WO2011055744A1

WO2011055744A1 - 電磁波放射装置および電磁波検出装置

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Publication number: WO2011055744A1
Application number: PCT/JP2010/069595
Authority: WO
Inventors: 雅和足立; 敦諏訪; 孝司笹部
Original assignee: パナソニック電工株式会社
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-05-12
Also published as: JP2011099715A

Abstract

　電磁波放射装置は、電磁波を放射する電磁波源と、電磁波源に対向するように配置された収束レンズとしてのレンズと、電磁波源およびレンズが取り付けられる基板とを備える。レンズは、左手系メタマテリアルを用いて形成されている。レンズにおいて電磁波源と対向する対向面は、電磁波源を覆う凹面である。電磁波源は、基板と対向面とで囲まれる空間内に配置されている。

Description

電磁波放射装置および電磁波検出装置

　本発明は、電磁波放射装置および電磁波検出装置に関する。

　従来から、電磁波放射装置が提案されている。電磁波放射装置は、電磁波（たとえば、電波や、光、Ｘ線、ガンマ線）を放射する電磁波源と、電磁波源に対向するように配置されるコリメートレンズとを備えている。電磁波放射装置において、コリメートレンズは、電磁波源から放射された電磁波をコリメートして平行光束に変換するために設けられている。また、従来から、電磁波検出装置が提案されている。電磁波検出装置は、電磁波を検出する電磁波センサと、電磁波センサに対向するように配置されるコリメートレンズとを備えている。電磁波検出装置では、コリメートレンズは、外部からの電磁波が電磁波センサに入射するように電磁波を収束させるために設けられている。

　このように、電磁波放射装置や電磁波検出装置では、電磁波を有効に利用するためにコリメートレンズを用いている。コリメートレンズは、透明な樹脂材料やガラスを用いて形成された両凸レンズである（日本国公開特許公報２００７－１０１１８９号参照）。

　しかしながら、コリメートレンズの表面は凸面であるため、電磁波源から放射された電磁波を全てコリメートレンズに入射させることは難しい。

　電磁波源から放射された電磁波のうちコリメートレンズに入射しなかった電磁波は、無駄になるだけではなく、周辺の機器に悪影響を与えるおそれもある。

　そのため、電磁波源から放射された電磁波を可能な限りコリメートレンズに入射させたいという要望がある。

　コリメートレンズに入射する電磁波の量を増やす方法としては、たとえば、コリメートレンズの直径を大きくすることが考えられる。しかしながら、コリメートレンズの表面は凸面であるから、コリメートレンズの直径を大きくすると、コリメートレンズの厚みも増すことになる。その結果、電磁波放射装置の厚みも厚くなってしまう。

　このように、従来の電磁波放射装置や電磁波検出装置では、厚みを薄くすることと電磁波の利用効率を向上することとを両立することができなかった。

　また、電磁波放射装置は、ヒータなどの暖房器具に用いることができる。しかしながら、コリメートレンズとして両凸レンズを用いた場合には、ヒータの表面に凸凹が現れるため、見栄えが悪いという問題がある。

　本発明は上述の点に鑑みて為された。本発明の目的は、厚みを薄くでき、しかも電磁波の利用効率を向上できる電磁波放射装置および電磁波検出装置を提供することである。

　本発明に係る電磁波放射装置は、電磁波を放射する電磁波源と、上記電磁波源に対向するように配置された収束レンズとしてのレンズと、を備え、上記レンズは、左手系メタマテリアルを用いて形成され、上記レンズにおいて上記電磁波源と対向する対向面は、上記電磁波源を覆う凹面である。

　好ましい形態では、電磁波放射装置は、上記電磁波源および上記レンズが取り付けられる基板を備え、上記電磁波源は、上記基板と上記対向面とで囲まれる空間内に配置されている。

　より好ましい形態では、上記基板は、上記レンズの上記対向面と対向する反射面を有し、上記反射面は、上記電磁波源から放射された電磁波が上記レンズの上記対向面に向かうように電磁波を反射する凹面である。

　さらに好ましい形態では、上記電磁波源は、上記反射面を底面とする凹所内に配置されている。

　別の好ましい形態では、電磁波放射装置は、上記電磁波源および上記レンズが取り付けられる基板を備え、上記基板には、上記電磁波源がアレイ状に配置され、上記レンズは、上記電磁波源と一対一で対応するように上記基板に取り付けられている。

　好ましい形態では、上記電磁波源は、遠赤外線を放射するように構成されている。

　本発明に係る電磁波検出装置は、電磁波を検出する電磁波センサと、上記電磁波センサに対向するように配置された収束レンズとしてのレンズと、を備え、上記レンズは、左手系メタマテリアルを用いて形成され、上記レンズにおいて上記電磁波センサと対向する対向面は、上記電磁波センサを覆う凹面である。

本発明の実施形態１の電磁波放射装置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＡ－Ａ線断面図である。同上の電磁波放射装置の変形例を示し、（ａ）はレンズを取り外した状態の概略平面図、（ｂ）は部分平面図である。本発明の実施形態２の電磁波放射装置の断面図である。本発明の実施形態３の電磁波検出装置を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＡ－Ａ線断面図である。

　（実施形態１）
　本実施形態の電磁波放射装置１０は、図１（ａ）～（ｃ）に示すように、電磁波を放射する電磁波源１１と、電磁波源１１に対向するように配置される収束レンズであるレンズ１２と、電磁波源１１およびレンズ１２が取り付けられる基板１３とを備える。

　電磁波源１１から放射される電磁波としては、電波（たとえば高周波）や、赤外線（たとえば遠赤外線）、可視光、紫外線、Ｘ線、ガンマ線が挙げられる。準ミリ波帯などの周波数を持つ電波を放射する電磁波源１１を用いれば、電磁波放射装置１０を送信アンテナ（レーダアンテナ）として利用できる。ＰＴＣフィルムや、カーボンランプ、ハロゲンランプなどの遠赤外線を放射する電磁波源１２を用いれば、電磁波放射装置１０をヒータとして利用できる。電磁波源１１は、電磁波放射装置１０の用途に応じて選択される。

　基板１３は、平板状に形成されている。基板１３の厚み方向の一面（図１（ｃ）における右面）１３０には、電磁波源１１が実装されている。また、基板１３の一面１３０には、レンズ１２が取り付けられている。基板１３の厚み方向の他面（図１（ｃ）における左面）１３１には、金属材料製のパッド１３２が形成されている。パッド１３２は、たとえば、外部の電源から電磁波源１１に給電するために用いられる。基板１３には、基板１３を厚み方向に貫通する貫通孔配線１３３が形成されている。貫通孔配線１３３は、電磁波源１１をパッド１３２に電気的に接続する。基板１３は、たとえば絶縁性を有する樹脂を用いて形成されている。なお、パッド１３２は必要に応じて複数設けられる。各パッド１３２は、貫通孔配線１３３を介して電磁波源１１に電気的に接続される。

　レンズ１２は、板状に形成されている。レンズ１２の厚み方向の一面（図１（ｃ）における右面）１２０は、平坦な面（平面）である。一方、レンズ１２の厚み方向の他面（図
１（ｃ）における左面）１２１には、凹所（第１凹所）１２２が形成されている。凹所１２２は、電磁波源１１を収容可能な大きさの略半球状に形成されている。凹所１２２の底面１２３は、電磁波源１１を覆う凹面である。レンズ１２では、底面１２３が、電磁波源１１と対向する対向面（電磁波源１１からの電磁波が入射する面）となる。

　本実施形態では、レンズ１２は、電磁波源１１が凹所１２２内に位置するように基板１３に取り付けられている。レンズ１２の厚み方向と基板１３の厚み方向とは一致している。また、電磁波源１１の中心軸とレンズ１２の光軸とを一致させている。電磁波源１１は、基板１３とレンズ１２の対向面１２３とで囲まれた空間１４内に配置される。空間１４内には、所定の気体（本実施形態では空気）が封入されている。なお、空間１４内は、真空であってもよい。

　レンズ１２は、左手系メタマテリアルにより形成されている。左手系メタマテリアルは、負の屈折率を有するメタマテリアルである。メタマテリアルは、自然界に存在する物質では実現不可能な機能や物性を生じるように設計された人工的な機能物質である。このようなメタマテリアルは、たとえば、棒状やコイル状の金属や誘電体でできた構造体を空間に分散させることで形成されている。構造体の形状や配置等を適宜設計することで、屈折率を負にすることができる。左手系メタマテリアルについての技術は、周知であるから詳細な説明を省略する。

　本実施形態では、レンズ１２の屈折率（左手系マテリアルの屈折率）は－１である。また、空間１４は空気で満たされているから、空間１４の屈折率は略１（０度、１気圧で１．０００２９２）である。よって、電磁波は、レンズ１２の対向面１２３で、入射角と屈折角との正負が逆になるように屈折する。すなわち、入射角をθ、屈折角をφとしたとき、φ＝－θが成立する。この対向面１２３の曲率は、対向面１２３で屈折された電磁波がレンズ１２内をレンズ１２の一面１２０の法線方向（基板１３の一面１３０の法線方向に等しい）に伝播するような値である。

　よって、対向面１２３で屈折した電磁波は、レンズ１２内をレンズ１２の一面１２０の法線方向（基板１３の一面１３０の法線方向に等しい）に伝播し、レンズ１２の一面１２０で屈折されることなくレンズ１２から外側へ伝播する。

　このように、レンズ１２は、対向面１２３に入射した発散光束をコリメートする（平行光束にする）コリメートレンズである。このレンズ１２は、一面１２０に入射した平行光束を収束する（収束光束にする）収束レンズでもある。

　このように、本実施形態の電磁波放射装置１０は、レンズ１２の一面１２０の法線方向において強い指向性を有する。

　以上述べたように、本実施形態の電磁波放射装置１０は、電磁波を放射する電磁波源１１と、電磁波源１１に対向するように配置された収束レンズとしてのレンズ１２と、を備える。レンズ１２は、左手系メタマテリアルを用いて形成され、レンズ１２において電磁波源１１と対向する対向面１２３は、電磁波源１１を覆う凹面である。

　本実施形態の電磁波放射装置１０によれば、電磁波源１１から放射された電磁波を収束させるために凸面レンズを用いなくて済むから、電磁波放射装置１０の厚みを薄くできる。レンズ１２において対向面１２３とは反対側の面である厚み方向の一面１２０を平面にできるから、一面１２０が凸面である場合に比べて見栄えが良くなる。レンズ１２の対向面１２３が電磁波源１１を覆う凹面であるから、対向面１２３が平面や凸面である場合に比べてレンズ１２に入射する電磁波が増える。その結果、電磁波源１１から放射される電磁波の利用効率が向上する。したがって、電磁波源１１に供給する電力を増やさなくても、レンズ１２から外方に放射される電磁波の量が増える。よって、エネルギ効率が向上する。

　特に、電磁波放射装置１０をアンテナとして用いる場合、サイドローブなどの誤動作の原因になる不要放射を低減できる。

　また、本実施形態の電磁波放射装置１０は、電磁波源１１およびレンズ１２が取り付けられる基板１３を備える。電磁波源１１は、基板１３とレンズ１２の対向面１２３とで囲まれる空間１４内に配置されている。

　本実施形態の電磁波放射装置１０によれば、基板１３とレンズ１２の対向面１２３とで囲まれる空間１４内に電磁波源１１が配置されているため、電磁波放射装置１０の厚みを更に薄くできる。また、電磁波源１１から放射された電磁波の大部分がレンズ１２の対向面１２３に入射するから、電磁波源１１から放射される電磁波の利用効率が更に向上する。そのため、エネルギ効率が更に向上する。

　図２（ａ），（ｂ）は、本実施形態の変形例の電磁波放射装置１０を示す。変形例の電磁波放射装置１０では、基板１３に、複数の電磁波源１１と、複数のレンズ１２とが設けられている。電磁波源１１は、基板１３の一面１３０にマトリクス状（アレイ状）に配置されている。図示例では、１４４個の電磁波源１１が１２×１２のマトリクス状に配置されている。レンズ１２は、電磁波源１１と一対一で対応するようにして基板１３の一面１３０に取り付けられている。図２に示す例では、レンズ１２は隣接するレンズ１２と一体に形成されている。

　このように、電磁波源１１の数を増やせば、電磁波源１１およびレンズ１２を大型化しなくても、電磁波の放射量を増やすことができる。また、電磁波源１１が小さいほうが、電磁波源１１からの電磁波がレンズ１２に入射し易くなる。そのため、電磁波源１１およびレンズ１２を大型化する場合に比べて、電磁波の利用効率を向上できる。

　なお、電磁波源１１としてＰＴＣフィルムを用いれば、高効率で局所的な加熱を行うヒータを実現できる。このようなヒータは、トイレでの使用に好適である。

　本実施形態の電磁波放射装置１０では、レンズ１２の一面１２０は平面である。しかしながら、レンズ１２の一面１２０は必ずしも平面である必要はない。レンズ１２の一面１２０の形状は、電磁波放射装置１０の用途に応じて適宜変更できる。

　（実施形態２）
　本実施形態の電磁波放射装置１０Ａは、図３に示すように、基板１３Ａが実施形態１の電磁波放射装置１０と異なる。本実施形態の電磁波放射装置１０Ａと実施形態１の電磁波放射装置１０とで共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

　基板１３Ａの一面１３０には、レンズ１２の凹所１２２と対向する部位に、凹所（第２凹所）１３４が形成されている。凹所１３４は、電磁波源１１を収容可能な大きさの略半球状に形成されている。凹所１３４の底面１３５の中央には、電磁波源１１が設置されている。電磁波源１１は、貫通孔配線１３３によりパッド１３２に電気的に接続されている。凹所１３４の底面１３５には、反射膜１３６が形成されている。反射膜１３６は、電磁波源１１を囲うように形成され、電磁波源１１および貫通孔配線１３３と電気的に絶縁されている。反射膜１３６は、たとえば金属膜である。なお、反射膜１３６は、高インピーダンスのメタマテリアルや、シングルネガティブのメタマテリアル（誘電率と透磁率のどちらか一方のみが負であるメタマテリアル）により形成されていてもよい。

　反射膜１３６においてレンズ１２と対向する表面（図３における右面）１３７が、レンズ１２の対向面１３２と対向する反射面となる。反射面１３７は、凹面であり、電磁波源１１から放射された電磁波がレンズ１２の対向面１２３に向かうように電磁波を反射する。

　以上述べたように本実施形態の電磁波放射装置１０Ａでは、基板１３は、レンズ１２の対向面１２３と対向する反射面１３７を有する。反射面１３７は、電磁波源１１から放射された電磁波がレンズ１２の対向面１２３に向かうように電磁波を反射する凹面である。

　本実施形態の電磁波放射装置１０Ａによれば、電磁波源１１からレンズ１２の対向面１２３に直接入射しない電磁波を利用できるようになる。よって、電磁波の利用効率が更に向上する。

　さらに、本実施形態の電磁波放射装置１０Ａでは、電磁波源１１は、反射面１３７を底面とする凹所１３４内に配置されている。本実施形態の電磁波放射装置１０Ａによれば、電磁波放射装置１０Ａの厚みを更に薄くできる。

　本実施形態の電磁波放射装置１０Ａにおいても、実施形態１の変形例の電磁波放射装置１０と同様に、電磁波源１１の数を増やしても良い。

　（実施形態３）
　本実施形態の電磁波検出装置２０は、図４（ａ）～（ｃ）に示すように、電磁波を検出する電磁波センサ２１と、電磁波センサ２１に対向するように配置される収束レンズであるレンズ２２と、電磁波センサ２１およびレンズ２２が取り付けられる基板２３とを備える。

　電磁波センサ２１で検出する電磁波としては、電波（たとえば高周波）や、赤外線（たとえば遠赤外線）、可視光、紫外線、Ｘ線、ガンマ線が挙げられる。電波を検出する電磁波センサ２１を用いれば、電磁波検出装置２０を受信アンテナとして利用できる。光を検出するフォトダイオードなどの電磁波センサ２１を用いれば、電磁波検出装置２０をディジタルカメラなどに利用できる。また、赤外線を検出する電磁波センサ２１を用いれば、電磁波検出装置２０を人感センサなどに利用できる。電磁波センサ２１は、電磁波検出装置２０の用途に応じて選択される。

　基板２３は、平板状に形成されている。基板２３の厚み方向の一面（図４（ｃ）における右面）２３０には、電磁波センサ２１が実装されている。また、基板２３の一面２３０には、レンズ２２が取り付けられている。基板２３の厚み方向の他面（図４（ｃ）における左面）２３１には、金属材料製のパッド２３２が形成されている。パッド２３２は、たとえば電磁波センサ２１の出力を読み出すために用いられる。基板２３には、基板２３を厚み方向に貫通する貫通孔配線２３３が形成されている。貫通孔配線２３３は、電磁波源２１をパッド２３２に電気的に接続する。基板２３は、たとえば絶縁性を有する樹脂を用いて形成されている。なお、パッド２３２は必要に応じて複数設けられる。各パッド２３２は、貫通孔配線２３３を介して電磁波センサ２１に電気的に接続される。

　レンズ２２は、板状に形成されている。レンズ２２の厚み方向の一面（図４（ｃ）における右面）２２０は、平坦な面（平面）である。一方、レンズ１２の厚み方向の他面（図１（ｃ）における左面）２２１には、凹所２２２が形成されている。凹所２２２は、電磁波センサ２１を収容可能な大きさの略半球状に形成されている。凹所２２２の底面２２３は、電磁波センサ２１を覆う凹面である。レンズ２２では、底面２２３が、電磁波センサ２１と対向する対向面（電磁波センサ２１に向けて電磁波を出射させる面）となる。この対向面２２３は、レンズ２２の一面２２０に入射した電磁波を電磁波センサ２１に収束するように形成されている。

　レンズ２２は、対向面２２３で電磁波センサ２１を覆うようにして基板２３に取り付けられる。本実施形態では、電磁波センサ２１が凹所２２２内に配置されている。レンズ２２の厚み方向と基板２３の厚み方向とは一致している。また、電磁波センサ２１の中心軸とレンズ２２の光軸とを一致させている。電磁波センサ２１は、基板２３とレンズ２２の対向面２２３とで囲まれた空間２４内に配置される。空間２４内には、所定の気体（本実施形態では空気）が封入されている。なお、空間２４内は、真空であってもよい。

　レンズ２２は、左手系メタマテリアルにより形成されている。本実施形態では、レンズ２２の屈折率（左手系マテリアルの屈折率）は－１である。また、空間２４は空気で満たされているから、空間２４の屈折率は略１（０度、１気圧で１．０００２９２）である。よって、電磁波は、レンズ２２から空間２４に伝播する際に、レンズ２２の対向面２２３で、入射角と屈折角との正負が逆になるように屈折する。すなわち、入射角をθ、屈折角をφとしたとき、φ＝－θが成立する。レンズ２２の対向面２２３の曲率は、レンズ２２の一面２２０に入射した電磁波を電磁波センサ２１に収束するような値である。

　このように、レンズ２２は、一面２２０に入射した平行光束を収束する（収束光束にする）収束レンズである。このレンズ１２は、対向面２２３に入射した発散光束をコリメートする(平行光束にする）コリメートレンズでもある。

　このように、本実施形態の電磁波検出装置２０は、レンズ２２の一面２２０の法線方向（基板２３の一面２３０の法線方向）において強い指向性を有する。

　以上述べたように本実施形態の電磁波検出装置２０は、電磁波を検出する電磁波センサ２１と、電磁波センサ２１に対向するように配置された収束レンズとしてのレンズ２２とを備える。レンズ２２は、左手系メタマテリアルを用いて形成される。レンズ２２において電磁波センサ２１と対向する対向面２２３は、電磁波センサ２１を覆う凹面である。

　本実施形態の電磁波検出装置２０によれば、外部からの電磁波を電磁波センサ２１に収束させるために凸面レンズを用いなくて済むから、電磁波検出装置２０の厚みを薄くできる。レンズ２２において対向面２２３とは反対側の面である厚み方向の一面２２０を平面にできるから、一面１２０が凸面である場合に比べて見栄えが良くなる。レンズ２２の対向面２２３が電磁波センサ２１を覆う凹面であるから、対向面２２３が平面や凸面である場合に比べて電磁波センサ２１に入射する電磁波が増える。その結果、外部からの電磁波の利用効率が向上する。

　特に、電磁波検出装置２０をアンテナとして用いる場合、サイドローブなどの誤動作の原因になる電磁波の影響を低減できる。

　また、本実施形態の電磁波検出装置２０によれば、基板２３とレンズ２２の対向面２２３とで囲まれる空間２４内に電磁波センサ２１が配置されているため、電磁波検出装置２０の厚みを更に薄くできる。また、レンズ２２の一面２２０に入射した電磁波の大部分が電磁波センサ２１に入射するから、外部からの電磁波の利用効率が更に向上する。

　なお、電磁波検出装置２０では、基板２３に、複数の電磁波センサ２１と、複数のレンズ２２とが設けられていてもよい。たとえば、電磁波センサ２１は、基板２３の一面２３０にマトリクス状（アレイ状）に配置されていてもよい。一例としては、１４４個の電磁波センサ２１を１２×１２のマトリクス状に配置できる。この場合、レンズ２２は、電磁波センサ２１と一対一で対応するようにして基板２３の一面２３０に取り付けられる。このとき、レンズ２２は隣接するレンズ２２と一体に形成されていてもよい。

　このように、電磁波センサ２１の数を増やせば、電磁波センサ２１およびレンズ２２を大型化しなくても、電磁波の検出量を増やすことができる。

　なお、本実施形態の電磁波検出装置２０では、レンズ２２の一面２２０は平面である。しかしながら、レンズ２２の一面２２０は必ずしも平面である必要はない。レンズ２２の一面２２０の形状は、電磁波検出装置２０の用途に応じて適宜変更できる。

Claims

　電磁波を放射する電磁波源と、
　上記電磁波源に対向するように配置された収束レンズとしてのレンズと、を備え、
　上記レンズは、左手系メタマテリアルを用いて形成され、
　上記レンズにおいて上記電磁波源と対向する対向面は、上記電磁波源を覆う凹面である
　ことを特徴とする電磁波放射装置。
　上記電磁波源および上記レンズが取り付けられる基板を備え、
　上記電磁波源は、上記基板と上記対向面とで囲まれる空間内に配置されている
　ことを特徴とする請求項１記載の電磁波放射装置。
　上記基板は、上記レンズの上記対向面と対向する反射面を有し、
　上記反射面は、上記電磁波源から放射された電磁波が上記レンズの上記対向面に向かうように電磁波を反射する凹面である
　ことを特徴とする請求項２記載の電磁波放射装置。
　上記電磁波源は、上記反射面を底面とする凹所内に配置されている
　ことを特徴とする請求項３記載の電磁波放射装置。
　上記電磁波源および上記レンズが取り付けられる基板を備え、
　上記基板には、上記電磁波源がアレイ状に配置され、
　上記レンズは、上記電磁波源と一対一で対応するように上記基板に取り付けられている
　ことを特徴とする請求項１～４のうちいずれか１項記載の電磁波放射装置。
　上記電磁波源は、遠赤外線を放射するように構成されている
　ことを特徴とする請求項１～５のうちいずれか１項記載の電磁波放射装置。
　電磁波を検出する電磁波センサと、
　上記電磁波センサに対向するように配置された収束レンズとしてのレンズと、を備え、
　上記レンズは、左手系メタマテリアルを用いて形成され、
　上記レンズにおいて上記電磁波センサと対向する対向面は、上記電磁波センサを覆う凹面である
　ことを特徴とする電磁波検出装置。