(57)【要約】【課題】レクテナ装置に関して、小型化並びに受電電力の増大化が容易であるとともに、製造工程の簡略化を進めることができるようにする。【解決手段】金属箔１の表面にショットキー接合による整流作用を発揮する薄膜２が形成されて薄膜付き金属箔３が構成されている。さらに、薄膜付き金属箔３の複数層が重ね合わされてなり、マイクロ波の受電・整流・平滑の各機能を兼ね備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の表面にショットキー接合による整流作用を発揮する薄膜が形成されて薄膜付き金属箔が構成され、前記薄膜付き金属箔の複数層が重ね合わされてなり、マイクロ波の受電・整流・平滑の各機能を兼ね備えることを特徴とするレクテナ装置。
【請求項２】
前記薄膜付き金属箔の重ね合わせは、絶縁膜を介在させる状態での複数枚のシート状の薄膜付き金属箔の積層である請求項１に記載のレクテナ装置。
【請求項３】
前記薄膜付き金属箔の重ね合わせは、１本のテープ状の薄膜付き金属箔の巻回である請求項１に記載のレクテナ装置。
【請求項４】
前記金属箔の表面は多数の微細な凹凸変化のある微細凹凸面に形成され、前記整流作用を発揮する薄膜は前記微細凹凸面に形成されている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【請求項５】
前記薄膜付き金属箔はその寸法が共振長に設定されている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【請求項６】
前記金属箔は溶射金属で形成される引出電極に接続されている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のレクテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を受信して整流し直流電力を生成するレクテナ装置に関わり、詳しくは、小型化と大電力化を両立させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レクテナ（rectenna）はレクチファイア・アンテナの略称で、アンテナでマイクロ波を受信し、得られた電流を整流して直流電力に変換（ＲＦ−ＤＣ変換）するものである。
【０００３】
図３は特許文献１に開示された従来のレクテナの一例を示し、図４はレクテナ素子の等価回路を示す。これらの図において、１０はレクテナ素子、１１は基板、２０は平衡二線型のアンテナ、２１，２２はアンテナ素子、３０は平衡二線線路、３１，３２は一対の線路、４０は入力フィルタ、４１，４２はフィルタ素子、５０は直流遮断用キャパシタ回路、５１，５２は直流遮断用キャパシタ、６０は整流回路、６１はショットキーバリアダイオード、６２は平滑用キャパシタ、６５は出力フィルタ、７０は負荷抵抗、８０は直流出力部、８１，８２は直流出力端子である。
【０００４】
可撓性と光透過性を有するポリイミドフィルムなどで構成された極薄フィルム状の基板１１の一主面１１Ａ上に平衡二線型のアンテナ２０と、平衡二線線路３０と、入力フィルタ４０と、直流遮断キャパシタ回路５０を含む整流回路６０と、負荷抵抗７０と、直流出力部８０が配置されている（段落［００１２］〜［００２３］および図１〜図４参照）。
【０００５】
平衡二線型のアンテナ２０は、基板１１の一主面１１Ａ上に相対向する一対のアンテナ素子２１，２２を有している。平衡二線線路３０は、基板１１の一主面１１Ａ上で各アンテナ素子２１，２２の中央側端部に接続され、それらの各アンテナ素子２１，２２の対向方向と直交する方向に延びる互いに平行な一対の線路３１，３２を有している。整流回路６０は、直流遮断用キャパシタ５１，５２と、一対の線路３１，３２間に配置されたショットキーバリアダイオード６１と、このショットキーバリアダイオード６１の後段でこのショットキーバリアダイオード６１から所定間隔だけ離れて一対の線路３１，３２間の配置された平滑用キャパシタ６２とを有している。直流出力端子８１，８２は、平滑用キャパシタ６２の後段で一対の線路３１，３２のそれぞれに接続されており、マイクロ波の波長をλｇとして、所定間隔をλｇ／２２．５からλｇ／１４の範囲に設定したものとなっている。
【０００６】
以上のように、マイクロ波による無線電力の受電に使用されるレクテナ素子１０は、一般的にアンテナ、ダイオード、コンデンサおよび伝送線路の個別部品を組み合わせたものを１単位とするものである。そして、図５に示すように、従来例のレクテナ装置１００は、さらにこれらのレクテナ素子１０の多数個を基板１１０上でアレイ状に並べ、表裏の集電線路１０８，１０９を介して並列または直並列に合成したもので、マイクロ波を所望の直流電力に変換して、直流取出端子１０５，１０６から出力する（段落［００３７］〜［００４３］および図１２〜図１４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１６５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記で説明した特許文献１のレクテナ装置１００には次のような問題がある。単一のレクテナ素子１０では得られる受電電力が小さい。受電電力を上げるには図５のように多数のレクテナ素子１０を平面配置する必要があるが、そうすると装置の面積が大きくなりすぎる。平面的面積の増大を抑えるために比較的小面積に構成したレクテナ素子を立体的に積層することが考えられる。しかし、レクテナ素子では一般的に所望の周波数で効率良く共振できるようにするために、アンテナ素子および周囲空間の物理的寸法を設定しなければならない。その特性を損なわずにアンテナ素子を積層することは困難であり、結局は受電電力を上げることができない。
【０００９】
また個々のレクテナ素子においては、それぞれのアンテナ素子にダイオード、キャパシタ等の部品を後付けで実装しなければならず、製造工程が複雑化している。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、レクテナ装置に関して、小型化並びに受電電力の増大化が容易であるとともに、製造工程の簡略化を進めることができるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。
【００１２】
本発明によるレクテナ装置は、金属箔の表面にショットキー接合による整流作用を発揮する薄膜が形成されて薄膜付き金属箔が構成され、前記薄膜付き金属箔の複数層が重ね合わされてなり、マイクロ波の受電・整流・平滑の各機能を兼ね備えることを特徴とする。
【００１３】
金属と半導体の間での整流作用を示す接合のことをショットキー接合という。このショットキー接合によりショットキーバリアダイオードが形成される。ショットキーバリアダイオードは電流の輸送が主に多数キャリアで行われることから高速動作に優れている。金属とＮ型半導体との接合の場合、金属がアノードでＮ型半導体がカソードとなり、金属とＰ型半導体との接合の場合、Ｐ型半導体がアノードで金属がカソードとなる。
【００１４】
金属箔の表面に薄膜を成膜してショットキー接合を形成し整流作用を発揮する薄膜付き金属箔を構成する。このときの整流作用は薄膜付き金属箔の厚み方向で発揮される。加えて、薄膜付き金属箔を重ね合わせるのでキャパシタとしての平滑作用が発揮される。また、金属箔はアンテナとしてのマイクロ波の受電作用を発揮する。このような薄膜付き金属箔を複数層重ね合わせることにより、アンテナ素子にダイオード、キャパシタ等の後付け部品を不要としながら、レクテナ装置の受電電力の増大化および小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、マイクロ波の受電・整流・平滑の各機能を兼ね備えるレクテナ装置を、薄膜付き金属箔の重ね合わせという簡単な構造で実現しているため、レクテナ装置の小型化並びに受電電力の増大化を容易に実現できるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例のレクテナ装置を構成するレクテナ素子の斜視図（ａ）とレクテナ装置の側面図（ｂ）
【図２】本発明の別の実施例のレクテナ装置の斜視図
【図３】従来例のレクテナ素子を示す平面図
【図４】従来例のレクテナ素子の等価回路図
【図５】従来例のレクテナ装置の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上記構成の本発明のレクテナ装置には、次のようないくつかの好ましい態様がある。
【００１８】
薄膜付き金属箔の複数層を重ね合わせる態様については、絶縁膜を介在させる状態での複数枚のシート状の薄膜付き金属箔を積層するか、１本のテープ状の薄膜付き金属箔を巻回するのが好ましい。前者の場合、シート状の薄膜付き金属箔を複数枚用意し、その複数枚のシート状の薄膜付き金属箔を、相互間に絶縁膜を介在させる状態で積層する。シート状の薄膜付き金属箔の形状については、矩形（直角四辺形：正方形および長方形）、円形など任意であり、またパラボラアンテナのように凹入湾曲した形状でもよい。後者の場合、長尺な寸法の１本のテープ状の薄膜付き金属箔を用意し、そのテープ状の薄膜付き金属箔を巻回する（何重にも巻き付ける）。巻回の態様としては、角柱状に巻き付けるものが好ましいが、円柱（ロール）状に巻き付けるのでもよい。
【００１９】
また、金属箔についてはその表面が多数の微細な凹凸変化のある微細凹凸面に形成されているものが好ましい。その金属箔の微細凹凸面に整流作用を発揮する薄膜を形成するのであるが、表面を微細凹凸面に形成することで、接合面積を広げることができ、生成する直流電力の増強が図れる。微細凹凸面への加工については、整流作用を発揮する薄膜の未形成状態でベースとなる金属箔の表面をエッチング（食刻処理）することをもって微細凹凸化することが可能である。
【００２０】
薄膜付き金属箔の寸法については、受信すべきマイクロ波の波長に対する共振長に設定されていることが好ましい。共振長については、受信すべきマイクロ波の波長を基準としてその４分の１波長（λ／４）のほぼ奇数倍とするのが好ましい（装置を伝搬するマイクロ波の波長は、装置構成材料の誘電率等の物性値や装置形状寸法等の構造に起因して、真空中におけるマイクロ波の波長λよりも若干短くなる）。薄膜付き金属箔が矩形状であれば、その横幅および縦幅を共振長とすればよく、薄膜付き金属箔がテープ状であれば、その横幅や全長を共振長とすればよい。また、任意の寸法で積層、巻回した後に、共振長に合わせて積層体、巻回体を整形（カット）するのでもよい。薄膜付き金属箔の寸法を受信対象のマイクロ波の波長に対する共振長に設定することにより、生成する直流電力の増強が図れる。
【００２１】
整流作用を発揮する薄膜については、半導体、酸化膜、セレンなどの成膜によって形成することができる。半導体としてはシリコン、ゲルマニウムなどの元素半導体のほか、ヒ化ガリウム、窒化ガリウムなどの化合物半導体、酸化物半導体がある。セレンはVIB族の半導体であり、ほかにテルルもある。非晶質（アモルファス）系の半導体でもよい。
【００２２】
金属箔に接続すべき引出電極については、これを溶射金属（メタリコン）で形成することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明にかかわるレクテナ装置の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１（ａ）は本発明の実施例のレクテナ装置を構成するレクテナ素子の斜視図、図１（ｂ）は本発明の実施例のレクテナ装置の側面図である。図１において、１はアンテナとしてのマイクロ波の受電作用を発揮するアルミニウム箔や銅箔などの金属箔、２は金属箔１の表面に形成されて金属箔１とのショットキー接合により整流作用を発揮するシリコンなど半導体による薄膜、３は金属箔１と薄膜２との接合体である薄膜付き金属箔、４は薄膜付き金属箔３の複数枚を重ね合わせるときに間に介在させた絶縁膜、５は取出し用電極（金属層）、Ａは絶縁膜４を間に介在させる状態で重ね合わされて構成されたレクテナ装置である。より詳しくは、次のとおりである。
【００２５】
金属箔１の表面に薄膜２を形成するのに先立ち、金属箔１の表面を多数の微細な凹凸変化のある微細凹凸面１ａに形成しておく。図１では微細凹凸面１ａを強調して表示している。この微細凹凸面１ａの加工によって、金属箔１の表面積を拡大しておく。そして、その金属箔１の微細凹凸面１ａに整流作用を発揮する薄膜２を形成する。微細凹凸面１ａへの加工については、整流作用を発揮する薄膜２の未形成状態でベースとなる金属箔１の表面をエッチングすることをもって行うことができる。
【００２６】
金属箔１の表面を微細凹凸面１ａに形成することで、整流作用を発揮する薄膜２との接合面積を広げることができ、ショットキー接合部で生成する直流電力の増強が図れる。なお、薄膜２の表面は、薄膜２を金属箔１の表面（微細凹凸面）に成膜したままの状態でもよいが、取出し用電極５に対する接触性を良好にするために平滑化しておくのがなおよい。
【００２７】
薄膜付き金属箔３において、整流作用を発揮する薄膜２としてＰ型半導体を用いる場合、ショットキー接合の形成により構成される膜状のショットキーバリアダイオードは、薄膜２側がアノードで金属箔１側がカソードとなって、厚み方向で整流作用を発揮することとなる。セレンはＰ型半導体である。
【００２８】
上記とは逆に、整流作用を発揮する薄膜２としてＮ型半導体を用いる場合、ショットキー接合の形成により構成される膜状のショットキーバリアダイオードは、金属箔１側がアノードで薄膜２側がカソードとなり、Ｐ型半導体とは逆方向の整流作用を発揮することとなる。
【００２９】
絶縁膜４を間に介在させる状態での複数層の薄膜付き金属箔３の重ね合わせの態様として、図１に示すレクテナ装置Ａの場合は複数枚のシート状の薄膜付き金属箔３を用いている。すなわち、シート状の薄膜付き金属箔３を複数枚用意し、その複数枚のシート状の薄膜付き金属箔３を、相互間に絶縁膜４と取出し用電極５を介在させる状態で積層する。シート状の薄膜付き金属箔３は矩形状であり、シート状の絶縁膜４も一回り大きい矩形状となっている。
【００３０】
取出し用電極５については、絶縁膜４の表面（薄膜２と対向する表面）に金属膜を蒸着して形成するか、または、絶縁膜４と薄膜付き金属箔３の薄膜２との間に金属箔を挿入することによって形成する。
【００３１】
具体的には、複数の取出し用電極５をレクテナ装置Ａの一端側に突出させ、これらを図示しない金属溶射電極（メタリコン）で接合することで、複数の取出し用電極５同士を電気的に接続することができる（この金属溶射電極がレクテナ装置Ａの一方側の引出電極となる）。また、レクテナ装置Ａの他端側において、複数の金属箔１の端部を図示しない金属溶射電極で接合することで複数の金属箔１同士を電気的に接続することができる（この金属溶射電極がレクテナ装置Ａの他方側の引出電極となる）。薄膜２は通電し難いため上述のような取出し用電極５を必要とするが、金属箔１はそれ自体が電極を構成することから、新たな取出し用電極は不要である。
【００３２】
矩形の薄膜付き金属箔３の寸法は、受信すべきマイクロ波の波長をλとして、その４分の１波長（λ／４）の奇数倍に相当する共振長に設定している。装置構成材料の誘電率等の物性値や装置形状寸法等の構造要因を除外して設計した場合、次のようになる。マイクロ波の周波数が例えば２．４５〔ＧＨｚ〕の場合、その波長λは約１２．２４〔ｃｍ〕であるから、ｎを正の整数として、共振長である矩形の薄膜付き金属箔３の寸法は約３．０６・ｎ〔ｃｍ〕となる。小型軽量化のためにはｎ＝１の場合の３．０６〔ｃｍ〕とするのが好ましい。このような寸法設定により、生成する直流電力の増強が図れる。なお、実際は、装置構成材料の誘電率等の物性値や装置形状寸法等の構造要因を考慮しなければならないことから、これらを考慮して設計すると、共振長は受信すべきマイクロ波の４分の１波長（λ／４）の奇数倍に相当する長さよりも若干短くなる。
【００３３】
レクテナ装置Ａは絶縁膜４を介在させる状態で複数枚のシート状の薄膜付き金属箔３を積層したもので、フィルムコンデンサのような形態をなしており、キャパシタとしての平滑作用を発揮する。
【００３４】
図２は別実施例のレクテナ装置の概略構成を示す斜視図である。この実施例のレクテナ装置Ａは１本の長尺なテープ状の薄膜付き金属箔３を複数回にわたって角柱状に巻回したものである。巻回後の立体構造物において、その横幅、縦幅、軸長を共振長としてある。なお、図２においては、微細凹凸面１ａの部分を二重線で示している。
【００３５】
以上のように、本実施例のレクテナ装置Ａは、マイクロ波の受電・整流・平滑の各機能を兼ね備えるものであって、複数枚の薄膜付き金属箔３の重ね合わせという簡単な構造で実現されている。従来例のようなショットキーバリアダイオードやキャパシタの後付けの必要がなく、非常にシンプル・コンパクトな形状・構造となっている。それゆえに、寸法設計の自由度が高い。
【００３６】
大電力化を図るに、薄膜付き金属箔３の積層枚数を増やす対策や薄膜付き金属箔３の面積を拡大する対策をもって容易に対応することができる。
【００３７】
また、電流、電圧の集中がないため、絶縁破壊のリスクが小さい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、マイクロ波を受信して整流し直流電力を生成するレクテナ装置において、小型化並びに受電電力の増大化を容易にできるとともに、製造工程を簡略化する技術として有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１    金属箔
１ａ  微細凹凸面
２    整流作用を発揮する薄膜
３    薄膜付き金属箔
４    絶縁膜
【図１】
2015035895.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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