(57)【要約】      （修正有）【課題】比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中において、磁界アンテナから放射される磁界変動によって伝搬する磁力波信号が、電界アンテナから放射される電界変動によって伝搬する電磁波信号に比較して低損失であり、長距離の伝搬特性を有することを利用した磁力波通信装置を提供する。【解決手段】磁力波通信装置２１からは１００ｋＨｚ以上の周波数帯で比較的に広い帯域幅の磁力波信号を磁界アンテナ２１３によって海水中に放射し、磁力波信号を磁力波通信装置２２に接続された磁界アンテナ２２３によって受信する。磁力波信号が海水中を低損失でかつ長距離を伝搬するので、磁界アンテナ２１３と２２３の間で前記磁力波信号を低損失で効率よく送受信することができる。【選択図】図１
2009302963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中に設置されたアンテナ手段と、前記アンテナ手段に接続された送信手段、受信手段、あるいは送受信手段から構成され、前記アンテナ手段が、主として磁界変動あるいは磁流変動に感応し、磁界変動あるいは磁流変動を放射することを特徴とする磁力波通信装置。
【請求項２】
前記比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質が、塩分濃度０％から１０％までの真水あるいは海水であることを特徴とする請求項第１項に該当する磁力波通信装置。
【請求項３】
前記磁界変動あるいは磁流変動が１００ｋHz以上の周波数帯において比較的に広い帯域幅を占有することを特徴とする請求項第１項から第２項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項４】
前記アンテナ手段が磁界アンテナあるいは磁流アンテナであることを特徴とする請求項第１項から第３項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項５】
前記アンテナ手段が、磁界変動あるいは磁流変動を部分的に吸収し減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有し、あるいは磁界変動あるいは磁流変動を放射し磁界変動あるいは磁流変動に感応するのを部分的に吸収し減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有することを特徴とする請求項第１項から第４項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項６】
前記磁界吸収体の磁気抵抗が比較的に大きく、磁界損失あるいは磁流損失が比較的に大きいことを特徴とする請求項第５項に該当する磁力波通信装置。
【請求項７】
前記磁界吸収体が、前記アンテナ手段を、リング状に蔽う構造であり、あるいはサンドイッチ状に蔽う構造であることを特徴とする請求項第５項から第６項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項８】
前記磁界吸収体が、磁界損失が比較的に大きな粉末状の金属粒子を含むことを特徴とする請求項第５項から第７項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項９】
前記アンテナ手段が、ループアンテナ、ヘリカルアンテナ、三日月刀形ループアンテナ、スパイラルアンテナ、ループスパイラルアンテナ、あるいはマイクロストリップアンテナであることを特徴とする請求項第４項から第８項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１０】
前記アンテナ手段がフエライトコア上に巻かれたフエライトバーアンテナでることを特徴とする請求項第４項から第８項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１１】
前記アンテナ手段が、ホール素子を用いた磁気センサであり、あるいは表面波伝搬磁界アンテナであることを特徴とする請求項第４項から第８項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１２】
前記アンテナ手段から放射される磁力波信号の偏波特性が垂直偏波であり、水平偏波であり、円偏波であり、あるいはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第４項から第１１項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１３】
前記アンテナ手段の一部あるいは全部が、磁界変動あるいは磁流変動を通過させ、電界変動あるいは電気力線を減衰させる特性を有する電界シールドにより覆われることを特徴とする請求項第１項から第１２項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１４】
前記電界シールドが、１０ミクロン以下の薄膜状であり、格子状であり、線状であり、網状であり、パンチングメタル状であり、スパッタリングにより形成され、メッキ処理により形成され、絶縁材料に微細な金属粒子あるいはフエライト粒子を混入たものであり、あるいはこれらの組合せであることを特徴とする請求項第１３項に該当する磁力波通信装置。
【請求項１５】
前記アンテナ手段が、整合条件を切り替えるための切替手段、整合条件を調整するための調整手段、あるいは整合条件をアダプテイブに制御するための制御手段を有することを特徴とする請求項第４項から第１４項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１６】
前記アンテナ手段が、周辺の物質によって侵食されず、加えられる圧力に耐えられる耐圧・耐蝕性の素材あるいは構造で覆われていることを特徴とする請求項第１項から第１５項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１７】
前記アンテナ手段がアレイ状に配列された複数個のアンテナ素子を有するアレイアンテナであり、前記複数個のアンテナ素子が構成する指向性ビームの表面方向への磁界変動あるいは磁流変動を低損失で放射し、背面方向への磁界変動あるいは磁流変動の放射を吸収し減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有することを特徴とする請求項第１項から第１６項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１８】
前記複数個のアンテナ素子が、振幅制御手段、遅延制御手段、合成・分配手段、あるいはこれらの組合せを有するアクテイブフエーズドアレイアンテナを構成し、前記アクテイブフエーズドアレイアンテナの指向性ビームの方向を上下方向、左右方向、あるいは上下左右方向に走査することを特徴とする請求項第１４項から第１７項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項１９】
前記アンテナ手段が、特定方向に向けて磁力波信号を発信し、反射物体から反射される磁力波信号を受信し、測深装置、探知装置、探査装置、あるいはレーダ装置を構成することを特徴とする請求項第１項から第１８項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２０】
前記アンテナ手段が真水中あるいは海水中に設置され、送信手段、受信手段、あるいは送受信手段が大気中に設置され、真水あるいは海水と大気との接触面に存在する表面波伝搬を利用して長距離通信を行なうことを特徴とする請求項第１項から第１９項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２１】
前記送信手段あるいは受信手段が複数のアンテナ手段とアンテナ切替手段を有し、受信手段において、複数のアンテナ手段に対応する磁力波信号の位相差を測定し、送信手段が位置する方向あるいは受信手段が向かっている方向を検知することを特徴とする請求項第１項から第２０項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２２】
前記送信手段に接続されたアンテナ手段から、同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、あるいはベースバンド信号を含む磁力波信号を発信し、前記受信手段に接続されたアンテナ手段によって、受信した前記複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、あるいはベースバンド信号の位相差を測定することで、前記送信手段と受信手段との距離を高精度で測定することを特徴とする請求項第１項から第２１項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２３】
複数の送信手段が海底に離散的に設置され、海底の地殻変動を監視することを特徴とする請求項第２１項から第２２項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２４】
前記送信手段あるいは受信手段が海上あるいは海水中を移動する複数の移動体に装備され、前記複数の移動物体間の相対的な距離と方向を測定することを特徴とする請求項第２１項から第２２項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２５】
前記送信手段に接続されたアンテナ手段と、前記受信手段に接続されたアンテナ手段の両方を大気中に設置し、磁力波信号を送受信することを特徴とする請求項第１項から第２４項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【請求項２６】
前記送信手段に接続されたアンテナ手段と、前記受信手段に接続されたアンテナ手段のいずれか片方を大気中に設置し、もう一方を真水中あるいは海水中に設置し、磁力波信号を送受信することを特徴とする請求項第１項から第２４項のいずれかに該当する磁力波通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中において、磁界アンテナ、磁流アンテナから放射される磁界変動、磁流変動によって伝搬する磁力波信号が、電界アンテナから放射される電界変動によって伝搬する電磁波信号に比較して低損失であり、長距離の伝搬特性を有することを利用した磁力波通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水中で通信するためのシステムあるいはループアンテナを利用する技術が提案されている。（例えば、特許文献１、２、３、および非特許文献１、２、３）
【特許文献１】特開２００７−２２１７５６号
【特許文献２】特開２００１−３２６５２６号
【特許文献３】特開２００５−２１７１２０号
【非特許文献１】「工学系の基礎電磁気学」W.H.ヘイト著、山中他訳、朝倉書店刊、２７５頁〜２８０頁
【非特許文献２】「アンテナと電波伝搬」谷口慶治著、共立出版  １８８頁〜１８９頁
【０００３】
図８は、特許文献１に記載されている従来の「信号伝送装置」の実施例である。
図８において、２１は発信手段、２１１は制御部、２１２は、例えば、２７ＭＨｚ帯の送信機、２１３は小型のループアンテナ、２２は受信手段、２２１は制御部、２２２は、例えば、２７ＭＨｚ帯の受信機、２２３は小型のループアンテナ、２２４はインターフエイス部、２２５は接続端子、１１１は水面あるいは液面である。
制御部２１１により制御される２７ＭＨｚ帯の送信機２１２からは、識別符号等を含む信号によって変調された電磁波信号が発信され、液面１１１の下部に設けられた小型のループアンテナ２１３によって当該電磁波信号を効率よく放射する。
【０００４】
ここで、当該ループアンテナ２１３の内径寸法および巻数を選択して当該液体中で共振状態あるいはマッチング状態とし、当該電磁波信号を効率よく放射するようにする。
この場合、液体の誘電率は空気の誘電率に比較して一般に高い値を示すため、当該ループアンテナ２１３は液体中では放射効率が良いのに対して、空気中では放射効率が極端に低い状態となる。
当該ループアンテナ２１３と２２３を真水あるいは海水のような高い比誘電率（ε＝８１）の液体中に浸すと、図９に示すように共振現象あるいはマッチング現象が生じ、電磁波信号の周波数が共振周波数あるいはマッチング周波数３１４において共振現象あるいはマッチング現象が最も顕著に現れ、小型のループアンテナ２１３と２２３の間の結合損が減少する。
【０００５】
従って、上記の共振現象あるいはマッチング現象が生じる周波数帯を利用することによって、当該真水中で低損失の信号伝送装置が実現できることになる。
一方、海水では真水に比べて誘電率が更に高くなり、当該ループアンテナ２１３と２２３を真水中に比べて更に小型化することが可能となり、同一の形状の場合には共振周波数あるいはマッチング周波数が低くなるので、伝送損失が低くなるなどのメリットがあるとされている。
従来の「信号伝送装置」は上記のとおり構成されているため、真水中あるいは海水中で共振状態あるいはマッチング状態となるメカニズムが不明確であり、空中と海水中でループアンテナの共振周波数が変化することに対する対策が示されていないなどの問題点がある。
【０００６】
上記の他に、特許文献２に記載されている「シールドアンテナコイル」によれば、「送信回路に接続された給電パターンコイル１９と、給電パターンコイルの外側に設置されて相互誘導により結合する共振パターンコイル２０と、共振パターンコイルに接続された共振周波数調節用のコンデンサ２１及びインピーダンスとＱ値の調節用の抵抗２２で構成される整合回路と、共振パターンコイルから放射される電界成分を減らすための電界シールドパターン２３ａ，２３ｂとを備え、電界シールドパターンを、共振パターンコイルを挟み込むように配置することによって、通信手段との通信に必要な磁界成分を確保しつつ、他の無線装置の通信妨害となる電界成分を減らすことができるシールドアンテナコイルを得る」ことができるとされている。
【０００７】
また、特許文献３に記載されている「電磁波シールド及びそれを用いたループアンテナ装置」によれば、「本発明の電磁波シールドは、導電体と、導電体をグランドに接続するためのグランド接点とを備え、導電体はグランド接点を介してグランドと電気的に接続されて構成され、導電体の任意の点からグランド接点へ至る経路が一意的に定まる様に配されてなる電磁波シールドであって、導電体が巻き回されてなる構成としたものである。
また、本発明のループアンテナ装置は、少なくとも一方の面に前記の電磁波シールドを備えた構成としたものであり、電磁界発生装置から放出される電磁波の近傍磁界の減衰を抑制したまま遠方電界を減衰することができる電磁波シールド及びそれを用いたループアンテナ装置を提供することを目的とするものである。」とされている。
【０００８】
しかしながら、前記特許文献２および３に記載されている「シールドアンテナコイル」あるいは「電磁波シールド及びそれを用いたループアンテナ装置」では、いずれもＲＦＩＤタグに用いる「給電パターンコイル」あるいは「ループアンテナ装置」の外側に「電界シールドパターン」あるいは「電磁波シールド」を設け、「通信手段との通信に必要な磁界成分を確保しつつ」あるいは「近傍磁界の減衰を抑制しつつ」「他の無線装置の通信妨害となる電界成分を減らすことができ」、あるいは「遠方電界を減衰することができる」とされており、本発明が、電界シールドを設けることによりループコイルの共振周波数の変動を抑えるとともに、海水中で遠方まで伝搬する磁界成分を利用して通信を行なうこととは、目的と得られる効果が異なるものと考える。
【０００９】
一方、非特許文献１の２７５頁〜２８０頁に記載されている「９．３  損失のある誘電体中の平面波」によれば、２７７頁の上から４行目に、「ExあるいはHyの振幅は、水中を１ｍ／５２０（約２ｍｍ）伝播するごとに０．３６８の係数で減衰する。伝播するという言葉はこのようにたいへんあいまいに使用されている。減衰が大きいことが、水中でレーダーが使用されずにソナーが使われる理由である。」とされている。
また、非特許文献２の１８９頁、図５．３に示されている「水中を伝搬する電波の減衰特性」によれば、海水中では１ＭＨｚの電波が約１００ｄＢ／ｍの割合で減衰するとされている。
【００１０】
しかしながら、本発明の磁界アンテナあるいは磁流アンテナを用いて海水中で伝搬実験を実施したところ、前記非特許文献１あるいは非特許文献２に記載されている程の急激な伝播損失が生じないことを実験で確認している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明は、比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中に設置された磁界アンテナあるいは磁流アンテナ（以下磁界アンテナと称する）から放射される磁界変動あるいは磁流変動（以下磁界変動と称する）の伝搬を利用して磁力波通信装置を実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係わる磁力波通信装置は、比誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中において設置された磁界アンテナが、磁界変動を効率よく送信し、受信できる特性を利用することによって、比較的に長距離でかつ広帯域の磁力波通信を可能とするものである。
【００１３】
一方、前記磁界アンテナを大気中に設置した場合でも、伝搬特性がほとんど変わらないことから、前記磁界アンテナを用いると、送信アンテナと受信アンテナの両方あるいはいずれか一方が大気中に設置された場合、前記送信アンテナと受信アンテナの両方あるいはいずれか一方が真水中あるいは海水中に設置された場合のいずれの場合でも、比較的に長距離でかつ広帯域の磁力波通信を可能とするものである。
【００１４】
この発明に係わる磁力波通信装置に用いられる磁界アンテナは、磁界変動を部分的に吸収し減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有し、あるいは磁界変動の放射あるいは受信を抑制しあるいは減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有する。
また、前記磁界吸収体の磁気抵抗が比較的に大きく、磁界損失が比較的に大きいこと、あるいは前記アンテナ手段を磁界吸収体で部分的に蔽うために、リング状の構造であり、あるいはサンドイッチ構造であること、あるいは磁界吸収体が磁界損失が比較的に大きな粉末状であることなどが必要である。
【発明の効果】
【００１５】
従来、海水中での通信にはもっぱら音波あるいは超音波が用いられ、あるいは例えば１００ｋＨｚ以下の極めて低い周波数帯の電磁波信号を用いることが一般的であり、１００ｋＨｚ以上の比較的に高い周波数帯の電磁波信号は、例えば海水中での減衰が２７ＭＨｚ帯において約１００ｄＢ／ｍと急激であるために、利用が難しいというのが定説であった。
【００１６】
本発明の磁力波通信装置では、１００ｋＨｚ以上の周波数帯において、広い帯域幅の磁力波信号を利用することで、例えば真水中あるいは海水中などで、長距離通信が可能となり、従来の音波あるいは超音波による通信に代わる長距離で低損失の伝搬が可能な磁力波通信装置を安価に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明に係わる磁力波通信装置によれば、図１および請求項第１項、第２項、および第３項に本発明の第１の実施形態を示すように、磁力波通信装置２１に接続された磁界アンテナ２１３から、磁力波信号を真水中あるいは海水中などで効率よく放射し、磁力波通信装置２２に接続された磁界アンテナ２１３によって磁力波信号を受信する場合、前記磁界アンテナ２１３から放射された磁力波信号は、長距離を低損失で磁界アンテナ２２３に伝搬される。
【００１８】
図２および特許請求範囲第４項から第１０項に示す磁界アンテナの構造および動作原理によれば、本発明の磁界アンテナに対しては、（１）磁界変動を部分的に吸収し減衰させるための磁気材料あるいは構造を有し、あるいは磁界変動を放射し、磁界変動に感応するのを部分的に吸収しあるいは抑制しあるいは減衰させるための磁界吸収体あるいは構造を有し、（２）前記磁界吸収体の磁気抵抗が比較的に小さく、磁界損失が比較的に大きいこと、（３）前記磁界吸収体が前記アンテナ手段を部分的に蔽うために、リング筒状の構造であり、あるいはサンドイッチ構造であること、（４）前記磁界吸収体の磁界損失が比較的に大きく粉末状の粒子であることなどが必要である。
【００１９】
図３および請求項第１項、および第２項に示す本発明の第２の実施形態では、磁力波通信装置２１、２２、および磁界アンテナ２１３、２２３の何れもが、真水中あるいは海水中に設置されあるいは移動しているものとする。
磁力波通信装置２１、２２に接続された磁界アンテナ２１３、２２３によって前記磁力波信号を送受信する場合、前記磁界アンテナ２１３から放射された磁力波信号は、直接波伝搬によって低損失で前記磁界アンテナ２２３に伝搬される。
【００２０】
図４および請求項第１項、第２項、および第１７項に示す本発明の第３の実施形態では、磁力波探知装置２３の送信機２３１ｂに接続された磁界アンテナ２３３ｂから探知のための磁力波信号１１３ｂが真水中あるいは海水中に向けて送信され、海底などで反射された磁力波信号１１３ａを、前記磁力波探知装置２３の磁界アンテナ２３３ａで受信することによって、海底までの距離を測定し、あるいは海水中の障害物を検知することができる。
【００２１】
図５および請求項第４項から第１４項に示す本発明の第５の実施形態では、磁界アンテナ２１３の内部構造を示すように、アンテナ素子４００の中心部分を磁界変動を吸収し減衰させるための磁界吸収体４０１によってサンドイッチ構造とし、前記磁界アンテナ２１３の外周部分を電界シールド４０２で被い、更に、耐圧性を有する充填材４０３および耐食性を有する外皮４０４によって被うことで図２に示す磁界アンテナに要求される条件を満足する。
【００２２】
図６および請求項第１５項から第１６項に示す本発明の第６の実施形態では、複数の放射素子をアレイ状に配列した磁界アンテナ２１３の内部構造を示すように、複数の放射素子４００ａ〜４００ｎの一部が磁界変動を吸収し減衰させるための磁界吸収体４０１の内部に埋没された構造となっており、前記磁界アンテナ２１３の外周部分を電界シールド４０２で被い、更に、耐圧性を有する充填材４０３および耐食性を有する外皮４０４によって被うことで図２に示す磁界アンテナに要求される条件を満足する。
【００２３】
前記磁界アンテナ２１３からは、複数の放射素子４００ａ〜４００ｎの大部分が磁界吸収体４０１の表面方向に露出しており、したがって、磁界吸収体４０１の表面方向に磁界変動が低損失で放射され、裏側方向には磁界変動が減衰して放射される。
また、前記複数の放射素子４０１ａ〜４０１ｎに給電する際の位相および振幅を制御することでいわゆるアクテイブフエーズドアレイアンテナを構成することが可能となり、磁力波レーダ装置に適する指向性ビームアンテナを実現することができる。
【００２４】
図７および請求項第４項から第１４項に示す本発明の第６の実施形態では、磁界アンテナ２１３において、同軸ケーブル４０６の外周部に磁界変動を吸収し減衰させるための磁界吸収体４０１でリング状に取り囲むように設けることによって、放射素子４００ａ、４００ｂのみから磁界変動を効率よく放射させることで、図２に示す磁界アンテナに要求される条件を満足する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態を示すシステム構成図であり、図１において、２１、２２は磁力波通信装置、２１１、２２１は制御部、２１２、２２２は送受信機、２１３、２２３は磁界アンテナ、１１１は海表面である。
制御部２１１により制御される送受信機２１２に接続された磁界アンテナ２１３からは、磁界変動が放射され、長距離を低損失で伝搬して磁界アンテナ２２３によって受信される。
【００２６】
発明者らが実施した海水中での伝搬実験では、ダイポールアンテナなどの電界アンテナから放射される電界変動に基づく伝搬損失が２７ＭＨｚ帯において約１００ｄＢ／ｍと急激に減衰するのに対して、磁界アンテナから放射される磁界変動に基づく伝搬損失が２７ＭＨｚ帯においてもはるかに低損失であり、長距離の伝搬が可能であることを確認している。
そこで、電界アンテナから放射される電界変動に基づいて伝搬される電磁波信号に対して、磁界アンテナから放射される磁界変動によって伝搬される信号を新たに磁力波信号と称し、前者による伝搬を電磁波伝搬、後者による伝搬を磁力波伝搬と称するものとする。
【００２７】
ここで、図２を用いて磁力波伝搬のメカニズムを解明しておく必要がある。
図２において、６００はループコイルを用いた送信アンテナ、６０１ａ、６０１ｂは送信アンテナ６００に流れる導電電流の方向、６０２は磁界変動を吸収し減衰させるための磁界吸収体、６０３ａ、６０３ｂは送信アンテナの接続端子、６１１は送信アンテナ６００の中心線、６１１は受信アンテナ、６１２は送信アンテナのループの間隔（Ｄ）、６１３は送信アンテナ６００の外側のループと受信アンテナ６１１の距離（Ｒ）である。
【００２８】
送信アンテナ６００に導電電流Ｉが流れているとすると、受信アンテナ６１１の位置での磁界変動を磁束密度の変動（ｄＢＲ／ｄｔ）により表現すると、
（ｄＢＲ／ｄｔ）＝μ [｛１／（２πＲ）｝―γ｛１／（２πＲ＋Ｄ）｝] （ｄＩ／ｄｔ）  - - -（１）
によって表わされる。
ここで、μは海水の透磁率、γは磁界吸収体６０２によって吸収されあるいは減衰する割合である。
【００２９】
（１）式から、
（ｄＢＲ／ｄｔ）＝μ｛２πＲ（１−γ）＋Ｄ｝／｛２πＲ（２πＲ＋Ｄ）｝（ｄＩ／ｄｔ）
≒μ｛（１−γ）／（２πＲ）｝（ｄＩ／ｄｔ）  - - -（２）
となる。ただし、（１−γ）＞＞（Ｄ／２πＲ）とする。
例えば、γ＝１／３≒−１０ｄＢとすると、この程度は容易に実現できることから、
（ｄＢＲ／ｄｔ）＝μ｛０．６７／２πＲ｝（ｄＩ／ｄｔ）   - - -（３）
となる。
【００３０】
前記の（３）式は、受信アンテナ６１１の地点での磁束密度の変動、したがって磁界変動が距離Ｒに反比例することを示し、磁界変動の伝搬が平面波によることを示す。
一方、受信アンテナ６１１がループアンテナとすると、受信アンテナ６１１の両端に誘起する起電力ＥＲは、受信アンテナ６１１の地点における磁束の変動によって生じることから、
ＥＲ＝−（ｄΦ／ｄｔ）＝−∫（ｄＢＲ／ｄｔ）
＝−μ∫｛０．６７／２πＲ｝（ｄＩ／ｄｔ）   - - -（４）
となって、起電力ＥＲも距離Ｒに反比例して減少することになる。
【００３１】
上記の伝搬式は誘電率εの項を含んでいないので、比誘電率が８１程度と高く、比透磁率が１に近い真水あるいは海水中においても、波長短縮せず、したがって平面波として長距離を伝搬することが分かる。
また、大気中においても、比透磁率が１に近いことから、波長短縮が生せずに平面波として長距離を伝搬するので、大気中から海水中へ磁力波信号が減衰せずに透過することが期待できる。
【００３２】
上記の説明では、海水中での磁力波伝搬を利用する例について述べたが、一般的に、誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中において、磁力波伝搬を利用しても同様な効果が得られることになる。
【００３３】
また、前記磁力波通信装置２１、２２のいずれか一方あるいは両方に、複数の磁界アンテナを接続し切替器を用いて周期的に切り替えながら磁力波信号を送受信し、前記複数の磁界アンテナに対応して受信した磁力波信号の位相差を測定することによって、前記磁力波通信装置２１あるいは２２が位置する方向を高い精度で検知することができる。
【００３４】
また、前記磁力波通信装置２１、２２のいずれか一方あるいは両方から、同期しあるいは直交する少なくとも周波数が異なる複数の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、あるいはベースバンド信号を含む磁力波信号を送受信し、前記搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、あるいはベースバンド信号の位相差を測定することによって、前記磁力波通信装置２１と２２の間の距離が高い精度で検知することができる。
【００３５】
また、前記磁力波通信装置２１、２２に接続された磁界アンテナ２１３、２２３が海上を移動する複数の移動体に装備され、前記複数の移動物体間の相対的な位置関係を検知することによって、前記複数の移動体の移動に従って最適なユビキタスモバイルネットワークを瞬時に構成することができる。
また、前記磁力波通信装置２１、２２に接続された磁界アンテナ２１３、２２３を船舶などの喫水線以下の船腹などに設置することで、周辺の船舶の位置、あるいは距離と方向が常時検知できることから、船舶同士の衝突を回避するための自動監視装置にも応用が可能である。
また、前記磁界アンテナ２１３、２２３が真水中あるいは海水中に設置され、前記磁力波通信装置２１、２２が大気中に設置され、真水あるいは海水と大気との接触面に存在する表面波伝搬を利用し、長距離通信を行なうことができることを実験で確認している。
【００３６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施形態を示すシステム構成図である。図３において、２１、２２は磁力波通信装置、２１１、２２１は制御部、２１２、２２２は送受信機、２１３、２２３は磁界アンテナ、１１１は海表面である。
前記磁力波通信装置２１、２２および磁界アンテナ２１３、２２３は一体化されて真水中あるいは海水中で運用されており、前記磁力波通信装置２１、２２および磁界アンテナ２１３、２２３はそれぞれ耐圧構造の防水筐体に収納することで、真水中あるいは海水中の深部でも運用することが可能となる。
【００３７】
また、前記磁力波通信装置２１、２２は、真水中あるいは海水中で運用可能なパッシブタグあるいはアクテイブタグとして機能させることができる。
また、前記アクテイブタグを、遊泳中の人体、海水中の任意の移動体、あるいは海水中の固定された物体などに装着することで、微弱な磁力波信号を発信しても１ｋｍ程度の位置に存在するアクテイブタグを識別し、距離と方向を測定することでロケーション管理が可能となる。
【００３８】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施形態を示すシステム構成図である。図４において、２５は磁力波探知装置あるいは磁力波レーダ装置、２５１ａは受信機、２５１ｂは送信機、２５２は制御部、２５３ａ、２５３ｂはアレイ型磁界アンテナ、２５４はインターフエイス部、２５５は接続端子、１１１は例えば海表面である。
前記アレイ型磁界アンテナ２５３ｂは送信機２５１ｂに接続され、前記アレイ型磁界アンテナ２５３ｂは受信機２５１ａに接続されているものとする。
【００３９】
前記アレイ型磁界アンテナ２５３ａから磁力波信号がバースト状に送信され、伝播路１１３ａを経由して海底などで反射し、伝播路１１３ｂを経由して前記アレイ型磁界アンテナ２５３ｂで受信される。
前記アレイ型磁界アンテナ２５３ａから磁力波信号を発信し、前記アレイ型磁界アンテナ２５３ａで受信するまでに要する伝搬時間を測定し、あるいは前記磁力波信号の搬送波信号、副搬送波信号、変調信号、あるいはベースバンド信号の位相を測定することで、海底までの距離あるいは海水中の障害物までの距離、あるいは海水中の障害物の３次元の位置が測位できる。
【００４０】
また、同期しあるいは直交し少なくとも周波数が異なる磁力波信号、あるいはチャープ変調された磁力波信号を前記アレイ型磁界アンテナ２５３ｂから発信し、前記アレイ型磁界アンテナ２５３ａで受信することによって、海底までの距離あるいは海水中の障害物までの距離が測定できる。
なお、海水中で磁力波信号を用いると、伝搬損失および波長短縮率が大気中で電磁波信号を用いた場合とほぼ同じであるので、大気中とほぼ等価な解像度と探知精度が得られるものと期待される。
また、磁力波信号の伝搬速度は超音波に比べてはるかに速いので、水中での障害物検知の際の探知時間と解像度が飛躍的に改善される。
【００４１】
（実施の形態４）
図５は本発明の第４の実施形態を示す磁界アンテナの構造の実施例を示す断面図であり、磁力波信号の送受信を効率的に行なうことができる。
図５において、２１３は磁界アンテナ、４００はループコイル、４０１は磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体、４０２は電界シールド、４０３は充填材、４０４は防水ケース、４０５ａ、４０５ｂは入力端子である。
【００４２】
磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１はループコイル４００の一部を被うように配置され、当該部分から送受信される磁力波信号を吸収し減衰させる効果がある。
なお、前記磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１は、別の表現をすれば、磁界変動の一部を吸収し減衰させるための磁界吸収体であり、あるいは磁界変動を放射し磁界変動に感応するのを部分的に吸収し減衰させるための磁界吸収体である。
【００４３】
また、前記磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１は、ループコイル４００をリング状に蔽いあるいはループコイル４００の一部をサンドイッチ状に蔽うことで磁力波信号を効果的に減衰させることができる。
また、前記磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１のためにループコイル４００の共振特性がダンピングされるので広帯域化される効果が得られる。
なお、前記磁界吸収体４０１の代わりにトロイダル状のフライトコアを用いると、ループコイル４００のインピーダンスが高くなり、ループコイルに電流が流れなくなる問題点がある。
【００４４】
前記ループコイル４００を防水膜で覆った程度で直接海水中に浸して用いると、空気中と海水中で比誘電率が異なるため、共振周波数が大きく変動することが実験の結果から確認されている。
そこで、前記ループコイル４００の外側に電界シールド４０２を設けることで共振周波数の変化を軽減し、あるいは海水の濃度の変化あるいは温度の変化などによる影響を抑制できるなどの効果がある。
【００４５】
なお、前記電界シールド４０２は、ループコイル４００から放射される磁界変動を通過させるが電界変動あるいは電気力線は減衰させる特性を有しており、あるいは別の表現によれば、金属材料で構成され、磁界変動に対して渦電流を生じない材質あるいは構造あるいは構成あるいは形状であり、１０ミクロン以下の薄膜状であり、格子状であり、線状であり、網状であり、パンチングメタル状であり、スパッタリングにより形成され、メッキ処理により形成され、絶縁材料に微細な金属粒あるいはフエライト粉を混入したものであり、あるいはこれらの組合せである。
【００４６】
また、前記物質が海水の場合には導電性があるために、ループコイル４００を地金のままで海水中に浸すと、アンテナの共振現象が消滅し、アンテナとして機能しなくなるので、防水ケース４０４を設け内部に充填材４０３を充填することで、問題点を解消するとともに、水圧に耐え、海水による侵食を防止するなどの効果がある。
また、前記ループコイル４００は多様な形態をとることが可能であり、他の多様な種類のアンテナを用いても同様な効果が得られる。
【００４７】
また、大気中と海水中において生じる同調周波数の変化あるいは整合条件の変化に対し、整合条件を切り替え、再調整し、あるいはアダプテイブに制御するための制御手段を設けることによって周辺の環境変化に対して特性を安定に保つことも可能である。
また、前記ループコイル４００に装荷インピーダンスを接続することによって、小型化が可能であり、磁界変動の放射効率を改善することができる。
【００４８】
また、前記ループコイル４００が、部分的では有るが、磁界吸収体４０１によって覆われているため、ループコイル４００の損失抵抗を増加させることからＱを低下させ、本質的に広帯域の磁界アンテナが実現できる。
また、ループコイル４００の入力端子に広帯域のインピーダンス変換手段を介して接続し、あるいは近接した複数の同調周波数を有するマッチング回路によって整合をとることで、広帯域で高能率な磁界アンテナを構成することができる。
また、前記ループコイル４００が複数のアンテナ素子によって構成され複数のアンテナ素子が疎に結合されて配置され、単一のアンテナ素子が太さあるいは幅あるいはこれらの両方が異なる複数の部分から構成され、あるいは複数の部分に分けお互いに角度をもって交差するように配置されることによって、広帯域の磁界アンテナが実現できる。
【００４９】
（実施の形態５）
図６は本発明の第５の実施形態を示す磁界アンテナの他の実施例を示す断面図であり、アレイ状に配置された複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎが、その１部分が磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１の内部を通って形成され、プリント基板４０５に接続されている。
前記磁界吸収体４０１は、ループコイル４００ａ〜４００ｎの一部分であり磁界吸収体４０１の内部を通って形成されている部分から放射される磁力波信号を吸収し減衰させるとともに、磁力波信号が背面に向けて放射されることを防止する効果がある。
前記複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎの外側には電界シールド４０２が配置され、前記電界シールド４０２と防水ケース４０４との間には充填材あるいは緩衝材４０３が注入されている。
【００５０】
ここで、前記複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎは、遅延制御回路および／あるいは分配・合成回路（標記せず）によって外部に接続されており、いわゆるアクテイブフエーズドアレイアンテナを構成し、指向性ビームを上下方向、左右方向、あるいは上下左右方向に走査できる指向性ビームアンテナを構成する。
また、前記複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎの各々を、その中心部において９０度交差させた２組のループコイルで構成し、前記２組のループコイルに９０度位相が異なる高周波電流を供給することによって、円偏波指向性アンテナとして機能させることができる。ただし、前記交差する角度は任意とし、前記角度に合わせて前記位相を調節することができる。
【００５１】
また、磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１は、例えば、ＵＨＦ帯以下ではゴム素材に磁界損失の大きな金属粒子を練り込んだものであり、ＵＨＦ帯以上ではゴム素材の代わりに発泡樹脂系の素材を用いることで、広い帯域で必要な特性を実現することができる。
また、磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０１は、前方方向に効率良く磁力波信号を放射し、背面方向へは磁力波信号の放射を抑える構造および配置とする。
また、電界シールド４０２はループコイル４００ａ〜４００ｎの全体を覆うとしているが、それぞれ個別に覆うことでも同様な効果が得られる。
【００５２】
また、前記複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎを電界シールド４０２でそれぞれ個別に覆うことで、複数個のループコイル４００ａ〜４００ｎ相互間の不要な電界結合を削除することも可能となる。
また、海水中では、特に深度が大きくなると、周辺からの圧力が大きくなるので、防水ケース４０４を耐圧性の構造とする必要があり、前記防水ケース４０４、充填材４０３、および電界シールド４０２を一体とし、ポリカーボネートなどの強化プラスチック材料に１０ミクロン以下の薄膜状の金属箔を貼り付け、金属を蒸着し、金属を無電界メッキを施し、あるいは金属粒子を含む塗料をコーテングするなどにより構成することができる。
【００５３】
（実施の形態６）
図７は本発明の第６の実施形態を示す磁界アンテナの他の実施例を示す断面図であり、２１３は磁界アンテナ、４００ａ、４００ｂは放射素子、４０２は磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体、４０６は同軸ケーブル、４０７は同軸コネクタ、４０８は地板である。
図７に示す磁界アンテナ２１３は通常大気中で使用するものであるが、電界シールド、充填材、および防水ケースをレドームとして設けることによって、海水中でも使用することができる。
【００５４】
前記同軸ケーブル４０６と放射素子４００ａ、４００ｂによってループコイルが構成されるが、同軸ケーブル４０６の部分には磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体４０２が設けられている。
放射素子４００ａ、４００ｂには同相の電流が流れ、同軸ケーブル４０６の外被には逆方向の電流が流れるので、同軸ケーブル４０６の外被に流れる電流によって発生する磁界変動を吸収し減衰させる磁界吸収体４０２をリング状に設けることによって、図２に示す条件を満たすことになる。
【００５５】
ここで、放射素子４００ａ、４００ｂは任意の数を設けることが可能であり、直線状であり、スパイラル状であり、へリカル状であり、あるいは任意の形状を用いることができる。
また、磁界変動を吸収し減衰させる磁界吸収体４０２を同軸ケーブル４０６の外被にリング状に設けたが、代わりに地板上に設けることによって、地板から上方向に向けて磁力波信号を放射させることも可能である。
【００５６】
以上の説明では磁界アンテナとしてループコイルを用いる場合について述べたが、ヘリカルアンテナ、三日月刀形ループアンテナ、スパイラルアンテナ、ループスパイラルアンテナ、あるいはマイクロストリップアンテナなどを用いることができる。
【００５７】
また、前記ループコイルを用いる代わりに、フエライトコア上に巻かれたフエライトバーアンテナ、ホール素子を用いた磁気センサ、磁気共鳴アンテナ、磁性体ロッドアンテナ、あるいは表面波伝搬磁界アンテナなどの、磁界変動を直接送信し、あるいは磁界変動を直接受信するのに適したアンテナを用いても同様な効果が得られる。
また、前記アンテナ手段の偏波特性が、直線偏波であり、円偏波であり、あるいはこれらの組合せであっても同様な効果が得られる。
【００５８】
また、前記物質中で磁力波伝搬を利用し、アナログ通信あるいはデジタル通信、あるいはスペクトル拡散符号を用いた音声通信あるいはデータ通信あるいは画像通信など、広帯域で高速度の通信が可能である。
また、前記磁力波信号の伝搬では、１００ｋHz以上の周波数帯でかつ比較的に広い周波数帯域を占有することが可能であることから、大気中で用いるための無線通信に関する先進技術が、アンテナ手段を磁界アンテナと取り替えるだけで、そのまま海水中でも利用可能となる。
【００５９】
また、前記物質の例として、塩分濃度が０％から１０％程度までの真水中あるいは塩水中以外にも、氷あるいは雪の中、あるいは地中など、比誘電率が大きな物質が該当する。
また、１００ｋHz以下の低い周波数帯においても、比較的に小型のループアンテナを用いて長距離の通信が可能となる。
【００６０】
また、前記アンテナ手段の帯域を広帯域とすることで、スペクトル拡散通信に適用でき、秘匿性と信頼性が高い磁力波通信回線を構成できる効果が得られる。
また、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置した指向性アンテナを用い、アンテナ利得を高くすることで、通信距離を延長することが可能となる。
【００６１】
また、ループアンテナあるいはシールドループアンテナのループの一部に磁力波信号を吸収し減衰させる磁界吸収体を設けることで耐雑音特性の良いアンテナを実現できる。
また、前記磁力波信号が伝搬する際に生じるフエージングあるいはマルチパスによる磁界強度の変動をダイバーシテイ手段などにより抑制し、あるいは伝搬遅延歪みを遅延等価手段などによって抑制しあるいは遅延を等価し、あるいはアダプテイブに制御するための手段を設けることによって、信頼性の高い長距離通信回線を構成することができる。
【００６２】
また、前記電界シールドによって蔽われたアンテナ手段を用いることにより、前記送信手段あるいは受信手段が、前記海水中、真水中、海水上、真水上、あるいは大気中などの全てのエリアで、アンテナ手段の共振周波数の再調整を行なうことなく、長距離通信を行なうことができる。
また、前記発信手段が、電池を内蔵し、発電手段を内蔵し、外部からの磁力波信号を整流する手段を内蔵し、あるいはこれらを組合せで動作させることで、長時間あるいは繰返して利用することができる。
【００６３】
また、船舶の衝突防止に用いる他に、マグロの養殖池などで固体管理のために利用することができるなど、海水中でのテレメトリングに広く応用することができる。
また、従来超音波がもっぱら用いられていた魚群探知機あるいは海底探査機あるいは金属探知機などに適用することで、高精度な探知が可能となる。
また、前記磁力波信号によって、音声情報、あるいは大容量のデジタル情報、あるいは画像情報、あるいはマルチメデイア情報を伝送することができる。
【００６４】
また、真水中あるいは海水中で磁界変動による伝搬を磁力波伝搬と称したが、電磁波による伝搬を電波伝搬と称するのに対応して、磁波伝搬と称することもできる。
また、複数組の送受信手段とアンテナ手段を海底に離散的に設置し、かつアドホックネットワークを構成することで、海底の地殻変動を監視するためのシステムが構築できる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は上記のように構成されているため、真水中あるいは海水中など、誘電率が１０以上であり、比透磁率が１０以下であり、磁界変動の伝搬損失が電界変動の伝搬損失より比較的に小さい物質中で、比較的に低損失で伝搬する磁力波信号を利用することによって、長距離の通信を可能とする磁力波通信装置が実現できる。
したがって、海水中などにおいて、広帯域長距離通信システム、船舶の衝突防止システム、バイオテレメトリ、ダイバーの位置検知システム、センシングネットワーク、ＲＦＩＤタグ装置、潜水艦との通信装置、水難者あるいは遭難者の探索、測深機、魚群探知機、海底探査機、金属探知機、あるいはレーダ装置などの幅広い分野への適用が可能である。
【００６６】
また、海水中などにおいて、スペクトル拡散通信システムを適用した秘匿通信、あるいは高速大容量のデータ通信、あるいは画像通信を含むマルチメデイア通信などを実現することができる。
しかも、本発明のアンテナ手段を用いれば、大気中でも長距離の通信が可能となるメリットが得られることから、本発明によれば、無線通信の分野における地上と宇宙空間との間のシームレスでスーパーブロードバンドな環境を、現在まで不可能とされていた海水中にまで拡張できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すシステム構成図
【図２】本発明の第１の実施形態における磁力波信号の伝搬特性を解析するための説明図
【図３】本発明の第２の実施形態を示すシステム構成図
【図４】本発明の第３の実施形態を示すシステム構成図
【図５】本発明の第４の実施形態を示すシステム構成図
【図６】本発明の第５の実施形態を示す断面図
【図７】本発明の第６の実施形態を示す断面図
【図８】従来の実施例を示す構成図
【図９】従来の実施例によるループアンテナの特性を示す図
【符号の説明】
【００６８】
２１〜２４                    磁力波通信装置
１１１                        海表面
１１２                        海底面
１１３ａ、１１３ｂ            送信波、反射波
２１１                        制御部
２１２                        送受信機
２１３                        磁界アンテナ
２２１                        送受信機
２２２                        制御部
２２３                        磁界アンテナ
【００６９】
２３１ａ、２３１ｂ            受信機および送信機
２３２                        制御部
２３３ａ、２３３ｂ、２３３ｃ  磁界アンテナ
２３４                        インターフエイス部
４００                        ループコイル
４０１                        磁力波信号を吸収し減衰させるための磁界吸収体
４０２                        電界シールド
４０３                        充填材
４０４                        防水ケース
【００７０】
４０５                        プリント基板
４０６                        同軸ケーブル
４０７                        同軸コネクタ
４０８                        地板
６００                        送信アンテナ
６０１ａ、６０１ｂ            電流の方向
６０２                        磁力波信号を吸収し減衰させるための磁界吸収体
６０３ａ、６０３ｂ            アンテナ端子
６１０                        中心線
６１１                        受信アンテナ
６１２                        ループコイルの間隔（Ｄ）
６１３                        送信アンテナと受信アンテナの距離（Ｒ）
【図１】
2009302963.tif 000003
【図２】
2009302963.tif 000004
【図３】
2009302963.tif 000005
【図４】
2009302963.tif 000006
【図５】
2009302963.tif 000007
【図６】
2009302963.tif 000008
【図７】
2009302963.tif 000009
【図８】
2009302963.tif 000010
【図９】
2009302963.tif 000011