(57)【要約】【課題】送受信機の結合器間で高周波数帯において静電結合を生じさせるとともに広帯域において有効に動作させ、静電結合作用による大容量伝送を実現する。【解決手段】絶縁体からなるスペーサの上下の各表面に、結合用電極と折り畳み状のスタブが鍍金により形成され、結合用電極はスペーサ内のスルーホールを介してスタブの中央部分に接続されている。印刷基板上には、送受信回路モジュールから引き出された信号線パターンと、印刷基板内のスルーホールを介してグランド導体と接続した導体パターンが形成されている。スペーサを印刷基板上に実装すると、スタブの両端は信号線パターンと導体パターンにそれぞれ接続する。【選択図】  図５
2008154198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データを伝送する高周波信号を生成する送信回路部と、該高周波信号を静電界若しくは誘導電界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
高周波結合器と、該高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する受信回路部を備えた受信機とで構成され、
前記送信機及び受信機の高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための、分布定数回路からなる共振部を備え、
前記送信機及び受信機の対向する高周波結合器間における電界結合により前記の高周波信号を伝送することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記の高周波信号は、超広帯域を使用するＵＷＢ信号である、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記共振部は、前記送信機及び受信機の高周波結合器間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタを構成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
データを伝送する高周波信号の処理を行なう通信回路部と、
超近距離を隔てて対向する通信相手との電界結合するための高周波結合器とを備え、
前記高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための、分布定数回路からなる共振部を備え、
通信相手側の高周波結合器との間における電界結合により前記の高周波信号を伝送することを特徴とする通信装置。
【請求項５】
前記の高周波信号は、超広帯域を使用するＵＷＢ信号である、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項６】
前記共振部は、通信相手の高周波結合器との間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタを構成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項７】
前記高周波結合器は、データを伝送する高周波信号の処理を行なう前記通信回路部を構成する回路モジュールが搭載された印刷基板上に実装される、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項８】
前記分布定数回路は、前記印刷基板上に配設された導体パターンからなるスタブとして構成され、
前記印刷基板の他方の面にはグランドが形成され、前記スタブの先端部分は前記印刷基板内のスルーホールを介して前記グランドに接続される、
ことを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
【請求項９】
前記スタブは使用周波数の波長のほぼ２分の１の長さを持ち、前記結合用電極は前記スタブのほぼ中央の位置に配設される、
ことを特徴とする請求項８に記載の通信装置。
【請求項１０】
前記結合用電極は、絶縁体からなるスペーサの表面に蒸着された導体パターンからなり、前記スペーサを前記印刷基板上に搭載したときに、前記結合用電極の導体パターンは前記スペーサ内のスルーホールを介して前記スタブのほぼ中央の位置に接続される、
ことを特徴とする請求項８に記載の通信装置。
【請求項１１】
前記スタブは、前記スペーサを前記印刷基板上に実装した際の占有面積内に収まる折り畳み形状からなり、使用周波数の波長のほぼ２分の１の長さを持つ、
ことを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
【請求項１２】
前記スタブは、前記スペーサの他の表面に蒸着された導体パターンからなる、
ことを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
【請求項１３】
前記印刷基板上において、前記通信回路部に対し複数の高周波結合器が接続される、
ことを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
【請求項１４】
各高周波結合器間をつなぐ信号線の長さは２分の１波長の整数倍である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
【請求項１５】
前記高周波結合器間により伝送された前記高周波信号を整流し、電力を生成する電力生成手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報機器間で大容量のデータ通信を行なう通信システム並びに通信装置に係り、特に、情報機器間で静電界若しくは誘導電界を利用して他の通信システムとの干渉のないデータ通信を行なう通信システム並びに通信装置に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、超近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界を利用してＵＷＢ通信信号を伝送する通信システム並びに通信装置に係り、特に、各情報機器に搭載された結合器間で効率よく高周波信号を伝達し、超近距離において静電界若しくは誘導電界を利用した大容量伝送が可能となる通信システム並びに通信装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近、画像や音楽などのデータをパソコンとの間で交換するなど、小型の情報機器間でデータを移動する際、ＡＶ（Ａｕｄｉｏ  Ｖｉｓｕａｌ）ケーブルやＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ケーブルなどの汎用ケーブルで相互接続したデータ通信やメモリカードなどのメディアを媒介にする方法に代わって、無線インターフェースを利用することが増えてきている。後者によれば、データ伝送の度にコネクタの付け替え作業をしてケーブルを引き回す必要がなく、ユーザの利便性が高い。各種のケーブルレス通信機能を搭載した情報機器も多く出現している。
【０００４】
小型機器間でケーブルレスによりデータ伝送を行なう方法として、ＩＥＥＥ８０２．１１に代表される無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信を始めとして、アンテナを用いて無線信号の送受信を行なう電波通信方式が開発されている。
【０００５】
また、近年注目されている「ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）」と呼ばれる通信方式は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという非常に広い周波数帯域を使用し、近距離ながら１００Ｍｂｐｓ程度の大容量の無線データ伝送を実現する無線通信技術であることから、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる。
【０００６】
ＵＷＢ通信は、送信電力の関係から通信距離が１０ｍ程度であり、ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの近距離向けの無線通信方式が想定される。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ＵＷＢ通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている。また、米インテル社は、ＵＷＢのアプリケーションとして、パソコン向けの汎用インターフェースとして普及しているＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）の無線版を検討している。
【０００７】
また、ＵＷＢ通信は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという伝送帯域を占有しなくても１００Ｍｂｐｓを超えるデータ伝送が可能であることやＲＦ回路の作り易さを考慮して、３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンドを使った伝送システムも開発が盛んである。本発明者らは、ＵＷＢローバンドを利用したデータ伝送システムを、モバイル機器に搭載する有効な無線通信技術の１つと考えている。例えば、ストレージ・デバイスを含む超高速な近距離用のＤＡＮ（Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）など、近距離エリアにおける高速データ伝送を実現することが可能である。
【０００８】
ここで、無線設備から３メートルの距離での電界強度（電波の強さ）が所定レベル以下、すなわち近隣に存在する他の無線システムにとってノイズ・レベル程度となる微弱無線であれば、無線局の免許を受ける必要はなく（例えば、非特許文献１を参照のこと）、無線システムの開発・製造コストを削減することができる。上述したＵＷＢ通信は、送信電力の関係から、比較的低い電界レベルで近距離向けの無線通信システムを構成することができる。しかしながら、アンテナを用いて無線信号の送受信を行なう電波通信方式によりＵＷＢ通信システムを構成した場合、発生電界をかかる微弱レベルに抑えることは困難である。
【０００９】
従来の無線通信システムの多くは電波通信方式を採用したものであり、空中線（アンテナ）に電流を流した際に発生する放射電界を利用して信号を伝搬させるものである。この場合、送信機側からは通信相手がいるかどうかに拘わらず電波を放出するので、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になってしまうという問題がある。また、受信機側のアンテナは、送信機からの所望波だけでなく、遠方から到来した電波も受信するので、周囲の妨害電波の影響を受け易く、受信感度低下の原因になる。また、通信相手が複数存在する場合には、その中から所望の通信相手を選択するために複雑な設定を行なう必要がある。例えば、狭い範囲で複数の組の無線機が無線通信を行なう場合は、互いの干渉を回避するために、周波数選択などの分割多重を行なって通信を行なう必要がある。また、電波は偏波の向きが直交すると通信することができないため、送受信機間では互いのアンテナの偏波方向が揃っている必要がある。
【００１０】
例えば、数ミリ〜数センチメートルといった至近距離での非接触データ通信システムを考えた場合、近距離では送受信機が強く結合する一方、他のシステムへの干渉を回避するために遠距離まで信号が到来しないことが好ましい。また、データ通信する機器同士を至近距離に接近させた際の互いの姿勢（向き）に依存せず、結合すること、すなわち指向性がないことが望ましい。また、大容量データ通信を行なうには、広帯域通信が可能であることが望ましい。
【００１１】
無線通信には、上記の放射電界を利用した電波通信以外にも、静電界や誘導電界などを利用した通信方式が挙げられる。例えば、主にＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）に利用されている既存の非接触通信システムでは、電界結合方式や電磁誘導方式が適用されている。静電界や誘導電界は発生源からの距離に対し、それぞれ距離の３乗並びに２乗に反比例することから、無線設備から３メートルの距離での電界強度（電波の強さ）が所定レベル以下となる微弱無線が可能であり、無線局の免許を受ける必要はない。また、この種の非接触通信システムは、伝送信号は距離に応じて急峻に減衰するので、通信相手が近くに存在しないときには結合関係が生じないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器（カプラ）が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。すなわち、誘導電界や静電界を利用した電界結合による非接触・超近距離通信は微弱無線の実現に適していると言える。
【００１２】
非接触による超近距離通信システムは、通常の無線通信システムに対し、幾つかの利点がある。例えば、比較的距離の離れた機器同士で無線信号のやり取りを行なう場合、周辺の反射物の存在や通信距離の拡大に応じて無線区間の信号の質が低下してしまうが、近距離通信によれば周辺環境の依存はなく、高い伝送レートを用いて誤り率の少ない高品質の伝送が可能である。また、超近距離通信システムでは、伝送データを傍受する不正な機器が介在する余地はなく、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない。
【００１３】
また、電波通信では、アンテナは使用波長λの２分の１又は４分の１程度の大きさを持つ必要があることから、装置は必然的に大型化してしまう。これに対し、誘導電磁界や静電磁界を利用した超近距離通信システムでは、このような制約はない。
【００１４】
例えば、複数の通信補助体間にＲＦＩＤタグが位置するように配置した通信補助体組を形成し、通信補助体間に挟むように複数の商品に付けられたＲＦＩＤタグを配置することにより、ＲＦＩＤタグが重なり合った状態であっても、情報の安定した読み取り・書き込みが可能となるＲＦＩＤタグ・システムについて提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【００１５】
また、装置本体とこの装置本体を身体に装着するための装着手段とを備えるとともに、アンテナ・コイルとこのアンテナ・コイルを介して外部の通信装置と非接触でデータ通信を行うデータ通信手段を備え、装置本体の上部に設けられたアウターケースにアンテナ・コイルとデータ通信手段とを配置して、誘導磁界を用いたデータ通信装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１６】
また、携帯情報機器に挿入されるメモリカードに外部機器とデータ通信を行なうためのアンテナ・コイルを搭載し、携帯情報機器のメモリカード挿入口の外側にＲＦＩＤのアンテナ・コイルが配置される構造として、携帯性を損なうことなく通信距離を確保したＲＦＩＤを有する携帯電話機について提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。
【００１７】
静電界や誘導電界を利用した従来のＲＦＩＤシステムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きであった。また、アンテナ・コイルによる誘導電磁界を用いて通信する方式の場合には、コイルの背面に金属板があると通信を行なうことができず、コイルを配置する平面上に大きな面積が必要となるなど、実装上の問題もある。また、伝送路における損失が大きく、信号の伝送効率がよくない。
【００１８】
これに対し、本発明者らは、高周波信号を電界結合で伝送すること、すなわち、静電界若しくは誘導電磁界を利用して上記のＵＷＢ通信信号を伝送する超近距離通信システムにより、無線局として免許取得が不要な微弱電界により、秘匿性を考慮した高速データ伝送を実現することができる、と考えている。静電界若しくは誘導電界を利用したＵＷＢ通信システムでは、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と本発明者らは考えている。
【００１９】
ここで、従来のＲＦＩＤシステムでは、送信機と受信機の電極（結合器）間を密着させることが一般的であり、ユーザの使い勝手がよくない。このため、電極間を３ｃｍ程度離して近距離通信を行なうという形態が好ましいと考えられる。
【００２０】
比較的低周波数帯の信号を用いる静電結合方式では、３ｃｍという送信機と受信機の電極間距離は波長と比較して無視し得る長さであることから、送受信機間での伝搬損は大きな問題にはならない。ところが、ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を伝送することを考えた場合、３ｃｍという距離は使用周波数帯４ＧＨｚにとって約２分の１波長に相当する。波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が生じることから、送信機と受信機の電極間距離は波長と比較して無視することはできない長さである。このため、静電結合によりＵＷＢ信号を伝送させるときには、伝搬損を十分に低く抑えこむ必要がある。
【００２１】
また、無線記述の技術分野では、無線信号を送り出す際に広い帯域に周波数変調をかけることが一般的である。ＵＷＢ伝送方式では、ＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｐｒｅａｄ：直接拡散）の情報信号の拡散速度を極限まで高くしたＤＳＳＳ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：直接シーケンス・スペクトラム拡散）−ＵＷＢ方式や、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調方式を採用したＯＦＤＭ＿ＵＷＢ方式が定義されている。ＤＳＳＳ方式によれば、特定の周波数がノイズで通信できなくても別の周波数を使っての通信が可能で電波が途切れにくいという利点がある。また、ＯＦＤＭ変調方式によれば、複数のチャンネルを使用しても混信やノイズに強いという利点がある。
【００２２】
上述したような静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用してＵＷＢ通信信号を伝送する超近距離通信システムにおいても、ＤＳＳＳのような周波数拡散方式を適用する場合には、送受信機の結合器間で高周波数帯において静電結合を生じさせるだけでなく、結合器が広帯域において有効に動作するように設計する必要がある。
【００２３】
また、結合器を機器の筐体内に収容する場合、周辺の金属部品からの影響により中心周波数がずれることが想定される。かかる観点からも、電界結合用の結合器があらかじめ広い周波数で有効に動作するように設計する必要がある。
【００２４】
【特許文献１】特開２００６−６０２８３号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４８７９号公報
【特許文献３】特開２００５−１８６７１号公報
【非特許文献１】電波法施行規則（昭和二十五年電波監理委員会規則第十四号）第六条第一項第一号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、高周波数の広帯域信号を用いるＵＷＢ通信方式により情報機器間で大容量のデータ通信を行なうことができる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することにある。
【００２６】
本発明のさらなる目的は、超近距離に配置された情報機器間で静電界（準静電界）若しくは誘導電界を利用してＵＷＢ通信信号を伝送することができる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することにある。
【００２７】
本発明のさらなる目的は、各情報機器に搭載された結合器間で効率よく高周波信号を伝達し、超近距離において静電界若しくは誘導電界を利用した大容量伝送が可能となる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することにある。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、送受信機の結合器間で高周波数帯において電界結合を生じさせるとともに広帯域において有効に動作し、ノイズに強い電界結合伝送路を形成して大容量伝送が可能となる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、データを伝送する高周波信号を生成する送信回路部と、該高周波信号を静電界若しくは誘導電界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
高周波結合器と、該高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する受信回路部を備えた受信機とで構成され、
前記送信機及び受信機の高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための、分布定数回路からなる共振部を備え、
前記送信機及び受信機の対向する高周波結合器間における電界結合により前記の高周波信号を伝送することを特徴とする通信システムである。
【００３０】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。
【００３１】
画像や音楽などのデータをパソコンとの間で交換するなど、小型の情報機器間でのデータ転送をケーブルレスで行なえると、ユーザの利便性が高まる。しかしながら、無線ＬＡＮに代表される多くの無線通信システムでは、アンテナに電流を流した際に発生する放射電界を利用するので、通信相手がいるかどうかに関わらず電波が放出されてしまう。また、放射電界はアンテナからの距離に反比例して緩やかに減衰するので、比較的遠方まで信号が到達してしまう。このため、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になるとともに、受信機側のアンテナも周囲の妨害電波の影響で受信感度が低下する。要するに、電波通信方式では、至近距離の通信相手に制限した無線通信を実現することは困難である。
【００３２】
一方、静電界や誘導電界を利用した通信システムでは、通信相手が近くに存在しないときには、結合関係が生じない。また、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰する。すなわち、不要な電界が発生せず、且つ、電界が遠くまで到達しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合用電極は電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。しかしながら、従来のこの種の通信システムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きである。また、誘導電磁界を利用した通信方式の場合、コイルを配置する平面上に大きな面積が必要となるなど、実装上の問題もある。
【００３３】
これに対し、本発明に係る通信システムは、データを伝送するＵＷＢ信号を生成する送信機と、ＵＷＢ信号を受信処理する受信機間を、送受信機がそれぞれ持つ高周波結合器で電界結合させてＵＷＢ信号を伝送するように構成されている。静電界並びに誘導電界はそれぞれ距離の３乗並びに２乗に反比例して減衰することから、無線局の免許が不要な微弱無線が可能であるとともに、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない。また、ＵＷＢ通信であることから、超近距離の大容量通信が可能であり、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる。
【００３４】
ここで、高周波回路では、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が生じることから、ＵＷＢなどの高周波信号を伝送させるときには、伝搬損を十分に低く抑えこむ必要がある。
【００３５】
そこで、本発明に係る通信システムでは、前記送信機は、前記送信回路部が生成する高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を、インピーダンス整合部や共振部を介して前記高周波結合器の電極のほぼ中央に接続し、一方の前記受信機は、前記高周波結合器の電極のほぼ中央において、インピーダンス整合部や共振部を介して、前記受信回路部へ高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を接続するように構成されている。そして、インピーダンス整合部が前記送信機及び受信機の高周波結合器間におけるインピーダンスの整合をとり、結合器間における反射波を抑制して伝搬損を低減するようにしている。
【００３６】
このインピーダンス整合部や共振部は、送信機と受信機の電極間すなわち結合部分において、インピーダンス・マッチングをとり、反射波を抑えることを目的としており、前記送信機及び受信機の高周波結合器間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタとして動作するように構成されている。
【００３７】
インピーダンス整合部や共振部は、例えば、直列インダクタ、並列インダクタを高周波信号伝送路に接続した集中定数回路で構成することができる。しかしながら、集中定数回路は、インダクタンスＬやキャパシタンスＣなどの定数を中心周波数に基づいて決定することから、想定する中心周波数から外れた帯域ではインピーダンスの整合がとられておらず、設計通りの動作はしない。言い換えれば狭帯域でしか有効に動作しない。特に高い周波数帯では集中定数回路部分の微細な構造、値の小さいインダクタやコンデンサのばらつきによって共振周波数が左右されるため、周波数の調整が難しい。また、インピーダンス整合部や共振部を集中定数で構成した場合、インダクタとして小型のチップ・インダクタを用いると、チップ・インダクタ内部での損失があり、高周波結合器間の伝搬損が大きくなるという問題もある。
【００３８】
また、結合器を機器の筐体内に収容する場合には、周辺の金属部品からの影響により中心周波数がずれることが想定される。このため、結合器をあらかじめ広い周波数で有効に動作するように設計する必要がある。帯域の狭いデバイスを複数配置した場合、全体のシステムとしての帯域はさらに狭くなるため、高周波結合器を広帯域の通信システムで同時に複数用いることは難しくなる。
【００３９】
また、静電磁界を利用してＵＷＢ通信信号を伝送する超近距離通信システムにおいてＤＳＳＳのような周波数拡散方式を適用する場合、高周波結合器の広帯域化を実現する必要がある。
【００４０】
そこで、本発明に係る通信システムでは、静電結合による近距離通信を行なう高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間におけるインピーダンスの整合をとるためのインピーダンス整合部や共振部を、集中定数回路から分布定数回路に代えて構成することで、広帯域化を実現するようにした。
【００４１】
前記高周波結合器は、データを伝送する高周波信号の処理を行なう前記通信回路部を構成する回路モジュールと同様に、実装部品の１つとしてプリント基板上に搭載される。
【００４２】
このような場合、前記分布定数回路は、前記プリント基板上に配設された導体パターンからなるスタブとして構成することができる。そして、前記プリント基板の他方の面にはグランドが形成され、前記スタブの先端部分は前記プリント基板内のスルーホールを介して前記グランドに接続すればよい。
【００４３】
前記スタブは使用周波数の波長のほぼ２分の１の長さを持つ。そして、定在波の最大振幅位置となる前記スタブのほぼ中央の位置に前記結合用電極を配設すればよい。
【００４４】
前記結合用電極は、絶縁体からなるスペーサの表面に蒸着された導体パターンとして構成することができる。このスペーサは、プリント基板上に表面実装される回路コンポーネントであるが、前記スペーサを前記プリント基板上に搭載したときに、前記結合用電極の導体パターンは前記スペーサ内のスルーホールを介して前記スタブのほぼ中央の位置に接続される。また、誘電率の高い絶縁体をスペーサとして用いることで、波長短縮効果によりスタブの長さを２分の１波長よりも短くすることができる。
【００４５】
また、前記スタブは、上述したように使用周波数における２分の１波長の長さを持つが、折り畳み形状にすることで、前記スペーサを前記プリント基板上に実装した際の占有面積内に収めることができる。
【００４６】
また、前記スタブは、前記スペーサの他の表面に蒸着された導体パターンとして構成することもができる。
【００４７】
ここで、静電結合を利用した通信方式では、送受信機双方の結合用電極同士で静電結合を生じさせるには、結合用電極間で微妙な位置合わせを行なう必要があり、データ通信中はその位置を保持しなければならない。この種の問題に対する解決方法として、送受信機の少なくとも一方において、複数の高周波結合器をアレイ状に配置するという構成が考えられる。本発明に係る高周波結合器は、個々の高周波結合器が広帯域であることから、広帯域の通信システムにおいて高周波結合器をアレイ状に配置して複数の高周波結合器を同時に用いても、広帯域のまま有効に動作することができる。
【００４８】
このような場合、通信相手側の高周波結合器と結合関係にない高周波結合器はほぼ開放端とみなせるように設計することができることから、高周波信号の一部はかかる開放端で反射して、結合関係にある高周波結合器に再び供給され、通信相手側の高周波結合器と結合関係にある高周波結合器にのみ通信回路部から出力される高周波信号が供給されることがある。このとき、元の信号と開放端で反射して戻ってくる信号の干渉を防ぐためには、各高周波結合器間をつなぐ信号線の長さは２分の１波長の整数倍であること、あるいは、送受信回路モジュールと各高周波結合器の間の信号線路の長さの差が２分の１波長の整数倍であることが望ましい。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、高周波数の広帯域信号を用いるＵＷＢ通信方式により情報機器間で大容量のデータ通信を行なうことができる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。
【００５０】
また、本発明によれば、超近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界を利用してＵＷＢ通信信号を伝送することができる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。
【００５１】
また、本発明によれば、各情報機器に搭載された結合器間で効率よく高周波信号を伝達し、超近距離において静電界若しくは誘導電界を利用した大容量伝送が可能となる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。
【００５２】
また、本発明によれば、送受信機の結合器間で高周波数帯において電界結合を生じさせるとともに広帯域において有効に動作し、ノイズに強い電界結合伝送路を形成して大容量伝送が可能となる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。
【００５３】
本発明に係る通信装置は、高周波結合器のインピーダンス整合部や共振部を分布定数回路であるプリント基板上のパターンすなわちスタブとして構成することができ、広い帯域で好適に動作することができる。
【００５４】
本発明に係る高周波結合器は、個々の高周波結合器が広帯域であることから、高周波結合器をアレイ状に配置して複数の高周波結合器を同時に用いても、通信システムは広帯域のまま有効に動作することができる。
【００５５】
また、本発明によれば、高周波結合器のインピーダンス整合部や共振部を分布定数回路であるプリント基板上のパターンすなわちスタブとして構成することができるが、プリント基板上の導体パターンの直流抵抗が小さいことから、高周波信号でも損失が少なく、高周波結合器間の伝搬損を小さくすることができる。
【００５６】
また、本発明によれば、分布定数回路を構成するスタブのサイズは高周波信号の２分の１波長程度と大きいことから、製造時の公差による寸法の誤差は全体の長さに比較すると微量であり、特性のバラツキが生じにくい。プリント基板上のパターンすなわちスタブのサイズが長くなる分については、スタブを結合用電極の下で折り畳み形状にすることで、従来の高周波結合器のサイズよりも小型に収めることができる。
【００５７】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５９】
本発明は、静電界若しくは誘導電界を利用して情報機器間でデータ伝送を行なう通信システムに関する。
【００６０】
静電界若しくは誘導電界に基づく通信方式によれば、通信相手が近くに存在しないときには結合関係がなく電波を放射しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。
【００６１】
また、アンテナを用いた従来の電波通信では放射電界の電界強度が距離に反比例するのに対し、誘導電界では電界強度が距離の２乗に、静電界では電界強度が距離の３乗に反比例して減衰することから、電界結合に基づく通信方式によれば、近隣に存在する他の無線システムにとってノイズ・レベル程度となる微弱無線を構成することができ、無線局の免許を受ける必要はなくなる。
【００６２】
なお、時間的に変動する静電界のことを「準静電界」と呼ぶこともあるが、本明細書ではこれを含めて「静電界」に統一して称することにする。
【００６３】
従来の静電界若しくは誘導電界を利用した通信では、低周波信号を用いるため大量のデータ伝送には不向きである。これに対し、本発明に係る通信システムでは、高周波信号を電界結合で伝送することによって、大容量伝送が可能である。具体的には、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄ）通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式を電界結合に適用することで、微弱無線であるとともに、大容量データ通信を実現することができる。
【００６４】
ＵＷＢ通信は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという非常に広い周波数帯域を使用し、近距離ながら１００Ｍｂｐｓ程度の大容量の無線データ伝送を実現することができる。ＵＷＢ通信は、本来、アンテナを用いた電波通信方式として開発された通信技術であり、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ＵＷＢ通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている。また、米インテル社は、ＵＷＢのアプリケーションとして、パソコン向けの汎用インターフェースとして普及しているＵＳＢの無線版を検討している。
【００６５】
また、ＵＷＢ通信は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという伝送帯域を占有しなくても１００Ｍｂｐｓを超えるデータ伝送が可能であることやＲＦ回路の作り易さを考慮して、３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンドを使った伝送システムも開発が盛んである。本発明者らは、ＵＷＢローバンドを利用したデータ伝送システムを、モバイル機器に搭載する有効な無線通信技術の１つと考えている。例えば、ストレージ・デバイスを含む超高速な近距離用のＤＡＮ（Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）など、近距離エリアにおける高速データ伝送を実現することが可能である。
【００６６】
本発明者らは、静電界若しくは誘導電界を利用したＵＷＢ通信システムによれば、微弱電界によるデータ通信が可能であるとともに、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と考えている。
【００６７】
図１４には、静電界若しくは誘導電界を利用した非接触通信システムの構成例を示している。図示の通信システムは、データ送信を行なう送信機１０と、データ受信を行なう受信機２０で構成される。同図に示すように送受信機それぞれの高周波結合器を向かい合わせて配置すると、２つの電極が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作することから、２つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。図示の通信システムにおいて、電界結合による伝送路を好適に形成するには、送受信機の高周波結合器間において、十分なインピーダンス整合がとられていることと、高周波数帯で且つ広帯域において有効に動作することが必要である。
【００６８】
送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信用の電極１４及び２４は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。送信機側の送信回路部１１は、上位アプリケーションから送信要求が生じると、送信データに基づいてＵＷＢ信号などの高周波送信信号を生成し、送信用電極１４から受信用電極２４へ信号が伝搬する。そして受信機２０側の受信回路部２１は、受信した高周波信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。
【００６９】
ＵＷＢ通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式によれば、近距離において１００Ｍｂｐｓ程度の超高速データ伝送を実現することができる。また、電波通信ではなく電界結合によりＵＷＢ通信を行なう場合、その電界強度は距離の３乗若しくは２乗に反比例することから、無線設備から３メートルの距離での電界強度（電波の強さ）が所定レベル以下に抑制することで無線局の免許が不要となる微弱無線とすることが可能であり、安価に通信システムを構成することができる。また、電界結合方式により超近距離でデータ通信を行なう場合、周辺に存在する反射物により信号の質が低下することはない、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない、といった利点がある。
【００７０】
一方、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が大きくなることから、電界結合により高周波信号を伝搬する際には、伝搬損を十分低く抑える必要がある。ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を電界結合で伝送する通信方式では、３ｃｍ程度の超近距離通信であっても、使用周波数帯４ＧＨｚにとっては約２分の１波長に相当するため、無視することはできない長さである。とりわけ、高周波回路では、低周波回路に比べると特性インピーダンスの問題はより深刻であり、送受信機の電極間の結合点においてインピーダンス不整合による影響は顕在化する。
【００７１】
ｋＨｚあるいはＭＨｚ帯の周波数を使った通信では、空間での伝搬損が小さいため、図１７に示すように送信機及び受信機が電極のみからなる結合器を備え、結合部分が単純に平行平板コンデンサとして動作する場合であっても、所望のデータ伝送を行なうことができる。しかしながら、ＧＨｚ帯の高周波を使った通信では、空間での伝搬損が大きいため、信号の反射を抑え、伝送効率を向上させる必要がある。図１８に示すように、送信機及び受信器のそれぞれにおいて高周波信号伝送路が所定の特性インピーダンスＺ0に調整されているとしても、平行平板コンデンサで結合しただけでは、結合部においてインピーダンス・マッチングをとることはできない。このため、結合部におけるインピーダンス不整合部分において、信号が反射することにより伝搬損が生じてしまい、効率が低下する。
【００７２】
例えば、送信回路部１１と送信用電極１４を結ぶ高周波信号伝送路は５０Ωのインピーダンス整合がとられた同軸線路であったとしても、送信用電極１４と受信用電極２４間の結合部におけるインピーダンスが不整合であると、信号は反射して伝搬損を生じる。
【００７３】
そこで、送信機１０及び受信機２０のそれぞれに配置される高周波結合器を、図１３に示すように、平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並列インダクタ１３、２３を高周波信号伝送路に接続して構成している。このような高周波結合器を、図１９に示すように向かい合わせて配置すると、２つの電極が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作するため、２つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。ここで言う高周波信号伝送路とは、同軸ケーブル、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などを示す。
【００７４】
ここで、送信機１０と受信機２０の電極間すなわち結合部分において、単にインピーダンス・マッチングを取り、反射波を抑えることだけを目的とするのであれば、図２０Ａに示すように、各結合器を平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並列インダクタ１３、２３を高周波信号伝送路に接続して構成する必要はなく、図２０Ｂに示すように各結合器を平板状の電極１４、２４と直列インダクタを高周波信号伝送路に接続するという簡素な構造であってもよい。すなわち、高周波信号伝送路上に直列インダクタを挿入するだけでも、送信機側の結合器に対向して超近距離で受信機側の結合器が存在する場合において、結合部分におけるインピーダンスが連続的となるように設計することは可能である。
【００７５】
但し、図２０Ｂに示す構成例では、結合部分の前後における特性インピーダンスに変化はないので電流の大きさも変わらない。これに対し、図２０Ａに示したように、高周波信号伝送路末端の電極の手前において並列インダクタンスを介してグランドに接続した場合、結合器単体としては、結合器の手前側の特性インピーダンスＺ0に対し、結合器の先の特性インピーダンスＺ1は低下する（すなわちＺ0＞Ｚ1）というインピーダンス変換回路としての機能を備えることになり、結合器への入力電流Ｉ0に対し結合器の出力電流Ｉ1を増幅する（すなわちＩ0＜Ｉ1）ことができる。
【００７６】
図２１Ａ及び図２１Ｂには、並列インダクタンスを設けた場合と設けない場合の結合器のそれぞれにおいて、電極間の電界結合によって電界が誘起される様子を示している。同図からも結合器は直列インダクタに加えて並列インダクタを設けることによって、より大きな電界を誘起して、電極間で強く結合させることを理解できよう。また、図２１Ａに示すようにして電界近傍に大きな電界を誘起したとき、発生した電界は進行方向に振動する縦波として電極面の正面方向に伝搬する。この電界の波により、電極間の距離が比較的大きな場合であっても電極間で信号を伝搬することが可能になる。
【００７７】
したがって、ＵＷＢ信号などの高周波信号を電界結合により伝送する通信システムでは、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。
【００７８】
（１）電界で結合するための電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための並列インダクタがあること。
（３）通信に使用する周波数帯において、結合器を向かい合わせに置いたときにインピーダンス・マッチングが取れるように、インダクタ、及び電極によるコンデンサの定数が設定されていること。
【００７９】
図１９に示したように電極が対向する１組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタは、直列インダクタと並列インダクタのインダクタンス、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスによって、その通過周波数ｆ0を決定することができる。図１５には、１組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタの等価回路を示している。特性インピーダンスＲ［Ω］、中心周波数ｆ0［Ｈｚ］、入力信号と通過信号の位相差をα［ラジアン］（π＜α＜２π）、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスをＣ／２とすると、バンドパス・フィルタを構成する並列及び直列インダクタンスの各定数Ｌ1、Ｌ2は、使用周波数ｆ0に応じて下式で求めることができる。
【００８０】
【数１】
2008154198.tif 000003
【００８１】
また、結合器単体としてインピーダンス変換回路として機能する場合、その等価回路は図２２に示す通りとなる。図示の回路図において、下式を満たすように、使用周波数ｆ0に応じて並列インダクタンスＬ1及び直列インダクタンスＬ2をそれぞれ選ぶことにより、特性インピーダンスをＲ1からＲ2へ変換するインピーダンス変換回路を構成することができる。
【００８２】
【数２】
2008154198.tif 000004
【００８３】
このように、図１４に示した非接触通信システムでは、ＵＷＢ通信を行なう通信機は、従来の電波通信方式の無線通信機においてアンテナを使用する代わりに、図１３に示した高周波結合器を用いることで、従来にない特徴を持った超近距離データ伝送を実現することができる。
【００８４】
図１９に示したように、超近距離を隔てて互いの電極が対向する２つの高周波結合器は、所望の周波数帯の信号を通過するバンドパス・フィルタとして動作するとともに、単体の高周波結合器としては電流を増幅するインピーダンス変換回路として作用する。他方、高周波結合器が自由空間に単独で置かれるとき、高周波結合器の入力インピーダンスは高周波信号伝送路の特性インピーダンスと一致しないので、高周波信号伝送路から入った信号は高周波結合器内で反射され、外部に放射されない。
【００８５】
したがって、図１４に示した非接触通信システムでは、送信機側では、通信を行なうべき相手がいないときには、アンテナのように電波を垂れ流すことはなく、通信を行なうべき相手が近づいてそれぞれの電極がコンデンサを構成したときのみ、図１９に示したようにインピーダンス整合がとれることによって、高周波信号の伝達が行なわれる。
【００８６】
ここで、送信機側の結合用電極において発生する電磁界について考察してみる。図２３には、微小ダイポールによる電磁界を表している。また、図２４には、この電磁界を結合用電極上にマッピングしている。図示のように電磁界は、伝搬方向と垂直な方向に振動する電界成分（横波成分）Ｅθと、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）ＥRに大別される。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈφが発生する。下式は微小ダイポールによる電磁界を表しているが、任意の電流分布はこのような微小ダイポールの連続的な集まりとして考えられるので、それによって誘導される電磁界にも同様の性質がある（例えば、虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁）を参照のこと）。
【００８７】
【数３】
2008154198.tif 000005
【００８８】
上式から分るように、電界の横波成分は、距離に反比例する成分（放射電界）と、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）で構成される。また、電界の縦波成分は、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）のみで構成され、放射電磁界の成分を含まない。また、電界ＥRは、｜ｃｏｓθ｜＝１となる方向、すなわち図２３中の矢印方向で最大となる。
【００８９】
無線通信において広く利用されている電波通信では、アンテナから放射される電波はその進行方向と直交方向に振動する横波Ｅθであり、電波は偏波の向きが直交すると通信することができない。これに対し、静電界や誘導電界を利用した通信方式において結合電極から放射される電磁波は、横波Ｅθの他に、進行方向に振動する縦波ＥRを含む。縦波ＥRは「表面波」とも呼ばれる。ちなみに、表面波は、導体や、誘電体、磁性体などの媒体の内部を通じて伝搬することもできる。
【００９０】
電磁界を利用した伝送波のうち位相速度ｖが光速ｃより小さいものを遅波、大きいものを速波という。表面波は前者の遅波に相当する。
【００９１】
非接触通信システムでは、放射電界、静電界、誘導電界のいずれの成分を媒介として信号を伝達することもできる。しかしながら、距離に反比例する放射電界は比較的遠くにある他のシステムへの妨害波になるおそれがある。このため、放射電界の成分を抑制すること、言い換えれば、放射電界の成分を含む横波Ｅθを抑制しながら、放射電界の成分を含まない縦波ＥRを利用した非接触通信が好ましい。
【００９２】
なお、上述した観点から、本実施形態に係る高周波結合器では、以下のような工夫をしている。まず、電磁界を示した上記の３式より、θ＝０゜という関係を有する場合に、Ｅθ＝０となり、且つ、ＥR成分が極大値をとることが分かる。すなわち、Ｅθは電流の流れる向きに対して垂直な方向で最大になり、ＥRは電流の流れる向きと平行な方向で最大になる。したがって、電極面に対して垂直な正面方向のＥRを最大にするには、電極に対して垂直な方向の電流成分を大きくすることが望ましい。一方、電極の中心から給電点をオフセットさせた場合には、このオフセットに起因して、電極に対して平行な方向に対する電流成分が増加する。そして、この電流成分に応じて電極の正面方向のＥθ成分が増加してしまう。このため、本実施形態に係る高周波結合器では、図１６Ａに示すように電極の略中心位置に給電点を設け（後述）、ＥR成分が最大となるようにしているのである。
【００９３】
勿論、旧来のアンテナでも放射電界だけでなく、静電界や誘導電界が発生し、送受信アンテナを近接させれば電界結合が起きるが、エネルギの多くは放射電界として放出され、非接触通信としては効率的でない。これに対し、図１３に示した高周波結合器は、所定の周波数においてより強い電界ＥRを作り伝送効率を高めるように、結合用電極及び共振部が構成されている。
【００９４】
図１３に示した高周波結合器を送信機側で単独で使用した場合、結合用電極の表面には縦波の電界成分ＥRが発生するが、放射電界を含む横波成分ＥθはＥRに比べ小さいことから、電波はほとんど放射されない。すなわち、近隣の他システムへの妨害波を発生しない。また、高周波結合器に入力された信号のほとんどが電極で反射して入力端に戻る。
【００９５】
これに対し、１組の高周波結合器を使用した場合、すなわち送受信機間で高周波結合器を近距離に配置されたときには、結合用電極同士が主に準静電界成分によって結合して1つのコンデンサのように働いて、バンドパス・フィルタのように動作し、インピーダンス・マッチングが取れた状態になっている。したがって、通過周波数帯では信号・電力の大部分は相手方に伝送され、入力端への反射は少ない。ここで言う「近距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離ｄがｄ≪λ／２πであることに相当する。例えば、使用周波数ｆ0が４ＧＨｚであれば電極間距離が１０ｍｍ以下のときである。
【００９６】
また、送受信機間で高周波結合器を中距離に配置したときには、送信機側の結合用電極の周囲には、静電界は減衰し、主に誘導電界からなる電界ＥRの縦波が発生する。電界ＥRの縦波は、受信機側の結合用電極で受け取られ、信号が伝送される。但し、両結合器を近距離に配置した場合と比較すると、送信機側の高周波結合器では、入力された信号が電極で反射して入力端に戻る割合が高くなる。ここで言う「中距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離ｄがλ／２πの１〜数倍程度であり、使用周波数ｆ0が４ＧＨｚであれば電極間距離が１０〜４０ｍｍのときである。
【００９７】
既に述べたように、図１３に示した高周波結合器では、インピーダンス整合部は並列インダクタ及び直列インダクタの定数Ｌ1、Ｌ2により動作周波数ｆ0が決定される。これら直列インダクタ１２、２２、並列インダクタ１３、２３を集中定数回路とみなされる回路素子で構成することが一般的な回路製作方法である。ところが、高周波回路では集中定数回路は分布定数回路よりも帯域が狭いことが知られており、また周波数が高いときインダクタの定数は小さくなるので、定数のばらつきによって共振周波数がずれるという問題がある。
【００９８】
そこで、本発明では、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路から分布定数回路に代えて高周波結合器を構成することで、広帯域化を実現するようにした。
【００９９】
図１には、本発明の一実施形態に係る高周波結合器の構成例を示している。
【０１００】
図示の例では、下面にグランド導体１０２が形成されるとともに、上面に印刷パターンが形成されたプリント基板上１０１に、高周波結合器が配設されている。高周波結合器のインピーダンス整合部並びに共振部として、並列インダクタと直列インダクタの代わりに、分布定数回路としての導体パターンすなわちスタブ１０３が形成され、信号線パターン１０４を介して送受信回路モジュール１０５と結線している。スタブ１０３は、先端においてプリント基板１０１を貫挿するスルーホール１０６を介して下面のグランド１０２に接続してショートされ、また、スタブ１０３の中央付近において金属線１０７を介して結合用電極１０８に接続される。
【０１０１】
なお、電子工学の技術分野で言う「スタブ（ｓｔｕｂ）」は、一端を接続、他端を未接続又はグランド接続した電線の総称であり、調整、測定、インピーダンス整合、フィルタなどの用途で回路の途中に設けられる。
【０１０２】
スタブ１０３の長さは高周波信号の２分の１波長程度とし、信号線１０４とスタブ１０３はプリント基板１０１上のマイクロストリップ線路、コプレーナ線路などで形成される。スタブ１０３の長さが２分の１波長で先端がショートしているとき、スタブ１０３内に発生する定在波の電圧振幅はスタブの先端で０となり、スタブの中央、すなわちスタブ１０３の先端から４分の１波長のところで最大となる（図２を参照のこと）。電圧振幅が最大となるスタブ１０３の中央に結合用電極１０８を金属線１０７で接続することで、伝搬効率の良い高周波結合器を作ることができる。
【０１０３】
インピーダンス整合部をスタブ１０３すなわちプリント基板１０１上の導体パターンからなる分布定数回路で構成することにより、広い帯域にわたって均一な特性を得ることができることから、ＤＳＳＳやＯＦＤＭといった広帯域信号に周波数拡散する変調方式を適用することが可能になる。スタブ１０３は、プリント基板１０１上の導体パターンであり、その直流抵抗が小さいことから、高周波信号でも損失が少なく、高周波結合器間の伝搬損を小さくすることができる。
【０１０４】
分布定数回路を構成するスタブ１０３のサイズは高周波信号の２分の１波長程度と大きいことから、製造時の公差による寸法の誤差は全体の長さに比較すると微量であり、特性のバラツキが生じにくい。
【０１０５】
図８には、インピーダンス整合部を集中定数回路及び分布定数回路でそれぞれ構成した場合の高周波結合器の周波数特性の比較を示している。但し、集中定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器は、図６に示すように、プリント基板上の信号線パターンの先端に金属線を介して結合用電極を配設するとともに、信号線パターンの先端に並列インダクタ部品を実装し、並列インダクタの他端をプリント基板内のスルーホールを介してグランド導体に接続したものを想定している。また、分布定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器は、図７に示すように、プリント基板上に形成された２分の１波長の長さからなるスタブの中央に金属線を介して結合用電極を配設し、スタブをその先端においてプリント基板内のスルーホールを介してグランド導体に接続したものを想定している。いずれの高周波結合器もそれぞれ動作周波数が３．８ＧＨｚ付近になるように調整されているものとする。また、図６、図７のいずれにおいても、マイクロストリップ線路によりポート１からポート２に向かって高周波信号が伝達され、マイクロストリップ線路の途中にそれぞれの高周波結合器が配設されている。そして、周波数特性は、ポート１からポート２への伝達特性として測定し、その結果が図８に示されている。
【０１０６】
高周波結合器は、他の高周波結合器と結合関係にないときは開放端とみなせるので、ポート１から入力された高周波信号は高周波結合器には供給されず、そのままポート２へと伝送される。したがって、高周波結合器の動作周波数である３．８ＧＨｚ付近ではどちらの高周波結合器の場合もポート１からポート２へ伝送される信号強度を表す伝搬損Ｓ21が大きな値となっている。しかし、図６に示す高周波結合器の場合、動作周波数から前後に外れた周波数ではＳ21の値が大きく落ち込んでいる。これに対し、図７に示した高周波結合器では動作周波数を中心とした広い周波数帯域に渡ってＳ21の値が大きい良好な特性を保っていることが分かる。すなわち、インピーダンス整合部を分布定数回路で構成することで、高周波結合器が広帯域において有効に動作すると言うことができよう。
【０１０７】
スタブ１０３の中央付近において金属線１０７を介して結合用電極１０８が接続されるが、この金属線は結合用電極１０８のほぼ中央で接続することが好ましい。何故ならば、結合用電極の中心に高周波伝送線路を接続することにより、電極内に均等に電流が流れて電極正面に電極面とほぼ垂直な向きに不要な電波を放射しないが（図１６Ａを参照のこと）、結合用電極の中心からオフセットのある位置に高周波伝送線路を接続すると、結語用電極内に不均等な電流が流れてマイクロストリップ・アンテナのように動作して不要な電波を放射してしまうからである（図１６Ｂを参照のこと）。
【０１０８】
また、電波通信の分野では、図３６に示すようにアンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナが広く知られており、一見して図１３に示した結合器と構造が類似する。ここで、本実施形態で送受信機において用いられる結合器と容量装荷型アンテナとの相違について説明しておく。
【０１０９】
図３６に示した容量装荷型アンテナは、アンテナの放射エレメントの周囲Ｂ1及びＢ2方向に電波を放射するが、Ａ方向は電波を放射しないヌル点となる。アンテナの周りに発生する電界を詳細に検討すると、アンテナからの距離に反比例して減衰する放射電界と、アンテナからの距離の２乗に反比例して減衰する誘導電界と、アンテナからの距離の３乗に反比例して減衰する静電界が発生する。そして、誘導電界と静電界は放射電界に比べ距離に応じて急激に減衰するため、通常の無線システムでは放射電界についてのみ議論され、誘導電界と静電界は無視されることが多い。したがって、図３６に示す容量装荷型アンテナであっても、Ａの方向に誘導電界と静電界を発生させているが、空気中で速やかに減衰するため、電波通信では積極的には利用されていない。
【０１１０】
図１に示した高周波結合器において、プリント基板１０１の回路実装面上のスタブ１０３から金属線１０７を介して接続される結合用電極１０８まで十分な高さをとることによって、グランド導体１０２と結合用電極１０８との静電結合を回避して、高周波結合器としての機能（すなわち、図示しない受信機側の高周波結合器との静電結合作用）を確保する。但し、回路実装面から結合用電極１０８までの高さが大き過ぎると、プリント基板１０１と結合用電極１０８間を接続する金属線１０７がアンテナとして作用して、その内部を流れる電流により不要な電波を放出するという弊害がある。この場合、高周波結合器の共振部におけるアンテナとしての振る舞いによる放射電波は距離に対する減衰が静電界や誘導電界よりも小さいため、無線設備から３メートルの距離での電界強度が所定レベル以下となる微弱無線に抑えることが困難になる。よって、金属線１０７の長さは、グランド導体１０２との結合を回避して高周波結合器としての特性を十分に得ることと、この金属線１０７に流れる電流による不要電波の放射が大きくならない（すなわち金属線１０７からなる共振部のアンテナとしての作用が大きくならない）程度であることが条件となる。
【０１１１】
並列インダクタ並びに直列インダクタを分布定数回路で構成した高周波結合器の場合、その性能に影響を及ぼすと考えられる寸法パラメータとして、スタブの幅Ｗ、スタブの長さＬ１、並びに、スタブの先端（若しくはスルーホール１０６の位置）から結合用電極１０８（若しくは金属線１０７）の取り付け位置までの距離Ｌ２が挙げられる。
【０１１２】
既に述べたように、スタブ１０３の長さは、使用する高周波信号の２分の１波長の大きさであり、また、結合用電極１０８の取り付け位置Ｌ２は、定在波の最大振幅が得られる４分の１波長の位置であることが好ましい（図２を参照のこと）。
【０１１３】
ここで、本発明者らは、送受信機の結合用電極間の距離を変化させながら、結合用電極１０８の取り付け位置Ｌ２毎の伝搬損Ｓ21を実測してみた。但し、高周波結合器の結合用電極のサイズを８ｍｍ×８ｍｍとし、電極高さ（金属線長さ）を３ｍｍとし、基板寸法を２０ｍｍ×２０ｍｍ、その厚さを０．８ｍｍとし、基板誘電率を３．４と仮定した。また、スタブの長さＬ１は使用周波数における波長の２分の１とし、その幅Ｗを１．８ｍｍに設定した。図２６には、その結果を示している。
【０１１４】
図２６から、結合用電極１０８の取り付け位置Ｌ２が４分の１波長のとき、すなわち、２分の１波長のショート・スタブに定在波が立ったときに電圧振幅が最大となる位置に結合用電極１０８を取り付けたときに、高周波結合器同士の結合が強くなることが分かる。
【０１１５】
一般に、金属はアンテナの効率的な電波の放射を妨げるため、アンテナの放射エレメントの近傍にグランドなどの金属を配置することができない。これに対し、本実施形態に係る通信システムでは、高周波結合器は結合用電極１０８の裏面側に金属を配置しても特性が悪化しない。また、スタブを折り曲げて基板上に配置することで、従来のアンテナよりも小型に作ることができる。また、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）ＥRは偏波を持たないため、向きが変わっても一定の通信品質を確保することができる。
【０１１６】
また、アンテナは距離に反比例して減衰する放射電界を介して信号の伝達を行なう。これに対し、本実施形態に係る高周波結合器は、主に距離の２乗に反比例して減衰する誘導電界、及び距離の３乗に反比例して減衰する静電界を介して信号の伝達を行なう。とりわけ静電界は、電極間の距離が大きくなると急激に電気的な結合が低下して通信を行なうことができなくなるが、このことは超近距離において微弱電界を用いた通信に適していることを意味する。
【０１１７】
図２７及び図２８には、図２５に示した２つの高周波結合器を対向させて配置し、結合用電極間の距離を変えたときのＳパラメータの実測値を示している。Ｓパラメータは、送信側から放射された信号が受信側で反射して戻ってくる反射特性Ｓ11に相当するＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｗａｖｅ  Ｒａｔｉｏ）と、送信側から放射された信号が受信側に到達するまでの伝搬損Ｓ21からなり、図２７及び図２８にそれぞれを示している。
【０１１８】
一般に、ＶＳＷＲは２以下であることが推奨される。図２７から、４ＧＨｚで動作する高周波結合器について、送受信間距離が１０ｍｍ以下のときＶＳＷＲが小さな値となりインピーダンス・マッチングがとれている。このとき、高周波結合器の結合用電極同士が主に準静電界によって結合し１つのコンデンサのように動作していると考えられる。一方、送受信間距離が１０ｍｍ以上のとき、ＶＳＷＲは比較的大きな値をとり、インピーダンス・マッチングは取れていない。このとき、２つの高周波結合器は主に縦波の誘導電界によって信号を伝達し結合していると考えられる。
【０１１９】
また、図２８から、送受信間距離が大きくなるにつれて伝搬損Ｓ21が小さな値になることが判る。
【０１２０】
高周波結合器はアンテナのように偏波を持たないため、高周波結合器同士の向きが変わっても一定の通信品質を確保することができる（前述）。本発明者らは、高周波結合器の向きや相対的な位置関係を変えながら、伝搬損Ｓ21を実測してみた。具体的には、送信側の高周波結合器を（０，０）の位置に置いて、周知のネットワーク・アナライザの一方のポートに接続し、受信側の高周波結合器を同ネットワーク・アナライザの他方のポートに接続する。そして、受信側の高周波結合器の位置を変えたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21を測定する。また、測定周波数は４ＧＨｚとする。
【０１２１】
図２９には、送信側の高周波結合器と受信側の高周波結合器は向きが同じ（すなわち０度）になるように置いたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21の実測値を示している。また、図３０には、受信側の高周波結合器の向きを９０度だけ回転させて、同様に高周波結合器間の伝搬損Ｓ21を実測した結果を示している。両図を比較すると、測定結果は、回転の前後でほとんど差がない。つまり、高周波結合器によって生じる電界は偏波を持たないことが分かる。
【０１２２】
なお、比較のため、従来の直線偏波アンテナを用いての向きを変えながら、伝搬損Ｓ21を実測してみた。具体的には、送信側の直線偏波アンテナを（０，０）の位置に置いて、周知のネットワーク・アナライザの一方のポートに接続し、受信側の直線偏波アンテナを同ネットワーク・アナライザの他方のポートに接続する。そして、受信側の直線偏波アンテナの位置を変えたときの直線偏波アンテナ間の伝搬損Ｓ21を測定する。また、測定周波数は４ＧＨｚとする。
【０１２３】
図３１には、送受信間で直線偏波アンテナは向きが同じ（すなわち０度）になるように置いたときの伝搬損Ｓ21の実測値を示している。また、図３２には、受信側の直線偏波アンテナの向きを９０度だけ回転させて同様に伝搬損Ｓ21を実測した結果を示している。両図を比較すると、受信側の直線偏波アンテナの向きが９０度のとき、すなわち送受信の偏波が直交するときには、アンテナ間の伝搬損は大きく信号の伝達強度は弱い。すなわち、直線偏波アンテナにおいては、向きが変わると通信品質を保証できなくなる。
【０１２４】
図３３には、高周波結合器間と直線偏波アンテナ間（偏波の向きが同じとき）の送受信間距離と伝搬損Ｓ21の関係の実測値を示している。但し、測定周波数は４ＧＨｚである。放射電界は距離に反比例して緩やかに減衰するのに対し、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰する（前述）。したがって、図示のように、高周波結合器間の方が近距離では強く結合するが、距離による減衰が大きい。
【０１２５】
また、図３４には、図３３に示した測定結果から受信電力の平方根（すなわち電界強度）の対数を縦軸に、送受信間距離の対数を横軸にプロットし、それぞれの測定値を最小２乗法で１次近似した直線を示している。各直線の傾きから、周波数４ＧＨｚ、送受信間距離１〜５ｃｍの範囲では、高周波結合器によって生じる電界は距離のほぼ−２乗に比例する誘導電界が支配的であり、他方の直線偏波アンテナによって生じる電界は距離のほぼ−１乗に比例する放射電界が支配的であることが分かる。
【０１２６】
アンテナの放射エレメントの近傍にグランドなどの金属を配置することができないのに対し、高周波結合器は電極１０８の裏面側にグランドとなる金属を配置しても特性が悪化しない。図３５には、高周波結合器の背面のグランドのサイズを変えたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21の測定結果を示している。但し、測定周波数は４ＧＨｚであり、結合用電極のサイズは８ｍｍ×８ｍｍとする。高周波結合器の背面のグランドサイズが大きいほど背面方向への電界の漏れが少なくなるため、正面方向の伝搬損Ｓ21が大きくなると考えられる。グランドは無限に大きくする必要はなく、実質的には１辺が結合用電極のサイズの２倍以上、面積にして４倍以上あればほぼ十分である。
【０１２７】
既に述べたように、スタブ１０３の寸法は、定在波の最大振幅が得られる４分の１波長の位置に結合用電極を配設することが望ましい。
【０１２８】
ここで、使用周波数帯として３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンド（前述）を想定した場合、自由空間での波長の長さは７５ｍｍ程度となり、基板の誘電率によって波長短縮されるにしても図１に示したようにスタブ１０３を直線状に形成すると、スタブ１０３が結合用電極１０８の占有面積内に収まらないため、プリント基板１０１上の実装効率を損ねる場合がある。因みに、結合用電極１０８の寸法は１０×１０ｍｍ程度であることを考慮すると、スタブ１０３の寸法とバランスがとれていない。
【０１２９】
そこで、スタブ１０３のパターンを折り曲げ形状にして、２分の１波長という寸法を保ちながら結合用電極１０８の占有面積内に収容するようにしてもよい。すなわち、プリント基板１０１上のパターンすなわちスタブ１０３のサイズが長くなる分については、スタブ１０３を結合用電極１０８の下で折り畳み形状にすることで、従来の高周波結合器のサイズよりも小型に収めることができる。
【０１３０】
高周波結合器の実際の構成例について、図３〜図５を参照しながら説明する。図３には、スタブ１０３を結合用電極１０８の下で折り曲げた高周波結合器を示している。高周波結合器として動作するにはスタブ１０３の長さが２分の１波長程度であればよく、スタブ１０３は必ずしも直線である必要はないので、同図に示したように折り畳むことで、高周波結合器全体としての寸法を小さくすることができる。
【０１３１】
上述したように、グランド導体１０２と結合用電極１０８との電界結合を回避という観点から、プリント基板１０１の回路実装面から結合用電極１０８までの高さは重要である。
【０１３２】
例えば、図４に示すように、適切な高さを持つスペーサ１０９の上面に結合用電極１０８を配設し、スペーサ１０９内を貫挿するスルーホール１１０を介してスタブ１０３の中央部分に接続するように構成されている。このスペーサ１０９は、絶縁体で製作され、結合用電極１０８を所望の高さにて支持する役割を持つ。所望の高さを持つ柱状の誘電体にスルーホールを形成した後、このスルーホール中に導体を充填させるとともに、上端面に結合用電極となるべき導体パターンを蒸着することにより、スペーサ１０９を製作することができる。結合用電極が形成されたスペーサ１０９は、例えばリフロー半田などの工程により、プリント基板１０１上に実装される。
【０１３３】
また、図５には、結合用電極１０８及び金属線としてのスルーホール１０９が形成されたスペーサ１０９を表面実装部品としてプリント基板１０１上に搭載する様子を示している。
【０１３４】
図示の例では、絶縁体からなるスペーサ１０９の上下の各表面に、結合用電極１０８と折り畳み状のスタブ１０３が形成されている。例えば、所望の高さを持つ柱状の誘電体にスルーホールを形成した後、このスルーホール中に導体を充填させるとともに、鍍金技術により結合用電極１０８並びにスタブ１０３の導体パターンを誘電体の上下の各端面に蒸着することによって、スペーサ１０９を製作することができる。このとき、上端面の結合用電極１０８は、スペーサ１０９内を貫挿するスルーホール１１０を介して、下端面側のスタブ１０３の中央部分に接続されている。
【０１３５】
また、プリント基板１０１上には、スペーサ１０９の両端とそれぞれ接合する導体パターン１１１並びに１１２が形成されている。一方の導体パターン１１１は送受信回路モジュール１０５から引き出された信号線であり、他方の導体パターン１１２はプリント基板１０１を貫挿するスルーホール１０６を介してグランド導体１０２と接続している。結合用電極と折り畳み状のスタブが形成されたスペーサ１０９は、例えばリフロー半田などの工程により、プリント基板１０１上に実装される。
【０１３６】
なお、図５に示した例では、スペーサ１０９の上端面及び下端面に結合用電極１０８とスタブ１０３がそれぞれ蒸着されているが、その変形例として、結合用電極１０８のみをスペーサ１０９に蒸着し、スタブ１０３はプリント基板１０１上に導体パターンとして配設し、スペーサ１０９を表面実装した際にスペーサ１０９内のスルーホール１１０を介して結合用電極１０８とスタブ１０３を接続するように構成することもできる。
【０１３７】
図４及び図５に示した高周波結合器の構成例において、スペーサ１０９は絶縁体で製作されるが（前述）、誘電率の高い材質を用いた場合には、波長短縮効果により実質的に波長に相当する長さが短くなることから、スタブ１０３並びに結合用電極１０８の寸法を小さくすることができる。
【０１３８】
スペーサ１０９の高さ（すなわちスルーホール１１０の長さ）は、プリント基板１０１の回路実装面から結合用電極１４までの高さに相当し、結合用電極１０８とグランド１０２との電界結合を回避する役割と、スルーホール１１０による直列インダクタを形成する役割を兼ね備えている。スペーサ１０９の高さを使用波長に応じて適当に調整することで、スルーホール１１０が直列インダクタを構成し、グランド１０２と結合用電極１０８との電界結合を回避して、高周波結合器としての機能を確保する。使用波長に応じて適当に調整することで、スルーホール１１０がインダクタンスを持ち、図１３に示した直列インダクタ１２と代用することができる。但し、スペーサ１０９の高さが大きい、すなわちプリント基板１０１の回路実装面から結合用電極１０８までの距離が使用波長に対して無視できない長さになると、スルーホール１１０はアンテナとして作用して、その内部を流れる電流により不要な電波を放出するという弊害がある。
【０１３９】
ここで、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した通信方式では、結合用電極同士で静電結合を生じさせるには、送受信機間で互いの結合用電極の微妙な位置合わせを行なう必要があり、データ通信中はその位置を保持しなければならない。機器内のどの部分に結合用電極が配置され、どの箇所を接触させればよいのか、あるいはどのような角度で電極部位同士を向き合わせれば最適な通信状況になるのか、ユーザにとっては分かり難いことが多く、このため最大の通信速度を得られない可能性がある。
【０１４０】
この種の問題に対する解決方法として、複数の高周波結合器をアレイ状に配置するという構成が考えられる。電波通信の場合、複数の送信アンテナを並列して設けると、送信電力は各アンテナに分散してしまい個々のアンテナの出力は低下することから、通信に寄与しないアンテナは送信電力を徒に浪費してしまう。これに対し、電界結合による通信方式においては、他の高周波結合器と結合関係にあるもののみが高周波信号の伝達を行ない、その他の高周波結合器はほぼ開放端とみなせるように設計することができる。すなわち、複数の高周波結合器をアレイ状に並べても、通信相手側の高周波結合器と電界結合しない高周波結合器は送信電力を浪費するという問題は深刻でない。また、本実施形態に係る高周波結合器は、個々の高周波結合器が広帯域であることから、広帯域の通信システムにおいて高周波結合器をアレイ状に配置して複数の高周波結合器を同時に用いても、広帯域のまま有効に動作することができる。
【０１４１】
図９には、図１に示した高周波結合器をプリント基板上で複数配置した様子を示している。各高周波結合器のスタブの一端は、信号線路を介して１つの送受信回路モジュールに並列接続されている。また、図１０には、図４又は図５に示した高周波結合器をプリント基板上で複数配置した様子を示している。
【０１４２】
図示の３個の高周波結合器１〜３のうち、他の高周波結合器と結合関係にあるもののみが高周波信号の伝達を行ない、その他の高周波結合器は開放端となる。例えば、同図中の高周波結合器２のみが通信相手側の高周波結合器（図示しない）と結合関係にあるときには、送受信回路モジュールからの出力信号は高周波結合器１には供給されず、高周波結合器２を通って、通信相手側の高周波結合器に信号を伝達する。
【０１４３】
また、送受信回路部からの出力信号の一部は、高周波結合器２を通過してさらに信号線を伝わって高周波結合器３まで達した後、高周波結合器３の手前で反射し、再び高周波結合器２に供給される。ここで、元の信号と反射して戻ってくる信号の干渉を防ぐためには、各高周波結合器間をつなぐ信号線の長さは２分の１波長の整数倍であること、あるいは、送受信回路モジュールと各高周波結合器の間の信号線路の長さの差が２分の１波長の整数倍であることが望ましい。これにより、単に送受信回路モジュールからの信号を分配器により複数に分配し、それぞれの高周波結合器に供給するのに比べて、他の高周波結合器と結合関係にある高周波結合器だけに信号を供給できることから、選択的且つ効果的に信号を伝達することができる。
【０１４４】
また、図９並びに図１０に示すように高周波結合器を一列に並べるのではなく、図１１に示すように１点から複数の高周波結合器にスター状に信号線を分岐し、その先に高周波結合器を配置することもできる。図１１に示した配置例においては、分岐点からそれぞれの高周波結合器までをつなぐ信号線の長さを２分の１波長の整数倍とすることにより、送受信回路モジュールと各高周波結合器の間の信号線路の長さの差は２分の１波長の整数倍となるから静電結合する高周波結合器へ供給される元の信号と反射波との干渉を抑えることができる。
【０１４５】
また、さらに、図１２に示すように図１０に示す一列の配置と図１１に示す分岐の配置を組み合わせて用いるという配置例を利用しても、元の信号と反射波との干渉を防止する効果を同様に得ることができる。また、使用する高周波結合器の個数が増加する分だけ、通信相手との電極の位置決めの問題は緩和される。
【０１４６】
機器の筐体内に帯域の狭いデバイスを複数配置した場合、全体のシステムとしての帯域はさらに狭くなるため、高周波結合器を広帯域の通信システムで同時に複数用いることは難しくなることが予想される。これに対し、本実施形態によれば、個々の高周波結合器が広帯域であることから、広帯域の通信システムにおいて高周波結合器を図９〜図１２に示したようにアレイ状に配置して、複数の高周波結合器を同時に用いても、広帯域のまま有効に動作することができる。
【０１４７】
図４並びに図５には、図１４に示した電界結合方式の非接触通信システムに適用することができる高周波結合器の構成例を示した。但し、高周波結合器の構成方法はこれに限定されるものではない。
【０１４８】
例えば、高周波結合器の電極部分を例えば板金加工によって、簡易且つ安価に製作することができる。図３７〜図３９には、その製作方法を図解している。
【０１４９】
各図において、銅などからなる板金にまず打ち抜き加工を施して、結合用電極となる部分と、結合用電極と高周波信号線を接続する脚になる部分を形成する。
【０１５０】
続いて、折り曲げ加工を施して、結合用電極部分に対し脚部をほぼ垂直に屈曲させて所望の高さを形成する。ここでいう所望の高さとは、結合用電極部分とグランドとの結合を回避する役割と、この脚部が直列インダクタを形成する役割を兼ね備え得る寸法に相当する。
【０１５１】
このようにして出来上がった結合用電極を、例えばプリント基板上の該当する場所に治具（図示しない）などで固定して、リフロー半田などにより固定すればよい。図４０には、図３９に示した結合用電極を、プリント基板の導体パターンとして形成されたスタブに取り付けた様子を示している。
【０１５２】
なお、直列インダクタとして作用する脚部の本数は、例えば、図３７及び図３９に示すように２本であっても、図３８に示すように１本であっても、あるいは３本以上であってもよい。
【０１５３】
あるいは、信号線、共振部、及び結合用電極を同一基板上の配線パターンとして形成することによっても、高周波結合器を簡易に製作することができる。図４１にはその一例を示している。但し、結合用電極の裏にグランドが重ならないように配置する。図示の高周波結合器は、結合が弱い、帯域が狭いといったような、立体型の高周波結合器に比べると特性で劣る点もあるが、製造コストや小型化（薄型化）という点でメリットがある。
【０１５４】
上述したように、本実施形態に係る通信システムによれば、静電界若しくは誘導電界の特徴を利用して、ＵＷＢ信号の高速通信を行なうことができる。また、通信距離に応じて静電界若しくは誘導電界の結合力が著しく減衰することから、想定外の相手に情報をハッキングされることを防ぎ秘匿性を確保することができる。また、接続したい通信相手に物理的に近づいて情報のやり取りを行なうことで、ユーザにとって直感的に通信相手を選択することができる。本実施形態に係る通信システムは、外部に電波を放射しないため、他の無線システムに影響を与えない。また、外部から飛来する電波を受け取らないため、外来のノイズの影響を受けて受信感度が低下することもない。
【０１５５】
これまでは、図１４に示した電界結合方式の非接触通信システムにおいて、１組の高周波結合器間で信号を伝送する仕組みについて説明してきた。ここで、２つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも可能である。上述したように、送信機側の高周波結合器で発生した電界ＥRは表面波として空中を伝搬し、受信機側では高周波結合器で受け取った信号を整流・安定化して電力を取り出すことができる。
【０１５６】
図４２には、図１に示した高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示している。
【０１５７】
図示のシステムでは、ＡＣ電源に接続された充電器と無線通信機を近づけることにより、それらに内蔵する高周波結合器を介して非接触で無線通信機への送電、及び充電を行なう。但し、高周波結合器は電力伝送の用途のみで使用される。
【０１５８】
受電する高周波結合器が送電する高周波結合器の近くにないとき、送電用の高周波結合器に入力された電力の大部分は反射してＤＣ／ＡＣインバータ側に戻るため、外部に不要な電波を放射したり必要以上に電力を消費したりすることを抑えることができる。
【０１５９】
また、同図では無線通信機への充電を行なう例を挙げたが、充電される側は無線機に限らず例えば音楽プレイヤやデジタルカメラへの非接触電力伝送を行なうようにしてもよい。
【０１６０】
また、図４３には、図１に示した高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示している。図示のシステムは、高周波結合器と表面波伝送線路を電力伝送と通信に兼用して使用するように構成されている。
【０１６１】
通信及び送電を行なうタイミングの切り替えは送信回路部から送られる通信・送（受）電切り替え信号によって行なう。例えば、通信と送電はあらかじめ決められた周期で切り替えを行なうようにしてもよい。このとき、充電の状態を通信信号に加えて充電器側にフィードバックすることで送電出力を最適に保つことができる。例えば、充電が完了したらその情報を充電器側に送り、送電の出力を０にするようにしてもよい。
【０１６２】
同図に示したシステムでは、充電器をＡＣ電源に接続するようにして構成されているが、他にも例えば、電池の少なくなった携帯電話に他の携帯電話から電力を分け与えるような用途に用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１６４】
本明細書では、ＵＷＢ信号を電界結合によりケーブルレスでデータ伝送する通信システムに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、ＵＷＢ通信方式以外の高周波信号を使用する通信システムや、比較的低い周波数信号を用いて電界結合によりデータ伝送を行なう通信システムに対しても、同様に本発明を適用することができる。
【０１６５】
また、本明細書では１組の高周波結合器間でデータ通信を行なうシステムに対して本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、２つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも当然にして可能である。
【０１６６】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る高周波結合器の構成例を示した図である。
【図２】図２は、スタブ１０３に定在波が発生している様子を示した図である。
【図３】図３は、スタブ１０３を結合用電極１０８の下で折り曲げた高周波結合器を示した図である。
【図４】図４は、スペーサ１０９を用いて結合用電極１０８を支持する様子を示した図である。
【図５】図５は、スペーサ１０９をプリント基板１０１の表面実装部品として構成した例を示した図である。
【図６】図６は、集中定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器を示した図である。
【図７】図７は、分布定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器を示した図である。
【図８】図８は、インピーダンス整合部を集中定数回路及び分布定数回路でそれぞれ構成した場合の高周波結合器の周波数特性の比較を示した図である。
【図９】図９は、図１に示した高周波結合器をプリント基板上で複数配置した様子を示した図である。
【図１０】図１０は、図４並びに図５に示した高周波結合器をプリント基板上で複数配置した様子を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る高周波結合器をプリント基板上に実装した配置例を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明に係る高周波結合器をプリント基板上に実装した配置例を示した図である。
【図１３】図１３は、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路で構成した高周波結合回路の等価回路を示した図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した高周波結合器を備えた送信機及び受信機で構成される通信システムの構成例を示した図である。
【図１５】図１５は、図１３に示した２つの高周波結合器を対向して配置することにより構成されるバンドパス・フィルタの等価回路を示した図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、結合用電極の中心に高周波伝送線路を接続した様子を示した図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、結合用電極の中心からオフセットのある位置に高周波伝送線路を接続し、結語用電極内に不均等な電流が流れる様子を示した図である。
【図１７】図１７は、ｋＨｚあるいはＭＨｚ帯の周波数を使った通信において、送信機及び受信機が電極のみからなる結合器を備え、結合部分が単純に平行平板コンデンサとして動作する構成例を示した図である。
【図１８】図１８は、ＧＨｚ帯の高周波を使った通信において、結合部におけるインピーダンス不整合部分において、信号が反射することにより伝搬損が生じる様子を示した図である。
【図１９】図１９は、図１３に示した高周波結合器の電極同士を向かい合わせて配置した様子を示した図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、図１３に示した高周波結合器の単体での特性を説明するための図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、図１３に示した高周波結合器の単体での特性を説明するための図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、インピーダンス変換器としての機能により高周波結合器が電界を誘起する様子を示した図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、インピーダンス変換器としての機能により高周波結合器が電界を誘起する様子を示した図である。
【図２２】図２２は、高周波結合器単体として構成されるインピーダンス変換回路の等価回路を示した図である。
【図２３】図２３は、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）ＥRを示した図である。
【図２４】図２４は、微小ダイポールによる電磁界を結合用電極上にマッピングした様子を示した図である。
【図２５】図２５は、並列インダクタ並びに直列インダクタを分布定数回路で構成した高周波結合器における寸法パラメータを示した図である。
【図２６】図２６は、送受信機の結合用電極間の距離を変化させながら、結合用電極１０８の取り付け位置Ｌ２毎の伝搬損の実測値を示した図である。
【図２７】図２７は、２つの高周波結合器を対向させて配置し、結合用電極間の距離を変えたときのＳパラメータ（反射特性：ＶＳＷＲ）の実測値を示した図である。
【図２８】図２８は、２つの高周波結合器を対向させて配置し、結合用電極間の距離を変えたときのＳパラメータ（伝搬損Ｓ21）の実測値を示した図である。
【図２９】図２９は、送信側の高周波結合器と受信側の高周波結合器は向きが同じ（すなわち０度）になるように置いたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21の実測値を示した図である。
【図３０】図３０は、送信側の高周波結合器と受信側の高周波結合器は向きが９０度になるように置いたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21の実測値を示した図である。
【図３１】図３１は、送受信間で直線偏波アンテナの向き同じ（すなわち０度）になるように置いたときの伝搬損Ｓ21の実測値を示した図である。
【図３２】図３２は、送受信間で直線偏波アンテナの向き９０度になるように置いたときの伝搬損Ｓ21の実測値を示した図である。
【図３３】図３３は、高周波結合器間と直線偏波アンテナ間（偏波の向きが同じとき）の送受信間距離と伝搬損Ｓ21の関係の実測値を示した図である。
【図３４】図３４は、図３３に示した測定結果から受信電力の平方根（すなわち電界強度）の対数を縦軸に、送受信間距離の対数を横軸にプロットし、それぞれの測定値を最小２乗法で１次近似した直線を示した図である。
【図３５】図３５は、高周波結合器の背面のグランドのサイズを変えたときの高周波結合器間の伝搬損Ｓ21の測定結果を示した図である。
【図３６】図３６は、アンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナの構成を模式的に示した図である。
【図３７】図３７は、高周波結合器の電極部分を板金加工によって製作する方法の一例を示した図である。
【図３８】図３８は、高周波結合器の電極部分を板金加工によって製作する方法の一例を示した図である。
【図３９】図３９は、高周波結合器の電極部分を板金加工によって製作する方法の一例を示した図である。
【図４０】図４０は、図３７に示した結合用電極をプリント基板の導体パターンとして形成されたスタブに取り付けた様子を示した図である。
【図４１】図４１は、信号線、共振部、及び結合用電極を同一基板上の配線パターンとして形成することによって製作された高周波結合器の構成例を示した図である。
【図４２】図４２は、図１に示した高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示した図である。
【図４３】図４３は、図１に示した高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示した図である。
【符号の説明】
【０１６８】
１０１…プリント基板
１０２…グランド
１０３…スタブ
１０４…信号線
１０５…送受信回路
１０６…スルーホール
１０７…金属線
１０８…結合用電極
１０９…スペーサ
１１０…スルーホール
１１１、１１２…導体パターン
【図２】
2008154198.tif 000006
【図８】
2008154198.tif 000007
【図１３】
2008154198.tif 000008
【図１５】
2008154198.tif 000009
【図１７】
2008154198.tif 000010
【図１８】
2008154198.tif 000011
【図１９】
2008154198.tif 000012
【図２０Ａ】
2008154198.tif 000013
【図２０Ｂ】
2008154198.tif 000014
【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
2008154198.tif 000016
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2008154198.tif 000019
【図２６】
2008154198.tif 000020
【図３３】
2008154198.tif 000021
【図３４】
2008154198.tif 000022
【図３５】
2008154198.tif 000023
【図４２】
2008154198.tif 000024
【図４３】
2008154198.tif 000025
【図１】
2008154198.tif 000026
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008154198.tif 000029
【図６】
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【図７】
2008154198.tif 000031
【図９】
2008154198.tif 000032
【図１０】
2008154198.tif 000033
【図１１】
2008154198.tif 000034
【図１２】
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【図１４】
2008154198.tif 000036
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図２５】
2008154198.tif 000039
【図２７】
2008154198.tif 000040
【図２８】
2008154198.tif 000041
【図２９】
2008154198.tif 000042
【図３０】
2008154198.tif 000043
【図３１】
2008154198.tif 000044
【図３２】
2008154198.tif 000045
【図３６】
2008154198.tif 000046
【図３７】
2008154198.tif 000047
【図３８】
2008154198.tif 000048
【図３９】
2008154198.tif 000049
【図４０】
2008154198.tif 000050
【図４１】
2008154198.tif 000051
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月8日(2008.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
データを伝送する高周波信号を生成する送信回路部と、該高周波信号を静電界若しくは誘導電界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
高周波結合器と、該高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する受信回路部を備えた受信機とで構成され、
前記送信機及び受信機の高周波結合器は、結合用電極と、分布定数回路からなり前記高周波信号が供給された際に発生する定在波の電圧振幅が大きくなる部位に前記結合用電極を取り付けた共振部を備え、
前記送信機及び受信機の対向する高周波結合器間における電界結合により前記の高周波信号を伝送することを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記の高周波信号は、超広帯域を使用するＵＷＢ信号である、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記共振部は、前記送信機及び受信機の高周波結合器間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタを構成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
データを伝送する高周波信号の処理を行なう通信回路部と、
超近距離を隔てて対向する通信相手との電界結合するための高周波結合器とを備え、
前記高周波結合器は、結合用電極と、分布定数回路からなり前記高周波信号が供給された際に発生する定在波の電圧振幅が大きくなる部位に前記結合用電極を取り付けた共振部を備え、
通信相手側の高周波結合器との間における電界結合により前記の高周波信号を伝送することを特徴とする通信装置。
【請求項５】
前記の高周波信号は、超広帯域を使用するＵＷＢ信号である、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項６】
前記共振部は、通信相手の高周波結合器との間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタを構成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項７】
前記高周波結合器は、データを伝送する高周波信号の処理を行なう前記通信回路部を構成する回路モジュールが搭載された印刷基板上に実装される、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項８】
前記分布定数回路は、前記印刷基板上に配設された導体パターンからなるスタブとして構成され、
前記印刷基板の他方の面にはグランドが形成され、前記スタブの先端部分は前記印刷基板内のスルーホールを介して前記グランドに接続される、
ことを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
【請求項９】
前記スタブは使用周波数の波長のほぼ２分の１の長さを持ち、前記結合用電極は前記スタブのほぼ中央の位置に配設される、
ことを特徴とする請求項８に記載の通信装置。
【請求項１０】
前記結合用電極は、絶縁体からなるスペーサの表面に蒸着された導体パターンからなり、前記スペーサを前記印刷基板上に搭載したときに、前記結合用電極の導体パターンは前記スペーサ内のスルーホールを介して前記スタブのほぼ中央の位置に接続される、
ことを特徴とする請求項８に記載の通信装置。
【請求項１１】
前記スタブは、前記スペーサを前記印刷基板上に実装した際の占有面積内に収まる折り畳み形状からなり、使用周波数の波長のほぼ２分の１の長さを持つ、
ことを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
【請求項１２】
前記スタブは、前記スペーサの他の表面に蒸着された導体パターンからなる、
ことを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
【請求項１３】
前記印刷基板上において、前記通信回路部に対し複数の高周波結合器が接続される、
ことを特徴とする請求項７に記載の通信装置。
【請求項１４】
各高周波結合器間をつなぐ信号線の長さは２分の１波長の整数倍である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
【請求項１５】
前記高周波結合器間により伝送された前記高周波信号を整流し、電力を生成する電力生成手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、電波通信では、アンテナは使用波長λの２分の１又は４分の１程度の大きさを持つ必要があることから、装置は必然的に大型化してしまう。これに対し、誘導電界や静電界を利用した超近距離通信システムでは、このような制約はない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
静電界や誘導電界を利用した従来のＲＦＩＤシステムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きであった。また、アンテナ・コイルによる誘導電界を用いて通信する方式の場合には、コイルの背面に金属板があると通信を行なうことができず、コイルを配置する平面上に大きな面積が必要となるなど、実装上の問題もある。また、伝送路における損失が大きく、信号の伝送効率がよくない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
これに対し、本発明者らは、高周波信号を電界結合で伝送すること、すなわち、静電界若しくは誘導電界を利用して上記のＵＷＢ通信信号を伝送する超近距離通信システムにより、無線局として免許取得が不要な微弱電界により、秘匿性を考慮した高速データ伝送を実現することができる、と考えている。静電界若しくは誘導電界を利用したＵＷＢ通信システムでは、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と本発明者らは考えている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
一方、静電界や誘導電界を利用した通信システムでは、通信相手が近くに存在しないときには、結合関係が生じない。また、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰する。すなわち、不要な電界が発生せず、且つ、電界が遠くまで到達しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合用電極は電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。しかしながら、従来のこの種の通信システムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きである。また、誘導電界を利用した通信方式の場合、コイルを配置する平面上に大きな面積が必要となるなど、実装上の問題もある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
また、静電界を利用してＵＷＢ通信信号を伝送する超近距離通信システムにおいてＤＳＳＳのような周波数拡散方式を適用する場合、高周波結合器の広帯域化を実現する必要がある。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
ここで、送信機側の結合用電極において発生する電磁界について考察してみる。図２３には、微小ダイポールによる電磁界を表している。また、図２４には、この電磁界を結合用電極上にマッピングしている。図示のように電磁界は、伝搬方向と垂直な方向に振動する電界成分（横波成分）Ｅθと、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）ＥRに大別される。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈφが発生する。下式は微小ダイポールによる電磁界を表しているが、任意の電流分布はこのような微小ダイポールの連続的な集まりとして考えられるので、それによって誘導される電磁界にも同様の性質がある（例えば、虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁、１９６１年２月２８日初版発行）を参照のこと）。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
上式から分るように、電界の横波成分は、距離に反比例する成分（放射電界）と、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）で構成される。また、電界の縦波成分は、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）のみで構成され、放射電界の成分を含まない。また、電界ＥRは、｜ｃｏｓθ｜＝１となる方向、すなわち図２３中の矢印方向で最大となる。