(57)【要約】【課題】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による電界結合を利用してＵＷＢなどの高周波信号を伝送する。【解決手段】共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれの金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続する。送受信回路部から信号線を介して入力される電流が共振用スタブの先端に向かって流れるには、一旦は片方の金属線を介して結合用電極に流れた後、他方の金属線を介して切断部以降の共振用スタブに流れ込む。すなわち、結合用電極を素通りして共振用スタブを流れる電流成分はなくなるので、高周波結合器の特性は改善される。【選択図】  図２３
2008312074.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の処理を行なう通信回路部と、
高周波信号を伝送する信号線を介して前記通信回路部に接続され、近距離を隔てて対向する通信相手と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と、前記共振部に対して前記結合用電極を支持する第１及び第２の金属線を備え、
通信相手側の高周波結合器との間における静電界若しくは誘導電界の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に記載の通信装置。
【請求項３】
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１に記載の通信装置。
【請求項４】
前記共振部としての分布定数回路は、前記信号線とともに誘電体基板上におけるマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路からなる共振用スタブとして形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項５】
前記共振部は、所定位置の切断部において分割された先端側となる第１の共振用スタブと、前記通信回路部の入力端側となる第２の共振部からなり、
前記第１の金属線は前記第１の共振用スタブに接続されるとともに、前記第２の金属線は前記第２の共振用スタブに接続される、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項６】
前記共振部は、所定位置の切断部において前記第１及び第２の金属線を介して前記結合用電極を配設したときに、前記結合用電極が配設された位置での電圧定在波の振幅が大きくなるような該所定位置の切断部で前記第１及び第２の共振用スタブに分割される、
ことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
【請求項７】
前記第１の共振用スタブの先端は開放端であり、
前記第１及び第２の金属線と結合用電極と前記第１及び第２の共振用スタブをあわせた全体の長さはおよそ共振周波数の位相長にして３６０度程度であり、且つ、ほぼ中央となる所定位置において第１及び第２の共振用スタブに分割する切断部を有し、該切断部において前記第１及び第２の金属線を介して前記結合用電極を配設する、
ことを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
【請求項８】
前記第１の共振用スタブの先端はグランドに接続された短絡端であり、
前記第１及び第２の金属線と結合用電極と前記第１及び第２の共振用スタブをあわせた全体の長さはおよそ共振周波数の位相長にして２７０度程度であり、且つ、前記第１の共振用スタブの短絡端から手前３分の１よりやや先端に近い位置となる所定位置において第１及び第２の共振用スタブに分割する切断部を有し、該切断部において前記第１及び第２の金属線を介して前記結合用電極を配設する、
ことを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
【請求項９】
前記第１及び前記第２の金属線に互いに逆向きとなる電流が流れるような位置に、前記結合用電極が配設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項１０】
前記結合用電極は１８０度回転対称な形状を備え、
前記第１及び第２の金属線は該回転軸に対して対称となる位置にて前記結合用電極を支持する、
ことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
【請求項１１】
高周波結合器からの反射波を抑えるための負荷抵抗をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項１２】
前記負荷抵抗は、前記信号線の前記高周波結合器への入力端、又は、前記高周波結合器内で定在波の電圧振幅が最大になる位置に接続される、
ことを特徴とする請求項１１に記載の通信装置。
【請求項１３】
前記信号線に対し複数の高周波結合器が並列接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項１４】
無負荷状態となる前記高周波結合器は開放端として扱われるように構成される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
【請求項１５】
第１の共振用スタブの先端は開放端であり、前記の各高周波結合器は無負荷状態でほぼ開放端として扱われる位置で前記信号線に接続される、
ことを特徴とする請求項１４に記載の通信装置。
【請求項１６】
前記高周波結合器に要求される伝搬損と比帯域に応じて前記共振用スタブの幅が調整されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の通信装置。
【請求項１７】
板金に打ち抜き加工を施して前記結合用電極となる部分及び前記第１及び第２の金属線となる部分を形成した後、前記第１及び第２の金属線となる部分に折り曲げ加工を施して前記結合用電極部分に対してほぼ垂直に屈曲した前記第１及び第２の金属線を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項１８】
板金に打ち抜き加工を施して前記結合用電極となる部分及び前記第１及び第２の金属線となる部分を形成した後、前記第１及び第２の金属線となる部分に折り曲げ加工を施して前記結合用電極部分に対してほぼ垂直に屈曲した前記第１及び第２の金属線を形成し、
前記第１及び第２の金属線を、誘電体基板上にマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路として形成された前記第１及び第２の共振用スタブにリフロー半田により取り付ける、
ことを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
【請求項１９】
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１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、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なう通信装置に係り、特に、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による電界結合を利用して、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なう通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この種のデータ交換では、送受信する通信装置同士は比較的近距離に配置されていることが想定される。日本国内の電波法の下では、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、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。
【０００４】
しかしながら、ＩＥＥＥ８０２．１１に代表される無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信といった、従来の無線通信システムの多くは、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電波通信方式であり、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。
【０００５】
電波通信方式の無線通信システムでは、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。
【０００６】
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。
【０００７】
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非接触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、電界結合方式や磁界結合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乗に反比例して急峻に減衰することから、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、通信相手が近くに存在しないときには結合関係が生じず、電界が放射されないことから、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、静電界や誘導電界による電界結合を利用した非接触・超近距離通信は微弱無線の実現に適していると言える。
【０００８】
電界結合などを利用した非接触通信システムは、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、非接触通信システムでは、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。
【０００９】
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、誘導電界や静電界による電界結合を利用した非接触通信システムでは、このような制約はない。
【００１０】
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）。
【００１１】
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な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）。
【００１２】
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）。
【００１３】
ここで、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。
【００１４】
これに対し、本発明者らは、広帯域化した高周波信号を電界結合によって伝搬することにより、高速データ伝送が可能な非接触通信システムを実現することができる、と考えている。このように高速化を図った非接触通信システムにおいても、勿論、微弱電界であるため無線局として免許取得が不要であるとともに、秘匿性が充分保証される。
【００１５】
電波通信方式では、広帯域化による大容量データ伝送を実現する無線通信技術として「ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）」が知られている。ＵＷＢ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程度のデータ伝送容量を持つとされている。ちなみに電波通信による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。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明者らは、このＵＷＢローバンドを電界結合などによる非接触通信システムに適用することによって、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いて、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、と考えられる。
【００１８】
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。
【００１９】
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込む必要がある。
【００２０】
また、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（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：直接シーケンス・スペクトラム拡散）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電界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。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、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。
【００２１】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、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による電界結合を利用して、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することにある。
【００２４】
本発明のさらなる目的は、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による電界結合を利用してＵＷＢなどの高周波信号を伝送することができる、優れた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】
【００２５】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、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、
高周波信号を伝送する信号線を介して前記通信回路部に接続され、近距離を隔てて対向する通信相手と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と、前記共振部に対して前記結合用電極を支持する第１及び第２の金属線を備え、
通信相手側の高周波結合器との間における静電界若しくは誘導電界の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である。
【００２６】
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、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。
【００２７】
これに対し、静電界や誘導電界などによる電界結合を利用した、データを伝送するＵＷＢなどの高周波信号を生成する送信機と、高周波信号を受信処理する受信機で構成される非接触通信システムでは、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、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。よって、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などの高周波信号を用いた広帯域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。
【００２８】
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電界結合により伝送させるときには、伝搬損を十分に低く抑え込む必要がある。
【００２９】
そこで、高周波信号を用いた電界結合型の非接触通信システムでは、送信機及び受信機の高周波結合器は、共振部やインピーダンス整合部を備えている。互いの共振部によって電界結合を強くするとともに、インピーダンス整合部は、送信機と受信機の電極間すなわち結合部分において、インピーダンスの整合をとり、反射波を抑えることができる。すなわち、送信機及び受信機の１対の高周波結合器は、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。
【００３０】
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。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。
【００３１】
そこで、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備えるが、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ことができる。
【００３２】
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。このような場合、共振部としての分布定数回路は、通信回路部から出力される信号線とともに、いわゆるプリント基板などの誘電体基板上におけるマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路のスタブとして形成することができる。
【００３３】
なお、高周波結合器を搭載するプリント基板の他方の面にはグランドが形成されるが、前記スタブの先端部分は、開放端であっても、あるい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して短絡端にしてもよい。
【００３４】
高周波結合器は、分布定数回路としてのスタブ上に結合用電極を取り付けることにより構成される。結合用電極を１本の金属線で支持すると機械的強度が低いので、絶縁性のスペーサで支持するとよいが、この場合は部品コストや重量が増すとともに、スペーサによる誘電損のために高周波結合器の伝搬損が悪化するという問題がある。これに対し、複数本の金属線で結合用電極を支持するようにすると、機械的強度は増すが、共振用スタブに入力された電流が結合用電極に流れ込みにくくなるため、高周波結合器の電気的特性はむしろ劣化してしまう。
【００３５】
そこで、本発明では、共振用スタブを、先端側の第１の共振用スタブと入力端側の第２の共振用スタブの２つに切断し、結合用電極を支持する前後それぞれ２本の金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するという構成を採用して、結合用電極に流れずに共振用スタブ上を素通りする電流を抑制するようにした。このような場合、送受信回路部から入力される電流が共振用スタブの先端に向かって流れるには、一旦は片方の金属線を介して結合用電極に流れた後、他方の金属線を介して切断部以降の共振用スタブに流れ込むことになる。すなわち、結合用電極を素通りして共振用スタブを流れる電流成分はなくなるので、共振用スタブに入力される電流の量を大きくすれば、高周波結合器の特性は改善される。
【００３６】
ここで、信号線を介して送受信回路から入力された信号は、共振用スタブの先端部で反射し、共振用スタブ内には定在波が立つことになる。そして、電圧定在波の振幅が大きい位置（すなわち、電圧定在波の「腹」の位置）に、金属線を介して結合用電極を接続することで、高周波結合器の電気的特性を良好にすることができる。
【００３７】
ここで、第１の共振用スタブの先端部分は開放端又は短絡端のいずれであってもよいが、開放端又は短絡端のいずれにするかによって定在波の立ち方は異なり、電圧定在波の振幅が大きい位置、すなわち結合用電極を取り付ける適切な位置は相違する。
【００３８】
第１の共振用スタブを開放端にした場合には、共振用スタブと金属線と結合用電極を含めた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして３６０度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなるので、ほぼ中央において共振用スタブを第１及び第２の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を２本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。
【００３９】
他方、第１の共振用スタブを短絡端にした場合には、共振用スタブと金属線と結合用電極を含めた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして２７０度程度とすると、第１の共振用スタブの先端から手前３分の１の位置（若しくは入力端から３分の２の位置）にて電圧定在波の振幅が大きくなるので、当該位置において共振用スタブを第１及び第２の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を２本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。実際には、金属線、及び結合用電極内部での位相遷移を考慮すると、前記第１の共振用スタブの短絡端から手前３分の１よりやや先端に近い位置となる所定位置において第１及び第２の共振用スタブに分割する切断部を設けることが好ましい。
【００４０】
また、１本の金属線で結合用電極を支持する場合には、この金属線を電流が流れることによって不要な電波が発生することが懸念される。これに対し、２本の金属線で結合用電極を支持する場合には、それぞれの金属線には互いに逆向きとなる電流が流れるような位置に結合用電極を設置すれば、電流が互いに打ち消し合って不要な電波の放射を低減することができる。
【００４１】
高周波信号を伝送する高周波結合器は、理想的に設計されていれば、通信相手と結合状態にあるときには不要な電波の発生を抑え、外来電波の受信を行なわないようにすることができる。しかしながら、また、通信相手と結合関係にない無負荷状態では高インピーダンスとなるため、終端となる結合用電極において反射波が発生し、回路内に定在波が発生するという問題がある。かかる定在波により、信号線やグランドがアンテナのように動作して不要な電波を放射すると、外部の電子機器に影響を与えるおそれがある。
【００４２】
そこで、本発明に係る通信装置は、無負荷状態でのインピーダンスが大きく開放端と同様にみなすことができるような高周波結合器と、無負荷状態で発生する高周波結合器の終端からの反射波を抑えるための負荷抵抗を備え、結果的に送受信回路側から見て高周波結合器側のインピーダンス整合が取れているように構成してもよい。
【００４３】
このような場合、高周波結合器同士が近接した位置にない無負荷状態であっても、送受信回路側から見てインピーダンス整合がとれ、終端の電極において反射波が発生しないので、回路内に定在波が立つのを抑えることができる。この結果、不要な電波の放射を抑えて外部の電子機器に与える影響も少ない。また、ＲＦフィルタなどが正常に動作して、信号の歪みやスプリアスの発生を防ぐことができる。
【００４４】
なお、負荷抵抗は、共振用スタブの入力端など定在波の電圧振幅が最大になる位置に接続することが好ましい。
【００４５】
また、送受信機間で電界結合を柔軟に生じさせるための設計論の１つとして、単一の送受信機に複数の高周波結合器を配置するという構成が考えられる。例えば、送受信回路部に接続される１本の信号線に対し複数の高周波結合器を並列接続することができる。このとき、無負荷の高周波結合器が開放端として扱われるように構成すること、言い換えれば、無負荷時の電圧定在波が大きくなる位置で各高周波結合器が分岐するように接続することが最も効率的である。そのためには、第１の共振用スタブの先端を開放端とした場合、先端からの長さがおよそ共振周波数の２分の１波長の整数倍となる位置で信号線に接続されるように構成するとよい。
【００４６】
本発明に係る高周波結合器は、共振用スタブの幅によって伝搬損や比帯域を制御することができる。具体的には、スタブ幅が大きいとき損失が少ない。また、スタブ幅が小さいほど比帯域が広くなる。
【００４７】
また、本発明に係る高周波結合器の結合用電極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。板金は、例えば表面を金メッキしたりん青銅板などを用いることができる。具体的には、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ための２本の金属線となる部分を形成する。続いて、折り曲げ加工を施して、結合用電極部分に対し金属線となる脚部をほぼ垂直に屈曲させて所望の高さを形成する。そして、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第１及び第２の共振用スタブの切断部を２本の脚部でまたぐように位置決めし、治具などで固定してから、リフロー半田などにより取り付ければよい。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、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による電界結合を利用した高周波信号伝送によって、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することができる。
【００５０】
本発明に係る通信装置は、結合用電極と、通信相手との電界結合を強くするための共振部と、通信相手側とのインピーダンスの整合をとって結合部分における反射波を抑制するインピーダンス整合部からなる高周波結合器を備え、通信相手側の高周波結合との静電界又は誘導電界による電界結合を用いてデータ伝送を行なうことができる。
【００５１】
高周波結合器の共振部は、プリント基板上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路など共振用スタブで形成され、分布定数回路として作用することによって、広帯域化を実現することができる。また、共振用スタブを適当な位置で切断し、この切断部をまたぐような２本の金属線で結合用電極を支持するようにして、１本の金属線で支持する場合よりも機械的強度を増すことができる。また、２本の金属線で支持することによって共振用スタブから結合用電極へ流れる電流を増すので、通信効率を向上させることができ、金属線１本で支持する場合と比較しても伝搬損は悪化しない。
【００５２】
支持する金属線を２本とした結合用電極は、例えば板金加工によって２本の金属線と一体形成し、それをプリント基板上にリフロー半田などにより表面実装することで、機械的強度が増す。結合用電極を支持するための絶縁性のスペーサが不要となるので、部品コストや重量が軽減されるとともに、誘電損失による伝搬損が生じないことから、高周波結合器としての特性は優れている。
【００５３】
また、２本の金属線に互いに逆向きの電流が流れるように結合用電極を配置すれば、２本の金属線に流れる電流が互いに打ち消し合い、横方向への不要電波の放射を低減することができる。
【００５４】
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】
【００５５】
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。
【００５６】
本発明は、静電界や誘導電界の電界結合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。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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。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。
【００６１】
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。静電界や誘導電界などの電界結合を利用した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。
【００６２】
図１には、静電界若しくは誘導電界による電界結合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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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２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３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。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。
【００６７】
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４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５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。
【００６８】
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６Ａ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６Ｂ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。
【００６９】
但し、図６Ｂ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６Ａ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。
【００７０】
図７Ａ及び図７Ｂ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７Ａ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。
【００７１】
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。
【００７２】
（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。
【００７３】
図５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８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。
【００７４】
【数１】
2008312074.tif 000003
【００７５】
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９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。
【００７６】
【数２】
2008312074.tif 000004
【００７７】
このように、図１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４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。
【００７８】
図５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。
【００７９】
したがって、図１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５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。
【００８０】
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１０には、微小ダイポールによる電磁界を表している。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）。
【００８１】
【数３】
2008312074.tif 000005
【００８２】
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１０中の矢印方向で最大となる。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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、電極の中心位置にできるだけ近い位置に給電点を設け、ＥR成分が最大となるようにしているのである。
【００８７】
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く、また不要な電波が周辺の電子機器に及ぼす悪影響が懸念される。これに対し、図４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。また、結合用電極の近傍に磁性損失材からなる電波吸収体を用いることで、近距離における送受信機間の電界結合を安定化させたまま、不要な電波の放射や外来の妨害電波の影響を抑える。
【００８８】
図４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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
既に述べたように、図４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。
【００９２】
そこで、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。図１１には、インピーダンス整合部や共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示している。
【００９３】
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作用するマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路すなわちスタブ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。
【００９４】
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。
【００９５】
信号線を介して送受信回路から入力された信号は、スタブ１０３の先端部で反射し、スタブ１０３内には定在波が立つことになる。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には、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１２を参照のこと）。定在波の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。
【００９６】
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上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路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、図１に示した通信システムに対してＤＳＳＳやＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）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上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路であり、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。
【００９７】
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。
【００９８】
図１３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１４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１５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１４、図１５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１３に示されている。
【００９９】
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１４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１５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。
【０１００】
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）。
【０１０１】
また、電波通信の分野では、図１７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４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。
【０１０２】
図１７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１７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。
【０１０３】
高周波結合器の実際の構成例について、図１８〜図２０を参照しながら説明する。図１８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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
例えば、図１９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。
【０１０６】
また、図２０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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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マイクロストリップライン又はコプレーナ導波路などの導体パターン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。
【０１０９】
なお、図２０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上にマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路として形成され、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。
【０１１０】
図１９及び図２０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。
【０１１１】
図１８に示した高周波結合器では、結合用電極をそのほぼ中心で１本の金属線により支持している構造であり、機械的強度が充分でない、という問題がある。これに対し、図１９又は図２０に示した高周波結合器では、結合用電極を固定し、機械的強度を増すために結合用電極と共振用スタブが設けられたプリント基板の間には誘電体からなるスペーサが配設されている。後者の高周波結合器においても、共振用スタブは、先端を短絡した、共振周波数の波長λに対しほぼ２分の１の長さの「ショートスタブ」からなり、そのほぼ中央で金属線を介して結合用電極が接続されている。
【０１１２】
しかしながら、図１９又は図２０に示した高周波結合器では、スペーサを配置することにより部品コストが増大するとともに、装置重量が増してしまう。また、スペーサ内部での誘電損失により伝搬損が悪化する、という問題を招来する（誘電体は、誘電性をもたらすダイポールが高周波電界の変化により生じる遅れ、若しくは、電界と同相の電流が流れ電磁波のエネルギを熱に変換することによって誘電損を与え、その際に電界の発生が抑制される）。
【０１１３】
一方、スペーサを配置しない構成では、誘電損失による電気特性の悪化が生じないことから、高周波結合器としての特性は優れているが、図１８に示したように金属線１本で結合用電極を支持するという構造のままでは機械的強度が充分ではなく、量産には向かない。
【０１１４】
そこで、本発明者らは、共振用スタブ上に結合用電極を支持する金属線を複数本にすることで、スペーサなしでも充分な機械的強度を確保するとともに、スペーサが介在しないことにより電気特性が悪化する要因を取り除くようにした。
【０１１５】
ここで、金属線１本で結合用電極を共振用スタブに接続した場合と金属線２本で結合用電極を支持した場合とで、電気的特性の相違について考察してみる。図２１には、結合用電極が誘電体からなるスペーサで支持されるとともに、このスペーサのスルーホールを貫挿する１本の金属線で結合用電極が共振用スタブに接続された高周波結合器の断面構成を示している。また、図２２には、共振用スタブ上で２本の金属線により結合用電極が支持されている高周波結合器の断面構成を示している。
【０１１６】
送受信回路部から信号線を介して入力される電流は、共振用スタブ及びその先端のスルーホールを介してグランドに向かって流れるが、その際に、より多くの電流が金属線を介して結合用電極側に流れ込むと、高周波結合器の送信信号強度が増すと考えられる。実験の結果、図２１において共振用スタブから１本の金属線を介して結合用電極に流れ込む電流（同図中の矢印(1)及び(2)）よりも、図２２において共振用スタブから２本の金属線を介して結合用電極に流れ込む電流（同図中の矢印(4)及び(5)）の方が小さくなることが分かった。これは、結合用電極を共振用スタブに接続する金属線を２本にすることで、結合用電極に流れ込むことなく、共振用スタブ上を素通りする電流（図２２中の矢印(6)）は、金属線が１本のときに共振用スタブ上を素通りする電流（図２２中の矢印(3)）よりも増加するためであり、その結果、結合用電極側に電流は流れ難くなり高周波結合器の効率が悪化する。
【０１１７】
そこで、図２３に示すように、結合用電極に流れずに共振用スタブ上を素通りする電流を抑制するために、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれの金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するようにした。以下では、切断した共振用スタブの先端側を「第１の共振用スタブ」と呼び、他方の信号線の入力端側を「第２の共振用スタブ」と呼ぶことにする。
【０１１８】
図２３に示すような構成によれば、送受信回路部から信号線を介して入力される電流が共振用スタブの先端に向かって流れるには、同図中の矢印(7)に示すように一旦は片方の金属線を介して結合用電極に流れた後、同図中の矢印(8)に示すように他方の金属線を介して切断部以降の共振用スタブに流れ込むことになる。すなわち、図２２の矢印(6)に示したように結合用電極を素通りして共振用スタブを流れる電流成分はなくなるので、図２３中の矢印(7)及び(8)に示した電流の量を大きくすれば、高周波結合器の特性は改善される。
【０１１９】
続いて、結合用電極の取り付け位置、若しくは共振用スタブの切断位置について考察してみる。
【０１２０】
信号線を介して送受信回路から入力された信号は、共振用スタブの先端部で反射し、共振用スタブ内には定在波が立つことになる。図１２を参照しながら既に説明したように、結合用電極を接続しない状態で電圧定在波の振幅が大きい位置（すなわち、電圧定在波の「腹」の位置）に、金属線を介して結合用電極を接続することで、高周波結合器の電気的特性を良好にすることができる。
【０１２１】
上述したように、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれ２本の金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するという構成からなる高周波結合器においても、同様に、電圧定在波の振幅が大きい位置の付近に結合用電極が配置されることが望ましい。
【０１２２】
ここで、高周波結合器を搭載するプリント基板の他方の面にはグランドが形成されている。共振用スタブの先端部分は、開放端であっても、あるいはプリント基板内のスルーホールを介してグランドに接続して短絡端にしてもよい。但し、共振用スタブの先端部分すなわち第１の共振用スタブを開放端又は短絡端のいずれにするかによって定在波の立ち方は異なり、電圧定在波の振幅が大きい位置、すなわち結合用電極を取り付ける適切な位置は相違する。
【０１２３】
図２４には、第１の共振用スタブを開放端にした場合における、共振用スタブ内部の電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示している。この場合、図示の通り、第１の共振用スタブ側の開放端及び第２の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ／４だけ位相差を持つ。したがって、図示のように共振用スタブと金属線と結合用電極を合わせた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして３６０度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなるので、ほぼ中央において共振用スタブを第１及び第２の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を２本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。
【０１２４】
また、図２５には、第１の共振用スタブを短絡端にした場合における、共振用スタブ内部の電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示している。この場合、図示の通り、第１の共振用スタブ側の短絡端において電圧定在波の振幅が０になるとともに、第２の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ／４だけ位相差を持つ。したがって、図示のように共振用スタブと金属線と結合用電極を合わせた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして２７０度程度とすると、第１の共振用スタブの先端から手前３分の１の位置（若しくは入力端から３分の２の位置）にて電圧定在波の振幅が大きくなるので、当該位置において共振用スタブを第１及び第２の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を２本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。実際には、金属線、及び結合用電極内部での位相遷移を考慮すると、前記第１の共振用スタブの短絡端から手前３分の１よりやや先端に近い位置となる所定位置において第１及び第２の共振用スタブに分割する切断部を設けることが好ましい。
【０１２５】
図２４並びに図２５のどちらの構成であっても、結合用電極上の電荷の量は大きな値となり高周波結合器の電気的特性は良好な値を示す、ということを充分に理解されたい。
【０１２６】
また、１本の金属線で結合用電極を支持する場合には、この金属線を電流が流れることによって不要な電波が発生することが懸念される。これに対し、２本の金属線で結合用電極を支持する場合には、それぞれの金属線には互いに逆向きとなる電流が流れるような位置に結合用電極を設置すれば、電流が互いに打ち消し合って不要な電波の放射を低減することができる。
【０１２７】
上述したような静電界や誘導電界によって結合する電界結合型の非接触通信システムでは、高周波結合器が理想的に設計されていれば、通信相手と結合状態にあるときには不要な電波の発生を抑え、外来電波の受信を行なわないようにすることができる。しかしながら、高周波結合器は、通信相手と結合関係にない無負荷状態では高インピーダンスとなるため、終端となる結合用電極において反射波が発生し、回路内に定在波が発生するという問題がある。かかる定在波により、信号線やグランドがアンテナのように動作すると、不要な電波を放射して、外部の電子機器に影響を与えるおそれがある。
【０１２８】
図１１には、インピーダンス整合部及び共振部をスタブで形成して広帯域化を図った高周波結合器を示した。この高周波結合器は、負荷状態すなわち通信相手側の高周波結合器が近接した位置にあるときは、上述したようにインピーダンス整合が取れており、送信信号を効率的に放射する。これに対し、無負荷状態、すなわち通信相手側の高周波結合器が近接した位置に存在しないときには、高周波結合器の入り口部分（図１１中の点Ａで示す、スタブとなるパターンの開始点）は高インピーダンス状態となることから、回路部から流入した送信信号はこの入り口部分で反射し、送信回路側に戻ることになる。
【０１２９】
図２６に示すように、回路中に進行する波と逆方向に反射する波が同時に存在するとき、定在波が発生する。一般に、定在波は不要な電波ノイズの発生源になることが知られている。また、送受信回路中のＲＦフィルタ（図示しない）などは、通常、入力・出力側がともに５０Ωになっている状態、すなわちインピーダンス整合がとれて反射波がない状態で性能を発揮できるように設計されているものの、反射波があると正常な動作が妨げられ、スプリアスが発生したり、信号が歪んだりしてしまうという影響がある。
【０１３０】
そこで、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構成して広帯域化を図ることに加えて、高周波結合器は無負荷状態でのインピーダンスが大きく開放端と同様にみなすことができるようにするとともに、無負荷状態で発生する高周波結合器の終端からの反射波を抑えるための負荷抵抗を備え、結果的に送受信回路側から見て高周波結合器側のインピーダンス整合が取れているように構成することができる。
【０１３１】
このような場合、高周波結合器同士が近接した位置にない無負荷状態であっても、送受信回路側から見てインピーダンス整合がとれ、終端の電極において反射波が発生しないので、回路内に定在波が立つのを抑えることができる。この結果、不要な電波の放射を抑えて外部の電子機器に与える影響も少ない。また、ＲＦフィルタなどが正常に動作して、信号の歪みやスプリアスが発生することを抑制することができる。
【０１３２】
図２７には、入力端に負荷抵抗が接続された高周波結合器の等価回路の構成を示している。図示のように高周波結合器の入力端に負荷抵抗を接続した場合、通信相手側の高周波結合器が近接した位置にないときには、終端部では単に負荷抵抗を介して接地されているだけとなり、信号線を介して流入される信号は負荷抵抗によって消費されるので、反射波を発生しない。このとき、送受信回路側から見ると、高周波結合器は５０Ωにマッチングが取れた状態になることから、送信信号は高周波結合器で反射されることがなくなり、回路中の定在波から不要な電波が発生してＲＦフィルタなどの特性が設計からずれてしまうのを防ぐことができる。
【０１３３】
また、図２８には、上述したような先端側の第１の共振用スタブと入力端側の第２の共振用スタブの２つに切断するとともに、結合用電極を支持する２本の金属線でこの切断部をまたぐよう結合用電極が取り付けられた高周波結合器の入力端に負荷抵抗が取り付けられた様子を示している。
【０１３４】
図示の例では、共振用スタブは開放端であり、第１の共振用スタブ側の開放端及び第２の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ／４だけ位相差を持つ。そして、共振用スタブ全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして３６０度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなる。通信相手が近くに存在しないときには、高周波結合器内で反射した信号は、負荷抵抗で消費され、それ以降の回路に影響を与えない。負荷抵抗は、共振用スタブの入力端など電圧振幅が最大になる位置に接続することが好ましい。
【０１３５】
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、結合用電極同士で電界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るが、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。この種の問題に対する解決方法として、単一の送受信機に複数の高周波結合器を配置するという構成が考えられる。
【０１３６】
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例えば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。
【０１３７】
図２９には、送受信回路部に接続される１本の信号線に対し複数（図示の例では２個）の高周波結合器を並列接続した例を示している。このとき、無負荷の高周波結合器が開放端として扱われるように構成すること、言い換えれば、無負荷時の電圧定在波の振幅が大きくなる位置で各高周波結合器が分岐するように接続することが最も効率的である。そのためには、同図に示すように、第１の共振用スタブの先端を開放端とした場合、先端からの長さがおよそ共振周波数の２分の１波長の整数倍となる位置で信号線に接続されるように構成するとよい。
【０１３８】
図２４又は図２５に示したような高周波結合器は、共振用スタブの幅によって伝搬損や比帯域を制御することができる。すなわち、第２の共振用スタブが信号線と接続される位置で電圧振幅が最大になるようにするのと同時に、共振用スタブの幅（すなわち共振用スタブのインピーダンス）を変えることで、共振用スタブによるインピーダンス変換が行なわれ、結合用電極に流れる電流の量を制御することができる。ここで、図２４に示したような、第１の共振用スタブが開放端として構成される高周波結合器同士を、図３０に示すように対向して配置したときの伝搬損と比帯域を測定してみた。
【０１３９】
ここで、伝搬損とは、一方の高周波結合器をネットワーク・アナライザのポート１に接続するとともに、他方の高周波結合器をポート２に接続したときの挿入損、すなわちＳパラメータ（Ｓ21）の値のことである。また、比帯域とは、共振周波数での伝搬損Ｓ21の値に対してＳ21の値の低下量が３ｄＢ以内となる周波数範囲の共振周波数に対する割合のことを言う。測定は、結合用電極間距離が２０ｍｍ、各高周波結合器の結合用電極の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍ、高さが３ｍｍ、第１の共振用スタブと第２の共振用スタブの長さはそれぞれ１６ｍｍ、基板の誘電率は３．４、厚さは０．８ｍｍという条件下で、第１及び第２の共振用スタブの幅を変えて行なった。
【０１４０】
図３１Ａ及び図３１Ｂには、このときの伝搬損並びに比帯域の測定結果をそれぞれ示している。各図から、スタブ幅が大きいとき損失が少ない。また、スタブ幅が小さいほど比帯域が広くなる、ということが判る。
【０１４１】
また、高周波結合器の結合用電極を、例えば板金加工によって２本の金属線と一体形成することで、簡易且つ安価に製作することができる。板金は、例えば表面を金鍍金したリン青銅板などを用いることができる。図３２並びに図３３には、その製作方法を図解している。
【０１４２】
各図において、リン青銅板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ための２本の金属線となる部分を形成する。
【０１４３】
続いて、打ち抜き後の板金に対して折り曲げ加工を施して、結合用電極部分に対し金属線となる脚部をほぼ垂直に屈曲させて所望の高さを形成する。ここで言う所望の高さとは、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。
【０１４４】
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第１及び第２の共振用スタブの切断部を２本の脚部でまたぐように位置決めし、治具（図示しない）などで固定してから、リフロー半田などにより取り付ければよい。図３４には、図３２に示した結合用電極を、プリント基板上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路として形成された共振用スタブに取り付けた様子を示している。
【０１４５】
なお、図３４には送受信回路部を描いていないが、同じ基板上に設けても良いし、あるいは高周波コネクタや同軸ケーブルを介して別の基板に構成して、無線機の最適な位置にそれぞれ離して置くようにしても良い。
【０１４６】
これまでは、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。
【０１４７】
図３５には、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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することを抑えることができる。
【０１５０】
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。
【０１５１】
また、図３６には、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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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】
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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】
【０１５８】
【図１】図１は、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した非接触通信システムの構成例を示した図である。
【図２】図２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３】図３には、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４】図４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５】図５は、図４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６Ａ】図６Ａは、図４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６Ｂ】図６Ｂは、図４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７Ａ】図７Ａ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７Ｂ】図７Ｂ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８】図８は、図４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９】図９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１０】図１０は、微小ダイポールによる電磁界を表した図である。
【図１１】図１１は、インピーダンス整合部や共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示した図である。
【図１２】図１２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１３】図１３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１４】図１４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１５】図１５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、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」のアンテナの構成例を示した図である。
【図１８】図１８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１９】図１９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２０】図２０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２１】図２１は、結合用電極が誘電体からなるスペーサで支持されるとともに、このスペーサのスルーホールを貫挿する１本の金属線で結合用電極が共振用スタブに接続された高周波結合器の断面構成を示した図である。
【図２２】図２２は、共振用スタブ上で２本の金属線により結合用電極が支持されている高周波結合器の断面構成を示した図である。
【図２３】図２３は、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれの金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続した高周波結合器の断面構成を示した図である。
【図２４】図２４は、第１の共振用スタブを開放端にした場合の、電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示した図である。
【図２５】図２５は、第１の共振用スタブを短絡端にした場合の、電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示した図である。
【図２６】図２６は、回路中に進行する波と逆方向に反射する波が同時に存在して定在波が発生する様子を示した図である。
【図２７】図２７は、入力端に負荷抵抗が接続された高周波結合器の等価回路の構成を示した図である。
【図２８】図２８は、先端側の第１の共振用スタブと入力端側の第２の共振用スタブの２つに切断するとともに、結合用電極を支持する２本の金属線でこの切断部をまたぐよう結合用電極が取り付けられた高周波結合器の入力端に負荷抵抗が取り付けられた様子を示した図である。
【図２９】図２９は、送受信回路部に接続される１本の信号線に対し複数の高周波結合器を並列接続した例を示した図である。
【図３０】図３０は、図２４に示した高周波結合器同士を対向して配置した様子を示した図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは、図３０に示すように２つの高周波結合器を対向して配置したときに測定した伝搬損を示した図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、図３０に示すように２つの高周波結合器を対向して配置したときに測定した比帯域を示した図である。
【図３２】図３２は、板金加工によって製作される結合用電極の一例を示した図である。
【図３３】図３３は、板金加工によって製作される結合用電極の一例を示した図である。
【図３４】図３４は、図３２に示した結合用電極を、プリント基板上の共振用スタブに取り付けた様子を示した図である。
【図３５】図３５は、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３６】図３６は、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】
【０１５９】
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…マイクロストリップライン又はコプレーナ導波路
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2008312074.tif 000012
【図７Ｂ】
2008312074.tif 000013
【図８】
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【図９】
2008312074.tif 000015
【図１０】
2008312074.tif 000016
【図１２】
2008312074.tif 000017
【図１３】
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【図２６】
2008312074.tif 000019
【図２７】
2008312074.tif 000020
【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図１】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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