JP4923975B2 - 通信システム並びに通信装置 - Google Patents

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並びに通信装置に係り、特に、情報機器間で静電磁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並びに通信装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、超近距離に配置された情報機器間で静電磁界を利用して高周波通信信号を伝送する通信システム並びに通信装置に係り、特に、各情報機器に搭載された高周波結合器間で効率よく高周波信号を伝達し、超近距離において静電磁界を利用した大容量伝送が可能となる通信システム並びに通信装置に関する。

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。ところが、アンテナを用いた電波通信では、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、アンテナは、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。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。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。

他方、無線通信には、放射電磁界を利用した電波通信以外にも、誘導電磁界や、静電磁界などを利用した通信方式が考えられる。放射電磁界を利用した電波通信は、電界強度は距離に反比例し、距離による電界強度の減衰が比較的小さいことから、高速大容量の微弱無線を実現することは困難である。これに対し、誘導電磁界や静電磁界では電界強度がそれぞれ距離の２乗並びに３乗に反比例することから、超近距離では安定した無線通信を行なうための電界強度を保ちながら同時に無線設備から３メートルの距離での電界強度（電波の強さ）が所定レベル以下となる微弱無線が可能であり、無線局の免許を受ける必要はない。すなわち、誘導電磁界や静電磁界を利用した静電結合による非接触・超近距離通信は微弱無線の実現に適していると言える。

例えば、静電結合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、静電結合作用が生じなければ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磁界の電界強度が距離に反比例するのに対し、誘導電磁界では電界強度が距離の２乗に、静電磁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、静電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。

誘導電磁界や静電磁界を利用したデータ通信技術は、ＲＦＩＤなどにおいて広く利用されてきた。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１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２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３を参照のこと）。

従来の静電結合による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が、高周波信号を静電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られる。具体的には、ＵＷＢ通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式を静電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。

ここで、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）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（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）。また、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。

ＵＷＢ通信は、本来は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るが、本発明では、微弱電界による近距離エリアにおける高速データ伝送を実現する。静電磁界を利用したＵＷＢ通信システムによれば、微弱電界による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り、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）といった、モバイル機器に搭載する有効な無線通信技術の１つになると考えられる。

電波通信ではなく静電結合により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、静電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。

図１６には、高周波結合器を備えた送信機及び受信機で構成される通信システムの構成例を示している。同図において、送信機１０及び受信機２０は、平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並列インダクタ１３、２３を高周波信号伝送路に接続して構成される。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。

送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信用の電極１４及び２４は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、静電結合が可能である。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。

図１６に示したように、送受信機それぞれの高周波結合器を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とから、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、ＵＷＢのようにＧＨｚ帯の高周波を使った通信では、結合部においてインピーダンスが不整合であると、信号が反射することにより伝搬ロスが生じてしまい、効率が低下する。静電結合による伝送路を好適に形成するには、送受信機の高周波結合器間において、十分なインピーダンス整合がとられている必要がある。

また、静電結合を利用した通信方式には距離減衰が大きいという問題がある。波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬ロスが生じることから、静電結合により高周波信号を伝搬する際には、電極間距離による伝搬ロス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（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ので、ユーザの使い勝手がよくない。

静電結合する結合用電極同士を十分近づけるには、結合用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ない。互いの通信機器のどの部分に電極が配置され、どの箇所を接触させればよいのか、あるいはどのような角度で電極部位同士を向き合わせれば最適な通信状況になるのか、ユーザにとっては分かり難いことが多く、このため最大の通信速度を得られない可能性がある。

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、高周波数の広帯域信号を用いるＵＷＢ通信方式により情報機器間で大容量のデータ通信を行なうことができる、優れた通信システム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、超近距離に配置された各情報機器において、互いの高周波結合器間で効率よく高周波信号を伝達して静電磁界を利用した大容量伝送が可能となる、優れた通信システム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、静電結合する送受信機の電極間の位置合わせを容易にするとともに適切な電極間の位置を保持して効率よくデータ伝送を行なうことができる、優れた通信システム及び通信装置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と静電結合して該高周波結合器から出力される高周波信号を受け取るための１以上の送信機側高周波結合器と、該受信した高周波信号を伝送する信号線と、前記受信機側の高周波結合器と静電結合して前記信号線を伝送した高周波信号を出力するための１以上の受信機側高周波結合器を備えた結合装置と、
を具備することを特徴とする通信システムである。

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）。

本発明に係る通信システムは、データを伝送するＵＷＢなどの高周波信号を生成する送信機と、ＵＷＢ信号を受信処理する受信機間を、送受信機がそれぞれ持つ高周波結合器で静電結合させてＵＷＢ信号を伝送するように構成されている。静電磁界は距離の３乗に反比例して減衰することから、無線局の免許が不要な微弱無線が可能であるとともに、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。また、ＵＷＢ通信であることから、超近距離の大容量通信が可能であり、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。

無線ＬＡＮに代表されるアンテナを用いた電波通信方式の場合、高周波広帯域信号による大容量、超近距離の微弱無線通信を実現することは困難であり、他の通信システムとの干渉の問題がある。これに対し、静電磁界を利用した通信システムは、通信相手が近くに存在しないときには、高周波結合器で結合関係が生じない。すなわち、未使用となる高周波結合器から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。従来の静電結合による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ったが、本発明者らは、高周波信号を静電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。

高周波回路では、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬ロスが生じることから、ＵＷＢなどの高周波信号を伝送させるときには、伝搬ロスを十分に低く抑えこむ必要がある。これに対し、本発明に係る通信システムでは、前記送信機及び受信機の高周波結合器が結合部分におけるインピーダンスの整合をとるように協働的に作用して、結合器間における反射波を抑制して伝搬ロスを低減するようにしている。

また、静電結合を利用した通信方式には距離減衰が大きいという問題がある。波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬ロスが生じることから、静電結合により高周波信号を伝搬する際には、電極間距離に応じて発生する伝搬ロス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て微妙な位置合わせを行なう必要がある。機器のどの部分に電極が配置され、どの箇所を接触させればよいのか、あるいはどのような角度で電極部位同士を向き合わせれば最適な通信状況になるのか、ユーザにとっては分かり難いことが多く、このため最大の通信速度を得られない可能性がある。

そこで、本発明に係る通信システムでは、複数の高周波結合器をアレイ状に配置した結合装置を採用している。具体的には、結合装置は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、同軸ケーブルなどで構成される信号線を格子状に配置し、信号線の各交点に高周波結合器を配置する。

電波通信の場合、複数の送信アンテナを並列して設けると、送信電力は各アンテナに分散してしまい個々のアンテナの出力は低下することから、通信に寄与しないアンテナは送信電力を徒に浪費してしまう。これに対し、静電結合による通信方式においては、他の高周波結合器と結合関係にあるもののみが高周波信号の伝達を行ない、その他の高周波結合器は開放端となる。すなわち、通信相手と静電結合した高周波結合器のみが負荷として作用し、複数の高周波結合器をアレイ状に並べても、通信相手側の高周波結合器と静電結合しない高周波結合器は送信電力を浪費するという問題はない。

複数の高周波結合器をアレイ状に並べて構成した結合装置を、１つの無線機用の高周波結合器として利用することもできるが、通信を行なう２台以上の無線機間に介在する結合装置すなわち「通信シート」として利用することもできる。後者の場合、一方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器において受け取った高周波信号を信号線経由で伝搬し、他方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器から高周波信号を放出する。したがって、通信シートは、結合関係にある高周波結合器のみが存在し、その他の高周波結合器をとり除いた回路と等価となる。

通信シートの結合用電極と外部の無線機の結合用電極が近距離にあるときのみ、高周波信号が供給され、対抗する結合用電極との間で電力のやり取りを行なうことができる。逆に言えば、外部の結合用の電極が遠方にあるとき、通信シート内の信号や電力はシートの外に出ることがないので、不要な電磁波を放射して外部の機器に影響を与えたり情報が漏洩したりすることがない。

通信シート上の結合用電極のうち、通信に関与していないものからの放射がなく、必要な結合用電極のみに効率的に信号や電力を伝達することができる。すなわち、外部から通信シート電源を加えなくても、通信シート上の任意の位置において、１対１の伝送線路で接続されているときと同様の電力レベルの信号を伝達することができる。

ここで、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定すると、通信シート内のどの経路を伝達した信号も、通信相手と静電結合した高周波結合器では同じ位相で観測されることになるため、互いの信号を強め合い、効率的に通信を行なうことができる。逆に、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定していないと、通信相手と静電結合した高周波結合器に異なる経路で到来した信号同士の位相が揃わないことから、干渉により信号を弱め合ってしまう。

通信シート内のいかなる経路を通った信号であっても結合用電極に同じ位相で入力されると、通信シート内で異なる経路で伝搬される高周波信号同士で干渉して信号レベルが強くなったり弱くなったりすることなくなるので、安定した通信を行なうことができる。

使用周波数帯として３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンド（前述）を想定した場合、波長の長さは７５ｍｍ程度となるから、信号線を直線状に形成して交点毎に高周波結合器を配置すると、通信シート上における高周波結合器の密度が高くならない。このような場合、通信シート上では通信品質が不均一となり、あるいは無線機側の高周波結合器を通信シート上で位置合わせを行なう必要が生じる。そこで、各交点をつなぐ信号線を折り曲げて高周波結合器の間隔を小さくするようにしてもよい。

通信シートは、例えば、プリント基板として実装することができる。例えば、プリント基板上にマイクロストリップ線路からなる信号線を敷設し、信号線の各交点に高周波結合器部品を搭載すればよい。

あるいは、高周波結合器までを含めて、通信シートを多層基板で実装することもできる。このような多層基板は、例えば、結合用電極となる第１の導体層と、マイクロストリップ線路からなる信号線が敷設されるとともに各交点に集中定数回路又は分布定数回路からなるインピーダンス整合部や共振部を接続してなる第２の導体層と、グランドとなる第３の導体層が、それぞれ誘電体層を介して積層された多層構造をなす。そして、信号線を構成する導体層では、信号線の交点毎に、集中定数回路としての並列インダクタあるいは分布定数回路としてのスタブが接続される。前記インピーダンス整合部は、上下層となる各誘電体層を貫挿するスルーホールを介して結合用電極及びグランドにそれぞれ接続されている。

また、このような多層基板の内層の信号線の交点に同軸ケーブルを接続して、高周波結合器を介さずに有線で高周波信号の入出力を行なうように構成してもよい。

また、多層基板材として柔軟性のある素材を用いることで、テーブル・クロスのようなものに２次元通信機能を持たせた通信シートを製作することができる。

このような通信シート上の任意の場所に、高周波結合器を備えた無線機を置くことで通信シートを介して効率良く、外部の機器に影響を与えず、秘匿性の高い通信を簡便に行なうことができる。また、高周波結合器で受信した高周波信号を整流して電力を取り出すことにより、通信シート上の任意の場所に置かれた電気機器に非接触で電力を伝送することができる。

本発明によれば、高周波数の広帯域信号を用いるＵＷＢ通信方式により情報機器間で大容量のデータ通信を行なうことができる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、超近距離に配置された各情報機器において、互いの結合器間で効率よく高周波信号を伝達して静電磁界を利用した大容量伝送が可能となる、優れた通信システム並びに通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、静電結合する送受信機の電極間の位置合わせを容易にするとともに適切な電極間の位置を保持して効率よくデータ伝送を行なうことができる、優れた通信システム及び通信装置を提供することができる。

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、静電磁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。静電結合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。

アンテナを用いた従来の電波通信では放射電磁界の電界強度が距離に反比例するのに対し、誘導電磁界では電界強度が距離の２乗に、静電磁界では電界強度が距離の３乗に反比例して減衰する。したがって、静電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。

また、従来の静電結合による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が、高周波信号を静電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られる。具体的には、ＵＷＢ通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式を静電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。静電磁界を利用したＵＷＢ通信システムでは、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。

高周波結合器を備えた送信機及び受信機で構成される通信システムの基本的構成は、図１６に示した通りである。静電結合による伝送路を好適に形成するには、送受信機の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。

高周波結合器におけるインピーダンス整合部や共振部（並列インダクタ並びに直列インダクタに相当）を集中定数回路、あるいは分布定数回路で構成することができる。

図１には、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路で構成した高周波結合器をプリント基板上に実装したときの回路配置例を示している。図示の例では、下面にグランド導体１０２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１０１に、高周波結合器が配設されている。高周波結合器は、プリント基板上の信号線パターン１０４の先端において、金属線１０７を介して結合用電極１０８を配設するとともに、並列インダクタ部品１１０を並列的に接続し、この並列インダクタ１１０の他端をプリント基板１０１内のスルーホール１０６を介してグランド導体１０２に接続して構成される。信号線パターン１０４は、結合用電極１０８への入射波並びに結合用電極１０８からの反射波（但し、結合用電極が開放端となる場合）の伝送路となる。

また、図２Ａには、インピーダンス整合部や共振部を分布定数回路で構成した高周波結合器をプリント基板上に実装したときの回路配置例を示している。図示の例では、下面にグランド導体１０２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１０１に、高周波結合器が配設されている。高周波結合器は、集中定数回路としての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の導体パターンすなわちスタブ１０３が形成され、信号線パターン１０４を介して送受信回路モジュール１０５と結線している。スタブ１０３は、先端においてプリント基板１０１を貫挿するスルーホール１０６を介して下面のグランド１０２に接続してショートされ、また、スタブ１０３の中央付近において金属線１０７を介して結合用電極１０８に接続されている。信号線パターン１０４は、結合用電極への入射波並びに結合用電極からの反射波（但し、結合用電極が開放端となる場合）の伝送路となる。

スタブ１０３の長さは高周波信号の２分の１波長程度とし、信号線１０４とスタブ１０３はプリント基板１０１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。スタブ１０３の長さが２分の１波長で先端がショートしているとき、スタブ１０３内に発生する定在波の電圧振幅はスタブの先端で０となり、スタブの中央、すなわちスタブ１０３の先端から４分の１波長のところで最大となる（図２Ｂを参照のこと）。電圧振幅が最大となるスタブ１０３の中央に結合用電極１０８を金属線１０７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。

分布定数回路を構成するスタブ１０３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、製造時の交差による寸法の誤差は全体の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。

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。

一般的に、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いる。図１に示したようにインピーダンス整合部並びに共振部を集中定数回路で構成した場合、高周波結合器の動作周波数は、並列インダクタ及び直列インダクタの定数により動作周波数が決定され、狭帯域でしか動作が有効でない。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、図２Ａに示したようにインピーダンス整合部をスタブ１０３すなわちプリント基板１０１上の導体パターンからなる分布定数回路で構成することにより、広い帯域にわたって均一な特性を得ることができることから、ＤＳＳＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ：直接シーケンス・スペクトラム拡散）やＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）変調といった広帯域信号に周波数拡散する変調方式を適用することが可能になる。スタブ１０３は、プリント基板１０１上の導体パターンであり、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ロスを小さくすることができる。

但し、以下の説明では、特に言及しない限り、高周波結合器は、図１に示した集中定数回路構成、並びに図２Ａに示した分布定数回路構成のいずれも適用することができると理解されたい。

続いて、高周波結合器間の静電結合作用について説明する。

高周波結合器は、２つの高周波結合器の結合用電極が向かい合わせに置かれるとき、通信を行なう周波数において結合用電極が静電結合して高周波信号を伝搬する。また、１つの高周波結合器が単独に置かれ、他の高周波結合器と結合関係にないとき、通信を行なう周波数において入力した高周波信号は外に放射されることなく反射して戻るように設計されている。

高周波結合器に接続される信号線の長さを適当に調節することで（例えば、信号線の長さが２分の１波長の整数倍であること）、高周波結合器が結合関係にないときの反射波と入射波の位相が入出力端において一致するように合わせることができる。このとき、信号線の入出力端から高周波結合器をみると、入力信号がほぼ同じ振幅、同じ位相で反射されるように観測されるため、高周波結合器は開放端と同じ状態になると言える。

図３には１つの高周波結合器が単独に置かれている状態を、図４には２つの高周波結合器の結合用電極が向かい合わせに置かれる状態を、それぞれ模式的に示している。

図３に示した状態では、結合関係にない高周波結合器に入力された信号（入射波）と、高周波結合器で反射された信号（反射波）は、入出力端において同じ振幅、同じ位相になっているから、高周波結合器は開放端と等価である。これに対し、図４に示した状態では、高周波結合器が他の高周波結合器と結合関係にあり、入力した高周波信号は外に放射されるため、反射波は存在せず、もう一方の高周波結合器側において通過波が観測される。

ここで、静電結合を利用した通信方式では、結合用電極同士で静電結合を生じさせるには、結合用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ない。機器のどの部分に結合用電極が配置され、どの箇所を接触させればよいのか、あるいはどのような角度で電極部位同士を向き合わせれば最適な通信状況になるのか、ユーザにとっては分かり難いことが多く、このため最大の通信速度を得られない可能性がある。

この種の問題に対する解決方法として、複数の高周波結合器をアレイ状に配置するという構成が考えられる。電波通信の場合、複数の送信アンテナを並列して設けると、送信電力は各アンテナに分散してしまい個々のアンテナの出力は低下することから、通信に寄与しないアンテナは送信電力を徒に浪費してしまう。これに対し、静電結合による通信方式においては、他の高周波結合器と結合関係にあるもののみが高周波信号の伝達を行ない、その他の高周波結合器は開放端となる。すなわち、複数の高周波結合器をアレイ状に並べても、通信相手と静電結合した高周波結合器のみが負荷として作用し、通信相手側の高周波結合器と静電結合しない高周波結合器は送信電力を浪費するという問題はない。ちなみに、個々の高周波結合器が図２に示したように広帯域化したときには、高周波結合器をアレイ状に配置して複数の高周波結合器を同時に用いても、広帯域のまま有効に動作することができる。

図５には、複数の高周波結合器をアレイ状に配置した様子を模式的に示している。図示の例では、格子状に配置した信号線の各交点に高周波結合器が配設されている。信号線はマイクロストリップ線路、コプレーナ線路、同軸ケーブルなどで構成される。

このような高周波結合器群からなる結合装置を、図示の例では、アレイ状の高周波結合器群がシート上に配設された「通信シート」と呼ばれる通信装置として使用することができる。この通信シートは、２台の無線機１及び２間に介在し、一方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器において受け取った高周波信号を信号線経由で伝搬し、他方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器から高周波信号を放出する。

図５に示す通信シート上において、それぞれ無線機１の高周波結合器１、無線機２の高周波結合器２を近接させ結合関係を持たせた場合、通信シート上の高周波結合器のうち、無線機側の高周波結合器と結合関係にないものは、通信を行なう周波数において実質的に開放端とみなすことができる。したがって、図６のように、通信シート上には、結合関係にある高周波結合器のみが存在し、その他の高周波結合器を取り除いた回路と等価となる。

無線機１の高周波結合器から入力された高周波信号は通信シート内を、（１）、（２）、（３）、あるいはそれ以外の任意の経路を通って高周波結合器２に達し、無線機２によって受信される。ここで、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定すると、通信シート内のどの経路を伝達した信号も高周波結合器２では同じ位相で観測されることになるため、互いの信号を強め合い、効率的に通信を行なうことができる。逆に、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定していないと、異なる経路で同じ高周波結合器２に到来した信号同士の位相が揃わないことから、干渉により信号を弱め合ってしまう。

ここで、図５若しくは図６に示したように信号線の格子が正方形に並んだ通信シートでは、通信シート上の任意の高周波結合器から別の任意の高周波結合器にいたる信号の位相が同じになるようにするには、各交点の間隔が必ずしも波長の正の整数倍である必要はなく、２分の１波長の正の整数倍でも良い。しかし、通信シートの各交点の間隔が２分の１波長の正の整数倍に設定すると、隣り合う任意の複数の高周波結合器で通信相手側の高周波結合器と静電結合したときには、それぞれの高周波結合器からは高周波信号は互いに逆位相の信号として出力されることになり、信号が干渉して弱め合ってしまう。

例えば、図５に示したように無線機２の高周波結合器２が通信シート上のどれか１つの高周波結合器だけと結合関係にあるのではなく、図７に示すように隣り合った複数の高周波結合器、例えば高周波結合器Ａと高周波結合器Ｂから等しい距離に無線機２側の高周波結合器２が置かれ、高周波結合器Ａ、高周波結合器Ｂとの間で等しく結合する場合には、無線機１から受け取った高周波信号を信号線経由で伝送した後に高周波結合器Ａ及び高周波結合器Ｂからそれぞれ出力される。このとき、これらの出力信号は位相が揃わないため互いに打ち消して弱め合うことから、無線機１と無線機２間で通信を行なうことができない。

これに対し、通信シートの信号線の各交点の間隔は２分の１波長の正の整数倍ではなく波長の正の整数倍に設定した場合には、図７に示したように隣り合った高周波結合器Ａと高周波結合器Ｂから等しい距離に無線機２側の高周波結合器２が置かれ、高周波結合器Ａ、高周波結合器Ｂとの間で等しく結合したときであっても、無線機１から受け取った高周波信号を信号線経由で伝送した後に高周波結合器Ａ及び高周波結合器Ｂからそれぞれ出力する際に、各出力信号の位相が揃うことから互いに強め合うことができる。よって、通信シートの信号線の各交点の間隔は２分の１波長の正の整数倍ではなく波長の正の整数倍であることが望ましい。

通信シートは、格子状に配置した信号線の各交点に高周波結合器を配設することによって構成されるが、格子の形状は、図５〜図７に示したように正方形若しくは四角形に限定されるものではない。例えば、図８に示すように信号線からなる格子の形状を正３角形とし、同様に各交点に高周波結合器を配設することによって通信シートを構成することができる。

図８に示すように通信シートが構成される場合も、２台の無線機１及び２間に介在し、一方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器において受け取った高周波信号を信号線経由で伝搬し、他方の無線機の高周波結合器と静電結合した結合器から高周波信号を放出する。

図８に示すように通信シート上において、それぞれ無線機１の高周波結合器１、無線機２の高周波結合器２を近接させ結合関係を持たせた場合、通信シート上の高周波結合器のうち、無線機側の高周波結合器と結合関係にないものは、通信を行なう周波数において実質的に開放端とみなすことができる。したがって、図９のように、通信シート上には、結合関係にある高周波結合器のみが存在し、その他の高周波結合器を取り除いた回路と等価となる。

無線機１の高周波結合器から入力された高周波信号は通信シート内を、（１）、（２）、（３）、あるいはそれ以外の任意の経路を通って高周波結合器２に達し、無線機２によって受信される。ここで、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定すると、通信シート内のどの経路を伝達した信号も高周波結合器２では同じ位相で観測されることになるため、互いの信号を強め合い、効率的に通信を行なうことができる。逆に、信号線の各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定していないと、異なる経路で同じ高周波結合器２に到来した信号同士の位相が揃わないことから、干渉により信号を弱め合ってしまう。

図５〜図７、並びに図８に示した通信シートの構成例を含め、格子状に敷設した信号線の各交点に高周波結合器を配置する場合、各交点の間隔を波長の正の整数倍に設定することによって、効率的に通信を行なうことができる。ここで、使用周波数帯として３．１〜４．９ＧＨｚのＵＷＢローバンド（前述）を想定した場合、波長の長さは７５ｍｍ程度となるから、信号線を直線状に形成すると、通信シート上に配置する高周波結合器の密度が高くならない。すなわち、通信シート上で高周波結合器間の間隔が十分に小さくないと、通信シート上の位置毎に通信品質が不均一となり、あるいは無線機側の高周波結合器を通信シート上で位置合わせを行なう必要が生じる。

そこで、通信シート上の高周波結合器の間隔を小さくし、通信シート上でより均一な通信を実現するために、図１０に示すように各交点をつなぐ信号線を折り曲げて構成してもよい。但し、この場合も、異なる経路で同じ高周波結合器２に到来した信号同士の位相をそろえるために、各交点間の信号線の長さは通信に用いる信号の波長の正の整数倍とする。

また、アレイ状の高周波結合器群からなる結合装置は、図５に示すように無線機間に介在する信号伝送路ではなく、図１１に示すように１つの無線機の高周波結合器として適用することもできる。図１１に示す例では、無線機１から通信シート内の信号線の交点に直接別の信号線が接続されており、通信シート内と有線で高周波信号を入出力する。

また、通信シートの１つの構成方法として、図１２に示すように、通信シートの信号線の格子をプリント基板のマイクロストリップ線路で構成し、それらの各交点に高周波結合器を接続するようにしても良い。高周波結合器を基板に搭載する回路部品として構成し、リフロー半田などの工程を介して信号線の格子毎に接続するようにしてもよい。

また、信号線だけではなく、図１３Ａに示すように、高周波結合器までを含めて多層基板で構成しても良い。このとき、信号線の格子は多層基板の内層に構成される。

図１３Ｂには、集中定数回路で構成される高周波結合器を含めて多層基板で構成される通信シートの組み立て構造を示している。

図示の通信シートは、結合用電極となる導体層と、マイクロストリップ線路からなる信号線が敷設された導体層と、グランドとなる導体層という３層からなる導体層が、それぞれ誘電体層を介して積層されている。信号線を構成する導体層では、信号線の交点毎に並列インダクタが接続され、この並列インダクタの各端部は誘電体層を貫挿するスルーホールを介して結合用電極及びグランドにそれぞれ接続されている。

信号線の交点から並列インダクタを接続する信号線路の長さを２分の１波長の整数倍とすることにより、結合用電極が開放端として作用する際には、反射波と入射波の位相が入出力端において一致するように合わせることができる。

誘電体層を高い誘電率の素材で構成することにより、波長短縮効果によって、信号線の各交点の間隔をより短くすることができる。

また、図１３Ｃには、分布定数回路で構成される高周波結合器を含めて多層基板で構成される通信シートの組み立て構造を示している。

図示の通信シートは、結合用電極となる導体層と、マイクロストリップ線路からなる信号線が敷設された導体層と、グランドとなる導体層という３層からなる導体層が、それぞれ誘電体層を介して積層されている。信号線を構成する導体層では、信号線の交点毎にスタブが接続されている。このスタブの長さは高周波信号の２分の１波長程度とし、定在波の電圧振幅が最大となる先端から４分の１波長のところで誘電体を貫挿するスルーホールを介して結合用電極に接続するとともに、スタブの先端部分で誘電体を貫挿するスルーホールを介してグランドに接続している。

信号線の交点からスタブを接続する信号線路の長さを２分の１波長の整数倍とすることにより、結合用電極が開放端として作用する際には、反射波と入射波の位相が入出力端において一致するように合わせることができる。

誘電体層を高い誘電率の素材で構成することにより、波長短縮効果によって、信号線の各交点の間隔をより短くすることができる。

また、図１４に示すように、図１３に示した多層基板で構成した通信シートの内層の信号線の交点に同軸ケーブルを接続して、高周波結合器を介さずに有線で直接通信シートへの高周波信号の入出力を行なうように構成しても良い。

また、図１５に示すように、多層基板材として柔軟性のある素材を用いることで、テーブル・クロスのようなものに２次元通信機能を持たせた通信シートを製作することができる。

図１２〜図１５に示したような通信シート上の任意の場所に、高周波結合器を備えた無線機を置くことで通信シートを介して効率良く、外部の機器に影響を与えず、秘匿性の高い通信を簡便に行なうことができる。また、高周波結合器で受信した高周波信号を整流して電力を取り出すことにより、通信シート上の任意の場所に置かれた電気機器に非接触で電力を伝送することができる。

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信号を静電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静電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。

図１は、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路で構成した高周波結合器をプリント基板上に実装したときの回路配置例を示した図である。 図２Ａは、インピーダンス整合部や共振部を分布定数回路で構成した高周波結合器をプリント基板上に実装したときの回路配置例を示した図である。 図２Ｂは、図２Ａに示した高周波結合器のスタブ１０３上の定在波の分布を示した図である。 図３は、１つの高周波結合器が単独に置かれている状態を模式的に示した図である。 図４は、２つの高周波結合器の結合用電極が向かい合わせに置かれる状態を模式的に示した図である。 図５は、複数の高周波結合器をアレイ状に配置した様子を模式的に示した図である。 図６は、図５に示した通信シートにおいて、それぞれ無線機１の高周波結合器１、無線機２の高周波結合器２を近接させ結合関係を持たせた場合の等価回路を模式的に示した図である。 図７は、図５に示した通信シートにおいて、隣り合った高周波結合器Ａと高周波結合器Ｂから等しい距離に無線機２側の高周波結合器２が置かれている様子を示した図である。 図８は、信号線からなる格子の形状を正３角形とした場合の通信シートの構成を模式的に示した図である。 図９は、図８に示した通信シートにおいて、それぞれ無線機１の高周波結合器１、無線機２の高周波結合器２を近接させ結合関係を持たせた場合の等価回路を模式的に示した図である。 図１０は、各交点をつなぐ信号線を折り曲げて構成した通信シートの構成例を模式的に示した図である。 図１１は、通信シートを１つの無線機の高周波結合器として適用した例を示した図である。 図１２は、通信シートの信号線の格子をプリント基板のマイクロストリップ線路で構成し、それらの各交点に高周波結合器を接続した様子を示した図である。 図１３Ａは、高周波結合器までを含めて多層基板で構成した通信シートを示した図である。 図１３Ｂは、集中定数回路で構成される高周波結合器を含めて多層基板で構成される通信シートの組み立て構造を示した図である。 図１３Ｃは、分布定数回路で構成される高周波結合器を含めて多層基板で構成される通信シートの組み立て構造を示した図である。 図１４は、図１３に示した多層基板で構成した通信シートの内層の信号線の交点に同軸ケーブルを接続した構成例を示した図である。 図１５は、多層基板材として柔軟性のある素材を用いて構成した通信シートを示した図である。 図１６は、高周波結合器を備えた送信機及び受信機で構成される通信システムの構成例を示した図である。

符号の説明

１０１…プリント基板
１０２…グランド
１０３…スタブ
１０４…信号線
１０５…送受信回路
１０６…スルーホール
１０７…金属線
１０８…結合用電極
１１０…並列インダクタ

Claims (16)

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と静電結合して該高周波結合器から出力される高周波信号を受け取るための１以上の送信機側高周波結合器と、該受信した高周波信号を伝送する信号線と、前記受信機側の高周波結合器と静電結合して前記信号線を伝送した高周波信号を出力するための１以上の受信機側高周波結合器を備えた結合装置と、
   を具備し、
   前記結合装置内には前記信号線が格子状に敷設され、前記複数の送信機側及び受信機側の高周波結合器は前記信号線の交点に配設され、前記信号線の各交点の間隔は使用波長の正の整数倍の長さを持つ、
   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. 前記結合装置内に設けられた複数の高周波結合器のうち、前記送信機又は受信機側の高周波結合器と静電結合したもののみが負荷として作用し、その他の高周波結合器は開放端として作用する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
4. 各交点をつなぐ信号線を折り曲げて、高周波結合器の間隔を短縮した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
5. 前記結合装置は、プリント基板と、該プリント基板のマイクロストリップ線路で構成された信号線と、該信号線の各交点に接続された高周波結合器を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
6. 前記結合装置は、結合用電極となる第１の導体層と、マイクロストリップ線路からなる信号線が敷設された第２の導体層と、グランドとなる第３の導体層がそれぞれ誘電体層を介して積層され、前記第２の導体層では、信号線の交点毎に各交点に集中定数回路又は分布定数回路からなる共振部が接続され、前記共振部において前記の各誘電体層を貫挿するスルーホールを介して結合用電極及びグランドにそれぞれ接続された多層基板からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
7. 前記多層基板の内層の信号線の交点に同軸ケーブルを接続して、高周波結合器を介さずに有線で高周波信号の入出力を行なう、
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 前記多層基板は、柔軟性のある素材を用いて構成される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
9. 各交点の間隔は使用波長の正の整数倍の長さを持つように格子状に敷設された信号線と、前記信号線の各交点に配設された複数の高周波結合器を備え、
   前記の各高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための、集中定数回路又は分布定数回路からなる共振部を備える、
   ことを特徴とする通信装置。
10. 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９に記載の通信装置。
11. 前記複数の高周波結合器のうち、通信相手となる無線機側の高周波結合器と静電結合したもののみが負荷として作用し、その他の高周波結合器は開放端として作用する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
12. 各交点をつなぐ信号線を折り曲げて、高周波結合器の間隔を短縮した、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
13. プリント基板と、該プリント基板のマイクロストリップ線路で構成された信号線と、該信号線の各交点に接続された高周波結合器を備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
14. 結合用電極となる第１の導体層と、マイクロストリップ線路からなる信号線が敷設された第２の導体層と、グランドとなる第３の導体層がそれぞれ誘電体層を介して積層され、前記第２の導体層では、信号線の交点毎に各交点に集中定数回路又は分布定数回路からなる共振部が接続され、前記共振部において前記の各誘電体層を貫挿するスルーホールを介して結合用電極及びグランドにそれぞれ接続された多層基板からなる、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
15. 前記多層基板の内層の信号線の交点に同軸ケーブルを接続して、高周波結合器を介さずに有線で高周波信号の入出力を行なう、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の通信装置。
16. 前記多層基板は、柔軟性のある素材を用いて構成される、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の通信装置。