(57)【要約】  電気部品（２１００）は、第１の電流を通すための第１の伝送線路（２１８０ｂ）と、第１の伝送線路と並行する第２の電流を流すための少なくとも１つの第２の伝送線路（２１９０ｂ）と、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル（２１１０ａ，２１１２ａ，２１４０，２１１２ｂ，２１１０ｂ，２１２２，２１２４ａ，２１５０，２１３０，２１６０，２１２４ｂ）とを備え、メタマテリアルは、第１の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。これにより、小型で強結合を実現することができる。
2010100801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電流を通すための第１の伝送線路（２１８０ｂ）と、
前記第１の伝送線路と並行する第２の電流を流すための少なくとも１つの第２の伝送線路（２１９０ｂ）と、
電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル（２１１０ａ，２１１２ａ，２１４０，２１１２ｂ，２１１０ｂ，２１２２，２１２４ａ，２１５０，２１３０，２１６０，２１２４ｂ）とを備え、
前記メタマテリアルは、前記第１の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、前記第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気部品（２１００）。
【請求項２】
前記メタマテリアルは、
共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器（２１１０ａ，２１１２ａ，２１４０，２１１２ｂ，２１１０ｂ）を備え、
前記第１の共振器は、前記共振波長の略１／２の長さの半波長線路（２１１０ａ，２１１２ａ，２１４０，２１１２ｂ，２１１０ｂ）を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器（２１２２，２１２４ａ，２１５０，２１３０，２１６０，２１２４ｂ）と、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、
前記支持部材は、前記第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、前記第２の共振器の共振による磁界が集中するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求の範囲１に記載の電気部品。
【請求項３】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端（２１１０ａ，２１１０ｂ）が前記第２の共振器の外部に位置するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求の範囲２に記載の電気部品。
【請求項４】
前記支持部材は、共振により前記第１の共振器および前記第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求の範囲２に記載の電気部品。
【請求項５】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端（２１１０ａ，２１１０ｂ）の前記第１の伝送線路および前記第２の伝送線路からの距離が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求の範囲２に記載の電気部品。
【請求項６】
前記第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、
前記支持部材は、前記第１の電流により生じる磁界が前記ＬＣ共振器の共振ループを通過するように前記ＬＣ共振器の位置を固定する、請求の範囲５に記載の電気部品。
【請求項７】
前記支持部材は、前記半波長線路の第１の端（２１１０ａ）を、前記第２の共振器と前記第１の伝送線路および前記第２の伝送線路を含む面との間に固定する、請求の範囲５に記載の電気部品。
【請求項８】
前記第２の共振器は、
第１の最外電極（２１２２）と、
前記第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極（２１３０）とを含み、
前記支持部材は、前記半波長線路の前記第１の端を前記第１の最外電極と前記第１の伝送線路および前記第２の伝送線路を含む面との間に固定する、請求の範囲７に記載の電気部品。
【請求項９】
前記支持部材は、前記第１の電流により生じる、前記半波長線路の両端（２１１０ａ，２１１０ｂ）における電位が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求の範囲５に記載の電気部品。
【請求項１０】
前記支持部材は、前記第２の共振器が前記第１の電流により生じる磁界と磁気結合するように前記第２の共振器の位置を固定する、請求の範囲５に記載の電気部品。
【請求項１１】
前記第２の共振器は、
第１の電極（２１２２）と、
前記第１の電極に対向する第２の電極（２１２４ａ，２１２４ｂ）とを備え、
前記支持部材は、前記第１の電極および前記第２の電極で形成される共振ループが前記第１の電流により生じる電界方向と略平行になるように、前記第１の電極および前記第２の電極を固定する、請求の範囲５に記載の電気部品。
【請求項１２】
前記メタマテリアルは、
前記共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器（６１０ａ，６４０，６１０ｂ）を備え、
前記第１の共振器は、前記共振波長の略１／２の長さの半波長線路（６１０ａ，６４０，６１０ｂ）を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器（６２２，６２４，６５０，６３２，６３４，６６０）を備え、
前記第２の共振器は、
複数の板状電極（６２２，６２４，６３２，６３４）を含み、
前記板状電極は、複数の第１板状電極（６２２，６３２）と、各前記第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極（６２４，６３４）とからなり、
前記第２の共振器は、さらに、
前記複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部（６５０）と、
前記複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部（６６０）とを含み、
前記複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極（６２２）および第２の最外電極（６３４）は、それぞれ、前記第１板状電極および前記第２板状電極であり、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、
前記支持部材は、前記第１の最外電極が前記半波長線路の第１の端部（６１０ａ）に近接し、かつ、前記第２の最外電極が前記半波長線路の第２の端部（６１０ｂ）に近接するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求の範囲１に記載の電気部品。
【請求項１３】
前記第１の共振器は、さらに、
前記第１の端部に接続された第１の導電板（６１０ａ）と、
前記第２の端部に接続された第２の導電板（６１０ｂ）とを含み、
前記支持部材は、前記第２の共振器の外部であって前記第１の最外電極と対向する位置に前記第１の導電板を固定し、前記第２の共振器の外部であって前記第２の最外電極と対向する位置に前記第２の導電板を固定する、請求の範囲１２に記載の電気部品。
【請求項１４】
電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル（２１１０ａ，２１１２ａ，２１４０，２１１２ｂ，２１１０ｂ，２１２２，２１２４ａ，２１５０，２１３０，２１６０，２１２４ｂ）を備え、
前記メタマテリアルは、基板（２３００）に取付けられたときに前記基板上の第１の伝送線路（２３８０）を流れる第１の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記基板に取付けられたときに前記基板上の第２の伝送線路（２３９０）に電磁気的な影響を与えることによって、前記第２の伝送線路に第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気部品（２２００）。
【請求項１５】
前記基板に取付けられたときに、前記メタマテリアルを挟んで前記第１の伝送線路および前記第２の伝送線路を含む面と反対側になるように配置されるグランド面（２２０１ｂ）をさらに備え、
前記グランド面は、前記基板に取付けられたときに前記基板上のグランド線路（２３０１）と電気的に接続させるためのグランド接続部（２２０１ａ，２２０１ｃ）を有する、請求の範囲１４に記載の電気部品。
【請求項１６】
第１の電流を通すための第１の伝送線路（２５８０）と、
前記第１の伝送線路と並行する第２の電流を通すための少なくとも１つの第２の伝送線路（２５９０）と、
電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル（２４００）とを備え、
前記メタマテリアルは、前記第１の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、前記第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気回路の部分構造（２５０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気部品、および、電気回路の部分構造に関し、特に、伝送路上を伝搬する電力の一部を別のポートに取出すのに適した電気部品、および、電気回路の部分構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高周波信号の伝送線路上を所定の方向に伝搬する電力の一部を別のポートに取出すための電気部品である方向性結合器が用いられている。【０００３】
このような方向性結合器であって中心周波数の波長をλとするものにおいて、λ／４の長さの２本の並行する線路を結合部とするものがあった（たとえば、特開平９−２４６８１８号公報（以下「特許文献１」という）参照）。この場合、たとえば、中心周波数が１ＧＨｚであれば、比誘電率＝１とすると、λ／４＝７．５ｃｍとなる。【０００４】
また、線路を直線的に並行させた場合よりも小型化するため、蛇行させた並行する線路が形成された基板を積層させて、λ／４の長さの並行部分を確保するものがあった（たとえば、特開平５−１６０６１４号公報（以下「特許文献２」という）参照）。【０００５】
また、より短い並行線路長で強結合を得るために、２本の並行する線路を有する方向性結合器である結合線路形カプラにおいて、ＨＰＦ（High-Pass  Filter）型の左手系伝送線路を用いたものがあった（たとえば、廣田明道、田原志浩、米田尚史、「右手／左手系複合線路を用いた結合線路形フォワードカプラ」（MW2008-28）、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、２００８年５月、Vol.108、No.63、p.77-82（以下「非特許文献１」という）参照）。【０００６】
なお、特開２００８−１４７７３７号公報（以下「特許文献３」という）には、左手系伝送線路の応用例として、たとえば、段落００３６に、強結合バックワードカプラに用いることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２４６８１８号公報
【特許文献２】特開平５−１６０６１４号公報
【特許文献３】特開２００８−１４７７３７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】廣田明道、田原志浩、米田尚史、「右手／左手系複合線路を用いた結合線路形フォワードカプラ」（MW2008-28）、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、２００８年５月、Vol.108、No.63、p.77-82
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１および特許文献２に係る方向性結合器は、基本的にλ／４の長さの結合線路を有するものである。λ／４よりも短くても結合するが、最も強い結合を得るためには、結合線路の長さをλ／４にする必要がある。【００１０】
しかし、たとえ、結合線路の長さをλ／４にしたとしても、並行線路では線路間の容量結合および磁気結合が強くないことから、電磁気的な結合度を高くすることはできない。たとえば、特許文献１の方向性結合器の結合度は、４０ｄＢ程度である。【００１１】
結合度を高くするために、特許文献２のように、並行線路を蛇行させて磁気結合を高くしたり、線路を積層方向に隣接させて容量結合を高くしたりする必要がある。いずれにしても、結合線路の長さをλ／４に近くする必要があり、方向性結合器のサイズが大きくなってしまうという問題が生じる。【００１２】
また、方向性結合器のサイズを小型化するために線路幅を細くすると、損失が増えてしまうという問題が生じる。【００１３】
結合線路の長さをλ／４にすることによらない強い結合を得るためには、上述した非特許文献１のように左手系伝送線路を用いることが考えられる。しかし、伝送線路型の方向性結合器は、シリーズにコンデンサ、シャントにインダクタを必要とする。そして、小型化するためには、インダクタのピッチを短くしていかなければならない。【００１４】
しかし、インダクタのピッチを短くすると、結合によって、シリーズに等価的なインダクタが入ってしまう。このため、そのインダクタが右手系成分となるため、左手系の動作を抑えてしまうといった問題が生じる。【００１５】
また、単位長さ当たりの自己インダクタンスＬおよび静電容量Ｃを一定にする必要があるので、小型化するほど、Ｌ，Ｃを大きくする必要がある。このため、左手系伝送線路は、小型化が困難な構造である。【００１６】
左手系メタマテリアルには共振型があるが、大型のものばかりである。このため、ストリップラインに利用できるものがなく、小型の方向性結合器への応用は提案されていなかった。【００１７】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的の１つは、小型で強結合を実現することが可能な電気部品、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の目的を達成するために、この発明のある局面によれば、電気部品は、第１の電流を通すための第１の伝送線路と、第１の伝送線路と並行する第２の電流を流すための少なくとも１つの第２の伝送線路と、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、第１の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。【００１９】
好ましくは、メタマテリアルは、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器と、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、支持部材は、第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第２の共振器の共振による磁界が集中するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。【００２０】
好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端が第２の共振器の外部に位置するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。【００２１】
好ましくは、支持部材は、共振により第１の共振器および第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。【００２２】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端の第１の伝送線路および第２の伝送線路からの距離が異なるように第１の共振器を固定する。【００２３】
さらに好ましくは、第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、支持部材は、第１の電流により生じる磁界がＬＣ共振器の共振ループを通過するようにＬＣ共振器の位置を固定する。【００２４】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の第１の端を、第２の共振器と第１の伝送線路および第２の伝送線路を含む面との間に固定する。【００２５】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の最外電極と、第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極とを含み、支持部材は、半波長線路の第１の端を第１の最外電極と第１の伝送線路および第２の伝送線路を含む面との間に固定する。【００２６】
さらに好ましくは、支持部材は、第１の電流により生じる、半波長線路の両端における電位が異なるように第１の共振器を固定する。【００２７】
さらに好ましくは、支持部材は、第２の共振器が第１の電流により生じる磁界と磁気結合するように第２の共振器の位置を固定する。【００２８】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の電極と、第１の電極に対向する第２の電極とを備え、支持部材は、第１の電極および第２の電極で形成される共振ループが第１の電流により生じる電界方向と略平行になるように、第１の電極および第２の電極を固定する。【００２９】
好ましくは、メタマテリアルは、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器を備え、第２の共振器は、複数の板状電極を含み、板状電極は、複数の第１板状電極と、各第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極とからなり、第２の共振器は、さらに、複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部と、複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部とを含み、複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極および第２の最外電極は、それぞれ、第１板状電極および第２板状電極であり、メタマテリアルは、さらに、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、支持部材は、第１の最外電極が半波長線路の第１の端部に近接し、かつ、第２の最外電極が半波長線路の第２の端部に近接するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。【００３０】
さらに好ましくは、第１の共振器は、さらに、第１の端部に接続された第１の導電板と、第２の端部に接続された第２の導電板とを含み、支持部材は、第２の共振器の外部であって第１の最外電極と対向する位置に第１の導電板を固定し、第２の共振器の外部であって第２の最外電極と対向する位置に第２の導電板を固定する。【００３１】
この発明の他の局面によれば、電気部品は、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルを備え、メタマテリアルは、基板に取付けられたときに基板上の第１の伝送線路を流れる第１の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が基板に取付けられたときに基板上の第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第２の伝送線路に第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。【００３２】
好ましくは、電気部品は、基板に取付けられたときに、メタマテリアルを挟んで第１の伝送線路および第２の伝送線路を含む面と反対側になるように配置されるグランド面をさらに備え、グランド面は、基板に取付けられたときに基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する。【００３３】
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路の部分構造は、第１の電流を通すための第１の伝送線路と、第１の伝送線路と並行する第２の電流を通すための少なくとも１つの第２の伝送線路と、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、第１の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が第２の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第２の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係る電気部品および電気回路の部分構造に含まれるメタマテリアルは、共振波長において負の誘電率を示す、共振波長の略１／２の長さの線路を有する第１の共振器と、当該共振波長において負の透磁率を示す第２の共振器とを含む。これらの共振器は、第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第２の共振器の共振による磁界が集中するように、配置される。【００３５】
また、本発明のある局面によれば、一方の最外電極が、λ／２長の金属線の一方の端に近接し、他方の最外電極が金属線の他方の端に近接するように配置されたコンデンサ型共振器を、負の透磁率の発現のために用いる。ここで、コンデンサ型共振器としては、２つの最外電極にたまる電荷の符号は逆であるものを用いる。以上の構成により、本発明によれば、λ／２長の金属線を用い、かつ、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現するメタマテリアルを実現できる。このため、小型で強結合を実現することが可能な、左手系メタマテリアルを備えた電気部品、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【図４】コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。
【図５】コイル型共振器１００を用いた負の誘電率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図６】図５に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図７】図５に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図８】コイル型共振器１００を用いた負の透磁率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図９】図８に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図１０】図８に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図１１】最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。
【図１２】図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１３】図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態に係るメタマテリアルを示す図である。
【図１５】図１４に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１６】図１４に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えた構成を示す図である。
【図１８】第２の実施の形態メタマテリアルの概略図である。
【図１９】第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成を示す図である。
【図２０】ユニット６００の斜視図である。
【図２１】ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【図２２】ユニット７００の斜視図である。
【図２３】ユニット７００の側面図である。
【図２４】ユニット８００の斜視図である。
【図２５】ユニット８００の側面図である。
【図２６】ユニット８００の上面図である。
【図２７】ユニット９００の斜視図である。
【図２８】ユニット９００の正面図である。
【図２９】ユニット９００の側面図である。
【図３０】第５の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【図３１】第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【図３２】スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３３】図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。
【図３４】図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。
【図３５】図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３６】図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。
【図３７】図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。
【図３８】方向性結合器２１００の斜視図である。
【図３９】方向性結合器２１００の正面図である。
【図４０】方向性結合器２１００の側面図である。
【図４１】方向性結合器２１００の平面図である。
【図４２】方向性結合器２２００の斜視図である。
【図４３】複層基板の方向性結合器部の斜視図である。
【図４４】メタマテリアルを用いた方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。
【図４５】比較測定に用いる複層基板の方向性結合器部の斜視図である。
【図４６】メタマテリアルを用いていない方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［左手系メタマテリアルを実現する上での課題］
近年、メタマテリアル（ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的あるいは光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。なお、μ＜０かつε＞０の領域、またはμ＞０かつε＜０の領域は「エバネッセント解領域」とも称され、μ＜０かつε＜０の領域は「左手系領域」とも称される。
【００３８】
μ＜０かつε＜０である左手系メタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率を同時に実現するため、負の誘電率を持つ素子と、負の透磁率を持つ素子とを周期配置して作られる。
【００３９】
左手系メタマテリアルには、大きく分けて、回路系と共振系とがある。共振系において、負のμを実現する手段としては、例えば、スプリットリング共振器（ＳＲＲ：Ｓｐｌｉｔ  Ｒｉｎｇ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）がある（例えば、「左手系メタマテリアル」（日経エレクトロニクス１月２日号、日経ＢＰ社、２００６年１月２日、ｐ．７５−８１）参照）。
【００４０】
一方、負のεを実現する手段としては、電磁波の波長に対して十分長い金属細線がある。この金属細線によれば、プラズマ周波数が下がり、負のεが実現される。"Low  Frequency  Plasmons  in  thin-wire  structures"（J  B  Pendry他,  J.  Phys.:  Condens.  Matter  Vol.10（1998）4785-4809）には、金属細線のアレイにより負のεを実現できることが記載されている。また、特表２００８−５０７７３３号公報には、周期格子のワイヤが負の誘電率となるとの記述がある。
【００４１】
また、電磁波の波長λの半分の長さの金属細線が、電磁波との共振によって負の誘電率を発生することも知られている。
【００４２】
負のεの実現のために電磁波の波長に対して十分長い金属細線を用いる方法では、メタマテリアルを小型化できない。そこで、電磁波の波長λの半分の長さの金属線を用いることが考えられる。
【００４３】
しかしながら、λ／２長の金属線を負のμを実現するための共振器と組み合わせて左手系メタマテリアルを実現しようとした場合、λ／２長の金属線は、一種の共振器であるので、負のμを実現するための共振器との間で干渉を起こすおそれがある。そして、その結果、金属線と共振器との組み合わせは、負のεおよび負のμを同時に発現しないおそれがある。
【００４４】
上述した課題を解決するための、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現することが可能なメタマテリアルの実施の形態を以下に記載する。
【００４５】
［共振器について］
本発明に係る左手系メタマテリアルは、共振器を組み合わせた共振系のものである。そこで、まず、本発明の左手系メタマテリアルを構成する共振器について説明する。
【００４６】
（多層コンデンサ型共振器）
本実施の形態において用いられる共振器の１つに、複数の電極を含む多層コンデンサ型共振器がある。この共振器には、当該電極間に生じる静電容量（キャパシタンス）を主体とした共振回路が形成される。この共振回路は、共振器の周辺に配置された信号線路に交流電流が流れることで発生する電磁波の特定の周波数成分に感受性をもち、この周波数成分の電磁波を受けて電気的な共振現象を生じ得る。この共振現象によって、負の透磁率が発現する。
【００４７】
ここで、メタマテリアルとしての機能である透磁率の共振を生じさせるためには、各共振器の電流の伝搬方向における長さが、対象とすべき周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、各共振器の電流の伝搬方向における長さは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００４８】
共振器としては、複数の平板電極を絶縁物（誘電体）を積層して形成された積層コンデンサなどを用いることができる。以下では、積層コンデンサを用いて共振器を実現する構成について例示する。この構成によれば、市販されている積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサを用いて、容易に共振器を構成できる。ただし、本発明に係る共振器を構成するための専用に設計された電極部材を用いてもよい。
【００４９】
図１は、コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。図１を参照して、コンデンサ型共振器３００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。なお、外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。このコンデンサ型共振器３００は、所定の周波数成分を含む電流が流れる信号線路２００に近接して配置されることで、当該電流が発生する電磁波の特定の周波数成分（共振周波数）を受けて共振を生じる。また、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００に接する面とは反対側の面には、グランド２２０が配置される。
【００５０】
コンデンサ型共振器３００内での共振によって、コンデンサ型共振器３００に磁束が発生し、負の透磁率が発現する。
【００５１】
なお、コンデンサ型共振器３００が負の透磁率を発現する、すなわちメタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発揮するためには、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００における電流の伝搬方向における長さｌ’が、共振周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、コンデンサ型共振器３００の長さｌは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００５２】
以下では、コンデンサ型共振器３００の一例として、長さｌ’＝１．６ｍｍ、幅Ｗ＝０．８ｍｍ、高さＨ＝１．２ｍｍの８層の内部電極を有する積層コンデンサを用いる場合について例示する。なお、信号線路２００と積層コンデンサとの距離ｈ＝０．２ｍｍ、積層コンデンサとグランドの距離ｈ’＝０．２ｍｍとする。
【００５３】
ここで、λ／４＝長さｌ’＝１．６ｍｍとすると、λ＝６．４ｍｍとなり、これは、空気中では周波数ｆｍａｘ＝４６．８７５ＧＨｚに相当する。従って、このコンデンサ型共振器３００をλ／４以下のピッチで並べると、ギガヘルツ帯においてメタマテリアルとして用いることができる。当然のことながら、適用すべき周波数領域に応じて、共振器の長さｌを適宜設計することができる。
【００５４】
次に、図１および図２を参照して、コンデンサ型共振器３００の構造について説明する。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００５５】
図１を参照して、信号線路２００に電流が流れることによって、信号線路２００を中心とした円周方向に交流の磁界が発生する。すなわち、磁界の磁力線は、信号線路２００を中心とする同心円となる。また、信号線路２００には電流が流れる際に電位が発生するので、信号線路２００とグランド２２０との間には交流の電界が発生する。
【００５６】
図２を参照して、コンデンサ型共振器３００は、各々が比誘電率の高い絶縁物であるスペーサ６を介して互いに対向する第１内部電極４および第２内部電極５をそれぞれ複数含む。複数の第１内部電極４は、第１外部電極２と電気的に接続されており、複数の第２内部電極５は、第２外部電極３と電気的に接続されている。このように、コンデンサ型共振器３００では、平板状の複数の内部電極４，５が積層されており、隣接する第１内部電極４と第２内部電極５との間には、その電極の面積、電極間の距離、スペーサ６の比誘電率などによってその値が定まる静電容量（キャパシタンス）が生じる。
【００５７】
コンデンサ型共振器３００を構成する第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面は、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。それとともに、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面とは異なる面において、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。すなわち、図２に示すように、信号線路２００を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が紙面前後方向に発生している場合において、コンデンサ型共振器３００は、第１内部電極４および第２内部電極５の電極断面長手方向が紙面左右方向と一致し、かつ第１外部電極２および第２外部電極３の電極断面長手方向が紙面上下方向と一致するように配置される。
【００５８】
コンデンサ型共振器３００が図２に示すような位置関係を保って配置されることで、所定の周波数成分に対して図３に示すような共振回路が形成され、この共振回路によって、負の透磁率が発現する。
【００５９】
図３は、共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【００６０】
図３を参照して、その電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３は、その経路長さに応じたコイル（インダクタ）として作用する。
【００６１】
コンデンサ型共振器３００では、第１内部電極のうち最上層の電極４ａと、第１外部電極２と、第１内部電極のうち最下層の電極４ｂとは互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。同様に、第２内部電極のうち最上層の電極５ａと、第２外部電極３と、第２内部電極のうち最下層の電極５ｂとも互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。ここで、電極４ａと電極５ａとの間の静電容量（キャパシタンスＣ１）と、電極４ｂと電極５ｂとの間の静電容量（キャパシタンスＣ２）とを介して、両電流経路は互いに電気的に接続され、キャパシタンスＣ１，Ｃ２と各電極によって生じるインダクタンスＬ１〜Ｌ６とを含む共振回路が形成される。したがって、本実施の形態に従うコンデンサ型共振器３００は、キャパシタンス（Ｃ１＋Ｃ２）と、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）とによって定まる共振周波数をもち、この共振周波数の電磁波が入射することで、透磁率共振が発現する。
【００６２】
なお、コンデンサ型共振器３００では、隣接する内部電極の間の各々で静電容量が発生するが、最上位の静電容量および最下位の静電容量を除いた他の静電容量は、この共振回路の形成への影響は小さい。これは、共振を起こす循環経路の最外層に電流が集中するためである。
【００６３】
図４は、コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。なお、図４に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。ここで、比透磁率とは、真空の透磁率に対する透磁率の比を表す。
【００６４】
図４を参照して、コンデンサ型共振器３００は、その１つの共振周波数として約４．９ＧＨｚをもち、その前後で比透磁率が大きく変動し、負の透磁率が生じることが分かる。
【００６５】
上述の説明では、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置されることで、メタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発現させることができることについて述べた。ここで、「実質的に平行」とは、各電極面が磁界の磁力線と直交する状態を除外する意味であり、各電極面が磁界の磁力線とまったく平行である状態以外にも、磁力線に対して所定角度をもつ状態をも含む。実用上は、コンデンサ型共振器３００で発現する負の透磁率の大きさが適用アプリケーションなどの要求を満足できる値であれば、「実質的に平行」とみなすことができる。
【００６６】
（コイル型共振器）
次に、本実施の形態のメタマテリアルに用いられるもう１つの種類の共振器である、コイル型共振器について説明する。コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するものであったのに対し、コイル型共振器は、中心軸が電界方向に対して平行（磁界に対して直角）になるように配置されたとき、負の誘電率を実現できる。また、中心軸が電界方向に対し直角（磁界方向に対して平行）になるように配置されたコイル型共振器は、負の透磁率を実現できる。
【００６７】
まず、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を図５を参照して説明する。図５は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。
【００６８】
図５を参照して、メタマテリアルは、コイル型共振器１００と外装部１０とを備える。コイル型共振器１００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。コイル型共振器１００は、信号線路２００と、グランド２２０との間に配置されている。グランド２２０は、コイル型共振器１００の信号線路２００に接する面とは反対側の面にある外装部１０の面に配置される。
【００６９】
信号線路２００には、所定の周波数成分を含む電流が流れる。本実施の形態においては、信号線路２００は、ストリップラインであるとする。ただし、信号線路２００は、電流を流す導体の一例であって、導体の形態はこれに限られるものではない。
【００７０】
コイル型共振器１００は、金属線を周回したものである。コイル型共振器１００の全長（金属線の全長）は、信号線路２００を流れる電流の波長の半分程度である。ここでは、信号線路２００を流れる電流の周波数はＧＨｚ帯であり、コイル型共振器１００の長さは、２８ｍｍである。
【００７１】
図５では、コイル型共振器１００として、中心軸１１０を中心に巻かれている、すなわち、ばね形状を有するものを示した。ただし、コイル型共振器１００の形状は、図５に示した、円筒面に沿うように巻かれたものに限られない。例えば、コイル型共振器１００は、四角柱に沿って巻かれたような形状であってもよい。あるいは、コイル型共振器１００は、球面に沿って巻かれたような形状であってもよい。
【００７２】
コイル型共振器１００は、上述のような長さおよび形状を有していればよい。コイル型共振器１００としては、金属線を巻いたコイルなどを利用できる。コイル型共振器１００としては、既成のもの（例えば、既成のコイル）を用いてもよいし、専用に作成したものを用いてもよい。
【００７３】
外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する。外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。ただし、外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する支持部材の一例であり、コイル型共振器１００は、他の部材により固定されていてもよい。
【００７４】
コイル型共振器１００の中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界、より詳しくは、信号線路２００とグランド２２０との間に生じる電界に対して平行である。すなわち、外装部１０は、中心軸１１０が電界に平行になるように、コイル型共振器１００を固定する。言い換えると、コイル型共振器１００は、電界の勾配に沿って、コイルの両端の電位に差があるように、配置される。
【００７５】
図５に示す例では、中心軸１１０を、信号線路２００からグランド２２０に向かう方向にとっている。すなわち、中心軸１１０は、グランド２２０面に直交し、かつ、信号線路２００を貫通する。この配置により、中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界に平行（信号線路２００を流れる電流が作る磁界に垂直）になっている。
【００７６】
信号線路２００に対して、コイル型共振器１００は、信号線路２００を流れる電流が発生する電場の特定の周波数（共振周波数）成分を受けて、共振を生じる。
【００７７】
コイル型共振器１００の電磁的性質を図６および図７に示す。図５に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図６、図７に示す。ここで、比誘電率とは真空の誘電率に対する誘電率の比を表し、比透磁率とは真空の透磁率に対する透磁率の比を表わす。図７に示すように、図５のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の誘電率を示す。一方、比透磁率は、図６に示すように、常に正である。
【００７８】
以上のとおり、波長の１／２の長さのコイル状の金属線によって、負の誘電率が発現することが分かる。このようにコイル状の金属線を用いたメタマテリアルは、直線状の金属線を用いて負の誘電率を実現するメタマテリアルに比べ、小型にできる。
【００７９】
次に、ばね状の金属線を用いて負の透磁率（μ）を持つメタマテリアルを実現する例について説明する。負のμを持つメタマテリアルは、図５に示したコイル型共振器１００と同様の長さおよび形状のコイル型共振器１００を、その中心軸１１０が磁界に平行になるように置くことで実現される。このように配置されたコイル型共振器１００が、負の透磁率を示すことを、図８から図１０を参照して、以下、説明する。
【００８０】
図８は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。図８に示すメタマテリアルは、図６に示すコイル型共振器１００をＹ軸周りに９０度回転して、コイル型共振器１００の中心軸が、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界と平行（信号線路２００を流れる電流が作る電界に垂直）になるように配置したものである。
【００８１】
図８に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図９、図１０に示す。図９に示すように、図８のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の透磁率を示す。一方、図１０に示すように、比誘電率は常に正である。
【００８２】
このように中心軸方向を変えることにより、同じ構造のコイル型共振器１００が、負の誘電率を示す場合も、負の透磁率を示す場合もあることが分かる。なお、中心軸方向が磁界方向および電界方向に対して非直交になるように配置されたコイル型共振器１００は、負の誘電率および透磁率を同時に示す。
【００８３】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係るメタマテリアルとして、コイル型共振器と、コンデンサ型共振器とを並べて配置したものを説明する。
【００８４】
これらの共振器の組み合わせが、左手系メタマテリアルとなる、すなわち、負の透磁率および負の誘電率を同時に発現するためには、各共振器の配置および構造が重要となる。まず、コイル型共振器が負の誘電率を発現し、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するよう、各共振器を配置しなければならない。さらに、共振器同士が不適切な干渉を起こさないように、共振器の構造にも配慮する必要がある。
【００８５】
コイル型共振器が負の誘電率を発現するためには、コイル型共振器を、その軸が電界方向（ｚ方向とする）に平行となるように配置すればよい。一方、コンデンサ型共振器については、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するように、その内部極板が、磁界方向に平行、すなわち、ｚ方向を法線とする平面（ｘ−ｙ平面）に平行となるように配置すればよい。
【００８６】
以上の配置の条件に加えて、コンデンサ型共振器は、最外部の２枚の内部電極が逆相、すなわち、それぞれの内部電極に蓄えられる電荷の符号が逆、という条件を満たすことが好ましい。これは、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とが干渉することを避けるためである。以下、図１１から図１６を参照して、このことについて、さらに詳しく説明する。
【００８７】
図１１は、最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。これらの共振器は、近接して配置されている。ただし、コイル型共振器およびコンデンサ型共振器はお互いに電気的に接触していない。コイル型共振器は、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１１においては、上端に正の電荷（図１１の＋）を、下端に負の電荷（図１１の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００８８】
一方、コンデンサ型共振器の図１１における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって最上面の電極により電気的に直接接続されているので、同符号の電荷を蓄えることになる。図１１では、最上面の電極および最下面の電極が、負の電荷を帯びている場合を示している。
【００８９】
図１１に示した状況では、近接する最下面の電極とコイル型共振器の下端とに蓄えられた負の電荷同士が干渉する。そのため、負の誘電率と負の透磁率とが、同時に発生しない。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とが、一致することがない。
【００９０】
このことを図１２および図１３を用いて具体的に説明する。図１２は、図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。図１３は、図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【００９１】
図１２には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【００９２】
図１３には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、透磁率の共振周波数が変化し、したがって、負の透磁率が生じる周波数が変化する。コンデンサ型共振器の形状を変化させていないのにもかかわらず透磁率の共振周波数が変化するのは、各共振器の端部の電荷の干渉によるものである。
【００９３】
このようにコイル型共振器の形状を変化させると、負の誘電率が生じる帯域と、負の透磁率が生じる帯域との双方が変化する。そのために、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現させることができない。負の誘電率（透磁率）を示す周波数を増加させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も増加してしまう。逆に、負の誘電率（透磁率）を示す周波数を減少させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も減少してしまう。このように、透磁率（誘電率）の共振周波数が、誘電率（透磁率）の共振周波数から離れてしまう現象が生じるので、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現するように共振器を設計することが難しい。
【００９４】
そこで、本実施の形態に係るメタマテリアルにおいては、図１４のように２種類の共振器を配置する。本実施の形態に係るメタマテリアルは、コイル型共振器１００とコンデンサ型共振器３００と外装部１０（図１４には図示せず）とを備える。図１１に示す場合と同様、外装部１０は、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とを、近接する位置に固定する。なお、先の説明と同様、外装部１０のかわりに他の支持部材を用いてもかまわない。
【００９５】
コイル型共振器は、図１１の場合と同様、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１４においても、図１１と同様、上端に正の電荷（図１４の＋）を、下端に負の電荷（図１４の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００９６】
一方、コンデンサ型共振器は、図１１に示すものと異なる。コンデンサ型共振器の図１４における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって電気的に直接接続されておらず、電気容量を介して接続されている。そのため、最上面の電極と最下面の電極とは、逆相になる（逆符号の電荷を蓄える）。図１４では、最上面の電極が負の電荷を、最下面の電極が正の電荷を帯びている場合を示している。
【００９７】
図１４に示した状況では、図１１に示した状況と異なり、近接する最下面（あるいは最上面）の電極とコイル型共振器の下端（あるいは上端）とに蓄えられた電荷の干渉を抑えることができる。したがって、負の誘電率と負の透磁率とを、同時に発生することができる。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とを一致させることができる。
【００９８】
このことを図１５および図１６を参照して説明する。図１５には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【００９９】
図１６には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状を変化させても、透磁率の共振周波数はほぼ変化しない。これは、各共振器の端部の電荷の干渉が抑えられており、コンデンサ型共振器の共振特性が変化しないためである。
【０１００】
以上のように、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発生でき、左手系となる。
【０１０１】
なお、図１４では、１つのコイル型共振器と１つのコンデンサ型共振器とのセットを示したが、メタマテリアルは、このセットを複数備えていてもよい。この場合、例えば、セットを１次元的あるいは２次元的に連続する位置に、支持部材で固定する。
【０１０２】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、負のεをもつ共振器としてコイル型共振器を用いる例を示した。しかしながら、本発明においては、負のεをもつ共振器として、コイル型共振器に限られず、電磁波に共振する略λ／２の長さの線路を含む共振器を用いることができる。
【０１０３】
また、負のεをもつ共振器と負のμを持つ共振器（第１の実施の形態ではコンデンサ型共振器）は、第１の実施の形態で説明したように、必ずしも横に並べる必要はない。
【０１０４】
第２の実施の形態では、負のεをもつ共振器として、λ／２長の線路と線路の両端に接続した２枚の導電板とを含む共振器を用い、負のεを持つ共振器と、負のμをもつコンデンサ型共振器とを共通の空間に組み合わせる構成について説明する。
【０１０５】
第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成の概略を図１７および図１８を用いて説明する。図１８が、第２の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。図１７は、第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えたものである。
【０１０６】
図１７、図１８のいずれにおいても、コンデンサ型共振器の２つの最外電極の外部に、それぞれの最外電極と対向するように、２つの導電板が配置される。また、導電板は、巻かれた線路で接続されている。線路は、その長さが共振波長の略λ／２になるように設計される。
【０１０７】
線路は、巻かれているため、小型のスペースでその長さを確保することができる。ただし、共振波長によっては、あるいは、小型化が必要ない場合には、線路は巻かれていなくてもよい。また、図１７、図１８では、コイル状に巻かれた線路を示したが、小型化は、線路を巻く方法に限られず、線路を屈曲させることにより実現される。例えば、ミアンダ線路などを用いてもよい。
【０１０８】
各導電板は、線路との間の容量を大きくし、共振周波数における負の誘電率の絶対値を大きくする。また、容量による波長短縮効果により、実質的なλ／２の長さを短かくできる。なお、求められる負の誘電率の値によっては、各導電板は設置しなくてもよい。また、設計上の理由等により、線路の一方の端部のみに導電板を接続してもよい。
【０１０９】
図１７と図１８の差異は、図１７では、コンデンサ型共振器の２つの最外電極が直接接続されているのに対し、図１８では、２つの最外電極が直接接続されず、逆相である点にある。図１８に示す本実施の形態に係るメタマテリアルは、第１の実施の形態に係るメタマテリアルと同様、電荷の干渉を抑えられるので、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図１７に示す構造では、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することが困難である。
【０１１０】
図１８で概略を示した本実施の形態に係るメタマテリアルの具体的な構成を図１９に示す。図１９を参照して、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を基板材料内に作りこんだユニット６００を複数備える。このユニットは、多層基板のような技術を使って、１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこんだものである。この構成では、基板材料が支持部材に相当する。
【０１１１】
各ユニット６００は、信号線路２００の直下に、かつ、信号線路２００とグランド２２０との間に配置されている。また、各ユニット６００は、空間的に連続的に配置される。図１９では、４つのユニット６００を、信号線路２００に沿った方向で配置した例を示しているが、ユニット６００の配置はこれに限られるものではない。１次元状に配置された共振器を、同一平面内に並べて、平面状のメタマテリアルを構成することも可能である。さらに、平面状のメタマテリアルを重ねて、立体的なメタマテリアルを構成することも可能である。
【０１１２】
ユニット６００の構造を図２０および図２１を参照して説明する。図２０は、ユニット６００の斜視図である。図２１は、ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【０１１３】
図２０に示すように、ユニット６００は、最上部電極６１０ａと、最下部電極６１０ｂと、第１の内部電極６２２と、第２の内部電極６２４と、第３の内部電極６３２と、第４の内部電極６３４と、線路６４０とを備える。また、図２１に示すように、ユニット６００は、さらに、第１の外部電極６５０と、第２の外部電極６６０とを備える。
【０１１４】
最上部電極６１０ａは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも上に（ｚ座標が大きな位置に）配置される。最下部電極６１０ｂは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも下に（ｚ座標が小さな位置に）配置される。最上部電極６１０ａは、−ｚ方向に伸びた側面部分を有する。最下部電極６１０ｂは、＋ｚ方向に伸びた側面部分を有する。また、最上部電極６１０ａは、信号線路２００の真下に配置される。
【０１１５】
線路６４０は、最上部電極６１０ａの−ｚ方向に伸びた側面部分と、最下部電極６１０ｂの＋ｚ方向に伸びた側面部分とを接続する。線路６４０は、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと、各側面部分とをつなぐことで、負の誘電率を実現するλ／２線路の一部として機能する。
【０１１６】
線路６４０と各側面部分により構成される線路の長さは、共振周波数に応じて設計される。ここでは、λ／２の長さをとるため、線路６４０を、中央層に引いたミアンダ線路としている。ただし、線路６４０の形状はこれに限られるわけではなく、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１１７】
なお、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮するために備えられているものである。共振波長が短縮されるのは、最上部電極６１０ａと信号線路との容量による波長短縮効果による。最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、要求される負の誘電率や共振波長により省略することも可能である。
【０１１８】
第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４は、近接して対向して配置される。また、第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４は、近接して対向して配置される。第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４の対（上部電極対とよぶ）は、最上部電極６１０ａの側に配置される。第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４の対（下部電極対とよぶ）は、最下部電極６１０ｂの側に配置される。各々の内部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１１９】
第１の外部電極６５０は、図２１に示すとおり、第１の内部電極６２２と第３の内部電極６３２とを接続する。第２の外部電極６６０は、図２１に示すとおり、第２の内部電極６２４と第４の内部電極６３４とを接続する。各々の外部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１２０】
上述の線路６４０と最上部電極６１０ａと最下部電極６１０ｂとは、負の誘電率を実現する。第１〜第４の内部電極６２２，６２４，６３２，６３４、ならびに第１の外部電極６５０および第２の外部電極６６０は、上下２枚ずつの電極をもつコンデンサ型共振器を形成し、負の透磁率を実現する。負の誘電率を実現するλ／２線路および負の透磁率を実現するコンデンサ型共振器は、当然ながら、互いに電気的に直接接続されていない。また、λ／２線路およびコンデンサ型共振器は、信号線路２００、グランド２２０に対しても電気的に接続されておらず、浮いた状態となっている。また、各ユニット６００も、お互いに接触していない。
【０１２１】
以上説明したようなユニット６００を空間的に連続に配置することにより、本実施の形態に係るメタマテリアルは、左手系メタマテリアルとして機能する。なお、ユニット６００の配置の仕方は、上述のものに限られない。例えば、平面内に２次元状に配置してもよい。
【０１２２】
本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器をユニット内に作りこむことで作成されるため、工業的な製造が容易である。
【０１２３】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第２の実施の形態におけるコンデンサ型共振器のかわりにスプリットリング型の共振器を用いたメタマテリアルについて説明する。
【０１２４】
第３の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット７００の構造を図２２および図２３に示す。図２２は、ユニット７００の斜視図である。図２３は、ユニット７００の側面図である。
【０１２５】
図２２を参照して、ユニット７００は、最上部電極７１０ａと、最下部電極７１０ｂと、第１の内部電極７２２と、第２の内部電極７２４ａと、第３の内部電極７２４ｂと、第４の内部電極７３０と、線路７４０を備える。図２３を参照して、ユニット７００は、さらに、第１の外部電極７５０および第２の外部電極７６０を備える。
【０１２６】
最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂは、第２の実施の形態に係る最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様の構造をもち、各内部電極よりも外部に配置される。
【０１２７】
線路７４０は、最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂを接続する。線路７４０は、第２の実施の形態の線路６４０と同様、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、本実施の形態では、線路７４０として、水平面内を１周半するヘリカル構造のものを用いている。
【０１２８】
第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂは、同一面内で、離して配置される。第１の外部電極７５０は、第２の内部電極７２４ａと第４の内部電極７３０とを接続する。第２の外部電極７６０は、第３の内部電極７２４ｂと第４の内部電極７３０とを接続する。つまり、第２の内部電極７２４ａ、第１の外部電極７５０、第３の内部電極７２４ｂ、第２の外部電極７６０、第３の内部電極７３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有する。したがって、これらの電極は、負の透磁率を発現する。
【０１２９】
第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂと対向して、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂとは電気的に接触しないように配置される。第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａと第３の内部電極７２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１３０】
［第４の実施の形態］
１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこむメタマテリアルの他の例として、周辺に配置したコイルの中に負の透磁率用の共振器を配置したものを作ることもできる。第４の実施の形態では、そのようなメタマテリアルの一例を示す。
【０１３１】
第４の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット８００の構造を図２４、図２５、図２６を参照しつつ説明する。図２４は、ユニット８００の斜視図である。図２５は、ユニット８００の側面図である。図２６は、ユニット８００の上面図である。
【０１３２】
ユニット８００は、コイル状導体８１０と、第１の電極８２２と、第２の電極８２４と、第３の電極８３２と、第４の電極８３４と、第１のビア８４２と、第２のビア８４４とを備える。
【０１３３】
コイル状導体８１０は、ユニット８００の表面に近い領域を複数（ここに示す例では、８回）周回する。コイル状導体８１０は、第１の電極８２２、第２の電極８２４、第３の電極８３２、第４の電極８３４、第１のビア８４２、第２のビア８４４を囲むように配置される。
【０１３４】
第１の電極８２２および第２の電極８２４は、近接して対向して配置される。また、第１の電極８２２および第２の電極８２４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３５】
第３の電極８３２および第４の電極８３４は、近接して対向して配置される。また、第３の電極８３２および第４の電極８３４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３６】
第１の電極８２２と第２の電極８２４の対は、ユニット８００内の上部に形成される。第３の電極８３２と第４の電極８３４の対は、ユニット８００内の下部に形成される。なお、ここでの上部、下部とは、図２４および図２５に即したものである。
【０１３７】
第１のビア８４２は、第１の電極８２２と第３の電極８３２とを接続する。また、第２のビア８４４は、第２の電極８２４と第４の電極８３４とを接続する。
【０１３８】
以上の構造により、第１〜第４の電極８２２，８２４，８３２，８３４ならびに第１のビア８４２および第２のビア８４４は、コンデンサ型の共振器として機能し、負の透磁率を発現する。
【０１３９】
本実施の形態の構成によれば、第２および第３の実施の形態に比べ、ユニットの大きさを保ちつつ、線路（コイル）の長さを長く取れる。そのため、低い共振周波数を得ることができる。
【０１４０】
［第５の実施の形態］
第３の実施の形態や、第４の実施の形態に係るメタマテリアルを作成するためのユニット（メタマテリアルユニット）では、負の透磁率用の共振器は、内部電極を接続するための外部電極を有していた。これに対し、本実施の形態に係る負の透磁率用の共振器では、内部電極を接続するための導電部が、ビアにより実現される。
【０１４１】
第５の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット９００の構造を図２７から図２９に示す。図２７は、ユニット９００の斜視図である。図２８は、ユニット９００の正面図である。図２９は、ユニット９００の側面図である。
【０１４２】
図２７から図２９を参照して、ユニット９００は、最上部電極９１０ａと、第１のビア９１２ａと、第２のビア９１２ｂと、最下部電極９１０ｂと、第１の内部電極９２２と、第２の内部電極９２４ａと、第３の内部電極９２４ｂと、第４の内部電極９３０と、線路９４０と、第３のビア９５０と、第４のビア９６０とを備える。
【０１４３】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂを接続する。
【０１４４】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂの全長は、共振波長の略１／２の長さである。第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、線路９４０の形状は、図示したミアンダ線路に限られず、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１４５】
最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、図２１に示す最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮する機能を発揮する。ただし、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、省略することも可能である。
【０１４６】
なお、第１のビア９１２ａの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）および第２のビア９１２ｂの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）は、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂの有無にかかかわらず、λ／２線路の両端に電荷がたまるように、負の透磁率用の共振器の外部にあることが好ましい。
【０１４７】
第３のビア９５０は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９３０とを接続する。第４のビア９６０は、第３の内部電極９２４ｂと第３の内部電極９３０とを接続する。第２の内部電極９２４ａ、第３のビア９５０、第３の内部電極９２４ｂ、第４のビア９６０、第３の内部電極９３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極９２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１４８】
本実施の形態に係るユニット９００は、外部電極を必要としない。したがって、このユニットは、製造が容易である。外部電極を備えるユニットを作成する場合、通常、外部電極以外の部分を積層形成したあと、外部電極を積層形成した部品に貼り付ける。一方、本実施の形態に係るユニット９００は、積層形成のみで、作成することができる。
【０１４９】
また、ユニット９００は、複数のユニットを並べたメタマテリアルの作成に好適である。外部電極をもつユニット同士が接触してしまうと、一方のユニットの外部電極に流れる電流が、他方のユニットの外部電極にも流れることになり、適切に電磁波の共振が起きなくなる。したがって、ユニット同士を離して配置する、あるいは、外部電極を絶縁体で覆うなどのユニット加工を行なう必要があった。本実施の形態に係るユニット９００は、互いに隣接させて配置できるので、メタマテリアルをさらに小さくできる。また、加工が不要なため、ユニット９００を用いたメタマテリアルの作成は、容易である。
【０１５０】
ユニット９００の作成方法を、図３０を参照して説明しておく。図３０は、第６の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【０１５１】
図３０を参照して、ユニット９００は、複数の層を順次重ねて作成される。図３０には、ユニット９００の主要な構成要素を含む層Ｌ１〜Ｌ６を示している。各層の材料（基板材料）は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。なお、図３０に示しているのは、層Ｌ１〜Ｌ６の一部である。実際には、層Ｌ１〜Ｌ６は、図３０における横方向にさらにのびている。
【０１５２】
層Ｌ１〜Ｌ６には、それぞれ、周期的に配置された複数の（図３０では３×３の）ユニットの構成部品が配置されている。層Ｌ１は、複数の最下部電極９１０ｂを含む。層Ｌ２は、複数の第４の内部電極９３０を含む。層Ｌ３は、複数の線路９４０を含む。層Ｌ４は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの対を複数含む。層Ｌ５は、複数の第１の内部電極９２２を含む。層Ｌ６は、複数の最上部電極９１０ａを含む。
【０１５３】
また、各層のうち、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０に相当する領域には、ビアが形成されている。図２７中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。
【０１５４】
各層を積み重ねて積層体を作った後、積層体を切断して、ユニット９００を作成する。図３０に示す部分からは、９つのユニット９００ができる。なお、積層体を１つ１つのユニット９００にばらすのではなく、いくつかのユニット９００をひとまとまりにして積層体から切り出してもよい。
【０１５５】
なお、本実施の形態では、第３の実施の形態で示したスプリット型共振器の導電部をビアとする構造を示したが、他のタイプの共振器の導電部をビアとすることもできる。例えば、第２の実施の形態で示した多層コンデンサ型共振器の外部電極をビアにしてもよい。
【０１５６】
［第６の実施の形態］
第２、第３、第５の実施の形態に係るメタマテリアルユニットでは、負の誘電率を発現するための線路を、ＬＣ共振器（具体的には、多層コンデンサ型共振器およびスプリット型共振器）の中に形成していた。しかしながら、線路は、必ずしも、ＬＣ共振器の内部になくてもよい。第６の実施の形態では、λ／２線路を、ＬＣ共振器の外部に配置したユニット１０００について説明する。
【０１５７】
第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を図３１に示す。図３１は、第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【０１５８】
図３１を参照して、ユニット１０００は、最上部電極１０１０ａと、第１のビア１０１２と、最下部電極１０１０ｂと、第１の内部電極１０２２と、第２の内部電極１０２４ａと、第３の内部電極１０２４ｂと、第４の内部電極１０３０と、第２のビア１０５０と、第３のビア１０６０とを備える。
【０１５９】
第１のビア１０１２は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂを接続する。第１のビア１０１２の長さは、共振波長の略１／２である。したがって、第１のビア１０１２は、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を発現する。
【０１６０】
なお、本実施の形態では、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂが、直線の第１のビア１０１２で接続されている。しかしながら、図２７に示す構造のように、複数のビアと、水平面内の線路とを組み合わせて、λ／２線路を実現してもよい。ユニットの小型化のためには、この場合の線路は、他の実施の形態で説明したように、ミアンダ線路など屈曲したものであることが好ましい。
【０１６１】
最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂは、第５の実施の形態における最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに共振周波数を短縮する機能を発揮する。
【０１６２】
第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第３の内部電極１０３０、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０２４ｂは、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極１０２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極１０２４ａと第３の内部電極１０２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１６３】
第１の内部電極１０２２、第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０３０は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂに挟まれる空間内に配置される。つまり、本実施の形態に係るユニットでは、負の誘電率を発現する共振器の中に、負の透磁率を発現する共振器が形成されている。
【０１６４】
本実施の形態に係るユニット１０００は、第５の実施の形態に係るユニット９００と同様に、ビアによって、内部電極を接続しているため、容易に作成できる。また、ユニット１０００は、ユニットの表面に電極を有さないため、メタマテリアルの作成に好適である。
【０１６５】
［補足］
メタマテリアルが、ある共振周波数において、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現するための、共振器の位置関係について、まとめておく。ここでは、第５の実施の形態で説明したような、スプリットリング型共振器と、半波長共振器とを組み合わせたメタマテリアル（あるいはメタマテリアルユニット）を例にとって、説明する。
【０１６６】
図３２は、スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。このメタマテリアルは、第５の実施の形態で説明したとおり、負の透磁率と負の誘電率とを同時に発現する。これは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とが重複しないためである。
【０１６７】
電界が集中する領域について図３３を参照して説明する。図３３は、図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。図３３を参照して、半波長共振器１２２０は、第１の最外電極１２２２と、第２の最外電極１２２４と、線路１２２６とを含む。第１の最外電極１２２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１２４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１６８】
図３３には、信号線路２００に電流が流れ、信号線路２００からグランド２２０に向かう電界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、第１の最外電極１２２２には負電荷がたまり、第２の最外電極１２２４には、正電荷がたまる。そして、第１の最外電極１２２２と信号線路２００との間の領域１２３０、ならびに、第２の最外電極１２２４とグランド２２０との間の領域１２４０に大きな電界が発生する。
【０１６９】
つまり、半波長共振により電荷がたまる半波長共振器１２２０の端部と、信号線路２００あるいはグランドとに挟まれる領域が、共振による電界が集中する領域である。なお、ここでは、半波長線路の両端に接続された電極が、半波長共振器１２２０の端部に相当する。しかし、半波長共振器１２２０が電極を含まない場合、半波長線路の両端が半波長共振器１２２０の端部に相当する。
【０１７０】
磁界が集中する領域について図３４を参照して説明する。図３４は、図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。図３４を参照して、スプリットリング型共振器１２１０は、第１の導体１２１２と、第２の導体１２１４とを含む。
【０１７１】
図３４には、信号線路２００に電流が流れ、スプリットリング型共振器１２１０から磁界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、電流とスプリットリング型共振器１２１０がＬＣ共振し、第２の導体１２１４の内部の領域１２５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す、大きな磁界が発生する。発生する磁界は、主に紙面に直交する。
【０１７２】
つまり、ＬＣ共振の生じるループの内部領域が、共振による磁界が集中する領域である。言い換えると、キャパシタンスを形成する電極対と、インダクタンスを形成する導電部とに囲まれた空間が、共振による磁界が集中する領域である。
【０１７３】
図３３と図３４とを比較して、電界が集中する領域（領域１２３０および領域１２４０）と、磁界が集中する領域（領域１２５０）とは互いに離れている。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界は、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響をほぼ及ぼさない。逆もまた同様である。したがって、図３２に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図３２に示す構造をもつメタマテリアルは、誘電率共振により発生する電界が集中する領域とは異なる領域に、透磁率共振により発生する磁界が集中する。
【０１７４】
比較のため、スプリットリング型共振器と、半波長共振器との位置関係を変更したメタマテリアルについて、図３５から図３７を参照して説明する。
【０１７５】
図３５は、図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【０１７６】
図３５に示すメタマテリアルは、スプリットリング型共振器１３１０および半波長共振器１３２０を備える。スプリットリング型の共振器１３１０は、第１の導体１３１２および第２の導体１３１４を含む。半波長共振器１３２０は、全体が、第２の導体１３１４の中に配置されている。
【０１７７】
このメタマテリアルでは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とに重なりがある。そのため、負の透磁率と負の誘電率とを同時に安定に発現することがやや難しくなる。
【０１７８】
電界が集中する領域を図３６に示す。図３６は、図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。図３６を参照して、半波長共振器１３２０は、第１の最外電極１３２２と、第２の最外電極１３２４と、線路１３２６とを含む。第１の最外電極１３２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１３４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１７９】
負の誘電率の発生時には、第１の最外電極１３２２と信号線路２００との間の領域１３３０、ならびに、第２の最外電極１３２４とグランド２２０との間の領域１３４０に大きな電界が発生する。
【０１８０】
磁界が集中する領域について図３７を参照して説明する。図３７は、図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。負の透磁率の発現時には、第２の導体１３１４の内部の領域１３５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す方向の大きな磁界が発生する。
【０１８１】
図３６と図３７とを比較して、電界が集中する領域（領域１３３０および領域１３４０）の一部と、磁界が集中する領域（領域１３５０）の一部とは重複する。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界が、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響を及ぼす。逆もまた同様である。したがって、図３５に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することがやや難しくなる。
【０１８２】
なお、以上の説明は、他の種類の共振器をもつメタマテリアルにもあてはまる。例えば、スプリット型共振器を多層コンデンサ型共振器に替えたメタマテリアルについても、以上の説明はあてはまる。
【０１８３】
ただし、多層コンデンサ型共振器を用いる場合には、第１の実施の形態や第２の実施の形態で説明したように、同極性の電荷が、不干渉であることが好ましい。つまり、同極性の電荷が、互いの発現に影響しない程度に離れて発生するように、共振器が構成されていることが好ましい。具体的には、静電容量を形成する複数の電極のうち、最も外部にある２つの最外電極の極性が逆であることが好ましい。
【０１８４】
［第７の実施の形態］
第１の実施の形態から第６の実施の形態までにおいては、メタマテリアル単体について説明した。第７の実施の形態では、メタマテリアルを用いた電気部品である方向性結合器２１００について説明する。
【０１８５】
第７の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器２１００の構造を図３８から図４１に示す。図３８は、方向性結合器２１００の斜視図である。図３９は、方向性結合器２１００の正面図である。図４０は、方向性結合器２１００の側面図である。図４１は、方向性結合器２１００の平面図である。
【０１８６】
図３８から図４１を参照して、方向性結合器２１００は、第１の伝送線路２１８０と、第２の伝送線路２１９０と、メタマテリアル部分とを含む。第１の伝送線路２１８０は、第１の伝送線路２１８０ａ，ｂ，ｃが順に電気的に接続されて構成される。第２の伝送線路２１９０は、第２の伝送線路２１９０ａ，ｂ，ｃが順に電気的に接続されて構成される。
【０１８７】
第１の伝送線路２１８０ｂおよび第２の伝送線路２１９０ｂは、方向性結合器２１００の基板への取付面に対するメタマテリアル部分を挟んだ反対側の面（メタマテリアル部分に対してｚ軸正方向の面、本実施の形態においては便宜的に「メタマテリアル上面」という）に、並行するように配置される。
【０１８８】
第１の伝送線路２１８０ａは、方向性結合器２１００を基板へ取付けるときに、方向性結合器２１００へ入力電流を入力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してｙ軸負方向の側面に配置される。
【０１８９】
第１の伝送線路２１９０ｃは、方向性結合器２１００を基板へ取付けるときに、方向性結合器２１００から通過電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してｙ軸正方向の側面に配置される。
【０１９０】
これにより、入力電流を入力するための基板上の線路から入力された入力電流は、第１の伝送線路２１８０ａ、第１の伝送線路２１８０ｂ、第１の伝送線路２１８０ｃの順に、方向性結合器２１００を通過し、通過電流を出力するための基板上の線路へ出力される。
【０１９１】
第２の伝送線路２１９０ａは、方向性結合器２１００を基板へ取付けるときに、方向性結合器２１００からバックワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してｙ軸負方向の側面に、第１の伝送線路２１８０ａと並行して配置される。
【０１９２】
第２の伝送線路２１８０ｃは、方向性結合器２１００を基板へ取付けるときに、方向性結合器２１００からフォワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してｙ軸正方向の側面に、第１の伝送線路２１８０ｃと並行して配置される。
【０１９３】
これにより、バックワード結合の出力電流は、第２の伝送線路２１９０ｂ、第２の伝送線路２１９０ａの順に、バックワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路へ出力される。フォワード結合の出力電流は、第２の伝送線路２１９０ｂ、第２の伝送線路２１９０ｃの順に、フォワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路へ出力される。
【０１９４】
メタマテリアル部分は、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルのユニット９００の構造と基本的に同様である。メタマテリアル部分は、最上部電極２１１０ａと、第１のビア２１１２ａと、第２のビア２１１２ｂと、最下部電極２１１０ｂと、第１の内部電極２１２２と、第２の内部電極２１２４ａと、第３の内部電極２１２４ｂと、第４の内部電極２１３０と、線路２１４０と、第３のビア２１５０と、第４のビア２１６０とを備え、それぞれの機能および構造は、第５の実施の形態のメタマテリアルのユニット９００の、最上部電極９１０ａ、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、最下部電極９１０ｂ、第１の内部電極９２２、第２の内部電極９２４ａ、第３の内部電極９２４ｂ、第４の内部電極９３０、線路９４０、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０と同様である。
【０１９５】
最上部電極２１１０ａ、第１のビア２１１２ａ、線路２１４０、第２のビア２１１２ｂ、および、最下部電極２１１０ｂの順に電気的に接続される構造は、半波長共振器を構成する。
【０１９６】
第１の内部電極２１２２、第２の内部電極２１２４ａ、第３のビア２１５０、第４の内部電極２１３０、第４のビア２１６０、第３の内部電極２１２４ａ、および、第１の内部電極２１２２の順で一巡するように構成されるＬＣ共振回路と等価な構造は、ＬＣ共振器を構成する。
【０１９７】
なお、第１の伝送線路２１８０、第２の伝送線路２１９０、および、メタマテリアル部分は、それぞれ互いに、電気的には接触していない。
【０１９８】
前述のメタマテリアル上面の第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０は、それぞれの伝送線路の外側どうしの間の幅が、半波長共振器の最上部電極２１１０ａに略平行なメタマテリアル上面にｚ軸負方向から投影したときの最上部電極２１１０ａのｘ軸方向の幅よりも狭くなるように配置される。
【０１９９】
第１の伝送線路２１８０とメタマテリアル部分との位置関係は、第１の伝送線路２１８０ｂを流れる電流による電磁界のメタマテリアルの共振波長と略同じ波長の成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すように定められる。
【０２００】
第２の伝送線路２１９０とメタマテリアル部分との位置関係は、メタマテリアル部分によって発現される負の誘電率および負の透磁率が第２の伝送線路２１９０ｂに電磁気的な影響を与えるように定められる。
【０２０１】
第１の伝送線路２１８０とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器の第１のビア２１１２ａ、線路２１４０、および、第２のビア２１１２ｂで構成されるλ／２線路の両端それぞれの、第１の伝送線路２１８０ｂからの距離が異なるように定められる。
【０２０２】
第２の伝送線路２１９０とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器のλ／２線路の両端それぞれの、第２の伝送線路２１９０ｂからの距離が異なるように定められる。
【０２０３】
第１の伝送線路２１８０の方向は、第１の伝送線路２１８０ｂを流れる電流により生じる磁界の磁力線が、ＬＣ共振器と等価なＬＣ共振回路を貫通するように定められる。
【０２０４】
第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０と、メタマテリアル部分の位置関係は、λ／２線路の前述のメタマテリアル上面の側の端が、ＬＣ共振器のメタマテリアル上面の側の最外電極である第１の内部電極２１２２と、第１の伝送線路２１８０ｂおよび第２の伝送線路２１９０ｂが配置されるメタマテリアル上面との間となるように定められる。
【０２０５】
第１の伝送線路２１８０とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器のλ／２線路の両端における電位が、第１の伝送線路２１８０ｂに流れる電流より生じる電界に基づき、異なる電位となるように定められる。
【０２０６】
第１の伝送線路２１８０とメタマテリアル部分との位置関係は、ＬＣ共振器が第１の伝送線路２１８０ｂを流れる電流により生じる磁界と磁気結合するように定められる。
【０２０７】
第１の伝送線路２１８０とメタマテリアル部分との位置関係は、ＬＣ共振器の第１の内部電極２１２２、第２の内部電極２１２４ａ、第３の内部電極２１２４ｂ、および、第４の内部電極２１３０で形成されるＬＣ共振回路面が、第１の伝送線路２１８０ｂに流れる電流により生じる電界方向と略平行になるように定められる。
【０２０８】
本実施の形態においては、第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０は、メタマテリアル上面だけでなく、基板上の線路と電気的に接続可能なように、側面上に基板と接する箇所まで延長される。しかし、これに限定されず、メタマテリアル上面側が取付面である場合は、第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０を側面まで延長する必要はない。
【０２０９】
また、製造方法については、図３０で説明した製造方法でメタマテリアル部分を製造した後、第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０をメタマテリアル部分の表面に形成し、さらに、第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０と基板上の線路との接続部分以外を遮蔽するように絶縁体などで表面を覆うことで、製造することができる。
【０２１０】
方向性結合器は、偶モードと奇モードのインピーダンスの差によってバックワード結合をする。通常の方向性結合器の結合線路ではこの差に限界があるため、結合が大きくならない。
【０２１１】
しかし、左手系メタマテリアルを用いることによって、インピーダンスが虚数となるため大きな差にすることができるため、小型で強結合の方向性結合器を実現することができる。
【０２１２】
また、左手系を実現するためには、ＨＰＦ構造の回路型と共振型とがあり、どちらでもインピーダンスを虚数にできるという点では同じなので、強結合の方向性結合器は実現することができる。ただし、共振型の方が小型化しやすいというメリットがあるため、ＨＰＦ構造の回路型よりも小型の方向性結合器を実現することが可能である。
【０２１３】
なお、図３８から図４１までには、第１の伝送線路２１８０、および、第２の伝送線路２１９０が、説明の便宜上、外部に露出しているように描かれているが、実際は、基板に取付ける際に基板上の線路と接続される一部分以外は、外部と電気的に絶縁体で遮蔽される。
【０２１４】
また、方向性結合器２１００を取付ける実装基板の取付面には、グランド線路が設けられることが好ましい。
【０２１５】
また、本実施の形態においては、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルのユニット９００と基本的に同様の構造のものをメタマテリアル部分に用いることとして説明した。しかし、これに限定されず、他の実施の形態で説明した他の構造のメタマテリアルを用いてもよい。
【０２１６】
また、本実施の形態においては、メタマテリアル部分を１つのメタマテリアルのユニットで構成されることとしたが、共振波長が同じであったり異なったりする複数のメタマテリアルのユニットで構成されるようにしてもよい。
【０２１７】
また、本実施の形態においては、第２の伝送線路２１９０は１本であることとした。しかし、これに限定されず、２本以上であってもよい。
【０２１８】
また、本実施の形態においては、メタマテリアルを用いた電気部品が、方向性結合器であることとした。しかし、この方向性結合器は、結合が０ｄＢに近くなるため、メタマテリアルを用いた電気部品が、ダイプレクサであることとしてもよい。つまり、ダイプレクサとして用いる場合、第１の伝送線路２１８０に入った電流のうち、共振波長に対応する周波数成分の電流を第２の伝送線路２１９０の一方端に出力することができ、残りの周波数成分の電流を第１の伝送線路２１８０の他端から出力することができる。
【０２１９】
［第８の実施の形態］
第７の実施の形態においては、伝送線路も含むメタマテリアルを用いた方向性結合器２１００について説明した。第８の実施の形態においては、伝送線路を含まないメタマテリアルを用いた方向性結合器２２００について説明する。
【０２２０】
第８の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器２２００の構造を図４２に示す。図４２は、方向性結合器２２００の斜視図である。
【０２２１】
図４２を参照して、方向性結合器２２００は、メタマテリアル部分と、グランド面２２０１とを含む。グランド面２２０１は、グランド面２２０１ａ，ｂ，ｃが順に電気的に接続されて構成される。
【０２２２】
本実施の形態の方向性結合器２２００のメタマテリアル部分は、第７の実施の形態で説明した方向性結合器２１００のメタマテリアル部分と同様であるので、重複する説明は繰返さない。
【０２２３】
グランド面２２０１ｂは、方向性結合器２２００の基板２３００への取付面に対するメタマテリアル部分を挟んだ反対側の面（本実施の形態においては便宜的に「メタマテリアル上面」という）に形成される。
【０２２４】
グランド面２２０１ａ，ｃは、方向性結合器２２００を基板へ取付けるときに、基板上のグランド線路２３０１と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分のＬＣ共振器と等価なＬＣ共振回路に平行な側面に配置される。
【０２２５】
方向性結合器２２００を取付ける基板２３００には、方向性結合器２２００のグランド面２２０１ａ，ｃのいずれかを接続可能なようにグランド線路２３０１が設けられるようにするとともに、第７の実施の形態における方向性結合器２１００のメタマテリアル部分と第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０との位置関係と同様の位置関係になるように、本実施の形態の方向性結合器２２００のメタマテリアル部分と基板２３００上の第１の伝送線路２３８０および第２の伝送線路２３９０との位置関係が定まるように、第１の伝送線路２３８０および第２の伝送線路２３９０が設けられるようにする必要がある。
【０２２６】
なお、基板２３００の方向性結合器２２００の取付部の裏側には、基板上の伝送線路との結合を抑制するために、グランド部を設けないようにすることが好ましい。
【０２２７】
［第９の実施の形態］
第７および第８の実施の形態においては、電気部品として構成される方向性結合器２１００，２２００について説明した。第９の実施の形態においては、電気回路の部分構造として構成される方向性結合器部について説明する。
【０２２８】
第９の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板の構造を図４３に示す。図４３は、複層基板の方向性結合器部の斜視図である。
【０２２９】
図４３を参照して、方向性結合器部は、第１の伝送線路２５８０と、第２の伝送線路２５９０と、メタマテリアル部分２４００とを含む。
【０２３０】
本実施の形態の方向性結合器部のメタマテリアル部分２４００は、第７の実施の形態で説明した方向性結合器２１００のメタマテリアル部分と同様であるので、重複する説明は繰返さない。
【０２３１】
メタマテリアル部分２４００は、複層基板のうちの第１層基板２５０１の内部に設けられる。第１の伝送線路２５８０および第２の伝送線路２５９０は、第１層基板２５０１の表面に設けられる。第２層基板２５０２は、第１の伝送線路２５８０および第２の伝送線路２５９０を覆うように設けられる。
【０２３２】
第１の伝送線路２５８０および第２の伝送線路２５９０と、メタマテリアル部分２４００との位置関係は、第７の実施の形態における第１の伝送線路２１８０および第２の伝送線路２１９０と、メタマテリアル部分との位置関係と同様の位置関係になるように設けられる。
【０２３３】
本実施の形態の方向性結合器部の特性を測定するために、メタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板を試作した。そのメタマテリアル部分のサイズは、図３８から図４１までに記載した座標軸を用いて、ｘ軸方向、２．０ｍｍ、ｙ軸方向に、２．４ｍｍ、ｚ軸方向に、１．８ｍｍである。
【０２３４】
また、メタマテリアル部分の電極、ビアおよび線路以外の部分は、電極、ビアおよび線路を固定するために誘電体で占められており、誘電体の誘電率ε＝９である。複層基板のサイズは、５ｍｍ四方で、誘電率ε＝４である。
【０２３５】
なお、測定においては、図４５のポート（１）から数ＧＨｚの高周波の入力電流を入力し、ポート（２）から通過電流が出力され、ポート（３）からバックワード結合の出力電流が出力され、ポート（４）からフォワード結合の出力電流が出力される。
【０２３６】
図４４は、メタマテリアルを用いた方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。図４４を参照して、ポート（１）からポート（４）へのフォワード結合が、３ＧＨｚ付近で、−２ｄＢと強く現れていることが分かる。
【０２３７】
図４５は、比較測定に用いる複層基板の方向性結合器部の斜視図である。図４５を参照して、比較測定に用いるメタマテリアルを用いていない方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板は、図４３で説明したメタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板におけるメタマテリアル部分２４００を、誘電率ε＝９の誘電体のみで構成される誘電体部２６００で置換えたものである。
【０２３８】
第１の伝送線路２７８０、第２の伝送線路２７９０、第１層基板２７０１、および、第２層基板２７０２は、それぞれ、図４３で説明した第１の伝送線路２５８０、第２の伝送線路２５９０、第１層基板２５０１、および、第２層基板２５０２と同様である。
【０２３９】
図４６は、メタマテリアルを用いていない方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。図４６を参照して、この場合、結合線路の長さが２．４ｍｍであるので、空気中では、λ／４＝２．４ｍｍの波長λに対応する周波数１２ＧＨｚで結合するが、誘電体中であるので、結合は、６ＧＨｚ付近に現れているが、その減衰量は、−１５ｄＢ程度と、メタマテリアルを用いた方向性結合器部と比較して低くなっている。
【０２４０】
このように、第７の実施の形態から第９の実施の形態までで説明したメタマテリアルを用いた電気部品である方向性結合器は、０ｄＢに近いカプラとなるため、方向性結合器に限らず、別の電気部品であるダイプレクサとして使用することができる。たとえば、図４５のポート（１）から入った信号を、３ＧＨｚの成分は、ポート（４）に、それ以外の成分は、ポート（２）に分離することができる。
【０２４１】
また、複数の周波数成分をそれぞれ分離可能なメタマテリアルを用いたダイプレクサを複数組合せて、たとえば、携帯電話に搭載することによって、通信用の周波数信号とＧＰＳ（Global  Positioning  System）用の周波数信号を分離することに用いることができる。
【０２４２】
［その他］
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０２４３】
２  外部電極、３  外部電極、４  内部電極、４ａ  電極、４ｂ  電極、５  内部電極、５ａ  電極、５ｂ  電極、６  スペーサ、１０  外装部、１００  コイル型共振器、１１０  中心軸、２００  信号線路、２２０  グランド、３００  コンデンサ型共振器、６００  ユニット、６１０ａ  最上部電極、６１０ｂ  最下部電極、６２２，６２４，６３２，６３４  内部電極、６４０  線路、６５０，６６０  外部電極、７００  ユニット、７１０ａ  最上部電極、７１０ｂ  最下部電極、７２２，７２４ａ，７２４ｂ，７３０  内部電極、７４０  線路、７５０，７６０  外部電極、８００  ユニット、８１０  コイル状導体、８２２，８２４，８３２，８３４  電極、８４２，８４４  ビア、２１００，２２００  方向性結合器、２１１０ａ  最上部電極、２１１０ｂ  最下部電極、２１１２ａ  第１のビア、２１１２ｂ  第２のビア、２１２２  第１の内部電極、２１２４ａ  第２の内部電極、２１２４ｂ  第３の内部電極、２１３０  第４の内部電極、２１４０  線路、２１５０  第３のビア、２１６０  第４のビア、２１８０，２３８０，２５８０，２７８０  第１の伝送線路、２１９０，２３９０，２５９０，２７９０  第２の伝送線路、２２０１  グランド面、２３００  基板、２３０１  グランド線路、２４００  メタマテリアル部分、２５０１，２７０１  第１層基板、２５０２，２７０２  第２層基板、２６００  誘電体部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【国際調査報告】
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