(57)【要約】【課題】  電磁波に対する異方性、周波数特性、反射特性、減衰特性等の諸特性を制御できる電磁界感応機能材料を提供する。【解決手段】  外部からの到来電磁波に感応するようにダイオード（６）を導体（５）又は抵抗体で結線した３次元構造の単位セル（１）を、導体板（９）の前面に、結晶体における各種空間格子を形成するように各格子点に配置した電磁界感応機能材料である。ダイオードの動作をバイアス電圧によって制御することと、単位セルの結晶学的な空間配置を変更して、到来電磁波に対して、異方性、整合特性、反射特性、減衰特性等を制御できるようにする。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した単位セルを集合させた電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、前記単位セルの空間配置を変更することにより、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしたことを特徴とする電磁界感応機能材料。
【請求項２】
外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した３次元構造の単位セルを、結晶体における各種空間格子を形成するように各格子点に配置した電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、単位セルの結晶学的な空間配置を変更して、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしたことを特徴とする電磁界感応機能材料。
【請求項３】
前記単位セルが２次元構造であることを特徴とする請求項１に記載の電磁界感応機能材料。
【請求項４】
複数の異なった特性を有する単位セルを配置することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電磁界感応機能材料。
【請求項５】
前記単位セルを他の材料の中に組み込んで、前記他の材料が本来有している電気的な材料定数を変更出来るようにしたことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電磁界感応機能材料。
【請求項６】
前記回路素子を駆動するために、電磁波、交番磁界又光を用いてワイヤレス方式で電力を供給することを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の電磁界感応機能材料。
【請求項７】
前記回路素子をコンピュータでプログラム制御することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の電磁界感応機能材料。
【請求項８】
前記請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の電磁界感応機能材料用いて構成した電波吸収特性可変型電波吸収体。
【請求項９】
前記請求項８に記載の電波吸収特性可変型電波吸収体に対して、無変調の特定周波数の連続電磁波を照射するとともに、前記回路素子の動作を所定周波数で制御しすることにより、特定周波数の電波を吸収させたり反射させたりして、前記所定の周波数に変調された電波を再放射させる通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受動回路素子及び能動回路素子を導体や抵抗体で結線した構造の単位セルと称するものの回路素子の動作を制御することとと、単位セルの空間配置を変更することにより、静電界や静磁界、電磁波に感応する所望の特性を実現するようにした電磁界感応機能材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般に材料は、いわゆる材料の原子、分子レベルや化学組成の研究を基礎として開発されている。例えば、 ＥＭＣ対策や高周波回路や電波吸収材に用いられる損失性物質として、カーボングラファイトやフェライト、強誘電体などがある（後記特許文献１参照）。また、高周波回路素子であるフィルターやサーキュレータなどを構成する材料として異方性を付与したフェライトなどがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの材料を用いた上記ＥＭＣ対策部品や高周波回路素子では誘電率や透磁率が通常周波数分散性を有しており、動作周波数は一義的に決まり、これら従来の材料で構成する限り、動作特性が特定の周波数域に限定されるという自由度のないという問題があった。
【０００４】
また、従来の電波吸収体は、電波吸収体近傍に放射源があるいわゆる近傍波源の電波を十分吸収することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、到来電磁波や近傍波源の電磁波に対して、異方性、周波数特性、反射特性、減衰特性の諸特性を制御できる新しい電磁界感応機能材料を提供することを課題とする。
【特許文献１】実願昭６３−１６４９７９号（実開平２−８４３９８号）のマイクロフィルム
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した単位セルを集合させた電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、前記単位セルの空間配置を変更することにより、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
（作用）回路素子の動作を制御することにより、単位セルのインダクタンス又はキャパシタンスを変えて、単位セルを共振状態又非共振状態に制御したり、回路素子の抵抗による損失を制御したりすることができる。これにより、到来電磁波に対して、異方性、整合特性、反射特性又は減衰特性等の諸特性を制御できる。また、単位セルの配置によっては、いっそう異方性を大きくすることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した３次元構造の単位セルを、結晶体における各種空間格子を形成するように各格子点に配置した電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、単位セルの結晶学的な空間配置を変更して、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
（作用）回路素子の動作を制御することにより、単位セルのインダクタンス又はキャパシタンスを変えて、単位セルを共振状態又非共振状態に制御したり、回路素子の抵抗による損失を制御したりすることができる。これにより、到来電磁波に対して、異方性、整合特性、反射特性又は減衰特性等の諸特性を制御できる。また、単位セルの配置を結晶体に類似させたため、結晶の光学的性質から電磁波に対する諸特性を類推できるという利点がある。
【００１０】
請求項３は、請求項１又は２に係る発明において、前記単位セルが２次元構造であることを特徴とする。
【００１１】
（作用）単位セルが２次元構造であるから、薄い電磁界感応機能材料を得ることができる。
【００１２】
請求項４は、請求項１、２又は３に係る発明において、複数の異なった特性を有する単位セルを配置することを特徴とする。
【００１３】
（作用）複数の異なった特性を有する単位セルによって、各種の特性を持つ電磁界感応機能材料を構成できる。
請求項５は、請求項１、２、３又は４に係る発明において、前記単位セルは他の材料の中に組み込まれて、前記他の材料が本来有している電気的な材料定数を変更出来るようにしたことを特徴とする。
【００１４】
（作用）単位セルを組み込むことにより、その材料のみでは実現できない特性を得ることが可能となる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１、２、３、４、又は５に係る発明おいて、前記回路素子を駆動するために、電磁波、交番磁界又光を用いてワイヤレス方式で電力を供給することを特徴とする。
【００１６】
（作用）制御ケーブル等を曳くことなく外部から回路素子を駆動して、電磁界感応機能材料の特性を制御できる。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項１、２、３、４、５又は６に係る発明において、前記回路素子をコンピュータでプログラム制御することを特徴とする
（作用）異方性を実現したり、特定の周波数の電磁波を吸収させて、他の周波数の電磁波を反射させたりして、電磁界感応機能材料の特性を迅速容易に変更できる。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の電磁界感応機能材料用いて構成した電波吸収特性可変型電波吸収体に関する。
【００１９】
（作用）回路素子を制御することによって、整合中心周波数を一定に保って電波吸収特性、つまり整合特性を変更したり、整合周波数を変更することが出来る。
【００２０】
請求項９は、前記請求項８に記載の電波吸収特性可変型電波吸収体に対して、無変調の特定周波数の連続電磁波を照射するとともに、前記回路素子の動作を所定周波数で制御しすることにより、特定周波数の電波を吸収させたり反射させたりして、前記所定の周波数に変調された電波を再放射させる通信装置に関する。
【００２１】
（作用）。前記回路素子の動作を所定周波数で制御例えばオンオフすると、特定周波数の電磁波の反射係数を変更できる。特定周波数の電磁波をこの電波吸収体で反射させると、所定周波数で変調されることになる。
【発明の効果】
【００２２】
以上に述べたことから明らかなように、請求項１に係る発明は、外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した単位セルを集合させた電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、前記単位セルの空間配置を変更することにより、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしてある。このため、回路素子の動作を制御することにより、単位セルのインダクタンス又はキャパシタンスを変えて、単位セルを共振状態又非共振状態に制御したり、回路素子の抵抗による損失を制御したりすることができる。これにより、到来電磁波に対して、異方性、周波数特性、反射特性又は減衰特性等の諸特性を制御できる。また、単位セルの配置によっては、いっそう異方性を大きくすることができる。
【００２３】
請求項２に係る発明は、外部からの到来電磁波に感応するように回路素子を導体又は抵抗体で結線した３次元構造の単位セルを、結晶体における各種空間格子を形成するように各格子点に配置した電磁界感応機能材料であって、前記回路素子の動作を制御することと、単位セルの結晶学的な空間配置を変更して、到来電磁波に対する特性を制御できるようにしてある。このため、回路素子の動作を制御することにより、単位セルのインダクタンス又はキャパシタンスを変えて、単位セルを共振状態又非共振状態に制御したり、回路素子の抵抗による損失を制御したりすることができる。これにより、到来電磁波に対して、異方性、周波数特性、反射特性又は減衰特性等の諸特性を制御できる。
【００２４】
また、単位セルの配置を結晶体に類似させたため、結晶の光学的性質から電磁波に対する諸特性を類推でき、この結果、設計時点で電磁界や電磁波に対し、損失の大きな媒質、カイラル状媒質又は異方性媒質を呈する材料の実現が比較的容易に想定でき、従来の材料開発に要求されていた原子、分子構造レベルにおける複雑な物性的な検討をする必要がないという実施上の大きな効果がある。
【００２５】
請求項３に係る発明では、単位セルが２次元構造であるから、薄い電磁界感応機能材料を得ることができ、既存の材料の表面に貼って使用できる利点がある。
【００２６】
請求項４に係る発明では、複数の異なった特性を有する単位セルを配置したから、種々の特性を持つ電磁界感応機能材料を構成できる。特に、高周波回路やＥＭＣ対策等に用いられるフェライトや、誘電体材料等では、透磁率や誘電率の値が周波数によって変わことなく、動作特性が特定の周波数域に限定されない自由度の大きな電磁界感応機能材料を得ることができる。この場合、所望の特性を得るために原子、分子構造レベルの研究から、材料の配合割合、製造過程における温度、圧力等の制御に至るまで、多大の労力を不要とすることができる。
【００２７】
請求項５は、前記単位セルは他の材料の中に組み込まれて、前記他の材料が本来有している電気的な材料定数を変更出来るようにしたから、その材料のみでは実現できない特性を持たせることが可能となる。
【００２８】
請求項６に係る発明では、回路素子を駆動するために、電磁波、交番磁界又光を用いてワイヤレス方式で電力を供給したから、目障りな制御ケーブル等用いることなく外部から回路素子を駆動して、電磁界感応機能材料の特性を制御でき、便利で見栄えも良い。
【００２９】
請求項７に係る発明は、回路素子をコンピュータでプログラム制御したから、異方性を実現したり、特定の周波数の電磁波を吸収させる等の電磁界感応機能材料の特性を迅速容易に変更できる。これにより、本発明の用途が大きく拡大でき、マイクロ波、ミリ波のフィルターやサーキュレータ等、各種高周波デバイス、センサやロボット、各種通信機器など電磁環境に関連した機器のみならず、広く産業界一般における電磁界感応機能材料として利用可能である。
【００３０】
請求項８に係る発明では、電磁界感応機能材料用いて構成した電波吸収特性可変型電波吸収体であるから、回路素子を制御することによって、電波吸収特性を変更したり、整合周波数を変更することが出来る。
【００３１】
請求項９は、電波吸収特性可変型電波吸収体に対して、無変調の特定周波数の連続電磁波を照射するとともに、前記回路素子の動作を所定周波数で制御することにより、特定周波数の電波の反射係数を変化させ、前記所定の周波数に変調された電波を再放射させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１−図３は、本発明の基本概念を説明するためのもので、３次元構造の単位セル（１）を例示している。この単位セル（１）は、抵抗やコンデンサ、コイル、各種ダイオード、などの受動回路素子及びトランジスタ等の能動回路素子（３、４）を導体や抵抗体から成る線（２）に結線して、立方体構造に構成された３次元構造を有する。
【００３３】
図１は、立方体の各頂点に受動または能動型の３端子の回路素子（３）が配置された単位セル（１）を表している。この回路素子としてはダイオード等がある。図２は、受動または能動型の２端子素子（４）から成る単位セル（１）の例である。図３は、３端子素子（３）とを２端子素子（４）と組み合わせて、図１と図２の単位セル（１）を組み合わせた単位セルの例である。
【００３４】
ここで、単位セル（１）とは、立方体に限るものではなく、直方体、球形等の適宜形状の３次元構造ばかりでなく、２次元構造も可能である。勿論、２次元構造の単位セルと３次元構造の単位セルを組み合わせて使用することも可能である。また、回路素子（３、４）の動作、すなわち単位セル（１）の動作は、コンピュータと連結し、プログラム制御して本機能材料の機能性を高めるようにしている。
【００３５】
図４に、図２の形態に属する単位セルの別の実施例を示す。図４の単位セル１は、電波吸収機能を有する材料を構成することを目的とした一実施例で、立方体形状に導体線（５）を結線し、それぞれの頂点間にダイオード（６）と、マイクロチップ型の抵抗（７）を取り付けた単位セルの構成例である。このように、単位セル（１）を構成する回路素子の配置は必ずしも対称でなくてもよい。また、図４の例においては、回路素子であるダイオード（６）のバイアス電圧を制御することにより、ダイオード（６）の順方向抵抗等の導通状態を変更できるようになっている。ダイオード（６）の導通状態又は遮断状態に制御することにより、単位セル（１）を共振状態又非共振状態に制御したり、ダイオード（６）の抵抗による損失を制御したりすることができる。このバイアス電圧は、図示はしていないが、電源供給線で供給してもよいが、光感受性素子を用いて外部から光で制御したり、交流磁界によって単位セル（１）内に誘導起電力を生じさせるようなワイヤレス方式で供給してもよい。
【００３６】
本発明は、上記のような単位セル（１）を基本的には通常よく知られているブラベー格子と呼ばれる結晶の空間格子形態に従って、受動回路素子及び能動回路素子（３、４）を配置することにより、機能材料を構成している。図５及び６にブラベー格子の例を示す。図５が単純立方格子、図６が体心立方格子の例であるが、これに対応する単位セル（１）の構成を、それぞれ図７及び図８に示す。すなわち、図７は、ハッチングを施した単位セル（１）群、つまり結晶の基本格子に相当する部分に着目すると、単位セル（１）が単純立方状に配置されており、図８は、体心立方状に配置されて、本発明の電磁界感応機能性材料の構成される。さらに、これらの空間格子配列において、単位セル（１）相互の間隔が零の場合、つまり図９に示すような単位セルが相互に結合してもよく、この場合は、結晶理論と類似させて最密構造体と呼ぶ電磁界感応機能性材料が構成される。
【００３７】
もちろん、単位セル（１）のランダムな配置も許されることは当然である。この場合は、単位セル（１）として球状等適宜形状のものが使用できる。
【００３８】
図１０は、単位セル（１）の配置に関する別の実施例を示したもので、電波吸収体として用いられるものである。単位セル（１）としては、図４に示したものと同様に立方体形状に導体（５）を結線し、それぞれの頂点間にダイオード（６）又はマイクロチップ型の抵抗（７）を取り付けた単位セル（１）の構成を採用している。本実施例では、この構成の単位セル（１）を、図１０に示したように、導体板（９）から一定間隔ｄを保つ図示しないスペーサーの面状に配置するとともに、相互の間隔を一定に保って周期的に配置して、電波吸収体を構成している。これは、導体板（９）に対する鏡像を考えれば、単位セル（１）で構成される基本格子が正方晶単純格子に対応していることになる。もちろん、単位セル（１）は、例えば導体板（９）の表面側に配置するばかりでなく、適宜材料の裏面や内部に配置することも可能である。
【００３９】
この図１０の例における電波吸収体の可能性を実証するために、図１１に示したような単位セル（１）を製作して、実験した。この実験では、各ダイオード（６）に等電圧の順方向バイアス電圧を与え、このバイアス電圧を変化させたながら反射係数を測定した。以下の実験における、単位セル（１）各部の寸法は、ａ１＝０．７ｍｍ、ａ２＝１．２ｍｍ、ｂ１＝８．３ｍｍ、ｂ２＝２７．９ｍｍ、ｂ３＝４．０ｍｍ、ｃ＝１．２ｍｍ、導体線（５）の厚さ＝１．６ｍｍ、抵抗（７）＝１００Ωである。この結果、図１２に示したように、各ダイオード（６）のバイアス電圧を変えることによって、電波反射量と整合中心周波数を変化させることが出来ることが確認できた。
【００４０】
本実施例では、３次元構造の単位セル（１）によって、電界に起因する電流、磁界に起因する電流、電磁波の進行方向前後の位相差に起因する電流に対して、ダイオード（６）が抵抗になるため、背面部のマイクロチップ型抵抗（７）と相まって、吸収特性を効果的に制御できる。また、水平偏波にも垂直偏波にも、その他どのような電磁界にも効率良く感応するので、どのような電波でも、又は、近傍波源における電波でも吸収できるという従来にない電波吸収体も実現できる。
【００４１】
図１３に示したように、ダイオード（６）を単位セル（１）における表面側にだけ装荷した場合は、図１４に示したように、ダイオード（６）の順方向バイアス電圧の変化に対して、電波吸収量と整合中心周波数が変化した。
【００４２】
図１５に示したように、ダイオード（６）を単位セル（１）の奥行き方向だけに装荷した場合は、図１６及び図１７に示したように、ダイオード（６）の順方向バイアス電圧の変化に対して、整合中心周波数をほぼ一定に保って、電波吸収量だけが変化した。これにより、電波吸収特性可変型の電波吸収体が実現できる。また、単位セル（１）と導体板（９）との間隔ｄが図１６では１２ｍｍ、図１７では３ｍｍであり、この間隔ｄを変えると、整合中心周波数を変化することが分かる。
【００４３】
次に図１８は、さらに別の実施例である。同図に示すように、カーボニル鉄（１０）中に周期的に単位セル（１）を配置したものである。単位セル（１）は、前後に配置されたＩ字形の導体線（５）と、前面側の導体線（５）中に挿入されたダイオード（６）と、背面側の導体線（５）中に挿入されたマイクロチップ型の抵抗（７）と、前後の導体線（５）を連結するダイオード（６）とから成っている。この場合も、ダイオード（６）を単位セル（１）における表面側にだけ装荷する場合と奥行き方向だけにダイオード（６）を装荷する場合とがある。
【００４４】
ダイオード（６）を表面側にだけ装荷した場合にダイオードの順方向バイアスを変化させたときの電波吸収特性を図１９に示す。同図中の黒丸印は、ダイオードにバイアス電圧を印加しない場合である。このバイアス電圧を変化させることによって、同図の黒色三角形で示すように、特に３ＧＨｚ近傍で反射係数が減少し、電波吸収特性を有することが分かる。このことは、本来このカーボニル鉄が有する材料定数を見掛け上変更したことに相当する。ダイオードのバイアス電圧を制御する手段によって、整合中心周波数を一定に保って電波吸収特性、つまり整合特性を変更したり、整合周波数を変更することが出来る電波吸収体が構成できる。
【００４５】
本発明の電磁界感応機能材料は、種々の形質を発現する生物細胞に見立てた受動回路及び能動回路素子を導体や抵抗体で結線した構造から成る単位セル（１）と、固体構成の基本概念である結晶格子構造という、生物および物質の基本概念を融合するという視点からの発明であって、到来電磁界や近傍電磁界に感応し、異方性を示したり、電磁エネルギーを吸収したり反射したりする作用を有する新しい機能材料とである。
【００４６】
ところで、本発明の電磁界感応機能材料は、電波吸収体として用いられるだけではない。
【００４７】
たとえば、電波吸収特性可変型の電波吸収体に対して、無変調の特定周波数の連続電磁波を照射するとともに、前記回路素子の動作を所定周波数で制御することにより、特定周波数の電波の反射係数を変化させて、前記所定の周波数に変調された電波を再放射させる通信装置としても使用できる。
【００４８】
また、本発明の電磁界感応機能材料は、カイラル媒質や各種異方性や、所望の周波数特性や反射特性、減衰特性などを実現することが出来るため、これらの特性に基づく手段でマイクロ波やミリ波におけるフィルタやサーキュレータ、アイソレータや可変型アッテネータ、可変整合負荷など多くの電磁波デバイスを構成することが出来る。
【００４９】
さらに、各単位セル（１）の特性をコンピュータでプログラム制御するとともに、電波吸収体にアンテナを設けると、特定周波数の到来電波のみを吸収できるので、その特定周波数の電波が検出可能なセンサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の電磁界感応機能材料を構成する単位セルを示す図である。
【図２】前記単位セルの別の例を示す図である。
【図３】前記単位セルのさらに別の例を示す図である。
【図４】前記単位セルのさらに別の例を示す図である。
【図５】結晶における単純立方格子を示す図である。
【図６】結晶における体心立方格子を示す図である。
【図７】単位セルの集合体の例を示す図である。
【図８】単位セルの集合体の別の例を示す図である。
【図９】単位セルの集合体のさらに別の例を示す図である。
【図１０】単位セルの集合体からなる電波吸収体の構成を示す図である。
【図１１】別の単位セルの集合体からなる電波吸収体の構成を示す図である。
【図１２】図１１に示した単位セルの集合体からなる電波吸収体の吸収特性を示す図である。
【図１３】さらに別の単位セルの集合体からなる電波吸収体の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示した単位セルの集合体からなる電波吸収体の吸収特性を示す図である。
【図１５】さらに別の単位セルの集合体からなる電波吸収体の構成を示す図である。
【図１６】図１５に示した単位セルの集合体からなる電波吸収体の吸収特性を示す図である。
【図１７】図１５に示した単位セルの位置を変えた集合体からなる電波吸収体の吸収特性を示す図である。
【図１８】さらに別の単位セルの集合体からなる電波吸収体の構成を示す図である。
【図１９】図１８に示した単位セルの集合体からなる電波吸収体の吸収特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 単位セル
２ 導体又は抵抗体
３ ３端子回路素子
４ ２端子回路素子
５ 導体線
６ ダイオード
７ 抵抗
８ スペーサー
９ 導体板
１０ カーボニル鉄
【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】
2005045127.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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