JPH1198089A

JPH1198089A - 電気ベクトルポテンシャルを用いた通信方法及び通信システム

Info

Publication number: JPH1198089A
Application number: JP25391797A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamashita; 治山下; Makoto Kawakami; 川上　　誠
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電波障害発生個所又は有線回線の架設が困難
な場所の通信を可能とする。【解決手段】電波障害発生地域又は有線回線の架設が
困難な個所を挟んで一方に外部と無線回線３又は有線回
線４で繋がっている中継基地局１を、また他方に端末装
置２を設置し、この間に電気ベクトルポテンシャルを用
いた発信、受信装置にて双方向の通信が可能な無線回線
５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電波障害が生じる
場所、又は電話等の有線の架設が困難な場所において、
従来の無線回線、有線回線に代えて透過性に優れた電気
ベクトルポテンシャルを利用した通信回線の中継基地局
を設けることで、電波障害場所、有線回線の架設が困難
な場所においても通信を可能とする通信方法及び通信シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
一般通信手段として電波の利用が広く知られている。し
かし電波は障害物によって遮蔽され易く、使用する場所
及び環境によって信号の送，受信に支障を生じることが
少なくない。

【０００３】また電磁波を利用する通信システム、例え
ば携帯電話等は数百ミリガウスの漏洩電磁波があるた
め、至近距離では精密機器の誤動作を引き起こし、種々
のトラブルを招く虞れがある他、人体に与える悪影響の
可能性も無視出来ないものとなっている。

【０００４】本発明者等は通信システムについての研究
過程で、従来その存在が既に立証されている磁気ベクト
ルポテンシャル（Phys. Rev. Lett.48,1443(1982))にヒ
ントを得て電気ベクトルポテンシャルなる新たなエネル
ギーの存在を予測するに至った。そしてこの電気ベクト
ルポテンシャルについての理論の構築及びその存在の立
証に務め、これを実現した。またこの過程を通じてその
実用的な用途を探索した結果、電気ベクトルポテンシャ
ルが比較的遠方まで伝播が可能であること、また金属等
電磁波に対し遮蔽物として機能する導電性物質の存在に
何らの影響を受けることなく伝播が可能であること等の
特性を備えており、電磁波に代わる新たな通信用媒体と
しての利用が可能であることを知見し、電気ベクトルポ
テンシャルを用いた通信システムについて既に特許出願
を行っている（特願平９−１７６１８９号）。

【０００５】以下、電気ベクトルポテンシャルの概念に
ついて簡単に説明しておく。先ず細長い円柱状の分極し
た誘電体棒を考える。図１は電気ベクトルポテンシャル
の説明図であり、図１(a) は分極した誘電体棒を示す説
明図、図１(b) は棒磁石を示す説明図である。図１(a)
において円柱状の誘電体棒における半径ｒ₀はその軸方
向の長さａに比較して十分小さいものとし (ｒ₀≪ａ)
、円柱状誘電体の断面積をＳとし、両端に＋Ｑと−Ｑ
の分極電荷があるものとして、これに基づく誘電体棒の
内, 外の電場及び電束密度の分布を求める。

【０００６】なお誘電体棒の軸方向をｚ軸方向とし、そ
の上, 下1/2 の中点Ｏを含み、ｚ軸と直交する平面上に
直交座標としてのｘ軸、ｙ軸をとるものとする。誘電体
棒は軸方向に一様に分極していると仮定し、その電気分
極ベクトルを＊Ｐ (ベクトルである符号Ｐは明細書中で
は＊Ｐの如く表わす) とすると、誘電体棒の上，下の中
心位置での外部と内部との電束密度＊Ｄ及び電場＊Ｅ
は、下記(1) 式で表わせる。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで電気分極ベクトル＊Ｐの絶対値は、
Ｐ＝Ｑ／Ｓであるから、外部及び内部夫々の電束密度＊
Ｄは、下記(2) 式で表わされる。

【０００９】

【数２】

【００１０】一方図１(b) に示すようにｚ軸上に中心軸
をもつ細長い永久棒磁石による上，下1/2 の点Ｏを含
み、ｚ軸と直交する平面上の磁束密度＊Ｂは磁気ベクト
ルポテンシャル＊Ａによって下記(3) 式として表わされ
る。＊Ｂ＝ rot×＊Ａ …(3) そこでこれと対応して磁気と電気との近似的な性質から
電束密度＊Ｄは電気ベクトルポテンシャル＊Ｃにより、
上記(3) 式に対応して下記(4) 式で表わせる。＊Ｄ＝ rot×＊Ｃ …(4) (2) 式と(4) 式とから電気ベクトルポテンシャル＊Ｃは
下記(5) 式で表わせる。

【００１１】

【数３】

【００１２】なお、(5) 式中＊ｅ₁, ＊ｅ₂はｘ, ｙ直
交座標における単位ベクトルを夫々表す。このことから
電荷を含まない面、つまり誘電体棒を上，下に２等分す
る面では電束密度＊Ｄは(4) 式のように電気ベクトルポ
テンシャル＊Ｃによって表わすことが出来、一方、この
(4) 式はストークスの定理より(6) 式に示す如き＊Ｃの
線積分の形で書換えられ、電気ベクトルポテンシャル＊
Ｃの線積分が電荷量Ｑを表わすことが解る。

【００１３】

【数４】

【００１４】なお(6) 式が成立することは(2) 式の＊Ｄ
と、(5) 式の＊Ｃとを夫々(6) 式に代入することによっ
て容易に確かめられる。つまり電気分極した誘電体棒の
中心近傍では、磁束密度＊Ｂと同様に、電束密度＊Ｄも
ｚ軸に平行であるために、図１(a) に示すような連続的
な円形の電気ベクトルポテンシャル＊Ｃが誘電体棒の外
側に同心円状に存在する。換言すればストークスの定理
が成立するためには、電気ベクトルポテンシャル＊Ｃは
常に連続である必要があり、従ってこれを物理的に遮蔽
することは不可能となり、通信媒体としては非常に透過
性の良い信号となる。

【００１５】次にこのような電気ベクトルポテンシャル
＊Ｃは電磁気学的に可観測な物理量たり得るかについて
検討する。下記(7) 式は磁場＊Ｈと電束密度＊Ｄに関す
るマクスウエルの電磁方程式であるが、 rot×＊Ｈ＝＊ｉ＋∂＊Ｄ／∂ｔ …(7) 電流密度＊ｉがない場合には、(8) 式の如くに表わせ
る。 rot×＊Ｈ＝∂＊Ｄ／∂ｔ …(8) 更に(4) 式の＊Ｄを(8) 式に代入すると、ゲージ関数 g
rad ・φを用いて(9)式が導かれる。

【００１６】＊Ｈ＝∂＊Ｃ／∂ｔ＋grad・φ …(9) (9) 式から電気ベクトルポテンシャル＊Ｃの時間変化量
が磁場＊Ｈと直接的に関連していることが解る。上述の如く電流密度＊ｉ＝０、即ち電流及び電荷が存在
しない領域では放射ゲージを採用することで、ゲージ関
数 grad ・φ＝０とすることができるから(9)式は(10)
式の如くに表わすことが出来、電気ベクトルポテンシャ
ル＊Ｃの時間変化は直接磁場＊Ｈを与えることが解る。＊Ｈ＝∂＊Ｃ／∂ｔ …(10) このことから誘電体棒の両端の電荷量を時間変化させる
とことにより観測される磁場＊Ｈは、(5) 式の外部にお
ける電気ベクトルポテンシャル＊Ｃを(10)式に代入する
ことで、下記(11)式で表わせる。＊Ｈ＝ (∂Ｑ／∂ｔ) ／２πｒ …(11)

【００１７】(10)式又は(11)式から、受信側において観
測される磁場強度は、距離ｒに略反比例して低下するか
ら∂Ｑ／∂ｔを出来る限り大きくすることで遠距離通信
が可能となる。

【００１８】本発明者らは、上述した如き電気ベクトル
ポテンシャルを利用する発信, 受信装置を検討した結
果、電気分極した誘電体棒に代わる、電圧を印加したと
きに誘起電荷が増幅されるコンデンサ型の発信装置を想
到し、これについての実験、研究の結果、次のような事
実を知見した。即ち、平行平板状の電極板の間に誘電率の高い誘電体を介
装して周波数変調した電圧を印加すると、その周波数に
応じた電気ベクトルポテンシャルが発生すること、受信装置としては高感度の磁気センサを用いること
で十分離れた距離でも変調された電気ベクトルポテンシ
ャルによる振動磁場の観測が可能であること、印加電圧に垂直な方向における誘電体の形状を楕円
形、又は長方形の板状とすることにより、長径、又は長
辺方向に伝播される電気ベクトルポテンシャルはその信
号強度が低下し難いこと、を知見した。

【００１９】本発明はかかる知見に基づきなされたもの
であり、第１の目的は電波障害を生じる場所、また有線
回線の架設が困難な場所に中継基地局として電気ベクト
ルポテンシャルを用いた発，受信設備を設置することで
従来の有線回線又は無線回線による通信をバックアップ
することにある。また第２の目的は電気ベクトルポテン
シャルと音声との双方向の変換を可能とすることで、通
信用端末としての使い勝手を高めた端末装置を提供する
ことにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る通信方
法は、有線回線又は電磁波を伝播媒体に用いる無線回線
に、電気ベクトルポテンシャルを伝播媒体に用いる無線
回線を接続して通信を行うことを特徴とする。

【００２１】第２の発明に係る通信システムは、入力さ
れた信号を電圧信号に変換して誘電体に印加し、電気ベ
クトルポテンシャルを発生させる発信装置と、前記電気
ベクトルポテンシャルを捉えてこれを電気的信号に変換
して出力する受信装置とを備えることを特徴とする。

【００２２】第３の発明に係る通信システムは、伝播媒
体である電気ベクトルポテンシャルを捉え、これを音声
に変換して出力する第１の変換装置と、音声を伝播媒体
である電気ベクトルポテンシャルに変換して発信する第
２の変換装置とを備えることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明をその実施の形態を示
す図面に基づき具体的に説明する。図２は本発明を適用
した通信システムの概要を示す模式図であり、図中１は
中継基地局、２は端末装置を示している。中継基地局１
と端末装置２との間が、例えば電波障害発生地域又は有
線回線の架設が困難な場所である。中継基地局１には、
他の基地局を含めて外部との間に電磁波（光を含む）を
用いる双方向の無線回線３、電話等の有線回線４が設け
られている。また中継基地局１には端末装置２との間に
電気ベクトルポテンシャルを用いた双方向の無線回線５
が設けられている。

【００２４】図３は中継基地局１における主要設備を示
すブロック図である。他の基地局等から無線回線３を通
じて伝播された信号電磁波（光信号を含む）は先ず振幅
制限器１１にて振幅を制限され、周波数弁別器１２にて
高周波域を濾波され、所定周波数に低下させた電圧信号
として電圧増幅器１５にて増幅され、電気ベクトルポテ
ンシャルを用いた発信装置１６へ入力される。また有線
回線４を通じて伝送されてきた信号電流は先ず周波数変
調器１３にて周波数変調され、次いで電圧変換器１４に
て電圧信号に変換され、電圧増幅器１５にて増幅された
後、電気ベクトルポテンシャルを伝播媒体とする発信装
置１６へ入力される。この発信装置１６により端末装置
２との間に電気ベクトルポテンシャルによる通信が行わ
れる。

【００２５】図４は発信装置１６の構成を示す模式図で
あり、発信装置１６は、ＰＬＺＴ等を材料（比誘電率５
００以上）にして楕円形又は長方形の板状（厚さ５mm以
下)に形成された誘電体２２の相対向する両面にこれと
一体的に電極２３、２４を設けたもの（構造的にはコン
デンサに対応しているので以下これをコンデンサと称
す）における前記電極２３、２４にリード線２５ａ、２
５ｂの各一端を接続し、その各他端は変調部２７に接続
し、また変調部２７は交流電源２８及び信号発生部２９
に接続してある。変調部２７は交流電源２８からの交流
電圧を信号発生部２９からの信号に対応させて、その周
波数をＡＭ変調、又はＦＭ変調、又はＰＣＭ、例えばパ
ルス幅変調させて誘電体２２に印加させる。これによっ
てコンデンサから送出される電気ベクトルポテンシャル
＊Ｃを、例えば大，小変化、又は断続 (パルス状) 変化
させる。

【００２６】なお、図面には１個のコンデンサを備える
場合を示してあるが、これから発生される電気ベクトル
ポテンシャルの伝播方向は誘電体２２の対角線を結ぶ２
本の直線の挟む角度θの範囲に限られるから、全方向を
カバーするには図５に示す如くＯ₁点を中心にして略半
円周以上の範囲に亘って複数個のコンデンサを、夫々電
極２３、２４を設けていない誘電体２２の側面を外方に
向けた状態で放射状に配設するのが望ましい。この場合
各コンデンサは並列的に変調部２７に接続される。

【００２７】発信装置の誘電体２２の電極２３，２４間
に周波数ｆで最大電圧Ｖ₀の電圧を印加したとすると、
ω＝２πｆとして、誘電体２２に印加される電圧Ｖは(1
2)式で表わせる。Ｖ＝Ｖ₀ sinωｔ …(12) 従って電荷量の時間変化量は(13)式となり、 ∂Ｑ／∂ｔ＝εＳＶ₀２πｆ cosωｔ／ａ …(13) 誘電体２２をその電極２３，２４間で２等分した面内の
中心軸からｒの距離で発生する磁場＊Ｈは(11)式より(1
4)式で与えられる。＊Ｈ＝εＳＶ₀ｆ cosωｔ／ａｒ …(14) 一方磁気センサで観測する磁場は磁束密度であるため
に、＊Ｂ＝μ₀＊Ｈの関係式から(15)式の如く書き換え
られる。この＊Ｂを磁気センサで観測することとなる。＊Ｂ＝μ₀εＳＶ₀ｆ cosωｔ／ａｒ …(15)

【００２８】更に中継基地局１には端末装置２から発生
され、伝播されてきた電気ベクトルポテンシャルによる
磁場を捉えてこれを無線回線３用の信号電磁波（光信号
を含む）又は有線回線４用の信号電流に変換して伝送す
る設備が設けられている。

【００２９】図６は中継基地局１に設置されている他の
送受信設備の構成を示すブロック図であり、図中３１は
伝播されてきた電気ベクトルポテンシャルによる磁場を
検出するための磁気センサである。磁気センサ３１は電
気ベクトルポテンシャルによる振動磁場を検出し、これ
に対応した電流を出力する。この出力電流は電気ベクト
ルポテンシャルの微分値であるから積分して元の信号に
戻すため積分器３２へ出力する。積分器３２は電流を積
分し、その積分値を周波数増幅変調器３３及び周波数変
調器３４へ出力する。周波数増幅変調器３３は周波数増
幅を行ってマイクロ波発信器３５へ出力し、ここから無
線回線３を通じてマイクロ波を送信する。また、周波数
変調器３４は積分値の周波数を低下させた後、電圧増幅
器３６にて増幅し、有線回線４を通じて外部へ送信す
る。

【００３０】一方端末装置２は図４に示す如き電気ベク
トルポテンシャルの発信装置及び図７に示す如き受信装
置を備えている。受信装置は磁気センサ３１の出力を積
分器３２にて時間積分し、積分値を周波数変調器３４に
て周波数を低下させた後、電圧増幅器３６にて増幅し、
スピーカ３７及びマイクロフォン３８に接続されてい
る。また発信装置は図４に示す信号発生部２９に、例え
ばマイクロフォン３８を接続したのと実質的に同じ構成
としてあり、マイクロフォン３８を通じて音声により発
信をすることができるようにしてある。これによって利
用者は音声として伝送信号を受信することが出来、また
端末装置２を通じて音声信号による信号の送信が可能と
なっている。

【００３１】図２に示すように、該電気ベクトルポテン
シャルを用いた発信、受信装置と、電磁波（光を含む）
を用いた無線回線３による発信、受信装置、又は有線回
線の発信、受信装置を基地局として設置し、更に端末に
該電気ベクトルポテンシャルと音声との双方向への変換
を可能とした発信、受信装置を設置することで、中継基
地局１と端末装置２とで電気ベクトルポテンシャルによ
る双方向の通信が可能になり、しかも基地局を従来の有
線又は無線の回線と接続することで従来の通信システム
の弱点である通信障害のある場所等でもＳ／Ｎ比の良好
な通信が可能になる利点があり、更に混信等による電波
障害も大幅に緩和される。なお観測する磁場は交番磁場
のために、地球磁場等の静磁場の影響は全く無視するこ
とができる利点もある。

【００３２】（試験例１）中継基地局１から発信して端
末装置２で受信する通信システムが可能であるか否かの
実験を行ったので以下にその内容を説明する。まず中継
基地局１でマイクロ波を受信するために、市販の携帯電
話（ＰＨＳ）で検波し、増幅された電圧を取り出し、周
波数１０kHz に周波数調整した後、５００V に電圧増幅
し、図４に示す如き電気ベクトルポテンシャルの発信装
置に接続した。発信装置は平行電極２３，２４間に比誘
電率５０００、厚み１mmで直径２０mmの誘電体２２を介
装し、電極２３，２４を通じて誘電体２２に電圧を印加
し、信号に対応して変調した電気ベクトルポテンシャル
を発生させる発信装置とした。なお誘電体２２からの放
射電磁波をシールドするために、図８に示す如く誘電体
２２の周囲に同軸状にパーマロイの円筒２６ (外径３２
mm×内径３０mm×３０mm) を設置した。またリード線２
５ａ，２５ｂは絶縁材２６ａ及びパーマロイ製のパイプ
２６ｂ内を通して電圧増幅器に接続した。

【００３３】一方、受信装置を構成する磁気センサ３１
は、図９に示すように、高感度 (分解能：２μＧ) の磁
気センサの検知部全体を肉厚２mmのパーマロイの箱４１
で覆って磁気シールドし、またリード線３１ａも金属パ
イプ４２内を通して図６に示す如く積分器３２等と接続
した。これによって電気ベクトルポテンシャルの時間変
化による磁場を測定すると同時に、磁場で誘起された信
号電流を積分器３２に通して元の信号に戻した。この信
号を増幅してスピーカ３７に接続して音声に変換するよ
うにした。

【００３４】実験としては電話回線を利用して中継基地
局１である携帯電話（ＰＨＳ）に接続し、電話の音声が
電気ベクトルポテンシャルを媒体とし、端末装置２にお
ける図７に示す如く結線した磁気センサ３１に接続した
スピーカ３７から出力されるか否かの確認実験を行っ
た。また有線回線４にて中継基地局１で受信した信号を
端末装置２に送信する実験としては電話線の電流を電圧
変換して電圧増幅し、図４に示す如く電気ベクトルポテ
ンシャルの発信装置における信号発生部２９に入力し、
電話の音声が端末装置２である磁気センサ３１に接続し
たスピーカ３７から出力されるか否かの実験を行った。
なお電気ベクトルポテンシャルの受信装置における、ス
ピーカ３７は電波暗室の中に置き、電気ベクトルポテン
シャルの発信装置は屋外に置いた。測定距離は電気ベク
トルポテンシャルの発信装置と電波暗室内の電気ベクト
ルポテンシャルの受信装置との間の距離である。測定結
果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】（試験例２）試験例１の実験と逆に端末装
置２から電気ベクトルポテンシャルを発信し、中継基地
局１で受信する通信システムが可能であるか否かの実験
を行った。まずマイクロフォン３８で受けた音声の信号
電流を電圧に変換して５００V に電圧増幅した後、周波
数１０kHz に周波数変調して試験例１と同じく図４に示
す如き電気ベクトルポテンシャルの発信装置における信
号発生部２９へ入力し、電気ベクトルポテンシャルを発
生させた。発生された電気ベクトルポテンシャルを試験
例１と同じ磁気センサ３１で受信した信号電流を市販の
携帯電話（ＰＨＳ）に入力してマイクロ波を発信させる
ようにした。実験としてはマイクロフォン３８の音声が
電気ベクトルポテンシャルとして伝播し、それを磁気セ
ンサ３１で受信した後、携帯電話からマイクロ波として
発信されて電話回線へ音声がつながるか否かの実験を行
った。

【００３７】また磁気センサ３１で受信した後、電流増
幅して電話回線に直接つないで電話の受話器で音声が聞
けるか否かの実験も行った。なお実験としてはマイクロ
フォン３８と電気ベクトルポテンシャルの発信装置とを
電波暗室の中に置き、電気ベクトルポテンシャルの受信
装置と携帯電話（ＰＨＳ）を屋外に置いた。測定距離は
電波暗室内の電気ベクトルポテンシャルの発信装置と屋
外の電気ベクトルポテンシャルの受信装置との間の距離
である。測定結果は表２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】表１と表２から明らかなように、電気ベク
トルポテンシャルを通信媒体として使用すれば、電波暗
室の内外間でも容易に通信することが可能であり、試験
例１と２とから、電波障害のある場所や有線回線による
交信が不可能な場所でも交信が可能になることが解る。

【００４０】

【発明の効果】第１、第２、第３の発明の電気ベクトル
ポテンシャルを通信媒体とした通信では、電波障害の問
題もなく、また携帯電話の如く漏洩磁場が悪影響を与え
る可能性もなく、また電気ベクトルポテンシャルは磁気
双極子をもった粒子（例えば電子）の位相を変える相互
作用しかないために、その相互作用は非常に弱く、導電
体等により遮蔽されることなく透過性に優れ、従来の通
信媒体よりも非常に優れた通信システムが得られる等、
本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気ベクトルポテンシャルの概念の説
明であり、(a) は本発明に係る誘電体棒の分極ベクトル
による電気ベクトルポテンシャルの説明図である。(b)
は永久棒磁石の磁気ベクトルポテンシャルの説明図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態の構成を示す模式図であ
る。

【図３】中継基地局の設備を示すブロック図である。

【図４】中継基地局に設けられる電気ベクトルポテンシ
ャルの発信装置を示す模式図である。

【図５】発信装置を構成するコンデンサの配置を示す説
明図である。

【図６】中継基地局の他の設備の構成を示すブロック図
である。

【図７】端末装置の設備の構成を示すブロック図であ
る。

【図８】試験に用いた発信装置におけるコンデンサの構
成を示す拡大断面図である。

【図９】試験に用いた受信装置における磁気センサの構
成を示す拡大断面図である。

【符号の説明】

１中継基地局２端末装置３無線回線４有線回線５無線回線３７スピーカ３８マイクロフォン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有線回線又は電磁波を伝播媒体に用いる
無線回線に、電気ベクトルポテンシャルを伝播媒体に用
いる無線回線を接続して通信を行うことを特徴とする通
信方法。
【請求項２】入力された信号を電圧信号に変換して誘
電体に印加し、電気ベクトルポテンシャルを発生させる
発信装置と、前記電気ベクトルポテンシャルを捉えてこ
れを電気的信号に変換して出力する受信装置とを備える
ことを特徴とする通信システム。
【請求項３】伝播媒体である電気ベクトルポテンシャ
ルを捉え、これを音声に変換して出力する第１の変換装
置と、音声を伝播媒体である電気ベクトルポテンシャル
に変換して発信する第２の変換装置とを備えることを特
徴とする通信システム。