(57)【要約】      （修正有）【課題】誘電体基板を２次元通信の伝送媒体に選び、ワイヤレス給電と２次元通信を両立させ、その誘電体基板表面にＴＭ表面波を励振および検出させる指向性センサで、床面／壁面などでの２次元通信を行うシステムを提供する。【解決手段】１１の接地板に対して誘電体層を介して、５，６，７，８，９の低周波給電用電極を構成する。各電極間は０．５ｍｍのスリットで隔てられている。５，７，９に低周波電圧が印加される。１０の極薄（約３００μｍ）誘電体基板を介して、１，２，３，４のワイヤレス給電用ピックアップ電極を配置する。これらのピックアップ電極に１０の極薄誘電体基板を介して、静電結合で５，６，７，８，９の低周波給電用電極から給電されることになる。ピックアップ電極はスリット方向に移動しつつ、給電を受けることが可能である。【選択図】図１
2011087266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体板裏打ち極薄（５００μｍ以下）誘電体基板の表面にマイクロ波ＴＭ表面波をトラップさせて伝送することにより、低周波ワイヤレス給電との両立を可能とすることを特徴とする床面／壁面２次元通信システム。
【請求項２】
前記表面波を極薄誘電体基板表面に励振する送信／受信センサに指向性を持たせるために用いるテーパー形状マイクロストリップラインにおいて、マイクロ波表面波を効率よく励振させるため、中心導体上面に高誘電体を配した構造の指向性センサを用いることを特徴とする請求項１記載の床面／壁面２次元通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、ワイヤレス給電を可能とする床面や壁面などの２次元平面を伝送媒体に用いた電磁波通信システムにおける、電磁波の励振と検出に係る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  放送波のデジタル化に伴うテレビジョンの多チャンネル化、ＩＴ技術に支えられたマルチメディア等、家庭やオフィスには数多くのテレビジョン端末やＰＣが溢れている。  これ等の情報家電製品を何らかの家庭内ネットワークに接続することが望まれている。  さらに、空調機器や風呂や施錠システム等の、従来は情報家電製品とは無縁の一般的な家電製品を同じネットワークに接続することができれば、ネットワーク対応テレビは言うにおよばず、ネットワーク対応風呂沸かし、ネットワーク対応エアコン、ネットワーク対応ドア等が実現し家庭内等での利便性は飛躍的に向上する。【０００３】  しかしながら、これ等の数多くの機器間の通信を効率的に行うためには、（１）  従来通りの複数の同軸ケーブルによる接続、（２）  電灯線搬送を利用、（３）  小電力無線伝送を利用、（４）  赤外線伝送を利用、等が考えられるが、（１）はケーブル輻輳の問題があり、（２）と（４）は伝送帯域が１０ＭｂｐＳ以下で家庭内ネットワークの要件を全て満足できるものとは言えない、（３）は２．４ＧＨｚ、５ＧＨｚ、１９ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、６０ＧＨｚ帯で検討が進んでいる。これらの電波を用いた無線ＬＡＮ技術利用の家庭内ネットワークへの導入が考えられるが、電波漏洩の問題と異なる部屋間の通信の問題が解決されていない。【０００４】  最近、これらの問題に応えるため、床面を誘電体基板で構成した２次元平面伝送路とした通信システムの提案がなされている。［非特許文献１］  しかしながら、誘電体基板端面での電磁波の反射の問題や大きな伝送損失の問題などが課題として残されており、安定な２次元通信技術は確立できていない。【０００５】  また、将来の家庭やオフィスには支援型インテリジェント歩行ロボットの出現も想定しておく必要がある。このような場合、ロボットへの給電は床面などからシームレスに直接行われることが望まれる。即ち、ワイヤレスな給電が望まれている。このようなワイヤレス給電を可能とする２次元平面を用いた２次元通信システムを開発する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】  特願２００９−１８５２１０「床面／壁面２次元通信システム」；内海要三、（出願  平成２１年７月１６日）。
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】  「表面マイクロ波を使った信号と電力の同時伝送」；板井裕人、張兵、篠田裕之、信学技報ＵＳＮ２００７−２１、ＰＰ．１１５−１１８、２００７年５月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  先行技術文献である非特許文献１では、直流給電と２次元通信の両立のた、導体板裏打ち誘電体基板の誘電体表面に、メッシュ状の導体薄板を設置し、その導体薄板に接するように、無指向性の送信／受信センサを配置して２次元通信を行っている。そのため、メッシュ状の導体薄板の導体損に基づく伝送損失の増加と基板端面などでの反射による位相特性の劣化が課題となった。【０００９】  メッシュ状の導体薄板の導体損を除くことや構造の簡略化を図るため、静電結合を用いた低周波（約１ＭＨｚ）給電などにより、メッシュ状の導体薄板そのものを取り除き、誘電体層表面に直接送信／受信センサを配置して２次元通信を行う方法が考えられる。しかし、適度な静電結合強度を得るためには、誘電体層の厚さは極薄（約３００μｍ）であることが求められる。しかしながら、導体板裏打ち極薄誘電体基板の誘電体表面にマイクロ波表面波をトラップするのはきわめて困難になる。従って、導体板裏打ち極薄誘電体基板の誘電体表面にマイクロ波表面波を効率よく励振、トラップさせ、反射特性の良い送信／受信指向性センサの開発が、解決しようとする課題となる。
【課題を解決するための手段１】
【００１０】  図１に示すようなワイヤレス給電機能付の床面／壁面構造の一例において、ＴＭ表面波を用いた２次元通信を可能とする仕組みを開発する。
１１の接地板に対して誘電体層を介して、５，６，７，８，９の低周用給電用電極を構成する。各電極間は０．５ｍｍのスリットで隔てられている。５，７，９に低周波電圧が印加される。１０の極薄（約３００μｍ）誘電体薄板を介して、１，２，３，４のワイヤレス給電用ピックアップ電極を配置する。これらのピックアップ電極に１０の極薄誘電体基板を介して、静電結合で５，６，７，８，９の低周波給電用電極から給電されることになる。ピックアップ電極はスリット方向に移動しつつ、給電を受けることが可能である。
【００１１】  例えば、１のピックアップ電極に図３に示す送信用指向性センサを接続し、４のピックアップ電極に受信用指向性センサを接続して、図４に示すような位置関係で送受信を行うことができる。ただし、図１の１、４の２つのピックアップ電極間の伝送では、図に示したように２つのスロット越しの伝送になる。
【００１２】  本開発の最大の課題は、図１の構造において最上層の導体板裏打ち誘電体基板の厚さが、ワイヤレス給電を可能とさせるための静電容量による結合（Ｃ結合）を低周波（約１ＭＨｚ）で実現させるため、きわめて薄く約３００μｍとする必要があることである。
【００１３】  図２に示すように導体板裏打ち誘電体基板（厚さｔ）の誘電体表面から指数関数的に減衰するエバネセント波にエネルギーがトラップされて伝搬する。この誘電体表面にトラップされて伝送されるＴＭ表面波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅ）を、送信センサを用い誘電体表面上に励振し、受信センサで検出する床面や壁面等を用いた２次元通信システムを開発する。ここで、送信／受信センサに指向性を持たせることにより、ＳパラメータのＳ２１（伝送特性）の増加とＳ１１（反射特性）の減少を図る。
【００１４】  送信／受信センサは誘電体表面でＴＭ表面波を励振、検出することが可能なので、センサを移動するとき基板表面を滑らす形で通信が可能となり、アクセスポイントを自由に選べ、柔軟なネットワークを構成することができる。  また、各センサが指向性を有するため、電波の伝搬方向をある程度絞れるので、マルチパス対策として用いる基板端面に装荷する誘電損失角の大きな吸収体は必要がない。
また、送信センサで励振された電波は効率よく受信センサに到達し、良好な位相特性を保ったまま伝送損失も軽減できる。
【００１５】  図３に示したテーパー形状のマイクロストリップラインタイプ指向性センサを、図４に示す導体板裏打ち誘電体基板の表面に、対向して設置する。図４に送信センサと受信センサの位置関係を示す。図３、図４の構成で電磁界シミュレーションを行った。図３においてテーパー型導体板は厚さｈの誘電体上に設置されている。上記形状のマイクロストリップライン用中心導体と導体板裏打ち誘電体基板で構成される伝送線路の特性インピーダンスを、それぞれ図に示すように、Ｚ１，Ｚ２とする。
【００１６】  図３において比較的指向性が確保でき、大きな伝送特性Ｓ２１が得られるインピーダンスの組み合わせとして、Ｚ１＝２００Ω，Ｚ１＝１００Ωを選んだ。ここで、Ｚ１＝５０Ω、Ｚ２＝２０Ωなどの組み合わせでは、テーパー線路の横幅が大きくなりすぎて十分な指向性が得られない。ただし、誘電体基板の比誘電率は２にしている。
【００１７】  図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄにテーパー形状のマイクロストリップラインタイプ指向性センサで励振した場合の誘電体基板表面上の電界分布と、基板中央における基板断面の電界分布を示す。断面での表示は、空気層を含め接地導体表面から約２ｃｍの範囲を示している。ただし、導体板裏打ち誘電体基板の比誘電率は２で、センサ上部の誘電体の比誘電率は１である。また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、誘電体基板層厚ｔがそれぞれ３００μｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍの場合を示している。
層厚が厚い場合は、明らかに指向性の効果を確認できるが、極薄ｔ＝３００μｍの場合は、ほとんど指向性は無くなっている。ただし、送受信センサ間の距離は、低インピーダンス側の端面が対向する距離として２０ｃｍとした。
【００１８】  図６に伝送特性Ｓ２１を、図７に位相特性を示す。ただし、対向する送信／受信センサ間の距離は２０ｃｍで、誘電体基板の比誘電率は２としている。
Ｓ２１は層厚５ｍｍの場合に比べて３００μｍの場合は、Ｓ２１がそれぞれ最大になる１２ＧＨｚ帯で３０ｄＢ以上劣化している。このことは、誘電体層厚が極薄になればＴＭ表面波が極端にトラップされ難くなることを示している。位相特性も層厚が小さい場合は反射の影響で劣化し、リニアな位相特性が崩れている。ただし、誘電体層厚が５ｍｍを超えるとＳ２１は劣化し、最適な厚みがあることが分かる。
【００１９】  図５〜７に示した結果より、低周波給電と両立させるための誘電体基板厚の条件であるｔ＝３００μｍは、ＴＭ表面波の伝送には大きな伝送損失と反射特性の劣化を伴うことが分かった。
【００２０】  そこで、導体板裏打ち極薄誘電体基板に効率よくＴＭ表面波を励振するためのマイクロストリップラインセンサの構造として、図３に示すセンサの形状をＺ１＝１２０Ω、Ｚ２＝４０Ωに選び、さらに上部に高誘電率（比誘電率＝９．８）の誘電体を設置した。その誘電体の基板厚ｈをパラメータとする。
【００２１】  ワイヤレス給電と２次元通信を両立させるためには、図１に示す低周波給電用電極上の極薄誘電体基板表面にＴＭ表面波を励振する必要がある。極薄誘電体基板に効率よくＴＭ表面波を励振するためのマイクロストリップラインセンサの構造は、図３に示すマイクロストリップラインテーパー型送受信センサを導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上に設置し、センサ上部に高誘電率（比誘電率＝９．８）の誘電体を配置するものとする。センサ上部の誘電体の厚さｈをパラメタにした（５００μｍ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）場合の極薄誘電体基板表面上と基板断面でのＴＭ表面波電界分布を、それぞれ図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄに示している。ｈ＝３ｍｍ、５ｍｍの場合、指向性が確認できる。ただし、導体板裏打ち極薄誘電体基板の比誘電率＝２．０、基板厚＝３００μｍとしている。
【００２２】  ｈをパラメータとして、図９に伝送特性、図１０に位相特性を示した。その結果誘電体基板厚ｔ＝３００μｍ、比誘電率２の場合、センサ上部の高誘電体（比誘電率＝９．８）の誘電体厚をｈ＝３ｍｍにすると、図９と図６のｔ＝３００μｍの場合において、それぞれの最良値を比較すると伝送特性Ｓ２１が約１５ｄＢ改善された。また、ｈ＝３ｍｍの場合は伝送帯域である９ＧＨｚ付近では、反射の影響は小さくリニアな位相特性が得られている。
【００２３】  低周波ワイヤレス給電と両立させるためには、図１に示す０．５ｍｍのスリットを横断する形での、ＴＭ表面波の導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上での伝送がもとめられる。図３の送受信センサにおいて、センサ上部の高誘電体（比誘電率＝９．８）の厚さを３ｍｍにした場合で、図１に示す０．５ｍｍのスリットを垂直に１回横断する形での伝送の場合の電磁界シミュレーションを行った。図１１にスリット横断伝送のＴＭ表面波の電界分布、図１２に伝送特性、図１３に位相特性を示した。７〜１２ＧＨｚ帯では、スリットの影響は軽微であることが分かった。
【００２４】  ワイヤレス給電と２次元通信を両立するための課題を解決するためには、一例として示したワイヤレス給電を可能とする図１のような基板構造において、基板表面に設置する極薄誘電体層（約３００μｍ）にＴＭ表面波をトラップして伝送、通信を行うことになる。
特に極薄誘電体表面にＴＭ表面波をトラップして伝送するための課題を解決する手段として、図３に示すマイクロストリップライン型テーパーの上部に厚さ３ｍｍの高誘電率（比誘電率＝９．８）の誘電体を設置することを特徴とする送信／受信センサを用いればよいことを示した。
【発明の効果】
【００２５】  解決手段に示した方法により、ワイヤレス給電を可能とする極薄誘電体層を表面に設置した床面などを利用した２次元通信システムにおいて、極薄誘電体表面に効率よくＴＭ表面波を励振、トラップさせることが可能な送受信指向性センサの開発により、誘電体基板端面などにおける反射に基づくマルチパスの影響や、反射を除去するために装荷する電波吸収体に起因する伝送損失の増加を、大幅に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】  ：「ワイヤレス給電機能付床面／壁面構造の一例」
【図２】  ：「導体板裏打ち誘電体表面にトラップされて伝搬するＴＭ表面波」
【図３】  ：「テーパー形状マイクロストリップライン指向性センサの構造」
【図４】  ：「送信／受信指向性センサと導体板裏打ち誘電体基板の位置関係」
【図５Ａ】  ：「テーパー形状マイクロストリップラインタイプ指向性センサで励振した場合の導体板裏打ち誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、層厚ｔ＝３００μｍの場合」
【図５Ｂ】  ：「テーパー形状マイクロストリップラインタイプ指向性センサで励振した場合の導体板裏打ち誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、層厚ｔ＝１ｍｍの場合」
【図５Ｃ】  ：「テーパー形状マイクロストリップラインタイプ指向性センサで励振した場合の導体板裏打ち誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、層厚ｔ＝５ｍｍの場合」
【図５Ｄ】  ：「テーパー形状マイクロストリップラインタイプ指向性センサで励振した場合の導体板裏打ち誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、層厚ｔ＝８ｍｍの場合」
【図６】  ：「図３、図４の構造の伝送特性Ｓ２１」
【図７】  ：「図３、図４の構造の位相特性」
【図８Ａ】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、センサ上部誘電体層厚ｈ＝０．５ｍｍの場合」
【図８Ｂ】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、センサ上部誘電体層厚ｈ＝１ｍｍの場合」
【図８Ｃ】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、センサ上部誘電体層厚ｈ＝３ｍｍの場合」
【図８Ｄ】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波電界分布、センサ上部誘電体層厚ｈ＝５ｍｍの場合」
【図９】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波伝送特性Ｓ２１」
【図１０】  ：「導体板裏打ち極薄誘電体基板表面上のＴＭ表面波伝送の位相特性」
【図１１】  ：「極薄誘電体基板表面上で、図１に示すスリットを横断して伝送する場合の、ＴＭ表面波電界分布」
【図１２】  ：「極薄誘電体基板表面上で、図１に示すスリットを横断して伝送する場合の、ＴＭ表面波伝送特性Ｓ２１」
【図１３】  ：「極薄誘電体基板表面上で、図１に示すスリットを横断して伝送する場合の、ＴＭ表面波位相特性」
【発明を実施するための形態】
【００２４】  図３、図４に示した構造の送信／受信指向性センサを、図１に示すような低周波ワイヤレス給電が可能な２次元空間の任意の点に配置し、図２に示すＴＭ表面波を、図１に示す極薄誘電体基板上に励振し、床面／壁面２次元通信を行う。
【実施形態の効果】
【００２５】  ここに示した指向性センサの実施例を用い、床面などを用いた２次元通信で問題になる基板端面での反射の影響を大幅に軽減し、伝送損失を逓減することができる。また、低周波でのワイヤレス給電と両立する２次元通信システムを実現できるので、床面などを移動する支援型インテリジェント歩行ロボットなどに電力を供給しながら通信行うことができる。
【他の実施形態】
【符号の説明】
【００２６】ＴＭ表面波  ：  ＴＭ波は、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗａｖｅのことで、波の進行方向の電界成分を持たない電磁波で、カットオフ周波数をもち、直流を含む低周波は伝搬しない。表面波は誘電体などの表面にトラップされて伝搬する波で、表面から離れるに従って指数関数的に減衰する電磁波である。今回の特許で用いている電磁波である。
2011087266.tif 000003
る波動を意味する。本提案では、誘電体基板表面から垂直方向に基板から離れるにしたがって指数関数的に減衰する。
Ｓ２１  ：  ポート１から２への伝送特性を表わすＳパラメーター。
Ｓ１１  ：  ポート１での反射特性を表わすＳパラメーター。
テーパー形状  ：  インピーダンスを徐々に変化させ（線幅を変化）電磁波を反射少なくスムーズに伝送させる形状。
指向性センサ  ：  電磁波をある方向に大きな感度で、励振／検出するセンサ
無指向性センサ  ：  電磁波を全方位同じ感度で、励振／検出するセンサ
マイクロストリップライン  ：  マイクロ波、ミリ波帯で用いられる伝送線路で、中心導体と接地板で誘電体基板を挟んだ構造になっている。
マルチパス  ：  電波伝搬において、反射などの影響を受け、希望とする電波以外に複数の経路を介しての電波を受信することにより受信品質を劣化させる。本提案の床面や壁面等の２次元通信システムでも、基板端面などでの反射がマルチパスとなり、受信品質を劣化させる。
ワイヤレス給電  ：  家庭やオフィスにおける電力供給に、一般的にはケーブルを用いる。ケーブルの輻輳や移動物体への電力供給が求められるようになっており、床面や壁面からケーブルを介さずに直接給電する方法が必要になってきている。この要求には、床面や壁面に設置された板状の電極導体から極薄誘電体層を介しての静電結合型や、誘導結合型がある。本提案では、約１ＭＨｚを用いた静電結合型の低周波ワイヤレス給電と２次元通信の両立を提案している。
【図１】
2011087266.tif 000004
【図２】
2011087266.tif 000005
【図３】
2011087266.tif 000006
【図４】
2011087266.tif 000007
【図５Ａ】
2011087266.tif 000008
【図５Ｂ】
2011087266.tif 000009
【図５Ｃ】
2011087266.tif 000010
【図５Ｄ】
2011087266.tif 000011
【図６】
2011087266.tif 000012
【図７】
2011087266.tif 000013
【図８Ａ】
2011087266.tif 000014
【図８Ｂ】
2011087266.tif 000015
【図８Ｃ】
2011087266.tif 000016
【図８Ｄ】
2011087266.tif 000017
【図９】
2011087266.tif 000018
【図１０】
2011087266.tif 000019
【図１１】
2011087266.tif 000020
【図１２】
2011087266.tif 000021
【図１３】
2011087266.tif 000022