JP5649472B2 - 多方向通信特性を有する通信カプラ - Google Patents

Description

本発明は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ
伝送を行なう通信カプラ並びに通信装置に係り、特に、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ
通信において複数方向に通信可能である通信カプラ並びに通信装置に関する。

近年、近距離高速無線通信技術として、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）のローバンド（４ＧＨｚ帯）を用いたＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ（登録商標）と呼ばれる微弱ＵＷＢ通信方式（例えば、非特許文献１を参照のこと）が用いられ始めている。

微弱ＵＷＢ通信方式には、特許文献１、特許文献２などに記載されるような通信カプラが用いられ、例えば図１に示すような形態をとる。

特許文献２によると、図１に示した通信カプラ１は次に示す要素で構成される。

（１）高周波信号の伝送路２
（２）伝送路２の一端に接続され、電荷を蓄える結合用電極３
（３）結合用電極３に対向して、高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間して配置され、結合用電極３に蓄えられた電荷に対する鏡像電荷を蓄えるグランド板４
（４）結合用電極３と伝送路２の間に接続された直列インダクタ、及び伝送路２とグランド板４の間に接続された並列インダクタから構成される、伝送路を介して結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部５

さらに、特許文献２には、通信カプラに要求されることとして以下の記載がある。

（１）電界で結合するための結合用電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための並列インダクタがあること。
（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、直列・並列インダクタ、及び、結合用電極によるコンデンサの定数が設定されていること。

上記要求に従って設計された通信カプラは、通信の際に以下の動作を示す。

電流として伝送路２に送られた高周波信号は、伝送路２→共振部５→結合用電極３と伝送され、結合用電極３に電荷が蓄えられる。この時、グランド板４に鏡像電荷が蓄えられる。

この結果、結合用電極３に蓄えられた電荷の中心とグランド板４に蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小電気ダイポールＰが図２のように形成される。この微小電気ダイポールＰからその垂直方向に誘導電界Ｅが発生する。

上記状態となった２つの通信カプラ１を誘導電界Ｅの発生した向きに近接させると、通信カプラ間で電界結合が起こり、通信が行われる。

その他、通信カプラの原理、特性の詳細については特許文献１を参照されたい。

ところで、図１に示した通信カプラ１は、図２に示す通り、誘導電界Ｅを微小電気ダイポールＰの垂直方向のみに発生させるため、通信可能な方向は１方向のみとなっている。
また、通信を行うために必要な誘導電界Ｅを発生させるためには、結合用電極３、共振部５等の設計上の関係で、通信カプラ１の大きさは一定以上の面積となってしまう。

図１に示した通信カプラ１を通信装置等に組込む際、図３に示す２通りの設置方法が考えられるが、通信カプラ１の面積以上の設置スペースが必要となっている。
図３（ａ）に示す設置方法は薄型携帯電話に代表される薄型の通信装置に適用できるが、図４に示す通信方向に対応できず、図３（ｂ）に示す設置方法は通信カプラの面積が災いして、薄型通信装置への適用は困難である。

具体例を挙げると、薄型通信装置の筐体上面に赤外線などの送受信装置を設け、図５に示した方法で通信を行うことがあるが、高速、大容量通信を特徴とする高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信を同様の方法で行おうとしても、送受信装置となる通信カプラ１では設置スペースの確保が困難であるため、対応できないでいる。
図３（ａ）に示す方法で設置することも可能であるが、図５に示した方法で通信を行えず、必ずしも使用者が求める通信方向になるとは限らない。

すなわち、現在の通信カプラ１では通信機器の厚みなどによって設置方法に制限があると、通信方向を選択する余地がなくなり、通信機器の使い勝手に影響してしまうという問題がある。

通信カプラ１の低面積化が困難である以上、この問題の解決策として、従来の通信カプラの構造を大きく変えないまま、図６に示すように誘導電界Ｅを複数方向に発する通信カプラ７を作成することが挙げられる。

特開２００８−２７１６０６ 特許第４３４５８５１号

ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｆｅｒｊｅｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ

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通信カプラで、複数方向に誘導電界が発生する、すなわち複数方向に通信が可能であり、薄型電子機器への組込みなど設置方法に制限がある場合でも所望する通信方向を得られる通信カプラを提供することにある。

本発明者等は、通信カプラに複数の微小電気ダイポールを発生させることが複数方向での通信に必要であることに着目し、結合用電極と共振部の形状と共振部を工夫することで、複数方向に微小電気ダイポール、すなわち誘導電界が発生し、複数方向での通信が可能な通信カプラを発明するに至った。

すなわち、本発明によれば、以下の通信カプラが提供される。

・高周波信号の通信に用いられる通信カプラであって、前記高周波信号の伝送路が接続され、微小電気ダイポールを形成するように配置された第１の電極平面を有する結合用電極及びグランドと、該結合用電極に流れ込む電流を大きくしてより強い電界を発生させるための共振部とを具備するとともに、該結合用電極の先端部を折り曲げて第２の電極平面を形成し、該第２の電極平面の端縁が該共振部に近接することにより、２方向に誘導電界が形成されることを特徴とする通信カプラ。

本発明の通信カプラは、以下の顕著な効果が期待できる。
（１）２方向に誘導電界が発生し、２方向で通信が可能になる。
（２）通信部の面積を小さくすることができ、薄型通信装置への組込が容易になる。

従来の通信カプラを示す模式図である。 図１の通信カプラに微小電気ダイポールと誘導電界が形成された状態を示す模式図である。 図１の通信カプラを通信装置に組込んだ時の模式図である。 薄型通信装置から通信用誘導電界が発生した模式図である。 薄型電子装置間で通信を行っている模式図である。 通信カプラから複数方向に誘導電界が発生した状態の模式図である。 本発明の通信カプラの模式図である。 本発明に使用する結合用電極の一例である。 本発明に用いる共振部の一例である。 本発明に用いるプリント基板の一例である。 本発明の通信カプラの（ａ）組立例、（ｂ）実施例、である。 本発明の通信カプラの結合強度の測定方向を現す図である。 本発明の通信カプラの結合強度測定結果である。 本発明の通信カプラのゲイン測定結果である。 本発明の通信カプラを薄型電子機器に組込んだ模式図である。

以下、本発明の通信カプラの態様について、結合用電極と共振部の形状に重点を置いて説明する。

図７に本発明の通信カプラ７の模式図を示す。本発明における特徴は、第１の電極平面３ａを有する結合用電極３の先端部を折り曲げて第２の電極平面３ｂを形成し、第２の電極平面３ｂの端縁を共振部５に近接させたことである。微小電気ダイポールＰは結合用電極３を構成する平面に垂直な向きに形成される。結合用電極３の形状を変更して２つの電極平面３ａ、３ｂを形成することによって、２つの微小電気ダイポールＰを形成でき、２方向への通信が可能となる。

２方向に通信を行う結合用電極３は、図８に示されるように第１の電極平面３ａと、第１の電極平面３ａの先端部分を折り曲げることで形成される、第２の電極平面３ｂと、第１の電極平面３ａと共振部５を接続する脚３ｃで構成される。

２方向への通信を行うために、第２の電極平面３ｂを共振部５に近接させると通信カプラ７のキャパシタ成分が増大する。特許文献１に記載されているように、通信カプラ間で通信を行うには、使用する周波数帯におけるインピーダンス整合が重要となる。キャパシタンス成分の増大はインピーダンス整合を阻害する要因となる。

このインピーダンス整合の問題を解決するために、本発明では共振部５の構造を以下の通りとした。
（１）直列インダクタ、並列インダクタを使用せず、導電パターンのみで共振部を構成する。
（２）導電パターンの面積を調整することで、インピーダンス整合を図る。

導電パターンの面積調整は、面積を大きくすることがインピーダンス整合に有効である。キャパシタンス成分の増大による所定のインピーダンス値からのずれを、導電パターンの面積拡大に伴うリアクタンス成分の増加によって補正し、インピーダンスを整合させる。

具体的な共振部５の形状は、図９に示すような、インピーダンス調整部５ａと称する長方形の導電パターンの上辺から直線状に、下辺から１回折り返したコの字上に導電パターンを延ばすことで形成した、略５の字形の形状とするのが好ましいことが判明した。
このインピーダンス調整部５ａの面積を大きくし、適切な面積に調整することでインピーダンスを整合させる。またコの字状に延ばした導電パターンの先端部には伝送路２が接続される給電点Ｓとなる。

また、この共振部５を略５の字形の形状にすることは、導電パターンの総面積を抑えてインピーダンス調整が可能であるため、通信カプラの小型化が行える点、及び結合用電極３の形状変更によって形成される微小電気ダイポールＰから発生する誘導電界Ｅをより強いものとし、安定した通信を行う点でも有効である。

グランド板４はコスト、製造時の作業性等を考慮すると、共振部５と共に導電パターンとしてプリント基板８に形成することが好ましい。
プリント基板８は多層構造とし、共振部５は結合用電極３に近接させるためプリント基板８の最表面に形成し、グランド板４は結合用電極３に対向して、高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間して配置される必要があるため、プリント基板８の内層に形成するのが好ましい。

通信カプラ７の機能上、結合用電極３とグランド板４は、共振部５を介して電気的に導通している必要がある。このためグランド板４に短絡部４ａを設けて共振部５と導通させる。また、後述するように伝送路２として同軸電線を使用する際には、グランド板４に伝送路接続部４ｂを設け、プリント基板８の表面に露出させても良い。

短絡部４ａと伝送路接続部４ｂは同じグランド板４上に設けても良いし、場合によってはグランド板４を複数設けて、それぞれに設けても良い。

好ましくは、グランド板４から結合用電極３の第１の電極平面３ａまでの間隔が２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲にあることが望ましい。この範囲は、通信カプラの薄型化と強い誘導電界が両立できる範囲である。

さらに好ましくはプリント基板の幅を９ｍｍ以上３０ｍｍ以下、長さを１４ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることが望ましい。この範囲は、通信カプラの小型化と強い誘導電界が両立できる範囲である。

また、結合用電極３と共振部５の間に誘電体９を挟持させても良い。
通信カプラ７は結合用電極３とグランド板４の間でコンデンサを形成しているため、誘電体９を挟持させることで電気容量が大きくなり、より強い誘導電界を得ることができる。

本発明の通信カプラ７に最適な誘電体９を検討したところ、誘電体９をＰＣＡＢＳ製とするのが好ましいことが判明した。

伝送路２は、内部導体、誘電体、外部導体、絶縁被覆材から構成される同軸電線を使用することが好ましい。

以下に、図７で示した２方向に誘導電界を形成する通信カプラ７の具体例を示す。

結合用電極３は錫メッキを施して厚さ０．３ｍｍとした黄銅平板を板金加工することで形成し、図８に示すような第１の電極平面３ａと、第１の結合用電極の先端部分をＬ字状に折り曲げることで形成される、第２の電極平面３ｂと、第２の電極平面３ｂに対向する位置に存在し、第１の結合用電極と共振部を接続する脚３ａを有する形状とした。

第１の電極平面３ａは、幅９ｍｍ×長さ６．５ｍｍで、脚３ｃが形成される部分に幅３ｍｍ×長さ３ｍｍの切り欠けがある略凹字型形状とした。第２の電極平面３ｂは幅９ｍｍ×長さ１．５ｍｍの長方形形状とした。脚３ｃは幅１．５ｍｍ×高さ１．５ｍｍとし、その先端には共振部５との接続部分となる幅１．５ｍｍ×長さ１ｍｍの平面を形成した。

共振部５とグランド板４は多層プリント基板８に形成した。プリント基板８の表面に共振部５となる導電パターンを形成し、プリント基板８の内層にグランド板４を形成した。グランド板４には短絡部４ａと伝送路接続部４ｂとを設け、短絡部４ａは共振部５に接続されており、伝送路接続部４ｂはプリント基板８の表面に露出している。
プリント基板８の大きさは。幅１０ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ１ｍｍとし、表面から０．５ｍｍの内層にグランド板４が形成されている。

共振部５は先の説明の通り、インピーダンス調整部５ａの面積を多く取ることでインピーダンス整合を取り、結合用電極３に形成される微小電気ダイポールＰから発生する誘導電界Ｅの強度を確保した。
インピーダンス調整部５ａの面積は約３３ｍｍ^２、共振部５の総面積は約５４ｍｍ^２とした。
最終的にプリント基板８は図１０に示す状態となった。

プリント基板８と結合用電極３の間に、幅１０ｍｍ×長さ４ｍｍ×厚さ１．５ｍｍで、幅６ｍｍ×長さ１．５ｍｍの切り欠けのある略凹字状形状をしたＰＣＡＢＳ製の誘電体９を挟持させ、結合用電極の脚３ｃの先端部の平面を共振部５にハンダ固定した。なお結合用電極の脚３ｃの固定部分は、グランド板４に設けられた短絡部４ａの真上となっている。

伝送路２を除いた通信カプラ７の大きさは幅１０ｍｍ×長さ１５ｍｍ×厚さ３ｍｍとなる。

高周波信号の伝送路２には、内部導体、誘電体、外部導体、絶縁被覆材からなる同軸電線を使用した。同軸電線の外径は１．１ｍｍとし、内部導体には銀メッキ銅線、外部導体には錫メッキ銅線、誘電体と絶縁被覆材には四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体を使用した。同軸電線の端末部に段剥ぎ加工を行い、内部導体はプリント基板８の表面に形成された共振部５の給電点Ｓに、外部導体はプリント基板の表面に露出した伝送路接続部４ｂにハンダ固定した。通信カプラ７側とは反対の同軸電線の端末部には、高周波信号源等に接続するためのコネクタを取り付け、図１１（ｂ）に示した形状の通信カプラ７を完成させた。

このようにして製作した通信カプラ７の各特性値を測定した。

図１２に示した２方向で通信カプラ７の結合強度を測定した結果を図１３に示す。一般的に、本発明のようなＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔに使用される通信カプラは、通信カプラ間の距離ｚ＝１５ｍｍにおいて、結合強度が−２５ｄＢ以上であることが求められる。
４ＧＨｚ帯において、結合方向１、２ともｚ＝１５ｍｍまでは結合強度は−２５ｄＢ以上となっており、通信に必要な結合強度が得られていることがわかる。

逆にｚ＝３０ｍｍ以上では結合方向１、２とも結合強度は−２５ｄＢ以下となり、通信特性が低下する。本発明のような通信カプラは、至近距離でのみ通信を行い、距離が離れると発せられる信号が周囲への干渉を起こさない程度まで減衰することを特徴とするため、これらの結果は本発明が有するべき特性を持っていることを示している。

また図１４は周波数４．４８ＧＨｚにおける通信カプラ７のゲインを表す図である。Ｈ偏波成分、Ｖ偏波成分とも各平面の各位置でゲインが０ｄＢｉを超えていない。この結果は通信カプラから一定の距離以上離れた場所には通信に有効な電界が発生していないことを示し、至近距離でのみ通信が可能な本発明の特徴を現している。

完成した通信カプラ７は厚さ３ｍｍのため、図１５に示すような形で薄型通信機器へ容易に組込むことができ、２方向に誘導電界Ｅが発生するため、図５に示した方法で高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信が薄型通信装置間で可能となる。

以上の例は、本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、種々の変更および応用が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明の通信カプラは、組込まれる通信装置の搭載スペース、必要とされる通信方向等に応じて、特徴を失わないよう種々変形されて供されることは言うまでもない。

本発明の通信カプラは、パソコン、携帯電話をはじめとする情報端末機器の他に、情報家電製品あるいは自動車関連機器など、各種通信装置へ組込むことができる。
特に、複数方向に通信可能であるから、従来の通信カプラでは設置方法の制限による通信方向の限定が災いして組込みが見送られていた通信装置にも容易に組込むことができ、より多くの通信装置で高速、大容量通信を特徴とする高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信が利用可能となる。

１ 通信カプラ
２ 伝送路
３ 結合用電極
３ａ 第１の電極平面
３ｂ 第２の電極平面
３ｃ 脚
４ グランド板
４ａ 短絡部
４ｂ 伝送路接続部
５ 共振部
５ａ インピーダンス調整部
６ 通信装置
６ａ 薄型通信装置
７ 誘導電界を複数方向に発する通信カプラ
８ プリント基板
９ 誘電体
Ｐ 微小電気ダイポール
Ｅ 誘導電界
Ｓ 給電点

Claims (7)

1. 高周波信号の通信に用いられる通信カプラであって、前記高周波信号の伝送路が接続され、微小電気ダイポールを形成するように配置された第１の電極平面を有する結合用電極、及びグランドと、該結合用電極に流れ込む電流を大きくしてより強い電界を発生させるための共振部とを具備するとともに、該結合用電極の先端部を折り曲げて第２の電極平面を形成し、該第２の電極平面の端縁が該共振部に近接することにより、２方向に誘導電界が形成されることを特徴とする通信カプラ。
2. 該共振部と該グランド板がプリント基板に設けられた導電パターンで構成され、該共振部の導電パターンを略５の字形にすることでインピーダンス整合が行われたことを特徴とする、請求項１に記載の通信カプラ。
3. 該プリント基板が多層構造となっており、該プリント基板の表面に該共振部が、該プリント基板の内層に該グランド板が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の通信カプラ。
4. 該共振部と該結合用電極との間に誘電体を挟持したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の通信カプラ。
5. 該グランド板と該結合用電極との間隔が、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の通信カプラ。
6. 該プリント基板の幅が９ｍｍ以上３０ｍｍ以下、長さが１４ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の通信カプラ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の通信カプラを使用した通信装置。
   

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