(57)【要約】  サーフェイス通信装置は、電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行いあるいは前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する給電装置部または受電装置部とを備える。前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行う電磁波結合部を有する給電装置部とを備え、
前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備するサーフェイス通信装置。
【請求項２】
電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する受電装置部とを備え、
前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備するサーフェイス通信装置。
【請求項３】
電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、
前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行う電磁波結合部を有する給電装置部と、
前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する受電装置部とを備え、
前記給電装置部の前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備し、
前記受電装置部の前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備するサーフェイス通信装置。
【請求項４】
前記電磁波結合部は、棒状の導体片をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項５】
前記電磁波結合部は、ループ状の導体片をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項６】
前記電磁波結合部は、スリットが形成されている基準導体をさらに有する請求項４又は５に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項７】
前記誘電体共振器が矩形形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項８】
前記誘電体共振器が円柱形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項９】
前記誘電体共振器が半球形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【請求項１０】
前記誘電体共振器が矩円柱形状である請求項１〜６のいずれか１項に記載のサーフェイス通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力を無線給電する技術に関する。本発明は特に、給電側からシートに電力を供給し、又はシートから負荷などの受電側へと電力を供給するサーフェイス通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を用いた通信により無線給電する手段として、給電装置と、受電装置とを、それぞれシート状の通信媒体に非導通で配置し、給電装置から無線給電される電力を、シート状の通信媒体を介して受電装置側で無線受電する方式が存在する。
このような無線給電の変形例として、給電装置から通信媒体への給電を接触給電で行い、通信媒体から受信装置への受電を無線で行う方式もある。さらにその変形例として、給電装置から通信媒体への給電は無線給電で行い、通信媒体から受電装置への給電は接触給電で行う方式も、将来的な応用範囲として想定されている。
以上、このような通信手段を、変形例も含めて、以下ではサーフェイス通信と称する。
サーフェイス通信は、２次元シート上の任意の２点間で通信をしたり、送信又は受電のどちらか一方をシート上の任意の点で行うことを可能とする。【０００３】
特許文献１〜３には、このような無線給電に関する技術が開示されている。
特許文献１に示される電力供給システムは、シート状に形成されて電磁波を伝搬する電磁波伝搬装置と、その電磁波伝搬装置に対して電磁波を出力する電力供給装置とを備える。電力供給装置の下面には、電磁波伝搬装置に対して電磁波を出力する複数の電極が、基板にアレイ状に配列されている。
特許文献２に示される電磁波インターフェイス装置は、メッシュ状の電極を有する電磁波伝達媒体との間で給電又は受電する。この電磁波インターフェイス装置は、第一導電体層に近接して略平行に配置されるスパイラル状の第一導電体と、第一導電体に対向して略平行に配置された第二導電体と、第一導電体と第二導電体との間に配置された誘電体とから構成される。
特許文献３に示される電磁波インターフェイス装置は、メッシュ状の導電体層を有するシート状電磁波伝達媒体との間で電磁波を入出力する。この電磁波インターフェイス装置は、メッシュ状の導電体層側と対向して配置される導体板を介して、シート状電磁波伝達媒体内に電磁波を放射する。
非特許文献１には、シート状の通信媒体上の電力通信の原理が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００８−２９５１７６号公報
【特許文献２】日本国特開２０１０−９３４４６号公報
【特許文献３】日本国特開２０１０−１３６１３５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】篠田裕之、「素材表面に形成する高速センサネットワーク」、計測と制御、２００７年２月号、第４６巻、第２号、ｐ．９８−１０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現状のサーフェイス通信には、以下に示すような問題がある。
一般に、給電装置と受電装置との間の電力輸送効率、すなわち通信性能は、給電装置とシート状の通信媒体との間、シート状の通信媒体と受電装置との間の電力輸送効率に依存する。
給電装置、又は受電装置には、それらの基準グランドと通信媒体に挟まれるように、導体結合素子が装備される。この導体結合素子が、特定の周波数で共振することにより電力の輸送量が大きくなるように設計される。【０００７】
理想的には、給電装置の場合であれば、給電装置から供給される電力のすべてをシート状の通信媒体に送ることが可能であれば良い。しかしながら、実際には、給電装置とシート状の通信媒体との電磁結合が不十分となり、電力の一部が電磁波として外部に漏れ出す。その不十分な電磁結合の一要因として、板状の導体結合素子周囲の電磁界の大部分は、給電装置の基準グランドと導体結合素子の間に集中してしまうことが考えられる。
受電装置の場合であれば、受電装置で受電される電力のすべてをシート上の通信媒体から受電できることが可能であれば良い。しかしながら、実際には電磁結合が不十分となり、受電できずにシート側に電磁波として残るか、受電装置とシート上の通信媒体との隙間から、電磁波として外部に漏れだす。その不十分な電磁結合の一要因として、板状の導体結合素子周囲の電磁界の大部分は、受電装置の基準グランドと導体結合素子の間に集中してしまうことが考えられる。その結果、通信性能は低下する。このため、シート状媒体に対して、給電装置、又は受電装置の電磁結合を強化する構造が望まれる。
さらに、給電装置、又は受電装置はなるべく小さくするのが望ましい。導体結合素子とその共振周波数には一定の関係があり、一般に導体結合素子を小さくすると共振周波数が大きくなる。この関係が、特定の周波数で電力を輸送するための給電装置、受電装置の小型化を困難にさせている。【０００８】
本発明の目的の一例は、上述の課題を解決することのできるサーフェイス通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の実施態様によるサーフェイス通信装置は、電磁波を伝搬するシート状の電磁波伝搬部と、前記電磁波伝搬部上に、前記電磁波伝搬部とは非導通状態で配置され、前記電磁波伝搬部に電磁波の送信を行いあるいは前記電磁波伝搬部から電磁波の受信を行う電磁波結合部を有する給電装置部または受電装置部とを備える。前記電磁波結合部は、前記電磁波結合部と前記電磁波伝搬部との電磁結合を強化する誘電体共振器を具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁波伝搬部に非導通状態で設けられた給電装置部及び受電装置部の電磁波結合部の少なくとも一方に、誘電体共振器が具備される。この誘電体共振器により、通信媒体となる電磁波伝搬部と電磁波結合部との電磁結合が強化される。その結果、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態によるサーフェイス通信装置を示す正断面図である。
【図２】図１に示される電磁波伝搬シートのメッシュ層の平面図である。
【図３】図１に示される給電装置部の付近を示す正断面図である。
【図４Ａ】図３に示される誘電体共振器が矩形形状である例を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図３に示される誘電体共振器が円柱形状である例を示す斜視図である。
【図４Ｃ】図３に示される誘電体共振器が半球形状である例を示す斜視図である。
【図４Ｄ】図３に示される誘電体共振器が半円柱形状である例を示す斜視図である。
【図４Ｅ】図３に示される誘電体共振器が円筒形状である例を示す斜視図である。
【図４Ｆ】図３に示される誘電体共振器が、図４Ａ〜図４Ｅに示す誘電体共振器を２つ以上組み合わせて構成された例を示す斜視図である。
【図５】図１のサーフェイス通信装置の変形例１を示す正断面図である。
【図６】図１のサーフェイス通信装置の変形例２を示す正断面図である。
【図７】図１のサーフェイス通信装置の変形例３を示す正断面図である。
【図８】図１のサーフェイス通信装置の変形例４を示す正断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
図１は本実施形態に係るサーフェイス通信装置の構造を示す正断面図である。サーフェイス通信装置は、通信媒体となる電磁波伝搬部となる電磁波伝搬シート１を有する。
【００１３】
電磁波伝搬シート１は、導体プレーン層２上に、電磁波伝搬層３、メッシュ層４、絶縁層５が順に積層された構成である。電磁波伝搬シート１の上面に設置された給電装置部１０（後述する）から給電された電磁波は、電磁波伝搬シート１のシート面に沿った方向に伝搬され、その後、受電装置部２０（後述する）にて受電される。
【００１４】
図２は、電磁波伝搬シート１のメッシュ層４を示す平面図である。図２に示すように、メッシュ層４は、メッシュ状に形成された導体である。電磁波伝搬層３は、メッシュ層４と導体プレーン層２とに挟まれた空間である。電磁波は、この空間内のシートの面に沿った方向に伝搬される。
絶縁層５は、給電装置部１０又は受電装置部２０と、電磁波伝搬層３とが互いに導通しないよう設けられている。絶縁層５の媒質は、特定の誘電率、磁性率を有し、直流電流を通さない媒質である。絶縁層５の媒質としては、空気や真空が含まれる。
【００１５】
電磁波伝搬シート１の上面には、図１に示すように電磁波送信部となる給電装置部１０と、電磁波受信部となる受電装置部２０とが設置されている。
これら給電装置部１０及び受電装置部２０は、電磁波伝搬シート１上に複数設けることが可能である。また、給電装置部１０及び受電装置部２０は、電磁波伝搬シート１上に着脱可能に設けても良い。
これら給電装置部１０及び受電装置部２０は、電磁波伝搬シート１上の任意の箇所に、電磁波伝搬シート１内の絶縁層５を介して、導体接触すること無しに非導通状態で設けられている。ここで、シート状とは、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状、メッシュ状等の面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味する。
【００１６】
給電装置部１０は、図１及び図３に示すように、電磁波発生部１１と送信電磁波結合部１２を備える。給電装置部１０は、電磁波伝搬シート１に対して対向する位置関係に配置されている。
【００１７】
送信電磁波結合部１２は、誘電体共振器１２ａと基準導体１２ｂとを有する。誘電体共振器１２ａは、電磁波伝搬シート１に対して対向する位置関係に配置される。誘電体共振器１２ａは、電磁波発生部１１で発生した電磁波を、メッシュ層４を介して電磁波伝搬層３に送り込む。基準導体１２ｂは、誘電体共振器１２ａの本体部に接するように配置される。
送信電磁波結合部１２内に誘電体共振器１２ａを設けることで、通信媒体となる電磁波伝搬シート１と電磁波結合部１２との電磁結合が強化される。その結果、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させる。
【００１８】
送信電磁波結合部１２の誘電体共振器１２ａは様々な形状とすることができる。例えば、誘電体共振器１２ａは、図４Ａに示すような矩形であってもよい。誘電体共振器１２ａは、図４Ｂ（に示すような円柱形状であってもよい。誘電体共振器１２ａは、図４Ｃに示すような半球形状であってもよい。誘電体共振器１２ａは、図４Ｄに示すような半円柱形状であってもよい。誘電体共振器１２ａは、図４Ｅに示すような円筒形状であってもよい。
誘電体共振器１２ａとして考えら得る構造は上記に限られず、様々な変形構造やそれらの組み合わせも可能である。図４Ｆに示すように、誘電体共振器１２ａは、図４Ａ〜図４Ｅで示される形状を２つ以上組み合わせて形成しても良い（本例では誘電体共振器１２ａは、２種類の円柱形を軸心を同じくして重ね合わせた構造である）。
【００１９】
一般に誘電体共振器１２ａには比誘電率が１０以上の高誘電体を用いられている。高誘電体を材料とする誘電体共振器１２ａの共振周波数は、同程度の面積および寸法を有する導体状の結合素子よりも低くなる。従って結合素子の小型化が可能である。これと同時に、誘電体共振器１２ａは、絶縁層５に対して、導体プレーン２を介さずに面しているので、共振時、電磁波は通信媒体側に直接染み出す。
すなわち、導体結合素子として板状導体を使用した場合と比較して、本実施形態では、共振している電磁界分布が通信媒体と接している領域が増える。結果として電磁波結合部と通信媒体との電磁結合が強化される。
また、電磁波発生部１１と送信電磁波結合部１２（誘電体共振器１２ａ）との間の基準導体１２ｂには、開口３０が形成されている。この開口３０は、電磁波発生部１１で発生した電磁波を送信電磁波結合部１２に伝達し易くするために設けられている。この開口３０付近の構造に関する変形例については後述する。
【００２０】
次に、給電装置部１０から出力されて電磁波伝搬シート１を伝搬した電磁波を、受電する受電装置部２０について説明する。
受電装置部２０は、電磁波伝搬シート１を伝搬する電磁波を受電する受電電磁波結合部２１と、受電した電磁波を入力する電磁波入力部２２とから構成される。受電電磁波結合部２１は、基本的には、前述した給電装置部１０の送信電磁波結合部１２と同様、誘電体共振器１２ａ及び基準導体１２ｂを有する構成である。このため受電電磁波結合部２１については、重複した説明を省略する。すなわち、給電の場合は電磁波を電磁波伝搬シート１に送り込むが、受電の場合は、逆に電磁波伝搬シート１にて伝搬された電磁波を受電する。
【００２１】
以上詳細に説明したように本発明の実施形態によれば、給電装置部１０の送信電磁波結合部１２及び受電装置部２０の受電電磁波結合部２１に誘電体共振器１２ａが具備される。この誘電体共振器１２ａにより、通信媒体となる電磁波伝搬シート１と、給電装置部１０及び受電装置部２０との電磁結合が強化される。その結果、サーフェイス通信装置の通信性能を向上させることが可能となる。
さらに、本発明の実施形態によれば、誘電体共振器１２ａとして比誘電率が１０以上の高誘電体を用いている。このため、誘電体共振器１２ａの共振周波数は、同程度の面積および寸法を有する導体状の結合素子よりも低くなる。その結果、電磁波結合部１２・２１の小型化が可能である。
これと同時に、誘電体共振器１２ａは、電磁波伝搬シート１上の絶縁層５に対して、導体プレーンを介さずに面している。このため、共振時、電磁波は通信媒体側に直接染み出す。すなわち、導体結合素子として板状導体を使用した場合と比較して、本発明の実施形態によれば、共振している電磁界分布が通信媒体と接している領域が増える。結果として電磁波結合部と通信媒体との電磁結合が強化される。
【００２２】
本発明の実施形態では、図２において、電磁波伝搬シート１のメッシュ層４の開口の形状は、矩形である例を示している。しかしながら、メッシュ層４の開口の形状は、矩形に限定されない。メッシュ層４の開口は、電磁波伝搬シート１として適用可能な構造であれば、様々な形状への変形が可能である。例えば、開口を六角形としても良いし、三角形としても良いし、円形としても良い。
【００２３】
本発明の実施形態では、電磁波発生部１１と送信電磁波結合部１２との間の基準導体１２ｂに、電磁波発生部１１で発生した電磁波を送信電磁波結合部１２に伝達し易くするために開口３０を形成した。しかしながら、この構成に限れず、以下の変形例１〜３で示すように構成しても良い。
【００２４】
（変形例１）
図５に示すように、送信電磁波結合部１２の開口部３０内に、整合用の導体片１２ｃを具備しても良い。この導体片１２ｃを棒状に形成することにより、誘電体共振器１２ａと電界結合し易くなる。従って、該当する誘電体共振器１２ａの電磁界モードとの関係より、比較的電界が強いところに上記棒状の導体片１２ａを配置することにより、給電装置部１０の電磁波結合部１２及び受電装置部２０の電磁波結合部２１と、電磁波伝搬シート１との電磁結合を強めることができる。
【００２５】
（変形例２）
図６に示すように、変形例１に示す導体片１２ｃをループ状に形成するとともに、導体片１２ｃを基準導体１２ｂに接地しても良い。導体片１２ｃをループ状に形成することにより、誘電体共振器１２ａと磁界結合し易くなる。従って該当する誘電体共振器１２ａの電磁界モードとの関係より、比較的磁界が強いところに上記ループ状の導体片１２ａを配置することにより、給電装置部１０の電磁波結合部１２及び受電装置部２０の電磁波結合部２１と、電磁波伝搬シート１との電磁結合を強めることができる。
【００２６】
（変形例３）
図７に示すように導体片１２ｃを使用せず、それに代えて開口３０を広げたスリット３１としても良い。このようなスリット構造とすることで、スリット３１を伝搬する電磁波が誘電体共振器１２ａと電磁結合し易くなる。これにより、給電装置部１０の電磁波結合部１２及び受電装置部２０の電磁波結合部２１と、電磁波伝搬シート１との電磁結合を強めることが可能となる。
【００２７】
本発明の実施の形態の図３，５〜７においては、誘電体共振器１２ａと基準導体１２ｂは接している例を示したが、必ずしも接していなくてよい。例えば、図８のように、誘電体共振器１２ａと基準導体１２ｂの間に絶縁層１３１が設けられていても良い。
【００２８】
本発明のサーフェイス通信装置は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。例えば、上記各実施形態に挙げた各構成要素や各処理プロセスの組合せに、様々な変形例が可能である。
具体的には、上記実施形態では、給電装置部１０及び受電装置部２０の両方が設けられていたが、いずれか一方のみが設けられていても良い。例えば、給電装置部１０のみが設けられている場合においては、受電装置部２０へ供給される電磁波を接触給電によって行っても良い。受電装置部２０のみが設けられている場合においては、給電装置部１０へ供給される電磁波を接触給電によって行っても良い。
本実施形態では、給電装置部１０、受電装置部２０の両方が設けられていたが、接触給電を用いる側の装置部は、別の処理プロセスで付け加えて、構成要素から除いても良い。  
【００２９】
本発明の実施形態は、エネルギーとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬する目的のサーフェイス通信装置で使用することが可能であると同時に、通信データとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬する目的のサーフェイス通信装置で使用することも可能である。
例えば、複数の給電装置と受電装置の対を電磁波伝搬シート１に搭載し、一部の給電装置と受電装置の対ではエネルギーとしての電力を伝搬させ、残りの給電装置と受電装置の対では通信データとしての電力を給電装置側から受電装置側に伝搬させる、という目的で使用することも可能である。
【００３０】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、電力を無線給電する技術に適用できる。本発明は、特に給電側からシートに電力を供給し、又はシートから負荷などの受電側へと電力を供給するサーフェイス通信装置に適用できる。【００３２】
この出願は、２０１０年１０月８日に出願された日本出願特願２０１０−２２８３５３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００３３】
１  電磁波伝搬シート（電磁波伝搬部）
１０  給電装置部
１２  送信電磁波結合部
１２ａ  誘電体共振器
２０  受電装置部
２１  受電電磁波結合部
【図１】
2012046548.tif 000003
【図２】
2012046548.tif 000004
【図３】
2012046548.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2012046548.tif 000009
【図４Ｅ】
2012046548.tif 000010
【図４Ｆ】
2012046548.tif 000011
【図５】
2012046548.tif 000012
【図６】
2012046548.tif 000013
【図７】
2012046548.tif 000014
【図８】
2012046548.tif 000015
【国際調査報告】
2012046548.tif 000016
2012046548.tif 000017
2012046548.tif 000018
2012046548.tif 000019
2012046548.tif 000020
2012046548.tif 000021