電圧まで昇圧する。

Description

本発明は、電気回路の電力効率の向上に関する。詳しくは、受信した電磁波エネルギーを効率的に直流電圧へ変換する無線電力変換器、及びそれを備えた無線通信装置に関する。

およそ１メートル以内の通信距離を想定した近距離無線技術（例えば人体周辺無線網（ＢＡＮ，Ｂｏｄｙ−Ａｒｅａ−Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）など）において、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ
Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）周辺に散在する光、熱、振動などのエネルギーを電源電力に変換する技術の開発が進められている。
エネルギーハーベストと呼ばれているこれらの技術によれば、見かけ上のＬＳＩ自体の消費電力を下げる。また、ＬＳＩの性能を低下させることなくユーザの手による充電や電池交換の手間を少なくできる。
これらの技術においては、光、熱、振動のエネルギーをＬＳＩ電源電力に変換するため、それぞれ太陽電池、熱電対、加速度センサなどの素子を必要とする。これらの素子は標準ＣＭＯＳではＬＳＩ上に作りこむことが難しい素子であり、これらの素子がエネルギーハーベストを行う上で様々なコスト上昇の要因となる。例えば、近距離無線においてバッテリレスにすることで、電池交換・充電の手間は軽減できる一方、製造コストが増大する。
ＬＳＩが電源として回収できる光などのエネルギーがＬＳＩ外界に無尽蔵に存在する。他方、問題は、電力変換素子が既存のＣＭＯＳ回路を用いて構築処理することが難しいということに起因している。
このため、発明者は、ＣＭＯＳ回路で処理できるエネルギー形態の信号からエネルギーを回収すれば、上記の問題は解決できると考える。ＣＭＯＳ回路で処理が容易なエネルギー形態は電気信号である。電気信号のエネルギーは、ＬＳＩ外界から飛来する電磁波エネルギー（環境電磁波、環境電波）を電源として収集することとする。
ここで、電池などの装置からの供給電源がなく環境電波のみで動作する電源を作るにあたって、所望の通信相手装置以外の無線機器が出す環境電波の特性を把握する必要がある。まず、単独で電源に使用できるレベルの強い電波源（１）は、周波数帯域などが通信環境によって時間変動するという特徴がある（例えば、自身（装置）から見て近距離に配置されている無線機器から放射される電波源）。また（１）と比較して、ノイズ的に一様分布している電波源（２）は、到達電力が非常に弱いという特徴がある（例えば、複数ある自身（装置）から見て遠方に配置されている無線機器から放射される電波源）。
（１）の特徴を踏まえた技術は、通信相手が電源として使える強度の電波を固定の周波数としてＬＳＩ側に照射して給電する手法が用いられている。いわゆる無線タグ（例、ＲｆＩＤ）であり、ＬＳＩでの先行例の構成図を図１（非特許文献１）に示す。リーダ／ライタ１０１からアンテナ１０２を介して無線タグ１０３へ供給された電磁波エネルギーは、全波整流器１０４で交流から直流に整流される。その後、エネルギーは、内部電圧制御１０６及びブースタ１０７で回路電源として好適な品質に安定化・昇降圧された後、電流モード復調器１０９やロジック１１０など内部回路の電源として供給される。ここでの交流から直流への変換効率は、図２に構成が示される全波整流器の中に含まれるＰＭＯＳ整流ダイオード２０１、ＮＭＯＳ整流ダイオード２０２の素子サイズの最適化や、整流ダイオードに入力される前の寄生容量等による損失を抑えることで高められる。この例においては、リーダ／ライタ装置のように電力を供給する機器を用意する必要があり、これはデータ通信とは別の装置として必要である。
また（２）の特徴を踏まえた技術は、広帯域に分布している微弱な電波を電力として利用できる形にするため広帯域・高効率のアンテナを用いる手法が提案されている（非特許文献２）。この技術は、電源として環境電波を用いたエネルギーハーベスト技術と位置づけられる。他方、微弱な環境電波を回収するためにＬＳＩ上に作りこむには難しい程度の大きなアンテナが必要となる。結局当該技術は、エネルギーハーベストにおける装置コストの増加を根本的に抑える技術とは成りえていない。
さらに、特許文献１には、リーダ／ライタ装置からアンテナを介して無線タグへ供給された電磁波エネルギーを受信し、直流電圧を生成する技術が開示されている。特許文献１のアンテナ共振周波数は、装置によって調整可能であり、無線タグでの直流電圧値が最大になるようにリーダ／ライタ装置からの電磁波周波数に合わせられる。

特開２００１−５９３８号公報

国際固体回路会議２００６予稿集 講演番号１７．２ ２００９ ＩＥＥＥ Ｒａｄｉｏ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ 講演番号Ｍ０２Ａ−５

上記した非特許文献１、２を参照して説明した無線電力変換器には、以下の問題点がある。
上記説明した無線タグ（特にリーダ／ライタ装置などからの照射電波エネルギーで動作するパッシブ型）においては、無線タグ側は固定周波数の電波によって、必要な強度のエネルギーを受けられる。そのため、無線タグは、比較的低効率のアンテナでも整流子／デカップリング容量があれば、動作電力を得られる。他方、パッシブ型無線タグには、リーダ側を含めてのシステムコストが大きく、加えて消費電力も大きい問題がある。その理由は、リーダ／ライタ装置から無線タグに給電を、アンテナ指向性の無い等方的な伝送環境で行う場合、無線タグに向かわず無駄となる電力が必ず発生するからである。また、アンテナ指向性を加味してリーダ／ライタ装置と無線タグの間の電力伝達効率を高めたとしても、電磁波で送電する以上、空間で無駄となる電力が必ず発生する。このため、無線タグで必要な電力よりも大きな電磁波エネルギーをリーダ／ライタ側で放射する必要がある。この、リーダ／ライタ装置と無線タグ全てを考慮したシステム全体で見た場合、無駄になる電力を削減することが課題である。この問題は、特許文献１にも同様に存在するものである。
また、上記説明した環境電波の回収技術によるエネルギーハーベストは、本来ＬＳＩ周辺でノイズとして無駄と成っていた電磁波のエネルギーを回収する。従って、原理的に、システムとして供給を受ける電力を減少させる一方、電磁波のエネルギーを回収するためのシステムコストが増大する。その理由は、回収すべき対象である環境電波が周波数軸上で不定に分布し、かつ微弱であることに起因する。このため、システムはアンテナ長を大きく確保して広帯域化し、かつアンテナ配線の寄生抵抗成分を減らして熱雑音損失を減らす必要がある。しかし、これらの対策はいずれも標準ＣＭＯＳでは実現が難しい。この対策には、ＬＳＩ外のコイルやアンテナなどの付属部品（素子）が不可欠となる。これらＬＳＩと共に使用される部品は、システムコストの上昇要因となる。しかし、これらの対策はいずれも標準ＣＭＯＳでの実現が難しい。この対策には、ＬＳＩ外にコイルやアンテナなどの付属部品（素子）が不可欠となる。これらＬＳＩと共に使用される部品は、システムコストの上昇要因となる。
以上を踏まえて、本発明は、コイル・アンテナなどの外付け要素を排しつつ、半導体集積回路内部に構成できるコイル・アンテナを用いて、環境電波を半導体集積回路の電源として取り込み、システムを低コスト、バッテリレスとできる無線電力変換器を提供する。

本発明に係る無線電力変換器は、コイル、固定容量および可変容量を含み構成されたアンテナと、前記アンテナから出力される交流信号を整流信号として出力する整流子と、前記整流信号を充電し、直流電圧として保持するデカップリング容量と、保持された前記直流電圧を分圧して、前記可変容量の値を制御するＮ本（Ｎは正の整数）の制御信号を出力するＶＤＤレベル判定回路と、を備え、前記アンテナがアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信し、前記直流電圧に変換することで前記直流電圧は昇圧し、昇圧された前記直流電圧のそれぞれの値に応じて、前記アンテナ共振周波数をそれぞれ変更させ、前記アンテナは昇圧される前記直流電圧のそれぞれの値に応じたアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波をそれぞれ受信することで、前記直流電圧を所望の直流電圧まで昇圧することを特徴とする。
また、本発明に係る無線通信装置は、上記した無線電力変換器と、ディジタル変調信号生成器と、変調器と、を備え、前記ディジタル変調信号生成器は内蔵しているデータシーケンスを前記変調器に出力し、前記変調器が設けられたアンテナから前記データシーケンスを送信することを特徴とする。
また、本発明に係る無線電力変換器の昇圧動作方法は、コイル、固定容量および可変容量から構成されたアンテナと、前記アンテナから出力される交流信号を整流信号として出力する整流子と、前記整流信号を充電し、直流電圧として保持するデカップリング容量と、保持された前記直流電圧を分圧して、前記可変容量の値を制御するＮ本（Ｎは正の整数）の制御信号を出力するＶＤＤレベル判定回路と、を備え、前記直流電圧が接地電位であり、前記アンテナは、そのアンテナ共振周波数が第１のアンテナ共振周波数であり、この第１のアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信することで前記直流電圧を第１の電圧まで昇圧し、前記第１の電圧まで昇圧された直流電圧値に応じて、そのアンテナ共振周波数を前記第１のアンテナ共振周波数から第２のアンテナ共振周波数に変更される第１のステップと、前記アンテナが第２のアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信することで前記直流電圧を第２の電圧まで昇圧され、前記第２の電圧まで昇圧された直流電圧値に応じて、そのアンテナ共振周波数を前記第２のアンテナ共振周波数から第３のアンテナ共振周波数に変更される第２のステップと、前記第２のステップを繰り返すことで、前記直流電圧の値を所望の電圧値まで昇圧することを特徴とする。

本発明によれば、既存の無線タグなどで構成されるシステムよりも低電力動作性を得られる。その理由は、既存のパッシブ型無線タグに対してはリーダ／ライタ装置からの十分な電力供給を、アクティブ型無線タグに対しては電池などから十分な電力供給を、無線タグに対して与える必要性がある。しかし、本発明においては、半導体集積回路周辺の環境電波からエネルギーを電源として取り込むことが可能であるからである。即ち、本発明によれば、バッテリ、リーダ／ライタ装置からの電力供給を少なくでき又は無くすことが可能である無線電力変換器、無線通信装置を得ることが可能となる。
さらに本発明によれば、既存のエネルギーハーベスト技術と比較してコストを抑えることが可能である。その理由は、環境電波の強い周波数帯域を動作立ち上げ時に掃引して通信を開始するためである。これは、装置コスト高騰の原因となるアンテナ（同時に広帯域から電力を収集するハイスペックアンテナ）が不要なためである。

図１は、関連技術（非特許文献１）の無線タグ受信器の構成ブロック図である。
図２は、図１の無線タグ受信器における全波整流器の回路図である。
図３は、本発明の無線電力変換器を備えた無線通信装置の構成ブロック図である。
図４Ａ及び図４Ｂは、図３の無線電力変換器における（Ａ）可変容量、（Ｂ）整流子およびデカップリング容量の回路図である。
図５は、図３の無線電力変換器におけるＶＤＤレベル判定回路の回路図である。
図６は、本発明の無線電力変換器の動作図である。

１０１ リーダ／ライタ
１０２ アンテナ
１０３ 無線タグ
１０４ 全波整流器
１０５ 保護回路
１０６ 内部電圧制御電力増幅器（ＰＡ）
１０７ ブースタ
１０８ 不揮発メモリ
１０９ 電流モード復調器
１１０ ロジック
１１１ 電圧制御発振器
１１２ 変調器
２０１ ＰＭＯＳ整流ダイオード
２０２ ＮＭＯＳ整流ダイオード
２０３、２０４ デカップリング容量
３０１ コイル
３０２ 容量
３０３ アンテナ
３０４ 制御信号
３０５ 可変容量
３０６ 整流子
３０７ デカップリング容量
３０８ ＶＤＤ配線
３０９ ＶＤＤレベル判定回路
３１０ ディジタル変調信号生成器
３１１ ディジタル変調信号
３１２ 変調器
４０１ 容量
４０２ スイッチ
４０３ ディジタル制御信号
４０４、４０５ 入力
４０６、４０７ ダイオード
４０８ 整流子
４０９ デカップリング容量
５０１ ＶＤＤ配線
５０２ ダイオード群
５０３ ディジタル制御信号

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図３には、本発明の無線電力変換器を備えた無線通信装置の構成ブロック図を示す。図４Ａ、図４Ｂおよび図５には、それぞれ、図３の無線電力変換器における可変容量、整流子およびデカップリング容量、ＶＤＤレベル判定回路の回路図をそれぞれ示す。図６には、本発明の無線電力変換器の動作図を示す。
図３に示す無線通信装置は、アンテナ３０３、整流子３０６、デカップリング容量３０７、ＶＤＤレベル判定回路３０９、ディジタル変調信号生成器３１０を含み構成される。アンテナ３０３は、コイル３０１、容量３０２および変調器３１２が並列に接続されて構成される。アンテナ３０３は、無線通信装置外から飛来する電磁波（エネルギー）を、周波数ｆで共振ピーク（共振周波数）を有して電気信号へと変換できるように、コイル３０１のインダクタンス値Ｌと容量３０２の容量値Ｃが決められている。また、容量３０２は固定容量（容量値Ｃ０）と可変容量３０５（容量値Ｃ２）から構成される。容量３０２の容量値は、その和であるＣ０＋Ｃ２で表される。可変容量３０５の容量値（＝Ｃ２）は、ＶＤＤレベル判定回路３０９から与えられるＮ本の制御信号（以降、ディジタル制御信号３０４）で変動させることが可能である。この無線通信装置では、ディジタル変調信号生成器３１０とアンテナ３０３の変調器３１２とが変調信号出力部を構成し、残りの電子部品により無線電力変換器が構成されている。
無線電力変換器は、ディジタル制御信号３０４の変化に応じて可変容量３０５の容量値を変化させ、アンテナ３０３の共振ピーク値をｆから変化させる。可変容量の回路図の例を図４Ａに示す。容量４０１は、スイッチ４０２に接続され、可変容量の外部からスイッチ４０２に接続されたディジタル制御信号４０３によって可変される。スイッチ４０２を構成する個々のスイッチは、Ｎ本の制御信号の何れかと接続しており、出力電圧がＧＮＤから所望値Ｖ_０に成るまでの間に順番にオンする閾値を有している。容量４０１を構成する並列に配置された各容量は、スイッチ４０２を構成するそれぞれのスイッチによって電気的に接続／開放がなされ、容量４０１の値に組み入れられるか否かを制御信号に基づき制御される。このように、入力４０４から見た容量４０１の対ＧＮＤ容量は、ディジタル制御信号で変更可能である。なお図中では簡便のため、容量４０１を構成するキャパシタそれぞれの値を同一のＣ１と記載している。しかし当該値は、必ずしも同一の値である必要はなく、共振周波数を設定するのに適した任意の値を設定すればよい。
アンテナ３０３において電磁波から変換された電気信号（エネルギー）は、整流子３０６へと入力される。この整流子３０６は複数のダイオードで構成される。各ダイオードからは、電気信号の有する交流の正負の成分から半波整流により正の成分のみが出力される。整流子３０６は、デカップリング容量３０７と接続され、整流されて整流子３０６を出た電気信号は、このデカップリング容量３０７に充電される形で蓄積される。この整流子３０６とデカップリング容量３０７を接続する配線を電源電圧（以下ＶＤＤと略記する）配線３０８とする。整流子とデカップリング容量の回路図の例を図４Ｂに示す。この図において、整流子４０８は、ダイオード４０６とダイオード４０７の２段で構成されている。また、デカップリング容量４０９は、それぞれのダイオードに接続された容量で構成される。即ち、入力４０５から入力されたアンテナ３０３の出力交流信号は、各ダイオード４０６、４０７でそれぞれ半波整流され、各ダイオードの出力は各デカップリング容量４０９において充電される。
上記、ＶＤＤ配線３０８においてデカップリング容量３０７で保持された信号レベルは、ＶＤＤレベル判定回路３０９、およびディジタル変調信号生成器３１０のそれぞれへ入力される。ここで、ＶＤＤレベル判定回路３０９の回路構成例を図５に示す。ＶＤＤレベル判定回路３０９は、ＶＤＤ配線５０１（３０８）の電位レベルから接地電位（ＧＮＤ）レベルまでの間を、Ｍ（Ｍは正の整数）個の直列に接続されたダイオード群５０２を含むように構成される。ここでＭ個のダイオード群を用いる理由は、ＧＮＤレベルからＶＤＤ配線５０１の電圧レベルまでの間をＭ等分に分圧することであるから、抵抗分割により構成してもかまわない。ＶＤＤレベル判定回路３０９は、ＶＤＤ配線５０１からＧＮＤまでの各ノードに加わる電位差はＭ等分する。そして、ＶＤＤレベル判定回路３０９は、Ｍ個のダイオード全てあるいはそれ以下のＮ（Ｎは正の整数）個のダイオードに加わる電圧値に対応して、Ｎ本の信号でディジタル的に可変容量を変化させる制御信号を出力する。
再度、図３を参照する。ＶＤＤレベル判定回路３０９から出力されたＮ本の制御信号３０４は、アンテナ３０３に含まれる可変容量３０５へと接続される。
ＶＤＤレベル判定回路３０９では、ＶＤＤ配線３０８の電圧レベルがＧＮＤに対して高い値をとるに従い、Ｎ本で構成される制御信号の出力電圧レベルを高くする。Ｎ本の制御信号３０４の出力レベルは、可変容量３０５に含まれる各スイッチ（図４Ａ参照）のトランジスタゲート閾値を超える値を持つ成分を多くする。そのため、スイッチとして動作する各トランジスタが接続された制御信号線の電圧値に基づいて順次ターンオンし、可変容量値が変化する。この接続によって、ＶＤＤ配線３０８の電圧レベルは、可変容量３０５の値と１対１に対応することとなる。即ち、可変容量３０５はアンテナ３０３の共振ピーク値に対応するので、ＶＤＤ配線３０８の電圧レベルとアンテナ３０３の共振ピーク値とがリンクする。
一方でディジタル変調信号生成器３１０は、内部にＱビットのデータを保持している。ＶＤＤ配線３０８で保持される電圧レベルが所望の値Ｖ_０に達すれば、ディジタル変調信号生成器３１０は、一定の時間間隔に従って前記Ｑビットのデータシーケンスから成るディジタル変調信号３１１を出力する。ディジタル変調信号生成器３１０から出力されたディジタル変調信号３１１は、アンテナに含まれる変調器３１２へ入力される。なお、ディジタル変調信号生成器３１０は、ディジタル変調信号３１１を出力する機能を有すればよく、それ以外によって構成を制約するものではない。
次に、第一の実施の形態の動作について、図３、図４、図５の構成例、図６の動作図を参照しつつ、詳細に説明する。
まず、動作開始時点においてＶＤＤ配線３０８の保持している電圧レベルはＧＮＤに等しい、とする。このことから、ＶＤＤレベル判定回路３０９においてＭ個の各ダイオードにかかる電圧は０Ｖであるので、ＶＤＤ配線３０８からＧＮＤまでの分圧であるＮ本の制御信号３０４は全てＧＮＤと同じ値を出力し、可変容量３０５を構成する各容量（図４Ａ参照）は全てオフ（未接続）となる。このため、アンテナ３０３を構成する容量３０２の値は、固定成分の容量値Ｃ０のみとなり、アンテナ３０３の共振ピーク値ｆは、下記式１で表現される。

アンテナ３０３の周波数特性で図６に示すように値が大きいほど、アンテナ３０３から出力される電気信号の有する電力（エネルギー）が大きいことを意味する。これは、回路動作に供することができる電力も当該周波数において大きくなることを意味する。よって、本構成回路をアンテナ３０３からの回収した電力のみで動作させる場合、動作立ち上げにおいて、初期条件として本構成回路の電力を賄える回収効率を有する帯域幅ｆｄの範囲内で必要な強度の電磁波が飛来していなければならない。このことにより、電力エネルギーは、アンテナ３０３での電磁波から電気信号への変換と整流子３０６での整流とを経て、直流成分としてデカップリング容量３０７に蓄積され、ＶＤＤ配線３０８の示す電圧レベルの値と共に、時間が経つにつれて増加する。
次に、ＶＤＤ配線３０８の示す電圧レベルの値が動作開始からの時間経過とともに上昇し、この電圧値の上昇にともない、可変容量３０５の各スイッチが順次オンする。この結果、コイル３０１と並列に接続されて共振する容量の値が増えることになり、アンテナ３０３の共振周波数が下がる（下記式２参照）。ここで、式２においてｎはオンしたトランジスタ数を示す。可変容量３０２を構成する単位容量値は全て等しくＣ１としているが、実際は任意の値で構わない。

図６では、ＶＤＤ配線３０８に保持される電圧レベルに応じてアンテナ共振周波数がどのようにシフトするかを示している。ＶＤＤ配線３０８に保持される電圧レベルにより、アンテナ３０３の共振周波数が離散的にシフトしていく様子が示されている。ＶＤＤ配線３０８での電圧レベル（直流電圧値と呼ぶことがある）が所望の値Ｖ_０に到達すれば、この共振点のシフトも停止する。即ち、本回路構成の動作に足りる電源電圧値を発見した後、アンテナ３０３の周波数特性が固定される。そして、アンテナ３０３の周波数特性が固定されることによって、ＶＤＤ配線３０８での電圧レベルの保持が継続されることになる。
なお、図６は、図４の可変容量を用いた場合である。図６では、直流電圧値は４つの共振周波数（ｆ_０、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３）により、それぞれ４段階の電圧レベルまでそれぞれ昇圧している。共振周波数ｆ_０で直流電圧値のＧＮＤからＶ_０／４まで、共振周波数ｆ_１で直流電圧値のＶ_０／４からＶ_０／２まで、共振周波数ｆ_２で直流電圧値のＶ_０／２から３Ｖ_０／４まで、共振周波数ｆ_３で直流電圧値の３Ｖ_０／４からＶ_０（：所望値）まで、それぞれ昇圧している。ここでは１つの共振周波数の区間内で昇圧する直流電圧の値は等しく、それぞれＶ_０／４電圧である。しかしながら、共振周波数（可変容量によって定まるｆ）の数や、１つの共振周波数により昇圧させる電圧レベルの電圧値は任意に設定することができる。なお、共振周波数の数は多い方が好ましい。ここで共振周波数は、共振ピークの周波数で代表して示しているが、アンテナで受信可能な周波数帯には、共振ピークの周波数と、その前後の周波数帯域も含まれる。従って、上記共振周波数として、共振ピークの周波数と、その前後の周波数帯域とが含まれるものも使用できる。
さらに、所望の直流電圧レベル値（Ｖ_０）に昇圧される直前の電圧範囲で、例えばディジタル変調信号生成器が動作する電圧範囲においては、多くの共振周波数に切り替え昇圧動作するように回路構成を設定することがより好ましい。１つの共振周波数により昇圧させる直流電圧の設定レンジは、昇圧された直流電圧値が高くなって、所望の直流電圧値に近い場合（例えば、３Ｖ_０／４からＶ_０までの間）には、昇圧された直流電圧値が低い場合（例えば、ＧＮＤから３Ｖ_０／４までの間）に比べて、狭いレンジとすることが好ましい。即ち、昇圧された直流電圧値が高くなると、１つの共振周波数により昇圧させる直流電圧のレンジを狭くし、多くの共振周波数に切り替えるように回路構成を設定する。
このように狭い電圧のレンジに対し、多くの共振周波数に切り替える場合には、環境電波のなかの強い電磁波の周波数帯域を利用することができる。強い電磁波の周波数帯域を利用することで、所望の電圧レベル値（Ｖ_０）近傍の電圧レベルが安定的に得られ、その直流電圧を利用する回路が安定的に動作する。従って、多くの共振周波数に切り替えを可能とした構成とすることで、不特定の環境電波の周波数に適応できる。そのため本発明に係る多くの共振周波数に切り替えを行なえる無線電力変換器は、特に環境電波に適応しやすい適応的無線電力変換器と呼ぶことができる。
上記動作のように、ＶＤＤ配線３０８の示す直流電圧値が所望の電圧値（Ｖ_０）まで昇圧されて、その電圧レベルが確保保持されると、無線通信装置は、半導体集積回路内で保持しているデータを送信するための通信動作へと移る。まず、ディジタル変調信号生成器３１０にてＱビットのデータシーケンスがシリアル化されてディジタル変調信号３１１として出力され、変調器３１２へと入力される。ここでディジタル変調信号３１１が“ＨＩＧＨ”のときは変調器３１２に含まれる容量がオンになり、受信した環境電波を反射する。この動作では受信した環境電波が整流子３０６へ入力されないので、電力エネルギーがデカップリング容量３０７に充電されずに、ディジタル変調信号生成器３１０などの回路において回収した電力が消費されるのみであるから、ＶＤＤ配線３０８での電圧保持レベルは徐々に下がることになる。
同じくディジタル変調信号が“ＬＯＷ”のときは変調器３１２がオフとなり、受信した環境電波は反射されずに、動作立ち上げ時と同様にデカップリング容量に電力として充電される。以上の動作から、データ送信が続けばアンテナ３０３の共振点の変化は動作立ち上げ時の逆の変化となる。この共振点の変化は、データ“ＨＩＧＨ”の送信時は徐々に高い周波数へとシフトして行き、データ“ＬＯＷ”の送信時は充電動作による共振点シフトで低い周波数シフトへ向かうので、両者は打ち消される。結果的に、データ送信中は、前記動作立ち上げで検出した環境電波の強い周波数帯域周辺で、アンテナ３０１の周波数特性は固定される。
以上説明したように、本発明によれば、入力された環境電磁波を効率的に直流電圧に変換する無線電力変換器が得られる。本発明の無線電力変換器は、コイル、固定容量および可変容量から構成されたアンテナと、アンテナから出力される交流信号を整流信号として出力する整流子と、整流信号を充電し、直流電圧として保持するデカップリング容量と、保持された前記直流電圧を分圧して、可変容量の値をディジタル的に制御するＮ本の制御信号を出力するＶＤＤレベル判定回路と、を備えている。アンテナがアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信し、直流電圧に変換することで直流電圧は昇圧する。昇圧された直流電圧のそれぞれの値に応じて、アンテナ共振周波数をそれぞれ変更させる。アンテナは昇圧される直流電圧のそれぞれの値に応じたアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波をそれぞれ受信することで、直流電圧を所望の直流電圧まで昇圧することができる。
さらに、これらの無線電力変換器を備えた無線通信装置が得られる。無線通信装置は、単一のアンテナのみから整流子／デカップリング容量において電磁波を一定の電圧レベルへと変換し、ディジタル変調信号を生成することが可能になる。このため無線通信装置は、データ受信は扱えないが、アンテナを電力変換／変調信号出力の２つの機能で共用することができ、アンテナ数に起因するコスト増加を抑えることができる。本発明の無線電力変換器を、環境電波から直流電圧に変換に電源として利用することで、無線通信装置をバッテリレス、またリーダ／ライタからの電力供給を受けることなく構成することができる。
なお、無線通信装置は、バッテリレスとすることが望ましいが、必要に応じて、本発明の無線電力変換器と平列にバッテリを使用できるように構成するようにしてもよい。
また、無線電力変換器から得られた電力は、半導体集積回路の全ての動作に使用してもよいし、アンテナからデータシーケンスを送信する電力のみに用いてもよい。
また、無線通信装置は、無線電力変換器の要素を、半導体集積回路内に形成することとしたが、アナログ素子については半導体集積回路の付属部品とすることも可能である。
以上、実施の形態例として本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で様々な変更をすることができる。
この出願は、２００９年９月８日に出願された日本出願特願２００９−２０６６９４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. コイル、固定容量および可変容量を含み構成されたアンテナと、前記アンテナから出力される交流信号を整流信号として出力する整流子と、前記整流信号を充電し、直流電圧として保持するデカップリング容量と、保持された前記直流電圧を分圧して、前記可変容量の値を制御するＮ本（Ｎは正の整数）の制御信号を出力するＶＤＤレベル判定回路と、を備え、
   前記アンテナがアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信し、前記デカップリング容量に充電される電力に変換することで前記直流電圧を昇圧し、昇圧された前記直流電圧の値に応じて前記可変容量を変更することによって前記アンテナ共振周波数をそれぞれ変更させ、前記アンテナに、昇圧される前記直流電圧のそれぞれの値に応じた周波数帯域の環境電磁波をそれぞれ受信することで、前記直流電圧を所望の直流電圧まで昇圧することを特徴とする入力された環境電磁波を直流電圧に変換する無線電力変換器。
2. 前記アンテナに設定する１つのアンテナ共振周波数を示す区間として、
   昇圧される直流電圧の電圧レンジを割当てる区間が、昇圧された直流電圧値が他の区間に対して所望の直流電圧値に近い場合に、昇圧された直流電圧値が当該区間に比べて低い区間よりも、狭い電圧レンジを割当てる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線電力変換器。
3. 前記直流電圧が所望の直流電圧値まで昇圧された場合には、昇圧動作を停止し、昇圧した直流電圧が前記所望の直流電圧値より低下した場合には昇圧動作を再開することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線電力変換器。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の無線電力変換器と、ディジタル変調信号生成器と、変調器と、を備え、
   前記ディジタル変調信号生成器は内蔵しているデータシーケンスを前記変調器に出力し、前記変調器が設けられたアンテナから前記データシーケンスを送信することを特徴とする無線通信装置。
5. 前記無線電力変換器が、環境電磁波を受信して直流電圧への変換を開始し、前記直流電圧が前記所望の直流電圧値に昇圧した後に、前記データシーケンスを送信することを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
6. 前記データシーケンスのデータが、ハイレベルの場合には受信した環境電磁波を反射し、ローレベルの場合には受信した環境電磁波から動作電力を得ることで、データ送信することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記無線電力変換器は、半導体集積回路内に内蔵形成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の無線通信装置。
8. 前記無線電力変換器は、半導体集積回路内に標準ＣＭＯＳロジックを用いて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の無線通信装置。
9. コイル、固定容量および可変容量を含み構成されたアンテナと、前記アンテナから出力される交流信号を整流信号として出力する整流子と、前記整流信号を充電し、直流電圧として保持するデカップリング容量と、保持された前記直流電圧を分圧して、前記可変容量の値を制御するＮ本（Ｎは正の整数）の制御信号を出力するＶＤＤレベル判定回路と、を備え、
   前記直流電圧が接地電位であり、前記アンテナは、そのアンテナ共振周波数が第１のアンテナ共振周波数であり、この第１のアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信することで前記直流電圧を第１の電圧まで昇圧し、前記第１の電圧まで昇圧された直流電圧値に応じて、そのアンテナ共振周波数を前記第１のアンテナ共振周波数から第２のアンテナ共振周波数に変更される第１のステップと、
   前記アンテナが第２のアンテナ共振周波数と同じ周波数の環境電磁波を受信することで前記直流電圧を第２の電圧まで昇圧され、前記第２の電圧まで昇圧された直流電圧値に応じて、そのアンテナ共振周波数を前記第２のアンテナ共振周波数から第３のアンテナ共振周波数に変更される第２のステップと、
   前記第２のステップを繰り返すことで、前記直流電圧の値を所望の電圧値まで昇圧することを特徴とする環境電磁波から電力を得る無線電力変換器の昇圧動作方法。
10. 前記無線電力変換器は、半導体集積回路内に内蔵形成されていることを特徴とする請求項９記載の無線電力変換器の昇圧動作方法。
11. 請求項１０記載の無線電力変換器の昇圧動作方法を実現する半導体集積回路を内蔵し、前記無線電力変換器によって得られた電力のみを、当該半導体集積回路の電源とすることを特徴とする半導体集積回路の駆動方法。
12. 請求項１０記載の無線電力変換器の昇圧動作方法を実現する半導体集積回路を内蔵し、前記無線電力変換器によって得られた電力のみを使用して、前記アンテナからデータシーケンスを送信することを特徴とする半導体集積回路の駆動方法。

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