JPWO2007032049A1

JPWO2007032049A1 - 信号伝達装置、インターフェース装置、ならびに、通信システム

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Publication number: JPWO2007032049A1
Application number: JP2007535332A
Authority: JP
Inventors: 篠田　裕之; 裕之篠田; 裕人板井; 浅村　直也; 直也浅村
Original assignee: University of Tokyo NUC; Cell Cross Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Cell Cross Corp
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2009-03-19
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Also published as: US7626561B2; JPWO2007032339A1; WO2007032049A1; US20090179822A1; EP1926221A4; JP4565579B2; EP1926222A1; WO2007032339A1; EP1926222A4; JP4650906B2; US7724203B2; US20090128256A1; EP1926221A1

Abstract

電磁場の変化により信号を伝達する信号伝達装置（１０１）は、当該電磁場の周波数帯において導電体であるメッシュ状の形状の第１導体部（１１１）、第１導体部（１１１）と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯において導電体である外形が平板状の形状の第２導体部（１２１）、を備え、第１導体部（１１１）の外形と第２導体部（１２１）の外形とに挟まれる狭間領域（１３１）と、第１導体部（１１１）の外形を当該狭間領域（１３１）と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域（１４１）と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達し、当該浸出領域（１４１）における電磁場の強度は、当該第１導体部（１１１）の外形からの距離によって指数的に減衰する。

Description

本発明は、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置に関する。

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、膜状、フィルム状、メッシュ状など、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。

一方で、発明者らの研究により、互いに対向するシート状体に挟まれる狭間領域に電磁場を存在させ、２つのシート状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シート状体の間の電圧を変化させて、電磁場を進行させ、通信を行う技術が開発されている。

２つのシート状体の間の電圧を検知するには、通信機器を直接両者に有線接続したり、コネクタをシート状体に設け、これを通信機器に接続するのが一般的であった。

しかしながら、このような有線接続をできるだけ行わないようにし、外部の通信機器をシート状体の近傍に寄せることによって信号の伝達ができるようにすると、ユーザにとっても使いやすくなり、メンテナンス効率も向上する。

そこで、このような要望に対応するための新しい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、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達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。

本発明に係る信号伝達装置は、電磁場の変化により信号を伝達し、第１導体部、第２導体部を備え、以下のように構成する。

すなわち、第１導体部は、当該電磁場の周波数帯において導電体であり、メッシュ状の形状である。

一方、第２導体部は、第１導体部と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯において導電体であり、外形が平板状の形状である。

さらに、第１導体部の外形と第２導体部の外形とに挟まれる狭間領域と、第１導体部の外形を当該狭間領域と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達する。

そして、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、当該第１導体部の外形からの距離によって指数的に減衰する。

また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状の繰り返しの単位長さはdであり、当該浸出領域の厚さは、大きくともdであるように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状における網目の大きさの平均幅はdであり、当該浸出領域の厚さは、大きくともdであるように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状は、同じ形状の多角形が繰り返す網目状であり、その繰り返しの単位長さはdであり、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、第１導体部の外形から当該浸出領域への距離zに対して、e^-2πz/d以下の係数により減衰するように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状は、平板に円孔を複数設けた網目状であり、当該円孔同士の中心距離はdであり、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、第１導体部の外形から当該浸出領域への距離zに対して、e^-2πz/d以下の係数により減衰するように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、当該浸出領域に配置されたアンテナへ当該狭間領域および当該浸出領域から電磁場の変化を伝達し、もしくは、当該アンテナから当該狭間領域および当該浸出領域へ電磁場の変化を伝達して、当該アンテナに接続された外部機器と通信するように構成することができる。

特に、外部機器としては、ＲＦＩＤタグのチップや各種のセンサ素子を採用することも可能である。

また、本発明の信号伝達装置において、当該第１導体部および当該第２導体部に有線接続される通信機器へ、当該狭間領域および当該浸出領域における電磁場とともに変化する当該第１導体部と当該第２導体部との間の電圧を伝達し、もしくは、当該第１導体部と当該第２導体部との間の電圧を変化させて当該狭間領域および当該浸出領域における電磁場を変化させて、当該通信機器と、当該外部機器と、の間で信号を伝達するように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、当該第２導体部は、メッシュ状の形状であり、第２導体部の外形を当該狭間領域と挟んで反対側に位置する平板状の形状の対向領域において、さらに、当該周波数帯で当該電磁場を伝達するように構成することができる。

また、本発明の信号伝達装置において、第１導体部をメッシュ状の形状とするのにかえて、ストライプ状の形状とするように構成することができる。

本発明によれば、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るインターフェース装置と組み合わせて使用する信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。本実施形態の信号伝達装置に対する最も単純な形状のインターフェース装置の様子を示す説明図である。本発明の実施形態に係るインターフェース装置と組み合わせて使用する信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。信号伝達装置の分析に用いる座標系の様子を示す説明図である。信号伝達装置の種々の場所の垂直電界の強度を示す説明図である。電磁場の指向性を説明するための説明図である。指向性を有するインターフェース装置の一つの実施形態の概要構成を示す説明図である。インターフェース装置におけるtとwの値の関係を示す説明図である。内部導体部の経路導体部に接続される側の概形を示す説明図である。インターフェース装置の形状のパラメータを示す説明図である。内部導体部の近傍の領域に生ずる電磁場の様子を示す説明図である。 φ₁モードの電磁場の様子を示す説明図である。円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。インターフェース装置の他の実施形態を示す説明図である。パラメータの関係と、電流や磁場の様子を示す説明図である。インピーダンス整合を行う手法を示す説明図である。信号伝達装置とインターフェース装置の実験パラメータを示す説明図である。インターフェース装置を信号伝達装置から次第に離していく場合の受信電力を示すグラフである。２つのインターフェース装置の一方のメッシュに対する向きを変化させた場合の他方の受信電力を示すグラフである。２つのインターフェース装置の一方の位置を移動させた場合の他方の受信電力を示すグラフである。インターフェース装置の他の実施形態の断面を示す説明図である。インターフェース装置と、これが接続可能な他の形態の信号伝達装置のとの関係を示す断面図である。信号伝達装置に有線接続を行う場合の説明図である。信号伝達装置の第１導体部をメッシュ状ではなく、ストライプ状にした実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１０１信号伝達装置
１１１第１導体部
１２１第２導体部
１３１狭間領域
１４１浸出領域
１５１対向領域
２０１通信回路
２０２ループ型アンテナ
２０３ダイポール型アンテナ
６０１インターフェース装置
６０２内部導体部
６０３外部導体部
６０４経路導体部
６０５絶縁体部
６０６接続点
９０１導体板
９０２同軸ケーブル
９０３接合部
９０４帯状の導体部

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。

以下では、平板状の形状をした信号伝達装置と、当該信号伝達装置に近接させて信号を取得したり信号を送り込んだりするためのインターフェース装置について、順に説明する。

なお、以下では、理解を容易にするため、信号伝達に用いる電磁波の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、たとえば、直流電流に対しては絶縁体であるものを「導電体」と呼ぶこともある。

（信号伝達装置）
図１は、本実施形態に係る信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図（ｂ）は、本実施形態に係る信号伝達装置１０１の断面図である。本図に示すように、信号伝達装置１０１は、メッシュ状の第１導体部１１１と、これに略平行な平板状の第２導体部１２１と、を備えている。

ここで、第１導体部１１１と第２導体部１２１とに挟まれる領域が、狭間領域１３１であり、本図において第１導体部１１１の上側にある領域が、浸出領域１４１である。

本図（ａ）は、信号伝達装置１０１の上面図である。本実施形態の第１導体部１１１は、正方形のメッシュ状となっており、正方形の中から第２導体部１２１が透けて見えている。

またメッシュの繰り返し単位は横に隣り合う正方形の中心同士の距離に等しく、これは、正方形の一辺の長さにほぼ等しい。

本実施形態では、狭間領域１３１および浸出領域１４１はいずれも空気となっているが、いずれか一方もしくは両方もしくはそれらの一部分を、各種の誘電体としたり、水や土としたり、真空としたりしても良い。

第１導体部１１１と第２導体部１２１の外形は、いずれもシート状（布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状など、面としての広がりを持ち、厚さが薄いもの。）である。

したがって、たとえば、部屋の壁を本実施形態の信号伝達装置とする場合には、まず第２導体部１２１として金属箔を貼り付け、つぎに絶縁体を吹き付けてから、第１導体部１１１として金属の網を貼り付け、さらに絶縁体の壁紙を貼り付ければ良い。

さて、このように、信号伝達装置１０１において、第１導体部１１１と第２導体部１２１とに挟まれる狭間領域１３１の間を伝播する電磁波モードに注目する。

かりに第１導体部１１１がメッシュではなく、箔状の開孔がない構造であった場合には、電磁波は狭間領域１３１に完全に閉じ込められる。

しかしながら、第１導体部１１１は、メッシュ状の構造を持ち、開孔がある。このような形状では、メッシュの間隔と同程度の高さまで、電磁場が染み出すようになる。電磁波が染み出す領域が、浸出領域１４１である。

浸出領域１４１の高さ（厚さ）は、メッシュの繰り返し単位と同程度である。実際には、第１導体部１１１の表面からの距離に応じて、指数的に電磁波の強度が減衰するようになる。

図２は、本実施形態の信号伝達装置に対する最も単純な形状のインターフェース装置の様子を示す説明図である。本図では、ループアンテナもしくはダイポールアンテナをインターフェース装置とすることによって、信号伝達装置１０１との間で通信を行う様子が示されている。以下、本図を参照して説明する。

メッシュ状の第１導体部１１１の表面に存在する浸出領域１４１に、送受信を行う通信回路２０１と、当該通信回路に接続されたループ型アンテナ２０２と、の組合せが、本図では４つ示されている。

ループ型アンテナ２０２の長さは、信号伝達装置１０１により伝達される電磁波の波長の半分程度が好適であるが、これより大きくとも小さくとも、通信は可能である。

本図では、長方形状のループ型アンテナ２０２を第１導体部１１１の表面に平行に配置する場合、第１導体部１１１の表面に垂直に配置する場合が示されている。

また、本図では、コの字型のループ型アンテナ２０２の両端が通信回路２０１によって終端されており、第１導体部１１１の表面に平行に配置されている場合が示されている。

さらに、本図では、コの字型のループ型アンテナ２０２が通信回路２０１に接続され、さらにその端部が通信回路２０１の反対側にまで延伸しているような形状のものを、第１導体部１１１の表面に垂直に配置する場合が示されている。

このほか、同軸ケーブルの芯線が露出しただけのダイポール型アンテナ２０３を利用したインターフェース装置も図示されている。この場合は、ダイポール型アンテナ２０３の芯線を第１導体部１１１に近接させることによって、同軸ケーブルに接続された通信機器と信号伝達装置１０１との間で、電磁波の授受が可能となる。

これらの通信回路２０１同士や、同軸ケーブルに接続された通信機器と通信回路２０１とは、信号伝達装置１０１を介して互いに通信を行うことが可能である。また、本図には示していないが、第１導体部１１１と第２導体部１２１とに直接有線接続される通信機器がある場合には、当該通信機器との通信も可能である。このようにして、１対１、１対Ｎ、Ｎ対１、Ｎ対Ｎのいずれの通信も可能である。

さらに、通信回路２０１として、ＲＦＩＤタグの回路を用い、本装置をタグの読み取り装置とすることもできるし、さらにそこにセンサを搭載することもできる。また、通信回路から配線によって外部機器と接続したり、通信回路に接続するかわりに同軸ケーブルに接続し、外部機器と接続する使用形態もある。

また、マイクロ波を用いて、インターフェース装置側を充電して、電力を供給することも可能である。

また、上記の実施形態では、第２導体部１２１は、箔状の開孔のない導電体としているが、第２導体部１２１を第１導体部１１１と同様のメッシュ状としても良い。図３はこのような構成に係る断面図である。

本図に示すように、第２導体部１２１の外側にも浸出領域１４１に相当する対向領域１５１が存在し、ここにも電磁波が染み出すようになる。したがって、表面と裏面の両方に電磁波が浸出するため、インターフェース装置をいずれかの面に近接させれば、信号の授受が可能になる。

さて、以下では、このような浸出領域１４１の理論的背景について簡単に説明する。上記のような構成の信号伝達装置１０１では、狭間領域１３１（およびその近傍である浸出領域１４１や対向領域１５１）において、信号伝達装置１０１の外側へ電磁波を「放射」せずに進行する電磁波のモードφ_nが存在する。

ここで、狭間領域１３１と同程度の強度の電磁場が染み出し、かつ遠方への電磁放射がない近接場の高さLは、メッシュの繰り返しの単位長さをdとしたとき、L = d/(2π)程度である。

ここで、浸出領域１４１や対向領域１５１において、第１導体部１１１や第２導体部１２１の表面からの距離をzとしたとき、染み出した電磁波の振幅は、概ねe^-z/Lのように減衰する。

したがって、第１導体部１１１（や第２導体部１２１）から距離Lの範囲にインターフェース装置を配置して、φ_nを誘起して、信号の伝達を行うのである。なお、インターフェース装置の感度によって、距離Lではなく、長さd程度としても良い。すなわち、浸出領域１４１（や対向領域１５１）の厚さは、L乃至d程度と考えることができる。

以下、さらに詳細に考える。図４は、信号伝達装置１０１の分析に用いる座標系の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、z = 0には、繰り返し単位長さがdのメッシュ状の第１導体部１１１が配置され、z = -Dには、第２導体部１２１が配置されているものとする。そして、第１導体部１１１と第２導体部１２１以外は、誘電率εの誘電体で満たされているものとする。メッシュは正方形の網目状とする。原点はメッシュ交点に重なっており、x軸、y軸はメッシュに平行である。

このとき、電磁エネルギーがメッシュ近傍に局在しており、電磁場のうちの電場Eについて、
E_z = Af(x,y,z) exp(-j(xk_x + yk_y))
という形をした進行波解が存在する。ここで、E_zは、電界のz成分、A，k_x，k_yは定数、f(x,y,z)はx方向、y方向に周期dを持つ関数であり、k = (k_x,k_y,0)は、進行波の進行方向を示す波数ベクトル（伝搬ベクトル）である。

すなわち、任意のx,y,zに対して、
f(x+d,y,z) = f(x,y,z) = f(x,y+d,z)
が成立する。

さて、E_zを含む電磁場は、誘電体において、波動方程式
ΔE_z = -(ω²/c²)E_z
を満たし、
k_x ² + k_y ² ≒ ω²/c²
である。

ここで、z > 0での電磁場に注目すると、fの周期性により、fは以下のようなフーリエ展開が可能である。
f(x,y,z) = Σ_m,n a(m,n)exp(2πj m x/d)exp(2πj n y/d)g(m,n,z)
ここで、m,nは整数である。

dが電磁波長λより十分小さく、2π/dがω/cより十分大きく、(m,n)≠(0,0)では、フーリエ展開の各成分の独立性より、成分
u(m,n) = exp(2πj m x/d)exp(2πj n y/d)g(m,n,z)
は、近似的に、
Δu = (-(2πm/d)²-(2πn/d)²+∂²/∂z²)u = 0
すなわち、
∂²/∂z² g ≒ (2π)²(m²+n²)/d² g
を満たす。したがって、
g(m,n,z) ≒ B exp(-2π(m²+n²)^1/2 z/d)
である。ただし、Bは定数である。したがって、(m,n)≠(0,0)の成分については、その減衰定数は、d/(2π)以下となる。

ここで、(m,n)≠(0,0)の成分は、メッシュ構造の周期の変調を受けた進行波成分に相当する。

また、(m,n)=(0,0)に相当する成分、すなわち、メッシュ構造の周期の変調を受けていない進行波成分は、波長λ = 2π/(k_x ² + k_y ²)^1/2程度までは到達するが、その強度は、小さい。この成分は、項exp(-j(xk_x + yk_y))に直接係る成分である。

このような理論的背景により第１導体部１１１をd = 2[mm]の正方形網目状のメッシュ状の形状の導体とし、第２導体部１２１を箔状の導体とし、第１導体部１１１に平均線電荷密度σ = 1[C/m]を与えたときに、生じる垂直電界E_z[V/m]に定数4πεを乗じたものを求めてみた。

上記と同様に、第１導体部１１１はz = 0に配置され、第２導体部１２１はz = -Dに配置されている。原点はメッシュ交点に重なっており、x軸、y軸はメッシュに平行である。

図５は、この場合の、信号伝達装置の種々の場所の垂直電界の強度を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図上段の３つのグラフに示すように、(x,y) = (0,0)、(x,y) = (d/2,d/2)、(x,y) = (d/2,0)のいずれの場合も、z = 1[mm]付近から垂直電界がほぼ０になることがわかる。また、y = 1[mm]，z = 0.2[mm]における垂直電界は、本図下段の１つのグラフに示すような周期パターンとなる。

このように、メッシュの繰り返し単位長さが2mmのとき、電磁場の染み出しは約1mmと考えられるから、この距離以下にインターフェース装置を近付ければ、電磁場との間での誘導が可能になり、信号の送受が可能となると考えられる。

なお、z = -Dに配置される第２導体部１２１をz = 0に配置される第１導体部１１１と同じメッシュ構造とした場合の電界分布は、対称の原理により、z = -D/2に箔状の第２導体部１２１を配置し、z = 0にメッシュ状の第１導体部１１１を配置した場合と同じ分布となる。したがって、上記と同様の結論が得られる。

このように、浸出領域１４１や対向領域１５１の厚さとしては、d/(2π)〜d/2〜d程度のオーダーを考慮すれば十分であり、浸出領域１４１や対向領域１５１の中にインターフェースを「浸す」ことによって、通信を行うことができるのである。

なお、(m,n) = (0,0)に対応する成分は、通信層内での電磁波長λ = 2π/(k_x ² + k_y ²)^1/2の程度まで浸出する場合があるが、通信層の表面付近では、この成分の強度は他の成分よりも小さいので、無視することができる。

なお、メッシュは必ずしも正方形の繰り返しである必要はなく、各種の多角形形状のメッシュとしても良い。また、メッシュの単位は同じ形状に限る必要はなく、適切な網目状となっていれば、異なる形状であっても良い。この場合には、上記のdに相当する値は、各メッシュの大きさの平均であると考えることができる。また、これらの基本周期が存在する場合は、その周期をdと考えることもできる。

このほか、平板導体にハニカム状に円形のパンチ穴を複数開孔したものを、第１導体部１１１としても良い。この場合は、円の中心同士の距離が、上記のdに相当する。

（インターフェース装置）
上記の説明では、インターフェース装置においてループ型アンテナ２０２やダイポール型アンテナ２０３を用いていたが、以下では、指向性を持つ電磁場を放出できるようなインターフェース装置を提案する。

なお、ここで提案するインターフェース装置は、上記の信号伝達装置１０１と組み合わせて使用するのが好適であるが、信号を伝達する電磁場に接することができれば、通信は可能である。したがって、当該インターフェース装置を使用する局面は、上記の信号伝達装置１０１との組み合わせには限られない。

図６は、このような電磁場の指向性を説明するための説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、信号伝達装置１０１の第１導体部１１１と第２導体部１２１に垂直に設定されたz軸の周りの角度をθとすると、本実施形態に係るインターフェース装置が放出する電磁場φ₁は、z方向の電界をE_z、z軸左回りの磁場成分をB_θとしたとき、
E_z ≒ e(r,z)cosθ；
B_θ ≒ b(r,z)cosθ；
ただし、r² = (x² + y²)である。

図７は、このような指向性を有するインターフェース装置の一つの実施形態の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

インターフェース装置６０１は、大別して、内部導体部６０２、外部導体部６０３、経路導体部６０４に分けることができる。

内部導体部６０２は、信号伝達装置１０１に近接する導体であり、幅tの帯状の形状をしており、その一端は、外部導体部６０３に、その他端は、経路導体部６０４に、それぞれ接続されている。

外部導体部６０３は、箱状の構造をして内部導体部６０２を覆っている。外部導体部６０３には開孔があり、その開孔を経路導体部６０４が非接触に貫通している。

これにより、外部導体部６０３〜内部導体部６０２〜経路導体部６０４の電流経路が成立する。そして、外部導体部６０３の開孔付近で、外部導体部６０３と経路導体部６０４に同軸ケーブルや、信号送受信回路を結合して、ここに流れる電流を変化させると、電磁波が主に、本図矢印の方向に放出されることになる。

このように、外部導体部６０３が内部導体部６０２および経路導体部６０４を覆うことによって、インタフェース装置６０１の外部への無用な電磁放射が防止できるので、信号伝送装置１０１との間で、効率よく電磁エネルギを授受できるようになる。

なお、外部導体部６０３、内部導体部６０２、経路導体部６０４以外の部分は誘電体で充填されていてもよい。また、外部導体部６０３、内部導体部６０２、経路導体部６０４は、その表面が表皮厚さ分だけ導体であればよく、その内部の材料は任意であってよい。

外部導体部６０３と内部導体部６０２の互いに対向しあう面は平行であることが望ましく、内部導体部６０２もまた平面帯状となっていることが望ましいが、段差や凹凸があっても良い。

外部導体部６０３と内部導体部６０２の互いに対向しあう面の距離をwとしたとき、tがwよりも極端に大きくならないことが望ましい。すなわち、tがwと同程度、もしくはtがw以下であることが望ましい。

図８は、インターフェース装置６０１におけるtとwの値の関係を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

tがwと同程度かそれ以下であれば、内部導体部６０２に電流が流れることで生じる電磁場は、インターフェース装置６０１の外部にも生ずるようになり（本図右側の網かけ領域）、信号伝達装置１０１の進行波モードと結合して、進行波を誘起することができる。

一方、tが大きくなり、インターフェース装置６０１の底面をすべて覆えば、信号の送受はまったくできなくなる。

しかし、底面の一部に隙間が開いていれば、信号伝達装置１０１の狭間領域１３１の進行波モードとの結合が生じる。そこで、インターフェース装置６０１を駆動するケーブルや通信回路とのインピーダンス整合をとる際に、（ケーブルとインターフェース装置６０１との接続部である）外部導体部６０３の開孔から、インタフェース装置６０１内部側をみたときのインピーダンスを小さくするために、tをwより大きくする場合も考えられる。

ただしその場合、本図左側の網かけ領域S内に蓄積されるエネルギーの、インターフェース装置６０１の外側に生じる電磁エネルギーに対する割合が大きくなり、領域Sに接する第１導体部１１１や、領域Sにおける誘電損失によって余計なエネルギーロスが生じてしまう。

したがって、tそのものを大きくするのではなく、内部導体部６０２を、複数の細い帯からなるようにして、インピーダンス整合をとる手法を採用することができる。図９は、このような場合の内部導体部６０２の経路導体部６０４に接続される側の概形を示す説明図である。

本図に示すように内部導体部６０２はフォーク状の形状をしており、細い帯が、経路導体部６０４から複数延伸して、外部導体部６０３（本図には図示せず）に接続されるように構成するのである。

また、内部導体部６０２の長さR（内部導体部６０２が外部導体部６０３に接続される点と、内部導体部６０２が経路導体部６０４に接続される点と、の距離はR - mになる。）と、当該電磁場の波長λとについて、2πRがλより極端に小さくはないことが望ましい。

ここで、λは、信号伝達装置１０１における進行波の波長2π/(k_x ² + k_y ²)^1/2である。

仮に2πR≪λが成立してしまうと、電流経路の近傍に局所的に生ずる電磁エネルギーに対して、遠方の放射されるエネルギーの割合が著しく小さくなるため、信号伝達装置１０１に電磁波を送り込む際のエネルギーロス（インタフェース部周辺の誘電損失、金属の抵抗による）の割合が大きくなってしまうからである。

さて、このような概形のインターフェース装置６０１は、上記の信号伝達装置１０１と結合できるほか、２枚のシート状導電体を対向させて局所的に開孔を設けた信号伝達装置や、１枚のシート状導電体の上にシート状誘電体を貼付した信号伝達装置とも結合させることができる。したがって、インターフェース装置６０１は、種々の信号伝達装置に対して適用することができる。

以下では、インターフェース装置６０１が発生させる電磁場についてさらに詳細に検討する。

図１０は、インターフェース装置６０１の形状のパラメータを示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

内部導体部６０２（以下、適宜「近接経路」とも呼ぶ。）の長さをR、内部導体部６０２と外部導体部６０３との間の距離をw、内部導体部６０２が経路導体部６０４との接続点を超えてさらに延伸する長さをmとする。

図１１は、このような条件のもとで、内部導体部６０２の近傍の領域Sに生ずる電磁場の様子を示す説明図である。

インターフェース装置６０１に接続される同軸ケーブルのインピーダンスと、同軸ケーブルが接続される部分からインターフェース装置６０１の内部を見たインピーダンスが近くなるようにR，m，w，tを調整する。ここで、そして、R ≒ λ/4のときに、インピーダンスのリアクタンス成分がゼロ交差する場所がある。そこで、Rの長さをゼロ交差する場所に設定する。

次に、インピーダンスの実部が、同軸ケーブルのインピーダンスになるように、m，t，wをあわせて調整するのである。

このようなφ₁モードの電磁場が生ずるのであるが、図１２は、φ₁モードの電磁場の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図上段と本図下段に示される長方形は、内部導体部６０２に相当するものである。また、外部導体部６０３は、点線で示される円形形状をしている。

本図上段は、信号伝達装置１０１内の磁場B_θのθ = 0，180°の方向についての分布の様子を示すものである。他の方向は、本図の分布をcosθ倍した形状になる。なお、中心近くでは、磁場には動経方向成分B_rも存在するが、本発明においては、大きな役割を果たすものではない。

信号伝達装置１０１内の第１導体部１１１を流れる電流の様子を示す。このように、電流を１方向に誘導するだけで電磁波が放出できるため、都合が良い。

すなわち、本実施形態のインターフェース装置６０１が生じさせる電磁場は、非対称なφ₁モードの電磁場との重なりが大きく、信号伝達装置１０１の近傍で一方向の磁場もしくは電流を誘導するだけで電磁波が放出される。このため、本実施形態のインターフェース装置６０１が生じさせる信号伝達装置１０１の電磁場と良く結合するのである。

以下では、他の形状のインターフェース装置について、さらに提案する。図１３および図１４は、円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

図１３上段は、インターフェース装置６０１の底面図であり、中段および下段は断面図である。図１４は、インターフェース装置６０１の斜視図である。

本図に示すように、円形のインターフェース装置６０１の外部導体部６０３は、円板に円柱状の側面をつけた形状をしており、円板の逆側には縁取がされている。内部導体部６０２は、その縁取に接続されている。

また、内部導体部６０２は、円形の中心を通過しており、円形の中心に相当する場所で、経路導体部６０４に接続されている。

経路導体部６０４は、外部導体部６０３の中心付近に設けられた開孔を貫通している。

そして、外部導体に覆われる領域は、誘電体が充填され、絶縁体部６０５をなしている。

この構造では、インターフェース装置６０１の中心軸について対称な定在波とも結合しやすく、φ₁モードと軸対称モード（インタフェース装置６０１から放射状に全方向等しいエネルギー密度で電磁波が進行するモード）の両方に結合できるため、インターフェース装置６０１がメッシュのどこに存在しても、場所依存性の少ない安定した結合が可能になると考えられる。

また、本実施形態では、内部導体部６０２を十文字状の形状とし、当該十文字の中心が経路導体部６０４に接続され、当該十文字の４つの端が外部導体部６０３に接続されるように構成しても良い。

図１５は、この他の実施形態を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示す例では、内部導体部６０２と経路導体部６０４とが一体化しており、一本のループ状の導線が円板状の外部導体部６０３の接続点６０６で接続されている。このようにシールドとして機能する外部導体部６０３に覆われる中に、ループして電流経路を確保することとしても良い。

このほか、内部導体部６０２が外部導体部６０３に接続されていない形態を考えることもできる。図１６は、このような場合のパラメータの関係と、電流や磁場の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

内部導体部６０２が外部導体部６０３に直接接続されていない形態では、本図上段に示すように、内部導体部６０２の長さRは、波長λの半分程度とすることが望ましい。内部導体部６０２の幅tや内部導体部６０２と外部導体部６０３の間の距離w、内部導体部６０２と経路導体部６０４の接点から内部導体部６０２の端点までの距離のうち小さい方の距離mを調整することでインピーダンス整合をとる。

本図下段の３つのグラフは、電流分布、磁場分布、電場分布を示すものである。図１１のグラフの形状をさらに延長したものが、本図のグラフの形状である。

本図に示す例の場合、内部導体部６０２の長さは、電磁波長λの半分に設定されている。本図に示すように、内部導体部６０２の右側先端からインターフェース装置６０１の中心寄りに向かって距離xにおけるインピーダンスZを見ると、x = 0では、回路が開放されているためZ = ∞であるが、x = λ/4でZ = 0となる。

したがって、x = λ/4の地点で、内部導体部６０２と外部導体部６０３をショートしたのと同じこととなる。すなわち、波長λにおいては、内部導体部６０２と外部導体部６０３が一種のコンデンサを形成することによって、ループ状の電流経路が形成されていると考えることができるのである。

図１７は、インピーダンス整合を行う他の手法を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、内部導体部６０２が途中で切断されており、容量結合的に結合されることとなっている。

このように、内部導体部６０２を途中で切断するのは、インターフェース装置６０１の入口で、内部導体部６０２に容量（典型的にはコンデンサである。）を直列接続するのと同じ効果をもたらす。

これらの場合、電流経路は分断されるが、分断地点の近傍はいわばコンデンサとして機能することとなり、通信に用いる周波数帯によっては良好な接続が可能であることが、実験により確認されている。すなわち、このような場合であっても、非直流成分については、電流ループが形成されていると考えることができる。

図１７に示す実施形態の場合、インターフェース装置６０１の外形が小さくとも、分断を行うことによってインピーダンス整合がとりやすくなる、という利点がある。

また、図１６や図１７に示す実施形態の場合、（分断を含む）ループ構造を流れる電流と経路長によって電磁波の放射や受入の強度が決定されるのであり、分断の位置と信号伝達装置１０１との相対的位置関係が、その強度を直接的に決定するわけではない。

このように、上記の実施形態では、電磁波を２次元的に封じ込めて通信を行うため、一定距離への情報伝達に必要なエネルギーが、いわゆる無線通信の場合よりも小さい。

また、エネルギーが拡散される範囲が狭いため、電力供給を行うことも可能である。

さらに、マルチパス問題が回避でき、無線に比べて高速化が可能であると考えられる。

そして、電気的な配線不要で、インターフェース装置６０１と信号伝達装置１０１との信号の授受ができる。

（実験結果）
インターフェース装置６０１の外部導体部６０３に覆われた領域には比誘電率１０の誘電体を充填し、周波数帯は２.４ＧＨｚであり、R = 10mmとし、w = 1.6mmとした。なお、経路導体部６０４の接続位置mは、m = 5mmの場合にも良好な結果を示したが、以下ではm = 0mmの場合の実験結果を示す。また、メッシュ周期d = 15mmである。

図１８は、信号伝達装置１０１とインターフェース装置６０１の実験パラメータを示す説明図である。

本図における諸元にて、２つのインターフェース装置６０１を中心間隔１０[ｃｍ]で配置し、振幅１[Ｖ]の２.４[ＧＨｚ]信号を一方から他方に送信する。他方のインターフェース装置６０１の高さ（z軸方向の位置。）を変化させたときの受信電圧（Ｓ１２）を観測した。また、両側のインターフェースには５０[Ω]のケーブルを接続して、ネットワークアナライザを用いて、受信電圧（Ｓ１２）を計測するのである。

なお、本図における諸元においては、「線幅１ｍｍ、メッシュの開口部辺１４ｍｍ」となっているが、これらは、メッシュの繰り返し単位dが１５ｍｍである場合に相当する。

図１９は、その結果を示すグラフである。０.５ｍｍ程度離れるまでに、受信強度は急速に減衰した。

次の実験は、２つのインターフェース装置６０１同士の間隔を６[ｃｍ]とし、受信側のインターフェース装置６０１のメッシュに対する向きを三通り考えた。１ＧＨｚから５ＧＨｚの間で、各周波数ごとに１Ｖ振幅の信号を入力したときの受信電圧Ｓ１２をグラフにしてある。２つのインターフェースに５０Ωのケーブルを接続して、ネットワークアナライザを用いて受信電圧（Ｓ１２）を計測するのである。

図２０は、その結果を示すグラフである。グラフ横軸の左端が１ＧＨｚ、右端が５ＧＨｚに相当する。本図に示す通り、広い帯域で信号が観測され、本発明の有効性が確認された。なお、それぞれのインピーダンスを本図最下段に示してある。インターフェース装置６０１と信号伝達装置１０１との間の結合が強いため、設置の向きによって２.４ＧＨｚ帯におけるインピーダンスが変化していることがわかる。

図２１は、上記の場合で、一方のインターフェース装置６０１の位置を移動させた場合のグラフである。本図に示す通り、いずれの場所においても、十分な強度の信号が観測された。

以下では、上記の実施形態の種々の変形例について説明する。

図２２は、インターフェース装置の他の実施形態の断面を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図下段に記載のインターフェース装置６０１は、図２に記載の通信装置２０１とループ型アンテナ２０２の組合せを外側導体部６０３で覆ったものに相当する形態である。ループ型アンテナ２０２の開放側が、内側導体部６０２に相当し、ループ型アンテナ２０２の外側導体部６０３側が、経路導体部６０４に相当する、と考えることができる。

本図中段に記載のインターフェース装置６０１は、経路導体部６０４にかえて、通信装置２０１を採用するとともに、当該通信装置２０１で外側導体部６０３と内側導体部６０２を直結するものである。

本図上段に記載のインターフェース装置６０１は、内部導体部６０２と外部導体部６０３とが接続される点が、開孔の近傍である形態であり、図１５に示す実施形態に類似するものである。

本発明のインターフェース装置６０１は、内部導体部６０２がループの一部をなし、当該ループは、インターフェース装置６０１が信号伝達装置１０１に接すると信号伝達装置１０１の表面に対して垂直になることによって、電磁場の密な結合をなすものである。このとき、電磁場の漏れを防止するために、これらを覆う外部導体部６０３を用意するのである。

図２３は、インターフェース装置と、これが接続可能な他の形態の信号伝達装置のとの関係を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。

本図上段に記載のインターフェース装置６０１は、対向して配置される２つの導体板（シート状の導体でも良い。以下同様。）９０１のうち、開孔を持つ導体板９０１の開孔付近に配置されている。上記実施形態同様、２つの導体板９０１の間に電磁波が封じ込められるので、信号伝達が可能であると同時に、開孔から染み出す電磁場を介して、インターフェース装置６０１が通信を行うのである。

本図下段に記載のインターフェース装置６０１も上記と同様であるが、本実施形態では、下方の導体板９０１と、これより幅の狭い情報の導体９０１と、が配置されており、２つの導体板９０１は、いずれも、本図に直交する方向に延伸していて、全体としては帯状の形状をしている。そして、２つの導体板９０１に挟まれる領域に電磁波を封じ込めるのであるが、幅が異なるため、本図に示すように、下方の導体板９０１が露出しているところでは電磁場が染み出す。そこで、これを用いて、インターフェース装置６０１が通信を行う。

図２４は、信号伝達装置に有線接続を行う場合の説明図である。以下、本図を参照して説明する。

本図に示すように、信号伝達装置１０１のメッシュ状の第１導体部１１１が同軸ケーブル９０２の芯線に接続される接合部９０３の直前で、インピーダンスを整合するように電線の幅を調整する。また、同軸ケーブル９０２の外側導体は、第２導体部１２１に接続される。

また、本図に示す例では、第１導体部１１１の縁には、帯状の導体部９０４が配置されており、帯状の導体部９０４と第２導体部１２１との間には、集合抵抗などの電磁波吸収体を配置して、電磁波の漏れを防止している。

図２５は、信号伝達装置の第１導体部をメッシュ状ではなく、ストライプ状にした実施形態を示す説明図である。

本図に示すように、信号伝達装置１０１の第１導体部１１１が、第２導体部１２１の本図手前側に配置され、第１導体部１１１は、メッシュ状ではなく根本で集中したストライプ状の形状となっている。このストライプの間隔をdとすると、上記実施形態と同様、電磁波の染み出しの程度はd程度となるので、上記実施形態と同様の浸出領域を形成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置を提供することができる。

Claims

電磁場の変化により信号を伝達する信号伝達装置（１０１）であって、
当該電磁場の周波数帯において導電体であるメッシュ状の形状の第１導体部（１１１）、
前記第１導体部（１１１）と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯において導電体である外形が平板状の形状の第２導体部（１２１）、
を備え、
前記第１導体部（１１１）の外形と前記第２導体部（１２１）の外形とに挟まれる狭間領域（１３１）と、前記第１導体部（１１１）の外形を当該狭間領域（１３１）と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域（１４１）と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達し、
当該浸出領域（１４１）における電磁場の強度のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、当該第１導体部（１１１）の外形からの距離によって指数的に減衰する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該メッシュ状の形状の繰り返しの単位長さはdであり、
当該浸出領域（１４１）の厚さは、大きくともdである
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該メッシュ状の形状における網目の大きさの平均幅はdであり、
当該浸出領域（１４１）の厚さは、大きくともdである
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該メッシュ状の形状は、同じ形状の多角形が繰り返す網目状であり、その繰り返しの単位長さはdであり、
当該浸出領域（１４１）における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、前記第１導体部（１１１）の外形から当該浸出領域（１４１）への距離zに対して、e^-2πz/d以下の係数により減衰する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該メッシュ状の形状は、平板に円孔を複数設けた網目状であり、当該円孔同士の中心距離はdであり、
当該浸出領域（１４１）における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、前記第１導体部（１１１）の外形から当該浸出領域（１４１）への距離zに対して、e^-2πz/d以下の係数により減衰する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該浸出領域（１４１）に配置されたアンテナへ当該狭間領域（１３１）および当該浸出領域（１４１）から電磁場の変化を伝達し、もしくは、当該アンテナから当該狭間領域（１３１）および当該浸出領域（１４１）へ電磁場の変化を伝達して、当該アンテナに接続された外部機器と通信する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項６に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該第１導体部（１１１）および当該第２導体部（１２１）に有線接続される通信機器へ、当該狭間領域（１３１）および当該浸出領域（１４１）における電磁場とともに変化する当該第１導体部（１１１）と当該第２導体部（１２１）との間の電圧を伝達し、もしくは、当該第１導体部（１１１）と当該第２導体部（１２１）との間の電圧を変化させて当該狭間領域（１３１）および当該浸出領域（１４１）における電磁場を変化させて、
当該通信機器と、当該外部機器と、の間で信号を伝達する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該第２導体部（１２１）は、メッシュ状の形状であり、
前記第２導体部（１２１）の外形を当該狭間領域（１３１）と挟んで反対側に位置する平板状の形状の対向領域（１５１）において、さらに、当該周波数帯で当該電磁場を伝達する
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。
請求項１に記載の信号伝達装置（１０１）であって、
当該第１導体部（１１１）をメッシュ状の形状とするのにかえて、ストライプ状の形状とする
ことを特徴とする信号伝達装置（１０１）。