JPWO2007066406A1 - 通信装置 - Google Patents

Abstract

電磁波を利用して２次元的な通信を実現する技術を提供する。本発明の通信装置１０は、第１導電層２０および第２導電層３０と、第１導電層２０と第２導電部の間に挟まれた誘電層４０を備える。第１電極１１２および第２電極１１４は、第１導電層２０および第２導電層３０のそれぞれと誘電体を介して近接電磁結合される。誘電層４０の間隔は、発生する電磁波の波長の半分よりも小さい間隔に設定される。第１電極１１２および第２電極１１４の間に印可する電圧を変化させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を誘電領域に発生させる。第１電極１１２および第２電極１１４と、それぞれ近接電磁結合する導電層との間のインピーダンスを低減するように、第１電極１１２および第２電極１１４の形状が定められる。

Description

本発明は通信技術に関し、特に送信信号を電磁波により伝搬する通信技術に関する。

ＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）などの通信ネットワークでは、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどで接続されている。これらの通信端末は、ネットワーク中のアドレスを指定することにより、所望の通信端末に信号を伝達する。従来のネットワークは、通信端末同士を有線にて接続することが一般であり、近年では、これを無線で接続するシステムも提案されている。例えば、移動デバイスであるノードの全てが所定の伝送半径をもち、ノード間で無線通信を行うアドホックネットワークが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１とは全く異なるアプローチとして、個別の配線を形成することなく、複数の通信素子が信号を中継して信号を伝達する通信装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに特許文献２では、電磁波を利用して信号を送受信する技術についても提案されている。
特開２００１−２６８１２７号公報 特開２００３−１８８８８２号公報

従来の通信ネットワークや実装基板においては端末や素子などを１本の個別配線により一対一の関係で物理的に接続するのが一般的である。そのため、仮に１本しかない配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。また、個々の物理的配線をひくことが面倒であったり、スペースの関係で困難を極める場合もある。特許文献２は、そのような事態を解消する通信装置につき提案しており、優れた効果的な技術であるといえる。特許文献２では、電磁波を利用して２次元的な通信を実現する技術についても開示しているが、効率的な通信を実現するためには、まだ改善の余地がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信信号を電磁波により２次元的に伝達する新規な通信装置に関する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の通信装置は、第１導電部および第２導電部と、誘電体を介して第１導電部に近接して設けられる第１電極と、誘電体を介して第１導電部または第２導電部のいずれか一方に近接して設けられる第２電極とを備え、第１電極および第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、第１導電部と第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、第１電極および第２電極の少なくとも一方は、当該電極と当該電極が近接する導電部との間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成される。

第１電極または第２電極の少なくとも一方は、帯状導体であって、長さ方向の長さを電磁波の波長の略１／４としてもよい。第１電極または第２電極の少なくとも一方は、巻いた形状の導体であって、巻き方向における長さを電磁波の波長の略１／４としてもよい。巻いた形状は、螺旋状であってもよい。第１電極または第２電極の少なくとも一方は、長さ方向において幅が不連続に変化する形状の導体であって、長さ方向の長さが電磁波の波長の１／４よりも小さいことがこのましい。第１電極または第２電極の少なくとも一方は、巻いた形状をもち、さらに巻き方向において幅が不連続に変化する形状の導体であって、巻き方向の長さが電磁波の波長の１／４よりも小さいことがこのましい。

本発明の別の態様もまた、通信装置である。この装置は、第１導電部および第２導電部と、誘電体を介して第１導電部に近接して設けられる第１電極と、第１導電部または第２導電部のいずれか一方に電気接続して設けられる第２電極とを備え、第１電極および第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、第１導電部と第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、第１電極は、当該第１電極と第１導電部の間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成される。

本発明のさらに別の態様もまた、通信装置である。この装置は、第１導電部および第２導電部と、第１導電部に電気接続して設けられる第１電極と、第１導電部または第２導電部のいずれか一方に電気接続して設けられる第２電極とを備え、第１電極および第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、第１導電部と第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、第１電極および第２電極の少なくとも一方は、当該電極と当該電極が電気接続する導電部との間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成される。

本発明によると、効率よい通信を実現する通信装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る通信装置の外観構成を示す図である。 通信装置の断面構造を示す図である。 通信素子の処理部の構成を示す図である。 処理部の送信回路の構成を示す図である。 処理部の受信回路の構成を示す図である。 Φ０モードのＴＥＭ波を発生する通信部の別の構成を示す図である。 Φ０モードのＴＥＭ波を発生する通信部のさらに別の構成を示す図である。 通信装置の断面構造の変形例を示す図である。 Φ１モードのＴＥＭ波を発生する通信部の別の構成を示す図である。 電極を正方形平板で構成したときの等価回路である。 （ａ）は、第１電極の斜視図であり、（ｂ）は、第１導電層と第１電極との関係を示す図である。 第１電極の構造の変形例を示す図である。 長さ方向において幅が不連続に変化する形状の第１電極の上面図である。 給電点および対応点の間のインピーダンスの等価回路を示す図である。 通信素子の構造の一例を示す図である。

符号の説明

１０・・・通信装置、２０・・・第１導電層、３０・・・第２導電層、４０・・・誘電層、５０・・・通信層、１００・・・通信素子、１１０・・・通信部、１１２・・・第１電極、１１４・・・第２電極、１１６・・・第１接続端子、１１８・・・第２接続端子、１２０・・・処理部。

（通信装置の構造）
図１は、本発明の実施例に係る通信装置の外観構成を示す。通信装置１０は、シート状の導体部として機能する第１導電層２０および第２導電層３０と、第１導電層２０と第２導電層３０の間に挟まれる誘電層４０を備える。誘電層４０は誘電体により構成され、第１導電層２０と第２導電層３０を絶縁する。この誘電層４０は固体材料で形成されているが、液体、空気、真空などで誘電領域（誘電層）が構成されてもよい。実施例の通信装置１０では、誘電層４０に複数の通信素子（図示せず）が設けられる。通信素子は、電磁波で信号を送受信する機能を有して構成され、通信素子同士の間で信号を伝達してもよく、また一つのステーション（中継局）との間で信号を伝達してもよい。通信素子間の通信形態は、１対１、１対Ｎ、Ｎ対Ｎのいずれを可能としてもよい。なお、通信素子はチップとして構成されるものに限定されない。通信素子は、電磁波で信号を送受信する機能を備えたものであればよく、その形態および形状は問わない。また通信素子は、ＩＤタグ、センサ等の機能をもつものであってもよい。

実施例において、第１導電層２０および第２導電層３０はシート状に形成されているが、例えば細長い帯状に形成されていてもよく、メッシュ状に形成されていてもよい。第１導電層２０および第２導電層３０は、可撓性をもつ導電性ゴムなどで形成されてもよく、また紙状、布状のものであってもよい。第１導電層２０および第２導電層３０には、部分的に開口が設けられていてもよい。また、ここでいう導電性は、電磁波の信号周波数において導電性を有すればよく、直流的には絶縁性であっても構わない。いずれの導電性材料で形成される場合であっても、第１導電層２０および第２導電層３０は、実質的に平行に配置される。通信装置１０では、誘電層４０内に電磁波を発生させて信号伝達を行うため、第１導電層２０および第２導電層３０を平行に配置することで、各通信素子が安定して電磁波を発生することができる。

図２は、通信装置１０の断面構造を示す。この断面構造では、第１導電層２０と第２導電層３０の間に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層４０において、信号を伝搬する電磁波を送受信する機能をもつ通信素子１００が設けられる。誘電層４０内に通信素子１００を設けることで、通信装置１０の外側からの外乱に対する耐性を高めることができる。また素子全体を小型化して実装することができるほか、通信素子１００が外部に露出しないため、通信装置１０全体の厚みを薄くでき、デザインや機械強度の面でもメリットがある。図２では、１つの通信素子１００のみが示されているが、通信装置１０には複数の通信素子１００が存在してよい。通信素子１００は、通信部１１０および処理部１２０を備える。

通信部１１０は、通信素子１００において、他の通信素子または中継局との間で信号を送受信するアンテナとしての機能をもつ。通信部１１０は、誘電体を介して第１導電層２０に近接して設けられる第１電極１１２と、誘電体を介して第２導電層３０に近接して設けられる第２電極１１４とを有する。なお、第１導電層２０と第１電極１１２、および第２導電層３０と第２電極１１４は互いに平行に配置され、第１導電層２０と第１電極１１２との距離、および第２導電層３０と第２電極１１４との間の距離は、実質的に等しいことが好ましい。

電極を導電層に近接させた状態で、電極表面に電荷が生じると、導電層には逆符号の電荷が誘導される。これを「容量結合している状態」とよぶ。また電極表面に電流が生じると、これによって発生する磁場を導電層の内部から排斥するように導電層の表面に電流が流れる。これを「誘導結合している状態」とよぶ。一つの電極上に電荷分布、電流分布が同時に生じる結果、それらが同時に生じることもある。本実施例において、このように相互作用している状態を「近接電磁結合」ないしは単に「電磁結合」とよぶ。

本実施例において、第１電極１１２と第１導電層２０、および第２電極１１４と第２導電層３０は、それぞれ近接電磁結合することになる。第１電極１１２および第２電極１１４には、処理部１２０から信号発信用の電流供給を受けるために第１接続端子１１６および第２接続端子１１８がそれぞれ形成される。これらの第１電極１１２および第２電極１１４は、第１導電層２０および第２導電層３０の間の誘電層４０内に設けられる。なお、図２に示す通信部１１０では、第２電極１１４が第２導電層３０に近接して配置されるが、第１導電層２０に近接して配置されてもよい。

通信部１１０が、第１導電層２０と第２導電層３０の間で円柱対称な電流を供給すると、両者の間に電磁波が伝搬されることになる。電磁波が伝搬されると、受信機能をもつ他の通信素子１００または中継局は、伝搬される電磁波を受信して、信号を検知することができる。このように、第１導電層２０、誘電層４０および第２導電層３０からなる積層構造は、電磁波による通信に寄与するため、便宜上、「通信層」と呼ぶことにする。

処理部１２０は、通信部１１０にて受信した信号を解析し、また生成した信号を通信部１１０から送信させる機能をもつ。処理部１２０は、通信部１１０の第１接続端子１１６および第２接続端子１１８のそれぞれと電気的に接続する。実施例の通信素子１００において、通信部１１０は、誘電層４０に設けられる必要があるが、処理部１２０は、必ずしも誘電層４０に設けられる必要はない。例えば、処理部１２０を第１導電層２０または第２導電層３０の外側に設けてもよく、その場合には第１接続端子１１６および第２接続端子１１８にケーブルを接続して、通信層５０の外側に配置された処理部１２０までケーブルを引き出して接続すればよい。

図３は、通信素子の処理部の構成を示す。処理部１２０は、正端子２０１、負端子２０２、コンデンサ２０４、ダイオード２０５、送信回路２０６、受信回路２０７および制御回路２０８を有する。ダイオード２０５は、処理部１２０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、コンデンサ２０４への充電が速やかに行われる。ＯＵＴ＜ＶＤＤである限り、ダイオード２０５は高インピーダンス状態となるので、送信回路２０６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２０４から、送信回路２０６、受信回路２０７、制御回路２０８に動作電力が供給される。なお、各通信素子１００は信号用の電磁波によって電力供給するだけではなく、別途電力供給用の周波数を設定し、信号周波数とは独立な電磁波で電力供給してもよい。

正端子２０１および負端子２０２は、第１電極１１２および第２電極１１４のいずれかに接続される。制御回路２０８には、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できる。制御回路２０８は、受信回路２０７および送信回路２０６を制御して、受信機能をもつ他の通信素子１００と通信を行い、ネットワークを形成する。通信先は、図３に示す処理部１２０と同様の信号送受信機能をもつ他の通信素子であってもよく、また通信装置１０内に設けられた中継局（アクセスポイント）として機能する通信素子であってもよい。

図４は、処理部の送信回路の構成を示す。送信回路２０６は、ｐＭＯＳトランジスタ２１０、ダイオード２１１およびｎＭＯＳトランジスタ２１２を備える。制御回路２０８による送信制御は、ｐＭＯＳトランジスタ２１０およびｎＭＯＳトランジスタ２１２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２０８は、信号を発信しない状態の場合、ｎＭＯＳトランジスタ２１２のゲートをチップ内でのグランド（ＶＳＳ）電位、ｐＭＯＳトランジスタ２１０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が十分高い値になっており、出力ＯＵＴはＶＤＤ電位にほぼ等しくなる。
（２）制御回路２０８によって、ｎＭＯＳトランジスタ２１２およびｐＭＯＳトランジスタ２１０の両方のゲートにＨ（ハイ）電位が印加されると、ＯＵＴはＬ（ロー）電位となる。
（３）制御回路２０８によって、ｎＭＯＳトランジスタ２１２およびｐＭＯＳトランジスタ２１０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、通信層５０の厚み方向（垂直方向）に電荷を上下に移動させ、第１導電層２０と第２導電層３０の間の誘電層４０に電磁波を発生させる。なお、ｐＭＯＳトランジスタ２１０およびｎＭＯＳトランジスタ２１２に挟まれたダイオード２１１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２１１を設けない場合、ＯＵＴのＨレベルが電源電位、Ｌレベルはチップ内の接地電位となるが、ダイオード２１１を挿入することで、その順方向電圧降下分だけＬレベルの電位が高くなり、消費電力を節約できる。

図５は、処理部の受信回路の構成を示す。受信回路２０７は、抵抗（ｒ１）２２０、抵抗（ｒ２）２２１、コンパレータ２２２を備える。受信回路２０７では、抵抗２２０と抵抗２２１の分圧比によって、受信した電位がＨかＬであるかを判定するための閾値を設定する。

以上、図４および図５を参照して、送信回路２０６および受信回路２０７の構成例を説明したが、これらはあくまでも送信原理および受信原理を説明するための構成にすぎず、通信装置１０の送受信機能が、これらに制限されるものではない。例えば、送受信動作を安定させるために、信号の変調方法として、一定時間連続するバーストを発生し、その信号の強度や位相で情報を伝達する方法を採用してもよい。その場合には、信号の送受信回路のフロントエンドとして、さらにフィルタ回路、検波回路等が付加されることとなるが、これらの送受信技術はすでに確立されているものであるため、詳細については省略する。

図２に戻って、実施例の通信装置１０において、略平行に配置される第１導電層２０および第２導電層３０の間隔は、電磁波長よりも小さいことが好ましい。第１導電層２０および第２導電層３０の間隔を大きくすると、発生する電磁波のモード数が多くなる。そのことで必ずしも信号受信ができなくなる訳ではないが、モード数が少なくない方が、信号受信には有利となる。そのため、第１導電層２０および第２導電層３０の間隔を電磁波長よりも小さくし、特に電界がシートに対して垂直なモードに限定するために、電磁波長の半分よりも小さな間隔にすることが好ましい。

この場合、誘電層４０には、通信層５０に対して電界が垂直で、また遠方においては磁界が電界および進行方向の両方に垂直なＴＥＭ波が発生する。このときのＴＥＭ波のモードを「Φ_０モード」と呼び、このΦ_０モードでは、放射源から点対称（等方的）に電磁波が放射される。

図６は、Φ_０モードのＴＥＭ波を発生する通信部の別の構成を示す。図２においては、第１電極１１２および第２電極１１４が、通信層５０の垂直方向において重なって設けられていたが、図６に示すように、これらは重なり合っていなくてもよい。これにより、例えば第１接続端子１１６、第２接続端子１１８の位置を比較的自由に定めることが可能となる。通信部１１０は、第１導電層２０および第２導電層３０の間の誘電領域、すなわち誘電層４０に設けられ、第１導電層２０および第２導電層３０の間隔は、電磁波長の半分よりも小さな間隔にされる。

図７は、Φ_０モードのＴＥＭ波を発生する通信部のさらに別の構成を示す。この例では、第１電極１１２および第２電極１１４が一体の導電体ループとして形成されている。なお、この場合であっても、通信部１１０が、第１導電層２０および第２導電層３０の間の誘電層４０に設けられ、第１導電層２０および第２導電層３０の間隔は、電磁波長の半分よりも小さな間隔にされる。

図８は、通信装置１０の断面構造の変形例を示す。この通信装置１０においても、第１導電層２０と第２導電層３０の間に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層４０において、信号を伝搬する電磁波を送受信する機能をもつ通信素子１００が設けられる。図８では、１つの通信素子１００のみが示されているが、通信装置１０には複数の通信素子１００が存在する。通信素子１００は、通信部１１０および処理部１２０を備える。

図２に示す通信装置１０との相違点として、通信部１１０における第１電極１１２および第２電極１１４とが、双方とも誘電体を介して第１導電層２０に近接して設けられている。なお、近接する対象は第２導電層３０であってもよく、いずれにしても、両者が共通の導電層に近接して、近接電磁結合することになる。第１電極１１２および第２電極１１４と第１導電層２０との間の距離は、実質的に等しいことが好ましい。この場合、同一面上に第１電極１１２および第２電極１１４を配置できるため、製造プロセスが容易になるという利点がある。通信部１１０は、第１電極１１２および第２電極１１４に対して互いに反転する電位変化を印加する。これにより、通信層５０における第１導電層２０および第２導電層３０において電荷を水平方向に交互に移動させることができ、第１導電層２０および第２導電層３０に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層４０において、送信信号を伝搬する電磁波を発生させることができる。

このとき、誘電層４０には、通信層５０に対してＴＥＭ波が発生するが、図２の通信装置１０に関して説明した「Φ_０モード」とは異なり、角度依存性をもつ「Φ_１モード」のＴＥＭ波となる。このΦ_１モードでは、放射源からの放射が行われるが、第１電極１１２および第２電極１１４を、θ＝０方向に沿って配列した場合、遠方においては、
Ｅ_ｚ＝ｅ（ｒ，ｚ）ｃｏｓθ
Ｂ_θ＝ｂ（ｒ，ｚ）ｃｏｓθ
の角度依存性をもつ電磁場が発生する。なお、Ｅ_ｚは、ｚ方向すなわち通信層５０に垂直な方向の電界であり、Ｂ_θは、同心円に沿った左回りの磁場成分である。ちなみに、放射点付近では他の電磁場成分も存在している。

図９は、Φ_１モードのＴＥＭ波を発生する通信部の別の構成を示す。この例では、第１電極１１２および第２電極１１４が一体の導電体ループとして形成されている。なお、この場合であっても、通信部１１０は、第１導電層２０および第２導電層３０の間の誘電領域、すなわち誘電層４０に設けられる。

以上、本実施例の通信装置１０の構造について説明した。
通信部１１０の電極を通信層５０の導電層に電気接続できれば導電層に容易に電流を送り込むことができるが、通信部１１０の電極を通信層５０の導電層に電気接続することは、実装上手間のかかることが多い。特に第１導電層２０および第２導電層３０を可撓性導体材料で形成する場合には、電気接続を安定して長期間維持することは容易でない。そこで、実施例の通信装置１０では、発想を逆転させて、電極と導電層の不安定な電気接続に頼るのではなく、電極と導電層とを誘電体を介して近接電磁結合させ、むしろ通信を安定化させることを意図している。具体的には、誘電層４０の厚みを、発生させる電磁波の波長の半分より小さくすることで、効率的に電磁波を発生することが可能となっている。

（電極の形状）
以下では、さらに効率的に電磁波を発生させるべく、通信部１１０の電極の形状について考察する。まず、第１電極１１２および第２電極１１４が正方形平板であり、各電極の長さＬが電磁波長より十分小さい場合の等価回路を検討する。ここでは、図２に示すように、第１電極１１２が第１導電層２０に近接して配置され、第２電極１１４が第２導電層３０に近接して配置される構造を例にとる。ここで、第１電極１１２と第１導電層２０の間の距離、および第２電極１１４と第２導電層３０の間の距離は、それぞれ等しくｄとする。

図１０は、電極を正方形平板で構成したときの等価回路である。容量Ｃ_１３０１は、第１電極１１２と第１導電層２０の間の静電容量であり、容量Ｃ_２３０２は、第２電極１１４と第２導電層３０の間の静電容量である。Ｚ_Ｃは、通信層５０のインピーダンスを表現しており、容量３０１および容量３０２が、駆動するインピーダンスＺ_Ｃに直列接続されることになる。そのため、容量のリアクタンスが｜Ｚ_Ｃ｜より大きい場合には、信号を発生するため、すなわち通信層５０のインピーダンスＺ_Ｃを駆動するために、より大きな電圧が必要となる。

容量リアクタンスを打ち消すためには、整合用のインダクタンスを接続することも可能であるが、容量３０１および容量３０２の大きさは、電極と導電層との間隔ｄに依存している。電極の全面にわたり間隔ｄを維持するように電極および導電層を正確に平行に配置することは実装上困難である。そのため、整合用インダクタンスを接続しても、電極−導電層間のインピーダンスを大幅に低減することは必ずしも容易でない。本発明者は、試行錯誤の結果、共振現象に注目し、電極の形状を調整することで電極−導電層間のインピーダンスを低減する解決策を想到するに至った。すなわち、電極の形状を、発生する電磁波の周波数で共振する形状とすることで、電極への小さな印加電圧で、大きな電流を発生させることが可能となる。

具体的な形状について検討する。
（帯状の形状）
以下、電極を代表して、第１電極１１２を例にとるが、第２電極１１４についても同様である。
第１電極１１２を帯状の形状で形成する場合、共振を生じさせるためには、第１電極１１２の長さＬを、λ／４＋ｎ×λ／２（λは電磁波長、ｎは整数）とすることが知られている。

図１１（ａ）は、第１電極の斜視図である。第１電極１１２は帯状の形状に構成され、その長さＬは、略λ／４とする。なお、共振を発生させるＬは、λ／４だけでなく、λ／４にλ／２の整数倍を加えた長さをとることができるが、通信装置１０の小型化の要請からも、Ｌの長さは短い方が好ましく、そこで、長さＬを略λ／４としている。

図１１（ｂ）は、第１導電層と第１電極との関係を示す。第１電極１１２は、誘電層４０内において第１導電層２０に平行に配置されている。この構造において、第１接続端子１１６からの電流を供給するための給電点３１０を第１電極１１２の端部に設定する。図１１（ｂ）に示すように、給電点３１０を左端に設定した場合、右端を電流の節、左端を電流の腹とする共振モードが発生する。電界は導電層にほぼ垂直であり、電界については右端が腹、左端が節になっている。このとき、給電点３１０と、給電点３１０の直上にある第１導電層２０上の対応点３１２との間のインピーダンスは小さな値となっており、対応点３１２を通して第１導電層２０に電流を供給できる。また、この共振条件はＬによってきまり、第１導電層２０と第１電極１１２の間隔ｄには強く依存しないことが重要である。この性質によって、間隔ｄの変化によらず安定して結合ができることになる。理論上、共振モードの発生は、第１電極１１２の長さＬによるのであって、給電点３１０の位置はインピーダンスに影響を与えることはない。しかしながら、実際には第１電極１１２の抵抗成分などによりインピーダンスがゼロにはならないため、給電点３１０を第１電極１１２の端部に設けることで、現実のインピーダンスをゼロに近づけることができる。

共振が生じているときの給電点３１０および対応点３１２の間のインピーダンスをＺｒと表現する。Ｚｒは厳密にゼロになることはなく、また第１導電層２０と第１電極１１２の間隔ｄによっていくらか変化することがあったとしても、駆動したい導電層のインピーダンス｜Ｚ_Ｃ｜よりも|Ｚｒ|が小さいか、同程度であれば、通信素子１００からみた第１接続端子１１６および第２接続端子１１８の間のインピーダンスは、ｄに対し著しく変化することはない。そのため、一定の駆動インピーダンスの駆動回路を用いたとしても、ｄに強く依存することなく安定して通信層５０に電磁波を送出することができるし、逆に通信層５０からの電磁波を通信素子１００の回路が吸収することもできる。

例えば、Ｌ＝λ／２として、給電点３１０をその中央に設定してもよい。この場合は、Ｌ＝λ／２の電極を同一平面上に二つ並べて、給電点３１０を共通にした構造と等価なものとして扱うことができる。

図１２は、第１電極の構造の変形例を示す。上記したように、第１電極１１２を共振させて、第１電極１１２と第１導電層２０の間のインピーダンスを低減させるためには、第１電極１１２の長さＬを、略λ／４（λは誘電領域における電磁波長）に設定すればよい。この知見を利用して、図１２に示す第１電極１１２は、巻いた形状の導体として構成される。

図１２（ａ）は、リング状に形成された第１電極の上面図である。この例では、第１電極１１２は、一重に巻かれた構成を有する。巻き方向における長さは、電磁波の波長の略１／４とされる。これにより、共振条件を満足することができ、第１電極１１２と第１導電層２０との間のインピーダンスを低減することが可能となる。直線の帯状の構造と比較して、第１電極１１２の実装領域を小さくすることができ、小型化に寄与することが可能となる。

図１２（ｂ）は、螺旋状に形成された第１電極の上面図である。この例では、第１電極１１２は、渦巻状に巻かれた構成を有する。巻き方向における長さは、電磁波の波長の略１／４とされる。これにより、共振条件を満足することができ、第１電極１１２と第１導電層２０との間のインピーダンスを低減することが可能となる。図１２（ａ）に示したリング状の構造と比較して、外側のリングの内部にまで電極を延ばすために、リングの径を小さくして、第１電極１１２の実装領域をさらに小さくすることができ、さらなる小型化に寄与することが可能となる。なお、給電点３１０を外側の端部に設定しているが、別の例では給電点３１０を内側の端部に設定してもよい。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す第１電極１１２も、誘電層４０において第１導電層２０に実質的に平行に配置されることが好ましい。これにより、第１電極１１２と第１導電層２０の間隔ｄに大きく依存することなく、第１電極１１２および第１導電層２０の間のインピーダンスを低減することができる。

図１３（ａ）は、長さ方向において幅が不連続に変化する形状の第１電極の上面図である。この例では、第１電極１１２が、長さ方向に、幅ｗとなる幅狭領域３２０と、幅ｙとなる幅広領域３２２（ｗ＜ｙ）とを有して構成される。給電点３１０は、幅狭領域３２０側の端部に設けられる。この第１電極１１２の特徴は、長さ（ｘ_１＋ｘ_２）がλ／４よりも小さい点にある。これは、音響におけるヘルツホルム共鳴と同様な原理から導出される。これにより、共振条件を満足する第１電極１１２の長さを短くでき、小型化に寄与することが可能となる。

図１３（ｂ）は、第１電極の変形例を示す。この変形例では、第１電極１１２が、幅狭領域３２０と、幅広領域３２４と有して構成される。幅広領域３２４は、例えば円形に形成されてもよい。給電点３１０は、幅狭領域３２０側の端部に設けられる。この第１電極１１２の特徴は、長さ（ｘ_１＋ｘ_３）がλ／４よりも小さい点にある。これにより、共振条件を満足する第１電極１１２の長さを短くでき、小型化に寄与することが可能となる。

図１４は、給電点３１０および対応点３１２の間のインピーダンスの等価回路を示す。以下、図１３（ａ）に示す第１電極１１２の構造について考察すると、幅狭領域３２０はインダクタンスＬ_Ｓ、幅広領域３２２は容量Ｃ_Ｓとみなすことができる。なお、より正確には通信層５０に放射される電力と、第１電極１１２の抵抗で消費される電力を表す等価抵抗が図１４の等価回路に直列に挿入されることになるが、ここでは省略している。

ここで、第１電極１１２は、角周波数ω＝１／√（Ｌ_Ｓ×Ｃ_Ｓ）で共振する。
ｘ_３、ｙが波長λより十分小さいとき、Ｃ_Ｓは、幅広領域３２２と第１電極１１２とで形成される平行平板コンデンサの容量で近似される。

ε：第１電極１１２と第１導電層２０の間の材料の誘電率
ｄ：第１電極１１２と第１導電層２０の間の距離
また、ｘ_１が波長より十分小さく、ｘ２，ｗ＞＞ｄのとき、Ｌ_Ｓは、以下のように近似される。

μ：第１電極１１２と第１導電層２０の間の材料の透磁率
このとき共振周波数ωは、

となる。
ｃ：光速
Ｓ：幅広領域３２２の面積
共振周波数ωは、ｄに依存しない。以上のように、第１電極１１２の長さをλ／４よりも短くした場合であっても、幅が不連続に変化する形状にすることで、第１電極１１２および第１導電層２０の間のインピーダンスを低減することができる。以上の共振周波数の導出式は、図１３（ｂ）に示す第１電極１１２にも適用される。

図１５は、通信素子１００の構造の一例を示す。通信素子１００は、リング状に形成された第１電極１１２と、リング状に形成され且つ一端を幅広領域として形成された第２電極１１４とを備える。すなわち、第２電極１１４は、巻いた形状をもち、さらに巻き方向において幅が不連続に変化する形状の導体として構成される。第２電極１１４に幅広領域を形成することで、巻き方向の長さをλ／４よりも短くすることができ、したがって巻き形状における直径を、第１電極１１２の巻き形状の直径よりも小さくできる。

図１５（ａ）は、巻いた形状をもつ第１電極および第２電極を備えた通信素子の下面図であり、図１５（ｂ）は、通信装置１０の断面図である。通信層５０には、第１導電層２０と誘電層４０とを貫通する開口部が形成され、その開口部に、通信素子１００が挿入されている。通信素子１００における第１電極１１２の給電点３１０ａ、第２電極１１４の給電点３１０ｂには、処理部１２０の駆動回路が接続される。これまでは、電極が誘電層４０内に設けられる構成を説明してきたが、共振条件を満足する電極形状は、誘電層４０内だけでなく、通信層５０の外部においても有用である。具体的には、図１５（ｂ）に示すように、共振条件を満たす第１電極１１２が、誘電層４０の内部ではなく、通信層５０の外部に配置され、第１電極１１２および第１導電層２０の間のインピーダンスを低減する。図１５に示す通信素子１００は、電極および導電層が、誘電体を介さずに電気接続しているが、その場合であっても、電極および導電層の間のインピーダンスを低減できることに変わりはなく、安定した通信を可能とする。また、電気接続させている場合に、仮にその電気接続が離れた場合であっても、共振により電極および導電層の間のインピーダンスを低減できるため、安定した通信を維持できる。

また、図１５に示す通信素子１００は、第１電極１１２を第１導電層２０に、また第２電極１１４を第２導電層３０に接続するために、第１電極１１２および第２電極１１４を段構造にて高さ方向に段階的に支持しているが、両方の電極を第１導電層２０に接続する場合には、段構造を有する必要はない。その場合、通信素子１００は、電極が第２導電層３０に近接するように配置される。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施例においては、第１電極１１２および第２電極１１４が、導電層に誘電体を介して近接電磁結合する構成をメインに説明したが、第１電極１１２を導電層に近接電磁結合させ、第２電極を導電層に電気接続させる構成をとってもよい。この場合、近接電磁結合する第１電極１１２については、第１導電層２０との間で共振する形状をとり、第１電極１１２と第１導電層２０の間のインピーダンスを低減させる。一方、第２電極１１４については、導電層と電気接続するため、必ずしも共振形状をとる必要はない。しかしながら、図１５に関して説明したように、導電層と電気接続する場合であっても、電極を共振形状に形成することは、インピーダンスを低減するため、通信効率を高めることができる。また、仮に電気接続が離れた場合であっても、電極を共振形状に形成しておくことで、電極と導電層の間のインピーダンスを低減することができる。

本発明によると、効率よい通信を実現する通信装置を提供することができる。

Claims (8)

1. 第１導電部および第２導電部と、誘電体を介して前記第１導電部に近接して設けられる第１電極と、誘電体を介して前記第１導電部または前記第２導電部のいずれか一方に近接して設けられる第２電極とを備え、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、前記第１導電部と前記第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、
   前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、当該電極と当該電極が近接する導電部との間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成されることを特徴とする通信装置。
2. 前記第１電極または前記第２電極の少なくとも一方は、帯状導体であって、長さ方向の長さを電磁波の波長の略１／４とすることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 前記第１電極または前記第２電極の少なくとも一方は、巻いた形状の導体であって、巻き方向における長さを電磁波の波長の略１／４とすることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
4. 巻いた形状は、螺旋状であることを特徴とする請求項３に記載の通信装置。
5. 前記第１電極または前記第２電極の少なくとも一方は、長さ方向において幅が不連続に変化する形状の導体であって、長さ方向の長さが電磁波の波長の１／４よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
6. 前記第１電極または前記第２電極の少なくとも一方は、巻いた形状をもち、さらに巻き方向において幅が不連続に変化する形状の導体であって、巻き方向の長さが電磁波の波長の１／４よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
7. 第１導電部および第２導電部と、誘電体を介して前記第１導電部に近接して設けられる第１電極と、前記第１導電部または前記第２導電部のいずれか一方に電気接続して設けられる第２電極とを備え、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、前記第１導電部と前記第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、
   前記第１電極は、当該第１電極と前記第１導電部の間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成されることを特徴とする通信装置。
8. 第１導電部および第２導電部と、前記第１導電部に電気接続して設けられる第１電極と、前記第１導電部または前記第２導電部のいずれか一方に電気接続して設けられる第２電極とを備え、前記第１電極および前記第２電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を、前記第１導電部と前記第２導電部とに挟まれた領域に発生させる通信装置であって、
   前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、当該電極と当該電極が電気接続する導電部との間のインピーダンスを低減させるように、発生する電磁波の周波数で共振する形状に構成されることを特徴とする通信装置。

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