JP2008029125A - 電磁誘導型処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内に配置された導電性物質を含む機能デバイスによる電力伝達の効率低下を、容易に抑制する。
【解決手段】処理装置１０２に設けられたコイル１３１に発生する起電力が処理装置１０２の動作に必要な最低起電力より大きくなるように、処理装置１０２に設けられた導電性物質を含む機能デバイスである表示素子１３４やキーボード１３５の材質、大きさ、または形状等の設定によって、それらの渦電流の発生を抑制させる。本発明は、外部から供給される磁界によって生成された起電力を電力源とする電磁誘導型処理装置に適用することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電磁誘導型処理装置に関し、特に、外部から供給される磁界によって生成された起電力を電力源とし、装置内に配置された導電性物質を含む機能デバイスによる電力伝達の効率低下を、容易に抑制することができるようにした電磁誘導型処理装置に関する。

従来から、コイルに磁界を鎖交させて起電力を発生させ、これを装置内の電力として利用する技術はある。

図１は、従来の処理装置の例を説明する図である。

図１に示されるように、電力供給装置１は、処理装置２に電力を供給する装置であり、例えば、正弦波信号を生成する電力源１１およびコイル１２を有している。電力供給装置１は、この電力源１１において正弦波信号を生成し、その正弦波信号をコイル１２に供給することによって、コイル１２から外部空間へ磁界（点線矢印の磁力線で示される鎖交磁界２１）を放出させる。

処理装置２は、電力供給装置１より取得した電力を用いて処理を行う装置であり、コイル３１、レギュレータ３２、および回路３３を有している。処理装置２は、例えばユーザに携帯され、そのユーザによって電力供給装置１に近接され、そのコイル３１に、電力供給装置１より放出された磁界が鎖交させられることによってコイル３１に起電力が発生される。コイル３１において発生された起電力は、レギュレータ３２により定電圧化したのち、回路３３へ供給される。回路３３は、この起電力により動作を行い、処理装置２が有する所定の機能を実現する。

この従来の技術では、鎖交磁界を十分確保するため、コイル１２とコイル３１の周辺には、磁界を妨げる障害物はなく、電力供給装置１内の電力源１１や、処理装置２内のレギュレータ３２及び回路３３はいずれも電気信号を取り扱う電子回路から構成されることから、何らかの導電性物質を含むことになり、鎖交磁界の領域内にこれらの導電性物質が存在すると、そこに渦電流が生じ、渦電流に伴う、鎖交磁界とは逆向きの二次磁界が生じることから、結果として、電力供給の効率が低下することとなった。

このため、従来の技術では、図１に示されるように、電力供給のための鎖交磁界の空間を確実に確保するため、電子回路等の導電性物質を鎖交磁界から遠ざけるように配置していた。

図２は、従来の処理装置の、他の例を説明する図である。この例は、ICカード等で一般に採用されている構成である。

処理装置４０(ICカード)は、コイル４１、レギュレータ４２、および回路４３を有している。コイル４１は、処置装置４０の外周に沿うように配置されている。このため、レギュレータ４２や回路４３は、コイル４１内に配置されることになるが、これらがコイル４１の面積と比して大きいと、鎖交磁界２１の障害となり、電力供給装置１から処理装置４０への電力伝達の効率が低下する。このため、一般には、これらレギュレータ４２や回路４３の面積をコイル４１の面積に比して十分に小さくすることにより、電力伝達への影響を小さくしていた。

図３は、従来の処理装置の、さらに他の例を説明する図である。

この例において、処理装置５０(ICカード)は、コイル５１、レギュレータ５２、および回路５３を有している。図３に示されるように、処理装置５０のコイル５１内には、磁性体５４が設置されている。磁性体としては、例えばフェライトを主原料とした組成が考えられる。磁性体は、磁束を集める性質があることから、このような構成とすることによって、磁性体５４の表面に接した回路５３やレギュレータ５２等の導電性物質によって生じる渦電流を防止することが出来る（例えば、特許文献１参照）。ただし、この場合、磁性体を組み込むことで大きさや容積の制約となり、またコスト増にもなっていた。

特開２００５−２３４８２７号公報

しかしながら、このような電力伝送を利用した装置にも様々な付加機能が求められるようになり、ICカードを例に挙げると、表示素子やキーボードの機能デバイスの搭載が考えられるようになってきた。

ところが、これら機能デバイスをICカードに配置すると、コイルの面積に比して面積的にも無視できなくなり、また、いずれも何らかの導電性物質を含有する場合が多いことから、上述した通り、これらの機能デバイスを処理装置内に配置することは、すなわち電力伝達の効率低下や、コストの増大に結びつく制約となる恐れがあった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、機能デバイスが処理装置内に配置されても、容易に、電力伝達の効率低下を抑制することができるようにするものである。

本発明の一側面は、外部から供給される磁界から起電力を生成するコイルと、起電力によって動作する導電性物質を含む機能デバイスとを有する処理装置であって、機能デバイスは、外部から供給される磁界によって導電性物質に生じた渦電流から発生する磁界とは逆向きの磁界によっても、機能デバイスの最低動作起電力以上となるよう渦電流を抑制した導電性を有する導電性物質により構成される電磁誘導型処理装置である。

前記機能デバイスは、電気的に接続された電極を有し、所望の機能を満たす範囲で、切り込みを有することができる。

前記機能デバイスは、導電性物質を含む電子ペーパーであるようにすることができる。

前記機能デバイスは、導電性物質を含む色素増感型太陽電池であるようにすることができる。

前記機能デバイスは、導電性物質を含む操作ボタンであるようにすることができる。

前記機能デバイスは、導電性物質を含むセンサであるようにすることができる。

本発明の一側面においては、外部から供給される磁界から起電力を生成するコイルと、起電力によって動作する導電性物質を含む機能デバイスとが設けられ、その機能デバイスは、外部から供給される磁界によって導電性物質に生じた渦電流から発生する磁界とは逆向きの磁界によっても、機能デバイスの最低動作起電力以上となるよう渦電流を抑制した導電性を有する導電性物質により構成される。

本発明の側面によれば、外部より供給される電力を取得することができる。特に、機能デバイスが処理装置内に配置されても、容易に、電力伝達の効率低下を抑制することができる。

図４は、本発明を適用した処理装置の例を説明する図である。

電力供給装置１０１は、近接された処理装置１０２に電力を供給する装置であり、正弦波信号を生成する電力源１１１およびコイル１１２を有している。電力源１１１において生成された信号（例えば正弦波信号）はコイル１１２に供給される。これにより、コイル１３１から外部空間へ磁界（点線矢印の磁力線で示される鎖交磁界１２１）を放出する。

処理装置１０２は、コイル１３１、レギュレータ１３２、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５を有している。処理装置１０２は、例えばユーザにより、コイル１３１に、鎖交磁界１２１を鎖交させるように近接されると、その鎖交磁界１２１によって起電力を生成し、レギュレータ１３２により定電圧化したのち、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５へ電力を供給する。制御回路１３３は、レギュレータ１３２において定電圧化された起電力により動作し、キーボード１３５から入力されたキー操作に従い、表示素子１３４上の表示内容を制御する。また、表示素子１３４は、レギュレータ１３２において定電圧化された起電力により動作し、画像情報を表示する。さらに、キーボード１３５は、レギュレータ１３２において定電圧化された起電力により動作し、ユーザによる入力操作を受け付け、その受け付けた入力情報を制御回路１３３に供給する。

なお、以下においては、表示素子１３４およびキーボード１３５の電極は、処理装置１０２内の特定の領域に一様に分布しているものとして説明する。また、以下において、説明に用いる機能デバイスは、磁気的には影響をほとんど及ぼさない、磁気的に透明な物質であるものとみなし、導電性だけを有するものとする。

従来の技術では、鎖交磁界１２１（鎖交磁界１２１により発生する起電力）を十分確保するため、コイル１１２とコイル１３１の周辺には、鎖交磁界１２１を妨げる大きな障害物を配置しなかった。すなわち、処理装置１０２内のレギュレータ１３２や制御回路１３３は、コイル１３１の面積に対して十分小さくされ、鎖交磁界１２１が通る十分な経路を確保し、処理装置１０２が鎖交磁界１２１から十分に大きな起電力を得られるようになされていた。また、一般的に表示素子１３４やキーボード１３５等の何らかの機能デバイスは、導電性物質を含むことから、鎖交磁界１２１の領域内に、これら導電性物質が存在すると、そこに渦電流が生じてしまう恐れがある。従って、その渦電流に伴って鎖交磁界１２１とは逆向きの二次磁界が生じ、結果として、コイル１３１に誘起される起電圧が低下することから電力供給装置１０１と処理装置１０２間の動作可能な距離範囲が狭くなる恐れがあった。

図５は、図４に示される電力供給装置１０１と処理装置１０２における鎖交磁界１２１による渦電流の発生の様子の例を説明する模式図である。

電力供給装置１０１は、電力源１１１の正弦波信号生成により、コイル１１２から角速度ωで磁界を発生する。コイル１１２によって発生した磁界が、処理装置１０２のコイル１３１で鎖交磁束密度が一様としBmとすると、処理装置１０２内のコイル１３１に近接して配置された導電性物質１４１にも磁束Bmが鎖交することになるが、このとき、同心円状に流れる電流、すなわち渦電流が発生する。導電性物質１４１の導電率をσ、中心からの距離１４３をｒとすると、渦電流１４２（Is）は、以下の式（１）により求めることが出来る。

渦電流１４２（Is）は、コイル１３１に流れる電流とは逆向きの電流となり、したがって渦電流１４２（Is）によって導電性物質１４１全体から生じる磁束Bsも磁束Bmとは逆向きになる。この磁束Bsは、以下の式（２）のように、渦電流１４２（Is）の大きさと比例する。

磁束Bmと磁束Bsが一様に分布しているものとし、それらの合成磁束をBgとすると、誘起起電力e(t)は、以下の式（３）により求めることが出来る。

従って、導電性物質１４１の導電率が高い（電気を通しやすい）程、磁束Bmの逆向きの磁束Bsが強くなり、結果として、処理装置１０２の起電圧e(t)が低下することになる。換言すれば、導電性物質１４１の導電率を低下させることにより、導電性物質１４１に発生する渦電流を低減させることができる。

図４の例の場合、図６に示されるように、電力供給装置１０１側から処理装置１０２側に向かう（図中上方向に向かう）鎖交磁界１２１により、導電性物質により構成される表示素子１３４やキーボード１３５等の機能デバイスに渦電流が発生し、矢印１５１乃至１５６に示されるように、鎖交磁界１２１の磁束の向きと逆向きの磁束が発生する。図６において、矢印１５１乃至矢印１５３は、表示素子１３４に発生する渦電流により生じる磁束Bdを示しており、矢印１５４乃至矢印１５６は、キーボード１３５に発生する渦電流により生じる磁束Bkを示している。これらの磁束により合成磁束が弱くなり、コイル１３１に発生する起電力が低下する。

従って、表示素子１３４やキーボード１３５の機能を損なわないよう導電率を低下させ、それぞれの渦電流によって生じる磁束Bk、Bdの発生を抑えることにより、渦電流による起電力の低下を抑制することができる。

そこで、以下の式（４）に示される条件が満たされるように、すなわち、コイル１３１に発生する起電力ｅ（ｔ）が、処理装置１０２が動作するために必要な最低起電力Eより大きくなるように、表示素子１３４やキーボード１３５の導電率が決定される。

表示素子１３４やキーボード１３５の導電率は、例えば、表示素子１３４やキーボード１３５の材質、大きさ、または形状等によって制御することができる。すなわち、表示素子１３４やキーボード１３５は、それらの導電率が式（４）の条件を満たすように、それらの材質、大きさ、または形状等が決定される。つまり、これらの機能デバイスは、外部から供給される、電力を供給するための磁界によって導電性物質に生じた渦電流から発生する、電力供給のための磁界とは逆向きの磁界によっても、コイル１３１において得られる起電力がその機能デバイスの最低動作起電力以上となるよう渦電流を抑制した導電性を有する導電性物質により構成されるようにする。

例えば、表示素子１３４やキーボード１３５の、導電率に関する、材質（素材）の選択によって、コイル１３１の起電力が、レギュレータ１３２、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５等の機能デバイスの最低動作起電力以上となるように、表示素子１３４やキーボード１３５の導電率を制御する。より具体的には、例えば、表示素子１３４やキーボード１３５の素材として、互いに導電率の異なるアルミニウムと銅の合金のように、導電率が互いに異なる複数の素材の合成物質を用いる場合、各素材（例えばアルミニウムと銅）の混合比を調整することにより、コイル１３１の起電力が、レギュレータ１３２、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５等の機能デバイスの最低動作起電力以上となるように、表示素子１３４やキーボード１３５の導電率を制御する。

また、例えば、図７に示されるように、表示素子やキーボードの形状によって、それらの導電率を制御することもできる。図７の例において示される表示素子１６４およびキーボード１６５には、電極を一様な分布とするのではなく、機能に影響がない範囲で、切り込みが入れられている。この形状により、表示素子１６４およびキーボード１６５に生じる渦電流の経路が絶たれるので、一様分布の場合と比較して渦電流の発生をより抑制させることができる。これにより、図７において矢印１７１乃至矢印１７６に示されるような、鎖交磁界１２１の磁束の向きと逆向きの磁束の発生が抑制され、結果として、コイル１３１における起電力が、レギュレータ１３２、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５等の機能デバイスの最低動作起電力以上となるように、その低下が抑制される。

もちろん、この表示素子やキーボード切り込みの数や大きさ等は任意であるし、さらに切り込み以外の形状により、渦電流の発生を抑制するようにしてもよい。

以上のように、表示素子やキーボード等の導電性物質を用いた機能デバイスに発生する渦電流の大きさを抑制するように、それらの材質、大きさ、または形状等を設定することにより、処理装置は、磁性体等の特別な構成を必要とせず、容易に、電力供給装置からの電力伝達の効率の低下を抑制することができる。より具体的には、コイルの起電力が、レギュレータ１３２、制御回路１３３、表示素子１３４、およびキーボード１３５等の機能デバイスの最低動作起電力以上となるように、導電性物質を用いた機能デバイスの材質、大きさ、または形状等を設定することにより、容易に、電力供給装置からの電力伝達の効率の低下を抑制することができる処理装置を実現することができる。また、これにより、例えば電波吸収体等のように本来の回路の機能に不要な部品点数を抑制することができるので、処理装置は、その製造コストも低減させることができる。

なお、機能デバイスとしては、先に挙げた表示素子やキーボード以外であってもよく、例えば、太陽電池、操作ボタン、または各種センサ等であってもよい。特に、昨今注目を集める電子ペーパーや色素増感型太陽電池等は、光を透過する導電性物質１４１が盛んに利用されている。なお、実際には、これらの物質の多くは、磁気的には影響をほとんど及ぼさない（透明な）場合が多い。

また、本明細書において、システムとは、複数のデバイス（装置）により構成される装置全体を表すものである。

なお、以上において、一つの装置として説明した構成を分割し、複数の装置として構成するようにしてもよい。逆に、以上において複数の装置として説明した構成をまとめて一つの装置として構成されるようにしてもよい。また、各装置の構成に上述した以外の構成を付加するようにしてももちろんよい。さらに、システム全体としての構成や動作が実質的に同じであれば、ある装置の構成の一部を他の装置の構成に含めるようにしてもよい。つまり、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明は、例えば電磁誘導型処理装置に適用することが可能である。

従来の処理装置の例を説明する図である。 従来の処理装置の、他の例を説明する図である。 従来の処理装置の、さらに他の例を説明する図である。 本発明を適用した処理装置の例を説明する図である。 渦電流の発生の様子の例を説明する模式図である。 渦電流により発生する磁束の例を説明する図である。 機能デバイスの構成の例を説明する図である。

符号の説明

１０１ 電力供給装置， １０２ 処理装置， １１１ 電力源， １１２ コイル， １２１ 鎖交磁界， １３１ コイル， １３２ レギュレータ， １３３ 制御回路， １３４ 表示素子， １３５ キーボード， １４１ 導電性物質， １４２ 渦電流， １４３ 中心からの距離， １６４ 表示素子， １６５ キーボード

Claims (6)

1. 外部から供給される磁界から起電力を生成するコイルと、
   前記起電力によって動作する導電性物質を含む機能デバイスと
   を有する電磁誘導型処理装置であって、
   前記機能デバイスは、前記外部から供給される磁界によって前記導電性物質に生じた渦電流から発生する前記磁界とは逆向きの磁界によっても、前記機能デバイスの最低動作起電力以上となるよう渦電流を抑制した導電性を有する導電性物質により構成される
   電磁誘導型処理装置。
2. 前記機能デバイスは、電気的に接続された電極を有し、所望の機能を満たす範囲で、切り込みを有する
   請求項１に記載の電磁誘導型処理装置。
3. 前記機能デバイスは、前記導電性物質を含む電子ペーパーである
   請求項１に記載の電磁誘導型処理装置。
4. 前記機能デバイスは、前記導電性物質を含む色素増感型太陽電池である
   請求項１に記載の電磁誘導型処理装置。
5. 前記機能デバイスは、前記導電性物質を含む操作ボタンである
   請求項１に記載の電磁誘導型処理装置。
6. 前記機能デバイスは、前記導電性物質を含むセンサである
   請求項１に記載の電磁誘導型処理装置。

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