JP2012009932A - 通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能であって、対向する一対の電極間で電磁界結合することにより情報通信を行う通信装置を提供する。
【解決手段】絶縁性を有する筐体１１９の内部に配置された配線基板１１１と、筐体１１９の内壁面１１９ｂの一部に形成された略平面状の導電体からなり、他の通信装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極１１８と、配線基板１１１に形成された信号線１１３と結合用電極１１８とを所定距離離間させて電気的に接続する電極柱１１７と、信号線１１３の一端に形成された接続用端子部１２０を介して電気的に接続された送受信処理部１０４とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う通信装置に関する。

近年、コンピュータや小型携帯端末等の電子機器間で、音楽、画像等のデータを、ケーブルやメディアを介さずに無線伝送にて行うシステムが開発されている。このような無線伝送システムには、数ｃｍの近距離で最大５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送が可能なものがある。このような高速転送可能な伝送システムの中で、TransferJet（登録商標）は、通信距離が短いが盗聴される可能性が低く、伝送速度が速いという利点がある。

TransferJet（登録商標）では、超近距離を隔てて対応する高周波結合器の電磁界結合によりなしえるもので、その信号品質が高周波結合器の性能に依存する。例えば、特許文献１に記載された高周波結合器は、図８に示すように、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える。また、特許文献１に記載された高周波結合器では、プリント基板２０１上に、送受信回路２０５も形成している。また、特許文献１には、プリント基板２０１上に送受信回路２０５が形成されていない変形例として、図９に示すような、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える構成が記載されている。

特開２００８−３１１８１６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された高周波結合器では、図８、図９に示すように、結合用電極２０８が、比較的細い金属線２０７で保持される構造を採用しているため、機械的強度が弱く、例えば、素子組立て時の接触、使用時の衝撃、振動等で容易に破損するといった問題がある。

上記強度の問題を解決するため、例えば、特許文献１に記載された高周波結合器において、結合用電極２０８とプリント基板２０１との間に絶縁材料を配置することで、金属線２０７を外力から保護することが考えられるが、空気に比べて絶縁材料の誘電率が大きいため、高周波結合器間の結合強度を低下させることになり、機械的特性と電気的特性の両立は困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能な通信装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための手段として、本発明に係る通信装置は、対向する一対の電極間で電磁界結合することにより情報通信を行う通信装置において、絶縁性を有する当該通信装置の筐体と、筐体の内部に配置され、一方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成された基板と、筐体の内壁面の一部に形成された略平面状の導電体からなり、対向する位置に配置された他の通信装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、基板に形成された信号線と結合用電極とを、基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、信号線の一端に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備える。

本発明は、結合用電極となる導電体が筐体の内壁面の一部に形成されているので、高い機械的強度を実現しつつ、結合用電極と基板との間の誘電層が空気であるため、高周波結合器間の結合強度が高く良好な通信特性を実現することができる。

図１は、本発明が適用された通信装置が組み込まれる通信システムの構成を示す図である。 図２は、本発明が適用された通信装置が備える高周波結合器の斜視図である。 図３は、本発明が適用された通信装置が備える高周波結合器の断面図である。 図４は、２つの高周波結合器の電極を対向させた通信形態について説明するための図である。 図５は、本発明が適用された通信装置が備える高周波結合器を用いて通信を行ったときの結合強度の周波数特性を示す図である。 図６は、比較例に係る高周波結合器の構成を示す図である。 図７は、比較例に係る高周波結合器を用いて通信を行ったときの結合強度の周波数特性を示す図である。 図８は、従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。 図９は、従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。

＜通信システム＞
本発明が適用された通信装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う装置であって、例えば図１に示すような、５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を可能とする通信システム１００に組み込まれて使用されるものである。

通信システム１００は、２つのデータ通信を行う通信装置１０１、１０５から構成される。ここで、通信装置１０１は、電極１０３を有する高周波結合器１０２と、送受信回路１０４とを備える。また、通信装置１０５は、電極１０７を有する高周波結合器１０６と、送受信回路１０８とを備える。

図１に示すように、通信装置１０１、１０５のそれぞれが備える高周波結合器１０２、１０６を向かい合わせて配置すると、２つの電極１０３、１０７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とによって、２つの高周波結合器１０２、１０６の間で、例えば５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を実現するための４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を効率よく伝達することができる。

ここで、高周波結合器１０２、１０６がそれぞれ持つ送受信用の電極１０３、１０７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。

通信システム１００において、例えば、高周波結合器１０２に接続された送受信回路１０４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高周波送信信号を生成し、電極１０３から電極１０７へ信号を伝搬する。そして、受信側の高周波結合器１０６に接続された送受信回路１０８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。

なお、本発明が適用されるアンテナ装置は、上述した４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達するものに限定されず、他の周波数帯の信号伝達にも適用可能であるが、以下の具体例では、４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達対象として説明する。

このような通信システム１００に組み込まれる通信装置１０１の具体的な構成について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、通信装置１０１が備える高周波結合器１０２の斜視図であり、図３は、具体的には後述する信号線１１３に沿って分割した高周波結合器１０２の断面図である。

すなわち、高周波結合器１０２は、図２に示すように、配線基板１１１と、結合用電極１１８と、電極柱１１７とを備える。

配線基板１１１は、例えば、誘電体として機能するベース材１１４の両面に銅箔を配した両面プリント基板で、一方の面をグランド１１２とし、もう一方の面にはパターニングにより信号線１１３を形成する。

配線基板１１１のベース材１１４は、例えば、２５〜１０００μｍ厚の誘電性材料でセラミクスやガラスエポキシ等の樹脂であるが、特性を重視する場合は、ポリイミド、液晶ポリマー、テフロン、発泡性素材等の低誘電率で、誘電損失の小さい材料のものが特に好ましい。

信号線１１３は、配線基板１１１の片面にパターニング等により形成された電極柱１１７と電気的に接続される配線であって、その一方の端部がスルーホール１１５によりグランド１１２と短絡処理され、また、他方の端部に接続端子部１２０が形成され、この接続端子部１２０を介して上述した送受信回路１０４と接続される。

このような構成からなる信号線１１３のうち、スルーホール１１５により短絡処理されている端部から電極柱１１７との接続点までの部位は、高周波結合器１０２の結合効率を上げるために用いられる共振ライン１１３ａとして機能する。特に、共振ライン１１３ａは、その距離が、通信周波数の略４分の１波長の奇数倍であることが好ましい。これは、共振ライン１１３ａに沿って特定周波数の略４分の１波長の距離に電極柱１１７を接続すると、その接続点で電圧が最大となり、高周波結合器１０２の結合効率が良好となるからである。なお、共振ライン１１３ａは、そのライン形状が、必ずしも直線状にする必要はなく、例えば、曲率を持たせた曲線状、あるいは折り曲げたミアンダ形状としてもよい。

また、信号線１１３のうち、接続端子部１２０は、配線基板１１１の端部まで延長して設けても良いし、またスルーホールを介して配線基板１１１のグランド１１２側に設けてもよい。

結合用電極１１８は、略平面状の導体からなり、対向する位置に配置された他の通信装置の電極と電磁界結合されて通信可能となるアンテナとして機能するものである。このような結合用電極１１８は、略平面状の導体で、円形、四角形、多角形等の形状とすることができ、材料としては銅、黄銅、ステンレス等の剛性を有する良導体を用いることが好ましい。

電極柱１１７は、配線基板１１１の厚み方向Ｈに所定距離離間させて、配線基板１１１に形成された信号線１１３と、結合用電極１１８とを電気的に接続する。

以上のような構成からなる高周波結合器１０２は、絶縁性を有する通信装置１０１の筐体の内部に、次のようにして配置される。

まず、絶縁材１１９ａは、高周波結合器１０２を収納する通信装置１０１の筐体１１９の一部を形成する材料で、機械的強度が高いセラミクスや、ＡＢＳ等の樹脂からなる。

高周波結合器１０２は、通信装置１０１の筐体１１９内に収められる点に着目し、良好な通信特性と機械的強度との両立を図るため、この筐体１１９の内壁面１１９ｂの一部に、結合用電極１１８を配置する。

このようにして、高周波結合器１０２は、結合用電極１１８となる導電体が筐体１１９の内壁面１１９ａの一部に形成されることで、素子組立て時の接触、使用時の衝撃、振動等による破損を防止することで、高い機械的強度を実現しつつ、結合用電極１１８と配線基板１１１との間の誘電層が空気であるため、後述するように、高周波結合器間の結合強度が高く良好な通信特性を実現することができる。

なお、本発明が適用された通信装置の高周波結合器は、必ずしも結合用電極１１８と電極柱１１７とが一体物でなくてもよいが、一体物とすることで結合用電極１１８と電極柱１１７とを接合する部材を用いることがなく、機械的強度が高く、かつ製造工程が簡略化される点で好ましい。

高周波結合器１０２は、例えば、次のような作製方法に従って、電極柱１１７を介して、結合用電極１１８と、配線基板１１１に形成された信号線１１３とを電気的に接続する。

例えば、結合用電極１１８と電極柱１１７とは、一枚の金属板などの導電部材を加工することによって一体物として作製されるものである。具体的な作製方法としては、略四角形の金属板１３０の一部に端１３１から中心１３２まで２本の切り込みを入れ、この結果、端１３１から中心１３２まで形成されたライン１３３を折り曲げて、所定の長さに切断する。このようにして、金属板１３０のうち、ライン１３３が電極柱１１７となり、それ以外の部位が、結合用電極１１８となる。

ここで、電極柱１１７は、ライン１３３の長さを、少なくとも、結合用電極１１８と信号線１１３との間の距離にすることで、信号線１１３と接着可能であるが、特に、電極柱１１７は、ライン１３３の長さを、結合用電極１１８と信号線１１３との間隔よりも大きくなるように作製し、ライン１３３の先端部を数カ所で折り曲げて鉤状の折り曲げ部１３４に加工して、配線基板１１１の厚み方向Ｈに弾性を有するバネとして作用するようにすることが、素子組立て時の接触、使用時の衝撃、振動等による破損を防止するなどといった機械的強度を高める観点から好ましい。

すなわち、電極柱１１７は、その先端部を何箇所か折り曲げて鉤状の折り曲げ部１３４に加工しバネとして作用するようにする。ここで、電極柱１１７は、その長さが、上述したように、結合用電極１１８と信号線１１３の間隔よりも長く作製して、信号線１１３に適度な力で圧着するようにしておく。このようにして作製された電極柱１１７は、外部から加えられる衝撃や振動による接触不良を回避することができる。これに加えて、電極柱１１７は、組立て時の仕上がりに生じてしまう形状のばらつき、すなわち、結合用電極１１８と信号線１１３との間隔ばらつきを吸収することができる。なお、電極柱１１７の鉤状の折り曲げ部１３４は、曲率を持った円弧状としても良いし、複数個設けてもよい。

また、電極柱１１７は、その材料が、銅、黄銅、リン青銅、ステンレス鋼等の導電性材料から選ばれ、特に板厚を調整して適度な弾性を有する状態で用いることが好ましい。また、電極柱１１７は、電気的な接続信頼性を保つために金等によるメッキ処理を施してもよい。

結合用電極１１８は、略平面状の導体で、円形、四角形、多角形等の形状とすることができ、絶縁材１１９ａの下面に当たる内壁面１１９ｂに接着剤等により取り付けるが、絶縁材１１９ａの中に埋設させてもよい。結合用電極１１８の材料としては、銅、黄銅、ステンレス等の剛性を有する良導体を用いることが好ましい。

以上のような構成からなる通信装置１０１に組み込まれた高周波結合器１０２の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。

まず、高周波結合器１０２に係る解析モデルは、次のような構成としている。すなわち、配線基板１１１は、そのベース材１１４として、膜厚５０μｍの液晶ポリマーを用いた両面銅箔基板としている。結合用電極１１８は、縦横９ｍｍ角の薄銅板としている。電極柱１１７は、その高さを１．１ｍｍとしている。

このように構成された高周波結合器１０２の結合用電極１１８を、図４に示すように対向させて、一方の高周波結合器１０２ａの接続端子部１２０に入力信号を加え、他方の高周波結合器１０２ｂの接続端子部１２０で信号を受けた場合の結合強度を解析すると、図５に示すような結果が得られる。

図５は、図４の対向する高周波結合器１０２ａ、１０２ｂの結合用電極１１８、１１８間の対向距離を１５ｍｍとした場合の、Ｓパラメータで表される結合強度Ｓ２１の周波数特性を示したものである。

次に、図６を参照して、比較例に係る高周波結合器１５０の構成について説明する。すなわち、高周波結合器１５０は、図６に示すように、機械的強度を実現するため、結合用電極１５８を、絶縁性を有する上部基板１５９上に形成し、電極柱１５７で配線基板１５１上に形成された信号線１５３に接続したものである。信号線１５３は、一端が、配線基板１５１のベース材を貫通するスルーホール１５５を介してグランド１５２と接続され、他端に接続端子部１６０が形成されている。このような構成の高周波結合器１５０では、結合用電極１５８と電極柱１５７が、上部基板１５９により強固に保持される構造のため、機械的強度を高くすることができる。

比較例に係る高周波結合器１５０に係る解析モデルは、高周波結合器１０２と同様の構成としている。すなわち、配線基板１５１は、そのベース材１５４として、膜厚５０μｍの液晶ポリマーを用いた両面銅箔基板としている。結合用電極１５８は、縦横９ｍｍ角の薄銅板としている。電極柱１５７は、その高さを１．１ｍｍとしている。

このように構成された比較例に係る高周波結合器１５０の結合用電極１５８を、対向距離を１５ｍｍとして対向させて、一方の高周波結合器１５０の接続端子部１６０に入力信号を加え、他方の高周波結合器１５０の接続端子部１６０で信号を受けた場合の結合強度を解析すると、図７に示すような結果が得られる。なお、図７中では、高周波結合器１５０において、上部基板１５９がある場合とない場合との２種類の周波数特性を示している。ここで、上部基板１５９を取り除くと、共振周波数、すなわち、結合強度がピークとなる周波数がずれるため、電極柱１５７の太さや信号線１５３の大きさを変えて、共振周波数が同じになるように調整している。

図７から明らかなように、上部基板１５９を設けることで高周波結合器１５０間の結合強度が低下する。このように、結合用電極１５８を上部基板１５９の上面に設けることは、衝撃によって比較的破損しやすい電極柱１５７を上部基板１５９で保護することによって機械的強度不足の問題を解消することができるが、高周波結合器１５０間の結合強度を低下させることになり、機械的特性と電気的特性の両立は困難である。

これに対して、本発明が適用された通信装置が備える高周波結合器１０２では、図５の結果から明らかなように、図７の上部基板１５９無しの特性とほぼ同等な特性が得られており、また、図７の機械的強度を向上させるための上部基板１５９有りのものと比べると、４．５ＧＨｚ付近で約５ｄＢ程度結合強度が高い。

以上のような結果から明らかなように、通信装置１０１では、導電部材を加工することにより、結合用電極１１８と電極柱１１７とが一体物として形成され、導電部材のうち結合用電極１１８となる導電体が、筐体１１９の内壁面の一部に形成されているので、高い機械的強度を実現することができる。さらに、通信装置１０１は、結合用電極１１８と配線基板１１１との間の誘電層が空気であるため、高周波結合器１０２間の結合強度が高く良好な通信特性を実現することができる。

１００ 通信システム、１０１、１０５ 通信装置、１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０６、１５０ 高周波結合器、１０３、１０７ 電極、１０４、１０８、２０５ 送受信回路、１１１、１５１ 配線基板、１１２、１５２、２０２ グランド、１１３、１５３ 信号線、１１３ａ 共振ライン、１１４、１５４ ベース材、１１５、１５５ スルーホール、１１７、１５７ 電極柱、１１８、１５８、２０８ 結合用電極、１１９ 筐体、１１９ａ 絶縁材、１１９ｂ 内壁面、１２０、１６０ 接続端子部、１３０ 金属板、１３１ 端、１３２ 中心、１３３ ライン、１３４ 折り曲げ部、１５９ 上部基板、２０１ プリント基板、２０３ スタブ、２０７ 金属線

Claims (3)

1. 対向する一対の電極間で電磁界結合することにより情報通信を行う通信装置において、
   絶縁性を有する当該通信装置の筐体の内部に配置され、一方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成された配線基板と、
   上記筐体の内壁面の一部に形成された略平面状の導電体からなり、対向する位置に配置された他の通信装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、
   上記配線基板に形成された信号線と上記結合用電極とを、該基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、
   上記信号線の一端に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備える通信装置。
2. 導電部材を加工することにより、上記結合用電極と上記電極柱とが一体物として形成され、該導電部材のうち該結合用電極となる導電体が、上記筐体の内壁面の一部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の通信装置。
3. 上記電極柱は、上記結合用電極と一体物として形成された導電部材の先端を略鉤状に折り曲げることで、上記基板の厚み方向に弾性を有することを特徴とする請求項２記載の通信装置。

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