JP2006094429A

JP2006094429A - 通信装置

Info

Publication number: JP2006094429A
Application number: JP2004280660A
Authority: JP
Inventors: Naoya Asamura; 直也浅村; Akemasa Okada; 明正岡田
Original assignee: Cellcross Corp
Current assignee: Cellcross Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】２次元通信を実現する新たな通信装置を提案する。
【解決手段】本発明の通信装置１００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と、導電体により構成されて信号を伝達する信号伝達セグメント３４０と、グランドセグメント３１０、電源セグメント３２０および信号伝達セグメント３４０に電気的に接続する通信素子２００を備えた積層構造体として構成される。グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、積層構造体において同一の高さの層に形成される。
【選択図】図２４

Description

本発明は信号を伝達する通信技術に関し、特に２次元的に信号を送受信することが可能な通信装置に関する。

ＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）などの通信ネットワークでは、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどにより接続されている。このようなネットワークでは、通信端末同士を有線にて接続することが一般的であった。近年、本発明者らの研究グループにより、個別の配線を形成することなく、複数の通信素子が信号を中継することで信号を伝達する通信装置が提案された（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７４４８号公報

従来の通信ネットワークや実装基板においては端末や素子などを１本の個別配線により一対一の関係で物理的に接続しているため、仮に１本しかない配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。また、個々の物理的配線をひくことが面倒であったり、スペースの関係で困難を極める場合もある。特許文献１は、そのような事態を解消する通信装置につき提案しており、優れた効果的な技術であるといえる。

特許文献１には、導電体などから構成される電源層およびグランド層と、信号を伝達するための信号層とを備えた通信装置が開示されている。この通信装置は、絶縁層を除くと下層から順にグランド層、信号層および電源層の３層構造を有している。本発明者はこの積層構造に注目して、新たな改善の余地があることを見いだした。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、新規な通信装置に関する技術を提供することにあり、特に新たな積層構造を有する通信装置に関する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する信号伝達セグメントと、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントに電気的に接続する通信素子を備えた積層構造体として構成される通信装置を提供する。この態様の通信装置において、グランドセグメントおよび電源セグメントは、積層構造体において同一の高さの層に形成される。グランドセグメントおよび電源セグメントを同一高さの層に形成することで、積層構造体の層数を少なくできる。グランドセグメントおよび電源セグメントは、層を絶縁領域により分割された形で形成される。グランドセグメントおよび電源セグメントは、抵抗値がほぼゼロに等しい非常に低抵抗な導電体により形成されることが好ましい。隣り合う信号伝達セグメントは、その間を絶縁領域または高抵抗領域により分割された形で形成される。信号伝達セグメントは、抵抗値がほぼゼロに等しい導電体により形成されてもよく、また絶縁材料ではないある程度の抵抗値を有する導電体により形成されてもよい。

信号伝達セグメントは、絶縁層を介してグランドセグメントおよび電源セグメントに重なって配置されることが好ましい。例えば、信号伝達セグメントは、グランドセグメントおよび電源セグメントと同一の形状に構成されて重なってもよく、また、帯状に形成されたグランドセグメントおよび電源セグメントの一部に信号伝達セグメントが重なって配置されてもよい。これにより、通信素子との接続が容易になる。

グランドセグメントおよび電源セグメントは、同一の高さの層において、互い違いに配置されており、グランドセグメントと電源セグメントの間は絶縁される。通信素子は電源電位および接地電位を必要とするため、互い違いに配置することで通信素子との間で接触をとりやすくなる利点がある。

近接するグランドセグメント同士、および近接する電源セグメント同士は、結合部品により電気的に結合されてもよい。この結合部品は例えば電圧や電流を検出する回路を有して構成され、いずれかのセグメントに異常がある場合には、そのセグメントを他のセグメントの接続から外す機能を有することが好ましい。

本発明の別の態様は、グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する機能をもつ信号伝達セグメントとを備えた積層構造を有する信号伝送用基板装置であって、複数の開口部を備えたものを提供する。この態様の信号伝送用基板装置において、開口部は、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントを露出させ、グランドセグメントおよび電源セグメントは、積層構造において同一の高さの層に形成され、当該層は、信号伝達セグメントが設けられた層とは異なる高さに存在する。

本発明のさらに別の態様は、グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する信号伝達セグメントと、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントに電気的に接続する通信素子を備えた積層構造体として構成される通信装置を提供する。この態様の通信装置において、グランドセグメントおよび電源セグメントは、積層構造体において異なる高さの層に形成されており、信号伝達セグメントは、グランドセグメントが形成された層または電源セグメントが形成された層の少なくとも一方の層に形成される。信号伝達セグメントを、グランドセグメントおよび／または電源セグメントと同一高さの層に形成することで、積層構造体の層数を少なくできる。

本発明のさらに別の態様は、グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する機能をもつ信号伝達セグメントとを備えた積層構造を有する信号伝送用基板装置であって、複数の開口部を備えたものを提供する。この態様の信号伝送用基板装置において、開口部は、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントを露出させ、グランドセグメントおよび電源セグメントは、積層構造において異なる高さの層に形成されており、信号伝達セグメントは、グランドセグメントが形成された層または電源セグメントが形成された層の少なくとも一方の層に形成される。

本発明によれば、２次元的な通信を可能とする通信装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施例に係る通信技術の方式を説明するための図である。小さな円で示す複数の通信素子が空間内に分散して配置されている状態が示される。各通信素子は、その周辺に配置された他の通信素子に対して信号を伝達する局所的な通信機能を有する。この局所的な通信により隣り合う通信素子間で信号を順次連鎖的に中継し、最終目的地である通信素子まで信号を伝達する。

信号の送信元が通信素子２００ａであり、最終目的地が通信素子２００ｂである場合、信号が通信素子２００ａから通信素子２００ｃおよび２００ｄを介して通信素子２００ｂに伝達される。信号の伝達方法としては、例えば通信素子２００ａが、信号が届く範囲にある周辺の全ての通信素子に信号を伝達し、この信号を受けた全ての通信素子が更に周辺の通信素子に信号を伝達することによって、信号を最終目的地まで同心円状に伝達させてもよい。さらに好ましい方法としては、通信素子２００ａおよび２００ｂ間の経路を予めまたはリアルタイムで設定し、この経路により特定の通信素子のみを介して信号を伝達してもよい。特に後者の方法を採用する場合には、信号伝達に必要な通信素子のみが発信するため、電力消費を少なくすることができ、また他の通信素子の通信に対する干渉を低減することも可能となる。

空間内に複数の通信素子が存在し、この空間内には通信素子間を物理的に接続するための個別配線が形成されていなくてよい。例えば、これらの通信素子は、平坦な導電層や交流信号を伝達可能な層などの信号伝達層に接続される。信号の送信は、導電層における電荷の放出により実現されてもよく、また光や電磁波を放出することにより実現されてもよい。ここで通信素子は、チップとして構成されるものに限定されず、本発明の実施例において説明する通信機能を備えたものを含む概念であり、その形態および形状は問わない。

各通信素子は、信号の伝達可能な距離（以下、「有効通信距離」とも呼ぶ）を比較的短く設定されていることが好ましい。信号の通信距離を長くすることは、それだけ電力消費量を大きくし且つ通信に寄与しない他の通信素子に対して悪影響を及ぼす可能性がある。この通信方式によると、自身の近傍に存在する通信素子に信号を伝達できれば十分であるため、有効通信距離は周辺の通信素子までの平均距離に応じて設定されることが好ましい。

本発明の通信技術は、様々な用途に応用することができる。例えば、ＬＳＩやメモリなどの電子部品（回路素子）に本発明の通信機能をもたせることによって、各電子部品を個別に配線することなく、複数の電子部品を基板実装する技術を提供することが可能である。これとは別に、網の目上に張り巡らされた配線上に通信素子を配設する、従来とは異なる設計思想をベースとする新規な通信実装技術を提供することもできる。また、近年、皮膚の感覚を持つロボットの研究が盛んに行われているが、ロボットの触覚センサに本発明の通信機能をもたせ、触覚センサの検知情報をロボットの頭脳コンピュータに送信する技術を提供することも可能である。また建物の床に本発明の通信機能を有するセンサを点在させることにより、一人暮らしの老人の行動を監視したり、留守中の防犯に役立てることも可能である。また、発光素子に本発明の通信機能をもたせることにより、布状の表示装置などを製造することも可能となる。また、タグに本発明の通信機能をもたせるか、本発明の通信装置との交信機能をもたせることにより、安価で精度のよい情報の読み取りを可能とするタグを作製することも可能となる。さらに無線通信素子に本発明の通信機能をもたせて例えばコンピュータにそれを装備させ、無線通信素子の近傍に相手方のコンピュータの無線通信素子を配置することによって、コンピュータ間の情報の送受信を容易に行うことも可能となる。また自動車の導電性内壁に本発明の通信機能を備えた通信素子を埋め込み、煩わしい個別配線を不要とした通信装置を実現することも可能となる。なお、後述するように、通信素子をコネクタと通信用ＬＳＩなどから構成することで、任意の機能をもたせた通信装置をフレキシブルに実現することも可能となる。

この通信技術は、比較的短い距離に配置された通信素子間で信号を伝達するため、距離による信号の減衰および劣化が少なく、高いスループットでノード数によらない高速伝送を可能とする。また空間内に多くの通信素子を分散して配置させることにより、センサなどの所定の機能をもつチップとの情報交換媒体として広範囲の信号伝達領域を実現する。また、通信素子を比較的自由な位置に配置することができるため、簡易な設計により所望の機能を備えた人工皮膚や表示装置などを生成することも可能である。また従来型の素子同士を個別に接続する配線に関する基板回路設計を不要とし、少ないプロセスで基板回路を製造することも可能である。通信素子を導電層で挟持する場合には電磁ノイズ放射がなくなるため、特に病院などの公共性の高い場所においてはその有用性が高い。さらに、導電層などに障害が生じた場合であっても、チップ間の経路を再設定することができ、新たな通信経路を確立することができるという自己修復機能もあわせ持つ。

図２は、本発明の実施例にかかる通信装置１００の外観構成の概要を示す図である。この通信装置１００においては、複数の通信素子２００が信号伝送用の基板装置１４に接続される。基板装置１４は、開口部８０を複数備えて構成され、この開口部８０に通信素子２００が挿入されることで、通信装置１００の通信機能を実現する。基板装置１４は、信号を伝達するための信号伝達層（「信号層」とも呼ぶ）、電源層および接地層などを含んだ積層構造を備えて構成される。なお接地層は、信号伝達層としての役割を担ってもよい。開口部８０において、これらの層は外部に露出しており、通信素子２００を押し込んで固定することにより、通信素子２００と各層との電気的接続が行われる。なお基板装置１４は、接地層ないしは電源層を備えず、接地層ないしは電源層として機能する導電体に接続してもよい。例えば、金属で構成される板状部材に基板装置１４を貼り付け、この板状部材を接地し、又は板状部材に電荷を供給することで、導電性の板状部材を接地層ないしは電源層としても機能させることも可能である。

通信素子２００は、開口部８０に嵌合されて基板装置１４の積層構造において接続するべき層に電気的に接続するコネクタを介して基板装置１４と電気的に接続してもよい。コネクタと通信素子２００は別体として構成されてもよいが、一体として形成されてもよい。この例では、基板装置１４が二次元的に一面に広がった構成を有しているが、帯状に一次元的に広がった構成を有してもよい。なお、コネクタは、基板装置１４の開口部において、接続するべき層の露出部分に電気的に接続するように予め設けられていてもよく、その場合には、基板装置１４は、コネクタ付き基板装置として構成されることになる。コネクタ付き基板装置に通信素子２００を接続し、これにより通信装置１００が実現されてもよい。

例えば、本発明による通信装置１００をロボットの表面を覆う人工皮膚として応用する場合、基板装置１４を導電性のゴム材料により形成することが好ましい。可撓性のあるゴム材料で人工皮膚を形成することにより、この人工皮膚はロボットの動作に合せて自在に伸縮することが可能となる。また、個別配線が存在せず、伸縮性のある基板装置１４を介して信号を伝達するため、断線などにより通信機能に障害が生じる可能性を低減し、安定した通信能力を提供することも可能となる。また、本発明による通信装置１００を回路基板として応用する場合、基板装置１４を導電性のゴム材料あるいは導電性繊維で形成することによって、フレキシブルな回路基板を実現することも可能となる。なお、前記したように、基板装置１４が積層構造を有する場合には、各層が導電性のゴム材料あるいは導電性繊維で構成されて、全体として可撓性を有することが好ましい。なお、網の目状に形成された配線に通信素子２００を接続し、これらの通信素子間で信号伝達することで、安定した通信能力を提供することも可能である。なお網の目状の配線は、通信素子２００間を個別に接続する配線ではない。網の目状の配線を形成することで、通信経路の再設定が可能であり、したがって断線などによる障害が生じる可能性を低減することができる。

各通信素子２００は通信機能以外に、さらに他の機能を有していてもよい。通信装置１００をロボットの人工皮膚として応用する場合には、通信素子２００のいくつかが触覚センサとしての機能も有し、外部から受けた刺激を検出した後、他の通信素子と協同して検出した信号を目的の通信素子まで伝達する。また通信装置１００を基板の実装技術として応用する場合には、通信素子２００が、例えば演算機能をもつＬＳＩやメモリなどの回路素子としての機能を有してもよい。このように、本明細書において「通信装置」は少なくとも通信機能を有する装置の意味で用い、これに付加した他の機能、例えば人工皮膚としてのセンサ機能や電子回路としての演算機能などを有してもよく、またＣＰＵやメモリを含むマイクロコンピュータを含んでもよい。なお、図２の例では、通信素子２００がコネクタを介して基板装置１４と接続する状態を示しているが、通信素子２００が基板装置１４に埋設されて、基板装置１４と電気的に接続する構成であってもよい。

図３は、通信素子２００の機能ブロック図である。通信素子２００は、通信部５０、処理部６０およびメモリ７０を備える通信回路２５０を有する。メモリ７０は、レジスタとして構成されてもよい。通信部５０は、基板装置１４（図２参照）を介して、他の通信素子との間で信号の送受を行う。処理部６０は、通信素子２００の通信機能を制御する。具体的に処理部６０は、周囲の信号の監視、受信信号の解析や、送信信号の生成および送信タイミングの制御など、他の通信素子２００との間の信号伝達に関する行為を行う。また処理部６０は、センサ機能や演算機能など通信機能以外の他の機能を実現してもよい。メモリ７０は、通信機能や他の機能を実現するために必要な情報を予め記録し、また必要に応じて記録していく。通信素子２００がコネクタと通信用ＬＳＩとから構成される場合は、通信用ＬＳＩが上記の機能を実現する。

通信装置１００は、以下に示すように、形態および構造の観点から、様々な態様にて実現することが可能である。通信装置１００の代表的な形態として、（１）サイト分割型、（２）連続型、（３）境界配置型の３種類について説明する。

（１）サイト分割型
図４（ａ）は、サイト分割型の通信装置１００の上面図を示す。通信装置１００の通信シート２０２において、通信を実現するための通信層が、複数のサイト２１０に分割されている。通信シート２０２は、図２に示す基板装置１４に対応する。サイト２１０には、通信素子２００が配置される。なお、図示の例では、１つの通信素子２００がサイト２１０の中央部分に配置されているが、中央部分以外の領域に配置されてもよく、また複数の通信素子２００がサイト２１０内に配置されてもよい。サイト２１０内は良導体からなる層で構成され、隣接するサイト２１０間は隣接結合用抵抗体で電気的に接続されている。したがって、通信素子２００が発信した場合、そのサイト２１０内で生じる電圧降下は微小であり、そのサイト２１０から隣接サイトに信号が伝達される際に、隣接結合用抵抗体により信号が減衰されて伝達される。隣接サイトに隣接するサイト、すなわち発信元のサイト２１０から２つ隣のサイト２１０には、さらに信号が減衰されて伝達されることになる。隣接結合用抵抗体を適宜設定することで、信号が伝達される範囲を制限することができ、隣接サイトにのみ信号を伝達することが可能となる。各サイト２１０の良導体層はプルアップ抵抗層によって電源層（または接地層）に接続されている。サイト２１０は四角形に限らず、任意の形状であってよい。

図４（ｂ）は、通信シート２０２における通信層の断面図である。なお、通信層は、信号層２２２、接地層２２４および電源層２２０などから構成される。信号層２２２および接地層２２４を、信号を伝達するための信号伝達層と呼んでもよい。信号層２２２は、導電体領域２３０および隣接結合用抵抗体２３２とを有する。導電体領域２３０はサイト２１０を構成し、導電体領域２３０よりも高い抵抗値を示す隣接結合用抵抗体２３２により区画される。導電体領域２３０（サイト２１０）は、プルアップ抵抗層２３４により電源層２２０に接続されている。このうち一つのサイト（例えば右から２番目）に電位変化を与えた場合、その変化は隣接結合用抵抗体２３２を介して周囲のサイト２１０に伝達される。

図５は、通信層の構造、通信層の等価回路および各サイトに生じる電位変化を示す。この等価回路に示されるように、導電体領域２３０の間には、隣接結合用抵抗体２３２（Ｒ１）が設けられ、また導電体領域２３０と電源層２２０は抵抗Ｒ２および容量Ｃにより接続され、導電体領域２３０と接地層２２４は容量により接続されている。

各サイト２１０を良導体で構成し、各サイト間を隣接結合用抵抗体２３２で接続することにより、発信した通信素子２００の近傍の導電体領域２３０にのみ強い信号が伝達し、離れたサイト２１０に伝達する信号は、その距離に応じてほぼ指数関数的に減衰していく。各サイト２１０内を良導体で構成することで、各サイト２１０における減衰量は小さく、隣接結合用抵抗体２３２を通過する時に生じる減衰量が大きくなる。そのため、例えば、送信サイトから１つ隣のサイトには信号が伝達するが、さらに１つ隣のサイトには信号が伝達しないように、隣接結合用抵抗体２３２およびプルアップ抵抗層２３４の抵抗値を設定することが可能となる。これにより、隣接するサイト２１０（通信素子２００）にのみ、信号を伝達することができる。

なお、等価回路において抵抗Ｒ２と並列接続されている導電体領域２３０と電源層２２０との間の容量Ｃと導電体領域２３０と接地層２２４の間の容量は、電源層２２０、接地層２２４と信号層２２２とが平行平板コンデンサをなしていることによるものである。抵抗Ｒ２のインピーダンスを、使用する信号周波数での容量Ｃのインピーダンスよりも小さくなるように設定しておくと、送信サイトの隣のサイトに生じる電圧波形は送信波形を抵抗によって分圧したものとなり、例えば矩形波を送信すると受信波も矩形波として観察される。

本実施例のようにプルアップ抵抗層２３４を信号層２２２と電源層２２０（接地層２２４ではなく）の間に挿入した場合には、無信号時（通信素子２００が接続されていない状態）での信号層２２２の電位は電源電位となる。通信素子２００は信号層２２２から接地層２２４に電流を流すことによってＬレベルを発生する。それを受信する通信素子２００は、信号層２２２の電位が電源層２２０の電位より一定電圧だけ降下したことをコンパレータで観測し、Ｌレベルの発生を検出する。

図６は、通信素子２００の構造の一例を示す。通信素子２００は、電気的接点２５２、２５４、２５６を有し、電気的接点２５２、２５４、２５６は通信シート２０２の３つの層すなわち電源層２２０、信号層２２２、接地層２２４にそれぞれ電気的に接続する。通信回路２５０は、各電気的接点２５２、２５４、２５６と配線２５１、２５３、２５５により電気的に接続される。これにより、通信回路２５０は、各電気的接点２５２、２５４、２５６を通じて、通信シート２０２を介して信号を送受信することが可能となる。

図７は、通信回路２５０の回路構造の一例を示す。通信回路２５０は、受信回路２６０、送信回路２６２、制御回路２６４を有して構成される。受信回路２６０および送信回路２６２は、図３に示す通信部５０の構成に対応し、制御回路２６４は、処理部６０およびメモリ７０の構成に対応する。

通信回路２５０において、受信回路２６０はコンパレータを有し、このコンパレータによって信号のＨ（ハイ）およびＬ（ロー）を検出する。制御回路（論理回路）２６４は、受信回路２６０において検出された信号符号を解釈する。制御回路２６４は、信号符号を解釈した後、送信信号を決定し、送信回路２６２を通して信号層２２２に電圧出力を行なう。

図８は、受信回路２６０の回路構造の一例を示す。受信回路２６０において、抵抗ｒ１および抵抗ｒ２の分圧比によって、コンパレータ２６６で比較する信号の閾値が設定される。閾値は、隣接するサイト２１０における通信素子２００が信号を発信したときにはそれを検出することができ、それよりも遠いサイト２１０における通信素子２００が信号を発信した場合には、それを検出しないように設定される。すなわち、隣接素子の発信は閾値を超えるように、隣接素子以外の素子の発信は閾値を超えないように、抵抗ｒ１および抵抗ｒ２の分圧比が定められる。また抵抗ｒ１と抵抗ｒ２の合成抵抗およびコンパレータ２６６の入力インピーダンスは、プルアップ抵抗層２３４のインピーダンスＲ２よりも十分大きく、受信回路２６０の存在によって信号電圧が変化しないように設定する。

図９は、送信回路２６２の回路構造の一例を示す。送信回路２６２はＨレベル、Ｌレベルおよび高インピーダンスの３状態をとることができる。図中、Ｓ１、Ｓ２は制御回路２６４からの制御信号であり、Ｓ１およびＳ２を同時にＨとすることでＯＵＴにはＬが出力され、Ｓ１およびＳ２を同時にＬとすることでＯＵＴにはＨが出力される。また、Ｓ１をＨとし、Ｓ２をＬとすることで、高インピーダンスとなる。

送信回路２６２は、自分自身が信号を送信する場合は、ＬかＨを出力し、それ以外の時には高インピーダンス状態にして信号を受信する。なお送信回路２６２において、nMOSとpMOSにはさまれたダイオードは、出力電圧の振幅を調整するために挿入されている。ダイオードを全て短絡除去すると、ＯＵＴのＨレベルは電源電位、Ｌレベルは接地層電位となる。ダイオードを挿入すると、その順方向電圧降下分、Ｌレベルの電位が高くなる。

以上、サイト分割型の通信装置１００の構造および動作を示した。この形態の通信装置１００によると、サイト２１０間で信号を順次中継することができ、効率よい通信を実現することができる。

（２）連続型
上記したサイト分割型の例では、信号層２２２が、良導層からなる導電体領域２３０と隣接結合用抵抗体２３２との２次元パターンに分割されて形成されていたが、２次元面内で抵抗分布をもたない均一な構造をもつ通信層でも、同様の通信素子２００によって通信が可能である。

図１０（ａ）は、連続型の通信装置１００の上面図を示す。通信装置１００の通信シート２０２には、サイトが設けられておらず、２次元的に均一な抵抗を示す通信層が形成されている。通信シート２０２において、通信素子２００は２次元的に所定の間隔で配置される。具体的には、通信素子２００が、有効通信距離の範囲内で、隣接する通信素子２００に対して配置されている。

図１０（ｂ）は、通信シート２０２における通信層の断面図である。なお、通信層は、信号層２２２、接地層２２４および電源層２２０などから構成される。サイト分割型の通信装置１００においては、信号層２２２が導電体領域２３０と隣接結合用抵抗体２３２とで形成されていたが、連続型の通信装置１００においては、信号層２２２が、略一様な抵抗値をもつ抵抗層として形成される。なお、信号層２２２は、プルアップ抵抗層２３４により電源層２２０に接続されている。

図１１（ａ）は、通信層の構造を示す。通信層は、信号層２２２および接地層２２４を有して構成される。電源層２２０と信号層２２２の間にはプルアップ抵抗層２３４が設けられ、信号層２２２と接地層２２４の間には絶縁層２２５が設けられる。

図１１（ｂ）は、信号層２２２のある領域に電圧を印加したとき、その周囲に発生する電圧分布を示す。信号が広がる範囲Ｄは、信号層２２２とプルアップ抵抗層２３４の抵抗率、および信号層２２２と電源層２２０および接地層２２４との間の（単位面積あたりの）容量によって決まる。このＤを超える範囲では、信号電圧は距離に対して指数関数的に減衰する。以下、連続型の通信装置１００の発信原理を説明する。

図１２は、図１１（ａ）に示す５層構造の通信装置１００の模式的な構成を示す。この５層構造では、接地層２２４、絶縁層２２５、信号層２２２、プルアップ抵抗層２３４および電源層２２０が、この順に積層される。電源層２２０および接地層２２４は良導体で構成され、信号層２２２は、良導体とプルアップ抵抗層２３４の間の中抵抗値で構成されている。この５層構造において、プルアップ抵抗層２３４は、高抵抗層として設けられる。また、信号層２２２および接地層２２４の間には、絶縁層２２５が設けられる。この５層構造によって信号層２２２と接地層２２４に接続された通信素子２００に電力を供給する。プルアップ抵抗層２３４の体積抵抗率をη[Ωm]、プルアップ抵抗層２３４の厚さをｄ[m]とし、絶縁層２２５の誘電率をε、絶縁層２２５の厚さをｄ[m]とする。また信号層２２２のシート抵抗をρ[Ω]（正方形シートを切り出したときの向かい合う辺間の抵抗がρ[Ω]であるような材料と厚みでできた層）とする。

今、通信層に信号源が接続され、信号層２２２に電流密度I(x,y)が生じたと仮定する。まず簡単のため、図示する通信層の断面に垂直な方向では電流は一様であり、断面に垂直な方向の層の幅は１であるような１次元問題を考える。信号層電位をV(x)、電源層２２０の電位は一定値V_Eとすると、信号層２２２から電源層２２０に向かって電流密度

なる電流が生じる。ただし以下の解析を簡単にするため、信号電位V(x)は電源電位を基準電位（ゼロ）として表記するものとする。ここで位置xにおいて信号層２２２の断面を横切る電流をI(x,t)とすれば、（このとき接地層２２４および電源層２２０には合計して−I(x,t)が発生している）微小領域[x, x+dx]から単位時間に流出する電荷は、

を満たす。ここでq(x,t)は単位面積あたりの蓄積電荷量である。

いま位置xにおける信号層２２２の（接地層２２４に対する）電位V(x,t) は、信号層２２２の厚みが十分小さければ、

を満たす。C=2ε/dは、信号層−接地層の間の単位面積あたりの容量と、信号層−電源層の間の単位面積あたりの容量の和である（ｄは信号層２２２と接地層２２４との間隔）。
また信号層２２２の厚みが十分小さく、電流の上下方向分布は一様と仮定できる場合、以下のオーム則

が成り立つ。

上の式(1),(2),(3)および(4)から、Iおよびqを消去すると以下の拡散方程式

を得る。式(4)の一般解は

と与えられる。
いま、高抵抗層であるプルアップ抵抗層２３４の縦方向抵抗を層間容量のインピーダンスより小さく設定する、すなわち

と設定する。ここで例えばx=0に電圧源を接続し、強制的に

なる交流電圧を与えると、遠方で発散しない解を組み合わせた以下の関数が電圧分布を与える。

この式より、電圧印加点から一定の距離

程度以内においては有意に電圧が追従し、それより離れたところでの電圧振幅は指数関数的に減少する。

上記は１次元問題の解析であるが、２次元問題へは次のように拡張される。まず電流密度ベクトルＩ(x,y,t)に対し式(2)は、

のように変更され、式(4)は

と書き換えられる。この２つの式と式(1)および式(3)から、V(x,y,t)に対する２次元拡散方程式

が得られる。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、半径r₀の円形電極を、中心が原点(x,y)=(0,0)に一致するように配置する。電圧V₀(t)を印加したときの解は、ωＣ＜＜１／(ηｄ)のとき、式(9)と同じ定義のＤを用いて、

のように与えられる。ここでrは原点からの距離

である。J₀,N₀はそれぞれ0次のベッセル関数およびノイマン関数であり、jは虚数単位である。ｒがＤより小さい範囲では対数関数で近似され、Ｄと同程度以上の範囲では指数関数的に減衰する。したがって、例えば信号層２２２のシート抵抗値などを適切に設定することによって、所望の有効通信距離を得ることが可能となる。

以上、連続型の通信装置１００の構造および動作を示した。この形態の通信装置１００によると、通信素子２００間で信号を順次中継することができ、効率よい通信を実現することができる。

上記した通信装置１００の形態においては、通信素子２００は電源層２２０、信号層２２２、接地層２２４の３層に電気的接触を行なう。この接触形態を３層接点方式とよぶ。通信素子２００の実装をより簡単に行なうため、信号層２２２と接地層２２４への２点のみの接触で通信素子２００を動作させることも可能である。２点のみの電気的接触を行う形態を、２層接点方式とよぶ。

図１４（ａ）は、サイト分割型の通信装置１００の断面図を示す。通信素子２００が、信号層２２２における導電体領域２３０と接地層２２４との間に挟まれる。すなわち、通信素子２００は、信号層２２２と接地層２２４の２層と接触し、電源層２２０とは接触しない。２層接点方式によると、通信素子２００の通信シート２０２への実装が容易となる利点がある。

図１４（ｂ）は、連続型の通信装置１００の断面図を示す。通信素子２００は、信号層２２２と接地層２２４の間に挟まれる。すなわち、通信素子２００は、信号層２２２と接地層２２４の２層と接触し、電源層２２０とは接触しない。２層接点方式によると、通信素子２００の通信シート２０２への実装が容易となる利点がある。

図１５は、２層接点方式の通信回路２５０の構成を示す。通信回路２５０は、受信回路２６０、送信回路２６２、制御回路２６４を有して構成される。受信回路２６０および送信回路２６２は、図３に示す通信部５０の構成に対応し、制御回路２６４は、処理部６０およびメモリ７０の構成に対応する。

通信回路２５０が動作するための電圧は、信号層２２２から供給される。信号層２２２からダイオードと抵抗を通ってコンデンサに電荷が蓄積され、それが通信回路２５０内の電源VDDとなり、受信回路２６０、送信回路２６２、制御回路２６４が動作する。

ある通信素子２００に注目したとき、その通信素子２００が信号電位Ｌを送出している時間の合計T_Lを、通信時間全体T₀の1/n以下、すなわちT_L＜T₀/nになるようにパケットの転送頻度を調整しておくこととする。また、そのときの回路の平均消費電流をIとする。パケットの最小発生間隔よりも図１５中のC_EとRの時定数C_ERが十分大きくなり、かつRは信号層へ信号を送出する際の負荷インピーダンス（サイト分割方式の場合の等価回路中R2の程度）より十分大きくなるように設定する。このとき、通信素子２００のコンデンサ両端の電圧Vは、電源層の電位V_Eに対し、

で与えられる。ここでv_Dはダイオードの順方向電圧降下であり、T₀/T_Lの下限nは十分大きく設定した。このVが回路に必要とされる電源電圧を越えるようにパラメータが選択される。

図１６は、送信回路２６２の構成を示す。送信回路２６２において、ＯＵＴが、信号層２２２に接続される。送信回路２６２へ供給されている電源電圧が信号層２２２の電位を下回る場合があり、その時は正常な動作が行えなくなる恐れがあるため、pMOSが取り除いてある。したがって信号の立ち上がり時に回路から信号層２２２に電流は供給されなくなる。その場合でも、信号層自身の抵抗によって正しくプルアップされるための条件は、サイト分割式の場合はR2がその並列容量のインピーダンスより小さく設定してあることであり、連続型通信層の場合には、式(7)の条件が成立することである。

図１７は、受信回路２６０の構成を示す。受信回路２６０は、VとV_Eの電圧差を補償する信号Ｈレベル保持回路２６７を前段に挿入する。信号Ｈレベル保持回路２６７において、C_Hとr1+r2の時定数を、通信信号のＬレベルの継続時間より十分大きくとっておくことで、信号層２２２のＨレベルをC_Hの端子に保持する。r0=r1+r2としておくと、信号がＨのときのr0端子電圧と、C_Hの端子電圧は等しい。r1とr2の比率によって閾値を設定しておくと、信号層電位のわずかな降下を安定に検出することができる。

（３）境界配置型
（１）において示したサイト分割型通信層を利用する通信装置１００において、通信素子２００をサイト２１０の境界をまたぐように配置する構成をとることも可能である。境界配置型の通信装置１００においては、サイト２１０の境界は絶縁されており、サイト間を電気的に接続する隣接結合用抵抗体２３２は用いられない。境界配置型の通信装置１００においては、サイト２１０の境界を絶縁することで、隣接サイト間での信号の減衰を利用した信号伝達を行うのではなく、絶縁された２つ以上のサイトに対して通信素子２００が電気的に接続することで、通信素子２００が、サイト間の信号を中継することで、信号伝達を行う。

図１８（ａ）は、境界配置型の通信装置１００の上面図である。通信素子２００が、サイト２１０間の境界に配置される。サイト２１０は良導層により構成され、サイト２１０の間は絶縁されている。

図１８（ｂ）は、境界配置型の通信装置１００の断面図である。この通信装置１００において、通信素子２００は、３層接点方式により通信シート２０２に接続されている。導電体領域２３０の間は絶縁されている。各通信素子２００は、２つのサイト２１０に対して独立な２点で電気的接触を行い、一方のサイト２１０で検出した信号を他方のサイト２１０に転送することで信号を伝達する。

図１９は、通信素子２００の構造の一例を示す。通信素子２００は、電気的接点２５２、２５４、２５６、２５８を有する。電気的接点２５２および電気的接点２５６は、それぞれ電源層２２０および接地層２２４に電気的に接続する。電気的接点２５４はサイト境界における一方のサイト２１０の信号層２２２に電気的に接続し、電気的接点２５８は、サイト境界における他方のサイト２１０の信号層２２２に電気的に接続する。このように、境界配置型の通信素子２００は、通信シート２０２の信号層２２２に対して、少なくとも２つの電気的接点２５４、２５８を有して構成される。通信回路２５０は、各電気的接点２５２、２５４、２５６、２５８と、配線２５１、２５３、２５５、２５７により電気的に接続される。これにより、通信回路２５０は、各電気的接点２５２、２５４、２５６、２５８を通じて、通信シート２０２を介して信号を送受信することが可能となる。なお、例えば、通信素子２００は、４つのサイト２１０と接続するように配置されてもよく、その場合は、４つのサイト２１０の導電体領域２３０とそれぞれ独立して電気的に接続する４つの電気的接点を有して構成されることになる。

図２０は、通信回路２５０の回路構造の一例を示す。通信回路２５０は、受信回路２６０、送信回路２６２、制御回路２６４を有して構成される。受信回路２６０および送信回路２６２は、図３に示す通信部５０の構成に対応し、制御回路２６４は、処理部６０およびメモリ７０の構成に対応する。

受信回路２６０および送信回路２６２は、２つの導電体領域２３０に接続される各ポートに対して、それぞれ独立に受信および送信を行うことができる。この例では、信号層２２２における２つの導電体領域２３０（「信号層１」「信号層２」と表記）に対して、受信回路２６０および送信回路２６２が、独立して信号の送受信を実行できる。なお、各ポートのそれぞれについての受信回路２６０および送信回路２６２の構造は既述の３層接点方式のものと同一である。

図２１は、２層接点方式による境界配置型の通信装置１００の断面図を示す。２層接点方式においては、通信素子２００が、信号層２２２においてサイト分割された導電体領域２３０の境界に配置される。通信素子２００は、信号層２２２における２つ以上の導電体領域２３０と接地層２２４に電気的に接続する。

図２２は、通信素子２００の通信回路２５０の構成を示す。この例では、電源供給は、接続する２つのサイト２１０のうち、一方（信号層１）のみから受ける。各ポートについて受信回路２６０、送信回路２６２の構成は、既述の２層接点方式のものと同一である。

以上、境界分割型の通信装置１００の構造および動作を示した。この形態の通信装置１００によると、通信素子２００間で信号を順次中継することができ、効率よい通信を実現することができる。

上記した通信装置１００の各構造では、電源層２２０、信号層２２２および接地層２２４が、それぞれ３層に分かれて生成されていた。以下の実施例では、電源層２２０および接地層２２４を同一層に形成して、全体の層厚みを小さくした通信装置１００を示す。通信装置１００の積層構造の層数を少なくすることで、通信装置１００の製造工程が容易になるという利点があるとともに、全体の柔軟性を高めることも可能となる。

図２３は、グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置を説明するための図である。通信装置１００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を備える。グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、サイトとして分割して形成される。グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、同一の高さの層において互い違いに配置されており、グランドセグメント３１０と電源セグメント３２０の間は、互いに絶縁されている。接地層（グランド層）および電源層をサイト分割して、積層構造体として構成される通信装置１００の同一の高さの層に形成したものであり、全てのグランドセグメント３１０は共通のグランドに接続して同一の接地電位に保持され、同様に全ての電源セグメント３２０は共通の電源に接続して同一の電源電位に保持される。図示のように、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は市松模様状に互い違いに形成されている。したがって、グランドセグメント３１０に隣り合うセグメントは電源セグメント３２０であり、また電源セグメント３２０に隣り合うセグメントはグランドセグメント３１０となる。各セグメントは同一の正方形状に形成されている。

近接するグランドセグメント３１０同士、および近接する電源セグメント３２０同士は、結合部品３１５により電気的に結合される。結合部品３１５は、最も近接するグランドセグメント３１０同士を接続し、最も近接する電源セグメント３２０同士を接続する。なお、結合部品３１５は例えばヒューズ等の異常電圧検出素子を備えて、電源電圧の異常検出機能を有してもよい。また、セグメント間に流れる過電流を検出する回路を有してもよい。これにより、あるグランドセグメント３１０または電源セグメント３２０に異常が発生した場合、異常電圧検出素子または過電流検出回路にて異常を検出すると、当該グランドセグメント３１０または電源セグメント３２０を複数の通信素子２００より構成される通信網から切り離すことにより、系全体の故障を回避することができる。

既述したように、通信素子２００が通信機能を発揮するためには、グランド電圧および電源電圧を供給される必要がある。したがって、図２３に示す通信装置１００では、通信素子２００が、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０の双方に電気的に接続する。これにより、通信素子２００は通信機能を実現できることになる。図示されるように、通信素子２００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と、介在する絶縁領域をまたがって接続する。なお、図２３には示していないが、この実施例では信号層もサイトに分割される。以下、このサイトのことを「信号伝達セグメント」と呼ぶが、これは前記したサイトと同一のものである。

図２４は、グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置の断面を示す図である。通信装置１００は積層構造体として構成され、同一の高さの層に形成されたグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と、それらとは異なる高さの層に形成された信号伝達セグメント３４０とを備える。通信素子２００は、グランドセグメント３１０、電源セグメント３２０および信号伝達セグメント３４０に電気的に接続する。

グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、間に絶縁領域３３０を介して設けられており、したがってグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は電気的に分離されている。また、信号伝達セグメント３４０は、絶縁領域３３２を介して設けられており、信号伝達セグメント３４０間も電気的に分離されている。なお、（１）で示したサイト分割型の通信装置１００である場合には、信号伝達セグメント３４０が高抵抗領域を介して接続され、この場合は信号伝達セグメント間の電気的分離は行われない。信号伝達セグメント３４０は、上記した導電体領域２３０に対応し、所定の抵抗値を有するサイトとして形成される。なお、ここでいう所定の抵抗値は、抵抗値が０に近い値だけでなく、０よりも大きいある程度の大きさの抵抗値を有する場合も含み、通信装置１００のタイプに依存する。

図２４に示す通信装置１００は境界配置型であり、図２１に示した断面図と比較するとその違いが明らかとなる。図２４の通信装置では、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を同一の高さの層に互い違いに形成したことで、積層構造体の層数を少なくすることができる。なお、図２４に示す実施例では、境界配置型のみを示しているが、他の種類のものについても同様であり、すなわちグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０をサイト分割して同一層に形成することで、全体の層数を少なくすることが可能となる。

信号伝達セグメント３４０は、絶縁層３３４を介してグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０に重なって配置される。これにより、通信素子２００が積層構造体の上下方向に存在する信号伝達セグメント３４０と、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０とに電気的に接続することが容易となる。図２３に示すように、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が同一の正方形状で構成される場合には、信号伝達セグメント３４０も同じ大きさの正方形状に構成され、且つ上下方向にほぼ完全に重なり合う位置に設けられる。なお、信号伝達セグメント３４０は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と完全に重なる必要はなく、通信素子２００が存在する範囲において重なり部分を有していればよい。

なお、通信装置１００の実利用時には、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が設けられた層および信号伝達セグメントが設けられた層は絶縁層により被覆され、表面に露出しないようにされる。

図２５は、結合部品３１５の構成を示す図である。結合部品３１５は、電源に近い側の電源セグメント３２０をＶＤＤ１端子に接続し、電源から遠い側の電源セグメント３２０をＶＤＤ２端子に接続する。検出回路３２２はＶＤＤ１端子から供給される参照電圧Ｖｓｅｎを受けて、その参照電圧Ｖｓｅｎを所定の第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２と比較する。制御回路３２４は、参照電圧Ｖｓｅｎが第１電圧Ｖ１以下である場合にスイッチ（ＳＷ）をオフし、ＶＤＤ２端子から近接する電源セグメントへの電源供給を停止する。一方、参照電圧Ｖｓｅｎが所定の第２電圧Ｖ２以上である場合にＳＷをオンし、これによりＶＤＤ２端子からの電源供給を行う。

図２６は、検出回路および制御回路の詳細を示す図である。検出回路３２２において、２つのコンパレータ３２６ａ、３２６ｂが、参照電圧Ｖｓｅｎを第１電圧Ｖ１および第２電圧Ｖ２のそれぞれと比較する。コンパレータ３２６ａ、３２６ｂの比較結果は、制御回路におけるＲＳフリップフロップ回路に供給される。ここでは、コンパレータ３２６ａの反転出力がＲ入力に、コンパレータ３２６ｂの出力がＳ入力に接続されている。ＲＳフリップフロップ回路は、これらの入力をもとに、ＳＷのオンオフを制御する制御信号を生成する。

図２７は、電圧Ｖ１、Ｖ２を生成する回路を示す図である。電圧Ｖ１、Ｖ２は、電源電圧を分圧することにより生成される。図２８は、ＶＤＤ１の電圧値とＳＷのオンオフの関係を示す図である。ＶＤＤ１がＶ１以下のときスイッチは常にオフとなり、Ｖ２以上のとき常にオンとなる。参照電圧ＶｓｅｎがＶ１からＶ２に上昇し、Ｖ２からさらに上昇するとＳＷがオンに移行し、Ｖ２から所定の電圧まで下がり、さらにＶ１まで下降するとＳＷがオフに移行する。

図２９は、グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置の別の例を説明するための図である。通信装置１００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を備える。グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、サイトとして分割して形成される。グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、同一の高さの層において互い違いに配置されており、グランドセグメント３１０と電源セグメント３２０の間は、互いに絶縁されている。接地層（グランド層）および電源層をサイト分割して、積層構造体として構成される通信装置１００の同一の高さの層に形成したものであり、全てのグランドセグメント３１０は共通のグランドに接続して同一の接地電位に保持され、同様に全ての電源セグメント３２０は共通の電源に接続して同一の電源電位に保持される。

図２３に示した通信装置の例と異なり、図２９の通信装置１００では、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が帯状の形状を有して形成されている。この点で図２３の通信装置とは異なっており、したがって、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０のそれぞれは、絶縁層３３４（図２４参照）を介して複数個の信号伝達セグメント３４０に重なって配置されている。

図２９において、帯状に形成されるグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、それぞれ正六角形を一列に配して繋げた形状を有している。重なって配置される信号伝達セグメント３４０を点線で示している。これは、信号伝達セグメント３４０を正六角形に形成した場合の例であり、信号伝達セグメント３４０を正四角形に形成する場合には、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が、正四角形を一列に配して繋げた形状を有する。

近接するグランドセグメント３１０同士、および近接する電源セグメント３２０同士は、結合部品３１５により電気的に結合されてもよいが、この場合は、図２３と比較すると、一つのセグメントが大きな形状を有するため、電源またはグランドから導体の経路をひくことで、それぞれが共通電位に設定されてもよい。なお、この構成の図示は省略している。

通信素子２００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０の双方に電気的に接続する。これにより、通信素子２００は通信機能を実現できることになる。図示されるように、通信素子２００は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０に、間に介在する絶縁領域３３０をまたがって接続する。

図２４の実施例で用いた図面では、通信素子２００を基板装置１４の中に埋め込んだ状態で示したが、以下では、通信素子２００を基板装置１４に外部から取り付け可能な技術を提案する。通信素子２００は着脱自在に取り付けることができ、状況に応じてセンサ機能をもつ通信素子２００などを任意の場所に配置できることが好ましい。

図３０（ａ）は、基板装置の構造を示す。基板装置１４は開口部８０を有する。開口部８０は、通信素子２００を嵌入するための穴部であり、図示のごとく積層構造を貫通する穴部として構成されてもよい。図示の例では、基板装置１４が、絶縁層３５２、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を備えた層、絶縁層３３４、信号伝達セグメント３４０を備えた層、絶縁層３５０から構成される積層構造を有している。図中、開口部８０は１つしか示されていないが、基板装置１４は複数の開口部８０を有する。開口部８０は所定の間隔で設けられることが好ましい。この間隔は、通信素子２００の有効通信距離を最大として、有効通信距離以下の距離に設定されるのが好ましい。なお、通信素子２００を挿入する以前は、柔軟ゴムなどの封止材で開口部８０を塞いでおき、必要が生じたときに封止材を取り外して通信素子２００を装着する。

この積層構造は、図２４に示す積層構造に絶縁層３５０、３５２を追加したものであり、グランドセグメント３１０、電源セグメント３２０および信号伝達セグメント３４０が基板装置１４の表面から露出しないようにしている。絶縁層３５０および絶縁層３５２は、基板装置１４の表面を絶縁し、外部からの電荷の流入または外部への電荷の放出を阻止する。

この積層構造において、電源セグメント３２０が通信素子２００に電源電力を供給し、グランドセグメント３１０が通信素子２００に接地電位を与える。通信素子２００を開口部８０に装着した場合、通信素子２００の電極が、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０、さらに信号伝達セグメント３４０に電気的に接続する必要がある。

開口部８０は、通信素子２００と電気的に接続するべき層、図示の例ではグランドセグメント３１０、電源セグメント３２０、信号伝達セグメント３４０を外部に露出するように形成される。すなわち開口部８０は、電気的に接続するべき層の表面を露出させる。

この形状は、例えば既知のパターニング技術などを利用して作製することができる。絶縁層３５０を基板装置１４の上面、絶縁層３５２を下面として上下方向を定めると、通信素子２００は、上面側から下方向に押されて開口部８０に挿入される。挿入方向において、通信素子２００の電極と基板装置１４の露出表面とが押下力により好適に接触することとなり、弾性をもつ基板装置１４の各層との電気的接続を確実にすることができる。なお、電極と露出面との接触は、各層の側面においてなされてもよい。このとき、通信素子２００の挿入部位を横方向に広がる方向に弾力をもつように構成することで、通信素子２００の電極と露出側面との好適な接触を実現することができる。

図３０（ｂ）は、基板装置の構造の変形例を示す。図３０（ａ）の基板装置１４の構造と比較すると、図３０（ｂ）の基板装置１４においては、開口部８０が、階段状に形成されている。通信素子２００と電気的に接続するべき層は、階段状に形成された開口部８０の表面において外部に露出する。このように構成することで、基板装置１４の開口部８０を容易に作成することが可能となる。

なお、図２９に示したように、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を帯状に形成した場合であっても、その境界部分でみれば、図３０と同様の基板装置１４を構成する。

図３１（ａ）は、基板装置の開口部に通信素子を搭載したコネクタを挿入した状態を示す。コネクタ３６０は、開口部８０における各層の露出面に接触する電極３６２と、通信素子２００を固定するための凹部を備えて構成される。コネクタ３６０と通信素子２００は一体として構成されてもよく、このとき一体として構成される部品を通信素子と呼んでもよい。コネクタ３６０と通信素子２００は、ハンダ接続、ワイヤボンディング接続あるいはフリップチップ実装などで電気的に接続される。

なお、図示の例では、通信素子２００が直方体の形状を有しており、通信素子２００の平坦な下面においてコネクタ３６０と接続されているが、通信素子２００は、コネクタ３６０の内部形状の空間に合わせて形成されてもよい。なお、通信素子２００をシリコン微細加工技術により開口部８０の形状に合わせて直接階段状に形成し、開口部８０に直接押し込んでもよく、この場合は、通信素子２００がコネクタとしての機能も有することになる。

コネクタ３６０は、対となる固定用の止め部材３６４を有する。止め部材３６４は、横方向外向きに突起しており、貫通穴である開口部８０に挿入されて、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が形成された層を突き抜けると、止め部材３６４の外向き突起部により、コネクタ３６０が基板装置１４に固定される。このように、開口部８０を貫通口とすることで、コネクタ３６０と基板装置１４との固定機構を簡易に実現できる。なお、止め部材３６４は、横方向内向きに曲げることができるため、ユーザが止め部材３６４を指でつまんで内向きに変形させると、コネクタ３６０を開口部８０から容易に引き抜くことができる。

コネクタ３６０の基体は、電気的な短絡等を防ぐために絶縁体で構成される。コネクタ３６０の外部形状は、開口部８０の形状に合わせて構成される。コネクタ３６０の外表面には、基板装置１４の各層との電気接続を行うための複数の電極３６２が設けられ、この電極３６２と通信素子２００との接続部分とが配線で接続される。

基板装置１４における各層との接続を確実にするため、コネクタ３６０の上下方向の外部形状は、開口部８０の形状に一致させるか、または僅かに小さく形成されてもよい。具体的には、階段状に形成された開口部８０の段差部分よりも、コネクタ３６０の外部形状における段差部分の方が僅かに小さくなるように形成されることが好ましい。基板装置１４の積層構造が可撓性すなわち弾性を有している場合、コネクタ３６０を開口部８０に押し込むと、止め部材３６４によりコネクタ３６０が開口部８０に固定された状態で、積層構造が上下方向に縮み、コネクタ３６０の階段状の外表面に対して各層から上向きに押し上げる方向に押圧力が加わるため、電気的な接続を確実にすることができる。

図３１（ｂ）は、基板装置の開口部に通信素子を搭載したコネクタを挿入した状態の別の例を示す。この例では、コネクタ３６０の外部形状が階段状に形成されている。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、図２４では、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０が同一層に形成され、信号伝達セグメント３４０が別の層に形成された積層構造を示したが、別の形態の２層構造をとることも可能である。
図３２（ａ）は、グランドセグメントおよび電源セグメントを異なる層に形成した通信装置の断面を示す図である。この通信装置１００は積層構造体として構成され、異なる高さの層に形成されたグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と、グランドセグメント３１０が形成された層または電源セグメント３２０が形成された層の少なくとも一方の層に形成された信号伝達セグメント３４０とを備える。図３２（ａ）では、信号伝達セグメント３４０が、グランドセグメント３１０が形成された層および電源セグメント３２０が形成された層の双方に形成されている。

同一層において、グランドセグメント３１０および信号伝達セグメント３４０は、間に絶縁領域３３０を介して設けられている。また、それとは異なる層において、電源セグメント３２０および信号伝達セグメント３４０は、間に絶縁領域３３２を介して設けられている。このように、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０を異なる層に形成した場合であっても、信号伝達セグメント３４０を、それらと同一の層に形成することで、全体の層数を少なくすることが可能となる。

信号伝達セグメント３４０のそれぞれは、絶縁層３３４を介してグランドセグメント３１０または電源セグメント３２０に重なって配置される。これにより、通信素子２００が積層構造体の上下方向に存在する信号伝達セグメント３４０と、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０とに電気的に接続することが容易となる。図２４において左側に示す信号伝達セグメント３４０は、下層のグランドセグメント３１０とほぼ完全に重なり合う位置に設けられ、また右側に示す信号伝達セグメント３４０は、上層の電源セグメント３２０とほぼ完全に重なり合う位置に設けられている。なお、信号伝達セグメント３４０は、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と完全に重なる必要はなく、通信素子２００が存在する範囲において重なり部分を有していればよい。一方、グランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、異なる高さの層において重ならないように配置される。これにより、グランドセグメント３１０と電源セグメント３２０とが絶縁層３３４などに生じた欠陥などを介して短絡する可能性を低減できる。

配置構造については、図２４において右側に示す信号伝達セグメント３４０と電源セグメント３２０とを入れ替えた構造をとっており、各セグメントの形状や配列等は、図２３や図２４などにおいて説明したものと同様である。すなわち、各セグメントは同一の多角形状を有してよく、またグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０は、帯状の形状を有してもよい。さらに、近接するグランドセグメント３１０同士、および近接する電源セグメント３２０同士は、結合部品３１５により電気的に結合されてもよい。

図３２（ｂ）は、グランドセグメントおよび電源セグメントを異なる層に形成した基板装置の断面を示す図である。図３２（ｂ）の基板装置１４は開口部８０とともに、図３０（ａ）に示した積層構造と近似した積層構造を有している。図３２（ａ）の通信装置１００に関して説明したように、図３０（ａ）の積層構造と違う点として、図３２（ｂ）の基板装置１４は、異なる高さの層に形成されたグランドセグメント３１０および電源セグメント３２０と、グランドセグメント３１０が形成された層または電源セグメント３２０が形成された層の少なくとも一方の層に形成された信号伝達セグメント３４０とを備える。この積層構造については図３２（ａ）に関して説明したとおりである。この積層構造を備えることで、基板装置１４は少ない総数で形成されることができる。

本発明の実施例に係る通信技術の方式を説明するための図である。本発明の実施例にかかる通信装置の外観構成の概要を示す図である。通信素子の機能ブロック図である。（ａ）は、サイト分割型の通信装置の上面図であり、（ｂ）は、通信層の断面図である。通信層の構造、通信層の等価回路および各サイトに生じる電位変化を示す図である。通信素子の構造の一例を示す図である。通信回路の回路構造の一例を示す図である。受信回路の回路構造の一例を示す図である。送信回路の回路構造の一例を示す図である。（ａ）は、連続型の通信装置の上面図であり、（ｂ）は、通信層の断面図である。（ａ）は、通信層の構造を示す図であり、（ｂ）は、信号層に電圧を印加したときの電圧分布を示す図である。図１１（ａ）に示す５層構造の通信装置の模式的な構成を示す図である。円形電極を、中心が原点に一致するように配置した図である。（ａ）は、サイト分割型の通信装置の断面図であり、（ｂ）は、連続型の通信装置の断面図である。２層接点方式の通信回路の構成を示す図である。送信回路の構成を示す図である。受信回路の構成を示す図である。（ａ）は、境界配置型の通信装置の上面図であり、（ｂ）は、境界配置型の通信装置の断面図である。通信素子の構造の一例を示す図である。通信回路の回路構造の一例を示す図である。２層接点方式による境界配置型の通信装置の断面図である。通信素子の通信回路の構成を示す図である。グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置を説明するための図である。グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置の断面を示す図である。結合部品の構成を示す図である。検出回路および制御回路の詳細を示す図である。電圧Ｖ１、Ｖ２を生成する回路を示す図である。ＶＤＤ１の電圧値とＳＷのオンオフの関係を示す図である。グランドセグメントおよび電源セグメントを同一層に形成した通信装置の別の例を説明するための図である。基板装置の構造の例を示す図である。基板装置の開口部に通信素子を搭載したコネクタを挿入した状態の例を示す図である。グランドセグメントおよび電源セグメントを異なる層に形成した通信装置および基板装置の断面を示す図である。

符号の説明

１４・・・基板装置、８０・・・開口部、１００・・・通信装置、２００・・・通信素子、３１０・・・グランドセグメント、３１５・・・結合部品、３２０・・・電源セグメント、３３０・・・絶縁領域、３３２・・・絶縁領域、３３４・・・絶縁層、３４０・・・信号伝達セグメント、３６０・・・コネクタ、３６２・・・電極、３６４・・・止め部材。

Claims

グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する信号伝達セグメントと、前記グランドセグメント、前記電源セグメントおよび前記信号伝達セグメントに電気的に接続する通信素子を備えた積層構造体として構成される通信装置であって、
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、積層構造体において同一の高さの層に形成されることを特徴とする通信装置。
前記信号伝達セグメントは、絶縁層を介して前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、同一の高さの層において、互い違いに配置されており、前記グランドセグメントと前記電源セグメントの間は絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
近接する前記グランドセグメント同士、および近接する前記電源セグメント同士は、結合部品により電気的に結合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通信装置。
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、帯状の形状を有して、絶縁層を介して複数個の前記信号伝達セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の通信装置。
グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する機能をもつ信号伝達セグメントとを備えた積層構造を有する信号伝送用基板装置であって、複数の開口部を備え、
前記開口部は、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントを露出させ、前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、積層構造において同一の高さの層に形成され、当該層は、前記信号伝達セグメントが設けられた層とは異なる高さにあることを特徴とする信号伝送用基板装置。
前記開口部は、積層構造を貫通して形成されることを特徴とする請求項６に記載の信号伝送用基板装置。
複数の前記開口部は、所定の間隔で設けられることを特徴とする請求項６または７に記載の信号伝送用基板装置。
前記信号伝達セグメントは、絶縁層を介して前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の通信装置。
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、同一の高さの層において、互い違いに配置されており、前記グランドセグメントと前記電源セグメントの間は絶縁されていることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の信号伝送用基板装置。
近接する前記グランドセグメント同士、および近接する前記電源セグメント同士は、結合部品により電気的に結合されていることを特徴とする請求項６から１０のいずれかに記載の信号伝送用基板装置。
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、帯状の形状を有して、絶縁層を介して複数個の前記信号伝達セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項６から１１のいずれかに記載の信号伝送用基板装置。
グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する信号伝達セグメントと、前記グランドセグメント、前記電源セグメントおよび前記信号伝達セグメントに電気的に接続する通信素子を備えた積層構造体として構成される通信装置であって、
前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、積層構造体において異なる高さの層に形成されており、前記信号伝達セグメントは、前記グランドセグメントが形成された層または前記電源セグメントが形成された層の少なくとも一方の層に形成されることを特徴とする通信装置。
前記信号伝達セグメントは、絶縁層を介して、異なる高さの層に形成された前記グランドセグメントまたは前記電源セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の通信装置。
グランドセグメントおよび電源セグメントと、導電体により構成されて信号を伝達する機能をもつ信号伝達セグメントとを備えた積層構造を有する信号伝送用基板装置であって、複数の開口部を備え、
前記開口部は、グランドセグメント、電源セグメントおよび信号伝達セグメントを露出させ、前記グランドセグメントおよび前記電源セグメントは、積層構造において異なる高さの層に形成されており、前記信号伝達セグメントは、前記グランドセグメントが形成された層または前記電源セグメントが形成された層の少なくとも一方の層に形成されることを特徴とする信号伝送用基板装置。
前記信号伝達セグメントは、絶縁層を介して、異なる高さの層に形成された前記グランドセグメントまたは前記電源セグメントに重なって配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の信号伝送用基板装置。