(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、所定の高周波回路を２次元平面基板上に作成し、これを折り畳むことによって内部が空洞化された放熱構造とすることを特徴する３次元構造体の単位素子を構成し、この単位素子を所定の間隔で配列した集合から成る構造体で、所望の媒質定数と集積回路機能を有することを特徴とする人工材料の構成法を確立することにある。【解決手段】  従来、３次元高周波回路の構成法として、基板をビア構造で構成するか、積層するなどの方法がとられてきた。しかし、３次元構造体の奥行き方向に回路素子を装荷する場合は、回路素子の装荷が困難を伴うことが大きな問題であった。この問題を解決するために、あらかじめ２次元平面で構成した電子回路を折り紙の原理で折り畳むという手段で、内部空洞構造の３次元立方体構造を実現し、同時に放熱構造を達成している。また、この３次元構造に組み立てた単位素子を必要に応じて集合または集積する手段で、所望の媒質定数と集積回路機能を有する人工材料を実現して、従来困難であった３次元構造回路の奥行き方向に回路素子を装荷する問題、放熱の問題、３次元集積回路の構成法の問題を解決している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高周波回路を２次元平面基板上に作成し、これを折紙の原理を一規範として、折り畳むことによって内部が空洞化された放熱構造とすることを特徴する３次元構造体の単位素子を構成し、この単位素子を所定の間隔で配列した集合から成る構造体を作成するという方法に基づいた所望の媒質定数と集積回路機能を所有することを特徴とする人工材料の構成方法。
【請求項２】
前記高周波回路を２次元平面基板上に構成することに関し、２次元平面基板として、従来の基板材料以外の他の材料からなる基板を用いて単位素子を構成することを特徴とする請求項１記載の人工材料の構成方法。
【請求項３】
前記人工材料において、電波吸収特性を所有するように媒質定数を付与したことを特徴とする請求項１記載の人工材料の構成方法。
【請求項４】
前記請求項３記載の人工材料において、他の非人工材料と組み合わせて構成した人工材料の構成方法。
【請求項５】
前記請求項３記載の人工材料構成方法において、第一層を２次元平面基板の高周波回路で構成した人工材料からなる電波吸収面と、第２層を前記３次元構造体からなる人工材料を用い、第一層と第二層を所定の間隔を保ち重ねて、第二層の背面側に導体板を配置して、電波吸収周波数特性と電波吸収特性双方を電気的に変更できる特性を付与したことを特徴とする人工材料の構成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、人工材料の構成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、人工材料を３次元回路で構成する方法として、回路基板を組み合わせて構成するか、積層するなどの方法がとられてきた。また、いわゆる左手系と称する人工材料の３次元構造体の構成法は、構成概念だけが提示されており、具体的なものの実現例が見当たらない。
【非特許文献１】３次元ＭＭＩＣの技術展開、ＮＴＴ  Ｒ＆Ｄ  Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ，１２，ＰＰ．１２６１〜１２６８，１９９６
【非特許文献２】Ａ  Ｖｅｒｙ  Ｗｉｄｅ−Ｔｕｎｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ  ５−ＧＨｚ−ｂａｎｄ  Ｓｉ  Ｂｉｐｏｌａｒ  ＶＣＯ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ＭＭＩＣ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｄｉｇｅｓｔ，ＴＨ１Ｄ−５，ｐｐ．１２２１−１２２４，１９９７．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  従来、回路素子を装荷した３次元高周波回路の構成法としては、基板をビア構造で構成するか、積層するなどの方法がとられ、しかも比較的簡単な回路素子配置形状の高周波回路しか製作できないという問題があった。とくに、３次元構造体の奥行き方向に回路素子を装荷して集積化した回路を製作することは、技術的に極めて困難となり、複雑な製作技術が要求されてきた。しかも通常の３次元回路は密閉構造となるため、しばしば回路素子の発熱により３次元構造体の温度が上昇し、回路動作が不安定となる問題があった。【０００４】  近年、電磁波用材料として人工材料と称される、いわゆるメタマテリアルの利用が盛んである。本案の人工材料と称しているものは、メタマテリアルと全く同義である。メタマテリアルは厳密には透磁率、誘電率が同時に負の値を取る左手系媒質と、いわゆる自然には存在しえない材料として定義される広義な意味における右手系媒質に分類される。本案の人工材料は、この両者と同義である。【０００５】  メタマテリアルでは、しかるべき電気定数を実現するために、通常、ある形状を有し、使用波長に比べてより小さい単一金属のパターン形状を周期的に配列する構造だけで、誘電率や透磁率を実現している。今後、メタマテリアルをより広く応用していくためには、電磁波に対し要求された媒質定数条件を満たす人工材料を実現する必要があり、金属パターン形状の選択のみならず、単位素子を構成する３次元高周波回路に能動素子を取り込むなど高周波回路そのものに工夫を他凝らしていく必要がある。メタマテリアルは、高周波において波長が短くなるにつれて、上述のように高周波回路からなる単位素子は、徐々に小さくなり集積回路となる。一般に任意形状の３次元構造体の単位素子としての集積回路を製作することは、極めて困難である。その上、回路の発熱による放熱の対策が必要となる。本発明は、上記人工材料構成に伴う媒質定数の付与の問題と、これに伴う積回路技術の問題を同時に解決して，人工材料の一層の応用を図ろうとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するために、本発明は次のような手段を採っている。あらかじめ２次元平面で構成した高周波回路を、既存の日本古来の折り紙の手法を一規範とし、またはこれを応用して３次元構造体に組み立てて、これを単位素子とし、所定の間隔を保ち周期的に、または非周期的に配列された単位素子の集合からなる構造体を作るという手段で、電磁波に対し所望の媒質定数を所有し、かつ集積回路機能を有することを特徴とする人工材料を構成している。【０００７】  ここで折り紙の手法を規範とすることは、一見単純な発想であるが、その第一の意義は、単に種々の形状を実現するために折り紙の手法を参照したものではなく、折り畳んだ結果、多くの場合、内部が空洞状の３次元構造体が構成できることに着目したものである。すなわち、この手段で構成された３次元構造体を用いれば、従来の基板で構成された３次元高周波回路が蜜構造であるため発熱するという問題を効果的に解決できるからである。【０００８】  第二の意義は、正１２面体、多面体形花くす玉、入れ子型箱など無数にある折り紙の折り方を規範とすることによって、高周波的に要求されるより複雑な３次元形状の単位素子、すなわち高周波回路が２次元平面から比較的容易に実現出来ることにある。前述の回路の温度上昇の課題は、本発明の空洞構造に対して、この空洞部壁面に通気孔を設ける手段や、２次元基板そのものに放熱効果を高めた素材を用いる手段で解決できる。なお、ここで基板と称しているものは、必ずしも従来の電子回路基板を意味しておらず、本発明の高周波回路が構成できるものであれば、いかなるものであってもよく、特殊な紙を用いる手段であってもよい。【０００９】  請求項１は、まず、所定の高周波回路を２次元平面基板上に作成し、これを折り畳む手段によって、内部が空洞化された放熱構造の３次元構造体を構成する。これを単位素子として、この単位素子を所定の間隔で周期的または比周期的に配列した構成で、所望の媒質定数と集積回路機能を有することを特徴とする人工材料を構成する方法の発明である。すなわち、平面基板が最終的に折り畳みできるよう、必要に応じて切り込みが可能な素材の基板を採用し、その面上に、高周波回路を焼き付ける、印刷する、塗布するなどの手段で高周波回路を作成し、無数に及ぶ日本古来の折り紙の手法を参照、または応用して、切り込み部を折り曲げて必要な形状の３次元構造体を実現し、高周波回路である単位素子を構成する。なお、切り込み部は有ってもなくても良い。なお、本構成方法に基づく単位素子としての３次元構造体の高周波回路は、抵抗、コンデンサ、コイル、ＰＩＮダイオード等の受動または能動回路素子を構成手段とする場合と、単に導体や磁性体などから成る線路や面状の素材だけを構成手段とする場合に分類される。【００１０】  請求項２は、あらかじめ切り込みを入れ折り畳み可能な基板の電気定数を調節するために、基板としてアモルファス磁性材やカーボン材など、基板を構成している材料以外の他の材料を使用したり、従来の基板材に他の材料を混入したり、貼り付けたりする手段で、所定の透磁率や誘電率を付与した基板を構成し、この基板上に高周波回路を構成して単位素子を構成することを特徴とす��請求項１記載の人工材料に関する。【００１１】  請求項３は、請求項１記載の人工材料において、電波吸収特性を所有するように媒質定数を付与した人工材料の構成方法の発明である。すなわち、単位素子の回路構成を電波吸収できるように設計し、この単位素子を集合、集積するなどの手段で、全体として所定の入力インピーダンス値を有する人工材料を構成する方法に関するものである。なお、電波吸収対象波長がより短くなり、単位素子が小さくなれば、寄木細工の手段を用いるなどして、単位素子の高周波回路を集積した３次元構造の高密度集積回路から成る人工材料が効率的に製作できる。【００１２】請求項４は、請求項３記載の人工材料において、他の非人工材料と組み合わせて構成した人工材料の構成方法に関するものである。この、手段で媒質定数の制御性が改善される。【００１３】  請求項５は、第１層を２次元平面回路で構成し、第２層を請求項１，２，３，４、のいずれかの方法か、これら記載中の手段を組み合わせて構成した３次元構造体から成る単位素子を用いるという手段で、電波吸収特性ならびに電波吸収周波数特性の双方を変更できる電波吸収体を人工材料で構成する発明である。
【発明の効果】
【００１４】  近年、電磁波感応材料としての人工媒質、いわゆるメタマテリアルの開発が盛んである。電磁波感応材料としてのメタマテリアルの応用を考える時、多くの場合、電磁波と対象回路との構成形状関係で特性が支配される。このため回路特性のみならず形状的に複雑な３次元高周波回路を実現することが必須の技術課題となっている。【００１５】  本発明の主たる効果は、従来困難であった３次元構造体から成る高周波回路の構成を、まず２次元平面で構成し、日本古来の無数にある折り紙の折り方の手法や寄木細工の手法を参照して、様々な形状の３次元構造体を簡易に構成し、かつ廉価に構成できるようにすることである。【００１６】  とくに奥行き方向に回路素子を有する３次元回路を構成する場合、従来ビアを設ける技術などで解決している。しかし、これらの方法にも限界があり、設計できる構造のものと出来ぬものがあり、３次元構造体の奥行き方向に回路素子を装荷することは、従来極めて困難で複雑な製作技術が要求されるもであった。しかも通常の３次元回路は密閉構造となるため、近年、回路素子の発熱により３次元構造体の回路温度が上昇し回路動作が不安定となる大きな問題に直面している。【００１７】  この温度上昇回避の対策として、本発明は、一見単純な折り紙の手法に着目したもので、２次元平面状基板から成る回路を、折り畳み３次元構造体を構成すれば、折り紙の原理から多くの場合、中空の３次元構造体が構成できるため、従来の蜜構造体と比べ、放熱効果が高まる上、通気孔を設ける手段等が適用でき、この温度上昇の問題を効果的に解決できるという効果がある。
本発明は、こうした技術課題を解決する方法を提供するもので、実施してその効果は大きい。なお、本発明は、高周波を対象に記したが、勿論低周波回路にも応用でき、本発明の構成要素相互の組み合わせや、他の材料との併用など種々の変形実施が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  所定の高周波回路を２次元平面基板上に作成し、これを折り畳み構成した３次元構造体の人工材料を応用して、放熱性、軽量化、低コスト、優れた電波吸収特性をもつ電波吸収体を実現した。
【実施例】
【００１９】  図１は、請求項１の単位素子を構成する方法の一実施例で、折り紙の手法を用いて、２次元平面基板を折りたたみ、１２面を構成した正１２面体の複数個の高周波単位回路を含む単位素子を構成したものである。各正５角形のユニット基板（１）の面上には、フィン（２）を設けた導電性線路（３）と回路素子（４）から成る単位回路が形成されている。同図は、放熱用の通気孔（５）を設けて回路の発熱対策を施した単位素子の実施例である。【００２０】  図２は、本発明の構成手順を示すための２次元平面回路である。同図では、本発明の趣旨を簡単に説明するために、３次元構造体のうち、最も簡単な立方体を３次元構造体とする素子構成を実施例として取り挙げている。【００２１】  まず、折り畳んで、単位素子である所定の３次元構造体を構成できるように、あらかじめ２次元平面基板（６）を作成しておき、さらに２次元平面基板（６）上に、高周波単位回路を構成した時に所定の動作をするように回路素子を装荷しておく。これを点線で示した切り込み（７）に沿って、折り畳み、接着面（８）に塗布した接着剤等で各辺を接着し、丁度、箱を作る要領で３次元構造体である立方体の単位素子を構成している。この実施例では、２次元平面基板（６）上に、非能動素子であるマイクロチップ抵抗（９）と、マイクロチップコンデンサ（１０）ならびに能動素子であるＰＩＮダイオード（１１）を導電性線路（３）上に装荷し、通気孔（５）を各正方形に区分された基板の中央部に打ち抜いて設けた実施例である。これを３次元に組み立てるには、点線で示した切り込み（７）に沿って、折り畳み、接着面（８）に塗布した接着剤等で各辺を接着し、丁度、立方体の箱を作る要領で図３に示す３次元構造体である単位素子（１２）を構成する。折り紙は、本質的には接着剤を使用しないことを特徴としているが、本実施例では、接着面を設けている。【００２２】  なお、ここで、導電性線路（３）と称しているのは、必ずしも従来の基板に使われている銅などの金属系材料ではないことを区別する目的であって、この導電性線路（３）には、他の材料、例えばアモルファス磁性材なども用いることが可能である。図３は、図２を折りたたみ構成した単位素子（１２）の例で、正面にＰＩＮダイオード（１１）、奥行き方向にマイクロチップ抵抗（９）を、裏側にはマイクロチップコンデンサ（１０）を装荷した３次元構造体としての単位素子（１２）の実施例である。【００２３】  通常、３次元高周波回路において、本実施例のようなマイクロチップ抵抗（９）に限らず、何らかの回路素子を奥行き方向に装荷する場合、奥行き方向に微小孔であるビアを設けて構成する手段が採られている。しかし、このビア構造で奥行き方向に回路素子を複数個装荷する場合は、回路製作が一層複雑となり、３次元回路制作上、種々の困難を伴い解決すべき課題であった。本発明は、この実施例のように奥行き方向に回路素子を装荷する場合の回路構成に極めて有効な手段を提供している。【００２４】  なお、本実施例では、ＰＩＮダイオード（１１）への配線は省略している。また、３次元構造体から成る高周波回路では、回路素子の発熱による放熱対策が、大きな問題となっている。本発明のように、２次元平面基板を、折り畳み３次元構造体を構成すれば中空の３次元構造体が構成できるため、従来の内部蜜構造体と比べ、放熱効果が高まる上、通気孔（５）を設ける手段等で、この温度上昇の問題を効果的に解決している。なお、導電性線路（３）は、基板に焼き付けたり、特殊な紙に印刷するように構成したり、蒸着や種々の方法の手段をとることが可能である。【００２５】  図４は、本発明の単位素子である３次元構造体を作成する上で必要な、回路間相互の結合を示すための実施例である。これは、２次元平面基板上に、フィン（２）を付加した導電性線路（３）を構成し、ＰＩＮダイオード（１１）とマイクロチップコンデンサ（１０）を正方形状の導電性線路（３）の中央部に装荷した構成である。本実施例は、立方体各面上の導電性線路（３）や、回路素子無装荷導電性線路（１３）間などの相互の電気的な結合を結合用導体線（１４）で連結した構成法を取る手段でこれら導電性線路間の結合を保証している。これを切り込み（７）に沿って折り畳めば図５の単位素子を構成できる。【００２６】  図６は、請求項５記載の構成方法のうち、２次元平面基板の高周波回路で構成した第一層目の人工材料からなる電波吸収面の一実施例である。
同図６は、２次元平面状基板上に、電波吸収特性改善のためフィン（２）とＰＩＮダイオード（１１）を付加し、かつ平面状導体素子（１５）を飛び飛びの周期で配列した基板を示している。この第１層の基板に対して、一定のスペーサ間隔を保ち、図７の請求項５記載の第２層の基板に相当する基板の前面に重ねるように配置する。この図７の第２層は、本発明の３次元構造体である立方体の単位素子の構成法に基づいた電波吸収体部の構成例であって、説明を平易にするために単位素子の電気的な構成をスケルトン的に示したものである。【００２７】  単位素子（１２）は、周期的に一定の間隔を保って母材に埋め込んだ請求項１記載の人工材料の一実施例である。この単位素子（１２）は、奥行き方向にＰＩＮダイオード（１１）が装荷されている。本人工材料の実施例では、第１層と第２層を、予め所定の電波吸収特性を得るために解析的に割り出したスペーサ間隔を保って、重ね合わせて構成したものを、さらに、一定の間隔を有するスペーサ間隔ｄ（１６）を介して、その背面に導体板（１７）を宛がって人工材料としての電波吸収体を構成している。斜入射時のＴＥ、ＴＭ波特性を改善するために、第１層にフィン（２）と矩形の平面状導体素子（１５）を各単位素子（１２）の周期に対して、一つ飛んだ位置関係で周期的に貼付してある。なお、図７の第２層にはＰＩＮダイオード（１１）を駆動するための配線（１８）が示してある。各ＰＩＮダイオードは、電源からの給電によってなされ、電波吸収体の電波吸収周波数特性は、第１層、第２層のＰＩＮダイオードへの給電電圧を相互に調節することによって変更でき、また電波吸収特性そのものも改善できる。【００２８】  なお、本電波吸収体の構成において、第１層の２次元平面状基板上のフィン（２）と矩形の平面状導体素子（１５）は、用途に応じてなくても実用に供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の単位素子の構成概念を示す３次元単位回路。
【００３０】
【図２】本発明の３次元構造体の構成方法を示す２次元平面回路。
【００３１】
【図３】本発明の手段で構成した単位素子の一実施例
【００３２】
【図４】本発明３次元構造体である単位素子を構成する方法を示す２次元平面回路の他の実施例。
【００３３】
【図５】本発明の手段で構成した単位素子の他の一実施例
【００３４】
【図６】電波吸収体構成例の２次元平面回路から成る第１層目の構成例。
【００３５】
【図７】本人工材料からなる電波吸吸収材料の第２層目の構成例。
【符号の説明】
【００３６】（１）正５角形のユニット基板
（２）フィン
（３）導電性線路
（４）回路素子
（５）通気孔
（６）２次元平面基板
（７）切り込み
（８）接着面
（９）マイクロチップ抵抗
（１０）マイクロチップコンデンサ
（１１）ＰＩＮダイオード
（１２）単位素子
（１３）回路素子無装荷導電性線路
（１４）結合用導体線
（１５）平面状導体素子
（１６）スペーサ間隔ｄ
（１７）背面に導体板
（１８）配線
【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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