WO2007032049A1

WO2007032049A1 - 信号伝達装置

Info

Publication number: WO2007032049A1
Application number: PCT/JP2005/016718
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Shinoda; Hiroto Itai; Naoya Asamura
Original assignee: Cell Cross Corporation; The University Of Tokyo
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2007-03-22
Also published as: WO2007032339A1; EP1926221A1; US20090128256A1; EP1926222A1; JPWO2007032049A1; US7626561B2; JP4650906B2; JP4565579B2; EP1926221A4; EP1926222A4; US7724203B2; US20090179822A1; JPWO2007032339A1

Abstract

　電磁場の変化により信号を伝達する信号伝達装置（１０１）は、当該電磁場の周波数帯において導電体であるメッシュ状の形状の第１導体部（１１１）、第１導体部（１１１）と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯において導電体である外形が平板状の形状の第２導体部（１２１）、を備え、第１導体部（１１１）の外形と第２導体部（１２１）の外形とに挟まれる狭間領域（１３１）と、第１導体部（１１１）の外形を当該狭間領域（１３１）と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域（１４１）と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達し、当該浸出領域（１４１）における電磁場の強度は、当該第１導体部（１１１）の外形からの距離によって指数的に減衰する。

Description

明細書

信号伝達装置

技術分野

[0001] 本発明は、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置に関する。

背景技術

[0002] 従来から、複数の通信素子が埋め込まれたシート状 (布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状など、面としての広がりを持ち、厚さが薄いもの。）の通信装置に関する技術が、本願の発明者らによって提案されている。たとえば、以下の文献では、個別の配線を形成することなぐシート状の部材 (以下「シート状体」という。 ) に埋め込まれた複数の通信素子が信号を中継することにより信号を伝達する通信装置が提案されている。

特許文献 1：特開 2004— 007448号公報

[0003] ここで、 [特許文献 1]に開示される技術においては、各通信素子は、シート状体の面に格子状、三角形状、もしくは蜂の巣状の図形の頂点に配置される。各通信素子は、当該通信素子により発生された電位の変化が近傍には強ぐ遠方には減衰して伝播することを利用して、周辺に配置されている他の通信素子とのみ通信する。

[0004] この局所的な通信により通信素子間で信号を順次伝達することによって、目的とする通信素子まで信号が伝達される。また、複数の通信素子は管理機能により階層に分けられ、各階層において経路データが設定されており、効率よく最終目的の通信素子まで信号を伝達することが可能となる。

[0005] 一方で、発明者らの研究により、互いに対向するシート状体に挟まれる狭間領域に電磁場を存在させ、 2つのシート状体の間の電圧を変化させて当該電磁場を変化させたり、当該電磁場の変化によってシート状体の間の電圧を変化させて、電磁場を進行させ、通信を行う技術が開発されている。

[0006] 2つのシート状体の間の電圧を検知するには、通信機器を直接両者に有線接続したり、コネクタをシート状体に設け、これを通信機器に接続するのが一般的であった。発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、このような有線接続をできるだけ行わな、ようにし、外部の通信機器をシート状体の近傍に寄せることによって信号の伝達ができるようにすると、ユーザにとっても使いやすくなり、メンテナンス効率も向上する。

[0008] そこで、このような要望に対応するための新しい技術が強く求められている。

[0009] 本発明は、このような要望に応えるもので、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0010] 以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する

[0011] 本発明に係る信号伝達装置は、電磁場の変化により信号を伝達し、第 1導体部、第

2導体部を備え、以下のように構成する。

[0012] すなわち、第 1導体部は、当該電磁場の周波数帯において導電体であり、メッシュ状の形状である。

[0013] 一方、第 2導体部は、第 1導体部と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯にぉ、て導電体であり、外形が平板状の形状である。

[0014] さらに、第 1導体部の外形と第 2導体部の外形とに挟まれる狭間領域と、第 1導体部の外形を当該狭間領域と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達する。

[0015] そして、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、当該第 1導体部の外形からの距離によって指数的に減衰する。

[0016] また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状の繰り返しの単位長さは dであり、当該浸出領域の厚さは、大きくとも dであるように構成することができる。

[0017] また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状における網目の大きさの平均幅は dであり、当該浸出領域の厚さは、大きくとも dであるように構成することができる。

[0018] また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状は、同じ形状の多角形が繰り返す網目状であり、その繰り返しの単位長さは dであり、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、第 1導体部の外形力当該浸出領域への距離 zに対して、 e— ^2πζΑ1以下の係数により減衰するように構成することができる。

[0019] また、本発明の信号伝達装置において、当該メッシュ状の形状は、平板に円孔を複数設けた網目状であり、当該円孔同士の中心距離は dであり、当該浸出領域における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、第 1導体部の外形力当該浸出領域への距離 zに対して、 e— ^2πζΑ1以下の係数により減衰するように構成することができる。

[0020] また、本発明の信号伝達装置において、当該浸出領域に配置されたアンテナへ当該狭間領域および当該浸出領域から電磁場の変化を伝達し、もしくは、当該アンテナから当該狭間領域および当該浸出領域へ電磁場の変化を伝達して、当該アンテナに接続された外部機器と通信するように構成することができる。

[0021] 特に、外部機器としては、 RFIDタグのチップや各種のセンサ素子を採用することも可能である。

[0022] また、本発明の信号伝達装置において、当該第 1導体部および当該第 2導体部に有線接続される通信機器へ、当該狭間領域および当該浸出領域における電磁場とともに変化する当該第 1導体部と当該第 2導体部との間の電圧を伝達し、もしくは、当該第 1導体部と当該第 2導体部との間の電圧を変化させて当該狭間領域および当該浸出領域における電磁場を変化させて、当該通信機器と、当該外部機器と、の間で信号を伝達するように構成することができる。

[0023] また、本発明の信号伝達装置において、当該第 2導体部は、メッシュ状の形状であり、第 2導体部の外形を当該狭間領域と挟んで反対側に位置する平板状の形状の対向領域において、さら〖こ、当該周波数帯で当該電磁場を伝達するように構成することができる。

[0024] また、本発明の信号伝達装置において、第 1導体部をメッシュ状の形状とするのにかえて、ストライプ状の形状とするように構成することができる。

発明の効果

[0025] 本発明によれば、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]本発明の実施形態に係るインターフェース装置と組み合わせて使用する信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。

[図 2]本実施形態の信号伝達装置に対する最も単純な形状のインターフェース装置の様子を示す説明図である。

[図 3]本発明の実施形態に係るインターフェース装置と組み合わせて使用する信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。

[図 4]信号伝達装置の分析に用いる座標系の様子を示す説明図である。

[図 5]信号伝達装置の種々の場所の垂直電界の強度を示す説明図である。

[図 6]電磁場の指向性を説明するための説明図である。

[図 7]指向性を有するインターフェース装置の一つの実施形態の概要構成を示す説明図である。

[図 8]インターフェース装置における tと wの値の関係を示す説明図である。

[図 9]内部導体部の経路導体部に接続される側の概形を示す説明図である。

[図 10]インターフェース装置の形状のパラメータを示す説明図である。

[図 11]内部導体部の近傍の領域に生ずる電磁場の様子を示す説明図である。

[図 12] φ モードの電磁場の様子を示す説明図である。

[図 13]円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。

[図 14]円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。

[図 15]インターフェース装置の他の実施形態を示す説明図である。

[図 16]パラメータの関係と、電流や磁場の様子を示す説明図である。

[図 17]インピーダンス整合を行う手法を示す説明図である。

[図 18]信号伝達装置とインターフェース装置の実験パラメータを示す説明図である。圆 19]インターフェース装置を信号伝達装置力も次第に離していく場合の受信電力を示すグラフである。

[図 20]2つのインターフェース装置の一方のメッシュに対する向きを変化させた場合の他方の受信電力を示すグラフである。

[図 21]2つのインターフェース装置の一方の位置を移動させた場合の他方の受信電力を示すグラフである。

圆 22]インターフェース装置の他の実施形態の断面を示す説明図である。

圆 23]インターフェース装置と、これが接続可能な他の形態の信号伝達装置のとの関係を示す断面図である。

圆 24]信号伝達装置に有線接続を行う場合の説明図である。

圆 25]信号伝達装置の第 1導体部をメッシュ状ではなぐストライプ状にした実施形態を示す説明図である。

符号の説明

101 伝達装置

111 第 1導体部

121 第 2導体部

131 狭間領域

141 浸出領域

151 対向領域

201 通信回路

202 ループ型アンテナ

203 ダイポール型アンテサ

601 インターフェース装置

602 内部導体部

603 外部導体部

604 経路導体部

605 絶縁体部

606 ¾¾ 、 901 導体板

902 同軸ケープノレ

903 接合部

904 帯状の導体部

発明を実施するための最良の形態

[0028] 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説明のためのものであり、本願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もしく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願発明の範囲に含まれる。

[0029] 以下では、平板状の形状をした信号伝達装置と、当該信号伝達装置に近接させて信号を取得したり信号を送り込んだりするためのインターフェース装置について、順に説明する。

[0030] なお、以下では、理解を容易にするため、信号伝達に用いる電磁波の周波数帯において導電体であるものを「導電体」と呼び、当該周波数帯において誘電体であるものを「誘電体」と呼ぶ。したがって、たとえば、直流電流に対しては絶縁体であるものを「導電体」と呼ぶこともある。

実施例 1

[0031] (信号伝達装置）

図 1は、本実施形態に係る信号伝達装置の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0032] 本図（b)は、本実施形態に係る信号伝達装置 101の断面図である。本図に示すように、信号伝達装置 101は、メッシュ状の第 1導体部 111と、これに略平行な平板状の第 2導体部 121と、を備えている。

[0033] ここで、第 1導体部 111と第 2導体部 121とに挟まれる領域が、狭間領域 131であり

、本図において第 1導体部 111の上側にある領域が、浸出領域 141である。

[0034] 本図（a)は、信号伝達装置 101の上面図である。本実施形態の第 1導体部 111は

、正方形のメッシュ状となっており、正方形の中から第 2導体部 121が透けて見えている。 [0035] また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ぐこれは、正方形の一辺の長さにほぼ等しい。

[0036] 本実施形態では、狭間領域 131および浸出領域 141はいずれも空気となっている力いずれか一方もしくは両方もしくはそれらの一部分を、各種の誘電体としたり、水や土としたり、真空としたりしても良い。

[0037] 第 1導体部 111と第 2導体部 121の外形は、いずれもシート状 (布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状など、面としての広がりを持ち、厚さが薄いもの。 ) である。

[0038] したがって、たとえば、部屋の壁を本実施形態の信号伝達装置とする場合には、まず第 2導体部 121として金属箔を貼り付け、つぎに絶縁体を吹き付けてから、第 1導体部 111として金属の網を貼り付け、さらに絶縁体の壁紙を貼り付ければ良い。

[0039] さて、このように、信号伝達装置 101において、第 1導体部 111と第 2導体部 121とに挟まれる狭間領域 131の間を伝播する電磁波モードに注目する。

[0040] 力りに第 1導体部 111がメッシュではなぐ箔状の開孔がな!/、構造であった場合には、電磁波は狭間領域 131に完全に閉じ込められる。

[0041] し力しながら、第 1導体部 111は、メッシュ状の構造を持ち、開孔がある。このような形状では、メッシュの間隔と同程度の高さまで、電磁場が染み出すようになる。電磁波が染み出す領域が、浸出領域 141である。

[0042] 浸出領域 141の高さ（厚さ）は、メッシュの繰り返し単位と同程度である。実際には、第 1導体部 111の表面力の距離に応じて、指数的に電磁波の強度が減衰するようになる。

[0043] 図 2は、本実施形態の信号伝達装置に対する最も単純な形状のインターフェース装置の様子を示す説明図である。本図では、ループアンテナもしくはダイポールアンテナをインターフェース装置とすることによって、信号伝達装置 101との間で通信を行う様子が示されている。以下、本図を参照して説明する。

[0044] メッシュ状の第 1導体部 111の表面に存在する浸出領域 141に、送受信を行う通信回路 201と、当該通信回路に接続されたループ型アンテナ 202と、の組合せが、本図では 4つ示されている。 [0045] ループ型アンテナ 202の長さは、信号伝達装置 101により伝達される電磁波の波長の半分程度が好適であるが、これより大きくとも小さくとも、通信は可能である。

[0046] 本図では、長方形状のループ型アンテナ 202を第 1導体部 111の表面に平行に配置する場合、第 1導体部 111の表面に垂直に配置する場合が示されて！/ヽる。

[0047] また、本図では、コの字型のループ型アンテナ 202の両端が通信回路 201によつて終端されており、第 1導体部 111の表面に平行に配置されている場合が示されている。

[0048] さらに、本図では、コの字型のループ型アンテナ 202が通信回路 201に接続され、さらにその端部が通信回路 201の反対側にまで延伸しているような形状のものを、第 1導体部 111の表面に垂直に配置する場合が示されて、る。

[0049] このほか、同軸ケーブルの芯線が露出しただけのダイポール型アンテナ 203を利用したインターフェース装置も図示されている。この場合は、ダイポール型アンテナ 2 03の芯線を第 1導体部 111〖こ近接させること〖こよって、同軸ケーブルに接続された通信機器と信号伝達装置 101との間で、電磁波の授受が可能となる。

[0050] これらの通信回路 201同士や、同軸ケーブルに接続された通信機器と通信回路 2 01とは、信号伝達装置 101を介して互いに通信を行うことが可能である。また、本図には示していないが、第 1導体部 111と第 2導体部 121とに直接有線接続される通信機器がある場合には、当該通信機器との通信も可能である。このようにして、 1対 1、 1 対 N、 N対 1、 N対 Nのいずれの通信も可能である。

[0051] さらに、通信回路 201として、 RFIDタグの回路を用い、本装置をタグの読み取り装置とすることもできるし、さらにそこにセンサを搭載することもできる。また、通信回路から配線によって外部機器と接続したり、通信回路に接続するかわりに同軸ケーブルに接続し、外部機器と接続する使用形態もある。

[0052] また、マイクロ波を用いて、インターフェース装置側を充電して、電力を供給することも可能である。

[0053] また、上記の実施形態では、第 2導体部 121は、箔状の開孔のない導電体としているが、第 2導体部 121を第 1導体部 111と同様のメッシュ状としても良い。図 3はこのような構成に係る断面図である。 [0054] 本図に示すように、第 2導体部 121の外側にも浸出領域 141に相当する対向領域 151が存在し、ここにも電磁波が染み出すようになる。したがって、表面と裏面の両方に電磁波が浸出するため、インターフェース装置をいずれかの面に近接させれば、信号の授受が可能になる。

[0055] さて、以下では、このような浸出領域 141の理論的背景について簡単に説明する。

上記のような構成の信号伝達装置 101では、狭間領域 131 (およびその近傍である浸出領域 141や対向領域 151)において、信号伝達装置 101の外側へ電磁波を「放射」せずに進行する電磁波のモード φ が存在する。

[0056] ここで、狭間領域 131と同程度の強度の電磁場が染み出し、かつ遠方への電磁放射がない近接場の高さ Lは、メッシュの繰り返しの単位長さを dとしたとき、 L = ά/(2 π ) 程度である。

[0057] ここで、浸出領域 141や対向領域 151において、第 1導体部 111や第 2導体部 121 の表面力もの距離を ζとしたとき、染み出した電磁波の振幅は、概ね e— ^ζΑ ^のように減衰する。

[0058] したがって、第 1導体部 111 (や第 2導体部 121)力も距離 Lの範囲にインターフエ一ス装置を配置して、 φ を誘起して、信号の伝達を行うのである。なお、インターフエ一ス装置の感度によって、距離 Lではなぐ長さ d程度としても良い。すなわち、浸出領域 141 (や対向領域 151)の厚さは、 L乃至 d程度と考えることができる。

[0059] 以下、さらに詳細に考える。図 4は、信号伝達装置 101の分析に用いる座標系の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0060] 本図に示すように、 z = 0には、繰り返し単位長さが dのメッシュ状の第 1導体部 111 が配置され、 z = - Dには、第 2導体部 121が配置されているものとする。そして、第 1 導体部 111と第 2導体部 121以外は、誘電率 εの誘電体で満たされているものとする。メッシュは正方形の網目状とする。原点はメッシュ交点に重なっており、 X軸、 y軸はメッシュに平行である。

[0061] このとき、電磁エネルギー力 Sメッシュ近傍に局在しており、電磁場のうちの電場 Eについて、

E = Al(x,y,z)

+ yk )) という形をした進行波解が存在する。ここで、 Eは、電界の z成分、 A, k , kは定数、 K x,y,z)は X方向、 y方向に周期 dを持つ関数であり、 k = (k ,k ,0)は、進行波の進行方向を示す波数ベクトル (伝搬ベクトル)である。

[0062] すなわち、任意の x,y,zに対して、

l x+d,y,z) = l(x,y,z) = l(x,y+a,z)

が成立する。

[0063] さて、 Eを含む電磁場は、誘電体にお!、て、波動方程式

Δ Ε = -( ω ²/ο²)Ε

を満たし、

K 2

+ k = ω /c

である。

[0064] ここで、 z > 0での電磁場に注目すると、 fの周期性により、 fは以下のようなフーリエ展開が可能である。

l x,y,z) =∑ a(m,n exp(2 π J m x/ d)exp(2 π J n y/ d)g(m,n,z

ここで、 m,nは整数である。

[0065] dが電磁波長えより十分小さぐ 2 π /dが ω /cより十分大きぐ（m,n)≠(0,0)では、フ一リエ展開の各成分の独立性より、成分

u(m,n) = exp(2 π j m x/ d)exp(2 π j n y/a)g(m,n,z)

は、近似的に、

Δ u = (-(2 π m/d)²-(2 π n/d)²+ 3 V 3 ζ = 0

すなわち、

3 V 3 ζ² g = (2 π )²(πι²+η²)/(1² _§

を満たす。したがって、

g(m,n,z) ^ B exp、一 2 π (m +n z/d)

である。ただし、 Bは定数である。したがって、（m,n)≠(0,0)の成分については、その減衰定数は、 d/(2 π )以下となる。

[0066] ここで、（m,n)≠(0,0)の成分は、メッシュ構造の周期の変調を受けた進行波成分に相当する。 [0067] また、（m,n)=(0,0)に相当する成分、すなわち、メッシュ構造の周期の変調を受けて V、な、進行波成分は、波長え = 2 π /(k ² + k ²)^1/2程度までは到達するが、その強度は、小さい。この成分は、項 exp(-j(xk + yk》に直接係る成分である。

[0068] このような理論的背景により第 1導体部 111を d = 2[mm]の正方形網目状のメッシュ状の形状の導体とし、第 2導体部 121を箔状の導体とし、第 1導体部 111に平均線電荷密度 σ = l[C/m]を与えたときに、生じる垂直電界 E [V/m]に定数 4 π εを乗じたも

ζ

のを求めてみた。

[0069] 上記と同様に、第 1導体部 111は ζ = 0に配置され、第 2導体部 121は z = -Dに配置されている。原点はメッシュ交点に重なっており、 X軸、 y軸はメッシュに平行である。

[0070] 図 5は、この場合の、信号伝達装置の種々の場所の垂直電界の強度を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0071] 本図上段の 3つのグラフに示すように、 (x,y) = (0,0)、 (x,y) = (d/2,d/2)、 (x,y) = (d/2, 0)のいずれの場合も、 z = l[mm]付近力も垂直電界がほぼ 0になることがわかる。また、 y = l[mm], z = 0.2[mm]における垂直電界は、本図下段の 1つのグラフに示すような周期パターンとなる。

[0072] このように、メッシュの繰り返し単位長さが 2mmのとき、電磁場の染み出しは約 lmmと考えられるから、この距離以下にインターフェース装置を近付ければ、電磁場との間での誘導が可能になり、信号の送受が可能となると考えられる。

[0073] なお、 z = -Dに配置される第 2導体部 121を z = 0に配置される第 1導体部 111と同じメッシュ構造とした場合の電界分布は、対称の原理により、 z = -D/2に箔状の第 2 導体部 121を配置し、 z = 0にメッシュ状の第 1導体部 111を配置した場合と同じ分布となる。したがって、上記と同様の結論が得られる。

[0074] このように、浸出領域 141や対向領域 151の厚さとしては、 d/(2 π )〜(！ /2〜(！程度のオーダーを考慮すれば十分であり、浸出領域 141や対向領域 151の中にインターフエースを「浸す」ことによって、通信を行うことができるのである。

[0075] なお、（m,n) = (0,0)に対応する成分は、通信層内での電磁波長 λ = 2 π /(k ² + k ¹

x y

^/2の程度まで浸出する場合がある力通信層の表面付近では、この成分の強度は他の成分よりも小さいので、無視することができる。 [0076] なお、メッシュは必ずしも正方形の繰り返しである必要はなぐ各種の多角形形状のメッシュとしても良い。また、メッシュの単位は同じ形状に限る必要はなぐ適切な網目状となっていれば、異なる形状であっても良い。この場合には、上記の dに相当する値は、各メッシュの大きさの平均であると考えることができる。また、これらの基本周期が存在する場合は、その周期を dと考えることもできる。

[0077] このほか、平板導体にハ-カム状に円形のパンチ穴を複数開孔したものを、第 1導体部 111としても良い。この場合は、円の中心同士の距離が、上記の dに相当する。

[0078] (インターフェース装置）

上記の説明では、インターフェース装置においてループ型アンテナ 202やダイポール型アンテナ 203を用いていたが、以下では、指向性を持つ電磁場を放出できるようなインターフェース装置を提案する。

[0079] なお、ここで提案するインターフェース装置は、上記の信号伝達装置 101と組み合わせて使用するのが好適であるが、信号を伝達する電磁場に接することができれば、通信は可能である。したがって、当該インターフェース装置を使用する局面は、上記の信号伝達装置 101との組み合わせには限られない。

[0080] 図 6は、このような電磁場の指向性を説明するための説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0081] 本図に示すように、信号伝達装置 101の第 1導体部 111と第 2導体部 121に垂直に設定された z軸の周りの角度を Θとすると、本実施形態に係るインターフェース装置が放出する電磁場 φ は、 z方向の電界を E、 z軸左回りの磁場成分を B としたとき、

1 z Θ

E ^ e(r,z)cos Θ ；

B ^ b(r,z)cos Θ ；

Θ

ただし、 r² = (x² + )である。

[0082] 図 7は、このような指向性を有するインターフェース装置の一つの実施形態の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0083] インターフェース装置 601は、大別して、内部導体部 602、外部導体部 603、経路導体部 604に分けることができる。

[0084] 内部導体部 602は、信号伝達装置 101に近接する導体であり、幅 tの帯状の形状をしており、その一端は、外部導体部 603に、その他端は、経路導体部 604に、それぞれ接続されている。

[0085] 外部導体部 603は、箱状の構造をして内部導体部 602を覆って、る。外部導体部 603には開孔があり、その開孔を経路導体部 604が非接触に貫通している。

[0086] これにより、外部導体部 603〜内部導体部 602〜経路導体部 604の電流経路が成立する。そして、外部導体部 603の開孔付近で、外部導体部 603と経路導体部 604 に同軸ケーブルや、信号送受信回路を結合して、ここに流れる電流を変化させると、電磁波が主に、本図矢印の方向に放出されることになる。

[0087] このように、外部導体部 603が内部導体部 602および経路導体部 604を覆うことによって、インタフェース装置 601の外部への無用な電磁放射が防止できるので、信号伝送装置 101との間で、効率よく電磁エネルギを授受できるようになる。

[0088] なお、外部導体部 603、内部導体部 602、経路導体部 604以外の部分は誘電体で充填されていてもよい。また、外部導体部 603、内部導体部 602、経路導体部 604 は、その表面が表皮厚さ分だけ導体であればよぐその内部の材料は任意であってよい。

[0089] 外部導体部 603と内部導体部 602の互いに対向しあう面は平行であることが望ましぐ内部導体部 602もまた平面帯状となっていることが望ましいが、段差や凹凸があつても良い。

[0090] 外部導体部 603と内部導体部 602の互いに対向しあう面の距離を wとしたとき、 tが

Wよりも極端に大きくならないことが望ましい。すなわち、 tが Wと同程度、もしくは tが W 以下であることが望ましい。

[0091] 図 8は、インターフェース装置 601における tと wの値の関係を示す説明図である。

以下、本図を参照して説明する。

[0092] tが wと同程度かそれ以下であれば、内部導体部 602に電流が流れることで生じる電磁場は、インターフェース装置 601の外部にも生ずるようになり（本図右側の網かけ領域)、信号伝達装置 101の進行波モードと結合して、進行波を誘起することができる。

[0093] 一方、 tが大きくなり、インターフェース装置 601の底面をすベて覆えば、信号の送受はまったくできなくなる。

[0094] しかし、底面の一部に隙間が開いていれば、信号伝達装置 101の狭間領域 131の進行波モードとの結合が生じる。そこで、インターフェース装置 601を駆動するケーブルや通信回路とのインピーダンス整合をとる際に、（ケーブルとインターフェース装置 601との接続部である）外部導体部 603の開孔から、インタフェース装置 601内部佃 Jをみたときのインピーダンスを/ J、さくするために、 tを wより大きくする場合も考えられる。

[0095] ただしその場合、本図左側の網かけ領域 S内に蓄積されるエネルギーの、インターフェース装置 601の外側に生じる電磁エネルギーに対する割合が大きくなり、領域 S に接する第 1導体部 111や、領域 Sにおける誘電損失によって余計なエネルギーロスが生じてしまう。

[0096] したがって、 tそのものを大きくするのではなぐ内部導体部 602を、複数の細い帯力もなるようにして、インピーダンス整合をとる手法を採用することができる。図 9は、このような場合の内部導体部 602の経路導体部 604に接続される側の概形を示す説明図である。

[0097] 本図に示すように内部導体部 602はフォーク状の形状をしており、細い帯が、経路導体部 604から複数延伸して、外部導体部 603 (本図には図示せず）に接続されるように構成するのである。

[0098] また、内部導体部 602の長さ R (内部導体部 602が外部導体部 603に接続される点と、内部導体部 602が経路導体部 604に接続される点と、の距離は R - mになる。）と、当該電磁場の波長えとについて、 2 π ί?がえより極端に小さくはないことが望ましい

[0099] ここで、 λは、信号伝達装置 101における進行波の波長 2 π /(k ² + k ²)^1/2である。

x y

[0100] 仮に 2 π R« λが成立してしまうと、電流経路の近傍に局所的に生ずる電磁エネルギーに対して、遠方の放射されるエネルギーの割合が著しく小さくなるため、信号伝達装置 101に電磁波を送り込む際のエネルギーロス (インタフェース部周辺の誘電損失、金属の抵抗による）の割合が大きくなつてしまうからである。

[0101] さて、このような概形のインターフェース装置 601は、上記の信号伝達装置 101と結合できるほか、 2枚のシート状導電体を対向させて局所的に開孔を設けた信号伝達装置や、 1枚のシート状導電体の上にシート状誘電体を貼付した信号伝達装置とも結合させることができる。したがって、インターフェース装置 601は、種々の信号伝達装置に対して適用することができる。

[0102] 以下では、インターフェース装置 601が発生させる電磁場についてさらに詳細に検討する。

[0103] 図 10は、インターフェース装置 601の形状のパラメータを示す説明図である。以下

、本図を参照して説明する。

[0104] 内部導体部 602 (以下、適宜「近接経路」とも呼ぶ。）の長さを R、内部導体部 602と外部導体部 603との間の距離を w、内部導体部 602が経路導体部 604との接続点を超えてさらに延伸する長さを mとする。

[0105] 図 11は、このような条件のもとで、内部導体部 602の近傍の領域 Sに生ずる電磁場の様子を示す説明図である。

[0106] インターフェース装置 601に接続される同軸ケーブルのインピーダンスと、同軸ケ一ブルが接続される部分からインターフェース装置 601の内部を見たインピーダンスが近くなるように R, m, w, tを調整する。ここで、そして、 R = λ /4のときに、インピーダンスのリアクタンス成分がゼロ交差する場所がある。そこで、 Rの長さをゼロ交差する場所に設定する。

[0107] 次に、インピーダンスの実部が、同軸ケーブルのインピーダンスになるように、 m, t, wをあわせて調整するのである。

[0108] このような φ モードの電磁場が生ずるのである力図 12は、 φ モードの電磁場の

1 1

様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0109] 本図上段と本図下段に示される長方形は、内部導体部 602に相当するものである。また、外部導体部 603は、点線で示される円形形状をしている。

[0110] 本図上段は、信号伝達装置 101内の磁場 B の 0 = 0, 180° の方向についての分

Θ

布の様子を示すものである。他の方向は、本図の分布を cos Θ倍した形状になる。なお、中心近くでは、磁場には動経方向成分 Bも存在するが、本発明においては、大きな役割を果たすものではな、。 [0111] 信号伝達装置 101内の第 1導体部 111を流れる電流の様子を示す。このように、電流を 1方向に誘導するだけで電磁波が放出できるため、都合が良い。

[0112] すなわち、本実施形態のインターフェース装置 601が生じさせる電磁場は、非対称な φ モードの電磁場との重なりが大きぐ信号伝達装置 101の近傍で一方向の磁場

1

もしくは電流を誘導するだけで電磁波が放出される。このため、本実施形態のインタ一フェース装置 601が生じさせる信号伝達装置 101の電磁場と良く結合するのである。

[0113] 以下では、他の形状のインターフェース装置について、さらに提案する。図 13および図 14は、円形のインターフェース装置の概要構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0114] 図 13上段は、インターフェース装置 601の底面図であり、中段および下段は断面図である。図 14は、インターフェース装置 601の斜視図である。

[0115] 本図に示すように、円形のインターフェース装置 601の外部導体部 603は、円板に円柱状の側面をつけた形状をしており、円板の逆側には縁取がされている。内部導体部 602は、その縁取に接続されている。

[0116] また、内部導体部 602は、円形の中心を通過しており、円形の中心に相当する場所で、経路導体部 604に接続されている。

[0117] 経路導体部 604は、外部導体部 603の中心付近に設けられた開孔を貫通している

[0118] そして、外部導体に覆われる領域は、誘電体が充填され、絶縁体部 605をなしている。

[0119] この構造では、インターフェース装置 601の中心軸について対称な定在波とも結合しゃすぐ φ モードと軸対称モード (インタフェース装置 601から放射状に全方向等

1

しいエネルギー密度で電磁波が進行するモード)の両方に結合できるため、インターフェース装置 601がメッシュのどこに存在しても、場所依存性の少ない安定した結合が可能になると考えられる。

[0120] また、本実施形態では、内部導体部 602を十文字状の形状とし、当該十文字の中心が経路導体部 604に接続され、当該十文字の 4つの端が外部導体部 603に接続されるように構成しても良い。

[0121] 図 15は、この他の実施形態を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する

[0122] 本図に示す例では、内部導体部 602と経路導体部 604とが一体化しており、一本のループ状の導線が円板状の外部導体部 603の接続点 606で接続されて、る。このようにシールドとして機能する外部導体部 603に覆われる中に、ループして電流経路を確保することとしても良い。

[0123] このほか、内部導体部 602が外部導体部 603に接続されていない形態を考えることもできる。図 16は、このような場合のパラメータの関係と、電流や磁場の様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0124] 内部導体部 602が外部導体部 603に直接接続されていない形態では、本図上段に示すように、内部導体部 602の長さ Rは、波長えの半分程度とすることが望ましい。内部導体部 602の幅 tや内部導体部 602と外部導体部 603の間の距離 w、内部導体部 602と経路導体部 604の接点から内部導体部 602の端点までの距離のうち小さい方の距離 mを調整することでインピーダンス整合をとる。

[0125] 本図下段の 3つのグラフは、電流分布、磁場分布、電場分布を示すものである。図 11のグラフの形状をさらに延長したもの力本図のグラフの形状である。

[0126] 本図に示す例の場合、内部導体部 602の長さは、電磁波長 λの半分に設定されている。本図に示すように、内部導体部 602の右側先端からインターフェース装置 601 の中心寄りに向かって距離 Xにおけるインピーダンス Ζを見ると、 X = 0では、回路が開放されているため Ζ =∞であるが、 χ = λ /4で Ζ = 0となる。

[0127] したがって、 χ = λ /4の地点で、内部導体部 602と外部導体部 603をショートしたのと同じこととなる。すなわち、波長えにおいては、内部導体部 602と外部導体部 603 がー種のコンデンサを形成することによって、ループ状の電流経路が形成されていると考えることができるのである。

[0128] 図 17は、インピーダンス整合を行う他の手法を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0129] 本図に示すように、内部導体部 602が途中で切断されており、容量結合的に結合されることとなっている。

[0130] このように、内部導体部 602を途中で切断するのは、インターフェース装置 601の入口で、内部導体部 602に容量 (典型的にはコンデンサである。）を直列接続するのと同じ効果をもたらす。

[0131] これらの場合、電流経路は分断される力分断地点の近傍はいわばコンデンサとして機能することとなり、通信に用いる周波数帯によっては良好な接続が可能であることが、実験により確認されている。すなわち、このような場合であっても、非直流成分につ、ては、電流ループが形成されて!、ると考えることができる。

[0132] 図 17に示す実施形態の場合、インターフェース装置 601の外形が小さくとも、分断を行うことによってインピーダンス整合がとりやすくなる、という利点がある。

[0133] また、図 16や図 17に示す実施形態の場合、（分断を含む)ループ構造を流れる電流と経路長によって電磁波の放射ゃ受入の強度が決定されるのであり、分断の位置と信号伝達装置 101との相対的位置関係が、その強度を直接的に決定するわけではない。

[0134] このように、上記の実施形態では、電磁波を 2次元的に封じ込めて通信を行うため、一定距離への情報伝達に必要なエネルギー力 V、わゆる無線通信の場合よりも小さい。

[0135] また、エネルギーが拡散される範囲が狭いため、電力供給を行うことも可能である。

[0136] さらに、マルチパス問題が回避でき、無線に比べて高速ィ匕が可能であると考えられる。

[0137] そして、電気的な配線不要で、インターフェース装置 601と信号伝達装置 101との信号の授受ができる。

[0138] (実験結果）

インターフェース装置 601の外部導体部 603に覆われた領域には比誘電率 10の誘電体を充填し、周波数帯は 2.4GHzであり、 R = 10mmとし、 w = 1.6mmとした。なお、経路導体部 604の接続位置 mは、 m = 5mmの場合にも良好な結果を示したが、以下では m = Ommの場合の実験結果を示す。また、メッシュ周期 d = 15mmである。

[0139] 図 18は、信号伝達装置 101とインターフェース装置 601の実験パラメータを示す説明図である。

[0140] 本図における諸元にて、 2つのインターフェース装置 601を中心間隔 10[cm]で配置し、振幅 1[V]の 2.4[GHz]信号を一方力も他方に送信する。他方のインターフエ一ス装置 601の高さ (z軸方向の位置。 )を変化させたときの受信電圧 (S12)を観測した。また、両側のインターフェースには 50[Ω]のケーブルを接続して、ネットワークアナライザを用いて、受信電圧 (S 12)を計測するのである。

[0141] なお、本図における諸元においては、「線幅 lmm、メッシュの開口部辺 14mm」となっているが、これらは、メッシュの繰り返し単位 dが 15mmである場合に相当する。

[0142] 図 19は、その結果を示すグラフである。 0.5mm程度離れるまでに、受信強度は急速に減衰した。

[0143] 次の実験は、 2つのインターフェース装置 601同士の間隔を 6[cm]とし、受信側のィンターフェース装置 601のメッシュに対する向きを三通り考えた。 1GHzから 5GHzの間で、各周波数ごとに IV振幅の信号を入力したときの受信電圧 S12をグラフにしてある。 2つのインターフェースに 50 Ωのケーブルを接続して、ネットワークアナライザを用いて受信電圧（S12)を計測するのである。

[0144] 図 20は、その結果を示すグラフである。グラフ横軸の左端が lGHz、右端が 5GHz に相当する。本図に示す通り、広い帯域で信号が観測され、本発明の有効性が確認された。なお、それぞれのインピーダンスを本図最下段に示してある。インターフエ一ス装置 601と信号伝達装置 101との間の結合が強いため、設置の向きによって 2.4G Hz帯におけるインピーダンスが変化していることがわかる。

[0145] 図 21は、上記の場合で、一方のインターフェース装置 601の位置を移動させた場合のグラフである。本図に示す通り、いずれの場所においても、十分な強度の信号が観測された。

実施例 2

[0146] 以下では、上記の実施形態の種々の変形例につ!、て説明する。

[0147] 図 22は、インターフェース装置の他の実施形態の断面を示す説明図である。以下

、本図を参照して説明する。

[0148] 本図下段に記載のインターフェース装置 601は、図 2に記載の通信装置 201とループ型アンテナ 202の組合せを外側導体部 603で覆ったものに相当する形態である

。ループ型アンテナ 202の開放側力内側導体部 602に相当し、ループ型アンテナ

202の外側導体部 603側力経路導体部 604に相当する、と考えることができる。

[0149] 本図中段に記載のインターフェース装置 601は、経路導体部 604にかえて、通信装置 201を採用するとともに、当該通信装置 201で外側導体部 603と内側導体部 60

2を直結するものである。

[0150] 本図上段に記載のインターフェース装置 601は、内部導体部 602と外部導体部 60

3とが接続される点が、開孔の近傍である形態であり、図 15に示す実施形態に類似するものである。

[0151] 本発明のインターフェース装置 601は、内部導体部 602がループの一部をなし、当該ループは、インターフェース装置 601が信号伝達装置 101に接すると信号伝達装置 101の表面に対して垂直になることによって、電磁場の密な結合をなすものである。このとき、電磁場の漏れを防止するために、これらを覆う外部導体部 603を用意するのである。

[0152] 図 23は、インターフェース装置と、これが接続可能な他の形態の信号伝達装置のとの関係を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。

[0153] 本図上段に記載のインターフェース装置 601は、対向して配置される 2つの導体板

(シート状の導体でも良い。以下同様。） 901のうち、開孔を持つ導体板 901の開孔付近に配置されている。上記実施形態同様、 2つの導体板 901の間に電磁波が封じ込められるので、信号伝達が可能であると同時に、開孔から染み出す電磁場を介して、インターフェース装置 601が通信を行うのである。

[0154] 本図下段に記載のインターフェース装置 601も上記と同様である力本実施形態では、下方の導体板 901と、これより幅の狭い情報の導体 901と、が配置されており、 2 つの導体板 901は、いずれも、本図に直交する方向に延伸していて、全体としては帯状の形状をしている。そして、 2つの導体板 901に挟まれる領域に電磁波を封じ込めるのであるが、幅が異なるため、本図に示すように、下方の導体板 901が露出しているところでは電磁場が染み出す。そこで、これを用いて、インターフェース装置 601 が通信を行う。 [0155] 図 24は、信号伝達装置に有線接続を行う場合の説明図である。以下、本図を参照して説明する。

[0156] 本図に示すように、信号伝達装置 101のメッシュ状の第 1導体部 111が同軸ケープル 902の芯線に接続される接合部 903の直前で、インピーダンスを整合するように電線の幅を調整する。また、同軸ケーブル 902の外側導体は、第 2導体部 121に接続される。

[0157] また、本図に示す例では、第 1導体部 111の縁には、帯状の導体部 904が配置されており、帯状の導体部 904と第 2導体部 121との間には、集合抵抗などの電磁波吸収体を配置して、電磁波の漏れを防止している。

[0158] 図 25は、信号伝達装置の第 1導体部をメッシュ状ではなぐストライプ状にした実施形態を示す説明図である。

[0159] 本図に示すように、信号伝達装置 101の第 1導体部 111が、第 2導体部 121の本図手前側に配置され、第 1導体部 111は、メッシュ状ではなく根本で集中したストライプ状の形状となっている。このストライプの間隔を dとすると、上記実施形態と同様、電磁波の染み出しの程度は d程度となるので、上記実施形態と同様の浸出領域を形成することができる。

産業上の利用可能性

[0160] 以上説明したように、本発明によれば、メッシュ状の導体部とシート状の導体部とに挟まれる狭間領域とメッシュ状の導体部側外側の浸出領域とにおいて電磁場を変化させて信号を伝達する信号伝達装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 電磁場の変化により信号を伝達する信号伝達装置（101)であって、

当該電磁場の周波数帯にぉ、て導電体であるメッシュ状の形状の第 1導体部（11 1)、

前記第 1導体部（111)と略平行に配置され、当該電磁場の周波数帯において導電体である外形が平板状の形状の第 2導体部（121)、

を備え、

前記第 1導体部（111)の外形と前記第 2導体部（121)の外形とに挟まれる狭間領域 (131)と、前記第 1導体部（111)の外形を当該狭間領域 (131)と挟んで反対側に位置する平板状の形状の浸出領域（141)と、において、当該周波数帯で当該電磁場を伝達し、

当該浸出領域（141)における電磁場の強度のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、当該第 1導体部（111)の外形力の距離によって指数的に減衰する

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[2] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該メッシュ状の形状の繰り返しの単位長さは dであり、

当該浸出領域（141)の厚さは、大きくとも dである

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[3] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該メッシュ状の形状における網目の大きさの平均幅は dであり、

当該浸出領域（141)の厚さは、大きくとも dである

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[4] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該メッシュ状の形状は、同じ形状の多角形が繰り返す網目状であり、その繰り返しの単位長さは dであり、

当該浸出領域（141)における電磁場のうち、当該メッシュ形状の影響を受ける進行波成分の強度は、前記第 1導体部（111)の外形力当該浸出領域（141)への距離 zに対して、 e— ^{2π ζΑ1}以下の係数により減衰する

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[5] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該メッシュ状の形状は、平板に円孔を複数設けた網目状であり、当該円孔同士の中心距離は dであり、

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[6] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該浸出領域（141)に配置されたアンテナへ当該狭間領域（131)および当該浸出領域（141)から電磁場の変化を伝達し、もしくは、当該アンテナ力当該狭間領域（131)および当該浸出領域（141)へ電磁場の変化を伝達して、当該アンテナに接続された外部機器と通信する

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[7] 請求項 6に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該第 1導体部（111)および当該第 2導体部（121)に有線接続される通信機器へ、当該狭間領域（131)および当該浸出領域（141)における電磁場とともに変化する当該第 1導体部（111)と当該第 2導体部（121)との間の電圧を伝達し、もしくは、当該第 1導体部（111)と当該第 2導体部（121)との間の電圧を変化させて当該狭間領域（131)および当該浸出領域（141)における電磁場を変化させて、

当該通信機器と、当該外部機器と、の間で信号を伝達する

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。

[8] 請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該第 2導体部（121)は、メッシュ状の形状であり、

前記第 2導体部（121)の外形を当該狭間領域 (131)と挟んで反対側に位置する平板状の形状の対向領域（151)において、さらに、当該周波数帯で当該電磁場を伝達することを特徴とする信号伝達装置（101)。

請求項 1に記載の信号伝達装置（101)であって、

当該第 1導体部（111)をメッシュ状の形状とするのにかえて、ストライプ状の形状とする

ことを特徴とする信号伝達装置（101)。