(57)【要約】  本発明の目的は、受信側に誘起される信号が受信に必要な振幅と時間方向の幅を大きくして耐ノイズ性を高めることである。対向したコイル間の電磁誘導によって非接触でデータ伝送を行う。送信コイルから流れる電流信号が、電流信号の振幅が０をクロスする点を対称点として略点対称とされ、該対称点における傾きが正であるか負であるかにそれぞれ対応させて、２値のデータを伝送する（図１）。
2009035028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁信号送出手段を含むデータ送信装置を備え、
前記データ送信装置は、前記電磁信号送出手段から出力される電磁信号が該電磁信号の振幅が０をクロスする点を対称点として略点対称とされ、該対称点における傾きが正であるか負であるかにそれぞれ対応させて、２値のデータを出力するように構成されることを特徴とするデータ伝送装置。
【請求項２】
電磁信号検出手段を含むデータ受信装置をさらに備え、
前記電磁信号送出手段および前記電磁信号検出手段は、対向して配置されると共に電磁誘導によって非接触でデータ伝送を行うように構成されることを特徴とする請求項１記載のデータ伝送装置。
【請求項３】
前記２値のデータを、前記電磁信号の時間微分値が、０・正・負・正・０と変化するか、０・負・正・負・０と変化するかにそれぞれ対応させることを特徴とする請求項１または２記載のデータ伝送装置。
【請求項４】
前記データ送信装置は、波形が略三角波の組み合わせで構成される前記電磁信号を前記電磁信号送出手段から出力することを特徴とする請求項１または３記載のデータ伝送装置。
【請求項５】
前記電磁信号の時間微分値が０・正・負・正・０と変化した際の負となる区間、および、前記電磁信号の時間微分値が０・負・正・負・０と変化した際の正となる区間において、前記電磁信号の時間微分値が略一定であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載のデータ伝送装置。
【請求項６】
前記電磁信号送出手段および前記電磁信号検出手段は、それぞれコイルを含み、前記電磁信号は、該コイルで送受される磁界信号であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一に記載のデータ伝送装置。
【請求項７】
前記電磁信号送出手段としての送信コイルに接続される送信回路は、前記送信コイルに流れる電流量及び電流の向きの制御が可能な電流源を含むことを特徴とする請求項６記載のデータ伝送装置。
【請求項８】
前記送信回路は、電流スイッチの切換処理によって整形した電流信号を前記送信コイルに供給することを特徴とする請求項７記載のデータ伝送装置。
【請求項９】
前記送信回路は、２組のスイッチングトランジスタ対を含み、該スイッチングトランジスタ対によって前記電流の向きを反転可能とするように構成されることを特徴とする請求項７または８記載のデータ伝送装置。
【請求項１０】
前記電磁信号送出手段および電磁信号検出手段は、それぞれ容量性結合に係る電極を含み、前記電磁信号は、該電極で送受される電界信号であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一に記載のデータ伝送装置。
【請求項１１】
前記電磁信号送出手段から出力される電磁信号を、前記電磁信号送出手段における電極に供給される電圧信号とすることを特徴とする請求項１０記載のデータ伝送装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一に記載のデータ伝送装置を含む半導体装置。
【請求項１３】
請求項６記載のデータ伝送装置における前記電磁信号送出手段をコイルとして含む第１の半導体チップと、請求項６記載のデータ伝送装置における前記電磁信号検出手段をコイルとして含む第２の半導体チップとを備え、互いのコイルの中心軸を一致させるように対向して配置することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
対向した電磁信号送出手段および電磁信号検出手段間の電磁誘導によって非接触でデータ伝送を行う方法であって、
前記電磁信号送出手段から出力される電磁信号が、該電磁信号の振幅が０をクロスする点を対称点として略点対称とされ、該対称点における傾きが正であるか負であるかにそれぞれ対応させて、２値のデータを伝送することを特徴とするデータ伝送方法。
【請求項１５】
前記２値のデータを、前記電磁信号の時間微分値が、０・正・負・正・０と変化するか、０・負・正・負・０と変化するかにそれぞれ対応させることを特徴とする請求項１４記載のデータ伝送方法。
【請求項１６】
前記電磁信号の波形が、略三角波の組み合わせで構成されることを特徴とする請求項１４または１５記載のデータ伝送方法。
【請求項１７】
前記電磁信号の時間微分値が０・正・負・正・０と変化した際の負となる区間、および、前記電磁信号の時間微分値が０・負・正・負・０と変化した際の正となる区間において、前記電磁信号の時間微分値が略一定であることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか一に記載のデータ伝送方法。
【請求項１８】
前記電磁信号は、磁界信号であることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか一に記載のデータ伝送方法。
【請求項１９】
前記電磁信号は、電界信号であることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか一に記載のデータ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願についての記載）
本願は、先の日本特許出願２００７−２３６９５４号（２００７年９月１２日出願）の優先権を主張するものであり、前記先の出願の全記載内容は、本書に引用をもって繰込み記載されているものとみなされる。
本発明は、データ伝送装置およびデータ伝送方法に関し、特に電磁誘導によってデータ伝送を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置に組み込まれる回路の高集積化に伴い、複数の半導体チップを積層し各半導体チップ上に形成されたコイル間の電磁誘導によってデータ伝送を実現する半導体装置が知られている。これらの半導体装置は、一方の半導体チップに形成されたコイルが磁界信号を発生し、他方の半導体チップに形成されたコイルには、送信コイルに入力された電流信号の微分値に比例した信号が誘起される。この誘起した信号を受信することによって、チップ間の信号伝送を非接触で行うものである。【０００３】
例えば、特許文献１には、集積回路を形成した２以上の回路チップが積層され、各回路チップに形成された集積回路の間が電磁誘導コイルによって電磁結合されている集積回路装置が記載されている。また、特許文献２には、集積回路チップを垂直方向に積層した立体構造の集積回路において、一方のチップ層Ｌn内の垂直方向に集積化した回路の一方の部分と別のチップ層Ｌn+x内の前記垂直方向に集積化した回路の別の部分との間で、結合インダクタンスＭを用いて誘導による信号伝送を行う信号伝送用装置が記載されている。さらに、非特許文献１には、複数の半導体チップが積層され、半導体チップに形成されたコイルを上下方向の同じ位置に重ねて配置し、さらに送信回路と受信回路をその近くに配置することによって、上下の半導体チップ間の信号伝送を行う半導体装置が記載されている。【０００４】
以上のような装置において、送信コイルを流れる電流信号波形は、送信装置に入力される矩形波の立ち上がり時と立ち下がり時にのみ電流が流れるような、急峻でパルス幅の狭い波形になる。一方、受信コイルには、ファラデーの電磁誘導の法則により受信磁界の微分値が電圧として誘起されるため、送信コイルを流れる電流信号波形の微分信号が誘起されることになる。この結果、受信装置には、パルス幅の狭い急峻なピークをもつ電圧信号が入力されることになる。【０００５】
ところで、通常、半導体装置の内外には色々なノイズ発生源が存在する。例えば、半導体チップ内には多くの論理回路が含まれ、その回路間の信号伝送は、受信回路の入力にあるキャパシタの充放電によって行われる。この際に流れる電流は、上記の送信コイルを流れる電流信号波形と非常によく似た波形であることが知られている。こうした波形の電流が受信コイルにノイズとして混入すれば、ノイズに起因した電圧信号と、受信コイルに誘起された正規の受信信号に基づく電圧信号とが非常に似通っているため、ノイズと受信信号とを切り分けることは原理的に非常に難しい。【０００６】
そこで、ノイズが混入した場合であっても、そのノイズに影響されることなく信号伝送を行うことができる耐ノイズ性に優れた伝送方法及びインタフェース回路が特許文献３において開示されている。特許文献３に記載の手法では、図１７（ａ）に示すような駆動電圧波形を送信コイルに供給する。これに対し、図１７（ｂ）に示すように送信コイルから出力する磁界信号は三角波又は略三角波となり、図１７（ｃ）に示した受信コイルで誘起される電圧波形をパルス幅の広い波形からなる受信信号にすることができる。その結果、幅の狭い電圧波形を示すノイズ信号とは明確に区別することができる。【０００７】
【特許文献１】特開平７−２２１２６０号公報
【特許文献２】特開平８−２３６６９６号公報
【特許文献３】国際公開第２００７／０２９４３５号パンフレット
【非特許文献１】Ｎｏｒｉｙｕｋｉ  Ｍｉｕｒａ，  ｅｔ  ａｌ．，“Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ａｎｄ  Ｉｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｙｏｕｔ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｉｎｔｅｒ−ｃｈｉｐ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｎｅｃｔ”，  ＩＥＥＥ  ２００４  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐｐ．２４６−２４９（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以下の分析は本発明において与えられる。【０００９】
ところで、前述したように、受信コイルに誘起される信号は、送信コイルに流れる電流信号の微分値である。したがって、安定的に信号を受信するためには、受信コイルに誘起される信号が十分な振幅と時間方向の幅とを有することが好ましい。すなわち、送信コイルに流れる電流の単位時間の変化量を増加させ、かつ、変化している時間を長くすることが望まれる。しかしながら、従来の技術では、このような条件を満たす場合、送信器における消費電力が大きくなってしまう。【００１０】
また、実際の信号伝送システムでは、電源電圧に制限があって、送信コイルに流せる電流量の最大値が制限されてしまうので、長時間連続的に電流を流し続けることができない。このため、受信コイルに発生する信号の幅は、充分広くすることができず、時間方向に信号がずれたり、受信回路の動作タイミングがずれたりした場合には、データが正しく伝送されなくなる虞がある。【００１１】
本発明の目的は、受信コイルに誘起される信号強度と時間方向の幅を広げることで、データをより正確に伝送するデータ伝送装置およびデータ伝送方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一つのアスペクト（側面）に係るデータ伝送装置は、電磁信号送出手段を含むデータ送信装置を備え、データ送信装置は、電磁信号送出手段から出力される電磁信号が該電磁信号の振幅が０をクロスする点を対称点として略点対称とされ、該対称点における傾きが正であるか負であるかにそれぞれ対応させて、２値のデータを出力するように構成される。【００１３】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号検出手段を含むデータ受信装置をさらに備え、電磁信号送出手段および電磁信号検出手段は、対向して配置されると共に電磁誘導によって非接触でデータ伝送を行うように構成されるようにしてもよい。【００１４】
本発明のデータ伝送装置において、２値のデータを、電磁信号の時間微分値が、０・正・負・正・０と変化するか、０・負・正・負・０と変化するかにそれぞれ対応させるようにしてもよい。【００１５】
本発明のデータ伝送装置において、データ送信装置は、波形が略三角波の組み合わせで構成される電磁信号を電磁信号送出手段から出力するようにしてもよい。【００１６】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号の時間微分値が０・正・負・正・０と変化した際の負となる区間、および、電磁信号の時間微分値が０・負・正・負・０と変化した際の正となる区間において、電磁信号の時間微分値が略一定であってもよい。【００１７】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号送出手段および電磁信号検出手段は、それぞれコイルを含み、電磁信号は、該コイルで送受される磁界信号であってもよい。【００１８】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号送出手段としての送信コイルに接続される送信回路は、送信コイルに流れる電流量及び電流の向きの制御が可能な電流源を含んでもよい。【００１９】
本発明のデータ伝送装置において、送信回路は、電流スイッチの切換処理によって整形した電流信号を送信コイルに供給してもよい。【００２０】
本発明のデータ伝送装置において、送信回路は、２組のスイッチングトランジスタ対を含み、該スイッチングトランジスタ対によって電流の向きを反転可能とするように構成してもよい。【００２１】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号送出手段および電磁信号検出手段は、それぞれ容量性結合に係る電極を含み、電磁信号は、該電極で送受される電界信号であってもよい。【００２２】
本発明のデータ伝送装置において、電磁信号送出手段から出力される電磁信号を、電磁信号送出手段における電極に供給される電圧信号としてもよい。【００２３】
本発明の半導体装置において、上記のデータ伝送装置を含んでもよい。
本発明の半導体装置において、上記のデータ伝送装置における記電磁信号送出手段をコイルとして含む第１の半導体チップと、上記のデータ伝送装置における電磁信号検出手段をコイルとして含む第２の半導体チップとを備え、互いのコイルの中心軸を一致させるように対向して配置するようにしてもよい。【００２４】
本発明の他のアスペクト（側面）に係るデータ伝送方法は、対向した電磁信号送出手段および電磁信号検出手段間の電磁誘導によって非接触でデータ伝送を行う方法であって、電磁信号送出手段から出力される電磁信号が、該電磁信号の振幅が０をクロスする点を対称点として略点対称とされ、該対称点における傾きが正であるか負であるかにそれぞれ対応させて、２値のデータを伝送する。【００２５】
本発明のデータ伝送方法において、２値のデータを、電磁信号の時間微分値が、０・正・負・正・０と変化するか、０・負・正・負・０と変化するかにそれぞれ対応させてもよい。【００２６】
本発明のデータ伝送方法において、電磁信号の波形が、略三角波の組み合わせで構成されてもよい。【００２７】
本発明のデータ伝送方法において、電磁信号の時間微分値が０・正・負・正・０と変化した際の負となる区間、および、電磁信号の時間微分値が０・負・正・負・０と変化した際の正となる区間において、電磁信号の時間微分値が略一定であってもよい。【００２８】
本発明のデータ伝送方法において、電磁信号は、磁界信号であってもよい。【００２９】
本発明のデータ伝送方法において、電磁信号は、電界信号であってもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、電磁信号送出手段から出力される電磁信号を点対称としたので、受信側に誘起される信号が受信に必要な振幅と時間方向の幅を大きくすることができる。したがって、ノイズ信号と明確に区別が可能であって、ノイズの影響を排除した受信が可能となる。また、送受信の際の時間方向の揺らぎの影響も少なくなるため、安定的なデータ伝送が可能となる。さらに、耐ノイズ性、及び時間方向の揺らぎへの耐性が強いので、送信電力を下げても信号伝送が可能となり、装置の低消費電力化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係るデータ伝送方法におけるタイミングチャートである。
【図２】従来方法における伝送波形を示すシミュレーション結果である。
【図３】本発明の実施形態に係るデータ伝送方法における伝送波形を示すシミュレーション結果（１）である。
【図４】本発明の実施形態に係るデータ伝送方法における伝送波形を示すシミュレーション結果（２）である。
【図５】従来方法で伝送した場合の伝送波形を示すシミュレーション結果である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図７】送信コイルと送信回路とからなる送信装置が形成された半導体チップの平面図である。
【図８】受信コイルと受信回路とからなる受信装置が形成された半導体チップの平面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る送信装置と受信装置とを有するインタフェース回路のブロック図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る送信回路の回路図である。
【図１１】図１０に示した送信回路と受信コイルに誘起される信号の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】図１０に示した送信回路と受信コイルに誘起される信号のシミュレーション結果である。
【図１３】点対称波形を実現することを確認するために実施した回路シミュレーションの結果を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る受信回路の回路図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る容量性結合によるインタフェース回路のブロック図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る容量性結合によるデータ伝送方法におけるタイミングチャートである。
【図１７】従来方法における送信コイルの信号波形と受信コイルに誘起される信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１、２  半導体チップ
３、３ａ  送信回路
４  送信コイル
５  受信コイル
６、６ａ  受信回路
７、８  電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の実施形態に係るデータ伝送方法は、対向したコイル間の電磁誘導により非接触でデータ伝送を行う伝送方法において、送信コイルから出力される電磁信号の時間微分値が、正・負・正と連続的に変化するか、負・正・負と連続的に変化することでデータを伝送する。【００３４】
また、データ伝送方法において、送信コイルから出力される電磁信号の始点、及び、終点の電磁信号の強度が０であることが好ましい。【００３５】
さらに、データ伝送方法において、送信コイルから出力される電磁信号が０となる点を対称点として、送信コイルから出力される電磁信号が点対称、あるいは、略点対称となることが好ましい。ここで略点対称とは、電磁信号の時間微分値が正・負・正と変化した際の両端の正となる区間における電磁信号の波形同士が必ずしも点対称とはならなくてもよいことを意味する。同様に、送信コイルから出力される電磁信号の時間微分値が負・正・負と変化した際の両端の負となる区間における電磁信号の波形同士が必ずしも点対称とはならなくてもよいことを意味する。【００３６】
また、データ伝送方法において、前記点対称、あるいは、略点対称となる電磁信号の波形が、三角波、または、略三角波の組み合わせで構成されることが好ましい。【００３７】
さらに、データ伝送方法において、送信コイルから出力される電磁信号の時間微分値が正・負・正と変化した際の電磁信号の時間微分値が負となる区間、または、送信コイルから出力される電磁信号の時間微分値が負・正・負と変化した際の電磁信号の時間微分値が正となる区間において、電磁信号の時間微分値が一定であることが好ましい。【００３８】
また、対向したコイル間の電磁誘導により非接触でデータ伝送を行う伝送方法において、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が正・負・正と連続的に変化するか、負・正・負と連続的に変化することが好ましい。【００３９】
さらに、データ伝送方法において、送信コイルに流れる電流信号の始点、及び、終点の電流量が０であることが好ましい。【００４０】
また、データ伝送方法において、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が０となる点を対称点として、送信コイルに流れる電流信号が点対称、あるいは、略点対称となることが好ましい。【００４１】
さらに、データ伝送方法において、前記点対称、あるいは、略点対称となる送信コイルに流れる電流信号の波形が、三角波、または、略三角波の組み合わせで構成されることが好ましい。【００４２】
また、データ伝送方法において、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が正・負・正と変化した際の電流信号の時間微分値が負となる区間、または、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が負・正・負と変化した際の電流信号の時間微分値が正となる区間において、電流信号の時間微分値が一定であることが好ましい。【００４３】
本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記のデータ伝送方法を用いてデータを伝送するようにしてもよい。【００４４】
また、半導体装置において、前記送信コイルに接続された送信回路が、電流量、及び、電流の向きの制御が可能な電流源であることが好ましい。【００４５】
さらに、半導体装置において、前記送信コイルに接続された送信回路が電流スイッチ切換処理して整形された電流信号を前記送信コイルに入力することが好ましい。【００４６】
すなわち、データ伝送方法は、対向したコイル間の電磁誘導により非接触でデータ伝送を行う伝送方法において、送信コイルから出力される電磁信号の時間微分値が、正・負・正と連続的に変化するか、負・正・負と連続的に変化することで信号を伝送する。その際、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が正・負・正と連続的に変化するか、負・正・負と連続的に変化するという特徴を有する。電流波形は、送信コイルに入力される電流信号の時間微分値が正・負・正と変化した際の電流信号の時間微分値が負となる区間、または、送信コイルに入力される電流信号の時間微分値が負・正・負と変化した際の電流信号の時間微分値が正となる区間において、電流量が０となった点を対称点として、送信コイルに入力される電流信号が点対称であるとより効果的である。以下、このような特徴を有する電流信号波形を点対称波形とする。なお、この点対称波形は、先に説明したような略点対称となる波形であってもよい。【００４７】
電磁誘導により非接触でデータ伝送を行う伝送方法において、送信コイルから出力する磁界信号を受信する受信コイルでは、ファラデーの電磁誘導の法則により受信磁界を微分した電圧が誘起される。従来、矩形波のデジタル信号を送信コイルから磁界信号としてそのまま送信した場合、上記の微分処理によってパルス幅の狭い急峻なインパルス状の波形が受信コイルで誘起され、その波形が半導体チップ内外から混入するノイズの波形に非常によく似ていることから、ノイズと受信信号とを切り分けることが難しかった。また、信号受信の際に利用できる信号の幅は、送信電流が増加する期間、もしくは減少する期間のいずれかに対応する時間のみであるため、わずかな送信信号の時間のずれや、受信システムのタイミングのずれによって、誤った信号を伝送してしまうことがあった。【００４８】
これに対し、本発明によれば、従来例と比較して受信コイルに誘起される信号の振幅を十分確保しつつ、時間方向の信号の幅を広く取ることが可能であるため、誤りのないデータ伝送を容易に実現することができる。【００４９】
また、本発明による半導体装置は、送信コイルと送信コイルに前記のような特徴を有する電流信号を流すことができる送信回路とによって構成される。【００５０】
さらに、送信回路は、電流量と電流の向きの制御が可能な可変電流源であることが望ましく、また、可変電流源は、電源と送信コイルの間に直列に挿入されたスイッチであることが好ましい。【００５１】
また、本発明の半導体装置は、（ｉ）受信コイルを有する半導体装置が積層されていてもよいし、（ｉｉ）受信コイルを有する半導体装置が複数積層されていてもよいし、（ｉｉｉ）少なくとも送信コイルを有する複数の半導体装置と、受信コイルを有する半導体装置とが積層されていてもよい。【００５２】
また、本発明の半導体装置は、送信コイルと送信回路とを有する半導体装置と、受信コイルを有する半導体装置との間に、他の半導体装置が積層されていてもよい。また、受信コイルがプリント基板上に形成され受信回路を有する半導体装置と接続される場合などのように受信コイルが半導体装置上に形成されている必要はなく、送信コイルと受信コイルが対向する位置に積層されていればよい。【００５３】
以下、本発明のデータ伝送装置およびデータ伝送方法のいくつかの実施形態について、より具体的に図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例を示す形態であり、その説明及び図面の形態に限定解釈されるものではない。また、断面図については、便宜上、断面であることを示すハッチングを省略してある。【００５４】
まず、データ伝送方法について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るデータ伝送方法におけるタイミングチャートであり、図１（ａ）は、受信コイルに誘起される電圧信号波形を示し、図１（ｂ）は、送信コイルに流れる電流信号波形を示す。【００５５】
本発明のデータ伝送方法では、送信コイルに流れる電流信号の時間微分値が正・負・正と連続的に変化するか、負・正・負と連続的に変化することでデータを伝送する。この場合、図１（ｂ）に示すように送信コイルに流れる電流信号が、電流が流れていない状態からある電流量Ｉｍａｘまで連続的に電流量を増加していき、ある電流量に達した後に、電流量が０になるまで電流を減少させる。更に、これまでとは逆方向に電流が流れるように電流量を増加させていき、電流量が−Ｉｍａｘに達した後は、電流量が０になるまで電流を減少させる。【００５６】
図１（ａ）に示すように、点対称波形を送信コイルに流すと、ファラデーの法則に従い、送信コイルに流れる電流値が増加している間、正の向きの電圧Ｖｒｘが受信コイルに誘起される。この時、電圧の大きさＶｒｘは、電流の変化量に比例した値となる。その後、送信コイルに流れる電流がＩｍａｘとなったとき、送信コイルに流れる電流を増加から減少に転じさせる。この時、電流の変化量が負となるので、受信コイルには負の電圧が誘起される。この時の信号の大きさは、前述と同じように、電流の変化量に比例した大きさとなる。【００５７】
従来例では、電流が減少に転じた後、電流量が０となる期間まで信号伝送を行っていた。これに対し、本発明の伝送方法では、電流量が０となった後も、ほぼ同じ大きさの電流変化を継続し、電流量が０となる前の電流の向きとは逆の向きに電流を流し始め、電流量が−Ｉｍａｘになるまで、逆向きの電流を流し続ける。電流変化は、電流量が０となる前の状態を保っているので、受信コイルの信号も同程度の強度の信号を誘起し続ける。その後、送信コイルに流れる電流を止めて、電流量を０とする。この時、受信コイルに誘起される信号は、送信コイルに流れる電流の時間変化量に比例するので、送信コイルに流れる電流の時間変化量が一定であると、最も効率的である。【００５８】
本発明の効果を確認するために、回路シミュレータを用いてシミュレーションした結果を図２に示す。このシミュレーションにおいて、送信コイル、受信コイルの自己インダクタンス、および、相互インダクタンスは、一般的な電磁界解析ツールを用いて算出したものであり、送受信コイル径を、それぞれ１００μｍとし、伝送距離を４００μｍとしている。なお、それぞれのサイズは一例を示したものであり、コイル径や伝送距離により特性の変化はあるが、定性的な傾向は変化するものではなく、サイズが異なったとしても同様の効果が得られる。【００５９】
図２（ａ）が従来の三角波信号を用いた場合に受信コイルに誘起される信号の電圧信号波形であり、図２（ｂ）が送信コイルに流れる電流信号波形である。一方、図３（ａ）は、本発明による点対称波形を用いたときに受信コイルに誘起される信号の電圧信号波形であり、図３（ｂ）は、送信コイルに流れる電流信号波形を示している。この時、受信コイルに誘起される信号の振幅と時間方向の幅がほぼ同程度となるように送信コイルに流れる電流信号波形を調整している。ここで信号の送信のために消費される電力は、送信コイルに流れる電流値の時間積分である。図２、３を参照して本発明と従来の電流波形を比較するならば、受信コイルに同程度の信号を誘起させるのに必要な電力は、本発明の伝送方法を用いれば従来の半分となることがわかる。したがって、本発明のデータ伝送方法では、低電力化が可能となる。【００６０】
次に、電源電圧等の制約によって送信コイルに流れる電流量が制限される場合について述べる。図２（ｂ）に示す電流量が該システムにおいて許容される電流量であるとすると、それ以上電流を流すことができない。したがって、受信コイルに誘起される時間方向の幅をこれ以上広くできないため、動作タイミングのわずかなずれなどにより、誤った信号が受信されてしまい、安定的にデータ伝送することが不可能であった。【００６１】
これに対し、本発明による点対称波形によれば、図３（ｂ）に示すように制限される電流量に余裕がある。したがって、図４（ｂ）に示すように、更に電流を流すことが可能であり、図４（ａ）に示すように、受信コイルに誘起される信号の振幅を保ったまま時間方向の幅を広くすることが可能である。【００６２】
従来の三角波信号を用いた場合において、送信コイルに流れる電流波形を図５（ｂ）に示すように単位時間当たりの電流の変化量を半分にして変化時間を電流変化が起きている時間を長くすれば、受信コイルに誘起される信号の時間方向の幅を広くすることができる。しかしながら、単位時間当たりの電流の変化量が半分になるため、図５（ａ）に示すように受信コイルに誘起される信号の振幅が半分になってしまう。したがって、データ伝送における誤り耐性が劣ることになる。【００６３】
以上の解析結果より、本発明のデータ伝送方法によれば、受信コイルに誘起される信号の振幅と時間方向の幅を保ったまま、信号送信の際に必要な電力を削減することができる。また、送信コイルに流れる電流量が制限されたとしても、受信コイルに誘起される信号の振幅と時間方向の幅を保つことが可能となり、データ伝送における誤り耐性が優れる。【００６４】
（半導体装置）
本発明の実施形態に係る半導体装置は、信号伝送を電磁誘導によって行う半導体装置において、送信コイルに流れる電流信号波形が、図１に示したような点対称波形を発生する送信回路を有する。図６は、本発明の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置は、半導体チップ１、２を備える。半導体チップ１は、送信回路３と送信コイル４を備え、半導体チップ２は、受信回路６と受信コイル５を備える。半導体チップ１、２は、送信コイル４と受信コイル５とが電磁誘導可能であるように平行して配置され、送信コイル４と受信コイル５とで電磁誘導によるデータ伝送を行う。送信コイル４の中心軸と受信コイル５の中心軸とを一致させることによって、送信コイル４からの磁界を受信コイル５にて最大限に受信することができる。【００６５】
図６では、２つの半導体チップ１、２しか記載されていないが、その上下にさらに別の半導体チップを重ねて３枚以上としても構わない。また、半導体チップ１には、送信装置Ｓ（送信回路３及び送信コイル４を含む。以下同じ。）のみが記載されているが、受信装置Ｅ（受信回路６及び受信コイル５を含む。以下同じ。）が形成されていても構わない。また、半導体チップ２にも送信装置Ｓ（送信回路３及び送信コイル４）があっても構わない。なお、図６には、本発明のインタフェース回路に最低限度必要となる送信装置Ｓ、受信装置Ｅ、及びそれらが形成された半導体チップ１、２のみを強調して記載し、また、断面を示すハッチングは便宜上省略してある。【００６６】
送信回路３と受信回路６は、各半導体チップ内のトランジスタを用いて形成される。また、送信コイル４と受信コイル５は、各半導体チップの配線層に形成される。積層される各半導体チップ１、２は、導電性をもたない接着剤層を介して接着させることが好ましい。もし、導電性を有する接着剤層を介して接着させると、送信コイル４で発生した磁界がこの接着剤層で遮断されてしまい、受信コイル５まで届かないことがある。【００６７】
図７は、送信コイル４と送信回路３とからなる送信装置Ｓが形成された半導体チップ１の平面図である。この送信装置Ｓは、１つの送信回路３に対して１つの送信コイル４が接続されている。図８は、送信コイル５と送信回路６とからなる受信装置Ｅが形成された半導体チップ２の平面図である。送信コイル４と送信回路３、及び、受信コイル５と受信回路６との位置関係は、図７、図８に示す形態に限定されるものではなく、自由に設計できる。【００６８】
図９は、送信装置Ｓと受信装置Ｅとを有するインタフェース回路のブロック図の一例を示したものである。本発明のインタフェース回路は、基本的には、図９に示すように、少なくとも、送信回路３と送信コイル４とを有する送信装置Ｓと、受信コイル５と受信回路６とを有する受信装置Ｅとで構成される。そして、送信コイル４に流れる電流信号が、点対称波形であり、送信コイル４から出力した磁界信号が受信コイル５で受信され、受信回路６で信号を受信し、データ伝送が行われる。【００６９】
（電流スイッチ切換処理による整形）
次に、送信コイルに接続された送信回路によって、送信コイルに流れる電流信号波形の極性が正・負・正と変化するか負・正・負と変化するような特徴を持つように、整形する回路について説明する。【００７０】
図１０は、電流スイッチ切換処理回路を備えた送信回路の一例を示す回路図である。図１１は、図１０に示す送信回路におけるタイミングチャートの一例である。この送信回路は、送信コイルに接続されたトランジスタＰＭＯＳ０、ＰＭＯＳ１、ＮＭＯＳ０、ＮＭＯＳ１、及び、これらの４つのトランジスタのゲート電圧を制御する回路によって構成されている。ＰＭＯＳ０とＮＭＯＳ０からなるトランジスタ対０、ＰＭＯＳ１とＮＭＯＳ１からなるトランジスタ対１は、図１０に示すように、それぞれのドレイン端が送信コイルの異なる端子に接続され、ＰＭＯＳのソース端子は電源に接続され、ＮＭＯＳのソース端子は接地されている。また、各対のＰＭＯＳのゲート端子とＮＭＯＳのゲート端子を制御する信号の極性は、逆の特性を持つように制御される。すなわち、各トランジスタ対がそれぞれ同時にオンすることとなり、トランジスタ対がオンしているときに、電源から送信コイルを介して電流が流れることとなる。図１０において、送信コイル４に電流が上から流れるときを正、下から上に流れるときを負、また、送信データがハイレベル（“１”）のとき電流の極性は正、ローレベル（”０”）のときの電流の極性を負として、図１１のタイミングチャートに示している。【００７１】
送信データが”１”の時、まず、トランジスタ対０を制御する制御信号ＤＴＸ０Ｐ、ＤＴＸ０Ｎが、”１”から”０”、”０”から”１”にそれぞれ変化することで、トランジスタ対０がオンし、送信コイルに正の向きに電流が流れだす。その後、制御信号ＤＴＸ０Ｐ、ＤＴＸ０Ｎが、それぞれ”１“、”０”に戻ることで、トランジスタ対０は切断され、送信コイルに流れる電流が０になる。次に、トランジスタ対１を制御する制御信号ＤＴＸ１Ｐ、ＤＴＸ１Ｎが、”１”から”０”、”０”から”１”にそれぞれ変化することで、トランジスタ対１がオンし、送信コイルに負の向きに電流が流れだす。その後、制御信号ＤＴＸ１Ｐ、ＤＴＸ１Ｎがそれぞれ”１“、”０”に戻ることで、トランジスタ対１は切断され、送信コイルに流れる電流が０になる。このように各トランジスタが動作することで、極性が正・負・正と変化するような電流信号が生成される。【００７２】
また、送信データが”０”の場合には、送信データが”１”の場合と逆に、トランジスタ対１、トランジスタ対０の順番に動作するように制御信号ＤＴＸ０Ｐ、ＤＴＸ０Ｎ、ＤＴＸ１Ｐ、ＤＴＸ１Ｎを変化させ、電流信号を生成する。【００７３】
このように、送信データによって制御信号ＤＴＸ０Ｐ、ＤＴＸ０Ｎ、ＤＴＸ１Ｐ、ＤＴＸ１Ｎを変化させることで、トランジスタ対０、及び、トランジスタ対１の動作を制御し、送信コイル４に流れる電流波形の極性を正・負・正と変化するか負・正・負と変化するような波形に整形できる。【００７４】
ここで、本発明の送信回路の効果を確認するために実施した回路シミュレーションの結果を図１２に示す。図１２が示すように、送信回路により、本発明の特徴である極性が正・負・正と変化するか負・正・負と変化するような波形が送信コイルに流れて、受信コイルに十分な信号が誘起されていることが確認できる。【００７５】
次に、前述の波形を点対称とする場合の制御方法に関して説明する。トランジスタのソース−ドレイン間に流れる電流Ｉｄは、次式で示されるようにゲート電圧Ｖｇｓによって制御可能である。
Ｉｄ＝ｋ（Ｖｇｓ−Ｖｔ）２
ただし、ｋは定数、Ｖｔはトランジスタの閾値電圧である。【００７６】
上記の式にしたがってゲート電圧を制御することによって、所望の点対称の波形の整形が可能となる。最も効率的に伝送するには、上記の式のように２次関数にしたがって制御する必要があるが、ゲート電圧をある一定の傾きを持たせた信号によって制御することでも十分に所望の効果が得られる。【００７７】
ここで各トランジスタのゲート電圧Ｖｇｓをある一定の傾きを持たせて制御し、点対称波形を実現することを確認するために実施した回路シミュレーションの結果を図１３に示す。ここで、トランジスタ対０とトランジスタ対１を制御する各信号を離した場合(iii)、一致させた場合(ii)、重ねた場合(i)を示している。図１３に示すように、各制御信号を離しすぎると、電流変化が一定ではなくなり、受信信号を小さくしてしまうので、一致させるか、やや重ねるとより大きな効果が得られる。このように図に示したような或る傾きを持った制御信号によって各送信回路を制御することによって、本発明の特徴である点対称の送信電流波形を実現することができる。【００７８】
図１４に受信回路の一例を示す。図１４に示す受信回路は、あくまでも受信回路の一例であり、受信回路は、受信コイルに誘起される信号変化を観測し、データを復元できさえすれば他の構成であってもかまわない。【００７９】
以上、図１、図１１、図１２に示したタイミングチャート及び、回路シミュレーション結果を用いて説明したように、送信コイル４に流れる電流信号を点対称波形とすることで、受信コイルに誘起される信号の時間方向の幅と振幅を大きくすることが可能となる。したがって、信号伝送に必要な消費電力を削減し、かつ、耐ノイズ性にすぐれたデータ伝送を実現することができる。【００８０】
なお、以上の説明において、電磁誘導として磁界信号を用いた信号伝送に関して述べた。しかしながら、本発明は、磁界信号による信号伝送に限られるものではなく、電界信号であってもよい。すなわち、電磁誘導が磁界信号による場合は、電流信号であったものを、電界信号（容量性結合）の場合は、電圧信号に変えることで、電極間の容量性結合によっても同様のインタフェース回路が構成可能である。その場合、受信電極に誘起される電圧信号は、送信電極の電圧信号の時間微分値に比例する。【００８１】
容量性結合を用いた信号伝送の場合のインタフェース回路のブロック図を図１５に示す。図１５において、送信回路３ａは、入力信号Ｖｉに応じて電極（送信電極）７を駆動する。電極７と容量結合される電極（受信電極）８には、受信回路６ａが接続され、受信回路６ａは、電極８に誘起された受信信号を受け取り、出力信号Ｖｏとして出力する。図１６は、このインタフェース回路における各波形を示す図である。送信電極を駆動する電圧信号の微分に相当する受信信号が受信電極に誘起されている。【００８２】
このように、本発明は、磁界信号による信号伝送ばかりではなく、容量性結合にも適用が可能である。【００８３】
（インタフェース回路の使用形態）
次に、本発明のインタフェース回路の使用形態について説明する。図６に示す本発明の実施形態に係る半導体装置は、送信コイル４によって発生した磁界信号が送信コイル４を形成したチップを貫通し、受信コイル５に達して信号伝送を行っている。しかしながら、この構成に限定されることなく、送信コイル４と受信コイル５が直接対向した構成としてもよい。この場合、送受信コイル間の距離がより短いため、データ伝送に使う電力をより削減することができる。【００８４】
図６に示す半導体装置では、回路チップを重ねた際の同じ位置に、一方の回路チップには送信コイル４、他方の回路チップには受信コイル５が配置される。さらに、半導体装置の外部に信号を送信する場合、もしくは、半導体装置の外部からの信号を受信する場合に、回路チップを重ね、透しで見た場合の同じ場所に送信コイル、もしくは受信コイルを重ねて配置するようにしてもよい。これは、例えば、本半導体装置内の回路チップの動作を外部からモニタリングしたい場合、各回路チップに本半導体装置の外部にある受信コイルに向けて信号を送信する送信コイルを、回路チップ間の信号伝送に使う送信コイルとは別に設けたことに相当する。一方、本半導体装置のテスト動作を外部より制御したい場合、本半導体装置の外部にある送信コイルから送信される信号を受信する各回路チップにある受信コイルを、回路チップ間の信号伝送に使う受信コイルとは別に設けた場合に相当する。このように動作のモニタリングやテスト動作のための送信コイルや受信コイル、および送信装置や受信装置を設ければ、積層された回路チップの表層にあるものだけでなく、内層にあるものに対しても動作のモニタリングやテスト動作が容易に行える。【００８５】
図６に示す半導体装置では、回路チップを２枚重ねた例を示すが、２枚に限定されず、３枚以上重ねてもかまわない。また、図６に示すような上下で接する回路チップ間だけでなく、さらにその上下に重なる回路チップとの間でも、信号伝送を行ってもかまわない。一般的には、非接触で多層に積層された回路チップに信号を伝送する場合、インタフェースチップからの磁界信号が一番離れた回路チップへ到達するまでの間に、間に挟まった回路チップで発生するノイズを多く含んでしまったり、通信距離が大きいため信号振幅が小さくなってしまったりする。しかしながら、本発明においては、前述した通り、受信コイルに誘起される信号の時間方向の幅を確保したまま、信号振幅を大きくすることが可能であるので、より確実なデータ伝送を行うことができる。【００８６】
従来技術では、受信回路を有するチップの外に受信コイルを設置し、受信コイルと受信回路と接続すると、受信コイルに誘起される信号が小さいため、受信コイルと受信回路の間の配線の抵抗などの影響で安定的な信号伝送を実現できなかった。しかしながら、本発明によれば、受信コイルに誘起する信号が十分な大きさを持つので、図７、図８に示したように送信コイルと送信回路、及び、受信コイルと受信回路を同一チップ上ある必要はなく、チップ外部に設置してもかまわない。【００８７】
なお、本発明の半導体装置は、便宜的にすべて同じ大きさで図示した。しかし、送信コイルと受信コイルとが対向するように回路チップが重なっていればよく、図示した回路チップの大きさに限定されるものではない。【００８８】
なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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