JP4835334B2 - 高周波信号伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号を伝送する伝送装置に関するものである。

近年、デジタルＬＳＩのような半導体チップにおいて内部動作の高速化が進んでおり、内部クロック信号は、２ＧＨｚを超えるようになっている。しかしながら、このような高周波信号を半導体チップの外に取り出す際の速度は８００ＭＨｚ程度に留まっている。その理由は、半導体チップから樹脂やセラミックで作製された基板への信号取り出しを、ボンディングワイアなどの金属配線を用いて行うためである。これらの配線ではボンディングパッド、ボンディング配線が不安定な寄生容量や寄生インダクタンスを生じさせるため、この部分で高周波信号の劣化をもたらす。また、高周波信号を効率的に半導体チップの外に伝送するためには、インピーダンス整合の調整を精度よく行わなければ、反射や不要輻射のため伝送ロスが発生してしまう。特に、電気的接続を用いる装置では、接続の機械加工の精度や、接続の信頼性などの問題も発生する。

この問題を解決するため、半導体チップと外部との信号のやりとりを光で行う光配線や光電子集積回路技術が研究されている（特許文献１参照）。

また、半導体チップと外部との信号のやりとりを、一般の無線通信に使うようなアンテナを用いる方法（特許文献２，３、４）がある。また、コイルを用いて磁界結合を利用する方法（特許文献５，６）等がある。これは、誘導結合や容量結合といった低周波回路で用いられる技術を、異なる基板間の高周波信号の伝送に応用する考えである。その他、スロットアンテナを用いる方法（特許文献７）、リングスロットを介する方法（特許文献８）、誘電体共振器を介する方法（特許文献９）、金属板に形成したスロットを介する方法（特許文献１０）などが提案されている。これらの無線接続は既存の半導体技術の組み合わせで可能である。

さらに、線路の端部に配置した片端開放の矩形λ／４−ＴＥモード共振器を対向させ、共振器間の電磁結合により基板間のＲＦ信号の伝送を行う方法が非特許文献１に開示されている。

なお、非特許文献２には、広帯域の周波数の信号を取り出すためのフィルタとして、２つのオープンリング共振器を電磁結合させたものが記載されている。ただし、これは、バンドパスフィルタとして用いるものであり、ある基板上の信号を他の基板上へ無線伝送する際に用いられるものではない。
特開２００２−９３７９（２００２年１月１１日公開） 特開平１１−６８０３３（１９９９年３月９日公開） 特開２００４−３２７５６８（２００４年１１月１８日公開） 特開２０００−６８９０４（２０００年３月３日公開） 特開２００５−２０３６５７（２００５年７月２８日公開） 特開２００５−２２８９８１（２００５年８月２５日公開） 特開平６−８５５１３（１９９４年３月２５日公開） 特開２０００−２６９７０８（２０００年９月２９日公開） 特開２００４−１５９２４７（２００４年６月６日公開） 特開２００４−１８７２８１（２００４年７月２日公開） 向山和孝 他，"電磁結合を用いた60GHz帯非接触回路接続構造"，電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会，Ｃ−２−９５，2004年 IKuo Awai, "Open Ring Resonators Applicable to Wide-band BPF", ２００６年度輻射科学研究会資料 ＲＳ０６−０２，2006年5月23日

しかしながら、特許文献１のように光配線技術を半導体チップに適用する場合、発光素子と半導体チップとの構成材料が異なるため、異種材料の組み合わせが必要となる。そのため、技術的、コスト的課題が多い。さらに、電気から光、光から電気への信号変換時にエネルギーのロスを伴う。

また、特許文献２〜４のようなアンテナは、もともと電磁波を空中に放射するための装置であるので、ほとんどの信号が空中に放出されてしまい、受信側には一部の信号しか達しない。一方、特許文献５，６のような磁界結合では、コイル内に発生する磁界を隣接するコイルで受信し電流に変換する。この場合も、大部分の磁力線は受信コイルを通り抜けて空中へ放散する。そのため、これらの文献では、むしろ空中に放散する特性を利用して、多数のチップへ信号を伝える方式が提案されている。

しかし、空中へ信号を放散することは受信側での信号強度が低くなるため感度が低下して誤動作確率を高くし、また受信アンテナのそばに受信増幅器を置かねばならないという実装上の大きな制約を受ける。出力を大きくすることも必要なため、低消費電力化という点では欠点となる。また、空中に放出された信号は他のチップにとっては雑音であり、電磁干渉という問題を引き起こす。また、特許文献７−１０の技術においても伝送効率が低くロスが大きくなる。

また、誘導結合や容量結合といった低周波回路の結合技術は、整合の概念がなく、端子間で信号が伝わりさえすればよいという設計方針のため、高価な高周波信号源で発生された高周波信号を無駄なく効率的に伝送する技術に応用することができない。

さらに、非特許文献１では、異なる基板の端部に形成された共振器を同一面内に配置したナローサイド構造である。そのため、２つの共振器の結合が弱く、両基板間の距離をほぼ０にする必要がある。一方、異なる基板間で信号伝送を行う場合、共振器以外の回路などの制約により、基板間の距離をある程度確保する必要がある。よって、非特許文献１の技術を、離間している異なる基板間の信号伝送に応用することができない。

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、離間している異なる平面上の回路間において、効率よく高周波信号を伝送することが可能な高周波信号伝送装置を実現することにある。

本発明に係る高周波信号伝送装置は、上記課題を解決するために、異なる平面上の回路間で高周波信号を伝送する高周波信号伝送装置であって、上記両平面上に、閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有する共振器と、当該共振器に接続され、当該共振器に対して高周波信号の入出力を行う入出力線路とが形成されており、上記両平面上に形成された共振器同士を電磁結合させて、高周波信号を伝送させることを特徴とする。

ここで、高周波信号とは、例えば、マイクロ波やミリ波である。

上記構成によれば、各平面上において、共振器と入出力線路とが接続されている。共振器と入出力線路とのインピーダンス整合は、当該共振器と当該入出力線路との接続位置によって調整可能である。そして、異なる平面上に形成された共振器同士が電磁結合される。このとき、共振器は閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有しているため、共振器間の結合が強くなる。そのため、共振器間の距離をある程度広くしても、共振器間で高周波信号を効率的に伝送させることができる。その結果、異なる平面上の回路間での干渉を低減させることができる。

例えば、両共振器を直径０．２４ｍｍ、線幅０．０４５ｍｍ、開放部の幅０．０２ｍｍのオープンリング状とし、共振器間にサファイア基板を挿入した場合、共振器間の距離を０．２ｍｍにまで広げても、伝送効率が５０％以上となる伝送帯域が５７〜６０ＧＨｚとなった。特に、５９．５ＧＨｚでは伝送効率９７％となり、不要な輻射が全くないことを確認できた。

このように、上記の構成にすることにより、離間している異なる平面上の回路間で、無駄なく効率的に高周波信号を伝送することが可能な高周波信号伝送装置を実現することができる。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、上記共振器の線路長が、上記高周波信号の波長の１／２の奇数倍であることが好ましい。これにより、共振器と共振波長が適合する。さらに、共振器の線路長が高周波信号の波長の１／２であるため、共振器の線路の両端部の電位が逆相となる。そして、共振器が閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有しているため、両端部間の距離が近く、共振器から外部への電磁波の輻射を防止することができる。これにともない、共振器間の伝送効率を高くすることができる。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、上記両平面上に備えられた各共振器の中心軸は、一致する、もしくは、一致する位置から当該両共振器の端部同士が近づく方向にずれていることが好ましい。シミュレーションの結果、各共振器の端部同士が近づく方向に共振器をずらしたとしても、共振器の中心軸が一致する場合とほぼ同じ伝送効率を示すことがわかった。このため、高周波信号を効率的に伝送することができる。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、一方の共振器における端部と中心点とを結ぶ線と、他方の共振器における端部と中心点とを結ぶ線とのなす角度が、９０度以上であることが好ましい。この構成によれば、電磁結合する２つの共振器間の結合が一層強くなる。その結果、共振器間の距離の制約、もしくは、共振器間の媒質の制約が緩くなる。すなわち、共振器間の距離を長くすることができたり、共振器間の媒質として比較的誘電率の低い物質を用いることができる。なお、上記角度は１８０度であることが最も好ましい。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、上記両平面上に備えられた共振器間の距離が、上記高周波信号の共振器間の媒質における波長の０．１５倍以下であることが好ましい。

共振器間の距離が、伝送される上記記高周波信号の共振器間の媒質における波長の０．１５倍を超えると、不要な輻射が発生し、共振器間の伝送効率が低下することがわかった。そのため、上記の構成にすることで、高い伝送効率を実現することができる。

なお、高周波信号の共振器間の媒質における波長の０．１５倍とは、例えば、共振周波数６０ＧＨｚで共振器間の媒質がサファイアの場合、約０．２５ｍｍである。この程度の距離であれば、異なる平面上の回路の干渉は大きな問題にはならない。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、少なくとも一方の上記平面上の共振器が導電性の基板上に形成されているとき、上記基板上に、金属膜、絶縁膜、上記共振器がこの順で積層されていることが好ましい。

上記平面は、通常、サファイアやシリコン等の基板の表面であり、回路・共振器・入出力線路は、当該基板上に形成される。

基板がサファイア等のように絶縁性であれば問題ないが、シリコン等の導電性を有する場合、共振器で発生した電磁波を基板が吸収して損失が発生し、伝送効率が低下する。

しかしながら、上記の構成によれば、共振器と基板との間に金属膜が存在するため、共振器で発生した電磁波が基板に吸収されることを防止することができる。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、上記両平面の各々は、異なる基板の表面であり、両基板上に形成された上記共振器が互いに対向するように当該両基板が配置されており、かつ、両基板間に絶縁性のシートを挟んでいることが好ましい。

上記の構成によれば、例えばＬＳＩから高周波信号を他の平面上の回路に伝送させる場合、ＬＳＩが搭載された基板の表面と当該他の平面との間隔が上記シートの膜厚で均一に保持できる。例えば、高周波配線回路と上記共振器とが形成された回路基板上に、薄い上記シートを載せ、その上に、上記共振器が形成されたＬＳＩチップを裏返して置くことで、容易に高周波信号の伝送システムが実現できる。また、従来、ＬＳＩ等の製品検査でのプローバ測定では、金属針をパッドに当てて測定していたが、上記構成では薄い絶縁性のシートを挟んだ軽い接触での測定が可能となり、信頼性の向上やパッドの傷を残さないなどのメリットがある。なお、ＤＣ電源は、直接の金属の接触で伝送してもよいし、高周波信号を整流して得てもよい。高周波信号を整流する場合には、完全非接触でＬＳＩの測定や動作が可能となる。

さらに、本発明の高周波信号伝送装置は、上記の構成に加えて、一方の上記共振器が電力を送信する送電装置に備えられており、他方の上記共振器が当該電力を受信する受電装置に備えられている。

これによれば、車両や電化製品への電力伝送を効率的に実現することができる。

本発明に係る高周波信号伝送装置は、異なる平面上の回路間で高周波信号を伝送する高周波信号伝送装置であって、上記両平面上に、閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有する共振器と、当該共振器に接続され、当該共振器に対して高周波信号の入出力を行う入出力線路とが形成されており、上記両平面上に形成された共振器同士を電磁結合させて、高周波信号を伝送させる。それゆえ、異なる平面上の回路間を、無駄なく効率的に高周波信号を伝送することが可能な高周波信号伝送装置を実現することができる。

本発明の高周波信号伝送装置に関する実施の一形態について図１〜図２３に基づいて説明すれば以下のとおりである。

本実施形態に係る高周波信号伝送装置は、特定の周波数の高周波信号を、異なる平面上に形成された回路間で無線伝送する装置である。

高周波信号伝送装置が伝送する高周波信号（以下、伝送信号という）は、例えば、マイクロ波およびミリ波帯の信号である。

（高周波信号伝送装置の構造について）
図１は、本実施形態の高周波信号伝送装置１の主たる構成を示す斜視図である。図１に示されるように、高周波信号伝送装置１は、所定の面間距離だけ離れた異なる２つの平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂの各々の上に形成された、共振器２（２ａ・２ｂ）と、当該共振器２に対して信号の入出力を行うための入出力線路３（３ａ・３ｂ）を備えている。なお、平面Ｐ−ａ上に形成された共振器および入出力線路の符号を２ａおよび３ａとし、平面Ｐ−ｂ上に形成された共振器および入出力線路の符号を２ｂおよび３ｂとしている。

図２は、各平面に形成された共振器２および入出力線路３を示す上面図である。図２に示されるように、共振器２は、閉曲線線路の一箇所（開放部２１（以下、共振器２ａの開放部を２１ａ、共振器２ｂの開放部を２１ｂとする））がオープンとなっている（切断されている）構造である。すなわち、共振器２は、周回状となっていない。具体的には、共振器２は、リング共振器の一部の配線が除かれたオープンリング共振器である。また、共振器２の線路長は、伝送信号の波長の１／２の奇数倍になるように設定されている。ここで、共振器２の線路長とは、図２に示されるように、開放部２１を形成している一方の端部から他方の端部までの線路の長さである。

図２に示されるように、入出力線路３は、２つの接地電極４に挟まれたコプレーナ線路である。入出力線路３と共振器２との接続位置（取り付け位置）２２を調整することによって、共振器と入出力線路とのインピーダンス整合が可能となる。ここでは、共振器２の中心点と開放部２１とを結ぶ線と、当該中心点と取り付け位置２２とを結ぶ線とのなす角度（以下、取り付け角度という）θ１を適宜設定することにより、インピーダンス整合が可能となる。そのため、入出力線路３は、共振器２に対して反射無しに伝送信号を入出力するために、インピーダンス整合が可能となる取り付け位置２２で共振器２と接続するように設計される。

そして、図１に示されるように、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上の２つの共振器２ａ・２ｂは、中心軸が同一であり、かつ、開放部２１ａ・２１ｂが当該中心軸に対して対称の位置（１８０度ずれた位置）になるように配置されている。これにより、共振器２ａ・２ｂ間の結合が一層強くなる。

各共振器２、当該共振器２に接続された入出力線路３および接地電極４は、図３に示されるように、それぞれ異なる基板の一方の面上に形成されている。すなわち、基板１０ａの一方の面Ｐ−ａ上に共振器２ａ，入出力線路３ａおよび接地電極４ａが形成されており、基板１０ｂの一方の面Ｐ−ｂ上に共振器２ｂ，入出力線路３ｂおよび接地電極４ｂが形成されている。そして、基板１０ａおよび基板１０ｂは、共振器２ａおよび２ｂが形成された面が対向するように、スペーサ板５を間に挟んで配置される。

基板１０ａ・１０ｂは、回路が形成された基板であり、例えば、窒化ガリウム系ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＦＴによるＭＭＩＣが搭載されたサファイア基板である。また、スペーサ板５は、絶縁体で構成されており、例えば、サファイア基板や樹脂膜である。

（製造方法）
本実施形態の高周波信号伝送装置は、従来の集積回路作成技術で製造可能である。窒化ガリウム系ＦＥＴは、サファイアの基板１０に作成される。サファイアの基板１０の厚さは、一般的には０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであるが、研磨や研削技術により０．１ｍｍまでは容易に薄層化できる。そして、基板１０上に窒化ガリウムをＭＯＣＶＤ法などで成長させる。活性層とならないアイソレーション部は、表面エッチング、イオン注入などにより高抵抗化する。この部分にコプレーナ構造の入出力線路３や共振器２を作成する。共振器２の大きさは、伝送信号の周波数に依存するが、６０ＧＨｚ帯であれば０．３ｍｍ程度であり、１μｍ程度の精度が有れば十分である。現在の集積回路技術では容易に作成できる精度である。例えば、金メッキなどにより金属パターンを形成する。

２枚の基板の間に挟むスペーサ板５は、コストを下げたい場合、ガラスやプラスチックなど、電気的に高抵抗かつ高周波での損失が少ない物質でかまわない。共振器２の寸法を小さくする場合には、誘電率の高いセラミック板やサファイア板を用いると良い。

そして、２枚の基板間では、共振器２の中心軸が一致し、かつ、開放部２１が中心軸に対して対称の位置になるように配置する。例えば、セラミックやプラスチック基板では、あらかじめ、他方の基板の位置を規定するようなノッチを付けておけば容易に位置合わせも可能である。

（伝送メカニズムについて）
本実施形態の高周波信号伝送装置１によれば、一方の共振器２ａに入力された伝送信号は、当該共振器２ａと電磁的に結合された他方の共振器２ｂに無線伝送することができる。以下、当該共振器２ａ・２ｂ間の伝送メカニズムについて説明する。

一般に、共振器は、１／２波長の整数倍の線路で形成することができる。ただし、この構造は、アンテナの構造と同じであり、共振器間のみならず自由空間にも電磁波を放射してしまうため、効率良い伝送ができない。しかしながら、本実施形態の共振器２は、伝送信号の波長の１／２の奇数倍の線路長を有する線路をリング状にし、その両端が接近している構造を有する。そのため、共振器２の両端での電位が逆相となり、電磁波の自由空間への放射が大幅に低減できる。すなわち、共振器２は、信号を閉じ込める作用を有するため、外部への不要輻射が極めて少なくなる。

一方、ブロードサイド結合した２つのオープンリング状の共振器２の間では電界同士、磁界同士が強く結合する。そのため、所定範囲の距離だけ離れた位置に配置された共振器２ａ・２ｂ間には、電磁的な強い結合が生じる。その結果、一方の共振器２ａから他方の共振器２ｂへ伝送信号が伝達される。

また、両共振器２ａ・２ｂの開放部２１ａ・２１ｂが、当該共振器２ａ・２ｂの中心軸に対して対称な位置に配置されている。図４は、各共振器２ａ・２ｂの開放部２１ａ・２１ｂと中心軸とを結ぶ線のなす角度θ_２を変えたときの、共振器２ａ・２ｂ間の結合係数（右軸）および共振周波数（左軸）を示すグラフである。なお、図４は、オープンリング状の共振器２の直径を５９．５２ｍｍ、線路幅を１ｍｍ、開放部２１の幅（共振器２の両端間の距離）を０．５ｍｍ、共振器２ａ・２ｂ間の垂直方向の距離を０．２８ｍｍ、共振器２ａ・２ｂ間の媒質（スペーサ板５）の誘電率を３．２７としたときの結果である。図４に示されるように、両共振器２の開放部２１は、互いに大きな角度をなすほど結合が増大し、当該共振器２の中心軸に対して対称な位置に配置されているときに最も共振器２ａ・２ｂ間の結合が強くなる。その結果、共振器２ａ・２ｂ間の信号の伝送を効率的に行うことができる。

共振器間の結合が強いほど、共振器間の距離が長くても伝送効率が高い状態で信号を伝送することができる。ただし、図４に示されるように、各共振器２ａ・２ｂの開放部２１ａ・２１ｂと中心軸とを結ぶ線のなす角度θ_２が９０度以上であれば、結合係数０．５以上を得ることができる。また、結合の強さは、共振器２ａ・２ｂ間のスペーサ板５の誘電率にも依存する。そのため、角度θ_２が９０度以上であれば、スペーサ板５の材料や共振器２ａ・２ｂ間の距離を適宜設定することで、高い伝送効率で信号を共振器間で伝送することができる。このように、各共振器２ａ・２ｂの開放部２１ａ・２１ｂと中心軸とを結ぶ線のなす角度θ_２は、９０度〜１８０度が好ましく、最も好ましいのは１８０度である。

（変形例１）
上記説明では、共振器２をオープンリング状として説明した。しかしながら、共振器２の形状は、これに限定されるものではなく、様々な形状のものが考えられる。ただし、異なる平面上の共振器２間の信号を効率的に伝送させるため、共振器２間の結合が強い、閉曲線線路の一部（開放部２１）がオープンとなっている形状、もしくは、スパイラル状（螺旋状）であることが好ましい。例えば、図５に示されるようなＵ字状や、図６に示されるようなスパイラル状でもよい。

スパイラル状の共振器を用いる場合、占有面積に対して線路長が長くなるため、共振器の占有面積を減らすことができる。なお、占有面積を減らしたとしても、共振器間の距離を狭くする必要はない。共振器間の結合を劣化させる主原因は不要モードによる電磁エネルギーの散逸であり、それは、共振器面間の距離で決まり、占有面積の大きさとは直接関係がない。そのため、共振器間の結合の強さを維持するために、共振器間の距離を狭くする必要がない。

また、共振器２は、線路長が伝送信号波長の１／２の奇数倍であり、その両端部同士が近いことが好ましい。具体的には、両端部同士の距離（すなわち、開放部２１の幅）は、信号波長の１／４以下であることが望ましい。これにより、不要な電磁波の輻射を防止することができ、より一層共振器間の結合を強くすることができる。

例えば、図５のようにＵ字状であれば、端部同士が接近しているため、外部への不要輻射を防ぎ、かつ、他方の共振器との位相関係を一致させることができる。また、図６に示されるように、両端部が中心軸から同じ方向に位置するスパイラル状の共振器であっても、端部同士が接近しているため、外部への不要輻射を防ぎ、かつ、他方の共振器との位相関係を一致させることができる。

（変形例２）
上記説明では、２つの共振器２ａ・２ｂが異なる基板１０ａ・１０ｂ上に形成され、共振器２ａ・２ｂが形成された面が対向するように基板１０ａ・１０ｂを配置し、当該基板１０ａ・１０ｂ間にスペーサ板５を挟む構造とした。しかしながら、本実施形態の高周波信号伝送装置の構成はこれに限られるわけではなく、結合する２つの共振器２ａ・２ｂが異なる平面上に配置されていればよい。

例えば、図７に示されるように、２つの共振器２ａ・２ｂが１つの基板１０の表面および裏面上に形成されており、一方の共振器２ａから他方の共振器２ｂに伝送信号を無線伝送することもできる。この場合、基板１０が共振器間に位置するスペーサ板５としても機能している。なお、図７に示す高周波信号伝送装置の場合、両面目合わせ方式のマスクアライナーを用いて製造すればよい。

もしくは、図８に示されるように、２つの共振器２ａ・２ｂがそれぞれ異なる基板１０ａ・１０ｂ上に形成されており、一方の基板１０ｂの共振器２ｂが形成されている面と、他方の基板１０ａの共振器２ａが形成されていない面とが対向するように、両基板１０ａ・１０ｂを配置してもよい。この場合、２つの共振器２ａ・２ｂ間には、基板１０ａがスペーサ板５として配置することとなる。

また、図８に示されるように、本実施形態に係る高周波信号伝送装置を複数用いて、３以上の基板上に形成された回路を、無線接続することもできる。図８では、同一平面上に並べた異なる２つの基板１０ｂ・１０ｃ間を、２つの共振器２ａ・２ａ’および入出力線路３ａが形成された接続用の基板１０ａで接続する例である。基板１０ａ上では、２つの共振器２ａ・２ａ’が入出力線路３ａで接続されている。そして、共振器２ａが基板１０ｂ上の共振器２ｂと結合可能な位置に配置され、共振器２ａ’が基板１０ｃ上の共振器２ｃと結合可能な位置に配置される。これにより、基板１０ｂ上の信号は、共振器２ｂ→共振器２ａ→共振器２ａ’→共振器２ｃと伝送される。

図８のような構成の具体例は次のようなものが考えられる。すなわち、下側の基板１０ｂ・基板１０ｃ上には、６０ＧＨｚ帯の信号を用いる超高速ＬＳＩ（例えば、シリコンＶＬＳＩ）が搭載されており、上側の基板１０ａが例えばガラス板であり、その両端に共振器２ａ・２ａ’を置き、共振器２ａ・２ａ’を入出力線路３ａで接続しただけの構造である。このように、上側の基板１０ａ上には、超高速ＬＳＩを搭載した基板１０ｂ・１０ｃに対し、多数の共振器２ａ・２ａ’と入出力線路３ａを配置する。これにより、超高速ＬＳＩ間の信号結線が可能となる。さらに、６０ＧＨｚ帯の場合、互いに結合する共振器は、後述するように、０．１ｍｍ程度の位置合わせ誤差が許されるので安価に製造することができる。なお、最近の組み立てロボットでは２０μｍの精度で位置あわせができている。

また、図８を上下反転し、共振器２と伝送線路のみからなる基板に多数の共振器と線路を形成することで高速ＬＳＩの実装基板が作成できる。その際はＤＣ電源のみをフリップチップなどの直接的な金属接続で形成すればよい。

また、共振器２からなる基板を複数枚組み合わせることで、多層配線が形成できる。この場合、図３３に示されるように、同一箇所に１８０度回転したオープンリング状の共振器２（２−１〜２−４）を交互に積み重ね、最上部と最下部の共振器２（２−１、２−４）に入出力線路３（３−１、３−４）を接続する。この構成にすることで、厚みのある基板の上下の面間に信号を伝搬させることが出きる。この方法を用いれば、複数の薄い絶縁基板に対し、高周波信号伝送装置１の部分以外に金属配線パターンを置かないことで等価的に厚い絶縁膜とし、高周波信号伝送装置１以外での上下基板間の信号干渉を避けることができる。

なお、共振器間には必ずしもスペーサ板が必要ではなく、空気のみが存在する構成であってもよい。

（変形例３）
上記説明では、共振器２が形成される基板１０の一例として絶縁体であるサファイアを挙げた。しかしながら、基板１０の材料はこれに限られるものではない。例えば、シリコンであってもよい。ただし、シリコンはある程度の導電性を有するため、共振器２で発生した電磁波がシリコン基板に電流を発生させジュール損を引き起こす。この損失を防止するためには、シリコン基板を薄層化する方法、重金属等で半絶縁性にする方法がある。ただし、シリコン集積回路技術において容易に実現できる以下の方法が好ましい。

すなわち、図９に示されるように、シリコンの基板１０上に、例えば銅や金などの金属膜１１を蒸着し、当該金属膜１１を接地する。次に、金属膜１１上に絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）１２を積層し、その上に共振器２、入出力線路３および接地電極４を形成する。なお、絶縁膜１２の形成方法としては、ＣＶＤ法などを用いればよい。

シリコンの基板１０と共振器２との間に金属膜１１が形成されているため、共振器２で発生した電磁波が基板１０に吸収されることを防止することができる。

なお、共振器２と金属膜１１との間に薄い絶縁膜１２を形成しているため、共振器２と金属膜１１との静電容量が大きくなるが、後述するように、共振器２における入出力線路３の取り付け位置２２を調整することで、入出力線路３と共振器２とのインピーダンス整合が可能となる。

（シミュレーション結果）
（スペーサ板がサファイアの場合）
図１０（ａ）は、３次元電磁界シミュレーション（使用ソフト：アンソフト社製「ＨＦＳＳ」）を行った高周波信号伝送装置１の斜視図を示す。図１０（ｂ）は、当該高周波信号伝送装置１の断面図を示す。図１０（ａ）（ｂ）に示されるように、金属膜、サファイアの基板１０、共振器２、サファイアのスペーサ板５、共振器２、サファイアの基板１０、金属膜がこの順に積層された高周波信号伝送装置１についてのシミュレーションを行った。なお、共振器２は、伝送信号の半波長の線路長を有しており、図１０（ｃ）に示されるようにオープンリング状である。なお、６０ＧＨｚ付近において結合するように共振器２の設計を行い、シミュレーションを行った。具体的には、オープンリング状の共振器２の外径Ｄ＝０．２４ｍｍ、線路幅ａ＝０．０４５ｍｍ、共振器２の両端部のギャップ（すなわち、開放部２１の幅）ｐ＝０．０２ｍｍ、基板１０およびスペーサ板５の材料を全てサファイアと想定し、厚さ及び比誘電率をそれぞれ０．２ｍｍ、１０とした。

また、入出力線路３にはコプレーナ線路（特性インピーダンス５０Ω）を用いるものとした。

入出力線路３および共振器２のインピーダンス整合は、共振器２への入出力線路３の取り付け位置２２により調整を行うことが可能である。図１１は、入出力線路３および共振器２における、オープンリング状の共振器２の中心点と開放部２１とを結ぶ線と、当該中心点と取り付け位置２２とを結ぶ線とのなす取り付け角度θ_１（図２参照）が１８度、２８度、３８度のときのＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。

なお、高周波信号の伝送効率を示す指標Ｓ２１は、第２信号端子（ここでは、結合する２つの共振器２の一方）で受け取る第１信号端子（ここでは、他方の共振器２）から出た信号の割合で、デシベル（ｄＢ）単位で表される。１００％とは０ｄＢであり、損失があると負の値となる。また、もう１つのパラメータとしてＳ１１がある。Ｓ１１は、第１信号端子の信号が再び第１信号端子へ戻る率であり、その分Ｓ２１は減少する。高周波信号伝送装置としては、所望の帯域に置いて指標Ｓ２１が限りなく１に近く、Ｓ１１はできるだけ小さい方が好ましい。

図１１に示されるように、取り付け角度θ_１が２８度のときに、Ｓ２１が最もよくなることがわかる。すなわち、取り付け角度θ_１＝２８度のときに、インピーダンス整合が取れている。このように、入出力線路３と共振器２とのインピーダンス整合は、入出力線路３を共振器２に取り付ける取り付け位置２２によって調整可能である。なお、最適な取り付け角度θ１は、各種のパラメータによって変動する。

図１２は、インピーダンス整合の調整を行った高周波信号伝送装置１（すなわち、取り付け角度２８度に設定されたもの）のＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２に示されるように、５７〜６１ＧＨｚにかけて共振しており、Ｓ１１は、５９．５ＧＨｚでピーク値となった。その時の値は、Ｓ２１＝−０．１６ｄＢ（伝送効率約９７％）、Ｓ１１＝−２６ｄＢであり、ほぼ不要な放射なく伝送できることがわかる。伝送効率５０％となる周波数帯域（以下、伝送帯域という）は、５７〜６１ＧＨｚであり、中心周波数の７％を確保している。

上記設定条件においてスペーサ板５の厚み、すなわち、共振器２間の距離を変化させたときのシミュレーションを行った。図１３は、６０ＧＨｚの伝送信号の指標Ｓ１１、Ｓ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３に示されるように、スペーサ板５の厚み、すなわち、共振器２間の距離が大きくなるにつれて、Ｓ２１が低下することがわかる。特に、スペーサ板５の厚みが０．２５ｍｍを超えると、低下率が大きくなる。一方、Ｓ１１は、スペーサ板５の厚みに拘わらず、小さい値である。そのため、共振器２間の距離が大きくなるにつれ、伝送信号の一部が空中に放出されていることがわかる。なお、６０ＧＨｚの伝送信号のサファイア中での波長は、約１．６７ｍｍである。そのため、共振器２間の距離は、共振器２間の媒質中での波長の０．２５／１．６７＝約０．１５倍以下とすることが好ましい。

（スペーサ板が樹脂膜の場合）
次に、図１４に示されるように、共振器２間に挿入するスペーサ板５をサファイアではなく誘電率２程度のビニール系のシート（厚さ０．０２ｍｍ〜０．０６ｍｍ）にし、その他の条件を図１０（ａ）〜（ｃ）と同条件としたときのシミュレーションを行った。図１５〜１７はシミュレーション結果を示すグラフであり、図１５はスペーサ板５の厚み０．０２ｍｍ、図１６は厚み０．０４ｍｍ、図１７は厚み０．０６ｍｍのときである。ビニール系のシートであるスペーサ板５の厚みが０．０２ｍｍの場合、伝送効率５０％となる伝送帯域は、３５〜９０ＧＨｚにまで広がることがわかる。また、スペーサ板５の厚みを０．０６ｍｍとしても、伝送帯域幅は３３ＧＨｚもあり、高周波信号伝送装置１として十分に機能させることができる。

共振器２間の結合の強さは、共振器２間の電束密度に依存するため、〔共振器２間の距離〕／〔共振器２間に充填される物質の誘電率〕 によって変化する。すなわち、共振器２間の距離が小さく、共振器２間に充填される物質（ここでは、スペーサ板５）の誘電率が大きいほど、結合が強くなる。そして、共振器２間の結合が強くなると、共振器２間で伝送される信号の伝送効率が５０％以上となる伝送帯域が大きくなる。

ただし、高周波信号伝送装置の場合、予め伝送信号の周波数がわかっており、当該伝送信号が伝送可能な伝送帯域を確保できる範囲で、共振器２間の距離を長くすることができる。

（基板が導電性の場合）
次に、図１８に示されるような、導電性を有するシリコン基板上に、金属膜、シリコン酸化膜（３μｍ）、共振器、サファイア基板（０．１ｍｍ）、共振器、シリコン酸化膜（３μｍ）、金属膜をこの順に積層した高周波信号伝送装置１について、シミュレーションを行った。なお、共振器の形状は、図１０（ｃ）、外径Ｄ＝０．２４ｍｍ、線路幅ａ＝０．０４５ｍｍ、共振器２の両端部のギャップｐ＝０．０２ｍｍである。図１９は、図１８の構造を有する高周波信号伝送装置１におけるＳ１１、Ｓ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。図１９に示されるように、シリコン基板を用いたとしても、共振器間距離０．１ｍｍであっても、伝送帯域幅２ＧＨｚで効率的に信号を伝送することができる。

図２０は、２つのシリコン酸化膜の厚みを変化させたときの、共振器の共振周波数と共振器間の結合係数ｋを示すグラフである。図示されるように、シリコン酸化膜が薄くなると、共振器間の結合係数が小さくなる。これは、シリコン酸化膜が薄くなると、共振器と金属膜との結合が強くなる、その分だけ共振器間の結合が弱くなるためである。したがって、共振器間の結合を強くし、共振器間の距離をなるべく長くしたい場合には、シリコン酸化膜の厚みを厚くすればよい。

図２１および図２２は、スペーサ板５として誘電率３．６の樹脂膜を用いた場合の高周波信号伝送装置の断面図とＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図２１は樹脂膜の厚みが０．０２ｍｍ、図２２は樹脂膜の厚みが０．００３ｍｍの場合である。図２１および図２２に示されるように、樹脂膜の厚みが薄くなるにつれて、伝送効率５０％となる伝送帯域が拡大することがわかる。

（中心軸をずらした場合）
上記の各シミュレーションは、結合する２つの共振器の中心軸が同一となるように両共振器が重なり合うものとして行った。しかしながら、共振器の相対位置は、製造上の組み立て精度によってずれる可能性がある。そこで、２つの共振器の各々の中心軸がずれた場合のシミュレーションを行った。

図２４（ａ）および（ｂ）は、両共振器の中心軸が一致しているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、図２４（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、図２４（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。なお、共振器間の距離以外の条件は、図１０（ａ）（ｂ）に示した構造と同一とし、共振器２の外径Ｄ＝０．２４ｍｍ、線路幅ａ＝０．０４５ｍｍ、共振器２の両端部のギャップ（すなわち、開放部２１の幅）ｐ＝０．０２ｍｍとした。両共振器の開放部は中心軸に対して対称な位置にある。

次に、共振器の中心点と開放部とを結ぶ方向（Ｘ方向）に共振器をずらしたときの結果を説明する。ここでは、図２５に示されるように、両共振器間の中心軸が一致しているときをＸ方向のずれ量ｘ＝０とし、各共振器の開放部が近づく方向をずれ量ｘをプラスで表し、各共振器の開放部が離れる方向のずれ量ｘをマイナスで表すこととする。図２６は、ずれ量ｘ＝１００μｍのときの両共振器の上面図であり、互いの開放部が近づいていることがわかる。

図２７（ａ）および（ｂ）は、両共振器の中心軸がＸ方向にずれ量ｘ＝１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、図２７（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、図２７（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。一方、図２８（ａ）および（ｂ）は、両共振器の中心軸がＸ方向にずれ量ｘ＝−１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、図２８（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、図２８（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。

図２７（ａ）（ｂ）および図２８（ａ）（ｂ）に示されるように、開放部が近づくように共振器をずらした場合であっても、伝送効率の低下はほとんどないことがわかった。一方、開放部が離れるように共振器をずらした場合、伝送効率の低下が発生する。ただし、ずれ量ｘ＝−１００μｍであっても、中心周波数の伝送効率は５０％以上が得られることがわかった。

続いて、Ｘ方向に垂直なＹ方向に共振器をずらしたときの結果を説明する。図２９は、Ｙ方向のずれを示す図であり、図中の２つの共振器は、Ｙ方向のずれ量ｙ＝−１００μｍのときの相対位置関係を示している。また、図３０は、ずれ量ｙ＝１００μｍのときの両共振器の上面図である。

図３１（ａ）および（ｂ）は、両共振器の中心軸がＹ方向にずれ量ｙ＝１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、図３１（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、図３１（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。一方、図３２（ａ）および（ｂ）は、両共振器の中心軸がＹ方向にずれ量ｙ＝−１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、図３２（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、図３２（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。

図３１（ａ）（ｂ）および図３２（ａ）（ｂ）に示されるように、Ｙ方向に中心軸がずれることで、伝送効率の低下が見られるか、Ｙ方向に±１００μｍずれたとしても、中心周波数の伝送効率は５０％以上が得られることがわかった。

以上のように、図２７（ａ）および（ｂ）の結果から、Ｘ方向のずれ量０〜１００μｍにおいて伝送効率の差がほとんどなかった。そのため、各共振器の中心軸は、一致する、もしくは、一致する位置から当該両共振器の端部同士が近づく方向にずれていることが好ましい。また、図２７の結果から、Ｘ方向のプラス側のずれに対する許容度が大きいといえる。そのため、両共振器の各中心軸は、一致する位置から各共振器の開放部が互いに近づく方向にずれた位置を製造目標値として設定することが好ましい。これにより、製造上の位置ずれに対して、特性変動を最小限に抑えることができる。

（適用例）
次に、本実施形態の高周波信号伝送装置の適用例について説明する。

（適用例１）
ミリ波無線通信では、アンテナは低コストのプラスチック製、信号増幅部は高出力が増幅可能な窒化ガリウム系ＦＥＴによる集積回路、信号処理部はシリコンＣＭＯＳ ＩＣという構成が理想的である。近年、微細化によりシリコンＣＭＯＳでも６０ＧＨｚ級の高周波信号が生成されるようになっている。しかし、微細化のために出力電圧が低く、通信に使うには信号電力が小さいという欠点があった。

しかしながら、シリコンＶＬＳＩで生成されるデジタル信号を６０ＧＨｚ帯の高周波信号に変調し、これを本実施形態の高周波信号伝送装置を用いて、窒化ガリウム系ＦＥＴによる集積回路へ伝送し、増幅させる。そして、本実施形態の高周波信号伝送装置を用いて、増幅した高周波信号をプラスチック製のアンテナへ導くことで、極めて低コストのミリ波無線通信が実現できる。

なお、本実施形態の高周波信号伝送装置では、２つの共振器のそれぞれの共振周波数を、伝送される高周波信号の周波数に合わせる必要があるが、線路が形成される基板や、共振器間の膜の材質に従って、共振器の大きさを変えることで共振周波数を伝送信号の周波数に合わせることができる。

また、両共振器２は、結合を強くするために、できるだけ中心軸が合い、開放部２１が９０度以上ずれることが好ましい。そのため、シリコンＣＭＯＳ ＩＣ、窒化ガリウム系ＦＥＴによる集積回路、アンテナを精度よく配置する必要がある。ただし、上述したシミュレーション結果から、０．１ｍｍ程度のずれであっても、伝送効率や伝送帯域に変化を起こしにくいことがわかっている。そのため、シリコンＣＭＯＳ ＩＣ、窒化ガリウム系ＦＥＴによる集積回路、アンテナの微細なアライメントを行わなくても十分な伝送効率が得られるので、これらの実装も容易に実現できる。

（適用例２）
デジタルＬＳＩにおいては、半導体チップ内で数１０ＧＨｚの信号を発生することができるが、従来のボンディングパッドやボンディングワイアを使用すると反射や輻射のため、当該信号を半導体チップの外に取り出すことができなかった。しかしながら、本実施形態の高周波信号伝送装置１を用いれば、半導体チップで発生した高周波信号を、損失なく、回路基板間で高周波信号を伝送する際に使用することができる。

伝送する信号周波数が６０ＧＨｚである場合、共振器のサイズは、約０．４ｍｍ角程で作成される。そのため、４ｍｍ×４ｍｍ程度のチップあたり、１０個以上の共振器２を配置することができる。例えば、伝送帯域が５ＧＨｚであると、１本の線路で５Ｇｂｐｓ、あるいは、８ｂｉｔ幅のデジタル信号を６００Ｍｂｐｓで伝送することができる。

なお、共振器をスパイラル状にすることで、共振器のサイズを一層小さく（オープンリング状の共振器の約１／２）することもできる。

（適用例３）
セラミック基板上にＤＣ電源線とミリ波の伝送線路を作成する。ミリ波の伝送線路には平面回路で分配器を設け、端部にオープンリング状の共振器を設ける。このような基板をビニール系の薄膜で覆い、その上にやはりオープンリング状の共振器を持ったＬＳＩチップを裏返しに設置する。このとき、ミリ波の伝送線路の端部に設けられた共振器と、ＬＳＩチップに設けられた共振器とは、中心軸が一致し、互いの開放部が中心軸に対して対称となるように配置する。これにより、両共振器が高周波信号伝送装置を構成し、両共振器間で１０Ｇｂｐｓ以上の信号を伝送させることができる。ＤＣ電源部は、ビニールに穴を開け通常のフリップチップボンディングを使う。また伝送効率が高いことから、高周波信号をチップに送ってそこで整流してＤＣ電源化することも可能である。このような実装技術は信号の高周波化が可能であるばかりでなく、接触不良や断線が起こらないので高信頼システムが実現できる。

（適用例４）
本実施形態の高周波信号伝送装置は、チップの動作確認をするＩＣテスターにも利用できる。特開２００６−１０５６３０には磁界結合（誘導結合）によるこのような応用が出ているが、伝送効率が高くないため、プローブとなる伝送装置の近くに信号増幅回路を設置する必要がある。しかしながら、本実施形態の高周波信号伝送装置は、通常のインピーダンス線路や同軸ケーブルで殆ど損失や混信無く信号を伝送できるので、周辺回路が大幅に簡略化される。すなわち、図８に示すような構成で、光配線と同様な受動部品のみによる配線が、集積回路技術のみで実現可能である。

（適用例５）
本実施形態の高周波信号伝送装置は、送電装置から受電装置への電力伝送の用途にも使用することができる。なお、従来の電力伝送の技術としては、特開２００６−１７４６７６や特開２０００−３４２８５５などが知られている。しかしながら、本実施形態の高周波信号伝送装置を用いることで、従来技術に比べて効率的な電力伝送を行うことができる。

図２３に示されるように、電力供給側の送電装置４０は、電源４１と、マイクロ波またはミリ波の信号発生ユニット４２と、第１のオープンリング共振器４３と、当該信号発生ユニットで発生された高周波信号を当該第１のオープンリング共振器４３に入力するための第１の入出力線路４４とを備える。

一方、電力受信側の受電装置５０は、上記第１のオープンリング共振器４３と電磁結合可能な第２のオープンリング共振器５２と、当該第２のオープンリング共振器５２が第１のオープンリング共振器４３から受けた高周波信号をインピーダンス変換して高電圧にし、ダイオードにて整流する整流回路５１と、当該整流回路５１および当該第２のオープンリング共振器５２を接続する第２の入出力線路５３とを備える。

ここで、第１のオープンリング共振器４３、第２のオープンリング共振器５２、第１の入出力線路４４および第２の入出力線路５３は、図１に示した共振器２ａ・２ｂおよび入出力線路３ａ・３ｂと同構造である。

ここで、送電装置４０の第１のオープンリング共振器４３と、受電装置５０の第２のオープンリング共振器５２とを、所定の距離だけ離れた状態で対向させるように配置する。このとき、両共振器４３・５２の中心軸が同一で、かつ、開放部が中心軸に対して１８０度ずれた位置となるように配置する。これにより、第１のオープンリング共振器４３、第２のオープンリング共振器５３、第１の入出力線路４４および第２の入出力線路５３が、高周波信号伝送装置１として構成される。その結果、第１のオープンリング共振器４３と第２のオープンリング共振器５２とが電磁結合し、送電装置４０の信号発生ユニット４２で発生された高周波信号を受電装置５０に伝送することができる。そして、受電装置５０は、伝送された高周波信号をインピーダンス変換して高電圧にし、整流することで直流を得ることができる。

図１３に示したシミュレーション結果から、共振器間の距離が共振器間の媒質中での波長の約０．１５倍以下であれば、高い伝送効率で信号を伝送することができる。

信号発生ユニット４２で発生させる信号周波数を３００ＭＨｚとした場合（波長＝１ｍ：媒質 空気）が、第１のオープンリング共振器４３と第２のオープンリング共振器５２間が空気であっても、両共振器間の距離２０ｃｍで効率的に信号を転送することが可能である。そのため、例えば、送電装置４０を地面に設置し、受電装置５０を車両に設置することにより、地面から車両に電力を送ることができる。

また、信号発生ユニット４２で発生させる信号周波数を１０ＧＨｚとした場合（波長＝３ｃｍ：媒質 空気）、第１のオープンリング共振器４３と第２のオープンリング共振器５２間が空気であっても、両共振器間の距離約５ｍｍでも効率的に信号を転送することが可能である。そのため、例えば、各種電化製品（例えば、電気カミソリやノートパソコン）の充電システムに適用することができる。

以上のように、本実施形態に係る高周波信号伝送装置１は、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上の回路間で高周波信号を伝送する装置である。そして、両平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上に、閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有する共振器２と、当該共振器２に接続され、当該共振器２に対して高周波信号の入出力を行う入出力線路３とが形成されており、上記両平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上に形成された共振器２同士を電磁結合させて、高周波信号を伝送させる。

なお、共振器２と入出力線路３とのインピーダンス整合は、当該共振器２と当該入出力線路３との取り付け位置（接続位置）２２によって調整可能である。そして、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上に形成された共振器２同士が電磁結合される。このとき、共振器２は閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有しているため、共振器２間の結合が強くなる。そのため、共振器２間の距離をある程度広くしても、共振器２間で高周波信号を効率的に伝送させることができ、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上の回路間での干渉を低減させることもできる。

このように、上記の構成にすることにより、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上の回路間を、無駄なく効率的に高周波信号を伝送することが可能な高周波信号伝送装置１を実現することができる。

さらに、共振器２の線路長が、伝送される高周波信号の波長の１／２の奇数倍である。これにより、共振器２と共振波長が適合する。さらに、共振器２の線路長が高周波信号の波長の１／２であるため、共振器２の線路の両端部の電位が逆相となる。そして、共振器２が閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有しているため、両端部間の距離が近く、共振器２から外部への電磁波の輻射を防止することができる。これにともない、共振器２間の伝送効率を高くすることができる。

さらに、両平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上に備えられた共振器２の中心軸は、一致する、もしくは、一致する位置から当該両共振器の端部同士が近づく方向にずれていることが好ましい。これにより、高周波信号を効率的に伝送することができる。

さらに、一方の共振器２ａおける開放部２１ａ（共振器２ａの端部ともいえる）と中心点とを結ぶ線と、他方の共振器２ｂにおける開放部２１ｂ（共振器２ｂの端部ともいえる）と中心点とを結ぶ線とのなす角度が９０度以上であることが好ましい。

上記の構成によれば、電磁結合する２つの共振器間の結合が一層強くなる。その結果、共振器間の距離の制約、もしくは、共振器間の媒質の制約が緩くなる。すなわち、共振器間の距離を長くすることができたり、共振器間の媒質として比較的誘電率の低い物質を用いることができる。なお、上記角度は１８０度であることが最も好ましい。

さらに、両平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上に備えられた共振器２間の距離が、伝送される高周波信号の共振器２間の媒質における波長の０．１５倍以下であることが好ましい。

共振器２間の距離が上記高周波信号の共振器２間の媒質における波長の０．１５倍を超えると、不要な輻射が発生し、共振器２間の伝送効率が低下することがわかった。そのため、上記の構成にすることで、高い伝送効率を実現することができる。

なお、高周波信号の共振器２間の媒質における波長の０．１５倍とは、例えば、共振周波数６０ＧＨｚで共振器２間の媒質がサファイアの場合、約０．２５ｍｍである。この程度の距離であれば、異なる平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ上の回路の干渉は大きな問題にはならない。

さらに、少なくとも一方の平面上の共振器２が導電性の基板１０上に形成されているとき、基板１０上に、金属膜１１、絶縁膜１２、共振器２がこの順で積層されていることが好ましい。共振器２と基板１０との間に金属膜１１が存在するため、共振器２で発生した電磁波が基板１０に吸収されることを防止することができる。

なお、高周波信号伝送装置１は、次のような構成をとってもよい。すなわち、両平面Ｐ−ａ・Ｐ−ｂの各々は、異なる基板１０の表面であり、両基板１０上に形成された共振器２が互いに対向するように当該両基板１０が配置されており、かつ、両基板１０間に絶縁性のシート（スペーサ板）５を挟んでいる。または、一方のオープンリング共振器４３が電力を送信する送電装置４０に備えられており、他方のオープンリング共振器５２が当該電力を受信する受電装置５０に備えられている構成であってもよい。このような様々な適用が考えられる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

異なる平面上の回路間で高周波信号を伝送するシステムに適用することができ、集積回路や電力伝送の用途にも適用できる。

本実施形態に係る高周波信号伝送装置の構成を示す斜視図である。 共振器および入出力線路を示す上面図である。 図１に示す高周波信号伝送装置の縦断面図である。 各共振器の開放部と中心軸とを結ぶ線のなす角度θ_２を変えたときの、共振器間の結合係数（右軸）および共振周波数（左軸）を示すグラフである。 共振器の変形例の構造を示す図である。 共振器の別の変形例の構造を示す図である。 本実施形態の高周波信号伝送装置の変形例を示す縦断面図である。 本実施形態の高周波信号伝送装置の別の変形例を示す縦断面図である。 本実施形態の高周波信号伝送装置のさらに別の変形例の一部を示す縦断面図である。 （ａ）は、シミュレーションを行った高周波信号伝送装置の構造を示す図であり、（ｂ）は、当該高周波信号伝送装置の断面図、（ｃ）は、該高周波信号伝送装置が備える共振器の構造を示す図である。 取り付け角度によるＳ２１の変化を示すグラフである。 図１０に示す高周波信号伝送装置における伝送効率のシミュレーション結果を示すグラフである。 スペーサ板の厚みを変化させたときの指標Ｓ１１、Ｓ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 スペーサ板を誘電率２程度のビニール系のシートとしたときの高周波信号伝送装置の構造を示す縦断面図である。 スペーサ板を誘電率２程度のビニール系のシート（厚さ０．０２ｍｍ）としたときのＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 スペーサ板を誘電率２程度のビニール系のシート（厚さ０．０４ｍｍ）としたときのＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 スペーサ板を誘電率２程度のビニール系のシート（厚さ０．０６ｍｍ）としたときのＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 シリコン基板を用いた場合の高周波信号伝送装置の構造を示す縦断面図である。 図１８の高周波信号伝送装置における、Ｓ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１８に示す高周波信号伝送装置において、シリコン酸化膜の厚みを変化させたときの共振周波数および共振器間の結合係数を示すグラフである。 スペーサ板として誘電率３．６の樹脂膜（厚み０．０２ｍｍ）を用いた場合の高周波信号伝送装置の断面図とＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 スペーサ板として誘電率３．６の樹脂膜（厚み０．００３ｍｍ）を用いた場合の高周波信号伝送装置の断面図とＳ１１およびＳ２１のシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施形態の高周波信号伝送装置を適用した電力伝送システムの構成を示すブロック図である。 両共振器の中心軸が一致しているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。 Ｘ方向のずれを示す図である。 Ｘ方向のずれ量ｘ＝１００μｍのときの両共振器の上面図である。 両共振器の中心軸がＸ方向に１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。 両共振器の中心軸がＸ方向に−１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。 Ｙ方向のずれを示す図である。 Ｙ方向のずれ量ｙ＝１００μｍのときの両共振器の上面図である。 両共振器の中心軸がＹ方向に１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。 両共振器の中心軸がＹ方向に−１００μｍずれているときの伝送効率のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は、共振器間の厚みが０．１ｍｍ、（ｂ）は、共振器間の厚みが０．２ｍｍのときのグラフである。 本実施形態の高周波信号伝送装置のさらに別の変形例の一部を示す斜視図である。

符号の説明

１ 高周波信号伝送装置
２（２ａ・２ａ’・２ｂ・２ｃ） 共振器
３（３ａ・３ｂ・３ｃ） 入出力線路
４（４ａ・４ｂ・４ｃ） 接地電極
５ スペーサ板
１０（１０ａ・１０ｂ） 基板
１１ 金属膜
１２ 絶縁膜
２１（２１ａ・２１ｂ） 開放部
２２ 取り付け位置（接続位置）
Ｐ−ａ・Ｐ−ｂ 平面

Claims (10)

1. 異なる平面上の回路間で高周波信号を伝送する高周波信号伝送装置であって、
   上記両平面上に、閉曲線線路の一部が開放部として開放されたオープンリング構造を有する共振器と、当該共振器にインピーダンス整合が可能な取り付け位置で接続され、当該共振器に対して高周波信号の入出力を行う入出力線路とが形成されており、
   上記両平面上に形成された共振器同士を電磁結合させて、高周波信号を伝送させ、
   一方の共振器における開放部と中心点とを結ぶ線と、他方の共振器における開放部と中心点とを結ぶ線とのなす角度が９０度以上であることを特徴とする高周波信号伝送装置。
2. 上記共振器の線路長が、上記高周波信号の波長の１／２の奇数倍であることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
3. 上記両平面上に備えられた各共振器の中心軸は、一致する、もしくは、一致する位置から当該両共振器の開放部同士が近づく方向にずれていることを特徴とする請求項２に記載の高周波信号伝送装置。
4. 上記角度が１８０度であることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
5. 上記両平面上に備えられた共振器間の距離が、上記高周波信号の共振器間の媒質における波長の０．１５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
6. 少なくとも一方の上記平面上の共振器が導電性の基板上に形成されているとき、
   上記基板上に、金属膜、絶縁膜、上記共振器がこの順で積層されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
7. 上記両平面の各々は、異なる基板の表面であり、
   両基板上に形成された上記共振器が互いに対向するように当該両基板が配置されており、かつ、両基板間に絶縁性のシートを挟んだことを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
8. 上記共振器と当該共振器に接続される上記入出力線路とのインピーダンス整合が、当該共振器と当該入出力線路との接続位置によって調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
9. 一方の上記共振器が電力を送信する送電装置に備えられており、他方の上記共振器が当該電力を受信する受電装置に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の高周波信号伝送装置。
10. 異なる平面上の回路間で高周波信号を伝送する高周波信号伝送装置であって、
    上記両平面上に、閉曲線線路の一部が開放された構造もしくはスパイラル構造を有する共振器と、当該共振器に接続され、当該共振器に対して高周波信号の入出力を行う入出力線路とが形成されており、
    上記両平面上に形成された共振器同士を電磁結合させて、高周波信号を伝送させ、
    少なくとも一方の上記平面上の共振器が導電性の基板上に形成されているとき、
    上記基板上に、金属膜、絶縁膜、上記共振器がこの順で積層されていることを特徴とする高周波信号伝送装置。
    

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