JP4821002B2

JP4821002B2 - 人工磁性体

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Publication number: JP4821002B2
Application number: JP2006196635A
Authority: JP
Inventors: 洋久保
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP2008028010A

Description

本発明は、人工磁性体に関する。

自然界の媒質と同様の誘電体あるいは磁性体としての特性を有する人工媒質についての研究、開発が近年なされており、このような人工媒質のうち特に単位粒子がマイクロ波やミリ波の波長よりも小さく分子よりも大きくなるような粒子の形状・配置として自然界の媒質にはない特性を有する人工媒質の設計・製作が可能であり、注目を集めている。この中で、正の透磁率および負の透磁率を実現するものとしてスプリットリング共振器が知られている。

図１は、導体で形成された多数のスプリットリング共振器が格子状に配置された人工媒質を示している。この共振器は薄い導体板で作られた帯状リングの一箇所を切除したスプリットリングの切除した部分を互い違いにして２個重ねた状態にし、これを格子状に配置したものである。このような人工媒質は強い異方性をもっており、特定の方向の磁界に対して透磁率が大きく、他の方向の磁界に対しては空気の透磁率と大差がないというようになっている。この点は、このような異方性をもつ人工媒質を利用する場合に、磁界に対してどのような向きに媒質を置けば効果が得られるかということと関わっており重要である。図１の構造ではｙ方向の磁界に対する透磁率が空気の透磁率と比べて変化する。以降においては、磁界の向きをｙ方向に固定し、この方向を基準にして媒質の構造を説明する。これは単なる座標軸の選択の問題であり、一般性を失うものではない。

図２、図３は公知のスプリットリング共振器の構造を示すものであり、図２においては各組のスプリットリングを同心円状に配置し、図３においては各組のスプリットリングが間隔をおいて重なる位置に配置されている。共振器面に垂直なｙ方向に高周波磁界が印加されたときに、外部磁束φが共振器に交差するためファラデーの法則による電流が導体に流れる。

図２によりこれを詳述すると、外部磁束の変化に対して例えば外側のスプリットリングに左回りの電流が流れることにより正電荷が上部に、負電荷が下部に貯まるとともに、内側のスプリットリングにも左回りの電流が流れて負電荷が上部に、正電荷が下部に貯まる。

外部磁界の位相が変わり交互に反転すると、電流の方向、スプリットリングに貯まる電荷の正負が反転する。高周波の電磁気学において用いられる変位電流の概念を使えば、正電荷から負電荷に向かって変位電流が流れており、結局外側スプリットリングの電流、外側スプリットリング上部の正電荷から内側スプリットリング上部の負電荷への変位電流、内側スプリットリングの電流、内側スプリットリング下部の正電荷から外側スプリットリング下部の負電荷への変位電流により、印加磁界に垂直なｘ−ｚ平面内を周回する電流が流れる。この電流により、周回面に垂直なｙ方向に磁束が発生し、巨視的に見るとｙ方向の透磁率が空気の透磁率と異なる磁性体として働く。発生する磁束と印加された磁界の位相との関係により、共振周波数を境として、低い周波数では巨視的に見た透磁率が正になり、共振周波数を超えた直後の周波数では負になる。図３の構造においても、電流がｘ−ｚ面内を周回しｙ方向への透磁率に影響する。

スプリットリング共振器を構成する導体板はいずれも外部磁束に垂直になるｘ−ｚ平面に平行な面内にある。このため媒質を製作する場合、例えばｘ−ｚ面内に母材となる層を置き、その表面にある導体層にエッチング処理等を行うことで導体パターンを作る。このような層を図４に示すようにｙ方向に重ねることにより媒質が形成される。このため印加磁界に対して垂直なｘ−ｚ面に広がるシート状の媒質を作ることは比較的容易である。しかしながら、このような媒質は薄い導体の層を重ねて形成するため、厚さを大きくすることは、ｙ方向に非常に多くの層を重ねていくことになり、製作に非常に手間がかかり困難になる。このシート状の媒質の向きを変えて、例えばｘ−ｙ平面に平行な面に置いても、ｙ方向に向いた磁界に対しては人工媒質の異方性により磁性体として働かない。このように、磁界の方向にある程度の寸法を有する、すなわちｘ−ｙ面や、ｙ−ｚ面に広がった媒質を形成することは実際上困難である。

人工磁性体の構成について、次の文献に記載されている。

非特許文献１において、多数の金属製円筒体を、その軸が互いに平行になるようにして、二次元的に配置してなる人工磁性体の構造が示されている（Ｆｉｇ．２〜４）。このような構造では、円筒体の軸方向の長さに応じて、磁界の方向にある程度の寸法を有する人工磁性体が得られる。しかしながら、このように多数の円筒体を配置した構造体を形成することはフォトリソグラフィの手法によりスプリットリングを重ねるようにしてできるわけではなく、実際にはこのような構造体の制作工程は非常に困難なものである。
IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNUQUES，VOL．47，NO．11，NOV．1999．pp．2075−2084

前述したように、薄い導体の層を重ねて人工磁性体を形成する従来の製法によるものでは、必要な磁界方向の寸法を有するものとして製作するのに非常に手間がかかるものであったため、磁界の方向に必要な寸法を有し、特に高周波の領域に対して自然界に見られない透磁率の特性を有し、かつ簡易に形成することができる人工磁性体とすることが求められていた。

本発明は、前述した課題を解決すべくなしたものであり、誘電体からなる板状の母材の両側の面に少なくとも１対の薄板状の導体片を対向して配設してなり、対をなす前記薄板状の導体片は実質的に同等の形状・寸法のものであって該対をなす薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなし、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものである。

誘電体からなる板状の母材の両側の面に少なくとも１対の薄板状の導体片を対向して配設してなり、対をなす前記薄板状の導体片は実質的に同等の形状・寸法のものであって該対をなす薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなすようにした共振器体を複数枚形成して平行に並置し、隣接する該共振器体の間に前記板状の母材と実質的に同等の大きさで厚さの大きい誘電体からなる板材を挟んで全体を一体化してなり、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものである。

複数枚のそれぞれ誘電体からなり実質的に同等の形状・寸法の板状の母材を重なるように並置し、少なくとも１組の実質的に同等の形状・寸法の薄板状の導体片をそれぞれの前記重なるように並置した板状の母材の各面に配置し、それぞれの前記母材はその両側の面に前記薄板状の導体片が対向する位置になるようにして前記複数枚の板状の母材及び少なくとも１組の薄板状の導体片を一体化してなり、それぞれの前記薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなし、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものである。

複数枚のそれぞれ誘電体からなり実質的に同等の形状・寸法の板状の母材を重なるように並置し、少なくとも１組の実質的に同等の形状・寸法の薄板状の導体片をそれぞれの前記重なるように並置した板状の母材の各面に配置し、それぞれの前記母材はその両側の面に前記薄板状の導体片が対向する位置になるようにして前記複数枚の板状の母材及び少なくとも１組の薄板状の導体片を一体化してなり、それぞれの前記薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなすようにした共振器体を複数組形成して平行に並置し、隣接する該共振器体の間に前記板状の母材と実質的に同等の大きさで厚さの大きい誘電体からなる板材を挟んで全体を一体化してなり、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものである。

前記複数の板状の母材のうちの２枚の母材に挟まれる位置にある薄板状の導体片は１枚であるようにしてもよい。

本発明によれば、対をなす薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなすようにした人工磁性体とすることにより、特に高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体に見られない透磁率の特性を有する人工磁性体を形成することができ、また、製作工程において煩雑さが少なく、簡易に形成することができる。

図５は本発明による人工磁性体の基本的構成要素を示すものであり、ｘ−ｙ平面に平行に２枚の実質的に同等の形状・寸法の薄い平板状の導体片を対向させて配置した構造になっている。この対向する導体片でその間に板状の誘電体を挟み込むようにする。この対をなす導体片がｙ方向の外部磁束中にある場合、導体片の間を通過する磁束の大きさの変化に応じて導体片上で上下方向（ｘ方向）に電流が流れ、上下端に電荷が貯まり、一方の導体片の負電荷と他方の導体片の正電荷との間で変位電流が流れ、結局電流はｘ−ｚ面内を周回する。

この周回電流は、電流の周回する面について見ると、従来のｘ−ｚ面内に層状になったスプリットリングの構成の場合と同様に共振器となる。ただし、導体片の両側の２箇所で導体が分離している。この周回面に垂直なｙ方向に磁束を発生させ、この方向に空気とは異なる透磁率をもつ。また、電流が流れる導体片中央部はインダクタンスの性質をもち、電荷が貯まる導体片間はキャパシタンスの性質をもち、これらが直列につながっていることから、この構造は共振器として働く。

図５では１対の導体片からなる基本的構成要素として説明したが、実際の人工磁性体としては、このような導体片の対を多数、ｘ−ｙ平面に平行に縦横に配置する。そのためには、図６に示すように、人工磁性体として、誘電体からなる板状の母材の両面に、多数の導体片を縦横に配置したものを形成する。それぞれの導体は寸法、形状が同じものであり、それぞれ対をなす導体片が間に母材（母材層）を挟んで母材の面上に位置を合わせて配置されている。母材は例えば比誘電率が１０程度の材質からなり、厚さは導体片の間隔となる母材の厚さは１〜２ｍｍ程度である。各導体の寸法は１辺が数ｍｍあるいはそれ以上で相互に１〜３ｍｍ程度の間隔をおいて配置する。

図６に示すものは１枚の母材よる１つの層をなす場合であるが、同様に形成された層を多数重ねて構成してもよい。図７（ａ）は、それぞれ図６のように複数の対をなす導体片が板状の誘電体からなる母材を挟むようにして配置して形成されたものを複数層平行に配置して構成したものを断面で示している。各層は少なくとも１組の対向する実質的に同等の形状・寸法の導体片で母材を挟んだ共振器を有する共振器体となっており、その間には板状の誘電体が挿入されていて、各層はこの挿入された板状の誘電体の厚さだけ間隔をおいている。この間隔が各層の母材の厚さに比してある程度、例えば母材の２倍以上に大きければ、各層は別個の共振器として作用し、間に挿入された板状の誘電体は、単に各層を離間させるものとなる。

図７（ｂ）は、各層の間に挿入された板状の誘電体が母材と同質であり、その厚さが各層の母材の厚さと同等の場合を示しており、この場合、隣り合う層の間に挿入された板状の誘電体を母材として共振器が形成されることになる。そのため、全体として複数の共振器体が間隔をおかずに重ねて配置された構成となる。図７（ｃ）は、２つの共振器体の層を重ねたものを１つの単位として、複数の単位を、間に板状の誘電体を挟んで複数配置してなる構造のものを示している。この場合の複数層の共振器体を重ねた単位の間に挟み込む板状の誘電体の厚さは、母材の厚さに比してある程度、例えば母材の２倍以上に大きく、各単位は別個の共振器体の積層体として作用する。

誘電体の図７（ａ）〜（ｃ）のように複数の層を配置してなる構造において、層の数は２〜１０程度であり、必要とする磁性体の使用目的に応じて適宜選択する。

本発明による人工磁性体を製作する場合、フォトリソグラフィの手法により母材となる板状の誘電体の面に薄板状の導体片を形成する。複数の母材を重ねるものでは、それぞれの母材の面に導体片を形成し、接着剤により張り合わせて積層する。このように形成することにより、磁界の方向にスプリットリングを重ねて形成する場合に比べて、製作工程が格段に簡易になる。

図５〜７において、板状の母材を挟んで対向する薄板状の導体片は実質的に同等の形状・寸法のものであり、図７（ａ）〜（ｃ）のように断面で見た場合に、対向する２枚の導体片の端辺を対向する２辺とする矩形状になっており、この矩形状部分を通過する磁束に対して共振器の作用を生ずることになる。

また、共振器を形成する導体片の形状は矩形形状のものについて説明したが、導体片の形状が特に矩形であることは必要なく、共振器を形成するためには、ある程度の広がりをもった他の形状のものとしてもよい。例えば図８（ａ）に示すように矩形の角に丸みをつけて略楕円形の形状、図８（ｂ）に示すように矩形の対向する２辺がくびれた形状、図８（ｃ）に示すように矩形の対向する２辺が波形の曲線になる形状としてもよい。１枚の母材に多数導体片を配設する場合に、全ての導体片の形状を同じものとしてもよく、あるいは、図８（ａ）〜（ｃ）のような他の形状のものを混ぜた形態としてもよい。複数種類の形状の導体片とした場合に、それぞれの共振器をなす対向する導体片は同等の形状とするのがよい。

本発明により形成された人工磁性体の透磁率は例えば図９のようになる。図９は、板状の人工磁性体を導波管の中に置いて電磁波を入射させた時の反射係数と透過係数を電磁界面シミュレータにより求め、その数値から人工磁性体の等価透磁率の周波数特性を求めたものである。このような透磁率の特性は、自然界における磁性体としては得られないものである。

共振器を構成する導体片、母材の寸法は標準的な場合について前述したが、求める人工磁性体の特性に応じて適宜設定することができる。このような導体片の寸法、母材の厚さ、誘電率によって磁性体の透磁率の特性は異なったものとなる。例えば、透磁率がピークとなる周波数は共振器の共振周波数で決まるが、例えば導体片を短くする、母材の誘電率を下げる、あるいは母材を厚くすることで、高い周波数へとピークを移動させることができる。また、透磁率は導体片の幅を広くする、母材に配置する導体片の密度を高くすることで大きくすることができる。

本発明による人工磁性体は、薄板状の導体片がｘ−ｙ面に平行であり、磁界がｙ方向であるというように説明したが、導体片はｘ−ｙに平行な面内で広がりをもつので、一般的に磁界はｘ−ｙ面に平行な方向であれば図９のような特性の透磁率になる。ただし、ｘ−ｙ面に平行な面内での磁界の方向によって、ピークの値、位置等が異なってくる。各導体片の形状を円形とすれば、透磁率の特性はｘ−ｙ面に平行な面内での磁界の方向によらないものになる。

本発明による人工磁性体は、製作が簡易であり、高周波の領域にピークを有する透磁率特性を有するものであって、磁気ヘッド等の磁気デバイスに利用することができる。

導体で形成された多数のスプリットリング共振器が格子状に配置された人工媒質を示す図である。公知のスプリットリング共振器の構造を示す図である。公知のスプリットリング共振器の構造を示す図である。導体パターンを形成した母材を重ねた人工磁性体を示す図である。本発明による人工磁性体の基本的構成要素を示す図である。本発明による多数の導体片を縦横に配置した人工磁性体を示す図である。（ａ）〜（ｃ）：図６のように形成されたものを複数層重ねて形成した人工磁性体を断面で示した図である。（ａ）〜（ｃ）：他の形状の導体片を用いた人工磁性体を示す図である。人工磁性体の透磁率の特性を示す図である。

Claims

誘電体からなる板状の母材の両側の面に少なくとも１対の薄板状の導体片を対向して配設してなり、対をなす前記薄板状の導体片は実質的に同等の形状・寸法のものであって該対をなす薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなし、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものであることを特徴とする人工磁性体。
誘電体からなる板状の母材の両側の面に少なくとも１対の薄板状の導体片を対向して配設してなり、対をなす前記薄板状の導体片は実質的に同等の形状・寸法のものであって該対をなす薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなすようにした共振器体を複数枚形成して平行に並置し、隣接する該共振器体の間に前記板状の母材と実質的に同等の大きさで厚さの大きい誘電体からなる板材を挟んで全体を一体化してなり、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものであることを特徴とする人工磁性体。
複数枚のそれぞれ誘電体からなり実質的に同等の形状・寸法の板状の母材を重なるように並置し、少なくとも１組の実質的に同等の形状・寸法の薄板状の導体片をそれぞれの前記重なるように並置した板状の母材の各面に配置し、それぞれの前記母材はその両側の面に前記薄板状の導体片が対向する位置になるようにして前記複数枚の板状の母材及び少なくとも１組の薄板状の導体片を一体化してなり、それぞれの前記薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなし、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものであることを特徴とする人工磁性体。
複数枚のそれぞれ誘電体からなり実質的に同等の形状・寸法の板状の母材を重なるように並置し、少なくとも１組の実質的に同等の形状・寸法の薄板状の導体片をそれぞれの前記重なるように並置した板状の母材の各面に配置し、それぞれの前記母材はその両側の面に前記薄板状の導体片が対向する位置になるようにして前記複数枚の板状の母材及び少なくとも１組の薄板状の導体片を一体化してなり、それぞれの前記薄板状の導体片とその間に介在する前記誘電体からなる板状の母材とが前記薄板状の導体片に平行な磁界に対して共振器をなすようにした共振器体を複数組形成して平行に並置し、隣接する該共振器体の間に前記板状の母材と実質的に同等の大きさで厚さの大きい誘電体からなる板材を挟んで全体を一体化してなり、高周波領域において透磁率が負となる領域を有することを含む、自然界の磁性体にはない透磁率の特性を有するものであることを特徴とする人工磁性体。
前記複数の板状の母材のうちの２枚の母材に挟まれる位置にある薄板状の導体片は１枚であるようにしたことを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の人工磁性体。