通信装置
【課題】電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制して、通信可能範囲の短縮を防ぐ。
【解決手段】通信装置内で、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置し、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置する。高周波結合器から放射された電界信号は、表面波伝送路に沿って、筐体表面まで低損失で伝搬する。高周波結合器は筐体表面より内側に離間して配置されているので、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができ、通信可能距離を保つことができる。
【解決手段】通信装置内で、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置し、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置する。高周波結合器から放射された電界信号は、表面波伝送路に沿って、筐体表面まで低損失で伝搬する。高周波結合器は筐体表面より内側に離間して配置されているので、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができ、通信可能距離を保つことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送を行なう通信装置に係り、特に、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制する通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触通信は、認証情報や電子マネーその他の価値情報のメディアとして広く利用されている。また、最近では、非接触通信システムのさらなるアプリケーションとして、動画像や音楽などのダウンロードやストリーミングといった大容量データ伝送を挙げることができる。大容量データ伝送も、単一のユーザー操作で済み、且つ、従来の認証・課金処理と同じアクセス時間の感覚で完結することが好ましく、それゆえ通信レートの高速化が必須となる。
【０００３】
一般的なＲＦＩＤ規格は、１３．５６ＭＨｚ帯を使い、電磁誘導を主原理とする近接型（０〜１０ｃｍ以下：Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ）の非接触双方向通信であり、その通信レートは１０６ｋｂｐｓ〜４２４ｋｂｐｓ程度に過ぎない。これに対し、高速通信に適用可能な近接無線転送技術として、微弱なＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）信号を用いたＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照のこと）を挙げることができる。この近接無線転送技術（ＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ）は、基本的に、電界結合作用を利用して信号を伝送する方式であり、その通信装置の高周波結合器は、高周波信号の処理を行なう通信回路部と、グランドに対しある程度の高さで離間して配置された結合用電極と、結合用電極に高周波信号を効率的に供給する共振部で構成される。
【０００４】
近接無線転送機能を小型に製作すれば、組み込み用途にも適し、例えばパーソナル・コンピューターや携帯電話機などの各種情報機器に搭載することができる。ここで、微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送は、結合用電極から発生する電界のうち縦波ＥRの誘導電界を主に利用することから（後述）、その電界信号は短距離で急激に減衰し、通信可能範囲は２〜３ｃｍ程度しかない。このため、組み込み用途においては、高周波結合器をできるだけ筐体の表面近くに配置することが好ましいと考えられる。
【０００５】
他方、近接無線転送機能を搭載した情報機器の利用形態として、通常の空気中ではなく水中に沈めて使用することも想定される。しかし、水の誘電率は空気に比べて非常に大きいため、高周波結合器の近くにある水の影響で高周波結合器の共振周波数が低下し、その結果、通信に使用する周波数での結合強度が弱くなることが懸念される。とりわけ海水中では、もともと電界信号が吸収され易く、通信可能距離が短くなりがちである。したがって、水中でも通信を行なおうとするならば、水中でも共振周波数が変化しないようにする必要がある。
【０００６】
水の誘電率の影響を低減するため、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することも考えられる。しかしながら、電界信号が筐体表面に到達するまでの間に減衰してしまい、通信可能範囲が短くなることを免れ得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３４５８４９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｆｅｒｊｅｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ（平成２２年３月２日現在）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送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。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制して、通信可能範囲の短縮を防ぐことができる、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】
【００１１】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
筐体と、
前記筐体の表面より内側に離間して配置された、誘導電界の信号を送受信する高周波結合器と、
前記高周波結合器の誘導電界の放射面から前記筐体の表面までの間に配設された表面波伝送路と、
を具備する通信装置である。ここで言う高周波結合器は、請求項２に記載の発明によれば、前記伝送路の一端に接続され電荷を蓄える結合用電極と、前記結合用電極に対向して配置され前記電荷に対する鏡像電荷を蓄えるグランドと、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て前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する金属線からなる支持部を有し、前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成して、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記縦波の誘導電界の信号を出力するように構成されている。
【００１２】
また、本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置の表面波伝送路は、金属線で構成される。
【００１３】
また、本願の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置の表面波伝送路は、誘電体の棒で構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送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。
【００１５】
また、本発明によれば、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制して、通信可能範囲の短縮を防ぐことができる、優れた通信装置を提供することができる。
【００１６】
本発明に係る通信装置は、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することで、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができるとともに、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置することで、筐体表面まで電界信号を低損失で伝搬することができる。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、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の基本構成を示した図である。
【図３】図３は、図２に示した高周波結合器の一実装例を示した図である。
【図４】図４は、微小ダイポールによる電界を表した図である。
【図５】図５は、図４に示した電界を結合用電極上にマッピングした図である。
【図６】図６は、容量装荷型アンテナの構成例を示した図である。
【図７】図７は、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８】図８は、図７に示した高周波結合器において、スタブ７３上に定在波が発生している様子を示した図である。
【図９】図９は、高周波結合器を情報機器の筐体の表面近くに配置した様子を示した図である。
【図１０】図１０は、高周波結合器を筐体の表面近くに配置した情報機器を水中に置いた様子を示した図である。
【図１１】図１１は、高周波結合器を内蔵した情報機器を空気中、真水中、海水中に置いたときの、各使用周波数における高周波結合器間の結合強度の測定結果を示した図である。
【図１２】図１２は、高周波結合器を情報機器の筐体表面より内側に離間して配置した様子を示した図である。
【図１３】図１３は、筐体１３０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１３０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１３０３を設けた情報機器１３００の一構成例を示した図である。
【図１４】図１４は、筐体１４０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１４０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１４０３を設けた情報機器１４００の他の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１には、電界結合作用を利用した微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示している。同図において、送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信に用いられる結合用電極１４及び２４は、例えば３ｃｍ程度（若しくは使用周波数帯の２分の１波長程度）だけ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へ電界信号として伝搬する。そして、受信機２０側の受信回路部２１は、受信した高周波の電界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。
【００２１】
近接無線転送においてＵＷＢを使用すると、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、近接無線転送では、後述するように放射電界ではなく静電界若しくは誘導電界の結合作用を利用する。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が所定レベル以下に抑制することで、近接無線転送システムは、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、安価に構成することができる。また、近接無線転送では、電界結合方式によりデータ通信を行なうので、周辺に存在する反射物からの反射波が小さいため干渉の影響が少ない、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。
【００２２】
一方、無線通信では、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。ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を利用した近接無線転送では、３ｃｍ程度の通信距離は約２分の１波長に相当する。すなわち、通信距離は近接といえども無視することはできない長さであり、伝搬損を十分低く抑える必要がある。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。
【００２３】
例えば、図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信回路部１１と送信用電極１４を結ぶ高周波電界信号の伝送路が例えば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、電界信号は反射して伝搬損を生じることから、通信効率が低下する。
【００２４】
そこで、図２に示すように、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、平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並びに、並列インダクタ１３、２３からなる共振部を高周波信号伝送路に接続して構成している。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で構成することができる。このような高周波結合器を向かい合わせて配置すると、準静電界が支配的な極近距離では結合部分がバンドパス・フィルタのように動作して、高周波信号を伝達することができる。また、誘導電界が支配的な、波長に対して無視できない距離であっても、結合用電極とグランドにそれぞれたまる電荷並びに鏡像電荷によって形成される微小ダイポール（後述）から発生する誘導電界を介して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。
【００２５】
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、各結合器を平板状の電極１４、２４と直列インダクタ１２、２２を高周波信号伝送路上に直列接続するという簡素な構造であっても、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。しかしながら、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、並列インダクタ１３、２３を設けることによって、より大きな電荷を結合用電極１４に送り込み、結合用電極１４、２４間で強い電界結合作用を生じさせることができる。また、結合用電極１４の表面の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（微小ダイポールの方向：後述）に振動する縦波の電界信号として、結合用電極１４の表面から伝搬する。この電界の波により、結合用電極１４、２４間の距離（位相長さ）が比較的大きな場合であっても電界信号を伝搬することが可能になる。
【００２６】
以上を要約すると、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムでは、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。
【００２７】
（１）グランドに対向して高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間した位置に電界で結合するための結合用電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための共振部があること。
（３）通信に使用する周波数帯において、結合用電極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、直列・並列インダクタ、及び、結合用電極によるコンデンサの定数、あるいはスタブの長さが設定されていること。
【００２８】
図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信機１０及び受信機２０の各結合用電極１４及び２４が適当な距離を隔てて対向すると、２つの高周波結合器は、所望の高周波数帯の電界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して、結合用電極には振幅の大きな電流が流入する。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、高周波信号伝送路に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ことから、近隣の他の通信システムへの影響はない。すなわち、送信機側では、通信相手が存在しないときには、旧来のアンテナのように電波を垂れ流すことはなく、通信相手が近づいたときのみインピーダンス整合がとれることによって高周波の電界信号の伝達が行なわれる。
【００２９】
図３には、図２に示した高周波結合器の一実装例を示している。送信機１０及び受信機２０側のいずれの高周波結合器も同様に構成することができる。同図において、結合用電極１４は誘電体からなるスペーサー１５の上面に配設され、プリント基板１７上の高周波信号伝送路とはこのスペーサー１５内を貫挿するスルーホール１６を通して電気的に接続されている。同図では、スペーサー１５は略円柱状で、結合用電極１４は略円形あるが、特定の形状に限定されるものではない。
【００３０】
例えば、所望の高さを持つ誘電体にスルーホール１６を形成した後、スルーホール１６中に導体を充填させるとともに、この誘電体の上端面に結合用電極１４となるべき導体パターンを、例えば鍍金技術により蒸着する。また、プリント基板１７上には、高周波伝送線路となる配線パターンが形成されている。そして、プリント基板１７上にこのスペーサー１５をリフロー半田などにより実装することによって、高周波結合器を製作することができる。プリント基板１７の回路実装面（若しくはグランド１８）から結合用電極１４までの高さ、すなわちスルーホール１６の長さ（位相長さ）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１６がインダクタンスを持ち、図２に示した直列インダクタ１２と代用することができる。また、高周波信号伝送路はチップ状の並列インダクタ１３を介してグランド１８に接続されている。
【００３１】
ここで、送信機１０側の結合用電極１４において発生する電磁界について考察してみる。
【００３２】
図１並びに図２に示すように、結合用電極１４は、高周波信号の伝送路の一端に接続され、送信回路部１１から出力される高周波信号が流れ込んで、電荷を蓄える。このとき、直列インダクタ１２及び並列インダクタ１３からなる共振部の共振作用によって、伝送路を介して結合用電極１４に流れ込む電流は増幅され、より大きな電荷が蓄えられる。
【００３３】
また、結合用電極１４に対向するように、高周波信号の波長に対して無視し得る高さ（位相長さ）だけ離間して、グランド１８が配置されている。そして、上述のように結合用電極１４に電荷が蓄えられると、グランド１８には鏡像電荷が蓄えられる。平面導体の外部に点電荷Ｑを置くと、平面導体内には（表面電荷分布を置き換えた仮想的な）鏡像電荷−Ｑが配置されるが、このことは、例えば溝口正著「電磁気学」（裳華房、第５４頁乃至第５７頁）にも記載されているように、当業界で周知である。
【００３４】
上述のように点電荷Ｑ及び鏡像電荷−Ｑが蓄えられた結果、結合用電極１４に蓄えられた電荷の中心とグランド１８に蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールが形成される。厳密に言うと、電荷Ｑと鏡像電荷−Ｑは体積を持ち、微小ダイポールが電荷の中心と鏡像電荷の中心を結ぶように形成される。ここで言う「微小ダイポール」は、「電気ダイポールの電荷間の距離が非常に短いもの」を指す。例えば虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁）にも、「微小ダイポール」が記載されている。そして、微小ダイポールによって、電界の横波成分Ｅθ、電界の縦波成分ＥR、微小ダイポール回りの磁界Ｈφが発生する。
【００３５】
図４には、微小ダイポールによる電界を表している。また、図５には、この電界を結合用電極上にマッピングした様子を示している。図示のように、電界の横波成分Ｅθは伝搬方向と垂直な方向に振動し、電界の縦波成分ＥRは伝搬方向と平行な向きに振動する。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈφが発生する。下式（１）〜（３）は微小ダイポールによって生成される電磁界を表している。同式中、距離Ｒの３乗に反比例する成分は静電磁界、距離Ｒの２乗に反比例する成分は誘導電磁界、距離Ｒに反比例する成分は放射電磁界である。
【００３６】
【数１】
【００３７】
図１に示した近接無線転送システムにおいて、周辺システムへの妨害波を抑制するには、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を利用することが好ましいと考えられる。何故ならば、上式（１）、（２）から分かるように、電界の横波成分Ｅθは距離に反比例する（すなわち、距離減衰の小さい）放射電界を含むのに対して、縦波成分ＥRは放射電界を含まないからである。
【００３８】
まず、電界の横波成分Ｅθを生じないようにするには、高周波結合器がアンテナとして動作しないようにする必要がある。図２に示した高周波結合器は、一見すると、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」のアンテナと構造が類似する。したがって、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして動作しないようにする必要がある。図６には、容量装荷型アンテナの構成例を示しているが、同図中で矢印Ａ方向に主に電界の縦波成分ＥRが発生するとともに、矢印Ｂ1、Ｂ2方向には電界の横波成分Ｅθが発生する。
【００３９】
図３に示した結合用電極の構成例では、誘電体１５とスルーホール１６は、結合用電極１４とグランド１８との結合を回避する役割と、直列インダクタ１２を形成する役割を兼ね備えている。プリント基板１７の回路実装面から電極１４まで十分な高さをとって直列インダクタ１２を構成することによって、グランド１８と電極１４との電界結合を回避して、受信機側の高周波結合器との電界結合作用を確保する。但し、誘電体１５の高さが大きい、すなわちプリント基板１７の回路実装面から電極１４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、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして作用してしまい、図６中の矢印Ｂ1、Ｂ2方向で示したような横波成分Ｅθが発生する。よって、誘電体１５の高さは、電極１４とグランド１８との結合を回避して高周波結合器としての特性を得るとともに、インピーダンス・マッチング回路として作用するために必要な直列インダクタ１２を構成するために十分な長さとし、直列インダクタ１２に流れる電流による不要電波Ｅθの放射が大きくならない程度に短いことが条件となる。
【００４０】
他方、上式（２）から、縦波ＥR成分は微小ダイポールの方向となす角θ＝０度で極大となることが分かる。したがって、電界の縦波ＥRを効率的に利用して非接触通信を行なうには、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して通信相手側の高周波結合器を配置して、高周波の電界信号を伝送することが好ましい。
【００４１】
また、直列インダクタ１２と並列インダクタ１３からなる共振部によって、結合用電極１４に流れ込む高周波信号の電流をより大きくすることができる。この結果、結合用電極１４に蓄積される電荷とグランド側の鏡像電荷によって形成される微小ダイポールのモーメントを大きくすることができ、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となる伝搬方向に向かって、縦波ＥRからなる高周波の電界信号を効率的に放出することができる。
【００４２】
図２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。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。これに対し、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という解決方法が考えられる。
【００４３】
図７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。図示の例では、下面にグランド導体７２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７１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７３が形成され、信号線パターン７４を介して送受信回路モジュール７５と結線している。スタブ７３は、先端においてプリント基板７１を貫挿するスルーホール７６を介して下面のグランド７２に接続してショートされる。また、スタブ７３の中央付近において、細い金属線からなる１本の端子７７を介して結合用電極７８に接続される。
【００４４】
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。
【００４５】
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、スタブ７３の先端部で反射し、スタブ７３内には定在波が立つことになる。スタブ７３の位相長さは高周波信号の２分の１波長（位相にして、１８０度）程度とし、信号線７４とスタブ７３はプリント基板７１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。図８に示すように、スタブ７３の位相長さが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７３内に発生する定在波の電圧振幅はスタブ７３の先端で０となり、スタブ７３の中央、すなわちスタブ７３の先端から４分の１波長（９０度）のところで最大となる。定在波の電圧振幅が最大となるスタブ７３の中央付近に結合用電極７８を１本の端子７７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。
【００４６】
図７中に示すスタブ７３は、プリント基板７１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。また、分布定数回路を構成するスタブ７３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位相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。
【００４７】
続いて、近接無線転送機能を組み込み用途に適用する場合について考察する。
【００４８】
微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送は、結合用電極から発生する電界のうち縦波ＥRの誘導電界を主に利用し、その電界信号は短距離で急激に減衰する。このため、図９に示すように、高周波結合器をできるだけ筐体の表面近くに配置することが好ましいと考えられる。
【００４９】
他方、近接無線転送機能を搭載した情報機器の利用形態として、図１０に示すように、通常の空気中ではなく水中に沈めて使用することも想定される。ここで、水は誘電体であり、その比誘電率は８０と非常に高い。このため、高周波結合器を筐体の表面近くに配置すると、波長短縮の効果により、高周波結合器の共振周波数が低下してしまう。
【００５０】
図１１には、高周波結合器を内蔵した情報機器を空気中、真水中、海水（濃度３．５％の塩水）中に置いたときの、各使用周波数における高周波結合器間の結合強度の測定結果を示している。図示の結果から、空気中に比べて、真水中、並びに、海水中に置いたときの方が、共振周波数が１０％程度低下し、通信を行なう周波数での結合強度が弱くなっていることが分かる。また、真水に比べて、海水中で更に結合強度が弱くなっているが、これは、海水中ではイオン伝導による導体損が影響しているためと考えられる。
【００５１】
微弱ＵＷＢ通信方式の近接無線転送を始めとする非接触通信の大きな特徴として、ケーブルなどで電極を接触させなくてよいことが挙げられる。したがって、水中でもできるだけ高周波結合器の性能を劣化させないようにしたいという要望がある。
【００５２】
水の誘電率の影響を低減するため、図１２に示すように、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することも考えられる。この場合、筐体内の高周波結合器と誘電体（水）との距離が離れて、高い誘電率の影響を受けにくくなり、共振周波数は変化しなくなる。しかしながら、電界信号が筐体表面に到達するまでの間に減衰してしまい、やはり通信可能範囲が短くなることを免れ得ない。
【００５３】
もともと真水中や海水中では空気中に比べて電界信号の減衰量が大きいので、高周波結合器から放射される電界信号をできるだけ強くしておく必要がある。
【００５４】
そこで、本発明者は、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置すると同時に、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置するという通信装置の構成を提案する。高周波結合器から放射された電界信号は、表面波伝送路に沿って、筐体表面まで低損失で伝搬することができる。また、高周波結合器は筐体表面より内側に離間して配置されているので、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができ、通信可能距離の長い近接無線転送を実現することができる。
【００５５】
図１３には、情報機器の筐体１３０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１３０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１３０３を設けた情報機器１３００の一構成例を示している。図示の例では、表面波伝送路は金属線で構成される。なお、本出願人に既に譲渡されている特開２００８−９９２３４号公報には、銅線などの導体からなり、高周波結合器から放射される電界信号を内部及び表面を通じて効率的に伝達する表面波伝送線路について開示されている。
【００５６】
また、図１４には、筐体１４０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１４０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１４０３を設けた情報機器１４００の他の構成例を示している。図示の例では、表面波伝送路は誘電体の棒で構成される。なお、本出願人に既に譲渡されている特許第４３４５８５０号公報には、誘電体の線状部材からなり、高周波結合器から放射される電界信号を内部及び表面を通じて効率的に伝達する表面波伝送線路について開示されている。
【００５７】
アンテナや高周波結合器のような共振器は、近くにある誘電体の影響で共振周波数が低下する。これに対して、表面波伝送路は特定の共振周波数を持たないので、近くに誘電体があっても、共振周波数が変化することはなく、誘電体の影響を受けにくい。
【００５８】
図１３又は図１４に示した情報機器によれば、空気中に置かれても、水中に置かれても、高周波結合器において共振周波数の変化が少なく、あらゆる環境で最適な通信状況を保つことができる。
【００５９】
また、図１３又は図１４に示した情報機器によれば、高周波結合器から放射された電界信号を低損失で、情報機器の筐体の表面まで導くので、空気中に置かれても、水中に置かれても、通信可能距離の低下量は小さい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１０…送信機、
１１…送信回路部
１２、２２…直列インダクタ
１３、２３…並列インダクタ
１４…送信用電極
１５…誘電体（スペーサー）
１６…スルーホール
１７…プリント基板
１８…グランド
２０…受信機
２１…受信回路部
２４…受信用電極
７１…プリント基板
７２…グランド導体
７３…スタブ
７４…信号線パターン
７５…送受信回路モジュール
７６…スルーホール
７７…端子
７８…結合用電極
１３００、１４００…情報機器
１３０１、１４０１…筐体
１３０２、１４０２…高周波結合器
１３０３…表面波伝送路（金属線）
１４０３…表面波伝送路（誘電体の棒）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送を行なう通信装置に係り、特に、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制する通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触通信は、認証情報や電子マネーその他の価値情報のメディアとして広く利用されている。また、最近では、非接触通信システムのさらなるアプリケーションとして、動画像や音楽などのダウンロードやストリーミングといった大容量データ伝送を挙げることができる。大容量データ伝送も、単一のユーザー操作で済み、且つ、従来の認証・課金処理と同じアクセス時間の感覚で完結することが好ましく、それゆえ通信レートの高速化が必須となる。
【０００３】
一般的なＲＦＩＤ規格は、１３．５６ＭＨｚ帯を使い、電磁誘導を主原理とする近接型（０〜１０ｃｍ以下：Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ）の非接触双方向通信であり、その通信レートは１０６ｋｂｐｓ〜４２４ｋｂｐｓ程度に過ぎない。これに対し、高速通信に適用可能な近接無線転送技術として、微弱なＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）信号を用いたＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照のこと）を挙げることができる。この近接無線転送技術（ＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ）は、基本的に、電界結合作用を利用して信号を伝送する方式であり、その通信装置の高周波結合器は、高周波信号の処理を行なう通信回路部と、グランドに対しある程度の高さで離間して配置された結合用電極と、結合用電極に高周波信号を効率的に供給する共振部で構成される。
【０００４】
近接無線転送機能を小型に製作すれば、組み込み用途にも適し、例えばパーソナル・コンピューターや携帯電話機などの各種情報機器に搭載することができる。ここで、微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送は、結合用電極から発生する電界のうち縦波ＥRの誘導電界を主に利用することから（後述）、その電界信号は短距離で急激に減衰し、通信可能範囲は２〜３ｃｍ程度しかない。このため、組み込み用途においては、高周波結合器をできるだけ筐体の表面近くに配置することが好ましいと考えられる。
【０００５】
他方、近接無線転送機能を搭載した情報機器の利用形態として、通常の空気中ではなく水中に沈めて使用することも想定される。しかし、水の誘電率は空気に比べて非常に大きいため、高周波結合器の近くにある水の影響で高周波結合器の共振周波数が低下し、その結果、通信に使用する周波数での結合強度が弱くなることが懸念される。とりわけ海水中では、もともと電界信号が吸収され易く、通信可能距離が短くなりがちである。したがって、水中でも通信を行なおうとするならば、水中でも共振周波数が変化しないようにする必要がある。
【０００６】
水の誘電率の影響を低減するため、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することも考えられる。しかしながら、電界信号が筐体表面に到達するまでの間に減衰してしまい、通信可能範囲が短くなることを免れ得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３４５８４９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｆｅｒｊｅｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ（平成２２年３月２日現在）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送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。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制して、通信可能範囲の短縮を防ぐことができる、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】
【００１１】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
筐体と、
前記筐体の表面より内側に離間して配置された、誘導電界の信号を送受信する高周波結合器と、
前記高周波結合器の誘導電界の放射面から前記筐体の表面までの間に配設された表面波伝送路と、
を具備する通信装置である。ここで言う高周波結合器は、請求項２に記載の発明によれば、前記伝送路の一端に接続され電荷を蓄える結合用電極と、前記結合用電極に対向して配置され前記電荷に対する鏡像電荷を蓄えるグランドと、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て前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する金属線からなる支持部を有し、前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成して、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記縦波の誘導電界の信号を出力するように構成されている。
【００１２】
また、本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置の表面波伝送路は、金属線で構成される。
【００１３】
また、本願の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の通信装置の表面波伝送路は、誘電体の棒で構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送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。
【００１５】
また、本発明によれば、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信を利用し、誘電率の大きな流体に囲まれた環境下において共振周波数の変化を抑制して、通信可能範囲の短縮を防ぐことができる、優れた通信装置を提供することができる。
【００１６】
本発明に係る通信装置は、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することで、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができるとともに、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置することで、筐体表面まで電界信号を低損失で伝搬することができる。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、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の基本構成を示した図である。
【図３】図３は、図２に示した高周波結合器の一実装例を示した図である。
【図４】図４は、微小ダイポールによる電界を表した図である。
【図５】図５は、図４に示した電界を結合用電極上にマッピングした図である。
【図６】図６は、容量装荷型アンテナの構成例を示した図である。
【図７】図７は、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８】図８は、図７に示した高周波結合器において、スタブ７３上に定在波が発生している様子を示した図である。
【図９】図９は、高周波結合器を情報機器の筐体の表面近くに配置した様子を示した図である。
【図１０】図１０は、高周波結合器を筐体の表面近くに配置した情報機器を水中に置いた様子を示した図である。
【図１１】図１１は、高周波結合器を内蔵した情報機器を空気中、真水中、海水中に置いたときの、各使用周波数における高周波結合器間の結合強度の測定結果を示した図である。
【図１２】図１２は、高周波結合器を情報機器の筐体表面より内側に離間して配置した様子を示した図である。
【図１３】図１３は、筐体１３０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１３０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１３０３を設けた情報機器１３００の一構成例を示した図である。
【図１４】図１４は、筐体１４０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１４０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１４０３を設けた情報機器１４００の他の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１には、電界結合作用を利用した微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示している。同図において、送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信に用いられる結合用電極１４及び２４は、例えば３ｃｍ程度（若しくは使用周波数帯の２分の１波長程度）だけ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へ電界信号として伝搬する。そして、受信機２０側の受信回路部２１は、受信した高周波の電界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。
【００２１】
近接無線転送においてＵＷＢを使用すると、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、近接無線転送では、後述するように放射電界ではなく静電界若しくは誘導電界の結合作用を利用する。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が所定レベル以下に抑制することで、近接無線転送システムは、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、安価に構成することができる。また、近接無線転送では、電界結合方式によりデータ通信を行なうので、周辺に存在する反射物からの反射波が小さいため干渉の影響が少ない、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。
【００２２】
一方、無線通信では、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。ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を利用した近接無線転送では、３ｃｍ程度の通信距離は約２分の１波長に相当する。すなわち、通信距離は近接といえども無視することはできない長さであり、伝搬損を十分低く抑える必要がある。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。
【００２３】
例えば、図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信回路部１１と送信用電極１４を結ぶ高周波電界信号の伝送路が例えば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、電界信号は反射して伝搬損を生じることから、通信効率が低下する。
【００２４】
そこで、図２に示すように、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、平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並びに、並列インダクタ１３、２３からなる共振部を高周波信号伝送路に接続して構成している。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で構成することができる。このような高周波結合器を向かい合わせて配置すると、準静電界が支配的な極近距離では結合部分がバンドパス・フィルタのように動作して、高周波信号を伝達することができる。また、誘導電界が支配的な、波長に対して無視できない距離であっても、結合用電極とグランドにそれぞれたまる電荷並びに鏡像電荷によって形成される微小ダイポール（後述）から発生する誘導電界を介して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。
【００２５】
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、各結合器を平板状の電極１４、２４と直列インダクタ１２、２２を高周波信号伝送路上に直列接続するという簡素な構造であっても、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。しかしながら、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、並列インダクタ１３、２３を設けることによって、より大きな電荷を結合用電極１４に送り込み、結合用電極１４、２４間で強い電界結合作用を生じさせることができる。また、結合用電極１４の表面の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（微小ダイポールの方向：後述）に振動する縦波の電界信号として、結合用電極１４の表面から伝搬する。この電界の波により、結合用電極１４、２４間の距離（位相長さ）が比較的大きな場合であっても電界信号を伝搬することが可能になる。
【００２６】
以上を要約すると、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムでは、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。
【００２７】
（１）グランドに対向して高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間した位置に電界で結合するための結合用電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための共振部があること。
（３）通信に使用する周波数帯において、結合用電極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、直列・並列インダクタ、及び、結合用電極によるコンデンサの定数、あるいはスタブの長さが設定されていること。
【００２８】
図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信機１０及び受信機２０の各結合用電極１４及び２４が適当な距離を隔てて対向すると、２つの高周波結合器は、所望の高周波数帯の電界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して、結合用電極には振幅の大きな電流が流入する。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、高周波信号伝送路に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ことから、近隣の他の通信システムへの影響はない。すなわち、送信機側では、通信相手が存在しないときには、旧来のアンテナのように電波を垂れ流すことはなく、通信相手が近づいたときのみインピーダンス整合がとれることによって高周波の電界信号の伝達が行なわれる。
【００２９】
図３には、図２に示した高周波結合器の一実装例を示している。送信機１０及び受信機２０側のいずれの高周波結合器も同様に構成することができる。同図において、結合用電極１４は誘電体からなるスペーサー１５の上面に配設され、プリント基板１７上の高周波信号伝送路とはこのスペーサー１５内を貫挿するスルーホール１６を通して電気的に接続されている。同図では、スペーサー１５は略円柱状で、結合用電極１４は略円形あるが、特定の形状に限定されるものではない。
【００３０】
例えば、所望の高さを持つ誘電体にスルーホール１６を形成した後、スルーホール１６中に導体を充填させるとともに、この誘電体の上端面に結合用電極１４となるべき導体パターンを、例えば鍍金技術により蒸着する。また、プリント基板１７上には、高周波伝送線路となる配線パターンが形成されている。そして、プリント基板１７上にこのスペーサー１５をリフロー半田などにより実装することによって、高周波結合器を製作することができる。プリント基板１７の回路実装面（若しくはグランド１８）から結合用電極１４までの高さ、すなわちスルーホール１６の長さ（位相長さ）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１６がインダクタンスを持ち、図２に示した直列インダクタ１２と代用することができる。また、高周波信号伝送路はチップ状の並列インダクタ１３を介してグランド１８に接続されている。
【００３１】
ここで、送信機１０側の結合用電極１４において発生する電磁界について考察してみる。
【００３２】
図１並びに図２に示すように、結合用電極１４は、高周波信号の伝送路の一端に接続され、送信回路部１１から出力される高周波信号が流れ込んで、電荷を蓄える。このとき、直列インダクタ１２及び並列インダクタ１３からなる共振部の共振作用によって、伝送路を介して結合用電極１４に流れ込む電流は増幅され、より大きな電荷が蓄えられる。
【００３３】
また、結合用電極１４に対向するように、高周波信号の波長に対して無視し得る高さ（位相長さ）だけ離間して、グランド１８が配置されている。そして、上述のように結合用電極１４に電荷が蓄えられると、グランド１８には鏡像電荷が蓄えられる。平面導体の外部に点電荷Ｑを置くと、平面導体内には（表面電荷分布を置き換えた仮想的な）鏡像電荷−Ｑが配置されるが、このことは、例えば溝口正著「電磁気学」（裳華房、第５４頁乃至第５７頁）にも記載されているように、当業界で周知である。
【００３４】
上述のように点電荷Ｑ及び鏡像電荷−Ｑが蓄えられた結果、結合用電極１４に蓄えられた電荷の中心とグランド１８に蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールが形成される。厳密に言うと、電荷Ｑと鏡像電荷−Ｑは体積を持ち、微小ダイポールが電荷の中心と鏡像電荷の中心を結ぶように形成される。ここで言う「微小ダイポール」は、「電気ダイポールの電荷間の距離が非常に短いもの」を指す。例えば虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁）にも、「微小ダイポール」が記載されている。そして、微小ダイポールによって、電界の横波成分Ｅθ、電界の縦波成分ＥR、微小ダイポール回りの磁界Ｈφが発生する。
【００３５】
図４には、微小ダイポールによる電界を表している。また、図５には、この電界を結合用電極上にマッピングした様子を示している。図示のように、電界の横波成分Ｅθは伝搬方向と垂直な方向に振動し、電界の縦波成分ＥRは伝搬方向と平行な向きに振動する。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈφが発生する。下式（１）〜（３）は微小ダイポールによって生成される電磁界を表している。同式中、距離Ｒの３乗に反比例する成分は静電磁界、距離Ｒの２乗に反比例する成分は誘導電磁界、距離Ｒに反比例する成分は放射電磁界である。
【００３６】
【数１】
【００３７】
図１に示した近接無線転送システムにおいて、周辺システムへの妨害波を抑制するには、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を利用することが好ましいと考えられる。何故ならば、上式（１）、（２）から分かるように、電界の横波成分Ｅθは距離に反比例する（すなわち、距離減衰の小さい）放射電界を含むのに対して、縦波成分ＥRは放射電界を含まないからである。
【００３８】
まず、電界の横波成分Ｅθを生じないようにするには、高周波結合器がアンテナとして動作しないようにする必要がある。図２に示した高周波結合器は、一見すると、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」のアンテナと構造が類似する。したがって、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして動作しないようにする必要がある。図６には、容量装荷型アンテナの構成例を示しているが、同図中で矢印Ａ方向に主に電界の縦波成分ＥRが発生するとともに、矢印Ｂ1、Ｂ2方向には電界の横波成分Ｅθが発生する。
【００３９】
図３に示した結合用電極の構成例では、誘電体１５とスルーホール１６は、結合用電極１４とグランド１８との結合を回避する役割と、直列インダクタ１２を形成する役割を兼ね備えている。プリント基板１７の回路実装面から電極１４まで十分な高さをとって直列インダクタ１２を構成することによって、グランド１８と電極１４との電界結合を回避して、受信機側の高周波結合器との電界結合作用を確保する。但し、誘電体１５の高さが大きい、すなわちプリント基板１７の回路実装面から電極１４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、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして作用してしまい、図６中の矢印Ｂ1、Ｂ2方向で示したような横波成分Ｅθが発生する。よって、誘電体１５の高さは、電極１４とグランド１８との結合を回避して高周波結合器としての特性を得るとともに、インピーダンス・マッチング回路として作用するために必要な直列インダクタ１２を構成するために十分な長さとし、直列インダクタ１２に流れる電流による不要電波Ｅθの放射が大きくならない程度に短いことが条件となる。
【００４０】
他方、上式（２）から、縦波ＥR成分は微小ダイポールの方向となす角θ＝０度で極大となることが分かる。したがって、電界の縦波ＥRを効率的に利用して非接触通信を行なうには、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して通信相手側の高周波結合器を配置して、高周波の電界信号を伝送することが好ましい。
【００４１】
また、直列インダクタ１２と並列インダクタ１３からなる共振部によって、結合用電極１４に流れ込む高周波信号の電流をより大きくすることができる。この結果、結合用電極１４に蓄積される電荷とグランド側の鏡像電荷によって形成される微小ダイポールのモーメントを大きくすることができ、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となる伝搬方向に向かって、縦波ＥRからなる高周波の電界信号を効率的に放出することができる。
【００４２】
図２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。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。これに対し、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という解決方法が考えられる。
【００４３】
図７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。図示の例では、下面にグランド導体７２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７１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７３が形成され、信号線パターン７４を介して送受信回路モジュール７５と結線している。スタブ７３は、先端においてプリント基板７１を貫挿するスルーホール７６を介して下面のグランド７２に接続してショートされる。また、スタブ７３の中央付近において、細い金属線からなる１本の端子７７を介して結合用電極７８に接続される。
【００４４】
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。
【００４５】
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、スタブ７３の先端部で反射し、スタブ７３内には定在波が立つことになる。スタブ７３の位相長さは高周波信号の２分の１波長（位相にして、１８０度）程度とし、信号線７４とスタブ７３はプリント基板７１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。図８に示すように、スタブ７３の位相長さが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７３内に発生する定在波の電圧振幅はスタブ７３の先端で０となり、スタブ７３の中央、すなわちスタブ７３の先端から４分の１波長（９０度）のところで最大となる。定在波の電圧振幅が最大となるスタブ７３の中央付近に結合用電極７８を１本の端子７７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。
【００４６】
図７中に示すスタブ７３は、プリント基板７１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。また、分布定数回路を構成するスタブ７３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位相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。
【００４７】
続いて、近接無線転送機能を組み込み用途に適用する場合について考察する。
【００４８】
微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送は、結合用電極から発生する電界のうち縦波ＥRの誘導電界を主に利用し、その電界信号は短距離で急激に減衰する。このため、図９に示すように、高周波結合器をできるだけ筐体の表面近くに配置することが好ましいと考えられる。
【００４９】
他方、近接無線転送機能を搭載した情報機器の利用形態として、図１０に示すように、通常の空気中ではなく水中に沈めて使用することも想定される。ここで、水は誘電体であり、その比誘電率は８０と非常に高い。このため、高周波結合器を筐体の表面近くに配置すると、波長短縮の効果により、高周波結合器の共振周波数が低下してしまう。
【００５０】
図１１には、高周波結合器を内蔵した情報機器を空気中、真水中、海水（濃度３．５％の塩水）中に置いたときの、各使用周波数における高周波結合器間の結合強度の測定結果を示している。図示の結果から、空気中に比べて、真水中、並びに、海水中に置いたときの方が、共振周波数が１０％程度低下し、通信を行なう周波数での結合強度が弱くなっていることが分かる。また、真水に比べて、海水中で更に結合強度が弱くなっているが、これは、海水中ではイオン伝導による導体損が影響しているためと考えられる。
【００５１】
微弱ＵＷＢ通信方式の近接無線転送を始めとする非接触通信の大きな特徴として、ケーブルなどで電極を接触させなくてよいことが挙げられる。したがって、水中でもできるだけ高周波結合器の性能を劣化させないようにしたいという要望がある。
【００５２】
水の誘電率の影響を低減するため、図１２に示すように、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置することも考えられる。この場合、筐体内の高周波結合器と誘電体（水）との距離が離れて、高い誘電率の影響を受けにくくなり、共振周波数は変化しなくなる。しかしながら、電界信号が筐体表面に到達するまでの間に減衰してしまい、やはり通信可能範囲が短くなることを免れ得ない。
【００５３】
もともと真水中や海水中では空気中に比べて電界信号の減衰量が大きいので、高周波結合器から放射される電界信号をできるだけ強くしておく必要がある。
【００５４】
そこで、本発明者は、高周波結合器を筐体表面より内側に離間して配置すると同時に、高周波結合器の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路を配置するという通信装置の構成を提案する。高周波結合器から放射された電界信号は、表面波伝送路に沿って、筐体表面まで低損失で伝搬することができる。また、高周波結合器は筐体表面より内側に離間して配置されているので、水中で用いられる際の水の誘電率の影響による共振周波数の変化を抑制することができ、通信可能距離の長い近接無線転送を実現することができる。
【００５５】
図１３には、情報機器の筐体１３０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１３０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１３０３を設けた情報機器１３００の一構成例を示している。図示の例では、表面波伝送路は金属線で構成される。なお、本出願人に既に譲渡されている特開２００８−９９２３４号公報には、銅線などの導体からなり、高周波結合器から放射される電界信号を内部及び表面を通じて効率的に伝達する表面波伝送線路について開示されている。
【００５６】
また、図１４には、筐体１４０１表面より内側に離間して配置した高周波結合器１４０２の誘導電界の放射面から筐体表面までの間に表面波伝送路１４０３を設けた情報機器１４００の他の構成例を示している。図示の例では、表面波伝送路は誘電体の棒で構成される。なお、本出願人に既に譲渡されている特許第４３４５８５０号公報には、誘電体の線状部材からなり、高周波結合器から放射される電界信号を内部及び表面を通じて効率的に伝達する表面波伝送線路について開示されている。
【００５７】
アンテナや高周波結合器のような共振器は、近くにある誘電体の影響で共振周波数が低下する。これに対して、表面波伝送路は特定の共振周波数を持たないので、近くに誘電体があっても、共振周波数が変化することはなく、誘電体の影響を受けにくい。
【００５８】
図１３又は図１４に示した情報機器によれば、空気中に置かれても、水中に置かれても、高周波結合器において共振周波数の変化が少なく、あらゆる環境で最適な通信状況を保つことができる。
【００５９】
また、図１３又は図１４に示した情報機器によれば、高周波結合器から放射された電界信号を低損失で、情報機器の筐体の表面まで導くので、空気中に置かれても、水中に置かれても、通信可能距離の低下量は小さい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１０…送信機、
１１…送信回路部
１２、２２…直列インダクタ
１３、２３…並列インダクタ
１４…送信用電極
１５…誘電体（スペーサー）
１６…スルーホール
１７…プリント基板
１８…グランド
２０…受信機
２１…受信回路部
２４…受信用電極
７１…プリント基板
７２…グランド導体
７３…スタブ
７４…信号線パターン
７５…送受信回路モジュール
７６…スルーホール
７７…端子
７８…結合用電極
１３００、１４００…情報機器
１３０１、１４０１…筐体
１３０２、１４０２…高周波結合器
１３０３…表面波伝送路（金属線）
１４０３…表面波伝送路（誘電体の棒）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体の表面より内側に離間して配置された、誘導電界の信号を送受信する高周波結合器と、
前記高周波結合器の誘導電界の放射面から前記筐体の表面までの間に配設された表面波伝送路と、
を具備する通信装置。
【請求項２】
前記高周波結合器は、前記伝送路の一端に接続され電荷を蓄える結合用電極と、前記結合用電極に対向して配置され前記電荷に対する鏡像電荷を蓄えるグランドと、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て前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する金属線からなる支持部を有し、前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成して、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記縦波の誘導電界の信号を出力する、
請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
前記表面波伝送路は、金属線で構成される、
請求項１に記載の通信装置。
【請求項４】
前記表面波伝送路は、誘電体の棒で構成される、
請求項１に記載の通信装置。
【請求項１】
筐体と、
前記筐体の表面より内側に離間して配置された、誘導電界の信号を送受信する高周波結合器と、
前記高周波結合器の誘導電界の放射面から前記筐体の表面までの間に配設された表面波伝送路と、
を具備する通信装置。
【請求項２】
前記高周波結合器は、前記伝送路の一端に接続され電荷を蓄える結合用電極と、前記結合用電極に対向して配置され前記電荷に対する鏡像電荷を蓄えるグランドと、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て前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する金属線からなる支持部を有し、前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成して、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記縦波の誘導電界の信号を出力する、
請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
前記表面波伝送路は、金属線で構成される、
請求項１に記載の通信装置。
【請求項４】
前記表面波伝送路は、誘電体の棒で構成される、
請求項１に記載の通信装置。
【図８】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１９９４８４（Ｐ２０１１−１９９４８４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６２５７９（Ｐ２０１０−６２５７９）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]