JP5086963B2

JP5086963B2 - 電磁波インターフェース装置及び電磁波伝達システム

Info

Publication number: JP5086963B2
Application number: JP2008259990A
Authority: JP
Inventors: 謙一手塚
Original assignee: Cell Cross Corp
Current assignee: Cell Cross Corp
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-10-06
Also published as: JP2010093446A

Description

本発明は、電磁波伝達媒体との間で電磁波を受電または給電する電磁波インターフェース装置及び電磁波伝達システムに関する。

従来、対向する導電性シート体に挟まれる狭間領域に電磁場を存在させ、２つの導電性シート体の間の電圧を変化させて当該電磁場を変化させたり、当該電磁場の変化によって導電性シート体の間の電圧を変化させたりして、電磁場を所望の方向に進行させることで、電磁波伝送を行う技術が提案されている。また下記非特許文献１においては、電磁波伝送による信号送受信と電力受給電とをする電磁波インターフェース装置が紹介されている。

また、対向する導電性シート状媒体に電磁波を供給したり、対向する導電性シート状媒体から電磁波を取り出したりする電磁波インターフェース装置として、スパイラル状の電極を有する電磁波インターフェース装置が提案されている。スパイラル状の電極を有する電磁波インターフェース装置は、導電性シート上の所定の位置に設置するだけではなく、導電性シート上の任意の位置に自由に移動して載置させることが可能である。

このような電磁波インターフェース装置は、例えば下記特許文献１に開示されている。
ＷＯ／２００７／０６６４０６篠田裕之ら、「表面マイクロ波を用いた信号と電力の同時伝送法(ユビキタス・センサネットワークを支える理論、および一般)」、社団法人電子情報通信学会技術研究報告 Vol.107, No.53(20070517) pp. 115-118

上述の電磁波インターフェース装置は、実用レベルの受電または給電の効率を得る為にある程度の大きさを必要とし、また効率を上げる為に複雑な多層構造が必要であるなどコストが増大する傾向にあった。

また、容量結合をする電磁波インターフェース装置と電磁波伝達媒体との間の距離が増大すれば、静電容量は距離に反比例するので、電磁波の送受信効率が距離に依存して低下し易い傾向にあった。

本発明は、上述のような問題点に鑑み為されたものであり、電磁波伝達媒体と効率良く電磁波を送受可能な電磁波インターフェース装置等を提供することを目的とする。

本発明にかかる電磁波インターフェース装置のある態様は、メッシュ状の電極を有する電磁波伝達媒体との間で給電または受電する電磁波インターフェース装置であって、メッシュ状の電極に近接して略平行に配置されるスパイラル状の第一導電体と、第一導電体に対向して略平行に配置された第二導電体と、第一導電体と第二導電体との間に配置された誘電体とを備える。

但し、メッシュの線幅をＷ_ｍ、メッシュの線間隔をＩ_ｍとし、スパイラルの線幅をＷ_ｓ、スパイラルの線間隔をＩ_ｓとすると、式（１）及び式（２）の関係を満たすものとする。

また、本発明にかかる電磁波インターフェース装置のある態様は、好ましくは第一導電体が、少なくとも第一のスパイラルと第二のスパイラルとを備え、第一のスパイラルと第二のスパイラルとは共に、式（１）及び式（２）の関係を満たす。

但し、第一のスパイラルの線幅をＷ_１、第二のスパイラルの線幅をＷ_２とし、第一のスパイラルが周波数ｆ_１の電磁波を給電または受電し、第二のスパイラルが周波数ｆ_２の電磁波を給電または受電するものとすると、式（３）の関係を大凡満たすものとする。

また、本発明にかかる電磁波伝達システムのある態様は、上述の電磁波インターフェース装置と、メッシュの線幅がＷ_ｍ、メッシュの線間隔がＩ_ｍであるメッシュ状の第一導電体層と第一導電体層に対向して略平行に配置された第二導電体層と第一導電体層と第二導電体層との間に配置された誘電体層とを有する平面状の電磁波伝達媒体と、を備える。

本発明によれば、電磁波伝達媒体との間で、効率良く電磁波を送受可能な電磁波インターフェース装置等を提供できる。

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例示であって、これに限定されるものではなく、かつ本願発明の範囲を制限するものではない。

また、以下の説明においては、説明と理解とを容易にするため、電磁波の伝達に用いる電磁波周波数帯において導電体であるものを「導電体」と呼び、当該周波数帯において誘電体であるものを「誘電体」と呼ぶ。したがって、例えば直流電流に対して導体であるか半導体であるか絶縁体であるか等によって、直接的には何ら制約されるものではない。また、導電体と誘電体とは、電磁波との関係においてその特性により定義されるものであって、固体であるか液体であるか気体であるか等の態様や構成材料を制限するものではない。

（電磁波伝達媒体）
図１は、実施形態に係る電磁波伝達媒体の概要構成を示す説明図である。図１（ａ）は、電磁波伝達媒体１００の平面図を示し、図１（ｂ）は、電磁波伝達媒体１００のＡ−Ａ′断面図を示す。電磁波伝達媒体は、例えば２次元のシート状であって、電磁波を所望の方向に伝送し、あるいは拡散させて電磁波伝送することができる媒体である。

図１（ｂ）に示すように、電磁波伝達媒体１００は、メッシュ状の第一導電体層１１０と、これに略平行な平板状の第二導電体層１２０とを備えており、典型的にはいわゆる通信シートと称される平面的に一定の広がりを有する二次元電磁波伝達媒体である。また、第一導電体層１１０は、第二導電体層１２０に対して、上方に設けられるものとして図１に記載する。また、図１（ａ）において、第一導電体層１１０は、略正方形のメッシュ状の導電体から構成されるものとする。

また、第一導電体層１１０と第二導電体層１２０との間に、誘電体層１３０として空気又は透明な誘電材料を介在させた場合には、第一導電体層１１０の略正方形の開口から第二導電体層１２０が透けて見える。しかし、第一導電体層１１０と第二導電体層１２０との間の誘電体層１３０として、不透明な誘電材料を介在させた場合には、第一導電体層１１０のメッシュの開口から第二導電体層１２０は見えない。ここで、誘電体層１３０に用いる不透明な誘電材料として、例えば柔軟性のある樹脂性部材等を用いてもよい。また、誘電体層１３０として、シート状又は帯状の布、紙、ゴム、発泡体、ゲル材等を用いることができる。

誘電体層１３０は、例えば発泡部材のように、ある程度の強度と柔軟性と軽量性と美観とを兼ね備えた部材を用いることが好ましい。また、図１（ｂ）において、第一導電体層１１０の上方には電磁波が侵出する浸出領域１４０が概念上、設けられるものと理解できる。誘電体層１３０および浸出領域１４０は、いずれも空気であってもよいが、いずれか一方もしくは両方もしくはそれらの全部または一部分を他の誘電体としてもよく、例えば液体や任意の固体としたり真空としたりしてもよい。また、浸出領域１４０の一部を樹脂シート等で被覆してもよい。

また、例えば、浸出領域１４０の全部または一部を保護シートや保護フィルムで被覆することにより、実用に耐えうる強度と、耐久性及び美観と、を具備する電磁波伝達媒体１００とできる。また、浸出領域１４０と同様に、第二導電体層１２０の裏面側、すなわち第二導電体層１２０の誘電体層１３０の反対側の面も、保護シートや保護フィルムで被覆することにより、実用に耐えうる強度と、耐久性及び美観と、を具備する電磁波伝達媒体１００とできる。

また、誘電体層１３０内において定在波が生じることを防止し、定在波を低減させるために、伝搬される電磁波の特定の周波数帯において、誘電損失や抵抗損失が大きな材料を誘電体層１３０の所定の位置に配置したり充填したりしてもよい。典型的には、電磁波伝達媒体１００の端部や辺縁部分等において、電磁波の反射を低減させるようないわゆる終端処理を施してもよい。

このような終端処理により、定在波が低減されるだけではなく、現実には有限の広さを有する電磁波伝達媒体１００であっても、あたかも無限の広さに展開されているかのように、理論的な取り扱いをすることも可能となる。これにより、電磁波伝達媒体１００は、伝達する電磁波がその辺縁部分の端部等において反射されて生じる反射波の影響を受けることを抑制でき、従って電磁波の偏在や予期せぬ干渉波等の発生を低減することができるので好ましい場合がある。

また、第一導電体層１１０と第二導電体層１２０とは、いずれも二次元的に一定の広がりを有する平面状に構成される。ここで、平面状とは、帯状、シート状、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状等であって、面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味する。また、第一導電体層１１０と第二導電体層１２０とは、導電性ゴム、導電性インクなどの液体またはゲル等により、形成してもよい。また、第二導電体層１２０は、第一導電体層１１０と同じ素材を用いて同一構造を有するメッシュ状としてもよい。

ここで、電磁波伝達媒体１００において、第一導電体層１１０と第二導電体層１２０とに挟まれる誘電体層１３０の間を伝播する電磁波モードに注目する。かりに第一導電体層１１０がメッシュ状ではなく、開口がないベタ状の構造であった場合には、電磁波は誘電体層１３０内に閉じ込められることとなる。

一方、第一導電体層１１０は、典型的にはメッシュ周期が７ｍｍのメッシュ状の構造をとり、６ｍｍ□の開口部分を有するものとする。このような形状では、第一導電体層１１０から一定の高さまで、電磁場が染み出すようになる。この電磁場が染み出す領域が、図１に浸出領域１４０として概念的に示す領域である。この高さは、メッシュのパターン形状と電磁波伝達媒体１００の誘電体層１３０の厚さと誘電率とによって決まる。なお、メッシュを構成する第一導電体層１１０の線幅は、例えば１ｍｍとできる。また、メッシュの繰返しの単位寸法（メッシュ周期）は、誘電体層１３０における電磁波長λより十分に短い周期とすることが好ましい。

また、第一導電体層１１０は、典型的には電磁波長λに対して、λ／５以下、λ／１０〜λ／１００、λ／１００〜λ／１０００などの長さのメッシュ周期とできるが、電磁波伝達媒体１００の適用分野に応じて、適宜メッシュ周期を調整して設計することが好ましい。また、所望の電磁的特性を有する任意の素材を組み合わせて実験やシミュレーション等を行い、所望の電磁波の強度等が得られるように、浸出領域１４０の高さを設定し、調整してもよい。また、誘電体層１３０の厚さは、電磁波伝達媒体１００における電磁波の波長λよりも十分に小さいものとする。

なお、例えば電磁波伝達媒体１００を２つ用意して、互いに浸出領域１４０が重なるように対面させて配置すれば、２つの電磁波伝達媒体１００の間で、電磁場を介した信号や電力の伝達を行うことも可能となる。たとえば、一方の電磁波伝達媒体１００を、部屋の壁紙として壁面に貼り付け、他方の電磁波伝達媒体１００を、この壁紙を介した信号伝達を行うための電磁波インターフェース装置やコネクタの一種として利用することも可能である。

また、一方の電磁波伝達媒体１００には給電装置や通信機器を直結結合又は有線結合もしくは近接結合により電磁波的に接続し、他方の電磁波伝達媒体１００には受電装置や通信機器を直結結合又は有線結合もしくは近接結合により電磁波的に接続する。そして、２つの電磁波伝達媒体１００の浸出領域１４０を重ねれば、給電装置や通信機器と、受電装置等との間で、電磁波を介して電力を電送したり信号を伝達したりすることが可能となる。

電磁波インターフェース装置に接続される機器としては、外部の通信装置、各種の通信素子、通信回路、センサ、ＲＦタグ、アクチュエータ、電力送受信機器などが考えられる。これらの機器は、電磁波伝達媒体１００を介して他の通信機器と通信することができる。他の通信機器としては、上述のもののほか、電磁波伝達媒体１００に埋め込まれている通信素子やセンサ、ＲＦタグ（ＲＦＩＤ）等などとすることも可能である。

また、電磁波伝達媒体１００は、ウェアラブルコンピュータの情報伝達媒体としてスーツやコート等のように人体に着脱可能な衣服類として構成することもできる。例えば、導電性繊維を用いて絶縁体を挟んで織込んだ生地で、衣類を縫製して電磁波伝達媒体１００としてもよい。また、上述するように電磁波伝達媒体１００は、電磁波を伝達する機能を有して構成されており、電力を供給及び／又は伝達する電力供給システムとして構成し、無線給電装置としてもよい。

次に、電磁波伝達媒体１００との間で、電磁誘導結合が可能な程度に近接して配置されることで、電磁波を受電または給電可能な電磁波インターフェース装置について第一の実施形態で説明する。なお、以下の説明においては説明の便宜上、電磁波伝達媒体１００の典型例として、電磁波による通信が可能なシート状の媒体（以下適宜、通信シートとも称する）を基に説明するものとする。

（第一の実施形態）
第一の実施形態で示す電磁波インターフェース装置２００は、通信シートのメッシュ層と近接するスパイラル形状の導電体を有する。図２は、電磁波インターフェース装置２００を通信シートと近接する側から観察した概念的な底面図である。また、図３は、電磁波インターフェース装置２００のＢ−Ｂ’の概念的な断面図である。電磁波インターフェース装置２００は、通信シートと電磁誘導結合をして高効率で電磁波の受電または給電をするので、例えば二次元ＬＡＮシステムに好適である。ここで、二次元ＬＡＮシステムとは、ＬＡＮ通信を二次元通信シートを通信媒体として電磁波により無線通信するシステムをいう。

図２に示すように、電磁波インターフェース装置２００は、通信シートと近接する底面側から、順次第一導電体２１０と誘電体２２０と第二導電体２３０とを備える。第一導電体２１０は、２回巻きのスパイラル形状でありスパイラル線幅がＷ_ｓ、スパイラル線間隔がＩ_ｓであるものとする。

電磁波インターフェース装置２００の第二導電体２３０は、円板形状であって誘電体２２０を介してスパイラル形状の第一導電体２１０を覆うように対向して配置される。第二導電体２３０は、空中への電磁波の不要な輻射を防ぐ機能を有し、この機能により電磁波インターフェース装置２００は、通信シートに対する電磁波の送受信を効率よく行うことが可能となる。また、電磁波インターフェース装置２００においては、給電点２４０からスパイラル形状の第一導電体２１０に給電するものとする。

図３に示すように、電磁波インターフェース装置２００は、スパイラル形状の第一導電体２１０と誘電体２２０と第二導電体２３０とが層状に積層されて構成される。電磁波インターフェース装置２００は、誘電体２２０が、一層であるにも拘わらず漏れ出す電磁波が低減され、小型化することが可能である。

例えば、本実施形態との比較の為に図４に例示する誘電体が４２０ａ，４２０ｂとの２層からなる２．４ＧＨｚ帯の電磁波インターフェース装置４００では、外部に漏れ出る電磁波を低減することが可能となるが、高さｃが高くなり、複雑な構造をしているために製造コストが高くなる。図４は、電磁波インターフェース装置４００の構造を模式的に例示する構造図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は中心での断面図を示すものである。

また、電磁波インターフェース装置４００は、実用的な効率を確保する為に、全体として大型の装置となるものであり、例えば比誘電率１０．５の部材を誘電体４２０ａ、４２０ｂに用いた場合には、直径ａが６ｃｍ程度となる。

また、電磁波インターフェース装置４００の誘電体４２０ａ，４２０ｂを比較的良く使用される汎用的なガラスエポキシ基板を使用して作製した場合には、同等の性能を確保する為に電磁波インターフェース装置４００の直径ａが８．６ｃｍとなる。このため、通信シート上での電磁波インターフェース装置４００のハンドリング等が悪化して、実用的な利用に必ずしも適するものとはいえない程度の大きさとなる。電磁波インターフェース装置４００の直径ａを小さくするためには、さらに比誘電率が大きい部材を使用することも一案ではあるものの、これによりコストの増大を招来することとなる。

なお、電磁波インターフェース装置４００の第一導電体４１０は、第二導電体４３０の直径ａよりも小さな直径ｂである。また、誘電体４２０ｂは、第二導電体４３０，４３０ａの間に配置されるものとする。

電磁波インターフェース装置４００と二次元の通信シートとは、いわゆる容量結合をすることによって、電磁波の送信または受信をする。ここで、通信シートのメッシュ電極と電磁波インターフェース装置４００の第一導電体４１０との距離をｄ、第一導電体４１０の面積をＳ、その間の誘電率をεとする。この場合には、電磁波インターフェース装置４００の第一導電体４１０と通信シートのメッシュ電極との間の静電容量Ｃは近似的に式（４）で得られる。

上式（４）において静電容量Ｃが大きければ、通信シートと電磁波インターフェース装置４００との間での電磁波伝達効率が良好であり、低損失で電磁波の送信または受信をすることが可能となる。式（４）から明らかなように、静電容量Ｃは距離ｄに反比例するので、電磁波インターフェース装置４００の電磁波伝達効率は、通信シートのメッシュ電極と電磁波インターフェース装置４００の第一導電体４１０との距離ｄに大きく依存する。このため容量結合の場合には、通信シートのメッシュ電極と電磁波インターフェース装置４００の第一導電体４１０との距離ｄが大きくなると、この間での損失が増大して電磁波を送信または受信する効率が低下することとなる。

そこで、通信シートとの間で電磁誘導結合により低損失に電磁波を伝達することが可能な電磁波インターフェース装置２００を実現するために、以下の検討を行った。まず、電磁波インターフェース装置２００の第一導電体２１０と、通信シートとの間の相互インダクタンスＭが大きくなるような構造とすることを検討する。
(相互インダクタンスの理論的検討)
２つの電極間の相互インダクタンスをＭとすると、その電極間の相互インダクタンスＭは、透磁率をμとするとノイマンの公式より式（５）で得られる。

ここで、簡単のために、２つの電極が長さＬの直線状で距離ｄだけはなれて平行に並んでいるものと仮定する。さらに、仮に２つの電極の長さＬが距離ｄよりも十分に大きく、Ｌ＞＞ｄであると仮定すれば上式（５）から近似的に式（６）を導出できる。

従って、電極の長さＬが距離ｄに対して十分に長ければ、相互インダクタンスＭが大きくなる。この関係を通信シートと電磁波インターフェース装置２００との間に適用すれば、通信シートと効率よく電磁波の送受信をすることが可能な電磁波インターフェース装置２００となる。

また、式（６）から明らかなように、距離ｄが変化しても相互インダクタンスＭは対数的に変化するだけであるので、相互インダクタンスＭの値変化はあまり生じない。すなわち、上術した式（６）の関係を通信シートと電磁波インターフェース装置２００との間に適用すれば、高さの変動に強い電磁波インターフェース装置２００を実現できることとなる。式（６）は、長さＬの直線電極であるものと仮定して算出したものであるが、曲線電極に対しても式（６）と同様の関係式が成り立つものと考える。

電磁波インターフェース装置２００と電磁波を送受する通信シートは、図１に示すように薄い誘電体層１３０を２つの導電体層１１０，１２０で挟む構造になる。また、電磁波インターフェース装置２００と近接して配置される第一導電体層１１０は、図５に示すようにメッシュの線間隔がＩ_ｍ、メッシュの線幅がＷ_ｍのメッシュ構造を有するものとする。図５は、メッシュ状の第一導電体層１１０の線幅と線間隔とを示す概念図である。

以上の理論検討等を基に、電磁波インターフェース装置２００の具体的構造について、さらに検討をする。第一導電体層１１０がメッシュ状の電磁波伝達媒体１００と、電磁波インターフェース装置２００との関係について以下に検討する。

スパイラル形状の第一導電体２１０を備える電磁波インターフェース装置２００を通信または電力送受に用いる場合に、電磁波伝達媒体１００のメッシュ状の第一導電体層１１０に電磁波インターフェース装置２００の第一導電体２１０を近接させる。すなわち、電磁波インターフェース装置２００を使用して電磁波を送信（給電）または受信（受電）する状態では、電磁波インターフェース装置２００のスパイラル形状の第一導電体２１０を、第二導電体２３０と、電磁波伝達媒体１００のメッシュ形状の第一導電体層１１０と、で挟んだ状態となる。

また、第一導電体２１０をスパイラル形状にすることによって、通信シートに対する相互インダクタンスＭが大きくなり、効率的に低損失で電磁波の受け渡しが可能となる。また、通信シートの面内方向に進行する電磁波の指向性が略等方的になるので、給電点から通信シート面内のほぼ全方位に対して略均等な電磁波を伝搬可能となる。なお、仮に第一導電体２１０が直線状である場合には、その直線方向に指向性を持つ電磁波が通信シート内に放射され伝搬されるものとなる。

また、第一導電体２１０をスパイラル形状にすることによって、通信シートに対する相互インダクタンスＭを低減させることなく、電磁波インターフェース装置２００の直径２Ｒを小さくすることが出来る。このため、通信シートに対する相互インダクタンスＭを低減させることなく、全体として小型軽量で低コストの電磁波インターフェース装置２００とできるので好ましい。

図２に示す電磁波インターフェース装置２００の第一導電体２１０のスパイラルの周期は（Ｗ_ｓ＋Ｉ_ｓ）となる。上述した式（６）から、第一導電体２１０とメッシュ形状の第一導電体層１１０との距離ｄが小さくなれば相互インダクタンスＭが大きくなり、電磁波インターフェース装置２００と通信シートとの間で効率良く、送受信を行うことが出来ることが理解される。

すなわち、スパイラルの周期（Ｗ_ｓ＋Ｉ_ｓ）と通信シートのメッシュ周期（Ｗ_ｍ＋Ｉ_ｍ）とが等しければ、電磁波インターフェース装置２００と通信シートとの間の相互インダクタンスＭを最大にすることができるものと考える。ただし、相互インダクタンスＭは、電磁波インターフェース装置２００を置く場所にも依存する。

式（６）に示した関係から、メッシュ周期（Ｗ_ｍ＋Ｉ_ｍ）が、スパイラルの線の長さよりも十分に小さければ、電磁波インターフェース装置２００を置く場所に対する相互インダクタンスＭの値変動は、通信をする上で実質的には無視できる程度となることが導出される。換言すれば、スパイラル線の長さがメッシュ周期（Ｗ_ｍ＋Ｉ_ｍ）よりも十分に大きければ、実質的には電磁波インターフェース装置２００を置く場所に依存することなく、安定した電磁波送受信が期待できることとなる。

また、スパイラル形状とメッシュ形状とが式（７）と式（８）の関係を共に満たせば、スパイラル形状の第一導電体２１０とメッシュ形状の第一導電体層１１０との距離が十分に小さくなり、これにより相互インダクタンスＭが比較的大きくなるので、低損失で効率よく電磁波を送受信できるものとなる。

また、第一導電体２１０のスパイラルの線幅Ｗ_ｓについてさらに検討を行い、通信シートとの間で、効率よく電磁波の送受信をすることが可能なスパイラルの線幅Ｗ_ｓがあることをシミュレーションにより確認した。図６は、シミュレーションに用いた通信シートの特性を示す図である。

図６に示すように、メッシュの線幅Ｗ_ｍが１ｍｍ、メッシュの線間隔Ｉ_ｍが６ｍｍ、第一導電体層１１０を保護する保護層の厚さを２５０μｍ、保護層の比誘電率２．３、誘電体層１３０の厚さを２ｍｍとし、誘電体層１３０の比誘電率が１．４である通信シートと、電磁波を受け渡しする電磁波インターフェース装置２００であるものと仮定する。

通信シートの上述した保護層の上に線幅Ｗ_ｓ、線間隔Ｉ_ｓのスパイラル形状の第一導電体２１０を有する電磁波インターフェース装置２００を載置し、その電磁波インターフェース装置２００に周波数ｆの電磁波を給電するものとする。

ここで、電磁波インターフェース装置２００の第一導電体２１０と第二導電体２３０との間の誘電体２２０の比誘電率をεrとする。周波数ｆと比誘電率εrとを変化させて、電磁波インターフェース装置２００から通信シートへの電磁波の入力効率をシミュレーションにより計算した。その結果、変化させた各周波数と比誘電率とに対して、最も空中への不要な電磁波の輻射が小さくなって、通信シートへの電磁波の入力効率が高くなると算出された線幅を図７に示した。

図７は、電磁波の周波数ｆと誘電体２２０の誘電率と電磁波の入力効率が高い線幅Ｗ_ｓとのシミュレーション結果を示す図である。図７に示す結果から、電磁波の入力効率が高い最適な線幅は、式（９）を満たしているものと理解できる。

ただし、式（９）においてＡは、通信シートの特性に依存する定数であって、図６に示した通信シートを用いた場合のシミュレーションの場合には、Ａ＝１５．６ｍｍＧＨｚとなる。

（第二の実施形態）
図８は、マルチバンドの電磁波インターフェース装置２００（２）を示す図である。図８に示すように、電磁波インターフェース装置２００（２）は、交差しない二重スパイラル形状の第一導電体２１０（２）を有する。すなわち、第一導電体２１０（２）は、第一のスパイラル２１０（２）Ａと第二のスパイラル２１０（２）Ｂとの交差しない二重スパイラルを有している。

また、第一のスパイラル２１０（２）Ａと第二のスパイラル２１０（２）Ｂとは、図８に示すように共通の給電点２４０（２）を有するものとする。マルチバンドの電磁波インターフェース装置２００（２）は、誘電体２２０（２）と第二導電体２３０（２）とを備えており、第一導電体２１０（２）が二重スパイラル形状である事を除き、電磁波インターフェース装置２００と同じ構造を有するものとする。

第一のスパイラル２１０（２）Ａと第二のスパイラル２１０（２）Ｂとは、各々別個独立に、式（７）及び式（８）及び式（９）を満たすものとする。すなわち、第一のスパイラル２１０（２）Ａの線幅Ｗ_１と線間隔とが、式（７）及び式（８）及び式（９）を満たすものとする。さらに、第二のスパイラル２１０（２）Ｂの線幅Ｗ_２と線間隔とが、式（７）及び式（８）及び式（９）を満たすものとする。

また、第一のスパイラル２１０（２）Ａが周波数ｆ_１の電磁波を通信シートへ低損失で出入力し、第二のスパイラル２１０（２）Ｂが周波数ｆ_２の電磁波を通信シートへ低損失で出入力するものとすると、第一のスパイラル２１０（２）Ａの線幅Ｗ_１と、第二のスパイラル２１０（２）Ｂの線幅Ｗ_２とは、式（９）の関係から式（１０）の関係を大凡満たすものと導出できる。

マルチバンドの電磁波インターフェース装置２００（２）は、二重スパイラルに限定されることはなく、任意のｎ重スパイラル（ｎは任意の自然数）形状の第一導電体２１０を備えることとできる。この場合においても、各スパイラルは共通の給電点２４０を備えると共に、各スパイラルが交差しない形状であるものとする。ｎ重スパイラル（ｎは任意の自然数）形状の第一導電体２１０を備える電磁波インターフェース装置２００（２）は、ｎに対応する数の特定周波数に対して低損失で電磁波を入出力できる電磁波インターフェース装置となる。

（確認実験１）
２．４ＧＨｚ帯用の電磁波インターフェース装置を試作して確認実験を行った。確認実験に用いた電磁波インターフェース装置の形状と構造とは、図２に示す電磁波インターフェース装置２００と同一とし、誘電体２２０には厚さが１．６ｍｍのガラスエポキシ基板を用いた。

また、第一導電体２１０のスパイラルは２回巻きとし、スパイラルの線幅は３ｍｍ、スパイラル線間隔は３．２ｍｍとした。また、電磁波インターフェース装置の直径２Ｒは３９ｍｍとし、実験に用いた通信シートとの関係は式（７）と式（８）とを共に満たすものとした。

この電磁波インターフェース装置を２つ二次元通信シートの上に距離を変えて置き、透過係数Ｓ２１を周波数ｆを２．４〜２．５ＧＨｚまで変えながら計測した。このときの電磁波インターフェース装置間の距離は０〜１ｍで１ｃｍごとに１００ポイントの計測を行い、その１００ポイントについての透過係数Ｓ２１の平均値を、各周波数ｆ毎に求め図９に示した。

図９は、確認実験１の結果を示す図である。図９に示す結果から、電磁波の通信に十分な大きさの透過係数（Ｓ２１）が得られており、低損失で効率よく電磁波の送受信が行えていることがわかる。第一導電体２１０を式（７）と式（８）とを共に充足するスパイラル形状とすることで、小型軽量かつ低コストでありながら、電磁波の送受信に必要十分な特性の電磁波インターフェース装置となる。

（確認実験２）
次に、２．４ＧＨｚ帯と５ＧＨｚ帯とのマルチバンドの電磁波インターフェース装置を試作して確認実験を行った。確認実験に用いた電磁波インターフェース装置の形状と構造とは、図８に示す電磁波インターフェース装置２００（２）と同一とし、誘電体２２０（２）には厚さが１．６ｍｍのガラスエポキシ基板を用いた。

また、第一導電体２１０（２）のスパイラルは、第一のスパイラル２１０（２）Ａも第二のスパイラル２１０（２）Ｂも交差しない２回巻きの二重スパイラルとした。また、第一のスパイラル２１０（２）Ａのスパイラルの線幅Ｗ_１は１．２ｍｍ、スパイラル線間隔Ｉ１は５．３ｍｍとし、第二のスパイラル２１０（２）Ｂのスパイラルの線幅Ｗ_２は３．０ｍｍ、スパイラル線間隔Ｉ２は３．０ｍｍとした。なお、不図示のＩ１は第一のスパイラル２１０（２）Ａの線間隔であり、不図示のＩ２は第二のスパイラル２１０（２）Ｂの線間隔であるものとする。

また、電磁波インターフェース装置の直径２Ｒ（２）は３９ｍｍとし、実験に用いた通信シートとの関係では、第一のスパイラル２１０（２）Ａも第二のスパイラル２１０（２）Ｂも、式（７）と式（８）と式（９）とを共に満たすものとした。

この電磁波インターフェース装置を二次元通信シートの上に距離を変えて２つ置き、周波数ｆを変えて透過係数Ｓ２１を計測した。このときの電磁波インターフェース装置間の距離は０〜１ｍで１ｃｍごとに１００ポイントの計測を行い、各周波数ｆ毎に１００ポイントの平均値を求めた。また、計測した周波数は２．４〜２．５ＧＨｚ間と、５．１〜５．３ＧＨｚ間とである。

図１０は、確認実験２における電磁波インターフェース装置間の２．４ＧＨｚ帯における透過係数Ｓ２１を計測した結果を示す図である。また、図１１は、確認実験２における電磁波インターフェース装置間の５ＧＨｚ帯における透過係数Ｓ２１を計測した結果を示す図である。図１０及び図１１に示す結果から、いずれの周波数帯域においても電磁波通信に十分な大きさの透過係数Ｓ２１が得られており、マルチバンドにおいても効率よく電力の送受信が出来ていることが分かる。マルチバンド化すれば、用途や目的に応じて適宜使用周波数を変えることが可能となるのでさらに好ましい。

また、本発明にかかる電磁波インターフェース装置や電磁波伝達システムは、上述の実施形態等での説明に限定されることはなく、自明な範囲で適宜その構成を変更し、また形状や素材や部材等を変更して用いることが可能である。より具体的には、例えば上述した第一の実施形態と第二の実施形態と確認実験とにおける各電磁波インターフェース装置の電極構造や構成・構造等は、開示される各々の技術思想の下で自由に組み合わせて適用し、併合し又は簡略化して用いることができる。

また、上述の実施形態の説明等に用いた各部材の間に、適宜他の任意の部材を含ませ、かつ介在させることを何ら妨げるものではない。また、上述した理想的な解析モデル等における理論的な近似計算等に基づく関係式においては、現実には大凡その関係式が満たされる程度の特性関係を有し、その特性関係に起因する作用効果を奏するものであればよい。

（ａ）は電磁波伝達媒体の平面図であり、（ｂ）は電磁波伝達媒体の断面図である。電磁波インターフェース装置を通信シートと接する側から観察した概念的な底面図である。電磁波インターフェース装置の概念的な断面図である。電磁波インターフェースの構造を模式的に例示する構造図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は中心での断面図を示すものである。メッシュ状の第一導電体層の線幅と線間隔とを示す概念図である。シミュレーションに用いた通信シートの特性を示す図である。電磁波の周波数と誘電体の誘電率と電磁波の入力効率が高い線幅とのシミュレーション結果を示す図である。マルチバンドの電磁波インターフェース装置を示す図である。確認実験１の結果を示す図である。確認実験２における電磁波インターフェース装置間の２．４ＧＨｚ帯における透過係数を計測した結果を示す図である。確認実験２における電磁波インターフェース装置間の５ＧＨｚ帯における透過係数を計測した結果を示す図である。

符号の説明

１００・・電磁波伝達媒体、１１０・・第一導電体層、１２０・・第二導電体層、１３０・・誘電体層、１４０・・浸出領域、２００・・電磁波インターフェース装置、２１０・・第一導電体、２２０・・誘電体、２３０・・第二導電体。

Claims

メッシュ状の電極を有する電磁波伝達媒体との間で給電または受電する電磁波インターフェース装置であって、
前記メッシュ状の電極に近接して略平行に配置されるスパイラル状の第一導電体と、前記第一導電体に対向して略平行に配置された第二導電体と、前記第一導電体と前記第二導電体との間に配置された誘電体とを備える
ことを特徴とする電磁波インターフェース装置。
但し、前記メッシュの線幅をＷ_ｍ、前記メッシュの線間隔をＩ_ｍとし、前記スパイラルの線幅をＷ_ｓ、前記スパイラルの線間隔をＩ_ｓとすると、式（１）及び式（２）の関係を満たすものとする。
請求項１に記載の電磁波インターフェース装置において、
前記第一導電体は、少なくとも第一のスパイラルと第二のスパイラルとを備え、前記第一のスパイラルと前記第二のスパイラルとは共に、式（１）及び式（２）の関係を満たす
ことを特徴とする電磁波インターフェース装置。
但し、前記第一のスパイラルの線幅をＷ_１、前記第二のスパイラルの線幅をＷ_２とし、前記第一のスパイラルが周波数ｆ_１の電磁波を給電または受電し、前記第二のスパイラルが周波数ｆ_２の電磁波を給電または受電するものとすると、式（３）の関係を大凡満たすものとする。
請求項１または請求項２に記載の電磁波インターフェース装置と、
前記メッシュの線幅がＷ_ｍ、前記メッシュの線間隔がＩ_ｍであるメッシュ状の第一導電体層と、前記第一導電体層に対向して略平行に配置された第二導電体層と、前記第一導電体層と前記第二導電体層との間に配置された誘電体層とを有する平面状の電磁波伝達媒体と、
を備える電磁波伝達システム。