JPWO2014045486A1 - シート伝送システム、電磁波伝播シート及び近接カプラ - Google Patents

Abstract

本願発明の一態様にかかるシート伝送システムは、誘電体からなる保護層（１４）を有する電磁波伝播シート（１０）と、電磁波伝播シート（１０）との間で電磁波の伝送を行う近接カプラ（２０）と、電磁波伝播シート（１０）と、近接カプラ（２０）において給電点を有するプレーン形状導体（２２）との間に設けられ、保護層（１４）よりも誘電率が大きい第１の誘電体（３０）を備えたものである。これにより、近接カプラを小型化することができる。

Description

本発明は、電磁波の伝送を行うシート伝送システム、電磁波伝播シート及び近接カプラに関する。

シート状媒体を介して電子機器の間で通信を行うシステムとして、二次元通信システムが提案されている。二次元通信システムは、電磁波伝播シートと近接カプラから構成される。近接カプラは、電磁波伝播シートの表面から染み出す電磁界を利用してシート内部との間で電磁波の入出力を行う電磁結合デバイスである。この近接カプラを電子機器のアンテナ端子と接続してシート上に設置することによってシートの任意の位置において電子機器間の通信を実現できる。このような二次元通信システムは、電磁波伝播シートの表面上で通信が可能になることから、サーフェイス通信システムと呼ばれることもある。

電磁波伝播シートと近接カプラから構成される二次元通信システムは、特許文献１や非特許文献１、非特許文献２などに開示されている。

図１１に電磁波伝播シートの上に近接カプラを載せた状態の断面図を示す。電磁波伝播シート１０は、誘電体（通信層）１１の両面に導体２層（メッシュ形状導体１３とプレーン形状導体１２）を配置している。

メッシュ形状導体１３の上には、メッシュ形状導体１３を保護する誘電体（保護層）１４が設置されている。電磁波伝播シート１０内部、即ちメッシュ形状導体１３とプレーン形状導体１２の間を伝播する電磁波は、メッシュ形状導体１３の開口部から染み出す。この二次元通信システムでは、この染み出した電磁波を介してシート上に置かれた電子機器間で通信を実現する。

この技術は、通信のみならず、電力伝送にも応用可能である。電力伝送に応用した場合には、高周波電源に接続された給電用のカプラからシート内に高周波の交流電力を注入する。そして、受電用の近接カプラは、シート表面から染み出した電磁波を吸上げて、整流回路で直流に変換し、電子機器に電力を供給する。

特許４５３８５９４（図１、図９）

篠田裕之ら、「表面マイクロ波を用いた信号と電力の同時伝送法(ユビキタス・センサネットワークを支える理論、および一般)」、社団法人電子情報通信学会技術研究報告 Vol.107, No.53(20070517) pp. 115-118 A. Noda, H Shinoda, "Selective Wireless Power Transmission Through High-Q Flat Waveguide-Ring Resonator on 2-D Waveguide Sheet," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques., vol.59, no.8, pp.2158-2167, Aug. 2011.

非特許文献２に開示されている電力伝送用のシステムでは、電磁波伝播シートは、保護層の誘電率が小さく、近接カプラの誘電体も保護層と同じ誘電体が使われている。そのため誘電率の高い材料を使う場合と比べて波長短縮効果が大きく得られず、近接カプラのサイズが大きくなる。例えば、このような近接カプラは、携帯端末の内蔵用としては適さない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、近接カプラを小型化できるシート伝送システム、電磁波伝播シート及び近接カプラを提供することを目的とする。

本願発明の一態様にかかるシート伝送システムは、誘電体からなる保護層を有する電磁波伝播シートと、当該電磁波伝播シートとの間で電磁波の伝送を行う近接カプラと、前記電磁波伝播シートと、前記近接カプラにおいて給電点を有する導体との間に設けられ、前記保護層よりも誘電率が大きい第１の誘電体を備えたものである。

本願発明の一態様にかかる電磁波伝播シートは、誘電体からなる保護層を有し、近接カプラとの間で電磁波の伝送を行う電磁波伝播シートであって、近接カプラ側の最上層に、前記保護層よりも誘電率が大きい第１の誘電体層を設けたものである。

本願発明の一態様にかかる近接カプラは、スロットが設けられたプレーン形状導体と、プレーン形状導体と誘電体を介して設けられたパッチ導体とを有し、当該電磁波伝播シートとの間で電磁波の伝送を行う近接カプラであって、前記誘電体と前記パッチ導体の間に、前記誘電体よりも誘電率が高い第１の誘電体を設けたものである。

本発明によれば、近接カプラを小型化できるシート伝送システム、電磁波伝播シート及び近接カプラを提供することができる。

本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムにおける電磁波伝播シートの平面分解図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムにおける近接カプラの平面分解図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムにおける近接カプラの断面図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムにおける近接カプラの平面分解図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムを説明するための図である。 関連技術にかかるシート伝送システムを説明するための図である。

発明の実施の形態１．
本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムは、電磁波伝播シートと、近接カプラにおいて給電点を有する導体との間（典型的には、電磁波伝播シートと近接カプラの間）に、電磁波伝播シートの保護層より誘電率の大きい誘電体を設置する。本実施の形態にかかるシート伝送システムでは、誘電体が電磁波伝播シートと、近接カプラにおいて給電点を有する導体との間（電磁波伝播シートと近接カプラの間）に設置されることによって、近接カプラの共振周波数を決める、プレーン形状導体と電磁波伝播シートのメッシュ形状導体の間の構造の実効誘電率が大きくなるため、近接カプラの共振周波数が低周波側にシフトする。これにより、近接カプラのサイズを小さくすることが可能となる。

図１は、本実施の形態１にかかるシート伝送システムの構成を示している。図１に示されるように、シート伝送システムは、電磁波伝播シート１０、近接カプラ２０及び誘電体３０を備えている。誘電体３０は、電磁波伝播シート１０と、近接カプラ２０の間に設けられる。

電磁波伝播シート１０は、平面視が矩形の板状シートである。この電磁波伝播シート１０は、剛性を有していてもよく、あるいは、折り曲げ可能であってもよい。電磁波伝播シート１０は、通信層１１、プレーン形状導体１２、メッシュ形状導体１３及び保護層１４を有する。通信層１１、プレーン形状導体１２、メッシュ形状導体１３及び保護層１４はいずれもシート状である。ここで、「シート状」とは、面としての２次元の広がりを持ち、厚さが薄いものの状態を言う。シート状の一例としては、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状、などがある。

図２に電磁波伝播シート１０の平面分解図を示す。通信層１１は、誘電体より構成されている。この通信層１１は、プレーン形状導体１２とメッシュ形状導体１３により挟まれている。通信層１１は、電磁波伝播シート１０の使用目的等に応じて材質が選択される。例えば、通信層１１としては、樹脂、ゴム、ポリマーの発泡体、ゲル材等を用いることができる。

プレーン形状導体１２は、通信層１１の下面全体に亘って一様に拡がって設けられた表面導体層である。プレーン形状導体１２は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔や金属板により構成される。

メッシュ形状導体１３は、例えば、正方形のメッシュ形状の構造を有する裏面導体層である。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い。メッシュの繰返しの単位寸法は、通信層１１の電磁波長より十分に短い。

なお、「メッシュ形状」とは、規則的な網目である状態の他、規則的又は不規則的な形状の複数の開口が形成されている状態を言う。メッシュ形状としては、開口部の形状が矩形である格子パターンが典型的ではあるが、その他、開口部の形状としては亀甲形、菱形、円形、三角形など各種形状をとり得る。メッシュ形状導体１３は、金属（例えばアルミニウム）の薄板をエッチングすることによって製造でき、製造時にメッシュ状の部分をパターン形成してしまえばよい。

メッシュ形状導体１３よりエバネッセント波と呼ばれる電磁波が滲み出すことで、メッシュ形状導体１３の上方に電磁波の浸出領域が形成される。

プレーン形状導体１２及びメッシュ形状導体１３は、略平行な状態で配置され、プレーン形状導体１２及びメッシュ形状導体１３に挟まれる狭間領域を電磁波が進行する。ここでは、シート状の通信層１１の両面にそれぞれプレーン形状導体１２とメッシュ形状導体１３とが形成されるため、通信層１１内を電磁波が進行する。

保護層１４は、メッシュ形状導体１３の上面（通信層１１と反対側の面）の全体を覆うように設けられた誘電体である。保護層１４は、メッシュ形状導体１３が外力によって損傷するのを防止するために設けられる。保護層１４としては、例えば、樹脂、ゴム、ポリマーの発泡体、ゲル材、中空の構造体等を用いることができる。

一般的に、電磁波伝播シート１０に電磁波を送り込む装置が当該電磁波伝播シート１０の長手方向端部に取り付けられることで、電磁波伝播シート１０上に載置される近接カプラ２０との通信や給電が行われる。電磁波を送り込む装置は電磁波伝播シート１０上に載置されてもよい。

近接カプラ２０は、誘電体２１と、その両面に設けられた２層の導体層（プレーン形状導体２２、パッチ導体２３）を備えるカプラ型受電装置である。近接カプラ２０は、電磁波伝播シート１０に載置して使用されるインタフェース装置であり、電磁波伝播シート１０との間で電磁波の送受を行う。

図３に近接カプラ２０の平面分解図を示す。
誘電体２１としては、例えば、樹脂、ゴム、ポリマーの発泡体、ゲル材等を用いることができる。近接カプラ２０の誘電体２１は、電磁波伝播シート１０の保護層１４と同じ材料によって構成してもよい。この場合に、誘電体２１と保護層１４の誘電率は同じとなる。

プレーン形状導体２２は、給電点を有し、誘電体２１の上面の全体を覆うような平面形状を有する。また、プレーン形状導体２２は、その一部を細長の矩形状に切り欠いたスロット２４を有する。図３に示されるように、プレーン形状導体２５のスロット２４の位置は、パッチ導体の内側にあり、給電点でインピーダンスマッチングがとれる位置形状をしている。給電点はスロットの両端の導体の部分に置かれる。プレーン形状導体２２は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔や金属板により構成される。

パッチ導体２３は、誘電体２１の下面においてその中央近傍の一部領域を覆うような平面形状を有する。ここで、「パッチ」とは、小片、もしくは断片と言う意味であり、板状のマイクロストリップアンテナが「パッチアンテナ」と呼ばれているように、電磁波工学の分野では上述の意味で一般的に使用される用語である。パッチ導体２３の長手方向の長さは、電磁波伝播シート１０に当該近接カプラ２０を載せたときに、電磁波伝播シート１０を伝播する電磁波の周波数で共振するように設定される。パッチ導体２３は、例えば、銅やアルミニウム等の金属箔や金属板により構成される。

図３に示される構成は、例えば、プリント基板によって実現できる。具体的には、プリント基板の上面にプレーン形状導体２２を設け、プリント基板の下面にパッチ導体２３を設ける。また、プレーン形状導体２２としてはプリント基板の導体層を用い、パッチ導体２３をプリント基板とは別の銅板を用いて、それらを誘電体の両面に接着して実現することも可能である。

図４及び図５に、近接カプラの他の構成例を示す。この構成例では、プレーン形状導体２２に形成されている独立した電位の給電点と、パッチ導体２３の間が導体２５によって電気的に接続されている。導体２５の位置は、給電点でインピーダンスマッチングがとれる位置に設定される。

パッチ導体２３の長さは、電磁波伝播シート１０に近接カプラ２０を載せたときに、電磁波伝播シート１０を伝播する電磁波の周波数で共振するように設定される。図４及び図５に示される構成は、例えば、プリント基板で実現される。
なお、近接カプラ２０は、平板状であるが、折り曲げ可能な構成としても良い。

本実施の形態では、図１に示されるように、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３０を設置している。誘電体３０は、平板である必要はなく、波打った形でも凸凹形状でも良い。また、誘電体３０は、一部に穴があいていても良い。

電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に保護層１４と同じ誘電率の誘電体を設置しても波長短縮は大きくならない。これに対して、その位置に、保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３０を設置すると、近接カプラ２０のプレーン形状導体２２と、電磁波伝播シート１０のメッシュ形状導体１３の間の構造の実効誘電率が大きくなる。このため、近接カプラ２０の共振周波数が低周波側にシフトする。

特に、非特許文献２に開示されている電力伝送用のシステムのように、電磁波伝播シートの保護層の誘電率が小さく設定されている場合は、波長短縮の効果が大きい。近接カプラ２０の共振周波数が低周波側にシフトすることにより、関連技術で示されるように誘電体がない場合と比較して、パッチ導体２３のサイズを小さくすることができ、近接カプラ２０の小型化が可能となる。そのため、関連技術に開示されたシート伝送システムと比べて、携帯端末に内蔵するのに適した近接カプラ２０が実現できる。

誘電体３０はパッチ導体２３よりサイズが大きいことが望ましい。その理由は、パッチ導体２３と電磁波伝播シート１０のメッシュ形状導体１３の間の電界はパッチ導体２３のサイズよりも大きい範囲に広がるため、パッチ導体２３のサイズよりも大きくしたほうが実効誘電率は大きくなるためである。

図６に、本実施の形態にかかるシート伝送システムが奏する効果を確認するために行った実測結果を示す。図６の下段のように、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に誘電体３０を設置している。メッシュ形状導体１３とプレーン形状導体１２の間に給電点（Port1）を設けた。また、近接カプラ２０のプレーン形状導体２２のスロット２４の両サイドに給電点（Port2）を設けた。スロット２４は、紙面垂直方向に長い形状である。そして、各給電点をネットワークアナライザに接続して伝送特性S21を測定した。電磁波伝播シートは定在波が立たないようにしてある。

近接カプラ２０の誘電体２１と電磁波伝播シート１０の保護層１４は、比誘電率１．１７で厚み４ｍｍである。これに対して、誘電体３０の比誘電率は２．６で誘電正接（tanδ）は０．００３である。また、メッシュ形状導体１３とプレーン形状導体１２の間の誘電体（通信層）１１の比誘電率は２．１で厚み１ｍｍである。

誘電体３０の厚みｔを変えて伝送特性を測定した結果が、図６の上段に示すグラフである。誘電体３０を設置しない場合と比較して、設置することにより共振周波数（伝送量がピークを示す周波数）が低周波側にシフトしていることがわかる。さらに、誘電体３０の厚みｔを０．２ｍｍから０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍと段階的に大きくすることにより、徐々に共振周波数が低周波側にシフトしていることがわかる。

この実測の結果から、本発明の実施の形態にかかるシート伝送システムのように、近接カプラ２０と電磁波伝播シート１０の間に、保護層１４より誘電率の高い誘電体３０を設置することにより、共振周波数が低下していることが確認できた。

発明の実施の形態２．
図７は、本実施の形態２にかかるシート伝送システムの構成を示した図である。発明の実施の形態１にかかるシート伝送システムとは、誘電体３０が、単一層でなく、誘電率の異なる誘電体３１と誘電体３２が複数層に積層された構造を有している点で異なる。その他の構成については、発明の実施の形態１と同じである。

誘電体３１と誘電体３２はいずれもシート状の誘電体層である。誘電体３１と誘電体３２の誘電率は、誘電体３１の方が誘電体３２よりも大きくても、またその逆であってもよい。誘電体３１と誘電体３２の誘電率は、いずれも電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも高い。さらに、誘電体３０は、誘電体３１・誘電体３２の２層である必要もなく、３層以上の多層構造であっても良い。

本実施の形態２にかかるシート伝送システムにおいても、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３１、３２を設置しているため、共振周波数を低下させることができ、近接カプラ２０を小型化させることが可能となる。

発明の実施の形態３．
図８は、本実施の形態３にかかるシート伝送システムの構成を示した図である。発明の実施の形態１にかかるシート伝送システムとは、誘電体３３が、近接カプラ２０が内蔵される電子機器の筐体を構成している点で異なる。その他の構成については、発明の実施の形態１と同じである。

誘電体３３は、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも高い誘電率を有する。図８に示す誘電体３３は、電子機器の筐体として、近接カプラ２０を含む電子部品の全体を内蔵する箱体である。この例においては、筐体の全てを同じ材料からなる誘電体３３により一体的に構成しているが、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に位置する、筐体の一部のみを電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも高い誘電率を有する誘電体３３とするようにしてもよい。さらには、誘電体３３は、単一層でなくとも複数層であってもよい。

本実施の形態３にかかるシート伝送システムにおいても、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３３を設置しているため、共振周波数を低下させることができ、近接カプラ２０を小型化させることが可能となる。特に、本実施の形態３では、誘電体３３は近接カプラ２０が内蔵される電子機器の筐体を構成しているため、筐体以外に誘電体を設ける場合に比べて、電子機器自体を小型化することができ、また部品点数を減らすことも可能となる。

発明の実施の形態４．
図９は、本実施の形態４にかかるシート伝送システムの構成を示した図である。発明の実施の形態１にかかるシート伝送システムとは、誘電体３４を電磁波伝播シート１０と一体にした点で異なる。その他の構成については、発明の実施の形態１と同じである。

誘電体３４は、電磁波伝播シート１０と平面形状において同じ形状を有するシート状の誘電体層である。当該誘電体３４は、電磁波伝播シート１０の保護層１４の外側の面（上面）で当接し、近接カプラ２０側の最上層に位置する。誘電体３４は、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも高い誘電率を有する。誘電体３４は、単一層でなくとも複数層であってもよい。

本実施の形態４にかかるシート伝送システムにおいても、電磁波伝播シート１０と近接カプラ２０の間に、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３４を設置しているため、共振周波数を低下させることができ、近接カプラ２０を小型化させることが可能となる。特に、本実施の形態４では、誘電体３４は電磁波伝播シート１０と一体に構成されているため、取り扱いが容易であり、かつ電磁波伝播シート１０の上面全体を確実に覆うことが可能となるため、電磁波伝播シート１０の全面に亘って均一に精度良く共振周波数を低下させることができる。

発明の実施の形態５．
図１０は、本実施の形態５にかかるシート伝送システムの構成を示した図である。発明の実施の形態１にかかるシート伝送システムとは、誘電体３５を近接カプラ２０と一体にした点で異なる。その他の構成については、発明の実施の形態１と同じである。

誘電体３５は、近接カプラ２０の誘電体２１と平面形状において同じ形状を有するシート状の誘電体層である。当該誘電体３５は、近接カプラ２０の誘電体２１の外側の面（下面）で当接している。この誘電体３５の下面（誘電体２１とは反対側の面）には、パッチ導体２３が設けられている。即ち、この誘電体３５は、誘電体２１とパッチ導体２３との間に設置されている。誘電体３５は、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも高い誘電率を有する。誘電体３５は、単一層でなくとも複数層であってもよい。

誘電体２１が誘電体３５より誘電率が低い場合、即ち、誘電体３５が誘電体２１よりも誘電率が高い場合、波長短縮効果が大きくなることによる近接カプラの小型化が可能である。この構造は積層基板により実現できる。また、誘電体２１に誘電体３５を接着材などで貼り付けてその上に銅の板等で作成されたパッチ導体２３を貼り付けても良い。

本実施の形態５にかかるシート伝送システムにおいても、電磁波伝播シート１０と、近接カプラ２０のプレーン形状導体２２の間に、電磁波伝播シート１０の保護層１４よりも誘電率の高い誘電体３５を設置しているため、共振周波数を低下させることができ、近接カプラ２０を小型化させることが可能となる。特に、本実施の形態５では、誘電体３４は近接カプラ２０と一体に構成されているため、取り扱いが容易であり、かつ近接カプラ２０の下面全体を確実に覆うことが可能となるため、近接カプラ２０の全面に亘って均一に精度良く共振周波数を低下させることができる。

その他の実施の形態．
近接カプラ２０は、例えば、携帯電話、携帯端末、携帯型コンピュータ等の携帯デバイスに内蔵することができる。特に、本実施の形態にかかる近接カプラ２０は、小型化が可能であるため、携帯デバイスの小型化、軽量化を容易に実現可能である。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、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、２０１２年９月２４日に出願された日本出願特願２０１２−２０９９１０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。

１０ 電磁波伝播シート
１１ 通信層
１２ プレーン形状導体
１３ メッシュ形状導体
１４ 保護層
２０ 近接カプラ
２１ 誘電体
２２ プレーン形状導体
２３ パッチ導体
２４ スロット
３０〜３５ 誘電体

Claims (10)

1. 誘電体からなる保護層を有する電磁波伝播シートと、
   当該電磁波伝播シートとの間で電磁波の伝送を行う近接カプラと、
   前記電磁波伝播シートと、前記近接カプラにおいて給電点を有する導体との間に設けられ、前記保護層よりも誘電率が大きい第１の誘電体を備えたシート伝送システム。
2. 前記第１の誘電体は、前記電磁波伝播シートと近接カプラの間に設けられたことを特徴とする請求項１記載のシート伝送システム。
3. 前記第１の誘電体は、前記近接カプラを内蔵する電子機器の筐体であることを特徴とする請求項２記載のシート伝送システム。
4. 前記第１の誘電体は、前記電磁波伝播シートの保護層よりも外側の最上層に設けられていることを特徴とする請求項２記載のシート伝送システム。
5. 前記第１の誘電体は、前記近接カプラにおいて給電点を有する導体とパッチ導体の間に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシート伝送システム。
6. 前記第１の誘電体は、誘電率の異なる材料が積層された複数層より構成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のシート伝送システム。
7. 前記電磁波伝播シートは、プレーン形状導体と、メッシュ形状導体と、当該プレーン形状導体とメッシュ形状導体が両面に設けられた通信層とを有し、前記保護層は、前記メッシュ形状導体を覆う位置に設けられた請求項１から６いずれかに記載のシート伝送システム。
8. 前記電磁波伝播シートの保護層と、前記近接カプラの誘電体とは、同じ誘電率を有する請求項１〜７いずれかに記載のシート伝送システム。
9. 誘電体からなる保護層を有し、近接カプラとの間で電磁波の伝送を行う電磁波伝播シートであって、
   近接カプラ側の最上層に、前記保護層よりも誘電率が大きい第１の誘電体層を設けた電磁波伝播シート。
10. スロットが設けられたプレーン形状導体と、プレーン形状導体と誘電体を介して設けられたパッチ導体とを有し、当該電磁波伝播シートとの間で電磁波の伝送を行う近接カプラであって、
    前記誘電体と前記パッチ導体の間に、前記誘電体よりも誘電率が高い第１の誘電体を設けた近接カプラ。

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