KR20230026311A - 안테나 장치, 정류 회로, 전원 장치 및 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
공간에 있는 전파 및 준정전계의 전계 에너지를 수신하고, 교류 신호로부터 직류로 정류하기 위한 정류 회로를 구비하고, 인체가 대지인 그라운드에 접지되어 있지 않은 상태에 있어서, 인체에 접촉해서 사용되는 제1 안테나 엘리먼트와, 제1 안테나 엘리먼트와는 다른 도체이며, 인체와는 접촉하지 않도록 마련된 제2 안테나 엘리먼트에 의해 구성된 안테나부를 갖고, 안테나부로부터 출력된 교류 신호 중, 인체에 접촉해서 사용되는 제1 안테나 엘리먼트로부터 정류 회로로 출력되는 입력 선로가 정류 회로에 직렬로 접속되어 있는 안테나 장치이다.
Description
본 기술은 에너지 하비스트 기능을 구비하는 안테나 장치, 정류 회로, 전원 장치 및 전자 기기에 관한 것이다.
신변에 존재하고 있는 방송파 등의 전파의 에너지를 전력으로 변환하는 것(에너지 하비스트)이 생각되고 있다. 종래의 전파를 사용한 에너지 하비스트에 있어서는, 공간 안에 있는 전력을 도입하기 때문에, 수신할 전파의 주파수에 맞춘 안테나를 형성하고, 여기에 정류 회로를 접속하여, 에너지를 축적하고 있다. 이 방법으로는, 수신할 주파수에 각각 맞춘 안테나가 필요하고, 또한 에너지로서 도입할 수 있는 전력이 한정되어 있었다.
특허문헌 1에는, 인체를 안테나 또는 그라운드로서 기능시킴으로써, 공간으로부터의 전파의 에너지를 도입하는 것이 기재되어 있다.
인체에 접촉해서 인체를 통해 공중을 전파하는 전파의 전자 에너지를 도입하기 위한 입력 단자부를 마련하고, 그 입력 단자로부터 입력된 교류 파형의 전력을 정류하여, 직류 파형으로 변환하고, 전력으로서 축전지에 충전하는 방법이 기재되어 있다. 그 입력 단자와 정류 회로 사이에는, 안테나와의 임피던스 정합을 위한 정합부가 마련되어 있고, 저항, 캐패시터, 인덕 등으로 구성되어 있다.
특허문헌 1의 문제는, 공중을 전파하는 전파의 전자 에너지만을 대상으로 하고, 인체를 포함하는 안테나와의 사이에서, 임피던스의 정합을 취하기 위한 정합부를 마련한 것에 의해, 수전할 수 있는 전력이 현저하게 작아져버린 것이다. 특허문헌 1에서의 실험 결과로부터는, 1분간에 MAX 100㎶ 정도밖에 취할 수 없어, 응용 범위가 매우 한정된 것으로 되어 있었다. 본 기술은 그러한 문제를 해결한 것이다.
본 기술은, 인체에 접촉해서 인체를 안테나로 하기 위한 입력 단자부에는, 후단의 정류 회로와의 접속에 있어서, 인체는 폭넓은 주파수에 대응하므로, 정합 회로를 마련하지 않고, 직렬로 접속하도록 하고, 순방향 전류에 대하여, 매우 작은 역방향 전류의 다이오드로 정류한 것이다. 이에 의해, 종래의 전파에 더하여, 주파수로서는, 매우 작은 사람이 걸을 때에 발생하는 전계인 수㎐의 전력이나 전원으로부터 누설되어 오는 50/60㎐와 같은 전파가 아닌 준정전계(근방계)의 전력을 효율적으로, 수신할 수 있도록 한 것에 있다. 즉, 인체와 접속되는 입력 단자부와 정류 회로 사이에는, 안테나 형상을 고려하지 않아도 되어, 정합 회로가 불필요해진 것이다. 이에 의해, 안테나 장치의 그라운드 또는 다른 안테나 엘리먼트가, 캐패시터 결합으로, 대지의 접지와 함께 전계를 만드는 구조로 함으로써, 전파 이외의 준정전계에 있어서의 전계 에너지를, 도입하는 것이 가능해졌다. 즉, 전원 코드나 인버터로부터 누설되는 전력이나 노이즈를 수신해서 에너지로 변환하는 것을 가능하게 하였다. 즉, 넓은 범위의 전계 에너지를 수신할 수 있는 것에 의해 수신 전력을 증대 시킬 수 있다. 준정전계란, 방사 전자계 소위 전파와 같이 전반하는 성질이 없고, 사람이나 차량, 물질 근방에 정전기 대전과 같이 분포하는 전압 현상이다. 정전계가 시간 변화 제로로 간주하는 것에 비하여 준정전계는 주파수 성분을 갖고, 시간 변화를 수반하는 것이다.
따라서, 본 기술의 목적은, 종래의 인체를 이용해서 전파의 에너지를 전력으로 변환하는 것과 다른 구성이고, 광범위하게 존재하고 있는 전파에 더하여, 준정전계(근방계)의 전계 에너지를 도입하는 것에 의해 보다 큰 수신 전력을 얻을 수 있는 안테나 장치, 정류 회로, 전원 장치 및 전자 기기를 제공하는 데 있다.
본 기술은, 공간에 있는 전파 또는 준정전계의 전계 에너지를 수신하고, 교류 신호로부터 직류로 정류하기 위한 정류 회로를 구비하고, 인체가 대지인 그라운드에 접지되어 있지 않은 상태에 있어서, 인체에 접촉해서 사용되는 도체인 제1 안테나 엘리먼트와, 제1 안테나 엘리먼트와는 다른 도체이며, 인체와는 접촉하지 않도록 마련된 제2 안테나 엘리먼트에 의해 구성된 안테나부를 갖고,
안테나부로부터 출력된 교류 신호 중, 인체에 접촉해서 사용되는 제1 안테나 엘리먼트로부터 정류 회로로 출력되는 입력 선로가 정합 회로 등 없이, 정류 회로에 직렬로 접속되어 있는 안테나 장치이다.
도 1은 본 기술에 따른 수신 장치의 일 실시 형태의 블록도이다.
도 2의 A, 도 2의 B 및 도 2의 C는 수신 장치에 포함되는 안테나 장치의 평면도 및 단면도이다.
도 3은 기기 기판을 포함하는 안테나 장치의 일례를 설명하기 위한 개략선도이다.
도 4는 기기 기판을 포함하는 안테나 장치의 다른 예를 설명하기 위한 개략선도이다.
도 5의 A, 도 5의 B 및 도 5의 C는 제2 안테나 엘리먼트의 구체예를 각각 도시하는 개략선도이다.
도 6의 A 및 도 6의 B는 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 개략선도이다.
도 7은 정류 회로의 일례의 구성을 나타내는 접속도이다.
도 8은 정류 회로의 다른 예의 구성을 나타내는 접속도이다.
도 9는 정류 회로의 다이오드의 특성의 설명을 위한 그래프이다.
도 10은 일 실시 형태의 변형예의 블록도이다.
도 11의 A, 도 11의 B, 도 11의 C는 일 실시 형태의 출력의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12의 A 및 도 12의 B는 일 실시 형태의 출력의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13의 A 및 도 13의 B는 일 실시 형태의 피크 게인 측정의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14의 A 및 도 14의 B는 일 실시 형태의 피크 게인 측정의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 일 실시 형태의 동작의 설명에 사용하는 개략선도이다.
도 16은 인체의 발생하는 전압의 파형의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 17은 본 기술에 따른 전원 장치의 일 실시 형태의 블록도이다.
도 18은 본 기술에 따른 전원 장치의 다른 실시 형태 블록도이다.
도 19는 본 기술에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 20의 A 및 도 20의 B는 본 기술을 노트북형 퍼스널 컴퓨터의 조작에 적용한 응용예의 구성을 도시하는 개략선도이다.
도 21은 도 20의 구성에 의해 얻어진 전압 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 기술에 따른 전원 장치의 또 다른 실시 형태의 블록도이다.
도 23은 본 기술에 따른 전원 장치의 또 다른 실시 형태의 블록도이다.
도 24의 A 및 도 24의 B는 출력을 증가시키기 위한 일반적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 25는 안테나 장치를 직렬 접속한 구성의 일례의 블록도이다.
도 26은 도 25의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 27은 안테나 장치를 직렬 접속한 구성의 다른 예의 블록도이다.
도 28은 도 27의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 29는 안테나 장치를 병렬 접속한 구성의 일례의 블록도이다.
도 30은 도 29의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 31은 안테나 장치를 병렬 접속한 구성의 다른 예의 블록도이다.
도 32는 도 31의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 33의 A 및 도 33의 B는 안테나의 개수를 증가시키는 경우의 설명에 사용하는 개략선도이다.
도 34의 A 및 도 34의 B는 안테나의 개수를 증가시키는 경우의 설명에 사용하는 접속도이다.
도 2의 A, 도 2의 B 및 도 2의 C는 수신 장치에 포함되는 안테나 장치의 평면도 및 단면도이다.
도 3은 기기 기판을 포함하는 안테나 장치의 일례를 설명하기 위한 개략선도이다.
도 4는 기기 기판을 포함하는 안테나 장치의 다른 예를 설명하기 위한 개략선도이다.
도 5의 A, 도 5의 B 및 도 5의 C는 제2 안테나 엘리먼트의 구체예를 각각 도시하는 개략선도이다.
도 6의 A 및 도 6의 B는 안테나 장치의 동작을 설명하기 위한 개략선도이다.
도 7은 정류 회로의 일례의 구성을 나타내는 접속도이다.
도 8은 정류 회로의 다른 예의 구성을 나타내는 접속도이다.
도 9는 정류 회로의 다이오드의 특성의 설명을 위한 그래프이다.
도 10은 일 실시 형태의 변형예의 블록도이다.
도 11의 A, 도 11의 B, 도 11의 C는 일 실시 형태의 출력의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12의 A 및 도 12의 B는 일 실시 형태의 출력의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13의 A 및 도 13의 B는 일 실시 형태의 피크 게인 측정의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14의 A 및 도 14의 B는 일 실시 형태의 피크 게인 측정의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 일 실시 형태의 동작의 설명에 사용하는 개략선도이다.
도 16은 인체의 발생하는 전압의 파형의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 17은 본 기술에 따른 전원 장치의 일 실시 형태의 블록도이다.
도 18은 본 기술에 따른 전원 장치의 다른 실시 형태 블록도이다.
도 19는 본 기술에 따른 전원 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 20의 A 및 도 20의 B는 본 기술을 노트북형 퍼스널 컴퓨터의 조작에 적용한 응용예의 구성을 도시하는 개략선도이다.
도 21은 도 20의 구성에 의해 얻어진 전압 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 기술에 따른 전원 장치의 또 다른 실시 형태의 블록도이다.
도 23은 본 기술에 따른 전원 장치의 또 다른 실시 형태의 블록도이다.
도 24의 A 및 도 24의 B는 출력을 증가시키기 위한 일반적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 25는 안테나 장치를 직렬 접속한 구성의 일례의 블록도이다.
도 26은 도 25의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 27은 안테나 장치를 직렬 접속한 구성의 다른 예의 블록도이다.
도 28은 도 27의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 29는 안테나 장치를 병렬 접속한 구성의 일례의 블록도이다.
도 30은 도 29의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 31은 안테나 장치를 병렬 접속한 구성의 다른 예의 블록도이다.
도 32는 도 31의 회로 접속의 일례를 나타내는 접속도이다.
도 33의 A 및 도 33의 B는 안테나의 개수를 증가시키는 경우의 설명에 사용하는 개략선도이다.
도 34의 A 및 도 34의 B는 안테나의 개수를 증가시키는 경우의 설명에 사용하는 접속도이다.
이하에 설명하는 실시 형태는, 본 기술의 적합한 구체예이며, 기술적으로 바람직한 다양한 한정이 부가되어 있다. 그러나, 본 기술의 범위는, 이하의 설명에 있어서, 특히 본 기술을 한정하는 취지의 기재가 없는 한, 이들 실시 형태에 한정되지 않는 것으로 한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 동일한 명칭, 부호에 대해서는 동일 혹은 동질인 구성 요소를 나타내고 있고, 중복된 설명을 적절히 생략한다.
도 1은 본 기술에 따른 에너지 하비스트 기능을 구비하는 안테나 장치의 일 실시 형태를 나타낸다. 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트로 이루어지는 안테나부(1a)에 의해 전계 에너지가 수신되고, 안테나부(1a)의 출력이 정류 회로(2)로 공급된다. 안테나부(1a) 및 정류 회로(2)에 의해 안테나 장치(1)가 구성된다.
정류 회로(2)의 출력이 충전기(3)로 공급된다. 충전기(3)에 대하여 축전 소자(4)가 접속되어 있다. 축전 소자(4)가 충전기(3)에 의해 충전된다. 충전기(3)가, 축전 소자(4)의 방전을 제어하도록 해도 된다. 안테나 장치(1), 충전기(3) 및 축전 소자(4)에 의해 수신 장치가 구성된다. 축전 소자(4)에 대하여 부하(5)가 접속된다. 축전 소자(4)에 축적된 전력에 의해 부하(5)가 동작한다. 부하(5)는, 예를 들어 마이크로컴퓨터, 무선 통신부, 센서 등이다. 마이크로컴퓨터의 제어에 의해, 센서의 출력이 무선 송신된다.
안테나 장치(1)는 인체와 접하는 제1 안테나 엘리먼트와 제2 안테나 엘리먼트에 의해 구성되어 있다. 안테나 장치에 대해서, 제1 안테나 엘리먼트로서의 안테나 엘리먼트(11)가 판상(패치상)으로 구성된 도 2의 A(평면도), 도 2의 B(단면도) 및 도 2의 C(단면도) 그리고 정류 회로(2)(후술한다)가 탑재되는 기판도(도 3)를 참조하여 설명한다. 도 2의 A, 도 2의 B, 도 2의 C에 나타내는 바와 같이, 접촉부로서의 안테나 엘리먼트(11)는 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 또는 합금 등의 도체로 구성된 판상의 것이다. 또한, 안테나 엘리먼트(11)는 도체이며, 카본이나 금속 등이 배합된 도전성 수지나 도전성 고무와 같이 전기를 통과시키는 것이어도 된다. 예를 들어 금이나 은을 사용함으로써, 저저항의 전극을 구성하는 것이 가능해진다. 또한 알루미늄, 구리, 철, 니켈 등을 사용함으로써 안테나 엘리먼트(11)의 비용을 억제하는 것이 가능해진다. 또한 이들 금속이나 다른 금속과의 합금을 사용함으로써 경량의 전극이나, 내구성이 높은 전극 등을 적절히 구성하는 것이 가능해진다.
또한 안테나 엘리먼트(11)로서, 예를 들어 카본이나 금속 등이 배합된 도전성 수지나 도전성 고무 등이 사용되어도 된다. 도전성 수지를 사용함으로써, 예를 들어 여러 가지 형상의 전극을 용이하게 형성 가능하게 된다. 또한 도전성 고무를 사용함으로써, 탄성 변형이 가능한 전극이나 밀착성이 높은 전극 등을 구성하는 것이 가능해진다.
이 외에, 안테나 엘리먼트(11)의 재질은 한정되지 않고, 상기한 재료를 단체로 사용해도 되고, 각 재료를 조합해서 전극이 구성되어도 된다.
또한 안테나 엘리먼트(11)는, 인체에 전극을 구성하는 도체가 직접 접촉하도록 구성되어도 되고, 인체에 접촉하는 표면이 수지 코팅되어 있어도 된다. 코팅에는, 예를 들어 방수·방적과 같은 내수성이나, 자외선 등에 대한 내후성이 있는 수지가 사용된다. 이에 의해, 옥외나 풀 등에 사용되는 경우 등에, 안테나 엘리먼트(11)가 부식된다고 하는 사태가 회피된다. 이 밖에도, 유저가 운동하는 경우에 발생하는 땀이나, 습기 등으로부터 안테나 엘리먼트(11)를 보호하는 것이 가능해진다.
도 2의 B, 도 2의 C에서는, 예를 들어 판상(패치상)의 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(회로 기판)(12)이 대향 배치되어 있고, 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12) 사이에 유전체판(13)이 개재되어 있다. 유전체판(13)을 마련하지 않고, 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12) 사이를 공간으로 해도 된다.
안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12)을 전기적으로 접속하기 위해서, 안테나 엘리먼트(11)와 도전 핀(14)의 일단부가 전기적으로 접속되고, 도전 핀(14)의 타단부가 기기 기판(12)을 관통하고, 기기 기판(12)의 이면의 신호로 전극과 납땜되어 있다. 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12)의 구리박 패턴으로 형성된 그라운드에 의해 안테나부(1a)가 구성되어 있다. 그라운드가 제2 안테나 엘리먼트이다.
기기 기판(12)의 신호로 전극과 도전 핀(14)의 접속 부분이, 안테나의 급전 점(15)이 된다. 기기 기판(12)의, 예를 들어 이면에 회로부(16)가 마련되어 있다. 회로부(16)에는, 정류 회로(2)가 포함되어 있다. 정류 회로(2)는 기기 기판(12)의 구리박 패턴으로 형성된 그라운드(19)와는, 겹치지 않도록 이루어진다. 회로부(16) 내에, 충전기(3) 및 축전 소자(4)(도시하지 않음)가 포함되도록 해도 되지만, 별체로, 존재해도 된다.
상술한 구성의 안테나 장치는 케이스(17) 내에 수납된다. 케이스(17)의 안테나 엘리먼트(11) 이외의 인체의 접촉면은 수지 등의 절연 재료로 구성되어 있다. 또한, 인체와의 접촉면 이외의 케이스 측면, 케이스 반대면 등도 절연 재료로 구성되어 있다.
도 2의 C는, 케이스(17)가 수지 등의 비금속인 케이스(17A)와 금속인 케이스(17B)로 이루어지는 구성을 나타내고 있다. 기기 기판(12)의 상하 어느 쪽의 면에 있는 그라운드(19)와 케이스(17B)가 전기적으로 접속되는 구성으로 할 수도 있다. 즉, 안테나 엘리먼트(11)가 마련되어 있는 절연 재료의 케이스(17A)와, 그 반대측의 면을 구성하는 금속 재료의 케이스(17B)를 나사 등의 접속부(22)로 접속하고, 케이스(17B)와 기기 기판(12)의 그라운드(19)를 와이어(23)에 의해 접속하도록 해도 된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 회로 기판(12)에는, 구리박 패턴으로 형성된 그라운드(19)가 형성되어 있고, 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12)의 구리박 패턴으로 형성된 그라운드(19)에 의해 안테나부(1a)가 구성되어 있다. 접지(19)가 제2 안테나 엘리먼트이다. 또한, 인체와 접촉 또는 접속되는 안테나 엘리먼트(11)에는, 정전 대책으로서, 수신 기기의 구리박 패턴으로 형성된 그라운드와의 사이에 정전기 보호 부품 예를 들어, 배리스터(18)가 삽입되어 있다. 또한, 배리스터(18)는 출력 단자(34a)와 그라운드(19) 사이에 접속해도 된다.
회로부(16)에는 정류 회로(2)가 포함되어 있다. 정류 회로(2)는 기기 기판(12)의 구리박 패턴으로 형성된 그라운드(19)와는, 겹치지 않도록 이루어진다. 안테나 엘리먼트(11)로부터 정류 회로(2)로 출력되는 입력 선로가 정합 회로를 통하지 않고 정류 회로에 직렬로 접속되어 있다. 회로부(16) 내에, 충전기(3) 및 축전 소자(4)(도시하지 않음)가 포함되도록 해도 되지만, 별체로, 존재해도 된다.
이어서, 상기 기판 상에 도 4에 도시한 바와 같이, 구리박 패턴으로 형성된 별체의 제2 안테나 엘리먼트(20)(사선 영역으로서 나타낸다)를 구성해도 된다. 이 경우, 별체의 제2 안테나 엘리먼트(20)는, 인체와 접하지 않도록 할 필요가 있다. 또한, 도 4에서는, 별체의 기판에 제작했지만, 수신기의 인체와의 반대이며, 인체와 접하지 않도록 구성된 하우징 등의 금속부에 형성해도 된다. 이 경우도 인체와 접하는 안테나 엘리먼트(11)에는, 정전 대책으로서, 수신 기기의 그라운드와의 사이에 정전기 보호 부품 예를 들어, 배리스터(21)를 삽입하는 것도 가능하다.
제2 안테나 엘리먼트(20)의 다른 구성을 도 5에 나타낸다. 도 5의 A는 미앤더 라인(20a)의 구성이고, 도 5의 B는 코일(20b)의 구성이고, 칩 코일의 구성으로 해도 된다. 도 5의 C는 선단부에 인덕터(20c)를 갖는 구성이다. 이들 구성은 점유 면적을 삭감할 수 있고, 안테나 길이를 길게 할 수 있어, 유기 전압을 증대할 수 있다.
신변에는, 매우 많은 전계 에너지가 존재하지만, 낮은 주파수 성분과 높은 주파수 성분으로 나눌 수 있다. 예를 들어 가정의 교류 전원으로부터의 누설 전계(50㎐/60㎐), 퍼스널 컴퓨터의 근방에 존재하는 노이즈, 사람이 보행 시에 발생하는 전압 등은, 낮은 주파수 성분이다. 이들은, 준정전계(근방계)라 칭해진다. 한편, 라디오 방송(AM/FM), 텔레비전 방송, 휴대 전화 전파 등은, 높은 주파수 성분이다. 이들은, 전파(원방계)라 칭해진다.
상술한 안테나부(1a)의 안테나 엘리먼트(11)가 인체와 접촉하도록 이루어진다. 인체의 신체의 일부, 예를 들어 암부에 대하여 안테나 엘리먼트(11)가 설치되어 있다. 안테나 장치(1)는 인체를 안테나로 한 것으로, 누설 전류인 노이즈와 같은 준정전계와 방송파와 같은 전파의 양쪽의 에너지를 도입할 수 있다.
도 5의 A에 나타내는 바와 같이, 전기적으로는, 인체와 안테나 엘리먼트(11)가 용량 결합으로 접촉하고 있다. 안테나 장치(1)로서는, 안테나 엘리먼트(11)가 인체와 직접 접촉하는 쪽이 좋지만, 기본적으로는 용량이 커지도록 면으로 접촉하는 것이 바람직하다. 그러나, 면에 한하지 않고, 인체와 접촉하고 있으면, 평면 상 이외에 핀 구조, 반구상, 요철로 끼워 맞추는 구조여도 된다. 인체와 접촉하고 있는 안테나 엘리먼트(11)와 기기 기판(12)의 그라운드 전극, 또는 별체의 제2 안테나 엘리먼트(20)(도 4)에 의해 구성되는 안테나 장치(1)에 의해 전계 에너지를 수신해서 전력을 발생시킬 수 있다.
또한, 도 5의 B에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 팔에 안테나 장치(1)(사선 부분)를 설치한 상태에서는, 기기 기판(12)의 그라운드, 또는 별체의 제2 안테나 엘리먼트(20)(도 4)와 대지의 그라운드간이 용량 결합함으로써, 의사적인 그라운드를 형성한다고 생각할 수 있다. 이 안테나 장치(1)는, 낮은 주파수의 준정전계를 수신할 수 있다. 본 기술의 일 실시 형태의 안테나 장치(1)가, 예를 들어 50㎐와 같은 낮은 주파수로 공진하는 것은, 혈관이 안테나로서 보이고 있다고 생각할 수 있다. 이와 같이, 안테나 장치(1)는, 도 3 또는 도 4의 안테나 구성을 포함하는 것이며, 넓은 주파수 범위의 전파를 수신하는 것이 가능하게 되어 있다. 따라서, 본 기술에 따른 안테나 장치를 장착한 사람이, 있는 장소의 제약을 받지 않고 전계 에너지를 도입할 수 있다.
정류 회로(2)의 일례를 도 6에 도시한다. 에너지 하비스트와 같은 작은 전압을 취급하는 경우, 통상의 정류 회로로, 정류하지 못할 것도 없지만(여기에서는 도시하지 않음), 에너지를 빠르게 모으기 위해서는, 어느 정도의 전압이 필요해진다. 그 때문에, 배전압 회로와 같이, 승압해서 정류할 필요가 있다. 그래서, 다이오드의 전단에, 승압하고 싶은 레벨의 콘덴서를 삽입하고, 정류함으로써, 그 콘덴서분의 전압을 부가하여, 승압이 가능해진다. 따라서, 안테나부(1a)에 대하여 접속된 입력 콘덴서(26 및 27)와, 다이오드(28, 29, 30 및 31)와, 콘덴서(32, 33)로 이루어지는 전파 4배압 정류 회로의 구성을 사용했다. 콘덴서(32 및 33)의 직렬 접속의 양단으로부터 출력 단자(34a 및 34b)로부터는, 직류가 되어 출력된다. 금회의 구성으로는, 콘덴서(32, 33)는 전압 업에 더하여, 실제로 전류를 모으는 부분이 되므로, 이 부분의 용량은 조금 크게 하고, 누설 전류가 작은 것이 좋다.
본 예는, 전파 4배압 정류 회로이지만, 여기에서는 도시하지 않은, 통상의 반파 정류 회로, 전파 정류 회로, 배전압 정류 회로, 코크로프트·월튼 회로를 내장한 정류 회로로 해도 된다. 또한, 효율은 전파 정류 회로 쪽이, 교류 신호의 전압을 높여서, 모두 도입할 수 있으므로, 금회, 정류에 채용한 다이오드에 있어서는, 다이오드의 손실을 포함해도, 전파 정류 회로 쪽이 좋은 결과가 되었다. 도 7의 구성은, 2단의 4배압 정류이지만, 취출하는 전압을 높이고 싶은 경우에는, 단수를 더욱 증가시켜도 된다.
각 소자의 값의 일례를 이하에 나타낸다.
콘덴서(26, 27): 0.22μF, (32, 33): 47μF
다이오드(28, 29, 30, 31): 1N60(실리콘)
콘덴서를 사용하는, 예를 들어 배압 정류 회로의 경우, 역방향 바이어스 시의 다이오드의 누설 전류가 매우 작은 것이 중요하다. 누설 전류가 있는 경우에는, 전파 정류 회로가 적합하다. 정류 회로(2)의 다른 예(전파 정류 회로)를 도 8에 도시한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 다이오드(61 및 64)가 직렬 접속되고, 다이오드(63 및 62)가 직렬 접속된다. 다이오드(61)의 애노드 및 다이오드(64)의 캐소드의 접속점이 제1 안테나 엘리먼트(11)와 접속되고, 다이오드(63)의 애노드 및 다이오드(62)의 캐소드의 접속점이 제2 안테나 엘리먼트(20)와 접속된다. 다이오드(61)의 캐소드 및 다이오드(63)의 캐소드의 접속점이 역류 방지용 다이오드(65)를 통해 한쪽의 출력 단자(34a)에 접속되고, 다이오드(64)의 애노드 및 다이오드(62)의 애노드 접속점이 다른 쪽의 출력 단자(34b)에 접속된다. 출력 단자(34a 및 34b)간에, 정전 대책용 배리스터(66) 및 IC 보호용 제너 다이오드(67)(예를 들어 제너 전압이 6.5V)가 병렬로 접속된다.
또한, 디스크리트의 다이오드로 구성했지만, 전용 IC로 구성해도 된다. 정류 회로(2)에 사용한 다이오드의 순방향 전압 Vf와 역방향 전류 Is를 측정한 결과가, 도 9 및 표 1이다. 다이오드의 품번 1N60으로서, 실리콘과 게르마늄의 것을 측정하고, 그 외 품번 ISS108은, 게르마늄의 것으로 메이커가 다른 것을 사용해서 평가했다. 도 9에 있어서, 곡선 42가 1N60(실리콘)의 특성이고, 곡선 41이 1N60(게르마늄)의 특성이고, 곡선 43이 ISS108(게르마늄)의 특성이다.
다이오드의 역방향으로 전압을 가했을 때에 흐르는 전류가, 역방향 전류 Is이다. 표 1의 측정 데이터는, 10V를 다이오드의 역방향으로 가했을 때의 데이터이다. 순방향 전압 Vf는, 순방향 전류(1mA)가 다이오드에 흐르기 시작할 때의 전압이다.
상술한 안테나부(1a)(인체를 안테나로 한 장치)의 출력을 정류한 경우에는, 순방향으로 전류가 흐르기 시작하는 전압이 낮은 것보다, 역 방향으로 전류가 흐르지 않는 다이오드 1N60(실리콘) 쪽이 전력을 도입할 수 있는 것을 알 수 있었다. 정류되는 입력은, 교류이므로, 다이오드의 순방향 전압 Vf가 역방향으로 인가될 때의 역방향 전류 Is는, 표 1이 10V의 데이터이므로, 그것으로부터 Vf와 동일한 전압이 역방향으로 인가될 때의 역방향 전류 Is를 계산하면 1N60(실리콘)이 0.036μA이고, 1N60(게르마늄)이 0.21μA이고, ISS108(게르마늄)이 0.5μA이다. 따라서, 순방향 전류(1mA)/역방향 전류 Is의 비는, 계산하면, 1N60(실리콘)이 27778분의 1이고, 1N60(게르마늄)이 4762분의 1이고, ISS108(게르마늄)이 2000분의 1이다. 즉, 정류 회로(2)에 사용하는 다이오드로서는, 상술한 비율이 약 4700배보다 클 것이 필요하며, 바람직하게는 상술한 비율이 10000 이상이다. 이 결과, 예로 든 3개의 다이오드 중에서는, 1N60(실리콘)이 가장 적합한 특성을 갖고 있다.
또한, 다이오드의 특성으로 생각하면 역방향으로 인가될 때의 역방향 전류 Is는, 작은 쪽이 좋고, 10V의 데이터를 사용해서, 역방향 저항값을 계산하면 1N60(실리콘)이 100MΩ이고, 1N60(게르마늄)이 1.43MΩ이고, ISS108(게르마늄)이 0.38MΩ이다. 즉, 역 방향으로 전류가 흐르는 것을 저지하는 저항값이, 큰 것이 좋고, 정류 회로(2)에 사용하는 다이오드로서는, 상술한 저항값이, 1.43MΩ보다 큰 것이 필요하며, 바람직하게는 10MΩ 이상이다. 이 결과, 예로 든 3개의 다이오드 중에서는, 1N60(실리콘)이 가장 적합한 특성을 갖고 있다.
이러한 다이오드의 특성의 상이를 고려해서 도 10에 도시한 바와 같이, 2개의 정류 회로(2a 및 2b)를 마련하고, 다이플렉서(7)에 의해 안테나부(1a)의 출력을 2개의 주파수 성분으로 나누는 것도 가능하다. 다이플렉서(7)에 의해 나뉜 소정 주파수 미만, 예를 들어 1㎒ 미만의 낮은 주파수 성분이 한쪽의 정류 회로(2a)에 공급되어 정류된다. 또한, 소정 주파수 이상, 예를 들어 1㎒ 이상의 높은 주파수 성분이 다른 쪽의 정류 회로(2b)에 공급되어 정류된다. 이들 정류 회로(2a 및 2b)의 출력이 가산 회로(8)에 의해 가산되어 출력된다.
정류 회로(2a)를 구성하는 정류용 다이오드는, 낮은 주파수 성분의 준정전계로부터 발생한 전기 신호를 정류하는 데 적합한 특성, 예를 들어 순방향 전압 Vf 시에 있어서의 역방향 전류 Is가 작은 특성을 갖고, 정류 회로(2b)를 구성하는 정류용 다이오드는, 높은 주파수 성분의 방사 전자계의 전파로부터 발생한 전기 신호를 정류하는 데 적합한 특성, 예를 들어 순방향 전압이 낮은 특성을 갖고 있다. 안테나부(1a)의 출력 신호를 주파수 분리하는 다이플렉서(7)는, 가능한 한 손실이 적은 것으로 구성되어 있다. 또한, 소정 주파수의 1㎒는, 일례이며 다이오드 주파수 특성에 의해, 다른 주파수로 나누도록 해도 되고, 또한 주파수 분할을 3분할 이상으로 해도 된다.
본 기술의 일 실시 형태에 따른 안테나 장치를 실제로 출원인이 소유하는 창이 없는 실험실에서 동작시킨 경우에 얻어진 수신 신호의 파형을 도 11에 나타낸다. 도 11의 A, 도 11의 B, 도 11의 C는, 옥내(실내)에 있어서, 25㎒ 내지 500㎒의 주파수 범위의 수신 신호를 스펙트럼 애널라이저로 측정한 결과의 스펙트럼이다. 도 11의 A는, 안테나 장치(1)를 접속하지 않은 경우의 수신 신호 스펙트럼이고, 예를 들어 100㎒(사각의 마크로 나타낸다)의 수신 레벨이 (-91.37dBm)이다. dBm은 전력의 1밀리와트(mW)를 기준값으로 하는 데시벨(dB)의 값으로 나타낸 단위이며, 전파의 강도를 나타내고 있다. 도 11의 B는, 안테나 장치(1) 단체의 경우의 수신 신호 스펙트럼이고, 100㎒(사각의 마크로 나타낸다)의 수신 레벨이 (-79.77dBm, 27.23dB㎶)이다. 도 11의 C는, 안테나 장치(1)를 손으로 집은 경우의 수신 신호 스펙트럼이고, 100㎒(사각의 마크로 나타낸다)의 수신 레벨이 (-72.15dBm, 34.85dB㎶)이다. 도 11의 A, 도 11의 B, 도 11의 C로부터 안테나 장치(1)의 안테나 엘리먼트(11)가 인체에 접촉하고 있는 경우가 가장 큰 출력 신호가 얻어지는 것을 알 수 있다.
도 12의 A 및 도 12의 B는, 실제로 옥외에서 방송파, 휴대 전화 등의 전파를 수신 실험한 결과를 나타낸다. 본 기술의 일 실시 형태에 따른 안테나 장치를 사용해서 옥외에서 전파를 수신하여, 스펙트럼 애널라이저에 의해 측정한 결과이다. 도 12의 A 및 도 12의 B는, 옥외에 있어서, 50㎒ 내지 1㎓의 주파수 범위의 수신 신호의 스펙트럼이다. 종축이 전파의 강도(dBm)를 나타내고 있다. 도 12의 A는, 안테나 장치(1) 단체의 경우의 수신 신호 스펙트럼이고, 도 12의 B는 안테나 엘리먼트(11)를 손으로 집은 경우의 수신 신호 스펙트럼이다. 비교적 큰 진폭이 얻어지는 주파수는, FM 방송, 텔레비전 방송, 휴대 전화의 주파수 대역에 대응하고 있다. 이들 실험 결과로부터 옥내 및 옥외의 어느 것에 있어서도 안테나 장치(1)의 안테나 엘리먼트(11)가 인체에 접촉함으로써, 수신 레벨이 대폭으로 상승하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 13의 A 및 도 13의 B는, 동일한 안테나 장치(1)를 전파 암실에서 측정(피크 게인 측정)한 측정 결과를 나타낸다. 횡축이 주파수를 나타내고, 종축이 안테나 이득(dBd)을 나타내고 있다. 이들 측정 결과는, FM 방송의 VHF대의 측정 결과이며, 도 13의 A가 안테나 단체의 측정 결과를 나타내고, 도 13의 B는 안테나 엘리먼트(11)를 손에 접촉시킨 경우의 측정 결과를 나타낸다. 또한, 도 14의 A 및 도 14의 B는, 텔레비전 방송의 UHF대의 측정 결과이며, 도 14의 A가 안테나 단체의 측정 결과를 나타내고, 도 14의 B는 안테나 엘리먼트(11)를 손에 접촉시킨 경우의 측정 결과를 나타낸다. 도 13의 A, 도 13의 B, 도 14의 A 및 도 14의 B로부터 전파 암실에 있어서도, 안테나 엘리먼트(11)를 인체에 접촉시킴으로써 수신 게인이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 이들 도면에 있어서, 세선이 수평 편파의 특성을 나타내고, 실선이 수직 편파의 특성을 나타낸다.
또한, 도 15는 바닥 배선이 이루어져 있는 경우의 바닥 구조(소위 OA(오피스 오토메이션) 플로어)를 나타내고 있다. 철근 콘크리트의 토대(44)에 대하여, 금속판의 지지부(45)에 의해 바닥 금속판(46)이 지지되고, 바닥 금속판(46) 위에 플로어 카펫(예를 들어 타일 카펫)(47)이 깔려 있다. 토대(44)와 바닥 금속판(46) 사이의 형성된 공간에 전원 케이블(48)이 배치되어 있다. 전원 케이블(48)은, 상하로 구부러져 있고, 또한 사행하고 있다. 이러한 바닥 구조 위에 있는 사람의 몸의 일부에, 상술한 안테나 장치(1)의 안테나 엘리먼트(11)를 접촉시켰을 때, 안테나 장치(1)에 의해 수신되는 전력을 오실로스코프로 측정한 결과, 전원 주파수가 50㎐이며, 약 300㎷(p-p값)가 되었다. 이 실험에서도 알 수 있는 바와 같이, 안테나 장치(1)에 의해 실내의 전원 케이블로부터의 누설 전계(준정전계)로부터도, 상당한 전력을 도입할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 송전선 아래에 있어서 송전선으로부터의 누설 전계(준정전계)를 수신한 전력을 측정하면, 약 200㎷(p-p값)가 되었다. 또한, 사람이 보행하는 경우, 전계가 발생하고, 도 16에 도시한 바와 같은 전압 파형을 안테나 장치(1)에 의해 얻을 수 있다. 도 16의 종축이 전압(V)이고, 횡축이 시간(msec)이다. 이 보행 시에 발생하는 전계를 안테나 장치(1)에 의해, 에너지로서 도입할 수 있다.
도 2의 구성을 사용하여, 실제로 출원인이 소유하는 창이 없는 실험실에서, 실제로 인체에 접속하여, 어느 정도의 전력을 도입할 수 있을지의 실험을 행하였다. 그 결과, 실험실 내에서는, 1분간으로, 2V의 전력으로 LED를 점등시키는 것이 가능해질 정도의 전력을 얻을 수 있었다. 또한, 창측의 실험실에서는, 20초간에 2V의 전력을 얻는 것이 가능했다. 이에 의해, 특허문헌 1 기재의 실시예가, 1분간에 100㎶인 것을 생각하면 방 내부의 실험실에 있어서도 2만배의 수신 전력의 개선을 실현할 수 있게 된다.
상술한 본 기술의 일 실시 형태에 따르면, 안테나 엘리먼트를 인체에 접촉시킴으로써 공간에 발생하고 있는 준정전계 및 전파의 에너지, 그리고 보행 시에 인체에 발생하는 전계를 도입하는 것이 가능해진다. 도입한 에너지를 정류해서 이차 전지 등의 축전 소자에 축적하도록 하면, 사람이 소지하여 사용하는 전자 기기, 예를 들어 휴대 기기의 전원(전지)의 수명을 연장시킬뿐만 아니라, 제품에 따라서는, 충전이 필요없게 된다.
본 기술은, 인체가 도체이며, 통상은 구두나 양말 등의 절연물을 통해, 대지(GND)에 대하여 뜬 상태로 존재하고 있다. 이러한 상태에 있는 경우에 본 기술이 유효하다. 단, 일상에 있어서, 대지로부터 뜬 존재의 인체라도, 바다나 풀과 같이 맨발로 움직일 때는, 대지인 그라운드에 직접 접지되게 된다. 또한, 전철의 금속으로 만들어진 손잡이와 같은 것을 잡은 경우에 있어서도, 모처럼 모은 전력이 상실될 가능성이 있다.
그래서, 도 17에 도시한 바와 같이, 전력의 충전 상태를 항상, 또는 일정 시간 간격으로 감시하고, 전력이 상실되려고 하는 경우에 있어서, 인체와의 접속을 해제하도록 하는 구성을 채용해도 된다. 도 17은 예를 들어 인체의 한쪽 손이 안테나 엘리먼트(11)와 접촉하고 있는 상태에서, 다른 한쪽 손이 접지되어 있는 금속부(36)에 닿은 상태를 나타내고 있다.
안테나부(1a)와 정류 회로(2) 사이에 스위치(SW)가 접속되어 있다. 정류 회로(2)의 출력을 검출하는 검출기(35)가 마련되어 있다. 검출기(35)의 출력에 의해 스위치(SW)의 ON/OFF가 제어된다.
도 17은 전파 4배압 정류 회로의 예이지만, 도 18에 도시한 바와 같은 전파 정류 회로의 구성으로 해도 된다. 상술한 도 8과 마찬가지 구성이지만, 스위치(SW)를 접속하고 있으므로, 역류 방지용 다이오드(65)를 마련할 필요는 없다. 도 8의 소자와 대응하는 소자에 대하여 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명은 생략한다.
도 19에 도시한 바와 같이, 스텝 ST1에 있어서, 소정 시간 경과했는지 여부가 판정되며, 소정 시간 경과하면, 충전 용량이 저하되었는지 여부가 판정된다(스텝 ST2). 충전 용량이 저하되었다고 판정되면, 스위치(SW)가 OFF로 된다(스텝 ST3). 그 후, 소정 시간이 경과하였다고 스텝 ST4에 있어서 판정되면, 스위치(SW)가 ON으로 된다(스텝 ST5). 그리고, 처리가 스텝 ST1로 되돌아간다. 이와 같은 구성에 의해 충전 용량이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 스텝 ST4 대신에 충전 용량이 소정량이 된 것을 검출하도록 해도 된다.
본 기술은, 안테나를 인체로 하고, 안테나 장치(1)의 그라운드 또는 별체의 도체로, 전계를 만드는 구조로 함으로써, 수신할 수 있는 주파수가 안테나 형상에 의해 제약되는 일이 없다. 또한, 안테나 장치(1)의 그라운드 또는 별체의 도체가 대지의 그라운드와 용량 결합하는 구조로 함으로써, 전파 이외의 준정전계에 있어서의 전계 에너지도 도입할 수 있는 것이 가능해졌다. 즉, 전원 코드나 인버터로부터 누설되는 전력이나 노이즈를 에너지로 변환할 수 있는 것을 가능하게 하였다. 이와 같이, 인체를 도체로서 다루고, 안테나 장치(1)의 그라운드와의 사이에, 인체 자신에 유기되는 전력을 도입할 수 있다.
예를 들어 도 20의 A 및 도 20의 B에 나타내는 바와 같이, 오퍼레이터의 손목(손등이어도 된다)에 본 기술에 따른 안테나 장치(1)(사선 부분)를 설치한다. 노트북형 퍼스널 컴퓨터(71)는, 키보드(72)를 구비하고, 또한 키보드(72)의 뒷측의 수지제 케이스(73) 내에는, 회로 기판(74) 및 회로 기판(74)에 설치되어 있는 프로세서, 스위칭 전원 등의 전자 부품(75)이 존재하고 있다. 전자 부품(75)은, 도 20의 B에 있어서 화살표로 나타낸 바와 같이, 공간 노이즈(76)를 발생시킨다.
인체(이 경우에는 손목)가 수지제의 키보드(72)를 통해, 노트북형 퍼스널 컴퓨터(71)의 회로 기판(74) 및 회로 기판(74)에 실장되어 있는 전자 부품(75)과 공간 결합하고 있다. 따라서, 키보드(72)를 조작하는 경우, 키보드(72)와 인체가 접촉하여, 안테나 장치(1)에는 인체를 통해 회로 기판(74) 및 전자 부품(75)으로부터 방출된 공간 노이즈(76)의 성분이 수신된다. 예를 들어 안테나 장치(1)가 전파 정류 회로를 갖고, 전파 정류 회로의 후단에 콘덴서(예를 들어 1.2μF)를 접속한 경우, 도 21에 나타내는 바와 같이, 20초에 1.2V까지 콘덴서의 단자 전압이 상승한다.
이어서, 실시 형태 등에 관한 수신 장치의 응용예로서는, 이하와 같은 전자 기기(전원 장치)가 가능하다.
트래커, 모니터링용 전자 기기, 손목 밴드형 헬스케어 기기, 스마트 시계, 디지털 손목시계, 무선 헤드폰, 무선 마우스, 보청기, 게임 리모컨, 반지형 입력 장치 등도 생각된다.
또한, 트래커란 GPS(Global Positioning System)로 취득한 위치 정보를 전화망 등으로 송신하고, 인터넷으로 접속한 퍼스널 컴퓨터나 태블릿, 스마트폰으로 그 위치 정보를 표시 열람할 수 있는 단말기이다.
도 22는 본 기술을 환경 모니터링을 위한 IoT(Internet of Things)에 대한 전원에 대하여 적용한 응용예를 도시하는 블록도이다. 조도 센서(51), 온도, 습도 및 대기압 센서(52), BLE(Blue tooth(등록상표) Low Energy) 및 MCU(Microcontroller unit)(53)를 갖고, 이들 블록(IC)이 I2C의 버스(54)로 접속되어 있다. 이러한 IoT에 대한 전원으로서, 본 기술에 따른 전원 회로(도 7 또는 도 8에 도시한 바와 같이, 안테나부(1a) 및 정류 회로(2)로 이루어지는 구성)가 적용된다. 또한, 정류 회로(2)가 배전압 정류 회로인 경우, 역방향 바이어스 시의 다이오드의 누설 전류가 매우 작은 것이 중요하다. 누설 전류가 있는 경우에는, 전파 정류 회로가 적합하다. 다이오드 특성으로서는, Vf가 매우 작은 전압으로부터, 많은 전류를 흘릴 수 있는 것이 좋다. 또한 높은 전압을 얻기 위해서는, 역전압 인가 기판의 누설 전류가 매우 작은 것이 바람직하다. 4배압 등의 회로를 사용하는 경우에는, 이때의 누설 전류가 역방향 전압의 5V 인가 시에, 0.001μA 정도의 것이 필요하다.
BLE은 Blue tooth(등록상표)의 확장 사양 중 하나이며, 극저전력으로 통신이 가능한 것이다. BLE 및 MCU(53)에 의해, 조도 센서(51) 및 온도, 습도 및 대기압 센서(52)의 검출 데이터를, 예를 들어 스마트폰이나 타블렛 등의 휴대 단말기에 대하여 무선 송신할 수 있다.
정류 회로(2)의 출력 단자(34a 및 34b)가 DC-DC 컨버터(55)에 대하여 접속된다. DC-DC 컨버터(55)의 출력에 의해 이차 전지, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지(56)가 충전된다. 리튬 이온 이차 전지(56)의 출력이 DC-DC 컨버터(57) 및 LDO(Low Dropout)(58)에 대하여 공급된다.
DC-DC 컨버터(57)의 출력이 조도 센서(51), 온도, 습도 및 대기압 센서(52), BLE 및 MCU(53)에 대하여 전원으로서 공급된다. 또한, LDO58의 출력이 BLE 및 MCU(53)에 대하여 전원으로서 공급된다. LDO는, 낮은 입출력간 전위차로도 동작하는 리니어 레귤레이터이며, 저 전위차로 동작함으로써, 에너지 손실도 적고, 발열 등을 억제한 설계가 가능해진다. BLE 및 MCU(53)의 AD 변환 입력에 공급되어, BLE 및 MCU(53)에 의해 이차 전지(56)의 출력 전압이 모니터된다.
상기의 BLE 등의 외부와의 통신에 사용되는 안테나는, 에너지 하비스트의 영향을 받기 어려운 회로 기판의 그라운드를 사용하지 않는 안테나 구성인 다이폴 구조인 것이 바람직하다. 상기의 축전 회로부를 응용하면, 충전이 필요한, 기기의 배터리에의 충전도 가능해진다.
또한, 옥외나 풀에서, 사용되는 경우에 있어서는, 방수 방적, 자외선 등에 대한 내후성이 요구된다. 도 2의 구성에 있어서, 내수성 및 내광성이 있는 수지로 안테나 엘리먼트(11)와 케이스(17) 또는 케이스가 분리되는 경우(도 2의 C)의 케이스(17A, 17B) 및 접합부(22)의 표면을 코팅하는 것으로, 안테나 장치(1)의 내후성을 향상시키는 것도 가능하다.
도 15 및 도 16을 참조하여 설명한 바와 같이, 사람이 보행하는 경우에 유기되는 전압을 안테나 장치(1)에 의해 얻을 수 있다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 안테나 장치(1)에 대하여 전파 정류 회로(다이오드(61 내지 64) 및 제너 다이오드(66, 67)로 이루어진다)를 접속하고, 전파 정류 회로의 출력 전압을 고저항(2MΩ 이상, 바람직하게는 10MΩ)의 센서, 예를 들어 전압계(81)에 의해 전압을 측정할 수 있다. 또한, 전파 정류 회로의 출력에 의해 역류 방지 다이오드(65)를 통해 전지(82)를 충전하고, 전지(82)의 출력이 전압계(81)의 전원으로서 사용된다.
사람의 척수반사에 의해 전압이 발생하므로, 보행에 의한 전압 변동은, 그 사람 고유의 것이 된다(보행 패턴이라 한다). 따라서, 전압계(81)의 출력을 도시하지 않지만, 컴퓨터 등에 의해 해석하여, 본인 인증을 행할 수 있다. 또한, 전압 변동과 몸 상태 등의 정보를 학습해 둠으로써, 안테나 장치(1)를 장착하고 있는 사람의 현재의 정보, 예를 들어 몸 상태를 해석할 수 있다.
안테나부(1a) 및 정류 회로(2)를 포함하는 안테나 장치의 출력을 보다 증대시키기 위한 일반적인 구성에 대해서 도 24의 A 및 도 24의 B를 참조하여 설명한다. 도 24의 A는, 안테나 장치(101, 102 및 103)를 직렬로 접속한 구성이다. 부하(RL)에 인가되는 전압(VL)은 (V1+V2+V3)이 된다. 도 24의 B는 안테나 장치(101, 102 및 103)를 병렬로 접속한 구성이다. 부하(RL)를 흐르는 전류(IL)는 (I1+I2+I3)이 된다.
도 25는 안테나 장치의 출력 전압을 증대시키기 위한 제1 실시예를 나타낸다. 인체와 접촉하는 제1 안테나 엘리먼트(11)가 마련되고, 안테나 엘리먼트(11)에 대하여 2개의 제2 안테나 엘리먼트(20A 및 20B)가 마련된다. 안테나 엘리먼트(20A 및 20B)는, 예를 들어 다른 독립된 기판, 하우징 등이다. 안테나 엘리먼트(11 및 20A)로 이루어지는 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로(2A)가 마련되고, 안테나 엘리먼트(11 및 20B)로 이루어지는 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로(2B)가 마련된다. 정류 회로(2A 및 2B)가 직렬 접속되고, 직렬 접속으로부터 출력 라인이 도출된다.
도 26은 제1 실시예의 회로 접속을 나타낸다. 직렬 접속되는 정류 회로(2A 및 2B)로서 전파 정류 회로를 사용한 예이다. 제너 다이오드(66 및 67)는 2개의 정류 회로(2A 및 2B)에 대하여 공통의 소자로 된다.
이러한 제1 실시예에 의하면, 하나의 안테나 장치에 의해, 예를 들어 4V의 출력 전압이 얻어지는 경우에, 8V의 출력 전압을 얻을 수 있다. 2 이상의 정류 회로를 직렬 접속함으로써 보다 큰 출력 전압을 얻을 수 있다. 제1 실시예는, 전압을 유기하는 전원 노이즈 등의 주파수가 낮은 경우에는, 안테나간의 거리를 배려할 필요가 없으므로, 이러한 경우에 적합한 구성이다.
제2 실시예는 도 27 및 도 28에 나타내는 바와 같이, 인체와 접촉되는 제1 안테나 엘리먼트로서 독립된 안테나 엘리먼트(11A 및 11B)를 마련하는 것이다. 안테나 엘리먼트(11A 및 11B)는 인체의 별도의 부위에 접촉된다.
도 28은 제2 실시예의 회로 접속을 나타낸다. 직렬 접속되는 정류 회로(2A 및 2B)로서 전파 정류 회로를 사용한 예이다. 제너 다이오드(66 및 67)는, 2개의 정류 회로(2A 및 2B)에 대하여 공통의 소자로 된다.
안테나 장치의 출력 전류를 증대시키기 위한 제3 실시예를 도 29 및 도 30에 나타낸다. 인체와 접촉하는 제1 안테나 엘리먼트(11)가 마련되고, 안테나 엘리먼트(11)에 대하여 2개의 제2 안테나 엘리먼트(20A 및 20B)가 마련된다. 안테나 엘리먼트(20A 및 20B)는, 예를 들어 다른 독립된 기판, 하우징 등이다. 안테나 엘리먼트(11 및 20A)로 이루어지는 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로(2A)가 마련되고, 안테나 엘리먼트(11 및 20B)로 이루어지는 안테나부의 출력을 정류하는 정류 회로(2B)가 마련된다. 정류 회로(2A 및 2B)가 병렬 접속되고, 병렬 접속으로부터 출력 라인이 도출된다.
도 30은, 제3 실시예의 회로 접속을 나타낸다. 병렬 접속되는 정류 회로(2A 및 2B)로서 전파 정류 회로를 사용한 예이다. 제너 다이오드(66 및 67)는, 2개의 정류 회로(2A 및 2B)에 대하여 공통의 소자로 된다.
제4 실시예는, 도 31 및 도 32에 나타내는 바와 같이, 인체와 접촉되는 제1 안테나 엘리먼트로서 독립된 안테나 엘리먼트(11A 및 11B)를 마련하는 것이다. 안테나 엘리먼트(11A 및 11B)는, 인체의 별도의 부위에 접촉된다.
도 32, 제4 실시예의 회로 접속을 나타낸다. 병렬 접속되는 정류 회로(2A 및 2B)로서 전파 정류 회로를 사용한 예이다. 제너 다이오드(66 및 67)는, 2개의 정류 회로(2A 및 2B)에 대하여 공통의 소자로 된다.
도 29, 도 30, 도 31, 도 32의 인체에 접촉하는 안테나 엘리먼트(11, 11A, 11B)는, 동위상으로 하기 때문에, 다이오드(61a 및 64a)의 접속점과, 다이오드(61b 및 64b)의 접속점에 각각 접속된다. 또한, 전파 정류 회로의 접속 위치는 동일 포인트가 된다.
금속 엘리먼트에 접속되는 안테나 엘리먼트는, 동위상으로 하기 위해서 정류 회로의 위상이 추가되는 위치에 접속된다.
도 33의 A 및 도 33의 B, 도 34의 A 및 도 34의 B는, 본 기술에 있어서, 안테나의 수를 증가시키는 경우의 실시예를 나타낸다. 동일한 길이의 안테나를 증가시키는 경우에는, 전압이 다소 저하되지만, 전류를 증가시키고자 하는 경우에는, 안테나 엘리먼트의 수를 증가시켜도 된다. 도 33의 A 및 도 34의 A에 나타내는 바와 같이, 안테나 엘리먼트(20)의 근원에 안테나 엘리먼트(200)를 제작하고, 접속함으로써 전류를 증가시킬 수 있다. 전압을 증가시키고, 전류도 증가시키고자 하는 경우에는, 안테나 엘리먼트의 길이를 (안테나 엘리먼트(20)의 길이＜안테나 엘리먼트(200)의 길이)로 하도록 이루어진다. 또한, 도 33의 B 및 도 34의 B에 나타내는 바와 같이, 안테나 엘리먼트(20)를 정류 회로가 탑재되어 있는 기판 상에 제작하고, 안테나 엘리먼트(200)를, 예를 들어 기판, 하우징, 로드 안테나 등으로 별도 제작해도 된다.
상술한 바와 같이 1개의 안테나 장치에 의해, 예를 들어 4μA의 출력 전류가 얻어지는 경우에, 병렬 회로 접속함으로써, 8μA의 출력 전류를 얻을 수 있다. 또한, 전압을 상승시키고자 하는 경우에는, 예를 들어 4V 출력을 8V 출력으로 하고자 하는 경우에는, 직렬 회로 접속을 사용함으로써 가능해진다,
이와 같이, 상기 직렬·병렬 회로를 조합함으로써, 필요한 전력을 후단에 공급하는 것이 가능해진다.
상술한 회로 구성에 있어서, 정류 후의 전압을 평활화하기 위해서 콘덴서를 제너 다이오드에 병렬로 접속해도 된다.
이상, 본 기술의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명했지만, 상술한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 기술의 기술적 사상에 기초하는 각종 변형이 가능하다. 또한, 변형의 양태는, 임의로 선택된 하나 또는 복수를, 적절하게 조합할 수도 있다. 또한, 상술한 실시 형태의 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등은, 본 기술의 주지를 일탈하지 않는 한, 서로 조합하는 것이 가능하다. 예를 들어 본 기술과 자연 에너지를 이용한 발전, 예를 들어 태양광 발전이나, 열전 변환 소자를 병용하여, 에너지를 축적해도 된다.
또한, 이 안테나 장치를 장착하고 있는 사람이 자기자신 이외의 사람에게 접촉함으로써, 안테나 자체의 면적이 넓어져서, 수신 전력의 도입도 커진다. 또한, 취침 중, 또는 그 이외에 있어서도, 상시, 전력을 축적하는 것이 가능하게 되므로, 예를 들어 밴드 리스트와 같은 기기에 본 수신기를 내장하고, 직접 또는 케이블을 통해, 다른 전지 등에 충전을 하는 것도 가능해진다.
1: 안테나 장치
2, 2a, 2b: 정류 회로
4: 축전 소자
7: 다이플렉서
11: 제1 안테나 엘리먼트
12: 기기 기판,
15: 급전점
19, 20: 제2 안테나 엘리먼트
2, 2a, 2b: 정류 회로
4: 축전 소자
7: 다이플렉서
11: 제1 안테나 엘리먼트
12: 기기 기판,
15: 급전점
19, 20: 제2 안테나 엘리먼트
Claims (15)
- 공간에 있는 전파 또는 준정전계의 전계 에너지를 수신하고, 교류 신호로부터 직류로 정류하기 위한 정류 회로를 구비하고, 인체가 대지인 그라운드에 접지되어 있지 않은 상태에 있어서, 인체에 접촉해서 사용되는 도체인 제1 안테나 엘리먼트와, 상기 제1 안테나 엘리먼트와는 다른 도체이며, 인체와는 접촉하지 않도록 마련된 제2 안테나 엘리먼트에 의해 구성된 안테나부를 갖고,
상기 안테나부로부터 출력된 교류 신호 중, 인체에 접촉해서 사용되는 제1 안테나 엘리먼트로부터 정류 회로로 출력되는 입력 선로가 정류 회로에 직렬로 접속되어 있는, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 안테나 엘리먼트의 인체와의 접촉면이, 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈 또는 합금, 도전성 수지, 도전성 고무의 어느 하나 또는 조합으로 이루어지는 도체 전극으로 구성된, 안테나 장치. - 제2항에 있어서,
상기 전극이 수지 코팅되어 있는 안테나 장치. - 제2항에 있어서,
상기 전극이, 사용되는 기기의 형상에 맞추어, 핀, 반구상, 요철, 또는 평면상인, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 안테나 엘리먼트는, 구리 등의 도체이며, 수신기의 회로 기판의 그라운드, 기판 상의 그라운드와는 다른 패턴, 또는 인체와 접촉하지 않는 수신기 하우징 등의 도체로 구성된, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 안테나부로부터 입력된 교류 신호를 주파수 분리하는 분리 회로와, 상기 분리 회로에 의해 분리된 교류 신호를 각각 정류하는 복수의 정류 회로를 구비하고 있는, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2 안테나 엘리먼트와 대지의 그라운드간이 용량 결합하도록 이루어진, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
인체가 보행 시에 발생하는 전계를 수신하는, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
케이스는 상기 접촉부 이외의 인체의 접촉면이, 절연 재료로 구성되어 있는, 안테나 장치. - 정류를 위한 다이오드의 순방향 전압 시에 있어서의 순방향 전류와 그 전압이 역방향으로 인가되었을 때의 역방향 전류의 비가 적어도 4700배 이상으로 된 정류 회로를 갖는, 안테나 장치.
- 공간에 있는 전파 또는 준정전계(근방계)의 전계 너지를 도입하기 위해서, 정류를 위한 다이오드의 역방향으로 10V 인가 시의 역방향 전류를 사용해서 구한 저항값이, 1.4MΩ 이상으로 된 정류 회로를 갖는, 안테나 장치.
- 제11항에 사용되는 다이오드가 실리콘으로 구성되어 있는, 정류 회로.
- 제1항에 기재된 안테나 장치에 있어서, 정류된 직류 파형의 전력을 충전하기 위한 캐패시턴스를 갖고, 그 레벨이 일정해지면 축전지에 충전하는 구조를 갖고, 인체가 금속 등의 접지된 것에 닿은 경우에 있어서, 상태를 감시하고, 그 용량이 줄어든 것을 감지하여, 안테나 엘리먼트(1)에 마련된 스위치를 오픈으로 하여, 축적된 전력이 줄어드는 것을 방지한, 전원 장치.
- 제13항에 있어서,
정기적으로 용량을 확인하고, 인체와 접속되는 제1 안테나 엘리먼에 마련된 스위치의 접속을 ON, OFF하는, 전원 장치. - 공간에 있는 전파 또는 준정전계(근방계)의 전계 에너지를 수신하고, 교류 신호로부터 직류로 정류하기 위한 정류 회로를 구비하고, 인체가 대지인 그라운드에 접지되어 있지 않은 상태에 있어서, 인체에 접촉해서 사용되는 도체인 제1 안테나 엘리먼트와, 상기 제1 안테나 엘리먼트와는 다른 도체이며, 인체와는 접촉하지 않도록 마련된 제2 안테나 엘리먼트에 의해 구성된 안테나부를 갖고,
상기 안테나부로부터 출력된 교류 신호 중, 인체에 접촉해서 사용되는 제1 안테나 엘리먼트로부터 상기 정류 회로로 출력되는 입력 선로가 상기 정류 회로에 직렬로 접속되어 있는 안테나부와,
상기 정류 회로의 출력에 의해 충전되는 축전 소자와,
상기 축전 소자의 출력을 전원으로 하는 통신부
를 구비한, 전자 기기.
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