JP2011015088A - 高周波結合器並びに通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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機用の、優れた高周波結合器を提供する。
【解決手段】第１のハウジング部材の内面には、共振部としての導体パターンなどが実装され、所定の部位にシールド・フィンガーがその下端部で接続される。第２のハウジング部材の内面には結合用電極となる導体パターンが形成されている。第２のハウジング部材を第１のハウジング部材に取り付けて蓋を閉じると、シールド・フィンガーの上端部は第２のハウジング部材の内面に形成された結合用電極１２５に当接し、結合用電極はシールド・フィンガーを介して給電される。
【選択図】 図９Ｂ

Description

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機用の高周波結合器並びに通信装置に係り、特に、携帯端末など小型の機器に内蔵して用いることができ、小型且つ安価に製作することができる高周波結合器並びに通信装置に関する。

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きた。最近では、非接触通信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への適用が検討されている。

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（登録商標）」（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、誘導電界の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。結合用電極、又は結合用電極と共振部を含んだ部品のことを、本明細書では「高周波結合器」とも呼ぶ。

近接無線転送システムも、旧来のＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）通信などと同様に（ＮＦＣは、ＩＳＯ／ＩＥＣ ＩＳ １８０９２として標準化されている）、要求コマンドを送信するリーダライタ（イニシエーター）と応答コマンドを返信するトランスポンダ（ターゲット）のペアとして構成することができる。

トランスポンダ側は、例えば携帯端末などの小型の機器に内蔵して用いることが想定される。このため、高周波結合器は、小型且つ安価に製作できることが望まれている。

特開２００８−９９２３６号公報

ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｆｅｒｊｅｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ（平成２１年６月２３日現在）

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通信機用の、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、携帯端末など小型の機器に内蔵して用いることができ、小型且つ安価に製作することができる、高周波結合器並びに通信装置を提供することにある。

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、
グランドと、
前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
前記伝送路を介し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、
前記結合用電極の所定の位置にて前記共振部に接続する伸縮可能な接続部と、
を具備し、
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、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高周波信号を伝送する、
ことを特徴とする高周波結合器である。

本願の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の高周波結合器の接続部は、断面が略Ｖ字形状の板バネからなり、前記板バネの一方の端部で前記結合用電極に接続され、前記板バネの他方の端部で前記共振部に接続されている。

本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の高周波結合器の接続部は、断面がポゴピンからなり、前記ポゴピンの一方の端部で前記結合用電極に接続され、前記ポゴピンの他方の端部で前記共振部に接続されている。

本願の請求項４に記載の発明によれば、請求項２又は３のいずれかに記載の高周波結合器において、前記グランド及び前記共振部を実装した回路基板が携帯機器の第１のハウジング部材の内面に配設され、前記接続部の一端が前記共振部に取り付けられ、前記結合用電極は前記携帯機器の第２のハウジング部材の内面に前記結合用電極となる導体パターンが形成されている。

本願の請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の高周波結合器において、前記第１のハウジング部材を前記第２のハウジング部材で閉じて、前記筐体の組み立てた状態で、前記接続部の他端が前記結合用電極の所定位置に当接して前記共振部と前記結合用電極を接続するように構成されている。

本願の請求項６に記載の発明によれば、請求項２に記載の高周波結合器の接続部は、前記断面が略Ｖ字形状の板バネの前記一方の端部は、前記他方の端部のほぼ真上で且つ前記結合用電極のほぼ中央で接続されている。

本願の請求項７に記載の発明によれば、請求項２に記載の高周波結合器において、前記板バネと前記結合用電極を合わせた長さは、使用周波数の波長のほぼ４分の１である。

また、本願の請求項８に記載の発明は、
グランドと、
前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
前記伝送路を介し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、
一端が前記共振部に取り付けられた伸縮可能な接続部と、
前記結合用電極の所定の位置にて前記共振部に接続する伸縮可能な接続部と、
前記グランド及び前記共振部を実装した回路基板を内面に配設した第１のハウジング部材と、
内面に前記結合用電極となる導体パターンが形成された第２のハウジング部材と、
を具備し、
前記第１のハウジング部材を前記第２のハウジング部材で閉じた状態で、前記接続部の他端が前記結合用電極の所定位置に当接して前記共振部と前記結合用電極を接続し、
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、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高周波信号を伝送する、
ことを特徴とする通信装置である。

本発明によれば、携帯端末など小型の機器に内蔵して用いることができ、小型且つ安価に製作することができる、高周波結合器並びに通信装置を提供することができる。

本発明に係る高周波結合器並びに通信装置は、周波数の特性を保ちながら低背化及び結合用電極の小型化を実現し、近接無線転送には不要な電波の放射を抑制することができる。

本願の請求項１、８に記載の発明によれば、結合用電極と共振部が伸縮自在な接続部を介して接続されるので、高周波結合器は負荷に対して変形に強く、小型で勝つ安価に製作することができ、携帯端末など小型の機器に内蔵して用いることができる。

本願の請求項２、３に記載の発明によれば、シールド・フィンガーやポゴピンのような部材を用いて結合用電極を支持する構造とすることで、高周波結合器を小型且つ安価に構成して、携帯機器に好適に内蔵することができる。

本願の請求項４、５、８に記載の発明によれば、２つのハウジング部材を閉じることで、結合用電極を回路基板（グランド）から適当な高さに離間して支持して、不要な電波の放射を抑制することができる。また、シールド・フィンガーやポゴピンは伸縮可能であることから、ハウジング部材を介して支持部材に負荷が印加されても、接続部が屈曲して破壊されることはない。

本願の請求項６に記載の発明によれば、接続部である断面略Ｖ字形状の板バネの一方の端部は、他方の端部のほぼ真上で結合用電極に接続されるので、板バネに沿って水平方向に流れる電流同士を相殺する作用を最も効果的に実現することができる。また、接続部の一方の端部は結合用電極のほぼ中央で接続されるので、結合用電極表面で不要な電波が発生するのを抑制することができる。

本願の請求項７に記載の発明によれば、板バネと結合用電極を合わせた長さは、使用周波数の波長のほぼ４分の１であり、共振の特性を保ちながら、低背化と結合用電極の小型化を実現することができる。

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。

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は、微小ダイポールによる電界を表した図である。 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は、容量装荷型アンテナの構成例を示した図である。 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９Ａは、結合用電極９１をシールド・フィンガー９２で支持し、共振部（スタブ）９３に接続した高周波結合器の構造の一例を示した図である。 図９Ｂは、結合用電極９１をシールド・フィンガー９２で支持し、共振部（スタブ）９３に接続した高周波結合器の構造の一例を示した図である。 図１０Ａは、シールド・フィンガーで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示した図である。 図１０Ｂは、シールド・フィンガーで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示した図である。 図１１は、結合用電極１１１をポゴピン１１２で支持し、共振部（スタブ）１１３に接続した高周波結合器の構造の一例を示した図である。 図１２Ａは、ポゴピンで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示した図である。 図１２Ｂは、ポゴピンで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示した図である。 図１３は、第２のハウジング部材１２２を第１のハウジング部材１２１に取り付けて蓋を閉じた状態で、ポゴピン１２４を介して結合用電極１２５が給電される様子を示した図である。 図１４は、第２のハウジング部材１０２を第１のハウジング部材１０１に取り付けて蓋を閉じた状態で、シールド・フィンガー１０４を介して結合用電極１０５が給電される様子を示した図である。 図１５は、第１のハウジング部材１０１側の共振部１０３とシールド・フィンガー１０４の下端部の接点（接続点Ｂ）及びシールド・フィンガー１０４の上端部と結合用電極１０５の接点（接続点Ａ）の最適な配置例を示した図である。 図１６Ａは、結合用電極の中心に給電点を配設したときに結合用電極内を流れる電流の様子を示した図である。 図１６Ｂは、結合用電極の中心からオフセットのある位置に給電点を配設したときに、結合用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１７Ａは、モノポール・アンテナにおける共振現象を説明するための図である。 図１７Ｂは、容量装荷型アンテナにおける共振現象を説明するための図である。 図１７Ｃは、容量装荷型アンテナにおける共振現象を説明するための図である。 図１８Ａは、使用周波数帯での共振作用を保ちながら高周波結合器を小型、低背化するための仕組みを説明するための図である。 図１８Ｂは、使用周波数帯での共振作用を保ちながら高周波結合器を小型、低背化するための仕組みを説明するための図である。 図１８Ｃは、使用周波数帯での共振作用を保ちながら高周波結合器を小型、低背化するための仕組みを説明するための図である。

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。

まず、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送の動作原理について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｅ_θ、電界の縦波成分Ｅ_R、微小ダイポール回りの磁界Ｈ_φが発生する。

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Ｅ_θは伝搬方向と垂直な方向に振動し、電界の縦波成分Ｅ_R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Ｈ_φ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界、距離Ｒの２乗に反比例する成分は誘導電界、距離Ｒに反比例する成分は放射電界である。

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Ｅ_θ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Ｅ_Rは放射電界を含まないからである。

まず、電界の横波成分Ｅ_θ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Ｅ_Rが発生するとともに、矢印Ｂ₁、Ｂ₂方向には電界の横波成分Ｅ_θが発生する。

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Ｅ_θ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Ｅ_θの放射が大きくならない程度に短いことが条件となる。

他方、上式（２）から、縦波Ｅ_R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Ｅ_R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。

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Ｅ_R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。

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。

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。

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。

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。

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。

高周波結合器の最も基本的な構造は、図７に示したように、スタブなどの共振部の上にキノコ形状の結合用電極を金属線で接続したものである。しかしながら、図示のように、線状の部材のみで結合用電極を支持すると機械的強度が不十分であり、変形し易い。例えば、結合用電極の上面で下向きの過負荷が加わると、支持部材が屈曲して元の形状に復元できなくなってしまう。

他方、図３に示したように、誘電体（絶縁体）からなるスペーサー１５で結合用電極１４を支持すると、機械的強度が増して結合用電極１４が変形する心配はなくなるものの、コスト増が懸念される。また、スペーサー１５を樹脂で形成した際、その樹脂の誘電率が大きいと、高周波結合器の動作帯域が狭くなってしまう。さらに、その樹脂の誘電正接が大きいと、損失が増大して、高周波結合器の結合強度が弱くなってしまうという問題がある。

高周波結合器として電気的特性がよいのは、図７に示したように、結合用電極７８をスペーサーで支持しない構造である。したがって、結合用電極７８をスペーサーで支持しない構造の高周波結合器を、容易で安価に、しかも変形し難い形で実現することが望ましい。

本発明者は、変形に強い支持構造の一例として、図９Ａ並びに図９Ｂに示すように、結合用電極９１をシールド・フィンガー９２で支持し、共振部（スタブ）９３に接続する構造を提案する。ちなみに、シールド・フィンガーは、板バネ状に成型された小型のチップ部品であり、小型の接触子として広く利用されている。周知のシールド・フィンガーの形状はさまざまであるが、本実施形態では、図示のように断面が略Ｖ字形状で、両端は開放端（オープンエンド）のタイプとする。

シールド・フィンガー９２は、上端部で結合用電極９１を支持し、他端部で共振部（スタブ）９３に接続されている。同図からも分かるように、シールド・フィンガー９２は高さ方向に可撓性を有している。例えば、結合用電極９１の上面で下向きの負荷が加わると、シールド・フィンガー９２が変形して一時的に結合用電極９１の姿勢が変化するが、負荷が取り除かれるとシールド・フィンガー９２が復元して、結合用電極９１は元の姿勢を回復することができる。

図１０Ａ及び図１０Ｂには、図９に示した、シールド・フィンガーで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示している。図示の例では、高周波結合器は、第１のハウジング部材１０１と第２のハウジング部材１０２からなる携帯機器の筐体の内部に配設されている。

第１のハウジング部材１０１の内面には、共振部（スタブ）１０３としての導体パターンなどが表面に実装された回路基板１０６が取り付けられている。回路基板１０６は、例えば裏面にグランド・パターン（図示しない）を含むものとする。共振部（スタブ）１０３の所定の部位に、シールド・フィンガー１０４がその下端部で取り付けられている。また、第２のハウジング部材１０１の内面には、例えばメッキなどにより結合用電極１０５となる導体パターンが形成されている。

図１０Ａに示すように、第２のハウジング部材１０２を第１のハウジング部材１０１から取り外した状態（すなわち、携帯機器の筐体を分解した状態）では、シールド・フィンガー１０４の上端部はいずれにも接続されず、開放端となる。これに対し、図１０Ｂに示すように、第２のハウジング部材１０２を第１のハウジング部材１０１に取り付けて蓋を閉じた状態（すなわち、携帯機器の筐体を組み立てた状態）にすると、シールド・フィンガー１０４の上端部は第２のハウジング部材１０２の内面に形成された結合用電極１０５に当接する。この結果、結合用電極１０５はシールド・フィンガー１０４を介して給電され、結合用電極１０５に電荷が貯まることで、図４を参照しながら説明した作用によって、電界の縦波成分を放射するようになる。

また、本発明者は、図１１に示すように、結合用電極１１１をポゴピン１１２で支持し、共振部（スタブ）１１３に接続する構造を他の例として提案する。ここで、ポゴピンとは、先端がバネで伸縮する可動型プローブ・ピンとして広く知られている。ちなみに、ポゴピンは、２枚の基板を繋ぐコネクタ、バッテリ端子のコネクタとして利用されることが多い。

ポゴピン１１２は、上端部で結合用電極１１１を支持し、他端部で共振部（スタブ）１１３に接続されている。同図からも分かるように、ポゴピン１１２は、内部のバネ弾性により高さ方向に伸縮自在な構造体である。例えば、結合用電極１１１の上面で下向きの負荷が加わると、ポゴピン１１２が収縮して一時的に結合用電極１１１が退避するが、負荷が取り除かれるとポゴピン１１２内部のバネが復元して、結合用電極１１１は元の高さを回復することができる。

図１２Ａ及び図１２Ｂには、図１１に示した、ポゴピンで結合用電極を支持するという高周波結合器の基本構造を利用した実装例を示している。図示の例では、高周波結合器は、第１のハウジング部材１２１と第２のハウジング部材１２２からなる携帯機器の筐体の内部に配設されている。

第１のハウジング部材１２１の内面には、共振部（スタブ）１２３としての導体パターンなどが表面に実装された回路基板１２６が取り付けられている。回路基板１２６は、例えば裏面にグランド・パターン（図示しない）を含むものとする。共振部（スタブ）１２３の所定の部位に、ポゴピン１２４がその下端部で取り付けられている。また、第２のハウジング部材１２１の内面には、例えばメッキなどにより結合用電極１２５となる導体パターンが形成されている。

図１２Ａに示すように、第２のハウジング部材１２２を第１のハウジング部材１２１から取り外した状態（すなわち、携帯機器の筐体を分解した状態）では、ポゴピン１２４の上端部は第１のハウジング部材１２１から離間して、開放端となる。これに対し、図１２Ｂに示すように、第２のハウジング部材１２２を第１のハウジング部材１２１に取り付けて蓋を閉じた状態（すなわち、携帯機器の筐体を組み立てた状態）にすると、ポゴピン１２４の上端部は第２のハウジング部材１２２の内面に形成された結合用電極１２５に当接する。この結果、結合用電極１２５はポゴピン１２４を介して給電され、結合用電極１２５に電荷が貯まることで、図４を参照しながら説明した作用によって、電界の縦波成分を放射するようになる。

図９乃至図１２を参照しながら説明したように、シールド・フィンガーやポゴピンのような部材を用いて結合用電極を支持する構造とすることで、高周波結合器を小型且つ安価に構成して、携帯機器に好適に内蔵することができる。また、容量装荷型アンテナ（図６を参照のこと）として不要電波の放射が大きくならないようにするためには、結合用電極を回路基板（グランド）から適当な高さに離間して支持する必要があるが、２つのハウジング部材を閉じることで所望の高さで結合用電極を支持することになる。また、結合用電極の支持並びに接続に用いるシールド・フィンガーやポゴピンは伸縮可能であることから、ハウジング部材を介して支持部材に負荷が印加されても、屈曲して破壊されることはない。

続いて、結合用電極をシールド・フィンガーで支持する場合とポゴピンで支持する場合の動作特性について比較してみる。

図１３には、第２のハウジング部材１２２を第１のハウジング部材１２１に取り付けて蓋を閉じた状態（すなわち、携帯機器の筐体を組み立てた状態）で、ポゴピン１２４を介して結合用電極１２５が給電される様子を示している。図示のように、ポゴピン１２４の表面を紙面の垂直方向に電流が流れると、図６に示したように、電流の向きと垂直な方向、すなわち紙面の水平方向に電界の横波成分の放射を引き起こす。この横波は、近接無線転送には不要となる電波である。

また、図１４には、第２のハウジング部材１０２を第１のハウジング部材１０１に取り付けて蓋を閉じた状態（すなわち、携帯機器の筐体を組み立てた状態）で、シールド・フィンガー１０４を介して結合用電極１０５が給電される様子を示している。本実施形態では、図示のように断面が略Ｖ字形状で、両端は開放端（オープンエンド）のタイプのシールド・フィンガー１０４を使用している。したがって、シールド・フィンガー１０４の下端部から給電されると、電流は断面略Ｖ字の板バネに沿って上端部に流れる際に、このＶ字の一方の脚と他方の脚の各々で電流Ａ、Ｂはほぼ紙面の水平方向の逆向きとなり互いの作用を打ち消し合うことから、近接無線転送にとって不要な電波を抑制することができる。

上述したように板バネに沿って水平方向に流れる電流同士を相殺する作用を最も効果的に実現するには、図１５に示すように、第１のハウジング部材１０１側の共振部１０３とシールド・フィンガー１０４の下端部の接点（接続点Ｂ）のほぼ真上（すなわち、紙面の垂直上方）に相当する位置（接続点Ａ）で、シールド・フィンガー１０４の上端部と結合用電極１０５が接するようにすることが好ましい。

なお、結合用電極の支持部材にポゴピン又はシールド・フィンガーのいずれを用いる場合であっても、給電点が結合用電極のほぼ中央部となるようにすることが好ましい。何故ならば、オフセットに起因して結合用電極表面で電流が流れ、不要電波を発生させてしまうからである。結合用電極のほぼ中央から給電することによって電界の縦波成分Ｅ_Rが最大となるようにすることができる（図１６Ａを参照のこと）。これに対し、給電点を結合用電極の中心からオフセットさせた場合には、このオフセットに起因して、結合用電極に対して平行な方向に対する電流成分が増加する（図１６Ｂを参照のこと）。そして、この電流成分に応じて結合用電極の正面方向の横波成分Ｅ_θが増加してしまう。

続いて、シールド・フィンガーを結合用電極の支持部材に用いる場合の小型、低背化について考察する。

図６に示した容量装荷型のアンテナは、モノポール・アンテナを低背化するときの形状である。一般に、使用周波数の長さ４分の１波長の金属線をグランドに垂直に立てると、その使用周波数で共振し、図１７Ａに示すような電流分布となる。同図に示すように、金属線の先端では、これ以上電流が流れないため、電流分布が０（すなわち、振幅が０の節）となる。他方、金属線の根元の給電点では、電流分布が最大（すなわち、振幅が最大の腹）となる。

ここで、図１７Ｂに示すように、金属線の高さを低くし、その先端に面積の広い金属線を取り付けると、図６に示したと同様の容量装荷型アンテナとなる。このとき、金属線と金属板を併せた長さが使用周波数の４分の１波長になるとき、図１７Ａの場合と同様に共振させることができる。また、金属線と金属板を併せた長さが使用周波数の４分の１波長という条件を保ちながら、金属板を広くすることで、図１７Ｃに示すように、アンテナをさらに低背化することができる。

このように、容量装荷型に構成することでアンテナを低背化することができるが、電波の放射に有効に寄与している金属線の部分が短くなるため、アンテナの放射効率（電界の横波成分の放射）は低下する。しかしながら、使用周波数で共振させるためには、金属線と金属板を併せた長さを使用周波数の４分の１波長にしなければならず、金属線の長さを短くした分だけ金属板の面積をより大きくする必要があり、高周波結合器は低背化しつつも金属板が大面積化する。

他方、アンテナではなく高周波結合器の場合、むしろ電波（電界の横波成分）の放射はできるだけ小さくなるよう抑制して、その代わりに誘導電界（電界の縦波成分）の放射が大きくなることが望ましい。したがって、金属線の部分をさらに短くして、放射効率（電界の横波成分の放射）を抑制するとともに、上記の金属板に相当する結合用電極を広くして誘導電界（電界の縦波成分）の放射を強めるようにすればよい（図１８Ｃを参照のこと）。

結合用電極に相当する金属板に給電する金属線の部分を、図９乃至図１０に示したように、シールド・フィンガーで構成すると、金属板の高さが同じであっても、断面Ｖ字ゆえ、金属線の長さを長く取ることができる。このことは、図１８Ａと図１８Ｂを比較すれば理解できよう。また、金属線と金属板を併せた長さが使用周波数の４分の１波長であればよいことから、Ｖ字の屈曲形状により金属線の長さが長くなる分だけ、金属線が屈曲形状でない場合と比較すると、金属板を小面積化することができる（図１８Ｂ、図１８Ｃを参照のこと）。

アンテナを小型化する技術として、容量装荷や放射エレメントの折り曲げなどが一般に知られているが、いずれにおいても小型化と引き換えにアンテナの放射効率が低下する。これに対し、近接無線転送においてはむしろ不要な電波の放射を抑制できて望ましいことから、高周波結合器に対してアンテナと同様の小型化技術を適用して、小型化と特性の改善の両方を同時に実現することができる訳である。

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。

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。

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。

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
９１…結合用電極
９２…シールド・フィンガー
９３…共振部（スタブ）
１０１…第１のハウジング部材
１０２…第２のハウジング部材
１０３…共振部（スタブ）
１０４…シールド・フィンガー
１０５…結合用電極
１０６…回路基板
１１１…結合用電極
１１２…ポゴピン
１１３…共振部（スタブ）
１２１…第１のハウジング部材
１２２…第２のハウジング部材
１２３…共振部（スタブ）
１２４…ポゴピン
１２５…結合用電極
１２６…回路基板

Claims (8)

1. グランドと、
   前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
   前記伝送路を介し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、
   前記結合用電極の所定の位置にて前記共振部に接続する伸縮可能な接続部と、
   を具備し、
   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、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高周波信号を伝送する、
   ことを特徴とする高周波結合器。
2. 前記接続部は、断面が略Ｖ字形状の板バネからなり、前記板バネの一方の端部で前記結合用電極に接続され、前記板バネの他方の端部で前記共振部に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波結合器。
3. 前記接続部は、断面がポゴピンからなり、前記ポゴピンの一方の端部で前記結合用電極に接続され、前記ポゴピンの他方の端部で前記共振部に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波結合器。
4. 前記グランド及び前記共振部を実装した回路基板が携帯機器の第１のハウジング部材の内面に配設され、前記接続部の一端が前記共振部に取り付けられ、
   前記結合用電極は前記携帯機器の第２のハウジング部材の内面に前記結合用電極となる導体パターンが形成される、
   ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の高周波結合器。
5. 前記第１のハウジング部材を前記第２のハウジング部材で閉じて、前記筐体の組み立てた状態で、前記接続部の他端が前記結合用電極の所定位置に当接して前記共振部と前記結合用電極を接続する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の高周波結合器。
6. 前記接続部は、前記断面が略Ｖ字形状の板バネの前記一方の端部は、前記他方の端部のほぼ真上で且つ前記結合用電極のほぼ中央で接続される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の高周波結合器。
7. 前記板バネと前記結合用電極を合わせた長さは、使用周波数の波長のほぼ４分の１である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の高周波結合器。
8. グランドと、
   前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
   前記伝送路を介し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、
   一端が前記共振部に取り付けられた伸縮可能な接続部と、
   前記結合用電極の所定の位置にて前記共振部に接続する伸縮可能な接続部と、
   前記グランド及び前記共振部を実装した回路基板を内面に配設した第１のハウジング部材と、
   内面に前記結合用電極となる導体パターンが形成された第２のハウジング部材と、
   を具備し、
   前記第１のハウジング部材を前記第２のハウジング部材で閉じた状態で、前記接続部の他端が前記結合用電極の所定位置に当接して前記共振部と前記結合用電極を接続し、
   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、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高周波信号を伝送する、
   ことを特徴とする通信装置。