WO2007066405A1

WO2007066405A1 - 通信装置

Info

Publication number: WO2007066405A1
Application number: PCT/JP2005/022586
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Shinoda; Tetsuro Kiyomatsu
Original assignee: The University Of Tokyo; Cell Cross Corporation
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-06-14
Also published as: JPWO2007066405A1

Abstract

　電磁波を利用して２次元的な通信を実現する技術を提供する。　本発明の通信装置１０は、第１導電層２０および第２導電層３０と、第１導電層２０と第２導電部の間に挟まれた誘電層４０を備える。第１電極１１２および第２電極１１４は、第１導電層２０および第２導電層３０のそれぞれと誘電体を介して近接電磁結合される。誘電層４０の間隔は、発生する電磁波の波長の半分よりも小さい間隔に設定される。第１電極１１２および第２電極１１４の間に印可する電圧を変化させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を誘電領域に発生させる。第１電極１１２および第２電極１１４と、それぞれ近接電磁結合する導電層との間のインピーダンスを低減するように、第１電極１１２および第２電極１１４の形状が定められる。

Description

通信装置

技術分野

[0001] 本発明は通信技術に関し、特に送信信号を電磁波により伝搬する通信技術に関する。

背景技術

[0002] LAN (Local Area Network)や WAN (Wide Area Network)などの通信ネットワークでは、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどで接続されている。これらの通信端末は、ネットワーク中のアドレスを指定することにより、所望の通信端末に信号を伝達する。従来のネットワークは、通信端末同士を有線にて接続することが一般であり、近年では、これを無線で接続するシステムも提案されている。例えば、移動デバイスであるノードの全てが所定の伝送半径をもち、ノード間で無線通信を行うアドホックネットワークが提案されている (例えば、特許文献 1参照)。また、特許文献 1とは全く異なるアプローチとして、個別の配線を形成することなぐ複数の通信素子が信号を中継して信号を伝達する通信装置も提案されている (例えば、特許文献 2参照)。さらに特許文献 2では、電磁波を利用して信号を送受信する技術につ!ヽても提案されている。

特許文献 1 :特開 2001— 268127号公報

特許文献 2 :特開 2003— 188882号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 従来の通信ネットワークや実装基板においては端末や素子などを 1本の個別配線により一対一の関係で物理的に接続するのが一般的である。そのため、仮に 1本しかない配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。また、個々の物理的配線をひくことが面倒であったり、スペースの関係で困難を極める場合もある。特許文献 2は、そのような事態を解消する通信装置につき提案しており、優れた効果的な技術であるといえる。特許文献 2では、電磁波を利用して 2次元的な通信を実現する技術についても開示している力効率的な通信を実現するためには、まだ改善の余地がある。

[0004] 本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信信号を電磁波により 2次元的に伝達する新規な通信装置に関する技術を提供することにある。課題を解決するための手段

[0005] 上記課題を解決するために、本発明のある態様の通信装置は、第 1導電部および第 2導電部と、第 1導電部と第 2導電部の間に挟まれた誘電領域を備えた通信装置であって、誘電領域において、誘電体を介して第 1導電部に近接して設けられる第 1 電極と、誘電体を介して第 1導電部または第 2導電部のいずれか一方に近接して設けられる第 2電極とをさらに備える。第 1導電部と第 2導電部は、誘電領域に発生する電磁波の波長の半分よりも小さい間隔で、実質的に平行に配置され、第 1電極および第 2電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を誘電領域に発生させる。

[0006] 第 1電極と第 1導電部の間の距離と、第 2電極と当該第 2電極に近接する第 1導電部または第 2導電部の間の距離は、実質的に同一であってもよい。また第 1電極および第 2電極は、第 1導電部力も実質的に同一の距離となる位置に配置されてもよい。発明の効果

[0007] 本発明によると、効率よい通信を実現する通信装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0008] [図 1]本発明の実施例に係る通信装置の外観構成を示す図である。

[図 2]通信装置の断面構造を示す図である。

[図 3]通信素子の処理部の構成を示す図である。

[図 4]処理部の送信回路の構成を示す図である。

[図 5]処理部の受信回路の構成を示す図である。

[図 6] Φ 0モードの TEM波を発生する通信部の別の構成を示す図である。

[図 7] ΦΟモードの TEM波を発生する通信部のさらに別の構成を示す図である。

[図 8]通信装置の断面構造の変形例を示す図である。

[図 9] Φ 1モードの TEM波を発生する通信部の別の構成を示す図である。 [図 10]電極を正方形平板で構成したときの等価回路である。

[図 11] (a)は、第 1電極の斜視図であり、（b)は、第 1導電層と第 1電極との関係を示す図である。

[図 12]第 1電極の構造の変形例を示す図である。

[図 13]長さ方向において幅が不連続に変化する形状の第 1電極の上面図である。

[図 14]給電点および対応点の間のインピーダンスの等価回路を示す図である。

[図 15]通信素子の構造の一例を示す図である。

符号の説明

[0009] 10 · · '通信装置、 20· · '第 1導電層、 30· · '第 2導電層、 40· · '誘電層、 50· · '通信層、 100· · ·通信素子、 110· · ·通信部、 112 " '第1電極、 114· · ·第 2電極、 116 · ·

'第 1接続端子、 118…第 2接続端子、 120· · ·処理部。

発明を実施するための最良の形態

[0010] (通信装置の構造）

図 1は、本発明の実施例に係る通信装置の外観構成を示す。通信装置 10は、シート状の導体部として機能する第 1導電層 20および第 2導電層 30と、第 1導電層 20と第 2導電層 30の間に挟まれる誘電層 40を備える。誘電層 40は誘電体により構成され、第 1導電層 20と第 2導電層 30を絶縁する。この誘電層 40は固体材料で形成されているが、液体、空気、真空などで誘電領域 (誘電層）が構成されてもよい。実施例の通信装置 10では、誘電層 40に複数の通信素子（図示せず)が設けられる。通信素子は、電磁波で信号を送受信する機能を有して構成され、通信素子同士の間で信号を伝達してもよぐまた一つのステーション（中継局）との間で信号を伝達してもよい。通信素子間の通信形態は、 1対 1、 1対 N、 N対 Nのいずれを可能としてもよい。なお、通信素子はチップとして構成されるものに限定されない。通信素子は、電磁波で信号を送受信する機能を備えたものであればよぐその形態および形状は問わない。また通信素子は、 IDタグ、センサ等の機能をもつものであってもよい。

[0011] 実施例において、第 1導電層 20および第 2導電層 30はシート状に形成されている力例えば細長い帯状に形成されていてもよぐメッシュ状に形成されていてもよい。第 1導電層 20および第 2導電層 30は、可撓性をもつ導電性ゴムなどで形成されてもよぐまた紙状、布状のものであってもよい。第 1導電層 20および第 2導電層 30には、部分的に開口が設けられていてもよい。また、ここでいう導電性は、電磁波の信号周波数において導電性を有すればよぐ直流的には絶縁性であっても構わない。いずれの導電性材料で形成される場合であっても、第 1導電層 20および第 2導電層 30 は、実質的に平行に配置される。通信装置 10では、誘電層 40内に電磁波を発生させて信号伝達を行うため、第 1導電層 20および第 2導電層 30を平行に配置することで、各通信素子が安定して電磁波を発生することができる。

[0012] 図 2は、通信装置 10の断面構造を示す。この断面構造では、第 1導電層 20と第 2 導電層 30の間に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層 40において、信号を伝搬する電磁波を送受信する機能をもつ通信素子 100が設けられる。誘電層 40内に通信素子 100を設けることで、通信装置 10の外側からの外乱に対する耐性を高めることができる。また素子全体を小型化して実装することができるほか、通信素子 100が外部に露出しないため、通信装置 10全体の厚みを薄くでき、デザインや機械強度の面でもメリットがある。図 2では、 1つの通信素子 100のみが示されている力通信装置 10 には複数の通信素子 100が存在してよい。通信素子 100は、通信部 110および処理部 120を備える。

[0013] 通信部 110は、通信素子 100において、他の通信素子または中継局との間で信号を送受信するアンテナとしての機能をもつ。通信部 110は、誘電体を介して第 1導電層 20に近接して設けられる第 1電極 112と、誘電体を介して第 2導電層 30に近接して設けられる第 2電極 114とを有する。なお、第 1導電層 20と第 1電極 112、および第 2導電層 30と第 2電極 114は互いに平行に配置され、第 1導電層 20と第 1電極 112 との距離、および第 2導電層 30と第 2電極 114との間の距離は、実質的に等しいことが好ましい。

[0014] 電極を導電層に近接させた状態で、電極表面に電荷が生じると、導電層には逆符号の電荷が誘導される。これを「容量結合している状態」とよぶ。また電極表面に電流が生じると、これによつて発生する磁場を導電層の内部から排斥するように導電層の表面に電流が流れる。これを「誘導結合している状態」とよぶ。一つの電極上に電荷分布、電流分布が同時に生じる結果、それらが同時に生じることもある。本実施例にぉ、て、このように相互作用して、る状態を「近接電磁結合」な、しは単に「電磁結合」とよぶ。

[0015] 本実施例において、第 1電極 112と第 1導電層 20、および第 2電極 114と第 2導電層 30は、それぞれ近接電磁結合することになる。第 1電極 112および第 2電極 114 には、処理部 120から信号発信用の電流供給を受けるために第 1接続端子 116および第 2接続端子 118がそれぞれ形成される。これらの第 1電極 112および第 2電極 1 14は、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間の誘電層 40内に設けられる。なお、図 2に示す通信部 110では、第 2電極 114が第 2導電層 30に近接して配置されるが、第 1導電層 20に近接して配置されてもよい。

[0016] 通信部 110が、第 1導電層 20と第 2導電層 30の間で円柱対称な電流を供給すると、両者の間に電磁波が伝搬されることになる。電磁波が伝搬されると、受信機能をもつ他の通信素子 100または中継局は、伝搬される電磁波を受信して、信号を検知することができる。このように、第 1導電層 20、誘電層 40および第 2導電層 30からなる積層構造は、電磁波による通信に寄与するため、便宜上、「通信層」と呼ぶことにする。

[0017] 処理部 120は、通信部 110にて受信した信号を解析し、また生成した信号を通信部 110から送信させる機能をもつ。処理部 120は、通信部 110の第 1接続端子 116 および第 2接続端子 118のそれぞれと電気的に接続する。実施例の通信素子 100において、通信部 110は、誘電層 40に設けられる必要がある力処理部 120は、必ずしも誘電層 40に設けられる必要はない。例えば、処理部 120を第 1導電層 20または第 2導電層 30の外側に設けてもよぐその場合には第 1接続端子 116および第 2接続端子 118にケーブルを接続して、通信層 50の外側に配置された処理部 120までケーブルを引き出して接続すればよ!、。

[0018] 図 3は、通信素子の処理部の構成を示す。処理部 120は、正端子 201、負端子 20 2、コンデンサ 204、ダイオード 205、送信回路 206、受信回路 207および制御回路 2 08を有する。ダイオード 205は、処理部 120内の電源電位 VDDが端子間電圧 OUT を下回ったときに電流が流れる状態となり、コンデンサ 204への充電が速やかに行われる。 OUTく VDDである限り、ダイオード 205は高インピーダンス状態となるので、送信回路 206による信号の発信等を妨げることはない。このコンデンサ 204から、送信回路 206、受信回路 207、制御回路 208に動作電力が供給される。なお、各通信素子 100は信号用の電磁波によって電力供給するだけではなぐ別途電力供給用の周波数を設定し、信号周波数とは独立な電磁波で電力供給してもよ、。

[0019] 正端子 201および負端子 202は、第 1電極 112および第 2電極 114のいずれかに接続される。制御回路 208には、一般的な論理回路や、さらに進んで小型コンビユータなど、各種の情報処理装置を採用できる。制御回路 208は、受信回路 207および送信回路 206を制御して、受信機能をもつ他の通信素子 100と通信を行い、ネットヮークを形成する。通信先は、図 3に示す処理部 120と同様の信号送受信機能をもつ他の通信素子であってもよぐまた通信装置 10内に設けられた中継局（アクセスボイント）として機能する通信素子であってもよい。

[0020] 図 4は、処理部の送信回路の構成を示す。送信回路 206は、 pMOSトランジスタ 21 0、ダイオード 211および nMOSトランジスタ 212を備える。制御回路 208による送信制御は、 pMOSトランジスタ 210および nMOSトランジスタ 212のゲート電圧を変化させることによって行う。

(1)制御回路 208は、信号を発信しない状態の場合、 nMOSトランジスタ 212のゲートをチップ内でのグランド (VSS)電位、 pMOSトランジスタ 210のゲートを VDD電位とする。この場合、両者において、ソースドレイン間のインピーダンスが十分高い値になっており、出力 OUTは VDD電位にほぼ等しくなる。

(2)制御回路 208によって、 nMOSトランジスタ 212および pMOSトランジスタ 210 の両方のゲートに H (ハイ）電位が印加されると、 OUTは L (ロー）電位となる。

(3)制御回路 208によって、 nMOSトランジスタ 212および pMOSトランジスタ 210 の両方のゲートに L電位が印加されると、 OUTは H電位となる。

[0021] このように電位を変化させることによって、通信層 50の厚み方向（垂直方向）に電荷を上下に移動させ、第 1導電層 20と第 2導電層 30の間の誘電層 40に電磁波を発生させる。なお、 pMOSトランジスタ 210および nMOSトランジスタ 212に挟まれたダイオード 211は、出力電圧の振幅を調整するために挿入されている。ダイオード 211を設けない場合、 OUTの Hレベルが電源電位、 Lレベルはチップ内の接地電位となる力ダイオード 211を挿入することで、その順方向電圧降下分だけ Lレベルの電位が高くなり、消費電力を節約できる。

[0022] 図 5は、処理部の受信回路の構成を示す。受信回路 207は、抵抗 (rl) 220、抵抗（ r2) 221、コンパレータ 222を備える。受信回路 207では、抵抗 220と抵抗 221の分圧比によって、受信した電位が H力 Lであるかを判定するための閾値を設定する。

[0023] 以上、図 4および図 5を参照して、送信回路 206および受信回路 207の構成例を説明したが、これらはあくまでも送信原理および受信原理を説明するための構成にすぎず、通信装置 10の送受信機能が、これらに制限されるものではない。例えば、送受信動作を安定させるために、信号の変調方法として、一定時間連続するバーストを発生し、その信号の強度や位相で情報を伝達する方法を採用してもよい。その場合には、信号の送受信回路のフロントエンドとして、さらにフィルタ回路、検波回路等が付カロされることとなる力これらの送受信技術はすでに確立されているものであるため、詳細については省略する。

[0024] 図 2に戻って、実施例の通信装置 10において、略平行に配置される第 1導電層 20 および第 2導電層 30の間隔は、電磁波長よりも小さいことが好ましい。第 1導電層 20 および第 2導電層 30の間隔を大きくすると、発生する電磁波のモード数が多くなる。そのことで必ずしも信号受信ができなくなる訳ではないが、モード数が少なくない方力信号受信には有利となる。そのため、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間隔を電磁波長よりも小さくし、特に電界がシートに対して垂直なモードに限定するために、電磁波長の半分よりも小さな間隔にすることが好ま、。

[0025] この場合、誘電層 40には、通信層 50に対して電界が垂直で、また遠方においては磁界が電界および進行方向の両方に垂直な TEM波が発生する。このときの TEM波のモードを「Φ モード」と呼び、この Φ モードでは、放射源から点対称 (等方的）に電

0 0

磁波が放射される。

[0026] 図 6は、 Φ モードの ΤΕΜ波を発生する通信部の別の構成を示す。図 2においては

0

、第 1電極 112および第 2電極 114力通信層 50の垂直方向において重なって設けられていた力図 6に示すように、これらは重なり合っていなくてもよい。これにより、例えば第 1接続端子 116、第 2接続端子 118の位置を比較的自由に定めることが可能となる。通信部 110は、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間の誘電領域、すなわち誘電層 40に設けられ、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間隔は、電磁波長の半分よりも小さな間隔にされる。

[0027] 図 7は、 Φ モードの TEM波を発生する通信部のさらに別の構成を示す。この例で

0

は、第 1電極 112および第 2電極 114がー体の導電体ループとして形成されて!、る。なお、この場合であっても、通信部 110が、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間の誘電層 40に設けられ、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間隔は、電磁波長の半分よりも小さな間隔にされる。

[0028] 図 8は、通信装置 10の断面構造の変形例を示す。この通信装置 10においても、第 1導電層 20と第 2導電層 30の間に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層 40において、信号を伝搬する電磁波を送受信する機能をもつ通信素子 100が設けられる。図 8 では、 1つの通信素子 100のみが示されている力通信装置 10には複数の通信素子 100が存在する。通信素子 100は、通信部 110および処理部 120を備える。

[0029] 図 2に示す通信装置 10との相違点として、通信部 110における第 1電極 112および第 2電極 114とが、双方とも誘電体を介して第 1導電層 20に近接して設けられている。なお、近接する対象は第 2導電層 30であってもよぐいずれにしても、両者が共通の導電層に近接して、近接電磁結合することになる。第 1電極 112および第 2電極 114と第 1導電層 20との間の距離は、実質的に等しいことが好ましい。この場合、同一面上に第 1電極 112および第 2電極 114を配置できるため、製造プロセスが容易になるという利点がある。通信部 110は、第 1電極 112および第 2電極 114に対して互いに反転する電位変化を印加する。これにより、通信層 50における第 1導電層 20 および第 2導電層 30において電荷を水平方向に交互に移動させることができ、第 1 導電層 20および第 2導電層 30に挟まれた誘電領域、すなわち誘電層 40において、送信信号を伝搬する電磁波を発生させることができる。

[0030] このとき、誘電層 40には、通信層 50に対して TEM波が発生する力図 2の通信装置 10に関して説明した「Φ モード」とは異なり、角度依存性をもつ「Φ モード」の ΤΕ

0 1

Μ波となる。この Φ モードでは、放射源力もの放射が行われる力第 1電極 112および第 2電極 114を、 Θ =0方向に沿って配列した場合、遠方においては、

E =e u:, zノ cos Θ B =b (r, z) cos Θ

Θ

の角度依存性をもつ電磁場が発生する。なお、 E

zは、 z方向すなわち通信層 50に垂直な方向の電界であり、 B は、同心円に沿った左回りの磁場成分である。ちなみに、

Θ

放射点付近では他の電磁場成分も存在して!ヽる。

[0031] 図 9は、 Φモードの TEM波を発生する通信部の別の構成を示す。この例では、第 1電極 112および第 2電極 114がー体の導電体ループとして形成されている。なお、この場合であっても、通信部 110は、第 1導電層 20および第 2導電層 30の間の誘電領域、すなわち誘電層 40に設けられる。

[0032] 以上、本実施例の通信装置 10の構造について説明した。

通信部 110の電極を通信層 50の導電層に電気接続できれば導電層に容易に電流を送り込むことができるが、通信部 110の電極を通信層 50の導電層に電気接続することは、実装上手間の力かることが多い。特に第 1導電層 20および第 2導電層 30を可撓性導体材料で形成する場合には、電気接続を安定して長期間維持することは容易でない。そこで、実施例の通信装置 10では、発想を逆転させて、電極と導電層の不安定な電気接続に頼るのではなぐ電極と導電層とを誘電体を介して近接電磁結合させ、むしろ通信を安定ィ匕させることを意図している。具体的には、誘電層 40の厚みを、発生させる電磁波の波長の半分より小さくすることで、効率的に電磁波を発生することが可能となって、る。

[0033] (電極の形状）

以下では、さらに効率的に電磁波を発生させるベぐ通信部 110の電極の形状について考察する。まず、第 1電極 112および第 2電極 114が正方形平板であり、各電極の長さ Lが電磁波長より十分小さい場合の等価回路を検討する。ここでは、図 2に示すように、第 1電極 112が第 1導電層 20に近接して配置され、第 2電極 114が第 2 導電層 30に近接して配置される構造を例にとる。ここで、第 1電極 112と第 1導電層 2 0の間の距離、および第 2電極 114と第 2導電層 30の間の距離は、それぞれ等しく d とする。

[0034] 図 10は、電極を正方形平板で構成したときの等価回路である。容量 C 301は、第 1電極 112と第 1導電層 20の間の静電容量であり、容量 C 302は、第 2電極 114と第 2導電層 30の間の静電容量である。 Zは、通信層 50のインピーダンスを表現してお

c

り、容量 301および容量 302が、駆動するインピーダンス Zに直列接続されることに

C

なる。そのため、容量のリアクタンスが I z C Iより大きい場合には、信号を発生するため、すなわち通信層 50のインピーダンス Zを駆動するために、より大きな電圧が必要

C

となる。

[0035] 容量リアクタンスを打ち消すためには、整合用のインダクタンスを接続することも可能である力容量 301および容量 302の大きさは、電極と導電層との間隔 dに依存している。電極の全面にわたり間隔 dを維持するように電極および導電層を正確に平行に配置することは実装上困難である。そのため、整合用インダクタンスを接続しても、電極導電層間のインピーダンスを大幅に低減することは必ずしも容易でな、。本発明者は、試行錯誤の結果、共振現象に注目し、電極の形状を調整することで電極導電層間のインピーダンスを低減する解決策を想到するに至った。すなわち、電極の形状を、発生する電磁波の周波数で共振する形状とすることで、電極への小さな印加電圧で、大きな電流を発生させることが可能となる。

[0036] 具体的な形状につ!、て検討する。

(帯状の形状）

以下、電極を代表して、第 1電極 112を例にとる力第 2電極 114についても同様である。

第 1電極 112を帯状の形状で形成する場合、共振を生じさせるためには、第 1電極 112の長さ Lを、 λ Ζ4+ηΧ λ Ζ2( λは電磁波長、 nは整数）とすることが知られている。

[0037] 図 11 (a)は、第 1電極の斜視図である。第 1電極 112は帯状の形状に構成され、その長さ Uま、略え /4とする。なお、共振を発生させる Uま、 λ /4だけでなく、 λ /4 に λ Ζ2の整数倍を加えた長さをとることができるが、通信装置 10の小型化の要請からも、 Lの長さは短い方が好ましぐそこで、長さ Lを略 λ Ζ4としている。

[0038] 図 11 (b)は、第 1導電層と第 1電極との関係を示す。第 1電極 112は、誘電層 40内において第 1導電層 20に平行に配置されている。この構造において、第 1接続端子 116からの電流を供給するための給電点 310を第 1電極 112の端部に設定する。図 1Kb)に示すように、給電点 310を左端に設定した場合、右端を電流の節、左端を電流の腹とする共振モードが発生する。電界は導電層にほぼ垂直であり、電界については右端が腹、左端が節になっている。このとき、給電点 310と、給電点 310の直上にある第 1導電層 20上の対応点 312との間のインピーダンスは小さな値となっており、対応点 312を通して第 1導電層 20に電流を供給できる。また、この共振条件は L によってきまり、第 1導電層 20と第 1電極 112の間隔 dには強く依存しないことが重要である。この性質によって、間隔 dの変化によらず安定して結合ができることになる。理論上、共振モードの発生は、第 1電極 112の長さ Lによるのであって、給電点 310 の位置はインピーダンスに影響を与えることはない。しカゝしながら、実際には第 1電極 112の抵抗成分などによりインピーダンスがゼロにはならないため、給電点 310を第 1電極 112の端部に設けることで、現実のインピーダンスをゼロに近づけることができる。

[0039] 共振が生じているときの給電点 310および対応点 312の間のインピーダンスを Zrと表現する。 Zrは厳密にゼロになることはなぐまた第 1導電層 20と第 1電極 112の間隔 dによっていくらか変化することがあったとしても、駆動したい導電層のインピーダンス I Z Iよりも |Zr|が小さいか、同程度であれば、通信素子 100からみた第 1接続端

C

子 116および第 2接続端子 118の間のインピーダンスは、 dに対し著しく変化することはない。そのため、一定の駆動インピーダンスの駆動回路を用いたとしても、 dに強く依存することなく安定して通信層 50に電磁波を送出することができるし、逆に通信層 50からの電磁波を通信素子 100の回路が吸収することもできる。

[0040] 例えば、 L= λ Ζ2として、給電点 310をその中央に設定してもよい。この場合は、 L

= λ Ζ2の電極を同一平面上に二つ並べて、給電点 310を共通にした構造と等価なものとして扱うことができる。

[0041] 図 12は、第 1電極の構造の変形例を示す。上記したように、第 1電極 112を共振させて、第 1電極 112と第 1導電層 20の間のインピーダンスを低減させるためには、第 1電極 112の長さ Lを、略 λ Ζ4 ( λは誘電領域における電磁波長）に設定すればよい。この知見を利用して、図 12に示す第 1電極 112は、巻いた形状の導体として構成される。 [0042] 図 12 (a)は、リング状に形成された第 1電極の上面図である。この例では、第 1電極 112は、一重に巻かれた構成を有する。巻き方向における長さは、電磁波の波長の略 1Z4とされる。これにより、共振条件を満足することができ、第 1電極 112と第 1導電層 20との間のインピーダンスを低減することが可能となる。直線の帯状の構造と比較して、第 1電極 112の実装領域を小さくすることができ、小型化に寄与することが可能となる。

[0043] 図 12 (b)は、螺旋状に形成された第 1電極の上面図である。この例では、第 1電極 112は、渦巻状に巻かれた構成を有する。巻き方向における長さは、電磁波の波長の略 1Z4とされる。これにより、共振条件を満足することができ、第 1電極 112と第 1 導電層 20との間のインピーダンスを低減することが可能となる。図 12 (a)に示したリング状の構造と比較して、外側のリングの内部にまで電極を延ばすために、リングの径を小さくして、第 1電極 112の実装領域をさらに小さくすることができ、さらなる小型化に寄与することが可能となる。なお、給電点 310を外側の端部に設定しているが、別の例では給電点 310を内側の端部に設定してもよい。

[0044] 図 12 (a)および図 12 (b)に示す第 1電極 112も、誘電層 40において第 1導電層 20 に実質的に平行に配置されることが好ましい。これにより、第 1電極 112と第 1導電層 20の間隔 dに大きく依存することなぐ第 1電極 112および第 1導電層 20の間のインピーダンスを低減することができる。

[0045] 図 13 (a)は、長さ方向において幅が不連続に変化する形状の第 1電極の上面図である。この例では、第 1電極 112が、長さ方向に、幅 wとなる幅狭領域 320と、幅 yとなる幅広領域 322 (wく y)とを有して構成される。給電点 310は、幅狭領域 320側の端部に設けられる。この第 1電極 112の特徴は、長さ（X + x )が λ Ζ4よりも小さい点に

1 2

ある。これは、音響におけるヘルツホルム共鳴と同様な原理力導出される。これにより、共振条件を満足する第 1電極 112の長さを短くでき、小型化に寄与することが可能となる。

[0046] 図 13 (b)は、第 1電極の変形例を示す。この変形例では、第 1電極 112が、幅狭領域 320と、幅広領域 324と有して構成される。幅広領域 324は、例えば円形に形成されてもよい。給電点 310は、幅狭領域 320側の端部に設けられる。この第 1電極 112 の特徴は、長さ (X +x )が λΖ4よりも小さい点にある。これにより、共振条件を満足

1 3

する第 1電極 112の長さを短くでき、小型化に寄与することが可能となる。

[0047] 図 14は、給電点 310および対応点 312の間のインピーダンスの等価回路を示す。

以下、図 13(a)に示す第 1電極 112の構造について考察すると、幅狭領域 320はィンダクタンス L、幅広領域 322は容量 Cとみなすことができる。なお、より正確には通

S S

信層 50に放射される電力と、第 1電極 112の抵抗で消費される電力を表す等価抵抗が図 14の等価回路に直列に挿入されることになる力ここでは省略している。

[0048] ここで、第 1電極 112は、角周波数 ω =ΐΖ (L XC )で共振する。

S S

X、 yが波長えより十分小さいとき、 Cは、幅広領域 322と第 1電極 112とで形成さ

3 S

れる平行平板コンデンサの容量で近似される。

[数 1] n 一 _ε

し ^s - ^ε d ε：第 1電極 112と第 1導電層 20の間の材料の誘電率

d:第 1電極 112と第 1導電層 20の間の距離

また、 Xが波長より十分小さぐ x2, w>>dのとき、 Lは、以下のように近似される。

1 S

[数 2]

μ：第 1電極 112と第 1導電層 20の間の材料の透磁率

このとき共振周波数 ωは、

[数 3] w ：

となる。 c :光速

S :幅広領域 322の面積

共振周波数 ωは、 dに依存しない。以上のように、第 1電極 112の長さを λ Ζ4よりも短くした場合であっても、幅が不連続に変化する形状にすることで、第 1電極 112および第 1導電層 20の間のインピーダンスを低減することができる。以上の共振周波数の導出式は、図 13 (b)に示す第 1電極 112にも適用される。

[0049] 図 15は、通信素子 100の構造の一例を示す。通信素子 100は、リング状に形成された第 1電極 112と、リング状に形成され且つ一端を幅広領域として形成された第 2 電極 114とを備える。すなわち、第 2電極 114は、巻いた形状をもち、さらに巻き方向において幅が不連続に変化する形状の導体として構成される。第 2電極 114に幅広領域を形成することで、巻き方向の長さを λ Ζ4よりも短くすることができ、したがって巻き形状における直径を、第 1電極 112の巻き形状の直径よりも小さくできる。

[0050] 図 15 (a)は、巻いた形状をもつ第 1電極および第 2電極を備えた通信素子の下面図であり、図 15 (b)は、通信装置 10の断面図である。通信層 50には、第 1導電層 20 と誘電層 40とを貫通する開口部が形成され、その開口部に、通信素子 100が挿入されている。通信素子 100における第 1電極 112の給電点 310a、第 2電極 114の給電点 310bには、処理部 120の駆動回路が接続される。これまでは、電極が誘電層 40 内に設けられる構成を説明してきたが、共振条件を満足する電極形状は、誘電層 40 内だけでなぐ通信層 50の外部においても有用である。具体的には、図 15 (b)に示すように、共振条件を満たす第 1電極 112が、誘電層 40の内部ではなぐ通信層 50 の外部に配置され、第 1電極 112および第 1導電層 20の間のインピーダンスを低減する。図 15に示す通信素子 100は、電極および導電層が、誘電体を介さずに電気接続している力その場合であっても、電極および導電層の間のインピーダンスを低減できることに変わりはなぐ安定した通信を可能とする。また、電気接続させている場合に、仮にその電気接続が離れた場合であっても、共振により電極および導電層の間のインピーダンスを低減できるため、安定した通信を維持できる。

[0051] また、図 15に示す通信素子 100は、第 1電極 112を第 1導電層 20に、また第 2電極 114を第 2導電層 30に接続するために、第 1電極 112および第 2電極 114を段構造にて高さ方向に段階的に支持しているが、両方の電極を第 1導電層 20に接続する場合には、段構造を有する必要はない。その場合、通信素子 100は、電極が第 2導電層 30に近接するように配置される。

[0052] 以上、本発明を実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せに、ろ、ろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

[0053] 実施例においては、第 1電極 112および第 2電極 114が、導電層に誘電体を介して近接電磁結合する構成をメインに説明したが、第 1電極 112を導電層に近接電磁結合させ、第²電極を導電層に電気接続させる構成をとつてもよい。この場合、近接電磁結合する第 1電極 112については、第 1導電層 20との間で共振する形状をとり、第 1電極 112と第 1導電層 20の間のインピーダンスを低減させる。一方、第 2電極 114 については、導電層と電気接続するため、必ずしも共振形状をとる必要はない。しかしながら、図 15に関して説明したように、導電層と電気接続する場合であっても、電極を共振形状に形成することは、インピーダンスを低減するため、通信効率を高めることができる。また、仮に電気接続が離れた場合であっても、電極を共振形状に形成しておくことで、電極と導電層の間のインピーダンスを低減することができる。

産業上の利用可能性

[0054] 本発明によると、効率よい通信を実現する通信装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1導電部および第 2導電部と、前記第 1導電部と前記第 2導電部の間に挟まれた誘電領域を備えた通信装置であって、

前記誘電領域において、誘電体を介して前記第 1導電部に近接して設けられる第 1電極と、誘電体を介して前記第 1導電部または前記第 2導電部のいずれか一方に近接して設けられる第 2電極とをさらに備え、

前記第 1導電部と前記第 2導電部は、前記誘電領域に発生する電磁波の波長の半分よりも小さい間隔で、実質的に平行に配置され、

前記第 1電極および前記第 2電極の間に電圧を印加して電荷を相互に移動させることで、送信する信号を伝搬する電磁波を前記誘電領域に発生させることを特徴とする通信装置。

[2] 前記第 1電極と前記第 1導電部の間の距離と、前記第 2電極と当該第 2電極に近接する前記第 1導電部または前記第 2導電部の間の距離は、実質的に同一であることを特徴とする請求項 1に記載の通信装置。

[3] 前記第 1電極および前記第 2電極は、前記第 1導電部から実質的に同一の距離となる位置に配置されることを特徴とする請求項 1または 2に記載の通信装置。