(57)【要約】【課題】伝送信号を複数に分割し、低い伝送損失で絶縁伝送できる共鳴結合器を提供する。【解決手段】本開示の一態様に係る共鳴結合器は、伝送信号が入力される第一の共鳴器と、前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第二の共鳴器と、前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送信号が入力される第一の共鳴器と、
前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第二の共鳴器と、
前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える、
共鳴結合器。
【請求項２】
前記第二の共鳴器は、第二の平面領域に設けられ、
前記第一の共鳴器は、第一の平面領域に設けられ、
前記第三の共鳴器は、第三の平面領域に設けられ、
前記第二の平面領域、前記第一の平面領域、及び前記第三の平面領域は、この順で重なっている、
請求項１に記載の共鳴結合器。
【請求項３】
前記伝送信号は、高周波信号であり、
前記第一の共鳴器は、開ループ形状を有する第一のループ配線を含み、
前記第二の共鳴器は、開ループ形状を有する第二のループ配線を含み、
前記第三の共鳴器は、開ループ形状を有する第三のループ配線を含む、
請求項１または２に記載の共鳴結合器。
【請求項４】
前記第二の共鳴器は、前記第一の共鳴器から、前記第一のループ配線のループ長の２倍以内の距離だけ離れて設置され、
前記第三の共鳴器は、前記第一の共鳴器から、前記第一のループ配線のループ長の２倍以内の距離だけ離れて設置されている、
請求項３に記載の共鳴結合器。
【請求項５】
前記第一のループ配線と前記第二のループ配線と前記第三のループ配線は同じ形状である、
請求項３または４に記載の共鳴結合器。
【請求項６】
前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線に電気的に接続される入力端子を有し、
前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線に電気的に接続される出力端子を有し、
前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線に電気的に接続される別の出力端子を含む、
請求項３から５のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項７】
前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線の一端に電気的に接続される第一の基準端子を有し、
前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線の一端に電気的に接続される第二の基準端子を有し、
前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線の一端に電気的に接続される第三の基準端子を含む、
請求項３から６のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項８】
前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線を囲み、前記第一の基準端子に電気的に接続される第一の外側ループ配線をさらに含む、
請求項７に記載の共鳴結合器。
【請求項９】
前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線を囲み、前記第二の基準端子に電気的に接続される第二の外側ループ配線をさらに含み、
前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線を囲み、前記第三の基準端子に電気的に接続される第三の外側ループ配線をさらに含む、
請求項７または８に記載の共鳴結合器。
【請求項１０】
前記第二の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第二のループ配線を覆う、第一グランド部をさらに備える、
請求項３から９のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項１１】
前記第三の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第三のループ配線を覆う、第二グランド部をさらに備える、
請求項３から１０のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項１２】
前記第二の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第二のループ配線を覆う、第一グランド部と、
前記第三の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第三のループ配線を覆う、第二グランド部とをさらに備え、
前記第一グランド部は、前記第二の基準端子に電気的に接続され、
前記第二グランド部は、前記第三の基準端子に電気的に接続される、
請求項７から９のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項１３】
前記第一の共鳴器と前記第二の共鳴器の距離は、前記第一の共鳴器と前記第三の共鳴器の距離と異なる、
請求項１から１２のいずれか一項に記載の共鳴結合器。
【請求項１４】
第一の基板と、前記第一の基板の上に積層された第二の基板と、前記第二の基板の上に積層された第三の基板と、をさらに備え、
前記第一の平面領域は、前記第二の基板の上に位置し、
前記第二の平面領域は、前記第一の基板の上に位置し、
前記第三の平面領域は、前記第三の基板の上に位置する、
請求項２に記載の共鳴結合器。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の共鳴結合器と、
入力信号に応じて高周波を変調して高周波信号を生成し、前記高周波信号を前記伝送信号として前記第一の共鳴器に送信する送信回路と、
前記第二の共鳴器及び前記第三の共鳴器から前記伝送信号を受信し、前記伝送信号を整流して出力信号を生成する受信回路とを備える、
伝送装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の伝送装置と、
前記出力信号によって制御される半導体スイッチと、を備える、
スイッチングシステム。
【請求項１７】
前記送信回路を含む少なくとも３つの送信回路が集積化された集積送信回路と、
前記共鳴結合器を含む少なくとも９つの共鳴結合器が集積化された集積絶縁素子と、
前記受信回路を含む少なくとも９つの受信回路と、前記少なくとも９つの受信回路に対応する少なくとも９つの双方向スイッチとが集積化された集積パワーデバイスとをさらに備え、
前記半導体スイッチは、前記少なくとも９つの双方向スイッチのいずれか１つであり、
前記スイッチングシステムは、前記集積送信回路に入力された少なくとも９つの入力信号に応じて、前記少なくとも９つの双方向スイッチが駆動されるマトリックスコンバータである、
請求項１６に記載のスイッチングシステム。
【請求項１８】
前記少なくとも３つの送信回路のそれぞれは、３つの入力信号に応じて３つの高周波信号を生成し、
前記少なくとも９つの共鳴結合器のそれぞれは、前記集積送信回路から入力された１つの高周波信号を２つの高周波信号に分割して出力し、
前記少なくとも９つの受信回路のそれぞれは、前記集積絶縁素子から入力された２つの高周波信号に応じて、対応する前記双方向スイッチに出力信号を出力する、
請求項１７に記載のスイッチングシステム。
【請求項１９】
入力された入力信号に応じて反射信号を生成する第一の共鳴器と、
前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器に前記入力信号を絶縁伝送する第二の共鳴器と、
前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記反射信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える、
方向性結合器。
【請求項２０】
前記第一の共鳴器と前記第二の共鳴器の距離は、前記第一の共鳴器と前記第三の共鳴器の距離よりも大きい、
請求項１９に記載の方向性結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、共鳴結合器、伝送装置、スイッチングシステム、および、方向性結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲート駆動回路は、半導体スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加し、スイッチング素子のオンオフを制御する。ゲート駆動回路は、高耐圧のスイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加する。
【０００３】
特許文献１は、ＧａＮ半導体を用いた双方向スイッチを開示している。双方向スイッチは、オン時に２端子間のどちらの方向にも電流を流すことができ、オフ時に双方向の電流を遮断できる。
【０００４】
１次側と２次側の間で直流成分を絶縁する素子は、信号絶縁素子、あるいは非接触信号伝送器と呼ばれる。信号絶縁素子は、高耐圧のスイッチング素子を駆動するためには不可欠な素子である。
【０００５】
特許文献２は、ゲート信号と電力を絶縁伝送できるオープンリング型の電磁共鳴結合器を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５５５２２３０号公報
【特許文献２】特開２００８−０６７０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術において、低い伝送損失で絶縁伝送できる信号絶縁素子が望まれていた。本開示は、伝送信号を複数に分割し、低い伝送損失で絶縁伝送できる共鳴結合器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、伝送信号が入力される第一の共鳴器と、前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第二の共鳴器と、前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える。
【０００９】
これらの包括的または具体的な態様は、共鳴器、伝送装置、スイッチングシステム、および、方向性結合器、製造方法、及び伝送方法、並びにそれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示に係る共鳴結合器は、伝送信号を複数に分割し、低い伝送損失で絶縁伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る共鳴結合器の構成例を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線による模式的な断面図である。
【図３】図１の共鳴結合器内の第一の共鳴器の上面図である。
【図４】図１の共鳴結合器内の第二の共鳴器の上面図である。
【図５】図１の共鳴結合器内の第三の共鳴器の上面図である。
【図６】実施例に係る共鳴結合器の伝送特性を例示する図である。
【図７】共鳴結合器を含む伝送装置の構成例を示すブロック図である。
【図８】共鳴結合器を含むゲート駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図９】共鳴結合器を含む３相ＡＣマトリックスコンバータシステムの構成例を示すブロック図である。
【図１０】共鳴結合器を含む３相ＡＣマトリックスコンバータシステムの具体例を示す上面図である。
【図１１】図１０のＢ−Ｂ’線による模式的な断面図である。
【図１２】共鳴結合器の変形例を示す模式図である。
【図１３】第二の共鳴器の変形例を示す上面図である。
【図１４】第一の共鳴器の変形例１を示す上面図である。
【図１５】第一の共鳴器の変形例２を示す上面図である。
【図１６】第一の共鳴器の変形例３を示す上面図である。
【図１７】第一の共鳴器の変形例４を示す上面図である。
【図１８】方向性結合器の信号の流れを示す模式図である。
【図１９】双方向スイッチ及びゲート駆動回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施の形態の概要）
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、伝送信号が入力される第一の共鳴器と、前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第二の共鳴器と、前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記伝送信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える。
【００１３】
この構成によれば、共鳴結合器は、伝送信号を複数に分割して、低い伝送損失で、絶縁伝送することができる。
【００１４】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第二の共鳴器は、第二の平面領域に設けられ、前記第一の共鳴器は、第一の平面領域に設けられ、前記第三の共鳴器は、第三の平面領域に設けられ、前記第二の平面領域、前記第一の平面領域、及び前記第三の平面領域は、この順で重なっていてもよい。
【００１５】
なお、平面領域は、ある程度の厚みを有する空間領域であってもよい。例えば、共鳴結合器の配線が厚みを有するとき、平面領域の厚みは、配線の厚みに相当してもよい。共鳴結合器の配線が一部に立体的な構造を有するとき、その立体的な構造も含んだ空間領域を平面領域としてもよい。
【００１６】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記伝送信号は、高周波信号であり、前記第一の共鳴器は、開ループ形状を有する第一のループ配線を含み、前記第二の共鳴器は、開ループ形状を有する第二のループ配線を含み、前記第三の共鳴器は、開ループ形状を有する第三のループ配線を含んでもよい。
【００１７】
この構成によれば、共鳴結合器は、伝送信号を複数に分割して、低い伝送損失で、絶縁伝送することができる。また、共鳴結合器が小型化されうる。
【００１８】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第二の共鳴器は、前記第一の共鳴器から、前記第一のループ配線のループ長の２倍以内の距離だけ離れて設置され、前記第三の共鳴器は、前記第一の共鳴器から、前記第一のループ配線のループ長の２倍以内の距離だけ離れて設置されていてもよい。
【００１９】
この構成によれば、共鳴結合器の小型化が実現されうる。
【００２０】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第一のループ配線と前記第二のループ配線と前記第三のループ配線は同じ形状であってもよい。
【００２１】
この構成によれば、共鳴結合器の小型化が実現されうる。なお、「同じ形状」とは、製造上の配線の個体差や、製造上の配置ずれ等を含めて、略同一の形状であればよい。また、「同じ形状」は、例えば、各配線形状が互いに点対称、または反転対象の関係にある場合をも含む。
【００２２】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線に電気的に接続される入力端子を有し、前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線に電気的に接続される出力端子を有し、前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線に電気的に接続される別の出力端子を有していてもよい。
【００２３】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線の一端に電気的に接続される第一の基準端子を有し、前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線の一端に電気的に接続される第二の基準端子を有し、前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線の一端に電気的に接続される第三の基準端子を有していてもよい。
【００２４】
この構成によれば、共鳴結合器の動作周波数を維持したままで、共鳴結合器の小型化が実現されうる。
【００２５】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第一の共鳴器は、前記第一のループ配線を囲み、前記第一の基準端子に電気的に接続される第一の外側ループ配線をさらに含んでもよい。
【００２６】
この構成によれば、伝送特性を向上させることができる。なお、「ループ配線を囲み」は、外側ループ配線が閉じたループであることに限定されず、例えば、外側ループ配線が開口端を有していてもよい。
【００２７】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第二の共鳴器は、前記第二のループ配線を囲み、前記第二の基準端子に電気的に接続される第二の外側ループ配線をさらに含み、前記第三の共鳴器は、前記第三のループ配線を囲み、前記第三の基準端子に電気的に接続される第三の外側ループ配線をさらに含んでもよい。
【００２８】
この構成によれば、伝送特性を向上させることができる。なお、「ループ配線を囲み」は、外側ループ配線が閉じたループであることに限定されず、例えば、外側ループ配線が開口端を有していてもよい。
【００２９】
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、例えば、前記第二の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第二のループ配線を覆う、第一グランド部をさらに備えてもよい。
【００３０】
この構成によれば、外来からのノイズ耐性が向上されうる。また、不要な放射が抑制されうる。
【００３１】
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、例えば、前記第三の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第三のループ配線を覆う、第二グランド部をさらに備えてもよい。
【００３２】
この構成によれば、外来からのノイズ耐性が向上されうる。また、不要な放射が抑制されうる。
【００３３】
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、例えば、前記第二の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第二のループ配線を覆う、第一グランド部と、前記第三の共鳴器の前記第一の共鳴器に対向する側とは反対側に配置され、前記第三のループ配線を覆う、第二グランド部とをさらに備え、前記第一グランド部は、前記第二の基準端子に電気的に接続され、前記第二グランド部は、前記第三の基準端子に電気的に接続されてもよい。
【００３４】
この構成によれば、共鳴結合器の小型化が実現されうる。
【００３５】
本開示の一態様に係る共鳴結合器において、例えば、前記第一の共鳴器と前記第二の共鳴器の距離は、前記第一の共鳴器と前記第三の共鳴器の距離と異なってもよい。
【００３６】
この構成によれば、第二の共鳴器から出力される信号と、第三の共鳴器から出力される信号との電力分配比を異ならせることができる。
【００３７】
本開示の一態様に係る共鳴結合器は、例えば、第一の基板と、前記第一の基板の上に積層された第二の基板と、前記第二の基板の上に積層された第三の基板と、をさらに備え、前記第一の平面領域は、前記第二の基板の上に位置し、前記第二の平面領域は、前記第一の基板の上に位置し、前記第三の平面領域は、前記第三の基板の上に位置してもよい。
【００３８】
この構成によれば、共鳴結合器の小型化が実現されうる。さらに、共鳴結合器の製造が容易化されうる。基板が誘電体で構成されるとき、伝送効率がさらに向上しうる。
【００３９】
本開示の一態様に係る伝送装置は、例えば、上記のいずれか１つの共鳴結合器と、入力信号に応じて高周波を変調して高周波信号を生成し、前記高周波信号を前記伝送信号として前記第一の共鳴器に送信する送信回路と、前記第二の共鳴器及び前記第三の共鳴器から前記伝送信号を受信し、前記伝送信号を整流して出力信号を生成する受信回路とを備える。
【００４０】
この構成によれば、第二の共鳴器からの伝送信号と、第三の共鳴器からの伝送信号との間の遅延が低減されうる。
【００４１】
本開示の一態様に係るスイッチングシステムは、例えば、上記の伝送装置と、前記出力信号によって制御される半導体スイッチと、を備える。
【００４２】
本開示に一態様に係るスイッチングシステムは、例えば、前記送信回路を含む少なくとも３つの送信回路が集積化された集積送信回路と、前記共鳴結合器を含む少なくとも９つの共鳴結合器が集積化された集積絶縁素子と、前記受信回路を含む少なくとも９つの受信回路、及び前記少なくとも９つの受信回路に対応する少なくとも９つの双方向スイッチが集積化された集積パワーデバイスとをさらに備え、前記半導体スイッチは、前記少なくとも９つの双方向スイッチのいずれか１つであり、前記スイッチングシステムは、前記集積送信回路に入力された少なくとも９つの入力信号に応じて、前記少なくとも９つの双方向スイッチが駆動されるマトリックスコンバータであってもよい。
【００４３】
本開示の一態様に係るスイッチングシステムにおいて、例えば、前記少なくとも３つの送信回路のそれぞれは、３つの入力信号に応じて３つの高周波信号を生成し、前記少なくとも９つの共鳴結合器のそれぞれは、前記集積送信回路から入力された１つの高周波信号を２つの高周波信号に分割して出力し、前記少なくとも９つの受信回路のそれぞれは、前記集積絶縁素子から入力された２つの高周波信号に応じて、対応する前記双方向スイッチに出力信号を出力してもよい。
【００４４】
この構成によれば、３つの入力信号から、基準電圧がそれぞれ異なる１８個の出力信号が生成されうる。また、各回路が集積化されるため、絶縁ゲート配線が低減され、システムが単純化されうる。
【００４５】
本開示の一態様に係る方向性結合器は、例えば、入力された入力信号に応じて反射信号を生成する第一の共鳴器と、前記第一の共鳴器の第一の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器に前記入力信号を絶縁伝送する第二の共鳴器と、前記第一の共鳴器の前記第一の側とは反対の第二の側と離間して対向し、前記第一の共鳴器と電磁的に結合し、前記第一の共鳴器から前記反射信号が絶縁伝送される第三の共鳴器と、を備える。
【００４６】
本開示の一態様に係る方向性結合器において、例えば、前記第一の共鳴器と前記第二の共鳴器の距離は、前記第一の共鳴器と前記第三の共鳴器の距離よりも大きくてもよい。
【００４７】
この構成によれば、例えば、一方向の電力に対応する信号のみを、より効率的に取り出すことができる。
【００４８】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００４９】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、波形、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００５０】
「上」、「下」、「左」や「右」といった方向を表す用語は、単に、説明の明瞭化を目的とする。したがって、これらの用語は、限定的に解釈されるべきものではない。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には、同一の符号が付され、重複する説明は省略される場合がある。
【００５１】
（本開示の基礎となった知見）
まず、本開示の発明者らの着眼点について説明する。
【００５２】
図１９に示されるように、双方向スイッチ９０８５は、第一のゲート９０８１、第二のゲート９０８２、第一のソース９０８３、および第二のソース９０８４を備える。双方向スイッチのオンオフを制御するために、例えば、それぞれのソース端子に対して正のゲート電圧が印加される。双方向スイッチが配置された回路において、各ソースの電圧は変動する。そのため、各ソースは、他の電位から直流的に絶縁されたフローティング状態にされる。つまり、半導体スイッチング素子に出力信号（駆動信号）を出力するゲート駆動回路内の２次側は、入力信号が入力されるゲート駆動回路内の１次側と直流成分で絶縁される。
【００５３】
例えば、マトリックスコンバータは、複数の双方向スイッチが使用される。このとき、複数の双方向スイッチのそれぞれは、基準電圧が異なる２つのゲート電圧により駆動される。そのため、ゲート制御信号及び絶縁ゲート配線が非常に多くなり、システムが複雑で、大きくなる課題があった。
【００５４】
これに対し、本発明者らは、一つの信号から、基準電圧がそれぞれ異なる複数の信号を生成し、絶縁伝送できる技術を検討し、本開示に至った。本開示によれば、システムを単純化することができる。
【００５５】
（実施の形態）
実施の形態に係る共鳴結合器の構成例について説明する。
【００５６】
図１は、本開示の実施の形態の共鳴結合器１００の構造を示す斜視図である。図２は、図１に示されるＡ−Ａ’の断面図である。
【００５７】
共鳴結合器１００は、電磁界共鳴結合現象を利用して高周波信号を伝送する。ここで高周波とは、１ＭＨｚから１００ＧＨｚ程度の周波数の信号を指す。共鳴結合器１００は、例えば、５．８ＧＨｚ帯の高周波を伝送する。
【００５８】
共鳴結合器１００は、高周波の信号が入力される第一の入力端子１１１、並びに、高周波の信号が出力される第二の出力端子１２１及び第三の出力端子１３１を有している。共鳴結合器１００は、第一の誘電体１９１と、第二の誘電体１９２と、第三の誘電体１９３と、第四の誘電体１９４と、第一の共鳴器１１０と、第二の共鳴器１２０と、第三の共鳴器１３０と、裏面グランド１９５と、上面グランド１９６とを備える。
【００５９】
第一の誘電体１９１の下に裏面グランド１９５が設置されている。第四の誘電体１９４上部に上面グランド１９６が設置されている。
【００６０】
第一の誘電体１９１の上に第二の共鳴器１２０が設置されている。第二の共鳴器１２０の上に第二の誘電体１９２が設置されている。第二の誘電体１９２の上に第一の共鳴器１１０が設置されている。第一の共鳴器１１０の上に第三の誘電体１９３が設置されている。第三の誘電体１９３の上に第三の共鳴器１３０が設置されている。第三の共鳴器１３０の上に第四の誘電体１９４が設置されている。
【００６１】
裏面グランド１９５、上面グランド１９６、第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０、第三の共鳴器１３０は、金属の配線及びパターンであってもよい。それらは、例えば、厚さ１６μｍ程度の金で形成される。第一の誘電体１９１、第二の誘電体１９２、第三の誘電体１９３、第四の誘電体１９４は、比誘電率１０のプリント基板材料であってもよい。それらは、例えば、厚さ０．２８ｍｍ程度のプリント基板材料である。
【００６２】
図３は、図１に示される第一の共鳴器１１０の上面図を示す。図４は、図１に示される第二の共鳴器１２０の上面図を示す。図５は、図１に示される第三の共鳴器１３０の上面図を示す。
【００６３】
第一の共鳴器１１０の平面形状について説明する。
【００６４】
第一の共鳴器１１０は、第一の基準端子１１２と、第一の入力端子１１１を有する。第一の共鳴器１１０は、第一の内周配線１１３と、第一の外周配線１１４と、第一の短絡配線１１６と、第一の入力配線１１５とを含む。第一の外周配線１１４は、第一の内周配線１１３の外側に配置される。
【００６５】
第一の入力配線１１５の一端は第一の入力端子１１１である。第一の入力配線１１５の他端は第一の内周配線１１３と接続されている。第一の内周配線１１３は、一部が接続していないループ形状の配線である。第一の内周配線１１３の一端は、第一の開放端１１７である。第一の内周配線１１３の他端は、第一の短絡配線１１６を介して第一の外周配線１１４と接続されている。第一の内周配線１１３は、第一の内周配線１１３及び第一の入力配線１１５の接続点と、第一の開放端１１７との間に、折込部１６１を有する。第一の内周配線１１３は、折込部１６１を包含する矩形形状の領域を占める。
【００６６】
第一の外周配線１１４は、一部が接続していないループ形状の配線である。第一の外周配線１１４は、矩形形状を有する。第一の外周配線１１４の一端は、第一の基準端子１１２と電気的に接続している。図１及び図３に示されるように、第一の外周配線１１４の他端も、第一の基準端子１１２と電気的に接続している。第一の内周配線１１３と第一の外周配線１１４との距離は、例えば、０．１５ｍｍである。図３において、第一の内周配線１１３が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．２ｍｍであり、縦方向の長さは、例えば１．１ｍｍである。図３において、第一の外周配線１１４が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．７ｍｍであり、縦方向の長さは例えば１．６ｍｍである。
【００６７】
本開示において、ループ形状とは、それ自体が交差しない一本の繋がった線で表現される形状を意味する。ループ形状は、例えば、環状、または円形状であってもよい。一部が接続されていないループ形状とは、ループ形状の配線の一部が切断された形状であって、切断部を画定する２つの配線端が遠くない位置にあるものを意味する。「２つの配線端が遠くない位置にある」とは、例えば、その配線幅の１０倍程度以内のものを指す。折込部とは、ループ形状の配線の内側の領域に、配線が折り曲がって配置されている部分を指す。「配線の一部が切断された形状」は、実際に切断されたか否かは問わず、ループ形状の一部が開放されている開ループ形状であればよい。
【００６８】
第一の内周配線１１３と第一の外周配線１１４との距離は、０．００１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲であってもよい。第一の外周配線１１４、第一の外周配線１１４、第一の短絡配線１１６、第一の入力配線１１５の幅は、０．００１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲の幅であってもよい。それらの幅は、例えば、０．１ｍｍである。なお、各配線の幅は同じでなくてもよい。
【００６９】
第二の共鳴器１２０の平面形状について説明する。
【００７０】
第二の共鳴器１２０は、第二の基準端子１２２と、第二の出力端子１２１を有する。第二の共鳴器１２０は、第二の内周配線１２３と、第二の外周配線１２４と、第二の短絡配線１２６と、第二の出力配線１２５とを含む。第二の外周配線１２４は、第二の内周配線１２３の外側に配置される。
【００７１】
第二の出力配線１２５の一端は第二の出力端子１２１である。第二の出力配線１２５の他端は第二の内周配線１２３と接続されている。第二の内周配線１２３は、一部が接続していないループ形状の配線である。第二の内周配線１２３の一端は、第二の開放端１２７である。第二の内周配線１２３の他端は、第二の短絡配線１２６を介して第二の外周配線１２４と接続されている。第二の内周配線１２３は、第二の内周配線１２３及び第二の出力配線１２５の接続点と、第二の開放端１２７との間に、折込部１６２を有する。第二の内周配線１２３は、折込部１６２を包含する矩形形状の領域を占める。
【００７２】
第二の外周配線１２４は、一部が接続していないループ形状の配線である。第二の外周配線１２４は、矩形形状を有する。第二の外周配線１２４の一端は、第二の基準端子１２２と電気的に接続している。図１及び図４に示されるように、第二の外周配線１２４の他端も、第二の基準端子１２２と電気的に接続されている。第二の内周配線１２３と第二の外周配線１２４との距離は、例えば、０．１５ｍｍである。図４において、第二の内周配線１２３が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．２ｍｍであり、縦方向の長さは、例えば１．１ｍｍである。図４において、第二の外周配線１２４が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．７ｍｍであり、縦方向の長さは例えば１．６ｍｍである。つまり、第二の共鳴器１２０の平面形状は、第一の共鳴器１１０を左右反転させた形状である。
【００７３】
第三の共鳴器１３０の平面形状について説明する。
【００７４】
第三の共鳴器１３０は、第三の基準端子１３２と、第三の出力端子１３１を有する。第三の共鳴器１３０は、第三の内周配線１３３と、第三の外周配線１３４と、第三の短絡配線１３６と、第三の出力配線１３５とを含む。第三の外周配線１３４は、第三の内周配線１３３の外側に配置される。
【００７５】
第三の出力配線１３５の一端は第三の出力端子１３１である。第三の出力配線１３５の他端は第三の内周配線１３３と接続されている。第三の内周配線１３３は、一部が接続していないループ形状の配線である。第三の内周配線１３３の一端は、第三の開放端１３７である。第三の内周配線１３３の他端は、第三の短絡配線１３６を介して第三の外周配線１３４と接続されている。第三の内周配線１３３は、第三の内周配線１３３及び第三の出力配線１３５の接続点と、第三の開放端１３７との間に、折込部１６３を有する。第三の内周配線１３３は、折込部１６３を包含する矩形形状の領域を占める。
【００７６】
第三の外周配線１３４は、一部が接続していないループ形状の配線である。第三の外周配線１３４は、矩形形状を有する。第三の外周配線１３４の一端は、第三の基準端子１３２と電気的に接続している。図１及び図５に示されるように、第三の外周配線１３４の他端も、別の第三の基準端子１３２と電気的に接続している。第三の内周配線１３３と第三の外周配線１３４との距離は、例えば、０．１５ｍｍである。図５において、第三の内周配線１３３が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．２ｍｍであり、縦方向の長さは、例えば１．１ｍｍである。図５において、第三の外周配線１３４が占める矩形形状の領域の横方向の長さは、例えば１．７ｍｍであり、縦方向の長さは例えば１．６ｍｍである。つまり、第三の共鳴器１３０の平面形状は、第一の共鳴器１１０を左右反転させた形状である。
【００７７】
図１の共鳴結合器１００において、第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０及び、第三の共鳴器１３０は、第一の内周配線１１３の中心と、第二の内周配線１２３の中心と、第三の内周配線１３３の中心とが一致するように配置されている。
【００７８】
本実施の形態に係る共鳴結合器は、電磁界共鳴結合現象を利用しているため、位置変化が特性に与える影響が極めて小さい。そのため、各内周配線の中心が一致していなくてもよい。上方から見た場合に、第一の共鳴器１１０の第一の内周配線１１３と、第二の共鳴器１２０の第二の内周配線１２３と、第三の共鳴器１３０の第三の内周配線１３３が重なっていればよい。
【００７９】
図１から図５に示される例では、第二の共鳴器１２０及び第三の共鳴器１３０の平面形状のそれぞれは、第一の共鳴器１１０の平面形状を左右反転させた形状を有する。しかし、各共鳴器の平面形状はこの関係を満たしていなくてもよい。第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０、及び第三の共鳴器１３０は、それぞれ、製造精度の範囲や組立て精度の範囲、設計精度の範囲、特性調整の範囲で異なる形状を有していてもよい。例えば、第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０、及び第三の共鳴器１３０は、配線幅の１０倍程度の範囲で異なった形状を有していてもよい。特に、第一の外周配線１１４、第二の外周配線１２４、及び第三の外周配線１３４は、電磁界共鳴結合に大きな影響を及ぼさない。そのため、第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０、及び第三の共鳴器１３０は、配線幅、大きさ、形状が大きく異なっていてもよい。例えば、第一の外周配線１１４と第一の内周配線１１３間の距離を近づけてもよい。これにより、動作周波数が調整されうる。
【００８０】
第一の共鳴器１１０の一端を短絡して、サイズを小さくすることができる。この場合、ビアホールで短絡させるために、第一の外周配線１１４が設けられる。
【００８１】
第一の内周配線１１３、第二の内周配線１２３、及び、第三の内周配線１３３は、折込部１６１，１６２，１６３を有さなくてもよい。
【００８２】
図１のように、第一の外周配線１１４の両端は、例えば、ビアホールを介して接続されて、第一の基準端子１１２として機能してもよい。第二の外周配線１２４及び第三の外周配線１３４も同様である。
【００８３】
裏面グランド１９５、上面グランド１９６、第一の共鳴器１１０、第二の共鳴器１２０、第三の共鳴器１３０は、伝導性のある材料で形成されていればよく、その膜厚は０．０１以上１００μｍ以下であってもよい。伝導性のある材料は、例えば、アルミである。第一の誘電体１９１、第二の誘電体１９２、第三の誘電体１９３、及び第四の誘電体１９４は、例えばシリコンなどの半導体基板及び半導体層、有機材料等であってもよい。それらの誘電体の厚さは、０．００１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下の範囲、あるいは動作周波数の波長の４倍以下程度であってもよい。
【００８４】
第一の誘電体１９１、第二の誘電体１９２、第三の誘電体１９３、及び第四の誘電体１９４の間に空間があってもよいし、各誘電体の代わりに空間が形成されてもよい。言い換えると、各誘電体は空気層であってもよい。
【００８５】
例えば、第一の誘電体１９１内であって、裏面グランド１９５と第二の共鳴器１２０との間に、配線層が形成されてもよい。第二の誘電体１９２内であって、第二の共鳴器１２０と第一の共鳴器１１０の間に配線層が形成されてもよい。第三の誘電体１９３内であって、第一の共鳴器１１０と第三の共鳴器１３０の間に配線層が形成されてもよい。第四の誘電体１９４内であって、第三の共鳴器１３０と上面グランド１９６との間に配線層があってもよい。
【００８６】
第一の誘電体１９１、第二の誘電体１９２、第三の誘電体１９３、及び第四の誘電体１９４は、多層の誘電体層であってもよい。あるいは、第一の誘電体１９１または、第二の誘電体１９２はなくてもよい。上面グランド１９６または、裏面グランド１９５はなくてもよい。
【００８７】
（動作例）
共鳴結合器１００の動作例について図１から図５を用いて説明する。
【００８８】
図１の共鳴結合器１００は、電磁界共鳴結合現象を利用して高周波信号を低損失で伝送するものである。高周波信号は、例えば５．８ＧＨｚ付近の周波数を有する。共鳴結合器１００は、第一の入力端子１１１から入力された高周波信号を、第二の出力端子１２１及び第三の出力端子１３１から出力する。第一の入力端子１１１に入力される高周波信号は、第一の基準端子１１２をグランドとする。第二の出力端子１２１から出力される高周波信号は、第二の基準端子１２２をグランドとする。第三の出力端子１３１から出力される高周波信号は、第三の基準端子１３２をグランドとする。
【００８９】
１次側の回路のグランドは、第一の基準端子１１２と接続される。２次側の第１のグランドは、第二の基準端子１２２と接続される。２次側の第２のグランドは第三の基準端子１３２と接続される。第１のグラントと第２のグランドとは異なる。共鳴結合器１００は、高周波のみを伝送し、１次側の回路と２次側の回路との間を直流的に絶縁させうる。さらに、２次側回路内において、第二の出力端子１２１及び第二の基準端子１２２が接続される回路と、第三の出力端子１３１及び第三の基準端子１３２が接続される回路との間を、直流的に絶縁させることができる。
【００９０】
第一の共鳴器１１０の第一の内周配線１１３の全長は、第一の開放端１１７から第一の短絡配線１１６までの配線長に相当する。第一の内周配線１１３の全長は、共鳴結合器１００の動作周波数の等価波長の４分の１程度となっている。第二の内周配線１２３の全長及び、第三の内周配線１３３の全長も同様に、共鳴結合器１００の動作周波数の等価波長の４分の１程度となっている。共鳴結合器１００の動作周波数は、例えば５．８ＧＨｚである。第一の内周配線１１３は、一端が第一の基準端に対して短絡し、他端が開放されている。このため、第一の入力端子１１１から第一の内周配線１１３に入力された高周波は、第一の内周配線１１３内で定在波を形成し、共振状態となる。
【００９１】
第二の共鳴器１２０と第三の共鳴器１３０は、第一の共鳴器１１０を挟み込み、かつ、第一の共鳴器１１０の近傍の領域に近接している。第一の共鳴器１１０と第二の共鳴器１２０は電磁界結合しており、第一の共鳴器１１０と第三の共鳴器１３０は、電磁界結合している。したがって、第一の共鳴器１１０に入力された高周波が第一の内周配線１１３内で共振すると、第一の内周配線１１３と電磁界結合している第二の内周配線１２３内及び第三の内周配線１３３内で高周波が励起され、共振しはじめる。これにより、第一の共鳴器１１０の高周波が、第二の共鳴器１２０及び第三の共鳴器１３０に伝送される。
【００９２】
第一の内周配線１１３は、第一の入力配線１１５を介して第一の入力端子１１１と接続されている。第二の内周配線１２３は、第二の出力配線１２５を介して第二の出力端子１２１と接続されている。第三の内周配線１３３は、第三の出力配線１３５を介して第三の出力端子１３１と接続されている。これらの構造により、第一の入力端子１１１から入力された高周波信号は、第二の出力端子１２１及び第三の出力端子１３１から出力される。第一の共鳴器１１０及び第二の共鳴器１２０間の距離と、第一の共鳴器１１０及び第三の共鳴器１３０間の距離とが同じであるとき、第二の出力端子１２１からの出力と、第三の出力端子１３１からの出力が同じなる。このとき、第一の入力端子１１１から入力された高周波信号の電力は２等分されて、それぞれの信号が第二の出力端子１２１及び第三の出力端子１３１から出力される。
【００９３】
高周波が第一の内周配線１１３で共振している状態とは、例えば、第一の短絡配線１１６部において、電流がゼロ、電圧が最大となりであり、かつ、第一の開放端１１７において、電流が最大、電圧がゼロとなる状態である。電流に対する電圧の比、すなわちインピーダンスは、第一の内周配線１１３の各位置において異なる。そのため、例えば、第一の内周配線１１３と第一の入力配線１１５とは、第一の内周配線１１３のインピーダンスと、第一の入力配線１１５のインピーダンスとが合うような位置で接続される。これにより、反射を低減し、高周波信号を第一の内周配線１１３に効率よく入力することができる。
【００９４】
図６に、図１に示される共鳴結合器１００の実施例に係る周波数に対する伝送特性を示す。実線は第一の入力端子１１１から第二の出力端子１２１への導通損失を、破線は第一の入力端子１１１から第三の出力端子１３１への伝送損失を示している。
【００９５】
図６に示される伝送損失は、第一の入力端子１１１に入力された高周波のパワーに対する、第二の出力端子１２１または第三の出力端子１３１から出力された高周波のパワーの損失を意味する。高周波のパワーが半分になるとき、その損失は３ｄｂに相当する。すなわち、１つの高周波が損失なく２つに分割された場合、理想的な伝送損失は３ｄＢとなる。図６は、実施例に係る共鳴結合器１００が、５．８ＧＨｚを中心周波数として±２ＧＨｚの範囲の高周波、すなわち４．８ＧＨｚから６．８ＧＨｚの高周波を、４ｄＢの損失で伝送したことを示している。したがって、本実施例における４ｄｂの損失は、低損失であることが分かる。
【００９６】
加えて、図６に示されるように、第一の入力端子１１１から第二の出力端子１２１に伝送するときの損失と、第一の入力端子１１１から第三の出力端子１３１に伝送するときの伝送損失がほぼ同じであった。これは、第一の入力端子１１１から入力された高周波が半分に電力分配されたことを示している。したがって、図６に示される結果は、本実施例の共鳴結合器１００が、高周波の電力分配器として機能することを示している。
【００９７】
本実施の形態において、第一の共鳴器１１０と第二の共鳴器１２０と第三の共鳴器１３０は、接触していないため、それらは互いに直流的に絶縁されている。言い換えると、共鳴結合器１００は、１次側と２次側とを絶縁し、かつ、２次側で第二の共鳴器１２０と第三の共鳴器１３０とを絶縁している。したがって、２次側で第二の出力端子１２１及び第二の基準端子１２２に接続される回路と、２次側の第三の出力端子１３１及び第三の基準端子１３２とに接続される回路は、分離されている。このような構成により、共鳴結合器１００は、例えば、双方向スイッチの絶縁ゲート駆動、または、２つの半導体スイッチング素子の絶縁ゲート駆動に適している。
【００９８】
なお、本実施例の共鳴結合器１００の誘電体厚は、０．２８ｍｍであり、その耐電圧は５．０ｋＶであった。すなわち、共鳴結合器１００は、大きな耐電圧特性を有しうる。
【００９９】
（電磁界共鳴器の特徴）
実施の形態に係る共鳴結合器１００は、例えば、電磁界共鳴結合を利用したものである。このような電磁界共鳴結合器は、下記の特徴を有する。
【０１００】
共鳴器のサイズは動作周波数によって決められる。動作周波数を高く設定すればするほど、共鳴結合器１００のサイズが小さく設計されうる。
【０１０１】
共鳴結合器１００は、共鳴器の間隔が広くても、共鳴結合現象を利用して低損失で信号を伝送できる。このため、共鳴器の間隔を広くすることによって、絶縁耐圧を大きくとることができる。
【０１０２】
共鳴結合器１００は、共鳴結合現象を利用するため、外来からの雑音に強い。
【０１０３】
電磁界共鳴結合は弱い結合であるため、共鳴器同士の位置のずれ、及び／又は、共鳴器の形状の差異が、共鳴結合器１００の伝送特性へ及ぼす影響が小さい。そのため、共鳴結合器１００は、作製及び組立てに要求される精度が低い。
【０１０４】
電磁界共鳴結合は弱い結合であるため、グランド雑音に強く、同相信号除去比が高く設定されうる。
【０１０５】
共鳴結合器１００が積層構造であるとき、共鳴結合器１００の占有面積は小さく設計されうる。
【０１０６】
共鳴結合器１００は、伝送帯域が広いので、高速な変調信号を伝送できる。
【０１０７】
第二の出力端子１２１から出力される信号と、及び第三の出力端子１３１から出力される信号との間の遅延がない。そのため、共鳴結合器１００は、例えば、２つの信号のタイミングが要求される制御に適用されうる。例えば、共鳴結合器１００は、ハーフブリッジ回路を構成する２つのトランジスタを、デッドタイムなしで動作させることができる。
【０１０８】
非接触の伝送で信号を分割する共鳴結合器１００は、分岐配線等で分割するものに比べ、非常に大きな信号分離量を実現できる。
共鳴結合器１００は、１つの信号から基準が異なる２つの絶縁信号を生成できる。これにより、送信回路が簡素化されうる。
【０１０９】
共鳴結合器１００が、第一の外周配線１１４、第二の外周配線１２４、及び第三の外周配線１３４を有する場合、共鳴結合器１００は、外来の雑音に強く、かつ、外部放射が少ない。
【０１１０】
共鳴結合器１００は、容量やインダクタ成分が少ないため、電力分割における時間遅延がない。
【０１１１】
第一の共鳴器１１０と第二の共鳴器１２０間の距離、及び／又は、第一の共鳴器１１０と第三の共鳴器１３０間の距離が調整されることにより、出力信号の分配比が任意に設定されうる。出力信号の分配比とは、例えば、第二の出力端子１２１からの出力信号に対する第三の出力端子１３１からの出力信号の比を意味する。代替的に、第二の内周配線１２３の形状、及び／又は、第三の内周配線１３３の形状が調整されることにより、出力信号の分配比が任意に設定されうる。
【０１１２】
共鳴器間の距離、各内周配線の形状が調整されることにより、共鳴結合器１００は周波数フィルターの機能を有することができる。例えば、共鳴結合器１００は、第二の出力端子１２１から５．０ＧＨｚの信号が出力され、第三の出力端子１３１から６．０ＧＨｚの信号を取り出されるように設計されうる。この場合であっても、共鳴結合器１００は、インピーダンスの不整合等がなく、低損失で信号を伝送できる。
【０１１３】
（使用例）
次に、本実施の形態の共鳴結合器の使用例について、図７を用いて説明する。
【０１１４】
図７は、本実施の形態の共鳴結合器を含む伝送装置の一例を示すブロック図である。
本実施の形態の伝送装置２０００は、共鳴結合器１００と、送信回路２１００と、受信回路２２００と、を備える。送信回路２１００は、高周波を入力信号に応じて変調することによって高周波信号を生成し、第一の共鳴器に送信する。すなわち、高周波信号は、搬送波である高周波を変調することによって得られる被変調信号である。高周波信号は、共鳴結合器１００によって伝送される伝送信号である。受信回路２２００は、第二の共鳴器からの高周波信号を整流することによって、第１の出力信号を生成し、かつ、第三の共鳴器からの高周波信号を整流することによって、第２の出力信号を生成する。
【０１１５】
送信回路２１００は、発振により高周波を生成する発信回路２１０１を備えていてもよい。送信回路２１００は、被変調信号を生成できる限りにおいて、他の構成を採りうる。
【０１１６】
受信回路２２００は、第二の共鳴器からの高周波信号を整流する第一整流回路２２０１を備えてもよい。受信回路２２００は、第三の共鳴器からの高周波信号を整流する第二整流回路２２０２を備えてもよい。
【０１１７】
次に、本実施の形態の伝送装置２０００の使用例について、図８を用いて説明する。図８は、共鳴結合器７００を含むゲート駆動回路のブロック図である。共鳴結合器７００は、例えば、本実施の形態に係る共鳴結合器１００である。
【０１１８】
ゲート駆動回路は、高周波発振器７７１、混合器７７２、共鳴結合器７００、第一の整流回路７７３、第二の整流回路７７４を備える。図８において、共鳴結合器７００の配線構造は、簡略化されて表記されている。図８に示されるゲート駆動回路は、入力された１つの入力信号から、２つのゲート信号を生成する回路である。ゲート信号は、ゲート駆動回路の１次側と絶縁された絶縁信号である。
【０１１９】
高周波発振器７７１で発生した高周波は混合器７７２に入力される。高周波の周波数は、例えば５．８ＧＨｚである。ゲート駆動回路の外部から入力された入力信号が、混合器７７２に入力される。混合器７７２は、入力信号の波形に応じて高周波を振幅変調することによって高周波信号を生成する。高周波信号は、混合器７７２から出力され、共鳴結合器７００に入力される。共鳴結合器７００は高周波信号を２つに分割して１次側から２次側に絶縁伝送する。２つの高周波信号はそれぞれ、第一の整流回路７７３、第二の整流回路７７４に入力される。第一の整流回路７７３及び第二の整流回路７７４のそれぞれは、高周波信号を整流し、出力信号を生成する。出力信号は、例えば、元の入力信号と同様の波形を有する。出力信号は、ゲート駆動回路から出力される。
【０１２０】
共鳴結合器７００は、入力された１つの高周波信号から、２つの高周波信号を生成する。２つの高周波信号は、互いに絶縁されている。つまり、共鳴結合器７００は、２つの高周波信号をフローティングの状態で出力する。その結果、１つの入力信号から、２つの出力信号が生成される。これらの出力信号が双方向スイッチのゲート駆動に利用されるとき、１つのゲート駆動回路で双方向スイッチを制御できる。この場合、２つの出力信号間で遅延が少ないため、双方向スイッチの２つのゲート制御のタイミングのズレを低減できる。その結果、双方向スイッチの特性が向上しうる。加えて、ゲート駆動回路は、高周波を用いるため、高速に動作しうる。
【０１２１】
本実施の形態に係る伝送装置（例えば、ゲート駆動回路）と、半導体スイッチとは、スイッチングシステムを構成してもよい。このとき、半導体スイッチは、伝送装置からの出力信号により制御されてもよい。
【０１２２】
スイッチングシステムの一例として、例えば、下記のマトリックスコンバータが例示される。
【０１２３】
（マトリックスコンバータ）
図９は、本実施の形態に係る共鳴結合器を含む３相ＡＣマトリックスコンバータシステムの一例を示す。
【０１２４】
図９に示される３相ＡＣマトリックスコンバータシステムは、集積送信回路６０２、集積絶縁素子６０３、集積パワーデバイス６０４で構成される。集積送信回路６０２は、ゲート駆動用の高周波信号を送信する回路である。集積絶縁素子６０３は、高周波信号を絶縁伝送する素子である。集積絶縁素子６０３は、例えば、実施の形態に係る共鳴結合器が集積化されている。集積パワーデバイス６０４は、高周波信号を整流してゲート信号を生成する受信回路と、ゲート信号で駆動される双方向スイッチとが集積化されている。３相ＡＣマトリックスコンバータは、三相電源から第四の端子６６９を介して電力が供給される。３相ＡＣマトリックスコンバータの出力は、三相モータの第一の端子６６６、第二の端子６６７、及び第三の端子６６８に供給される。
【０１２５】
集積送信回路６０２は、９個の高周波信号を出力する回路である。集積送信回路６０２は、例えば、図７に示されるような送信回路を３個含む。各送信回路は、第一の入力端子６２１、第二の入力端子６２２、及び第三の入力端子６２３から入力される３つの入力信号に応じて、３つの高周波信号を生成してもよい。集積絶縁素子６０３は、例えば、９個の電磁界共鳴結合器で構成される。各電磁界共鳴結合器は、１つの高周波信号が入力され、２つの高周波信号を出力する。集積パワーデバイス６０４は９個のユニットを含み、各ユニットは双方向スイッチと受信回路とが組み合わされて構成されている。集積パワーデバイス６０４は、第一の双方向スイッチ６６１、第二の双方向スイッチ６６２、第三の双方向スイッチ６６３、第一の受信回路６５１、第二の受信回路６５２、及び、第三の受信回路６５３を含む。以上の構成により、非常に小型のマトリックスコンバータが実現されうる。
【０１２６】
図１０は、図９の３相ＡＣマトリックスコンバータシステムの具体例の上面図を示す。図１１は、図１０に示されるＢ−Ｂ’線上の断面模式図を示す。
【０１２７】
ヒートシンク６０５の上にプリント基板が配置されている。集積絶縁素子６０３はプリント基板内に形成されている。プリント基板の上部に集積送信回路６０２が実装されている。プリント基板の一部に、ヒートシンク６０５まで貫通する穴が形成されている。その穴の中に集積パワーデバイス６０４が配置され、ヒートシンク６０５と接触している。集積絶縁素子６０３は、集積パワーデバイス６０４と集積送信回路６０２との間に配置されている。このような配置とすることで、高周波領域と低周波領域を分けることができ、安定して動作するマトリックスコンバータシステムが実現されうる。
【０１２８】
集積送信回路６０２は、例えば、集積絶縁素子６０３の上に設置されてもよい。
【０１２９】
本実施の形態に係る共鳴結合器を含むスイッチングシステムは、これに限定されない。スイッチングシステムは、例えば、その他のマトリクスコンバータ、または、電力変換装置であってもよい。電力変換装置は、例えば、２相３相変換システム、単相３相変換システム、または２相２相変換システムであってもよい。
【０１３０】
（共鳴結合器の変形例）
以下、本実施の形態に係る共鳴結合器１００のいくつかの変形例について説明する。
【０１３１】
図１２は、第一の共鳴器９１０、第二の共鳴器９２０、第三の共鳴器９３０、第四の共鳴器９４１、及び第五の共鳴器９５１を含む共鳴結合器を例示している。このように、本実施の形態に係る共鳴結合器において、共鳴器の数は３つに限定されない。図１２に示される例において、第二の共鳴器９２０、第三の共鳴器９３０、第四の共鳴器９４１、及び第五の共鳴器９５１は、それぞれ第一の共鳴器９１０に電磁的に結合している。第一の共鳴器９１０に入力された信号は４つに分割され、それらの信号が第二の共鳴器９２０、第三の共鳴器９３０、第四の共鳴器９４１、及び第五の共鳴器９５１からそれぞれ出力されている。図１２とは異なるが、例えば、入力端子を有する共鳴器の数は、複数であってもよい。
【０１３２】
図１３は、第二の共鳴器の変形例を示す。図１３に示される第二の共鳴器は、第二の出力端子１０２１と、第二の基準端子１０２２と、第二の内周配線１０２３と、第二の短絡ビア１０２８と、第二のグランドビア１０２９とを備える。図４に示される第二の内周配線１２３は、第二の短絡配線１２６を介して第二の外周配線１２４に電気的に接続され、これにより短絡されている。一方、図１３に示される第二の内周配線１０２３は、第二の短絡ビア１０２８を介して裏面グランドに電気的に接続され、これにより短絡されている。このとき、第二の内周配線１０２３は、第二の開放端１０２７と第二の短絡ビア１０２８を両端とする配線である。第二の短絡ビア１０２８は、例えば、金などの金属で形成される。図１３に示される例において、第二の基準端子１０２２は、第二のグランドビア１０２９を介して裏面グランドと電気的に接続されている。第二のグランドビア１０２９は、例えば、金などの金属で形成される。図１３に示される変形例と同様に、第三の共鳴器において、第三の内周配線が第三の短絡ビア（図示せず）を介して上面グランドと電気的に接続されていてもよく、第三の出力端子が第三のグランドビア（図示せず）を介して上面グランドと電気的に接続されていてもよい。
【０１３３】
図１４は、第一の共鳴器の変形例１を示す。図１４に示される第一の共鳴器は、第一の入力端子１１１１と、第一の基準端子１１１２と、第一の入力配線１１１５と、第一の内周配線１１１３と、第一の短絡配線１１１６と、第一の外周配線１１１４とを備える。図１４に示される第一の外周配線１１１４は、第一の短絡配線１１１６との接続部付近で、一部が切断されている。言い換えると、図１４に示される第一の外周配線１１１４は、第一の内周配線１１１３の第一の開放端１１１７と対向する位置に端部を有する。同様に、第二の外周配線は、第二の短絡配線で一部が切断されてもよく、第三の外周配線は、第三の短絡配線で一部が切断されてもよい。
【０１３４】
図１５は、第一の共鳴器の変形例２を示す。図１５に示される第一の共鳴器は、第一の入力端子１２１１と、第一の基準端子１２１２と、第一の入力配線１２１５と、第一の内周配線１２１３と、第一の短絡配線１２１６と、第一の外周配線１２１４とを備える。第一の内周配線１２１３の一端は、第一の開放端１２１７となっている。図１５に示される第一の内周配線１２１３及び第一の外周配線１２１４は、円形形状を有する。同様に、第二の内周配線及び第二の外周配線、第三の内周配線及び第三の外周配線は、円形状であってもよい。
【０１３５】
図１６は、第一の共鳴器の変形例３を示す。図１６に示される第一の共鳴器は、第一の入力端子１３１１と、第一の基準端子１３１２と、第一の入力配線１３１５と、第一の内周配線１３１３と、第一の外周配線１３１４とを備える。図１６に示される第一の内周配線１３１３は、両端が開放端となっている。具体的には、第一の内周配線１３１３は、第一の開放端１３１７と第四の開放端１３１８とを有する。この場合、第一の開放端１３１７から第四の開放端１３１８までの配線長は、共鳴結合器１００の動作周波数の等価波長の２分の１程度となる。これと同様に、第二の内周配線及び第三の内周配線は、両端が開放端であってもよい。
【０１３６】
図１７は、第一の共鳴器の変形例４を示す。第一の共鳴器は、第一の内周配線１４１３と、第四の内周配線１４１９と、それらを囲む外周配線１４１４とを含む。図１７に示される例では、第一の内周配線１４１３と第四の内周配線１４１９とが、第一の短絡配線１４１６を軸として、線対称に配置されている。外周配線１４１４は、第一の短絡配線１４１６と接続されている。第一の内周配線１４１３において、一端が第一の開放端１４１７であり、他端が第一の短絡配線１４１６に接続されている。第一の短絡配線１４１６は、第一の基準端子１４１２に電気的に接続されている。第一の基準端子１４１２は、第四の内周配線１４１９において、一端が第四の開放端１４１８であり、他端が第一の短絡配線１４１６に接続されている。第一の内周配線１４１３は、第一の入力端子１４１１に電気的に接続され、第四の内周配線１４１９は、第四の入力端子１４１５に電気的に接続されている。すなわち、図１７に示される第一の共鳴器は、入力端子を２つ含む。第二の共鳴器及び第三の共鳴器も、同様の構造を有する場合、共鳴結合器１００は２つの入力端子と４つの出力端子とを有する。
【０１３７】
上記の説明では、共鳴結合器１００が、第一の入力端子１１１から入力された高周波信号を第二の出力端子１２１及び三の出力端子から出力する場合について説明された。しかし、共鳴結合器１００は、双方向で動作可能である。例えば、共鳴結合器１００は、第二の出力端子１２１及び第三の出力端子１３１から入力された信号、第一の入力端子１１１から出力してもよい。あるいは、第二の出力端子１２１から入力された信号が、第三の出力端子１３１または、第一の入力端子１１１から出力されてもよい。例えば、図１８のように、共鳴結合器１００は、絶縁機能を有する方向性結合器として使用されてもよい。図１８に示される共鳴結合器において、第二の出力端子１２１から入力された信号は、第二の共鳴器１２０から第一の共鳴器１１０に絶縁伝送され、第一の入力端子１１１から出力される。さらに、第一の入力端子１１１から入力された信号が、第一の共鳴器１１０から第三の共鳴器１３０に絶縁伝送され、第三の出力端子１３１から出力される。第一の入力端子１１１から入力される信号は、例えば、第一の入力端子１１１に接続される回路によって反射された信号である。
【０１３８】
従来の方向性結合器は、グランドが共通であるため、あるいは、配線間隔を狭くしないと特性が悪くなるため、高い絶縁耐圧が得られなかった。一方、本実施の形態の共鳴結合器は、高い絶縁機能を備えた方向性結合器を実現することができる。
【０１３９】
第一の共鳴器と第二の共鳴器の距離は、第一の共鳴器と第三の共鳴器の距離と、同じであってもよい。あるいは、第一の共鳴器と第二の共鳴器の距離は、第一の共鳴器と第三の共鳴器の距離よりも、大きくてもよい。この場合、第二の出力端子１２１から入力された信号の大部分が、第一の入力端子１１１から出力され、第一の入力端子１１１から入力される信号の大部分が、第三の出力端子１３１から出力されうる。
【０１４０】
なお、本開示は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本開示に係る共鳴結合器は、例えば、絶縁型の電力分配器、方向性結合器、絶縁型ゲート駆動回路に用いられる。
【符号の説明】
【０１４２】
１００，７００    共鳴結合器
１１０，９１０    第一の共鳴器
１１１，１１１１，１２１１，１３１１，１４１１    第一の入力端子
１１２，１１１２，１２１２，１３１２，１４１２    第一の基準端子
１１３，１１１３，１２１３，１３１３，１４１３    第一の内周配線
１１４，１１１４，１２１４，１３１４，１４１４    第一の外周配線
１１５，１１１５，１２１５，１３１５    第一の入力配線
１１６，１１１６，１２１６，１４１６    第一の短絡配線
１１７，１１１７，１２１７，１３１７，１４１７    第一の開放端
１３１８，１４１８    第四の開放端
１４１９    第四の内周配線
１２０，９２０    第二の共鳴器
１２１，１０２１    第二の出力端子
１２２，１０２２    第二の基準端子
１２３，１０２３    第二の内周配線
１２４    第二の外周配線
１２５    第二の出力配線
１２６    第二の短絡配線
１２７，１０２７    第二の開放端
１０２８    第二の短絡ビア
１０２９    第二のグランドビア
１３０，９３０    第三の共鳴器
１３１    第三の出力端子
１３２    第三の基準端子
１３３    第三の内周配線
１３４    第三の外周配線
１３５    第三の出力配線
１３６    第三の短絡配線
１３７    第三の開放端
６５１    第一の受信回路
６５２    第二の受信回路
６６１    第一の双方向スイッチ
６６２    第二の双方向スイッチ
６６３    第三の双方向スイッチ
９４１    第四の共鳴器
９５１    第五の共鳴器
１６１，１６２，１６３    折込部
７７１    高周波発振器
７７２    混合器
７７３    第一の整流回路
７７４    第二の整流回路
９０８１    第一のゲート
９０８２    第二のゲート
９０８３    第一のソース
９０８４    第二のソース
９０８５    双方向スイッチ
１９１    第一の誘電体
１９２    第二の誘電体
１９３    第三の誘電体
１９４    第四の誘電体
１９５    裏面グランド
１９６    上面グランド
【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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【図１８】
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【図１９】
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