(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地局と端末との間で、電力としての電磁波の伝搬を行う電磁波伝搬装置であって、
前記電磁波伝搬装置は、
面状導体、第一面状誘電体、面状メッシュ導体、及び第二面状誘電体を順に重ねて構成された面状伝搬媒体と、
前記基地局と前記面状伝搬媒体とを接続する第一のインターフェースとして機能する少なくとも一つの電磁波入力ポートと、
前記第二面状誘電体上に配置され、前記端末と前記面状伝搬媒体とを接続する第二のインターフェースとして機能する電磁波インターフェースとを備え、
前記電磁波インターフェースは、平面状の誘電体板と、該誘電体板の一部を間に挟んで平行に設けられた複数の平面状の導体パターンと、前記面状伝搬媒体と反対側の最外層として形成された回路実装用導体とを備え、
前記端末は、前記回路実装用導体上に設けられた受電回路を有し、
前記複数の導体パターンは、前記面状伝搬媒体側に配置された第一導体パターンを含み、
前記第一導体パターンは、少なくとも一つの角部を有し、
前記第一導体パターンと前記回路実装用導体との間に少なくとも一つの接続手段を有し、
前記第一導体パターンの前記角部に、前記複数の導体パターン間を電気的に短絡する、少なくとも一つの短絡手段を設けた
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第一導体パターンと前記回路実装用導体との接続手段として少なくとも一つのスルービアを設け、
前記複数の導体パターン間の短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを前記第一導体パターンの前記角部に設けた
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記複数の導体パターンは、該第一導体パターンよりも前記回路実装用導体側に配置された第二導体パターンを含み、
前記誘電体の鉛直方向より見たときに、前記第一導体パターンの外形が前記第二導体パターンの外形に含まれている
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第一導体パターン及び前記第二導体パターンの平面形状が、共に矩形である
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記ショートビアを設けた前記第一導体パターンの角部を含む対角線上に、前記スルービアを配置した
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記電磁波インターフェースは、前記誘電体板の一部を挟んで、前記第一導体パターンよりも前記回路実装用導体側に配置された第三導体パターンと、前記第一導体パターンと該第三導体パターンの間に配置された第二導体パターンとを備え、
前記誘電体の鉛直方向より見たときに、前記第一導体パターンの外形が前記第二導体パターンの外形に含まれており、前記第二導体パターンの外形が前記第三導体パターンの外形に含まれており、
前記第一導体パターン、前記第二導体パターン及び前記第三導体パターン間の前記短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを前記第一導体パターンの前記角部に設けた
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項７】
請求項３において、
前記第一導体パターンまたは前記第二導体パターンの少なくともどちらかに、少なくとも一つの任意形状の切り欠きを入れた
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項８】
請求項２において、
前記第一導体パターンは、少なくとも二つの前記角部を有する多角形であり、
前記第一導体パターンの対角線上に位置しない異なる前記角部にそれぞれ設けた複数のスルービアでの各受電電力を、前記受電回路において、前記各受電電力に任意の位相差をつけて合成する
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記第一導体パターンと前記回路実装用導体とがスルービアを介して接続され、
前記電磁波インターフェースにより前記面状伝搬媒体から受け取った電力が、前記スルービアにより前記回路実装用導体上に配置された前記受電回路に送られる
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記誘電体板の端面もしくは内部に、電磁波をシールドするシールド導体もしくは電波吸収体を配置した
ことを特徴とする電磁波伝搬装置。
【請求項１１】
平面状の誘電体板と、該誘電体板の一部を挟んで平行に設けられた複数の平面状の導体パターンとを備え、電力として電磁波を端末に入出力する電磁波インターフェースであって、
前記複数の導体パターンは、前記面状伝搬媒体側に配置された第一導体パターンと、該第一導体パターンよりも前記端末側に配置された第二導体パターンと、前記面状伝搬媒体と反対側の最外層として形成された回路実装用導体とを含み、
前記回路実装用導体上に、前記端末の受電回路が設けられ、
前記第一導体パターンは、少なくとも一つの角部を有し、
前記第一導体パターンと、前記回路実装用導体との間に設けられた少なくとも一つの接続手段と、
前記第一導体パターンの前記角部に設けられ、前記複数の導体パターン間を電気的に短絡する、少なくとも一つの短絡手段とを備えた
ことを特徴とする電磁波インターフェース。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記第一導体パターン及び前記第二導体パターンの平面形状が、共に矩形であり、
前記誘電体の鉛直方向より見たときに、前記第一導体パターンの外形が前記第二導体パターンの外形に含まれている
ことを特徴とする電磁波インターフェース。
【請求項１３】
請求項１１において、
前記電磁波インターフェースは、前記誘電体板の一部を挟んで、前記第二導体パターンよりも前記回路実装用導体側に配置された第三導体パターンを備え、
前記誘電体の鉛直方向より見たときに、前記第一導体パターンの外形が前記第二導体パターンの外形に含まれており、前記第二導体パターンの外形が前記第三導体パターンの外形に含まれており、
前記第一導体パターン、前記第二導体パターン及び前記第三導体パターン間の前記短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを前記第一導体パターンの前記角部に設けた
ことを特徴とする電磁波インターフェース。
【請求項１４】
請求項１１において、
前記第一導体パターンと前記回路実装用導体との接続手段として少なくとも一つのスルービアを設け、
前記複数の導体パターン間の短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを前記第一導体パターンの前記角部に設け、
前記ショートビアを設けた前記第一導体パターンの角部を含む対角線上に、前記スルービアを配置した
ことを特徴とする電磁波インターフェース。
【請求項１５】
請求項１１において、
前記第一導体パターンは、少なくとも二つの前記角部を有する多角形であり、
前記第一導体パターンの対角線上に位置しない異なる前記角部にそれぞれ設けた複数のスルービアでの各受電電力を、前記受電回路において、前記各受電電力に任意の位相差をつけて合成する
ことを特徴とする電磁波インターフェース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波伝搬装置および電磁波インターフェースに係り、特に、２次元的に電磁波を伝搬させる面状伝搬媒体を用いた電磁波伝搬装置およびこの装置に用いる電磁波インターフェースに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンシューマ、社会インフラのあらゆる分野で電子機器のネットワーク化が進み、機器間を接続するコードの数が大幅に増加する傾向にある。それに対し、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）のようなデータ伝送用途でのワイヤレス化は進んでおり、同じように電力供給に関してもワイヤレス化のニーズは年々高まっている。しかし、無線給電技術が商用化されているのは、ほぼ接触状態の極近距離で伝送するＩＨクッキングヒータ、シェーバー、コードレス電話等のみである。距離数ｍ／数Ｗ以上の３次元伝送に関しては、電波拡散による伝送効率低下が大きな課題となり、無線給電技術の採用が進んでいないのが現状である。また、無線給電が商用化されている電子機器についても、位置ずれによる特性劣化が大きいため、設置箇所が指定されており設置自由度が乏しいという課題が残されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、これらの課題を解決する技術として、２枚の面状導体で面状誘電体を挟みその間で電磁波を伝達可能にするとともに、面状導体の一方をメッシュ状にして、薄膜の誘電体を介して電磁波インターフェースを配置することで、メッシュ状導体近傍に滲み出るエバネッセント波により電磁波の出入を可能とする面状伝搬媒体が開示されている。同文献には、表面波と呼ばれる電磁波を面状伝搬媒体内に閉じ込めて伝搬させる表面波伝送方式が開示されている。本方式では、面状伝搬媒体に沿って２次元的に電力を伝送させるため、３次元伝送に比べ高効率化が可能となる。また、面状伝搬媒体上に送電対象物を設置しさえすれば電力伝送が成立するので、設置自由度が高く、移動体への連続給電への応用が期待できる。
【０００４】
特許文献２では、自由空間で用いる一般的なアンテナを小型化する技術として、ダイポールアンテナを変形した２つのL型ダイポールアンテナを導体板上の対向する角部に対象に配置し、各アンテナの信号導体の端部に給電点を設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０９３４４６号公報
【特許文献２】特開２００９−１８８７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、電磁波結合を用いるため、電磁波インターフェースの大きさは面状伝搬媒体内の波長に依存し、大型化しやすい課題がある。同文献内では、この課題に対し、電磁波インターフェースのスパイラル状導体と、面状伝搬媒体のメッシュ状導体の間の相互インダクタンスＭにより結合させ、両者の距離を短くすることで相互インダクタンスを低減させずに小型化することが開示されている。しかし、この電磁波インターフェースの小型化技術は、スパイラル状導体とメッシュ状導体の相対的な位置関係により相互インダクタンスが変動するため、受電量が不安定になる。そのため、特許文献１の技術を、給電特性の位置依存性が重要視される移動体への連続給電の応用へ適用することは困難である。また、位置依存性改善や小型化のためにスパイラル状導体の線路間距離Ｉｍを小さくすることは、寄生容量増加により自己共振周波数低下を引き起こす等の、別の課題が発生する。
【０００７】
上記特許文献２記載の小型化技術は、２つのＬ形ダイポールアンテナを対向配置した平面アンテナであって、各Ｌ形ダイポールアンテナの中央部から給電するものであり、理論上１／４波長程度の小型化にとどまる。また、線状アンテナであるため、動作周波数帯域が狭く、整流回路やレギュレータで構成された受電回路との一体化による小型化が困難である。
【０００８】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、表面波伝送方式に用いられ、給電特性の位置依存性が小さく、移動体への連続給電に好適な小型の電磁波インターフェース及びそれを用いた電磁波伝搬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】
【０００９】
本発明の代表的なものの一例を示せば、次のとおりである。本発明の電磁波伝搬装置は、基地局と端末との間で、電力としての電磁波の伝搬を行う電磁波伝搬装置であって、前記電磁波伝搬装置は、面状導体、第一面状誘電体、面状メッシュ導体、及び第二面状誘電体を順に重ねて構成された面状伝搬媒体と、前記基地局と前記面状伝搬媒体とを接続する第一のインターフェースとして機能する少なくとも一つの電磁波入力ポートと、前記第二面状誘電体上に配置され、前記端末と前記面状伝搬媒体とを接続する第二のインターフェースとして機能する電磁波インターフェースとを備え、前記電磁波インターフェースは、平面状の誘電体板と、該誘電体板の一部を間に挟んで平行に設けられた複数の平面状の導体パターンと、前記面状伝搬媒体と反対側の最外層として形成された回路実装用導体とを備え、前記端末は、前記回路実装用導体上に設けられた受電回路を有し、前記複数の導体パターンは、前記面状伝搬媒体側に配置された第一導体パターンを含み、前記第一導体パターンは、少なくとも一つの角部を有し、前記第一導体パターンと前記回路実装用導体との間に少なくとも一つの接続手段を有し、前記第一導体パターンの前記角部に、前記複数の導体パターン間を電気的に短絡する、少なくとも一つの短絡手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、給電特性の位置依存性を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の実施形態１に係る電磁波伝搬装置の構成を示す、縦断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａ中の面状伝搬媒体と受電装置が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体側から見た図である。
【図２】実施形態１に係る面状伝搬媒体の斜視図である。
【図３Ａ】実施形態１に係る第一導体パターン上の共振モードの説明図である。
【図３Ｂ】実施形態１に係る第一導体パターンの形状を変えた場合の共振モードの説明図である。
【図４】実施形態１に係る電磁波インターフェースのシミュレーション結果である。
【図５Ａ】実施形態１に係る電磁波インターフェースの受電量の誘電体面積占有率特性の結果である。
【図５Ｂ】図５Ａにおける、誘電体面積を説明する図である。
【図６】実施形態１に係る電磁波インターフェースの変形例の説明図である。
【図７】実施形態１における、電磁波入力ポートが４つの場合の、送電局の構成例を示す図である。
【図８Ａ】実施形態１における、受電回路の構成例を示す図である。
【図８Ｂ】実施形態１における、直並列整流器の構成例を示す図である。
【図８Ｃ】実施形態１における、直並列整流器の他の構成例を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態２に係る電磁波伝搬装置の構成例を示す、縦断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａ中の面状伝搬媒体と受電装置が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体側から見た図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態３に係る電磁波伝搬装置の構成例を示す、縦断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ中の面状伝搬媒体と受電装置が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体側から見た図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態４に係る電磁波伝搬装置の構成例を示す、縦断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａ中の面状伝搬媒体と受電装置が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の代表的な実施形態によれば、電磁波伝搬装置は、面状導体、第一面状誘電体、面状メッシュ導体、第二面状誘電体を順に重ねて構成された面状伝搬媒体と、前記面状伝搬媒体に配置された少なくとも一つの電磁波入力ポートと、前記電磁波入力ポートを介して前記面状伝搬媒体に電力もしくは情報として電磁波を入力する送電局（基地局）と、前記面状伝搬媒体の第二面状誘電体上に設置され、電磁波インターフェースと受電回路から構成される少なくとも一つの受電装置（端末）とを備え、前記電磁波インターフェースとして、誘電体板に複数の導体パターンを配置し、前記導体パターンと受電回路との間に少なくとも一つの接続手段を設け、前記導体パターン間の少なくとも一つの短絡手段を前記導体パターンの角部に設けていることを特徴としている。この電磁波伝搬装置によれば、表面波伝送方式に用いられ、位置依存性が小さく、移動体への連続給電に好適な小型の電磁波インターフェース及びそれを用いた電磁波伝搬装置を提供することができる。特に、受電量は、電磁波インターフェースによって覆われる面状伝搬媒体の領域の、面状メッシュ導体が配置されていない誘電体が露出している面積占有率すなわち誘電体面積占有率によって調整できる。そのため、面状メッシュ導体の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定することで、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。さらに、この電磁波伝搬装置は、広帯域に動作させることが可能となる。
【００１３】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記導体パターンが、誘電体板の前記面状伝搬媒体側に配置された第一導体パターンと、この第一導体パターンよりも前記受電装置側に配置された第二導体パターンを有し、前記第一導体パターンと受電回路との接続手段として少なくとも一つのスルービアを設け、前記第一導体パターンと前記第二導体パターンの短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを前記第一導体パターンの端部に設けている。この電磁波伝搬装置によれば、電磁波インターフェースをガラスエポキシ等のプリント基板を用い、汎用基板加工プロセスで製造できるので安価に無線給電システムを実現できる。
【００１４】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記誘電体の鉛直方向より透かして見たときに、前記第一導体パターンの外形が前記第二導体パターンの外形に含まれている。この電磁波伝搬装置によれば、電磁波インターフェースのグランド面積が大きく確保できるので安定動作できる。
【００１５】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記ショートビアを前記第一導体パターンの角部に設けている。この電磁波伝搬装置によれば、第一導体パターンの一端面を短絡し、電磁波インターフェースの共振周波数を低減し、結果、電磁波インターフェースを小型化できる。
【００１６】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記ショートビアを設けた前記第一導体パターンの角部を含む対角線上に、前記スルービアを配置している。この電磁波伝搬装置によれば、第一導体パターン上を流れる電流経路を長くすることができ、一電磁波インターフェースの共振周波数を低減し、結果、電磁波インターフェースを小型化できる。
【００１７】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記第一導体パターンの異なる角部にそれぞれ設けた複数のスルービアでの各受電電力を、前記受電回路において、前記各受電電力を任意の位相差をつけて合成している。この電磁波伝搬装置によれば、複数のスルービアでの各受電電力を、任意の位相差をつけて合成することにより、電磁波インターフェースの方向性の小さくすることができる。もしくは、電磁波の到来方向に強い方向性を持たせることもでき、より大きな電力を受け取ることができる。
【００１８】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記受電回路を前記誘電体板上に配置している。この電磁波伝搬装置によれば、電磁波インターフェースと受電回路から構成される受電装置を汎用のプリント基板上に一体化して実装できるので、小型化であるとともに安価である。
【００１９】
上記電磁波伝搬装置は、他の特徴として、前記誘電体板の端面もしくは内部に、電磁波をシールドするシールド導体もしくは電波吸収体を配置している。この電磁波伝搬装置によれば、第二導体パターンの端部からの電磁波漏洩を遮蔽し、高効率な電力伝送に貢献できる。  
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態１に係る電磁波伝搬装置を、図１Ａ〜図５Ｂを用いて説明する。図１Ａは、電磁波伝搬装置１００の構成を示した断面図である。図１Ｂは、図１Ａ中の面状伝搬媒体と受電装置が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体側から見た図である。
【００２１】
電磁波伝搬装置１００は、基地局２００と端末３００間で、電力もしくは情報としての電磁波の伝搬を行うための装置である。以下では、基地局２００が送電局７、端末３００が給電対象となる機器２２を備え、送電局７から機器２２へ一方向の給電を行う構成を例にして説明する。
【００２２】
電磁波伝搬装置１００は、送電局７から給電対象となる機器２２に電力もしくは情報を供給する装置であり、面状伝搬媒体５、受電装置２３、電磁波入力ポート６を備える。
【００２３】
面状伝搬媒体５は、電力や情報としての電磁波の伝搬経路を成すものであり、図２に示すように、面状伝搬媒体５は、面状導体１、面状誘電体２、面状メッシュ導体４、面状誘電体スペーサ３を、順に重ねて構成され、いずれも表裏面が実質的に平行な平面で形成される。面状メッシュ導体４は、碁盤目状になって広がっており、メッシュのピッチによって、電磁波が外界へ滲み出す量を制御することができる。エバネッセント波と呼ばれる外界へ滲み出す電磁波は、伝搬距離に対して指数関数的に減衰する。典型的には、振幅が１／ｅに減衰する距離は１ｃｍ程度である（ｅ：自然対数の底）。従って、面状メッシュ導体４の近傍にのみ電磁波を局在させ、外界への不要放射を極めて小さくできる。また、放射素子の可逆原理により、外界からの妨害波からの影響をほとんど受けない。面状誘電体２は、伝搬効率を考慮すると低誘電率かつ低誘電正接である材料が望ましい。面状誘電体スペーサ３は、面状メッシュ導体４を保護する役割を持つ。面状の誘電体や誘電体スペーサは、例えば発泡スチロールを用いて形成され、面状導体や面状メッシュ導体は、例えばエッチングや印刷等により形成される。
【００２４】
図１Ａ内の電磁波入力ポート６は、送電局７と面状伝搬媒体５を接続するインターフェース（第一のインターフェース）であり、両者は電磁波の進行方向に対して平行に配置され、送電局７から出力された同軸線路モード等の電磁波を、面状伝搬媒体５の表面波モードにモード変換する。送電局７は、電磁波入力ポート６、面状伝搬媒体５および受電装置２３を介して機器２２に電力を供給する装置である。
【００２５】
面状伝搬媒体５の上に、電磁波伝搬装置１００の端末３００が載置される。端末３００の受電装置２３は、誘電体基板１１に設けられた電磁波インターフェース８（第二のインターフェース）と受電回路１６から成る。電磁波インターフェース８は、第一導体パターン９、第二導体パターン１０、ショートビア１２、スルービア１３により構成される。導体パターン間を電気的に短絡するショートビア１２、スルービア１３は、ドリルやレーザ等で誘電体基板１１に穴をあけ、内部を金属メッキすることで形成される。
【００２６】
電磁波インターフェース８は、二つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量を利用し共振周波数を下げることで小型化を可能とする。誘電体基板１１には導体が平行に３層形成されている。すなわち、誘電体基板１１において、面状伝搬媒体５に接する導体層として第一導体パターン９、中間導体層として第二導体パターン１０、面状伝搬媒体５と反対側の最上層として回路実装用導体１５を形成する。電磁波インターフェース８により面状伝搬媒体５から受け取った電力が、スルービア１３により回路実装用導体１５上に設けられた受電回路１６に送られ、受電回路１６で整流され、さらに所望の電圧に変換された直流電力が、機器２２に供給される。
【００２７】
図１Ｂに示したように、第一導体パターン９は第一導体パターン長Ｌ、第二導体パターン１０は第二導体パターン長ｇｄｌ（ｇｄｌ＞Ｌ）の、大きさの異なる矩形の導体パターンである。両パターンは第一導体パターン９の角部に設けられたショートビア１２にて電気的に短絡される。ショートビア１２近傍で第一導体パターン９の対角線上の内側に位置するスルービア１３により、第一導体パターン９が回路実装用導体１５を介して受電回路１６と接続される。ｏｓは、スルービアの位置の角部端からのオフセットである。自由空間で用いる電圧駆動系のダイポールアンテナ等は両端面が開放となっており共振条件を満足させるには１／２×λｇ（λｇ：実効波長）の寸法が必要である。それに対し、本構造ではショートビア１２を用い第一導体パターン９の片側の端面を短絡とし他の端面を開放端とし、Ｌ＝１／４×λｇの寸法で共振させることが可能となる。
【００２８】
図３Ａは、実施形態１に係る第一導体パターン上の共振モードの説明図である。図３Ａに示すように、正方形の第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設けることで、第一導体パターン９の一辺の寸法Ｌが１／４×λｇの場合の電流経路よりも、さらに低い周波数での共振を可能とする短い電流経路（定在波が成立する条件の経路）Ｂの電流を流すことができる。第二導体パターン１０は第一導体パターン９に対してグランドとして働くため、安定動作には第一導体パターン９よりも大きなサイズにする必要がある。また、第二導体パターン１０も面状伝搬媒体５と結合するため、その寸法も共振条件により決定されるが、第一導体パターン９や面状メッシュ導体４との容量により共振周波数（ｆ１）を下げられるため、さらなる小型化が可能となる。さらに経路Ｂ（ｎ）のように直角に曲がる経路Ｂ（１）よりも短い電流経路が分布的に複数存在するため、周波数帯域を、経路Ｂ（１）の共振周波数（ｆ１）からこれより若干周波数の高い共振周波数（ｆｎ）まで拡大した、広帯域な動作が可能となる。または、意図的に複数の経路を成立させる、もしくは第一導体パターン９と第二導体パターン１０とを異なる周波数で共振させることで、複数の動作周波数を持たせてもよい。なお、上記対角線上のスルービア１３の位置によって電磁波インターフェース８の入力インピーダンスは、ショートビア１２近傍からその対角に移動するに従って、０Ωから数百Ωに単調増加する。よって、受電回路との整合や、動作共振周波数を考慮し、スルービア１３の位置を決定する必要がある。
【００２９】
なお、第一導体パターン、第二導体パターンの形状は、正方形に限られるものではなく、長方形や任意の多角形についても、本発明は適用できる（以下の実施例も同様）。ただし、いずれの平面形状であっても、第一導体パターン９がショートビア１２を設けるための少なくとも１つの角部を有していることが望ましい。例えば、図３Ｂに示すように、正六角形の第一導体パターン９の１つの角部を起点とする対角線上に、ショートビア１２やスルービア１３を設けることで、第一導体パターン９の一辺の寸法Ｌをλｇ／１２の場合の電流経路よりも、さらに低い周波数での共振を可能とする経路の電流を流すことができる。
【００３０】
特に、第一導体パターン、第二導体パターンの形状が長方形の場合は、寸法を選択することにより円偏波として動作させることもできる。これにより、方向性の小さい電磁波インターフェースを実現することも可能である。
【００３１】
図４は、上述した電磁波インターフェース８の、スルービア１３での反射量２４、通過量２５の周波数特性のシミュレーション結果である。設計周波数はＲＦＩＤと同じ９５０ＭＨｚとした。ここで通過量は、有限の大きさの面状伝搬媒体端面でのポインティングベクトルの面積分値を入力電力で除算して算出した。９５０ＭＨｚにおいて反射量２４、通過量２５はそれぞれ−２１．０ｄＢ、−９．４ｄＢという数値が得られている。なお、本シミュレーションは以下のパラメータを用いた。図１Ｂにおいて、第二導体パターン長ｇｄｌ＝５０［ｍｍ］、第一導体パターン長Ｌ＝１４．７［ｍｍ］、スルービアの位置オフセットＯＳ＝２．０［ｍｍ］とし、誘電体基板１１の第一導体パターン９と第二導体パターン１０の間の厚さは１．６ｍｍ、比誘電率は４．７とした。第一導体パターン長、第二導体パターン長はそれぞれ実効波長換算で０．１λｇ、０．３４λｇに相当する。また、図１Ａにおいて、導体メッシュ線幅＝１［ｍｍ］、導体メッシュピッチｐ＝７［ｍｍ］、面状誘電体スペーサ３の厚さは０．１ｍｍ、比誘電率は２．１、面状誘電体２の厚さは３．４５ｍｍ、比誘電率は１．０５とした。
【００３２】
次に、電磁波インターフェースの受電量の位置依存性について説明する。図５Ａは上述した電磁波インターフェースを用いて、面状伝搬媒体の導体メッシュ線幅ｗと導体メッシュピッチｐを変えたときの、受電量の変動を相対的に観測した結果である。横軸は、電磁波インターフェースによって覆われる面状伝搬媒体の領域の、面状メッシュ導体が配置されていない誘電体が露出している面積占有率（（Ｐ−Ｗ）２／Ｐ２）、以下、誘電体面積占有率）に置き換えている。図５Ｂの斜線で示す領域が、誘電体の露出している領域である。図５Ａの縦軸は受電量の相対値である。１７は受電量の誘電体面積占有率の特性を示している。受電量は、誘電体面積占有率の関数として単調増加の傾向にあることが図５Ａのグラフから読み取れる。したがって、電磁波インターフェースの位置変動による誘電体面積占有率の変動が小さければ、受電量の位置依存性は低減される。例えば、受電量の変動を１ｄＢ以内に収めるためには、誘電体面積占有率を、図５Ａのグラフで示している０．８６以下の範囲では、０．０３程度の変動に抑える必要がある。
【００３３】
式（１）は、誘電体面積占有率Ｄの変動量が最大のときの変動範囲と、そのときの第二導体パターン長ｇｄｌ’を示している。
【００３４】
【数１】
0005621173.tif 000002
【００３５】
ここでｎは自然数である。計算例として図４におけるシミュレーションのパラメータ条件を式（１）に当てはめると、Ｄｍａｘ＝０．７４、Ｄｍｉｎ＝０．７１となり、受電量の変動を１ｄＢ以内に収めることができ、移動体へも安定した連続給電ができるといえる。
【００３６】
また、本実施例では第一導体パターン９、第二導体パターン１０が共に正方形の例を説明したが、前記のとおり長方形や任意の多角形等の平面形状についても、本発明は適用できる。特に、長方形に関しては、寸法を選択することにより円偏波として動作させることもできる。これにより、方向性の小さい電磁波インターフェースを実現することも可能である。
【００３７】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、本実施形態における電磁波インターフェース８の変形例を示すものである。図６（ａ）は、矩形の第二導体パターン１０の各辺から中心に向かって方形状の切り欠き１８を加えた電磁波インターフェース８を示している。図６（ｂ）は、矩形の第一導体パターン９の各辺から中心に向かって方形状の切り欠き１８を加えた電磁波インターフェース８を示している。図６（ｃ）は、矩形の第二導体パターン１０の各角から中心に向かって方形状の切り欠き１８を加えた電磁波インターフェース８を示している。図６（ｄ）は、矩形の第一導体パターン９のスルービア１３を通る対角線上の角を除く二つの角から中心に向かって方形状の切り欠き１８を加えた電磁波インターフェース８を示している。どの変形例も、矩形の第一導体パターン９もしくは矩形の第二導体パターン１０上を流れる電流経路を迂回させることで、それぞれの小型化に効果を示すものである。本変形例では、切り欠きの数を２個もしくは４個として説明したが、１個以上の切り欠きを装荷すれば相応の効果は得られる。また、切り欠きの位置や形状についても同様である。他の多角形についても、同様に、切り欠きを設けて電流経路を迂回させることで小型化できるという効果がある。
【００３８】
図７は、電磁波入力ポート６が４つ（６−１，６−２，６−３，６−４）の場合の送電局７の構成例である。送電局７は、発振器５１、分配器５２、電源電圧変換器５３、移相器５４、可変利得増幅器５５、パワー増幅器５６、制御部５７、電力検出部５８で構成される。なお、電源電圧変換器５３、移相器５４、可変利得増幅器５５、パワー増幅器５６は、４つの電磁波入力ポート６に各々対応して設けられている。発振器５１は、電磁波伝搬装置１００の使用周波数に相当する周波数の信号を生成する。分配器５２は４つの移相器５４に使用周波数の信号を分配する。移相器５４は入力された信号の位相を調整してその出力を可変利得増幅器５５に供給する。パワー増幅器５６の電源は電源電圧変換器５３によって供給される。可変利得増幅器５５は利得を切り替え、出力電力を調整して出力する。パワー増幅器５６は電磁波入力ポート６へ電力を出力する。制御部５７は、電力検出部５８の検出した各可変利得増幅器５５及び各パワー増幅器５６の出力電力に基づいて、各電磁波入力ポートの電源電圧変換器５３、移相器５４、可変利得増幅器５５を制御する。
【００３９】
送電局７から電力を供給する場合、送電局７の消費電力と送電電力との比、つまり送電効率は高い方が好ましい。また、面状伝搬媒体５上の受電装置２３の位置により、受電装置２３の受電電力は変化するため、送電局７の送電電力の調整により、これを補償して受電電力を一定にするか、送電効率が高いときほど大電力を送電することが好ましい。あるいは、受電装置２３に接続された機器２２の消費電力や動作状態に合わせて送電電力を変えることが好ましい。つまり、送電局７は、幅広い送電電力、例えば１０ｄＢ程度にわたり高い送電効率を実現することが好ましい。
【００４０】
これを実現するため、機器２２の状態等に基づく所望の送電電力に応じて、各電源電圧変換部５３は各パワー増幅器５６の電源電圧を、各可変利得増幅器５５は各パワー増幅器５６の入力電力を調整する。つまり、所望の送電電力が高いほど、パワー増幅器５６の電源電圧と入力電力を高く設定する。これにより、幅広い送電電力にわたって、パワー増幅器５６を飽和状態で使用できるようになり、送電効率を高く維持することができる。
【００４１】
なお、所望の送電電力をパワー増幅器５６が飽和状態で出力しているかどうかは、電力検出部５８で各パワー増幅器５６の入出力電力を検出することにより判断する。つまり、各パワー増幅器５６の出力電力を検出することで、所望の送電電力が出力されているかどうかを判断する。併せて、各パワー増幅器５６の入力電力を検出することで、各パワー増幅器５６の電力利得を検出し、各パワー増幅器５６が飽和状態で動作しているかどうかを判断する。
【００４２】
このとき、送電局７全体の消費電力のうち、パワー増幅器５６の消費電力の占める割合が高ければ高いほど、パワー増幅器５６の電力利得は送電電力に依らずほぼ一定とすることが好ましい。逆に、パワー増幅器５６以外の消費電力の割合が増えるほど、パワー増幅器５６の電力利得は、送電電力が小さいほど高く設定することが好ましい。
【００４３】
なお、各移相器５４の位相調整量は、複数の電磁波入力ポート６の各々から出力される電磁波が面状伝搬媒体５上の受電装置２３の位置で強めあうように、制御部５７で制御すると、受電装置２３の受電電力が高くなり好ましい。または、面状伝搬媒体５の受電装置２３以外の位置や送電したくない位置で複数の電磁波入力ポート６から出力される電磁波が打ち消しあうように、制御部５７で各位相調整量を制御すると良い。
【００４４】
なお、図７の例では、電磁波入力ポート６が４つの場合の送電局７の構成例を示したが、電磁波入力ポート６の数は１つでも複数でも構わない。また、複数の電磁波入力ポート６で電源電圧変換器５３、移相器５４、可変利得増幅器５５、パワー増幅器５６の全てもしくはいずれかを共用してもよい。また、発振器５１と分配器５２を複数備えたり、移相器の代わりに周波数変換器を備えたりすることにより、一部または全ての電磁波入力ポート６から異なる周波数の電磁波を出力しても良い。異なる周波数の電磁波を出力することにより、面状伝搬媒体５上の所望の位置において、各電磁波入力ポート６から出力される電磁波は強めあったり、打ち消しあったりする。
【００４５】
次に、受電回路１６について説明する。図８Ａは、受電回路１６の構成例である。受電回路１６は、直並列整流器６０、電圧／電流検出部６１、レギュレータ６２、制御部６３で構成される。直並列整流器６０は電磁波インターフェース８で受電した交流電力を直流電力に整流する。電圧／電流検出部６１は、直並列整流器６０からレギュレータ６２へ流れる電流と直並列整流器６０の出力電圧を検出する。レギュレータ６２は直並列整流器６０の出力電圧を機器２２の所望の電圧に変換して出力する。制御部６３は、電圧／電流検出部６１で検出した電圧と電流の値に応じて、直並列整流器の直並列数を制御する。なお、制御部６３は電圧／電流検出部６１で検出した電圧と電流の値から電力を求めることもできる。  
電圧／電流検出部６１は、直並列整流器６０からレギュレータ６２へ流れる電流値を微小な抵抗によって電圧に変換して検出し、レギュレータ６２の入力電圧とともにアナログデジタル変換器でデジタル値に変換すると良い。
【００４６】
電磁波インターフェース８から入力される受電電力は、送電局７の送電電力や面状伝搬媒体５上の受電装置２３の位置などによって変動する。また、機器２２の消費電力や動作状態により必要な電圧や電力が変化する。以上のことから、直並列整流器６０は幅広い受電電力、例えば１０ｄＢ程度にわたって、受電効率を高く維持することが好ましい。
【００４７】
これを実現するために、制御部６３で直並列整流器６０内の整流回路６４の直並列数を制御する。図８Ｂ、図８Ｃは直並列整流器６０の構成例である。図８Ｂは整流回路６４の直並列数をスイッチ６５とスイッチ６６で制御する構成例、図８Ｃは整流回路６４の直並列数をスイッチ６７とスイッチ６８で制御する構成例である。
【００４８】
図８Ｂにおいて、整流回路６４の入力インピーダンスをＺ１とする。２つの整流回路６４ａ、６４ｂの入力を特性インピーダンスＺ１の伝送線路で接続すると、接続した箇所から見た入力インピーダンスＺ２はＺ１の半分になる。Ｚ２の箇所は、特性インピーダンスＺ１、かつ、使用する周波数の波長λの４分の１の長さの伝送線路を介して見るとＺ２の４倍、つまり、Ｚ１の２倍のインピーダンスＺ３になる。従って、Ｚ３の箇所２つを接続すると接続した箇所から見た入力インピーダンスＺ４はＺ３の半分、つまり、Ｚ１となる。一方、スイッチ６５及びスイッチ６６を開放し、整流回路６４ａ、６４ｂ、６４ｃを切り離した場合も、整流回路６４ｄの入力インピーダンスＺ１がそのまま入力インピーダンスＺ４になり、直並列整流器６０の入力インピーダンスはＺ１となる。なお、スイッチ６５、６６は制御部６３によって制御される。
【００４９】
この構成によれば、直並列整流器６０の入力インピーダンスを一定に保ちつつ、整流回路６４の直並列数を切り替えることができ、幅広い受電電力を効率よく受電することができる。
【００５０】
図８Ｃの構成例でも図８Ｂと同様に、整流回路６４の直並列数を切り替えても入力インピーダンスを一定に保つことができる。スイッチ６７とスイッチ６８は特性インピーダンスＺ１の伝送線路をグラウンドと短絡する機能を持つ。スイッチ６７を短絡すると、スイッチ６７の箇所でのインピーダンスＺ５は低くなり、理想的にはゼロになる。しかし、使用する周波数の波長λの４分の１の長さの伝送線路を介した箇所でのインピーダンスＺ６は高くなり、理想的には無限大になる。つまり、スイッチ６５を開放した場合と同じく、使用する周波数において整流回路６４ｅ、６４ｆが切り離される。同様に、スイッチ６８を短絡すると、整流回路６４ｇが切り離される。なお、スイッチ６７、６８は制御部６３によって制御される。
【００５１】
この構成によれば、直並列整流器６０の入力インピーダンスを一定に保ちつつ、かつ、受電電力の線路に直列に素子を追加することなく、整流回路６４の直並列数を切り替えることができ、幅広い受電電力をより効率よく受電することができる。
【００５２】
なお、図８Ａ〜図８Ｃでは整流回路６４の直並列数を４つとしたが、４つに限らないことは自明である。例えば、整流回路６４を３つ以上接続し合計９つ以上としてもよいし、接続箇所は２箇所に限らず４箇所以上にしても良い。  
また、スイッチ６５、６６、６７、６８は、使用する周波数において、スイッチと同様の電気的機能を実現できるものであれば良い。例えば、可変容量を用い、スイッチ６５、６６、６７、６８の短絡時には容量値を大きくし、開放時には容量値を小さくしてもよい。同様に可変抵抗やその他の電気的特性が可変の素子で構成してもよい。
【００５３】
本実施形態では、第一導体パターン９と第二導体パターン１０をショートビア１２で短絡させるとしたが、使用周波数に対して両者を導通させることができれば代用可能であり、形状は円筒状に拘らない。また、導体３層構成の誘電体基板１１については、異なる材料の基板を貼り合わせてもよく、電磁波インターフェース８と受電回路１６を物理的に切り離して使用しても問題ない。
【００５４】
また、本実施形態では受電用として電磁波インターフェース８を説明したが、この電磁波インターフェース８を送電用の電磁波入力ポート６として用い、小型化を図ることも可能である。
【００５５】
また、本実施形態１は、電磁波伝搬装置１００を給電装置として説明したが、送電局７、受電回路１６をそれぞれ通信基地局、受信装置に置き換えることで、電磁波を電力として送るのではなく、機器間の通信信号、制御信号として送ることも可能である。もちろん、両者を同時もしくは時分割に送ることも組み合わせの構成で実現できることは言うまでもない。
【００５６】
また、本発明の基地局２００と端末３００は、各々、電磁波伝搬装置１００を介して電磁波の送受信機能を備え、双方向に情報の送受信を行うものであっても良い。この場合、各端末３００は受電回路のみならず送電局も備え、基地局２００は送電局のみならず受電回路も備えている。例えば、基地局２００から複数の端末３００へ電力や制御信号を送り、各端末３００から基地局２００へ応答情報や測定データを送るシステムであっても良い。
【００５７】
端末３００の機器２２は、例えば、床面を構成する面状伝搬媒体５上を移動する、医療、介護用あるいは保安用のロボット等の移動体であり、電磁波伝搬装置１００を介して基地局２００から移動体３００へ、無線（ワイヤレス、コネクタレス）でかつ高信頼に連続給電・連続通信を行い、ロボット等に所定の作業を実行させることができる。これにより、移動体は重量の重いバッテリーを搭載することなく、長時間の作業を行うことができる。
【００５８】
以上のように、本実施形態１に係る電磁波伝搬装置１００は、二つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量と、および両者と面状メッシュ導体４との容量とを利用して共振周波数を下げ、さらに両導体パターンをショートビア１２により短絡し、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設けることにより、電磁波インターフェース８を小型化し、広帯域に動作させることが可能となる。
【００５９】
本実施例の電磁波伝搬装置によれば、ショートビアを第一導体パターンの角部に設けているので、第一導体パターンの一端面を短絡し、電磁波インターフェースの共振周波数を低減し、結果、電磁波インターフェースを小型化できる。本実施例の電磁波伝搬装置によれば、ショートビアを設けた矩形の第一導体パターンの角部を含む対角線上に、スルービアを配置しているので、第一導体パターン上を流れる電流経路を長くすることができ、電磁波インターフェースの共振周波数を低減し、結果、電磁波インターフェースを小型化できる。
【００６０】
また、本実施形態１によれば、電磁波インターフェース８と受電回路１６から構成される受電装置２３を汎用のプリント基板上に一体化して実装できるので、小型化であるとともに安価である。すなわち、本実施例の電磁波伝搬装置によれば、導体パターンとして、誘電体板にいずれも平面状の第一導体パターンと第二導体パターンを配置し、第一導体パターンと受電回路との接続手段として少なくとも一つのスルービアを設け、第一導体パターンと第二導体パターンの短絡手段として、少なくとも一つのショートビアを第一導体パターンの端部に設けている。このような複数の平面状の部材を積層した構成の電磁波インターフェースは、例えば、ガラスエポキシ等のプリント基板を用い、汎用基板加工プロセスで製造できる。そのため、安価に無線給電システムを実現できる。
【００６１】
さらに、本実施例の電磁波伝搬装置によれば、誘電体の鉛直方向より透かして見たときに、第一導体パターンの外形が第二導体パターンの外形に含まれている。これにより、電磁波インターフェースのグランド面積が大きく確保できるので安定動作できる。
【００６２】
また、本実施形態１の電磁波伝搬装置１００に用いる電磁波インターフェース８は誘電体面積占有率によって受電量を調整できるので、面状メッシュ導体４の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定すれば、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。
【００６３】
このように、本実施形態の電磁波伝搬装置によれば、電磁波インターフェースを小型化し、広帯域に動作させることが可能となる。また、誘電体面積占有率によって受電量を調整できるので、面状メッシュ導体の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定すれば、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。
【実施例２】
【００６４】
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図９Ａは、本発明の実施の形態２に係る電磁波伝搬装置１００の構成を示した断面図である。図９Ｂは、図９Ａ中の面状伝搬媒体５と受電装置２３が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体５側から見た図である。
【００６５】
電磁波伝搬装置１００は、基地局２００と端末３００間で、電力もしくは情報としての電磁波の伝搬を行うための装置である。以下では、実施の形態１と同様に、送電局７から機器２２へ一方向の給電を行う構成を例にして説明する。
【００６６】
電磁波伝搬装置１００は、送電局７から給電対象となる機器２２に電力を供給する装置であり、面状伝搬媒体５、受電装置２３、電磁波入力ポート６を備える。受電装置２３は、誘電体基板１１に設けられた電磁波インターフェース８と受電回路１６から成る。電磁波インターフェース８は矩形平面状の第一導体パターン９、矩形平面状の第二導体パターン１０、ショートビア１２、スルービア１３、シールドビア群１９、シールド導体２０により構成される。ショートビア１２、スルービア１３、シールドビア群１９はドリルやレーザ等で誘電体基板１１に穴をあけ、内部を金属メッキすることで形成される。送電局７、受電回路１６の各構成及び機能は、実施の形態１と同様である。
【００６７】
電磁波インターフェース８は、二つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量を利用し共振周波数を下げることで小型化を可能とする。導体３層構成の誘電体基板１１において、面状伝搬媒体５に接する導体層に第一導体パターン９、中間導体層に第二導体パターン１０、面状伝搬媒体５と反対側の層に回路実装用導体１５を形成する。電磁波インターフェース８により面状伝搬媒体５から受け取った電力が、スルービア１３により回路実装用導体１５上に設けられた受電回路１６に送られ、受電回路１６で整流され、さらに所望の電圧に変換され、機器２２に供給される。第二導体パターン１０に接続されたシールドビア群１９とシールド導体２０は、第二導体パターン１０の端部からの電磁波漏洩を遮蔽する役割を持ち、高効率な電力伝送に貢献する。
【００６８】
図９Ｂにおいて、第一導体パターン９、第二導体パターン１０は第一導体パターン９の角部に設けられたショートビア１２にて短絡される。ショートビア１２近傍で矩形の第一導体パターン９の対角線上のスルービア１３により受電回路１６と接続される。本構造ではショートビア１２を用い片側の端面を短絡とし、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設けることで、低い周波数での共振を可能とする。第二導体パターン１０は第一導体パターン９に対してグランドとして働くため、安定動作には第一導体パターン９よりも大きなサイズにする必要がある。また、第二導体パターン１０とシールド導体２０も面状伝搬媒体５と結合するため、その寸法も共振条件により決定されるが、第一導体パターン９や面状メッシュ導体４との容量により共振周波数を下げられるため、さらなる小型化が可能となる。併せて、シールドビア群１９、シールド導体２０により第二導体パターン１０の面積が等価的に大きくなることも小型化を推進する。また、シールドビア群１９の隣接するシールドビア同士のピッチは１／４λｇ以下が望ましい。なお、上記対角線上のスルービア１３の位置によって電磁波インターフェース８の入力インピーダンスは、ショートビア１２近傍からその対角に移動するに従って、０Ωから数百Ωに単調増加する。よって、受電回路との整合や、動作共振周波数を考慮し、スルービア１３の位置を決定する必要がある。
【００６９】
本実施形態では、電磁波インターフェースの電磁波漏洩を遮蔽する手段として、シールドビア群１９、シールド導体２０を用いた構成について説明したが、代案として、誘電体基板１１端面に、金属箔もしくは使用周波数帯で動作する電波吸収体を配置してもよい。
【００７０】
また、本実施形態では受電用として電磁波インターフェース８を説明したが、送電用の電磁波入力ポート６として用い、小型化を図ることも可能である。
【００７１】
以上のように本実施形態２に係る電磁波伝搬装置１００は、二つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量および両者と面状メッシュ導体４との容量を利用し共振周波数を下げ、さらに両者をショートビア１２により短絡し、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設け、第二導体パターン１０に接続されたシールドビア群１９とシールド導体２０を配置することにより、電磁波インターフェース８を小型化し、広帯域に動作させることが可能となる。
【００７２】
また、本実施形態２の電磁波伝搬装置１００に用いる電磁波インターフェース８は、シールドビア群１９とシールド導体２０を設けているので、第二導体パターン１０の端部からの電磁波漏洩を遮蔽し、高効率な電力伝送に貢献できる。
【００７３】
また、本実施形態２の電磁波伝搬装置１００に用いる電磁波インターフェース８は誘電体面積占有率によって受電量を調整できるので、面状メッシュ導体４の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定すれば、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。
【００７４】
また、本実施形態２によれば、電磁波インターフェース８と受電回路１６から構成される受電装置２３を汎用のプリント基板上に一体化して実装できるので、小型化であるとともに安価である。
【００７５】
また、本実施形態２は給電装置として説明したが、送電局７、受電回路１６をそれぞれ通信基地局、受信装置に置き換えることで、電磁波を電力として送るのではなく、機器間の通信信号、制御信号として送ることも可能である。もちろん、両者を同時もしくは時分割に送ることも組み合わせの構成で実現できることは言うまでもない。
【００７６】
また、基地局２００と端末３００は、各々、電磁波の送受信機能を備え、双方向に情報の送受信を行うものであっても良い。この場合、各端末３００は受電回路のみならず送電局も備え、基地局２００は送電局のみならず受電回路も備えている。例えば、基地局２００から複数の端末３００へ電力や制御信号を送り、各端末３００から基地局２００へ応答情報や測定データを送るシステムであっても良い。
【実施例３】
【００７７】
次に、本発明の実施の形態３について説明する。  
図１０Ａは、本発明の実施の形態２に係る電磁波伝搬装置１００の構成を示した断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａ中の面状伝搬媒体５と受電装置２３が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体５側から見た図である。電磁波伝搬装置１００は、送電局７から給電対象となる機器２２に電力を供給する装置であり、面状伝搬媒体５、受電装置２３、電磁波入力ポート６を備える。受電装置２３は、誘電体基板１１に設けられた電磁波インターフェース８と受電回路１６から成る。電磁波インターフェース８は第一導体パターン９、第二導体パターン１０、ショートビア１２ａ、１２ｂ、スルービア１３ａ、１３ｂにより構成される。ショートビア１２ａ、１２ｂ、スルービア１３ａ、１３ｂはドリルやレーザ等で誘電体基板１１に穴をあけ、内部を金属メッキすることで形成される。送電局７、受電回路１６の各構成及び機能は、実施の形態１と同様である。
【００７８】
電磁波インターフェース８は、二つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量を利用し共振周波数を下げることで小型化を可能とする。導体３層構成の誘電体基板１１において、面状伝搬媒体５に接する導体層に第一導体パターン９、中間導体層に第二導体パターン１０、面状伝搬媒体５と反対側の層に回路実装用導体１５を形成する。電磁波インターフェース８により面状伝搬媒体５から受け取った電力が、スルービア１３ａ、１３ｂにより回路実装用導体１５上に設けられた受電回路１６に送られ、受電回路１６で整流され、さらに所望の電圧に変換され、機器２２に供給される。
【００７９】
図１０Ｂにおいて、矩形の第一導体パターン９と第二導体パターン１０は、第一導体パターン９のそれぞれ別の角部に設けられたショートビア１２ａ、１２ｂにて短絡される。すなわち、矩形の底辺の第一の角部に設けられたショートビア１２ａ近傍で第一導体パターン９の対角線上のスルービア１３ａ、及び、矩形の底辺の第二の角部に設けられたショートビア１２ｂ近傍で対角線上のスルービア１３ｂにより受電回路１６と接続される。本構造ではショートビア１２ａ、１２ｂを用い片側の端面を短絡とし、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３ａ、１３ｂを設けることで、低い周波数での共振を可能とする。第二導体パターン１０は第一導体パターン９に対してグランドとして働くため、安定動作には第一導体パターン９よりも大きなサイズにする必要がある。また、第二導体パターン１０も面状伝搬媒体５と結合するため、その寸法も共振条件により決定されるが、第一導体パターン９や面状メッシュ導体４との容量により共振周波数を下げられるため、さらなる小型化が可能となる。なお、上記対角線上のスルービア１３の位置によって電磁波インターフェース８の入力インピーダンスは、ショートビア１２近傍からその対角に移動するに従って、０Ωから数百Ωに単調増加する。よって、受電回路との整合や、動作共振周波数を考慮し、スルービア１３の位置を決定する必要がある。
【００８０】
また、電磁波インターフェース８には方向性が無いことが望ましい。面状伝搬媒体５の端面が短絡もしくは開放の反射端の場合、内部で多重反射が起こり、電磁波の到来方向が位置によって異なることが有り得る。これに対し、使用周波数帯で動作する電波吸収体を面状伝搬媒体５の端面に配置することで上記課題は軽減されるが、電波吸収体での吸収成分は損失になってしまう。また、電磁波インターフェース８の取り扱い性の観点から、面状伝搬媒体５内のあらゆる到来方向の電磁波を均一に受けられることが重要である。スルービア１３ａ、１３ｂで取り出される電力はそれぞれお互いが直交する共振モード２６ａ、２６ｂにより励起された電磁界成分であり、共振モード２６ａ、２６ｂには９０度の位相差が存在する。すなわち一般的な円偏波の受信アンテナと同等の動作をし、あらゆる到来方向の電磁波を均一に受けられる。スルービア１３ａ、１３ｂで取り出された電力は９０度の位相差をつけて受電回路１６内の整流回路よりも前段で合成することで、方向性の小さい受電装置２３が実現できる。また、位相差を調節して合成し、意図的に方向性をつけることも可能であり、電磁波の到来方向が既知の場合は、より大きな電力を受け取ることができる。
【００８１】
本実施形態では二組のスルービア、ショートビアを用いた電磁波インターフェース８について説明したが、第一導体パターン９の平面形状に応じてスルービアを３個以上用いれば、より可変な方向性やより小さい方向性を実現できる。例えば、第一導体パターン９と第二導体パターン１０が共に正六角形の場合、３組のスルービアとショートビアを、第一導体パターン９の対角線上に位置しない３つの角部に設けても良い。あるいは、第一導体パターン９と第二導体パターン１０が共に八角形であり、４組のスルービアとショートビアを、第一導体パターン９の対角線上に位置しない４つの角部に設けても良い。このように、二組のスルービアとショートビアの位置は、第一導体パターン９の平面形状に応じて、各々、任意の角部に適用できる。
【００８２】
また、本実施形態では受電用として電磁波インターフェース８を説明したが、送電用の電磁波入力ポート６として用い、小型化を図ることも可能である。
【００８３】
以上のように本実施形態３に係る電磁波伝搬装置１００は、第一導体パターン９、第二導体パターン１０間の容量および両者と面状メッシュ導体４との容量を利用し共振周波数を下げるとともに、二組のスルービア、ショートビアを第一導体パターン９の角部に設けることにより、任意かつ可変な方向性を持ち、小型かつ広帯域な電磁波インターフェース８を実現できる。
【００８４】
また、本実施形態３の電磁波伝搬装置１００に用いる電磁波インターフェース８は誘電体面積占有率によって受電量を調整できるので、面状メッシュ導体４の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定すれば、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。
【００８５】
また、本実施形態３によれば、電磁波インターフェース８と受電回路１６から構成される受電装置２３を汎用のプリント基板上に一体化して実装できるので、小型化であるとともに安価である。
【００８６】
また、本実施形態３は給電装置として説明したが、送電局７、受電回路１６をそれぞれ通信基地局、受信装置に置き換えることで、電磁波を電力として送るのではなく、機器間の通信信号、制御信号として送ることも可能である。もちろん、両者を同時もしくは時分割に送ることも組み合わせの構成で実現できることは言うまでもない。また、基地局２００と端末３００は、各々、電磁波の送受信機能を備え、双方向に情報の送受信を行うものであっても良い。
【実施例４】
【００８７】
次に、本発明の実施の形態４について説明する。  
図１１Ａは、本発明の実施の形態４に係る電磁波伝搬装置１００の構成を示した断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａ中の面状伝搬媒体５と受電装置２３が接触する面Ａ−Ａ’を面状伝搬媒体５側から見た図である。電磁波伝搬装置１００は、送電局７から給電対象となる機器２２に電力を供給する装置であり、面状伝搬媒体５、受電装置２３、電磁波入力ポート６を備える。受電装置２３は、誘電体基板１１に設けられた電磁波インターフェース８と受電回路１６から成る。電磁波インターフェース８は、第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１、ショートビア１２、スルービア１３により構成される。ショートビア１２、スルービア１３はドリルやレーザ等で誘電体基板１１に穴をあけ、内部を金属メッキすることで形成される。
【００８８】
電磁波インターフェース８は、三つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１間の容量を利用し共振周波数を下げることで小型化を可能とする。導体４層構成の誘電体基板１１において、面状伝搬媒体５に接する導体層から順番に第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１が形成され、面状伝搬媒体５と反対側の層に回路実装用導体１５を形成される。電磁波インターフェース８により面状伝搬媒体５から受け取った電力が、スルービア１３により回路実装用導体１５上に設けられた受電回路１６に送られ、受電回路１６で整流され、さらに所望の電圧に変換され、機器２２に供給される。
【００８９】
図１１Ｂにおいて、平面形状が何れも矩形の第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１は、第一導体パターン９の角部に設けられたショートビア１２にて短絡される。ショートビア１２近傍で第一導体パターン９の対角線上のスルービア１３により受電回路１６と接続される。本構造ではショートビア１２を用い片側の端面を短絡とし、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設けることで、低い周波数での共振を可能とする。第二導体パターン１０は第一導体パターン９に対して、また第三導体パターン２１は第二導体パターン１０に対してグランドとして働くため、安定動作には第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１の順にサイズを大きくする必要がある。すなわち、誘電体の鉛直方向より見たときに、第一導体パターンの外形が第二導体パターンの外形に含まれており、第二導体パターンの外形が第三導体パターンの外形に含まれている。また、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１も面状伝搬媒体５と結合するため、その寸法も共振条件により決定されるが、第一導体パターン９や面状メッシュ導体４との容量により共振周波数を下げられるため、さらなる小型化が可能となる。また、各導体パターン上で共振のための電流経路の長さを分布的に存在させることで広帯域な動作が可能となる。または、複数の電流経路を離散的に存在させる、もしくは各導体パターンを異なる周波数で共振させることで、複数の動作周波数を持たせてもよい。なお、上記対角線上のスルービア１３の位置によって電磁波インターフェース８の入力インピーダンスは、ショートビア１２近傍からその対角に移動するに従って、０Ωから数百Ωに単調増加する。よって、受電回路との整合や、動作共振周波数を考慮し、スルービア１３の位置を決定する必要がある。
【００９０】
本実施形態では、電磁波インターフェース８の導体パターンを三つとして説明したが、四つ以上であれば、より広帯域な、もしくは、より複数の動作周波数を持った電磁波インターフェース８が実現できる。
【００９１】
また、本実施形態では、電磁波インターフェース８において、第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１をショートビア１２で短絡させたが、どの導体パターン同士を短絡させるかによって、動作周波数、動作帯域や受電量を調整することが可能である。
【００９２】
また、本実施形態では受電用として電磁波インターフェース８を説明したが、送電用の電磁波入力ポート６として用い、小型化を図ることも可能である。
【００９３】
以上のように、本実施形態４に係る電磁波伝搬装置１００は、三つの結合モードを励起する第一導体パターン９、第二導体パターン１０、第三導体パターン２１間の容量および両者と面状メッシュ導体４との容量を利用し共振周波数を下げ、さらに両者をショートビア１２により短絡し、第一導体パターン９の対角線上に給電点となるスルービア１３を設けることにより、電磁波インターフェース８を小型化し、広帯域に動作させることが可能となる。
【００９４】
また、本実施形態４の電磁波伝搬装置１００に用いる電磁波インターフェース８は誘電体面積占有率によって受電量を調整できるので、面状メッシュ導体４の形状を誘電体面積占有率の変動が小さくなるよう設定すれば、受電量の位置依存性を小さく抑えることができる。
【００９５】
また、本実施形態４によれば、電磁波インターフェース８と受電回路１６から構成される受電装置２３を汎用のプリント基板上に一体化して実装できるので、小型化であるとともに安価である。
【００９６】
また、本実施形態４は給電装置として説明したが、送電局７、受電回路１６をそれぞれ通信基地局、受信装置に置き換えることで、電磁波を電力として送るのではなく、機器間の通信信号、制御信号として送ることも可能である。もちろん、両者を同時もしくは時分割に送ることも組み合わせの構成で実現できることは言うまでもない。また、基地局２００と端末３００は、各々、電磁波の送受信機能を備え、双方向に情報の送受信を行うものであっても良い。
【００９７】
以上に説明した実施形態１〜４において、ショートビア、スルービアについては、規定された厳密な位置でなければ、効果を発揮しないものではなく、λｇに対し十分小さな位置シフト量であれば、それに準じた効果が得られる。例えば、ショートビア、スルービアの位置は、矩形の第一導体パターンの対角線から±１０度の範囲内であっても良い。
【符号の説明】
【００９８】
１…面状導体、２…面状誘電体、３…面状誘電体スペーサ、４…面状メッシュ導体、５…面状伝搬媒体、６…電磁波入力ポート、７…送電局、８…電磁波インターフェース、９…第一導体パターン、１０…第二導体パターン、１１…誘電体基板、１２…ショートビア、１３スルービア、１５…回路実装用導体、１６…受電回路、１７…受電量の誘電体面積占有率特性、１８…切り欠き、１９…シールドビア、２０…シールド導体、２１…第三導体パターン、２２…機器、２３…受電装置、２４…反射量、２５…通過量、２６…共振モード、５１…発振器、５２…分配器、５３…電源電圧変換器、５４…移相器、５５…可変利得増幅器、５６…パワー増幅器、５７…制御部、５８…電力検出部、６０…直並列整流器、６１…電圧／電流検出部、６２…レギュレータ、６３…制御部、１００…電磁波伝搬装置、２００…基地局、３００…端末。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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