表面通信设备 |
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| 申请号 | CN201180048296.9 | 申请日 | 2011-09-14 | 公开(公告)号 | CN103155354A | 公开(公告)日 | 2013-06-12 |
| 申请人 | 日本电气株式会社; | 发明人 | 小林直树; | ||||
| 摘要 | 一种表面通信设备，包括：片状 电磁波 传播单元，传播电磁波；供电设备单元或受电设备，被部署在电磁波传播单元上，与电磁波传播单元处于非导电状态，并且包括向电磁波传播单元发送电磁波或从电磁波传播单元接收电磁波的电磁波耦合单元。所述电磁波耦合单元包括网状导电耦合元件，所述网状导电耦合元件被部署为朝向电磁波传播单元。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种表面通信设备，包括： |
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| 说明书全文 | 表面通信设备技术领域背景技术[0002] 作为通过使用电磁波通信以无线方式供电的手段，存在一种系统，其中，供电设备和受电设备分别以非导电方式布置在片状通信介质上，并且在受电设备侧经由片状通信介质以无线方式接收以无线方式从供电设备供应的电。 [0003] 作为这种无线供电的修改示例，还存在一种系统，通过接触供电从供电设备向通信介质执行供电，并且以无线方式从通信介质向受电设备执行受电。此外，作为其修改示例，作为未来的应用范围，还能够想到通过无线供电从供电设备向通信介质执行供电并且通过接触供电从通信介质向受电设备执行供电的系统。 [0004] 以下，将以上给出的这种通信手段(包括修改示例)称为表面通信。 [0005] 表面通信能够实现二维片上任意两点间的通信，或者在片上任一点处执行电的发送或者接收。 [0007] 专利文献1中所示的信号发送设备具有第一导体单元、第二导体单元、夹在中间的区域、以及蒸腾区。第一导体单元是网状的，并且在电磁频带内为导体。第二导体单元具有板状外形，被布置为与第一导体单元平行，并且在电磁频带内是导体。夹在中间的区域被布置为夹在第一导体单元和第二导体单元之间。蒸腾区是板状的并且被提供在第一导体单元的上表面上。该信号发送设备通过电磁场的改变来发送信号。 [0008] 参考文献2中所示的信号发送系统具有信号发射器和接口设备。信号发射器是片状的并且具有导体单元和网状第二导体单元。接口设备被提供在信号发射器之上，从而发送和接收来自通信设备的信号。该接口设备通过信号发射器的第一导体单元外侧附近的电磁场(消散场)的改变与信号发射器通信。 [0009] 专利文献3中所示的供电系统包括：以片状构成并传播电磁波的电磁波传播设备；以及向电磁波传播设备输出电磁波的供电设备。在供电设备的下表面处的基板上以阵列布置向电磁波传播设备输出电磁波的多个电极。 [0010] 专利文献4中所示的电磁波接口设备向具有网状电极的电磁波换能介质供电/从电磁波换能介质受电。该电磁波接口设备由具有螺旋形状的第一导体、第二导体和电介质构成，所述第一导体以近似平行的方式靠近第一导体层布置，所述第二导体以近似平行的方式被布置为朝向第一导体，所述电介质被布置在第一导体和第二导体之间。 [0011] 非专利文献1公开了片状通信介质上电能通信的原理。 [0012] 现有技术文献 [0013] [专利文献] [0014] [专利文献1]PCT国际公开No.2007-32049 [0015] [专利文献2]日本未审专利申请，首次公开No.2007-82178 [0016] [专利文献3]日本未审专利申请，首次公开No.2008-295176 [0017] [专利文献4]日本未审专利申请，首次公开No.2010-93446 [0018] [非专利文献] [0019] [非专利文献1]Hiroyuki Shinoda，“High Speed Sensor Network Formed on Material Surfaces，”Journal of the Society of Instrument and Control Engineers，Feb.2007，Vol.46，No.2，pp.98-103。 发明内容[0020] 本发明要解决的问题 [0021] 根据现状，表面通信中存在以下问题。 [0022] 通常，供电设备单元和受电设备单元之间的输电效率(即，通信性能)取决于供电设备单元和片状通信介质(电磁波传播单元)之间、以及片状通信介质和受电设备单元之间的输电效率。在供电设备单元或受电设备单元中安装又称贴片天线的板状导电耦合元件，使得导电耦合元件夹在其参考地和通信介质之间。该导体耦合元件被设计为使得：电能的传输量因导体耦合元件在指定频率谐振而增加。 [0023] 理想情况下，在供电设备单元的情况下，从供电设备单元供应的全部电能应能被馈送至片状通信介质。然而，实际上，供电设备单元和片状通信介质之间的电磁耦合变得不足，并且一部分电能作为电磁波漏出至外部。不足的电磁耦合的主要因素被认为是：板状导电耦合元件周围的电磁场的大部分集中在供电设备单元的参考地和导电耦合元件之间。 [0024] 在受电设备单元的情况下，应能从片状通信介质接收由受电设备单元接收的全部电能。然而，实际上，电磁耦合变得不足，并且其要么作为电磁波留在片侧而未被接收，要么作为电磁波从受电设备单元和片状通信介质间的缝隙漏出至外部。不足的电磁耦合的主要因素被认为是：板状导电耦合元件周围的电磁场的大部分集中在受电设备单元的参考地和导电耦合元件之间。作为结果，通信性能下降。为此，期望强化供电设备单元或受电设备单元相对于片状通信介质的电磁耦合的结构。 [0025] 解决问题的方案 [0026] 本发明的示例目的是提供一种能够解决前述问题的表面通信设备。 [0027] 为了解决前述问题，根据本发明示例方面的表面通信设备包括：片状电磁波传播单元，传播电磁波；供电设备单元被部署在电磁波传播单元上，与电磁波传播单元处于非导电状态，所述供电设备单元包括向电磁波传播单元发送电磁波的电磁波耦合单元；以及受电设备单元，被部署在电磁波传播单元上，与电磁波传播单元处于非导电状态，并且包括从电磁波传播单元接收电磁波的电磁波耦合单元。所述供电设备单元和所述受电设备单元中的至少一个包括网状导电耦合元件，所述网状导电耦合元件被部署为朝向电磁波传播单元。 [0028] 本发明的效果 [0029] 根据本发明，在被提供为与电磁波传播单元处于非导电状态的供电设备单元和受电设备单元的电磁波耦合单元中的至少一个中，包括被部署为朝向电磁波传播单元的网状导电耦合元件。通过该导电耦合元件，充当通信介质的电磁波传播单元和电磁波耦合单元之间的电磁耦合得到强化。作为结果，可以提高表面通信设备的通信性能。附图说明 [0030] 图1是示出了根据本发明一个示例实施例的表面通信设备的主视截面图。 [0031] 图2是图1所示的电磁波传播片的网状层的平面图。 [0032] 图3是示出了图1所示的供电设备单元的附近区域的主视截面图。 [0033] 图4是用于描述图1所示的供电设备单元的工作的主视截面图。 [0034] 图5是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例1的主视截面图。 [0035] 图6是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例2的主视截面图。 [0036] 图7是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例3的主视截面图。 [0037] 图8是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例4的主视截面图。 [0038] 图9是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例5的主视截面图。 [0039] 图10是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例6(1)的主视截面图。 [0040] 图11是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例6(2)的主视截面图。 [0041] 图12是示出了图1所示的表面通信设备的修改示例6(3)的主视截面图。 具体实施方式[0042] 将参照图1至图12来描述本发明的一个示例实施例。 [0043] 图1是示出了根据本示例实施例的表面通信设备的结构的主视截面图。该表面通信设备具有电磁波传播片1，所述电磁波传播片1充当电磁波传播单元，所述电磁波传播单元充当通信介质。 [0044] 电磁波传播片1是电磁波传播层3、网状层4和保护层5顺序层叠在导电平面层2上的构造。从安装在电磁波传播片1的上表面上的(以下描述的)供电设备单元10供应的电磁波在沿着电磁波传播片1的片表面的方向上传播后，被发送至(以下描述的)受电设备单元20。 [0045] 图2是示出了电磁波传播片1的网状层4的平面图。如图2所示，网状层4是以网状形成的导体。 [0046] 电磁波传播层3是夹在网状层4和导电平面层2之间的空间。电磁波在该空间内在沿着片表面的方向上传播。 [0047] 保护层5被提供为使得供电设备单元10或受电设备单元20和电磁波传播层3互不导电。保护层5的介质材料是具有指定介电常数和磁导率的介质材料，并且不通过直流电。作为保护层5的介质，包括空气或真空。 [0048] 如图1所示，充当电磁波发送单元的供电设备单元10和充当电磁波接收单元的受电设备单元20安装在电磁波传播片1的上表面上。 [0049] 可以在电磁波传播片1上安装多个供电设备单元10和受电设备单元20。此外，可以在电磁波传播片1上可拆卸地提供供电设备单元10和受电设备单元20。 [0050] 在电磁波传播片1上的任意位置处以非导电状态(无导体接触通过电磁波传播片1中的保护层5)提供供电设备单元10和受电设备单元20。此处，片状指具有表层伸展和较薄厚度的形状，如布状、纸状、箔装、板状、薄膜状、膜状或网状。 [0051] 如图3和图4所示，供电设备单元10包括电磁波产生单元11和发送电磁波耦合单元1。供电设备单元10被布置为与电磁波传播片1呈相对位置关系。 [0052] 发送电磁波耦合单元12被提供为朝向电磁波产生单元11。发送电磁波耦合单元12具有有开口120的参考导体12a，导体柱12b和导电耦合元件12c，所述导电耦合元件12c是经由导体柱12b连接至电磁波产生单元11的导体。导电耦合元件12c被布置为与电磁波传播片1呈相对位置关系。导电耦合元件12c将电磁波产生单元11产生的电磁波经由网状层4泵入电磁波传播层3。通过在发送电磁波耦合单元12中提供导电耦合元件12c，强化充当通信介质的电磁波传播片1和电磁波耦合单元12之间的电磁耦合。作为结果，可以提高表面通信设备的通信性能。 [0053] 导电耦合元件12c由与电磁波传播片1的保护层5相对的网状导体元件构成。这意味着：对于在指定频率谐振的导电耦合元件12c，电磁波从网状导体结构漏出至通信介质侧的电磁波传播片1。换言之，与使用板状导体作为导电耦合元件的情况相比，在本示例实施例中所示的发送电磁波耦合单元12的导电耦合元件12c中，电磁场分布与通信介质接触的区域增加。作为结果，供电设备单元10与作为通信介质的电磁波传播片1之间的电磁耦合得到强化。 [0054] 图4示出了发送电磁波耦合单元12和作为通信介质的电磁波传播片1之间的电磁波耦合的状态。如图4所示，以虚线(符号A)示出了电磁波的传播路径，所述电磁波从导电耦合元件12c传播至位于导电耦合元件12c正下方的电磁波传播片1。这表明：由于导电耦合元件12c的网状导体和电磁波传播片1直接电磁耦合，电磁波直接从该网状导体传播至电磁波传播片1。 [0055] 将描述使用传统的板状导体作为导电耦合元件的情况。在该情况下，作为从导电耦合元件12c辐射的电磁波的传播路径，不包括符号A示出的路径。从导电耦合元件12c辐射的电磁波的传播路径一旦逃出至导电耦合元件侧之后，就耦合至通信介质侧，如虚线(符号B)所示的路径所示。作为结果，供电设备单元10和作为通信介质的电磁波传播片1之间的电磁耦合恶化。 [0056] 与此相对，在本示例实施例中所示的发送电磁波耦合单元12中，导电耦合元件12c的网状导体和电磁波传播片1直接电磁耦合，如符号A所示。作为结果，供电设备单元 10和作为通信介质的电磁波传播片1之间的电磁耦合得到强化。 [0057] 接着，将描述受电设备单元20，受电设备单元20接收已从供电设备单元10输出以及已传播通过电磁波传播片1的电磁波。 [0058] 受电设备单元20由接收电磁波耦合单元21和电磁波输入单元22构成，所述电磁波耦合单元21接收传播通过电磁波传播片1的电磁波，接收到的电磁波输入至所述电磁波输入单元22。接收电磁波耦合单元21基本上是以与前述供电设备单元10的发送电磁波耦合单元12相同的方式具有参考导体12a和导体柱12b以及导电耦合元件12c的构造。因此，将省去有关接收电磁波耦合单元21重复描述。换言之，在供应电能的情况下，电磁波被泵入电磁波传播片1，而在接收电能的情况下，相反地接收通过电磁波传播片1传播的电磁波。 [0059] 根据以上详细描述的本发明的示例实施例，包括网状导电耦合元件12c，以在供电设备单元10的电磁波耦合单元12和受电设备单元11的电磁波耦合单元21的至少一个中朝向电磁波传播片1，所述电磁波耦合单元12和所述电磁波耦合单元21被提供为与充当电磁波传播单元的电磁波传播片1处于非导电状态。通过该导电耦合元件12c，作为通信介质的电磁波传播片1与电磁波耦合单元12和21之间的电磁耦合得到强化，并且可以提高表面通信设备的通信性能。 [0060] 可以如下所示的修改本发明的示例实施例。 [0061] (修改示例1) [0062] 在前述示例实施例中，发送电磁波耦合单元12的导电耦合元件12c由线性导线以网状形成，但不限于该构造。导电耦合元件12c可以具有线性导线如图5所示那样弯曲的弯曲形状。具体地，在导电耦合元件12c中，连接互临单元的导线构成弯曲。从而，网状导电元件的电感增加，并且可以使网状元件的谐振频率为较低频率。这意味着：可以减小用于在指定频率谐振的网状导电元件的结构的尺寸，并且因此可以最小化供电设备单元10。 [0063] 在前述示例实施例中，使导电耦合元件12c的网状形状为矩形。然而，网状形状无需是矩形的。例如，网状形状可以是任意多边形或包括平滑边界的形状(如圆形)。此外，网状导电元件12c中互相交叉的导体无需彼此垂直。例如，网状的单元结构可以是任意多边形结构，如六边形。 [0064] (修改示例2) [0065] 在前述示例实施例中，发送电磁波耦合单元12的网状导电耦合元件12c被布置为朝向电磁波传播片1，但不限于该构造。如图6所示，绝缘层30可以涂覆在供电设备单元10或受电设备单元20的底面上。通过该绝缘层30，当从电磁波传播片1移除供电设备单元10或受电设备单元20时，避免与周围的无意电接触。可以在供电设备单元10或受电设备单元20或两者上执行绝缘层30涂覆。 [0066] (修改示例3) [0067] 在上述示例实施例的发送电磁波耦合单元12中，如图7所示，可以在导电耦合元件12c和参考导体12a之间的空间中填充介电常数比通信介质侧电磁波传播片1上的保护层5高的高介电常数材料31。通过使用高介电常数材料31作为电磁波耦合单元12，可以降低导电耦合元件12c的谐振频率。因此，可以减小用于在指定频率下谐振的网状导电元件12c的结构的尺寸，并且因此可以最小化供电设备单元10。可以在供电设备单元10或受电设备单元20或两者中执行对该高介电常数材料31的填充。 [0068] (修改示例4) [0069] 在前述示例实施例中，如图8所示，可以将介电常数比填充电磁波耦合单元12的高介电常数材料31高的高介电常数材料32用作作为通信介质的电磁波传播片1上的保护层5。通过将高介电常数材料32用作保护层5的材料，可以强化导电耦合元件12c和作为通信介质的电磁波传播片1之间的电磁耦合。作为结果，可以提高表面通信结构的输电效率。 [0070] (修改示例5) [0071] 在前述示例实施例中，如图9所示，可以将介电常数比填充电磁波耦合单元12的高介电常数材料31高的高介电常数材料33用作构成图6中电磁波耦合单元12下表面的绝缘层30的绝缘材料。 [0072] 通过将高介电常数材料33用于充当绝缘层30的涂覆材料，可以强化导电耦合元件12c和电磁波传播片1之间的电磁耦合。作为结果，可以提高表面通信结构的输电效率。 [0073] (修改示例6) [0074] 在前述示例实施例中，导电耦合元件12c和参考导体12a分开放置，但两者无需始终绝缘。作为导电耦合元件12c和参考导体12a不绝缘的示例，包括网状导体元件12c和参考导体12a如图10所示由附加导体柱12d部分连接的情况。在图10中，仅示出了一个附加导体柱12d，但可以存在多个。此外，只要引起导电耦合元件12c和参考导体12a之间的导电，其无需是柱形。例如，导电耦合元件12c的周围可以导电壁环绕。 [0075] 在以上示例实施例的每一个中，网状导体元件12c和电磁波产生单元11是由导体住12b和12d连接的导体，但无需始终导体连接。作为非导体连接的示例，包括如图11所示使用环形导体12e代替导体柱的情况。 [0076] 此外，导体柱12b和12d无需始终存在。作为不存在导体柱12b和12d的示例，包括使用狭缝12b代替导体作为匹配元件的情况，如图12所示。由于狭缝12f的缘故，显示出经由狭缝12f传播的电磁波与电磁波耦合单元12和21的电磁耦合得到促进的效果。 [0077] 可以在供电设备单元10或受电设备单元20或两者中布置图10的导体住12b和12d、图11的环形导体12e、和图12的狭缝12f。 [0078] 本发明的表面通信设备不限于参照附图描述的前述示例实施例，可以在其技术范围内想到各种修改示例。例如，各种修改示例可以是在前述示例实施例中给出的其过程的构成元件或组合。 [0079] 具体地，在前述示例实施例中，提供了供电设备单元10和受电设备单元20，但可以仅提供两者中的任何一个。例如，在仅提供供电设备单元10的情况下，可以通过接触供电执行向受电设备单元20供应的电磁波。在仅提供受电设备单元20的情况下，可以通过接触供电执行向供电设备单元10供应的电磁波。 [0080] 在本示例实施例中，提供供电设备单元10和受电设备单元20，但可以从构成元件中移除(通过在单独的过程中加入)采用接触供电的一侧的设备单元。 [0081] 在前述示例实施例中，仅在电磁波耦合单元12中提供了构成导电耦合元件12c的一个网状导体，但其无需一定是一个。例如，可以有两个、或三个网状导体、或者网状导体阵列。一般地，增加阵列数目具有强化电磁波耦合单元12和电磁波传播片1之间的耦合的效果。 [0082] 构成多个导电耦合元件的网状导体不一定具有相同的结构。 [0083] 在前述示例实施例中，作为示例，示出了供电设备单元10的导电耦合元件12c或受电设备单元20的导电耦合元件12c以绝缘方式与电磁波传播片1接触的机构，但还可以通过夹入缝隙来布置它们。 [0084] 在前述示例实施例中，图2示出了电磁波传播片1的网状层中的开口形状是矩形的示例，但其不限于该示例。只要是能够作为电磁波传播片1应用的结构，开口形状可以被改变为各种形状。例如，开口形状可以是六边形的，可以是三角形的，或者可以是圆形的。 [0085] 本发明的示例实施例还能够用作表面通信设备，以从供电设备侧向受电设备侧传播作为能量的电能，并且同时用作表面通信设备，以从供电设备侧向受电设备侧传播作为通信数据的电能。 [0086] 例如，其还能够用以将多个供电设备和受电设备对安装在电磁波传播片1上，并通过一些供电设备和受电设备对传播作为能量的电能，而以剩下的供电设备和受电设备对从供电设备侧向受电设备侧传播作为通信数据的电能。 [0087] 以上，虽然参照示例实施例描述了本发明，本发明绝不限于上述示例实施例。可以在本发明的范围内做出本发明技术人员能够理解的对本发明的形式和细节的各种修改。 [0088] 本申请基于并要求2010年10月8日提交的日本专利申请No.2010-228352的优先权，其公开以引用方式整体并入此处。 [0089] 工业实用性 [0090] 本发明能够应用于用于以无线方式供应电能的技术。本发明具体能够应用于从供电侧向片供电或从片向受电侧(如负载)供电的表面通信设备。 [0091] 附图标记 [0092] 1 电磁波传播片(电磁波传播单元) [0093] 5 保护层 [0094] 10 供电设备单元 [0095] 12 发送电磁波耦合单元 [0096] 12a 参考导体 [0097] 12b 导体柱 [0098] 12c 导电耦合元件 [0099] 12d 导体柱 [0100] 12e 环形导体 [0101] 12f 狭缝 [0102] 20 受电设备单元 [0103] 21 接收电磁波耦合单元 [0104] 30 绝缘层 [0105] 31 高介电常数材料 [0106] 32 高介电常数材料 [0107] 33 高介电常数材料 |
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