(57)【要約】【課題】構造的不安定を解消して変形を防止した、カプラを提供する。【解決手段】至近距離の通信機どうしで無線によるデータ送信を行う通信システムに用いられるカプラ１であって、コネクタ５を有する基板２と、基板２のコネクタ５に電気的に接続する電極３と、を備えてなる。電極３は、基端側が基板２に電気的に接続して電荷の経路となる脚部６と、脚部６の先端側に設けられて電荷を溜める結合電極部７と、を有する。結合電極部７は、その外周部が枠体４によって保持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コネクタを有する基板と、前記基板の前記コネクタに電気的に接続する電極と、を備えてなり、
前記電極は、基端側が前記基板に電気的に接続して電荷の経路となる脚部と、該脚部の先端側に設けられて電荷を溜める結合電極部と、を有し、
前記結合電極部は、その外周部が枠体によって保持されていることを特徴とするカプラ。
【請求項２】
前記脚部は、相対向して設けられた一対の脚片を有してなり、前記結合電極部は、前記脚片が相対向する方向と交差する方向に、前記脚部を挟んでその両側に一対設けられていることを特徴とする請求項１記載のカプラ。
【請求項３】
前記枠体と前記基板との一方には嵌合凸部が形成され、かつ他方には嵌合凹部が形成され、これら嵌合凸部と嵌合凹部とが嵌合していることを特徴とする請求項１又は２に記載のカプラ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のカプラと、
前記カプラを収容し保持するシールド容器と、を備えてなり、
前記シールド容器は、底板と該底板の側縁部から立ち上がって設けられた側板とを有して、前記カプラの基板の底面側を前記底板上に保持していることを特徴とするカプラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、至近距離の通信機どうしで無線によるデータ送信を行う通信システムに用いられる、カプラ及びカプラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などの非接触若しくは近接無線による通信システムが広範に普及しており、例えば非接触ＩＣカードによる乗車券や定期券、コンビニエンスストアでの支払いなど、その利用範囲が拡大している。ＲＦＩＤシステムなどで利用される近接無線通信方法には、静電結合方式、電磁誘導方式、電波通信方式などが挙げられる。また、近接無線伝送は、伝送距離に応じて、密着型（０〜２ｍｍ以下）、近接型（０〜１０ｃｍ以下）、近傍型（０〜７０ｃｍ以下）の３種類に分類することができる。
【０００３】
これら近接無線通信は、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）が所定レベル以下となる微弱無線が可能であるため、無線局の免許を受ける必要がなく、また、伝送データを傍受する不正な機器が介在する余地がないため、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。
【０００４】
ところで、このような近接無線通信システムは、一般に、無線通信機を近づける（例えばＩＣカードなどのトランスポンダをリーダライタに接近させる）という動作をトリガとして、通信を開始する。しかし、アンテナを用いた電波通信では、放射電界の電界強度が距離に反比例して比較的緩やかに変化するので、無線通信機が「近接している」のか「近接していない」のかの判断が曖昧になり、ユーザの意図に反して通信状態に移行したり、あるいは逆に通信したくて近接させたにも拘らず必要な電界強度が得られず、通信状態に移行できなかったりすることがある。また、アンテナは、デバイスの製造ばらつき、特に受信感度のばらつきによる影響が大きいことから、通信機の組み合わせなどによってはトリガがかかる距離が変わり、安定した通信動作を確保することができないといった問題もある。
【０００５】
このような背景のもとに、近年、至近距離の通信機どうしで高周波・広帯域信号を用いて高速な近接無線通信を行なうことができる、通信システム並びに通信装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
この通信システムは、誘導結合方式により近接無線通信を行うリーダライタ及びトランスポンダで構成され、リーダライタが、第１の電極を含んだ電界カプラと、第１の電極に対し無変調キャリアの信号を印加する手段と、第１の電極に現れた受信信号を読み取ってデータを復調する受信手段を備えており、トランスポンダが、第２の電極を含んだ電界カプラと、第２の電極の負荷インピーダンスを切り替える負荷インピーダンス切替手段を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３５６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１の通信システムに用いられるカプラ（電界カプラ）は、この特許文献１中の図１Ａ、図１Ｂに電界カプラ１４、２４として概略構成が示されているように、例えば基板等からなるグランドと、このグランドとほぼ平行になるようにして該グランド上に配置された平板状の結合電極（前記第１の電極又は第２の電極）と、を有したもので、結合電極を、グランド上に設けられた共振スタブ上に軸状の脚部で支持したものである。
【０００８】
ところが、このような構成のカプラ（電界カプラ）にあっては、結合電極が脚部によって側面視Ｔ字状に支持されていることから、構造的に不安定であり、結合電極に外力が加わると、特に脚部によって直接支持されていない外周部で変形が起こり易いといった問題がある。すなわち、このような変形を生じると電気特性が変化し、設定された機能が発揮されなくなるおそれがある。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造的不安定を解消して変形を防止したカプラと、このカプラを備えたカプラ装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のカプラは、コネクタを有する基板と、前記基板の前記コネクタに電気的に接続する電極と、を備えてなり、前記電極は、基端側が前記基板に電気的に接続して電荷の経路となる脚部と、該脚部の先端側に設けられて電荷を溜める結合電極部と、を有し、前記結合電極部は、その外周部が枠体によって保持されていることを特徴としている。
このカプラによれば、結合電極部の外周部が枠体によって保持されているので、この枠体によって結合電極部の外周部が補強され、構造的不安定が解消される。
【００１１】
また、前記カプラにおいて、前記脚部は、相対向して設けられた一対の脚片を有してなり、前記結合電極部は、前記脚片が相対向する方向と交差する方向に、前記脚部を挟んでその両側に一対設けられているのが好ましい。
このようにすれば、一枚の電極板を折り曲げ加工することで、脚部と結合電極部とを有してなる電極の形成が可能になる。
【００１２】
また、前記カプラにおいては、前記枠体と前記基板との一方に嵌合凸部が形成され、かつ他方に嵌合凹部が形成され、これら嵌合凸部と嵌合凹部とが嵌合しているのが好ましい。
このようにすれば、嵌合凸部と嵌合凹部とが嵌合することで枠体が基板に保持されるようになり、したがって結合電極部の構造がより安定化する。
【００１３】
本発明のカプラ装置は、前記カプラと、前記カプラを収容し保持するシールド容器と、を備えてなり、前記シールド容器は、底板と該底板の側縁部から立ち上がって設けられた側板とを有して、前記カプラの基板の底面側を前記底板上に保持していることを特徴としている。
このカプラ装置によれば、構造的不安定が解消された前記カプラを備えているので、該カプラ装置自体も構造が安定したものとなる。また、前記カプラを収容し保持するシールド容器を備えているので、該カプラ装置を複数並べて配置し、１つのカプラ装置と複数のカプラ装置との間、または複数のカプラ装置と複数のカプラ装置との間で通信しようとした場合に、目的とするカプラ装置に隣接するカプラ装置への電界の漏れ（アイソレーション）を軽減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のカプラにあっては、枠体によって結合電極部の外周部を補強しているので、構造的不安定を解消して結合電極部の変形を防止することができる。したがって、変形による電気特性の変化を防止し、設定された機能を常に良好に発揮することができる。
本発明のカプラ装置にあっては、１つのカプラ装置と複数のカプラ装置との間、または複数のカプラ装置と複数のカプラ装置との間で通信しようとした場合に、目的とするカプラ装置に隣接するカプラ装置への電界の漏れ（アイソレーション）を軽減することができるため、隣接するカプラ装置への悪影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るカプラの一実施形態の、概略構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示したカプラの平面図、（ｂ）は同じく側面図である。
【図３】電極の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図４】電極を保持した枠体の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。
【図５】本発明に係るカプラ装置の一実施形態の、概略構成を示す斜視図である。
【図６】シールド容器の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
図１、図２（ａ）、（ｂ）は、本発明のカプラの一実施形態を示す図であり、これらの図において符号１はカプラである。
カプラ１は、例えば前記特許文献１の通信システムに用いられるリーダライタやトランスポンダに組み込まれて電界カプラとして機能するもので、基板２と、基板２上に設けられた電極３と、電極３を保持する枠体４とを備えて構成されたものである。
【００１７】
基板２は、前記リーダライタやトランスポンダに搭載される正方形板状のもので、グランドとして機能するものであり、リーダライタ又はトランスポンダの本体部に電気的に接続するコネクタ５を有したものである。コネクタ５には、図示しない導電部が接続されており、この導電部に電極３が接続している。ここで、導電部は、コネクタ５と基板２の中心部との間に設けられたもので、例えば前記の共振スタブとして機能するようになっている。
【００１８】
電極３は、前記導電部に接続する脚部６と、該脚部６に設けられた平板状の結合電極部７とからなっている。脚部６は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように相対向して設けられた一対の脚片６ａ、６ａと、これら脚片６ａ、６ａ間を接続する中心部６ｂとからなっている。脚片６ａには、中心部６ｂと反対の側の基端側に、外側に折り曲げられてなる折曲部６ｃが形成されており、これら折曲部６ｃ、６ｃが前記導電部にリフロー法等によるはんだ付けによって接続されている。
【００１９】
脚部６の中心部６ｂ、すなわち脚部６の先端側には、結合電極部７が連続して設けられている。結合電極部７は、一対の電極片７ａ、７ａが前記中心部６ｂを挟んでその両側に配置されたものである。すなわち、一対の脚片６ａ、６ａが相対向する方向と直交（交差）する方向に、前記中心部６ｂ（脚部６）を挟んでその両側に一対設けられている。
【００２０】
電極片７ａは、全体が略等脚台形状に形成されたもので、基板２に対して略平行に配置されている。また、この電極片７ａには、前記中心部６ｂに接続する狭小幅の接続部７ｂが形成され、さらに該接続部７ｂと反対の側の両側部に、前記脚部６の基端側に向かって折り曲げられた連結部７ｃが形成されている。また、接続部７ｂと反対の側には切欠部７ｄが形成されており、したがって電極片７ａは、その形状が複雑になっている。
【００２１】
このような電極片７ａの形状、すなわち一対の電極片７ａからなる結合電極部７の形状は、特に限定されることなく、所望の周波数が得られる形状であれば任意の形状が採用可能である。例えば、電極片７ａを単純な矩形状とし、一対の電極片７ａからなる結合電極部７の概略形状を正方形としてもよい。
【００２２】
このような構成からなる電極３は、脚部６（脚片６ａ、６ａ）が基板２の導通部に接続しているだけで、結合電極部７は基板２の上方に浮いた状態になっており、側面視Ｔ字状に支持されたものとなっている。したがって、そのままでは構造的に不安定であり、結合電極部７に外力が加わると変形が起こり易くなっている。
そこで、本実施形態では、結合電極部７の外周部を、枠体４によって保持している。
【００２３】
枠体４は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように絶縁性樹脂からなる正方形枠状のもので、本実施形態では直鎖型高分子構造を有するポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）であるフォートロン（登録商標）によって形成されている。このポリフェニレンサルファイド樹脂は、直鎖型高分子構造を有することで、従来のＰＰＳ樹脂に対して伸びや衝撃強さが大きく、脆さが大幅に改善されており、さらにイオン性不純物が少ないことから電気的特性にも優れ、熱安定性に優れていることから成形加工性も良好である等の特性を有している。ただし、枠体４の形成材料としては、前記ポリフェニレンサルファイド樹脂に限定されることなく、種々の樹脂材料が使用可能なのはもちろんである。
【００２４】
この枠体４は、図４（ａ）に示すように略正方形環状の上枠部４ａと、図４（ｃ）に示すように上枠部４ａの底面側に形成された一対の基台部４ｂ、４ｂ及び基辺部４ｃからなるものである。上枠部４ａは、図４（ａ）に示すようにその上に前記結合電極部７の外周部を保持したものである。すなわち、上枠部４ａの四隅には、それぞれ内側に延出してなる保持部４ｄが形成されており、これら保持部４ｄに、前記結合電極部７の各連結部７ｃが保持されている。ここで、保持部４ｄによる連結部７ｃの保持は、電極３をインサート品として枠体４をインサート成形することでなされている。基台部４ｂ、４ｂは、略正方形環状の上枠部４ａの、隣り合う一対の隅部に配置されたもので、基辺部４ｃは、これら基台部４ａ、４ａと反対の側の辺に配置されたものである。
【００２５】
また、本実施形態では、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように一対の基台部４ｂのそれぞれの底面に、ボス（嵌合凸部）４ｅが形成されている。これらボス４ｅ、４ｅは、図２（ｂ）に示すように基板２に形成された貫通孔（嵌合凹部）２ａに嵌合したものである。また、このようにボス４ｅが貫通孔２ａに嵌合した状態で、基辺部４ｃは基板２の表面に当接するようになっている。したがって枠体４は、自身は基板２に支持、固定された状態で、結合電極部７の外周部を保持したものとなっている。
【００２６】
このような構成のカプラ１にあっては、例えばトランスポンダに搭載されている場合、トランスポンダの本体部からコネクタ５に電気信号が与えられると、前記導電部を介してこれに接続する脚部６に電荷が送られる。すると、脚部６を構成する各脚片６ａ、６ａは電荷を結合電極部７の各電極片７ａ、７ａに送り、電極片７ａ、７ａは脚片６ａ、６ａから送られてきた電荷を溜める。
【００２７】
また、リーダライタにカプラ１が搭載されている場合、このカプラ１に前記トランスポンダのカプラ１が近接されると、これらカプラ１、１でその電極３、３間の電界結合によって電界が誘起され、トランスポンダのカプラ１の結合電極部７に溜められた電荷がリーダライタのカプラ１の結合電極部７に移動する。これにより、カプラ１、１間で電気信号の授受がなされ、トランスポンダから送られた電気信号がリーダライタで受信されるようになる。
【００２８】
このようなトランスポンダとリーダライタとの間の通信において、例えばトランスポンダを落下したり、リーダライタに衝撃が加わるなどこれらに搭載されたカプラ１に不測に外力が加わることがある。すると、従来では結合電極部７が変形し、その電気特性が変化して設定された機能が発揮されなくなるおそれがあった。
これに対して本実施形態のカプラ１では、結合電極部７の外周部を枠体４によって保持しているので、このような変形が確実に防止される。
【００２９】
したがって、本実施形態のカプラ１によれば、枠体４によって結合電極部７の外周部を補強し、構造的不安定を解消して結合電極部７の変形を防止しているので、変形による電気特性の変化を防止し、設定された機能を常に良好に発揮することができる。
また、枠体４に形成したボス４ｄを基板２に形成した貫通孔２ａに嵌合し、枠体４を基板２に固定しているので、結合電極部７の構造をより安定化して変形をより確実に防止することができる。
【００３０】
また、脚部６を、相対向する一対の脚片６ａとこれら脚片６ａ間に配置される中心部６ｂとによって形成し、結合電極部７を、脚片６ａ、６ａが相対向する方向と直交する方向に、中心部６ｂ（脚部６）を挟んでその両側にそれぞれ電極片７ａを設けることで形成しているので、このような脚部６と結合電極部７とからなる電極３を、一枚の電極板を折り曲げ加工することで容易に形成することができる。すなわち、一枚の電極板を所定形状に打ち抜き、さらに折り曲げ加工によって脚片６ａ、６ａと折曲部６ｃを形成することで、電極３を容易に加工することができる。したがって、電極３の製造が容易になり、その製造コストの低減化を図ることができる。
【００３１】
次に、本発明のカプラ装置の一実施形態を説明する。
図５は、本発明のカプラ装置の一実施形態を示す図であり、この図において符号１０はカプラ装置である。このカプラ装置１０は、図１〜図４に示したカプラ１と、シールド容器１１とを備えて構成されたもので、例えば前記リーダライタやトランスポンダに組み込まれるカプラ（電界カプラ）が単一でなく、少なくともリーダライタに組み込まれるカプラが複数である場合に、好適に用いられるものである。
【００３２】
カプラ（電界カプラ）の使用形態としては、通常はリーダライタに組み込まれた単一のカプラとトランスポンダに組み込まれた単一のカプラとが、１対１で対向させられ、接続・通信されるようになっている。しかし、将来的には、少なくともリーダライタにカプラを複数並べて配置し、１つのカプラと複数のカプラとの間、または複数のカプラと複数のカプラとの間で一度に通信を行うことも考えられる。
【００３３】
その場合に、並べられるカプラ間の間隔が狭くなると、対向するカプラが近づけられることによってこのカプラから発せられる電界が、目的とするカプラと隣接するカプラに漏洩し、この隣接するカプラに誤作動等の悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、互いに隣接するカプラ間での水平方向への電界の漏れ（アイソレーション）を軽減するものとして、本実施形態のカプラ装置１０では、シールド容器１１を備えている。
【００３４】
シールド容器１１は、一般にシールド材として用いられる材質の板材、例えば銅板、電磁鋼板、ステンレス板などからなるもので、図５に示すように正方形の底板１２と、該底板１２の四辺（側縁部）からそれぞれ立ち上がって設けられた側板１３と、からなる有底四角筒状のものである。ただし、このシールド容器１１の形状については、その底板の形状が正方形に限定されることなく、円形や長方形、さらには正方形や長方形以外の角形（三角形や六角形等）など、種々の形状のものを用いることができる。
【００３５】
特に、シールド容器１１の形状については、カプラ１の結合電極部７の外形に近似した略相似な形状、すなわち、図２（ａ）に示したような電極片７ａ、７ｂ間における脚部６の形成箇所が凹んだ形状とするのが好ましい。具体的には、図６の平面図に示すようにその底板１２ａが、正方形の対向する二辺が一つの直線でなく、内側にＶ字状に折れ曲がった二つの直線によって形成されているのが好ましい。なお、この図６に示したシールド容器１１ａでは、前記の二つの直線によって形成された辺から立ち上がる側板１３ａも、該辺の形状に沿って、平面視して内側にＶ字状に折れ曲がった二つの直線で形成されている。シールド容器１１の寸法については、特に限定されないものの、カプラ１より充分に大きいものが好適とされる。
【００３６】
カプラ１は、図５に示すようにシールド容器１１に対してその中央部に収容され、固定されている。すなわち、カプラ１は正方形状の基板２の中心が、正方形状の底板１２の中心に一致し、かつ、基板２の各辺の位置が対応する底板１２の各辺に対して平行となるように配置され、固定されている。シールド容器１１へのカプラ１０の固定については、種々の手法が採用可能である。例えば、カプラ１の基板２をシールド容器１１の底板１２にネジ止めする機械的固定や、接着剤による接着、両面テープによる貼着などが採用される。
【００３７】
このような構成のカプラ装置１０を、特にリーダライタに複数組み込んで使用した場合、このリーダライタにトランスポンダを近づけ、該トランスポンダのカプラ１からリーダライタの複数のカプラ装置１０のうちの目的とする一つのカプラ装置１０に対して通信を行おうとすると、この一つのカプラ装置１０に隣接するカプラ装置１０にも電界が一部漏洩する可能性がある。
【００３８】
しかし、本実施形態のカプラ装置１０にあっては、カプラ１を収容し保持するシールド容器１１を備えているので、目的とするカプラ装置１０に隣接するカプラ装置１０では、横方向（水平方向）からの電界の漏れ（アイソレーション）がシールド容器１１でシールドされる。したがって、本実施形態のカプラ装置１０によれば、漏洩した電界の受信を軽減して漏洩電界による悪影響を防止することができる。
【００３９】
また、本実施形態のカプラ装置１０では、水平方向への電界の漏洩をシールド容器１１で軽減することができるので、垂直方向への電界強度を高めることができる。したがって、これらカプラ装置１０、１０間で通信を行った場合、シールド容器１１を有していない単体のカプラ１、１間で通信を行った場合に比べて高い結合強度を得ることができ、これによって通信をより良好に行うことができる。
よって、例えばデジタルキオスクやデジタルサイネージなどの高い結合強度が求められる機器に搭載する場合に、より好適なものとなる。
さらに、本実施形態のカプラ装置１０では、構造的不安定が解消された前記カプラ１を備えているので、該カプラ装置１０自体も構造が安定したものとなる。
【００４０】
「実験例」
シールド容器１１として、板厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４の板材を、底板１２が３０ｍｍ×３０ｍｍの正方形となり、側板１３の高さが７ｍｍとなるように形成した。そして、このシールド容器１１の中央部にカプラ１を固定し、シールド容器１１にカプラ１を収容保持して、カプラ装置１０を得た。
このカプラ装置１０のシールド効果を調べたところ、シールド容器１１を有さない単体のカプラ１に比べ、良好なシールド効果があることが分かった。（１０．９２ｄＢ；シールド無し） 
また、カプラ装置１０、１０間で通信を行わせた結果、単体のカプラ１、１間で通信を行わせた場合に比べ、結合強度が約２ｄＢ程度高くなった。
さらに、図６に示した形状のシールド容器１１ａを用いたカプラ装置についてシールド効果を調べたところ、シールド容器１１を有さない単体のカプラ１に比べ、より良好なシールド効果があることが分かった。（１３．７ｄＢ；シールド無し） 
【００４１】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、前記カプラの実施形態では脚部６を一対の脚片６ａ、６ａと中心部６ｂとによって形成したが、一本の軸状（円柱状）のもので脚部を形成してもよい。また、その場合に、結合電極部７についても、一対の電極片７ａ、７ａによって構成することなく、例えば一枚の正方形板や矩形板で形成してもよい。
【００４２】
また、前記実施形態では、枠体４にボス（嵌合凸部）４ｅを形成し、基板２に貫通孔（嵌合凹部）２ａを形成したが、逆に、枠体４に貫通孔（嵌合凹部）を形成し、基板２にボス（嵌合凸部）を形成するようにしてもよい。
さらに、これらボス（嵌合凸部）や貫通孔（嵌合凹部）を形成することなく、枠体４を基板２の上方に浮いた状態に配置してもよい。その場合には、枠体４の厚さに比べて相対的に脚部６の長さが長く（高く）なるため、折曲部６ｃと基板２の導電部との間のはんだ付けが容易になる。
また、前記実施形態では、枠体４を一つのパーツで構成したが、例えば二つのパーツから構成し、これらを嵌め込み式にして一つの枠体４に組み立てるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…カプラ、２…基板、２ａ…貫通孔（嵌合凹部）、３…電極、４…枠体、４ｅ…ボス（嵌合凸部）、５…コネクタ、６…脚部、６ａ…脚片、７…結合電極部、７ａ…電極片、１０…カプラ装置、１１、１１ａ…シールド容器、１２、１２ａ…底板、１３…側板
【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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