JP2018174360A - 非接触通信システム - Google Patents

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Tsutomu Shinpo
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    • H04B5/48

Abstract

【課題】信号の変調を必要とすることがない非接触通信システムを提供する。
【解決手段】非接触通信システム10は、第1コイル12と、第1コイル12との電磁結合により第1コイル12との間で信号を送受信する第2コイル22と、周波数特性補償回路40とを備える。周波数特性補償回路40は、第1コイル12および第2コイル22のうち少なくとも1つのコイルに電気的に接続される。周波数特性補償回路40は、高域補償回路、低域補償回路および帯域補償回路のうち少なくとも1つの回路を有する。周波数特性補償回路40は、第1コイル12と第2コイル22との間における信号の通過帯域幅を信号の占有帯域幅よりも広くするように第1コイル12と第2コイル22との間における信号の通過特性を補正する。
【選択図】図1

Description

本発明は、非接触通信システムに関する。
従来、互いに近接して対向するコイルの電磁結合により信号伝達を行う非接触通信システムがある(特許文献1参照)。
特許文献1では、平面上で導体を渦巻状に形成された複数の空芯コイルが渦巻の中心軸方向に互いに重ねられるように配置されている。これにより、空芯コイルの面積、空芯コイルに使用する導線の太さやピッチを固定したまま、共振周波数を低下させて信号伝達を行うことができる。
特開2012−156281号公報
コイル間の電磁結合により信号伝達を行う場合、低周波における利得が著しく低下する。そこで、従来の非接触通信システムでは、搬送波を用いて信号を無線変調し、一定の利得を確保することができる周波数帯を利用して信号の伝送が行われている。そのため、従来の非接触通信システムにおいて、信号の送信側では変調回路を、受信側では復調回路がそれぞれ必要となり、回路規模が増大する。また、高い伝送レートに対応させる為には、搬送波周波数を高くする必要があり、より複雑な回路が必要となる。そのため、信号の変調を必要とすることがない非接触通信システムが望まれている。
そこで、本発明は、上記事由に鑑みてなされており、その目的は、信号の変調を必要とすることがない非接触通信システムを提供することにある。
本発明に係る非接触通信システムは、第1コイルと、前記第1コイルとの電磁結合により前記第1コイルとの間で信号を送受信する第2コイルと、前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも1つのコイルに電気的に接続され、前記第1コイルと前記第2コイルとの間における前記信号の通過特性を補正する周波数特性補償回路とを備え、前記周波数特性補償回路は、高周波信号を増幅する高域補償回路、低周波信号を増幅する低域補償回路、および高周波信号と低周波信号の双方を増幅する帯域補償回路のうち少なくとも1つの回路を有し、前記第1コイルと前記第2コイルとの間における前記信号の通過帯域幅を前記信号の占有帯域幅よりも広くするように前記通過特性を補正することを特徴とする。
ここで、前記高域補償回路は、増幅回路と、高周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される高域通過フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第1フィルタを含み、前記低域補償回路は、増幅回路と、低周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される低域通過フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第2フィルタを含み、前記帯域補償回路は、増幅回路と、高周波信号および低周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される帯域阻止フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第3フィルタを含むことが好ましい。
ここで、前記複数の第1フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なり、前記複数の第2フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なり、前記複数の第3フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なることが好ましい。
ここで、前記信号は、デジタル信号であり、前記周波数特性補償回路は、前記第1コイルから前記第2コイルまでの通過域の上限周波数を前記デジタル信号の基本周波数より大きくするように構成されていることが好ましい。
ここで、前記信号は、アナログ信号であり、前記周波数特性補償回路は、前記第1コイルから前記第2コイルまでの通過帯域幅を前記アナログ信号の帯域幅よりも大きくするように構成されていることが好ましい。
ここで、前記第1コイルが設けられた第1基板および前記第2コイルが設けられた第2基板は、同一軸を中心として回転可能に構成されており、前記第1基板は、第1開口部を有し、前記第2基板は、第2開口部を有し、前記第1コイルは、前記第1開口部の周囲に設けられ、前記第2コイルは、前記第2開口部の周囲に設けられ、前記第1開口部と前記第2開口部との双方に、回転軸が挿入されていることが好ましい。
ここで、前記第1コイルおよび前記第2コイルのそれぞれは、1ターン以上の渦巻き型形状であることが好ましい。
ここで、前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも一方のコイルは、基板の表層または内層に設けられており、前記一方のコイルの両端と電気的に接続される一対の引出線は、他方のコイルが設けられた基板と対向する面とは反対面に設けられており、前記一対の引出線には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子が設けられていることが好ましい。
ここで、前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも一方のコイルは、フレキシブル基板に設けられており、前記一方のコイルの両端と電気的に接続される一対の引出線は、当該フレキシブル基板に設けられており、前記一対の引出線には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子が設けられていることが好ましい。
ここで、前記非接触通信システムは、前記第1コイルが設けられた第1基板を含む第1モジュールと、前記第2コイルが設けられた第2基板を含む第2モジュールとの間で非接触給電を行う一対の給電コイルをさらに備え、前記一対の給電コイル間を通過する給電信号のピーク電力の周波数が、前記第1コイルと前記第2コイルとの間を通過する前記信号のピーク電力の周波数よりも小さいことが好ましい。
ここで、前記一対の給電コイルによる給電の給電方式は、磁気共鳴方式であることが好ましい。
ここで、前記非接触通信システムは、前記第1コイルが設けられた第1基板を含む第1モジュールと、前記第2コイルが設けられた第2基板を含む第2モジュールとの間で非接触給電を行う一対の給電コイルをさらに備え、前記第1コイルは、前記信号を送信し、前記第2コイルは前記信号を受信し、前記一対の給電コイルによる給電の給電方向は、前記信号の送信方向とは逆方向であることが好ましい。
上述した非接触通信システムは、信号の変調を必要とすることなく、コイル間で高速な
信号伝送を行うことができる。
実施形態1の非接触通信システムの構成を説明する図である。 実施形態1の非接触通信システムの適用例を説明する図である。 図3Aは、周波数特性補償回路の構成の一例を示すブロック図であり、図3Bは、高域補償回路の構成の一例を示すブロック図であり、図3Cは、低域補償回路の構成の一例を示すブロック図である。 送信される信号の占有帯域幅と、第1コイルと第2コイルとの間における通過帯域幅との関係を表す図である。 図5A〜図5Eは、低域補償回路を用いた場合における通過帯域幅の変化を表す図である。 周波数特性補償回路を適用した後の占有帯域幅と通過帯域幅との関係を表す図である。 図7A,7Bは、第1コイル(第2コイル)の巻き数の例を表す図である。 一対の引出線に素子を設けた場合の例を表す図である。 実施形態2における周波数特性補償回路の構成の一例を示すブロック図である。 図10A〜図10Eは、帯域補償回路を用いた場合における通過帯域幅の変化を表す図である。 実施形態3の非接触通信システムの構成を模式的に表した図である。 給電信号のピーク周波数と、入力信号のピーク周波数との関係を表す図である。 実施形態3の非接触通信システムについて別の構成を模式的に表した図である。
以下の実施形態は、一般に非接触通信システム、より詳細には互いに近接して対向するコイルの電磁結合により信号伝達を行う非接触通信システムに関する。
(実施形態1)
ここでは、本実施形態に係る非接触通信システム10について、図1〜図8に基づいて説明する。
非接触通信システム10は、第1コイル12と第2コイル22との間で電磁結合を生じさせて信号の送受信を行う(図1,2参照)。本実施形態で送受信される信号は、2値のデジタル信号である。なお、第1コイル12と第2コイル22との間で送受信される信号はアナログ信号であってもよい。
非接触通信システム10は、図1に示すように、第1基板11、第2基板21、送信回路30、周波数特性補償回路40および受信回路41を備える。
第1基板11と第2基板21とは対向しており、接触しない程度に近接し、電磁結合により第1基板11から第2基板21へ信号を送信する。ここで、第1基板11および第2基板21は、例えばガラスエポキシなどの硬い材質からなるリジット基板である。
まず、第1基板11の構成について説明する。
第1基板11は、第1の層11a(表層)と第2の層11bを含んでいる。第1の層11aにおいて、第2基板21と対向する面内には、巻数(ターン数)が複数である第1コイル12が第1の層11aの表面上に螺旋を描くように積層された渦巻き形状の導電体により曲線からなる渦巻き型形状に形成されている。
第1コイル12の中心部位には、円形状に開口された第1開口部17が設けられている。
また、第2の層11bには、導電体による一対の引出線13,14が形成されている。第1コイル12の一端と引出線13とはスルーホール15により、第1コイル12の他端と引出線14とはスルーホール16により、それぞれ電気的に接続されている。
なお、図1では、送信回路30は、第1基板11に実装されていないように図示されているが、これは説明上、第1コイル12と送信回路30との接続関係をわかりやすくするためである。送信回路30は、実際には、第2の層11bに実装されている。
次に、第2基板21の構成について説明する。
第2基板21は、第1の層21a(表層)と第2の層21bを含んでいる。第1の層21aにおいて、第1基板11と対向する面内には、第1コイル12と対向する第2コイル22が形成されている。第2コイル22は、第1の層21aの表面上に螺旋を描くように積層された渦巻き形状の導電体により曲線からなる巻数が複数である渦巻き型形状に形成されている。
第2コイル22の中心部位には、円形状に開口された第2開口部27が設けられている。ここで、第1開口部17および第2開口部27の中心は、図1に示すように、同一軸(中心軸50)上ある。これにより、第1基板11および第2基板21は、中心軸50を中心として回転することができる(図2参照)。
また、第2の層21bには、導電体による一対の引出線23,24が形成されている。第2コイル22の一端と引出線23とはスルーホール25により、第2コイル22の他端と引出線24とはスルーホール26により、それぞれ電気的に接続されている。
なお、図1では、周波数特性補償回路40および受信回路41は、第2基板21に実装されていないように図示されているが、これは説明上、第2コイル22と周波数特性補償回路40および受信回路41との接続関係をわかりやすくするためである。周波数特性補償回路40および受信回路41は、実際には、第2の層21bに実装されている。
第1コイル12と送信回路30とは、一対の引出線13,14、スルーホール15,16により電気的に接続されているので、第1コイル12には、送信回路30から出力された電流が流れ、この電流の流れの向きに応じた磁束が発生する。第1コイル12で磁束が発生すると、第2コイル22には誘導起電力で生じる電流が流れる。
送信回路30は、第1コイル12に信号を出力する。このとき送信回路30から出力される信号は、搬送波によって変調されていない信号である。そのため、送信回路30へ入力される信号の最小周期と、第1コイル12に入力される信号の最小周期とは同じになる。
受信回路41は、送信回路30で出力された信号を、第1コイル12、第2コイル22および後述する周波数特性補償回路40を介して受信する。
周波数特性補償回路40は、送受信される信号の周波数特性を補正し、ある程度の利得が得られる帯域を広げるように構成された回路である。例えば、周波数特性補償回路40は、図3Aに示すように、高域側の周波数特性を補正する高域補償回路100と低域側の周波数特性を補正する低域補償回路200を有している。
高域補償回路100は、増幅回路と、高域の周波数の信号(高周波信号)を通過させ当該増幅回路の後段と電気的に接続される高域通過フィルタとからなる第1フィルタ100A,100Bを複数(図3Bでは2つ)有している。高域補償回路100では、複数の第1フィルタ100A,100Bが直列に接続されている。例えば、高域補償回路100は、図3Bに示すように、増幅回路111、高域通過フィルタ112、増幅回路113および高域通過フィルタ114を有している。増幅回路111は、第2コイル22から出力された信号(電流)を増幅する。高域通過フィルタ112は、増幅回路111の後段に電気的に接続され、増幅回路111で増幅された信号のうち高周波信号を通過させるハイパスフィルタである。増幅回路113は、高域通過フィルタ112から出力された信号(電流)を増幅する。高域通過フィルタ114は、増幅回路113の後段に電気的に接続され、増幅回路113で増幅された信号のうち高周波信号を通過させるハイパスフィルタである。ここで、高域通過フィルタ112および高域通過フィルタ114においてカットオフ周波数は互いに異なっている。
低域補償回路200は、増幅回路と、低域の周波数の信号(低周波信号)を通過させ当該増幅回路の後段と電気的に接続される低域通過フィルタとからなる第2フィルタ200A,200Bを複数(図3Cでは2つ)有している。低域補償回路200では、複数の第2フィルタ200A,200Bが直列に接続されている。例えば、低域補償回路200は、図3Cに示すように、増幅回路211、低域通過フィルタ212、増幅回路213および低域通過フィルタ214を有している。増幅回路211は、第2コイル22から出力された信号(電流)を増幅する。低域通過フィルタ212は、増幅回路211の後段に電気的に接続され、増幅回路211で増幅された信号のうち低周波信号を通過させるローパスフィルタである。増幅回路213は、低域通過フィルタ212から出力された信号(電流)を増幅する。低域通過フィルタ214は、増幅回路213の後段に電気的に接続され、増幅回路213で増幅された信号のうち低周波信号を通過させるローパスフィルタである。ここで、低域通過フィルタ212および低域通過フィルタ214においてカットオフ周波数は互いに異なっている。
以上説明したように、第1コイル12で発生する磁束により第2コイル22に誘導起電力が生じ、第1コイル12と第2コイル22とが電磁結合することで、第1コイル12から第2コイル22への信号伝達が可能となる。
図4で示す実線は、第1コイル12と第2コイル22との間で信号を伝送する場合の電力を示している。送信回路30から出力される信号の占有帯域幅F1と、第1コイル12と第2コイル22との間での信号の通過帯域幅F2とを比較すると、図4に示すように、占有帯域幅F1のほうが、通過帯域幅F2により広い。そのため、このままでは、広い占有帯域幅を有するデジタル信号を伝送することができない。
そこで、本実施形態では、周波数特性補償回路40が第2基板21側(受信側)に設けられている。第1コイル12と第2コイル22との間における信号の通過特性F10は、図5Aのように表される。また、増幅回路211と低域通過フィルタ212とからなる第2フィルタ200Aの周波数特性F11は、図5Bのように表される。ここで、低域通過フィルタ212のカットオフ周波数a1は、例えば1.5GHzとする。コイル間の信号の通過特性F10(図5A参照)と、第2フィルタ200Aの周波数特性F11(図5B参照)とから、これらを組み合わせた通過特性F12が得られる(図5C参照)。図5Cでは、低域通過フィルタ212を通過した信号の特性が補正され、低周波数帯の利得が上昇している。
また、低域補償回路200に含まれる増幅回路213と低域通過フィルタ214とからなる第2フィルタ200Bの周波数特性F13は、図5Dのように表される。ここで、低域通過フィルタ214のカットオフ周波数a2は、例えば0.7GHzとする。低域通過フィルタ212を通過した信号の通過特性F12(図5C参照)と、第2フィルタ200Bの周波数特性F13(図5D参照)とから、これらを組み合わせた通過特性F14が得られる(図5E参照)。図5Eでは、低域通過フィルタ214を通過した信号の特性が補正され、さらに低い周波数帯の利得が上昇している。
カットオフ周波数が異なる低域通過フィルタ212,214を組み合わせることで、低い周波数において、平坦な利得特性を有する帯域を広げることができる。ここで、低周波信号は、信号の占有帯域幅F1(例えば図4では、0.1〜約2.05GHz)のうち低域側の周波数の信号であり、例えば0.7GHz以下の周波数の信号である。
また、増幅回路111と高域通過フィルタ112との組み合わせ、および増幅回路113と高域通過フィルタ114との組み合わせにより、高周波信号の特性が補正され、利得が上昇した通過特性を得ることができる。カットオフ周波数が異なる高域通過フィルタ112,114を組み合わせることで、高い周波数において、平坦な利得特性を有する帯域を広げることができる。ここで、高周波信号は、信号の占有帯域幅F1(例えば図4では、0.1〜約2.05GHz)のうち高域側の周波数の信号であり、例えば1.5GHz以上の周波数の信号である。
これにより、非接触通信システム10は、周波数特性補償回路40を適用した後の信号の通過帯域幅F20を、信号の占有帯域幅F1よりも広くすることができる(図6参照)。ここで、通過帯域幅とは、信号の送信(伝送)に必要な周波数の帯域幅である。
つまり、非接触通信システム10は、周波数特性補償回路40を用いることで、コイル間で信号が通過する通過域での上限周波数(通過域上限周波数)を、信号の基本周波数よりも大きくすることができる。さらに、コイル間で信号が通過する通過域での下限周波数(通過域下限周波数)を、デジタル信号伝送に必要とされる下限周波数よりも低くすることができる。ここで、通過域上限周波数は、高周波側のカットオフ周波数に相当している。
また、信号がアナログ信号である場合には、非接触通信システム10は、周波数特性補償回路40を用いることで、コイル間の通過帯域幅を、アナログ信号の占有帯域幅よりも大きくすることができる。アナログ信号の占有帯域幅とは、入力スペクトラムのピークから3dbダウンした範囲である。
また、第1基板11では、送信回路30と電気的に接続された渦巻き形状の第1コイル12の中心部位に第1開口部17を設けている。第2基板21では、受信回路41と電気的に接続された渦巻き形状の第2コイル22の中心部位に第2開口部27を設けている。第1開口部17および第2開口部27に、図2に示すように、回転体51の回転の中心となる軸51a(回転軸)を通すことができる。そして、軸51aを中心に回転させることで、第1基板11と第2基板21とを回転させることができる。例えば、本実施形態の非接触通信システム10は、360度回転する監視カメラといった軸51aを中心に回転する装置に適用することができる。図2の適用例では、第1基板11と第2基板21とは、離れているように描かれているが、実際は、上述したように接触しない程度に近接している。
なお、本実施形態では、軸51aを中心として第1基板11および第2基板21が回転することは必須ではない。第1コイル12と第2コイル22とは対向するように、第1基板11および第2基板21が配置されていればよい。
また、本実施形態では、第1コイル12および第2コイル22の巻き数(ターン数)を複数としているが、これに限定されない。第1基板11および第2基板21が軸51aを中心として回転する場合には、第1コイル12および第2コイル22の巻き数は、図7Aに示すように、1ターン以上であればよい。また、第1基板11および第2基板21が回転しない場合には、図7Bに示すように、第1コイル12および第2コイル22の巻き数は、1ターン未満であってもよい。
また、本実施形態において、第1基板11は、図8に示すように、第2の層11bに設けられた一対の引出線13,14に、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子18が設けられてもよい。また、第2基板21でも同様に、図8に示すように、第2の層21bに設けられた一対の引出線23,24に、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つを含む素子28が設けられてもよい。
また、本実施形態では、周波数特性補償回路40は、第2基板21(受信側)に設けられるとしたが、これに限定されない。周波数特性補償回路40は、第1基板11(送信側)に設けられてもよいし、第1基板11および第2基板21の双方に設けられてもよい。
本実施形態では、第1基板11および第2基板21は、リジット基板としたが、これに限定されない。第1基板11および第2基板21のうち少なくとも1つの基板は、絶縁性をもつ柔軟なフィルム上に回路が配線されるフレキシブル基板であってもよい。また、フレキシブル基板に形成されたコイル(第1コイル12および第2コイル22のうち少なくとも一方のコイル)の両端と電気的に接続される一対の引出線13,14(23,24)に、上述した素子18(28)が設けられてもよい。これにより、対向する2つの基板を、双方ともリジット基板とすることもできるし、双方ともフレキシブル基板とすることもできるし、リジット基板とフレキシブル基板とを組み合わせることもできる。つまり、非接触通信システム10の利用用途に応じて、対向する2つの基板の種類を選択することができる。例えば、第1基板11および第2基板21のうち少なくとも1つの基板をリジット基板とすることで、その基板が有する剛性により他の部品の実装が容易となる。また、第1基板11および第2基板21のうち少なくとも1つの基板を、フレキシブル基板とすることで、中抜き、つまり第1開口部17(第2開口部27)の形成が容易に行える。また、フレキシブル基板を利用することで、3次元的な実装が可能となる。
また、本実施形態において、第1コイル12は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第1基板11に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID:Molded Interconnect Devices)であってもよい。また、同様に、第2コイル22は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第2基板21に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。
また、本実施形態において、第1コイル12は、第1基板11の表層(第1の層11a)に形成されるとしたが、これに限定されない。第1コイル12は、第1基板11の内層(第1の層11a、第2の層11b以外の層)に形成されてもよい。第2コイル22も同様に、第2基板21の内層(第1の層21a、第2の層21b以外の層)に形成されてもよい。
本実施形態において、第1コイル12および第2コイル22は、導電体で形成されるとしたが、これに限定されない。第1コイル12および第2コイル22は、平面コイル、スプリング型のコイルなどであってもよい。
本実施形態では、第1コイル12および第2コイル22は、曲線からなる渦巻き型形状に形成されているとしたが、これに限定されない。例えば、渦巻き形状として、四角形、八角形などといった多角形状を形成しながら中心に近づく形状であってもよい。渦巻き形状として多角形状を形成しながら中心に近づく形状の場合、曲線からなる渦巻き形状の場合と比較して、電磁結合度は弱くなる。しかしながら、第1コイル12および第2コイル22の渦巻き形状が多角形状である場合も、本発明の技術的思想の範囲内である。
また、本実施形態において、第1基板11では、一対の引出線13,14は、第1コイル12が形成された面(第1の層11a)とは反対の面(第2の層11b)に形成したが、これに限定されない。一対の引出線13,14は、第1コイル12が形成された面(第1の層11a)と同一の面に形成してもよい。この場合、引出線14において第1コイル12と交差する箇所は、第2の層11bに形成する。第2基板21においても同様に、一対の引出線23,24は、第2コイル22が形成された面(第1の層21a)と同一の面に形成してもよい。この場合、引出線24において第2コイル22と交差する箇所は、第2の層21bに形成する。
また、本実施形態において、非接触通信システム10は、第1基板11から第2基板21へと信号を伝達するとしたが、これに限定されない。非接触通信システム10は、第2基板21から第1基板11へ信号を伝達してもよい。
また、本実施形態において、高域通過フィルタ112(114)は、増幅回路111(113)の後段に接続されるとしたが、これに限定されない。高域通過フィルタ112(114)は、増幅回路111(113)の前段に接続されてもよい。同様に、低域通過フィルタ212(214)は、増幅回路211(213)の前段に接続されてもよい。
また、実施形態において、高域補償回路100は、直列接続された複数の第1フィルタ100A,100B(図3Bでは2つ)を含むとしたが、これに限定されない。高域補償回路100は、1つの第1フィルタ100Aを含むとしてもよい。つまり、高域補償回路100は、1つの第1フィルタ100Aまたは直列接続された複数の第1フィルタ100A,100Bを含んでいればよい。同様に、低域補償回路200は、1つの第2フィルタ200Aまたは直列接続された複数の第2フィルタ200A,200Bを含んでいればよい。
(実施形態2)
本実施形態では、周波数特性補償回路40の構成が、実施形態1とは異なる。以下、実施形態1と異なる点を中心に説明する。また、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態の周波数特性補償回路40は、図9に示すように、帯域補償回路300を備える。帯域補償回路300は、低周波信号および高周波信号を通過させ、特定の帯域の信号を通過させない回路である。帯域補償回路300は、増幅回路と、当該増幅回路の後段と電気的に接続される帯域阻止フィルタとからなる第3フィルタ300A,300Bを複数(図9では2つ)有し、第3フィルタ300A,300Bが直列に接続された回路である。例えば、帯域補償回路300は、図9に示すように、増幅回路311、帯域阻止フィルタ312、増幅回路313および帯域阻止フィルタ314を有している。増幅回路311は、第2コイル22から出力された信号(電流)を増幅する。帯域阻止フィルタ312は、増幅回路311の後段に電気的に接続され、増幅回路311で増幅された信号のうち低周波信号および高周波信号を通過させるフィルタである。増幅回路313は、帯域阻止フィルタ312から出力された信号(電流)を増幅する。帯域阻止フィルタ314は、増幅回路313の後段に電気的に接続され、増幅回路313で増幅された信号のうち低周波信号および高周波信号を通過させるフィルタである。ここで、帯域阻止フィルタ312および帯域阻止フィルタ314においてカットオフ周波数は互いに異なっている。
本実施形態では、帯域補償回路300が第2基板21側(受信側)に設けられている。第1コイル12と第2コイル22との間における信号の通過特性F30は、図10Aのように表される。また、増幅回路311と帯域阻止フィルタ312とからなる第3フィルタ300Aの周波数特性F31は、図10Bのように表される。ここで、例えば、帯域阻止フィルタ312における低域側のカットオフ周波数a3は1GHzであるとし、高域側のカットオフ周波数a4は3.1GHzであるとする。これにより、帯域阻止フィルタ312は、1GHzから3.1GHzまでの信号を減衰させる。
コイル間の信号の通過特性F30(図10A参照)と、第3フィルタ300Aの周波数特性F31(図10B参照)とから、これらを組み合わせた通過特性F32が得られる(図10C参照)。図10Cでは、帯域阻止フィルタ312を通過した信号の特性が補正され、低周波域および高周波域における利得が上昇し、利得が平坦な周波数帯域が広がっている。ここで、図10Bに示すフィルタの周波数特性における肩特性が、図10Aに示すコイルの周波数特性における肩特性と逆特性になるように、フィルタを設計することにより、利得の平坦度を増すことができる。
また、増幅回路313と帯域阻止フィルタ314とからなる第3フィルタ300Bの周波数特性F33は、図10Dのように表される。ここで、帯域阻止フィルタ314の低域側のカットオフ周波数a5は0.4GHzであるとし、高域側のカットオフ周波数a6は4.1GHzであるとする。第3フィルタ300Aを通過した信号の通過特性F32(図10C参照)と、第3フィルタ300Bの周波数特性(図10D参照)とから、これらを組み合わせた通過特性F34が得られる(図10E参照)。図10Eでは、帯域阻止フィルタ314を通過した信号の特性が補正され、低周波域および高周波域の利得が上昇している。このように、帯域補償回路300を用いることで、非接触通信システム10は、実施形態1と同様に、帯域補償回路300を適用した後の信号の通過帯域幅F34を、信号の占有帯域幅F1よりも広くすることができる。
なお、周波数特性補償回路40の構成は、実施形態1で説明した構成および実施形態2で説明した構成に限定されない。周波数特性補償回路40は、高域補償回路100、低域補償回路200および帯域補償回路300のうち少なくとも1つの回路を備え、周波数特性補償回路40の適用後の信号の通過帯域幅を、信号の占有帯域幅よりも広くするように構成されていればよい。つまり、周波数特性補償回路40は、通過域上限周波数を、信号の基本周波数よりも大きくするように構成し、通過域下限周波数を、デジタル信号伝送に必要とされる下限周波数よりも小さくするように構成されていればよい。また、信号がアナログ信号である場合には、周波数特性補償回路40は、コイル間の通過帯域幅を、アナログ信号の帯域幅よりも大きくするように構成されていればよい。
また、本実施形態において、帯域阻止フィルタ312(314)は、増幅回路311(313)の後段に接続されるとしたが、これに限定されない。帯域阻止フィルタ312(314)は、増幅回路311(313)の前段に接続されてもよい。
また、実施形態において、帯域補償回路300は、直列接続された複数の第3フィルタ300A、300B(図9では2つ)を含むとしたが、これに限定されない。帯域補償回路300は、1つの第3フィルタ300Aを含むとしてもよい。つまり、帯域補償回路300は、1つの第3フィルタ300Aまたは直列接続された複数の第3フィルタ300A,300Bを含んでいればよい。
また、本実施形態において、実施形態1と同様に、第1コイル12は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第1基板11に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。また、第2コイル22は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第2基板21に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。
(実施形態3)
本実施形態では、非接触通信システム10が、非接触給電の機能を有している点が、実施形態1とは異なる。以下、実施形態1と異なる点を中心に説明する。また、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
図11は、本実施形態の非接触通信システム10の構成を模式的に表している。
本実施形態の非接触通信システム10は、第1基板11を含む第1モジュール410と、第2基板21を含む第2モジュール411との間で非接触給電を行う。
第1モジュール410は、図11に示すように、第1コイル12および送信回路30を備える第1基板11と、送電側基板400とを含んでいる。送電側基板400は、第1基板11と同様に開口部を有しており、この開口部に上述した軸51aが挿入される。送電側基板400は、図11に示すように、送電コイル60および送電回路61を備えている。送電コイル60は、導電体により曲線からなり巻数が複数である渦巻き型形状である。
第2モジュール411は、図11に示すように、第2コイル22、周波数特性補償回路40および受信回路41を備える第2基板21と、受電側基板401とを含んでいる。受電側基板401は、第2基板21と同様に開口部を有しており、この開口部に上述した軸51aが挿入される。受電側基板401は、図11に示すように、受電コイル70および受電回路71を備えている。受電コイル70は、導電体により曲線からなり巻数が複数である渦巻き型形状である。
第1基板11、第2基板21、送電側基板400および受電側基板401は、中心軸50(図2に示す軸51aに相当)を中心として回転する。
送電回路61および受電回路71は、磁気共鳴方式の回路であり、送電回路61から出力された給電信号が、送電コイル60および受電コイル70を介して受電回路71に入力される。
また、本実施形態では、給電信号と、第1コイル12と第2コイル22との間で送受信される信号(入力信号)との相互干渉を防ぐ必要がある。そこで、非接触通信システム10では、図12に示すように、給電信号のピーク電力における周波数F40を、入力信号のピーク電力における基本周波数F41よりも小さくしている。
また、図11では、第1モジュール410に第1基板11と送電側基板400とを備え、第2モジュール411に第2基板21と受電側基板401とを備えることで、入力信号の送信方向と電力の給電方向とを同一にしているが、これに限定されない。非接触通信システム10は、図13に示すように、第1モジュール410に第1基板11と受電側基板401とを備え、第2モジュール411に第2基板21と送電側基板400とを備えてもよい。これにより、電力の給電方向は、入力信号の送信方向とは逆方向とすることができる。
なお、入力信号の送信方向は、実施形態1で説明したように、第2基板21から第1基板11へ入力信号を送信してもよい。その結果、入力信号の送信方向と、給電方向との組み合わせは、合計4パターン存在し、これらパターンは、本発明の技術的思想の範囲内である。
また、本実施形態では、非接触通信システム10は、磁気共鳴方式により非接触給電を行うとしたが、これに限定されない。非接触通信システム10は、電磁誘導方式により非接触給電を行ってもよい。
また、本実施形態において、実施形態1と同様に、第1コイル12は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第1基板11に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。また、第2コイル22は、ガラスエポキシなどの樹脂やセラミックからなる第2基板21に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。また、送電コイル60は、樹脂やセラミックからなる送電側基板400に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。また、受電コイル70は、樹脂やセラミックからなる受電側基板401に立体的に金属箔(例えば銅箔)にて形成された形成回路部品(MID)であってもよい。
なお、本実施形態の給電機能は、実施形態2の非接触通信システム10に適用されてもよい。
(まとめ)
以上説明したように、実施形態1〜3における非接触通信システム10は、第1コイル12と、第1コイル12との電磁結合により第1コイルとの間で信号を送受信する第2コイル22と、周波数特性補償回路40とを備える。周波数特性補償回路40は、高周波信号を増幅する高域補償回路100、低周波信号を増幅する低域補償回路200、および高周波信号と低周波信号の双方を増幅する帯域補償回路300のうち少なくとも1つの回路を有する。周波数特性補償回路40は、第1コイル12と第2コイル22との間における信号の通過帯域幅を信号の占有帯域幅よりも広くするように通過特性を補正する。
この構成によると、非接触通信システム10は、信号の変調を必要とすることなく、第1コイル12と第2コイル22と間での信号の伝送を行うことができる。例えば周波数特性補償回路40として低域補償回路200を用いることで、第1コイル12と第2コイルとの間における通過域よりも低い周波数帯域における挿入損失を補償することができる。また、周波数特性補償回路40として高域補償回路100を用いることで、第1コイル12と第2コイルとの間における通過域よりも高い周波数帯域における挿入損失を補償することができる。また、周波数特性補償回路40として帯域補償回路300を用いることで、第1コイル12と第2コイルとの間における通過域よりも低い周波数帯域、および高い周波数帯域の双方における挿入損失を補償することができる。
また、互いに近接して対向するコイルの電磁結合により信号(デジタル信号)の伝達を行う場合、広い周波数帯域が必要とされている。低周波側で必要とされる周波数帯域は、伝送される信号の最長ビット幅(符号化方式)および低周波側の信号の通過を阻止する低周波フィルタの段数に依存している。例えば、振幅変動を20%まで許容でき、低周波フィルタが1次のフィルタ特性を有する場合、低周波フィルタの時定数の約1/5以下になるように最長ビット幅を設定する必要、つまり符号化方式を選択する必要がある。伝送される信号を8B10Bで符号化し、伝送レートを1Gbpsとした場合、最長で5ビット連続するため、低周波側では約6MHz以下の周波数帯域が必要となる。また、高周波側で必要とされる周波数帯域は、レシーバ(受信回路)のフィルタ特性に関係する。一般にレシーバには、従来、ビットレートの0.75倍のカットオフ周波数を有する4次のベッセルトムソンフィルタ特性が用いられている。そのため、信号の伝送には、最低でも伝送レートの0.75倍の周波数帯域が必要となる。例えば、伝送レートが1Gbpsである場合には、750MHzの周波数帯域が必要となる。したがって、伝送レートが1Gbpsであり、信号の符号化方式を8B10Bとした場合、信号の伝送に必要な周波数帯域の幅(通過帯域幅)は、約6MHz〜750MHzの広い周波数帯域幅が必要となる。
そこで、実施形態1〜実施形態3における非接触通信システム10は、周波数特性補償回路40により、信号の通過帯域幅を信号の占有帯域幅より広くするので、伝送に必要な広い周波数帯域幅を確保することができる。
ここで、高域補償回路100は、1つの第1フィルタ100Aまたは直列接続された複数の第1フィルタ(例えば第1フィルタ100A,100B)を含む。1または複数の第1フィルタ(例えば第1フィルタ100A)は、増幅回路(例えば増幅回路111)と、高周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される高域通過フィルタ(例えば高域通過フィルタ112)とを含む(図3B参照)。また、低域補償回路200は、1つの第2フィルタ200Aまたは直列接続された複数の第2フィルタ(例えば第2フィルタ200A,200B)を含む。1または複数の第2フィルタ(例えば第2フィルタ200A)は、増幅回路(例えば増幅回路211)と、低周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される低域通過フィルタ(例えば低域通過フィルタ212)とを含む(図3C参照)。また、帯域補償回路300は、1つの第3フィルタ300Aまたは直列接続された複数の第3フィルタ(例えば第3フィルタ300A,300B)を含む。1または複数の第3フィルタ(例えば第3フィルタ300A)は、増幅回路(例えば増幅回路311)と、当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される帯域阻止フィルタ(例えば帯域阻止フィルタ312)とを含む(図9参照)。帯域阻止フィルタは、高周波信号および低周波信号を通過させるフィルタである。この構成によると、非接触通信システム10は、1または複数のアンプを接続することによる利得の飽和を防ぐことができる。
ここで、複数の第1フィルタ100A,100Bでのカットオフ周波数は、互いに異なる。複数の第2フィルタ200A,200Bでのカットオフ周波数は、互いに異なる。複数の第3フィルタ300A,300Bでのカットオフ周波数は、互いに異なる。この構成によると、非接触通信システム10は、互いに異なるカットオフ周波数を用いることで、信号の通過帯域幅を信号の占有帯域幅より広くすることができる。
ここで、信号がデジタル信号である場合には、周波数特性補償回路40は、第1コイル12から第2コイル22までの通過域の上限周波数をデジタル信号の基本周波数より大きくするように構成されている。この構成によると、非接触通信システム10は、信号の変調を必要とすることなく、第1コイル12と第2コイル22と間でのデジタル信号の伝送を行うことができる。
ここで、信号がアナログ信号である場合には、周波数特性補償回路40は、第1コイル12から第2コイル22までの通過帯域幅をアナログ信号の帯域幅よりも大きくするように構成されている。この構成によると、非接触通信システム10は、信号の変調を必要とすることなく、第1コイル12と第2コイル22と間でのアナログ信号の伝送を行うことができる。
ここで、第1コイル12が設けられた第1基板11および第2コイル22が設けられた第2基板21は、同一軸を中心として回転可能に構成されている。第1基板11は、第1開口部17を有し、第2基板21は、第2開口部27を有している。第1コイル12は、第1開口部17の周囲に設けられ、第2コイル22は、第2開口部27の周囲に設けられている。第1開口部17と第2開口部27との双方に、軸51a(回転軸)が挿入されている。この構成によると、非接触通信システム10は、軸51aを中心として回転する場合であっても、信号の変調を必要とすることなく、第1コイル12と第2コイル22と間での信号の伝送を行うことができる。
ここで、第1コイル12および第2コイル22のそれぞれは、1ターン以上の渦巻き型形状である。この構成によると、非接触通信システム10は、第1コイル12および第2コイル22の回転角が変化した場合であっても、信号の伝送の品質を劣化させることなく信号伝送を行うことができる。
ここで、第1コイル12および第2コイル22のうち少なくとも一方のコイルは、基板(第1基板11または第2基板21)の表層に設けられている。例えば、第1コイル12が第1基板11の表層(第1の層11a)または内層に設けられている場合には、一対の引出線13,14は、第2コイル22(他方のコイル)が設けられた第2基板21と対向する面とは反対面(第2の層11b)に設けられている。また、第2コイル22が第2基板21の表層(第1の層21a)または内層に設けられている場合には、一対の引出線23,24は、第1コイル12(他方のコイル)が設けられた第1基板11と対向する面とは反対面(第2の層21b)に設けられている。そして、一対の引出線13,14(23,24)には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子18(28)が設けられている。この構成によると、非接触通信システム10は、第1コイル12と第2コイル22とにおいて、信号伝送に必要な距離を保ったまま、他の素子を接続させることができる。
ここで、第1コイル12および第2コイル22のうち少なくとも一方のコイルは、フレキシブル基板に設けられている。例えば、第1コイル12がフレキシブル基板に設けられている場合には、第1コイル12の両端と電気的に接続される一対の引出線13,14は、当該フレキシブル基板に設けられている。また、第2コイル22がレキシブル基板に設けられている場合には、第2コイル22の両端と電気的に接続される一対の引出線23,24は、当該フレキシブル基板に設けられている。そして、一対の引出線13,14(23,24)には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子18(28)が設けられている。この構成によると、非接触通信システム10は、第1コイル12と第2コイル22とにおいて、信号伝送に必要な距離を保ったまま、他の素子を接続させることができる。
ここで、非接触通信システム10が備える一対の給電コイル間(送電コイル60と受電コイル70との間)を通過する給電信号のピーク電力の周波数が、第1コイル12と第2コイル22との間を通過する信号のピーク電力の周波数よりも小さい。この構成によると、非接触通信システム10は、給電信号と、第1コイル12と第2コイル22との間で伝送される信号との相互干渉を防ぐことができる。
ここで、上述した一対の給電コイルによる給電の給電方式は、磁気共鳴方式である。この構成によると、非接触通信システム10は、給電信号の占有帯域幅を狭くすることができるので、給電信号と、第1コイル12と第2コイル22との間で伝送される信号との相互干渉を防ぐことができる。
ここで、非接触通信システム10が備える一対の給電コイル(送電コイル60と受電コイル70)による給電方法は、第1コイル12と第2コイル22との間での信号の送信方向とは逆である(図13参照)。この構成によると、非接触通信システム10は、信号を受信する側から信号を送信する側に電力を供給することができる。したがって、非接触通信システム10は、カメラなどの高速信号を出力するデバイスに用いることができる。
10 非接触通信システム
11 第1基板
11a,21a 第1の層(表層)
12 第1コイル
13,14,23,24 引出線
17 第1開口部
18,28 素子
21 第2基板
22 第2コイル
27 第2開口部
40 周波数特性補償回路
51a 軸(回転軸)
60 送電コイル
70 受電コイル
100 高域補償回路
100A,100B 第1フィルタ
111,113,211,213,311,313 増幅回路
112,114 高域通過フィルタ
200 低域補償回路
200A,200B 第2フィルタ
212,214 低域通過フィルタ
300 帯域補償回路
300A,300B 第3フィルタ
312,314 帯域阻止フィルタ
410 第1モジュール
411 第2モジュール

Claims (12)

  1. 第1コイルと、
    前記第1コイルとの電磁結合により前記第1コイルとの間で信号を送受信する第2コイルと、
    前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも1つのコイルに電気的に接続され、前記第1コイルと前記第2コイルとの間における前記信号の通過特性を補正する周波数特性補償回路とを備え、
    前記周波数特性補償回路は、高周波信号を増幅する高域補償回路、低周波信号を増幅する低域補償回路、および高周波信号と低周波信号の双方を増幅する帯域補償回路のうち少なくとも1つの回路を有し、前記第1コイルと前記第2コイルとの間における前記信号の通過帯域幅を前記信号の占有帯域幅よりも広くするように前記通過特性を補正する
    ことを特徴とする非接触通信システム。
  2. 前記高域補償回路は、増幅回路と、高周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される高域通過フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第1フィルタを含み、
    前記低域補償回路は、増幅回路と、低周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される低域通過フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第2フィルタを含み、
    前記帯域補償回路は、増幅回路と、高周波信号および低周波信号を通過させ当該増幅回路の後段または前段と電気的に接続される帯域阻止フィルタとを含む1または直列に接続された複数の第3フィルタを含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の非接触通信システム。
  3. 前記複数の第1フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なり、
    前記複数の第2フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なり、
    前記複数の第3フィルタでのカットオフ周波数は、互いに異なる
    ことを特徴とする請求項2に記載の非接触通信システム。
  4. 前記信号は、デジタル信号であり、
    前記周波数特性補償回路は、前記第1コイルから前記第2コイルまでの通過域の上限周波数を前記デジタル信号の基本周波数より大きくするように構成されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  5. 前記信号は、アナログ信号であり、
    前記周波数特性補償回路は、前記第1コイルから前記第2コイルまでの通過帯域幅を前記アナログ信号の帯域幅よりも大きくするように構成されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  6. 前記第1コイルが設けられた第1基板および前記第2コイルが設けられた第2基板は、同一軸を中心として回転可能に構成されており、
    前記第1基板は、第1開口部を有し、前記第2基板は、第2開口部を有し、
    前記第1コイルは、前記第1開口部の周囲に設けられ、前記第2コイルは、前記第2開口部の周囲に設けられ、
    前記第1開口部と前記第2開口部との双方に、回転軸が挿入されている
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  7. 前記第1コイルおよび前記第2コイルのそれぞれは、1ターン以上の渦巻き型形状である
    ことを特徴とする請求項6に記載の非接触通信システム。
  8. 前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも一方のコイルは、基板の表層または内層に設けられており、
    前記一方のコイルの両端と電気的に接続される一対の引出線は、他方のコイルが設けられた基板と対向する面とは反対面に設けられており、
    前記一対の引出線には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子が設けられている
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  9. 前記第1コイルおよび前記第2コイルのうち少なくとも一方のコイルは、フレキシブル基板に設けられており、
    前記一方のコイルの両端と電気的に接続される一対の引出線は、当該フレキシブル基板に設けられており、
    前記一対の引出線には、コンデンサ素子、コイル素子および抵抗素子のうち少なくとも1つの素子が設けられている
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  10. 前記第1コイルが設けられた第1基板を含む第1モジュールと、前記第2コイルが設けられた第2基板を含む第2モジュールとの間で非接触給電を行う一対の給電コイルをさらに備え、
    前記一対の給電コイル間を通過する給電信号のピーク電力の周波数が、前記第1コイルと前記第2コイルとの間を通過する前記信号のピーク電力の周波数よりも小さい
    ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
  11. 前記一対の給電コイルによる給電の給電方式は、磁気共鳴方式である
    ことを特徴とする請求項10に記載の非接触通信システム。
  12. 前記第1コイルが設けられた第1基板を含む第1モジュールと、前記第2コイルが設けられた第2基板を含む第2モジュールとの間で非接触給電を行う一対の給電コイルをさらに備え、
    前記第1コイルは、前記信号を送信し、前記第2コイルは前記信号を受信し、
    前記一対の給電コイルによる給電の給電方向は、前記信号の送信方向とは逆方向である
    ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の非接触通信システム。
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