JP5329271B2 - 高周波結合器 - Google Patents

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Description

本発明は、高周波信号の通信に用いられる高周波結合器に関する。
近年、広帯域無線技術をベースとした近接無線転送技術が提案され、今後の普及が期待されている。この近接無線転送技術は、誘導電界を用いたアンテナを介して非接触で通信を行う技術である。この近接無線転送技術は、大容量データを高速かつ短時間で転送することができる技術であって、例えば音楽データや動画データなどといった大容量データの転送に好適である。また、この近接無線転送技術は、通信距離が３ｃｍ以内と想定されており、通信時におけるデータ漏洩の可能性が低いといった利点も有する。
このような近接無線転送技術を実現するアンテナとして、例えば、第１の回路基板の裏面に形成されたグランドと、第１の回路基板の表面に形成され、この第１の回路基板を貫くスルーホールによりグランドに接続された共振部（マイクロストリップライン）と、第１の回路基板の表面側に積層された第２の回路基板の表面に形成され、この第２の回路基板を貫くスルーホールにより共振部に接続された結合用電極とを有し、グランドからみて結合用電極の方向に伝搬方向と平行な向きに振動する電界の縦波を発生させて、この電界の縦波により通信相手側に高周波信号を放出する高周波結合器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００８−２７１６０６号公報（図１９）
特許文献１に提案された高周波結合器で一定の通信品質を確保するためには、第１の回路基板および第２の回路基板によって隔てられるグランドと結合用電極との間に所定の距離を確保する必要があることから、高周波結合器の薄型化が困難である。
本発明は、上記事情に鑑み、一定の通信品質と薄型化の双方を満たす高周波結合器を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成する本発明の高周波結合器は、
回路基板と、
上記回路基板の第１面と第２面との間に、第１面上に延びスルーホールにより第２面に接続し、この第２面上に延びスルーホールで第１面に接続し、再度第１面上に延び、これを繰り返して全体として第１面と第２面とに跨って周回しながら回路基板面に円を描くように一周する、トロイダルコイルとを有し、
上記トロイダルコイルが、上記回路基板上を一周する途中に、上記第１面と上記第２面とに跨る周回方向を反転させている箇所を少なくとも１ヶ所含むことを特徴とする。
尚、本発明にいう「回路基板の第１面と第２面」は、「回路基板の表面と裏面」であってもよく、あるいは「回路基板の表面と内層面」であってもよく、あるいは「回路基板の内層面と裏面」であってもよい。
本発明の高周波結合器によれば、回路基板の第１面と第２面とに跨って周回しながら回路基板面に円を描くように一周するトロイダルコイルによって、その円に沿って磁界を発生させることができる。また、本発明の高周波結合器によれば、トロイダルコイルの周回方向を途中で反転させているため、その磁界の向きが揃えられ、この磁界による、回路基板に対して直交する方向の電界を発生させることができる。その結果、本発明の高周波結合器は、その電界により通信相手側に高周波信号を放出する。このように構成されるトロイダルコイルは、薄型化が容易であるため、本発明の高周波結合器によれば、一定の通信品質を確保した上で、従来の高周波結合器よりも大幅な薄型化が実現される。さらに、本発明の高周波結合器は、従来より知られている基板作成技術によって実現可能なものであるため、個別部品の組立工程を要さず、コストの低減にも寄与する。
ここで、本発明の高周波結合器は、上記トロイダルコイルが、当該高周波結合器を用いた通信に使用される信号の波長の１／２の長さを有し、このトロイダルコイルの全長の１／２の位置で周回方向を反転させていることが好ましい。
このような好ましい形態によれば、トロイダルコイルの開始端および終端における電流が最大となるため好適である。
また、本発明の高周波結合器は、上記回路基板に、この回路基板面に平行に延び、上記トロイダルコイルの一端に接続されたマイクロストリップラインをさらに有することも好ましい形態である。
このようなマイクロストリップラインをさらに有する高周波結合器によれば、マイクロストリップラインの、トロイダルコイルの一端に接続する位置を選択することができ、その位置を、トロイダルコイルに効率良く給電する位置とすることができる。
また、本発明の高周波結合器のうちの上記マイクロストリップラインを備えた高周波結合器は、このマイクロストリップラインが、当該高周波結合器を用いた通信に使用される信号の波長の１／２の長さを有し、上記トロイダルコイルの一端にこのマイクロストリップラインの中点が接続されていることがさらに好ましい。
このような好ましい形態によれば、マイクロストリップラインの中点における電圧が最大となるため、この中点に一端が接続されているトロイダルコイルに効率良く給電することができる。
さらに、本発明の高周波結合器は、上記回路基板に、この回路基板面に平行に延び、上記トロイダルコイルを周回するアンテナ素子を有するという形態も好ましい。
ここで、従来より、放射電磁界を用いた無線アンテナを介して非接触で通信を行う近距離無線技術である、いわゆる「ＲＦＩＤ」（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）と称される技術が知られており、例えば、「ＲＦＩＤ」を利用した電子乗車券や電子マネーなどが実用化されている。
このような好ましい形態におけるアンテナ素子を、例えば「ＲＦＩＤ」の無線アンテナとして用いることにより、例えばトロイダルコイルによる大容量データの授受と、アンテナ素子による課金を、同時に行うことができる。すなわち、このような好ましい形態によれば、異なる技術により実現される非接触通信を同時に行うことができる。
本発明によれば、一定の通信品質と薄型化の双方を満たす高周波結合器が提供される。
本発明の一実施形態である高周波結合器の平面図である。 図１に示す高周波結合器の底面図である。 図１，図２に示す高周波結合器を前面斜め上から見た外観斜視図である。 図３に示すＡ部の拡大斜視図である。 図４に示すＢ部の拡大斜視図である。 図４に示すＢ部の拡大平面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である高周波結合器１の平面図である。また、図２は、図１に示す高周波結合器１の底面図であり、図３は、図１，図２に示す高周波結合器１を前面斜め上から見た外観斜視図である。また、図４は、図３に示すＡ部の拡大斜視図であって、回路基板１００を透視した図である。
図１〜図３に示すように、高周波結合器１は、回路基板１００と、電界型高周波結合器２００と、ループ状アンテナ素子３００とを有する。また、電界型高周波結合器２００は、マイクロストリップライン２１０とトロイダルコイル２２０とを有する。
回路基板１００は、電気絶縁性材料からなるものである。
電界型高周波結合器２００のマイクロストリップライン２１０は、回路基板１００の表面１１０上に延びたものであって、電界型高周波結合器２００を用いた通信に使用される高周波信号の波長の１／２の長さ（例えば１８ｍｍ〜１９ｍｍ）を有する。このマイクロストリップライン２１０の一端２１２は、スルーホール２１１で、回路基板１００の裏面１２０上に形成された給電部２１３に接続されている。また、マイクロストリップライン２１０の中点２１４にトロイダルコイル２２０の一端が接続されている。そして、この中点２１４に接続されるトロイダルコイル２２０の一端は、トロイダルコイル２２０の開始端２２１に相当する。
ここで、回路基板１００の裏面１２０の、少なくとも電界型高周波結合器２００を包含する領域に、平板状導体パターン４００が形成されている。そして、マイクロストリップライン２１０の一端２１２に対する他端２１５は、スルーホール２１１で、グランドとして機能する平板状導体パターン４００に接続されている。
電界型高周波結合器２００がマイクロストリップライン２１０を有することにより、マイクロストリップライン２１０の、トロイダルコイル２２０の開始端２２１に接続する位置を選択することができ、その位置を、トロイダルコイル２２０に効率良く給電する位置とすることができる。本実施形態では、その位置が、マイクロストリップライン２１０の中点２１４とされている。すなわち、その位置が、給電部２１３に接続されたマイクロストリップライン２１０の一端２１２から、電界型高周波結合器２００を用いた通信に使用される高周波信号の波長の１／４の長さだけ離れた位置とされている。そのため、マイクロストリップライン２１０の中点２１４における電圧が最大となり、この中点２１４に開始端２２１が接続されているトロイダルコイル２２０に効率良く給電することができる。
電界型高周波結合器２００のトロイダルコイル２２０は、回路基板１００の表面１１０と裏面１２０とに亘って形成されている。
このトロイダルコイル２２０を、図４〜図６を参照して具体的に説明する。
図５は、図４に示すＢ部の拡大斜視図であって、図４と同様に、回路基板１００を透視した図である。また、図６は、図４に示すＢ部の拡大平面図である。尚、図６には、回路基板１００の裏面１２０上に延びる裏面側導電パターンが波線で示されている。
図５，図６に示すように、トロイダルコイル２２０は、トロイダルコイル２２０の開始端２２１に相当する一端がマイクロストリップライン２１０の中点２１４に接続された、回路基板１００の表面１１０上に延びる表面側導電パターン２２３ａの、その一端に対する他端を、スルーホール２２２により裏面１２０に延びる裏面側導電パターン２２４ａの一端に接続している。そして、トロイダルコイル２２０は、回路基板１００の裏面１２０上に延びるこの裏面側導電パターン２２４ａの一端に対する他端をスルーホール２２２で表面１１０に延びる別の表面側導電パターン２２３ｂの一端に接続している。さらに、トロイダルコイル２２０は、回路基板１００の表面１１０上に延びるこの別の表面側導電パターン２２３ｂの一端に対する他端をスルーホール２２２により裏面１２０に延びるさらに別の裏面側導電パターン２２４ｂの一端に接続している。このような接続を繰り返して、トロイダルコイル２２０全体が、表面１１０と裏面１２０とに跨って周回しながら回路基板１００面に円を描くように一周している。そして、回路基板１００面に円を描くように一周したトロイダルコイル２２０の終端２２５は、スルーホール２２２で、グランドとして機能する平板状導体パターン４００に接続されている。
このトロイダルコイル２２０は、電界型高周波結合器２００を用いた通信に使用される高周波信号の波長の１／２の長さ（例えば１８ｍｍ〜１９ｍｍ）を有する。また、このトロイダルコイル２２０は、回路基板１００上を一周する途中の、トロイダルコイル２２０の全長の１／２の位置２２６で、周回方向を反転させている。
このような電界型高周波結合器２００によれば、回路基板１００の表面１１０と裏面１２０とに跨って周回しながら回路基板１００面に円を描くように一周するトロイダルコイル２２０によって、その円に沿って磁界が発生する。
また、この電界型高周波結合器２００は、トロイダルコイル２２０の全長の１／２の位置２２６で周回方向を反転させている。すなわち、トロイダルコイル２２０の周回方向を反転させている位置が、トロイダルコイル２２０の開始端２２１あるいは終端２２５から、電界型高周波結合器２００を用いた通信に使用される高周波信号の波長の１／４の長さだけ離れた位置とされている。トロイダルコイル２２０を形成する導体の全長が高周波信号の波長の１／２の長さであると、導体内の電流の分布は、トロイダルコイル２２０の開始端２２１あるいは終端２２５から高周波信号の波長の１／４の長さだけ離れた位置に相当する導体全長の１／２の位置２２６を境にして、極性が反転すると考えられる。そのため、トロイダルコイル２２０の開始端２２１および終端２２５における電流が最大となるとともに、この電界型高周波結合器２００のトロイダルコイル２２０によって発生させられる磁界の向きが例えば図６に示す矢印Ｈ１方向に揃えられる。そして、この矢印Ｈ１で示す磁界によって、図３に示す矢印Ｅで示す、回路基板１００に対して直交する方向の電界が発生する。その結果、電界型高周波結合器２００は、その矢印Ｅで示す電界により通信相手側に高周波信号を放出する。
図１〜図３に戻って、高周波結合器１の説明を続ける。
ループ状アンテナ素子３００は、回路基板１００面に平行に延び、電界型高周波結合器２００を周回するように形成されている。このループ状アンテナ素子３００の端部３１０，３２０は、給電部である。このループ状アンテナ素子３００は、いわゆる「ＲＦＩＤ」の無線アンテナとして用いるものであって、図３に示す矢印Ｈ２で示す、回路基板１００に対して直交する方向の磁界が発生する。その結果、ループ状アンテナ素子３００は、その矢印Ｈ２で示す磁界により通信相手側に信号を放出する。
以上説明した本実施形態の高周波結合器１の電界型高周波結合器２００は、回路基板１００とマイクロストリップライン２１０とトロイダルコイル２２０とによって構成されているため、薄型化が容易である。従って、一定の通信品質を確保した上で、従来の高周波結合器よりも大幅な薄型化が実現された高周波結合器が得られる。さらに、本実施形態の高周波結合器１は、電界型高周波結合器２００およびループ状アンテナ素子３００の双方が、従来より知られている基板作成技術によって実現可能なものであるため、コストの低減にも寄与する。
また、本実施形態の高周波結合器１は、ループ状アンテナ素子３００のループの内側に電界型高周波結合器２００を有するため、例えばトロイダルコイル２２０による大容量データの授受と、ループ状アンテナ素子３００による課金などといった、異なる技術により実現される非接触通信を同時に行うことができる。
尚、上述した実施形態では、本発明の高周波結合器が、トロイダルコイルの一端に接続されたマイクロストリップラインを有する例について説明したが、本発明の高周波結合器は、これに限られるものではなく、マイクロストリップラインを有することなく、回路基板とトロイダルコイルとを有する高周波結合器であってもよい。
また、上述した実施形態では、本発明にいう「回路基板の第１面と第２面」が、「回路基板の表面と裏面」である例について説明したが、本発明にいう「回路基板の第１面と第２面」は、これに限られるものではなく、例えば、「回路基板の表面と内層面」であってもよく、あるいは「回路基板の内層面と裏面」であってもよい。
１ 高周波結合器
１００ 回路基板
１１０ 表面（第１面）
１２０ 裏面（第２面）
２００ 電界型高周波結合器
２１０ マイクロストリップライン
２１１ スルーホール
２１４ 中点
２２０ トロイダルコイル
２２１ 開始端（一端）
２２２ スルーホール
２２３ａ，２２３ｂ 表面側導電パターン
２２４ａ，２２４ｂ 裏面側導電パターン
２２６ 位置
３００ ループ状アンテナ素子
４００ 平板状導体パターン

Claims (5)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板の第１面と第２面との間に、第１面上に延びスルーホールにより第２面に接続し、該第２面上に延びスルーホールで第１面に接続し、再度第１面上に延び、これを繰り返して全体として該第１面と該第２面とに跨って周回しながら該回路基板面に円を描くように一周する、トロイダルコイルとを有し、
    前記トロイダルコイルが、前記回路基板上を一周する途中に、前記第１面と前記第２面とに跨る周回方向を反転させている箇所を少なくとも１ヶ所含むことを特徴とする高周波結合器。
  2. 前記トロイダルコイルが、当該高周波結合器を用いた通信に使用される信号の波長の１／２の長さを有し、該トロイダルコイルの全長の１／２の位置で周回方向を反転させていることを特徴とする請求項１記載の高周波結合器。
  3. 前記回路基板に、該回路基板面に平行に延び、前記トロイダルコイルの一端に接続されたマイクロストリップラインをさらに有することを特徴とする請求項１または２記載の高周波結合器。
  4. 前記マイクロストリップラインが、当該高周波結合器を用いた通信に使用される信号の波長の１／２の長さを有し、前記トロイダルコイルの一端に該マイクロストリップラインの中点が接続されていることを特徴とする請求項３記載の高周波結合器。
  5. 前記回路基板に、該回路基板面に平行に延び、前記トロイダルコイルを周回するアンテナ素子を有することを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項記載の高周波結合器。
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