(57)【要約】【課題】複数の通信素子を備えた通信装置において、通信素子のグローバルな識別番号を動的に設定する方法を提供する。【解決手段】本発明による通信装置４００は、複数の通信素子５００を備え、隣接する通信素子でグループを構成し、また隣接するグループで階層的なグループを構成し、階層的な各グループ内で設定されるグループ識別番号を利用することで、通信素子の通信装置内における装置ＩＤを取得する。【選択図】        図１４
2005026939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通信素子を備える通信装置であって、隣接する通信素子でグループを構成し、さらに隣接するグループで階層的にグループを構成して、階層的に構成される各グループ内で設定されるグループＩＤを利用することで、通信素子の通信装置内における装置ＩＤを取得することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
各通信素子の通信距離は周辺に配置された他の通信素子と局所的な通信を行える程度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
グループは、Ｍ個以下の要素により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
【請求項４】
グループは、２個の要素により構成されることを特徴とする請求項３に記載の通信装置。
【請求項５】
各通信素子は、乱数により生成される初期識別番号を利用して、装置ＩＤを取得することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の通信装置。
【請求項６】
階層的なＮ次のグループを構成する（Ｎ−１）次のグループ間において、直接信号を送受信できる関係にある通信素子が結合素子として少なくとも一組存在することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の通信装置。
【請求項７】
自分が属するＮ次から１次までのグループについて、結合素子のＩＤを通信素子内部のテーブルに保存しておくことで、次に信号を転送すべき通信素子を決定することを特徴とする請求項６に記載の通信装置。
【請求項８】
隣接素子のＩＤを記録したテーブルをもち、目的地の通信素子のＩＤと近い関係にある通信素子が近傍に存在する場合に、その通信素子に信号を転送することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の通信装置。
【請求項９】
グループ化に失敗した通信素子も、階層構造に組み込めるようにした請求項１から８のいずれかに記載の通信装置。
【請求項１０】
通信素子を導電性シート上に配置し、そこに絶縁性の材料と導電性の材料を交互にスプレー塗布することにより通信装置を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の通信素子を備えた環境における通信技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＷＡＮ（Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの通信ネットワークにおいて、複数の通信端末が同軸ケーブルや光ファイバなどにより接続されている。これらの通信端末は、ネットワーク中のアドレスを指定することにより、所望の通信端末に信号を伝達する。従来のネットワークは、通信端末同士を有線にて接続することが一般であり、近年では、これを無線で接続するシステムも提案されている。例えば、移動デバイスであるノードの全てが所定の伝送半径をもち、ノード間で無線通信を行うアドホックネットワークが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２６８１２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通信ネットワークや実装基板においては端末や素子などを個別配線により一対一の関係で物理的に接続しているため、仮に配線が切断された場合には信号を伝達することができなくなり、通信機能が停止する事態も生じうる。
【０００５】
そこで本発明は、このような従来の問題を解決するべく、通信装置に関する新規な通信技術を提供し、さらには通信装置における通信素子の識別番号の設定技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は、複数の通信素子を備える通信装置であって、隣接する通信素子でグループを構成し、さらに隣接するグループで階層的にグループを構成して、階層的に構成される各グループ内で設定されるグループＩＤを利用することで、通信素子の通信装置内における装置ＩＤを取得することを特徴とする通信装置を提供する。各通信素子の通信距離は周辺に配置された他の通信素子と局所的な通信を行える程度に設定される。
【０００７】
グループは、Ｍ個以下の要素により構成されることが好ましい。またグループは、２個の要素により構成されることが好ましい。
【０００８】
各通信素子は、乱数により生成される初期識別番号を利用して、装置ＩＤを取得してもよい。階層的なＮ次のグループを構成する（Ｎ−１）次のグループ間において、直接信号を送受信できる関係にある通信素子が結合素子として少なくとも一組存在することが好ましい。自分が属するＮ次から１次までのグループについて、結合素子のＩＤを通信素子内部のテーブルに保存しておくことで、次に信号を転送すべき通信素子を決定してもよい。
【０００９】
隣接素子のＩＤを記録したテーブルをもち、目的地の通信素子のＩＤと近い関係にある通信素子が近傍に存在する場合に、その通信素子に信号を転送することが好ましい。またグループ化に失敗した通信素子も、階層構造に組み込むことが好ましい。
【００１０】
本発明の別の態様は、通信素子を導電性シート上に配置し、そこに絶縁性の材料と導電性の材料を交互にスプレー塗布することにより通信装置を製造する方法を提供する。
【００１１】
なお、本発明の表現を装置、方法、システムまたはプログラムの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る通信技術の方式を説明するための図である。図１には、小さな円で示す複数の通信素子が空間内に分散して配置されている状態が示される。各通信素子は、その周辺に配置された他の通信素子に対して信号を伝達する局所的な通信機能を有する。この局所的な通信により隣り合う通信素子間で信号を順次連鎖的に中継し、最終目的地である通信素子まで信号を伝達する。この通信方式を連鎖伝達型の通信方式と呼ぶ。
【００１３】
信号の送信元が通信素子２００ａであり、最終目的地が通信素子２００ｂである場合、連鎖伝達型通信方式によると、信号が通信素子２００ａから通信素子２００ｃおよび２００ｄを介して通信素子２００ｂに伝達される。信号の伝達方法としては、例えば通信素子２００ａが、信号が届く範囲にある周辺の全ての通信素子に信号を伝達し、この信号を受けた全ての通信素子が更に周辺の通信素子に信号を伝達することによって、信号を最終目的地まで同心円状に伝達させてもよい。さらに好ましい方法としては、通信素子２００ａおよび２００ｂ間の経路を予めまたはリアルタイムで設定し、この経路により特定の通信素子のみを介して信号を伝達してもよい。特に後者の方法を採用する場合には、信号伝達に必要な通信素子のみが発信するため、電力消費を少なくすることができ、また他の通信素子の通信に対する干渉を低減することも可能となる。連鎖伝達型の通信方式における信号伝達の方法の一例は後述する。
【００１４】
本発明による通信装置は、空間内に複数の通信素子を配置し、この空間内には通信素子間を物理的に接続するための個別配線が形成されていないことが好ましい。例えば、これらの通信素子は、平坦な導電層または導電性基板、交流信号を伝達可能な電磁作用伝達層などに接続され、これらの層または基板を介して通信素子間における信号の伝達が行われてもよい。導電層や電磁作用伝達層は、シリコンウェハ上に形成されてもよい。信号の送信は、導電層における電荷の放出により実現されてもよい。ここで通信素子は、チップとして構成されるものに限定されず、本発明の実施の形態において説明する通信機能を備えたものを含む概念であり、その形態および形状は問わない。
【００１５】
各通信素子は、信号の伝達可能な距離（以下、「有効通信距離」とも呼ぶ）を比較的短く設定されていることが好ましい。信号の通信距離を長くすることは、それだけ電力消費量を大きくし且つ通信に寄与しない他の通信素子に対して悪影響を及ぼす可能性がある。連鎖伝達型の通信方式によると、自身の近傍に存在する通信素子に信号を伝達できれば十分であるため、有効通信距離は周辺の通信素子までの平均距離に応じて設定されることが好ましい。
【００１６】
本発明の通信技術は、様々な用途に応用することができる。例えば、ＬＳＩやメモリなどの電子部品（回路素子）に本発明の通信機能をもたせることによって、各電子部品を個別に配線することなく、複数の電子部品を基板実装する技術を提供することが可能である。また、近年、皮膚の感覚を持つロボットの研究が盛んに行われているが、ロボットの触覚センサに本発明の通信機能をもたせ、触覚センサの検知情報をロボットの頭脳コンピュータに送信する技術を提供することも可能である。また建物の床に本発明の通信機能を有するセンサを点在させることにより、一人暮らしの老人の行動を監視したり、留守中の防犯に役立てることも可能である。また、発光素子に本発明の通信機能をもたせることにより、布状の表示装置などを製造することも可能となる。また、タグに本発明の通信機能をもたせることにより、安価で精度のよい情報の読み取りを可能とするタグを作製することも可能となる。さらに無線通信素子に本発明の通信機能をもたせて例えばコンピュータにそれを装備させ、無線通信素子の近傍に相手方のコンピュータの無線通信素子を配置することによって、コンピュータ間の情報の送受信を容易に行うことも可能となる。また自動車の導電性内壁に本発明の通信機能を備えた通信素子を埋め込み、煩わしい個別配線を不要とした通信装置を実現することも可能となる。
【００１７】
この通信技術は、比較的短い距離に配置された通信素子間で信号を伝達するため、距離による信号の減衰および劣化が少なく、高いスループットでノード数によらない高速伝送を可能とする。また空間内に多くの通信素子を分散して配置させることにより、センサなどの所定の機能をもつチップとの情報交換媒体として広範囲の信号伝達領域を実現する。また、通信素子を比較的自由な位置に配置することができるため、簡易な設計により所望の機能を備えた人工皮膚や表示装置などを生成することも可能である。また配線などの基板回路設計を不要とし、少ないプロセスで基板回路を製造することも可能である。通信素子を導電層で挟持する場合には電磁ノイズ放射がなくなるため、特に病院などの公共性の高い場所においてはその有用性が高い。さらに、導電層などに障害が生じた場合であっても、チップ間の経路を再設定することができ、新たな通信経路を確立することができるという自己修復機能もあわせ持つ。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる通信装置１００の外観構成の一例を示す。この通信装置１００においては、複数の通信素子２００が２枚の導電層１６および１８によって挟持されている。各通信素子２００は、この２枚の導電層１６および１８に電磁的に接続される。導電層１６および１８は、単層構造を有していても、また多層構造を有していてもよく、この例では二次元的に一面に広がった構成を有している。図２は、通信素子２００が挟持されていることを説明するために、導電層１６と導電層１８とが開いた状態を示す。
【００１９】
例えば、本発明による通信装置１００をロボットの表面を覆う人工皮膚として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料により形成する。可撓性のあるゴム材料で人工皮膚を形成することにより、この人工皮膚はロボットの動作に合せて自在に伸縮することが可能となる。また、個別配線が存在せず、伸縮性のある導電層１６および１８を介して信号を伝達するため、断線などにより通信機能に障害が生じる可能性を低減し、安定した通信能力を提供できる。また本発明による通信装置１００を回路基板として応用する場合、導電層１６および１８を導電性のゴム材料で形成することによって、フレキシブルな回路基板を実現することも可能となる。
【００２０】
各通信素子２００は通信機能以外に、さらに他の機能を有していてもよい。通信装置１００をロボットの人工皮膚として応用する場合には、通信素子２００のいくつかが触覚センサとしての機能も有し、外部から受けた刺激を検出した後、他の通信素子と協同して検出した信号を目的の通信素子まで伝達する。また通信装置１００を基板の実装技術として応用する場合には、通信素子２００が、例えばＬＳＩやメモリなどの回路素子としての機能を有してもよい。このように、本明細書において「通信装置」は少なくとも通信機能を有する装置の意味で用い、これに付加した他の機能、例えば人工皮膚としてのセンサ機能や電子回路としての演算機能などを有してもよいことは、当業者に理解されるところである。
【００２１】
図３は、通信素子２００の機能ブロック図である。通信素子２００は、通信部５０、処理部６０およびメモリ７０を備える。通信部５０は、導電層１６および１８（図２参照）を介して、他の通信素子との間で信号の送受を行ってもよい。また、図２に示していないが、通信装置１００は、通信素子２００の周囲に配置されて、導電層１６および１８に挟持される誘電層を備え、通信部５０が、この誘電層に発生する電場または電磁場により他の通信素子２００との間で信号の送受を行ってもよい。処理部６０は、通信素子２００の通信機能を制御する。具体的に処理部６０は、周囲の信号の監視、受信信号の解析や、送信信号の生成および送信タイミングの制御など、他の通信素子２００との間の信号伝達に関する処理を行う。また処理部６０は、センサ機能や演算機能など通信機能以外の他の機能を実現してもよい。メモリ７０は、通信機能や他の機能を実現するために必要な情報を予め記録し、また必要に応じて記録していく。
【００２２】
図４（ａ）は、通信装置１００の断面を示し、局所的通信を実現する通信デバイス３００の構造の一例を説明するための図である。本明細書において「通信デバイス」は、局所的な通信機能を実現する構造の意味で用いる。
【００２３】
この例において通信デバイス３００は、第１信号層２０および第２信号層３０と、第１信号層２０および第２信号層３０に電磁的に接続する通信素子２００と、第１信号層２０および第２信号層３０の間に配置される誘電層２２とを備える。図示のごとく、第１信号層２０および第２信号層３０は、誘電層２２および複数の通信素子２００を挟持する。通信素子２００と誘電層２２は、電磁的に接続する。第２信号層３０は接地されたグランド層であってもよい。
【００２４】
通信デバイス３００は、信号を発信するために、第１信号層２０および第２信号層３０の通信素子２００側の表面から、電荷の吸出しおよび放出を繰り返し、交流電流Ｉを発生させる。層厚などの条件を適宜定めることにより、交流電流Ｉにより発生する電場や電磁場を誘電層２２に閉じ込めることができ、電磁波動を誘電層２２内で２次元放射状に伝達させることができる。第１信号層２０および第２信号層３０に流れる電流は、誘電層２２側の表面付近のみを流れ、第１信号層２０および第２信号層３０の電気伝導率によって、電磁波動の伝達距離がきまる。これらの電気伝導率が大きいほど、減衰は小さく、伝達距離、すなわち有効通信距離が長くなる。
【００２５】
第１信号層２０および第２信号層３０は、金属や導電性ゴム材料などの導体により構成されてよいが、誘電体により構成されてもよい。第１信号層２０および第２信号層３０が誘電体で構成される場合、第１信号層２０および第２信号層３０は、誘電層２２の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料から構成される。これにより、誘電層２２内に電場や電磁場を閉じ込めることが可能となる。なお、第１信号層２０および第２信号層３０は、空気や真空のような構成をとってもよい。
【００２６】
また電場や電磁場を発生させる交流電流Ｉは、均一な電流であってもよいが、変位電流であってもよい。なお電磁場を発生させるために、レーザーやＬＥＤによる光などの電磁波を用いることも可能である。
【００２７】
図４（ｂ）は、局所的通信を実現する通信デバイス３００の構造の別の例を説明するための図である。この例では、通信デバイス３００が、第１信号層２０および第２信号層３０と、第１信号層２０および第２信号層３０に電磁的に接続する通信素子２００と、第１信号層２０および第２信号層３０の間に配置される誘電層２２ａおよび２２ｂと、誘電層２２ａと誘電層２２ｂとの間に配置される導電層２４を備える。通信デバイス３００がこのような構造をとった場合であっても、通信素子２００中に交流電流を発生させることにより、電場または電磁場を利用した通信が可能となる。
【００２８】
図５（ａ）は、実施の形態における通信デバイス３００が信号を発信する基本原理を説明するための図である。通信デバイス３００は、スイッチ２６を交互に切り替えて、第１信号層２０および第２信号層３０の間で電荷の吸出し、放出を行い、交流電流を生じさせることにより、電磁場を発生させる。この電磁場は、第１信号層２０および第２信号層３０に挟持される誘電層２２中を伝わって、近傍に位置する通信デバイス３００まで伝達される。
【００２９】
図５（ｂ）は、通信デバイス３００が信号を発信する原理の別の例を説明するための図である。通信デバイス３００は、一組のスイッチ２６ａおよびスイッチ２６ｂを同時に交互に切り替えることにより、第１信号層２０および第２信号層３０の間に交流電流を発生させ、電磁場を発生させる。
【００３０】
図６は、通信素子２００を備えた通信デバイス３００の具体的な実現例を示す。この通信デバイス３００は、グランド層である第２信号層３０および電源層４４と、第２信号層３０および電源層４４に電磁的に接続する通信素子２００と、第２信号層３０および電源層４４の間に積層された誘電層２２、第１信号層２０、誘電層４３を備える。図示のごとく、第２信号層３０、誘電層２２、第１信号層２０、誘電層４３および電源層４４は、この順に積層される。通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３に、電場または電磁場を発生させることにより信号を発信する。通信素子２００は、第２信号層３０および電源層４４に挟持され、周囲を誘電層２２、第１信号層２０および誘電層４３に囲まれて構成される。誘電層２２、第１信号層２０および誘電層４３は、通信素子２００に電磁的に接続している。この構造により、通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場をそれぞれ検出し、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場の差分を検出することによって、信号を高い精度で検出することが可能となる。差分をとることにより、外部から混入するノイズの影響を最小とすることができ、ＳＮ比をあげることができる。第１信号層２０と、電源層４４および第２信号層３０の間に図５（ａ）のようなスイッチ２６を設けることにより、第１信号層２０と電源層４４、および第１信号層２０と第２信号層３０の間をショートすることができ、第１信号層２０の電位をふりやすくなる。これは、通信素子２００が電源層４４およびグランド層である第２信号層３０に接続したことの利点である。
【００３１】
図７（ａ）は、通信デバイス３００を実現する回路動作の概要を示す。通信デバイス３００は半導体製造技術を用いてシリコン上に形成されてもよい。通信デバイス３００は、ｐＭＯＳとｎＭＯＳを並列接続したＭＯＳスイッチなどのスイッチ２６を有し、スイッチ２６は、通信素子２００と、グランド層である第２信号層３０および電源層４４との電磁的な接続を交互に切り替える。具体的には、スイッチ２６が、送信すべき信号の論理値に応じて、第１信号層２０および第２信号層３０の接続と、第１信号層２０および電源層４４の接続とを切り替え、電磁波動として信号を発信する。なお、既述のごとく、第１信号層２０と第２信号層３０の間には誘電層２２が設けられ、また、同様に、第１信号層２０と電源層４４との間には、別の誘電層４３が設けられる。入力部５２には、送信すべき信号の論理値に応じた電圧が印加され、スイッチ２６によるスイッチング動作が実行される。通信素子２００内の処理部６０（図３参照）が入力部５２に入力信号を供給する。
【００３２】
スイッチ２６によるスイッチング動作の結果、第１信号層２０から第２信号層３０に、また電源層４４から第１信号層２０に電流が発生し、第１信号層２０と第２信号層３０の間に存在する誘電層２２、および電源層４４と第１信号層２０の間に存在する誘電層４３において、２次元放射状に広がる電場または電磁場が発生する。この電場または電磁場は、隣接する通信素子２００に伝播される。
【００３３】
隣接する通信素子２００は、電場または電磁場の変化を観測し、信号を検出する。隣接する通信素子２００は、誘電層２２において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよく、また誘電層４３において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよい。なお、既述のごとく、通信素子２００は、誘電層２２および誘電層４３の両方において発生した電場または電磁場から信号を検出してもよい。誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場をそれぞれ検出し、誘電層２２および誘電層４３における電場または電磁場の差分を検出することによって、外部から混入するノイズの影響を最小とすることができ、ＳＮ比をあげることができる。
【００３４】
図７（ｂ）は、第１信号層２０に印加する交流電圧の振幅を制限する回路の例を示す。電源層４４および第２信号層３０から第１信号層２０に電圧を印加する電力経路のそれぞれに、電圧を制限するための電圧制限素子５４、この例ではダイオード列を配置させる。電圧制限素子５４として、１個または複数個のダイオードを順方向にそれぞれの電力経路に挿入することにより、第１信号層２０に印加する電圧を制限することができる。電圧制限素子５４を設けない場合、第２信号層３０からのグランド電圧（０［Ｖ］）と、電源層４４からの電源電圧（Ｅ［Ｖ］）とが交互に第１信号層２０に印加されるが、第２信号層３０からの電力経路と電源層４４からの電力経路にそれぞれｎ個のダイオード列を順方向に挿入した場合には、第１信号層２０には、ｎｅ［Ｖ］と（Ｅ−ｎｅ）［Ｖ］の電圧が交互に印加されることになる。ここでｅ［Ｖ］は、ダイオードの順方向電圧を示す。
【００３５】
電圧制限素子５４を設けることにより、電源電圧が信号発信に必要な電圧よりも十分高い場合であっても、印加電圧を必要なレベルにまで下げることが可能となる。また、電圧制限素子５４を電力経路に挿入することによって、電流量が減るため、消費電力を下げることができ、通信デバイス３００の省電力化に寄与することになる。なお、第２信号層３０と第１信号層２０の間に設けられる電圧制限素子５４ａと、電源層４４と第１信号層２０の間に設けられる電圧制限素子５４ｂの抵抗値は異なってもよい。
【００３６】
図８（ａ）は、通信素子２００の具体的な構成例を示す。通信素子２００は、上述の通信機能を備えたＬＳＩとして構成され、図８（ａ）は、第１信号層２０に接触するＬＳＩの上面を示している。通信素子２００は、図３に示した処理部６０およびメモリ７０の各機能を備えたデジタル回路２０２を有する。円形の電極２０４は通信部５０として作用する。なお、通信素子２００の実装に際して、電極２０４は小さく形成されることが好ましい。図示しないＬＳＩの裏面の電極は、第２信号層３０と電磁的に接続されている。電極２０４は、スイッチ２６（図５または図７参照）のスイッチング動作により、第１信号層２０を介して電源層４４から電源電圧を印加され、また裏面の第２信号層３０からグランド電圧を印加される。既述のごとく、通信素子２００は、スイッチ２６を交互にスイッチして、交流電流を発生することで、電場または電磁場を変化させ、信号を発信する。
【００３７】
図８（ｂ）および図８（ｃ）は、通信素子２００による信号発信の原理を説明するための図である。図中、Ｓで示す領域は、通信素子２００の電極２０４を示す。第１信号層２０および第２信号層３０の導電率をσとし、誘電層２２の誘電率をε０とする。既述のごとく、誘電層２２が、第１信号層２０および第２信号層３０に挟まれた構造につき考察する。なお、図８（ｂ）および図８（ｃ）では、誘電層２２の図示を省略している。この構造において、電磁波動を発生し、発生した電磁波動を、誘電層２２中に伝達させる。
【００３８】
図示のごとく、円柱座標をとり、各層に垂直方向のｚ軸まわりの解を求める。円柱座標の原点を、円形の電極２０４の中心点の垂直下方向であって、且つ第１信号層２０の下面と第２信号層３０の上面との中間点にとる。第１信号層２０と第２信号層３０の間隔、すなわち誘電層２２の厚さを２ｄ、電極２０４の半径をｒ０とする。ｚ軸に対称な解においては、磁場ベクトルＢはθ成分のみをもち、それをＢ（ｒ，ｚ）と表現する。このような構造において、通信素子２００内において、第１信号層２０から第２信号層３０に、半径ｒ０の円柱表面に沿って電流を流すものとする。なお、電流経路は厳密な円柱形状である必要はなく、また厳密に均一な電流が流れることまでは必要としない。ｚ軸を対称軸とする半径ｒの円柱面を外に向かって横切る表皮電流の総和をＩ（ｒ）と表現する。電磁波動の周波数をωとすると、一般解は、以下のように表現される。なお、第１信号層２０および第２信号層３０ともに導体とし、以下の発信原理の説明において、それぞれの層を区別せずに、導体層と呼ぶ。
【数１】
2005026939.tif 000003
Ｂ０は磁場の強さを表す定数である。ここで、上記一般解における各パラメータの値を、以下のように設定する。
【数２】
2005026939.tif 000004
Ｒｅ［ｋ］は、誘電層２２中の電磁波動の波数であり、ｃは誘電層２２における光速である。Ｉｍ［ｋ］は伝播する電磁波動の減衰を与えるパラメータである。Ｒｅ［ｐ］は表皮深さを与えるパラメータである。
【００３９】
また、
Ｈ１（２）（ｚ）≡Ｊ１（ｚ）−ｊＮ１（ｚ）
である（ハンケル関数）。
【００４０】
なお、マイクロ波を伝達し、上記の解が成立するためには、以下の条件を満たす必要がある。
１）｜σ／ω｜＞＞ε０（σは導体層の導電率）を満たすこと。
２）表皮深さが導電層の厚みよりも小さいこと。
３）減衰距離が、その周波数に対応する真空中の電磁波長よりも大きいこと。すなわち、−Ｉｍ［ｋ］がＲｅ［ｋ］と同程度か、それより小さいこと。
４）導電層の間隔が、
【数３】
2005026939.tif 000005
を満たすこと。
なお、透磁率は誘電層２２、導体層ともにμであることと仮定した。
【００４１】
以上の伝達条件を満たすことにより、誘電層２２において２次元放射状にマイクロ波を伝達させることが可能となる。例えば、周波数を１０〜１００ＧＨｚ程度、伝達距離を１０ｃｍ程度、ｄ＝１〜０．１ｍｍ程度とすることにより、以上のマイクロ波伝達条件を満足するような導電率の材料を容易に見つけることができる。なお、表皮深さが導電層の厚みよりも大きい場合であっても電磁作用は伝達するが、その場合には、電磁波は、導電層の外にも漏出することになる。
【００４２】
電磁波動をマイクロ波として伝達することにより信号伝達速度は光速となる。このように、本実施の形態における通信装置１００は、１ビットの情報を送るのに１波長分程度の幅をもったリング状の電磁場を生成し、この電磁場を利用して通信を行うため、少ない消費電力で１ＧＨｚをこえる信号伝達を行うことが可能となる。これにより、通信装置１００は、コンピュータなどのクロックと同期して高周波数の論理信号を伝送可能となる。
【００４３】
中心から距離ｒの点における上側導体層表面、すなわち第１信号層２０表面と、下側導体層表面、すなわち第２信号層３０表面との電位差をＶ（ｒ）とすると、半径ｒの円柱面を横切って流れる電流Ｉ（ｒ）とＶ（ｒ）（その地点での電極間の電位差２ｄＥｚ）の比は、
【数４】
2005026939.tif 000006
で与えられる。この値は、通信素子２００からみた出力インピーダンスに相当する。ここで、関数Ｐ（ｘ）を
【数５】
2005026939.tif 000007
と設定する。
【００４４】
図９は、実数ｘに対するＰ（ｘ）のプロットを示す。Ｐ（ｘ）の虚部（Ｉｍ［Ｐ（ｘ）］）はリアクタンス成分を意味し、原点近くで対数的に発散する。このことは、電流経路となる円柱の半径ｒ０が小さくなると、リアクタンス成分が増大し、電圧を印加しても電磁波のエネルギーに有効に変換されないことを意味している。そのため、この構造をとる場合には、半径ｒ０、すなわち円形の電極２０４の半径を小さく構成することが難しくなる。
【００４５】
図１０は、電極２０４の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイス３００の構成例を示す。通信デバイス３００は、通信素子２００を駆動するための駆動回路８２と、通信素子２００と第１信号層２０とを接続するコンデンサ８０を備える。駆動回路８２は通信素子２００内に存在してもよい。既述のごとく、駆動回路８２はスイッチ２６を有する。電極２０４の半径ｒ０が小さいときに生じるリアクタンス成分（図９に示すＩｍ）は誘導性である。半径ｒ０の円形電極２０４のスイッチングによって電磁波動を放出する場合、第１信号層２０のインピーダンスは、抵抗とインダクタンスを直列接続した回路のそれと等価であるから、通信素子２００をコンデンサ８０を介して第１信号層２０に接続することにより、リアクタンス成分を低くすることが可能となる。コンデンサ８０は、通信素子２００の内部において構成することができる。容量Ｃは、
【数６】
2005026939.tif 000008
となるように選べばよい。これにより、回路の直列共振状態をつくることができ、インピーダンスを最小に設定することができる。
【００４６】
例えば、周波数を１０ＧＨｚ、２ｄ＝１ｍｍ、ｒ０＝０．１ｍｍとすると、ｋｒ０＝０．０２であるため、Ｉｍ［Ｐ（ｘ）］＝４．０となり、リアクタンス成分は抵抗成分より３倍近く大きくなる。このときのリアクタンスは５０Ωであるから、Ｃ＝０．３ｐＦの容量をもつコンデンサ８０を付加して駆動することにより、駆動回路８２からみたインピーダンスは実数、すなわち抵抗となり、そこで消費されるエネルギーは２次元的に放射される電場または電磁場のエネルギーに効率的に変換されることになる。
【００４７】
図１１は、電極２０４の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイス３００の構成の変形例を示す。この変形例では、通信素子２００の電極２０４を絶縁層２１０を介して第１信号層２０に接続する。図１０に関連して説明したように、コンデンサ８０は通信素子２００の内部に構成されてもよいが、図１１に示すように、絶縁層２１０として通信素子２００の外部に設けられてもよい。この場合、通信素子２００と第１信号層２０との接続に非導電性の接着剤を利用することができ、製造工程を簡略化することができる。いずれの場合であっても、電極２０４と第１信号層２０とを容量を介して結合させることにより、電流経路の円柱半径を小さく構成した場合におけるリアクタンス成分を低減することができる。そのため、電極２０４の小規模化を実現することができ、通信素子２００を容易に実装して、通信装置１００を作成することが可能となる。
【００４８】
図１２は、実施の形態に係る通信装置１００における信号伝達方法の説明図を示す。実施の形態においては、各通信素子２００が、空間内の自身の位置を示す座標をアドレスとしてメモリに保持する。座標は、２次元座標であっても３次元座標であってもよい。通信素子２００の座標は外部のコンピュータなどにより設定されてもよく、各々で自律的に設定してもよい。この例では、座標（１，１）に位置する通信素子から、座標（７，７）に位置する通信素子まで信号を伝達することを目的とする。以下、座標（Ｍ，Ｎ）に位置する通信素子を「通信素子（Ｍ，Ｎ）」と表現する。なお図示の例では、説明の便宜上、通信素子が規則的に配列されているが、この配列形態はランダムであってよい。
【００４９】
図１３は、送信元の通信素子により生成される信号のパケットを示す。このパケットには、コマンド、送信元アドレス、送信先アドレスおよび送信データの項目が設けられる。この信号はデータを通信素子（７，７）に転送するためのものであり、コマンドには転送パケットであることを指示するコードが記述される。送信元アドレスには、送信元通信素子の座標である（１，１）が記述され、送信先アドレスには、送信先通信素子の座標である（７，７）が記述される。送信データは、伝達すべきデータである。このように、通信素子（１，１）は送信元座標と送信先座標とを含んだ信号のパケットを生成する。パケットの生成は処理部６０（図３参照）により行われる。
【００５０】
図１２に戻って、送信元の通信素子（１，１）が信号を送信すると、その信号は周辺の通信素子、すなわち座標（０，０）、（２，０）、（３，１）、（２，２）、（０，２）、（−１，１）に位置する通信素子に伝達される。これらの通信素子は、信号を受け取ると、自身が位置する座標をもとに信号を中継するか否かを決定する。この決定は、送信元座標（１，１）と送信先座標（７，７）との間に、空間的に自身が位置するか否かを判定することにより行われ、具体的には、送信元の通信素子（１，１）と、送信先の通信素子（７，７）とを結ぶ経路上に自身が位置するか否かを判定することにより行われる。
【００５１】
この例では、通信素子（２，２）が、通信素子（１，１）と通信素子（７，７）を結ぶ経路上に位置することを判定し、信号を中継することを決定する。通信素子（２，２）は、受け取った信号を送信し、それ以外の通信素子は応答しない。以後、信号は、通信素子（３，３）、通信素子（４，４）、通信素子（５，５）、通信素子（６，６）により中継されて通信素子（７，７）に伝達される。
【００５２】
本実施の形態においては、各通信素子が、自身の座標と、送信元および送信先の座標との関係により、信号を中継すべきか否かを判断する。通信経路を予め定めておく必要はなく、単純なアルゴリズムで動的に最短経路を設定し、信号を伝達することが可能となる。
【００５３】
以上のように、通信装置１００は、通信素子２００間で信号を伝達することが可能となる。各通信素子２００の有効通信距離の範囲内には、既述のような通信素子２００間で要求される通信機能を有しないシンプルな他の通信素子を配置してもよい。このシンプルな通信素子は、通信素子２００の管理下におかれる。この関係から、通信素子２００を親素子と呼び、その管理下にある通信素子を子素子と呼ぶ。上記のごとく、親素子となり、信号伝達に寄与する通信素子２００は、自身の二次元座標などのＩＤを有している。
【００５４】
この親子関係は、親素子が応答要求を定期的に発行し、それに子素子が応答することで動的に形成される。具体的にはまず親素子は自分のＩＤをパケットに埋め込んだ「応答要求コマンド」を送信する。すでに親素子が確定している子素子はそれに応答することはなく、まだ親素子が確定していない子素子は、乱数による待機時間の後、自分がその親素子に子供になることを意思表示するパケットを発行する。このパケットを受け取った親素子は直ちにＩＤ確定コマンドを送出し、その子素子に、自分の管轄内でのＩＤを割り当てる。このようにして任意の子素子は動的に近傍の１次素子とユニークな親子関係を確立する。なお子素子は組み込みの素子でもよいし、コネクタを介して信号層に接続された情報機器であってもよい。
【００５５】
通信装置１００において、子素子は、親素子との間でのみ通信を可能とする。親素子である通信素子２００は、子素子から発信された信号を、周辺の通信素子２００に伝達する役割と、また別の通信素子２００から送信された信号を、子素子に伝達する役割をもつ。親素子は、複数の子素子を管理してもよく、割り当てたＩＤにより、管理下の子素子を特定する。
【００５６】
＜第２の実施の形態＞
図１４および図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る通信装置４００の構成を示す。第２の実施の形態に係る通信装置４００は、単一の構造をもつ通信素子を用いていながら、すべて通信素子のＩＤを自動的に設定することができる。また、すべての通信素子は、他の任意の素子にパケットを送るために次にどの素子にパケットを渡すべきか書かれたテーブル（通信経路テーブル）を自動生成することができる。通信経路テーブルのサイズは概ね全素子数の対数の２乗に比例する。通信装置４００は、以上の特長をもつことができ、また簡単な機能を付加することで容易にトラフィックの集中を回避することができる。なお、上記した特徴は例であって、通信装置４００は、これらのうちの１つの特長を有していればよく、また好ましくは全ての特長を有してもよい。
【００５７】
各通信素子の通信距離は、周辺に配置された他の通信素子と局所的な通信を行える程度に設定されている。例えば、図１４（ａ）を参照して、通信素子５００ａの通信距離は、他の通信素子５００ｂ、５００ｃ、５００ｄと通信できる程度に設定される。なお通信素子５００は、第１の実施の形態で説明した通信素子２００の構造および形態をとってもよい。物理的な信号は、信号を発信した通信素子の近傍に配置された他の通信素子にのみに到達し、以下では、直接信号が届く範囲にある素子を「隣接素子」あるいは「近傍素子」とよぶ。第２の実施の形態に係る通信装置４００は、信号（パケット）を通信素子間で連鎖伝達することで、任意の素子の識別番号と、通信経路テーブルを自動生成することができる。
【００５８】
このアルゴリズムの概要を説明すると、まず、各通信素子は周辺に存在する素子の間でＭ個ずつ又はＭ個以内のグループ（１次グループ）を作り、各メンバは１からＭまでの「０次ＩＤ」を取得する。なおＭは２以上の整数である。次に近接するＭ個の１次グループとで２次グループをつくり、各１次グループは２次グループ内でのＩＤとなる１からＭまでの１次ＩＤを取得する。以後、Ｎ次グループはＭ個集まって（Ｎ＋１）次グループをつくり、Ｎ次ＩＤを取得する。Ｍは２以上の任意の値でよいが、実現の容易性から、Ｍ＝２と設定した場合に、アルゴリズムが簡易となり好ましい。以下、Ｍ＝２の場合の具体的なアルゴリズムを説明する。
【００５９】
図１４（ａ）は、通信装置４００内に分散配置される複数の通信素子５００を示す。具体的に通信装置４００は、複数の通信素子５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、５００ｅ、５００ｆ、５００ｇおよび５００ｈを備える。通信装置４００において、近傍素子間でＩＤ衝突が発生しない十分な桁数（例えば２０ビット）のＩＤを、製造時あるいは電源投入後に乱数発生器によって取得する。これを「初期ＩＤ」とよび、初期ＩＤを用いて隣接素子とパケットを交換しながら以下のアルゴリズムを実行する。以下のアルゴリズムによって最終的に割り振られたＩＤは「初期ＩＤ」に対し「階層ＩＤ」とよぶ。
【００６０】
まず、隣接する二つの通信素子間でペアをつくり、これを「１次ペア」とする。図１４（ｂ）は、隣接通信素子間でペアを形成した状態を示す。この例では、通信素子５００ａ、５００ｂが１次ペア４１０ａ、通信素子５００ｃ、５００ｄが１次ペア４１０ｂ、通信素子５００ｅ、５００ｆが１次ペア４１０ｃ、通信素子５００ｇ、５００ｈが１次ペア４１０ｄを構成する。各１次ペアは、点線で囲って図示されている。各１次ペアを構成する通信素子のうち一方のＩＤ（０次ＩＤ）を０とし、他方を１とする。この１ビットが「階層ＩＤ」の最下位ビットとなる。
【００６１】
図１５（ａ）は、１次ペア間で２次ペアを形成した状態を示す。この例では、１次ペア４１０ａと１次ペア４１０ｂが２次ペア４２０ａ、１次ペア４１０ｃと１次ペア４１０ｄが２次ペア４２０ｂを構成する。各２次ペアを構成する１次ペアのうち、一方のＩＤ（１次ＩＤ）を０とし、他方を１とする。図１５（ｂ）は、２次ペア間で３次ペアを形成した状態を示す。この例では、２次ペア４２０ａと２次ペア４２０ｂが、３次ペア４３０を形成する。同様に、一方の２次ペアのＩＤ（２次ＩＤ）を０とし、他方を１とする。上述のとおり、この例は、グループをＭ個以下の要素により構成する場合のうち、特に２個の要素により構成する場合を示している。なお、通信素子５００ａに関してみると、０次ＩＤが「１」、１次ＩＤが「０」、２次ＩＤが０と設定される。これにより、通信素子５００ａの階層ＩＤ、すなわち通信装置４００における装置ＩＤを（００１）と設定することができる。
【００６２】
図１６（ａ）は、ペア要求コマンドのパケットを示す。各通信素子５００は電源投入後、乱数できまる時間だけ待機し、ペア要求コマンドを送信する。説明のため、このコマンドを送信した通信素子を素子Ａとよぶ。第１フィールドの「コマンド名」は、ペア要求コマンドを指示する信号が入り、第２フィールドには、「作りたいペアの次数」が記述される。したがって、１次ペア生成プロセスにおいては、第２フィールドには、「１」が記述される。なお、１次ペア生成プロセスにおいては、第３フィールドの「要求レベル」は常に１としておく。第４フィールドの「送信素子の初期ＩＤ」には、乱数を用いて生成したＩＤが入力される。要求コマンドを受け取った各素子は以下のように反応する。
【００６３】
自身の０次ＩＤがまだ確定していなければ、乱数できまる待機時間の後、ペア要求受信通知コマンドを発行する。図１６（ｂ）は、ペア要求受信通知コマンドのパケットを示す。このとき第２フィールドには、「ペア要求コマンドを送信した素子の初期ＩＤ」を記述する。このペア要求受信通知コマンドを発行した素子を、説明のため素子Ｂとよぶ。すでに０次ＩＤが確定していればペア要求コマンドは無視する。
【００６４】
素子Ｂからのペア要求受信通知コマンドを受け取った素子Ａは、コマンドに書かれた「ペア要求コマンドを発行した素子の初期ＩＤ」と自身の初期ＩＤを照合し、一致していれば即座にペア確定コマンドを素子Ｂに対し送信する。この時点で素子Ａの０次ＩＤは「１」と決定する。図１６（ｃ）は、ペア確定コマンドのパケットを示す。第２フィールドには、「作りたいペアの次数」を記述する。したがって、この場合は、「１」が記述される。また、第３フィールドには、素子Ｂの確認用に、「素子Ｂの初期ＩＤ」を記述する。
【００６５】
ペア確定コマンドを受け取った素子Ｂは、ペア確定コマンドの第３フィールドの項目を照合して、自身の初期ＩＤと一致していれば、０次ＩＤとして「０」を確定する。さらに、自分自身の「初期ＩＤ」を素子Ａの初期ＩＤに書き換える。これによって、ペアを形成した素子Ａと素子Ｂの初期ＩＤを共通化する。なお、自分あてのペア確定コマンドが一定時間経過しても到来しない場合、素子Ａは他の素子とペアを確定したものとみなし、一定時間待機後に自身で「ペア要求コマンド」を発行するか、待機中に受信した他の素子からの「ペア要求コマンド」に応答する。以上により、図１４（ｂ）に示すように、点線で囲むような１次ペアを確定することができる。
【００６６】
１次ペアが確定したら、各素子は乱数時間待機ののち、再び隣接素子に対し２次ペア要求コマンドを発行する。「２次ペア」とは、１次ペアの二組からなるペアのことである。２次ペア要求コマンドは、図１６（ａ）に示した「ペア要求コマンド」の２番目のフィールドに「２」を代入することで指定する。また最初にペア要求コマンドを送信する際、３番目のフィールドの「要求レベル」は０としておく。説明のため、２次ペア要求コマンドを発行した素子を素子Ａとよぶ。コマンドを受け取った近傍素子（以後素子Ｂとよぶ）のこの後の動作は以下のようである。
【００６７】
同じ「初期ＩＤ」をもつ素子（１次ペア形成の際に、ペアの初期ＩＤは同一になるように書き換えてある）から２次ペア要求コマンドを受け取った場合は、応答しない。また、すでに自分が属する２次ペアが確定している場合や、まだ１次ペアが確定していない場合は応答しない。これらの条件を満たさない場合は、次の調整プロセスに入る。１次ペアを構成する各素子は独立に２次ペア要求コマンドを送信、受信する可能性があるため、１次ペアが唯一の２次ペアに属するようにするには調整作業が必要になる。調整のアルゴリズムは、以下のとおりである。
【００６８】
ステップ０）１次ペアのうち、その初期ＩＤの最下位ビットが０であるものは「要求側」とし、最下位ビットが１であるものは「決定側」と２種類の属性に色分けする。
【００６９】
ステップ１）「要求側」ペアに属する任意の素子は、近傍素子に対し、「要求レベル０の２次ペア要求コマンド」を送信する。
【００７０】
ステップ２）２次ペア要求コマンドを受信した「決定側」素子は、即座にペア要求受信通知コマンドを返送する。この状態を「仮結合した」状態とよぶ。なお、要求側素子は２次ペア要求コマンドに対して応答しない。
【００７１】
ステップ３）仮結合した「要求側」素子は、最終的にどの１次ペアに対し２次ペア要求を出すかを一つに絞り込む。この優先度の決定は、自身の０次ＩＤに基づいて行なう。
【００７２】
３−１）０次ＩＤが「１」である素子が仮結合した場合には、その素子の要求を最高優先度とし、その素子から「要求レベル１」の２次ペア要求コマンドを送信する。
【００７３】
３−２）０次ＩＤが「０」である素子が仮結合した場合には、仮結合調査用マルチキャストをペアの素子Ｃ（０次ＩＤが１の素子）に対して送信し、もし素子Ｃが仮結合していなければ、自分（０次ＩＤが０の素子）が「要求レベル１」の２次ペア要求コマンドを送信する。
【００７４】
上記３−１）または３−２）の手続きによって要求レベル１のペア要求コマンドが送受信された素子の対は「選択結合」の状態にあるとよぶ。
【００７５】
図１６（ｄ）は、仮結合調査用マルチキャストのパケットを示す。第２フィールドには、「作りたいペアの次数ｎ」が記述され、この場合は、ｎ＝２が記述される。
【００７６】
ステップ４）要求レベル１の２次ペア要求コマンドを受信した「決定側」ペアの素子は以下のように動作し、唯一の２次ペアを確定する。
【００７７】
４−１）コマンドを受信した素子の０次ＩＤが１の場合、コマンドを送信したペアとでただちに２次ペアを確定する。即座に「２次ペア確定マルチキャスト」を１次ペアに対して送信し、さらに選択結合にある「要求側」の素子に対し、「２次ペア確定通知」を行なう。２次ペア確定通知を受信した「要求側」の素子は、自身が結合素子として確定したと認識し、ただちに「２次ペア確定マルチキャスト」続いて「ＩＤ書き換えマルチキャスト」を送信する。ＩＤ書き換えマルチキャストは、結合素子の属する１次ペア内の素子に対して送信され、これを受け取った素子は自身の初期ＩＤを「決定側」の初期ＩＤに書き換える。その結果、一つの２次ペア内では、各素子は単一の初期ＩＤをもつことになる。
【００７８】
４−２）コマンドを受信した素子の０次ＩＤが０の場合、すでに２次ペア確定マルチキャストを受信している場合にはそれにしたがう。２次ペア確定マルチキャストが到達しない場合、「選択結合調査用マルチキャスト」を送信する。ペアの素子（０次ＩＤが１の素子）は２次ペアが未確定の場合、「ペア未確定コマンド」を返答する。ペア未確定コマンドを送信した素子は、ステップ５）のプロセスに移行するまで確定の権利を失う。ペア未確定コマンドが受信された場合には、その素子（１次ＩＤが０の素子）と選択結合にある素子が属するペアとで２次ペアを確定する。以下４−１）と同様にペア確定通知、ＩＤ書き換えを実行する。
【００７９】
以上４−１）および４−２）のプロセスにより、最終的に確定された結合に直接関与する二つの素子を「結合素子」とよぶ。２次ペアが確定すると、「決定側」に１次ＩＤとして０が割り当てられ、「要求側」に１が割り当てられる。なお、この１次ＩＤはペア確定マルチキャストの３番目のフィールドに書かれている。
【００８０】
図１７（ａ）は、ペア確定マルチキャストのパケットを示す。第２フィールドには、「確定したペアの次数」が記述される。図１７（ｂ）は、ペア確定通知コマンドのパケットを示す。第２フィールドには、「確定したペアの次数」が記述される。図１７（ｃ）は、ＩＤ書き換えマルチキャストのパケットを示す。第２フィールドには、「書き換え前の初期ＩＤ」が記述される。図１７（ｄ）は、選択結合調査用マルチキャストのパケットを示す。第２フィールドには、「作りたいペアの次数ｎ」が記述される。図１７（ｅ）は、ペア未確定コマンドのパケットを示す。第２フィールドには、「確定しようとするペアの次数」が記述される。
【００８１】
ステップ５）２次ペアが確定した素子は、以後２次ペア作成に関する他の素子からのコマンドには一切応答しない。選択結合しながらも、「決定側」から２次ペアとして選択されなかったペアは、再びステップ１）に戻る。なお、要求側ペアと決定側ペアが隣接していないと２次ペアが生成できないため、一定時間ごとにランダムに役割（要求と決定）を変更する。具体的には、１次ＩＤが１である素子が、一定時間経過するごとに初期ＩＤの注目ビットを再下位ビットから順に上位ビットへとシフトしていき、ペアの役割（要求と決定）を注目ビットの１、０に応じて変更する。役割変更の伝達は「要求−決定交換マルチキャスト」を送信することにより行なう。「要求−決定交換マルチキャスト」を受け取った素子は即座に役割を入れ替える。
【００８２】
図１８（ａ）は、要求−決定交換マルチキャストのパケットを示す。第２フィールドには、「作りたいペアの次数」が記述され、第３フィールドには、「要求、決定の別」が記述される。
【００８３】
ステップ６）結合素子（最終的に採用された結合の一組の素子）のＩＤをそれらが属する２次ペア内に、マルチキャストする。すなわち、１次ペアＰとＱに属する素子ａおよびｂが２次ペア（Ｐ，Ｑ）の結合素子であったとすると、Ｐに属する素子とＱに属する素子の全てにａおよびｂの階層的ＩＤをマルチキャストする。この階層ＩＤは、「通信経路の決定」に利用される。
【００８４】
図１８（ｂ）は、結合通知マルチキャストのパケットを示す。なお、２次ペアの確定に際し、結合通知マルチキャストの送信は必ずしも必要ではないが、高次ペア確定の手続きには、このパケット送信は必要となる。
【００８５】
ｎ次以上のＩＤの確定は、２次のＩＤの確定の場合と同様である。（ｎ−１）次ペアが確定したら、各素子は乱数時間待機ののち、再び隣接素子に対しｎ次ペア要求コマンドを送信する。「ｎ次ペア」とは、（ｎ−１）次ペアの二組からなるペアのことである。ｎ次ペア要求コマンドは、図１６（ａ）に示した「ペア要求コマンド」の２番目のフィールドに「ｎ」を代入することで指定する。説明のため、ｎ次ペア要求コマンドを送信した素子を素子Ａとよぶ。コマンドを受け取った近傍素子（以後素子Ｂとよぶ）のこの後の動作は以下のようである。
【００８６】
同じ「初期ＩＤ」をもつ素子（ｎ−１次ペア形成の際に、ペア内の初期ＩＤは同一になるように書き換えてある）からｎ次ペア要求コマンドを受け取った場合は、応答しない。また、すでに自分が属するｎ次ペアが確定している場合や、まだ（ｎ−１）次ペアが確定していない場合は応答しない。これらの条件を満たさない場合は、次の調整プロセスに入る。調整のアルゴリズムは、以下のとおりである。
【００８７】
ステップ０）ｎ−１次ペアのうち、その初期ＩＤの最下位ビットが０であるものは「要求側」とし、最下位ビットが１であるものは「決定側」と２種類の属性に色分けする。
【００８８】
ステップ１）「要求側」ペアに属する任意の素子は、近傍素子に対し、「要求レベル０のｎ次ペア要求コマンド」を送信する。
【００８９】
ステップ２）要求レベル０のｎ次ペア要求コマンドを受信した「決定側」素子は、乱数できまる時間待機した後にペア要求受信通知コマンドを返送する。このことを「仮結合した」とよぶ。なお、要求側素子はｎ次ペア要求コマンドに対して応答しない。
【００９０】
ステップ３）仮結合した「要求側」素子は、最終的にどの（ｎ−１）次ペアに対しｎ次ペア要求を出すかを一つに絞り込む。この優先度の決定は、自身の（ｎ−１）次までのＩＤに基づいて行なう。
【００９１】
３−１）仮結合した素子は、仮結合調査用マルチキャストを送信する。
３−２）自分自身に到達したマルチキャストの３番目のフィールド（ｎ−１次までのコマンド送信素子階層ＩＤ）と自分自身の階層ＩＤを比較し、自分自身の階層ＩＤの値が最大である場合に、「要求レベル１」のｎ次ペア要求コマンドを送信する。自分の階層ＩＤより大きな階層ＩＤが仮結合素子の中に存在した場合は、何もしない。なお、この手続きによって要求レベル１のペア要求コマンドが送受信された素子の対は「選択結合」の状態にあるとよぶ。
【００９２】
ステップ４）要求レベル１のｎ次ペア要求コマンドを受信した「決定側」ペアの素子は以下のように動作し、唯一のｎ次ペアを確定する。
【００９３】
４−１）要求レベル１のｎ次ペア要求コマンドを受信した素子は、自身が属するｎ−１次ペア内に対し、選択結合調査用マルチキャストを送信する。
【００９４】
４−２）自分自身に到達したマルチキャストの３番目のフィールド（ｎ−１次までのコマンド送信素子階層ＩＤ）と自分自身の階層ＩＤを比較し、自分自身の階層ＩＤの値が最大である場合に「ｎ次ペア確定マルチキャスト」を自分が属するｎ−１次ペアに対して送信し、さらに選択結合にある「要求側」の素子に対し、「ｎ次ペア確定通知」を行なう。ｎ次ペア確定通知を受信した「要求側」の素子は、ただちに「ｎ次ペア確定マルチキャスト」、続いて「ＩＤ書き換えマルチキャスト」を、自分の属する（ｎ−１）次ペア全体に送信する。この結果初期ＩＤは、決定側の初期ＩＤに統一される。
【００９５】
以上４−１）および４−２）のプロセスにより、最終的に確定された結合に直接関与する二つの素子を「結合素子」とよぶ。ｎ次ペアが確定すると、「決定側」にｎ−１次ＩＤとして０が割り当てられ、「要求側」に１が割り当てられる。
【００９６】
ステップ５）ｎ次ペアが確定した素子は、以後ｎ次ペア作成に関する他の素子からのコマンドには一切応答しない。選択結合しながらも、「決定側」からｎ次ペアとして選択されなかったペアは、再びステップ１）に戻る。なお、要求側ペアと決定側ペアが隣接していないとｎ次ペアが生成できないため、一定時間ごとにランダムに役割（要求と決定）を変更する。具体的には、（ｎ−１）次までのＩＤが１１−−−１である素子が、一定時間経過するごとに初期ＩＤの注目ビットを再下位ビットから順に上位ビットへとシフトしていき、ペアの役割（要求と決定）を注目ビットの１、０に応じて変更する。役割変更の伝達は「要求−決定交換マルチキャスト」を送信することにより行なう。「要求−決定交換マルチキャスト」を受け取った素子は即座に役割を入れ替える。
【００９７】
ステップ６）結合素子（最終的に採用された結合の一組の素子）のＩＤをそれらが属するｎ次ペア内に、マルチキャストする。すなわち、ｎ−１次ペアＰとＱに属する素子ａおよびｂがｎ次ペア（Ｐ，Ｑ）の結合素子であったとすると、Ｐに属する素子とＱに属する素子の全てにａおよびｂの階層的ＩＤをマルチキャストする。この階層ＩＤは、「通信経路の決定」に利用される。
【００９８】
階層的ＩＤを割り振られた素子は、ただちに通信経路も得ることができる。以下そのアルゴリズムを説明する。
前提：階層的ＩＤ確立後に各素子が保持している情報
１．自分自身の階層的ＩＤ（０からＮ−１までのＮビットとする）
２．自分が属するｎ次ペア（ｎ＝１，  −−−，  Ｎ）  の結合素子のうち、自分と同じｎ−１次ペアに属する方の結合素子のＩＤ  Ｃ（ｎ）。  なお、ｎ  ＝  １  のとき  「ｎ−１  次ペア」は、ペアではなく自分自身であるが、アルゴリズムの説明の都合上、ｎ＝１の場合もテーブルの要素に含める。以後このＮ個のＩＤテーブルを「結合テーブル」とよぶ。
３．自分自身が、結合素子である場合、対となるもう一方の結合素子の階層ＩＤとその結合次数。
自分自身の階層的ＩＤをＡ、信号を送信したい相手の素子（目的地素子）の階層的ＩＤをＢとする。
【００９９】
ステップ０）「当座目的地」ｘの初期値として最終目的地のＩＤであるＢを代入する。
【０１００】
ステップ１）ＡとＢを最上位ビット（Ｎ次ペアのＩＤ＝Ｎ−１次ＩＤ）から順に見ていき、はじめて不一致が発生するビットｋ（以後これを「分岐ビット」とよぶ）を発見する。なお、ｋ  ＝  ０が最下位ビットであり、例えば  ｋ  ＝  ３  であれば、４次ペア中の３次ＩＤがＡとＢとで異なることを意味する。
【０１０１】
ステップ２）自分自身の「結合テーブル」の中から、ｋ次ペア間の結合素子のＩＤを見つける。このＩＤを新たなｘとする。（自分が属するｋ次ペアの下には目的地素子は存在しないため、もう一方のｋ次ペアに移動する必要がある。その移動のためには、信号をまずｘに渡す必要がある。そこでｘが当面の目的地となる。）
【０１０２】
ステップ３）Ａとｘを、ｋビットめから下位ビットへと順に見ていき、最初の分岐ビットｋ１を発見する。
【０１０３】
ステップ４）ｋ１  ＞  ０ならｋ  ＝  ｋ１  とおき直し、ステップ２）へ戻る。  ｋ１  ＝  ０のときは、パケットを１次ペアの一方に送信し、動作を終了する。分岐ビットが存在しないとき（すなわち自分自身がｋ次ペアの結合素子である場合）は、対となる結合素子にパケットを送信し、動作を終了する。パケットには目的地素子ＩＤが含まれており、これ受信した素子は上記アルゴリズムを実行する。
【０１０４】
以上を繰り返すと、有限回の転送で素子Ｂにパケットが到達する。なお、このアルゴリズムのままでは、上位ペアの結合素子周辺にトラフィック集中が発生するが、各素子が近傍素子のＩＤを「近傍素子テーブル」に保存しておき、上記ステップ１）において、近傍素子テーブル内の素子とＢとを比較したときの分岐がなるべく下位ビットで発生するような素子へ信号を転送するアルゴリズムを付加すれば、トラフィック集中を容易に緩和することができる。これの機能を付加したアルゴリズムを以下に示す。
【０１０５】
前提の改良：
上記前提に加え、近傍素子の階層ＩＤを「近傍素子テーブル」に保存しておく。保存されたそれらのＩＤをＪ（ｉ）とする。（ｉ＝  １，２，  −−  ｍ  ：  ｍは近傍素子の総数）（改良アルゴリズム）
ステップ１）Ｊ（ｉ）とＢを比較し、分岐が最も下位に発生するＪ（ｉ）を探索し、この分岐ビットをｋ＿ｍｉｎとする。ＡとＢとの分岐ビットｋとｋ＿ｍｉｎを比較し、ｋ＿ｍｉｎ  ＜  ｋの場合には、ｋ＿ｍｉｎに対応する素子Ｊ（ｉ＿ｍｉｎ）  にパケットを転送する。パケットには目的地素子ＩＤが含まれており、それを受け取った素子は、Ａと同じアルゴリズムを実行する。  ｋ＿ｍｉｎ  ＜  ｋでない場合は、前述の改良前アルゴリズムと同一の動作を実行する。
【０１０６】
これまでのプロトコルでは、説明を簡単にするため、ペアリングができなかった素子については無視して説明してきた。しかし前述のアルゴリズムのままでは、ｎ次ペアの生成が終了した素子に取り囲まれ孤立してしまったｎ−１次ペアは、以後も孤立したままであり、通信の体系から外れてしまう。これについては以下のようにアルゴリズムに若干の改良を加えることで対処することができる。
【０１０７】
新しいアルゴリズムでは、１つの次数のペアのＩＤを表現するのに（１ビットではなく）２ビットを用いる。したがって、ペアの最高字数をＮとすると、その階層ＩＤの表記には２Ｎビットを要する。以下順に、アルゴリズムの変更点を説明する。
【０１０８】
＜１＞初期ＩＤの設定：変更点はなし。
＜２＞１次ペアの形成と０次ＩＤの確定
これまでどおり「１次ペアと０次ＩＤの確立」に書かれた▲１▼〜▲３▼のプロセスを実行する。このプロセスを実行してもペアが見つからない場合、その素子Ａは孤立素子であると判断し、以下の「従属要求コマンド」を要求レベル１で送信する。
【０１０９】
図１９（ａ）は、従属要求コマンドのパケットを示す。第２フィールドには、従属したいペアの次数が記述される。なお、この場合は、１に設定される。以後の動作は、通常のペア生成と同様である。すなわち、「従属要求コマンド」を受信した素子Ｂは、乱数できまる待機時間の後に以下の「従属要求受信通知コマンド」を送出する。
【０１１０】
図１９（ｂ）は、従属要求受信通知コマンドのパケットを示す。従属要求コマンドを送信した素子Ａは、この返事を確認し、以下の「従属確定コマンド」を返送する。これによって素子Ａは素子Ｂと同じ１次ペアに属することとなり、これをうけて素子Ｂは「従属確定通知コマンド」を素子Ａに送り、０次ＩＤとして「２」を割り当てる。この０次ＩＤは従属確定コマンドの３番目のフィールドに書かれている。ここで従属許可を出した素子Ｂは、自身が属する１次ペアの一方の素子に対し、そのような従属許可を出したことを「従属確定マルチキャスト」によって通知する。なお、一つの素子に対する従属が終了した後、再び同じペアに従属要求が到達した場合、追加従属を受け入れ、従属素子に０次ＩＤ「３」を割り当てる。これ以後の従属要求には応じない。
【０１１１】
図１９（ｃ）は、従属確定コマンドのパケットを示し、図１９（ｄ）は、従属確定通知コマンドのパケットを示し、図１９（ｅ）は、従属確定マルチキャストのパケットを示す。
【０１１２】
次に、ｎ次ペアの形成とｎ−１次ＩＤの確定の方法を示す。なお、２次ペアの形成は  ｎ  ＝  ２  とすればよいので省略する。まずこれまでどおり、要求役割変更を行うステップ５）までを実行する。「要求−決定役割変更」をしてもペアが見つからない場合、そのｎ−１次ペアは孤立していると判断し、以下のプロトコルを実行する。なお、これらのプロトコルも通常のペア形成コマンドに準じている。
【０１１３】
まず、孤立したｎ−１次ペアＰに属する任意の素子Ａは、「要求側」となり、近傍素子に対し「要求レベル０のｎ次従属要求コマンド」を送信する。なお、このコマンドは従属要求コマンドの２番目のフィールドに  ｎ  を代入したものである。要求レベル０のｎ次従属要求コマンドを受信した素子Ｂは乱数できまる時間待機したのち、従属要求受信通知コマンドを返送する。なおｎ従属要求コマンドを受信した素子は、通常のペア形成における「決定側」と類似した振舞いをする。ここまでの段階を、通常のペア形成におけるときと同様素子ＡとＢが「仮結合した」段階とよぶ。
【０１１４】
仮結合した「要求側」素子（すなわちＰに属する素子）は、通常のペア形成プロセスと同じプロセスで、最終的にｎ次従属要求を出す素子を一つに絞り込む。ここで用いられるコマンド（仮結合調査用マルチキャスト）および選択の手続きは「ステップ３）」と同一であり、要求レベル１の従属要求コマンドを送受信した素子の対は「選択結合」の状態にあるとよぶ。
【０１１５】
要求レベル１のｎ次従属要求コマンドを受信した「決定側」ペアの素子は、通常のペア確定プロセスと同様に、選択結合調査用マルチキャストを送信し、従属を許可する選択結合を決定する。これが決定すると、通常のペア確定時と同様に、ただちに「ｎ次従属確定マルチキャスト」を自分が属するｎ−１次ペアに対して送信し、続いて選択結合にある「要求側」の素子に対し、「ｎ次従属確定通知」を行う。このｎ次従属確定通知を受信した「要求側」の素子は、ただちに「ｎ次従属確定マルチキャスト」続いて「ＩＤ書き換えマルチキャスト」を自身の属するｎ−１次ペアに属するペア全体に通知し、ＩＤをｎ次ペア内で統一させる。なお、従属したｎ−１次ペアのｎ−１次ＩＤは、従属確定コマンドの３番目のフィールドによって連絡され、最初の従属要求に対しては「２」が与えられる。その後で生じた従属要求に対しては「３」が与えられ、それ以降に発生した従属要求には応じない。
【０１１６】
以上のプロセスにより、最初のペアリングに失敗したペアも階層構造の中に組み込まれた。経路探索のアルゴリズムは次のように修正を受ける。
【０１１７】
階層的ＩＤ確立後に各素子が保持している情報は、以下のとおりである。
１．自分自身の階層的ＩＤ（各次数に２ビット、全体で２Ｎビット）
２．自分が属するｎ次ペア（ｎ  ＝  １，  −−−，Ｎ）に属する（自分以外の）Ｍ個のｎ−１次ペアＰｉ（ｉは１からＭの整数。Ｍ＝１，２または３）に対し、自分の属するｎ−１次ペアＲから結合を介してＰｉ  へ到達する際に、Ｐｉへの入り口となる結合素子の手前側ＩＤ  Ｃｉ（ｎ）（例えばＲ  −  Ｑ  −  Ｐｉ  のように到達できる場合、ＱとＰｉとの結合素子のうち、Ｑに属する方の素子のＩＤ）のテーブル。このＩＤテーブルをこれまでと同様に「結合テーブルとよぶ」
３．自分自身が結合素子である場合、対となるもう一方の結合素子の階層ＩＤとその結合次数。
【０１１８】
これ以降のアルゴリズムはこれまでと同様である。自分自身の階層的ＩＤをＡとし、目的地素子の階層的ＩＤをＢとすると、
【０１１９】
ステップ０）「当座目的地」ｘの初期値として最終目的地のＩＤであるＢを代入する。
【０１２０】
ステップ１）まずＡとＢを最上位次数ＩＤに対応するビットから２ビットずつを組にして順にみていき、はじめて不一致が発生する（２ｋ，  ２ｋ＋１）ビットを発見する（これを分岐ビットとよぶ）。たとえば  ｋ＝３  すなわち最下位を０ビットとして６ビットと７ビットが表すＩＤに不一致が見られる場合には４次ペア中の３次ＩＤが異なることを意味する。
【０１２１】
ステップ２）目的地素子自分自身の「結合テーブル」の中から、ｘのｋ次ペアへの入り口となる接合素子のＩＤを見つける。このＩＤを新たなｘとする。
【０１２２】
ステップ３）Ａ  と  ｘ  を、（２ｋ，  ２ｋ＋１）  ビットから下位ビットへと順に見ていき、最初の分岐ビット（２ｋ１，  ２ｋ１＋１）  を発見する。
【０１２３】
ステップ４）ｋ１＞０  なら  ｋ  ＝  ｋ１  とおき直し、ステップ２）へ戻る。ｋ１  ＝  ０  のときは、１次ペア内の素子のうち、ｘにより近付く位置にある素子に信号送信し、動作を終了する。分岐ビットが存在しないときは、（自身が目的地に向かう結合素子であるから）対となる結合素子に信号送信し、動作を終了する。パケットには目的地素子ＩＤが含まれており、信号を受信した素子は上記アルゴリズムを実行する。
【０１２４】
以上の変更により、全ての素子が一つのＩＤの体系に含まれ、ＩＤ確立と同時に全ての素子間に通信経路が確定することになる。なお、トラフィック集中の解消方法は変更前と同様である。
【０１２５】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態は、二次元通信装置の製造方法を提供する。具体的には、通信素子を、導電性のシート上に配置し、そこに絶縁性の材料と、導電性の材料を交互にスプレーで塗布して製造することを特徴とする通信装置およびその製造方法を提供する。大量の微小素子を配置する技術に関しては、回路基板作製技術に膨大なノウハウの蓄積があるが、容易に変形するゴムや布の表面に個々の素子を配置し、結線するのは容易ではない。本発明の第３の実施の形態は、２次元通信素子に個別配線が不要である特徴を活かし、２次元通信のインターフェースをもつ機能素子・通信素子を、容易な製造プロセスで柔軟なゴムや布のシート上に組み込むことを可能にする。
【０１２６】
図２０（ａ）〜（ｄ）は、通信装置の製造プロセスを説明するための図である。図２０（ａ）において、まず、ゴム、または布の導電性シートを用意する。図２０（ｂ）は、導電性シート上に通信素子を分散配置させた状態を示す。図２０（ｃ０（ｃ）において、通信素子の上方から絶縁体を噴霧し、固化させる。素子表面電極とは親和性の小さな材料を選択する。続いて図２０（ｄ）において、導電性材料を噴霧、固化させ、通信層を完成させる。以上により、通信装置を簡易に製造することが可能となる。
【０１２７】
＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態は、二次元通信装置の別の構造および製造方法を提供する。図２１は、通信装置の構造の一例を示す。図２１に示すように、通信層に対して、通信素子と補助部品で挟み込むことにようにして通信素子を接続させる。通信シートを両側から二つの部品で挟むだけで、分布通信システムが実現する。導電体部品を先端が鋭利なピン状にすることによって、通信シートに対する穴あけの作業を省略することも可能である。
【０１２８】
＜第５の実施の形態＞
本発明の第５の実施の形態は、二次元通信装置のコネクションに関する。図２２は、誘導結合を用いた近接接合を行うコネクタを示す。このコネクタによると、エネルギの供給も可能である。導電性の繊維によって２次元通信シート上に作製したコイルを介して、２次元通信シートに近接する物体と情報の交換を行う。
【０１２９】
図２３は、光を用いる近接接合を行うコネクタを示す。発光素子（ＬＥＤ等）と受光素子（フォトダイオード等）を２次元シート上に実装し、それと近接するデバイス間で光による通信を行う。
【０１３０】
図２４は、容量結合利用する近接接合を行うコネクタを示す。通信層の表面に配置された電極（導電性繊維等で作製）に、外部の通信装置を近接させる。外部通信装置表面の電極と２次元通信層上の電極との容量結合を介して、信号を送受信する。
【０１３１】
図２５および図２６は、機械的なコネクタを示す。機械的コネクタの構造として、図２６のように通信層を両側から挟みこむコネクタを提案する。図中、白い領域以外の部分は絶縁体であり、通信層を両側から挟みこむことで容易に電気的接触を確保する。通信層の片側からピン状の先端をもつ接点素子を押しこんで締め付けることにより、通信層と容易に電気的接触が確保できる。また、あらかじめ、小型軽量なワッシャ状の部品Ａを多数通信層に埋め込んである通信層を製造し、そこにコネクタを挿入することで容易に機械的接触を確保することができる。
【０１３２】
以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、実施の形態の組み合わせ、またそれらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明によれば、新規な通信技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係る通信技術の方式を説明するための図である。
【図２】実施の形態にかかる通信装置の外観構成を示す図である。
【図３】通信素子の機能ブロック図である。
【図４】（ａ）は通信装置の断面図であり、（ｂ）は通信装置の別の例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は通信デバイスが信号を発信する基本原理を説明するための図であり、（ｂ）は通信デバイスが信号を発信する原理の別の例を説明するための図である。
【図６】通信素子を備えた通信デバイスを示す図である。
【図７】（ａ）は通信デバイスを実現する回路動作の概要を示す図であり、（ｂ）は第１信号層に印加する交流電圧の振幅を制限する回路の例を示す図である。
【図８】（ａ）は通信素子の具体的な構成例を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は、通信素子による信号発信の原理を説明するための図である。
【図９】Ｐ（ｘ）のプロットを示す図である。
【図１０】電極の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイスの構成例を示す図である。
【図１１】電極の半径を小さく形成することに考慮した通信デバイスの構成の変形例を示す図である。
【図１２】通信装置における信号伝達方法の説明図である。
【図１３】送信元の通信素子により生成される信号のパケットを示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る通信装置の構成を示す図である。
【図１５】第２の実施の形態に係る通信装置の構成を示す図である。
【図１６】各種コマンドのパケットを示す図である。
【図１７】各種コマンドのパケットを示す図である。
【図１８】各種コマンドのパケットを示す図である。
【図１９】各種コマンドのパケットを示す図である。
【図２０】通信装置の製造プロセスを説明するための図である。
【図２１】通信装置の構造の一例を示す図である。
【図２２】誘導結合を用いた近接接合を行うコネクタを示す図である。
【図２３】光を用いる近接接合を行うコネクタを示す図である。
【図２４】容量結合利用する近接接合を行うコネクタを示す図である。
【図２５】機械的なコネクタを示す図である。
【図２６】機械的なコネクタを示す図である。
【符号の説明】
１６、１８・・・導電層、２０・・・第１信号層、２２・・・誘電層、２４・・・導電層、２６・・・スイッチ、３０・・・第２信号層、４３・・・誘電層、４４・・・電源層、５０・・・通信部、５２・・・入力部、５４・・・電圧制限素子、６０・・・処理部、７０・・・メモリ、８０・・・コンデンサ、８２・・・駆動回路、１００・・・通信装置、２００・・・通信素子、２０２・・・デジタル回路、２０４・・・電極、２１０・・・絶縁層、３００・・・通信デバイス、４００・・・通信装置、５００・・・通信素子。
【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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