WO2023182160A1 - 電磁波伝達シート - Google Patents

Abstract

電磁波伝達シートは、第１メッシュ層（１）と、第１誘電体層（２）と、導電体層（３）と、第２誘電体層（４）と、第２メッシュ層（５）と、を順に積層した５層の積層構造体と、その側部に設けられた導電体部（６）と、を有している。平面視において、導電体層の側辺は、第１誘電体層および第２誘電体層の側辺よりも内側となるように設定されている。

Description

電磁波伝達シート 関連出願への相互参照

　本出願は、２０２２年３月２２日に出願された日本特許出願番号２０２２－０４６１６０号に基づくもので、ここにその記載内容が参照により組み入れられる。

　本開示は、電磁波を２次元的に伝搬させる電磁波伝達シートに関するものである。

　有線による１次元的な通信や、電磁波の空間伝搬による３次元的な通信に替わる通信として、電磁波伝達シートによる２次元的な通信が知られている。電磁波伝達シートは、特許文献１のように、誘電体からなるシートの一方の面に全面的に導電体からなる導電体層を設け、他方の面にメッシュ状の導電体からなるメッシュ層を設けた構造である。

　従来の電磁波伝達シートでは、メッシュ層上にアンテナなど入出力インターフェイスを配置して電磁波伝達シートへの電磁波の入出力を行う。そのため、導電体層側には入出力インターフェイスを配置することができず、配置自由度が低いという問題があった。

　そこで特許文献１では、導電体層に孔を設け、その孔の近傍に入出力インターフェイスを配置することで、導電体層側で電磁波の入出力ができるようにしている。また、特許文献１には、メッシュ層上であって孔と対向する位置をシート状導電体で覆うことも記載されている。シート状導電体を設けるのは、孔と対向するメッシュ層側から電磁波が放射してしまい、通信特性が悪化してしまうためである。

特開２０１０－２１８２２号公報

　しかし、特許文献１の方法では、以下のような問題があった。第１に、孔を設けた位置にしか入出力インターフェイスを配置できないので、導電体層側に入出力インターフェイスを配置する場合の配置自由度が低くかった。第２に、入出力インターフェイスの位置ずれや、入出力インターフェイスの位置の変更に対応できない問題があった。第３に、シート状導電体で覆られた領域の上部には入出力インターフェイスを配置できない問題もあった。第４に、孔を設ける加工やシート状導電体で覆う工程など、工程数が多くなってしまう問題があった。
　本開示は、両面で電磁波の入出力が可能な電磁波伝達シートを実現することを目的とする。

　本開示の第１の観点は、メッシュ状の導電体からなる第１メッシュ層と、第１メッシュ層上に設けられ、誘電体からなる第１誘電体層と、第１誘電体層上に設けられ、導電体からなる導電体層と、導電体層上に設けられ、誘電体からなる第２誘電体層と、第２誘電体層上に設けられ、メッシュ状の導電体からなる第２メッシュ層と、を有し、平面視において導電体層の側辺のうち少なくとも一部は、第１誘電体層および第２誘電体層の側辺よりも内側に設定され、第１メッシュ層と第２メッシュ層とが電気的に接続されている、電磁波伝達シートである。

　本開示において、第１メッシュ層、第１誘電体層、第２誘電体層、および第１メッシュ層の側面に接し、第１メッシュ層と第２メッシュ層とを電気的に接続する導電体部をさらに有してもよい。

　第１メッシュ層および第２メッシュ層は、１つのメッシュ層を端部で折り曲げたものであってもよい。

　本開示によれば、電磁波伝達シートの両面で電磁波の入出力が可能となる。

第１実施形態の電磁波伝達シートの構成を示した図。 第１実施形態の電磁波伝達シートの電界分布を示した図。 第１実施形態の電磁波伝達シートの電界分布を示した図。 第１実施形態の電磁波伝達シートの透過特性を示したグラフ。 第２実施形態の車両の電池監視システムを示した図。 第１実施形態の電磁波伝達シートの変形例を示した図。

　以下、本開示の実施形態について図を参照に説明する。

（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の電磁波伝達シートの構成を示した図である。第１実施形態の電磁波伝達シートはシート状の構造体であり、図１のように、第１メッシュ層１と、第１誘電体層２と、導電体層３と、第２誘電体層４と、第２メッシュ層５と、を順に積層した５層の積層構造体と、その側部に設けられた導電体部６と、を有している。電磁波伝達シートの平面視での形状は任意であり、たとえば長方形である。

　第１メッシュ層１は、メッシュ状の導電体からなり、シート状の構造体である。第１メッシュ層１の材料は、導電体であれば任意の材料でよい。メッシュの目の形状は正方形、ひし形、正六角形などである。第１メッシュ層１のシート抵抗は、１Ω／□以下が好ましい。メッシュの線幅は、たとえば０．１～２ｍｍ、メッシュの周期は、たとえば２～２０μｍである。また、第１メッシュ層１の厚さは、たとえば０．５～１００μｍである。第１メッシュ層１のメッシュは、線状の導電体を編み込むことで構成してもよいし、フィルム状の導電体に孔を開けることによって構成してもよい。また、メッシュの目は誘電体によって埋められていてもよい。

　第１誘電体層２は、第１メッシュ層１上に接して設けられている。第１誘電体層２は、低損失な任意の誘電体材料でよく、たとえば樹脂、ゴムなどである。第１誘電体層２を構成する誘電体は、好ましくは比誘電率（電磁波伝達シートにおいて伝搬させる電磁波の周波数における値）が１～５の材料である。第１誘電体層２を構成する誘電体には、電磁波伝達シートの配置の自由度の点から、繰り返し折り曲げ可能な材料を用いるとよい。第１誘電体層２は、誘電体材料自体をシート状に成型したものであってもよいし、布や不織布のように誘電体からなる繊維をシート状に加工したものであってもよい。第１誘電体層２の厚さは、たとえば０．５～１０ｍｍである。

　導電体層３は、第１誘電体層２上に接して設けられている。導電体層３の材料は、導電体であれば任意の材料でよく、たとえばＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ステンレス、などである。導電体層３のシート抵抗は、１Ω／□以下が好ましい。効率的に電磁波を伝搬するためである。導電体層３の厚さは、たとえば０．５～１００μｍである。

　第２誘電体層４は、導電体層３上に接して設けられている。第２誘電体層４の材料や厚さは第１誘電体層２と同様である。第１誘電体層２と第２誘電体層４は同一材料でもよいし、同一の厚さであってもよい。電磁波伝達シートの構成をより簡略化できる。１つの誘電体層を折り曲げることによって第１誘電体層２と第２誘電体層４を構成してもよい。

　第２メッシュ層５は、第２誘電体層４上に接して設けられている。第２メッシュ層５の材料、構造、厚さは第１メッシュ層１と同様である。第１メッシュ層１と第２メッシュ層５は同一材料でもよいし、同一の構造でもよいし、同一の厚さであってもよい。１つのメッシュ層を折り曲げることによって第１メッシュ層１と第２メッシュ層５を構成してもよい。

　平面視において、導電体層３の側辺は、第１誘電体層２および第２誘電体層４の側辺よりも内側となるように設定されている。そのため、電磁波伝達シートの端部に導電体層３のない領域が存在し、空間を介して第１誘電体層２と第２誘電体層４が対向する領域が存在している。この空間は誘電体で埋められていてもよく、第１誘電体層２または第２誘電体層４で埋められていてもよい。

　なお、平面視において導電体層３の側辺全てが第１誘電体層２および第２誘電体層４の側辺よりも内側である必要はなく、側辺のうち少なくとも一部が内側であればよい。たとえば、電磁波伝達シートが平面視で長方形である場合、その一辺のみにおいて、導電体層３の側辺が第１誘電体層２および第２誘電体層４の側辺よりも内側であってもよい。

　電磁波伝達シート端部の導電体層３の存在しない領域の幅Ｗは、第１誘電体層２や第２誘電体層４の厚さと同程度とすることが好ましい。たとえば、第１誘電体層２と第２誘電体層４のうち厚い方の厚さをｔとして、ｔの０．８～１．２倍の範囲としてもよい。この範囲であれば、第１誘電体層２から第２誘電体層４へ、あるいは第２誘電体層４から第１誘電体層２へ効率的に電磁波を回り込ませることができる。幅Ｗは必ずしも一定である必要はない。

　導電体部６は、第１メッシュ層１、第１誘電体層２、導電体層３、第２誘電体層４、第２メッシュ層５の５層の積層構造体の側面に設けられている。導電体部６は、第１メッシュ層１、第１誘電体層２、第２誘電体層４、第２メッシュ層５の側面と接しているが、導電体層３の側面とは接していない。導電体部６を設けることで、第１メッシュ層１から第２メッシュ層５へ、あるいは第２メッシュ層５から第１メッシュ層１へと効率的に電磁波を伝搬させることができる。また、電磁波の漏洩を抑制し、電磁波伝達シートの側部における電磁波の減衰を抑制することができる。導電体部６は、側面全てに設けてもよいが、一部でもよい。ただし、電磁波漏洩抑制効果を高めるために側面全てに設けることが好ましい。

　第１メッシュ層１と第２メッシュ層５とが電気的に接続されているのであれば、必ずしも導電体部６を設ける必要はない。同様に電磁波伝達シートの伝搬特性を大きく向上させることができる。たとえば、１つのメッシュ層を折り曲げることによって第１メッシュ層１と第２メッシュ層５を構成することで、第１メッシュ層１と第２メッシュ層５が電気的に接続された構造とすることができる（図６参照）。

　次に、第１実施形態の電磁波伝達シートの動作について説明する。

　第１実施形態の電磁波伝達シートでは、第１メッシュ層１に入力された電磁波は、第１誘電体層２中を伝搬して定在波を形成し、第１メッシュ層１上をエバネッセント波として伝搬する。この際、端部以外には導電体層３を設けることで、入力された電磁波が電磁波伝達シートを透過してしまうことを抑制し、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波が減衰してしまうことを抑制している。電磁波が電磁波伝達シートの端部に達すると、端部には導電体層３が存在しないため、電磁波は第１誘電体層２から第２誘電体層４へと回り込む。ここで、電磁波伝達シートの端部に導電体部６が存在しているため、端部から電磁波が漏れて減衰してしまうことを抑制することができる。このように、導電体部６を設けることで第１誘電体層２から第２誘電体層４へと電磁波を効率的に回り込ませることができる。第１誘電体層２から第２誘電体層４に回り込んだ電磁波は、第２メッシュ層５中を伝搬して定在波を形成し、第２メッシュ層５上をエバネッセント波として伝搬する。その結果、電磁波伝達シートの表面側と裏面側の双方に電磁波を伝搬させることができる。

　第２メッシュ層５に電磁波が入力された場合も、同様にして電磁波伝達シートの表面側と裏面側の双方に電磁波を伝搬させることができる。

　以上のように、第１実施形態の電磁波伝達シートでは、電磁波伝達シートの表面から裏面、あるいは逆に裏面から表面に電磁波を伝搬させることができる。もちろん、電磁波伝達シートの表面から表面、裏面から裏面への電磁波の伝搬も可能である。したがって、入出力インターフェイスは自由に配置することができる。

　以上、第１実施形態の電磁波伝達シートでは、一方の面から他方の面に電磁波を伝搬させることができ、両面で電磁波の入出力が可能となる。また、電磁波を入出力させる位置にも制限がない。よって、第１実施形態の電磁波伝達シートを用いることで入出力インターフェイスの配置自由度を向上させることができる。

　次に、本実施形態に関する各種実験結果について説明する。

　以下の条件で第１実施形態の電磁波伝達シートにおける電磁波の伝搬をシミュレーションした。入出力する電磁波の周波数は２．４～２．５ＧＨｚとした。

　１枚の電磁波伝達シートの長さを４００ｍｍ、幅を３００ｍｍとした。第１メッシュ層１および第２メッシュ層５のメッシュの線幅は１ｍｍ、周期は６ｍｍとした。第１誘電体層２および第２誘電体層４は比誘電率１．９とし、厚さは１ｍｍとした。導電体層３、第１メッシュ層１、第２メッシュ層５の材料はＡｌとし、厚さは１ｍｍとした。

　２つの入出力インターフェイスは、第１実施形態の電磁波伝達シートの両端に配置した。一方の入出力インターフェイスは第１メッシュ層１上に、他方の入出力インターフェイスは第２メッシュ層５上に配置した。以下、電磁波伝達シートの長さ方向をｘ軸方向、幅方向をｙ軸方向、電磁波伝達シートの面に垂直方向をｚ軸方向とする。

　図２、３は、第１実施形態の電磁波伝達シートの電界分布を示した図である。図２は、ｘｙ平面（ｚ軸方向に入出力インターフェイスと同じ高さ）での電界分布を示し、図３は、ｚｘ平面での電界分布を示している。図２のように、第２メッシュ層５上に電界の強弱が周期的に一様に現れ、第２誘電体層４中の定在波と同様の電界の強弱が表れていることがわかる。また、図３のように、第１メッシュ層１側と第２メッシュ層５側の両面に同様に電界強度分布が形成されていることが確認でき、両面で電界強度に違いがないこともわかる。このように、第１実施形態の電磁波伝達シートでは、一方の面から他方の面に電磁波を伝搬させることが可能であることがわかった。

　図４は、２つの入出力インターフェイス間の透過特性を示したグラフである。図４から、第１実施形態の電磁波伝達シートは、従来の電磁波伝達シートに比べて大きく透過特性が劣化するものではないことがわかった。

（第２実施形態）
　第２実施形態は、車両の電池監視システムである。図５のように、第２実施形態の電池監視システムは、複数の電池セル１０と、電磁波伝達シート１１と、複数の電池セル監視ユニット１２と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１３と、ハウジングカバー１４を有している。なお、図５では、構成をわかりやすくするために電池セル監視ユニット１２と電磁波伝達シート１１、および電磁波伝達シート１１とハウジングカバー１４とに間隔を開けて示しているが、実際は接している。

　電池セル１０は、長方形の板状の電池であり、複数の電池セル１０がマトリクス状に配置されている。電池は、たとえばリチウムイオン電池である。

　電池セル監視ユニット１２は、マトリクス状に配列された電池セル１０の上に配置されており、複数の電池セル１０に接続されている。電池セル監視ユニット１２は、各電池セル１０の状態を監視してその状態のデータを送信する装置である。電池セル１０の状態は、電圧、電流、温度などである。また、電池セル監視ユニット１２は、電磁波伝達シート１１に電磁波を入出力可能な入出力インターフェイスを有している。この入出力インターフェイスによって電磁波伝達シート１１に電磁波を入力し、電磁波伝達シート１１を介して電池セル１０の状態データをＥＣＵ１３に送信する。

　電磁波伝達シート１１は、複数の電池セル監視ユニット１２上に配置されている。電磁波伝達シート１１は、第１実施形態の電磁波伝達シートである。そのため、電磁波伝達シートの下面と上面とで通信が可能となっている。

　ＥＣＵ１３は、電磁波伝達シート１１上にハウジングカバー１４を介して配置されている。ＥＣＵ１３は、電磁波伝達シート１１に電磁波を入出力可能な入出力インターフェイスを有している。この入出力インターフェイスによって、電磁波伝達シート１１から電磁波を取り出し、各電池セル監視ユニット１２からの電池セル１０の状態データを受信する。ＥＣＵ１３は、電池セル１０の状態データを基に車両の制御を行う。

　第２実施形態の電池監視システムでは、電池セル監視ユニット１２とＥＣＵ１３との通信媒体として第１実施形態の電磁波伝達シートを用いている。そのため、電池セル監視ユニット１２とＥＣＵ１３とを電磁波伝達シート１１を挟んで上下に配置することができ、専有面積を小さくすることができる。

　本開示の電磁波伝達シートは、２次元的な通信の伝達媒体として利用でき、たとえば車載の通信に利用できる。

Claims (3)

1. 　メッシュ状の導電体からなる第１メッシュ層と、
   　第１メッシュ層上に設けられ、誘電体からなる第１誘電体層と、
   　前記第１誘電体層上に設けられ、導電体からなる導電体層と、
   　前記導電体層上に設けられ、誘電体からなる第２誘電体層と、
   　前記第２誘電体層上に設けられ、メッシュ状の導電体からなる第２メッシュ層と、
   　を有し、
   　平面視において前記導電体層の側辺のうち少なくとも一部は、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の側辺よりも内側に設定され、
   　前記第１メッシュ層と前記第２メッシュ層とが電気的に接続されている、
   　電磁波伝達シート。
2. 　前記第１メッシュ層、前記第１誘電体層、前記第２誘電体層、および前記第１メッシュ層の側面に接し、前記第１メッシュ層と前記第２メッシュ層とを電気的に接続する導電体部をさらに有する、請求項１に記載の電磁波伝達シート。
3. 　前記第１メッシュ層および前記第２メッシュ層は、１つのメッシュ層を端部で折り曲げたものである、請求項１に記載の電磁波伝達シート。  

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