JPWO2010131612A1 - サーフェイス通信装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電磁波を伝播させる伝播シート（３０１）と、伝播シート（３０１）の表面に配置され電磁波を伝播シート（３０１）に送る電磁波送信部と、伝播シート（３０１）の表面に配置され伝播シート（３０１）を伝播した電磁波を受ける電磁波受信部と、を備える。電磁波送信部は、電磁波発生部と、電磁波発生部で発生した電磁波を伝播シート（３０１）に結合する送信電磁波結合部と、を有する。電磁波受信部は、伝播シート（３０１）を伝播した電磁波を結合する受信電磁波結合部と、受信電磁波結合部で結合した電磁波を出力する電磁波出力部と、を有する。そして、伝播シート（３０１）は、伝播シート（３０１）を伝播する電磁波の波長を、伝播シート（３０１）の延在方向の長さよりも長くする周期構造を有している。

Description

本発明は、例えば電力を負荷に供給するための技術に関する。特に、本発明は、伝播シート上を伝播する電磁波から電力を得て負荷に供給するためのサーフェイス通信装置に関する。

電磁波を用いた通信方法としては、シート状媒体が通信媒体として用いられ、無線給電するための給電装置がシート状媒体に非導通の状態で配置されており、電磁波の受信部側も同様にシート状媒体に非導通の状態で配置された構造で無線受信する方法が提案されている。以下、この通信方法を、サーフェイス通信と呼ぶ。シート状媒体は、対向して配置された一対の導体で挟まれた峡間領域内を、電磁波が伝播するように構成されている（例えば特許文献１参照）。また、非特許文献１には、シート状媒体上における電力通信の原理が開示されている。

非特許文献１には、サーフェイス通信に関して、２次元シート上の任意の２点間で通信できる方法が提案されている。一般に、送電部と受信部との間の電力輸送効率、すなわち通信性能は、シート上における送電部または受信部の位置に依存しないことが望ましい。しかし、シートの端部が開放端になっている場合、シートの端部で電磁波が反射して定在波が生じてしまう。その結果、シートの寸法が電磁波の波長よりも大きい、または同程度の大きさである場合には、シート上に電磁界分布の強弱が生じてしまう。したがって、非特許文献２には、送電部または受信部と、通信シートとの電気的結合度が、シート上の位置に依存してしまうことが記載されている。

特に、シート上の定在波分布が電圧の節に相当する場合、通信性能が著しく低下することが懸念される。非特許文献２には、シートの端部に抵抗体を配置することによって定在波の発生を抑制する方法も開示されている。しかし、この方法の場合、抵抗体において電力が熱として消費されるので、結果として通信性能を低下させることを避けられない。

特開２００８−２９５１７６号公報

篠田裕之、「素材表面に形成する高速センサネットワーク」、計測と制御、２００７年２月号、第４６巻、第２号、ｐ．９８−１０３ 牧野泰才「二次元信号伝送技術に基づく柔軟体インターフェイスの研究」、２００６年度東京大学システム情報学専攻博士論文、ｐ．２８−２９

上述した、本発明に関連するサーフェイス通信では、送信部または受信部の電磁波伝播シートに対する位置関係によって、通信性能が変化してしまう。特に電磁波伝播シート上における電圧分布が定在波の節となる位置に、送信部及び受信部が配置された場合、通信性能が著しく低下することが懸念される。

本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決できるサーフェイス通信装置を提供することである。その目的の一例は、シート状の電磁波伝播部に対する電磁波送信部または電磁波受信部の位置関係にかかわらずに、電磁波送信部と電磁波受信部との間で電力を効率的に送受信するのを可能にすることである。

上述した目的を達成するために、本発明の一様態のサーフェイス通信装置は、電磁波を伝播させるシート状の電磁波伝播部と、電磁波伝播部の表面に配置され電磁波を電磁波伝播部に送る電磁波送信部と、電磁波伝播部の表面に配置され電磁波伝播部を伝播した電磁波を受ける電磁波受信部と、を備える。電磁波送信部は、電磁波発生部と、電磁波発生部で発生した電磁波を電磁波伝播部に結合する送信電磁波結合部と、を有する。電磁波受信部は、電磁波伝播部を伝播した電磁波を結合する受信電磁波結合部と、受信電磁波結合部で結合した電磁波を出力する電磁波出力部と、を有する。そして、電磁波伝播部は、電磁波伝播部を伝播する電磁波の波長を、電磁波伝播部のシート状の延在方向の長さよりも長くする周期構造を有している。

なお、本発明において延在方向とは、電磁波伝播部がシート状に延ばされた２次元方向を指している。言い換えれば、本発明は、電磁波伝播部の平面を構成する２軸方向のそれぞれの長さよりも、電磁波伝播部を伝播する電磁波の波長を長くする周期構造を有している。

本発明によれば、シート状の電磁波伝播部に、定在波の節が現れ難くなり、電磁波送信部から電磁波受信部への通信性能の距離依存性を緩和することができる。したがって、本発明は、シート状の電磁波伝播部に対する電磁波送信部または電磁波受信部の位置関係にかかわらずに、電磁波送信部と電磁波受信部との間で電力を効率的に送受信することができる。

第１の実施例のサーフェイス通信装置を模式的に示す側面図である。 第１の実施例のサーフェイス通信装置を模式的に示す平面図である。 第１の実施例における電磁波伝播部（伝播シート）を示す平面図である。 第１の実施例における伝播シートの単位構造を示す側面図である。 第１の実施例において、伝播シートの周期構造が網目状に構成された場合を示す平面図である。 第２の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第２の実施例における伝播シートの単位構造を示す側面図である。 第２の実施例において、伝播シートの周期構造が網目状に構成された場合を示す平面図である。 第３の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第３の実施形態における伝播シートの単位構造を示す側面図である。 第３の実施例における伝播シートの、更に具体的な単位構造を示す側面図である。 第４の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第４の実施形態における伝播シートの単位構造を示す側面図である。 第４の実施例における伝播シートの、更に具体的な単位構造を示す側面図である。 第５の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第５の実施例における伝播シートの単位構造を示す平面図である。 第５の実施例における伝播シートを示す側面図である。 第５の実施例において、伝播シートの単位構造の他の構成を示す平面図である。 第６の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第６の実施例における伝播シートの単位構造を示す模式図である。 第６の実施例において、伝播シートの周期構造が網目状に構成された場合を示す平面図である。 第７の実施例における伝播シートを示す平面図である。 第７の実施例において、伝播シートの単位構造が網目状に配置された構成を示す平面図である。 第１の実施例における単位構造に相当する等価回路を示す回路図である。 第２の実施例における単位構造、または第７の実施例における単位構造に相当する等価回路を示す回路図である。 第６の実施例における単位構造に相当する等価回路を示す回路図である。 等価回路に相当する単位構造が周期的に配列された場合のシート方向の電磁波の波長と周波数との関係を示す図である。 等価回路に相当する単位構造が周期的に配列された場合のシート方向の電磁波の波長と周波数の関係を示す図である。

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一例であって、本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また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発明の範囲に含まれる。

（第１の実施例）
図１は、本実施形態のサーフェイス通信装置の概要構成を示す側面図である。電磁波送信部１０１は、電磁波発生部１０２と、この電磁波発生部１０２で発生した電磁波を電磁波伝播部に結合する送信電磁波結合部１０３とを有している。電磁波伝播部１０４は、シート状に構成されており、電磁波伝播部１０４の主面に平行な延在方向に伝播する電磁波の位相変化（位相差）を十分に小さくする構造を有している。電磁波受信部１０５は、電磁波伝播部１０４を伝播する電磁波を受信する受信電磁波結合部１０６と、受信電磁波結合部１０６が受信した電磁波を出力する電磁波出力部１０７とを有している。

なお、電磁波送信部１０１または電磁波受信部１０５と、電磁波伝播部１０４との接触面は、互いに導通しないように、電磁波伝播部１０４側の接触面には、絶縁層１０８が設けられている。絶縁層１０８の媒質としては、所定の誘電率、透磁率を有しており、直流電流を通さない媒質であり、空気や真空もこれに含まれる。

なお、上述の説明では、電磁波送信部１０１及び電磁波受信部１０５は、絶縁層１０８を介して電磁波伝播部１０４と絶縁されて構成されたが、必ずしも絶縁されていなくてもよい。

図２は、図１に示した概要構成を伝播シートの上方から示す平面図である。電磁波送信部１０１及び電磁波受信部１０５は、電磁波伝播部１０４を構成する伝播シート上の任意の箇所に配置可能である。また、電磁波伝播部１０４には、必要に応じて複数の電磁波送信部１０１が配置されてもよい。

なお、シート状とは、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状などの、面としての拡がりを持ち、厚さが薄いものを意味している。

なお、電磁波伝播部１０４の構造は、伝播させる電磁波の周波数において、伝播シートの両端における電磁波の位相変化を十分に小さくする構造を有していることが特徴である。上述した条件を満たす構造は、特定の単位構造が伝播シートの延在方向に沿って２次元的に配列する、または２次元の網目状（格子状）に配列することによって可能になる。

なお、上述の延在方向とは、電磁波伝播部１０４がシート状に延ばされた２次元方向を指している。言い換えれば、電磁波伝播部１０４は、電磁波伝播部１０４の平面を構成する２軸方向のそれぞれの長さよりも、電磁波伝播部１０４を伝播する電磁波の波長を長くする周期構造を有している。

以下に本発明の実施形態で用いられる電磁波伝播部の構造例を説明する。なお、以下に説明する構造例は例示であって、本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または全要素をこれと均等なものに置換した構造例を採用することが可能であるが、これらの構造例を用いた実施形態も本発明の範囲に含まれる。

さらに、以下の各実施例では、電磁波伝播部の各構造例をそれぞれ独立して示す。しかし、その構造例の優劣に関しては、電磁波送信部１０１や電磁波受信部１０５の内部の構造との組み合わせによって生じる結合損失を抑えることが基本的な１つの指標となる。電磁波送信部１０１や電磁波受信部１０５の構造に関して、非特許文献２には、平行平板導体型や円形螺旋導体型等の複数の構造が示されており、今後も新規に様々な構造が提案されることが予想される。このため、本実施例でそれぞれ示す電磁波伝播部の各構造も、電磁波送信部の構造に応じて最適な組み合わせを選択することが可能である。

以下に示す各実施例にそれぞれ対応する図では、座標軸方向が設定されている。特に説明しない場合、電磁波伝播部１０４、すなわち伝播シートの表面に垂直な方向をＹ軸方向とし、伝播シートの表面に平行な延在方向をＺ軸方向またはＸ軸方向に設定している。

図３は、電磁波伝播部１０４を構成する、第１の実施例の伝播シート３０１を示す平面図である。図４は、伝播シート３０１の単位構造を示す側面図である。図３に示すように、伝播シート３０１は、単位構造３０２を有している。上層パッチ３０４は、伝播シート３０１の上層に配置された上導体層を構成する導体パッチである。中間層パッチ３０５は、伝播シート３０１の中間導体層を構成する導体パッチである。中間層パッチ３０５の下側には、下導体層としてのグランド導体（基準導体プレーン）３０６が伝播シート３０１の延在方向に亘って全体に配置されている。上層パッチ３０４とグランド導体３０６は、導体ポスト３０３を介して電気的に接続されている。

伝播シート３０１は、上層パッチ３０４と中間層パッチ３０５とが導体接触しないように、及び中間層パッチ３０５とグランド導体３０６とが導体接触しないように設けられた絶縁層である誘電体層３０７を有している。誘電体層３０７のうち、特に中間層パッチ３０５とグランド導体３０６との間に挟まれた領域は、電磁波送信部１０１から供給された電磁波を、伝播シート３０１がシート状に拡がる延在方向であるＸ、Ｚ軸方向に沿って伝播させる領域である。

そして、本実施例では、単位構造３０２が２次元方向（Ｘ、Ｚ軸方向）に周期的に配置された周期構造を備えることによって、電磁波送信部１０１の送信周波数に対する、シート状の延在方向に対して伝播する電磁波の位相変化（位相差）が十分に小さくなる。

なお、図３では、単位構造３０２が２次元方向であるＸ、Ｚ軸方向に周期的に配置される構成を示しているが、図５に示すように、２次元の網目状に配置されてもよい。図２０に示す伝播シートは、２次元網目構造の単位構造２００１を有している。このように単位構造２００１が網目構造に形成されることによって、電磁波送信部１０１や電磁波受信部１０５の構造を所定の構造に形成することで、電磁波の結合損失を低減する効果が得られる。

上述したように本実施例によれば、電磁波伝播部１０４を構成する伝播シート３０１が、伝播シート３０１を伝播する電磁波の波長を延在方向の長さよりも長くする周期構造を有している。このため、伝播シート３０１は、電磁波送信部１０１の送信周波数に対する、延在方向に伝播する電磁波の位相変化を十分に小さくすることができる。延在方向に伝播する電磁波の位相変化を十分小さくするということは、延在方向に対する振幅変動が小さくすることを意味するので、定在波の節が現れ難いことになる。したがって、本実施例は、伝播シート３０１の延在方向に伝播する電磁波の位相変化のシート寸法依存性を十分に小さく抑えることができる。その結果、本実施例は、伝播シート３０１に対する電磁波送信部１０１または電磁波受信部１０５の位置関係にかかわらずに、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間の通信効率を向上することができる。

なお、電磁波伝播部１０４を構成する伝播シートは、電磁波送信部１０１の送信周波数に対する、延在方向に伝播する電磁波の位相差の角度が、９０度以内にされるのが望ましい。これによって、電磁波送信部１０１の送信周波数に対する、電磁波伝播部１０４の延在方向に伝播する電磁波の位相変化が小さく抑えられるので、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に送受信することができる。

（第２の実施例）
図６は、電磁波伝播部１０４を構成する第２の実施例の伝播シート５０１を示す平面図である。図７は、伝播シート５０１の単位構造を示す側面図である。図６に示すように、伝播シート５０１は、単位構造５０２を有している。上層パッチ５０４は、伝播シート５０１の上層に配置された導体パッチである。中間層パッチ５０５は、伝播シート５０１の中間導体層を構成する導体パッチである。中間層パッチ５０５の下側には、グランド導体５０６が伝播シート５０１の延在方向の全体に亘って配置されている。上層パッチ５０４とグランド導体５０６は、導体ポスト５０３を介して電気的に接続されている。

伝播シート５０１は、上層パッチ５０４と中間層パッチ５０５とが導体接触しないように、及び中間層パッチ５０５とグランド導体５０６とが導体接触しないように、設けられている絶縁層である誘電体層５０７を有している。誘電層５０７のうち、とりわけ中間層パッチ５０５とグランド導体５０６との間に挟まれた領域は、電磁波送信部１０１から供給された電磁波を、伝播シート５０１のＸ、Ｚ軸方向に沿って伝播させる領域である。

なお、図６では、単位構造５０２が２次元方向（Ｘ、Ｚ軸方向）に周期的に配置される構成を示しているが、図８に示すように、２次元の網目状に配置されてもよい。図８に示す伝播シートは、２次元網目構造の単位構造２１０１を有している。このように単位構造２１０１が網目構造に形成されることによって、電磁波送信部１０１及び電磁波受信部１０５の内部の構造を所定の構造に形成することで、電磁波の結合損失を低減する効果が得られる。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート５０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

（第３の実施例）
図９Ａは、電磁波伝播部１０４を構成する第３の実施例の伝播シート７０１を示す平面図である。図９Ｂは、伝播シート７０１の単位構造を示す側面図である。伝播シート７０１の上層には、上導体層７０２が設けられている。この上導体層７０２は、非特許文献１に記載された構造と同様に、網目状に形成されたマイクロストリップ配線構造である配線層に構成されている。また、伝播シート７０１は、下導体層としてのグランド導体（基準導体プレーン）７０３を有している。さらに、上導体層７０２とグランド導体７０３との間には、互いに異なる第１の媒質及び第２の媒質からなる第１の層及び第２の層として、第１誘電体層７０４と第２誘電体層７０５が積層された２層構造が設けられている。

第１誘電体層７０４は、絶縁層であり、誘電率、透磁率が共に正の値を有している。第２誘電体層７０５は、絶縁層であり、その内部に、所定の形状に形成された金属帯が周期的に埋め込まれて配列された層である。第２誘電体層７０５は、電磁波を伝播させる周波数帯域において、誘電率、透磁率が共に負になるように構成されている。

そして、第１誘電体層７０４の厚みｄ１、透磁率μ１と、第２誘電体層７０５の厚みｄ２、透磁率μ２との間には、以下の関係が近似的に満たされている。

[数１]
ｄ２／ｄ１＝｜μ１／μ２｜ ・・・・・（式１）
図１０は、図９Ｂに示す第２誘電体層７０５の構成例を示す模式図である。具体的には、図１０に示すように、第２誘電体層７０５の内部には、複数のスプリットリング共振器７０６と、複数の線状ワイヤ７０７とが、伝播シート７０１の延在方向に対して交互に配列された周期構造が設けられている。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート７０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

（第４の実施例）
図１１Ａは、電磁波伝播部１０４を構成する第４の実施例の伝播シート９０１を示す平面図である。図１１Ｂは、伝播シート９０１の単位構造を示す側面図である。伝播シート９０１の上層には、上導体層９０２が設けられている。この上導体層９０２は、非特許文献１に記載された構造と同様に、網目状に形成されたマイクロストリップ配線構造である配線層に構成されている。また、伝播シート９０１は、下導体層としてのグランド導体（基準導体プレーン）９０３を有している。さらに、上導体層９０２とグランド導体９０３との間には、互いに異なる媒質からなる領域である、第１誘電体領域９０４及び第２誘電体領域９０５が、伝播シート９０１の延在方向に沿って周期的に配列されている。

第１誘電体領域９０４は、誘電率、透磁率が共に正の値を有する誘電体が配置された第１の領域である。第２誘電体領域９０５は、誘電体の内部に、所定の形状に形成された金属帯が周期的に埋め込まれて配置された第２の領域である。第２の誘電体領域９０５は、電磁波を伝播させる周波数帯域において、誘電率、透磁率が共に負の値を有するように構成されている。

そして、第１誘電体領域９０４のＸ軸方向の幅ｗ１、透磁率μ１と、第２誘電体領域９０５のＸ軸方向の幅ｗ２、透磁率μ２との間には、以下の関係が近似的に満たされている。

[数２]
ｗ２／ｗ１＝｜μ１／μ２｜ ・・・・・（式２）
図１２は、図１１Ｂに示す第２誘電体層９０５の構成例を示す模式図である。具体的には、図１０に示すように、第２誘電体領域９０５の内部には、複数のスプリットリング共振器９０６と、複数の線状ワイヤ９０７とが、伝播シート９０１の厚み方向（Ｙ軸方向）に対して交互に配列された周期構造が設けられている。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート９０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

（第５の実施例）
図１３は、電磁波伝播部１０４を構成する第５の実施例の伝播シート１１０１を示す平面図である。図１４は、伝播シート１１０１の単位構造１１０２を示す平面図である。図１５は、単位構造１１０２を示す側面図である。

図１４及び図１５に示すように、伝播シート１１０１は、マイクロストリップライン１２０３が連続的に設けられた第１の領域としてのマイクロストリップ連続領域１２０２と、マイクロストリップライン１２０３が周期的に切断されている第２の領域としてのマイクロストリップ切断領域１２０１とを有している。図１５に示すように、マイクロストリップ連続領域１２０２は、中間導体層としてのマイクロストリップライン１２０３と、下導体層としてのグランド導体３０６とを有している。マイクロストリップ切断領域１２０１は、上導体層を構成する上層パッチ３０４とマイクロストリップライン１２０３が延在方向に対して交互に配列された周期構造を備えている。このマイクロストリップ切断領域１２０１は、図３に示した構成と同様に、上層パッチ３０４とグランド導体３０６とが、導体ポスト３０３を介して電気的に接続されている。

なお、図１５に示した構成において、マイクロストリップ連続領域１２０２は、マイクロストリップライン１２０３が中間導体層に設けられたが、マイクロストリップライン１２０３が上導体層に設けられてもよく、同様の効果が得られる。

そして、単位構造１１０２内において、マイクロストリップ連続領域１２０２のＸ軸方向の長さＷ１、誘電体層３０７の透磁率μ１と、マイクロストリップ切断領域１２０１のＸ軸方向の長さＷ２、伝播シート１１０１のＸ軸方向の等価的な透磁率μ２との間には、以下の関係が近似的に満たされている。

[数３]
Ｗ２／Ｗ１＝｜μ１／μ２｜ ・・・・・（式３）
なお、図１３及び図１４では、マイクロストリップ連続領域１２０２とマイクロストリップ切断領域１２０１とが網目状に配置された構成を示したが、図１６に示すように、Ｘ軸及びＺ軸方向に２次元状に亘って配置されてもよい。この構成の場合、マイクロストリップ切断領域１２０１は、図３に示した構成と同等であり、マイクロストリップ連続領域１２０２は、下層に位置されるグランド導体３０６と平行な平板状の導体層をなしている。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート１１０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

（第６の実施例）
図１７は、電磁波伝播部１０４を構成する第６の実施例の伝播シート１４０１を示す平面図である。図１８は、伝播シート１４０１の単位構造１４０２を模式的に示す斜視図である。伝播シート１４０１の上層には、上導体層を構成する上層パッチ１４０３が設けられている。上層パッチ１４０３とグランド導体１５０２とは、導体ポスト１４０４によって電気的に接続されている。なお、中間導体層１４０５は、上層パッチ１４０３よりも面積が大きい平面状に形成されており、伝播シート１４０１の延在方向に亘って設けられている。また、中間導体層１４０５は、貫通孔１４０６を有している。中間導体層１４０５と導体ポスト１４０４は、中間導体層１４０５の貫通孔１４０６内に、導体ポスト１４０４が接触せずに挿通されることによって、電気的に絶縁されている。この点が本実施例の特徴である。

本実施例の電磁波伝播部１０４は、図１７に示すように、複数の単位構造１４０２が周期的に配置されている点が特徴である。なお、上層パッチ１４０３と中間導体層１４０５との間、及び中間導体層１４０５とグランド導体１５０２との間には、絶縁層である誘電体層３０７が設けられている。このように、上層パッチ１４０３と電磁波送信部１０１、または上層パッチ１４０３と電磁波受信部１０５が導体接触しないように誘電体層が設けられている構成は、図４に示した構成と同様である。

なお、図１７は、単位構造１４０２が２次元方向（Ｘ、Ｚ軸方向）に周期的に配置される構成を示しているが、図１９に示すように、２次元の網目状に配置されてもよい。図１９に示すように、伝播シートは、２次元網目構造の単位構造２２０１を有している。

このように単位構造２２０１が網目構造に形成されることによって、電磁波送信部１０１または電磁波受信部１０５の構造を所定の構成に形成することで、電磁波の結合損失を低減する効果が得られる。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート１４０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

（第７の実施例）
図２０は、電磁波伝播部１０４を構成する第７の実施例の伝播シート１６０１を示す平面図である。図２０に示すように、伝播シート１６０１は、単位構造１６０２を有している。伝播シート１６０１は、本発明に関連する網目構造と同様なマイクロストリップライン１６０３と、正方形の導体パッチ１６０４とを有している。導体パッチ１６０４は、導体パッチ１６０４の辺よりも幅が小さく形成されたマイクロストリップライン１６０３と、同一平面上において電気的に接続されている。隣り合う導体パッチ１６０４同士は、マイクロストリップライン１６０３によって連結されている。単位構造１６０２とマイクロストリップライン１６０３が配置されている平面は、その直下に配置されているグランド導体（基準導体プレーン）と対向されている。なお、図２０において、正方形の導体パッチ１６０４の代わりに、多角形の導体パッチや滑らかな曲率を有する形状の導体パッチを用いてもよい。例えば、六角形や円形の導体パッチを用いてもよい。

図２０では、複数の単位構造１６０２が２次元的方向（Ｘ、Ｚ軸方向）に配列されている構造を示しているが、図２１に示すように、単位構造１６０２が二次元の網目状に配置されてもよい。

このように単位構造１６０２が網目構造に形成されることによって、電磁波送信部１０１または電磁波受信部１０５の構造を所定の構造に形成することで、電磁波の結合損失を低減する効果が得られる。

本実施例においても、上述した周期構造が設けられた伝播シート１６０１を備えることによって、上述した実施例と同様に、電磁波送信部１０１と電磁波受信部１０５との間で電力を効率的に伝送することができる。

最後に、上述した各実施例の効果に関する理論的根拠を以下に説明する。

まず、第１の実施例、第２の実施例、第６の実施例、及び第７の実施例の効果に対応する理論的根拠について説明する。

一般に、所定の形状に形成された単位構造を有する金属導体を２次元状に周期的に配列した場合、２次元方向に伝播する電磁波の進行方向に対する波長λｇは、周波数に依存する。波長λｇは、空気層の波長λ０よりも長くなることもあれば、短くなることもあり得る。ここで、サーフェイス通信装置の電磁波伝播部１０４として、電磁波の伝播周波数に対して、波長λｇが、電磁波伝播部１０４を構成する伝播シートの延在方向の長さよりも十分大きくなるような単位構造を採用することで、伝播シート上に定材波の節が生じ難くなる。したがって、この場合、電磁波伝播部１０４に対する電磁波送信部１０１または電磁波受信部１０５の位置関係は、本発明に関連する、電磁波伝播部を構成する伝播シートを用いた場合よりも通信性能に大きな影響を及ぼさないことになる。ここで、電磁波の進行方向の波長λｇが、伝播シートの延在方向の長さよりも十分大きいということは、伝播シートの表面の任意の箇所における電磁波の位相変化が十分に小さいことと等価であることに注目する。

電磁波の進行方向の波長λｇと周波数との関係は、単位構造の内部における電磁波の伝播を簡易的に表現する等価回路に依存する。図２２Ａは、第１の実施例における単位構造３０１に相当する等価回路１７０１を示す回路図である。図２２Ｂは、第２の実施例における単位構造５０２、または第７の実施例における単位構造１６０２に相当する等価回路１７０６を示す回路図である。図２２Ｃは、第６の実施例における単位構造１４０１に相当する等価回路１７０４を示す回路図である。

図２２Ａに示すように、等価回路１７０１は、直列共振回路１７０２と、並列共振回路１７０３とを有している。図２２Ｂに示すように、等価回路１７０６は、並列共振回路１７０７を有している。図２２Ｃに示すように、等価回路１７０４は、直列共振回路１７０５を有している。

等価回路１７０１における進行方向の波長λｇと周波数との関係は、定性的に図２３に示すように表せる。図２３において、曲線１８０１は、等価回路１７０６に相当する単位構造を周期的に配列した場合における、周波数と波長λｇとの関係を示している。直線１８０２は、真空の電磁波の波長λ０と周波数との関係を示している。図２３に示すように、曲線１８０１が直線１８０２よりも図中左側の位置に現れている場合、波長λｇは真空の波長λ０よりも長いことになる。図２３において、波長λｇが極めて大きくなる周波数帯域１８０３がそれぞれ示されている。したがって、サーフェイス通信装置は、伝播シートを伝播する電磁波が周波数帯域１８０３内となるように単位構造３０１の寸法や材料定数を設定することによって、進行方向の波長λｇを伝播シートの延在方向の長さよりも十分に大きくすることが可能になる。

具体的には、指定した寸法や材料定数を有する単位構造の入出力特性、すなわちＡＢＣＤ行列を、電磁界シミュレータや実測、または等価回路解析によって求める。そして、ＡＢＣＤ行列にブロッホの定理を適用することで、各周波数に対する波長λｇを求めることが可能である。したがって、許容できる寸法パラメータと材料定数パラメータ毎に、図２３に示す曲線１８０１を比較し、最適な寸法パラメータ、材料定数の組み合わせを選択すればよい。これによって、伝播シートを伝播する電磁波を周波数帯域１８０３内となるように単位構造３０１を構成することができる。

等価回路１７０４や等価回路１７０６に相当する単位構造５０２や単位構造１６０２を周期的に配列した場合に関しては、伝播シートの延在方向に沿った方向の波長λｇと周波数との関係が、定性的に図２４中の曲線１９０１のように示される。この場合も、進行方向の波長λｇが極めて大きくなる周波数帯域１９０３が存在することに注目する。つまり、サーフェイス通信装置において、伝播シートを伝播する電磁波が周波数帯域１９０３内になるように、単位構造５０２または単位構造１６０２の寸法や材料定数を設定することによって、進行方向の波長λｇを伝播シートの延在方向の長さよりも十分に大きくすることが可能になる。

具体的には、指定した寸法や材料定数を有する単位構造の入出力特性、すなわちＡＢＣＤ行列を、電磁界シミュレータや実測、または等価回路解析によって求め、ＡＢＣＤ行列にブロッホの定理を適用する。これによって、各周波数に対する波長λｇを求めることが可能である。したがって、許容できる寸法パラメータと材料定数パラメータ毎に、図２４に示す曲線を比較し、最適な寸法パラメータ、材料定数の組み合わせを選択すればよい。これによって、伝播シートを伝播する電磁波が周波数帯域１９０３内になるように、単位構造５０２や単位構造１６０２を構成することができる。

次に、第４の実施例、第５の実施例の効果に対応する理論的根拠を説明する。一般に、誘電率ε１、透磁率μ１が共に正の値を有するダブルポジティブ材料では、電磁波のエネルギーが伝播する方向と、位相が伝播する方向とが同一である。一方、誘電率ε２、透磁率μ２が共に負の値を有するダブルネガティブ材料では、電磁波のエネルギーが伝播する方向と、位相が伝播する方向とが逆向きとなる。したがって、上述した２種類の材料を隣接させて配置し、一方の端から電磁波が入射させたときに、他方の端に電磁波のエネルギーを到達させ、かつ位相がほとんど変化させないことが理論的に可能であることが確認されている。

上述した作用を実現させるために、２種類の材料の隣接部において、電磁波が反射しない条件、および、各々の材料における電磁波の行路差が「０」である条件としては、以下の式４及び式５が示される。

[数４]
√（μ１／ε１）＝√（μ２／ε２） ・・・・・（式４）

[数５]
Ｗ１√（μ１・ε１）＝Ｗ２√（μ２・ε２） ・・・・・（式５）
式５において、Ｗ１は電磁波の進行方向に対するダブルポジティブ材料の長さであり、Ｗ２は電磁波の進行方向に対するダブルネガティブ材料の長さである。

式４、式５を整理することにより、電磁波の進行方向に対するダブルポジティブ材料の長さＷ１、透磁率μ１と、ダブルネガティブ材料の長さＷ２、透磁率μ２との間で、上述した式３の関係を示すことになる。

したがって、ダブルポジティブ材料とダブルポジティブ材料の寸法を、式３を満たすように調整し、ダブルポジティブ材料とダブルネガティブ材料とを交互に隣接させて配置した構造を、本発明の電磁波伝播部を構成する伝播シートの延在方向に対する単位構造とする。そして、そのシート構造を単位構造の周構造とすることによって、伝播シートにおいて位相をほとんど変化させないことが可能となる。

また、図１２に示した第２誘電体領域９０５の構造や、図１４に示したマイクロストリップライン切断領域１２０１内の伝送線路構造は、特定の周波数でダブルネガティブの材料と見なせることが知られている。したがって、電磁界シミュレーション等によって、電磁波の伝播周波数に対してダブルネガティブ材料特性を示す構造の寸法を推定し、かつ、ダブルポジティブ材料の寸法を、上述した式３を満たすように調整する。そして、ダブルポジティブ材料とダブルネガティブ材料とを交互に隣接させて配置した構造を、本発明に係る電磁波伝播部に適用することによって、伝播シートにおいて位相をほとんど変化させないことが可能となる。

続いて、第３の実施例の効果に対応する理論的根拠を説明する。

式３は、互いに隣接して配置されたダブルポジティブ材料とダブルネガティブ材料において、電磁波の入射側と出力側の各位相が同期していると解釈できるので、共振していると見なすことが可能である。

したがって、図９Ａ、図９Ｂに示した構造では、伝播シート７０１の厚み方向に共振させることが可能になる。このことは、電磁波が、伝播シート７０１の厚み方向に波数ｋｙを有していることを意味する。このため、伝播シート７０１の延在方向に対する波数ｋｘまたは波数ｋｚは、波数ｋｙがゼロとなる場合よりも小さくなる。伝播シートは、電磁波の進行方向に対する波長λｇが、波数ｋｘまたは波数ｋｚに反比例する。このため、伝播シート７０１の厚み方向に対して、上述した式１が満たされる場合、波長λｇは、波数ｋｘがほとんどゼロとなる構造を用いる場合の波長よりも大きくなる。図９Ａ、図９Ｂに示した構造では、上述した式１を満たす電磁波のモードが、従来における波数ｋｙがほとんどゼロとなるモードよりも多く存在している。そして、そのモードの中には、電磁波の進行方向の波長λｇが、伝播シートの長さ寸法よりも十分に大きくなる成分、すなわち伝播シートにおいて位相がほとんど変化しない成分が少なからず存在する。その結果、実施例の構造は、本発明に関連する構造に比べ、伝播シートの延在方向に対して定在波を生じ難くすることができる。

以上、本発明を、実施例に基づいて説明した。これらの実施例は一例であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそのような変形例も本発明の範囲に含まれることは当業者に理解されるところである。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００９年５月１４日に出願された日本出願特願２００９−１１７６９７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (16)

1. 電磁波を伝播させるシート状の電磁波伝播部と、
   前記電磁波伝播部の表面に配置され、電磁波を前記電磁波伝播部に送る電磁波送信部と、
   前記電磁波伝播部の表面に配置され、前記電磁波伝播部を伝播した電磁波を受ける電磁波受信部と、を備え、
   前記電磁波送信部は、電磁波発生部と、前記電磁波発生部で発生した電磁波を前記電磁波伝播部に結合する送信電磁波結合部と、を有し、
   前記電磁波受信部は、前記電磁波伝播部を伝播した電磁波を結合する受信電磁波結合部と、前記受信電磁波結合部で結合した電磁波を出力する電磁波出力部と、を有し、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波伝播部を伝播する電磁波の波長を、前記電磁波伝播部のシート状の延在方向の長さよりも長くする周期構造を有している、サーフェイス通信装置。
2. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部の送信周波数に対する、前記延在方向に伝播する電磁波の位相差の角度が、９０度以内にされている、サーフェイス通信装置。
3. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された複数の上層パッチからなる上導体層、複数の中間層パッチからなる中間導体層、前記延在方向に亘って配置された下導体層を有する３層構造であり、
   前記電磁波伝播部は、前記上導体層の前記上層パッチと、前記中間導体層の前記中間層パッチとが、前記延在方向に対して交互に配列された前記周期構造を備え、前記上導体層の前記上層パッチと前記下導体層とを電気的に接続する導体ポストを有している、サーフェイス通信装置。
4. 請求項３に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記周期構造と前記導体ポストとを有する単位構造を備え、複数の前記単位構造が網目状に配置されている、サーフェイス通信装置。
5. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された複数の上層パッチからなる上導体層、複数の中間層パッチからなる中間導体層、前記延在方向に亘って配置された下導体層を有する３層構造であり、
   前記電磁波伝播部は、前記上導体層の前記上層パッチと、前記中間導体層の前記中間層パッチが、前記延在方向に対して交互に配列された前記周期構造を備え、前記上導体層の前記上層パッチと前記中間導体層の前記中間層パッチとを電気的に接続する導体ポストを有している、サーフェイス通信装置。
6. 請求項５に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記周期構造と前記導体ポストとを有する単位構造を備え、複数の前記単位構造が網目状に配置されている、サーフェイス通信装置。
7. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された上導体層と、前記延在方向に亘って配置された下導体層とを有する２層構造であり、
   前記上導体層は、網目状に形成された配線層であり、
   前記配線層と前記下導体層との間には、第１の媒質からなる第１の層と、第２の媒質からなり前記周期構造を含む第２の層とが設けられ、
   前記第１の媒質は、誘電率、透磁率が共に正の値を有し、
   前記第２の媒質は、誘電率、透磁率が共に負の値を有する、サーフェイス通信装置。
8. 請求項７に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記第２の層は、スプリットリング共振器と、線状ワイヤとが、前記延在方向に対して交互に配列された前記周期構造を含んでいる、サーフェイス通信装置。
9. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
   前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された上導体層と、前記延在方向に亘って配置された下導体層とを有する２層構造であり、
   前記上導体層は、網目状に形成された配線層であり、
   前記配線層と前記下導体層との間には、第１の媒質からなる第１の領域と、第２の媒質からなる第２の領域とが前記延在方向に沿って周期的に配列された前記周期構造が設けられ、
   前記第１の媒質は、誘電率、透磁率が共に正の値を有し、
   前記第２の媒質は、誘電率、透磁率が共に負の値を有する、サーフェイス通信装置。
10. 請求項９に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記第２の領域は、スプリットリング共振器と、線状ワイヤとが、前記電磁波伝播部の厚み方向に対して交互に配列された周期構造を含んでいる、サーフェイス通信装置。
11. 請求項３に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された複数の上層パッチからなる上導体層、複数の中間層パッチからなる中間導体層、前記延在方向に亘って配置された下導体層を有する３層構造であり、
    前記上導体層と前記中間導体層のいずれか一方のみと、前記下導体層とを有する第１の領域と、
    前記上導体層と、前記中間導体層と、前記下導体層と、前記上導体層の前記上層パッチと前記下導体層とを導通する導体ポストとを有し、前記上導体層の前記上層パッチと、前記中間導体層の前記中間層パッチが、前記延在方向に対して交互に配列された前記周期構造を構成している第２の領域と、を備え、
    前記第１の領域と前記第２の領域が、前記延在方向に対して周期的に配置されている、サーフェイス通信装置。
12. 請求項１１に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波伝播部は、前記第１の領域と前記第２の領域とを有する単位構造を備え、複数の前記単位構造が網目状に配置されている、サーフェイス通信装置。
13. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された複数の上層パッチからなる上導体層と、中間導体層と、前記延在方向に亘って配置された下導体層とを有する３層構造であり、
    前記中間導体層は、前記上導体層の前記上層パッチよりも面積が大きい平面状に形成され、貫通孔を有し、
    前記電磁波伝播部は、前記中間導体層の前記貫通孔に接触しないで挿通され、前記上導体層の前記上層パッチと前記下導体層とを電気的に接続する導体ポストを有している、サーフェイス通信装置。
14. 請求項１３に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波送信部は、前記上導体層と、前記中間導体層と、前記導体ポストとを有する単位構造を備え、複数の前記単位構造が網目状に配置されている、サーフェイス通信装置。
15. 請求項１に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波伝播部は、前記電磁波送信部に当接する側に配置された複数の導体パッチからなる上導体層と、前記延在方向に亘って配置された下導体層とを有する２層構造に構成され、
    前記上導体層は、前記導体パッチが前記延在方向に配列された周期構造と、前記導体パッチの辺よりも幅が小さく形成されて隣り合う前記導体パッチ同士を電気的に接続する配線と、を有している、サーフェイス通信装置。
16. 請求項１５に記載のサーフェイス通信装置において、
    前記電磁波送信部は、前記導体パッチと前記配線とが網目状に配置されている、サーフェイス通信装置。

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