KR19990013489A - 전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법, 에너지 전파 시스템, 통신 시스템 및 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치 - Google Patents

전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법, 에너지 전파 시스템, 통신 시스템 및 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치 Download PDF

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오사무 야마시타
마코토 가와카미
쓰네카즈 사이고
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오카모토 유지
스미토모 도쿠슈 긴조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 에너지를 전파시키고 또한 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 하여 정보를 통신하기 위한 것이다.
발신장치는 전극이 양단면에 형성된 유전체를 지니어, 전파신호에따라 변조시킨 교류전압을 이들 전극에 인가하면 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜이 발생한다. 발생한 전기 벡터 퍼텐셜은 무선회선을 통하여 수신장치로 송출된다. 수신장치는 자기센서를 지니어, 전달된 전기 벡터 퍼텐셜에 의하여 생기는 자장을 자기센서로 검출하고 그 검출결과로부터 전파신호를 얻는다.

Description

전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법, 에너지 전파 시스템, 통신 시스템 및 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치
본 발명은 완전히 신규한 에너지인 전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법과 이 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 신규 에너지 전파 시스템 및 통신 시스템과 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치에 관한 것이다.
종래에는 에너지 전파수단으로서 우주공간 등에 있어서 마이크로파(micro波)의 이용과 일반적인 통신수단으로서 전파의 이용이 널리 알려져 있다. 그러나 이들은 장애물에 의하여 차폐되기 쉽고 사용장소, 환경에 의하여 에너지, 신호의 송수신에 지장을 받는 일이 적지 않다.
또한 전자파(電磁波)를 이용하는 통신 시스템, 예를 들어 휴대폰 등은 100밀리 가우스(gauss ; G)의 누설 전자파가 있으므로 가까운 거리에서는 정밀기기측에 오동작을 일으켜 여러가지 문제를 초래할 우려가 있는것 이외에도 인체에 악영향을 줄 가능성도 무시할 수 없다. 이와같은 상황에 있어서 상기의 문제를 해결할 수 있는 새로운 통신수단의 개발이 요구되고 있다.
본 발명자들은 통신 시스템에 관한 연구과정에서 종래의 그 존재가 이미 입증되어 있는 자기 벡터 퍼텐셜(Phys. Rev. Lett. 48, 1443(1982))로부터 힌트를 얻어 전기 벡터 퍼텐셜이라는 새로운 에너지의 존재를 예측하기에 이르렀다.
그리고 이 전기 벡터 퍼텐셜에 관한 이론의 구축 및 그 존재의 입증에 힘을 기울여 이것을 실현시켰다. 또한 이 과정을 통하여 그 실용적인 용도를 탐색한 결과 전기 벡터 퍼텐셜이 비교적 먼거리까지 전파가가능하다는 것, 금속 등 전자파에 대하여 차폐물로서 기능하는 도전성(導電性) 물질의 존재에 의하여 아무런 영향을 받지 않고 전파할 수 있다는 것 등의 특성을 구비하고 있어, 전자파 대신에 새로운 통신용매체로서 이용할 수 있음을 알게 되었다.
본 발명의 첫 번째 목적은 전기 벡터 퍼텐셜 그 자체를 효율적으로 발생시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜의 전파 시스템, 즉 에너지전파 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜을 전파매체로 하는 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜을 이용한 통신 시스템에 사용되는 발신장치 및 수신장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜을 광범위하게 발생시켜 전파시킬 수 있는 전기 벡터 퍼텐셜 발생방법, 에너지 전파 시스템 및 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 저레벨, 저주파수 교류전압의 인가(印加)에 의하여 멀리 떨어진 거리에 있어서도 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 통신이 가능한 통신 시스템 및 이것을 사용하는 발신장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜의 전파거리를 회생시키는 일 없이 소형, 경량화를 도모하는 발신장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전파장애가 일어나는 장소 또는 전화등의 유선가설(有線架設)이 곤란한 장소에 있어서도 통신할 수 있는 통신방법 및 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전파장애가 일어나는 장소 또는 유선가설이 곤란한 장소에 중계 기지국으로서 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 발신·수신설비를 설치함으로써 종래의 유선회선 또는 무선회선에 의한 통신을 백업하는 통신방법 및 통신 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기 벡터 퍼텐셜과 음성을 쌍방향으로 교환할 수 있게 함으로써, 통신용 단말로서 사용의 편리성을 향상시킨 단말장치(端末裝置)를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부로부터의 복사 전자파(輻射 電磁波)를 차단함으로써 외부기기측의 오동작, 인체에 악영향을 미치는 것을 방지할수 있는 발신장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부기기 등으로부터 발생하는 전자파에 의한 자장에 대하여 자기를 차단함으로써 전기 벡터 퍼텐셜의 발생에 의한 자장의 검출감도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 수신방법 및 수신장치를 제공하는 것이다.
도 1은 전기 벡터 퍼텐셜(電氣 vector potential) 개념의 설명도,
도 2a는 유전체봉(誘電體棒)의 분극벡터에 의한 전기 벡터 퍼텐셜의 설명도,
도 2b는 영구 봉자석의 자기벡터 퍼텐셜 설명도,
도 3a는 유전체봉의 분극벡터에 의한 전기 벡터 퍼텐셜의 설명도,
도 3b는 타원주 형상의 유전체봉에 있어서의 전기 벡터 퍼텐셜의 분포도,
도 3c는 영구 봉자석의 자기 벡터 퍼텐셜 설명도,
도 4는 에너지 전파 시스템에 있어서의 일례의 구성을 나타내는 모식도,
도 5는 에너지 전파 시스템의 다른 예의 구성을 나타내는 모식도,
도 6은 통신 시스템의 구성을 나타내는 모식도,
도 7은 중계 기지국의 설비를 나타내는 블록도,
도 8은 중계 기지국에 설치되는 전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치를 나타내는 모식도,
도 9는 발신장치를 구성하는 콘덴서의 배치를 나타내는 설명도,
도 10은 중계 기지국의 다른 설비를 나타내는 블록도,
도 11은 단말장치의 설비를 나타내는 블록도,
도 12는 전기 벡터 퍼텐셜 발신장치의 전자파 차단 상태를 나타내는 단면도,
도 13a는 유전체의 다른 예의 형상을 나타내는 평면도 및 측면도,
도 13b는 유전체의 또 다른 예의 형상을 나타내는 평면도 및 측면도,
도 14는 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동자장(振動磁場)의 설명도,
도 15는 평행 프럭스 게이트형(平行 flux gate型)인 전기센서 검출부의 개략 구성도,
도 16은 자기센서 검출부의 자기 차단상태를 나타내는 단면도,
도 17a∼17d는 자기센서 동작원리의 설명도,
도 18은 자기센서에 있어서 출력전압의 주파수 특성을 나타내는 그래프,
도 19는 자기센서에 있어서 자속밀도(磁束密度)와 출력전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 에너지 송출장치 12, 52 : 유전체(誘電體)
21 : 에너지 포착장치 33 : 무선회선(無線回線)
34 : 유선회선(有線回線) 46 : 발신장치
61 : 자기센서(磁氣 sensor) 81 : 코어(core)
83 : 여자 코일(勵磁 coil) 85 : 검출 코일
본 발명은 후술하는 바와 같이 본 발명자 등이 체계화한 전기 벡터 퍼텐셜을 실용적인 기술로서 결실시킨 것이다. 이 실용적인 기술로서 전기 벡터 퍼텐셜을 에너지의 전파매체로 한 에너지 전파 시스템과 전기벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 한 통신 시스템을 개시한다.
본 발명에서는 유전체(誘電體)에 진동전압(振動電壓)을 인가하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킨다. 따라서 전기 벡터 퍼텐셜을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
또한 본 발명에서는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 에너지를 전파(傳播)시킨다. 에너지 송출장치는 전극을 양단면에 형성시킨 유전체를 지니어 이들 전극에 교류전압을 인가하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킨다. 이때 인가하는 교류전압의 전압, 주파수를 변화시킴으로써, 발생하는 전기벡터 퍼텐셜의 크기를 변동시키거나 또는 그 교류전압의 인가를 단속(斷續)시킴으로써 전기 벡터 퍼텐셜의 발생을 단속시킨다. 그리고 발생된 전기 벡터 퍼텐셜을 송출한다. 에너지 포착장치는 전기센서를 지니어, 도달한 전기 벡터 퍼텐셜에 의해 생긴 자장을 자기센서로 검출하여 그 자기센서의 출력이 포착 에너지에 상당(相當)하게 된다.
이와 같이 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 금속 등 도전체(導電體)의 존재에 영향을 받지 않고 에너지를 전파할 수 있게 된다.
또한 양 단면에 전극이 형성된 유전체를 복수개, 대략 동일 평면상에 방사상(放射狀)으로 배치시킴으로써 전기 벡터 퍼텐셜을 전방향(全方向)으로 전파시켜 광범위하게 에너지를 포착할 수 있게 된다.
또한 주변기기에 오동작 및 인체에 악영향을 미치는 것을 방지할 목적으로 에너지 송출장치를 퍼멀로이제(permalloy 製) 등의 원통체에 수납시켜 방사 전자파를 차단하는 것이 바람직하다. 또한 주변기기로부터 발생되는 전자파에 의한 노이즈자장(noise 磁場)이 자기센서로 검출되지 않도록 연자성(軟磁性) 금속 등으로 에너지 포착장치를 자기차단화(磁氣遮斷化)하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 하여 정보통신을 한다. 발신장치는 전극이 양 단면에 형성된 유선체를 지니어, 전파신호에 따라 변조시킨 교류전압, 즉 그 주파수 또는 전압이 다른 진동전압을 이 전극에 인가하면 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜이 발생한다. 발생된 전기 벡터 퍼텐셜은 무선회선을 통하여 수신장치로 송출된다. 수신장치는 자기센서를 구비하여 전달된 전기 벡터 퍼텐셜에 의하여 생기는 자장을 자기센서로 검출하고 그 검출결과로부터 전파신호를 얻는다.
이와 같이 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 전체의 설비가 간단하고, 차폐되는 일 없이 건물의 옥상, 건물의 내외에서의 송수신이 가능한 통신 시스템을 실현시킬 수 있다. 또한 이 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치의 구성이 극히 간단하여 싼값으로 해결된다.
본 발명의 통신 시스템에서는 전파장애가 일어나는 장소 또는 전화 등의 유선가설(有線架設)이 곤란한 장소에 있어서 종래의 무선회선, 유선회선 대신에 투과성이 뛰어난 전기 벡터 퍼텐셜을 이용한 통신회선의 중계 기지국을 설치함으로써 전파장애 장소, 유선회선의 가설이 곤란한 장소에 있어서도 통신할 수 있게 된다. 또한 본 발명의 통신 시스템은 전파장애의 문제도 없으며 휴대폰과 같이 누설자장이 악영향을 미칠 가능성도 없고 또한 전기 벡터 퍼텐셜은 자기 쌍극자를 가진 입자(예를 들어 전자)의 위상을 바꾸는 상호작용만 하므로, 그 상호작용은 굉장히 약하여 도전체 등에 의하여 차폐되는 일 없이 투과성이 뛰어나므로 종래의 통신매체보다도 굉장히 우수하다.
또한 양 단면에 전극이 형성된 유전체를 복수개, 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치시킴으로써, 종래의 전자파에 의한 통신과 비교하여, 발신된 전기 벡터 퍼텐셜의 전파방향이 발신측 유전체의 형상에 크게 의존한다고 하는 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 통신상의 문제를 해소시킬 수 있어 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로서 전방향으로 전파시킬 수 있으며 수신위치에 관계없이 관측자장(觀測磁場)이 안정화된다.
유전체의 두께를 5㎜ 이하, 비유전률(比誘電率)을 500 이상으로 한다. 이와 같이 하면 저레벨, 저주파수의 교류전압을 유전체에 인가하여도 전기 벡터 퍼텐셜을 충분히 장거리에 걸쳐서 전파시킬 수 있다. 또한 발신을 위한 전원의 전압 및 주파수를 낮출 수 있어 접지의 설치도 필요치 않게 됨으로써 경량화를 도모하여 발신장치의 휴대가 용이하게 된다.
또한 주변기기에 오동작 및 인체에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위하여, 발신장치를 퍼멀로이 등 금속제의 원통체에 수납시켜 방사 전자파를 차단하는 것이 바람직하다. 또한 주변기기로부터 발생되는 전자파에 의한 노이즈 자장이 자기센서로 검출되지 않도록 연자성 금속등으로 수신장치 검출부를 자기차단시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 주위 자장의 영향을 받는 일 없이 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동 자장을 정밀하게 검출할 수 있다. 자기센서로서는, 예를 들어 평행 프럭스 게이트형의 자기센서를 사용할 수 있는데, 이 경우 여진전류(勵振電流)와 동일한 주파수를 갖는 자장성분만을 검출할 수 있으므로 수신 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적 및 특징을 다음의 실시예 및 첨부도면에 의거하여 보다 명백해질 것이다.
(실시예)
이하 우선 본 발명의 기초가 되는 전기 벡터 퍼텐셜의 개념에 대하여 설명한다. 전기 벡터 퍼텐셜과 비슷한 물리량으로서의 종래 자기 벡터 퍼텐셜(磁氣vector potential)이 알려져 있다. 이 자기벡터 퍼텐셜에 대해서는 이미 전자 홀로그래피(電子 holography)에 의한 전자선의 간섭실험(干涉實驗)에 의하여 그 존재가 확인되었다(Phys. Rev. Lett. 48, 1443(1982)). 그런데 전기 벡터 퍼텐셜의 물리량에 대해서는 종래에 완전히 그 존재가 예측되었던 일은 없다.
도 1은 전기 벡터 퍼텐셜의 설명도이다. 도 1에는 전하량이 +Q, -Q인 전하입자가 거리(a)만큼 떨어져서 존재하고 있는 전기 쌍극자를 나타낸다. 지금 양쪽의 전하입자를 연결하는 선(+Q측을 z축 방향으로 함)의 이등분점(O)을 포함하는 선과 직교하는 평면(S)상에 O점을 원점으로 하여 직교 좌표측(x축) 및 직교 좌표축(y축)을 취하면, 평면(S)상에 있어서 원점(O)으로부터 거리(r)만큼 떨어진 위치에 있어서 +Q의 전하입자로부터 발생하는 전속밀도(電束密度)(*D)(이하 벡터에 대해서는 *표시를 붙여 나타내는 것으로 하고 벡터(D)는 *D로 나타낸다)는 그 x축방향 성분(Dx), y축방향 성분(Dy)은 모두 0이며 또한 z축방향 성분(Dz)만이 있으므로 각 성분(Dx, Dy, Dz)은 (1), (2)식으로 나타낼 수 있다.
그런데 자기 벡터 퍼텐셜(*A)(이하, 벡터(A)를 *A로 나타냄)에 대해서는 자속밀도(*B)(이하, 벡터(B)를 *B로 나타냄)가 div *B = 0의 조건을 만족시키도록로 정의되어 있다.
여기서 본 발명자 등이 그 존재를 예측하고 있는 전기 벡터 퍼텐셜(*C)(이하, 벡터(C)를 *C로 나타냄)에 대하여, 자기와 전기와의 유사성으로부터 이것을 자기 벡터 퍼텐셜(*A)에 대응시켜 보면 (1), (2)식에서의 전속밀도(*D)에 대하여
즉 div *D = 0의 조건이 성립한다.
따라서 전기벡터퍼텐셜(*C)은 자기 벡터 퍼텐셜(*A)에 관한와 마찬가지로 하기의 (3)식과 같이 정의될 수 있다는 것을 알 수 있다.
이 (3)식 중 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 다음과 같이 구해진다. 즉 (3)식은 (4), (5), (6)식과 같이 고쳐 쓸 수 있으므로, (4), (5), (6)식에 대응하는 관계인 (7), (8), (9)식이 성립된다.
[수 1]
[수 2]
따라서 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 (10)식으로 나타낼 수 있게 된다.
단직교 좌표내의 단위 벡터
또한 a≫r로 하면 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 (11)식과 같이 보다 간단하게 나타낼 수 있다.
그런데 벡터장(vector場)에 있어서 유한한 면에 관한 스토크 정리(Stokes' theorem)에 의하면 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 퍼텐셜로서 (12)식을 만족시킬 필요가 있다.
[수 3]
(12)식은 전기 벡터 퍼텐셜(*C)이, 예를 들어 폐루프(閉loop) 모양으로 연속되어 있다고 가정한다면 이하와 같이 증명할 수 있다.
즉,
[수 4]
가 된다.
[수 5]
한편,
가 되어 양자는 동등하게 된다.
여기에서 역으로 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 연속된 루프모양이 되는 것을 알 수 있다.
이 사실은 전기 벡터 퍼텐셜(*C)이 항상 연속적인, 다시 말해서 물리적으로 차폐되는 것이 불가능한 물리량인 것을 의미하고 있다. 따라서 에너지로서의 전기 벡터 퍼텐셜은 물론 전송할 수 있으며 전기 벡터 퍼텐셜은 통신용 신호매체로서 극히 투과성이 뛰어난 전파매체이다.
이상으로부터 본 발명자들이 그 존재를 예측한 전기 벡터 퍼텐셜은 이론상 모순없이 설명할 수 있게 된다. 또한 그 특성, 즉 연속된 루프모양으로서 에너지 전파체 또는 통신신호 전파매체에 사용되어 종래의 전자파를 이용한 통신 시스템으로는 통신할 수 없는 환경에서, 예를 들어 수중, 지중, 도전재료로 둘러싸인 공간 내외간에 있어서도 통신할수 있는 통신 시스템을 얻을 수 있게 된다.
다음에 이와 같은 전기 벡터 퍼텐셜을 그대로 에너지 전파체 또는 통신신호의 전파매체로서 이용하는 경우를 고찰하여 보면 이하와 같다.
맥스웰(Maxwell)의 전자방정식인 (13)식에 있어서,
*i = 0 즉 전류가 제로로서 전압만이 유전체에 인가되어 있는 경우에는 자장(*H)과 전속밀도(*D)와의 사이에는의 관계가 성립되므로,가 되어 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 시간적 변화가 직접 자장을 형성시킨다는 것을 알 수 있다.
자장(*H)의 절대값(H)은,이 되어, 전기 쌍극자의 중심으로부터의 거리(r)에 반비례하여 자장(*H)이 감소하므로, 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 레벨을 높이는, 다시 말해서 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 발생에 따른 자장(*H)을 크게 하기 위해서는 ∂Q/∂t를 크게 하면 된다.
또한 지자기(地磁氣) 등의 영향을 고려하게 되는데, 이것은 정자장(靜磁場)인데에 반하여 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장은 변동(진동자장(振動磁場))하고 있으므로 식별을 용이하게 할 수 있다.
다음에 유전체봉을 사용하여 전기 벡터 퍼텐셜의 개념에 대하여 다시 설명 한다.
도2a는 길고 가느다란 원주형의 분극된 유전체봉(1), 도2b는 같은 원주형의 영구봉자석(2)을 나타내고 있다. 도2a에 있어서 원주형의 유전체봉(1)에서 반경(r0)은 그 축방향의 길이(L)와 비교하여 충분히 작게 하고(r0≪L), 그 단면적을 S로 하여 양단에 +Q와 -Q의 분극전하가 있는것으로 함으로써 유선체봉(1)의 내부, 외부의 전장 및 전속밀도의 분포를 구한다. 또한 유선체봉(1)의 축방향을 z축 방향으로 하고, 그 상, 하 1/2의 중점(O)을 포함하고 z축과 직교하는 평면상에 식교좌표로서의 x축, y축을 취한다.
또한 도 3a는 분극된 타원주 형상의 유전체봉(3), 도3b는 유전체봉(3)의 상, 하 1/2의 중점(O)을 포함하는 단면, 도 3c는 같은 타원주 형상의 영구봉자석(4)을 나타낸다. 지금 도 3a에 나타내는 바와 같이 가늘고 긴 분극된 타원구 형상의 유전체봉(3)에 대하여 그 타원형의 장반경을 a, 단반경을 b, 길이를 L(L≫a, b), 단면적을 S(=πab)로 하고, 그양단에 +Q와 -Q와의 분극전하가 있는 경우의 유전체봉(3)의 내부, 외부의 전장 및 전속밀도의 분포를 구한다. 또한 유전체봉(3)의 축방향을 z축 방향으로 하고 그 상, 하 1/2의 중점(O)을 포함하는 z축과 직교하는 평면상에 직교 좌표축으로서의 x축, y축을 취한다.
유전체봉(1, 3)은 축방향으로 똑같이 분극되어 있다고 가정하고, 그전기 분극 벡터를 *P로 하면 유전체봉(1, 3)의 상, 하 중심위치에서의 외부와 내부와의 전속밀도(*D) 및 전장(*E)은, 원주형의 유전체봉(1)의 경우에는 (14)식, 타원주 형상의 유전체봉(3)의 경우에는 (15)식으로 나타낼수 있다.
[수 6]
[수 7]
여기서 전기 분극 퍼텐셜(*P)의 절대값은 P = Q / S이므로, 외부 및 내부 각각의 전속밀도(*D)는, 원주형의 유전체봉(1)의 경우에는 (16)식, 타원주 형상의 유전체봉(3)의 경우에는 (17)식으로 나타낸다.
[수 8]
[수 9]
한편 도 2b 및 도 3c에 나타내는 바와 같이 z축상으로 중심축을 갖는 가늘고 긴 영구 봉자석(2, 4)에 의한 상, 하 1/2의 중점(O)을 포함하여 z축과 직교하는 평면상의 자속밀도(*B)는 자기 벡터 퍼텐셜(*A)에 의하여 (18)식으로 나타낸다.
여기서 이와 대응하여 자기와 전기와의 유사한 성질에서 전속밀도(*D)는 전기 벡터 퍼텐셜(*C)에 의하여 (18)식과 대응하여 (19)식으로 나타낼 수 있다.
(16)식 또는 (17)식과 (19)식으로부터의 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은, 원주형의 유전체봉(1)의 경우에는 (20)식, 타원주 형상의 유전체봉(3)의 경우에는 (21)식으로 나타낸다.
[수 10]
[수 11]
또한 (20), (21)식 중 x, y는 봉을 수직으로 2등분 한 면의 면내좌표를 나타내고 *e1, *e2는 x, y직교좌표에 있어서의 단위 벡터를 각각 나타낸다.
이렇게 함으로써 전하를 포함하지 않는 면, 즉 유전체봉(1, 3)을 상하로 이등분하는 면에서는 전속밀도(*D)는 (19)식과 같이 전기 벡터 퍼텐셜(*C)에 의하여 나타낼 수 있으며, 한편 이 (19)식은 스토크의 정리에 의하여 (22)식에 나타내는 바와 같이 *C의 선적분(線積分)의 형태로 바꿔 쓰여져 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 선적분이 전하량(Q)을 나타내는 것을 알 수 있다.
[수 12]
또한 (22)식이 성립되는 것은 (16)식 또는 (17)식의 *D와 (20)식 또는 (21)식의 *C를 각각 (22)식에 대입시킴으로써 용이하게 확인할 수 있다.
결국 전기분극된 유전체봉(1, 3)의 중심 근방에는 자속밀도(*B)와 마찬가지로 전속밀도(*D)도 z축에 평행하므로, 도 2a 또는 도 3a, 3b에 나타내는 바와 같은 연속적인 원형 또는 타원형의 전기 벡터 퍼텐셜(*C)이 유전체봉(1, 3)의 외측으로 그 유전체봉(1, 3)의 단면형상을 반영하여 원형 또는 타원형으로 존재한다. 환언하면 스토크 정리가 성립되기 위해서는 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 계속 연속적일 필요가 있음으로써 이것을 물리적으로 차폐한다는 것은 불가능하므로 통신매체로서는 상당히 투과성이 있는 신호가 된다. 또한 전기 벡터 퍼텐셜(*C)이 타원형일 경우 그 전기벡터 퍼텐셜(*C) 분포의 이방성(異方性)을 적극적으로 이용하면 저출력으로 장거리를 전파시킬 수 있다.
다음에 이와 같은 전기 벡터 퍼텐셜(*C)은 전자기학적으로 관측할 수 있는 물리량인지에 대하여 검토한다. (23)식은 자장(*H)과 전속밀도(*D)에 관한 맥스웰의 전자 방정식인데,
전류밀도(*i)가 없는 경우에는 (24)식과 같이 나타낼 수 있다.
또한 (19)식의 *D를 (24)식에 대입시키면 게이지 함수(gauge 函數)(grad· ø)를 사용하여 (25)식을 나타낼 수 있다.
(25)식으로부터 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 시간적 변화량이 자장(*H)과 직접적으로 관련되어 있는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 전류밀도 *i = 0, 즉 전류 및 전하가 존재하지 않는 영역에서는 방사 게이지를 채용함으로써 게이지 함수(grad·ø) = 0으로 할 수 있으므로, (25)식은 (26)식과 같이 나타낼 수 있어 전기 벡터 퍼텐셜(*C)의 시간적 변화는 직접 자장(*H)을 발생시킨다는 것을 알 수 있다.
여기에서 원주형의 유전체봉(1) 양단의 전하량을 시간적으로 변화시킴으로써 관측되는 자장(*H)의 절대값(H)은 (20)식의 외부에 있어서의 전기 벡터 퍼텐셜(*C)을 (26)식에 대입시킴으로써 (27)식으로 나타낸다.
또 타원주 형상의 유전체봉(3) 양단의 전하량을 시간적으로 변화시킴으로써 관측되는 자장(*H)은 (21)식의 외부에 있어서의 전기 벡터 퍼텐셜(*C)을 (26)식에 대입시킴으로써 (28)식으로 나타낼 수 있다.
따라서 수신측에 있어서 관측되는 자장강도는 (27)식에서 원주 형상의 유전체봉(1)의 경우에는 거리에 반비례하여 낮아지고, (28)식에서 타원주 형상의 유전체봉(3)의 경우에는 거리에 대략 반비례하여 낮아진다. 따라서 ∂Q/∂t를 될 수 있는 한 크게 함으로써 원거리 통신이 가능케 된다.
본 발명자들은 이와 같이 정의된 전기 벡터 퍼텐셜을 이용하는 통신시스템에 있어서의 발신장치를 검토한 결과, 전기분극된 유전체봉 대신에 전압을 인가한 경우에 유기전하(誘起電荷)가 증폭되는 콘덴서형 발신장치를 생각하기에 이르렀다. 이 통신 시스템에 있어서의 발신장치, 수신장치에 관한 실험연구 과정에서 다음과 같은 사실을 알았다.
(1) 평행 평판상(平行 平板狀)의 금속 전극판 사이에 두께가 얇고 비유전률이 높은 유전체를 끼워 주파수가 변조된 전압을 인가하면 인가전압 또는 주파수를 낮추어도 그 변조 주파수에 따른 비교적 레벨이 높은 전기 벡터 퍼텐셜이 발생한다.
(2) 인가전압에 수직인 방향에 있어서의 유전체의 형상을 타원주 또는 직방체의 판상으로 함으로써 장경(長徑) 또는 장변(長邊) 방향으로 전파되는 전기 벡터 퍼텐셜은 그 신호강도가 약해지기 어렵다.
(3) 수신장치로서는 미약한 자장을 검출할 수 있는 고감도의 자기센서를 사용함으로써 멀리 떨어진 거리에서도 변조된 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동자장을 관측할 수 있는, 즉 자장에 의하여 자기센서에 유기된 전류를 관측할 수 있다. 이 결과 수신장치로서 고감도의 자기센서를 사용함으로써 발신장치에 있어서의 저전압 또는 저주파수의 전압을 인가하여도 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 송수신이 가능하다.
이하 에너지 전파매체로서 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하는 본 발명의 에너지 전파 시스템에 대하여 설명한다.
도4는 본 발명의 에너지 전파 시스템의 일례의 구성을 나타내는 모식도로서, 도에서 11은 에너지 송출장치, 21은 에너지 포착장치를 나타낸다. 에너지 송출장치(11)는 상기의 전기 벡터 퍼텐셜 설명에 사용한 전기 쌍극자에 대응하는 것으로서 유전체(12)의 양면에 전극(13, 14)이 형성된 구성(구조적으로는 콘덴서에 상당하고 있으며, 이하 이것을 콘덴서라 칭함)을 갖는다. 전극(13, 14)에 리드선(15, 16)의 일단이 접속되고 각 타단은 교류전원(17)를 포함하는 제어부(18)에 접속되어 있다. 리드선(16)의 도중에는 스위치(W)가 끼워져 있다. 이 스위치(W)를 온함으로써 교류전원(17)으로부터는 제어부(18)에 의한 제어에 따라 전극(13, 14)을 통하여 유전체(12)에 대하여 조정된 소정 주파수(f)의 교류전압(V)이 인가되도록 한다.
제어부(18)는 유전체(12)에 인가되는 진동전압, 구체적으로는 교류전압(V)과 주파수(f)를 바꾸고 또한 교류전원(17)으로부터 유전체(12)에 대한 교류전압의 인가를 단속시켜, 송출하는 전기 벡터 퍼텐셜을 크게 또는 작게 변화시키고 또 단속시켜 에너지 포착장치(21)에 대하여 에너지를 전파시킬 수 있도록 한다.
에너지 송출장치(11)의 콘덴서를 구성하는 유전체(12)는 PLZT 등을 재료로 하여 원주의 판상(두께(a))으로 형성되어 있으나, 재질(유전률(ε)), 단면적(S)(전극(13, 14)과 평행한 방향의 단면적 또는 직교하는 방향의 단면적), 두께(전극(13, 14)간의 거리에 상당), 형상(원주형상 이외의 직방체 형상) 등에 대해서는 적절하게 설정하면 된다. 또한 교류전원(17)으로부터 유전체(12)에 인가되는 교류전압(V)(=V0sin ωt) 및 주파수(f)(ω = 2πf)의 값에 대해서도 특별히 한정되는 일 없이 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킬 수 있는 값 이상으로, 전파거리(r), 에너지 포착장치(21)의 감도등을 감안하여 (29)식 또는 (30)식을 만족시키도록 설정하면 된다.
(29)식은 전하량(Q)의 시간적 변화량(∂Q/∂t)에 관한 조건식이다.
(30)식은 유전체(12)의 이등분점(O)을 포함하는 평면(S)상에 있어서, 0점으로부터의 거리(r)에 있어서의 자장(*H)의 절대값(H)을 나타낸다.
자속밀도(*B)의 절대값(B)은 B=μ0H이므로(μ0는 진공의 투자율(透磁率), (30)식을 사용하여 (31)식이 유도된다.
이 자장의 자속밀도를 에너지 포착장치(21)인 자기센서로 검출하게 된다.
자속밀도는 (31)식으로부터 명백해진 바와 같이 주파수(f) 및 전압(V0)을 높게 하면 크게 되므로, 이것을 높임으로써 검출할 수 있는 자장강도를 얻을 수 있게 된다. 단지 주파수(f)를 너무 높게 하면 전자파가 복사되고 또한 발생자장이 과대해지면 주변기기에 주는 영향도 커져 오동작의 원인이 되고 또한 인체에 악영향을 미치는 것도 생각할수 있으므로 전자파의 복사방지를 위하여 에너지 송출장치(11)는 전체를 금속통으로 덮어두는 것이 바람직하고 또한 발생자장은 수십밀리 가우스정도로 억제시키는 것이 바람직하다.
한편 에너지 포착장치(21)는 자기센서로서 구성되어 자속밀도의 변화에 대응하는 전류를 유기시키는 코일, 이 코일과 통전(通電)하는 전원 및 코일의 전류를 검출하는 전류센서 등을 구비하고 있어, 상기의 자장(*H) 또는 자속밀도(*B)를 검출하여 이것을 전류 또는 전압으로 변환시켜 자속밀도에 대응하는 출력신호를 얻을 수 있도록 하면 되고, 시판중인 고감도 자기 센서(예를 들어 홀 소자(hal1 素子)를 사용한 것, 전류식, SQUID계 등으로서 어느 것이든 5μG 정도를 검출할 수 있는 것)를 그대로 사용하여도 좋다.
단, 에너지 포착장치(21)가 주변의 각종 기기로부터 발생되는 전자파에 의한 자장을 관측하여 버려, 결과적으로 S / N비가 낮아질 우려가 있으므로 에너지 포착장치(21)(자기센서)의 주위를 연자성 금속 또는 이것을 포함하는 재료로 자기차단하여 두는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성의 에너지 전파 시스템의 동작을 설명한다. 스위치(W)를 온하여 교류선원(17)으로부터 제어부(18)에 의하여 설정된 주파수(f), 전압(V)의 교류전압을 전극(13, 14)을 통하여 유전체(12)에 인가한다. 이렇게 함으로써 에너지 송출장치(11)의 유전체(12)로부터는 두 개의 대각선으로 둘러싸인 각도(θ)의 범위내에서 전기 벡터 퍼텐셜이 송출되고 전파되어 에너지 포착장치(21)에 도달한다. 에너지 포착장치(21)는 코일에 통전된 상태로 둔다. 이렇게 함으로써 전기 벡터 퍼텐셜이 도달하면 이에 따른 자속밀도의 변화에 의하여 코일에 전류가 유기되어 코일에 흐르는 전류가 변화한다. 이 변화는 전류센서에 의하여 검출되고 코일에 유기된 전류 또는 전류센서로서 출력 상당분이 포착 에너지가 된다.
도 5는 본 발명에 있어서 에너지 전파 시스템의 다른 예의 구성을 나타내는 모식도이다. 도5에 있어서 도4와 동일부분에는 동일부호를 붙인다. 본 예에서는 유전체(12)의 서로 대향하는 양면에 전극(13, 14)이 형성된 구성을 이루는 콘덴서를 복수 개 사용하여 이들 콘덴서를 점(O1)을 중심으로 하는 동일 평면의 대략 반원주 이상에 걸쳐서, 각각 전극(13, 14)이 형성되어 있지 않은 유전체(12)의 측면을 바깥쪽으로 향한 자세에서 방사상으로 배치한다. 각 콘덴서에서는 그 유전체(12)에 있어서 평면에서 볼 때 대향하는 대각상의 두점을 연결하는 대각선(12a, 12b)의 교점(Q)을 꼭지점으로 하는 각도(θ) 방향으로 전기 벡터 퍼텐셜이 발생하여 전파하므로 전방향을 커버하기 위해서는 중심(O1) 주위에 대략 반원주 이상의 범위에 걸쳐서 서로의 위치를 이루는 상호로 끼워진 각도(α)가 적정값이 되도록 복수의 콘덴서를 배치하면 된다.
또한 각 콘덴서에 따르는 리드선(15, 16), 교류전원(17), 제어부(18) 및 스위치(W)의 구성은 상기예(도4)와 같다. 교류전원(17), 제어부(18) 및 스위치(W)는 각 콘덴서마다 형성하여도 좋으나 겸용하여도 좋다. 개별로 형성시킬 경우에는 각 전기 벡터 퍼텐셜 유닛마다 다른 레벨의 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킬 수 있는 이점이 있고 또한 겸용하면 구성의 간략화를 도모할 수 있는 이점이 있다.
그런데 상기 (31)식에 의하면 같은 자장강도를 유지하면서 인가하는 교류전압을 저주파수, 저레벨로 하기 위하여는 비유전률(ε / εo, εo : 진공 유전률)이 높은 유전체를 사용함과 아울러 유전체의 두께(a)를 얇게하고 면적(S)을 크게 하면 된다. 인가전압을 저주파수, 저레벨로 하는 것은 복사되는 전자파가 약하게 되어 콘덴서 및 리드선을 실드하고 있는 금속에 유기되는 전하량이 감소하여 접지설치가 필요치 않다는 이점이 있다. 단, 유전체의 두께를 얇게 하면 전기 벡터 퍼텐셜의 분포가 2차원적(지향성이 강함)이 된다.
이 때문에 유전체(12)의 두께는 통상은 두께5㎜ 이하, 비유전률을 500 이상으로 하고 또한 이와 같은 콘덴서를 레이디얼 방향(radia1 方向)으로 방사상으로 배치시키는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 실드재료 등에 대전(帶電)하는 선하량이 저감되어 접지가 필요치 않게 되고 중량의 경감이 도모되어 휴대가 용이하게 되며 또한 전기 벡터 퍼텐셜을 전방위로 전파할 수 있게 된다.
본 예에서는 스위치(W)를 온하고, 교류전원(17)으로부터 제어부(18)에 의하여 설정된 주파수(f), 전압(V)의 교류전압을 전극(13, 14)을 통하여 유전체(12)에 인가하면, 에너지 송출장치(11)의 유전체(12)로부터는 도5에 나타내는 바와 같이 그 두 개의 대각선(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ)의 범위내에서 전기 벡터 퍼텐셜이 송출되고 전파되어 에너지 포착장치(21)에 도달한다. 또한 각 에너지 포착장치(21)에서의 동작은 도 4에 나타내는 구성의 예와 같다.
비유전률 5000, 두께 1.0㎜의 유전체를 사용하여 구성된 콘덴서를 도 5에 나타내는 바와 같이 방사상으로 배치한 경우 자장강도의 각도 의존성을 조사하였다. 콘덴서를 퍼멀로이제 원통체(외경 : 82㎜, 내경 : 80㎜, 길이 : 30㎜, 두께 : 1㎜)로 구성된 접지내에 수납시켜 방사 전자파를 차단한 경우와 차단하지 않은 경우에 대하여 측정하였다. 또한 자기센서는 그 검출부 전체를 퍼멀로이로 덮고 전압(V)과 주파수(f)를 변화시켜 자속밀도를 측정하였다. 측정거리는 방사상 배치의 중심(O1)으로부터의 거리이다, 또한 배경자장(背景磁場)은 자기센서를 90°회전시켜 전기 벡터 퍼텐셜 전파방향과 직교하는 방향을 향하여 측정하였다. S / N비의 적부(適否) 판단은, 측정자장 / 배경 자장비가 10을 넘을 경우는 적합, 10 미만은 부적합으로 하였다. 또한 측정각도(θ)(deg)는 유전체의 중심(Q)을 통하여 전압인가 방향에 대하여 직교하는 방향의 면에 대한 각도이다. 시험결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
표 1로부터 명백해진 바와 같이 복수의 콘덴서를 방사상으로 배치한다면, 전기 벡터 퍼텐셜 분포의 이방성이 작아져 측정각도를 크게 하여도 충분한 관측자장의 강도를 얻을 수 있어, 종래의 전자파와 거의 마찬가지로 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 통신도 뛰어난 통신 시스템이라는 것이 판명되었다.
이하 통신 전파매체로서 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하는 본 발명의 통신 시스템에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 통신 시스템의 개요를 나타내는 모식도로서, 도에서 31은 중계 기지국, 32는 단말장치를 나타낸다. 중계 기지국(31)과 단말장치(32)와의 사이는, 예를 들어 전파장애 발생지역 또는 유선회선의 가설이 곤란한 장소이다. 중계 기지국(31)에는 다른 기지국을 포함하여 외부와의 사이에 전자파(빛을 포함함)를 사용하는 쌍방향의 무선회선(33), 전화 등의 유선회선(34)이 형성되어 있다. 또한 중계 기지국(31)에는 단말장치(32)와의 사이에 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 쌍방향의 무선회선(35)이 형성되어 있다.
도7은 중계 기지국(31)에 있어서의 주요설비를 나타내는 블록도이다. 다른 기지국 등으로부터 무선회선(33)을 통하여 전파된 신호 전자파(광신호를 포함함)는 우선 진폭 제한기(41)에서 진폭이 제한되어 주파수 변별기(42)에서 고주파가 여파(濾波)되고 소정 주파수로 낮춘 전압신호로서 전압 증폭기(45)에서 증폭되어 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 발신장치(46)에 입력된다. 또한 유선회선(34)을 통하여 전송되어 온 신호전류는 우선 주파수 변조기(43)에서 주파수가 변조되고 계속해서 전압 변환기(44)에서 전압신호로 변환되어 전압 증폭기(45)에서 증폭된 후 전기 벡터 퍼텐셜을 전파매체로 하는 발신장치(46)에 입력된다. 이 발신장치(46)에 의하여 단말장치(32)와의 사이에 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 통신이 이루어진다.
도 8은 발신장치(46)의 구성을 나타내는 모식도로서, 발신장치(46)는 PLZT 등을 재료(비유전률 500 이상)로 하여 원주, 타원주 또는 직방체의 판상(두께 5㎜ 이하)으로 형성된 유전체(52)의 서로 대향하는 양면에 동제(銅製) 전극(53, 54)을 은페이스트(銀 paste) 등으로 접합하여 고정시킨 콘덴서에 있어서, 전극(53, 54)에 리드선(55, 56) 각 일단을 접속하고 그 각 타단은 변조부(57)에 접속하며 또한 변조부(57)는 교류전원(58) 및 신호 발생부(59)에 접속한다. 변조부(57)는 교류전원(58)으로부터의 교류전압을 신호 발생부(59)로부터의 신호에 대응시켜 그 주파수를 AM변조 또는 FM변조 또는 PCM, 예를 들어 펄스폭 변조시켜 유전체(52)에 인가시킨다. 이렇게 함으로써 콘덴서로부터 송출되는 전기 벡터 퍼텐셜을, 예를 들어 대·소 변화 또는 단속(펄스모양)적으로 변화시킨다.
또한 도면에는 1개의 콘덴서를 구비하는 경우를 나타내고 있으나, 거기에서 발생되는 전기 벡터 퍼텐셜의 전파방향은 유전체(52)의 두 개의 대각선이 이루는 각도(θ)의 범위에 한정되므로, 전방향을 커버하기 위하여는 도 9에 나타내는 바와 같이 O1점을 중심으로 대략 반원주 이상의 범위에 걸쳐서 복수개의 콘덴서를, 각각 전극(53, 54)이 형성되어 있지 않은 유전체(52)의 측면이 외측을 향한 상태에서 방사상으로 배치하는것이 바람직하다. 이 경우 각 콘덴서는 병렬로 변조부(57)에 접속된다.
또한 중계 기지국(31)에는 단말장치(32)로부터 발생되고 전파되어 온 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 검출하여 이것을 무선회선(33)용 신호전자파(광신호를 포함함) 또는 유선회선(34)용의 신호전류로 교환하여 전송하는 설비가 설치되어 있다.
도10은 중계 기지국(31)에 설치되어 있는 다른 송수신 설비를 나타내는 블록도로서, 도면에서 61은 전파되어 온 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 검출하기 위한 자기센서이다. 자기센서(61)는 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동자장을 검출하고 이에 대응하는 전류를 출력시킨다. 이 출력전류는 전기 벡터 퍼텐셜의 미분값이므로, 적분하여 원래의 신호로 되돌리기위해 적분기(62)에 출력시킨다. 적분기(62)는 전류를 적분하여 그 적분값을 주파수 증폭 변조기(63) 및 주파수 변조기(64)에 출력시킨다. 주파수증폭 변조기(63)는 주파수를 증폭하여 마이크로파 발신기(65)에 출력시켜 무선회선(33)을 통하여 마이크로파를 송신한다. 또한 주파수 변조기(64)는 적분값의 주파수를 낮춘 후 전압 증폭기(66)로 증폭하고 유선회선(34)을 통하여 외부로 송신한다.
한편 단말장치(32)는 도 8에 나타내는 바와 같은 전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치 및 도 11에 나타내는 바와 같은 수신장치를 구비한다. 수신장치는 자기센서(61)의 출력을 적분기(62)로 시간적분하고 주파수 변조기(64)에서 적분값의 주파수를 낮추게 한 후 전압 증폭기(66)로 증폭하여 스피커(67)에 접속한다. 또한 발신장치는, 예를 들어 도 8에 나타내는 신호발생부(59)에 마이크로폰(68)을 접속시킨 것과 실질적으로 같은 구성으로서 마이크로폰(68)을 통하여 음성에 의하여 발신할 수 있도록 한다.
이렇게 함으로써 이용자는 음성으로서 전송신호를 수신할 수 있고 또한 단말장치(32)를 통하여 음성신호에 의한 신호를 송신할 수 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이 전기 벡터 퍼텐셜을 이용한 발신·수신장치와 전자파(빛을 포함함)를 사용한 무선회선(33)에 의한 발신·수신장치 또는 유선회선(34)의 발신·수신장치를 중계기지국(31)에 설치하고 또한 전기 벡터 퍼텐셜과 음성을 쌍방향으로 변환시킬 수 있도록 한 발신·수신장치를 단말장치(32)에 설치함으로써 중계 기지국(31)과 단말장치(32)로 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 쌍방향의 통신이 가능케 되고 또한 중계 기지국(31)을 종래의 무선회선(33) 또는 유선회선(34)과 접속시킴으로써 종래 통신 시스템의 약점인 통신장애가 있는 장소 등이라도 S / N비의 양호한 통신이 가능케 되는 이점이 있다. 또한 혼신 등에 의한 전파장애도 큰폭으로 완화된다. 또한 관측되는 자장은 동자장(動磁場 ; 진동자장)이므로, 지구자장 등 정자장(靜磁場)의 영향을 완전히 무시할 수 있다는 이점도 있다.
도 12는 중계 기지국(31) 및 단말장치(32)에 있어서 발신장치의 구체적인 구성을 나타내는 모식적 단면도이다. 유전체(52)는 PLZT 등을 재료로 하여 원주형상(단면적(S), 두께(a), 유전률(ε))으로 형성되어 있다. 또한 유전체(52)의 재질, 비유전률, 형상에 대해서는 특별히 상기의 것에 한정되지 않으며, 재질에 대해서는 그 밖에 티탄산 바리움(titanium酸 barium) 등을 사용할 수 있고, 형상에 대해서는 그 밖의 타원주 형상, 직방체 형상, 입방체 형상이라도 무방하다. 비유전률은 500∼10000의 범위 이내라면 무방하다.
유전체(52)로부터의 방사 전자파를 차단하기 위하여 하나 또는 복수의 콘덴서는 리드선(55, 56)의 일부를 포함하여 전체가 연질 자성 금속인 퍼멀로이제 원통체(71)에 수납되어 있다. 복수의 콘덴서를 형성할 경우에는 전극(53, 54)이 형성되어 있지 않은 면이 외측을 향한 상태에서 원호(圓弧)를 따라 복수개 배치된 상태로 복수의 콘덴서가 원통체(71)에 수납된다.
또한 리드선(55, 56)의 원통체(71) 바깥으로 인출되어 있는 부분은 그 주위가 절연체(72)로서 이중으로 전자차단되어 있고, 보다 더 바깥쪽은 퍼멀로이제 파이프(73)로서 이중으로 전자차단되어 있다.
발신장치인 유전체(52)의 전극(53, 54) 사이에 주파수(f)로 최대전압(V0)의 전압을 인가하였다고 하면,로서 유전체(52)에 인가되는 전압(V)은 (32)식으로 나타낼 수 있다.
따라서 전기 벡터 퍼텐셜(전하량)의 시간적 변화량()은 (33)식이 된다.
원주형상의 유전체(52)를 그 전극(53, 54) 사이에서 2등분한 면내의 중심축으로부터 r의 거리에서 발생하는 자장(H)은 (27)식에 의하여 (34)식으로 주어진다.
한편 자기센서(61)로 관측되는 자장은 자속밀도이므로,의 관계식으로부터 (35)식과 같이 쓸 수 있다. 이 자속밀도(B)를 자기센서(61)로 관측하게 되는 것이다.
따라서 인가하는 전압이 낮아도 전기 벡터 퍼텐셜을 고출력으로 발신시킬 수 있도록 유전체(52)의 두께를 얇게 하고 비유전률이 높은 유전체(52)를 사용한다.
콘덴서를 구성하는 유전체(52)의 다른 형상(타원주형, 직방체형)의 예에 대해서 설명한다. 도 13a는 타원주 형상(장반경(a), 단반경(b), 두께(L))의 유전체(52)를 나타내는 모식적 평면도 및 측면도, 도 13b는 직방체형(장변(長邊)(2a), 단변(短邊)(2b), 두께(L))의 유전체(52)를 나타내는 모식적 평면도 및 측면도 이다.
도 13a에 나타내는 타원주 형상의 유전체(52)에 있어서는 그 장반경(a)과 단반경(b)과의 비는 4 : 1 이상으로 또한 도 13b에 나타내는 직방체 형상의 유전체(52)에 있어서는 그 장변(2a)과 단변(2b)과의 비가 마찬가지로 4 : 1 이상으로 설정되어, 그 장경 또는 장변의 방향이 각각 방사상의 내외방향이 되도록 하여 도 9에 나타내는 바와 같이 배치한다.
유전체(52)의 형상은 발생시킨 전기 벡터 퍼텐셜의 전파에 의한 관측자장강도가 애스팩트비(aspect 比)(a / b)의 2승에 비례하므로, 관측자장 강도의 관점으로 부터 보면 될 수 있는 한 봉형상에 가까운 것이 바람직하나, 인가전압, 주파수의 값을 낮추는 관점에서는 타원주 형상, 직방체 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 장경과 단경 또는 장변과 단변의 비를 4이상으로 하는 것은 다음 이유에 의해서이다.
유전체(52)에 인가되는 교류전압(V)은 상기 (32)식으로 나타낼 수 있으므로, 전기 벡터 퍼텐셜(전하량)의 시간적 변화량()은 (36)식이된다.
따라서 도 14에 나타내는 바와 같이 (x, y)의 위치(유전체(52)를 이루는 타원형의 장축방향을 x축으로 하고 단축방향을 y축으로 함)에서 발생하는 자장(*H)의 x, y 성분은 (36)식을 상기 (28)식에 대입시킴으로써 (37)식으로 나타낼 수 있다. 도 14는 타원주 형상의 유전체(52)로부터 전기 벡터 퍼텐셜이 전파됨에 따른 진동 자장(지자기(地磁氣)인 정자장(靜磁場)에 대한 개념)의 방향을 나타내는 설명도이다.
[수 13]
수신장치에 있어서 자기센서(61)로 관측하는 자장은 자속밀도이므로,의 관계식에 의하여 (37)식은 각각 (38)식으로 나타낼 수 있다.
[수 14]
여기서 x측(a측)상과 y측(b축)상의 자속밀도. x, y 성분은 x축상, 즉 y = 0으로서 또는 y축상, 즉 x = 0으로서 (39)식으로 나타낼 수 있다.
[수 15]
따라서 인가하는 전압을 저주파수 또는 저레벨로 하기 위해서는 우선 비유전률이 높은 유전체(52)를 사용함과 아울러 유전체(52)의 두께(L)를 굉장히 얇게 하고 장경(또는 장변)과 단경(또는 단변)의 비, 결국 a / b의 비를 크게 함으로써, x축상의 자속밀도의 y성분이 커져 x축상에서 관측하는 자장강도를 높일 수 있다.
이와 같이 유전체(52)의 형상에 방향에 의한 이방성을 갖게 함으로써 인가전압을 보다 저주파수, 저레벨로 할 수 있어 복사되는 전자파가 약하게 되고, 나아가서는 전기 벡터 퍼텐셜의 발신효율도 향상되고 콘덴서 및 리드선을 차단하고 있는 금속에 유기되는 전하량도 감소하여 접지설치가 불필요해져 경량화될 수 있으므로 발신장치의 휴대가 가능케 된다는 이점이 있다.
중계 기지국(31) 및 단말장치(32)에 있어서의 수신장치에서, 될 수있는 한 전기 벡터 퍼텐셜의 신호에 의한 자장만을 검출하고 다른 기기로부터의 누설자장을 제외시켜 S / N비를 향상시킬 수 있도록 자기센서(61)로서 각종 연질 자성 재료에 의하여 자기차단한 고감도 자기센서를 사용한다.
자기센서(61)의 검출대상은 전기 벡터 퍼텐셜의 시간적 변화에 따른 자속밀도의 변화이므로, 진동자장을 고감도로 검출할 수 있는 것이라면 홀소자, 자기저항 소자, SQUID계 소자 등이 좋고, 5μG 정도 검출할수 있는 것이라면 어떠한 동작원리의 자기센서라도 무방하여, 이하 일례로서 상세하게 서술하는 평행 프럭스 게이트형(parallel flux gate type)에 한정되지 않는다. 그러나 어떠한 동작원리의 자기센서에 있어서도 전기벡터 퍼텐셜을 관측하는 경우에 주변의 각종 기기 동으로부터 발생하는 전자파에 의한 자장을 검출해버려 결과적으로 S / N비가 낮아질 우려가 있음으로써 검출부를 연자성 금속 또는 이것을 포함하는 재료로 자기차단하여 두는 것이 필요하며, 그 자기차단은 전기 벡터 퍼텐셜의 관측에 있어서 불가결하다.
도 15는 자기센서(61)의 일례인 평행 프럭스 게이트형의 자기센서 검출부를 나타내는 개략 구성도, 도 16은 이 검출부의 자기 실드 상태를 나타내는 단면도이다. 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동자장의 자속과 평행이되도록 높은 투자율을 갖는 봉형상의 연질 자성체로 이루어지는 코어(core)(81)를 검출부에 설치한다. 코어(81)에는 양단이 여자 회로(勵磁 回路)(82)에 접속된 여자코일(勵磁 coil)(83)과 양단이 수신회로(84)에 접속된 검출코일(85)이 감겨져 있다. 이 자기센서(61)의 검출부 주위를, 진동자장을 효율적으로 흡수하는 연질 자성 재료로 이루어지는 실드상자(86)로 덮고 또한 마찬가지로 연질 자성 재료로 이루어지는 실드 파이프(87) 내에 리드선(%)이 통하고 있다.
이 실드재료로서는 기본적으로는 진동자장 주파수에 맞추어 실드효율이 높은 재질의 것을 선정하면 된다. 전자파를 반사시켜 차단할 경우에는 금속 연질 자성체가 적합하며, 또한 전자파를 흡수시켜 차단할 경우에는 흡수효율이 높은 소프트 페라이트(soft ferrite)가 적합하다. 또한 넓은 주파수대역에서 차단하기 위해서 이들 재료를 복합하여 사용한다면 차단효과는 향상된다. 무엇보다도 전자파를 쉽게 반사시킬 수 있는 재료 또는 전자파를 쉽게 흡수시킬 수 있는 재료로 한다면 특별히 연질 자성 재료에 한정시킬 필요는 없다.
다음에 자기센서(61)의 동작원리에 대해서 도 17a∼17d를 참조하면서 설명한다. 도 17a∼17d에 있어서 실선은 입력자장이 없는 경우이며 파선(波線)은 입력자장이 있는 경우이다.
도 17b에 나타내는 바와 같은 삼각파(三角波)의 자장이 발생하도록 여자 코일(83)에 여자 전류(勵磁 電流)를 흘러보낸 경우에 연질 자성 재료의 코어(81)에 발생하는 B - H 곡선을 도 17a에 나타낸다. 최대 인가자장이 코어(81)를 포화(飽和)시키기에 충분한 진폭(振幅)이라면, 발생하는 자속(ø)(t)은 도 17c에 나타내는 바와 같이 코어(81)가 갖는 자기특성에 의하여 주기적으로 포화되고, 검출 코일(85)에는 도 17d에 나타내는 바와같은 주기적인 기전력(起電力)이 발생한다.
입력자장이 0인 경우 검출 코일(85)에는 (40)식에서 나타내는 바와같은 기전력(V), 즉 자속(ø)의 시간미분에 의하여 도 17d에 나타내는 바와 같은 주기적인 구형파(矩形波) 기전력이 발생한다.
이에 비하여 진동(振動)하는 미약한 입력자장이 있는 경우에는 이 입력자장의 진동수에 여자 전류의 주파수를 맞추면 코어(81)에 인가되는 자장은 도 17b의 파선으로 나타내는 바와 같이 변화하고, 코어(81)의 자속(ø)(t)은 도 17c의 파선으로 나타내는 바와 같이 위치가 바뀐다. 그결과 (40)식에 의하여 발생하는 기전력은 도 17d의 파선으로 나타내는바와 같은 위상의 차이가 생겨 여자전류의 2배의 주파수를 갖는 전압이 검출 코일(85)에 나타난다. 이 2배의 주파수 성분을 검파회로(檢波回路)에 의하여 추출하고 그 추출성분으로 교류증폭, 동기정류(同期整流)를 처리함으로써 입력자장에 비례하는 직류전압의 출력을 얻을 수 있다.
그러나 관측하는 자장은 동자장이므로, 지구자장 등의 정자장의 영향을 완전히 무시할 수 있다는 이점이 있다. 또한 이 평행 프럭스 게이트형 자기센서는 여자 전류와 동일한 주파수를 갖는 자장성분만을 검출할 수 있으므로, 각종 기기로부터 발생하는 자장성분을 제거할 수 있는 이점이 있어 감도(感度)를 비약적으로 향상시키는 데에 상당히 효과적이다. 또한 자기실드 재료의 두께도 얇게 할 수 있으므로 결과적으로 경량화에도 효과가 있다.
또한 상기의 예에서는 봉형상의 코어에 여자코일 및 검출코일을 감은 구성의 자기센서에 대하여 설명하였으나, 고리모양의 코어에 복수의 여자 코일 및 검출코일을 감은 구성을 구비한 자기센서를 수신장치에 사용하여 각 검출 코일의 전류변화를 검출하도록 하여도 좋다. 이와 같은 구성의 자기센서의 경우에는 여러 방향으로부터 전파하는 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 보다 효율적으로 검출할 수 있다. 또한 고리모양의 코어에 복수의 여자 코일 및 검출 코일을 감은 이와 같은 자기센서를 복수개 입체적으로 배치함으로써, 3차원적 공간에 입각한 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 보다 효율적이고 방향에 관계없이 검출할 수 있다.
상기와 같이 선기 벡터 퍼텐셜의 수신장치로서 자기차단한 자기센서(61)를 중계 기지국(31)과 단말장치(32)에 사용할 경우 중계 기지국(31)과 단말장치(32)와의 사이에서 이 전기 벡터 퍼텐셜에 의하여 통신할 수 있게 된다. 또한 중계 기지국(31)을 일반적인 통신망과 연결시킨다면 종래의 통신 시스템의 약점인 통신장애가 있는 장소에서도 양호한 S / N비의 통신이 가능케 되고, 혼신 등에 의한 전파장애도 큰폭으로 완화된다. 또한 이 방식을 이용한다면 통신 시스템 이외에도, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터와 마우스와의 접속 코드 철폐 등 각종 기기의 와이어리스(wireless)를 실현시킬 수 있다.
다음에 이와 같은 통신 시스템의 동작을 설명한다. 도시하지 않은 스위치를 온하여 변조부(57)는 교류전원(58)으로부터의 교류전압과 신호발생부(59)로부터의 신호에 따라 변조(FM변조 또는 AM변조 또는 펄스변조 등)하고, 교류전원(58)으로부터 송신신호에 대응하여 양 전극(53, 54)을 통하여 소정 주파수(예를 들어 10kHz), 소정전압(예를 들어 10kV)을 인가한다. 이렇게 함으로써 도 9에 나타내는 바와 같이 유전체(52)로부터 그 두 개의 대각선(52a, 52b)이 형성하는 각도(θ)의 범위내에서 전기 벡터 퍼텐셜이 송출된다. 그리고 유전체(52)로부터는 대·소 변화된 전기벡터 퍼텐셜 또는 단속된 전기 벡터 퍼텐셜이 송출되어 수신장치(자기센서(61))로 전파된다.
자기센서(61)는 상기한 바와 같이 여자 코일(83)과 통전상태(通電常態)로 유지되어 있어, 전기 벡터 퍼텐셜이 도달하면 이에 따른 자장, 구체적으로는 자속밀도가 변함으로써 자기센서(61)의 검출 코일(85)에 흐르는 전류가 변한다. 이 전류변화를 검출하여 변화에 대응하는 전압 또는 전류신호를 출력한다. 이렇게 함으로써 통신할 수 있게 된다.
이와 같은 통신 시스템에서의 발신장치에 있어서, 유전체(52), 전극(53, 54)으로부터는 전자파가 발생하여도, 이 전자파는 원통체(71), 절연체(72) 및 파이프(73)에 의하여 차단되어 있어 외부로 방사(放射)되는 일은 없다. 또한 수신장치에 있어서 주변 전기기기로부터 발생되는 전자파에 의한 자장에 대해서 실드상자(86) 및 실드 파이프(87)에 의하여 자기차단화되어 있으므로 발신장치로부터의 전기 벡터 퍼텐셜 전파에 의한 자속밀도의 변화만을 정확하게 검출할 수 있다.
이와 같은 통신 시스템에서는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신이므로, 그 우수한 투과성으로 인하여 통신환경에 의한 신호강도의 저하, 주위 전자파에 의한 S / N비의 저하 등 걱정이 전혀 없으며 또한 전기 벡터 퍼텐셜은 전자파와 같이 직진하지 않고 폐곡선(閉曲線)의 궤적을 그리기 때문에 그 투과성과 함께 무선통신이 불가능한 환경에서도 통신이 가능케 된다는 이점이 있다.
본 발명의 통신 시스템에 관한 여러 종류의 시험을 실시하였다. 이하 그 시험의 결과에 대하여 설명한다.
(시험예1)
발신장치에 1개의 콘덴서를 사용하고 주파수가 10kHz, 전압이 10kV의 교류전압을 전극(53, 54)에 인가하고, 원통체(71) 및 파이프(73)에 유기되는 전하를 피하기 위하여 이들을 접지시킨다. 한편 수신장치의 자기센서(61)는 분해능(分解能) 5μG를 사용하여 발신장치로부터의 거리(r)를 변화시켜 자속밀도를 측정하였다. 결과는 표2에 나타내는 바와 같다
[표 2]
또한 비교예로서 한쌍의 전극 사이를 직접 접속하고 이에 본 발명의 예와 같은 크기의 자장을 발생시킬 수 있도록 조정하여 주파수 10kHz의 전류를 흘러보내도록 하는 발신장치를 구성하고 또한 수신장치는 검출부의 전체를 대략 퍼멀로이로 덮은 경우와 덮지 않은 경우에 대해서 자장의 진폭을 측정하였다.
표2로부터 명백해진 바와 같이 거리(r)가 100m라도 자장은 재현성(再現性)있게 수신장치에서 검출되는 것을 알 수 있다. 또한 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장은 수신장치 자기센서의 검출부를 자기차단하는지 안하는지에 상관없이 계산값과 일치하고 있으며, 자기차단에 의한 영향은 전연 없고 자기실드는 주변 전기기기로부터의 전자파를 차단하는 기능만을 관리하고 있다는 것을 알 수 있다.
이에 대하여 비교예에서는 전류에 의하여 발생된 자장은 전자파를 차단한 경우와 그렇지 않은 경우의 결과에 큰 차이가 존재하고 있다는것을 알았다.
(시험예2)
다음에 유전체(52)로서 비유전률이 100, 500, 1000, 3000, 5000인 강유전체(强誘電體)(PLZT)의 두께를 달리하여 직경 68㎜의 원형상으로 가공하고, 이것을 리드선(55, 56)이 미리 형성되어 있는 동제 금속판(전극)(53, 54)에 은페이스트를 부착하여 끼우고 이와 같은 콘덴서 전체를 연질 자성 금속인 퍼멀로이제 원통체(71)(외경 : 82㎜, 내경 : 80㎜, 길이 : 30㎜, 두께 : 1㎜)에 삽입하여 방사 전자파가 차단된 발신장치를 구성한다.
또한 리드선(55, 56) 주위도 절연체(72)로 덮은 후 그 외주를 두께 0.5㎜의 퍼멀로이제 파이프(73)로 차단하고, 전극(53, 54)에 교류전압을 인가함으로써 실드용 원통체(71) 및 파이프(73)에 유기된 전하를 땅속으로 유도할 필요가 있는지 없는지를 알아보기 위하여 원통체(71)를 접지한 경우와 그렇지 않은 경우의 발신강도를 조사하였다.
한편 수신장치의 자기센서(61)는 분해능 5μG의 고감도의 것을 사용하여 그 검출부 전체를 두께 0.5㎜의 퍼멀로이제 실드상자(86)로 덮어 자기차단하고, 리드선(88)의 인출부에는 실드상자(86)와 같은 재료의 실드파이프(87) 일단을 연결하여 이 내부를 통하여 리드선(88)을 외부로 인출하였다.
상기한 바와 같이 발신장치 및 수신장치를 사용하여, 콘덴서에 대한 인가 교류 전압은 20V∼10kV 범위내로 변화시키고 또한 그 주파수는 2kHz∼10kHz의 범위내로 변화시켜 유전체(52)의 중심으로부터 일정거리 떨어진 위치에서 자장(μG)을 측정하였다. 결과는 표3, 표4에 나타내는 바와 같다.
[표 3]
[표 4]
표3, 표4 중 측정각도는 유전체(52) 두께방향의 2등분점을 포함하는 전압인가 방향과 직교하는 평면이 이루는 각도(θ / 2)(도 8, 9참조)이다. 또한 배경자장은 자기센서(61)의 각도를 90°회전시켜 전기 벡터 퍼텐셜의 전파방향과 직교하는 방향을 향하여 측정된 백그라운드 자장이다. 적부(適否)의 판단에 있어서, 관측자장 / 배경자장(S / N)의 비가 10을 넘은 경우는 적합으로 하고 10미만의 경우는 부적합으로 한다.
표3, 표4에서 명백해진 바와 같이 유전체(52)의 비유전률을 500 이상, 유전체(52)의 두께를 5㎜ 이하, 바람직하게는 0.1㎜까지 얇게 하면 원통체(71) 접지의 유무, 측정각도에 의하여 적부에 약간의 차이는 있으나, 전압, 주파수는 각각 50V, 4kHz까지 낮아져 전원도 큰폭으로 소형화될 수 있다. 또한 접지도 필요치 않게 됨으로써 휴대용 발신장치도 제작할 수 있다.
(시험예3)
유전체로서 비유전률이 100, 500, 3000, 5000의 강유전체(PLZT)를 두께, 형상, 치수를 변화시켜 가공시킨 후 도 12에 나타내는 바와 같이 평판 콘덴서를 제작하여 퍼멀로이제 원통체(71)에 삽입하고 방사 전자장을 자기차단하여 전체를 도 8에 나타내는 바와 같이 결선(結線)시켜 발신장치를 조립하였다. 한편 수신장치의 자기센서(61)는 고감도(분해능 : 2μG) 검출부 전체를 도 16에 나타내는 바와 같이 두께 2.0㎜의 퍼멀로이제 실드상자(86)로 덮어 자기차단하였다.
또한 콘덴서에 인가한 교류전압은 20V∼10kV까지의 범위로 변경시키고 주파수는 2kHz∼10kHz까지의 범위로 변경시켜 진동자장의 진폭을 측정하였다. 측정은 유전체(52)의 중심으로부터 유전체의 장축(또는 장변)과 단축(또는 단변)의 방향별로 일정거리(m)에서의 관측자장(μG)을 조사함으로써 이루어진다. 다른 요건은 시험예2의 경우와 같다. 측정결과를 표5, 표6에 나타낸다.
[표 5]
[표 6]
표5, 표6에 있어서 2a, 2b는 타원주 형상의 유전체(52)의 장축, 단축의 치수를 나타내고 또한 장방체 형상의 유전체(52)에 있어서는 장변, 단변의 길이를 각각 나타내고 있다. 그 외에는 표3, 표4의 경우와 마찬가지이다. 표5, 표6으로부터 명백해진 바와 같이 유전체(52)의 비유전률을 500이상, 유전체(52)의 형상 이방성(a/b)을 크게, 바람직하게는 4이상으로 하고 그 두께(L)를 0.2㎜까지 얇게 하면 전압, 주파수를 각각 50V, 5kHz까지 낮춘 상태에서 발신장치와 수신장치를 300m 떨어뜨려 놓아도 통신할 수 있다는 것을 알았다. 또한 N0.10의 관측자장으로부터 양 장치사이의 거리를 1000m로 하여도 통신이 가능하다는 결과를 얻을수 있었다.
(시험예4)
전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치로서는 도 12에 나타내는 구성을 사용하였다. 단 전극(53, 54) 사이에 끼워지는 유전체(52)는 비유전률 : 500, 두께 : 30㎜, 지름 : 28㎜로 하였다. 또한 퍼멀로이제 원통체(71)는 외경 : 42㎜, 내경 : 38㎜, 길이 : 60㎜로 하였다.
한편 자기센서(61)로서는 시판중인 자기저항 소자와 평행 프럭스 게이트형의 두종류를 사용하였다. 그리고 표7에 나타내는 바와 같은 자기특성을 지니는 재질로 자기차단한 경우와 자기차단 하지 않은 경우에 있어서의 자장의 실효값을 측정하였다.
[표 7]
또한 자기센서(61)의 코어(81)는 유전체(52)의 수직 2등분 면내에서 전기 벡터 퍼텐셜의 접선방향을 향한다. 결국 진동자장과 코어(81)의 장축이 평행하도록 코어(81)를 배치한다.
평행 프럭스 게이트형 자기센서에 있어서 출력전압의 주파수 특성 및 자속밀도의 출력전압과의 관계를 도 18 및 도 19에 각각 나타낸다. 또한 자기차단 효과가 보다 현저해지도록 유전체(52)와 자기센서(61) 사이의 거리는 항시 0.5m로 한다. 이와 같은 측정결과를 표8, 표9에 나타낸다
[표 8]
[표 9]
자기센서로서 양부(良否)의 판단은 자장 실측값에 대한 계산값의 비율로서 0.80 이상을 적합한 것으로 하고 그 미만을 부적합한 것으로 하였다. 즉 백그라운드의 자장성분이 20%인 것을 임계치로 하여 적합한지 부적합한지를 판단한다. 또한 표8, 표9에 있어서의 자기센서 형식에서 MR, FG는 각각 자기저항 소자, 평행 프럭스 게이트형을 나타낸다. 또한 자기센서의 실드재료인 연질 자성체를 복합시킨 경우에는 바깥쪽으로 퍼멀로이를 설치하여 접지하였다. Ni - Zn 페라이트의 경우에는 높은 전기 저항 때문에 접지의 의미가 없으므로 접지하지 않았다.
표8, 표9의 결과로부터 명백해진 바와 같이, 연질 자성재료인 자기를 차단하면 자기센서의 형식과는 관계없이 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 진동자장을 정밀하게 측정할 수 있으며, 금속 연질 자성체의 경우에는 접지함으로써 그 측정 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다.
(시험예5)
중계 기지국(31)으로부터 발신하여 단말장치(32)에서 수신하는 통신 시스템이 가능한지 아닌지를 실험을 하였다. 우선 중계 기지국(31)에서 마이크로파를 수신하기 위하여 시판중인 휴대폰(PHS)으로 검파(檢波)하고 증폭된 전압을 취출하여 주파수 10kHz로 주파수를 조정시킨 후 500V로 전압을 증폭하여 도 8에 나타내는 바와 같이 전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치에 접속시켰다. 발신장치는 전극(53, 54) 사이에 비유전률 5000, 두께 1㎜, 직경 20㎜의 원주형상의 유전체(52)를 끼워넣고 전극(53, 54)을 통하여 유전체(52)에 전압을 인가하여, 신호에 대응시켜 변조된 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킨다. 또한 유전체(52)로부터의 방사 전자파를 차단하기 위하여 도 12에 나타내는 바와 같이 유전체(52) 주위에 동축형상으로 퍼멀로이제 원통체(71)(외경 : 32㎜, 내경 : 30㎜)를 설치하였다. 또한 리드선(55, 56)은 절연체(72) 및 퍼멀로이제 파이프(73)속을 통하여 전압 증폭기에 접속시켰다.
한편 수신장치에 있어서는 도 16에 나타내는 바와 같이, 고감도(분해능 : 2μG) 자기센서(61)의 검출부 전체를 두께 2㎜의 퍼멀로이제 실드상자(86)로 덮어 자기차단하고 또한 리드선(88)도 퍼멀로이제 실드 파이프(87) 안을 통하여 도 10에 나타내는 바와 같이 적분기(62) 등과 접속시켰다. 이렇게 함으로써 전기 벡터 퍼텐셜의 시간변화에 의한 자장을 측정함과 동시에 자장에서 유기된 신호전류를 적분기(62)를 통하여 원래의 신호로 되돌린다. 이 신호를 증폭하여 스피커(67)에 접속시켜 음성으로 변환되도록 한다.
실험으로서는 전화회선을 이용하여 중계 기지국(31)인 휴대폰(PHS)에 접속하고 전화음성이 전기 벡터 퍼텐셜을 매체로 하여 단말장치(32)에 있어서 도 11에 나타내는 바와 같이 결선시킨 자기센서(61)에 접속된 스피커(67)로부터 출력되는지 안되는지 확인실험을 하였다.
또한 유선회선(34)으로 중계 기지국(31)에서 수신된 신호를 단말장치(32)에 송신하는 실험으로서는 전화선의 전류를 전압변환하여 전압증폭하고, 도 8에 나타내는 바와 같이 전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치에 있어서 신호 발생부(59)에 입력하여 전화음성이 단말장치(32)의 자기센서(61)에 접속된 스피커(67)로부터 출력되는지 안되는지를 실험하였다. 또한 전기 벡터 퍼텐셜의 수신장치에 있어서 스피커(67)는 전파암실 안에 놓고 전기 벡터 퍼텐셜 발신장치는 옥외에 둔다. 측정거리는 전기 벡터 퍼텐셜 발신장치와 전파암실내의 전기 벡터 퍼텐셜 수신장치 사이의 거리이다. 측정결과를 표10에 나타낸다.
[표 10]
(시험예6)
시험예5의 실험과는 반대로 단말장치(32)로부터 전기 벡터 퍼텐셜을 발신하여 중계 기지국(31)에서 수신하는 통신 시스템이 가능한지 아닌지를 실험하였다.
우선 마이크로폰(68)에서 수신받은 음성 신호전류를 전압으로 변환하여 500V로 전압증폭시킨 후 주파수 10kHz로 주파수를 변조하여 시험예5와 마찬가지인 도 8에 나타내는 바와 같이 전기 벡터 퍼텐셜의 발신장치에 있어서 신호 발생부(59)에 입력하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킨다.
발생된 전기 벡터 퍼텐셜은 시험예5와 같은 자기센서(61)로 수신된 신호전류를 시판중인 휴대폰(PHS)에 입력시켜 마이크로파를 발신시키도록 하였다. 실험으로서는 마이크로폰(68)의 음성이 전기 벡터 퍼텐셜로서 전파되고 그것을 자기센서(61)로 수신한 후 휴대폰으로부터 마이크로파로서 발신되어 전화회선으로 음성이 연결되는지 안되는지 실험하였다.
또한 자기센서(61)로 수신한 후 전류증폭으로서 전화회선에 직접 연결하여 전화 수화기로 음성이 들리는지 안 들리는지 실험하였다. 또한 실험으로서는 마이크로폰(68)과 전기 벡터 퍼텐셜 발신장치를 전파암실 안에 놓고 전기 벡터 퍼텐셜의 수신장치와 휴대폰(PHS)을 옥외에 둔다. 측정거리는 전파암실내의 전기 벡터 퍼텐셜 발신장치와 옥외의 전기 벡터 퍼텐셜 수신장치 사이의 거리이다. 측정결과는 표11에 나타낸다.
[표 11]
표10과 표11로부터 명백해진 바와 같이, 전기 벡터 퍼텐셜을 통신매체로서 사용한다면 선파암실 내외간에서도 용이하게 통신할 수 있고 시험예5, 6에서 전파장애가 있는 장소나 유선회선에 의한 교신이 불가능한 장소라도 교신할 수 있다는 것을 알았다.
본 발명은 그 근본정신을 이탈하지 않고 다양한 형태로 실시될 수 있으므로 각 실시예는 예시적인 것이지 제한적인 것이 아니다. 발명의 범위가 상세한 설명에 의해서가 아니라 특허청구범위에 의하여 결정되므로 특허청구범위에 속하는 모든 변형 및 그 등가물은 본 특허청구범위에 속한다.
본 발명은 본 발명자 등이 체계화한 전기 벡터 퍼텐셜을 실용적인 기술로서 결실시킨 것이다. 이 실용적인 기술로서 전기 벡터 퍼텐셜을 에너지의 전파매체로 한 에너지 전파 시스템과 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 한 통신 시스템이다.
본 발명에서는 유전체(誘電體)에 진동전압(振動電壓)을 인가하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시킨다. 따라서 전기 벡터 퍼텐셜을 효율적으로 발생시킬 수 있다.
또한 양 단면에 전극이 형성된 유전체를 복수개, 대략 동일 평면상에 방사상(放射狀)으로 배치시킴으로써 전기 벡터 퍼텐셜을 전방향(全方向)으로 전파시켜 광범위하게 에너지를 포착할 수 있게 된다.
또한 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 금속 등 도전체의 영향을 받지 않고 에너지를 전파할 수 있게 된다.
또한 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 하여 정보통신을 한다.
이와 같이 전기 벡터 퍼텐셜을 사용하여 전체의 설비가 간단하고, 차폐되는 일 없이 건물의 옥상, 건물의 내외에서의 송수신이 가능한 통신 시스템을 실현시킬 수 있다. 또한 이 통신 시스템에 있어서의 발신장치 및 수신장치의 구성이 극히 간단하여 싼값으로 해결된다.
또한 통신 시스템은 전파장애의 문제도 없으며 휴대폰과 같이 누설 자장이 악영향을 미칠 가능성도 없고 또한 전기 벡터 퍼텐셜은 자기 쌍극자를 가진 입자(예를 들어 전자)의 위상을 바꾸는 상호작용만 하므로, 그 상호작용은 굉장히 약하여 도전체 등에 의하여 차폐되는 일 없이 투과성이 뛰어나므로 종래의 통신매체보다도 굉장히 우수하다.
또한 발신을 위한 전원의 전압 및 주파수를 낮출 수 있어 접지의 설치도 필요치 않게 됨으로써 경량화를 도모하여 발신장치의 휴대가 용이하게 된다.
자기센서로서는, 예를 들어 평행 프럭스 게이트형의 자기센서를 사용할 수 있는데, 이 경우 여진전류(勵振電流)와 동일한 주파수를 갖는 자장성분만을 검출할 수 있으므로 수신 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

Claims (56)

  1. 유전체(誘電體)에 진동전압(振動電壓)을 인가(印加)하여 전기 벡터 퍼텐셜(電氣 vector potential)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법.
  2. 복수의 유전체 각각에 진동전압을 인가하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 대략 동일 평면상에 방사상(放射狀)으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜의 발생방법.
  4. 전기 벡터 퍼텐셜이 에너지의 전파매체(傳播媒體)인 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 에너지 전파 시스템.
  5. 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 송출하는 에너지 송출장치와,
    전기 벡터 퍼텐셜의 발생에 의하여 생기는 자장(磁場)을 포착하는 에너지 포착장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 에너지 전파 시스템.
  6. 복수의 유전체 각각에 진동전압을 인가하고 각 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 송출시키는 에너지 송출장치와,
    상기 전기 벡터 퍼텐셜의 전파에 의하여 생기는 자장(磁場)을 에너지로서 포착하는 에너지 포착장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 에너지 전파 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 전파 시스템.
  8. 전기 벡터 퍼텐셜이 신호의 전파매체인 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    전기 벡터 퍼텐셜은 단속적(斷續的)으로 발생하여 전파되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    전기 벡터 퍼텐셜은 대(大)·소(小)로 변화되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  11. 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 송출하는 수단을 갖는 발신장치와,
    송출된 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 검출하는 수단을 갖는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신시스템.
  12. 유전체와,
    그 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    송출되는 신호에 대응하여 진동전압을 변조(變調)시키는 수단을 갖는 발신장치(發信裝置)와,
    그 발신장치로부더 송출되는 전기 벡터 퍼텐셜에 의한 자장을 검출하는 수신장치(受信裝置)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  13. 복수의 유전체 각각에 진동전압을 인가하여 각 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 이것을 신호의 전파매체로서 송출시키는 발신장치와,
    전기 벡터 퍼텐셜의 전파에 의하여 생긴 자장을 신호로서 검출하는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    복수의 유전체 각각에 동시 또는 교대로 진동전압을 인가하는 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    복수의 유전체 각각에 단속하는 진동전압을 동시 또는 교대로 인가하는 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    복수의 유선체는 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  17. 복수의 유전체와,
    이들 각 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    진동전압을 신호로 하여 송출되는 신호에 대응시켜 변조하는 수단을 지니어, 상기 복수의 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시키는 발신장치와,
    그 발신장치로부터 발생되어 송출되는 전기 벡터 퍼텐셜에 의하여 형성되는 자장을 검출하는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  18. 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 송출하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  19. 유전체와,
    그 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    그 전원으로부터 상기 유전체에 인가하는 전압을 송신신호(送信信號)에 대응시켜 FM변조하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 유전체는 그 외주(外周)가 전자파 실드재료로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  21. 유전체와,
    그 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    그 전원으로부터 상기 유전체에 인가하는 전압을 송신신호에 대응시켜 AM변조하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유전체는 그 외주가 전자파 실드재료로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 발신장치
  23. 유전체와,
    그 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    그 전원으로부터 상기 유전체에 인가하는 전압을 송신신호에 대응시켜 단속시키는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유전체는 그 외주가 전자파 실드재료로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  25. 복수의 유전체 각각에 진동전압을 인가하여 발생시킨 전기 벡터 퍼텐셜이 신호의 전파매체인 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  27. 복수의 유전체와,
    그 유전체 각각에 진동전압을 인가하기 위한 하나 또는 복수의 전원과,
    그 전원으로부터 상기 유전체에 인가하는 전압을 송신신호에 대응시켜 AM변조 또는 FM변조하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 유전체는 그 외주가 전자파 실드재료로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  30. 복수의 유전체와,
    그 유전체 각각에 진동전압을 인가하기 위한 하나 또는 복수의 전원과,
    그 전원으로부터 상기 유전체에 인가하는 전압을 송신신호에 대응시켜 단속시키는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 그 외주가 전자파 실드재료로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 복수의 유전체는 대략 동일 평면상에 방사상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  33. 전기 벡터 퍼텐셜의 발생에 따른 자장을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 수신장치.
  34. 제33항에 있어서,
    단속적으로 발생되어 전파된 전기 벡터 퍼텐셜에 따른 자장을 검출하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  35. 제33항에 있어서,
    대·소로 변화하는 전기 벡터 퍼텐셜에 따른 자장을 검출하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  36. 두께 5㎜ 이하, 비유전률 500 이상의 유전체에 진동전압을 인가하여 상기 유전체로부터 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시켜 이것을 신호의 전파매체로서 송출하는 발신장치와,
    전기 벡터 퍼텐셜의 전파에 의하여 생긴 자장을 신호로서 검출하는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 타원형의 형상을 이루어, 그 대향하는 타원형의 양 바닥면 각각에 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 타원형의 형상을 이루어 그 타원형의 장축(長軸)과 단축(短軸)과의 비가 4 이상인 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 장방형의 형상을 이루어 그 대향하는 장방형의 양 바닥면 각각에 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  40. 제36항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 장방형의 형상을 이루어 그 장방형의 장변과 단변과의 비가 4이상인 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  41. 두께 5㎜ 이하, 비유전률 500 이상의 유전체와,
    그 유전체에 진동전압을 인가하기 위한 전원과,
    상기 진동전압을 신호로서 송출하는 신호에 대응시켜 변조하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 발신장치.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 타원형의 형상을 이루어 그 대향하는 타원형의 양 바닥면 각각에 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 타원형의 형상을 이루어 그 타원형의 장축과 단축과의 비가 4 이상인 것을 특징으로 하는 발신장치.
  44. 제41항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 장방형의 형상을 이루어 그 대향하는 장방형의 양 바닥면 각각에 전극이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 발신장치.
  45. 제41항에 있어서,
    상기 유전체는 단면이 장방형의 형상을 이루어 그 장방형의 장변과 단변과의 비가 4이상인 것을 특징으로 하는 발신장치.
  46. 유선회선 또는 전자파를 전파매체로 사용하는 무선회선에 전기 벡터 퍼텐셜을 전파매체로 사용하는 무선회선을 접속시켜 통신하는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신방법.
  47. 입력되는 신호를 전압신호로 변환시켜 유전체에 인가하여 전기 벡터 퍼텐셜을 발생시키는 발신장치와,
    상기 전기 벡터 퍼텐셜을 포착하여 이것을 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  48. 전파매체인 전기 벡터 퍼텐셜을 포착하여 이것을 음성으로 변환시켜 출력하는 제 1 변환장치와,
    음성을 전파매체인 전기 벡터 퍼텐셜로 변환시켜 발신하는 제 2 변환장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템.
  49. 전기 벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 하는 통신 시스템에 있어서,
    신호의 전파매체가 되는 전기 벡터 퍼텐셜과는 무관계인 자장에 대하여 자기차단한 자기센서로 전기 벡터 퍼텐셜의 시간적 변화에 의하여 생기는 자장을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜의 시간적 변화에 의하여 생기는 자장을 전파매체로서 수신하는 수신방법.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 전기 벡터 퍼텐셜은 유전체에 진동전압을 인가하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 수신방법.
  51. 전기 벡터 퍼텐셜의 시간변화에 의하여 생기는 자장을 검출하는 자기센서와,
    신호의 전파매체인 전기 벡터 퍼텐셜과는 무관계인 자장에 대하여 상기의 자기센서를 차단하는 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기벡터 퍼텐셜을 신호의 전파매체로 하는 통신 시스템으로서, 전기 벡터 퍼텐셜의 시간적 변화에 의하여 생기는 자장을 전파신호로서 수신하는 수신장치.
  52. 제51항에 있어서,
    상기의 자기센서는 봉형상의 연질 자성 재료로 이루어지는 코어(core)와,
    그 코어에 감겨진 검출 코일(檢出 coil) 및 여자 코일(勵磁 coil)과,
    검출대상의 진동자장의 진동수에 상기 코어의 공진 진동수가 일치하는 여자 전류(勵磁 電流)를 상기 여자 코일에 흐르게 하는 회로를 구비하는 평행 프럭스 게이트형(平行 flux gate型)의 자기센서인 것을 특징으로하는 수신장치.
  53. 제51항에 있어서,
    상기 자기센서의 검출부가 연질 자성 재료(軟質 磁性 材料)로 자기차단되어 있는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  54. 제51항에 있어서,
    상기 자기센서의 검출부가 접지(接地)되도록 하는 연질 금속 자성재료로 자기차단되어 있는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  55. 여자 코일과,
    검출 코일과,
    상기 여자 코일과 통전하는 회로와,
    상기 검출 코일에 흐르는 전류를 검출하는 회로로 구성되어 있는것을 특징으로 하는 전기 벡터 퍼텐셜을 사용한 통신 시스템에 있어서의 수신장치.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 여자코일 및 검출코일은 그 외주가 자기차단 재료로 덮여있는 것을 특징으로 하는 수신장치.
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