JP2006050657A - 通信デバイスおよび通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 個別の配線を形成することなく、複数の素子が信号を中継することにより信号を伝達する通信装置を提供する。
【解決手段】 本発明による通信デバイス３００は、第１信号層２０および第２信号層３０と、これらの層に電磁的に接続する通信素子と、これらの層の間に配置される誘電層を備える。通信素子は、第１信号層２０にコンデンサ８０を介して接続する。コンデンサ８０により、駆動回路８２の出力インピーダンスのリアクタンス成分を低減することができ、通信素子の電極を小さく構成することが可能となる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、信号を伝達する通信装置および信号の伝達を実現するための通信デバイスに関し、特に複数の通信デバイスを用いて信号の伝達を行う通信技術に関する。

ＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）などの通信ネットワークにおいて、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどにより接続されている。これらの通信端末は、ネットワーク中のアドレスを指定することにより、所望の通信端末に信号を伝達する。従来のネットワークは、通信端末同士を有線にて接続することが一般であり、近年では、これを無線で接続するシステムも提案されている。例えば、移動デバイスであるノードの全てが所定の伝送半径をもち、ノード間で無線通信を行うアドホックネットワークが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２６８１２７号公報

通信ネットワークや実装基板においては端末や素子などを個別配線により物理的に接続しているため、仮に配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。

そこで本発明は、このような従来の問題を解決するべく、通信装置および通信デバイスに関する新規な通信技術、さらには電力供給技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、信号を伝達する通信デバイスであって、グランド層および電源層と、グランド層および電源層に電磁的に接続する通信素子と、グランド層および電源層の間に積層された誘電層および信号層を備え、通信素子は、信号層にコンデンサを介して接続する通信デバイスを提供する。通信素子は、誘電層に、電場または電磁場を発生させることにより信号を発信することが好ましい。通信デバイスは、信号層に対してグランド層または電源層を接続する駆動回路をさらに備え、コンデンサは、駆動回路の出力インピーダンスのリアクタンス成分を低減するように容量を設定されることが好ましい。またコンデンサは、駆動回路の出力インピーダンスを抵抗成分とするように容量を設定されてもよい。

本発明の別の態様は、複数の通信素子が分散配置され、各通信素子は第１信号層、誘電層および第２信号層に電磁的に接続しており、誘電層は第１信号層と第２信号層の間に配置され、各通信素子は、第１信号層にコンデンサを介して接続し、第１信号層および第２信号層の間で電流を流すことにより、信号を発信することを特徴とする通信装置を提供する。

本発明のさらに別の態様は、信号を伝達する複数の信号層が形成され、２つ以上の信号層に接続して当該２つ以上の信号層間における信号の送受信を行う複数の通信素子が設けられる通信装置を提供する。通信素子は、自身が接続する信号層内に設けられた通信素子との間で信号を送受信してもよい。また通信素子が、自身が接続する信号層内に設けられた通信素子から信号を受信し、自身が接続する他の信号層内に設けられた通信素子に信号を送信することにより、信号を所期の信号層まで順次伝達するようにしてもよい。各信号層は識別番号を有し、信号の伝達は、信号層の識別番号を利用して実現してもよく、また各通信素子は、自身が接続する信号層ごとに、信号層内のローカルな識別番号を有し、信号層内の信号の伝達は、ローカルな識別番号を利用して実現してもよい。

この態様の通信装置において、少なくとも一つの信号層に基準となる識別番号を設定し、その基準識別番号をもとに、他の信号層の識別番号を順次設定することが好ましい。このとき通信素子は、自身が接続する信号層の識別番号を含んだ信号を受け取ると、その信号を伝達した信号層の識別番号を設定して保持し、続いて自身が接続する他の信号層の識別番号を設定して、設定した識別番号を含む信号を当該他の信号層に送信してもよい。識別番号は、基準識別番号を設定された信号層に対して、信号層の２次元または３次元の位置を示す座標として表現されてもよい。また通信素子は、データ信号を受け取ると、信号の転送先となる通信素子を特定し、データ信号を受信しながら、そのデータ信号を、転送先となる通信素子に送信できることが好ましい。

なお、本発明の表現を装置、方法、システムまたはプログラムの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、新規な通信デバイスおよび通信装置などを提供することができる。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る通信技術の方式を説明するための図である。図１には、小さな円で示す複数の通信素子が空間内に分散して配置されている状態が示される。各通信素子は、その周辺に配置された他の通信素子に対して信号を伝達する局所的な通信機能を有する。この局所的な通信により隣り合う通信素子間で信号を順次連鎖的に中継し、最終目的地である通信素子まで信号を伝達する。この通信方式を連鎖伝達型の通信方式と呼ぶ。

信号の送信元が通信素子２００ａであり、最終目的地が通信素子２００ｂである場合、連鎖伝達型通信方式によると、信号が通信素子２００ａから通信素子２００ｃおよび２００ｄを介して通信素子２００ｂに伝達される。信号の伝達方法としては、例えば通信素子２００ａが、信号が届く範囲にある周辺の全ての通信素子に信号を伝達し、この信号を受けた全ての通信素子が更に周辺の通信素子に信号を伝達することによって、信号を最終目的地まで同心円状に伝達させてもよい。さらに好ましい方法としては、通信素子２００ａおよび２００ｂ間の経路を予めまたはリアルタイムで設定し、この経路により特定の通信素子のみを介して信号を伝達してもよい。特に後者の方法を採用する場合には、信号伝達に必要な通信素子のみが発信するため、電力消費を少なくすることができ、また他の通信素子の通信に対する干渉を低減することも可能となる。連鎖伝達型の通信方式における信号伝達の方法の一例は後述する。

本発明による通信装置は、空間内に複数の通信素子を配置し、この空間内には通信素子間を物理的に接続するための個別配線が形成されていないことが好ましい。例えば、これらの通信素子は、平坦な導電層または導電性基板、交流信号を伝達可能な電磁作用伝達層などに接続されてもよい。導電層や電磁作用伝達層は、シリコンウェハ上に形成されてもよい。信号の送信は、導電層における電荷の放出により実現されてもよい。ここで通信素子は、チップとして構成されるものに限定されず、本発明の実施の形態において説明する通信機能を備えたものを含む概念であり、その形態および形状は問わない。

各通信素子は、信号の伝達可能な距離（以下、「有効通信距離」とも呼ぶ）を比較的短く設定されていることが好ましい。信号の通信距離を長くすることは、それだけ電力消費量を大きくし且つ通信に寄与しない他の通信素子に対して悪影響を及ぼす可能性がある。連鎖伝達型の通信方式によると、自身の近傍に存在する通信素子に信号を伝達できれば十分であるため、有効通信距離は周辺の通信素子までの平均距離に応じて設定されることが好ましい。

本発明の通信技術は、様々な用途に応用することができる。例えば、ＬＳＩやメモリなどの電子部品（回路素子）に本発明の通信機能をもたせることによって、各電子部品を個別に配線することなく、複数の電子部品を基板実装する技術を提供することが可能である。また、近年、皮膚の感覚を持つロボットの研究が盛んに行われているが、ロボットの触覚センサに本発明の通信機能をもたせ、触覚センサの検知情報をロボットの頭脳コンピュータに送信する技術を提供することも可能である。また建物の床に本発明の通信機能を有するセンサを点在させることにより、一人暮らしの老人の行動を監視したり、留守中の防犯に役立てることも可能である。また、発光素子に本発明の通信機能をもたせることにより、布状の表示装置などを製造することも可能となる。また、タグに本発明の通信機能をもたせることにより、安価で精度のよい情報の読み取りを可能とするタグを作製することも可能となる。さらに無線通信素子に本発明の通信機能をもたせて例えばコンピュータにそれを装備させ、無線通信素子の近傍に相手方のコンピュータの無線通信素子を配置することによって、コンピュータ間の情報の送受信を容易に行うことも可能となる。また自動車の導電性内壁に本発明の通信機能を備えた通信素子を埋め込み、煩わしい個別配線を不要とした通信装置を実現することも可能となる。

この通信技術は、比較的短い距離に配置された通信素子間で信号を伝達するため、距離による信号の減衰および劣化が少なく、高いスループットでノード数によらない高速伝送を可能とする。また空間内に多くの通信素子を分散して配置させることにより、センサなどの所定の機能をもつチップとの情報交換媒体として広範囲の信号伝達領域を実現する。また、通信素子を比較的自由な位置に配置することができるため、簡易な設計により所望の機能を備えた人工皮膚や表示装置などを生成することも可能である。また配線などの基板回路設計を不要とし、少ないプロセスで基板回路を製造することも可能である。通信素子を導電層で挟持する場合には電磁ノイズ放射がなくなるため、特に病院などの公共性の高い場所においてはその有用性が高い。さらに、導電層などに障害が生じた場合であっても、チップ間の経路を再設定することができ、新たな通信経路を確立することができるという自己修復機能もあわせ持つ。

図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる通信装置１００の外観構成の一例を示す。この通信装置１００においては、複数の通信素子２００が２枚の導電層１６および１８によって挟持されている。各通信素子２００は、この２枚の導電層１６および１８に電磁的に接続される。導電層１６および１８は、単層構造を有していても、また多層構造を有していてもよく、この例では二次元的に一面に広がった構成を有している。図２は、通信素子２００が挟持されていることを説明するために、導電層１６と導電層１８とが開いた状態を示す。

例えば、本発明による通信装置１００をロボットの表面を覆う人工皮膚として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料により形成する。可撓性のあるゴム材料で人工皮膚を形成することにより、この人工皮膚はロボットの動作に合せて自在に伸縮することが可能となる。また、個別配線が存在せず、伸縮性のある導電層１６および１８を介して信号を伝達するため、断線などにより通信機能に障害が生じる可能性を低減し、安定した通信能力を提供できる。また本発明による通信装置１００を回路基板として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料で形成することによって、フレキシブルな回路基板を実現することも可能となる。

各通信素子２００は通信機能以外に、さらに他の機能を有していてもよい。通信装置１００をロボットの人工皮膚として応用する場合には、通信素子２００のいくつかが触覚センサとしての機能も有し、外部から受けた刺激を検出した後、他の通信素子と協同して検出した信号を目的の通信素子まで伝達する。また通信装置１００を基板の実装技術として応用する場合には、通信素子２００が、例えばＬＳＩやメモリなどの回路素子としての機能を有してもよい。このように、本明細書において「通信装置」は少なくとも通信機能を有する装置の意味で用い、これに付加した他の機能、例えば人工皮膚としてのセンサ機能や電子回路としての演算機能などを有してもよいことは、当業者に理解されるところである。

図３は、通信素子２００の機能ブロック図である。通信素子２００は、通信部５０、処理部６０およびメモリ７０を備える。通信部５０は、導電層１６および１８（図２参照）を介して、他の通信素子との間で信号の送受を行ってもよい。また、図２に示していないが、通信装置１００は、通信素子２００の周囲に配置されて、導電層１６および１８に挟持される誘電層を備え、通信部５０が、この誘電層に発生する電場または電磁場により他の通信素子２００との間で信号の送受を行ってもよい。処理部６０は、通信素子２００の通信機能を制御する。具体的に処理部６０は、周囲の信号の監視、受信信号の解析や、送信信号の生成および送信タイミングの制御など、他の通信素子２００との間の信号伝達に関する処理を行う。また処理部６０は、センサ機能や演算機能など通信機能以外の他の機能を実現してもよい。メモリ７０は、通信機能や他の機能を実現するために必要な情報を予め記録し、また必要に応じて記録していく。

図４（ａ）は、通信装置１００の断面を示し、局所的通信を実現する通信デバイス３００の構造の一例を説明するための図である。本明細書において「通信デバイス」は、局所的な通信機能を実現する構造の意味で用いる。

この例において通信デバイス３００は、第１信号層２０および第２信号層３０と、第１信号層２０および第２信号層３０に電磁的に接続する通信素子２００と、第１信号層２０および第２信号層３０の間に配置される誘電層２２とを備える。図示のごとく、第１信号層２０および第２信号層３０は、誘電層２２および複数の通信素子２００を挟持する。通信素子２００と誘電層２２は、電磁的に接続する。第２信号層３０は接地されたグランド層であってもよい。

通信デバイス３００は、信号を発信するために、第１信号層２０および第２信号層３０の通信素子２００側の表面から、電荷の吸出しおよび放出を繰り返し、交流電流Ｉを発生させる。層厚などの条件を適宜定めることにより、交流電流Ｉにより発生する電場や電磁場を誘電層２２に閉じ込めることができ、電磁波動を誘電層２２内で２次元放射状に伝達させることができる。第１信号層２０および第２信号層３０に流れる電流は、誘電層２２側の表面付近のみを流れ、第１信号層２０および第２信号層３０の電気伝導率によって、電磁波動の伝達距離がきまる。これらの電気伝導率が大きいほど、減衰は小さく、伝達距離、すなわち有効通信距離が長くなる。

第１信号層２０および第２信号層３０は、金属や導電性ゴム材料などの導体により構成されてよいが、誘電体により構成されてもよい。第１信号層２０および第２信号層３０が誘電体で構成される場合、第１信号層２０および第２信号層３０は、誘電層２２の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料から構成される。これにより、誘電層２２内に電場や電磁場を閉じ込めることが可能となる。なお、第１信号層２０および第２信号層３０は、空気や真空のような構成をとってもよい。

また電場や電磁場を発生させる交流電流Ｉは、均一な電流であってもよいが、変位電流であってもよい。なお電磁場を発生させるために、レーザーやＬＥＤによる光などの電磁波を用いることも可能である。

図４（ｂ）は、局所的通信を実現する通信デバイス３００の構造の別の例を説明するための図である。この例では、通信デバイス３００が、第１信号層２０および第２信号層３０と、第１信号層２０および第２信号層３０に電磁的に接続する通信素子２００と、第１信号層２０および第２信号層３０の間に配置される誘電層２２ａおよび２２ｂと、誘電層２２ａと誘電層２２ｂとの間に配置される導電層２４を備える。通信デバイス３００がこのような構造をとった場合であっても、通信素子２００中に交流電流を発生させることにより、電場または電磁場を利用した通信が可能となる。

図５（ａ）は、実施の形態における通信デバイス３００が信号を発信する基本原理を説明するための図である。通信デバイス３００は、スイッチ２６を交互に切り替えて、第１信号層２０および第２信号層３０の間で電荷の吸出し、放出を行い、交流電流を生じさせることにより、電磁場を発生させる。この電磁場は、第１信号層２０および第２信号層３０に挟持される誘電層２２中を伝わって、近傍に位置する通信デバイス３００まで伝達される。

図５（ｂ）は、通信デバイス３００が信号を発信する原理の別の例を説明するための図である。通信デバイス３００は、一組のスイッチ２６ａおよびスイッチ２６ｂを同時に交互に切り替えることにより、第１信号層２０および第２信号層３０の間に交流電流を発生させ、電磁場を発生させる。

図６は、通信素子２００を備えた通信デバイス３００の具体的な実現例を示す。この通信デバイス３００は、グランド層である第２信号層３０および電源層４４と、第２信号層３０および電源層４４に電磁的に接続する通信素子２００と、第２信号層３０および電源層４４の間に積層された誘電層２２、第１信号層２０、誘電層４３を備える。図示のごとく、第２信号層３０、誘電層２２、第１信号層２０、誘電層４３および電源層４４は、この順に積層される。通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３に、電場または電磁場を発生させることにより信号を発信する。通信素子２００は、第２信号層３０および電源層４４に挟持され、周囲を誘電層２２、第１信号層２０および誘電層４３に囲まれて構成される。誘電層２２、第１信号層２０および誘電層４３は、通信素子２００に電磁的に接続している。この構造により、通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場をそれぞれ検出し、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場の差分を検出することによって、信号を高い精度で検出することが可能となる。差分をとることにより、外部から混入するノイズの影響を最小とすることができ、ＳＮ比をあげることができる。第１信号層２０と、電源層４４および第２信号層３０の間に図５（ａ）のようなスイッチ２６を設けることにより、第１信号層２０と電源層４４、および第１信号層２０と第２信号層３０の間をショートすることができ、第１信号層２０の電位をふりやすくなる。これは、通信素子２００が電源層４４およびグランド層である第２信号層３０に接続したことの利点である。

図７（ａ）は、通信デバイス３００を実現する回路動作の概要を示す。通信デバイス３００は半導体製造技術を用いてシリコン上に形成されてもよい。通信デバイス３００は、ｐＭＯＳとｎＭＯＳを並列接続したＭＯＳスイッチなどのスイッチ２６を有し、スイッチ２６は、通信素子２００と、グランド層である第２信号層３０および電源層４４との電磁的な接続を交互に切り替える。具体的には、スイッチ２６が、送信すべき信号の論理値に応じて、第１信号層２０および第２信号層３０の接続と、第１信号層２０および電源層４４の接続とを切り替え、電磁波動として信号を発信する。なお、既述のごとく、第１信号層２０と第２信号層３０の間には誘電層２２が設けられ、また、同様に、第１信号層２０と電源層４４との間には、別の誘電層４３が設けられる。入力部５２には、送信すべき信号の論理値に応じた電圧が印加され、スイッチ２６によるスイッチング動作が実行される。通信素子２００内の処理部６０（図３参照）が入力部５２に入力信号を供給する。

スイッチ２６によるスイッチング動作の結果、第１信号層２０から第２信号層３０に、また電源層４４から第１信号層２０に電流が発生し、第１信号層２０と第２信号層３０の間に存在する誘電層２２、および電源層４４と第１信号層２０の間に存在する誘電層４３において、２次元放射状に広がる電場または電磁場が発生する。この電場または電磁場は、隣接する通信素子２００に伝播される。

隣接する通信素子２００は、電場または電磁場の変化を観測し、信号を検出する。隣接する通信素子２００は、誘電層２２において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよく、また誘電層４３において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよい。なお、既述のごとく、通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３の両方において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよい。誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場をそれぞれ検出し、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場の差分を検出することによって、外部から混入するノイズの影響を最小とすることができ、ＳＮ比をあげることができる。

図７（ｂ）は、第１信号層２０に印加する交流電圧の振幅を制限する回路の例を示す。電源層４４および第２信号層３０から第１信号層２０に電圧を印加する電力経路のそれぞれに、電圧を制限するための電圧制限素子５４、この例ではダイオード列を配置させる。電圧制限素子５４として、１個または複数個のダイオードを順方向にそれぞれの電力経路に挿入することにより、第１信号層２０に印加する電圧を制限することができる。電圧制限素子５４を設けない場合、第２信号層３０からのグランド電圧（０［Ｖ］）と、電源層４４からの電源電圧（Ｅ［Ｖ］）とが交互に第１信号層２０に印加されるが、第２信号層３０からの電力経路と電源層４４からの電力経路にそれぞれｎ個のダイオード列を順方向に挿入した場合には、第１信号層２０には、ｎｅ［Ｖ］と（Ｅ−ｎｅ）［Ｖ］の電圧が交互に印加されることになる。ここでｅ［Ｖ］は、ダイオードの順方向電圧を示す。

電圧制限素子５４を設けることにより、電源電圧が信号発信に必要な電圧よりも十分高い場合であっても、印加電圧を必要なレベルにまで下げることが可能となる。また、電圧制限素子５４を電力経路に挿入することによって、電流量が減るため、消費電力を下げることができ、通信デバイス３００の省電力化に寄与することになる。なお、第２信号層３０と第１信号層２０の間に設けられる電圧制限素子５４ａと、電源層４４と第１信号層２０の間に設けられる電圧制限素子５４ｂの抵抗値は異なってもよい。

図８（ａ）は、通信素子２００の具体的な構成例を示す。通信素子２００は、上述の通信機能を備えたＬＳＩとして構成され、図８（ａ）は、第１信号層２０に接触するＬＳＩの上面を示している。通信素子２００は、図３に示した処理部６０およびメモリ７０の各機能を備えたデジタル回路２０２を有する。円形の電極２０４は通信部５０として作用する。なお、通信素子２００の実装に際して、電極２０４は小さく形成されることが好ましい。図示しないＬＳＩの裏面の電極は、第２信号層３０と電磁的に接続されている。電極２０４は、スイッチ２６（図５または図７参照）のスイッチング動作により、第１信号層２０を介して電源層４４から電源電圧を印加され、また裏面の第２信号層３０からグランド電圧を印加される。既述のごとく、通信素子２００は、スイッチ２６を交互にスイッチして、交流電流を発生することで、電場または電磁場を変化させ、信号を発信する。

図８（ｂ）および図８（ｃ）は、通信素子２００による信号発信の原理を説明するための図である。図中、Ｓで示す領域は、通信素子２００の電極２０４を示す。第１信号層２０および第２信号層３０の導電率をσとし、誘電層２２の誘電率をε_０とする。既述のごとく、誘電層２２が、第１信号層２０および第２信号層３０に挟まれた構造につき考察する。なお、図８（ｂ）および図８（ｃ）では、誘電層２２の図示を省略している。この構造において、電磁波動を発生し、発生した電磁波動を、誘電層２２中に伝達させる。

図示のごとく、円柱座標をとり、各層に垂直方向のｚ軸まわりの解を求める。円柱座標の原点を、円形の電極２０４の中心点の垂直下方向であって、且つ第１信号層２０の下面と第２信号層３０の上面との中間点にとる。第１信号層２０と第２信号層３０の間隔、すなわち誘電層２２の厚さを２ｄ、電極２０４の半径をｒ_０とする。ｚ軸に対称な解においては、磁場ベクトルＢはθ成分のみをもち、それをＢ（ｒ，ｚ）と表現する。このような構造において、通信素子２００内において、第１信号層２０から第２信号層３０に、半径ｒ_０の円柱表面に沿って電流を流すものとする。なお、電流経路は厳密な円柱形状である必要はなく、また厳密に均一な電流が流れることまでは必要としない。ｚ軸を対称軸とする半径ｒの円柱面を外に向かって横切る表皮電流の総和をＩ（ｒ）と表現する。電磁波動の周波数をωとすると、一般解は、以下のように表現される。なお、第１信号層２０および第２信号層３０ともに導体とし、以下の発信原理の説明において、それぞれの層を区別せずに、導体層と呼ぶ。

Ｂ_０は磁場の強さを表す定数である。ここで、上記一般解における各パラメータの値を、以下のように設定する。

Ｒｅ［ｋ］は、誘電層２２中の電磁波動の波数であり、ｃは誘電層２２における光速である。Ｉｍ［ｋ］は伝播する電磁波動の減衰を与えるパラメータである。Ｒｅ［ｐ］は表皮深さを与えるパラメータである。

また、
Ｈ_１ ^（２）（ｚ）≡Ｊ_１（ｚ）−ｊＮ_１（ｚ）
である（ハンケル関数）。
なお、マイクロ波を伝達し、上記の解が成立するためには、以下の条件を満たす必要がある。
１）｜σ／ω｜＞＞ε_０（σは導体層の導電率）を満たすこと。
２）表皮深さが導電層の厚みよりも小さいこと。
３）減衰距離が、その周波数に対応する真空中の電磁波長よりも大きいこと。すなわち、−Ｉｍ［ｋ］がＲｅ［ｋ］と同程度か、それより小さいこと。
４）導電層の間隔が、

を満たすこと。
なお、透磁率は誘電層２２、導体層ともにμであることと仮定した。

以上の伝達条件を満たすことにより、誘電層２２において２次元放射状にマイクロ波を伝達させることが可能となる。例えば、周波数を10〜100GHz程度、伝達距離を10cm程度、ｄ＝1〜0.1mm程度とすることにより、以上のマイクロ波伝達条件を満足するような導電率の材料を容易に見つけることができる。なお、表皮深さが導電層の厚みよりも大きい場合であっても電磁作用は伝達するが、その場合には、電磁波は、導電層の外にも漏出することになる。

電磁波動をマイクロ波として伝達することにより信号伝達速度は光速となる。このように、本実施の形態における通信装置１００は、１ビットの情報を送るのに１波長分程度の幅をもったリング状の電磁場を生成し、この電磁場を利用して通信を行うため、少ない消費電力で１ＧＨｚをこえる信号伝達を行うことが可能となる。これにより、通信装置１００は、コンピュータなどのクロックと同期して高周波数の論理信号を伝送可能となる。

中心から距離ｒの点における上側導体層表面、すなわち第１信号層２０表面と、下側導体層表面、すなわち第２信号層３０表面との電位差をＶ（ｒ）とすると、半径ｒの円柱面を横切って流れる電流Ｉ（ｒ）とＶ（ｒ）（その地点での電極間の電位差２ｄＥ_ｚ）の比は、

で与えられる。この値は、通信素子２００からみた出力インピーダンスに相当する。ここで、関数Ｐ（ｘ）を

と設定する。

図９は、実数ｘに対するＰ（ｘ）のプロットを示す。Ｐ（ｘ）の虚部（Ｉｍ［Ｐ（ｘ）］）はリアクタンス成分を意味し、原点近くで対数的に発散する。このことは、電流経路となる円柱の半径ｒ_０が小さくなると、リアクタンス成分が増大し、電圧を印加しても電磁波のエネルギーに有効に変換されないことを意味している。そのため、この構造をとる場合には、半径ｒ_０、すなわち円形の電極２０４の半径を小さく構成することが難しくなる。

図１０は、電極２０４の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイス３００の構成例を示す。通信デバイス３００は、通信素子２００を駆動するための駆動回路８２と、通信素子２００と第１信号層２０とを接続するコンデンサ８０を備える。駆動回路８２は通信素子２００内に存在してもよい。既述のごとく、駆動回路８２はスイッチ２６を有する。電極２０４の半径ｒ_０が小さいときに生じるリアクタンス成分（図９に示すＩｍ）は誘導性である。半径ｒ_０の円形電極２０４のスイッチングによって電磁波動を放出する場合、第１信号層２０のインピーダンスは、抵抗とインダクタンスを直列接続した回路のそれと等価であるから、通信素子２００をコンデンサ８０を介して第１信号層２０に接続することにより、リアクタンス成分を低くすることが可能となる。コンデンサ８０は、通信素子２００の内部において構成することができる。容量Ｃは、

となるように選べばよい。これにより、回路の直列共振状態をつくることができ、インピーダンスを最小に設定することができる。

例えば、周波数を10GHz、２ｄ＝1mm、ｒ_０＝0.1mmとすると、ｋｒ_０＝0.02であるため、Ｉｍ［Ｐ（ｘ）］＝4.0となり、リアクタンス成分は抵抗成分より３倍近く大きくなる。このときのリアクタンスは50Ωであるから、Ｃ＝0.3pFの容量をもつコンデンサ８０を付加して駆動することにより、駆動回路８２からみたインピーダンスは実数、すなわち抵抗となり、そこで消費されるエネルギーは２次元的に放射される電場または電磁場のエネルギーに効率的に変換されることになる。

図１１は、電極２０４の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイス３００の構成の変形例を示す。この変形例では、通信素子２００の電極２０４を絶縁層２１０を介して第１信号層２０に接続する。図１０に関連して説明したように、コンデンサ８０は通信素子２００の内部に構成されてもよいが、図１１に示すように、絶縁層２１０として通信素子２００の外部に設けられてもよい。この場合、通信素子２００と第１信号層２０との接続に非導電性の接着剤を利用することができ、製造工程を簡略化することができる。いずれの場合であっても、電極２０４と第１信号層２０とを容量を介して結合させることにより、電流経路の円柱半径を小さく構成した場合におけるリアクタンス成分を低減することができる。そのため、電極２０４の小規模化を実現することができ、通信素子２００を容易に実装して、通信装置１００を作成することが可能となる。

図１２は、実施の形態に係る通信装置１００における信号伝達方法の説明図を示す。実施の形態においては、各通信素子２００が、空間内の自身の位置を示す座標をアドレスとしてメモリに保持する。座標は、２次元座標であっても３次元座標であってもよい。通信素子２００の座標は外部のコンピュータなどにより設定されてもよく、各々で自律的に設定してもよい。この例では、座標（１，１）に位置する通信素子から、座標（７，７）に位置する通信素子まで信号を伝達することを目的とする。以下、座標（Ｍ，Ｎ）に位置する通信素子を「通信素子（Ｍ，Ｎ）」と表現する。なお図示の例では、説明の便宜上、通信素子が規則的に配列されているが、この配列形態はランダムであってよい。

図１３は、送信元の通信素子により生成される信号のパケットを示す。このパケットには、コマンド、送信元アドレス、送信先アドレスおよび送信データの項目が設けられる。この信号はデータを通信素子（７，７）に転送するためのものであり、コマンドには転送パケットであることを指示するコードが記述される。送信元アドレスには、送信元通信素子の座標である（１，１）が記述され、送信先アドレスには、送信先通信素子の座標である（７，７）が記述される。送信データは、伝達すべきデータである。このように、通信素子（１，１）は送信元座標と送信先座標とを含んだ信号のパケットを生成する。パケットの生成は処理部６０（図３参照）により行われる。

図１２に戻って、送信元の通信素子（１，１）が信号を送信すると、その信号は周辺の通信素子、すなわち座標（０，０）、（２，０）、（３，１）、（２，２）、（０，２）、（−１，１）に位置する通信素子に伝達される。これらの通信素子は、信号を受け取ると、自身が位置する座標をもとに信号を中継するか否かを決定する。この決定は、送信元座標（１，１）と送信先座標（７，７）との間に、空間的に自身が位置するか否かを判定することにより行われ、具体的には、送信元の通信素子（１，１）と、送信先の通信素子（７，７）とを結ぶ経路上に自身が位置するか否かを判定することにより行われる。

この例では、通信素子（２，２）が、通信素子（１，１）と通信素子（７，７）を結ぶ経路上に位置することを判定し、信号を中継することを決定する。通信素子（２，２）は、受け取った信号を送信し、それ以外の通信素子は応答しない。以後、信号は、通信素子（３，３）、通信素子（４，４）、通信素子（５，５）、通信素子（６，６）により中継されて通信素子（７，７）に伝達される。

本実施の形態においては、各通信素子が、自身の座標と、送信元および送信先の座標との関係により、信号を中継すべきか否かを判断する。通信経路を予め定めておく必要はなく、単純なアルゴリズムで動的に最短経路を設定し、信号を伝達することが可能となる。

以上のように、通信装置１００は、通信素子２００間で信号を伝達することが可能となる。各通信素子２００の有効通信距離の範囲内には、既述のような通信素子２００間で要求される通信機能を有しないシンプルな通信素子を配置してもよい。このシンプルな通信素子は、通信素子２００の管理下におかれる。この関係から、通信素子２００を親素子と呼び、その管理下にある通信素子を子素子と呼ぶ。上記のごとく、親素子となる通信素子２００は、自身の二次元座標などのＩＤを有している。

この親子関係は、親素子が応答要求を定期的に発行し、それに子素子が応答することで動的に形成される。具体的にはまず親素子は自分のＩＤをパケットに埋め込んだ「応答要求コマンド」を送信する。すでに親素子が確定している子素子はそれに応答することはなく、まだ親素子が確定していない子素子は、乱数による待機時間の後、自分がその親素子に子供になることを意思表示するパケットを発行する。このパケットを受け取った親素子は直ちにＩＤ確定コマンドを送出し、その子素子に、自分の管轄内でのＩＤを割り当てる。このようにして任意の子素子は動的に近傍の１次素子とユニークな親子関係を確立する。なお子素子は組み込みの素子でもよいし、コネクタを介して信号層に接続された情報機器であってもよい。

通信装置１００において、子素子は、親素子との間でのみ通信を可能とする。親素子である通信素子２００は、子素子から発信された信号を、周辺の通信素子２００に伝達する役割と、また別の通信素子２００から送信された信号を、子素子に伝達する役割をもつ。親素子は、複数の子素子を管理してもよく、割り当てたＩＤにより、管理下の子素子を特定する。

＜第２の実施の形態＞
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る通信装置４００の構成を示す。通信装置４００には、信号を伝達する複数の信号層４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄ、４１０ｅ、４１０ｆ、４１０ｇ、４１０ｈ、４１０ｉ（以下、総称する場合は「信号層４１０」と呼ぶ）が形成される。信号層４１０は導電性材料により形成され、近傍の信号層４１０とは互いに絶縁される。隣り合う信号層４１０の間には高抵抗層４２０が設けられてもよく、また各信号層４１０は、互いに離間して高抵抗層４２０上に設けられてもよい。

通信装置４００には、２つ以上の信号層４１０に接続して、当該２つ以上の信号層４１０間における信号の送受信を行う計１２の通信素子５００ｅ、５００ｆ、５００ｈ、５００ｉ、５００ｊ、５００ｌ、５００ｍ、５００ｏ、５００ｐ、５００ｑ、５００ｓ、５００ｔが設けられる。図１４の例では、縦横３×３個の信号層４１０が形成されているが、中央の信号層４１０ｅを除く周囲の信号層４１０には、１つの信号層４１０にのみ接続する計１２の通信素子５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｇ、５００ｋ、５００ｎ、５００ｒ、５００ｕ、５００ｖ、５００ｗ、５００ｘが設けられる。以下、通信素子を総称する場合は「通信素子５００」と呼ぶ。通信素子５００は、第１の実施の形態で説明した通信素子２００と同様の機能を有してもよく、また同様の構成を有してもよい。このように、通信装置４００においては、信号層４１０内または信号層４１０間における信号の送受信を担うべく、計２４の通信素子５００が設けられている。図１４においては、計１２の通信素子５００が、隣り合う２つの信号層４１０を接続するべく設けられているが、別の例においては、そのうちの一部の通信素子５００が省略されてもよい。また図示の例では、信号層４１０の個数が少ないため、通信素子５００の全体の個数（計２４）に対して、複数の信号層４１０にまたがる通信素子５００の個数（計１２）の占める割合が５０％に過ぎないが、信号層４１０の個数が増えるにつれて、その割合は高くなる。説明の便宜上、以下では、特に断らない限り、通信素子５００が、複数の信号層４１０に接続する場合を想定して、第２の実施の形態に係る通信装置４００の説明を行う。

第２の実施の形態において通信素子５００は、隣り合う２つの信号層４１０に電気的に接続し、接続する信号層４１０内に設けられた他の通信素子５００との間で信号を送受信する機能を有し、また接続する２つの信号層４１０間において信号を送受信する機能も有する。信号層４１０内における通信機能として、例えば通信素子５００ｅは信号層４１０ａと信号層４１０ｂとに接続するが、信号層４１０ａ内に設けられた他の通信素子５００ａ、５００ｄおよび５００ｈとの間で信号を送受信することができ、また信号層４１０ｂ内に設けられた他の通信素子５００ｂ、５００ｆおよび５００ｉとの間でも信号を送受信することができる。この信号層４１０内における通信を、内方向の通信と呼ぶ。また、信号層４１０間における通信機能として、通信素子５００ｅは、信号層４１０ａを伝達される信号を信号層４１０ｂに伝達することができ、また信号層４１０ｂを伝達される信号を信号層４１０ａに伝達することもできる。この信号層４１０間における通信を、外方向の通信と呼ぶ。例えば通信素子５００ｅは、信号層４１０ａにおける通信素子５００ａから信号を受信して、信号層４１０ｂにおける通信素子５００ｆに送信することができ、また、その逆も可能とする。各通信素子５００が上記のような機能をもつことにより、第２の実施の形態における通信装置４００は、配線を形成することなく、任意の通信素子５００間における通信を実現することができる。

通信装置４００における信号伝達方法を、通信素子５００ｄから通信素子５００ｆに信号を伝達する場合を例に説明する。ここでは、通信素子５００ｄが信号の送信元であり、通信素子５００ｆが信号の最終目的地であることを仮定する。この場合、まず通信素子５００ｄが、信号層４１０ａを介して通信素子５００ｅに信号を伝達し、通信素子５００ｅが、信号層４１０ｂを介して通信素子５００ｆに信号を転送する。通信素子５００ｅに注目すると、通信素子５００ｅは、通信素子５００ｄとの間で信号層４１０ａ内通信を行い、また通信素子５００ｆとの間で信号層４１０ｂ内通信を行うことによって、結果として信号層４１０ｂと信号層４１０ｃの間の通信を実現することになる。このように各通信素子５００が、互いに絶縁された複数の信号層４１０に接続して、信号層４１０間の通信を行うことにより、信号を送信元の信号層４１０から所期の目的地となる信号層４１０まで順次伝達することができ、送信元および最終目的地間の信号伝達を実現することが可能となる。

各信号層４１０には、センシングユニット、パワーユニット、また表示ユニットなど、各種機能を実現するための構成が備えられてもよい。特に、これらのユニットを容易に置換可能とすることで、応用性の高い通信装置４００を実現することができる。また、各通信素子５００はコネクタなどの機能を備え、外部機器との接続を可能としてもよい。通信素子５００に外部機器とのインタフェース機能をもたせることにより、通信装置４００を様々な環境で利用することが可能となる。

図１５（ａ）は通信装置４００の断面の一例を示し、この例では、隣り合う信号層４１０が高抵抗層４２０により絶縁されている。隣り合う信号層４１０間は、通信素子５００により接続され、信号層４１０間の通信が実現される。

図１５（ｂ）は通信装置４００の断面の別の例を示し、この例では、隣り合う信号層４１０が互いに離間して高抵抗層４２０上に設けられる。隣り合う信号層４１０間は、通信素子５００により接続され、信号層４１０間の通信が実現される。

図１６（ａ）は、通信装置４００の構成の変形例を示す。この通信装置４００は、６角形の複数の信号層４１０と、信号層４１０間における信号の送受信を行う複数の通信素子５００とを有する。図１５に示す通信装置４００と同様に、各信号層４１０は、高抵抗層４２０により絶縁されている。

図１６（ｂ）は、通信装置４００の構成の変形例を示す。この通信装置４００では、信号層４１０内に高抵抗領域４３０が形成されて、信号層４１０内の導電領域が部分的に形成されている。なお、図１５に示す通信装置４００と同様に、各信号層４１０は、高抵抗層４２０により絶縁されている。

図１６（ｃ）は、通信装置４００の構成の変形例を示す。この通信装置４００は、４角形の複数の信号層４１０と、４つの信号層４１０に接続する複数の通信素子５００とを有する。信号層４１０の形状は、図１５に示す通信装置４００における信号層４１０の形状と同様であるが、通信素子５００の配置位置が異なっている。なお、各信号層４１０は、高抵抗層４２０により絶縁されている。

以上のように、通信装置４００は様々な形状および構造の信号層４１０を備えることができ、また通信素子５００が接続する信号層４１０の個数は任意であってもよい。上記した例において、信号層４１０の形状は正多角形であるが、これに限定するものではない。通信装置４００において、各通信素子５００は、送信するパケットに最終目的地となる信号層４１０の識別番号を含めることにより、そのパケットを最終目的地まで伝達する。第２の実施の形態において、信号層４１０は平面上に形成されているため、各信号層４１０の識別番号として、各信号層４１０の２次元座標を利用することとする。なお、別の例においては、識別番号として、信号層４１０に固有のシリアル番号を割り振ることも可能であり、また信号層４１０が３次元的に形成される場合には、信号層４１０の識別番号を３次元座標で表現することも可能である。

図１７は、図１４に示した通信装置４００の模式図を示す。図１７において、各通信素子５００を結ぶように描かれている実線は、隣り合う信号層４１０が絶縁されている状態を意味する。信号層４１０ａを原点とするＸＹ軸を設定することにより、信号層４１０ａの座標すなわち識別番号を（０，０）、信号層４１０ｂの識別番号を（１，０）、信号層４１０ｃの識別番号を（２，０）、信号層４１０ｄの識別番号を（０，１）、信号層４１０ｅの識別番号を（１，１）、信号層４１０ｆの識別番号を（２，１）、信号層４１０ｇの識別番号を（０，２）、信号層４１０ｈの識別番号を（１，２）、信号層４１０ｉの識別番号を（２，２）と定めることができる。信号層４１０の識別番号は、通信装置４００の製造時に予め設定してもよく、また後述するアルゴリズムにより自律的に設定してもよい。信号層４１０間の信号の伝達は、信号層４１０の識別番号を利用して実現される。以下、信号層４１０の識別番号を、「信号層ＩＤ」と呼ぶ。なお、各通信素子５００は、自身が接続する信号層４１０の信号層ＩＤを記憶しており、したがって複数の信号層４１０に接続する場合は、複数の信号層ＩＤを記憶することになる。

各通信素子５００には、自身が接続する信号層４１０ごとに、信号層４１０内のローカルな識別番号が割り振られる。図示の例では、信号層４１０が四角形に形成されており、信号層４１０において、右側に位置する通信素子５００のローカル識別番号が「１」、上側に位置する通信素子５００のローカル識別番号が「２」、下側に位置する通信素子５００のローカル識別番号が「３」、左側に位置する通信素子５００のローカル識別番号が「４」に設定される。信号層４１０内の信号の伝達は、このローカル識別番号を利用して実現される。例えば、通信素子５００ｅに注目すると、信号層ＩＤ（０，０）の信号層４１０ａにおいては、右側に位置しているためローカル識別番号「１」を有し、一方で、信号層ＩＤ（１，０）の信号層４１０ｂにおいては、左側に位置しているためローカル識別番号「４」が割り当てられている。以下、通信素子５００のローカル識別番号を「ローカルＩＤ」と呼ぶ。

以上のように、各通信素子５００は、自身が接続する信号層４１０の信号層ＩＤと、各信号層４１０におけるローカルＩＤとを保持する。この前提のもと、第２の実施の形態における通信方法を説明する。この通信方法においては、３種類のパケットを使用する。

（１）ＲＴＳ（request to send-stream）パケット
信号層４１０内の通信素子５００に対してコネクションの確立を要求するパケット
（２）ＣＴＳ（clear to send-stream）パケット
ＲＴＳ送信元に対してコネクションの確立許可を示すパケット
（３）ＤＴ（data transmission-stream）パケット
データ転送のパケット

図１８（ａ）は、ＲＴＳパケットのデータフォーマットを示す。ＲＴＳパケットは３つのフィールドを有する。以下、各フィールドの項目を示す。
第１フィールド：反応すべき通信素子５００のローカルＩＤ
第２フィールド：コマンド（ＲＴＳ）
第３フィールド：ＲＴＳパケットの送信元の通信素子５００のローカルＩＤ

図１８（ｂ）は、ＣＴＳパケットのデータフォーマットを示す。ＣＴＳパケットは２つのフィールドを有する。以下、各フィールドの項目を示す。
第１フィールド：反応すべき通信素子５００のローカルＩＤ
第２フィールド：コマンド（ＣＴＳ）

図１８（ｃ）は、ＤＴパケットのデータフォーマットを示す。以下、各フィールドの項目を示す。
第１フィールド：反応すべき通信素子５００のローカルＩＤ
第２フィールド：コマンド（ＤＴ）
第３フィールド：ホップリミット、すなわち通信素子１０の中継回数の上限値
第４フィールド：データ長
第５フィールド：最終目的地のＸ座標
第６フィールド：最終目的地のＹ座標
第７フィールド：送信元のＸ座標
第８フィールド：送信元のＹ座標
第９フィールド：目的地でのアプリケーション
第１０フィールド以降：データ
なお、図１８（ａ）〜（ｃ）の例では、各フィールドが８ビットで構成されている。

図１９は、通信装置４００における通信方法を説明するための図を示す。図１９では、送信元である通信素子５００ｄから最終目的地である通信素子５００ｇに信号を伝達する場合を例にとる。

（ステップ１）
通信素子５００ｄは、自身の信号層ＩＤ（０，０）と、最終目的地である通信素子５００ｇの信号層ＩＤ（２，０）の位置関係から、ＤＴパケットを送信する方向を計算し、信号層４１０ａ内でＤＴパケットを伝達すべき通信素子を決定する。すなわち通信素子５００ｄは、通信素子５００ｇまでの最短経路を演算し、ＤＴパケットを、信号層４１０ａ、４１０ｂを経由して信号層４１０ｃに伝達するルートが最短であることを判定する。この経路上に存在する素子は通信素子５００ｅであるため、通信素子５００ｄは、通信素子５００ｅとコネクションを確立するべく、通信素子５００ｅに対してＲＴＳパケットを送信する。このとき、ＲＴＳパケットの第１フィールドは「１」に設定される。なお、通信素子５００ｄは、信号の衝突を避けるため、信号層４１０ａ内で他の通信素子が通信を行っているか否かを監視し、通信が行われていない場合にＲＴＳパケットを送信することが好ましい。

（ステップ２）
通信素子５００ｅは、ＲＴＳパケットに含まれる第１フィールドを参照し、ＲＴＳパケットが自身宛てであることを判定すると、通信素子５００ｄに対してＣＴＳパケットを送信する。このとき、ＣＴＳパケットの第１フィールドは「４」に設定される。

（ステップ３）
通信素子５００ｄは、一定時間内に自身宛てのＣＴＳパケットを受け取ると、ＤＴパケットを送信する。ＤＴパケットの第１フィールドは「１」に設定される。通信素子５００ｅは、ＤＴパケットを受け取る。通信素子５００ｄが一定時間内にＣＴＳパケットを受け取れない場合は、ステップ１に戻って、再度ＲＴＳパケットを送信する。なお、複数回にわたり通信素子５００ｅからの応答がない場合には、送信先を変更したＲＴＳパケットを送信してもよい。これにより、通信経路を自律的に変更することが可能となる。図１７に戻って、この場合は、ＲＴＳパケットの第１フィールドを「２」に設定することが好ましい。

（ステップ４）
通信素子５００ｅは、ＤＴパケットを受け取ると、ＤＴパケットを転送する方向を決定する。この場合、通信素子５００ｅは、ＤＴパケットを信号層４１０ａ側の通信素子５００ｄより受け取ったため、転送する方向が信号層４１０ｂ側であること、すなわち外方向であることを決定する。これにより、続くＤＴパケットの送信を、信号層４１０ｂにおいて行うことが定められる。

通信素子５００ｅは、自身の信号層ＩＤ（１，０）と、最終目的地である通信素子５００ｇの信号層ＩＤ（２，０）の位置関係から、信号層４１０ｂ内でＤＴパケットを伝達すべき通信素子を決定する。最短経路上に存在する素子は通信素子５００ｆであるため、通信素子５００ｅは、通信素子５００ｆとコネクションを確立するべく、通信素子５００ｆに対してＲＴＳパケットを送信する。このとき、ＲＴＳパケットの第１フィールドは「１」に設定される。通信素子５００ｅは、信号の衝突を避けるため、信号層４１０ｂ内で他の通信素子が通信を行っているか否かを監視し、通信が行われていない場合にＲＴＳパケットを送信してもよい。

（ステップ５）
通信素子５００ｆは、ＲＴＳパケットに含まれる第１フィールドを参照し、ＲＴＳパケットが自身宛てであることを判定すると、通信素子５００ｅに対してＣＴＳパケットを送信する。このとき、ＣＴＳパケットの第１フィールドは「４」に設定される。

（ステップ６）
通信素子５００ｅは、一定時間内に自身宛てのＣＴＳパケットを受け取ると、ＤＴパケットを送信する。ＤＴパケットの第１フィールドは「１」に設定される。通信素子５００ｆは、ＤＴパケットを受け取る。

（ステップ７）
通信素子５００ｆは、ＤＴパケットを受け取ると、ＤＴパケットを転送する方向を決定する。通信素子５００ｆは、ＤＴパケットを信号層４１０ｂ側の通信素子５００ｅより受け取ったため、転送する方向が信号層４１０ｃ側であること、すなわち外方向であることを決定する。これにより続くＤＴパケットの送信を、信号層４１０ｃにおいて行うことが定められる。

通信素子５００ｆは、ＤＴパケットの第５および第６フィールドの目的地座標から、最終目的地が信号層４１０ｃにおける通信素子５００ｇであることを認識する。なお、第５および第６フィールドの目的地座標には、信号層４１０ｃを特定する座標と、通信素子５００ｇを特定するローカルＩＤとが含まれるものとする。これにより、通信素子５００ｆは、通信素子５００ｇとコネクションを確立するべく、通信素子５００ｇに対してＲＴＳパケットを送信する。このとき、ＲＴＳパケットの第１フィールドは「１」に設定される。

（ステップ８）
通信素子５００ｇは、ＲＴＳパケットに含まれる第１フィールドを参照し、ＲＴＳパケットが自身宛てであることを判定すると、通信素子５００ｆに対してＣＴＳパケットを送信する。このとき、ＣＴＳパケットの第１フィールドは「４」に設定される。

（ステップ９）
通信素子５００ｆは、一定時間内に自身宛てのＣＴＳパケットを受け取ると、ＤＴパケットを送信する。ＤＴパケットの第１フィールドは「１」に設定される。これにより、最終目的地である通信素子５００ｇは、ＤＴパケットを受け取ることができる。例えば、通信素子５００ｇに外部機器が接続されている場合は、ＤＴパケットに含まれるデータを外部に送信することが可能となる。

以上の通信方法によると、信号の送信元から最終目的地までの経路を予め設定することなく、信号を中継する各通信素子５００が信号層ＩＤをもとに、動的に経路を設定することが可能となる。そのため、通信装置４００においては、例えば一部の通信素子５００が故障した場合であっても、その通信素子５００を回避して、最終目的地までＤＴパケットを伝送することが可能となる。

なお、図１９の例では、信号を一軸方向すなわちＸ軸方向に伝達する場合を示すが、信号は、斜め方向であっても当然に伝達することができる。例えば、信号層ＩＤ（０，０）の信号層４１０ａから信号層ＩＤ（１，１）の信号層４１０ｅに信号を伝達する場合、途中の経路として、信号層ＩＤ（１，０）の信号層４１０ｂまたは信号層ＩＤ（０，１）の信号層４１０ｄのいずれを経由することも可能である。いずれの経路を選択するかは、ランダムに決定されてもよく、また例えばＸ軸方向への信号伝達をＹ軸方向への信号伝達よりも優先的に行うなどの所定の規則に沿って決定されてもよい。

図２０（ａ）は、信号層４１０を流れる信号の波形フォーマットを示す。各パケットの先頭には、スタートビットと、フィールド開始を示すデータが付加される。スタートビットは、一定時間、ここではデジタル回路の動作クロック周期の３０倍の時間、「01」のパターンが周期的に繰り返される。この周期パターンにより、サンプリング時間を決定する。通信データは１０ビットをひとまとまりとして取り扱い、これを１フレームと呼ぶ。

図２０（ｂ）は、１フレームの構成を示す。１フレームは、８ビットの実データと２ビットのフレーム区切りからなる。例えば、１０進数のデータ「10」を出力する場合には、フレーム区切り「10」を先頭に付加して、フレームは、1000001010として表現される。また、信号には２０フレームごとに、ビット列11111111を挿入する。このとき、フレーム区切りは挿入しない。フィールド開始指示用データは、フィールド区切り「10」にビット列11111111を付加した1011111111として表現される。スタートビット後に必ずこのデータ列が挿入され、このデータ列の後が、各パケットの先頭となる。

図２１は、通信素子５００のデジタル回路の実現例を示す。デジタル回路におけるポート定義は以下のとおりである。
（入力ポート）
Ainp_a：入力信号（常時観測型コンパレータからの出力）
Ainp_b：入力信号（常時観測型コンパレータからの出力）
Init_flg：初期化フラグ
clk：マスタークロック
in：サンプリングされた信号
ms：信号層選択
selectID： ０：ローカルID_a=1 １：ローカルID_a=2
sleepmode： ０：スリープモードなし
tSite_x：信号層Ｘ座標
tSite_y：信号層Ｙ座標

（出力ポート）
Inp_a：信号層内方向入力判定フラグ ０：入力なし １：入力あり
Inp_b：信号層外方向入力判定フラグ ０：入力なし １：入力あり
OutBit_a：信号層内方向出力データ
OutBit_b：信号層外方向出力データ
OutBit_na：OutBit_aの反転
OutBit_nb：OutBit_bの反転
ena_AppL：アプリケーション層プロセスイネーブル
ena_dwnDatL：データリンク層プロセスイネーブル
ena_dwnNetL：ネットワーク層プロセスイネーブル
ena_upDatL：データリンク層プロセスイネーブル
ena_upNetL：ネットワーク層プロセスイネーブル
inmonitor：物理層プロセス監視フラグ １：スタートビット検出

図２２は、通信素子５００のデジタル回路におけるプロセスの状態遷移図を示す。通信素子５００は、以下に示す各状態をとることができる。
（状態０）開始・初期化
各レイヤのプロセスを初期化したのち、状態１へ遷移する。このとき、通信素子５００はいずれの方向からの入力も受け入れることができる。

（状態１）ＲＴＳ待ち・受け入れ
信号層４１０の内方向または外方向の通信のうち、早く到達した方向のデータを受け入れるように、Inp_a、Inp_bのいずれかを１にする。以後１になった方のデータをサンプリングする。なお信号層４１０の内方向の通信とは、信号層４１０内の他の通信素子５００とのデータの送受信を意味し、信号層４１０の外方向の通信とは、その信号層４１０とは異なる信号層における通信素子との間のデータの送受信を意味する。

入力データの第１フィールドより順にＲＴＳフォーマットに準じた判定を行い、コネクションを確立するかどうか決定する。ＲＴＳパケットを正しく受け取った場合は状態２へ遷移する。プロセスエラーを検出した場合は状態０へ戻る。

（状態２）ＣＴＳ出力
ＣＴＳパケットを出力する。出力方向はＲＴＳパケットを受け取った方向と同じである。このとき、他の方向からの信号がきてもすべて無視される。出力中にエラーが生じた場合は状態０へ遷移する。出力が完了したら状態３へ遷移する。

（状態３）ＤＴ待ち・受け入れ
ＤＴパケットを受け入れる。受け入れ方向はＣＴＳパケット出力の方向と同じ方向である。一定時間内（100T：Tはマスタークロック周期）にＤＴパケットがこない場合はエラーとし、状態０へ遷移する。ＤＴパケットを取得中にエラーが発生した場合、すでに10バイト以上データを取得した場合は状態４へ遷移し、それ以外の場合は状態０へ遷移する。

（状態４）ルーティング
ネットワーク層のプロセスであり、ＤＴパケットのヘッダ部より、目的地の座標を取得する。取得データと、自身の座標と比較して、目的地が、自身の信号層４１０の座標と一致していればアプリケーション層へプロセスを渡す。目的地ではない場合は次のコネクション先（方向、ローカルＩＤ）を決定する。このとき、ＤＴパケットのヘッダ部の第１フィールド（反応すべきローカルＩＤ）と第３フィールド（ホップリミット）を書き換え、状態５へ遷移する。ホップリミットの書き換えは、中継数の上限値を１デクリメントすることにより行う。

（状態５）ＲＴＳ出力
次のコネクション先へＲＴＳパケットを出力する。このとき物理層では出力方向のネットワークの占有状況を監視し、時間16T（2バイト）の間に周囲の素子が通信を行っていなければ、出力を開始する。ＲＴＳパケットの出力が完了すると、状態６へ遷移する。周囲の素子が通信を行っていて、一定時間（100T）まっても出力が開始されない場合は状態８へ遷移する。

（状態６）ＣＴＳ待ち・受け入れ
自身宛のＣＴＳパケットを待ちうける。一定時間（100T）内にＣＴＳパケットを受け取ると、状態７へ遷移する。一定時間内にＣＴＳパケットを受け取らなければ、状態８へ遷移する。

（状態７）ＤＴ出力
ＤＴパケットを出力する。出力方向はＲＴＳ出力方向と同じである。データが正しく出力できたら状態９へ遷移する。途中、エラーを検出したら状態８へ遷移する。

（状態８）再ルーティング
コネクションが正しく確立できなかった場合、５回までは同じ通信素子に対してコネクションを確立しようとする。５回の挑戦でもコネクションが確立されなかった場合、ネットワーク層で別なルートを計算する。ルートを再計算後、状態５へ遷移する。

（状態９）終了・初期化
全てのフラグを初期化して状態０へ遷移する。

以上、第２の実施の形態においては、各信号層４１０に予め信号層ＩＤが付与されていることを前提としてきたが、各信号層４１０に含まれる通信素子５００は、自身の接続する信号層ＩＤを動的に取得することも可能である。

以下に「ＩＤ決定コマンド」を使用する例を示す。ＩＤ決定コマンドには、信号層４１０の座標（Ｘ，Ｙ）が記述される。ＩＤ決定コマンドを受け取った通信素子５００は、自身の属する信号層４１０の座標が（Ｘ，Ｙ）であることを認識する。

各通信素子５００は、ＩＤ決定コマンドを、同一信号層４１０内におけるローカルＩＤが「１」および「２」の通信素子５００に送信する。このとき、送信先の通信素子５００が通信中である場合は、ＩＤ決定コマンドの送信を停止する。ＩＤ決定コマンドを受信した通信素子５００は、受信した方向とは別の方向、すなわち内方向とは逆向きの外方向に存在する別の信号層４１０にＩＤ決定コマンドを送信する。具体的に、「１」のローカルＩＤでＩＤ決定コマンドを受信した通信素子５００は、隣り合う信号層４１０において、「４」のローカルＩＤをもつ通信素子５００として座標（Ｘ＋１，Ｙ）を記述したＩＤ決定コマンドを送信する。また、「２」のローカルＩＤでＩＤ決定コマンドを受信した通信素子５００は、隣り合う信号層４１０において、「３」のローカルＩＤをもつ通信素子５００として座標（Ｘ，Ｙ＋１）を記述したＩＤ決定コマンドを送信する。

以上のように通信素子５００が機能することにより、通信装置４００への電源投入後に、左下隅の信号層４１０ａの座標を（０，０）として、信号層４１０ａに属する通信素子５００からＩＤ決定コマンドを送信することによって、全ての信号層４１０に信号層ＩＤを動的に割り振ることが可能となる。

このように、少なくとも一つの信号層４１０、この例では信号層４１０ａに基準となる信号層ＩＤ（０，０）を予め設定し、その基準となる信号層ＩＤをもとに、他の信号層４１０の識別番号を順次設定することにより、通信装置４００内の信号層４１０の信号層ＩＤを設定することが可能となる。基準となる信号層ＩＤは、通信装置４００における左下隅の信号層４１０ａに限らず、他の信号層４１０に設定してもよい。例えば、図１７の通信装置４００において、中央の信号層４１０ｅを信号層ＩＤを決定するための基準信号層として定めた場合には、信号層４１０ｅに属する通信素子５００ｍ、５００ｐ、５００ｉ、５００ｌが、外方向にＩＤ決定コマンドを送信して、周囲の信号層４１０の信号層ＩＤを順次設定していけばよい。このアルゴリズムにおいては、通信素子５００は、自身が接続する信号層４１０の信号層ＩＤを含んだ信号（ＩＤ決定コマンド）を受け取ると、その信号を伝達した信号層４１０の信号層ＩＤを保持し、続いて自身が接続する他の信号層４１０の信号層ＩＤを設定して、設定した信号層ＩＤを含むＩＤ決定コマンドを、当該他の信号層４１０に送信する。第２の実施の形態における通信装置４００によると、通信素子５００がローカルＩＤを保持し、信号層４１０における自身の位置関係を把握することによって、座標で表現する信号層ＩＤを簡易なアルゴリズムによって自律的に設定することが可能となる。

また、第２の実施の形態では、通信素子５００が、一旦信号を受信してから転送することとしたが、信号の受信が完了する前に、信号の転送を開始してもよい。ＤＴパケットにおいては、パケットの先頭にコマンドや目的地の座標などのヘッダ項目が記述されているため、ヘッダ項目を受け取った時点から、信号の転送先となる通信素子５００を特定して、コネクションの確立を行い、ＤＴパケットを受信しながら、そのＤＴパケットを転送先となる通信素子５００に順次転送することが可能である。これにより、データが最終目的地に到達するまでの遅延時間を減らすことができ、またスループットを向上することが可能となる。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、実施の形態の組み合わせ、またそれらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態に係る通信技術の方式を説明するための図である。 実施の形態にかかる通信装置の外観構成を示す図である。 通信素子の機能ブロック図である。 （ａ）は通信装置の断面図であり、（ｂ）は通信装置の別の例を示す断面図である。 （ａ）は通信デバイスが信号を発信する基本原理を説明するための図であり、（ｂ）は通信デバイスが信号を発信する原理の別の例を説明するための図である。 通信素子を備えた通信デバイスを示す図である。 （ａ）は通信デバイスを実現する回路動作の概要を示す図であり、（ｂ）は第１信号層に印加する交流電圧の振幅を制限する回路の例を示す図である。 （ａ）は通信素子の具体的な構成例を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は、通信素子による信号発信の原理を説明するための図である。 Ｐ（ｘ）のプロットを示す図である。 電極の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイスの構成例を示す図である。 電極の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイスの構成の変形例を示す図である。 通信装置における信号伝達方法の説明図である。 送信元の通信素子により生成される信号のパケットを示す図である。 第２の実施の形態に係る通信装置の構成を示す図である。 （ａ）は通信装置の断面の一例を示す図であり、（ｂ）は通信装置の断面の別の例を示す図である。 （ａ）は通信装置の構成の変形例を示す図であり、（ｂ）は通信装置の構成のさらなる変形例を示す図であり、（ｃ）は通信装置の構成のさらなる変形例を示す図である。 通信装置の模式図である。 （ａ）はＲＴＳパケットのデータフォーマットを示す図であり、（ｂ）はＣＴＳパケットのデータフォーマットを示す図であり、（ｃ）はＤＴパケットのデータフォーマットを示す図である。 通信装置における通信方式を説明するための説明図である。 （ａ）は信号層を流れる信号の波形フォーマットを示す図であり、（ｂ）は１フレームの構成を示す図である。 通信素子のデジタル回路の実現例を示す図である。 通信素子のデジタル回路におけるプロセスの状態遷移図である。

符号の説明

１６、１８・・・導電層、２０・・・第１信号層、２２・・・誘電層、２４・・・導電層、２６・・・スイッチ、３０・・・第２信号層、４３・・・誘電層、４４・・・電源層、５０・・・通信部、５２・・・入力部、５４・・・電圧制限素子、６０・・・処理部、７０・・・メモリ、８０・・・コンデンサ、８２・・・駆動回路、１００・・・通信装置、２００・・・通信素子、２０２・・・デジタル回路、２０４・・・電極、２１０・・・絶縁層、３００・・・通信デバイス、４００・・・通信装置、４１０・・・信号層、４２０・・・高抵抗層、４３０・・・高抵抗領域、５００・・・通信素子。

Claims (12)

1. 信号を伝達する通信デバイスであって、グランド層および電源層と、グランド層および電源層に電磁的に接続する通信素子と、グランド層および電源層の間に積層された誘電層および信号層を備え、前記通信素子は、前記信号層にコンデンサを介して接続することを特徴とする通信デバイス。
2. 前記通信素子は、前記誘電層に、電場または電磁場を発生させることにより信号を発信することを特徴とする請求項１に記載の通信デバイス。
3. 前記信号層に対して前記グランド層または前記電源層を接続する駆動回路をさらに備え、
   前記コンデンサは、前記駆動回路の出力インピーダンスのリアクタンス成分を低減するように容量を設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の通信デバイス。
4. 複数の通信素子が分散配置され、各通信素子は第１信号層、誘電層および第２信号層に電磁的に接続しており、誘電層は第１信号層と第２信号層の間に配置され、
   各通信素子は、前記第１信号層にコンデンサを介して接続し、前記第１信号層および前記第２信号層の間で電流を流すことにより、信号を発信することを特徴とする通信装置。
5. 信号を伝達する複数の信号層が形成され、２つ以上の信号層に接続して当該２つ以上の信号層間における信号の送受信を行う複数の通信素子が設けられることを特徴とする通信装置。
6. 通信素子は、自身が接続する信号層内に設けられた通信素子との間で信号を送受信することを特徴とする請求項５に記載の通信装置。
7. 通信素子が、自身が接続する信号層内に設けられた通信素子から信号を受信し、自身が接続する他の信号層内に設けられた通信素子に信号を送信することにより、信号を所期の信号層まで順次伝達することを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
8. 各信号層は識別番号を有し、信号の伝達は、信号層の識別番号を利用して実現することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の通信装置。
9. 各通信素子は、自身が接続する信号層ごとに、信号層内のローカルな識別番号を有し、信号層内の信号の伝達は、ローカルな識別番号を利用して実現することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の通信装置。
10. 少なくとも一つの信号層に基準となる識別番号を設定し、その基準識別番号をもとに、他の信号層の識別番号を順次設定することを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の通信装置。
11. 通信素子は、自身が接続する信号層の識別番号を含んだ信号を受け取ると、その信号を伝達した信号層の識別番号を保持し、続いて自身が接続する他の信号層の識別番号を設定して、設定した識別番号を含む信号を当該他の信号層に送信することを特徴とする請求項１０に記載の通信装置。
12. 通信素子は、データ信号を受け取ると、信号の転送先となる通信素子を特定し、データ信号を受信しながら、そのデータ信号を、転送先となる通信素子に送信することを特徴とする請求項５から１１のいずれかに記載の通信装置。

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