JP2007159082A

JP2007159082A - 通信装置

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Publication number: JP2007159082A
Application number: JP2006082331A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinoda; 裕之篠田; Naoya Asamura; 直也浅村; Tetsuo Kiyomatsu; 哲郎清松
Original assignee: University of Tokyo NUC; Cellcross Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Cellcross Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: WO2007066447A1; JP3938590B2

Abstract

【課題】通信素子の電源を容易に充電できるシート状の通信装置を提供する。
【解決手段】通信装置１００の第２導体部１０２は、第１導体部１０１と略平行に配置され、通信素子１０５の電極２０１は第１導体部１０１に容量結合し、電極２０２は、第２導体部１０２に容量結合し、通信素子１０５は、第１導体部１０１と第２導体部１０２との間の電圧変化に連動する電極２０１と電極２０２との電圧変化を整流充電して電源とし、通信素子１０５は、第１導体部１０１と第２導体部１０２との間の電圧の変化、もしくはこれらの間を伝播する電磁波によって、他の通信機器と通信する。
【選択図】図４

Description

本発明は、通信素子の電源を容易に充電できるシート状の通信装置に関する。

従来から、複数の通信素子が埋め込まれたシート状（布状、紙状、箔状、板状、メッシュ状（信号の電磁波長より細かい網目を持つものが典型的である。）など、面としての広がりを持ち、厚さが薄いもの。）の通信装置に関する技術が、本願の発明者らによって提案されている。たとえば、以下の文献では、個別の配線を形成することなく、シート状の部材（以下「シート状体」という。）に埋め込まれた複数の通信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が提案されている。
特開２００４−００７４４８号公報

ここで、[特許文献１]に開示される技術においては、各通信素子は、シート状体の面に格子状、三角形状、もしくは蜂の巣状の図形の頂点に配置される。各通信素子は、当該通信素子により発生された電位の変化が近傍には強く、遠方には減衰して伝播することを利用して、周辺に配置されている他の通信素子とのみ通信する。

この局所的な通信により通信素子間で信号を順次伝達することによって、目的とする通信素子まで信号が伝達される。また、複数の通信素子は管理機能により階層に分けられ、各階層において経路データが設定されており、効率よく最終目的の通信素子まで信号を伝達することが可能となる。

このようなシート状体の面に略規則的に通信素子が埋め込まれ、通信素子同士がネットワークを形成して情報を伝達する通信装置においては、シート状体の構成をどのようにするか、通信素子をどのように配置するか、について、さまざまな要望や用途に応じるため、種々の新しい技術的提案が強く求められている。

特に、通信素子の充電を適切に行うための技術が強く求められている。

本発明は、このような要望に応えるもので、通信素子の電源を容易に充電できるシート状の通信装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する。

本発明の第１の観点に係る通信装置は、第１のシート導体部、第１のシート導体部と略平行に配置される第２のシート導体部、第１のシート導体部と容量結合する第１の電極と、第２のシート導体部と容量結合する第２の電極と、を有する通信素子部を備える。

第１のシート導体部と第１の電極との結合と、第２のシート導体部と第２の電極との結合と、のいずれか一方は、容量結合にかえて、導体接触による結合を採用することとしても良い。

ここで、通信素子部は、第１のシート導体部と第２のシート導体部との電圧の変化に基づいて変化する第１の電極と第２の電極との電圧の変化を整流充電して電源として動作する。

また、通信素子部は、第１の電極と第２の電極との電圧を変化させることにより、第１のシート導体部と第２のシート導体部との電圧を変化させ、および／または第１のシート導体部と第２のシート導体部との間に電磁波を伝播させて、第１のシート導体部と第２のシート導体部とに結合した他の通信機器と通信する。

ここで、「通信素子」とは、信号を転送する小型の回路ユニットや、センサや発光素子に信号送受信回路を付加したものを採用することもできる。センサの場合には、ホストとしての機能をもつ通信機器からの指令に呼応してデータを返送したり、計測した量に応じて自発的にデータを発するような形態を採用することができる。また、「通信機器」には、第１、第２のシート導体部に直接あるいはコネクタとケーブルを介して接続される通信装置のほか、上記構成によって第１、第２のシート導体部の間に配置された「他の通信素子」も該当する。

また、本発明の通信装置において、通信素子部は、第１のシート導体部と第２のシート導体部との間に配置されるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部と通信機器との間には、第１のシート状の絶縁体が配置され、第２のシート導体部と通信機器との間には、第２のシート状の絶縁体が配置され、第１のシート状の絶縁体と、第２のシート状の絶縁体と、通信機器と、の間には、これらの間を充填するシート状抵抗が配置されるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部と、第２のシート導体部と、のうち、一方が他方に対向する面には、シート状抵抗が接続され、当該シート状抵抗は、当該他方から絶縁されるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部と、第２のシート導体部と、の間には、これらから絶縁されるシート状抵抗が配置されるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部の第２のシート導体部に対向する面のうち、通信素子部が用いる周波数帯の電磁波が所定の割合よりも高く反射する領域には、シート状抵抗が接続されるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部の第２のシート導体部に対向する面のうち、通信素子部が単位面積あたりに配置される数が所定の閾値より高い領域には、シート状抵抗が接続されるように構成することができる。

このほか、本発明の通信装置において、シート状抵抗にかえて、誘電損失の大きな材料を用いるように構成することができる。

また、本発明の通信装置において、第１のシート導体部と第２のシート導体部との間を、誘電損失の大きな材料で充填するように構成することができる。

本発明によれば、通信素子の電源を容易に充電できるシート状の通信装置を提供することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本願発明の範囲に含まれる。

図１、図２は、本発明の第１の実施形態に係る通信装置を説明する説明図である。図１は、通信装置の斜視外観図、図２は、通信装置の断面図である。以下、本図を参照して説明する。

本実施形態に係る通信装置１００は、シート状（箔状、膜状）の導体である２つの第１導体層１０１と、第２導体層１０２と、が、略平行に互いに絶縁されて対向配置されており、第１導体層１０１には複数の孔１０３が設けられている。

以下「導体」としては、信号周波数における良導体を採用する。したがって、直流においては絶縁体であっても、信号周波数においては良導体のような材質を採用することができる。

また、この孔１０３のそれぞれを貫通するように第２導体層１０２に突起１０４が配置されている。

通信素子１０５は、孔１０３の近傍で第１導体層と結合される。また、突起１０４を介して、第２導体層１０２と結合される。

通信素子１０５同士は、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間で電磁波を伝播させることによって、通信を行う。

通信装置１００の厚みが電磁波長より十分小さい場合、伝播可能な電磁波の電界ベクトルは第１導体層１０１および第２導体層１０２に対して垂直となる。

各通信素子１０５は、第１導体層１０１、ならびに、第２導体層１０２と、直接結合されるか、もしくは容量結合される。

ここで、ある第１導体層１０１と、通信素子１０５と、第２導体層１０２と、を通過する電流を、通信素子１０５が供給すると、第１導体層１０１と第２導体層１０５の間では、シート状の広がり方向（突起１０４を流れる電流とは直交する方向）に電磁波が伝播される。したがって、他の通信素子１０５にも、この電磁波の影響を及ぼすことができることとなり、これによって、信号を検知することができる。

この電磁波による電磁場の分布は、第１導体層１０１と第２導体層１０２とのシート状の広がり方向に垂直な、突起１０４を通過する軸について軸対称（円柱対称）と考えることができる。

また、通信装置１００の最大辺の大きさが、電磁波の波長に比べて十分に小さい場合には、これらの現象は、準定常的な電場の変化と見ることができる。したがって、通信素子１０５を動作させることで、通信素子１０５の近傍における第１導体層１０１と第２導体層１０２との間の電圧を変化させると、その電圧は広がり方向に一様に変化し、この電圧の変化が他の通信素子１０５でも検知可能となる。

なお、図１に示す通信装置１００では、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間は「空気」という絶縁体で充填されている。

一方、図２に示す通信装置１００では、この点を明確にすることとし、空気を含む各種の絶縁体を用いている。すなわち、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間には、絶縁体が充填された絶縁層１０６が設けられている。絶縁層１０６が、両者を絶縁するのである。以降、第１導体層１０１、第２導体層１０２、絶縁層１０６の三者からなる構成を「通信層」と呼ぶこととする。

通信素子１０５が他から電源供給を受けたり、自身が電源を内蔵している場合には不要であるが、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間に一定の電圧を印加しておき、これによって通信素子１０５の動作の電源供給を行うことができる。

円柱状の電磁場の振舞いに関する数値計算および実験によれば、第１導体層１０１、第２導体層１０２の導電率（抵抗率の逆数）σ、両者の間の誘電率ε、第１導体層１０１と第２導体層１０２の向い合う表面間の間隔d、信号の角周波数ωとすると、電磁場の減衰を表すパラメータとして、
η = d ((2σ)/(εω))^1/2
を考えることができる。これは、孔１０３や通信素子１０５の存在による信号の散乱を考慮しないとした場合に、信号の振幅が1/e倍になる距離を表す。したがって、通信装置１００の適用分野によって、このパラメータを考慮して構成設定を行う必要がある。

図２は、通信装置１００の第１導体層１０１と第２導体層１０２とが、通信素子１０５と結合する様子の一例を示す断面図である。

本図に示すように、通信素子１０５には、２つの電極２０１、２０２がある。電極２０１は、第１導体層１０１の孔１０３の周辺部と直接接続される。電極２０２は、第２導体層１０２の突起１０４と直接接続される。そして、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間に電圧が印加されており、この電圧による電源供給を受けて通信素子１０５が動作するのである。なお、第１導体層１０１の上方（第２導体層１０２に対向しない面）には、通信素子１０５が嵌合するように開口部を設けた絶縁体を配置してもよい。

図３は、上記とほぼ同様であるが、突起１０４の形状を変更した例を示す断面図である。

本図に示す例では、第２導体層１０２の下面から第１導体層１０１の上方へ向けて、湾曲するように開口部が設けられており、第１導体層１０１の孔１０３に相当する部分の周辺も上方へ湾曲している。第２導体層１０２の湾曲した部分が突起１０４に相当する。両者の間には絶縁層１０６が配置されている。たとえていえば、これらはいずれも、ちょうど金属板に錐で力をかけて穴を開けたような形状となっており、全体として見れば、これらを密着させて重ねた構成となっている。

電極２０１は、この湾曲を覆うようなキャップ状の形状をしており、第１導体層１０１と直接接続される。電極２０２は、第２導体層１０２の突起の内側に直接接続される。

電極２０１と電極２０２の接点は、バネで湾曲の内側と外側から第１導体層１０１と第２導体層１０２とを挟むようになっており、これによって接続が確実になる。

図４は、通信装置１００の第１導体層１０１と第２導体層１０２とが、通信素子１０５と結合する様子の他の例を示す断面図である。

本図に示すように、第１導体層１０１の上方（第２導体層１０２に対向しない面）には、絶縁体３０１が配置されている。したがって、通信素子１０５の電極２０１は第１導体層１０１と一種のコンデンサをなし、電極２０２は第１導体層１０２と一種のコンデンサをなす。またこのとき、電極２０１や電極２０２は、必ずしも絶縁体３０１に密着している必要はなく、ある程度すきまがあってもよい。

一般に、電極２０１（２０２）と導体層１０１（１０２）とを近接させた状態で、電極２０１（２０２）表面に電荷が生じると、導体層１０１（１０２）には逆符号の電荷が誘導される。このような結合を「容量結合」と呼ぶ。

通信素子１０５の電極２０１、２０２と、第１導体層１０１、第２導体層１０２とが、直接接続されていなくとも、このような容量結合が成立していれば、第１導体層１０１と第２導体層１０２と間の電圧を変化させることによって、これに呼応した電極２０１と電極２０２の間に電圧の変化が生じる。したがって、この電圧の変化を整流充電すれば、通信素子１０５の動作電源を確保することができるのである。

ここで、電極２０１（２０２）の面積をS、電極２０１（２０２）と第１導体層１０１（第２導体層１０２）の間隔をdこれらの間の絶縁層１０６の誘電率をεとすると、電極と導体層の間に形成される容量Cは
C = εS/d

で与えられる。

S = 5mm × 5mm，d = 1mm，ε = 5×10^-11F/mとすると、C = 1.25pFである。f = 2.4 GHzにおいて容量Cのインピーダンス（リアクタンス）は53Ωである。高周波の交流信号においては、このように容量結合によって低インピーダンスの結合が可能であり、信号電力を高い効率で伝達することができる。

容量結合を採用するメリットとしては、以下のようなものがあげられる。

まず、第１導体層１０１、第２導体層１０２と通信素子１０５との結合に導電性を確保する必要がなく、製造が簡単である。

次に、第１導体層１０１、第２導体層１０２との間で、絶縁体３０１が剥離するような状況があっても、はじめから電気接続を前提にしていないので結合が維持できる。

さらに、硬い導電性接着剤を局所的に用いることがないので、接合部の破壊も生じにくい。

そして、第１導体層１０１、第２導体層１０２が、相互に横にずれ可能な構造を作ることができ、通信装置１００はシートとして柔軟に屈曲できるようになる。

このほか、導電性繊維やメッシュなどを第１導体層１０１、第２導体層１０２として採用していた場合、最も近くで対向する導電性繊維等だけでなくその外側（通信装置１０５から見て奥に相当する。）にある他の導電性繊維等とも容量結合することができ、結合が平均化、安定化する。

図５は、通信装置１００の第１導体層１０１と第２導体層１０２とが、通信素子１０５と結合する様子の他の例を示す断面図である。本例では、第２導体層１０２に突起１０４を設けるかわりに、通信素子１０５の形状が「突起」の役割を果たす。

本図（ａ）に示すように、本例では、絶縁体３０１は、第１導体層１０１の上方ならびに孔１０３に対向する第２導体層１０２を覆うように配置される。一方、通信素子１０５は、絶縁体３０１で覆われた孔１０３に嵌合するような形状となっている。

孔１０３は、円形をしており、電極２０１は環形、電極２０２は円形となっている。嵌合したときには、これらの中心が一致する。本図（ｂ）には、通信素子１０５の下面および電極２０１、電極２０２の様子を示す。

なお、これまでに説明した通信素子１０５と同様の形状で構成し、電極２０１、２０２を有するコネクタを提供することによって、外部機器と本通信装置１００（に接続された通信素子１０５や同様のコネクタを使用した他の外部機器）との間で通信を行うことが可能である。

図６は、電源供給を受けるような通信素子１０５の概要構成を示す説明図である。ただし、電源供給を受けない場合であっても、同様の構成を採用することができる。以下、本図を参照して説明する。

本図に示す通り、通信素子１０５は、正端子５０１、負端子５０２、ダイオード５０４、コンデンサ５０５、送信回路５０６、受信回路５０７、制御回路５０８を備える。

コンデンサ５０５には、ダイオード５０４を介して充電が行われる。ダイオード５０４は、通信素子１０５内の電源電位VDDが端子間電圧OUTを下回ったときに電流が流れる状態となり、速やかに充電が行われる。OUT < VDDである限り、ダイオード５０４は高インピーダンス状態となるので、送信回路５０６による信号の発信等を妨げることはない。このコンデンサ５０５から、送信回路５０６、受信回路５０７、制御回路５０８に動作電力が供給されることとなる。

ここでは半波整流回路が用いられているが、全波整流回路を用いても良い。また、図示はしていないが、回路への供給電圧を安定化するため、標準的な電圧レギュレータ回路を採用することとしても良い。

突起１０４は円柱状の形状をしており、その半径が、通信に用いる信号の電磁波の波長よりも十分小さい場合に、通信素子１０５から通信層を見たときの放射インピーダンスZは誘導性であり、
Z = α + jβ (α>0，β>0)
のような形をしている。

放射インピーダンスZは有限である。たとえば、２.５ＧＨｚ帯の通信を行い、層の間隔を１ｍｍ程度、突起の半径を数ｍｍ程度としたとき、αは１Ω〜１０Ω程度となる。一方、通信層は直流的には抵抗はゼロとみなせる。直流的には十分低いインピーダンスで電源供給が行える。このように、第１導体層１０１と第２導体層１０２とを用いることで、信号の伝達と電力の供給が行えることとなる。

正端子５０１は、電極２０１と電極２０２との一方に、負端子５０２は、電極２０１と電極２０２との他方に、それぞれ接続される。上記のように容量結合が成立する場合は、第１導体層１０１と第２導体層１０２の間の電圧を変化させれば、電極２０１と電極２０２の間の電圧も変化する。

したがって、適切な電圧変化（交流電流・電圧）を第１導体層１０１と第２導体層１０２の間に印加すれば、ダイオード５０４によってコンデンサ５０５に整流充電が果たされる。

充電信号を２.４ＧＨｚのマイクロ波とすれば、C = 1.25pFの容量結合のインピーダンスは53Ωである。また、充電信号周波数24MHzにおいては、5.3kΩとなる。接続された通信素子が平均で100μAを消費する場合、容量の両端電圧はそれぞれ5.3mVおよび0.53Vにすぎず、容量結合によって、低消費電力の通信素子を容易に駆動できることがわかる。また、受信回路にこのリアクタンス分を打ち消す整合回路を挿入することにより、さらに多くの電流を供給することができる。

制御回路５０８には、より一般的な論理回路や、さらに進んで小型コンピュータなど、各種の情報処理装置を採用することができる。制御回路５０８は、受信回路５０７と送信回路５０６とを制御して、隣り合う通信素子１０５と通信を行い、ネットワークを形成する。このような通信の制御手法については、上記[特許文献１]に開示されている技術を適用することができるほか、後述する技術を採用することができる。

図７は、本実施形態における通信素子の送信回路の概要構成を示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示す通り、送信回路５０６は、ｐＭＯＳトランジスタ６０１、ダイオード６０２、ｎＭＯＳトランジスタ６０３を備える。

制御回路５０８による制御は、ｐＭＯＳトランジスタ６０１、ｎＭＯＳトランジスタ６０３のゲート電圧を変化させることによって行う。
（１）制御回路５０８は、信号を発しない状態の場合、ｎＭＯＳトランジスタ６０３のゲートをチップ内でのグラウンド（VSS）電位、ｐＭＯＳトランジスタ６０１のゲートをVDD電位とする。この場合、両者において、ソース−ドレイン間のインピーダンスは十分高い値になっており、OUTはVDD電位にほぼ等しくなる。
（２）制御回路５０８によって、ｎＭＯＳトランジスタ６０３およびｐＭＯＳトランジスタ６０１の両方のゲートにＨ（High）電位が印加されると、OUTはＬ（Low）電位となる。
（３）制御回路５０８によって、ｎＭＯＳトランジスタ６０３およびｐＭＯＳトランジスタ６０１の両方のゲートにＬ電位が印加されると、OUTはＨ電位となる。

このように電位を変化させることによって、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間で電磁波を発生させて、信号を伝達するのである。

なお、ｎＭＯＳトランジスタ６０３とｐＭＯＳトランジスタ６０１にはさまれたダイオード６０２は、出力電圧の振幅を調整するために挿入されている。ダイオード６０２を設けずに、ここで両者を短絡すると、ＯＵＴのＨレベルは電源電位、Ｌレベルはチップ内の接地電位となってしまうが、ダイオード６０２を挿入しておくと、その順方向電圧降下分、Ｌレベルの電位が高くなり、消費電力を節約できる。

なお、上記の放射インピーダンスZの抵抗成分αは突起１０４の半径がある値よりも小さくなれば、一定値に収束していく。

一方、放射インピーダンスZのリアクタンス成分βは、突起１０４の半径を小さくしていくと発散して大きくなる。

このため、突起１０４が小さい場合には、そのまま駆動したのでは電圧変化のエネルギーが有効に電磁波の波動エネルギーに変換されない場合がある。

このときには、出力にβを打ち消すインピーダンスを持つコンデンサを正端子５０１と送信回路５０６の間、もしくは、負端子５０２と送信回路５０６の間に直列接続する。

すると、送信回路５０６から見た通信層の負荷を純抵抗とすることが可能となる。この場合、最小の電圧振幅で最大のエネルギーが送出できることとなり、負荷で消費されるエネルギーはそのまま電磁波の波動エネルギーに変換される。

送信回路５０６と、正端子５０１もしくは負端子５０２のいずれかと、の間に直列接続されるコンデンサの最適な容量Coptは、数値計算や実験によって求めることとする。なお、回路構成や形状によっては、インダクタンスを接続することによって、上記のように通信層を純抵抗とすることができる場合もある。この場合についても、数値計算や実験等によって値を求めることとすれば良い。

なお、通信層において、電流や電磁場は、導体の向かい合う側の表面にしか存在せず、その深さは、表皮深さ（電流振幅が1/e倍になる深さ）として、
ζ = c((2ε)/(σω))^1/2
で与えられる。ただしcは光速である。

したがって、通信層の表面付近のみを導電率の小さな材料で置き換え、その背面に十分に導電率の大きい材料を用いれば、信号を減衰させると同時に、直流的な電力供給は十分小さい通信層抵抗を介して行うことが可能になる。

図８は、本実施形態における通信素子の受信回路の概要構成を示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示す通り、受信回路５０７は、抵抗（r1）７０１、抵抗（r2）７０２、コンパレータ７０３を備える。受信回路５０７では、抵抗７０１と抵抗７０２の分圧比によって、受信された電位の変化がＨかＬかの閾値を設定する。

図９は、本実施形態における通信素子の受信回路の他の概要構成を示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。

本受信回路は、標準的な信号伝達手法の一つである、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）に基づく受信回路の実施例を示している。本方式では、周波数fの搬送波を一定時間Tだけ発生するバースト信号の有無によって１ビットを伝達する。受信回路は、ＩＮ端子の信号に対しfを中心周波数とする帯域通過フィルタを施し、増幅したのち整流する。その整流信号を、1/Tより大きく、fより小さなカットオフ周波数をもつ低域通過フィルタへ通す。その出力を閾値と比較し、最終的にはバースト信号の有無をHレベルおよびLレベルに変換して制御回路へと伝達する。

信号の搬送波周波数fと、通信素子への充電用信号周波数Fは異なる値に設定しておけば、充電によって信号送受信が影響を受けることはない。

また、コンパレータ７０３の入力インピーダンスで決まる入力端子とVSSの間のインピーダンスの抵抗成分は、受信回路５０７が吸収するエネルギーを最大化する観点からは、放射インピーダンスZの抵抗成分αと同程度とすることが望ましい。そして、送信回路５０６の場合と同様に、通信層のリアクタンス成分βを打ち消すようなコンデンサを、正端子５０１と受信回路５０７の間に直列接続する。これによって、受信回路５０７に流入する電力が最大となる。

このときのコンデンサの最適な容量は、送信回路５０６と受信回路５０７の入力線の引き回しが同一であれば、Coptとなるが、実際には数値計算や実験によって求めることとする。

なお、通信素子１０５と第１導体層１０１、第２導体層１０２とが容量結合する場合には、上記の「直列接続されるコンデンサ」が必然的に形成されることになる。

したがって、このような場合等には、コンデンサをさらに直列接続するのではなく、インダクタンスを直列接続することによって、上記のように通信層を純抵抗とすることができる場合もある。この場合についても、数値計算や実験等によって値を求めることとすれば良い。

このように、本実施例によれば、複数の通信素子１０５が相互に通信するシート状の通信装置１００を提供することができる。

さて、一般に、電磁波を用いた通信では、反射による影響を排除する必要があることが多い。これは、本実施例においても同様である。そこで、以下では、反射の影響を排除するための方策について述べる。

上記のように、電磁場の減衰を表すパラメータηによれば、第１導体層１０１や第２導体層１０２の導電率σを小さくする（抵抗率を高くする）と、電磁波の到達距離が短くなる。したがって、反射の生じそうな場所では、第１導体層１０１や第２導体層１０２の導電率σを小さくするために、抵抗層を設けることによって、多重回の反射を抑えることができるようになる。

図２における実施例に対して、抵抗層を設けた実施例を図１０に示す。本図（ａ）では、抵抗層８０１を第１導体層１０１に接続し、抵抗層８０１と第２導体層１０２との間に絶縁層１０６を設けている。本図（ｂ）では、この逆に、抵抗層８０１を第２導体層１０２に接続し、抵抗層８０１と第１導体層１０１との間に絶縁層１０６を設けている。他の形態においても、同様に、抵抗層８０１を設けることによって、電磁波の到達距離を調整する。

なお、抵抗層８０１は、絶縁層１０６の内部に埋没させ、第１導体層１０１と第２導体層１０２の両方から絶縁された状態としても良い。

図１１は、特殊な形状の通信装置１００に対して、抵抗層８０１を設けた方が良い部位を説明する説明図である。

本図に示すシート状の通信装置１００は、２つの大きな島を橋が繋ぐような形状となっている。本図で網カケで表示されている部分が、抵抗層８０１を配置すべき部位であり、それ以外の部分は、導電率σは高いままとする。

まず、形状の辺縁部や領域の屈曲部などでは、反射が起きやすい。そこで、このような場所では、抵抗層を配置する。

また、本図の例では、孔１０３（図中では丸印で表記されている。）の配置の密度も異なっている。そこで、高密度で通信素子１０５が配置されうる場所についても、不要な信号の衝突を避けるために、抵抗層８０１を配置して、電磁波の到達距離を短くするのである。

このような、抵抗層８０１を設けるべき領域を選択するための手法としては、以下のようなものが考えられる。すなわち、抵抗層８０１がない場合の模擬実験や数値解析を行って、各領域での反射の程度を調べ、その程度が所定の閾値よりも高い領域を選択する手法である。このほか、単位面積あたりの孔１０３の数を調べ、これが所定の閾値より高い領域を選択しても良い。

このように、抵抗層８０１を設けることによって、反射による影響や信号の衝突を防止することができるようになる。

なお、基本構成は上記実施例と同様とした上で、突起１０４と通信素子１０５とを一体に構成することもできる。図１２は、そのような実施形態に係る通信装置の断面図を示すものである。

本図に示すように、通信装置１００では、第１導体層１０１と第２導体層１０２とが床と天井、通信素子１０５が柱となるように、配置されている。絶縁層１０６と、部位によっては抵抗層８０１とが用意されている。本例では、抵抗層８０１は、第２導体層１０２に接するように配置されているが、抵抗層８０１を配置する場所は上記実施例と同様に変更することができる。本例の場合には、通信素子１０５は、第１導体層１０１と第２導体層１０２とから電力の供給を受けることになる。

このような態様であっても、複数の通信素子部が相互に通信するシート状の通信装置を実現することができる。

このほか、第１導体層１０１、絶縁層１０６、抵抗層８０１、絶縁層１０６、第２導体層１０２のような５層構造を採用することもできる。このような構成を採用した場合にも、σを小さくする効果が得られる一方で、第１導体層１０１、第２導体層１０２の短絡を防止することができる。

また、抵抗層を導体層１０１および１０２の両方の表面に配置した構造、すなわち、第１導体層１０１、抵抗層８０１、絶縁層１０６、抵抗層８０１、第２導体層１０２のような５層構造を採用しても、同様な効果が得られる。

図１３は、通信素子と第１導体層、第２導体層とが接触して接続される場合の、他の実施例の孔付近の形状を示す断面図である。

本図（ａ）に示す例は、電極２０２として、ピン状の形状を採用し、突起１０４の先端から中へ、電極２０２のピン部分を挿入できるような窪みが用意されている。

本図（ｂ）に示す例は、突起１０４を第２導体層１０２から延ばすのではなく、通信素子１０５から第２導体層１０１へ突起状の形状を設け、その先端に電極２０２を設けて、接続を行うものである。第１導体層１０１と絶縁層１０６には、通信素子１０５の突起状の形状と嵌合する孔が設けられている。

本図（ｃ）に示す例は、電極２０２そのものを本図（ｂ）における突起状の形状として用いるものである。

このように、外部機器へのコネクタを含む通信素子１０５と、これに嵌合する構成とについては、このような種々の形状を採用することができる。

ここまでは、通信素子１０５が通信装置１００の外側にある実施態様について主に説明した。以下では、通信素子１０５が、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間に挟まれる態様について説明する。

図１４は、通信素子１０５が、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間に挟まれる様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図（ａ）に示す例では、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間に通信素子１０５が完全に埋め込まれており、通信装置１００と一体化している。このような場合の通信素子１０５は、温度、圧力、湿度、光、電磁波などを検知するセンサや、ＲＦ−ＩＤタグのような情報処理を行うものを考えることができる。

そして、第１導体層１０１と通信素子１０５の電極２０１とが対向して容量結合し、第２導体層１０２と通信素子１０５の電極２０２とが対向して容量結合している。

容量結合による通信素子１０５の充電、および、通信素子１０５が第１導体層１０１および第２導体層１０２の間の電圧の変化、もしくは、第１導体層１０１および第２導体層１０２の間を伝播する電磁波を用いて通信を行う態様については、上述した通りである。

たとえば、通信装置１００の大きさ（最大辺の長さ）が電磁波長よりも十分に小さい（たとえば、１０分の１以下）の場合には、第１導体層１０１および第２導体層１０２の間を電磁波が伝播するような状況を想定しなくとも、準定常的な電圧の変化として捉え、電磁波の影響は大きく考えずに集中定数のみで考えることができる。

たとえば、通信素子１０５において、通信に１０ＭＨｚ程度の周波数の信号を用いると、波長は３０ｍ程度となる。このときに、通信装置１００のシートの大きさとして、１ｍから数ｍ程度を採用した場合に相当する。

このような場合に、充電を行うために第１導体層１０１と第２導体層１０２に印加する交流電圧の周波数としては、任意のものを利用することができる。

なお、充電信号の周波数Fと情報信号の周波数fは、それぞれ高周波（電磁波長がシート状の通信装置１００の大きさより小さくなる周波数）、および、低周波（電磁波長がシート状の通信装置１００の大きさよりより大きくなる周波数）のどちらを選択してもよい。

充電信号Fと情報信号の周波数fがいずれも低周波数の場合（電磁波長が通信シートの大きさより大きい場合）には、導体層に充電用交流電源を接続することによって、情報信号の伝達が妨げられないようにする必要がある。

図１５は、第１導体層１０１および第２導体層１０２からなる通信層Ｃの駆動回路およびその他の付加回路を示す説明図である。

本図において、L1およびC1は、その共振周波数1/(2π√(L1 C1))がfに等しくなるように設定する。これにより、情報信号周波数fにおいては、通信層Ｃが高インピーダンスで電源に接続されることになる。

その上で、充電周波数F (F < f)においては電源両端でのインピーダンスが小さくなるよう、C2（あるいは場合によってはC2にかえてインダクタスL2）を調整し、通信素子１０５用の通信層への充電電圧・電流を確保できるように設定する。

なお、通信層の容量CとLの共振周波数1/(2π√(LC))が情報信号搬送周波数fに等しくなるようにLを接続すると、通信素子１０５からみた通信層の駆動インピーダンス（第１導体層１０１の任意の場所とその近傍にある第２導体層１０２の場所との間のインピーダンス）は、周波数fにおいて大きくなるため、少ない電流で大きな電圧振幅の信号を、第１導体層１０１と第２導体層１０２の間に発生させることができるようになる。

さて、通信装置１００の大きさが電磁波長に比べて十分に小さい、とは言えない場合、たとえば、通信素子１０５が用いる電磁波の周波数がＧＨｚ帯以上の場合等には、上記のように、電磁波の伝搬を想定した通信状況を考える必要がある。

この場合であっても、第１導体層１０１と第２導体層１０２との間隔は、電磁波長よりも小さくすることが望ましい。両者の間隔が大きくなると、発生する電磁波のモード数が多くなるため、信号受信に不利に働くことがあるからである。典型的には、両者の間隔は、電磁波長の半分よりも小さな間隔とする。また、薄いシート状にすることによって、様々な物体の表面や内部に容易に実装できるようになる。

図１４（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す例では、このような電磁波の伝搬を考慮して、抵抗層８０１を設け、反射を防止することとしている。

図１４（ｂ）では、抵抗層８０１を第１導体層１０１に接続し、抵抗層８０１と通信素子１０５や第２導体層１０２とは絶縁している。

図１４（ｃ）では、抵抗層８０１を、第１導体層１０１と通信素子１０５の間に絶縁して配置している。

図１４（ｄ）では、抵抗層８０１に通信素子１０５を絶縁して埋め込むこととしており、第１導体層１０１側の絶縁層１０６と、第２導体層１０２側の絶縁層１０６と、は、一定の厚さのシートを用いることができるようにして、シートとしての一体性を向上させるとともに、製造を容易にしている。

なお、本図においては、電極２０１と電極２０２とは、通信素子１０５の両側で通信装置１００の厚さ方向において重なるように設けられているが、これらの位置は、互いに重ならないようにしても良く、自由に定めることができる。

このほか、上記の実施形態において、電磁波吸収体として利用されている部材（抵抗層８０１等）としては、いわゆる「抵抗」ではなく、「誘電損失の大きな材料」を採用しても良い。抵抗体と誘電体は、いずれも複素誘電率が
ε(ω) = ε_r(ω) - jε_i(ω)
で表現することができる。

理想的な誘電体では、虚部ε_i(ω) = 0であり、実部ε_r(ω)は定数である。

理想的な抵抗では、導電率をσとすると、虚部ε_i(ω) = σ/ωである。

電磁波の減衰パラメータηを、このような複素誘電率で表現することも可能であり、直流では絶縁体であるが、通信周波数では誘電損失が大きな材料は、電磁波吸収体として利用することができる。

したがって、第１導体層１０１側の絶縁層１０６と第２導体層１０２側の絶縁層１０６との間に、上記実施形態の抵抗層８０１と同様に、誘電損失が大きなシート状の材料を（絶縁層１０６とともに）挿入したり、第１導体層１０１側の絶縁層１０６と第２導体層１０２側の絶縁層１０６との間に、絶縁層１０６にかえて、誘電損失が大きな材料等の電磁波吸収体を充填することによって、通信距離を制限することも可能である。

また、情報信号周波数fにおいては誘電損失が大きく、充電信号周波数Fにおいては誘電損失が小さい材料を選べば、損失なく給電しながら、情報信号の反射を防ぐことができる。

また、上記実施形態において、電極２０１が第１導体層１０１と容量結合し、電極２０２が第２導体層１０２と容量結合しているが、これらの容量結合のいずれか一方を、導体結合とすることも可能である。たとえば、電極２０２と第２導体層１０２とを導体結合させる場合には、通信素子１０５を第２導体層１０２に直接設置する。この場合の抵抗層８０１は、上記の実施形態と同様に、第２導体層１０２と第１導体層１０１との間に適宜配置される。

このように構成することにより、シート状の通信装置１００が屈曲されたときに、第１導体層１０１と第２導体層１０２の位置ずれをできるだけ防止することができ、通信装置１００をより頑丈に構成することができる。それでいて、過大な力がかかった場合には、第１導体層１０１は電極２０１に対して横ズレすることが可能で、電極２０１および電極２０２を、それぞれ、第１導体層１０１および第２導体層１０２に導体結合した場合よりも、壊れにくい。

また、上記実施形態においては、電極２０１が第１導体層１０１と容量結合し、電極２０２が第２導体層１０２と容量結合しているが、通信素子１０５の片面の異なる場所に電極２０１、電極２０２を配置し、これらが第１導体層１０１（もしくは、第２導体層１０２）と容量結合するように構成してもよい。

第１導体層１０１と第２導体層１０２との間を電磁波が伝播することによって通信を行うサイズに通信装置１００が構成されている場合には、電極２０１と電極２０２の場所が異なれば、電磁波の伝播によって両者の間に電位差が生じうる。したがって、電極２０１と電極２０２が共通する導体層と容量結合する場合であっても、通信ならびに整流充電は可能である。

以上説明したように、本発明によれば、通信素子の電源を容易に充電できるシート状の通信装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。電源供給を受けるような通信素子の概要構成を示す説明図である。通信素子の送信回路の概要構成を示す回路図である。通信素子の受信回路の概要構成を示す回路図である。通信素子の受信回路の他の態様の概要構成を示す回路図である。本発明の他の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。特殊な形状の通信装置に対して、抵抗層を設けた方が良い部位を説明する説明図である。本発明の他の実施形態に係る通信装置の概要構成を示す断面図である。通信素子と第１導体層、第２導体層とが接触して接続される場合の、他の実施例の孔付近の形状を示す断面図である。通信素子が第１導体層と第２導体層の間に挟まれる態様の通信装置の概要構成を示す断面図である。第１導体層および第２導体層からなる通信層の駆動回路およびその他の付加回路を示す説明図である。

符号の説明

１００通信装置
１０１第１導体層
１０２第２導体層
１０３孔
１０４突起
１０５通信素子
１０６絶縁層
２０１電極
２０２電極
３０１絶縁体
５０１正端子
５０２負端子
５０４ダイオード
５０５コンデンサ
５０６送信回路
５０７受信回路
５０８制御回路
６０１ｐＭＯＳトランジスタ
６０２ダイオード
６０３ｎＭＯＳトランジスタ
７０１抵抗
７０２抵抗
７０３コンパレータ
８０１抵抗層

Claims

第１のシート導体部、
前記第１のシート導体部と略平行に配置される第２のシート導体部、
前記第１のシート導体部と容量結合する第１の電極と、前記第２のシート導体部と容量結合する第２の電極と、を有する通信素子部
を備え、
前記通信素子部は、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との電圧の変化に基づいて変化する前記第１の電極と前記第２の電極との電圧の変化を整流充電して電源として動作し、
前記通信素子部は、前記第１の電極と前記第２の電極との電圧を変化させることにより、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との電圧を変化させ、および／または前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との間に電磁波を伝播させて、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部とに結合した他の通信機器と通信する
ことを特徴とする通信装置。
第１のシート導体部、
前記第１のシート導体部と略平行に配置される第２のシート導体部、
前記第１のシート導体部と容量結合する第１の電極と、前記第２のシート導体部と導体結合する第２の電極と、を有する通信素子部
を備え、
前記通信素子部は、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との電圧の変化に基づいて変化する前記第１の電極と前記第２の電極との電圧の変化を整流充電して電源として動作し、
前記通信素子部は、前記第１の電極と前記第２の電極との電圧を変化させることにより、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との電圧を変化させ、および／または前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との間に電磁波を伝播させて、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部とに結合した他の通信機器と通信する
ことを特徴とする通信装置。
請求項１または２に記載の通信装置であって、
前記通信素子部は、前記第１のシート導体部と前記第２のシート導体部との間に配置される
ことを特徴とする通信装置。
請求項３に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部と前記通信機器との間には、第１のシート状の絶縁体が配置され、
前記第２のシート導体部と前記通信機器との間には、第２のシート状の絶縁体が配置され、
前記第１のシート状の絶縁体と、前記第２のシート状の絶縁体と、前記通信機器と、の間には、これらの間を充填するシート状抵抗が配置される
ことを特徴とする通信装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部と、前記第２のシート導体部と、のうち、一方が他方に対向する面には、シート状抵抗が接続され、当該シート状抵抗は、当該他方から絶縁される
ことを特徴とする通信装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部と、前記第２のシート導体部と、の間には、これらから絶縁されるシート状抵抗が配置される
ことを特徴とする通信装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部の前記第２のシート導体部に対向する面のうち、前記通信素子部が用いる周波数帯の電磁波が所定の割合よりも高く反射する領域には、シート状抵抗が接続される
ことを特徴とする通信装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部の前記第２のシート導体部に対向する面のうち、前記通信素子部が単位面積あたりに配置される数が所定の閾値より高い領域には、シート状抵抗が接続される
ことを特徴とする通信装置。
請求項３から８のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記シート状抵抗にかえて、誘電損失の大きなシート状体を配置する
ことを特徴とする通信装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の通信装置であって、
前記第１のシート導体部と、前記第２のシート導体部と、の間に誘電損失の大きな物質を充填する
ことを特徴とする通信装置。