JPWO2012046550A1 - サーフェイス通信装置 - Google Patents

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Abstract

サーフェイス通信装置は、電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行いあるいは前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する給電装置部または受電装置部とを備える。前記電磁波結合部は、前記電磁波伝搬部に対向して配置されるメッシュ状の導体結合素子を具備する。

Description

本発明は、電力を無線給電する技術に関する。本発明は特に、給電側からシートに電力を供給し、又はシートから負荷などの受電側へと電力を供給するサーフェイス通信装置に関する。
電磁波を用いた通信により無線給電する手段として、給電装置と、受電装置とを、それぞれシート状の通信媒体に非導通で配置し、給電装置から無線給電される電力を、シート状の通信媒体を介して受電装置側で無線受電する方式が存在する。
このような無線給電の変形例として、給電装置から通信媒体への給電を接触給電で行い、通信媒体から受信装置への受電を無線で行う方式もある。さらにその変形として、給電装置から通信媒体への給電は無線給電で行い、通信媒体から受電装置への給電は接触給電で行う方式も、将来的な応用範囲として想定される。
以上、このような通信手段を、変形例も含めて、以下ではサーフェイス通信と称する。
サーフェイス通信は、2次元シート上の任意の2点間で通信したり、送信又は受電のどちらか一方をシート上の任意の点で行うことを可能とする。
特許文献1〜4には、このような無線給電に関する技術が開示されている。
特許文献1に示される信号伝達装置は、第1導体部と、第2導体部と、狭間領域と、浸出領域とを有する。第1導体部は、メッシュ状であり、電磁場の周波数帯において導電体である。第2導体部は、平板状の外形を有し、第1導体部と平行に配置されて電磁場の周波数帯において導電体である。狭間領域は、これら第1及び第2導体部に挟まれるように配置されている。浸出領域は、平板状であり、第1導体部の上面に設けられている。この信号伝達装置は、電磁場の変化により信号を伝達する。
引用文献2に示される信号通信システムは、信号伝達装置と、インターフェイス装置とを有する。信号伝達装置は、シート状であり、導体部とメッシュ状の第2導体部とを有する。インターフェイス装置は、信号伝達装置の上方に配置されて通信機器からの信号が送受信される。このインターフェイス装置は、信号伝達装置の第1導体部の外側近傍の電磁場(エバネッセント場)の変化を通じてその信号伝達装置との間で通信を行う。
特許文献3に示される電力供給システムは、シート状に形成されて電磁波を伝搬する電磁波伝搬装置と、その電磁波伝搬装置に対して電磁波を出力する電力供給装置とを備える。電力供給装置の下面には、電磁波伝搬装置に対して電磁波を出力する複数の電極が、基板にアレイ状に配列されている。
特許文献4に示される電磁波インターフェイス装置は、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又は受電する。この電磁波インターフェイス装置は、第一導電体層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から構成される。
非特許文献1には、シート状の通信媒体上の電力通信の原理が開示されている。
国際公開2007−32049号公報 日本国特開2007−82178号公報 日本国特開2008−295176号公報 日本国特開2010−93446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
現状のサーフェイス通信には、以下に示すような問題がある。
一般に、給電装置部と受電装置部との間の電力輸送効率、すなわち通信性能は、給電装置部とシート状の通信媒体(電磁波伝搬部)との間、シート状の通信媒体と受電装置部との間の電力輸送効率に依存する。給電装置部、又は受電装置部には、それらの基準グランドと通信媒体に挟まれるように、パッチアンテナとも呼ばれる板状の導体結合素子が装備される。この導体結合素子が、特定の周波数で共振することにより電力の輸送量が大きくなるように設計される。
理想的には、給電装置部の場合であれば、給電装置部から供給される電力の全てをシート状の通信媒体に送ることが可能であれば良い。しかしながら、実際には、給電装置部とシート状の通信媒体との電磁結合が不十分となり、電力の一部が電磁波として外部に漏れ出す。その不十分な電磁結合の一要因として、板状の導体結合素子周囲の電磁界の大部分は、給電装置部の基準グランドと導体結合素子の間に集中してしまうことが考えられる。
受電装置部の場合であれば、受電装置部で受電される電力の全てをシート上の通信媒体から受電できることが可能であれば良い。しかしながら、実際には電磁結合が不十分となり、受電できずにシート側に電磁波として残るか、受電装置部とシート上の通信媒体との隙間から、電磁波として外部に漏れだす。その不十分な電磁結合の一要因として、板状の導体結合素子周囲の電磁界の大部分は、受電装置部の基準グランドと導体結合素子の間に集中してしまうことが考えられる。その結果、通信性能は低下する。このため、シート状の通信媒体に対して、給電装置部、又は受電装置部の電磁結合を強化する構造が望まれる。
本発明の目的の一例は、上述の課題を解決することのできるサーフェイス通信装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の実施態様によるサーフェイス通信装置は、電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行う電磁波結合部を有する給電装置部と、前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する受電装置部とを備える。前記給電装置部及び受電装置部の電磁波結合部の少なくとも一方は、電磁波伝搬部に対向して配置されるメッシュ状の導体結合素子を具備している。
本発明によれば、電磁波伝搬部と非導通状態に設けられた、給電装置部及び受電装置部の電磁波結合部の少なくとも一方に電磁波伝搬部に対向するように配置されたメッシュ状の導体結合素子が具備される。この導体結合素子により、通信媒体となる電磁波伝搬部と電磁波結合部との電磁結合が強化される。その結果、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させることが可能となる。
本発明の一実施形態によるサーフェイス通信装置を示す正断面図である。 図1に示される電磁波伝搬シートのメッシュ層の平面図である。 図1に示される給電装置部の付近を示す正断面図である。 図1に示される給電装置部の作用を説明するための正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例1を示す正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例2を示す正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例3を示す正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例4を示す正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例5を示す正断面図である。 図1に示されるサーフェイス通信装置の変形例6(1)を示す正断面図である。 図10に示されるサーフェイス通信装置の変形例6(2)を示す正断面図である。 図10に示されるサーフェイス通信装置の変形例6(3)を示す正断面図である。
本発明の一実施形態について、図1〜図12を参照して説明する。
図1は本実施形態に係るサーフェイス通信装置の構造を示す正断面図である。このサーフェイス通信装置は、通信媒体となる電磁波伝搬部となる電磁波伝搬シート1を有する。
電磁波伝搬シート1は、導体プレーン層2上に、電磁波伝搬層3、メッシュ層4、保護層5が順に積層された構成である。電磁波伝搬シート1の上面に設置された給電装置部10(後述する)から給電された電磁波は、電磁波伝搬シート1のシート面に沿った方向に伝搬された後、受電装置部20(後述する)に送信される。
図2は、電磁波伝搬シート1のメッシュ層4を示す平面図である。図2に示すように、メッシュ層4はメッシュ状に形成された導体である。
電磁波伝搬層3は、メッシュ層4と導体プレーン層2とに挟まれた空間である。電磁波は、この空間内のシートの面に沿った方向に伝搬される。
保護層5は、給電装置部10又は受電装置部20と、電磁波伝搬層3とが互いに導通しないよう設けられている。保護層5の媒質は、特定の誘電率、磁性率を有し、直流電流を通さない媒質である。保護層5の媒質としては、空気や真空が含まれる。
電磁波伝搬シート1の上面には、図1に示すように電磁波送信部となる給電装置部10と、電磁波受信部となる受電装置部20とが設置されている。
これら給電装置部10及び受電装置部20は、電磁波伝搬シート1上に複数設けることが可能である。また、給電装置部10及び受電装置部20は、電磁波伝搬シート1上に着脱可能に設けても良い。
これら給電装置部10及び受電装置部20は、電磁波伝搬シート1上の任意の箇所に、電磁波伝搬シート1内の保護層5を介して、導体接触すること無しに非導通状態で設けられている。ここで、シート状とは、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状等の面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味する。
給電装置部10は、図3及び図4に示すように、電磁波発生部11と送信電磁波結合部12を備える。給電装置部10は、電磁波伝搬シート1に対して対向する位置関係に配置されている。
送信電磁波結合部12は、電磁波発生部11に面して設けられる。送信電磁波結合部12は、開口120を有する基準導体12aと、導体ポスト12bと、電磁波発生部11に対して導体ポスト12bを介して導体接続された導体結合素子12cとを有する。導体結合素子12cは、電磁波伝搬シート1に対して対向する位置関係に配置される。導体結合素子12cは、電磁波発生部11で発生した電磁波を、メッシュ層4を介して電磁波伝搬層3に送り込む。送信電磁波結合部12内に導体結合素子12cを設けることにより、通信媒体となる電磁波伝搬シート1と電磁波結合部12との電磁結合が強化される。その結果、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させることができる。
導体結合素子12cは、電磁波伝搬シート1の保護層5と対向するメッシュ状の導体素子から構成される。このことは、導体結合素子12cが特定の周波数で共振した場合、電磁波はメッシュ状の導体構造から通信媒体側の電磁波伝搬シート1に染み出すことを意味している。すなわち、本実施形態で示す送信電磁波結合部12の導体結合素子12cでは、導体結合素子として板状導体を使用した場合と比較して、電磁界分布が通信媒体と接している領域が増える。その結果、給電装置部10と通信媒体である電磁波伝搬シート1との電磁結合が強化される。
図4は、送信電磁波結合部12と通信媒体である電磁波伝搬シート1との電磁波結合の状態を示す。図4に示すように、導体結合素子12cからその直下の電磁波伝搬シート1に伝達する電磁波の伝搬経路が長鎖線(符号A)で示されている。これは、導体結合素子12cのメッシュ状の導体と電磁波伝搬シート1とが直接、電磁波結合しているため、このメッシュ状の導体から電磁波伝搬シート1に直接、電磁波が伝搬することを示している。
従来の板状の導体を導体結合素子として用いた場合について説明する。この場合においては、導体結合素子12cから放射される電磁波の伝搬経路として、符号Aで示される経路は含まれない。導体結合素子12cから放射される電磁波の伝搬経路は、点線(符号B)で示される経路のように、一度、導体結合素子の横に出てから通信媒体側に結合する。その結果、給電装置部10と通信媒体である電磁波伝搬シート1との電磁結合が悪くなる。
これに対して、本実施形態で示される送信電磁波結合部12では、符号Aで示されるように、導体結合素子12cのメッシュ状の導体と電磁波伝搬シート1とが直接、電磁波結合する。結果として給電装置部10と通信媒体である電磁波伝搬シート1との電磁結合が強化されることになる。
次に、給電装置部10から出力されて電磁波伝搬シート1を伝搬した電磁波を、受電する受電装置部20について説明する。
受電装置部20は、電磁波伝搬シート1を伝搬する電磁波を受電する受電電磁波結合部21と、受電した電磁波を入力する電磁波入力部22とから構成される。受電電磁波結合部21は、基本的には、前述した給電装置部10の送信電磁波結合部12と同様、基準導体12a及び導体ポスト12b、導体結合素子12cを有する構成である。このため、受電電磁波結合部21については、重複した説明を省略する。すなわち、給電の場合は電磁波を電磁波伝搬シート1に送り込むが、受電の場合は、逆に電磁波伝搬シート1にて伝搬された電磁波を受電する。
以上詳細に説明したように本発明の実施形態によれば、電磁波伝搬部となる電磁波伝搬シート1と非導通状態に設けられた、給電装置部10の電磁波結合部12及び受電装置部11の電磁波結合部21の少なくとも一方に電磁波伝搬シート1に対向するようにメッシュ状の導体結合素子12cが具備される。この導体結合素子12cにより、通信媒体である電磁波伝搬シート1と電磁波結合部12・21との電磁結合が強化され、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させることが可能となる。
本発明の実施形態は以下に示すように変形しても良い。
(変形例1)
上記実施形態では、送信電磁波結合部12の導体結合素子12cは、線状配線によりメッシュ状に形成したが、この構成に限定されない。導体結合素子12cは、図5に示すように線状配線が蛇行するミアンダ状としても良い。具体的には、導体結合素子12cにおいて、互いに隣り合う単位構造を接続する配線が蛇行する。これによりメッシュ状の導体素子のインダクタンスが大きくなり、メッシュ状態素子の共振周波数を低周波化させることが可能である。このことは、特定の周波数で共振させるためのメッシュ状の導体素子の構造を小さくし、給電装置部10を小型化できることを意味する。
上記実施形態では、導体結合素子12cのメッシュ形状を矩形状とした。しかしながら、メッシュ形状は、必ずしも矩形でなくとも良い。メッシュ形状は、例えば任意の多角形や、円等の滑らかな境界を含む形状としても良い。また、メッシュ状の導体素子12cの互いに交わる導体同士も、必ずしも直交していなくても良い。例えば、メッシュの単位構造が、六角形等、任意多角形構造となっていても良い。
(変形例2)
上記実施形態では、送信電磁波結合部12のメッシュ状の導体結合素子12cを、電磁波伝搬シート1に面するように配置したが、この構成に限られない。図6に示すように、給電装置部10又は受電装置部20の底面に、絶縁層30をコーティングしていても良い。この絶縁層30により、給電装置部10又は受電装置部20が電磁波伝搬シート1から着脱された際、周囲との不用意な電気的接触を防がれる。絶縁層30のコーティングは、給電装置部10又は受電装置部20のいずれかに行っても良いし、双方に行っても良い。
(変形例3)
上記実施形態の送信電磁波結合部12において、図7に示すように、導体結合素子12cと基準導体12aの間を満たす空間に、通信媒体側である電磁波伝搬シート1上の保護層5の誘電率よりも高い、高誘電率材料31を充填しても良い。電磁波結合部12として高誘電率材料31を用いることにより、導体結合素子12cの共振周波数を低くすることが可能となる。そのため、特定の周波数で共振させるためのメッシュ状の導体素子12cの構造を小さくし、給電装置部10を小型化することが可能となる。これら高誘電率材料31の充填は、給電装置部10又は受電装置部20のいずれかに行っても良いし、双方に行っても良い。
(変形例4)
上記実施形態において、図8に示すように、通信媒体となる電磁波伝搬シート1上の保護層5として、電磁波結合部12を満たす高誘電率材料31の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率材料32を用いても良い。保護層5の材料に高誘電率材料32を用いることにより、導体結合素子12cと通信媒体である電磁波伝搬シート1との電磁結合を強めることができる。結果としてサーフェイス通信構造の電力輸送効率を高めることが可能となる。
(変形例5)
上記実施形態において、図9に示すように、図6における電磁波結合部12の下面を構成する絶縁層30の絶縁材料として、電磁波結合部12を満たす高誘電率材料31の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率材料33を用いても良い。
絶縁層30となるコーティング材料に高誘電率材料33を用いることにより、導体結合素子12cと電磁波伝搬シート1との電磁結合を強めることができる。結果としてサーフェイス通信構造の電力輸送効率を高めることが可能となる。
(変形例6)
上記実施形態では、導体結合素子12cと基準導体12aは離間して位置しているとしたが、両者は必ずしも絶縁されていなくても良い。導体結合素子12cと基準導体12aとが絶縁されていない例としては、図10に示すように、メッシュ状の導体素子12cと基準導体12aとが、付加的な導体ポスト12dで部分的に接続される場合が含まれる。図10では付加的な導体ポスト12dは一本のみ示されているが、複数本あってもよい。さらに、導体結合素子12cと基準導体12aを導通させられれば、必ずしもポスト形状でなくてもよい。例えば、導体壁で導体結合素子12cの周囲を囲っても良い。
上記各実施形態では、メッシュ状の導体素子12cと電磁波発生部11が、導体ポスト12b・12dにより導体接続されているとしたが、必ずしも導体接続されていなくても良い。導体接続されていない例としては、図11に示すように、導体ポストの代わりにループ状導体12eが用いられる場合が含まれる。
さらには、必ずしも導体ポスト12b・12dがなくても良い。導体ポスト12b、12dがない例としては、図12に示すように、整合要素として、導体の代わりにスリット12fが用いられる場合が含まれる。スリット12fにより、スリット12fを介して伝搬する電磁波が、電磁波結合部12・21と電磁結合し易くなる効果も奏される。
このような図10の導体ポスト12b・12d、図11のループ状導体12e、図12のスリット12fは、前記給電装置部10又は受電装置部20のいずれかに配置しても良いし、双方に配置しても良い。
本発明のサーフェイス通信装置は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。例えば、上記実施形態に挙げた各構成要素や各処理プロセスの組合せに、様々な変形例が可能である。
具体的には、上記実施形態では、給電装置部10及び受電装置部20の両方が設けられていたが、いずれか一方のみが設けられていても良い。例えば、給電装置部10のみが設けられている場合においては、受電装置部20へ供給される電磁波を接触給電によって行っても良い。受電装置部20のみが設けられている場合においては、給電装置部10へ供給される電磁波を接触給電によって行っても良い。
本実施形態では、給電装置部10、受電装置部20の両方が設けられていたが、接触給電を用いる側の装置部は、別の処理プロセスで付け加えて、構成要素から除いても良い。
上記実施形態では、導体結合素子12cを構成するメッシュ状の導体は、電磁波結合部12に一つだけ設けられているが、必ずしも一つでなくても良い。例えば、メッシュ状の導体を2つにしても、3つにしても、アレイにしても良い。一般に、アレイ数を増やせば電磁波結合部12と電磁波伝搬シート1との結合を強化する効果がある。
複数の導体結合素子12cを構成するメッシュ状の導体は、必ずしも同一構造でなくても良い。
上記実施形態では、給電装置部10の導体結合素子12c、又は受電装置部20の導体結合素子12cを、非導通に電磁波伝搬シート1に接する構造を例として示してあるが、これらを隙間を挟んで配置しても良い。
上記実施形態では、図2において、電磁波伝搬シート1のメッシュ層の開口形状が、矩形である例を示しているが、矩形に限定されない。この開口形状は、電磁波伝搬シート1として適用可能な構造であれば、様々な形状へ変形できる。例えば、開口形状を六角形としても良いし、三角形としても良いし、円形としても良い。
本発明の実施形態は、エネルギーとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬する目的のサーフェイス通信装置で使用することが可能であると同時に、通信データとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬する目的のサーフェイス通信装置で使用することも可能である。
例えば、複数の給電装置と受電装置の対を電磁波伝搬シート1に搭載し、一部の給電装置と受電装置の対ではエネルギーとしての電力を伝搬させ、残りの給電装置と受電装置の対では通信データとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬させる、という目的で使用することも可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願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、2010年10月8日に出願された日本出願特願2010−228352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。
本発明は、電力を無線給電する技術に適用できる。本発明は、特に給電側からシートに電力を供給し、又はシートから負荷などの受電側へと電力を供給するサーフェイス通信装置に適用できる。
1 電磁波伝搬シート(電磁波伝搬部)
5 保護層
10 給電装置部
12 送信電磁波結合部
12a 基準導体
12b 導体ポスト
12c 導体結合素子
12d 導体ポスト
12e ループ状導体
12f スリット
20 受電装置部
21 受電電磁波結合部
30 絶縁層
31 高誘電率材料
32 高誘電率材料
33 高誘電率材料

Claims (10)

  1. 電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
    前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行う電磁波結合部を有する給電装置部とを備え、
    前記電磁波結合部は、前記電磁波伝搬部に対向して配置されるメッシュ状の導体結合素子を具備するサーフェイス通信装置。
  2. 電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
    前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する受電装置部とを備え、
    前記電磁波結合部は、前記電磁波伝搬部に対向して配置されるメッシュ状の導体結合素子を具備するサーフェイス通信装置。
  3. 電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
    前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行う電磁波結合部を有する給電装置部と、
    前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する受電装置部とを備え、
    前記給電装置部および前記受電装置部の前記電磁波結合部はそれぞれ、前記電磁波伝搬部に対向して配置されるメッシュ状の導体結合素子を具備するサーフェイス通信装置。
  4. 前記メッシュ状の導体結合素子がミアンダ状の配線を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
  5. 前記メッシュ状の導体結合素子は、前記電磁波結合部の基準導体と前記電磁波伝搬部のメッシュ状の導体層との間に配置されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
  6. 前記給電装置部及び受電装置部の少なくとも一方は、前記電磁波伝搬部と対向する側の底面にコーティングされた絶縁層を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
  7. 前記給電装置部及び受電装置部の少なくとも一方の導体結合素子と基準導体の間を満たす空間に、前記電磁波伝搬部の保護層の誘電率よりも高い、高誘電率材料が充填されている請求項1〜6のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
  8. 前記電磁波伝搬部の保護層は、前記空間を満たす高誘電率材料の誘電率よりも高い誘電率を有する高誘電率材料からなる請求項7に記載のサーフェイス通信装置。
  9. 前記給電装置部及び受電装置部の少なくとも一方の導体結合素子と、前記基準導体とは導体ポストで接続される請求項1〜8のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
  10. 前記給電装置部及び受電装置部の少なくとも一方の導体結合素子と、前記基準導体の間にはループ状導体が配置される請求項1〜8のいずれか1項に記載のサーフェイス通信装置。
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