WO2002007173A1

WO2002007173A1 - Electromagnetically coupled device

Info

Publication number: WO2002007173A1
Application number: PCT/JP2000/004742
Authority: WO
Inventors: Ikuo Nishimoto; Tatsuya Ueno
Original assignee: Yamatake Corporation
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-24
Also published as: AU2000260170A1; US6750560B1; JP3867854B2

Description

明細書

技術分野

本発明は、コイルを介する電磁誘導結合により外部装置から給電される電力エネルギから安定した内部電源を生成することができ、および/または上記コィルを介して外部装置との間で安定に情報通信することのできる電磁誘導結合装置に関する。背景技術

近時、直径 l mm程度の球状の半導体チップ（ポール）の表面にトランジス夕やセンサ等の機能素子や、所定の処理機能を果たす半導体集積回路を形成した球状半導体が提唱されている。この種の球状半導体には、例えば図 4に示すように球状の半導体チップ 1の表面にアンテナ素子として機能するコイル（ル —プアンテナ） 2を設けたものがある。この球状半導体は、コイル 2を介する電磁誘導結合を利用して外部装置から電力供給を受けて作動し、また上記コィルを介して外部装置との間での情報信号を送受するように構成される。

ちなみに半導体チップ 1上に形成される集積回路は、例えば図 5に示すようにコイル 2を介して外部から給電される電力（電磁エネルギ）を受けて所定の内部電源を生成する電源部 3、外部装置からの情報信号をコイル 2を介して受信する受信部 4、また外部装置に対して上記コイル 2を介して情報信号を送信する送信部 5を備える。更に集積回路は、演算制御部等からなる装置本体 6を備えると共に感温素子等のセンサ部 7やメモリ 8等を備え、装置本体 6の動作により所定の機能を果たすように構成される。

尚、コイル 2を介する情報信号の送受信は、電力を伝送する電磁誘導磁場をキャリアとして情報信号を変調する等して行われる。

ところで電源部 3は、例えば図 6に示すようにコイル 2を介して給電された電力エネルギを全波整流する整流回路 3 aを備えて構成される。ちなみに上記整流回路 3 aは一般的には半導体チップ 1上に形成される MO Sトランジスタをプリッジ接続して構成される。またコイル 2を介して給電される電力エネルギは、そのエネルギ供給元である外部装置との距離によって大きく変化し、概略的には距離の 2乗に反比例する。この為、その最大距離 Lmaxにおいて球状半導体に必要な電磁エネルギを給電し得るように構成された給電系において、球状半導体と外部装置との距離が 1 2となったような場合、球状半導体が必要とする電力の 4倍もの電力が給電されることになる。この結果、電源部 3の内部インピーダンスが一定であるような場合、整流回路 3 aを介して求められる電圧（全波整流出力）は 4倍もの大きな電圧値を示すことになる。

そこで従来では、専ら、図 6に示すように整流回路 3 aの全波整流出力をッェナ一ダイオード 3 bを用いて一定電圧（ツエナー降伏電圧）に規定すると共に、その全波整流出力をコンデンサ 3 cを介して平滑化して安定した内部電源を生成するようにしている。

しかしながらツエナ一ダイオード 3 bを用いて内部電圧を規定するといえども、外部装置との距離に応じてコイル 2を介して給電される電力エネルギが大きく変化することが否めない。この為、整流回路 3 aを構成する MO Sトランジス夕としては、その最大電力エネルギを見込んだ電力容量を持つものを用いることが必要となり、 MO Sトランジスタが大型化（大面積化）することが否めない。また上述した電源回路 3においては、例えばコイル 2に電磁誘導結合される所定周波数の電磁波をキャリアとして情報信号を変調して送受信する場合、その変調の度合いによってはツエナーダイオード 3 bによる電圧の規定によって、その変調成分が失われる虞もある等の不具合がある。発明の開示

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、その目的は、コイルを介する電磁誘導結合を利用して外部装置から給電される電力エネルギから、安定した内部電源を生成することのできる簡易な構成の電源回路を備えた電磁誘導結合装置を提供することにある。

また本発明の別の目的は、コイルを介する電磁誘導結合を利用して外部装置力給電される電力エネルギをキャリアとして情報信号を変調して該情報信号を送受信するに際して、上記電力エネルギの変化に拘わることなく、その内部電源を安定に生成しながら、確実な情報通信を実現することのできる電磁誘導結合装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る電磁誘導結合装置は、電力エネルギを有する磁場に電磁誘導結合されるコイルと、このコイルを介して取り込まれる電力エネルギを全波整流する整流回路と、この整流回路による整流出力を平滑化して内部電源を生成する平滑回路とを備えてなり、特に前記コイルの両端にソースおよびドレインをそれぞれ接続した MO Sトランジスタを設け、前記平滑回路の出力に応じて上記 MO Sトランジスタのゲート電圧を制御することで前記整流回路に加わる電圧（交流電圧）を制限し、以て該整流回路を介して得られる整流出力電圧（直流電圧）を一定化する定電圧制御回路を設けたことを特徴としている。

即ち、本発明に係る電磁誘導結合装置は、電磁誘導結合により電力エネルギを取り込むコイルに対して並列に MO Sトランジスタを設けて該 MO Sトランジス夕により前記電力エネルギの一部をバイパスし、これによつて整流回路に加える電力エネルギ、ひいてはその交流電圧を制限することで一定の直流電圧 (内部電源）を得る。特に前記整流回路による全波整流出力を平滑化して求められる内部電源（直流電圧）に応じて上記 MO Sトランジスタのゲ一ト電圧を制御すれば、このゲート電圧に対して MO Sトランジスタが前記コイルから得られる電力エネルギ（交流）の極性に応じて、そのソースおよびドレインとしての機能を入れ換えながら交流的に電力エネルギの一部をバイパスする。この結果、前記整流回路に加わる電力エネルギ（交流）自体を制限することができ、従って整流回路を構成する整流素子 (MO Sトランジスタ) の電力容量を、その内部回路が必要とする電力容量に合わせて小さく抑え、整流素子（MO Sトランジス夕) の小型化を図ることが可能となる。

また本発明に係る電磁誘導結合装置は、更に前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギの変調成分を検出して、該変調成分により示される情報信号を受信するデータ受信部と、送信情報に応じて前記 MO Sトランジスタのゲート電圧を制御して前記コイルの前記磁場に対する電磁誘導結合の度合いを変化させて該送信情報を送信するデ一夕送信部とを備えることを特徴としている。このようなデータ受信部およびデータ送信部を更に備えて構成される電磁誘導結合装置においては、整流回路による全波整流出力から平滑回路を介してその高周波成分を除去した内部電圧に応じて生成したゲート電圧にて前記 MO S トランジスタを駆動しているので、前記コイルを介して得られる電力エネルギに含まれる変調成分を損なうことなしに前記整流回路に加わる電力エネルギを抑えることができる。従って整流回路から求められる全波整流出力を平滑化して所定の内部電圧を得るに際しても、前述したように MO Sトランジスタを用いて整流回路に加える電力エネルギを制限するだけなので、前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギをキャリアとして情報信号を変調してなる変調成分を確実に検出することが可能となる。

好ましくは前記整流回路は、整流素子としての 4個の MO Sトランジスタをプリッジ接続して構成されるものであって、前記コイルに並列接続される M〇 Sトランジスタと共に所定の半導体上に同時集積される。また前記所定の半導体は、その表面に前記コイルを設けた球状半導体として実現される。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態に係る電磁誘導結合装置における電源部の概略構成図。

図 2は、本発明の別の実施形態に係る電磁誘導結合装置における電源部とデ

—タ通信部の構成例を示す概略図。図 3は、本発明に係る電磁誘導結合装置の作用を説明するための電圧波形図であって、（a)はコイルの出力電圧波形、（b )はツエナ一ダイオードを用いて整流回路の出力電圧を規制したときの電圧波形、（c )は本発明に係る電磁誘導結合装置において整流回路に加えられる電圧波形、（d)は本発明に係る電磁誘導結合装置において整流回路から得られる電圧波形。

図 4は、球状半導体とその表面に設けられたコイルとの関係を示す図。図 5は、球状半導体が備える集積回路の概略的な構成例を示す図。

図 6は、球状半導体に設けられる電源回路の構成例を示す図。発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る電磁誘導結合装置について説明する。この電磁誘導結合装置は、例えば外部装置から電磁波を用いて電力エネルギが供給されて作動する球状半導体として実現されるもので、概略的には図 1に示すような電源部を備えて構成される。

この図 1に示す電源部は、外部装置 1 0が形成する磁場中に位置付けられて該磁場に電磁誘導結合し、該磁場が有する電力エネルギを取り込むコイル 1 1 を備える。このコイル 1 1は、電磁誘導結合装置が球状半導体からなる場合、例えば球状の半導体基板の表面に巻装されてアンテナ素子として機能する 1夕 —ンないし数ターンの環状コイルからなる。

このコイル 1 1の両端子間には、前記磁場から該コイル 1 1を介して得られる電力エネルギ（交流）を全波整流する整流回路 1 2が設けられ、この整流回路 1 2による全波整流出力はコンデンサ等からなる平滑回路 1 3を介して平滑化されて所定の内部電源（直流）として図示しない内部回路に給電されるようになっている。尚、上記整流回路 1 2は、図 6を参照して前述したように MO Sトランジスタをブリッジ接続して構成される。

さてこの電源部が特徴とするところは、前記整流回路 1 2の前段側に、前記コイル 1 1の両端にソースとドレインとをそれぞれ接続して該コイル 1 1に並列接続した MO Sトランジスタ 1 4を設けた点にある。そしてこの MO Sトランジスタ 1 4を駆動するべく、前記平滑回路 1 3により平滑化された内部電圧を受けて該内部電圧に応じた制御電圧（直流電圧）を生成する定電圧制御回路 1 5を設け、この定電圧制御回路 1 5が生成した制御電圧を前記 MO Sトランジス夕 1 4のゲートに加えるようにしたことを特徴としている。

即ち、この電源部は、整流回路 1 2の交流入力側に並列に設けた MO Sトランジスタ 1 4のゲートに、上記整流回路 1 2による全波整流出力を平滑化して生成された内部電源に応じたゲ一ト電圧を印加して MO Sトランジスタ 1 4を駆動する。そしてコイル 1 1を介して得られる電力エネルギ（交流）の一部を MO Sトランジスタ 1 4によりバイパスし、これによつて整流回路 1 2に加える電力エネルギを制限することで該整流回路 1 2を介して生成される内部電源 (直流電圧）の安定化を図ることを特徴としている。

ここで上述した如く構成された電源部について考察すれば、半導体基板上に集積される整流回路 1 2、平滑回路路 1 3、および定電圧制御回路 1 5は、通常、その半導体基板の電位を基準電位として構成される。これに対してコイル 1 1自体は、その両端は半導体基板の電位（基準電圧）に対して共にフローテイング状態にある。しかしコイル 1 1は整流回路 1 2に接続されることで、該コイル 1 1に生起される電力エネルギ（交流）の極性に応じて、その電圧が低い側の端子が半導体基板の電位（基準電圧）に接続されることになる。

一方、このようなコイル 1 1に対して並列に接続された MO Sトランジスタ 1 4は、基本的にはそのソース領域とドレイン領域とを、絶縁層を介してゲート電極下に形成されるチャネル領域を介して対称に配置した素子構造を有し、両領域に加えられた電位の大小に応じて一方がソース領域として、他方がドレイン領域として機能する。例えば上記 MO Sトランジスタ 1 4が nチャネル型のものである場合（n-M〇Sトランジスタ）、該 n_MO Sトランジスタ 1 4 に対して、そのゲートに前記定電圧制御回路 1 5にて生成された直流電圧（ゲ —ト電圧）を印加すると、該 n-M〇Sトランジスタ 1 4はコイル 1 1に生起された電圧の極性に応じて、該コイル 1 1の電位が低い側の端子（半導体基板に接続された側の端子）に接続された領域がソースとして機能する。そして n - MO Sトランジスタ 1 4は、半導体基板の電位（基準電位）とそのゲート - ソース間に加えられるゲート電圧（直流電圧）に応じて動作して所定の抵抗として働き、コイル 1 1に生起される交流の電力エネルギ（交流電力）の一部をバイパスする。

この結果、整流回路 1 2に加えられる電力エネルギが M O Sトランジスタ 1 4の働きにより抑えられ、ひいては該整流回路 1 2に加えられる交流電圧が抑えられる。そして整流回路 1 2から得られる全波整流出力の電圧レベルが抑えられ、その平滑化出力（内部電源電圧）が一定の電圧レベルに安定化される。尚、 MO Sトランジスタ 1 4が pチャネル型のものである場合には（p - M O Sトランジスタ) 、逆にコイル 1 1の電位が高い側の端子）に接続された領域がソースとして機能し、上述した n- MO Sトランジスタと逆に作用する。従って M〇Sトランジスタ 1 4が nチャネル型のものであるか、或いは pチヤネル型のものであるかに拘わらず、その動作極性を逆とするだけで整流回路 1 2に対して原理的には全く同様に機能する。

またこのようにして MO Sトランジスタ 1 4を用いて整流回路 1 2に加える電力エネルギを制限するように構成された電源部によれば、その内部回路が必要とする電力エネルギに比較してコイル 1 1を介して得られる電力エネルギが多くなつても、その電力エネルギの余剰分を MO Sドランジス夕 1 4を介してバイパスすることができる。従って整流回路 1 2を構成する整流素子としての MO Sトランジスタとして、その内部回路が必要とする電力エネルギに対応した電力容量を有するものを用いれば十分であり、 MO Sトランジスタの小型化 (小面積化）を図ることが可能である。そして MO Sトランジスタ 1 4についてだけ、コイル 1 1を介して得られる電力エネルギの余剰分をバイパス可能な電力容量の大きいものを用いればよい。

即ち、整流回路 1 2を構成する MO Sトランジスタとしては、その内部回路が要求する電力容量に応じた素子面積の小さい小型のものを用いれば良く、一方、 MO Sトランジスタ 1 4については、コイル 1 1を介して給電される余剰電力を見込んだ大型の大電力容量のものとするだけで良い。従って MO Sトランジス夕 1 4についてだけ素子面積の大きい大電力容量のものを準備すればよいので、電源部全体の素子形成規模（素子形成に必要な面積）を小さくして、その小型化を図ることが可能となる。

ところで上述した構成の電源部は、コイル 1 1を介して電力エネルギを供給する所定周波数の電磁波をキヤリアとして情報信号を変調して情報通信するように構成した電磁誘導結合装置においても有用である。尚、外部装置から球状半導体向けて電力エネルギを伝送すると共に、情報信号を重畳させて情報通信するキャリア信号としては、数百 k Hz〜数百 MHzの周波数のものが用いられる。ちなみに上記情報信号は、例えば球状半導体を作動させるための指令信号や誤り検出符号からなる。また球状半導体から外部装置に向けて送信する情報信号は、前記指令信号に対する応答信号や球状半導体が有する前述したセンサ部 7によって求められた測定デ一夕や誤り検出符号等からなる。そしてこのような情報信号を前記キヤリァ信号に重畳させる為の変調方式としては、 A S K (Ampl i tude Shi f t Keying) や F S K (Frequency Shi f t Keying) 等の方式が適宜用いられる。

図 2は、上述した電源部に加えてデータ通信機能を備えた電磁誘導結合装置の概略構成を示すもので、その電源部については図 1に示すものと同一符号を付して示してある。しかしてコイル 1 1を介して求められる電力エネルギのキャリアに重畳された情報信号を抽出するデータ受信部は、前記コイル 1 1の一端に接続された検波回路 2 1からなる。そしてその検波出力を増幅回路 2 2を介して所定のレベルに増幅して復調データ（受信データ）を得るように構成される。またクロック生成部 2 3は、前記コイル 1 1の一端に接続されて該コィル 1 1から求められるキャリア成分を抽出し、このキャリア成分の周波数から所定周波数のク口ック信号を生成する如く構成される。これに対してデータ送信部は、前記 M〇Sトランジスタ 1 4のゲート電圧を制御して前記コイル 1 1の前記磁場に対する電磁誘導結合の度合い（コイル 1 1の Q) を変化させて該送信情報を送信するロードスィツチ回路 2 4として実現される。この口一ドスイッチ回路 2 4は、ダイオード 2 5を介して前記 MO Sトランジス夕 1 4のゲ一ト電圧を制御することで、前述した定電圧制御回路 1 5と並列に機能するように設けられる。

このようなデータ受信部（検波回路 2 1 ) とデータ送信部（ロードスィッチ回路 2 4 ) とを備えた電磁誘導結合装置によれば、コイル 1 1を介して得られる電力エネルギから一定の内部電源を生成して作動する場合であっても、電力エネルギの大きさに拘わることなく、安定したデータ通信を実現することができる。

即ち、コイル 1 1を介して得られる電力エネルギが大きい場合、その交流信号は、内部電圧に対して図 3 )に示すように大きな振幅を示す。尚、ここでは情報信号によりそのキヤリァ信号を 1 0 %の割合で振幅変調し、 1 0 0 %の振幅で情報 [ 1 ] を、 9 0 %の振幅で情報 [ 0 ] を表した例を示している。このような 1 0 %変調が施された電磁波（電力エネルギ）をコイル 1 1を介して受信して、例えば図 6に示した従来の電源部を介してその内部電源を生成するようにすると、整流回路 3 aはその電力エネルギ（交流電力）をそのまま全波整流し、ツエナーダイオード 3 bにてその整流出力電圧の上限値を規定することになるので、図 3 ( b )に示すようにその変調成分が失われてしまう。換言すれば内部電源の電圧を規定するツエナ一ダイオード 3 bによって、その整流出力電圧が規定されるので、図 3 ( b )にその整流等価波形を示すようにキヤリァ信号の変調成分が損なわれてしまう。

これに対して本発明に係る電磁誘導結合装置の電源部によれば、 MO Sトランジス夕 1 4によって整流回路 1 2に供給する電力エネルギ（交流電力）自体を制限するので、図 3 ( c )にその整流等価波形を示すようにキャリア信号の変調成分が損なわれることがない。即ち、平滑回路 1 3は、整流回路 1 2から得られる全波整流出力をそのまま平滑化しているに過ぎず、また定電圧制御回路

1 5は平滑化された内部電源電圧に従ってゲート電圧を生成して MO Sトランジス夕 1 4を駆動して電力エネルギ（交流電力）の一部をバイパスするに過ぎないので、整流回路 1 2の交流入力端子間には、その振幅がそのまま抑制された交流電力が加えられる。従ってデータ受信部である検波回路 2 1においては、例えば上記交流電力を全波整流することによって図 3 ( d)に示すように、その振幅レベルの変化（太線 F ) として示される変調成分を確実に検出することが可能となる。

同様にしてデータ送信部であるロードスィッチ回路 2 4を用いて MO Sトランジス夕 1 4をゲート制御しても、図 6に示した従来回路のようにツエナーダィォ一ド 3 bの影響を受けることがないので、コイル 1 1の電気的特性（Q) を等価的に変化させて該コイル 1 1を介して受信される電力エネルギを担うキャリア信号を確実に変調することができる。そしてコイル 1 1を介して電磁結合している外部装置側のコイル（アンテナ）の電気特性を変化させて、その情報通信を確実に実行することが可能となる。

即ち、本発明に係る電磁誘導結合装置によれば、電力伝送に用いる電磁波をキャリアとして情報信号を変調してデータ通信する場合であっても、その変調成分により示される情報を損なうことなしに整流回路に加える交流電力を制限して、一定の内部電源電圧を安定に得ることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばコイル 1 1に並列に接続して電力（電圧）調整に用いる MO Sトランジスタ 1 4としては、 pチャネル形のものであっても、 nチャネル形のものであっても良い。また MO Sトランジスタ 1 4のゲートに加える電圧は、必要とする内部電源電圧に応じて定めればよいものである。またここでは電磁波からなる電力エネルギを変調して外部装置から球状半導体に対して情報信号を送信する例について説明したが、球状半導体においては、無変調の磁場環境において電力を受け取つたときに予め設定された所定の動作を実行するように構成することも可能である。従ってこの場合には、図 2に示す検波回路 2 1等が不要となる。この際、球状半導体装置側から外部装置に対する情報信号の送信については、 MO Sトランジス夕 1 4の動作を制御して、上述した無変調の磁場環境を変調するようにすれば良い。

要するに本発明は、整流回路の交流入力端側にその交流電圧を規定する MO Sトランジスタを設けたことを特徴とするものであり、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。産業上の利用可能性

本発明によれば、コイルを介する電磁誘導結合により給電される電力エネルギを整流して所定の内部電源を生成するに際して、コイルに並列接続した MO Sトランジスタを用いて整流回路に加える交流電力自体を制限するので、簡易にして効果的に安定した内部電源を生成することができる。そして電源部をコンパクトに構築することができるので、球状半導体のようにその素子領域（面積）が限られているような場合に電源部を含む半導体機能素子を実現する上で好適である等の利点がある。しかも電力エネルギの伝送に用いる電磁波をキヤリアとして情報信号を変調してデータ通信を実現する場合においても、そのデ一夕通信を阻害することなく、内部電源を安定に生成することができる等の優れた効果が奏せられる。

更にはコイルに並列接続した MO Sトランジスタにて、コイルを介して得られる電力エネルギの余剰分をバイパスするので、整流回路を構成する整流素子の電力容量を、その内部回路が必要とする電力容量に合わせて小さくし、小型化することができる等の効果が奏せられる。

Claims

請求の範囲

1. 電力エネルギを有する磁場に電磁誘導結合されるコイル（11) と、このコイルを介して取り込まれる電力エネルギを全波整流する整流回路（1

2) と、

この整流回路からの整流出力を平滑化して所定の内部電源を生成する平滑回路（13) と、

ソースおよびドレインを前記コイルの両端間に並列接続した MOSトランジスタ（14) と、

前記平滑回路の出力を受けて作動して上記 MOSトランジスタのゲート電圧を制御して前記整流回路に加わる電圧を制限する定電圧制御回路（15) とを具備したことを特徴とする電磁誘導結合装置。

2. 電力エネルギを有する磁場に電磁誘導結合されるコイル（11) と、このコイルを介して取り込まれる電力エネルギを全波整流する整流回路（1

2) と、

ソースおよびドレインを前記コィルの両端間に並列接続した MOSトランジス夕（14) と、

前記平滑回路の出力を受けて作動して上記 M〇Sトランジスタのゲート電圧を制御して前記整流回路に加わる電圧を制限する定電圧制御回路（15) と、前記コイルを介して取り込まれる電力エネルギの変調成分を検出して、該変調成分により示される情報信号を受信するデ一夕受信部（21) と、

送信情報に応じて前記 M〇Sトランジスタのゲート電圧を制御して前記コィルの前記磁場に対する電磁誘導結合の度合いを変化させて該送信情報を送信するデータ送信部（24) と

を具備したことを特徴とする電磁誘導結合装置。

3. 前記整流回路は、整流素子としての 4個の MOSトランジスタをブリツジ接続して構成されるものであって、前記コイルに並列接続される MO Sトランジス夕と共に所定の半導体上に同時集積されるものである請求項 1または 2

4. 前記所定の半導体は、その表面に前記コイルを設けた球状半導体からなる請求項 3に記載の電磁誘導結合装置。