(57)【要約】【課題】熱輻射（放射）を高める放熱構造体を電子機器に設けることで、電子機器内部の電子部品が高温に曝されることを防止する。【解決手段】電子機器１０２に接するように設けられた、開口部１０５を有する金属板１０４と、周辺部に環状の金属構造体１０６を、プランクの法則のピーク周辺の周波数の電磁界が強め合うように配置することで、熱輻射（放射）１０７を高めることが可能となり、電子機器１０２内の熱を良好に外部（大気）へ拡散させることが可能となる。【選択図】図１
2016171286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源が内包された電子機器に対して設けられる放熱構造体であって、
前記電子機器に接するように設けられる金属板と、
前記金属板に設けられた少なくとも一つ以上の開口部と、
上面、底面、内側面および外側面を有し、前記開口部の周辺部に少なくとも２つ以上のギャップを有して環状に配置され、かつ前記底面が前記金属板に接続された第１の金属構造体とを備え、
前記開口部の中心と、前記第１の金属構造体の内側面との距離Ｌが次式の関係である
ことを特徴とする放熱構造体。
【数１】
2016171286.tif 000009
但し、εr は前記開口部中心から前記第１の金属構造体の内側面までの比誘電率、μｒは前記開口部中心から前記第１の金属構造体の内側面までの比透磁率、λmax = 0.002898/T、Tは電子機器の最大温度を示す。
【請求項２】
前記第１の金属構造体の底面は、柱状金属体を介して前記金属板に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の放熱構造体。
【請求項３】
前記第１の金属構造体の外側に、上面、底面、内側面および外側面を有し、少なくとも２つ以上のギャップを有して環状に配置され、かつ前記底面が前記金属板に接続された第２の金属構造体を少なくとも１つ以上備え、
前記第１の金属構造体のギャップと前記第２の金属構造体のギャップは対向している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱構造体。
【請求項４】
前記金属板上に設けられた誘電体をさらに備える
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の放熱構造体。
【請求項５】
前記開口部の中心部を貫通し、前記発熱源側に延長され、かつ金属柱で構成された励振ポートを有する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の放熱構造体。
【請求項６】
前記ギャップに面している前記第１及び又は第２の金属構造体の端部に、前記金属板とは反対方向に突出する突出部を備える
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の放熱構造体。
【請求項７】
前記開口部の形状が多角形、円形、楕円形、Ｈ形、Ｔ形のいずれかである
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の放熱構造体。
【請求項８】
前記第１及び第２の金属構造体からなる複合金属構造体が二次元的に複数配置され、隣り合う複合金属構造体間ではギャップ同士が対向していない
ことを特徴とする請求項３に記載の放熱構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器が発生する熱を良好に放射させる放熱構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品は、加熱されると特性劣化や寿命の低下を招く。したがって、電子機器の信頼性を高めるためには、機器内で発生した熱を、効率良く放熱し、電子部品が高温に曝されるのを避けなければならない。
熱の移動は、熱伝導、熱伝達（対流）、熱輻射（放射） の３現象に基づき、効率よく放熱させるためには、これら３現象を上手く組み合わせた熱設計を行う必要がある。
【０００３】
上記３現象のうち熱伝導は、物体内に温度差が生じると、温度が高い方から低い方へ熱が移動する現象である。熱伝導率が大きく、かつ熱容量が大きな物体ほど熱を効率よく拡散させ、温度の上昇を抑えることが可能となる。
熱伝導率は、金属が大きいことが知られている。また、熱容量はサイズ（質量）が大きいものほど大きいため、サイズが大きな金属に熱を逃がすことは有効な熱対策になり、電子機器が大きな金属筐体を有している場合、筐体に放熱するだけで熱対策が行える。しかしながら、近年、電子機器の小形化、軽量化が進んでいるため、なるべく小さな筐体が採用され、軽量化のために熱伝導率が悪い樹脂が採用される。この場合、熱伝導のみでの熱対策は難しく、熱伝達（対流）や熱輻射（放射）も積極的に活用する必要が出ている。
【０００４】
熱伝達（対流）は、熱だけでなく物体自体も移動する現象である。大気（空気）や液体は温度差が生じると自然に対流を生じるので、温度差が生じるほど熱の移動が促進される。しかしながら、自然対流のみでは十分な効果は得られない問題がある。そこで、ファンモータなどで強制的に対流を作ることで積極的に放熱させる手段がとられる。しかしながら、ファンモータは大きく、重いばかりか騒音の発生源にもなるし、駆動のために電力を必要するといった問題がある。
【０００５】
熱輻射（放射）は、熱が電磁波として伝搬していく現象である。電磁波であるので、媒介する物質がない真空中でも熱を伝搬することが可能である。一般的に、低温での効果は熱伝導や熱伝達に比べ小さいが、熱伝導や熱伝達により移動するエネルギーが温度の一乗に比例するのに比べ、熱輻射（放射）の場合は温度の四乗に比例するため、高温での効果は熱伝導や熱伝達に比べ大きくなる。
【０００６】
この熱輻射の性能は、放射率εで示される。ここで放射率εは、０≦ε≦１である。ε＝１のときが理想的な黒体であり、放射率が最も大きいことを示し、εが小さいほど、放射率が小さいことを示す。放射率εは表面が粗いほど大きく、表面が良く磨かれた鏡面ほど小さくなることが知られている。これは、表面が粗く凹凸が存在する場合には、凹凸が、熱輻射が生じやすい赤外領域のアンテナとして作用するからである。粗い研磨機で、不規則に表面を粗くしても一定の効果が得られるが、より高い効果を得るためにマイクロメートルオーダーの微細加工技術を使って実現する手段が報告されている。
【０００７】
このような微細加工技術を使って電子機器の熱輻射を高めたものに、特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１には、電子機器の表面にマイクロキャビティを構成する手段が開示されている。マイクロキャビティは、金属の凹凸で構成され、凹凸部で電界を強めあうことが可能となる。そのため、特定の周波数の放射特性を増強させ、金属表面を伝搬する電磁波を効率よく放射させることが可能となる。しかしながら、単に金属表面に凹凸部を設けただけでは、機器内部からの電磁波を外部に対して十分に拡散することができず、さらなる改良が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２７８３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明では、電子機器内の熱を効率的に熱輻射（放射）することが可能な放熱構造体を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、発熱源が内包された電子機器に対して設けられる放熱構造体であって、前記電子機器に接するように設けられる金属板と、前記金属板に設けられた少なくとも一つ以上の開口部と、上面、底面、内側面および外側面を有し、前記開口部の周辺部に少なくとも２つ以上のギャップを有して環状に配置され、かつ前記底面が前記金属板に接続された第１の金属構造体とを備え、前記開口部の中心と、前記第１の金属構造体の内側面との距離Ｌが次式の関係であることを特徴とする。
【数２】
2016171286.tif 000003
但し、εr は前記開口部中心から前記第１の金属構造体の内側面までの比誘電率、μｒは前記開口部中心から前記第１の金属構造体の内側面までの比透磁率、λｍａｘ＝０．００２８９８／Ｔ、Ｔは電子機器の最大温度を示す。
【００１１】
また、前記第１の金属構造体の底面は、柱状金属体を介して前記金属板に接続されていることを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【００１２】
また、前記第１の金属構造体の外側に、上面、底面、内側面および外側面を有し、少なくとも２つ以上のギャップを有して環状に配置され、かつ前記底面が前記金属板に接続された第２の金属構造体を少なくとも１つ以上備え、前記第１の金属構造体のギャップと前記第２の金属構造体のギャップは対向していることを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【００１３】
また、前記金属板上に設けられた誘電体をさらに備えることを特徴とする放熱構造体としてもよい。このようにすることで、取り扱いが容易になる。
【００１４】
また、前記開口部の中心部を貫通し、前記発熱源側に延長され、かつ金属柱で構成された励振ポートを有することを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【００１５】
また、前記ギャップに面している前記第１及び又は第２の金属構造体の端部に、前記金属板とは反対方向に突出する突出部を備えることを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【００１６】
また、前記開口部の形状が多角形、円形、楕円形、Ｈ形、Ｔ形のいずれかであることを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【００１７】
また、前記第１及び第２の金属構造体からなる複合金属構造体が二次元的に複数配置され、隣り合う複合金属構造体間ではギャップ同士が対向していないことを特徴とする放熱構造体としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発熱源が発生する電磁波を、開口部を通じて外部に放射させることが可能となり、特定の周波数帯の放射の出力が大きくなる。また金属構造体の共振を利用することで、電磁界を強め合うことが可能になる。この電磁界が強め合う周波数帯は、式（１）を満たすように設計することで、最も熱輻射（放射）が大きくなる赤外線周波数、特にプランクの法則のピーク周波数近傍に作用する。そのため、電磁波を効率よく大気中へ放射できるようになり、電子機器の放熱性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一実施形態による放熱構造体を示す構造斜視図である。
【図２】プランクの法則に基づく、放射輝度Ｉと周波数ｆの関係を図示した図である。
【図３】開口部のサイズ変化による反射特性｜Ｓ１１｜変化を示した図である。
【図４】金属構造体がある場合と、ない場合のとの特性の違いを示した図である。
【図５】第二実施形態による放熱構造体を示す構造斜視図である。
【図６】第二実施形態による放熱構造体の等価回路図である。
【図７】第三実施形態による放熱構造体を示す構造斜視図である。
【図８】第三実施形態による放熱構造体の等価回路図である。
【図９】図８において線分Ｘ−Γ−Ｙに沿って切り出した回路の等価回路図である。
【図１０】図９に示した等価回路を変形した回路図である。
【図１１】励振ポートを有する場合の放熱構造体の断面図である。
【図１２】電磁界シミュレーションの解析構造を示す概略図である。
【図１３】図１２に示す解析構造の解析結果を示す電界分布図である。
【図１４】図１２に示す解析構造の解析結果である反射特性｜Ｓ１１｜を示す図である。
【図１５】金属構造体が五段構成の場合の電磁界解析結果を示す電界分布図である。
【図１６】金属構造体の先端部に突出部を設けた放熱構造体を示す斜視図である。
【図１７】第一金属柱状体と第二金属柱状体が隣接する場合の構成（構成１）を示す上面図である。
【図１８】ギャップ同士が隣接する場合の構成（構成２）を示す上面図である。
【図１９】ギャップ同士が対向していない場合の構成（構成３）を示す上面図である。
【図２０】構成１〜３の解析結果の反射係数｜Ｓ１１｜を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下図面を参照して、本発明の実施形態について説明を行う。
【００２１】
電子機器の発熱は、電子機器に使用される電子部品の損失により生じる。一般的に大電力で扱う電子部品ほど発熱し、パワートランジスタ（バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ、ＩＧＢＴ、等）、ダイオード（ＰＮ型ダイオード、ショットキーダイオード、ＬＥＤ、等）、インダクタ製品（電磁トランス、パワーインダクタ、等）、抵抗器（メタルクラッド抵抗、セメント抵抗、炭素皮膜抵抗、金属皮膜抵抗、等）、が主な発熱要因となる。
【００２２】
この熱を大気へ効率よく熱輻射（放射）させるため、本発明では、電子機器の表面に放熱構造体を設ける。放熱構造体は、金属薄板に開口部となる貫通孔を設け、更に開口部の周辺部に、電磁界的に共振可能な構造を設けることで実現される。より詳しい構成例を下記に示す。
【００２３】
（第一実施形態）
図１に第一実施形態による放熱構造体の斜視構造図を示す。電子機器１０２の表面（大気との境界面）には、金属板１０４が設けられており、金属板１０４には、円形の開口部１０５が設けられている。電子機器１０２が発生する電磁波が放熱構造体１０３を通過可能なように、開口部１０５は金属板１０４を貫通している。
開口部１０５では電磁界が強め合い、特定の周波数で開口面アンテナとして作用する。作用する周波数は、図３のように開口部１０５のサイズに依存し、開口部１０５のサイズが大きいほど低周波に作用する。すなわち、開口部１０５のサイズを調整することで、所望の周波数帯域の電磁界を強め合うことが可能となる。
なお、開口部１０５が開口面アンテナの効果を得るためには、金属板１０４は導電性を有していなければならない。もし無損失な金属で構成できるならば、電磁界理論上、金属板１０４は厚みなしでも実現が可能であるが、実際には損失が存在する。そのため、少なくとも１μｍの厚みを有することが好ましい。また、厚みが大きい場合、貫通加工（エッチング、レーザー加工）が困難になるので、５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
設計目標となる周波数は、熱輻射（放射）１０７を生じやすい周波数帯が選択される。熱輻射（放射）１０７を生じやすい周波数は、プランクの法則やプランクの法則から導き出されるウィーンの変位則として知られている。
プランクの法則は、黒体の熱輻射（放射）１０７の放射輝度を示す法則であり、プランクの法則によると放射輝度 I は、以下の式で与えられる。
【数３】
2016171286.tif 000004
ここで、ｈ は  プランク定数、ｋはボルツマン定数、ｃは光速、ｆは周波数、Ｔは温度である。
この式は、温度Ｔと周波数ｆに依存するので、例えば、T＝３００K、５００K、１０００Kの場合について、周波数ｆを０．１〜１０００ＴＨｚまで変化させると、図２のような曲線が示せる。この図から分かるように、曲線にはピークが存在し、ピークとなる周波数は温度Tが高いほど高周波側に、図２中のA―A'を通過するように、シフトする。このピーク周波数ｆｍａｘは式（２）を微分することで得られ、およそ、次式で示される。
【数４】
2016171286.tif 000005
ここで、ｃは光速、Ｔは温度で与えられ、この関係式はウィーンの変位則として知られている。
ちなみに、波長λで示すと、真空中では、ｃ＝ｆλ  の関係があるので、次式
【数５】
2016171286.tif 000006
となる。一般的に電子部品の使用温度の範囲は、１０００Ｋ以下であるので、この関係式によれば赤外線にピークが存在する。以上に示したように開口部１０５の設計は、式（３）で定式化される周波数の減衰が大きくなるようにすればよい。
【００２５】
しかしながら、開口部１０５のみで電磁界特性を制御しようとすると利用可能な周波数が狭帯域になってしまうといった問題が生じる。そこで本実施形態では、金属構造体１０６を付加にすることで共振を作り出し特性を広帯域化する手段を提案する。
【００２６】
金属構造体１０６は、上面、底面、内側面および外側面を有し、開口部１０５の周辺部に少なくとも２つ以上のギャップを有して環状に配置され、かつ底面を金属板１０４に接続することで実現される。金属構造体１０６のサイズを調整することで、所望の周波数に共振を作り出すことが可能となる。なお、図１に示す例では、金属構造体１０６の内側面及び外側面の下側の辺同士を結んだ面が底面として定義される。
【００２７】
この環状の金属構造体１０６が作る共振は、開口部１０５が作り出す共振の肩特性（減衰しつつある領域、あるいは増加しつつある領域）に存在させることが好ましい。このようにすると、図４のように効果的に特性を広帯域化できる。
【００２８】
この条件を満たすためには、低周波側の肩特性（図４の実線の減衰しつつある領域）に一次の共振を発生させるように金属構造体１０６の設計を行うことが効率的である。なぜならば、金属構造体１０６で作製した共振器は、一次の他に高周波に高次（二次、三次、四次、・・・）の共振を生じるからである。この高次の共振を利用すれば、高周波側の肩特性（図４の実線の増加しつつある領域）にも共振を発生させることが可能となり、図４の破線のように広帯域化が可能となる。
【００２９】
低周波側の肩特性（減衰しつつある領域）に共振を発生させるためには、金属構造体１０６の内側面と開口部１０５の中心との距離Ｌが次式
【数６】
2016171286.tif 000007
となるように、設計することが好ましい。ここで、εｒは開口部１０５の中心から金属構造体１０６の内側面までの比誘電率、μｒは開口部１０５の中心から金属構造体１０６の内側面までの比透磁率であり、１／√（εｒ×μｒ）は、誘電体や磁性体の波長短縮効果を示している。また、λｍａｘは、式（４）で示される。ここで、Ｔは、電子機器の熱源の最大温度Ｔｍａｘである。
【００３０】
式（１）の左側のＬ＞（λｍａｘ／２）／√（εｒ×μｒ）の条件は、ピーク周波数よりも低い周波数に一次（最低次）の共振を生じさせるための条件である。この関係が成り立てば、Ｌが大きくても肩特性（減衰しつつある領域）に、共振を発生させることは可能となる。
また、Ｌが大きすぎると、開口部１０５に対して環状の金属構造体１０６のサイズが大きくなり過ぎてしまうといった問題が生じる、また、非常に高次のモードは共振が鈍り易いやすく扱いが難しいといった問題も生じるため、式（１）の右側のL＜ １０×（λｍａｘ ／２) ／√（εr×μｒ）の条件にあてはまることが好ましい。
【００３１】
電子機器の熱源の最大温度Ｔｍａｘのポイントは、まず、簡略的にサーマルビューアで機器全体の温度分布画像を計測することで行われる。サーマルビューアは、そもそも熱放射（輻射）の放射強度を測定し温度へ換算する装置であり、この分布を確認することで温度が高い部分を概ね確認することができる。このように確認すると、一般的に最大温度Ｔｍａｘは、電力を消費し発熱する電子部品となる。
より正確に温度を計測するために、熱電対などの直接法により測定できるものは、熱電対で測定することが正確であり好ましい。しかしながら、半導体や抵抗器場合、最も高温となる部分はパッケージ内にモールドされ、温度を直接測定することは出来ない。しかし、パッケージの熱抵抗値を利用すれば、素子（半導体、抵抗値）の消費電力（熱流）と、周囲の温度を測定することで、最も高温となる温度を推定することが可能となる。
例えば、パッケージ化された半導体素子が基板に実装されている場合を考える。最も高温となるのは、ジャンクション部のジャンクション温度Ｔｊであり、この温度は概ね式（５）で推測できる。
【数７】
2016171286.tif 000008
ここで、Ｔｂはパッケージとパッケージが実装された基板の接合部の温度、Ｒｔｈはパッケージの熱抵抗値、Ｐは消費電力である。この場合、素子の消費電力Ｐと温度Ｔｂを測定することでジャンクション温度Ｔｊが計算できる。また、パッケージの熱抵抗値が分からない場合には、ＴＳＰ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）法やＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が提案している手段、などで推定を行うことも可能である。また、上記では、半導体素子が基板に実装された例を説明したが、様々な実装形態が考えられるし、半導体ではなく、電磁トランスなどのインダクタ製品が発熱する場合もある。実装例は多様であり、それぞれ適した形態での熱源の最大温度の測定が行われる。
【００３２】
上記の設計理論に基づき、開口部１０５と環状の金属構造体１０６の設計を行うと、一単位当たり数μｍ〜数１０μｍ角程度の非常に微小な構成にしかならず、大面積へ応用するには不向きである。そこで実用的には図１の右図のように、この構成を平面的に複合して構成する。
【００３３】
放熱構造体１０３は、μｍオーダの加工が可能な微細加工技術にて作製される。例えば、深掘りエッチングやレーザ加工などで、金属から不要部分を取り除くことで作製される。材料となる金属は、高周波損失が少なく、熱伝導率が高いものが好ましく、例えば、金、銅、グラフェン、銀、アルミなどが採用される。
【００３４】
（第二実施形態）
金属構造体１０６は共振現象を発生させるために付加するが、第一実施形態のような単純な環状ではなく、より共振しやすい構成にしても構わない。第二実施形態として、より共振しやすい構成について説明する。
【００３５】
第二実施形態では、第一実施形態のように環状の金属体１０６の底面を金属板１０４に直接接地するのではなく、金属柱状体１２１を介して接地する。図５にこの構成を示す。図では金属柱状体１２１の構成は円柱としたが、特に限定されるものではく、多角形や楕円などでも構わない。環状の金属構造体１０６に細い箇所を設けることが重要となる。細くすることで、分布定数線路として動作する。
また、金属構造体１０６と金属板１０４は、金属柱状体１２１を介在するため、空間的に隔てられる。そのため、金属構造体１０６は、第一実施形態とは異なり、細線形状となり分布定数線路として動作する。
更に、金属構造体１０６のギャップ部１０８に生じるキャパシタンス成分を考慮する。ギャップ部１０８では、金属構造体１０６間に生じるシリーズ方向のキャパシタンス成分Ｃｓｅと、金属構造体１０６と金属板１０４の間に生じるシャント方向のキャパシタンス成分Ｃｓｈが発生するので、図５の金属構造体は図６のような等価回路１３３で示せる。
【００３６】
金属板１０４を電位の基準、すなわち短絡状態とすると、金属構造体１０６の先端が開放条件になるようにすれば、金属構造体１０６は、アンテナとして作用する。この条件は、一般的な分布定数線路のみで作製したアンテナでは、一波長をλとすると、λ／４やその奇数倍（３λ／４、５λ／４、７λ／４、・・・（２ｎ−１）／４、ｎは自然数）となる周波数帯域近傍であることが知られている。本実施形態の構成は、単純な分布定数線路のみではなく、分布定数線路とギャップ部を組み合させた構成をしている。そこで、図６のＧＮＤ（図中Ｆ）を短絡して、図６のＣｓｅの中間（図中Ｆ’）が開放条件になるようにすれば、金属構造体がアンテナとして作用し、放射が良好となる。
【００３７】
図５に示すように、金属構造体１０６を向い合せるように、開口部１０５を中心に点対称構造にすることが好ましい。これは、著しい非対称構造の場合、非対称性により高次に不要な反共振を起こす可能性があるからである。図では最も典型的な例として、金属構造体１０６のギャップ部と、対となるギャップ部の中間に、金属柱状体１２１を設けた図を示したが、点対称性を維持するように、二つの金属柱状体１２１を、金属構造体１０６の中心からずらした構成にしてもよい。
【００３８】
また、図５では、ギャップ部１０８を二つ、金属柱状体１２１を二つの場合を示したが、特に限定されるわけでなく、ギャップ部１０８及び金属柱状体１２１を三つ以上にしても構わない。
【００３９】
（第三実施形態）
第一実施形態、第二実施形態では、開口部１０５の周辺に、環状の金属構造体を一つのみ配置した構成を示したが、その周辺に異なる環状の金属構造体を配置してもよい。このようにすることで環状の金属構造体どうしを電磁界的に結合させることが可能となり、電磁波をより効率的に拡散させることが可能となる。第三実施形態として、複数の環状の金属構造体を結合させた構成について以下に説明を行う。
【００４０】
環状の金属構造体間の電磁界の結合は、第一実施形態よりは、第二実施形態のように、共振しやすい形状ほど、起こりやすくなる。そこで、第二実施形態の例を基に、第三実施形態を説明する。
【００４１】
まずは、第二実施形態のように環状の金属構造体１０６が一つの場合を考える。この場合、共振条件下で共振器内に電気エネルギーと磁気エネルギーが固有振動を起こしながら蓄えられている。金属構造体１０６のギャップ間１０８には、電界エネルギーが多く蓄えられ、金属柱状体１２１及び金属構造体１０６では、分布定数線路であるので、電気エネルギーと磁気エネルギーが蓄えられている。
【００４２】
図７に示すように、この金属構造体（第一金属構造体）１４１の周辺部に、共振器として働く別の環状の金属構造体（第二金属構造体）１４２を配置すると、第一金属構造体１４１と第二金属構造体１４２が電磁界結合を起すようになる。
このときに、第一金属構造体１４１に蓄えられている電気エネルギーと磁気エネルギーは、第二金属構造体１４２へ染み出す。このように、共振器に共振器を近づけることで電磁界エネルギーを染み出させる現象はエバネセント波を生じる手段として知られている。ちなみに、厳密に言うとエバネセント波は、誘電体の境界面などに存在する電磁波を示すが、広義の意味で、金属体の電磁波に関しても用いられており、近年開発が進む、非接触給電技術もこのエバネセント波を応用したものである。
このようにエバネセント波を生じさせることで、電磁波の入り口である開口部１０５からみて第一金属構造体１４１よりも離れた第二金属構造体１４２に電磁界が拡散されることになり、開口部１０５内の電磁波をより効率的に取り出すことが可能となる。
【００４３】
環状の金属構造体どうしを良好に結合させるためには、図７のように、第１及び第２金属構造体１４１、１４２のギャップ部１０８をそれぞれ対向させるような回転角度に配置することが好ましい。このように配置することで、ギャップ部１０８を介して、キャパシタンス成分で第一金属構造体１４１と第二金属構造体１４２を結合させることが可能となる。また、金属柱状体や金属構造体のような分布定数線路も、第一金属構造体１４１と第二金属構造体１４２が隣接して配置されるため、良好に電磁界結合させることが可能となる。
【００４４】
図７の等価回路図を図８に示す。図中の分布定数回路記号の傍にある×印は、分布定数回路間の結合を示しており、分布定数線路の結合は、偶モード、奇モード時に共振条件となる。また、図中のＣcoは、金属構造体のギャップ結合（第一金属構造体１４１と第二金属構造体１４２のギャップ結合）によって生じるキャパシタンス成分を示している。
【００４５】
図７、図８は、二つの金属構造体１４１、１４２の結合に関する説明であるが、二つに限定される必要はなく三つ以上にしてもよい。このように金属構造体を複数設けることによって、金属構造体を伝わって電磁波が拡散されていく。
【００４６】
この電磁波の拡散の現象をより理論的に説明するために、回路図を用いてさらに詳しく説明する。まずは円形に周期的な構成（点対称構成）をしているので、周期構造を利用して、金属柱状体から隣接する金属柱状体までを分割して考える。すなわち、図８のように四分割されている場合は、四分の一の領域である、線分Ｘ−Γ−Ｙに沿って抽出すると、理論的に図９のような等価回路が得られる。尚、図９では図８の場合と異なり、複数の金属構造体が結合しているとしている。ちなみに、図９の短絡側の分布定数線路は、金属柱状体の分布定数線路の１／２の径を持つ分布定数線路と等価である。
【００４７】
また図９は、Ｃｓｅを分割する線（図９のΓ―Ｍ）で対称性があるので、対称性を考慮して、図１０のような回路が等価的に得られる。金属構造体の先端部に入力ポート（ポート１）と出力ポート（ポート２）を定義すると、分布定数線路が、キャパシタンス成分Ｃoで結合された回路構成と等価になる。この構成は、分布定数線路の同一側が短絡された、コムライン形の帯域通過フィルタ（BPF）と同様な構成となる。帯域通過フィルタは限られた帯域で、ポート１からポート２へ電磁波を伝搬（拡散）させることが可能であるフィルタであり、式（３）で示した周波数が通過域になるように設計を行うことで、電磁波を良好に拡散させることが可能となる。
【００４８】
上記条件は、金属構造体に隣接している材質の誘電率や透磁率によって異なるが、概ね金属構造体の間隔は、数μ〜数十μｍ程度で妥当となり、この条件下では、赤外線領域で、良好に電磁波を拡散できるようになる。
【００４９】
また、金属柱状体１２１の高さは、作製の容易さを考慮すると同じ方が好ましいが、必ずしも同じである必要はなく、高くしても低くしても構わない。例えば、外周に配置する金属構造体の金属柱状体の高さを高くすることで、開口部１０５からより遠ざかった場所に電磁波を拡散することが可能となる。
【００５０】
また、マイクロメートルオーダーの微細加工で作られた放熱構造体１０３が剥き出しの状態では、些細な衝撃で、放熱構造体１０３が破損してしまう危険が生じる。そのため、図１１に示すよう、フィルム（シート）形状の誘電材料１５１を、放熱構造体１０３が覆われるように金属板１０４上に設けるようにしても良い。誘電材料１５１を設けることにより、取り扱いも良くなる。また、誘電率による波長短縮効果により、開口部１０５や金属構造体のサイズを小型化にすることが可能となる。
【００５１】
誘電材料１５１は、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミドフィルム、ガラス、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、シリコン、アルミナ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ランタンアルミネート、を含むものである。
【００５２】
また、図１１のように、開口部の中心部を貫通し、発熱源側に延長され、かつ金属柱で構成された励振ポート１５２を設ける構成にしてもよい。励振ポート１５２を設けることで、周囲に配置された金属体１０６と結合しやすくなる。周波数によって励起されるモードは異なるが、例えば図１１のように、励振ポート１５２の周囲に磁界を作り出すモードの場合、隣接する金属柱状体１２１と磁気結合１５３で結合される。
【００５３】
（シミュレーションを用いた検証）
上記で望ましい構成について説明した。この構成を検証するために、電磁界シミュレータで解析を行った。解析した構造と結果を以下に説明する。
図１２に解析した構成を示す。第一金属構造体１４１の外周に第二金属構造体１４２を配置する構成にしている。ギャップの距離ｇ１はｇ１＝４μｍ、開口部１０５の中心と第一金属構造体１４１の距離ａはａ＝７μｍ、金属構造体の幅ｗはｗ＝２μｍ、金属構造体間の距離ｇ２はｇ２＝３μｍとした。
また、開口部１０５のサイズを半径７μｍの円とした。開口部１０５には、半径0.8μｍ、高さ３μｍの励振ポート１５２を設けた。また、金属板１０４の厚さは３μｍとし、誘電体材料１５１は厚み８μｍ、比誘電率εｒ＝６．２、比透磁率μｒ＝１とした。また、金属柱状体１２１は半径１μｍ、高さ３μｍとした。
【００５４】
図１３、図１４に電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ：ＡＮＳＹＳ社）で電磁界解析した結果を示す。この解析では、金属板１０４を基準に、励振ポート１５２を励振した。
図１３は上面（図１２のｚ−方向）からみた電界分布を示している。ギャップ部１０８に電界が集中していることが確認できる。また、対向しているギャップ部１０８を介して、第一金属構造体１４１から第二金属構造体１４２へ電界が伝搬（拡散）している様子も確認できる。
図１４は反射特性｜Ｓ１１｜を示している。開口部１０５を基準にしているので、この反射特性｜Ｓ１１｜は、開口部１０５を通過した電磁界エネルギーのうち、開口部１０５へ反射して帰ってくるエネルギーを示している。換言すれば、｜Ｓ１１｜が小さいほど、開口部１０５から外に伝搬（拡散）していく電磁界エネルギーが大きいことを示している。第一金属構造体１４１のみの特性（金属構造体  一段）に比べて、第二金属構造体１４２を追加した特性（金属構造体  二段）の特性は、広帯域になり、全般的に｜Ｓ１１｜が小さく、伝搬（拡散）が良好であることが確認できた。
【００５５】
上記では、図１２から図１４を用いて、二段の場合（第一金属構造体１４１と第二金属構造体１４２）について説明を行ったが、二段以上にしてもよい。例えば、五段（五つの金属構造体を有する構成）にした場合に、同様に電磁界解析を行った。得られた電界分布図を図１５に示す。この図から五段の場合にも、中央部からの電界の伝搬（拡散）の様子が確認できる。
【００５６】
以上のようにして、電磁界シミュレ―ションを用いて本発明の効果を説明したが、本発明には、様々な応用形態が想定される。
【００５７】
例えば、図１６に示すように、前記ギャップ部１０８に面している金属構造体１０６の端部に、金属板１０４とは反対方向に突出する突出部１５５を設けてもよい。突出部１５５を設けることで、ギャップ部１０８のキャパシタンス成分Ｃｓｅが増加する。また、突出部１５５の段差部１５６にキャパシタンス成分が付加される。このような段差がある分布定数線路は、キャパシタンス成分により、電気長が短くなる。言い換えれば、小形化に寄与できる。
【００５８】
今までの構成例では、開口部１０５の形を円形で示した。これは円形のほうが不要な高次モードを発生しにくいためである。しかしながら、特に開口部１０５の形は限定されるものではなく、三角形、四角形、などの多角形にしても良いし、楕円、Ｈ形やＴ形であっても構わない。
円形の場合、図１の右図のように複合的に集積しようとすると、円形と円形の間に無駄な空間が出来てしまうが、例えば、三角形などの多角形を採用することで円形の場合よりも無駄な空間を少なくすることが可能となる。
【００５９】
（第四実施形態）
先述したように、本発明は、大面積にも対応可能なように平面上に複合的に金属構造体を配置する。しかしながら、このように平面上に複合的に金属構造体の配置を行うと、ある特定の開口部から放出した電磁界の一部が隣接している別の開口部を通じて、機器内部に戻ってくる可能性がある。そのため、互いに不要な干渉をしない構成にすることが好ましい。そこで、複合的な金属構造体の好ましい配置構成に関しても検討を行ったので以下に示す。
【００６０】
図１７から図１９は、隣接する金属構造体の配置方法を３パターン変更したものである。
図１７は、図中左の構造体の金属柱状体（第一金属柱状体）１６１と右の構造体の金属柱状体（第二金属柱状体）１６２が隣接する場合の構成であり、この構成を構成１とする。
図１８は、図中左の構造体のギャップ部（第一ギャップ部）１６３と右の構造体のギャップ部（第二ギャップ部）１６４が隣接すなわち対向する場合の構成であり、この構成を構成２とする。
図１９は、図中左の構造体の金属柱状体（第一金属柱状体）１６１と右の構造体のギャップ部（第二ギャップ部）１６４が隣接する場合すなわち左の構造体のギャップと右の構造体のギャップ同士が対向していない場合の構成であり、この構成を構成３とする。
尚、各構造体のサイズは図１２と同じであり、図１７から図１９の左右の構造体は、３μｍ離れて配置されている。
【００６１】
図１７（構成１）から図１９（構成３）の構成を電磁界シミュレータで解析した。解析では、図中左の開口部（第一開口部）１６５と第一励振ポート１６７に入力ポートを設定し、右の開口部（第二開口部）１６６に第二励振ポート１６８に出力ポートを設定した。
解析結果（｜Ｓ１１｜の周波数特性）を図２０に示す。この図から分かるように、構成１や構成２では、数１０ＴＨｚの周波数帯域に複数の不要な反共振１７１が確認できた。反共振が起きる周波数では特性が劣化するために好ましくなく、目標となる周波数で不要な反共振１７１が少ない、構成３の特性が好ましい。
すなわち、隣り合う複合金属構造体間ではギャップ同士が対向していないことが好ましく、また、金属柱状体を有している場合には金属柱状体同士も対向していないことが好ましい。
【符号の説明】
【００６２】
１０１…発熱源、１０２…電子機器、１０３…放熱構造体、１０４…金属板、１０５…開口部、１０６…金属構造体、１０７…熱輻射（放射）、１０８…ギャップ部、１２１…金属柱状体、１３１…金属柱状体の等価回路素子、１３２…金属構造体の等価素子、１３３…ギャップ部の等価回路、１４１…第一金属構造体、１４２…第二金属構造体、１５１…誘電材料、１５２…励振ポート、１５３…磁気結合、１５５…突出部、１５６…段差部、１６１…第一金属柱状体、１６２…第二金属柱状体、１６３…第一ギャップ部、１６４…第二ギャップ部、１６５…第一開口部、１６６…第二開口部、１６７…第一励振ポート、１６８…第二励振ポート、１７１…不要な反共振
【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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