JP2008099234A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】静電結合する送受信機の電極間の距離を拡張して、送受信機間の配置や通信装置のデザインを柔軟にする。
【解決手段】銅線あるいはその他の導体を用いた線状の部材からなる表面波伝送線路によって、送信機側の結合電極から放射される表面波をこの伝送線路の内部及び表面を通じて伝搬する。銅線などの導体で構成された表面波伝送線路は、誘電体などで構成された表面波伝送線路と比べ、伝搬ロスが著しく低減するので、表面波伝送線路を分岐させたり束ねたりしても十分使用に耐えられ、非接触通信を行なうための通信スポットを複数の場所に分散させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、情報機器間で大容量のデータ通信を行なう通信システムに係り、特に、情報機器間で静電界（準静電界）若しくは誘導電界を利用して他の通信システムとの干渉のないデータ通信を行なう通信システムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、高周波信号を電界結合により大容量伝送を実現する通信システムに係り、特に、電界結合する送受信機の電極間の距離を拡張して、送受信機間の配置や通信装置のデザインを柔軟にする通信システムに関する。

最近、画像や音楽などのデータをパソコンとの間で交換するなど、小型の情報機器間でデータを移動する際、ＡＶ（Ａｕｄｉｏ Ｖｉｓｕａｌ）ケーブルやＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ケーブルなどの汎用ケーブルで相互接続したデータ通信やメモリカードなどのメディアを媒介にする方法に代わって、無線インターフェースを利用することが増えてきている。後者によれば、データ伝送の度にコネクタの付け替え作業をしてケーブルを引き回す必要がなく、ユーザの利便性が高い。各種のケーブルレス通信機能を搭載した情報機器も多く出現している。

小型機器間でケーブルレスによりデータ伝送を行なう方法として、ＩＥＥＥ８０２．１１に代表される無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信を始めとして、アンテナを用いて無線信号の送受信を行なう電波通信方式が開発されている。例えば、グリップ部を把持した手による覆いを免れた位置に内蔵アンテナが内蔵され、内蔵アンテナが手で覆われることがなく正しい画像データが受信されるため、装置内部に無線通信用のアンテナを配備したとしても、アンテナが本来持つ特性がそのまま発揮される可搬型画像記録装置について提案がなされている（例えば、特許文献１を参照のこと）。

従来の無線通信システムの多くは電波通信方式を採用したものであり、空中線（アンテナ）に電流を流した際に発生する放射電界を利用して信号を伝搬させるものである。この場合、送信機側からは通信相手がいるかどうかに拘わらず電波を放出するので、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になってしまうという問題がある。また、受信機側のアンテナは、送信機からの所望波だけでなく、遠方から到来した電波も受信するので、周囲の妨害電波の影響を受け易く、受信感度低下の原因になる。また、通信相手が複数存在する場合には、その中から所望の通信相手を選択するために複雑な設定を行なう必要がある。例えば、狭い範囲で複数の組の無線機が無線通信を行なう場合は、互いの干渉を回避するために、周波数選択などの分割多重を行なって通信を行なう必要がある。また、電波は偏波の向きが直交すると通信することができないため、送受信機間では互いのアンテナの偏波方向が揃っている必要がある。

例えば、数ミリ〜数センチメートルといった至近距離での非接触データ通信システムを考えた場合、近距離では送受信機が強く結合する一方、他のシステムへの干渉を回避するために遠距離まで信号が到来しないことが好ましい。また、データ通信する機器同士を至近距離に接近させた際の互いの姿勢（向き）に依存せず、結合すること、すなわち指向性がないことが望ましい。また、大容量データ通信を行なうには、広帯域通信が可能であることが望ましい。

無線通信には、上記の放射電界を利用した電波通信以外にも、静電界や誘導電界などを利用した通信方式が挙げられる。例えば、主にＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）に利用されている既存の非接触通信システムでは、電界結合方式や電磁誘導方式が適用されている。静電界や誘導電界は発生源からの距離に対し、それぞれ距離の３乗並びに２乗に反比例する。したがって、この種の非接触通信システムは、伝送信号は距離に応じて急峻に減衰するので、通信相手が近くに存在しないときには結合関係が生じないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器（カプラ）が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。

例えば、複数の通信補助体間にＲＦＩＤタグが位置するように配置した通信補助体組を形成し、通信補助体間に挟むように複数の商品に付けられたＲＦＩＤタグを配置することにより、ＲＦＩＤタグが重なり合った状態であっても、情報の安定した読み取り・書き込みが可能となるＲＦＩＤタグ・システムについて提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。

また、装置本体とこの装置本体を身体に装着するための装着手段とを備えるとともに、アンテナ・コイルとこのアンテナ・コイルを介して外部の通信装置と非接触でデータ通信を行うデータ通信手段を備え、装置本体の上部に設けられたアウターケースにアンテナ・コイルとデータ通信手段とを配置して、誘導磁界を用いたデータ通信装置について提案がなされている（例えば、特許文献３を参照のこと）。

また、携帯情報機器に挿入されるメモリカードに外部機器とデータ通信を行なうためのアンテナ・コイルを搭載し、携帯情報機器のメモリカード挿入口の外側にＲＦＩＤのアンテナ・コイルが配置される構造として、携帯性を損なうことなく通信距離を確保したＲＦＩＤを有する携帯電話機について提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。

静電界や誘導電界を利用した従来のＲＦＩＤシステムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きであった。これに対し、本発明者らは、高周波信号を電界結合で伝送することによって、大容量伝送が可能であると考えている。

しかしながら、放射電界の電界強度が距離に反比例して緩やかに減衰するのに対し、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰する、すなわち通信距離による信号の減衰が大きい。また、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が生じることから、電界結合により高周波信号を伝搬する際には、電極間距離に応じた伝搬損の問題が顕著となる。このため、送信機と受信機の結合用電極間をできる限り密着させる必要がある。結合用電極同士を十分近づけるには、電極間で微妙な位置合わせを行なう必要があり、データ通信中はその位置を保持しなければならず、ユーザの使い勝手がよくない。また、長い距離では、送受信機間で直接通信を行なうことができない。

また、結合用電極を通信装置の筐体内に実装する際、データ通信時の電極間距離を小さくするには電極をできるだけ筐体の外側に配置する必要があり、筐体設計においてレイアウトの自由度が制限されてしまう。勿論、結合用電極は、小型で低コストであることが望ましい。

特開２００６−１０６６１２号公報 特開２００６−６０２８３号公報 特開２００４−２１４８７９号公報 特開２００５−１８６７１号公報

本発明の目的は、情報機器間で静電界若しくは誘導電界を利用して他の通信システムとの干渉のないデータ通信を行なうことができる、優れた通信システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、高周波信号を静電界若しくは誘導電界を利用した通信方式によって大容量データ伝送を実現することができる、優れた通信システムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、送受信機の結合用電極間の距離を拡張して、送受信機間の配置や通信装置のデザインを柔軟にすることができる、優れた通信システムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、データを伝送する高周波信号を生成する送信回路部と、該高周波信号を静電磁界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
高周波結合器と、該高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する受信回路部を備えた受信機と、
前記送信機側の高周波結合器から放射される表面波を表面に沿って伝搬する、導体からなる表面波伝送線路を提供する表面波伝搬手段と、
を具備することを特徴とする通信システムある。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない（以下、同様）。

画像や音楽などのデータをパソコンとの間で交換するなど、小型の情報機器間でのデータ転送をケーブルレスで行なえると、ユーザの利便性が高まる。しかしながら、無線ＬＡＮに代表される多くの無線通信システムでは、アンテナに電流を流した際に発生する放射電界を利用するので、通信相手がいるかどうかに関わらず電波が放出されてしまう。また、放射電界はアンテナからの距離に反比例して緩やかに減衰するので、比較的遠方まで信号が到達してしまう。このため、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になるとともに、受信機側のアンテナも周囲の妨害電波の影響で受信感度が低下する。要するに、電波通信方式では、至近距離の通信相手に制限した無線通信を実現することは困難である。

一方、静電界や誘導電界を利用した通信システムでは、通信相手が近くに存在しないときには、結合関係が生じない。また、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰する。すなわち、不要な電界が発生せず、且つ、電界が遠くまで到達しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合用電極は電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。

また、静電界や誘導電界を利用した従来の非接触通信システムでは低周波信号を用いるため大量のデータ伝送には不向きであったが、本発明者らは、高周波信号を用いることで、この種の非接触通信システムにおいても大容量データ伝送が可能であると考えている。

ところが、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例して急峻に減衰し、さらに高周波信号を用いると短波長であることから伝搬損が大きいという問題がある。このため、送信機と受信機の結合用電極間をできる限り密着させる必要があり、長い距離での通信を行なうことができない。また、結合用電極同士を十分に近接させるためには、電極間で微妙な位置合わせを行なう必要があり、且つ、データ通信中はその位置を保持しなければならないことから、ユーザの使い勝手がよくない。

そこで、本発明に係る通信システムは、高周波信号を電界結合により伝送する通信方式を採用するものであるが、送信機側の結合電極から放射される表面波を表面波伝搬手段が伝達することによって、送受信機の電極同士を十分接近させたり、微妙な位置合わせを行なったりすることなく、データ伝送が可能となるように構成されている。

表面波伝搬手段は、例えば、銅線あるいはその他の導体を用いた線状の部材からなる表面波伝送線路で構成され、送信機側の結合用電極から放射される電磁波のうち縦波すなわち表面波の進行方向に沿って配設されている。表面波伝送線路を配置しない自由空間上で表面波を伝搬する場合に比べると、送受信機の結合器間に表面波伝送線路が介在することにより伝搬損が低減することができる。

したがって、本発明に係る通信システムによれば、送信機と受信機の結合用電極同士を比較的長い距離に離しても、電界結合により放射される表面波を低い伝搬損で伝送してデータ通信を行なうことができる。非接触伝送を行なう際に、ユーザは送受信機同士で互いの結合用電極間を直接密着させる必要はなくなる。

さらに、送信機側において発生した表面波を効率よく表面波伝送線路で捕捉するとともに、伝送した表面波を効率よく受信機側に伝達するために、前記表面波伝送線路のそれぞれの端部に、前記送信機又は前記受信機側の高周波結合器と電界結合するための結合用電極を、表面波の進行方向に対しほぼ垂直となるように取り付けるようにしてもよい。

また、表面波伝送線路の表面を絶縁体で被覆して、ユーザの手や導電性の異物の接触により短絡が生じることを防ぐようにしてもよい。あるいは、表面波伝送線路を絶縁性の物体の中に埋設してもよい。

銅線などの導体で構成された表面波伝送線路は、誘電体や磁性体などで構成された表面波伝送線路と比べると、表面波の伝搬損が著しく低減する。

したがって、導体からなる表面波伝送線路は、簡単な構造により非接触通信の通信距離を大きくする延長ケーブルとして利用することができる。また、結合用電極に対して伝送線路の断面を十分に小さくすることができる。

また、導体で構成された表面波伝送線路は伝搬損が極めて低く、伝送線路を分岐させたり束ねたりしても十分使用に耐えられることから、非接触通信を行なうための通信スポットを複数の場所に分散させたり、電界結合により通信を行なう非接触通信システムの電極の位置合わせ精度を緩和したりすることや、複数箇所での通信を可能にすることができる。

本発明に係る通信システムが適用される空間に、送信機及び受信機が設置される複数の通信スポットが設けられている場合には、前記表面波伝搬手段は、前記送信機からの高周波信号の表面波を、前記受信機が設置される複数の通信スポットに対して伝送するための表面波伝送線路を備えていてもよい。

例えば、前記送信機が設置される通信スポットと、前記受信機を設置することができる各通信スポットとをそれぞれ接続する複数の表面波伝送線路を敷設すればよい。

あるいは、前記表面波伝搬手段は、通信スポットの組み合わせ毎に表面波伝送線路を備え、各通信スポットでは他の各通信スポットとデータ通信するために敷設された複数本の表面波伝送線路を束ねるようにしてもよい。また、送信側となる１つの通信スポットからの表面波伝送線路を、受信機が設置される複数の通信スポットへ分岐させるようにしてもよい。

ここで、前記送信機は、前記送信回路部が生成する高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を、所定の周波数で共振する共振部を介して前記高周波結合器の電極のほぼ中央に接続している。また、前記受信機は、前記高周波結合器の電極のほぼ中央において、所定の周波数で共振する共振部を介して、前記受信回路部へ高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を接続している。

前記共振部は、集中定数回路で構成することができる。具体的には、前記共振部は、前記高周波伝送線路の信号線とグランド間に接続される並列インダクタと、前記高周波伝送線路の信号線と電極間に接続される直列インダクタで構成される。あるいは、前記共振部は、分布定数回路で構成することができる。具体的には、結合器を搭載するプリント基板上に使用波長に依存する長さを持つ導体パターン（「スタブ」とも呼ぶ）を形成して、これが共振部として作用する。

本発明によれば、情報機器間で静電界若しくは誘導電界を利用して他の通信システムとの干渉のないデータ通信を行なうことができる、優れた通信システムを提供することができる。

また、本発明によれば、高周波信号を静電界若しくは誘導電界を利用した通信方式によって大容量データ伝送を実現することができる、優れた通信システムを提供することができる。

また、本発明によれば、送受信機の結合用電極間の距離を拡張して、送受信機間の配置や通信装置のデザインを柔軟にすることができる、優れた通信システムを提供することができる。

本発明に係る通信システムでは、送信機側の結合電極から放射される表面波を表面波伝搬手段が低い伝搬損で効率的に伝達することから、データ通信を行なう際にユーザは送受信機同士で結合用電極間を直接密着させる必要はなくなり、長い距離でも電界結合によるデータ通信が可能である。

また、本発明に係る通信システムによれば、電界結合する電極同士を十分近づけるために電極間で微妙な位置合わせを行なう必要はなくなり、さらに通信装置の筐体内に電極を筐体の外側に配置する必要はなくなるので、筐体のレイアウト設計の自由度が増す。

本発明に係る通信システムによれば、送受信機の結合用電極と表面波伝搬手段が提供する表面波伝送線路の間や、表面波伝送線路の途中を電気的に切り離して非接触の状態で用いることができるので、機器間や機器と部材間が物理的な接点を持たない非接触通信として適用することができる。

銅線などの導体で構成された表面波伝送線路は、誘電体などで構成された表面波伝送線路と比べても、表面波の伝搬損が著しく小さくなるので、簡単な構造により非接触通信の通信距離を大きくする延長ケーブルとして利用することができる。

また、銅線などの導体で構成された表面波伝送線路は、分岐させたり束ねたりして使用しても、送信機から受信機まで表面波が伝わる際の伝搬損は低く抑えられる。したがって、非接触通信を行なうための通信スポットを複数の場所に分散させたり、電界結合により通信を行なう非接触通信システムの電極の位置合わせ精度を緩和したりすることや、複数箇所での通信を可能にすることができる。

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。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、静電界若しくは誘導電界を利用して情報機器間でデータ伝送を行なう通信システムに関する。

静電界若しくは誘導電界に基づく通信方式によれば、通信相手が近くに存在しないときには結合関係がなく電波を放射しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。

また、アンテナを用いた従来の電波通信では放射電界の電界強度が距離に反比例するのに対し、誘導電界では電界強度が距離の２乗に、静電界では電界強度が距離の３乗に反比例して減衰することから、電界結合に基づく通信方式によれば、近隣に存在する他の無線システムにとってノイズ・レベル程度となる微弱無線を構成することができ、無線局の免許を受ける必要はなくなる。

なお、時間的に変動する静電界のことを「準静電界」と呼ぶこともあるが、本明細書ではこれを含めて「静電界」に統一して称することにする。

従来の静電界若しくは誘導電界を利用した通信では、低周波信号を用いるため大量のデータ伝送には不向きである。これに対し、本発明に係る通信システムでは、高周波信号を電界結合で伝送することによって、大容量伝送が可能である。具体的には、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式を電界結合に適用することで、微弱無線であるとともに、大容量データ通信を実現することができる。

ＵＷＢ通信は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという非常に広い周波数帯域を使用し、近距離ながら１００Ｍｂｐｓ程度の大容量の無線データ伝送を実現することができる。ＵＷＢ通信は、本来、アンテナを用いた電波通信方式として開発された通信技術であり、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ＵＷＢ通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている。また、米インテル社は、ＵＷＢのアプリケーションとして、パソコン向けの汎用インターフェースとして普及しているＵＳＢの無線版を検討している。

また、ＵＷＢ通信は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚという伝送帯域を占有しなくても１００Ｍｂｐｓを超えるデータ伝送が可能であることやＲＦ回路の作り易さを考慮して、３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンドを使った伝送システムも開発が盛んである。本発明者らは、ＵＷＢローバンドを利用したデータ伝送システムを、モバイル機器に搭載する有効な無線通信技術の１つと考えている。例えば、ストレージ・デバイスを含む超高速な近距離用のＤＡＮ（Ｄｅｖｉｃｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）など、近距離エリアにおける高速データ伝送を実現することが可能である。

本発明者らは、静電界若しくは誘導電界を利用したＵＷＢ通信システムによれば、微弱電界によるデータ通信が可能であるとともに、例えば動画像やＣＤ１枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と考えている。

図２４には、静電界若しくは誘導電界を利用した非接触通信システムの構成例を示している。図示の通信システムは、データ送信を行なう送信機１０と、データ受信を行なう受信機２０で構成される。

送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信用の電極１３及び２３は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。送信機側の送信回路部１１は、上位アプリケーションから送信要求が生じると、送信データに基づいてＵＷＢ信号などの高周波送信信号を生成し、送信用電極１３から受信用電極２３へ信号が伝搬する。そして受信機２０側の受信回路部２１は、受信した高周波信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。

ＵＷＢ通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式によれば、近距離において１００Ｍｂｐｓ程度の超高速データ伝送を実現することができる。また、電波通信ではなく電界結合によりＵＷＢ通信を行なう場合、その電界強度は距離の３乗若しくは２乗に反比例することから、無線設備から３メートルの距離での電界強度（電波の強さ）が所定レベル以下に抑制することで無線局の免許が不要となる微弱無線とすることが可能であり、安価に通信システムを構成することができる。また、電界結合方式により超近距離でデータ通信を行なう場合、周辺に存在する反射物により信号の質が低下することはない、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない、といった利点がある。

一方、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が大きくなることから、電界結合により高周波信号を伝搬する際には、伝搬損を十分低く抑える必要がある。ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を電界結合で伝送する通信方式では、３ｃｍ程度の超近距離通信であっても、使用周波数帯４ＧＨｚにとっては約２分の１波長に相当するため、無視することはできない長さである。とりわけ、高周波回路では、低周波回路に比べると特性インピーダンスの問題はより深刻であり、送受信機の電極間の結合点においてインピーダンス不整合による影響は顕在化する。

ｋＨｚあるいはＭＨｚ帯の周波数を使った従来の非接触通信では、空間での伝搬損が小さいため、送信機及び受信機が電極のみからなる結合器を備え、結合部分が単純に平行平板コンデンサとして動作する場合であっても、所望のデータ伝送を行なうことができる。これに対し、ＧＨｚ帯の高周波を使った非接触通信の場合には、空間での伝搬損が大きくなるため、送受信機の結合用電極間において信号の反射を抑え、伝送効率を向上させる必要がある。図２４に示した通信システムにおいて、送信回路部１１と送信用電極１３を結ぶ高周波信号伝送路が例えば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、送信側の結合用電極１３と受信側の結合用電極２３間の結合部におけるインピーダンスが不整合であると、信号は反射して伝搬損を生じる。

そこで、送信機１０及び受信機２０のそれぞれに配置される高周波結合器を、図２５に示すように、平板状の結合用電極１３、２３と、直列インダクタ１２Ａ、２２Ａ、並列インダクタ１２Ｂ、２２Ｂを高周波信号伝送路に接続して構成している。このような高周波結合器を、図２６に示すように向かい合わせて配置すると、２つの電極が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作するため、２つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。ここで言う高周波信号伝送路とは、同軸ケーブル、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などを示す。

図２４に示した非接触通信システムにおいて、ＵＷＢなどの高周波信号を電界結合により伝送する際には、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。

（１）電界で結合するための電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための並列インダクタがあること。
（３）通信に使用する周波数帯において、結合器を向かい合わせに置いたときにインピーダンス・マッチングが取れるように、インダクタ、及び電極によるコンデンサの定数が設定されていること。

図２６に示したように電極が対向する１組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタは、直列インダクタと並列インダクタのインダクタンス、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスによって、その通過周波数を決定することができる。図２７には、１組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタの等価回路を示している。特性インピーダンスＲ［Ω］、中心周波数ｆ₀［Ｈｚ］、入力信号と通過信号の位相差をα［ラジアン］（π＜α＜２π）、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスをＣ／２とすると、バンドパス・フィルタを構成する並列及び直列インダクタンスＬ₁、Ｌ₂の各定数は、使用周波数ｆ₀に応じて下式で求めることができる。

また、結合器単体としてインピーダンス変換回路として機能する場合、その等価回路は図２８に示す通りとなる。図示の回路図において、下式を満たすように、使用周波数ｆ₀に応じて並列インダクタンスＬ₁及び直列インダクタンスＬ₂をそれぞれ選ぶことにより、特性インピーダンスをＲ₁からＲ₂へ変換するインピーダンス変換回路を構成することができる。

図２３には、アンテナ、結合器（並列インダクタがある場合）、結合器（並列インダクタがない場合）をそれぞれ向かい合わせに置き、距離を変えながら伝搬損を測定した結果を示している。

結合器（並列インダクタあり）は、距離１ｃｍ程度までの近距離では強く結合し伝搬損が小さくなっているが、距離が大きくなるにつれて急激に減衰し、周囲への干渉を起こさないような特性になっている。これに対して、アンテナは距離が大きくなっても結合器（並列インダクタあり）の場合ほどには伝搬損が大きくならいので、他の無線システムへの妨害信号になってしまう可能性がある。また、並列インダクタを持たない結合器では、伝搬効率が悪く、通信相手が近くにいる場合であっても伝搬損が大きい。

なお、高周波結合器の結合用電極は、同軸ケーブル、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路といった高周波伝送線路に接続されている。本明細書で言う「高周波結合器」は、高周波回路特有の問題を解決するものである。

このように、図２４に示した非接触通信システムでは、ＵＷＢ通信を行なう通信機は、従来の電波通信方式の無線通信機においてアンテナを使用する代わりに、図２５に示した高周波結合器を用いることで、従来にない特徴を持った超近距離データ伝送を実現することができる。

ここで、発信用電極１３の中心に直列インダクタなどからなる共振部１２（若しくは高周波伝送線路）が接続されるものとする。何故ならば、電極の中心に高周波伝送線路を接続することにより、電極１３内に均等に電流が流れて、電極１３の正面に電極面とほぼ垂直な向きに不要な電波を放射しないが（図２１Ａを参照のこと）、電極１３の中心からオフセットのある位置に共振部１２を接続すると、電極１３内に不均等な電流が流れてマイクロストリップ・アンテナのように動作して不要な電波を放射してしまうからである（図２１Ｂを参照のこと）。

図２２には、図２５に示した高周波結合器の実際の構成例を示している。図示の例では送信機１０側の高周波結合器を示しているが受信機２０側でも同様に構成される。同図において、電極１３は円柱状の誘電体１５の上面に配設され、プリント基板１７上の信号線とはこの誘電１５体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。図示の高周波結合器は、例えば、所望の高さを持つ円柱状の誘電体にスルーホールを形成した後、この円柱の上端面に結合用電極となるべき導体パターンを形成するとともに、スルーホール中に導体を充填させ、さらにプリント基板上にこの誘電体をリフロー半田などにより実装することによって製作することができる。

プリント基板１７の回路実装面から電極１３までの高さ、すなわちスルーホール１６の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、直列インダクタ１２Ｂと代用することができる。信号線はチップ状の並列インダクタ１２Ａを介してグランド１８に接続されている。なお、図示しないが、並列インダクタンスは、チップではなく、プリント基板上の配線パターンで代用することも可能である。この種のインダクタンスは分布定数回路からなり、以下では「スタブ」とも呼ぶ。

誘電体１５とスルーホール１６は、電極１３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１２Ｂ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１３まで十分な高さをとって直列インダクタ１２Ｂと等価なインダクタンスを構成することによって、グランド１８と電極１３との電界結合を回避して、高周波結合器としての機能（すなわち、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１３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、直列インダクタ１２Ｂすなわち共振部１２はアンテナとして作用して電波を放出するという弊害がある。この場合、高周波結合器の共振部１２におけるアンテナとしての振る舞いによる放射電波は距離に対する減衰が静電磁界よりも小さいため、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となる微弱無線に抑えることが困難になる。よって、誘電体１５の高さは、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十分に得ることと、共振回路として作用するために必要な直列インダクタ１２Ｂを構成することと、この直列インダクタ１２Ｂからなる共振部がアンテナとしての作用が大きくならない程度であることが条件となる。

一般に、金属はアンテナの効率的な電波の放射を妨げるため、アンテナの放射エレメントの近傍にグランドなどの金属を配置することができない。これに対し、本実施形態に係る通信システムでは、高周波結合器は電極１３の裏面側に金属を配置しても特性が悪化しない。また、直列インダクタ１２Ｂと並列インダクタ１２Ａの定数を適当に選ぶことで、従来のアンテナよりも小型に作ることができる。また、静電界はアンテナのように偏波を持たないため、向きが変わっても一定の通信品質を確保することができる。

なお、電波通信の分野では、図３に示すようにアンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナが広く知られており、一見して図２５に示した結合器と構造が類似する。ここで、本実施形態で送受信機において用いられる結合器と容量装荷型アンテナとの相違について説明しておく。

図３に示した容量装荷型アンテナは、アンテナの放射エレメントの周囲Ｂ₁及びＢ₂方向に電波を放射するが、Ａ方向は電波を放射しないヌル点となる。アンテナの周りに発生する電界を詳細に検討すると、アンテナからの距離に反比例して減衰する放射電界と、アンテナからの距離の２乗に反比例して減衰する誘導電界と、アンテナからの距離の３乗に反比例して減衰する静電界が発生する。そして、誘導電界と静電界は放射電界に比べ距離に応じて急激に減衰するため、通常の無線システムでは放射電界についてのみ議論され、誘導電界と静電界は無視されることが多い。したがって、図３に示す容量装荷型アンテナであっても、Ａの方向に誘導電界と静電界を発生させているが、空気中で速やかに減衰するため、電波通信では積極的には利用されていない。

続いて、送信機側の結合用電極において発生する電磁界について考察してみる。図１９には、微小ダイポールによる電磁界を表している。また、図２９には、この電磁界を結合用電極上にマッピングしている。図示のように電磁界は、伝搬方向と垂直な方向に振動する電界成分（横波成分）Ｅ_θと、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）Ｅ_Rに大別される。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈ_φが発生する。下式は微小ダイポールによる電磁界を表しているが、任意の電流分布はこのような微小ダイポールの連続的な集まりとして考えられるので、それによって誘導される電磁界にも同様の性質がある（例えば、虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁）を参照のこと）。

上式から分るように、電界の横波成分は、距離に反比例する成分（放射電界）と、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）で構成される。また、電界の縦波成分は、距離の２乗に反比例する成分（誘導電界）と、距離の３乗に反比例する成分（静電界）のみで構成され、放射電磁界の成分を含まない。また、電界Ｅ_Rは、｜ｃｏｓθ｜＝１となる方向、すなわち図１９中の矢印方向で最大となる。

無線通信において広く利用されている電波通信では、アンテナから放射される電波はその進行方向と直交方向に振動する横波Ｅ_θであり、電波は偏波の向きが直交すると通信することができない。これに対し、静電界や誘導電界を利用した通信方式において結合電極から放射される電磁波は、横波Ｅ_θの他に、進行方向に振動する縦波Ｅ_Rを含む。縦波Ｅ_Rは「表面波」とも呼ばれる。表面波は、導体や、誘電体、磁性体などの媒体の内部を通じて伝搬することもできる（後述）。

非接触通信システムでは、放射電界、静電界、誘導電界のいずれの成分を媒介として信号を伝達することもできる。しかしながら、距離に反比例する放射電界は比較的遠くにある他のシステムへの妨害波になるおそれがある。このため、放射電界の成分を抑制すること、言い換えれば、放射電界の成分を含む横波Ｅ_θを抑制しながら、放射電界の成分を含まない縦波Ｅ_Rを利用した非接触通信が好ましい。

なお、上述した観点から、本実施形態に係る高周波結合器では、以下のような工夫をしている。まず、電磁界を示した上記の３式より、θ＝０゜という関係を有する場合に、Ｅ_θ＝０となり、且つ、Ｅ_R成分が極大値をとることが分かる。すなわち、Ｅ_θは電流の流れる向きに対して垂直な方向で最大になり、Ｅ_Rは電流の流れる向きと平行な方向で最大になる。したがって、電極面に対して垂直な正面方向のＥ_Rを最大にするには、電極に対して垂直な方向の電流成分を大きくすることが望ましい。一方、電極の中心から給電点をオフセットさせた場合には、このオフセットに起因して、電極に対して平行な方向に対する電流成分が増加する。そして、この電流成分に応じて電極の正面方向のＥ_θ成分が増加してしまう。このため、本実施形態に係る高周波結合器では、図２１Ａに示したように電極の略中心位置に給電点を設け（前述）、Ｅ_R成分が最大となるようにしているのである。

勿論、旧来のアンテナでも放射電界だけでなく、静電界や誘導電界が発生し、送受信アンテナを近接させれば電界結合が起きるが、エネルギの多くは放射電界として放出され、非接触通信としては効率的でない。これに対し、図２５に示した高周波結合器は、所定の周波数においてより強い電界Ｅ_Rを作り伝送効率を高めるように、結合用電極及び共振部が構成されている。

図２５に示した高周波結合器を送信機側で単独で使用した場合、結合用電極の表面には縦波の電界成分Ｅ_Rが発生するが、放射電界を含む横波成分Ｅ_θはＥ_Rに比べ小さいことから、電波はほとんど放射されない。すなわち、近隣の他システムへの妨害波を発生しない。また、高周波結合器に入力された信号のほとんどが電極で反射して入力端に戻る。

これに対し、１組の高周波結合器を使用した場合、すなわち送受信機間で高周波結合器を近距離に配置されたときには、結合用電極同士が主に準静電界成分によって結合して１つのコンデンサのように働いて、バンドパス・フィルタのように動作し、インピーダンス・マッチングが取れた状態になっている。したがって、通過周波数帯では信号・電力の大部分は相手方に伝送され、入力端への反射は少ない。ここで言う「近距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離ｄがｄ≪λ／２πであることに相当する。例えば、使用周波数ｆ₀が４ＧＨｚであれば電極間距離が１０ｍｍ以下のときである。

また、送受信機間で高周波結合器を中距離に配置したときには、送信機側の結合用電極の周囲には、静電界は減衰し、主に誘導電界からなる電界Ｅ_Rの縦波が発生する。電界Ｅ_Rの縦波は、受信機側の結合用電極で受け取られ、信号が伝送される。但し、両結合器を近距離に配置した場合と比較すると、送信機側の高周波結合器では、入力された信号が電極で反射して入力端に戻る割合が高くなる。ここで言う「中距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離ｄがλ／２πの１〜数倍程度であり、使用周波数ｆ₀が４ＧＨｚであれば電極間距離が１０〜４０ｍｍのときである。

ところで、静電界や誘導電界を用いた通信方式では、電界強度は距離の３乗並びに２乗に反比例して急激に減衰するため、通信範囲が超近距離に制限されてしまう、という問題がある。さらにＵＷＢ通信などの高周波信号を用いた場合には、短波長であることから伝搬損が大きいという問題がさらに加わる。このため、送信機と受信機の電極（結合器）間をできる限り密着させる必要があり、長い距離での通信を行なうことができない。また、電極同士を十分に近接させるためには、電極間で微妙な位置合わせを行なう必要があり、データ通信中はその位置を保持しなければならず、ユーザの使い勝手がよくない。

これに対し、本発明に係る通信システムでは、送信機側の結合電極と受信機側の結合電極の間に、金属線などの導体からなる表面波伝送線路を配設して、送信機側の結合電極から放射される電磁波のうち表面波をこの表面波伝送線路の内部及び表面を通じて効率的に伝搬することができる。したがって、送信機と受信機の結合電極同士を比較的長い距離に離しても、電界結合により放射される表面波を低い伝搬損で伝送して、データ通信を行なうことができ、送受信機同士で互いの結合用電極間を直接密着させる必要はなくなる。

電磁界を利用した伝送波のうち位相速度ｖが光速ｃより小さいものを遅波、大きいものを速波という。表面波は前者の遅波に相当し、遅波構造における無限長伝送路では、エネルギが伝送路に集中して伝わり外部への放射は生じない（例えば、手代木扶・米山務編著「新ミリ波技術」（オーム社、Ｐ１１９）を参照されたい）。ここで言う表面波は、結合用電極から発生する電界のうち、伝搬方向と平行な向きに振動する成分である縦波Ｅ_Rに相当する（前述）。また、伝送路を伝搬する表面波は、伝送路の表面近くにエネルギが集まる“ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｅ”（表面モード）と、伝送路の中心部にエネルギが集まる“ｖｏｌｕｍｅ ｍｏｄｅ”（立体モード）が含まれる。電磁波が導体や誘電体の表面に沿って伝搬する仕組みは、例えば「グーボー線路」又は「Ｇ線」として知られている（例えば、米国特許第２６８５０６８号明細書、米国特許第２９２１２７７号明細書を参照のこと）。

例えば、特開２００４−２９７１０７号公報には、高周波信号を電力線又は配電線の表面波により伝送して、電波法の規定を満足する程度に放射電波を少なく抑えることができる電力線搬送装置について提案がなされている（但し、同公報に記載の装置では、高周波信号が印加された巻線から誘起される起電力を電力線に結合させる結合器が用いられており、結合用電極から静電磁界により放射される電磁波を表面波伝送線路上で伝搬する本発明（後述）とは相違する）。また、電磁波を伝搬する表面波伝送線路の仕組みの詳細に関しては、例えば、中島将光著「マイクロ波工学」（森北出版、１８２頁〜１９０頁）を参照されたい。

図１には、送受信機の高周波結合電極間に表面波伝送線路を介在させた非接触通信システムの構成例を示している。図示の通信システムは、データ送信を行なう送信機１０と、データ受信を行なう受信機２０と、送信機１０側の発信用電極１３から放射される表面波を低い伝搬損で伝送する表面波伝送線路３０で構成される。表面波伝送線路３０は、銅線などの金属線からなり、発信用電極１３から放射された表面波の進行方向に沿って配設されている。

送信機１０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する。送信回路部１１から出力された信号は、共振部１２で共振し、電極から正面方向に表面波として発信用電極１３から放射される。

発信用電極１３から放射された表面波は、表面波伝送線路３０の介在により効率的に伝搬し、受信器２０側の受信用電極２３から共振部２２を経て受信回路部２１へと入力される。受信回路部２１は、受信した高周波信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。

表面波伝送線路３０の介在により、発信用電極１３から受信用電極２３へ信号が効率的に伝搬する。発信用電極１３から放射される表面波を無駄なく捕捉するため、金属線からなる表面波伝送線路３０の端面を発信用電極１３の正面に、電極面に対して垂直になるように配置することが望ましい。

図２には、送信機１０の表面波発信部分の構成例を示している。受信機２０側の表面波受信部分の構成も同様であると理解されたい。

図示のように、同軸ケーブルからなる高周波信号線の先端部分には、所定の長さを持つ線状導体の共振部と電極が取り付けられている。共振部１２と発信用電極１３を合わせた全体として所定の周波数の４分の１波長の長さを持つように設計することによって、所定の周波数で共振をさせ、その周波数の表面波を発生させることができる。通常、発生した表面波は距離の増大に応じて空気中で急激に減衰するが、先端の発信用電極１３の中央に共振部１２を接続することと、電極の正面に電極の放射面とほぼ垂直な向きに金属線からなる表面波伝送線路３０を設置することで、発信用電極１３から発信された表面波を金属線で捉えて表面波発信器（若しくは高周波結合器）とすることができる。

誘導電界と静電界の強度が大きい発信用電極１３の正面に、電極面に対して垂直な位置に、金属性などの導体からなる表面波伝送線路３０が配置されている。そして、電極１３の近傍で発生した誘導電磁界と静電界が表面波伝送線路３０の端面で捉えられると、この伝送線路３０内を伝搬して、受信機２０側の受信用電極２３に入力される。すなわち、送信機１０側の電極１３から放射された電磁界を、表面波伝送線路３０内を表面波として伝達させることで、表面波を利用したデータ通信を可能にすることができる。

図４には、送信機１０の表面波発信部分の他の構成例を示している。受信機２０側の表面波受信部分の構成も同様に構成することができると理解されたい。

表面波の発信部分と受信部分はそれぞれ、線状導体の代わりにコイルやコンデンサなどを用いて、集中定数回路による共振部１２を配設している。図４に示す例では、共振部１２が送信回路部１１からの高周波伝送線路の信号線とグランドの間に接続される並列インダクタ１２Ａと信号線と電極の間に接続される直列インダクタ１２Ｂで構成されており、電極の正面に強い電界が生じ、効率よく表面波を発生させることができる。

また、送受信機において、図４に示したような１組の高周波結合器を、表面波伝送線路を介在させて向かい合わせて配置すると、２つの電極が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作する。ここで、直列インダクタ１２Ｂの定数、並列インダクタ１２Ｂの定数、及び、電極１３及び２３からなるコンデンサの定数を調整することで、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（前述）。

本発明者らは、図３０に示すように、対向する２つの高周波結合器１及び２間に金属線からなる表面波伝送線路を介在させて高周波信号の伝送を行なう際に、表面波伝送線路の周辺で発生する電磁界分布を、有限要素法を用いたシミュレーションで求めてみた。但し、表面波伝送線路は電気伝導度５８，０００，０００［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］の導体を仮定し、その断面積は１ｍｍ×１ｍｍ、長さは４９．６ｍｍとし、この表面波伝送線路の両端面と結合用電極間の間隙を５０ｍｍに設定し、使用周波数を４．５ＧＨｚとした。また、高周波結合器は、面積２０ｍｍ×４２ｍｍで、厚さ０．８ｍｍ、誘電率３．４のグランド基板上で面積が１１ｍｍ×１１ｍｍ、高さ３ｍｍの結合用電極からなり、共振部は長さ２０ｍｍで幅が３ｍｍのスタブ（前述）で構成されている。表面波伝送線路の長手方向、すなわち信号伝送方向をｚ軸とし、結合用電極の電極面をｘｙ面とする。

図３１Ａ〜Ｆには、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示している。同図に示すように、金属線からなる表面波伝送線路の表面の垂直方向に振幅を持つ表面波が、高周波結合器１から高周波結合器２に向かって伝搬していることが判る。

また、電場の時間的変化により磁場が発生することが知られている。図３２Ａ〜Ｆには、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示している。

図３３には、図３１〜図３２に基づいて、金属線からなる表面波伝送線路の周囲に発生する電界分布と磁界分布を模式的に表している。図示のように、表面波伝送線路に対して垂直な電界と、表面波伝送線路の外側に巻きつくように生じる磁界によって信号が伝搬する。また、エネルギは金属線の表面から外側に分布する。すなわち、電流や磁気の方向や強さが変化する（交流）と電界と磁界が互いに影響し合うようになり、電界があると磁界が生じ、磁界があると電界が生じる、というように電界と磁界の間でエネルギの形態を交互に変えながら、表面波信号は遠くまで伝搬していく。伝送路を伝搬する表面波は、伝送路の表面近くにエネルギが集まる表面モードと、伝送路の中心部にエネルギが集まる立体モードが含まれることは既に述べた。図３３に示すように、導体からなる表面波伝送線路上では、主に表面モードの表面波が伝搬する。

表面波は、金属線などの導体の表面以外にも、誘電体や磁性体の内部を通じて伝搬することが知られており（前述）、誘電体や磁性体からなる表面波伝送線路を適用することも考えられる。磁性体からなる表面波伝送線路を用いた場合、高周波結合器から生じるのは電界成分のみであり、比誘電率が１の磁性体では信号を捉えることができないので、表面波の伝搬損が大きいが、比誘電率が１より大きい磁性体では効率よく表面波を伝送することができる。また、誘電体からなる表面波伝送線路を用いた場合には、誘電体の表面に対し垂直な電界と、誘電体の中心部分に生じる進行方向に平行な向きに振動する縦波の電界と、誘電体の中心軸に巻きつくように生じる磁界によって信号が伝搬する。

図２０Ａには、銅線を表面波伝送線路に用いた場合の伝送線路の長さと伝搬損の関係を、誘電体としてＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド樹脂）、並びに磁性体としてＮｉＺｎフェライト、磁石をそれぞれ表面波伝送線路に用いた場合と比較しながら示している。但し、銅線は直径０．５ｍｍとし、ＰＰＳは誘電率５〜１２、誘電正接０．００２、直径１０ｍｍとし、ＮｉＺｎフェライトは直径９ｍｍ（内径５ｍｍ）とし、磁石は直径６ｍｍとする（図２０Ｂを参照のこと）。また、表面波伝送線路の伝搬損Ｓ₂₁は、電極間に表面波伝送線路を挟んだときの、送信機側の高周波信号線路（Ｐｏｒｔ１）から受信機側の高周波信号線路（Ｐｏｒｔ２）へ表面波が伝搬する際の損失とする（図２０Ｃを参照のこと）。図２０Ａに示すように、自由空間すなわち表面波伝送線路を配置しないで表面波を伝搬する場合に比べると、送受信機の結合器間に表面波伝送線路が介在することにより伝搬損が低減することが理解できよう。また、同図から分るように、銅線などの導体で構成された表面波伝送線路は、誘電体などで構成された表面波伝送線路と比べると、表面波の伝搬損が著しく低減する。

したがって、銅線などの導体からなる表面波伝送線路は、簡単な構造により非接触通信の通信距離を大きくする延長ケーブルとして利用することができる。また、伝搬損が極めて低いことから、導体で構成された表面波伝送線路を分岐させたり束ねたりしても十分使用に耐えられることから、非接触通信を行なうための通信スポットを複数の場所に分散させたり、電界結合により通信を行なう非接触通信システムの電極の位置合わせ精度を緩和したりすることや、複数箇所での通信を可能にすることができる（後述）。

導体からなる表面波伝送線路の伝搬損Ｓ₂₁は、表面波伝送線路の材質だけでなく、結合用電極とこれに対向する表面波伝送線路間の間隙ｄや、結合用電極の面積に対する表面波伝送線路端面の大きさにも依存する。

図３４には、金属線からなる表面波伝送線路の伝搬損Ｓ₂₁の実測値を示している。ここでは、測定周波数は４ＧＨｚとし、グランド・サイズが２０ｍｍ×２０ｍｍ、結合用電極サイズが１０ｍｍ×１０ｍｍからなる２個の高周波結合器の間に直径０．５ｍｍの銅線からなる表面波伝送線路を配置して、測定を行なった。また、ｄ＝０のときには金属線と結合用電極は電気的に接触させたが、帰還線路がない単一の線路であり、言い換えれば、結合器間で信号が有線伝送されるのとは相違し、あくまで表面波として金属線の表面を伝搬するものであると思料する。

図示の測定結果から、結合用電極の表面波伝送線路の端部との間隔ｄが小さいほど伝搬損Ｓ₂₁が大きく、損失が少ないことが判る。表面波伝送線路の単位長さ（１ｍ）当たりの損失は、間隔ｄによらず２ｄＢ／ｍ〜３ｄＢ／ｍ程度である。また、金属線からなる表面波伝送線路と結合用電極が電気的に接触していることは必ずしも必須ではない。

続いて、結合用電極の面積に対する表面波伝送線路端面の大きさが表面波伝送線路の伝搬損Ｓ₂₁に与える影響について考えてみる。

図３５Ａには、高周波結合器の結合用電極の表面で発生した縦波の電界Ｅ_Rが表面波伝送線路の端部において表面波として乗り移る様子を示している。図示のように、電界Ｅ_Rは、表面波伝送線路の表面に９０度の入射角で乗り移ると、横波に変換され、表面に回り込むと、効率的に伝搬すると考えられる。

このように、電界Ｅ_Rが表面波伝送線路の表面に好適に乗り移るには、結合用電極に対し、表面波伝送線路の断面が十分に小さいことが好ましい。逆に図３５Ｂに示すように、表面波伝送線路の端面の面積が大きすぎると、高周波結合器の結合用電極の表面で発生した縦波の電界Ｅ_Rが表面波伝送線路の端部においてその表面に回り込めず、表面波として乗り換えることができない。

図３６には、金属線からなる表面波伝送線路の太さと伝送損の関係を、有限要素法を用いてシミュレーションした結果を示している。但し、高周波結合器のグランド基板は、面積が２０ｍｍ×４２ｍｍ、厚さが０．８ｍｍ、誘電率が３．４とし、共振用スタブの長さが２０ｍｍ、幅が３ｍｍとし、結合用電極の面積が１１ｍｍ×１１ｍｍ、高さが３ｍｍとする。また、表面波伝送線路の電気伝導度が５８，０００，０００［Ｓｉｅｍｅｎｓ／ｍ］、長さが４９．６ｍｍとする。そして、結合用電極間の間隔を５０ｍｍにして配置し（表面波伝送線路の端部と結合用電極の距離は０．２ｍｍ）、使用周波数は４．５ＧＨｚである。図示の例によれば、結合用電極の面積に対し、表面波伝送線路の断面積が十分小さい方が、損失が小さいことが判る。

導体からなる表面波伝送線路３０の形状は、特に限定されない。例えば、図５に示すような板状、図６に示すような帯状、図７に示すような線状のいずれであっても良い。また、図７に示すように表面波伝送線路３０を線状にして断面積を小さくすることにより、伝搬する表面波の密度が高まり、特定の受信先に対して効率的に伝搬することができる。さらに、図８に示すように表面波伝送線路３０の形状を錘状とし、特定の受信機２０にその頂点を向けるようにすれば、送信機１０側の結合用電極から底面で捕捉した表面波を伝搬し、頂点部分に集中させることができるので、効率的な伝搬を実現することができる。例えば、一方の通信装置から他方の通信装置への一方向通信を行なう場合において、このような伝送線路の構成は有利となる。

また、図９に示すように、金属導体からなる表面波伝送線路３０の表面を絶縁体からなる外側層３１で被覆して、ユーザの手や導電性の異物の接触により短絡が生じることを防ぐようにしてもよい。

また、図１０には、金属導体からなる表面波伝送線路を絶縁体の中に埋設した様子を示している。この場合も、図９に示した構成例と同様に短絡防止の効果を得ることができる。この絶縁体は、例えばラックや、送信機１０及び受信機２０の結合電極１３、２３の位置決め用の部材として構成することができる。

既に述べたように、送信機側の発信用電極１３から発生する表面波を効率よく捕捉し、また伝達した表面波を受信機側の受信用電極に効率よく伝えるためには、表面波伝送線路の各端面をそれぞれの電極面に対して垂直な方向に配設することが好ましい。さらに、送信機側において発生した表面波を効率よく表面波伝送線路で捕捉するとともに、伝送した表面波を効率よく受信機側に伝達するために、図１１に示すように、表面波伝送線路３０の両端に結合用の電極３２、３３を付けて、それぞれ発信用電極及び受信用電極に対向させるようにしてもよい。結合用の電極３２、３３は、発信用電極から放射される電界の表面波を効率的に捕捉し、あるいは放射電界を受信用電極に効率的に伝えるために、表面波伝送線路３０による表面波の進行方向に対しほぼ垂直となるように取り付けられている。

また、図１１に示したような実施形態であっても、表面波伝送線路の表面を絶縁体で被覆して、ユーザの手や導電性の異物の接触により短絡が生じることを防ぐようにしてもよい。勿論、図１２に示すように、図１１に示した表面波伝送線路３０を、ラックなどを構成する絶縁体の中に埋設させることもできる。

本発明に係る電界結合方式の通信システムによれば、発信用電極と受信用電極の間に導体からなる表面波伝送線路を介在させて通信距離を大きくすることができる。表面波伝送線路３０は、延長ケーブルとして利用することができる。また、導体で構成された表面波伝送線路を分岐させたり束ねたりしても、なお伝搬損を低いレベルに保つことができる。このことから、非接触通信を行なうための通信スポットを複数の場所に分散させたり、電界結合により通信を行なう非接触通信システムの電極の位置合わせ精度を緩和したりすることや、複数箇所での通信を可能にすることができる。

図１３には、複数本の表面波伝送線路３０−１〜３０−４を束ね、その一方の端面を、送信機１０側の発信用電極１３の電界放射面に対峙して配設した様子を示している。このような場合、表面波伝送線路３０−１〜３０−４のいずれにおいても伝搬損を低いレベルに保ちながら、発信用電極１３から捕捉した表面波を伝搬することができる。そして、いずれかの表面波伝送線路３０−１〜３０−４の他方の端面Ｂ１〜Ｂ４に受信機２０の受信用電極２１を対峙させることにより、送信機１０とのデータ通信を行なうことができる。すなわち、送信機１０は、複数箇所の受信機２０とのデータ通信を可能にすることができる。

ここで、受信機が対峙していない表面波伝送線路の端面からの反射による干渉を抑えるため、表面波伝送線路３０−１〜３０−４の長さはそれぞれ通信に用いられる信号の波長の２分のｎ（ｎは正の整数）とすることが望ましい。

また、図１４には、複数の通信スポットが設けられ、各通信スポット間を１対１で接続する複数の表面波伝送線路が敷設されている様子を示している。図示の例では、４つの通信スポットＡ〜Ｄが設置され、ＡＢ間、ＢＣ間、ＣＤ間、及びＤＡ間は、それぞれ１対１で接続するための合計４本の表面波伝送線路で結ばれており、各表面波伝送線路は、伝搬損を低いレベルに保ちながら、発信用電極１３から捕捉した表面波を伝搬することができる。各通信スポットでは、他の各通信スポットとデータ通信するために敷設された複数本の表面波伝送線路が束ねられている。このような場合、非接触通信を行なうための通信スポットが複数の場所に分散され、１つの端末は複数の場所のいずれかの端末と１対１でデータ通信を行なうことができる。通信スポットＡにいる端末は、通信スポットＢ〜Ｄのいずれかと、それぞれ対応する表面波伝送線路を用いて電界結合によるデータ通信を行なうことができ、送信機及び受信機の双方の位置の自由度が上がる。

ここでも、受信機が対峙していない表面波伝送線路の端面からの反射による干渉を抑えるため、ＡＢ間、ＢＣ間、ＣＤ間、及びＤＡ間の合計４本の表面波伝送線路の長さはそれぞれ通信に用いられる信号の波長の２分のｎ（ｎは正の整数）とすることが望ましい。

また、図１５には、図１４と同様に複数の通信スポットが設けられているが、通信スポットの組み合わせ毎に表面波伝送線路を敷設するのではなく、送信側となる１つの通信スポットからの表面波伝送線路を、受信機が設置される複数の通信スポットへ分岐させている。この場合も、図１４に示した伝送線路構成と同様に、送信機及び受信機をそれぞれいずれかの通信スポットに設置することで、電界結合によるデータ通信を行なうことができ、送信機及び受信機の双方の位置の自由度が上がる。また、表面波伝送線路に銅線などの導体を用いることで伝搬損が著しく低減するので、表面波伝送線路を分岐させても、それぞれの末端部において十分な電界強度で高周波信号を受信することができる。

この場合、受信機が対峙していない表面波伝送線路の端面からの反射による干渉を抑えるため、分岐点からＡの間、分岐点からＢの間、分岐点からＣの間、及び分岐点からＤの間の表面波伝送線路の長さはそれぞれ通信に用いられる信号の波長の２分のｎ（ｎは正の整数）とすることが望ましい。

図１６には、図１３に示した表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示している。非接触通信用のパッドの中には、それぞれ結合用の電極に接続されている複数本の表面波伝送線路が埋設されている、各表面波伝送線路は束ねられ、これらの他端は、ＰＣやＨＤＤレコーダといった据え置き型無線機の受信用電極に対抗して配置されている。

例えば、デジタルカメラなどの送信機として動作する携帯型無線端末は、メモリに記憶されたデータを送信するための高周波信号を生成する送信回路部と、並列・直列コンデンサからなる共振部と、静電磁界を放射する発信用電極を備えている。そして、データ通信時には、発信用電極を非接触通信用パッド上に置くと、発信用電極に最も近い位置にある結合用の電極が放射電界の表面波を捕捉し、対応する表面波伝送線路を通じて据え置き型無線機側の受信用電極まで伝搬する。これによって、画像などのデータを、携帯型無線端末から据え置き型無線機へダウンロードすることができる。

また、図１７には、図１４に示した表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示している。平面状のシート表面には複数個の結合用電極が配設され、同シート内には各結合用電極間を１対１で接続する複数本の表面波伝送線路が埋設されている。また、無線端末は、送受信データを格納するメモリ部と、高周波信号の送受信処理を行なう送受信回路部と、並列・直列コンデンサからなる共振部と、静電磁界の放射又は受信を行なう電極を備えている。

そして、データ通信時には、それぞれ送信機及び受信機となる無線端末の電極を平面状シート表面に置くと、送信機側の発信用電極に最も近い位置にある結合用電極が放射電磁界の表面波を補足するとともに、この結合用電極と受信機側の受信用電極に最も近い位置にある結合用電極とを接続する表面波伝送線路を用いて表面波が伝搬され、受信機はデータを受信することができる。ここで、表面波伝送線路の端部の箇所を多くすれば、シート上の任意の位置に表面波送受信器を内蔵した無線端末を置くだけで通信を行なうことが可能になる。

また、平面状シートの上に置かれた複数の無線端末の間で通信を行なうことができる。すなわち、平面状シート表面に、送信機となる１台の無線端末の電極を置くとともに複数の受信機を載せた場合には、それぞれの受信用電極に最も近い位置にある結合用電極と接続する各表面波伝送線路を通じて表面波を伝搬するので、複数の受信機への同時・並列的なデータ伝送すなわちマルチキャストを行なうことができる。

また、図１１に示したような表面波伝送線路をカスケード接続して、延長ケーブルとして利用するとともに、複雑に入り組んだ場所に設置された通信相手との接続を実現することもできる。図１８には、この場合の表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示している。図示のように、あらかじめ表面波伝送線路を埋め込んだラックの中に据え置き型無線機を設置する。そして、ラックの中から据え置き型無線機を取り出すことなく、外部から簡単に近接できる位置まで信号を引き出して非接触通信を行なうことができる。

これまでは、図１に示した通信システムにおいて、表面波伝送線路の介在により１組の高周波結合器間で信号を伝送する仕組みについて説明してきた。ここで、２つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも可能である。上述したように、送信機側の高周波結合器で発生した電界Ｅ_Rは、表面波として表面波伝送線路上を伝搬する。そして、受信機側では、高周波結合器で受け取った信号を整流・安定化して、電力を取り出すことができる。

図３７には、図１に示した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示している。

図示のシステムでは、ＡＣ電源に接続された充電器と無線通信機を内蔵する高周波結合器により、その間に置かれた表面波伝送線路を介して無線通信機への送電、及び充電を行なうことができる。但し、高周波結合器は電力伝送の用途のみで使用される。

受電する高周波結合器が送電する高周波結合器の近くにないときには、送電用の高周波結合器に入力された電力の大部分は反射してＤＣ／ＡＣインバータ側に戻るため、外部に不要な電波を放射したり必要以上に電力を消費したりすることを抑えることができる。

また、同図では無線通信機への充電を行なう例を挙げたが、充電される側は無線機に限らず例えば音楽プレイヤやデジタルカメラへの非接触電力伝送を行なうようにしてもよい。

また、図３８には、図１に示した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示している。図示のシステムは、高周波結合器と表面波伝送線路を電力伝送と通信に兼用して使用するように構成されている。

通信及び送電を行なうタイミングの切り替えは、送信回路部から送られる通信・送（受）電切り替え信号によって行なわれる。例えば、通信と送電はあらかじめ決められた周期で切り替えを行なうようにしてもよい。このとき、充電の状態を通信信号に加えて充電器側にフィードバックすることで送電出力を最適に保つ。例えば充電が完了したらその情報を充電器側に送り、送電の出力を０にする。あるいは、電力に通信データを重畳させるようにしてもよい。

同図に示したシステムは充電器をＡＣ電源に接続するようにして構成されているが、他にも例えば電池の少なくなった携帯電話に他の携帯電話から電力を分け与えるような用途に用いてもよい。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

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。

また、本明細書では、表面波伝送線路の介在により１組の高周波結合器間でデータ通信を行なうシステムに対して本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、２つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも当然にして可能である。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの構成例を示した図である。 図２は、送信機１０の表面波発信部分の構成例を示した図である。 図３は、容量装荷型アンテナの構成例を示した図である。 図４は、送信機１０の表面波発信部分の他の構成例を示した図である。 図５は、板状に構成された表面波伝送線路の例を示した図である。 図６は、帯状に構成された表面波伝送線路の例を示した図である。 図７は、線状に構成された表面波伝送線路の例を示した図である。 図８は、錘状に構成された表面波伝送線路の例を示した図である。 図９は、表面波伝送線路として金属導体の表面を、さらに絶縁体の層で覆うようにした構成例を示した図である 図１０は、金属導体からなる表面波伝送線路を絶縁体の中に埋設した様子を示した図である。 図１１は、表面波伝送線路３０の両端に結合用の電極３２、３３を付けて、それぞれ発信用電極及び受信用電極に対向させた様子を示した図である。 図１２は、図１１に示した表面波伝送線路３０を、ラックなどを構成する絶縁体の中に埋設させた様子を示した図である。 図１３は、複数本の表面波伝送線路３０−１〜３０−４を束ね、その一方の端面を、送信機１０側の発信用電極１３の電界放射面に対峙して配設した様子を示した図である。 図１４は、複数の通信スポットが設けられ、各通信スポット間を１対１で接続する複数の表面波伝送線路が敷設されている様子を示した図である。 図１５は、送信側となる１つの通信スポットからの表面波伝送線路を、受信機が設置される複数の通信スポットへ分岐させている様子を示した図である。 図１６は、表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示した図である。 図１７は、表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示した図である。 図１８は、表面波伝送線路構成の具体的な実施形態を示した図である。 図１９は、伝搬方向と垂直な方向に振動する電界成分（横波成分）Ｅ_θと、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分（縦波成分）Ｅ_Rを示した図である。 図２０Ａは、誘電体としてＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド樹脂）、あるいは磁性体としてＮｉＺｎフェライト、磁石をそれぞれ表面波伝送線路に用いた場合の伝送線路の長さと伝搬損の関係を示した図である。 図２０Ｂは、表面波伝送線路として使用した素材を図である。 図２０Ｃは、伝搬損を説明するための図である。 図２１Ａは、高周波結合器の電極の中心に高周波伝送線路を接続したときに電極内を流れる電流の様子を示した図である。 図２１Ｂは、高周波結合器の電極の中心からオフセットのある位置に高周波伝送線路を接続したときに、電極内に不均等な電流が流れて不要電波を放射する様子を示した図である。 図２２は、図４に示した高周波結合器の実際の構成例を示した図である。 図２３は、アンテナ、結合器（並列インダクタがある場合）、結合器（並列インダクタがない場合）をそれぞれ向かい合わせに置き、距離を変えながら伝搬損を測定した結果を示した図である。 図２４は、静電界若しくは誘導電界を利用した通信システムの構成例を示した図である。 図２５は、送信機及び受信機のそれぞれに配置される高周波結合器の構成例を示した図である。 図２６は、図２５に示した高周波結合器の電極同士を向かい合わせて配置した様子を示した図である。 図２７は、１組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタの等価回路を示した図である。 図２８は、高周波結合器が単体としてインピーダンス変換器として機能する場合の等価回路を示した図である。 図２９は、微小ダイポールによる電磁界を結合用電極上にマッピングした様子を示した図である。 図３０は、対向する２つの高周波結合器１及び２間に金属線からなる表面波伝送線路を介在させて高周波信号の伝送を行なう様子を示した図である。 図３１Ａは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３１Ｂは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３１Ｃは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３１Ｄは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３１Ｅは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３１Ｆは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｚｘ面内の電界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ａは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ｂは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ｃは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ｄは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ｅは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３２Ｆは、図３０に示した構成において表面波伝送線路を介在させて高周波信号を伝送する際の、ｘｙ面内の磁界分布の変化を１２分の１周期間隔で半周期分だけ示した図である。 図３３は、図３０に示した構成において表面波伝送線路の周囲に発生する電界分布と磁界分布を模式的に表した図である。 図３４は、金属線からなる表面波伝送線路の伝搬損Ｓ₂₁の実測値を示した図である。 図３５Ａは、高周波結合器の結合用電極の表面で発生した縦波の電界Ｅ_Rが表面波伝送線路の端部において表面波として乗り移る仕組みを説明するための図である。 図３５Ｂは、高周波結合器の結合用電極の表面で発生した縦波の電界Ｅ_Rが表面波伝送線路の端部において表面波として乗り移る仕組みを説明するための図である。 図３６は、金属線からなる表面波伝送線路の太さと伝送損の関係を、有限要素法を用いてシミュレーションした結果を示した図である。 図３７は、図１に示した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示した図である。 図３８は、図１に示した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示した図である。

符号の説明

１０…送信機
１１…送信回路部
１２…共振部
１２Ａ…並列インダクタ
１２Ｂ…直列インダクタ
１３…発信用電極
１５…誘電体
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
２２…共振部
２３…受信用電極
３０…表面波伝送線路
３１…外側層

Claims (13)

1. データを伝送する高周波信号を生成する送信回路部と、該高周波信号を静電磁界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
   高周波結合器と、該高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する受信回路部を備えた受信機と、
   前記送信機側の高周波結合器から放射される表面波を表面に沿って伝搬する、導体からなる表面波伝送線路を提供する表面波伝搬手段と、
   を具備することを特徴とする通信システム。
2. 前記の高周波信号は、超広帯域を使用するＵＷＢ信号である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記表面波伝送線路は、少なくとも一端において、前記送信機又は前記受信機側の高周波結合器と静電結合するための結合用電極が、表面波の進行方向に対しほぼ垂直となるように取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
4. 前記表面波伝送線路は絶縁体で被覆され又は絶縁性の物体中に埋設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
5. 前記送信機及び前記受信機が設置される複数の通信スポットを備え、
   前記表面波伝搬手段は、前記送信機からの高周波信号の表面波を、前記受信機が設置される複数の通信スポットに対して伝送するための表面波伝送線路を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
6. 前記表面波伝搬手段は、前記送信機が設置される通信スポットと、前記受信機を設置することができる各通信スポットとをそれぞれ接続する複数の表面波伝送線路を備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
7. 前記表面波伝搬手段は、通信スポットの組み合わせ毎に表面波伝送線路を備える、
   ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
8. 前記表面波伝搬手段は、前記送信機が設置される通信スポットからの表面波伝送線路を、前記受信機を設置することができる各通信スポットへ分岐させている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
9. 前記送信機は、前記送信回路部が生成する高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を、所定の周波数で共振する共振部を介して前記高周波結合器の電極のほぼ中央に接続し、
   前記受信機は、前記高周波結合器の電極のほぼ中央において、所定の周波数で共振する共振部を介して、前記受信回路部へ高周波信号を伝送する高周波信号伝送路を接続する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
10. 前記共振部は、使用波長に依存する長さを持つ導体で構成される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信システム。
11. 前記共振部は、集中定数回路で構成される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信システム。
12. 前記共振部は、前記高周波伝送線路の信号線とグランド間に接続される並列インダクタと、前記高周波伝送線路の信号線と電極間に接続される直列インダクタで構成される、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信システム。
13. 前記受信機は、前記高周波結合器により受信した高周波信号を整流し、電力を生成する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。