JP2021048502A - 近接非接触型の通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】一対の結合器の相対的な位置誤差に対する出力低下を抑えることができる近距離非接触型の通信システムを提供する。【解決手段】通信システム２は、一対の通信器１０、２０を備えている。それぞれの通信器は、誘電体１１（２１）を挟んで対向している接地板１５（２５）と結合器１４（２４）を備えている。一対の通信器１０、２０は、互いの結合器１４、２４が電磁界的に結合する距離で対向するように配置されている。接地板１５（２５）と結合器１４（２４）に挟まれている誘電体１１（２１）は、結合器１４（２４）に対向している第１誘電部１２（２２）と、接地板１５（２５）と誘電体１１（２１）の積層方向からみて第１誘電部１２（２２）を囲んでいるとともに第１誘電部１２（２２）よりも誘電率が高い第２誘電部１３（２３）を備えている。【選択図】図１

Description

本明細書は、電磁界的な結合を利用して近距離非接触で通信する通信システムに関する。

特許文献１、２に、電磁界的な結合を利用して近距離非接触で通信する一対の通信器を含む通信システム（近距離非接触型の通信システム）が開示されている。一対の通信器は、いずれも、誘電体を挟んで対向している接地板と結合器（coupler）を備えている。一対の通信器は、互いの結合器が電磁界的に結合する距離で対向するように配置されている。一方の通信器の結合器に所定の周波数の電流（あるいはパルス電流）を流すと、電磁界的な結合によって他方の通信器の結合器に電流が生じる。その結果、信号を送信／受信することができる。そのような通信システムは、高速通信が可能である。また、そのような通信システムは消費電力が小さい。

特開２００７−０４９４２２号公報 特開２０１４−０３３４３２号公報

特許文献１、２の通信システムは、小さい電力で通信が可能であるが、その反面、一対の通信器の結合器の相対的な位置誤差（ミスアラインメント）に対して出力が敏感に変化する。別言すれば、特許文献１、２の通信システムは、一対の結合器の相対的な位置誤差に対する出力低下が大きい。ここで、一対の結合器の相対的な位置誤差とは、結合器と接地板の積層方向に対して直交する面内の位置誤差（ミスアラインメント）を意味する。本明細書は、一対の結合器の相対的な位置誤差に対する受信側の結合器の出力低下を抑えることができる近距離非接触型の通信システムを提供する。

本明細書が開示する通信システムは、一対の通信器を備えている。それぞれの通信器は、誘電体を挟んで対向している接地板と結合器を備えている。一対の通信器は、互いの結合器が電磁界的に結合する距離で対向するように配置されている。接地板と結合器に挟まれている誘電体は、結合器に対向している第１誘電部と、接地板と誘電体の積層方向からみて第１誘電部を囲んでいるとともに第１誘電部よりも誘電率が高い第２誘電部を備えている。

一対の結合器の相対的な位置誤差に対して受信側の結合器の出力低下が大きいことの一因は、送信側の通信器（結合器）から受信側の通信器（結合器）へ伝播する電気エネルギが小さいことである。従って、位置誤差に対する出力低下を抑えるには、送信側の通信器（結合器）から受信側の通信器（結合器）へ伝播する電気エネルギを増大させればよい。以下に説明するように、誘電率が低い第１誘電部と誘電率が高い第２誘電部を備えることで、送信側の結合器の背後（接地板側）に拡散する電気エネルギを減らすことができ、その結果、送信側の通信器（結合器）から受信側の通信器（結合器）へ伝播する電気エネルギを増大させることができる。

送信側の通信器の結合器に流れる電流変化に起因して放出される電気エネルギは、結合器の背後の接地板と受信側の通信器の結合器に分配される。接地板の側に向かう電気エネルギは、結合器と接地板の間の容量に対して正の相関を有している。すなわち、結合器と接地板の間の容量が小さいほど、接地板の側に向かう電気エネルギが小さくなる。すなわち、結合器と接地板の間の容量が小さいほど、受信側の通信器の結合器に向かう電気エネルギが大きくなる。従って、接地板と結合器の間の誘電体の誘電率は低い方が望ましい。

一方、結合器と接地板の広い範囲で誘電率が低いと電気エネルギが拡散してしまう。そこで、本明細書が開示する通信システムでは、結合器と接地板で挟まれている誘電体を第１誘電部と第２誘電部で構成する。第１誘電部は、結合器に対向しているとともに、第２誘電部の誘電率よりも低い誘電率を有している。第２誘電部は、誘電体と接地板の積層方向からみて第１誘電部を囲んでいるとともに第１誘電部の誘電率よりも高い誘電率を有している。結合器と接地板の間の誘電体において、結合器と対向する部位には誘電率の低い第１誘電部を配置し、結合器から接地板へ向かう電気エネルギを小さくする。また、積層方向からみて結合器を囲む部位には誘電率の高い第２誘電部を配置し、接地板へ向かう電気エネルギの拡散を抑える。第１誘電部の効果と第２誘電部の相乗効果により、結合器の背後に拡散する電気エネルギが減り、かわりに受信側の通信器の結合器へ向かう電気エネルギが増大する。受信側の通信器の結合器へ向かう電気エネルギが増大するので、送信側の通信器の結合器と受信側の通信器の結合器の相対的な位置誤差に対する出力（受信側の結合器の出力）の低下が抑制される。

誘電率の低い第１誘電部の典型は、空気である。一方、結合器に対向する第１誘電部が空気である場合、第１誘電部で結合器を支持することができない。それゆえ、結合器は第２誘電部に支持されているとよい。

受信側の通信器へ向かう電気エネルギが最も効果的に増大するのは、第１誘電部と第２誘電部の境界が積層方向からみて結合器の輪郭と一致している場合である。

結合器は、典型的にはマイクロストリップ線であってよい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の通信システムの斜視図である。 実施例の通信システムの断面図である。 第１変形例の通信器の斜視図である。 図４（Ａ）は、第２変形例の通信器（結合器を除く）の平面図である。図４（Ｂ）は、第２変形例の通信器の結合器の平面図である。 第３変形例の通信器の平面図である。

（実施例）図面を参照して実施例の通信システム２を説明する。図１に、通信システム２の斜視図を示す。通信システム２は、一対の通信器１０、２０で構成されている。説明の都合上、通信器１０を第１通信器１０と称し、通信器２０を第２通信器２０と称する場合がある。通信器１０、２０は、絶縁層を挟んで対向しているが、図１では、理解を助けるために、第１通信器１０と第２通信器２０を離間して描いてある。また、図１の一点鎖線ＣＬの右側と左側で、座標系の向きが異なることに留意されたい。一点鎖線ＣＬより右側の図は、左側の図の座標系をＹ軸周りに９０度反時計周りに回転させた座標系を採用して描いてある。別言すれば、通信器１０、２０は、それぞれの結合器１４、２４同士が対向するよう配置される。

図２に、通信システム２の断面図を示す。図２は、図１の座標系においてＸＺ平面に平行な平面であって結合器１４、２４を横断する平面で通信システム２をカットした断面を示している。先に述べたように、第１通信器１０と第２通信器２０は、絶縁層３０を挟んで対向している。また、第１通信器１０の結合器１４と第２通信器２０の結合器２４が対向する。

第１通信器１０について説明する。第１通信器１０は、接地板１５と、誘電体１１と、結合器１４を備えている。接地板１５と結合器１４が誘電体１１を挟んでいる。図１、図２では、通信すべき信号を生成する回路（信号処理回路）の図示は省略している。接地板１５は回路のグランド電位を保持される。

誘電体１１は、ガラスエポキシの基板であり、一方の面の全体に、蒸着やエッチング等で導電パターンが形成されている。その導電パターンが接地板１５に相当する。他方の面には、線状の導電パターンが形成されている。その線状の導電パターンが結合器１４に相当する。結合器１４には一対のリード線１６が接続されており、リード線１６を通じて結合器１４に電気信号が送られる。一対のリード線１６の一方が不図示の信号処理回路に接続され、他方は接地板１５に接続される。結合器１４とリード線１６は、誘電体１１に支持されている。一対のリード線１６も、ガラスエポキシの基板の表面に形成された導電パターンである。導体パターンは、典型的には銅で形成されている。

結合器１４と裏面の接地板１５は、単純な導電パターンであるが、結合器１４の横幅Ｗ、縦幅、誘電体１１の誘電率、誘電体１１の厚みＤ、相手の結合器２４との間のギャップＧなどは、相手の通信器２０との間で所定の周波数で通信が可能なように定められている。結合器１４と裏面の接地板１５とリード線１６は、誘電体１１であるガラスエポキシの基板の両面に蒸着やエッチング等で形成された単純な導電パターンであるが、上記の寸法を適宜に選定することで、マイクロストリップアンテナとして機能する。すなわち、結合器１４は、マイクロストリップ線である。マイクロストリップ線間の電磁界的な結合による通信は、ギガｂｐｓ（bit per second）レベルの高速通信が可能となる。

リード線１６を介して結合器１４に接続されている信号処理回路（不図示）は、相手の通信器２０に送りたい信号を生成するとともに、相手の通信器２０から送られた信号を復号化する回路である。周波数分割複信方式、時分割複信方式、あるいは、エコーキャンセラ方式などのプロトコルを採用することで、第１通信器１０と第２通信器２０の間で同時双方向通信を行うことができる。

誘電体１１は、結合器１４に対向している第１誘電部１２と、誘電体１１と接地板１５の積層方向（図中のＺ方向）からみて第１誘電部１２を囲んでいる第２誘電部１３に分かれている。第１誘電部１２の誘電率は、第２誘電部１３の誘電率よりも低い。図１では、理解を助けるために、第１誘電部１２をグレーで示してある。実施例の通信器１０では、結合器１４は、接地板１５と誘電体１１の積層方向（図中の座標系のＺ方向）からみたときに第１誘電部１２と第２誘電部１３の境界の内側に位置するように配置されている。

第２通信器２０は、第１通信器１０と同じ構造を有している。第２通信器２０の結合器２４、リード線２６、接地板２５、誘電体２１（第１誘電部２２、第２誘電部２３）は、それぞれ、第１通信器１０の結合器１４、リード線１６、接地板１５、誘電体１１（第１誘電部１２、第２誘電部１３）と同じ構造を有している。

図２に示すように、第１通信器１０（結合器１４）と第２通信器２０（結合器２４）は、絶縁層３０を挟んで対向している。そして、結合器１４、２４はマイクロストリップ線であり、第１通信器１０と第２通信器２０は、マイクロストリップアンテナである。結合器１４と結合器２４の間のギャップＧは、結合器１４、２４が、電磁界的に結合する距離に設定されており、第１通信器１０の結合器１４と第２通信器２０の結合器２４の一方に流れた電気信号に起因して他方の結合器に電流が流れ、電気信号が伝わる。第１通信器１０と第２通信器２０は、近距離非接触型の通信システム２を構成する。

誘電体１１（２１）が結合器１４（２４）に対向する第１誘電部１２（２２）と、第１誘電部１２（２２）を囲んでいる第２誘電部１３（２３）に分かれていることの利点を説明する。

送信側の通信器の結合器に流れる電流変化に起因して放出される電気エネルギは、結合器の背後の接地板と受信側の通信器の結合器に分配される。接地板の側に向かう電気エネルギは、結合器と接地板の間の容量に対して正の相関を有している。すなわち、結合器と接地板の間の容量が小さいほど、接地板の側に向かう電気エネルギが小さくなる。すなわち、結合器と接地板の間の容量が小さいほど、受信側の通信器の結合器に向かう電気エネルギが大きくなる。従って、接地板と結合器の間の誘電体の誘電率が低いほど、相手の結合器に伝わる電気エネルギが増大する。

一方、結合器と接地板の広い範囲で誘電率が低いと電気エネルギが拡散してしまう。そこで、実施例の通信システム２では、結合器と接地板で挟まれている誘電体を第１誘電部と第２誘電部で構成する。第１誘電部は、結合器に対向しているとともに、第２誘電部の誘電率よりも低い誘電率を有している。第２誘電部は、誘電体と接地板の積層方向からみて第１誘電部を囲んでいるとともに第１誘電部の誘電率よりも高い誘電率を有している。結合器と接地板の間の誘電体において、結合器と対向する部位には誘電率の低い第１誘電部を配置し、結合器から接地板へ向かう電気エネルギを小さくする。また、積層方向からみて結合器を囲む部位には誘電率の高い第２誘電部を配置し、接地板へ向かう電気エネルギの拡散を抑える。第１誘電部の効果と第２誘電部の相乗効果により、結合器の背後に拡散する電気エネルギが減り、かわりに受信側の通信器の結合器へ向かう電気エネルギが増大する。受信側の通信器の結合器へ向かう電気エネルギが増大するので、送信側の通信器の結合器と受信側の通信器の結合器の相対的な位置誤差に対する出力（受信側の結合器の出力）の低下が抑制される。

（第１変形例）図３に、第１変形例の通信器１０ａの斜視図を示す。第１変形例の通信器１０ａでは、第１誘電部１２ａが空気である。別言すれば、通信器１０ａは、接地板１５と結合器１４の間に挟まれている誘電体１１ａを有しており、誘電体１１ａは、結合器１４と対向する位置に貫通孔１７有している第２誘電部１３ａで構成される。貫通孔１７には空気が満たされており、その空気で満たされた領域が第１誘電部１２ａに相当する。

第２誘電部１３ａの誘電率は、空気（すなわち、第１誘電部１２ａ）の誘電率よりも高い。第１変形例の通信器１０ａも、実施例の通信器１０、２０と同じ利点を有する。第１誘電部１２ａが空気なので、リード線１６は、第２誘電部１３ａに支持されている。なお、貫通孔１７に、発泡スチロールなどの多孔質体を充填し、誘電率は空気とほぼ等しく、かつ、リード線１６を支持可能な構造としてもよい。

（第２変形例）図４に第２変形例の通信器１０ｂを示す。図４（Ａ）は、通信器１０ｂの平面図である。ただし、図４（Ａ）では、結合器１４ｂは除いてある。図４（Ｂ）に、結合器１４ｂの平面図を示す。通信器１０ｂの誘電体１１ｂは、第１誘電部１２ｂと、接地板と誘電体１１ｂの積層方向（図中のＺ方向）からみて第１誘電部１２ｂを囲んでいる第２誘電部１３ｂで構成されている。第１誘電部１２ｂの横幅Ｗ１は結合器１４ｂの横幅Ｗ２に等しく、第１誘電部１２ｂの縦幅Ｈ１は、結合器１４ｂの縦幅Ｈ２に等しい。通信器１０ｂでは、結合器１４ｂは、その輪郭が、積層方向からみて第１誘電部１２ｂと第２誘電部１３ｂの境界に一致するように配置される。第１誘電部１２ｂと第２誘電部１３ｂの境界と、結合器１４ｂの輪郭が一致しているとき、最も効率よく相手の通信器（結合器）に電気エネルギが伝達される。

（第３変形例）図５に第３変形例の通信器１０ｃの平面図を示す。通信器１０ｃは、接地板（図の紙面奥側）と結合器１４に挟まれている誘電体１１ｃを備えている。誘電体１１ｃは、第１誘電部１２ｃと、接地板と誘電体１１ｃの積層方向（図中のＺ方向）からみて第１誘電部１２ｃを囲んでいる第２誘電部１３ｃを備えている。第１誘電部１２ｃは、結合器１４に対向している。ただし、積層方向からみて第１誘電部１２ｃの大部分が結合器１４と重なるが、第１誘電部１２ｃの一部は結合器１４と重なっていない。実施例の通信システム２には若干劣るが、第１誘電部１２ｃの一部が結合器１４と重なっていない第３変形例の通信器１０ｃであっても、実施例の通信システム２と同様の効果が得られる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。送信側の結合器へ流す電気信号の生成方法、および、受信側の結合器に生じた電気信号の復号の方法については従来の技術を利用すればよいので、それらの説明は割愛する。また、通信器は、第１誘電部に対向するように２個の結合器を備えており、２個の結合器に互いに逆相となる電気信号を供給してもよい。その場合、受信側の通信器にも、送信側の通信器の２個の結合器の夫々に対向する２個の結合器が備えられている。

通信器は、複数の結合器を備えていてもよい。例えば、それぞれの通信器は、平行に延びている２個の結合器を備えている。平行に延びている結合器は、互いに逆方向に電流が流れるように結線されている。そのような結合器を用いることで、相手の通信器の結合器に誘起される電流が増幅される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：通信システム
１０：第１通信器
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：通信器
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、２１：誘電体
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２：第１誘電部
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、２３：第２誘電部
１４、１４ｂ、２４：結合器
１５、２５：接地板
１６、２６：リード線
１７：貫通孔
２０：第２通信器
３０：絶縁層

Claims (5)

1. 一対の通信器であって夫々が誘電体を挟んで対向している接地板と結合器を備えている前記一対の通信器を備えている近接非接触型の通信システムであり、
   前記一対の通信器は、互いの前記結合器が電磁界的に結合する距離で対向するように配置されており、
   前記誘電体は、前記結合器と対向している第１誘電部と、前記誘電体と前記接地板の積層方向からみて前記第１誘電部を囲んでいるとともに前記第１誘電部よりも誘電率が高い第２誘電部を備えている、通信システム。
2. 前記第１誘電部は空気である、請求項１に記載の通信システム。
3. 前記結合器は前記第２誘電部に支持されている、請求項２に記載の通信システム。
4. 前記積層方向からみて前記第１誘電部と前記第２誘電部の境界が前記結合器の輪郭と一致している、請求項１または２に記載の通信システム。
5. 前記結合器は、マイクロストリップ線である、請求項１から４のいずれか１項に記載の通信システム。

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