伝送システム及び伝送装置
【課題】近接配置される一対の共振素子の間で効率的な伝送を行うことが可能な伝送システムを提供する。
【解決手段】本発明の伝送システムにおいて、各々の伝送装置に含まれる共振素子１０は、誘電体基板１１の一方の面に形成される共振電極１２と、誘電体基板１１の他方の面に形成される接地電極１３と、給電部となるビア導体１４及び入出力電極１６を備えている。送信回路を含む伝送装置と受信回路を含む伝送装置との間で高周波信号を伝送する場合、それぞれの共振素子１０の共振電極１２が所定の距離を介して直接対向する状態で配置し、その際の電界結合により上記２つの伝送装置の間で高周波信号を伝送することができる。
【解決手段】本発明の伝送システムにおいて、各々の伝送装置に含まれる共振素子１０は、誘電体基板１１の一方の面に形成される共振電極１２と、誘電体基板１１の他方の面に形成される接地電極１３と、給電部となるビア導体１４及び入出力電極１６を備えている。送信回路を含む伝送装置と受信回路を含む伝送装置との間で高周波信号を伝送する場合、それぞれの共振素子１０の共振電極１２が所定の距離を介して直接対向する状態で配置し、その際の電界結合により上記２つの伝送装置の間で高周波信号を伝送することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の伝送装置の間で電力や情報を非接触で伝送可能な伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、近接して配置された２つの伝送装置の間で、ケーブル等を配線することなく非接触でデータ通信を行う伝送システムが注目されている。この種の伝送システムは、例えば、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）技術を用いた非接触ＩＣカードなどに応用されるように、物品管理や交通機関における認証などの多様な用途に用いられている。また、２つの伝送装置の間で、情報の送受信のみならず、電力を送受信することにより、電池の搭載やケーブルの敷設が不要になるメリットがある。一般に、上記伝送システムにおいて、近接して配置された２つの伝送装置の間で情報や電力を送受信するための様々な手法が提案されている。例えば、特許文献１には、２つの共振器の間の共鳴（共振）を利用して電力を高効率に伝送する手法が開示されている。また例えば、特許文献２には、それぞれコイルからなる２つの共鳴素子を磁界共鳴の関係に配置して電力を伝送する手法が開示されている。また例えば、特許文献３には、ループ状アンテナを形成した基板の磁界結合を利用するＲＦＩＤ用のアンテナ装置が開示されている。また例えば、特許文献４には、２つの装置の間の静電界を利用して電力を伝送する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第2007/0222542号明細書
【特許文献２】特開２０１０−０６３２４５号公報
【特許文献３】特開２００７−０１２６８９号公報
【特許文献４】特開２００９−２９６８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような従来の伝送システムにおいては、磁界の結合を利用する手法、静電界の結合を利用する手法、共振器の共振現象を利用する手法が含まれる。しかしながら、例えば、コイルによる磁界を発生させる構成を採用すると、発生した磁界が金属等の導体部分に作用して渦電流を発生させ、これによる磁界強度の低下や熱の発生という問題が生じる恐れがある。また、対向する平板状の素子の間の静電界の結合を利用した特許文献３の手法によれば、集中定数素子としてのコンデンサを設けた構成であることから、共振特性を発生させるためには別途コイル部品を設ける必要がある。また、高周波の共振特性を利用する場合は、コンデンサやコイルの自己共振の影響により高周波特性が劣化する問題がある。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、近接配置される一対の共振素子の間で電力や情報の伝送を行う際、磁界結合や静電界の結合を利用する場合の不具合を防止しつつ、良好な伝送効率で伝送を行うことが可能な伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の周波数で共振する第１の共振素子と第１の回路とを含む第１の伝送装置と、前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と第２の回路とを含む第２の伝送装置とを含んで構成され、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記所定の周波数の高周波信号を伝送する伝送システムに対して適用される。本発明の伝送システムにおいて、（１）前記第１及び第２の共振素子の各々は、誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、（２）前記第１及び第２の回路のうち、少なくとも、一方は前記給電部に接続される送信回路を備え、他方は前記給電部に接続される受信回路を備え、（３）前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴としている。
【０００７】
本発明の伝送システムによれば、所定の周波数で共振する共振素子をそれぞれ有する第１及び第２の伝送装置が互いに近接し、それぞれの共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態になったとき、両者の間の電界結合によって、一方の送信回路から他方の受信回路に高周波信号が伝送される。よって、遠距離に適したアンテナ等の電磁波の放射を利用することなく、近距離に置かれた２つの伝送装置の間で非接触の送受信を実現することができ、主に電界結合によって送受信を行うので、磁界結合や静電界を利用する手法に比べて高周波信号を高い効率で伝送することが可能となる。
【０００８】
本発明において、「電界結合により」とあるのは、上記２つの共振素子の間で高周波信号を伝送する際に電界結合が支配的であるとの意味であり、電界結合より十分小さい磁界結合が存在することも想定される。また、上記２つの共振素子の各々の共振電極が直接対向するときの「所定の距離」は、高周波信号の周波数や伝送システムの用途に依存して定まる。例えば、ＲＦＩＤ等の非接触ＩＣカードの用途を想定すると、「所定の距離」が数１０ｍｍのオーダーであることが望ましい。この場合の伝送効率は、例えば２つの共振素子の各々の給電部の間で、高周波信号の減衰量が−１０ｄＢ以下であることが望ましい。
【０００９】
本発明において、前記第１及び第２の伝送装置の間で電力を伝送してもよく、あるいは情報を伝送してもよい。さらには、前記第１及び第２の伝送装置の間で電力及び情報の両方を同時に伝送してもよい。この場合、特に電力を伝送する形態に対しては、前記送信回路を、電源と、当該電源により供給される前記電力に応じた振幅を有する前記高周波信号を生成する高周波信号生成回路とを含めて構成するとともに、前記受信回路を、前記給電部を介して受信された前記高周波信号を整流して直流電圧に変換する整流回路を含めて構成することができる。
【００１０】
本発明において、前記第１及び第２の伝送装置の間で良好な伝送効率を確保するには、前記第１及び第２の共振素子の各々を、前記高周波信号の波長λに対して１／３λから１／２λの範囲内のサイズに形成することが好ましい。例えば、正方形の表面形状（パッチ状）の共振素子に対し、その各１辺を１／３λから１／２λの範囲内に設定することができる。
【００１１】
本発明において、前記給電部は多様な構造を持たせることができる。例えば、前記給電部には、前記第１及び第２の共振素子の各々のインピーダンスを整合するための給電構造を持たせることができる。この場合、前記給電部の給電構造として、前記誘電体基板を貫いて前記共振電極と電気的に接続されるビア導体を形成し、このビア導体の径に応じて前記インピーダンスを調整するようにしてもよい。
【００１２】
前記誘電体基板の材料は特に制約されないが、例えば、セラミック材料を用いて形成してもよい。セラミック材料を用いて前記誘電体基板を形成することにより、高周波特性に優れた共振素子を実現することができる。
【００１３】
また、本発明は上記伝送システムに適用するのみならず、所定の周波数で共振する第１及び第２の共振素子を含む各々の伝送装置に対しても適用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、近接配置される一対の共振素子の間で電力や情報を伝送する伝送システムにおいて、主に共振素子間に生じる電界結合によって良好な伝送効率で高周波信号を伝送させることができ、磁界結合や静電界の結合による伝送で生じる性能劣化を引き起こすことなく、小型化及び高周波化に適した伝送システムを多様な用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の共振素子の概略の構造を表す斜視図である。
【図２】本実施形態の共振素子の模式的な上面図、側面図、下面図をそれぞれ表す図である。
【図３】本実施形態の一対の共振素子の配置状態を示す図である。
【図４】図３の配置状態にある一対の共振素子に対するシミュレーションの条件及び結果を表にして示す図である。
【図５】図３の配置状態にある一対の共振素子に対するシミュレーションによって得られた伝送効率の周波数特性を示すグラフである。
【図６】図３と同様の配置状態にある一対の共振素子の電磁界分布を表す図である。
【図７】一対の共振素子に関して距離と伝送効率との関係を示すグラフである。
【図８】電力を伝送する伝送システムの構成例を示す図である。
【図９】電力及び情報を伝送する伝送システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
最初に、本実施形態の伝送システムの各伝送装置に含まれる主要な構成要素である共振素子の構造について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の共振素子１０の概略の構造を表す斜視図である。また、図２は、図１の共振素子１０の模式的な上面図、側面図、下面図をそれぞれ表している。図１及び図２に示すように、本実施形態の共振素子１０は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１の上面に形成された共振電極１２と、誘電体基板１１の下面に形成された接地電極１３と、共振電極１２に接続されるビア導体１４と、接地電極１３の下方に形成された絶縁層１５と、絶縁層１５の下面に形成された入出力電極１６とを備えたマイクロストリップ線路構造を有している。
【００１８】
誘電体基板１１は、方形状の平面形状と所定の厚さを有し、セラミック材料を用いて形成するか、あるいは、例えばＦＲ−４（Flame retardant-4）等のガラスエポキシ樹脂材料を用いて形成してもよい。誘電体基板１１の上面の共振電極１２は、誘電体基板１１よりも小さいサイズの方形状の導体パターンに形成されている。誘電体基板１１の底面の接地電極１３は、誘電体基板１１の平面形状とほぼ同サイズのベタ状の導体パターンに形成されている。
【００１９】
例えば、４３０ＭＨｚ帯の共振周波数を想定すると、誘電体基板１１及び接地電極１３は、例えば矩形の各辺が２５〜１００ｍｍ程度の平面サイズを有し、共振電極１２は、例えば矩形の各辺が誘電体基板１１の３分の２程度の平面サイズを有し、誘電体基板１１の厚さは、例えば４〜１２ｍｍ程度に形成される。通常、上述の各サイズは、使用する高周波信号の波長λに対し、１／３λから１／２λの範囲内に設定することが望ましいが、この点に関しては後述する。なお、上述の各サイズや厚さについては、共振周波数等の条件に適合する所望の設計値に変更できることは当然である。
【００２０】
接地電極１３の下側には、絶縁層１５を挟んで入出力電極１６が形成されている。また、誘電体基板１１及び絶縁層１５を積層方向に貫いて、共振電極１２と入出力電極１６との間を電気的に接続する円柱状のビア導体１４が形成されている。図２に示すように、共振電極１２の中央の円形部分がビア導体１４の上端部１４ａに接続されるとともに、入出力電極１６の円形部分がビア導体１４の下端部１４ｂに接続されている。また、図２に示すように、入出力電極１６は、テーパー状の導体パターンに形成され、ビア導体１４の下端部１４ｂに接続される一端部から共振素子１０の側面側の他端部にかけて次第に細くなる形状を有する。なお、絶縁層１５は、接地電極１３と入出力電極１６を電気的に絶縁するために設けられ、誘電体基板１１よりも十分薄く、同様の材料によって形成される。
【００２１】
ビア導体１４が形成される円柱領域は、その表面のみに導体を形成して内部を空洞にしてもよいが、全体を導体材料で充填してもよい。給電部に相当するビア導体１４は、その直径に応じて共振素子１０のインピーダンスが変化することから、インピーダンスの調整手段として用いられるが、この点については後述する。なお、ビア導体１４と電気的に接続される入出力電極１６については、例えば、５０Ωのインピーダンスとなるようにサイズが調整されている。
【００２２】
図１及び図２の構造を有する共振素子１０を用いた送信動作時には、送信回路から所定の共振周波数（例えば、４３０ＭＨｚ帯）の高周波信号が入出力電極１６に入力され、ビア導体１４を介して共振電極１２を励振する。また、上記の共振素子１０を用いた受信動作時には、外部空間の電界を受けた共振電極１２では所定の共振周波数の高周波信号が生じ、それがビア導体１４及び入出力電極１６を経由して受信回路に伝送される。
【００２３】
次に、本実施形態の共振素子１０の伝送特性について図３〜図７を参照して説明する。図３は、図１及び図２の構造を有する一対の共振素子１０の配置状態を示している。図４の表は、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションの条件及び結果を表にして示している。図３には、一方の共振素子１０（１）と他方の共振素子１０（２）が伝送距離Ｌを隔てて積層方向で重なる位置に配置され、それぞれの共振電極１２の側が直接対向して向き合ったときの配置状態が示されている。そして、図４には、誘電体基板１１、共振電極１２、ビア導体１４についての設計条件や伝送距離Ｌの値として５通りの条件１〜５を規定するとともに、これらの条件１〜５に対するシミュレーションを行って得られた結果を表にしている。
【００２４】
図４に示す条件１〜５としては、誘電体基板１１の材料及び比誘電率εｒ、共振素子１０の全体及び共振電極１２のそれぞれの平面サイズ（１辺の長さ）、ビア導体１４の直径、誘電体基板１１の厚さ、図３の伝送距離Ｌについての多様な組合せが含まれる。また、シミュレーションの結果に基づいて得られた後述の伝送効率及び伝送周波数Ｆ０を示している。図４に示すように、共振素子１０の周波数帯域としては、４３０ＭＨｚ帯に加えて、９５０ＭＨｚ帯も適用可能であることがわかる。この場合、共振素子１０のサイズを同一材料（セラミック）の場合で比較すると、４３０ＭＨｚ帯に適用する場合に比べ、９５０ＭＨｚ帯に適用する場合は、より小型化が可能である。また、９５０ＭＨｚ帯の２つの条件４、５を比較すると、誘電体基板１１の材料としては、ＦＲ−４よりもセラミックを用いる方が高い伝送効率を得られ、かつ小型化に適している。
【００２５】
図５は、図４の条件１の場合に関し、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションによって得られた伝送効率の周波数特性を示している。条件１によれば、図４に示すように、共振素子１０の外形については、全体のサイズ（１辺の長さ）が５０ｍｍ、共振電極１２のサイズ（１辺）が３６．２５ｍｍ、セラミックからなる誘電体基板１１の厚さが１２ｍｍ、ビア導体１４の直径が１２ｍｍに設定されている。また、伝送距離Ｌについては、Ｌ＝３４ｍｍに設定されている。
【００２６】
図５において、横軸の周波数範囲４１０〜４６０ＭＨｚに対し、縦軸にはシミュレーションで得られたＳパラメータＳ２１の値（ｄＢ）をグラフにして示している。このＳパラメータＳ２１は、図３の配置状態で、一方の共振素子１０（１）から他方の共振素子１０（２）に伝送される高周波信号の透過特性を表わすものである。図５の横軸のほぼ中央で透過特性のピークＰが現れており、このピークＰの周波数を伝送周波数Ｆ０と定義すると、Ｆ０＝４３５．９ＭＨｚとなる。また、ピークＰのＳパラメータＳ２１は、Ｓ２１＝−１．１４３（ｄＢ）であり、このときに伝送特性が最も高い透過率（高い効率）になるので、これを伝送効率と定義すると、図５の伝送効率は７６．８％に対応する。このように、本実施形態の一対の共振素子１０を図３の配置状態で用いて高周波信号を伝送させると、非常に良好な伝送効率を得ることができる。
【００２７】
ここで、図６を参照して、一対の共振素子１０の間の伝送のメカニズムについて説明する。図６は、図３と同様の配置状態に置かれた一対の共振素子１０に関し、周波数４３５ＭＨｚの高周波信号を伝送させたときの電磁界分布を表した図である。図６の上段は電界強度分布を表し、図６の下段は磁界強度分布を表している。図６の上段の電界強度部分については、対向配置される一対の共振素子１０のうち、それぞれの共振電極１２の内部に近付くほど強くなるが、共振電極１２のビア導体１４を取り囲む外周部分にピークが現れる。一方、図６の下段の磁界強度部分については、電界強度分布に比べると、極めて弱くなっている。このように、図３の配置状態に置かれた一対の共振素子１０の間は、磁界結合が極めて弱く、電界結合が支配的であることがわかる。
【００２８】
一方、図７は、図４の条件１の場合に関し、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションによって得られた伝送効率として、横軸の伝送距離Ｌ（図３参照）と縦軸の伝送効率との関係をグラフにして示している。図７では、ビア導体１４によるインピーダンス整合を行う場合の特性Ｃ１と、インピーダンス整合を行わない場合の特性Ｃ２を重ねて示している。また、図５の特性に対応する伝送距離Ｌとして、Ｌ＝３４ｍｍの位置を破線にて表している。
【００２９】
まず、インピーダンス整合ありの場合の特性Ｃ１においては、Ｌ＝３４ｍｍの位置で既に説明したように伝送効率７６．８％が得られる。この位置を基準として、伝送距離Ｌが小さい領域では伝送効率が緩やかに上昇していくが、伝送距離Ｌが大きい領域では伝送効率が減少していく。一方、インピーダンス整合なしの場合の特性Ｃ２においては、Ｌ＝３４ｍｍの位置では概ね特性Ｃ１と同等の伝送効率が得られ、それ以外の領域では特性Ｃ１に比べて伝送効率が劣化している。特に、伝送距離Ｌが大きい領域では、特性Ｃ２の伝送効率が急峻に劣化している。このように、伝送距離Ｌの増加に対して伝送効率の劣化を少なくするには、共振素子１０のインピーダンス整合を行うことが望ましい。
【００３０】
なお、図４の条件１に関するインピーダンスの調整に関し、例えば、ビア導体１４の直径を小さくしたときに伝送距離Ｌが長くなる傾向にあり、ビア導体１４の直径を大きくしたときに伝送距離Ｌが短くなる傾向にある。ただし、ビア導体１４の直径を大きくし過ぎると、共振電極１２のうち電界結合に寄与する領域を制約するため、好ましくない。
【００３１】
また、図４に示す条件１〜５に関し、共振電極１２のサイズと波長λは密接な関係がある。ここで、波長λは次式で表される。
【数１】
ただし、ｆ：周波数
εｒ：誘電体基板１１の比誘電率
μｒ：誘電体基板１１の比透磁率（ここでは、μｒ＝１とする）
【００３２】
そして、図４に示す条件１〜５に関し、共振電極１２のサイズに対する上式の波長λの比率を求めると、０．４６５〜０．４８２の範囲内に入る。実際には、良好な伝送効率を確保するため、共振電極１２のサイズとして、既に述べたように１／３λから１／２λの範囲内に設定することが好ましい。
【００３３】
次に、本実施形態の伝送システムの構成例について説明する。本実施形態の伝送システムは、図１に示す共振素子１０をそれぞれ含む複数の伝送装置から構成される。以下では、簡単のため、２台の伝送装置からなる伝送システムの構成例を説明する。既に説明したように、一対の共振素子１０により電力と情報の一方又は両方を伝送可能であるため、図８では電力を伝送する伝送システム１を示すとともに、図９では電力及び情報を伝送する伝送システム１ａを示す。
【００３４】
図８に示す伝送システム１の構成例は、２台の伝送装置２、３を含んで構成され、送信側の伝送装置２から受信側の伝送装置３に電力を伝送する機能を有している。送信側の伝送装置２は、電源２０、高周波発信機２１、増幅回路２２、インピーダンス整合回路２３、共振素子１０（０）を含んでいる。電源２０は、所定の電圧値を有する直流電力を生成する。なお、伝送装置２が携帯用途である場合は、電源２０として二次電池を搭載してもよい。高周波発信機２１は、電源２０から供給される電力を用いて上述の共振周波数を有する高周波信号を生成する。増幅回路２２は、高周波発信機２１から出力される高周波信号を増幅し、所定レベルの送信信号を出力する。インピーダンス整合回路２３は、上述のビア導体１４を含む信号経路に構成され、共振素子１０（０）のインピーダンスを整合する回路である。なお、インピーダンスはビア導体１４のみで調整してもよいが、ビア導体１４に加えて調整用の個別素子を設けてもよい。以上の構成要素により、上述の共振周波数及び所定レベルの送信信号が共振素子１０（０）に入力される。
【００３５】
一方、受信側の伝送装置３は、共振素子１０（１）、インピーダンス整合回路３０、整流回路３１、電源制御回路３２、デバイス３３を含んでいる。共振素子１０（１）は、対向配置される共振素子１０（０）から伝送される送信信号を受け、受信信号を出力する。インピーダンス整合回路３０の役割は送信側のインピーダンス整合回路２３と同様である。整流回路３１は、共振素子１０（１）からインピーダンス整合回路３０を経由して受け取った受信信号を整流して直流電圧に変換する回路である。例えば、整流回路３１では、ダイオードの整流作用を利用することができる。電源制御回路３２は、整流回路３１から出力された直流電圧を制御してデバイス３３に供給する。なお、電源制御回路３２は、例えば、二次電池やキャパシタを接続して電力を蓄積可能に構成してもよく、あるいはフィルタ回路や昇圧回路などを設けてもよい。デバイス３３は、電源制御回路３２から直流電圧が供給される負荷であり、特に制約されないが、所定の機能を持つＩＣ等、多様な形態を利用することができる。
【００３６】
次に、図９に示す伝送システム１ａの構成例は、２台の伝送装置２ａ、３ａを含んで構成され、送信側の伝送装置２ａから受信側の伝送装置３ａに電力及び情報を伝送する機能を有している。なお、図９の構成例では、伝送システム１ａのうち、伝送装置３ａは受信機能に加えて送信機能を併せ持ち、伝送装置２ａは送信機能に加えて受信機能を併せ持つ。送信側の伝送装置２ａは、データＩ／Ｏ部４０、ＲＦトランシーバ回路４１、電源４２、インピーダンス整合回路４３、共振素子１０（０）を含んでいる。データＩ／Ｏ部４０は、送信対象のデータを所定の形式に従って順次送出する。ＲＦトランシーバ回路４１は、電源４２から供給される電力を用いて、データＩ／Ｏ部４０から受け取ったデータにより変調された高周波信号を生成する。この高周波信号は、上述の共振周波数及び所定のレベルを有する送信信号となる。インピーダンス整合回路４３は、図８のインピーダンス整合回路２３と同様、共振素子１０（０）のインピーダンスを整合する回路である。以上の構成要素により、上述の共振周波数及び所定のレベルを有する送信信号が共振素子１０（０）に入力される。
【００３７】
一方、受信側の伝送装置３ａは、共振素子１０（１）、インピーダンス整合回路５０、分配回路５１、整流回路５２、電源制御回路５３、ＲＦトランシーバ回路５４、デバイス制御回路５５、デバイス５６を含んでいる。共振素子１０（１）は、対向配置される共振素子１０（０）から伝送される送信信号を受け、受信信号を出力する。インピーダンス整合回路５０の役割は送信側のインピーダンス整合回路４３と同様であるが、伝送装置３ａは送信機能と受信機能を併せ持つため、インピーダンス整合回路５０は送信及び受信に対応する整合回路を備えており、受信側の整合回路に接続される端子Ｔｒと送信側の整合回路に接続される端子Ｔｓとが設けられている。インピーダンス整合回路５０の受信側の端子Ｔｒに接続される分配回路５１は、共振素子１０（１）からインピーダンス整合回路５０を経由して受け取った受信信号を、電力信号の経路と情報信号の経路に分配する。すなわち、分配回路５１が整流回路５２とＲＦトランシーバ回路５４にそれぞれ接続され、前者が電力信号用の経路となり、後者が情報信号用の経路となる。なお、図９では、情報信号用の経路を点線で表し、他の経路と区別して表している。
【００３８】
整流回路５２は、図８の整流回路３１と同様に機能し、分配回路５１から受け取った受信信号を整流して直流電圧に変換する回路である。整流回路５２で得られた直流電圧は、電源制御回路５３及びＲＦトランシーバ回路５４にそれぞれ供給される。電源制御回路５３及びデバイス５６は、図８の電源制御回路３２及びデバイス３３と同様に機能するが、図９に示すように、これらの構成要素に加えて、デバイス制御回路５５が設けられている。デバイス制御回路５５は、電源制御回路５３から供給される直流電圧により動作する制御回路であり、例えば、ＩＣチップなどが用いられる。デバイス制御回路５５は、記憶手段に保持する情報（プログラムやデータ）に基づいて、デバイス５６の動作を制御する。一方、ＲＦトランシーバ回路５４は、分配回路５１から受け取った受信信号を復調してデータを抽出する。デバイス制御回路５５は、ＲＦトランシーバ回路５４で抽出されたデータを受け取って必要な制御情報を判別する。また、伝送装置３ａにおける送信動作時には、ＲＦトランシーバ回路５４は、送信対象のデータにより変調された高周波信号を生成し、送信信号としてインピーダンス整合回路５０を介して共振素子１０（１）に出力する。
【００３９】
以上のように、２つの構成例に示される伝送システム１、１ａは多様な用途に適用することができる。電力を伝送する伝送システム１（図８）は、独自の電源を持たないセンサ端末等の機器に用いることができる。例えば、電源を利用できる伝送装置２から、電源を持たない伝送装置３に電力を伝送することで、ケーブル等を配線することなく伝送装置３のセンサ等を駆動することができる。また、電力及び情報を伝送する伝送システム１ａ（図９）は、固定型の伝送装置２ａから携帯型の伝送装置３ａに電力及び情報を伝送する用途に利用することができる。例えば、一般的なＲＦＩＤと同様、物品管理や交通機関における認証用途に利用することができる。また例えば、道路に設置された固定型の伝送装置２ａと、自動車等に配置された移動型の伝送装置３ａとの間で各種情報の通信を行う用途に利用することができる。
【００４０】
なお、図８及び図９では、電力を伝送する伝送システム１と、電力及び情報を伝送する伝送システム１ａを説明したが、電力を伝送せずに情報のみを伝送する伝送システムに対しても本発明を適用可能である。また、伝送システム内に、電力を伝送する伝送装置と、情報を伝送する伝送装置と、電力及び情報を伝送する伝送装置が混在してもよい。また、伝送システム内に、送信回路を含む伝送装置と、受信回路を含む伝送装置と、送信回路と受信回路の両方を含む伝送装置が混在してもよい。
【００４１】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、図１及び図２では、共振電極１２が方形状の導体パターンを有する場合を説明したが、これに限られることなく、長方形や円形など多様な形状の導体パターンを用いて共振電極１２を形成することができる。また、ビア導体１４や入出力電極１６についても、図１及び図２の構造に限られず、多様な構造で形成することができる。また、給電部としてビア導体１４を設ける代わりに、入出力電極１６に接続される側面電極を設けてもよい。この場合、インピーダンスの調整手段としては、ビア導体１４の代わりに、共振電極１２に形成したスリットのサイズを調整するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１（１ａ）…伝送システム
２、３（２ａ、３ａ）…伝送装置
１０…共振素子
１１…誘電体基板
１２…共振電極
１３…接地電極
１４…ビア導体
１５…絶縁層
１６…入出力電極
２０、４２…電源
２１…高周波発信機
２２…増幅回路
２３、３０、４３、５０…インピーダンス整合回路
３１、５２…整流回路
３２、５３…電源制御回路
３３、５６…デバイス
４０…データＩ／Ｏ部
４１、５４…ＲＦトランシーバ回路
５１…分配回路
５５…デバイス制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の伝送装置の間で電力や情報を非接触で伝送可能な伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、近接して配置された２つの伝送装置の間で、ケーブル等を配線することなく非接触でデータ通信を行う伝送システムが注目されている。この種の伝送システムは、例えば、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）技術を用いた非接触ＩＣカードなどに応用されるように、物品管理や交通機関における認証などの多様な用途に用いられている。また、２つの伝送装置の間で、情報の送受信のみならず、電力を送受信することにより、電池の搭載やケーブルの敷設が不要になるメリットがある。一般に、上記伝送システムにおいて、近接して配置された２つの伝送装置の間で情報や電力を送受信するための様々な手法が提案されている。例えば、特許文献１には、２つの共振器の間の共鳴（共振）を利用して電力を高効率に伝送する手法が開示されている。また例えば、特許文献２には、それぞれコイルからなる２つの共鳴素子を磁界共鳴の関係に配置して電力を伝送する手法が開示されている。また例えば、特許文献３には、ループ状アンテナを形成した基板の磁界結合を利用するＲＦＩＤ用のアンテナ装置が開示されている。また例えば、特許文献４には、２つの装置の間の静電界を利用して電力を伝送する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第2007/0222542号明細書
【特許文献２】特開２０１０−０６３２４５号公報
【特許文献３】特開２００７−０１２６８９号公報
【特許文献４】特開２００９−２９６８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような従来の伝送システムにおいては、磁界の結合を利用する手法、静電界の結合を利用する手法、共振器の共振現象を利用する手法が含まれる。しかしながら、例えば、コイルによる磁界を発生させる構成を採用すると、発生した磁界が金属等の導体部分に作用して渦電流を発生させ、これによる磁界強度の低下や熱の発生という問題が生じる恐れがある。また、対向する平板状の素子の間の静電界の結合を利用した特許文献３の手法によれば、集中定数素子としてのコンデンサを設けた構成であることから、共振特性を発生させるためには別途コイル部品を設ける必要がある。また、高周波の共振特性を利用する場合は、コンデンサやコイルの自己共振の影響により高周波特性が劣化する問題がある。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、近接配置される一対の共振素子の間で電力や情報の伝送を行う際、磁界結合や静電界の結合を利用する場合の不具合を防止しつつ、良好な伝送効率で伝送を行うことが可能な伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の周波数で共振する第１の共振素子と第１の回路とを含む第１の伝送装置と、前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と第２の回路とを含む第２の伝送装置とを含んで構成され、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記所定の周波数の高周波信号を伝送する伝送システムに対して適用される。本発明の伝送システムにおいて、（１）前記第１及び第２の共振素子の各々は、誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、（２）前記第１及び第２の回路のうち、少なくとも、一方は前記給電部に接続される送信回路を備え、他方は前記給電部に接続される受信回路を備え、（３）前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴としている。
【０００７】
本発明の伝送システムによれば、所定の周波数で共振する共振素子をそれぞれ有する第１及び第２の伝送装置が互いに近接し、それぞれの共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態になったとき、両者の間の電界結合によって、一方の送信回路から他方の受信回路に高周波信号が伝送される。よって、遠距離に適したアンテナ等の電磁波の放射を利用することなく、近距離に置かれた２つの伝送装置の間で非接触の送受信を実現することができ、主に電界結合によって送受信を行うので、磁界結合や静電界を利用する手法に比べて高周波信号を高い効率で伝送することが可能となる。
【０００８】
本発明において、「電界結合により」とあるのは、上記２つの共振素子の間で高周波信号を伝送する際に電界結合が支配的であるとの意味であり、電界結合より十分小さい磁界結合が存在することも想定される。また、上記２つの共振素子の各々の共振電極が直接対向するときの「所定の距離」は、高周波信号の周波数や伝送システムの用途に依存して定まる。例えば、ＲＦＩＤ等の非接触ＩＣカードの用途を想定すると、「所定の距離」が数１０ｍｍのオーダーであることが望ましい。この場合の伝送効率は、例えば２つの共振素子の各々の給電部の間で、高周波信号の減衰量が−１０ｄＢ以下であることが望ましい。
【０００９】
本発明において、前記第１及び第２の伝送装置の間で電力を伝送してもよく、あるいは情報を伝送してもよい。さらには、前記第１及び第２の伝送装置の間で電力及び情報の両方を同時に伝送してもよい。この場合、特に電力を伝送する形態に対しては、前記送信回路を、電源と、当該電源により供給される前記電力に応じた振幅を有する前記高周波信号を生成する高周波信号生成回路とを含めて構成するとともに、前記受信回路を、前記給電部を介して受信された前記高周波信号を整流して直流電圧に変換する整流回路を含めて構成することができる。
【００１０】
本発明において、前記第１及び第２の伝送装置の間で良好な伝送効率を確保するには、前記第１及び第２の共振素子の各々を、前記高周波信号の波長λに対して１／３λから１／２λの範囲内のサイズに形成することが好ましい。例えば、正方形の表面形状（パッチ状）の共振素子に対し、その各１辺を１／３λから１／２λの範囲内に設定することができる。
【００１１】
本発明において、前記給電部は多様な構造を持たせることができる。例えば、前記給電部には、前記第１及び第２の共振素子の各々のインピーダンスを整合するための給電構造を持たせることができる。この場合、前記給電部の給電構造として、前記誘電体基板を貫いて前記共振電極と電気的に接続されるビア導体を形成し、このビア導体の径に応じて前記インピーダンスを調整するようにしてもよい。
【００１２】
前記誘電体基板の材料は特に制約されないが、例えば、セラミック材料を用いて形成してもよい。セラミック材料を用いて前記誘電体基板を形成することにより、高周波特性に優れた共振素子を実現することができる。
【００１３】
また、本発明は上記伝送システムに適用するのみならず、所定の周波数で共振する第１及び第２の共振素子を含む各々の伝送装置に対しても適用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、近接配置される一対の共振素子の間で電力や情報を伝送する伝送システムにおいて、主に共振素子間に生じる電界結合によって良好な伝送効率で高周波信号を伝送させることができ、磁界結合や静電界の結合による伝送で生じる性能劣化を引き起こすことなく、小型化及び高周波化に適した伝送システムを多様な用途に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態の共振素子の概略の構造を表す斜視図である。
【図２】本実施形態の共振素子の模式的な上面図、側面図、下面図をそれぞれ表す図である。
【図３】本実施形態の一対の共振素子の配置状態を示す図である。
【図４】図３の配置状態にある一対の共振素子に対するシミュレーションの条件及び結果を表にして示す図である。
【図５】図３の配置状態にある一対の共振素子に対するシミュレーションによって得られた伝送効率の周波数特性を示すグラフである。
【図６】図３と同様の配置状態にある一対の共振素子の電磁界分布を表す図である。
【図７】一対の共振素子に関して距離と伝送効率との関係を示すグラフである。
【図８】電力を伝送する伝送システムの構成例を示す図である。
【図９】電力及び情報を伝送する伝送システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
最初に、本実施形態の伝送システムの各伝送装置に含まれる主要な構成要素である共振素子の構造について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の共振素子１０の概略の構造を表す斜視図である。また、図２は、図１の共振素子１０の模式的な上面図、側面図、下面図をそれぞれ表している。図１及び図２に示すように、本実施形態の共振素子１０は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１の上面に形成された共振電極１２と、誘電体基板１１の下面に形成された接地電極１３と、共振電極１２に接続されるビア導体１４と、接地電極１３の下方に形成された絶縁層１５と、絶縁層１５の下面に形成された入出力電極１６とを備えたマイクロストリップ線路構造を有している。
【００１８】
誘電体基板１１は、方形状の平面形状と所定の厚さを有し、セラミック材料を用いて形成するか、あるいは、例えばＦＲ−４（Flame retardant-4）等のガラスエポキシ樹脂材料を用いて形成してもよい。誘電体基板１１の上面の共振電極１２は、誘電体基板１１よりも小さいサイズの方形状の導体パターンに形成されている。誘電体基板１１の底面の接地電極１３は、誘電体基板１１の平面形状とほぼ同サイズのベタ状の導体パターンに形成されている。
【００１９】
例えば、４３０ＭＨｚ帯の共振周波数を想定すると、誘電体基板１１及び接地電極１３は、例えば矩形の各辺が２５〜１００ｍｍ程度の平面サイズを有し、共振電極１２は、例えば矩形の各辺が誘電体基板１１の３分の２程度の平面サイズを有し、誘電体基板１１の厚さは、例えば４〜１２ｍｍ程度に形成される。通常、上述の各サイズは、使用する高周波信号の波長λに対し、１／３λから１／２λの範囲内に設定することが望ましいが、この点に関しては後述する。なお、上述の各サイズや厚さについては、共振周波数等の条件に適合する所望の設計値に変更できることは当然である。
【００２０】
接地電極１３の下側には、絶縁層１５を挟んで入出力電極１６が形成されている。また、誘電体基板１１及び絶縁層１５を積層方向に貫いて、共振電極１２と入出力電極１６との間を電気的に接続する円柱状のビア導体１４が形成されている。図２に示すように、共振電極１２の中央の円形部分がビア導体１４の上端部１４ａに接続されるとともに、入出力電極１６の円形部分がビア導体１４の下端部１４ｂに接続されている。また、図２に示すように、入出力電極１６は、テーパー状の導体パターンに形成され、ビア導体１４の下端部１４ｂに接続される一端部から共振素子１０の側面側の他端部にかけて次第に細くなる形状を有する。なお、絶縁層１５は、接地電極１３と入出力電極１６を電気的に絶縁するために設けられ、誘電体基板１１よりも十分薄く、同様の材料によって形成される。
【００２１】
ビア導体１４が形成される円柱領域は、その表面のみに導体を形成して内部を空洞にしてもよいが、全体を導体材料で充填してもよい。給電部に相当するビア導体１４は、その直径に応じて共振素子１０のインピーダンスが変化することから、インピーダンスの調整手段として用いられるが、この点については後述する。なお、ビア導体１４と電気的に接続される入出力電極１６については、例えば、５０Ωのインピーダンスとなるようにサイズが調整されている。
【００２２】
図１及び図２の構造を有する共振素子１０を用いた送信動作時には、送信回路から所定の共振周波数（例えば、４３０ＭＨｚ帯）の高周波信号が入出力電極１６に入力され、ビア導体１４を介して共振電極１２を励振する。また、上記の共振素子１０を用いた受信動作時には、外部空間の電界を受けた共振電極１２では所定の共振周波数の高周波信号が生じ、それがビア導体１４及び入出力電極１６を経由して受信回路に伝送される。
【００２３】
次に、本実施形態の共振素子１０の伝送特性について図３〜図７を参照して説明する。図３は、図１及び図２の構造を有する一対の共振素子１０の配置状態を示している。図４の表は、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションの条件及び結果を表にして示している。図３には、一方の共振素子１０（１）と他方の共振素子１０（２）が伝送距離Ｌを隔てて積層方向で重なる位置に配置され、それぞれの共振電極１２の側が直接対向して向き合ったときの配置状態が示されている。そして、図４には、誘電体基板１１、共振電極１２、ビア導体１４についての設計条件や伝送距離Ｌの値として５通りの条件１〜５を規定するとともに、これらの条件１〜５に対するシミュレーションを行って得られた結果を表にしている。
【００２４】
図４に示す条件１〜５としては、誘電体基板１１の材料及び比誘電率εｒ、共振素子１０の全体及び共振電極１２のそれぞれの平面サイズ（１辺の長さ）、ビア導体１４の直径、誘電体基板１１の厚さ、図３の伝送距離Ｌについての多様な組合せが含まれる。また、シミュレーションの結果に基づいて得られた後述の伝送効率及び伝送周波数Ｆ０を示している。図４に示すように、共振素子１０の周波数帯域としては、４３０ＭＨｚ帯に加えて、９５０ＭＨｚ帯も適用可能であることがわかる。この場合、共振素子１０のサイズを同一材料（セラミック）の場合で比較すると、４３０ＭＨｚ帯に適用する場合に比べ、９５０ＭＨｚ帯に適用する場合は、より小型化が可能である。また、９５０ＭＨｚ帯の２つの条件４、５を比較すると、誘電体基板１１の材料としては、ＦＲ−４よりもセラミックを用いる方が高い伝送効率を得られ、かつ小型化に適している。
【００２５】
図５は、図４の条件１の場合に関し、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションによって得られた伝送効率の周波数特性を示している。条件１によれば、図４に示すように、共振素子１０の外形については、全体のサイズ（１辺の長さ）が５０ｍｍ、共振電極１２のサイズ（１辺）が３６．２５ｍｍ、セラミックからなる誘電体基板１１の厚さが１２ｍｍ、ビア導体１４の直径が１２ｍｍに設定されている。また、伝送距離Ｌについては、Ｌ＝３４ｍｍに設定されている。
【００２６】
図５において、横軸の周波数範囲４１０〜４６０ＭＨｚに対し、縦軸にはシミュレーションで得られたＳパラメータＳ２１の値（ｄＢ）をグラフにして示している。このＳパラメータＳ２１は、図３の配置状態で、一方の共振素子１０（１）から他方の共振素子１０（２）に伝送される高周波信号の透過特性を表わすものである。図５の横軸のほぼ中央で透過特性のピークＰが現れており、このピークＰの周波数を伝送周波数Ｆ０と定義すると、Ｆ０＝４３５．９ＭＨｚとなる。また、ピークＰのＳパラメータＳ２１は、Ｓ２１＝−１．１４３（ｄＢ）であり、このときに伝送特性が最も高い透過率（高い効率）になるので、これを伝送効率と定義すると、図５の伝送効率は７６．８％に対応する。このように、本実施形態の一対の共振素子１０を図３の配置状態で用いて高周波信号を伝送させると、非常に良好な伝送効率を得ることができる。
【００２７】
ここで、図６を参照して、一対の共振素子１０の間の伝送のメカニズムについて説明する。図６は、図３と同様の配置状態に置かれた一対の共振素子１０に関し、周波数４３５ＭＨｚの高周波信号を伝送させたときの電磁界分布を表した図である。図６の上段は電界強度分布を表し、図６の下段は磁界強度分布を表している。図６の上段の電界強度部分については、対向配置される一対の共振素子１０のうち、それぞれの共振電極１２の内部に近付くほど強くなるが、共振電極１２のビア導体１４を取り囲む外周部分にピークが現れる。一方、図６の下段の磁界強度部分については、電界強度分布に比べると、極めて弱くなっている。このように、図３の配置状態に置かれた一対の共振素子１０の間は、磁界結合が極めて弱く、電界結合が支配的であることがわかる。
【００２８】
一方、図７は、図４の条件１の場合に関し、図３の配置状態にある一対の共振素子１０に対するシミュレーションによって得られた伝送効率として、横軸の伝送距離Ｌ（図３参照）と縦軸の伝送効率との関係をグラフにして示している。図７では、ビア導体１４によるインピーダンス整合を行う場合の特性Ｃ１と、インピーダンス整合を行わない場合の特性Ｃ２を重ねて示している。また、図５の特性に対応する伝送距離Ｌとして、Ｌ＝３４ｍｍの位置を破線にて表している。
【００２９】
まず、インピーダンス整合ありの場合の特性Ｃ１においては、Ｌ＝３４ｍｍの位置で既に説明したように伝送効率７６．８％が得られる。この位置を基準として、伝送距離Ｌが小さい領域では伝送効率が緩やかに上昇していくが、伝送距離Ｌが大きい領域では伝送効率が減少していく。一方、インピーダンス整合なしの場合の特性Ｃ２においては、Ｌ＝３４ｍｍの位置では概ね特性Ｃ１と同等の伝送効率が得られ、それ以外の領域では特性Ｃ１に比べて伝送効率が劣化している。特に、伝送距離Ｌが大きい領域では、特性Ｃ２の伝送効率が急峻に劣化している。このように、伝送距離Ｌの増加に対して伝送効率の劣化を少なくするには、共振素子１０のインピーダンス整合を行うことが望ましい。
【００３０】
なお、図４の条件１に関するインピーダンスの調整に関し、例えば、ビア導体１４の直径を小さくしたときに伝送距離Ｌが長くなる傾向にあり、ビア導体１４の直径を大きくしたときに伝送距離Ｌが短くなる傾向にある。ただし、ビア導体１４の直径を大きくし過ぎると、共振電極１２のうち電界結合に寄与する領域を制約するため、好ましくない。
【００３１】
また、図４に示す条件１〜５に関し、共振電極１２のサイズと波長λは密接な関係がある。ここで、波長λは次式で表される。
【数１】
ただし、ｆ：周波数
εｒ：誘電体基板１１の比誘電率
μｒ：誘電体基板１１の比透磁率（ここでは、μｒ＝１とする）
【００３２】
そして、図４に示す条件１〜５に関し、共振電極１２のサイズに対する上式の波長λの比率を求めると、０．４６５〜０．４８２の範囲内に入る。実際には、良好な伝送効率を確保するため、共振電極１２のサイズとして、既に述べたように１／３λから１／２λの範囲内に設定することが好ましい。
【００３３】
次に、本実施形態の伝送システムの構成例について説明する。本実施形態の伝送システムは、図１に示す共振素子１０をそれぞれ含む複数の伝送装置から構成される。以下では、簡単のため、２台の伝送装置からなる伝送システムの構成例を説明する。既に説明したように、一対の共振素子１０により電力と情報の一方又は両方を伝送可能であるため、図８では電力を伝送する伝送システム１を示すとともに、図９では電力及び情報を伝送する伝送システム１ａを示す。
【００３４】
図８に示す伝送システム１の構成例は、２台の伝送装置２、３を含んで構成され、送信側の伝送装置２から受信側の伝送装置３に電力を伝送する機能を有している。送信側の伝送装置２は、電源２０、高周波発信機２１、増幅回路２２、インピーダンス整合回路２３、共振素子１０（０）を含んでいる。電源２０は、所定の電圧値を有する直流電力を生成する。なお、伝送装置２が携帯用途である場合は、電源２０として二次電池を搭載してもよい。高周波発信機２１は、電源２０から供給される電力を用いて上述の共振周波数を有する高周波信号を生成する。増幅回路２２は、高周波発信機２１から出力される高周波信号を増幅し、所定レベルの送信信号を出力する。インピーダンス整合回路２３は、上述のビア導体１４を含む信号経路に構成され、共振素子１０（０）のインピーダンスを整合する回路である。なお、インピーダンスはビア導体１４のみで調整してもよいが、ビア導体１４に加えて調整用の個別素子を設けてもよい。以上の構成要素により、上述の共振周波数及び所定レベルの送信信号が共振素子１０（０）に入力される。
【００３５】
一方、受信側の伝送装置３は、共振素子１０（１）、インピーダンス整合回路３０、整流回路３１、電源制御回路３２、デバイス３３を含んでいる。共振素子１０（１）は、対向配置される共振素子１０（０）から伝送される送信信号を受け、受信信号を出力する。インピーダンス整合回路３０の役割は送信側のインピーダンス整合回路２３と同様である。整流回路３１は、共振素子１０（１）からインピーダンス整合回路３０を経由して受け取った受信信号を整流して直流電圧に変換する回路である。例えば、整流回路３１では、ダイオードの整流作用を利用することができる。電源制御回路３２は、整流回路３１から出力された直流電圧を制御してデバイス３３に供給する。なお、電源制御回路３２は、例えば、二次電池やキャパシタを接続して電力を蓄積可能に構成してもよく、あるいはフィルタ回路や昇圧回路などを設けてもよい。デバイス３３は、電源制御回路３２から直流電圧が供給される負荷であり、特に制約されないが、所定の機能を持つＩＣ等、多様な形態を利用することができる。
【００３６】
次に、図９に示す伝送システム１ａの構成例は、２台の伝送装置２ａ、３ａを含んで構成され、送信側の伝送装置２ａから受信側の伝送装置３ａに電力及び情報を伝送する機能を有している。なお、図９の構成例では、伝送システム１ａのうち、伝送装置３ａは受信機能に加えて送信機能を併せ持ち、伝送装置２ａは送信機能に加えて受信機能を併せ持つ。送信側の伝送装置２ａは、データＩ／Ｏ部４０、ＲＦトランシーバ回路４１、電源４２、インピーダンス整合回路４３、共振素子１０（０）を含んでいる。データＩ／Ｏ部４０は、送信対象のデータを所定の形式に従って順次送出する。ＲＦトランシーバ回路４１は、電源４２から供給される電力を用いて、データＩ／Ｏ部４０から受け取ったデータにより変調された高周波信号を生成する。この高周波信号は、上述の共振周波数及び所定のレベルを有する送信信号となる。インピーダンス整合回路４３は、図８のインピーダンス整合回路２３と同様、共振素子１０（０）のインピーダンスを整合する回路である。以上の構成要素により、上述の共振周波数及び所定のレベルを有する送信信号が共振素子１０（０）に入力される。
【００３７】
一方、受信側の伝送装置３ａは、共振素子１０（１）、インピーダンス整合回路５０、分配回路５１、整流回路５２、電源制御回路５３、ＲＦトランシーバ回路５４、デバイス制御回路５５、デバイス５６を含んでいる。共振素子１０（１）は、対向配置される共振素子１０（０）から伝送される送信信号を受け、受信信号を出力する。インピーダンス整合回路５０の役割は送信側のインピーダンス整合回路４３と同様であるが、伝送装置３ａは送信機能と受信機能を併せ持つため、インピーダンス整合回路５０は送信及び受信に対応する整合回路を備えており、受信側の整合回路に接続される端子Ｔｒと送信側の整合回路に接続される端子Ｔｓとが設けられている。インピーダンス整合回路５０の受信側の端子Ｔｒに接続される分配回路５１は、共振素子１０（１）からインピーダンス整合回路５０を経由して受け取った受信信号を、電力信号の経路と情報信号の経路に分配する。すなわち、分配回路５１が整流回路５２とＲＦトランシーバ回路５４にそれぞれ接続され、前者が電力信号用の経路となり、後者が情報信号用の経路となる。なお、図９では、情報信号用の経路を点線で表し、他の経路と区別して表している。
【００３８】
整流回路５２は、図８の整流回路３１と同様に機能し、分配回路５１から受け取った受信信号を整流して直流電圧に変換する回路である。整流回路５２で得られた直流電圧は、電源制御回路５３及びＲＦトランシーバ回路５４にそれぞれ供給される。電源制御回路５３及びデバイス５６は、図８の電源制御回路３２及びデバイス３３と同様に機能するが、図９に示すように、これらの構成要素に加えて、デバイス制御回路５５が設けられている。デバイス制御回路５５は、電源制御回路５３から供給される直流電圧により動作する制御回路であり、例えば、ＩＣチップなどが用いられる。デバイス制御回路５５は、記憶手段に保持する情報（プログラムやデータ）に基づいて、デバイス５６の動作を制御する。一方、ＲＦトランシーバ回路５４は、分配回路５１から受け取った受信信号を復調してデータを抽出する。デバイス制御回路５５は、ＲＦトランシーバ回路５４で抽出されたデータを受け取って必要な制御情報を判別する。また、伝送装置３ａにおける送信動作時には、ＲＦトランシーバ回路５４は、送信対象のデータにより変調された高周波信号を生成し、送信信号としてインピーダンス整合回路５０を介して共振素子１０（１）に出力する。
【００３９】
以上のように、２つの構成例に示される伝送システム１、１ａは多様な用途に適用することができる。電力を伝送する伝送システム１（図８）は、独自の電源を持たないセンサ端末等の機器に用いることができる。例えば、電源を利用できる伝送装置２から、電源を持たない伝送装置３に電力を伝送することで、ケーブル等を配線することなく伝送装置３のセンサ等を駆動することができる。また、電力及び情報を伝送する伝送システム１ａ（図９）は、固定型の伝送装置２ａから携帯型の伝送装置３ａに電力及び情報を伝送する用途に利用することができる。例えば、一般的なＲＦＩＤと同様、物品管理や交通機関における認証用途に利用することができる。また例えば、道路に設置された固定型の伝送装置２ａと、自動車等に配置された移動型の伝送装置３ａとの間で各種情報の通信を行う用途に利用することができる。
【００４０】
なお、図８及び図９では、電力を伝送する伝送システム１と、電力及び情報を伝送する伝送システム１ａを説明したが、電力を伝送せずに情報のみを伝送する伝送システムに対しても本発明を適用可能である。また、伝送システム内に、電力を伝送する伝送装置と、情報を伝送する伝送装置と、電力及び情報を伝送する伝送装置が混在してもよい。また、伝送システム内に、送信回路を含む伝送装置と、受信回路を含む伝送装置と、送信回路と受信回路の両方を含む伝送装置が混在してもよい。
【００４１】
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、図１及び図２では、共振電極１２が方形状の導体パターンを有する場合を説明したが、これに限られることなく、長方形や円形など多様な形状の導体パターンを用いて共振電極１２を形成することができる。また、ビア導体１４や入出力電極１６についても、図１及び図２の構造に限られず、多様な構造で形成することができる。また、給電部としてビア導体１４を設ける代わりに、入出力電極１６に接続される側面電極を設けてもよい。この場合、インピーダンスの調整手段としては、ビア導体１４の代わりに、共振電極１２に形成したスリットのサイズを調整するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１（１ａ）…伝送システム
２、３（２ａ、３ａ）…伝送装置
１０…共振素子
１１…誘電体基板
１２…共振電極
１３…接地電極
１４…ビア導体
１５…絶縁層
１６…入出力電極
２０、４２…電源
２１…高周波発信機
２２…増幅回路
２３、３０、４３、５０…インピーダンス整合回路
３１、５２…整流回路
３２、５３…電源制御回路
３３、５６…デバイス
４０…データＩ／Ｏ部
４１、５４…ＲＦトランシーバ回路
５１…分配回路
５５…デバイス制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で共振する第１の共振素子と、第１の回路とを含む第１の伝送装置と、
前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と、第２の回路とを含む第２の伝送装置と、
を含んで構成され、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記所定の周波数の高周波信号を伝送する伝送システムにおいて、
前記第１及び第２の共振素子の各々は、
誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、
前記第１及び第２の回路のうち、少なくとも、一方は前記給電部に接続される送信回路を備え、他方は前記給電部に接続される受信回路を備え、
前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴とする伝送システム。
【請求項２】
前記高周波信号により電力が伝送されることを特徴とする請求項１に記載の伝送システム。
【請求項３】
前記高周波信号により情報が伝送されることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送システム。
【請求項４】
前記送信回路は、電源と、当該電源により供給される前記電力に応じた振幅を有する前記高周波信号を生成する高周波信号生成回路と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の伝送システム。
【請求項５】
前記受信回路は、前記給電部を介して受信された前記高周波信号を整流して直流電圧に変換する整流回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の伝送システム。
【請求項６】
前記第１及び第２の共振素子の各々は、前記高周波信号の波長λに対し、１／３λから１／２λの範囲内のサイズに形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項７】
前記給電部は、前記第１及び第２の共振素子の各々のインピーダンスを整合するための給電構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項８】
前記給電構造は、前記誘電体基板を貫いて前記共振電極と電気的に接続されるビア導体であり、当該ビア導体の径に応じて前記インピーダンスを調整可能であることを特徴とする請求項７に記載の伝送システム。
【請求項９】
前記誘電体基板は、セラミック材料により形成されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項１０】
所定の周波数で共振する第１の共振素子と、前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と、を含んで構成される伝送装置であって、
前記第１及び第２の共振素子の各々は、
誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、
前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の共振素子の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴とする伝送装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２の共振素子のうち、少なくとも、一方の前記給電部に接続される送信回路と、他方の前記給電部に接続される受信回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の伝送装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の前記第１及び第２の共振素子の間で電力が伝送されることを特徴とする電力伝送装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の前記第１及び第２の共振素子の間で情報が伝送されることを特徴とする情報伝送装置。
【請求項１】
所定の周波数で共振する第１の共振素子と、第１の回路とを含む第１の伝送装置と、
前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と、第２の回路とを含む第２の伝送装置と、
を含んで構成され、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記所定の周波数の高周波信号を伝送する伝送システムにおいて、
前記第１及び第２の共振素子の各々は、
誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、
前記第１及び第２の回路のうち、少なくとも、一方は前記給電部に接続される送信回路を備え、他方は前記給電部に接続される受信回路を備え、
前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の伝送装置の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴とする伝送システム。
【請求項２】
前記高周波信号により電力が伝送されることを特徴とする請求項１に記載の伝送システム。
【請求項３】
前記高周波信号により情報が伝送されることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送システム。
【請求項４】
前記送信回路は、電源と、当該電源により供給される前記電力に応じた振幅を有する前記高周波信号を生成する高周波信号生成回路と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の伝送システム。
【請求項５】
前記受信回路は、前記給電部を介して受信された前記高周波信号を整流して直流電圧に変換する整流回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の伝送システム。
【請求項６】
前記第１及び第２の共振素子の各々は、前記高周波信号の波長λに対し、１／３λから１／２λの範囲内のサイズに形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項７】
前記給電部は、前記第１及び第２の共振素子の各々のインピーダンスを整合するための給電構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項８】
前記給電構造は、前記誘電体基板を貫いて前記共振電極と電気的に接続されるビア導体であり、当該ビア導体の径に応じて前記インピーダンスを調整可能であることを特徴とする請求項７に記載の伝送システム。
【請求項９】
前記誘電体基板は、セラミック材料により形成されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の伝送システム。
【請求項１０】
所定の周波数で共振する第１の共振素子と、前記所定の周波数で共振する第２の共振素子と、を含んで構成される伝送装置であって、
前記第１及び第２の共振素子の各々は、
誘電体基板の一方の面に形成される共振電極と、前記誘電体基板の他方の面に形成される接地電極と、前記共振電極に接続される給電部とを備え、
前記第１及び第２の共振素子のそれぞれの前記共振電極が所定の距離を介して直接対向する状態で配置されたときの電界結合により、前記第１及び第２の共振素子の間で前記高周波信号が伝送されることを特徴とする伝送装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２の共振素子のうち、少なくとも、一方の前記給電部に接続される送信回路と、他方の前記給電部に接続される受信回路と、を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の伝送装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の前記第１及び第２の共振素子の間で電力が伝送されることを特徴とする電力伝送装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の前記第１及び第２の共振素子の間で情報が伝送されることを特徴とする情報伝送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−８５２３４（Ｐ２０１２−８５２３４Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３１９５７（Ｐ２０１０−２３１９５７）
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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