WO2011034205A1 - 高周波結合器 - Google Patents

Abstract

　離間している異なる回路問において、高周波電力及び高周波信号を伝送する、設計自由度の高い高周波結合器を実現する。　互いに対向する一対の平面上に、接地導体１２ａ（１２ｂ）に対して入出力線路１４ａ（１４ｂ）と、いずれかの回路に接続される入出力線路との間で高周波電力の受け渡しが可能な非放射性のアンテナ１０ａ（１０ｂ）とを設けて高周波結合器を構成した。各平面上のアンテナ１０a（１０ｂ）は、それぞれ、単独ではその放射抵抗が所望周波数帯にわたってほぼ一定で入出力線路の特性インピーダンスよりも小さく、他方のアンテナが所定値以下に接近したときに所望周波数帯のいずれかの周波数において当該他方のアンテナとの間で電磁共鳴するものであり、アンテナ間の結合強度が、各アンテナと接地導体との距離によって変化するものである。

Description

高周波結合器

　本発明は、離間して存在する複数の回路間で非接触の電力伝達を可能にする高周波結合器及びその応用装置に関する。

　電化製品への給電法として、電力を無接点または無線（ワイヤレス）で供給する「非接触電力伝送技術」が注目を集めている。非接触電力伝送は、送電機器と受電機器との接点が無いため、接点の耐久性や接触不良、短絡や水分などによる漏電等の心配が少なく、水中や隔壁間、回転体など、ケーブルを引くことが難しい環境であっても電力供給が可能となるという利点がある。
　非接触電力伝送技術としては、「電磁誘導型」、「ＲＦ受信型」、「電界・磁界共鳴型」の３方式が知られている。
　「電磁誘導型」では、１次側のコイルに電流を流した際に生じる磁界を使って２次側のコイルにエネルギーを伝送する。伝送効率が高いという利点がある一方で、磁束の変化を利用することから、コイル同士をほぼ密着するまで近づけなければならないという問題がある。
　「ＲＦ受信型」では、マイクロ波を利用して電力を伝送する。送信アンテナで電磁波を放射し、受信アンテナで受け取るが、エネルギーが空間へ放射されるため、伝送効率が低いという問題がある。
　「電界・磁界共鳴型」は、非放射型のアンテナによる電磁共鳴、すなわち共振器による結合を利用した電力伝送方式である。この方式は、伝送可能距離が周波数（波長）に依存するため、アンテナ間距離が比較的短いときには高効率での電力伝送が可能となり、上述した「電磁誘導型」及び「ＲＦ受信型」の問題が解決される。
　この種の伝送方式については、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された伝送方式は、高周波信号線路のチップ間接続やデジタル信号伝送など、応用範囲が広い点でも優れている。
特開２００８−６７０１２号

　しかしながら、特許文献１に開示された伝送方式は、オープンリング型の共振器やスパイラル型の共振器を使用するため、共振器の形状が、閉曲線線路の一部が開放された形状かつ開放端部を近接させるなど、共振器の構造に一定の制約がある。
　また、特許文献１に開示された伝送方式では、共振器同士の結合強度を、共振器の端部の位置や入出力線路の接続位置により調整しているため、調整が面倒であり、調整可能範囲にも一定の制約がある。
　このように、従来の非接触伝送技術には、伝送効率を高めるためには設計の自由度を犠牲にしなければならないという問題があった。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、伝送効率を犠牲にすることなく、設計自由度を高めることができる非接触伝送技術を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明は、離間して存在する複数の回路間で非接触の電力伝達を可能にする高周波結合器を提供する。
　この高周波結合器は、それぞれ、接地導体に対して所定のインピーダンスを呈し、いずれかの前記回路に接続される入出力線路との間で高周波電力の受け渡しが可能な非放射性の一対のアンテナが所定の間隔で平行に配置され、各アンテナは、それぞれ、単独ではその放射抵抗が所望の周波数帯にわたってほぼ一定で前記インピーダンスよりも小さく、他方のアンテナが所定値以下に接近したときに前記周波数帯のいずれかの周波数において当該他方のアンテナとの間で電磁共鳴するものであり、アンテナ間の結合強度が、各アンテナと前記接地導体との距離によって変化するものである。
　電磁共鳴は、非放射型の一対のアンテナ、すなわち指向性を有する一対のアンテナを覆域内で互いに近接させたときに生じる結合の一態様である。この電磁共鳴が起きるときの結合強度は、アンテナ間の距離、各アンテナの放射抵抗のみならず、各アンテナと接地導体との間隙（距離）にも依存する。
　本発明では、一対のアンテナ間の距離及び各アンテナと接地導体との間隙を変えることによってアンテナ間で電磁共鳴を起こさせ、これにより非接触の電力伝達を可能にしたので、各アンテナの位置や入出力線路の位置をシビアに設計する必要のない、設計自由度がきわめて高い高周波結合器を実現することができる。
　本発明の高周波結合器は、より具体的には、前記各アンテナの電気的長さは前記高周波電力の１／４波長の奇数倍であり、アンテナ間の距離はアンテナ間に存在する伝達媒体における波長の１／２０以下であり、電磁共鳴時には共振周波数のピークが分離する。あるいは、前記各アンテナの少なくとも一方、好ましくは双方が円形アンテナ又は略円形アンテナで構成される。
　また、それぞれの前記アンテナと当該アンテナに接続される前記入出力線路とが同一平面上に配されており、且つ、一方の平面上の前記入出力線路が、他方の平面上の前記入力線路から最も遠い部位に配されている。これにより、高周波エネルギー（高周波による電力又はその電力の変化で表される信号成分）の干渉を抑制することができる。
　ある実施の態様では、各平面上の前記アンテナと前記入出力線路とが、コプレーナ線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、グラウンド付きコプレーナ線路、サスペンデッドマイクロストリップ線路のいずれか、またはこれらの組み合わせにより構成される。これにより、一方の回路の高周波電力を、一対の入出力線路及びアンテナを介して、他方の回路に効率的に伝達することができる。
　他の実施態様では、前記各アンテナの少なくとも一方が厚みをもった立体的な構造を有する。さらに、前記入出力線路と前記アンテナとの間に、整合素子が配置され、前記アンテナの電気的長さを調整するために用いられてもよい。
　他の実施の態様では、前記アンテナ及び入出力線路が、それぞれ平板状の誘電体の表面または内部に形成されている。
　他の実施の態様では、前記アンテナ及び入出力線路が、それぞれ異なる材質の前記誘電体の表面または内部に形成されている。
　他の実施の態様では、一方の平面上のアンテナの形状又はサイズと、他方の平面上のアンテナの形状又はサイズとがそれぞれ異なるものとなる。
　本発明は、また、離間して存在する回路間に、上述した本発明の高周波結合器が介在し、当該回路間で、前記高周波結合器を介して高周波電力の伝達を行う非接触電力伝達装置を提供する。非接触電力伝達装置としては、例えば、非接触給電装置、非接触高周波信号伝達装置、高周波バンドパスフィルタ、非接触スイッチ等が挙げられる。
　本発明は、マイクロ波帯以上の高周波帯における強い結合を得るために電磁共鳴結合を利用し、非放射型のアンテナと接地導体との距離等を変えることによってアンテナ間の結合強度を調整できるようにしたので、高周波電力の伝送効率及び通過帯域の調整が容易であり、共振器を用いた従来の高周波結合器に比べて、設計に対する自由度が格段に高くなるという効果が得られる。

　第１図は、第１実施形態における高周波結合器の斜視図である。
　第２図は、第１実施形態における高周波結合器の上面図である。
　第３図は、第１実施形態における高周波結合器の側面断面図である。
　第４図は、第１実施形態における高周波結合器の伝送特性図である。
　第５図は、アンテナ単体の入力インピーダンス特性図である。
　第６図（ａ）~（ｄ）は、アンテナと接地導体の間隙距離を変えたときの高周波結合器の伝送特性の変化を示す図である。
　第７図は、アンテナ間の距離を変えたときの伝送効率の変化を示す図である。
　第８図は、第１実施形態における高周波結合器の等価回路である。
　第９図は、第２実施形態における高周波結合器の上面図である。
　第１０図（ａ）~（ｄ）は、第２実施形態において、アンテナと接地導体の間隙距離を変えたときの高周波結合器の伝送特性の変化を示す図である。
　第１１図は、第３実施形態における高周波結合器の上面図である。
　第１２図（ａ）~（ｄ）は、第３実施形態において、アンテナと接地導体の間隙距離を変えたときの高周波結合器の伝送特性の変化を示す図である。
　第１３図は、第４実施形態における高周波結合器の斜視図である。
　第１４図は、第４実施形態における高周波結合器の伝送特性図である。
　第１５図は、第５実施形態における高周波結合器の斜視図である。
　第１６図（ａ），（ｂ）は、第５実施形態の高周波結合器で用いるアンテナの正面図である。
　第１７図は、第５実施形態における高周波結合器の伝送特性図である。
　第１８図（ａ）は一方のアンテナを固定し、他方のアンテナの位置をＸ方向に移動した状態、（ｂ）はそのときの伝送効率を示す図である。
　第１９図（ａ）は一方のアンテナを固定し、他方のアンテナの位置をＹ方向に移動した状態、（ｂ）はそのときの伝送効率を示す図である。
　第２０図（ａ）は一方のアンテナを固定し、他方のアンテナの位置をθだけ回転した状態、（ｂ）はそのときの伝送効率を示す図である。
　第２１図（ａ）~（ｃ）は、第６実施形態における高周波結合器の側面断面図である。
　第２２図（ａ）~（ｂ）は、第７実施形態における高周波結合器の側面断面図である。
　第２３図（ａ）~（ｂ）は、第７実施形態における高周波結合器の側面断面図である。
　第２４図は、第８実施形態における高周波結合器の上面図である。
　第２５図は、第８実施形態における高周波結合器の斜視図である。
　第２６図は、第８実施形態における高周波結合器の伝送特性図である。
　第２７図は、第２５図において一方の高周波結合器に第５実施形態に示す円形アンテナを用いた場合の高周波結合器の斜視図である。
　第２８図は、第２７図における高周波結合器の伝送特性図である。
　第２９図は、本実施形態の高周波結合器を適用した非接触電力伝達装置の構成例を示すブロック図である。

　以下、図面を参照して、本発明の高周波結合器の実施の形態例を説明する。
［第１実施形態］
　第１図は、第１実施形態における高周波結合器の構造例を示す斜視図である。また、第２図は、この高周波結合器の上面図であり、第３図は、この高周波結合器の側面断面図である。
　この実施形態の高周波結合器は、平行に対向する基板１６の表裏面部平面の各々に、アンテナ１０ａ，１０ｂ、接地導体１２ａ，１２ｂ、及び、入出力線路１４ａ，１４ｂを形成して構成される。
　基板１６には、互いに対向する一対の平面を有する誘電体板を用いることができる。本実施形態では、その厚みが０．２［ｍｍ］で、比誘電率εｒが「１０」のサファイア平板を用いている。接地導体１２ａ，１２ｂは、例えば、全面から中央部を所定形状にくり抜かれた構造の導体膜である。入出力線路１４ａ，１４ｂは、アンテナ１０ａ，１０ｂとの間で高周波電力の受け渡しを行うための線路であり、接地導体１２ａ，１２ｂに対して所定のインピーダンスを呈する構造を持つ。第１図~第３図の例では、特性インピーダンスが５０［Ω］となるように、例えばコプレーナ構造としている。
　アンテナ１０ａ，１０ｂは、接地導体１２ａ，１２ｂの中央部に、接地導体１２ａ，１２ｂとはどのエレメントも所定の間隙をもって設けられるミアンダ状のものである。アンテナ１０ａ，１０ｂの一方の端部は開放され、他方の端部は入出力線路１４ａ，１４ｂと一体に形成されている。これにより、非放射型のアンテナを実現している。アンテナ１０ａ，１０ｂの電気長は、伝送信号の波長（信号波長）の概ね１／４である。
　１３［ＧＨｚ］付近において共振するアンテナを設計する場合、第２図のように定義される寸法は、以下のようになる。
　ｔ１＝０．１［ｍｍ］、ｔ２＝０．１５［ｍｍ］、ｔ３＝０．３５［ｍｍ］、ｔ４＝０．９［ｍｍ］、
　ｔ５＝０．５［ｍｍ］、ｓ１＝０．２５［ｍｍ］、ｓ２＝０．２５［ｍｍ］、ｓ３＝０．１［ｍｍ］。
　入出力線路１４ａと入出力線路１４ｂとは、第１図及び第３図に示されるように、基板１６の表裏面部において、最も遠くなる部位に配設される。図示の例では、矩形状の基板１６の長尺方向に互いに１８０度異なる部位に配設される。これにより、互いに干渉することなく、一方のアンテナ（例えば表面部のアンテナ１０ａ）から他方のアンテナ（例えば裏面部のアンテナ１０ｂ）に高周波エネルギーを伝達することができる。
　なお、以後の説明において、基板１６の表裏面部を区別する必要がある場合は、表面部についてはアンテナ１０ａ、接地導体１２ａ、入出力線路１４ａとし、裏面部についてはアンテナ１０ｂ、接地導体１２ｂ、入出力線路１４ｂとする。
　次に、上記のように構成される高周波結合器の伝送特性について説明する。
　第４図は、この実施形態の高周波結合器の伝送特性図である。伝送特性の計測には、３次元電磁界シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いた。縦軸はＳパラメータの絶対値［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。Ｓパラメータは各入力端における入力電力と出力電力の比［ｄＢ］であり、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性を表している。
　第４図より、この実施形態の高周波結合器は、１１［ＧＨｚ］及び１６［ＧＨｚ］付近に２つの共振周波数のピーク値（共振点）を有しており、その結果として、９~２０［ＧＨｚ］付近にわたって、高効率かつ広帯域な伝送特性を示していることがわかる。
　一対のアンテナ１０ａ，１０ｂは、両者の距離、すなわち基板１６の厚み（上記の例では０．２［ｍｍ］）や表裏面部での重なり具合を変えたりすることにより、その結合強度が変化する。
　第５図は、一方のアンテナ、例えば基板１６の裏面部のアンテナ１０ｂが存在しないとみなされるほど離れた場合の他方のアンテナ、すなわち基板１６の表面部のアンテナ１０ａの入力インピーダンス特性図である。この図では、アンテナの入力インピーダンス特性を、実部（Ｒｅａｌ）と虚部（Ｉｍａｇｉｎａｒｙ）とに分けて示している。測定には上記３次元電磁界シミュレータを用いた。
　第５図によれば、当該アンテナ１０ａの単独の入力インピーダンスは、１２．５［ＧＨｚ］で虚部が０となり、共振しているが、実部（放射抵抗）は、測定周波数帯全域に渡って１［Ω］程度であり、接地導体１２ａに対する入出力線路１４ａのインピーダンス（特性インピーダンス（５０［Ω］））に比べて小さい。すなわち、アンテナ１０ａは、対向するアンテナ１０ｂが存在しないとみなされる場合には高周波電力は殆ど伝達されないが、アンテナ１０ｂを近接させると、そこにアンテナ１０ａ，１０ｂ間に電磁共鳴結合が生じ、対向するアンテナ１０ｂへの高周波電力の伝達が可能となる。
　なお、放射による損失を抑制するため、アンテナの放射抵抗は、特性インピーダンスの概ね１／２０以下であることが望ましい。
　アンテナ１０ａ，１０ｂ同士の結合強度は、各々の平面上の接地導体１２ａ，１２ｂとの間隙ｓ１~ｓ３を変えることによっても変化する。第６図（ａ）~（ｄ）は、接地導体１２ａ，１２ｂの間隙ｓ１~ｓ３を変えたときの伝送特性図である。縦軸、横軸、Ｓパラメータは、第４図と同じである。
　間隙ｓ１~ｓ３が比較的小さいときは、各アンテナ、例えば表面部のアンテナ１０ａと接地導体１２ａとの結合が強く、逆に、裏面部のアンテナ１０ｂとの結合が相対的に弱いため、伝送効率が低く、帯域も狭い（第６図（ａ））。間隙ｓ１~ｓ３を徐々に広げていくと、アンテナ１０ａと接地導体１２ａとの結合が徐々に弱まり、アンテナ同士の結合が相対的に強まってくる（第６図（ｂ））。さらに間隙ｓ１~ｓ３を広げるとアンテナ同士の結合が強まる。この結合の強さ（結合強度）が一定の値を超えると電磁共鳴が生じ、共振周波数のピークが分離して高効率且つ広帯域伝送特性を呈するようになる（第６図（ｃ））。しかし、共振周波数のピークが分離しすぎると、２つのピークの中心周波数における伝送効率が劣化してくる（第６図（ｄ））。そのため、共振周波数のピークの位置を適当に調整する必要がある。
　このことは、アンテナ同士の結合強度を変え、共振周波数のピークの位置を適当に調整すれば、高効率かつ広帯域特性を実現できることを意味している。
　なお、アンテナ１０ａ，１０ｂ間の距離を変える場合は、その距離をどの程度にするかが問題となる。
　第７図は、アンテナ間の距離を変えたときの伝送効率の変化を示した図である。横軸は距離（１／λ）、縦軸は伝送効率［ｄＢ］である。λは信号波長を表す。
　第７図を参照すると、基板１６の媒質内における信号波長の１／２０以内ならば、高い伝送効率を実現できることがわかる。
　上記の現象を、等価回路と数式により、詳しく説明する。
　第８図は、本実施形態の高周波結合器の等価回路である。第８図において、Ｌはアンテナ１０ａ，１０ｂの各々の自己インダクタンス、Ｃはアンテナ１０ａと接地導体１２ａ、アンテナ１０ｂと接地導体１２ｂとの間のキャパシタンス、Ｌｍは対向するアンテナ間の相互インダクタンス、Ｃｍは対向するアンテナ間の相互キャパシタンスである。共振条件から、第８図の等価回路の虚部を０とすると、共振周波数ｆは、下記式のようになり、共振周波数のピークが２つ現れることがわかる。

　また、このときの結合係数ｋは、下記式のように表すことができる。

　すなわち、アンテナ１０ａ，１０ｂ間の距離を変えてＬｍやＣｍを調整したり、あるいは、アンテナ１０ａと接地導体１２ａ及びアンテナ１０ｂと接地導体１２ｂとの間の間隙や距離を変えてＣを調整することにより、所望の結合強度を得ることができる。
［第２実施形態］
　第１実施形態では、アンテナ１０ａ，１０ｂは、いずれもミアンダ状のものとしたが、アンテナ１０ａ，１０ｂの形状及び大きさは　伝送に使用する周波数で共振するように調整されていれば、直線状、スパイラル状、円形、三角形など、如何なるものであっても良い。
　例えば、第９図は、直線状のアンテナ２０の例を示す。このアンテナ２０もまた、接地導体２２の中央部に、接地導体２２と所定の間隙ｓ１~ｓ３を確保して形成される。アンテナ２０の一方の端部が開放され、他方の端部が入出力線路２４と一体に形成されることは、第１実施形態と同じである。
　アンテナ２０の線路長は信号波長の概ね１／４の奇数倍が望ましいが、他の長さであっても入出力線路２４との間に整合素子を付加するなどにより、電気長を信号波長の概ね１／４の奇数倍とすることができる。入出力線路２４は、コプレーナ構造である。
　このような形状のアンテナ２０を、第１実施形態で用いたものと同じ基板の表裏面部に配し、第１実施形態と同じ要領で測定したときの伝送特性図を第１０図（ａ）~（ｄ）に示す。縦軸、横軸、Ｓパラメータは、第６図と同じである。アンテナ２０と接地導体２２との間隙を適宜変えることにより、アンテナ同士の結合強度を調整することが可能となり、高効率かつ広帯域な伝送特性が得られることがわかる。
［第３実施形態］
　第１１図は、菱形状のアンテナ３０の例を示す。このアンテナ３０もまた、接地導体３２の中央部に、接地導体３２と所定の間隙ｓ１~ｓ３を確保して形成される。第１及び第２実施形態と同様、アンテナ３０の一方の端部は開放され、他方の端部は入出力線路３４に接続される。入出力線路３４は、コプレーナ構造である。
　このような形状のアンテナ３０を、第１実施形態で用いたものと同じ基板の表裏面部に配し、第１実施形態と同じ要領で測定したときの伝送特性図を第１２図（ａ）~（ｄ）に示す。縦軸、横軸、Ｓパラメータは、第１０図と同じである。アンテナ３０と接地導体３２との間隙を適宜変えることにより、アンテナ同士の結合強度を調整することが可能となり、高効率かつ広帯域な伝送特性が得られることがわかる。
［第４実施形態］
　対向する一対のアンテナの形状及び大きさは異なっていても良い。例えば第１３図は、一方のアンテナを第１実施形態において説明したミアンダ状のアンテナ１０ａ、他方のアンテナを第２実施形態において説明した直線状のアンテナ２０ｂとしたものである。基板、アンテナ１０ａ，２０ａと接地導体１２ａ，２２ｂ及び入出力線路１４ａ，２４ｂとの関係は、上述した例と同じである。このときの伝送特性は第１４図のようなものとなり、やはり高効率かつ広帯域な伝送特性を得ることが可能となることがわかる。
［第５実施形態］
　第１~第４実施形態では、対向する一対のアンテナが同一の基板の表面部と裏面部とに形成される高周波結合器の例を示したが、一対のアンテナがそれぞれ互いに対向する異なる基板上に配置されていても良い。また、アンテナの形状、大きさのみならず、各アンテナに接続される入出力線路の構造も、互いに異なるものであっても良い。
　第１５図は、このような構造の高周波結合器の例を示した斜視図である。便宜上、第１~第４実施形態と機能的にほぼ同じとなる構成要素については、同じ符号を用いている。
　第１５図に例示した高周波結合器は、それぞれサイズの異なる一対の基板１６ａ，１６ｂの平面部が互いに対向するように、離間して配置される。基板１６ａには円形アンテナ１０ａ、接地導体１２ａ及び入出力線路１４ａが同一平面上に配置される。基板１６ｂにも円形アンテナ１０ｂ、接地導体１２ｂ及び入出力線路１４ｂが同一平面上に配置される。
　基板１６ａの平面上の配置構造は第１６図（ａ）、基板１６ｂの平面上の配置構造は第１６図（ｂ）に示すとおりである。アンテナ１０ａは、本例では半径７［ｍｍ］の円形アンテナ、アンテナ１０ｂは、本例では半径１４［ｍｍ］の円形アンテナであり、それぞれ厚みが１［ｍｍ］で比誘電率εｒが３．３の誘電体基板上に形成され、また、９１５［ＭＨｚ］で共振するように、それぞれの入出力線路１４ａ，１４ｂの長さが調整されている。これらのアンテナ１０ａ，１０ｂを、それぞれの中心軸が一致し、アンテナ間距離４［ｍｍ］で離間して対向させる。
　第１７図は、上記の諸元に基づく高周波結合器の伝送特性図である。縦軸はＳパラメータの絶対値［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。これまでの実施形態の場合と同様、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性を表している。第１７図より、この実施形態の高周波結合器は、０．９［ＧＨｚ］付近に共振周波数のピーク値（共振点）を有しており、高効率で電力伝送が可能となっていることがわかる。
　また、この実施形態の高周波結合器では、アンテナ１０ａ，１０ｂを円形アンテナとして占有面積を大きくしたので、アンテナの水平方向や回転方向への位置ずれが生じた場合であっても、アンテナ間の重なりを多少の冗長度をもって広く維持できることから、伝送効率を大きく損なうことなく、高周波信号を伝送することができる。
　例えば、アンテナ間距離４［ｍｍ］を保ち、基板１６ｂ（アンテナ１０ｂ）をそのままの位置として、基板１６ａ（アンテナ１０ａ）を移動させたときの共振周波数９１５［ＭＨｚ］における伝送効率の変化を具体的に説明する。
　第１８図（ａ）は、基板１６ａ（アンテナ１０ａ）を基板１６ｂの中心軸からＸ方向に移動させた状態を示しており、このときの伝送効率特性は第１８図（ｂ）のようになる。第１８図（ｂ）において、横軸は距離Ｘ（ｍｍ）、縦軸は伝送効率［ｄＢ］である。第１９図（ａ）は、基板１６ａ（アンテナ１０ａ）を基板１６ｂの中心軸からＹ方向に移動させた状態を示しており、このときの伝送効率特性は第１９図（ｂ）のようになる。第１９図（ｂ）において、横軸は距離Ｙ（ｍｍ）、縦軸は伝送効率［ｄＢ］である。また、第２０図（ａ）は、基板１６ａ（アンテナ１０ａ）をアンテナ１０ａ，１０ｂの共通の中心を起点としてθ（ｄｅｇ）だけ回転させた状態を示しており、このときの伝送効率特性は第２０図（ｂ）のようになる。第２０図（ｂ）において、横軸は角度θ（ｄｅｇ）、縦軸は伝送効率［ｄＢ］である。
　第５実施例によれば、第１実施例と同様にアンテナ１０ａ，１０ｂと接地導体１２ａ，１２ｂとの間隙を適宜変えることにより、アンテナ同士の結合強度を調整することが可能となることはもちろんのこと、さらに、第１８図~第２０図からわかるように、基板１６ａが中心軸からＸ方向又はＹ方向に移動しても、また、アンテナ１０ａ，１０ｂの共通の中心を起点としてθだけ回転しても、広い範囲にわたって、伝送効率を大きく損なうことなく、高周波信号を伝送することができる。基板１６ａを移動せずに基板１６ｂを移動および／または回転しても同様の効果を得ることができる。
　なお、アンテナ１０ａ，１０ｂは、アンテナ間の重なりを比較的広く維持できれば良いので、一方だけが円形アンテナであっても良く、あるいは、一方又は双方が略円形（円形とみなされるアンテナ面をもつもの）アンテナであっても良い。
［第６実施形態］
　第１実施形態では、対向する一対のアンテナ１０ａ，１０ｂが同一の基板１６の表面部と裏面部とに形成される高周波結合器の例を示したが、例えば、第２１図（ａ）の側面断面図に示されるように、それぞれアンテナ１０ａ，１０ｂが基板１６の内部に配置されていても良い。
　また、第２１図（ｂ）の側面断面図に示されるように、一対のアンテナ１０ａ，１０ｂがそれぞれ異なる基板１６ａ，１６ｂ上に配置されていても良い。
　さらに、第２１図（ｃ）に示すように、一対のアンテナ１０ａ，１０ｂがそれぞれ異なる基板１６ａ，１６ｂの内部の平面上に配置されていても良い。その際、アンテナ１０ａ，１０ｂの間にスペーサ板１８を挟んでも良い。
　基板１６ａ，１６ｂ及びスペーサ板１８は、誘電材料または磁性材料であるが、それぞれ同種材料で形成されていても良く、異種材料で形成されていても良い。誘電材料は、例えばアルミナ、ベリリア、フォルステライト、ステアタイト、チタニア、ガラスセラミック、ムライト、ジルコン等のセラミック、あるいはガラスエポキシ、テフロン、サファイア、ガラスなどからなる。磁性材料は例えばフェライト、金属複合磁性材料などからなる。また、基板１６ではなく、気体がアンテナ間に介在する構成であっても良い。
　第２~第５実施形態の高周波結合器についても同様である。
［第７実施形態］
　第１実施形態で説明した高周波結合器では、アンテナ１０ａ、接地導体１２ａ及び入出力線路１４ａ、並びに、アンテナ１０ｂ、接地導体１２ｂ及び入出力線路１４ｂが、それぞれ同一平面上に形成されているコプレーナ構造であったが、例えば、第２２図（ａ）の側面断面図に示されるように、接地導体１２ａ，１２ｂから所定距離ｈをもって基板１６の内部の平面上にアンテナ１０ａ，１０ｂ及び入出力線路１４ａ，１４ｂを配置し、入出力線路１４ａ，１４ｂがそれぞれ一対の接地導体１２ａ，１２ｂで挟まれたストリップライン構造であっても良い。
　あるいは、第２２図（ｂ）の側面断面図に示されるように、一対のアンテナ１０ａ，１０ｂがそれぞれ異なる基板１６ａ，１６ｂ上に配置され、接地導体１２ａ，１２ｂがそれぞれの基板の裏面にあるマイクロストリップ構造でも良い。
　あるいは、グラウンド付きコプレーナ構造（第２３図（ａ））や、サスペンデッドマイクロストリップライン構造（第２３図（ｂ））、あるいはこれらの組み合わせであっても良い。また、その際、アンテナ１０ａ，１０ｂの間に、上述したスペーサ板１８を挟んだ構成にしても良い。
　基板１６ａ，１６ｂ及びスペーサ板１８は、それぞれ同種材料で形成されていても異種材料で形成されていても良く、基板１６に代えて気体であっても良いことは、第６実施形態と同じである。この場合も、アンテナ１０ａと接地導体１２ａとの間隙または距離ｈを適宜変えることにより、アンテナ同士の結合強度を調整することが可能になる。したがって、共振周波数のピークの位置を適当に調整することにより、高効率かつ広帯域な伝送特性を得ることが可能となる。
　第２~第５実施形態の高周波結合器についても同様である。
［第８実施形態］
　第１~第７実施形態では、アンテナ１０ａ、１０ｂ、２０、２０ｂ、３０が、板状に形成される高周波結合器の例を示したが、アンテナの形状はこれに限らず、立体的な形状であってもよい。
　第２４図は、立体的なアンテナとして円柱状のアンテナ４０の例を示す。このアンテナ４０は、基板４６の平面部の長尺方向に突出して形成される。アンテナ４０は、接地導体４２に入出力線路４４及び整合素子４７を介して接続される。接地導体４２は、基板４６の平面部に配置される。入出力線路４４は、接地導体４２に接続されており基板４６の平面部に配置される。整合素子４７は、入出力線路４４に接続されており基板４６の平面部に配置される。接地導体４２、入出力線路４４、及び整合素子４７についても、アンテナ４０同様に、所定の厚みをもった立体的な構造であってもよい。
　アンテナ４０の線路長は信号波長の概ね１／４の奇数倍が望ましいが、他の長さであっても整合素子４７により線路長を調整することができる。また、この場合においても、これまでの実施形態と同様に、アンテナ４０と接地導体４２との間隙を適宜変えることによりアンテナ同士の結合強度を調整することが可能である。例えば接地導体４２の長さを変える、または折り曲げるなどの変形をすることで間隙を変えることができる。整合素子４７には、例えばチップコイルを用いることができる。
　第２５図は、第２４図に例示した高周波結合器のアンテナ４０ａ，４０ｂを、所定の間隔で平行に離間して配置した例を示した斜視図である。高周波結合器を９１５［ＭＨｚ］で共振させる場合、アンテナ４０ａ，４０ｂは、例えば直径１［ｍｍ］、長さ２０［ｍｍ］の円柱導体である。また、接地導体４２ａ，４２ｂは、例えば５［ｍｍ］×２３［ｍｍ］の板状導体であり、整合素子４７ａ，４７ｂは、例えばインダクタンスが８８［ｎＨ］のチップコイルである。
　第２６図は、第２５図において、アンテナ４０ａ，４０ｂ間の距離７［ｍｍ］で平行に離間して配置させたときの伝送特性図である。縦軸はＳパラメータの絶対値［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。これまでの実施形態の場合と同様、Ｓ１１は反射特性、Ｓ２１は通過特性を表している。第２６図より、この実施形態の高周波結合器は、０．９［ＧＨｚ］付近に共振周波数のピーク値（共振点）を有しており、高効率で電力伝送が可能となっていることが分かる。
　第２７図は、第２５図において一方のアンテナに第５実施形態に示す円形アンテナを用いた場合の斜視図である。円形アンテナの形状、大きさは第１６図（ｂ）に示すものと同様である。第２８図は、これらの高周波結合器を、アンテナ１０ｂ，４０ａ間の距離７［ｍｍ］で離間して対向させたときの伝送特性図である。０．９［ＧＨｚ］付近に共振周波数のピーク値（共振点）を有しており、高効率で電力伝送が可能となっている。
　円形アンテナ以外にも、第２実施形態の高周波結合器、第３実施形態の高周波結合器等を、第２５図の一方の高周波結合器として用いてもよい。また、アンテナ４０は、第６、第７実施形態のように誘電体による基板の内部に配置されていてもよい。
［非接触電力伝達装置の実施例］
　本発明の高周波結合器は、例えば、送電側から受電側へ電力を非接触で伝送する各種の非接触電力伝達装置として応用することができる。
　以下、各種の非接触電力伝達装置の実施例を説明する。
［非接触給電装置］
　第２９図は、非接触電力伝達装置の一例となる非接触給電装置の構成例を示すブロック図である。この非接触給電装置において、電力供給側の送電装置５０は、電力を出力する電源５１と、この電力を伝送するための信号を発生させる信号発生装置５２と、信号発生装置５２から出力された高周波電力を送信するアンテナ５３とを有する。他方、離間して存在する受電装置６０は、送電装置５０から送信された電力を受信するアンテナ６１と、受信した電力を整流する整流回路６２とを有する。
　送電装置のアンテナ５３と、受電装置のアンテナ６１とを、アンテナ間の距離が、アンテナ間の媒質中での信号波長の１／２０以下の距離だけ離れた状態で対向させて配置することにより電磁共鳴が起き、高い伝送効率で電力を伝送することが可能である。
　例えば信号周波数を１［ＧＨｚ］とした場合、アンテナ間の媒質が気体であってもその距離が１５［ｍｍ］以内ならば、良好に電力を伝送することが可能である。そのため、ノートパソコンや携帯電話など、各種電化製品の充電システムに適用することができる。
［非接触高周波信号伝達装置］
　非接触電力伝達装置は、離間して存在する回路間の非接触高周波信号伝達装置としての実施も可能である。
　すなわち、本発明の高周波結合器は、マイクロ波やミリ波帯の高周波信号を一方の回路から他方の回路に電磁共鳴により非接触で伝達するので、例えば多層基板において、層間の回路を接続する従来のスルーホールに代えて、本発明の高周波結合器を使用することで、スルーホール生成コストを大きく削減することができる。
　また、例えば半導体やＬＳＩなどの接続に用いられているボンディングワイヤに代えて、本発明の高周波結合器を使用すれば、ワイヤを打つ工数を減らすことができ、さらにワイヤ部における反射による特性劣化を防ぐことができる。
［高周波バンドパスフィルタ］
　非接触電力伝達装置は、マイクロ波やミリ波帯で動作する高周波回路の超広帯域バンドパスフィルタとしての実施も可能である。上述したように、非接触電力伝達装置では、対向するアンテナ同士の結合強度を変え、共振周波数のピークの位置を適当に調整することができるので、広帯域伝送特性を有する。
　そのため、例えば、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ）通信機の変調器と高周波増幅器との間に、非接触電力伝達装置を挿入することにより、超広帯域バンドパスフィルタとして使用することができる。
［非接触スイッチ］
　非接触電力伝達装置は、非接触スイッチとしての実施も可能である。
　上述したように、対向するアンテナ同士がある一定の距離以下になると電磁共鳴により良好に高周波エネルギーが伝送されるので、この特性を利用して、アンテナ間の距離を物理的に近付けたり離したりすることで、例えば電化製品の電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える非接触スイッチとして使用することが可能である。
　この非接触スイッチは、物理的な接点がないため、従来の接触式スイッチの欠点である磨耗や金属疲労などによる特性劣化を防止することができる。

Claims (11)

1. 　離間して存在する複数の回路間で非接触の電力伝達を可能にする高周波結合器であって、
   　それぞれ、接地導体に対して所定のインピーダンスを呈し、いずれかの前記回路に接続される入出力線路との間で高周波電力の受け渡しが可能な非放射性の一対のアンテナが所定の間隔で平行に配置され、
   　各アンテナは、それぞれ、単独ではその放射抵抗が所望の周波数帯にわたってほぼ一定で前記インピーダンスよりも小さく、他方のアンテナが所定値以下に接近したときに前記周波数帯のいずれかの周波数において当該他方のアンテナとの間で電磁共鳴するものであり、アンテナ間の結合強度が、各アンテナと前記接地導体との距離によって変化する、
   　高周波結合器。
2. 　前記各アンテナの電気的長さが前記高周波電力の１／４波長の奇数倍であり、アンテナ間の距離がアンテナ間に存在する伝達媒体における波長の１／２０以下であり、電磁共鳴時には共振周波数のピークが分離する、
   　請求の範囲第１項記載の高周波結合器。
3. 　前記各アンテナの少なくとも一方が円形アンテナ又は略円形アンテナで構成されている、
   　請求の範囲第１項記載の高周波結合器。
4. 　それぞれの前記アンテナと当該アンテナに接続される前記入出力線路とが同一平面上に配されており、且つ、一方の平面上の前記入出力線路が、他方の平面上の前記入力線路から最も遠い部位に配されている、
   　請求の範囲第２項又は第３項記載の高周波結合器。
5. 　各平面上の前記アンテナと前記入出力線路とが、コプレーナ線路、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、グラウンド付きコプレーナ線路、サスペンデッドマイクロストリップ線路のいずれか、またはこれらの組み合わせにより構成される、
   　請求の範囲第４項記載の高周波結合器。
6. 　前記各アンテナの少なくとも一方が厚みをもった立体的な構造を有している、
   　請求の範囲第２項又は第３記載の高周波結合器。
7. 　前記入出力線路と前記アンテナとの間に、前記アンテナの電気的長さを調整するための整合素子が配置される、
   　請求の範囲第６項記載の高周波結合器。
8. 　前記アンテナ及び入出力線路が、それぞれ誘電体の表面または内部の平面上に形成されている、
   　請求の範囲第５項又は第６項記載の高周波結合器。
9. 　前記アンテナ及び入出力線路が、それぞれ異なる材質の前記誘電体の表面または内部の平面上に形成されている、
   　請求の範囲第８項記載の高周波結合器。
10. 　一方の平面上のアンテナの形状又はサイズと、他方の平面上のアンテナの形状又はサイズとがそれぞれ異なる、
    　請求の範囲第８項又は第９項記載の高周波結合器。
11. 　離間して存在する回路間に、請求項１乃至１０のいずれかの項に記載された高周波結合器が介在し、当該回路間で、前記高周波結合器を介して高周波電力の伝達を行う、
    　非接触電力伝達装置。

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