(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、或る特定の周波数においては反射を無くし、他の特定の周波数においては透過を無くす周波数選択性を有する反射・透過制御構造であり、かつ透明性に富む反射・透過制御材を提供することである。【解決手段】  導電材よりなる十字形パターンを周期的に配列した配列シートの比誘電率は共鳴分散を示すことを利用する。該シートとガラス等の透明材料を組み合わせて上記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太さｔが１０μｍ＜ｔ＜５０μｍの導電材よりなる十字形パターンを電波的な共鳴素子とし、該共鳴素子を誘電体シートの表面に周期的に配列してなる配列シートを、樹脂板の片面、あるいは両面に装着したことを特徴とする電磁波の反射・透過制御材。
【請求項２】
太さｔが１０μｍ＜ｔ＜５０μｍの導電材よりなる電波的な共鳴素子を透明樹脂やガラス等の透明材の表面、または内部に周期的に配列したことを特徴とする電磁波の反射・透過制御材。
【請求項３】
共鳴素子は円形、多角形のパターンの導電材であることを特徴とする請求項１、２に記載の電磁波の反射・透過制御材。
【請求項４】
導電材は、各種金属、カーボン繊維、導電材メッキ繊維など実質的に電気的良導体であることを特徴とする請求項１、２、３に記載の電磁波の反射・透過制御材。
【請求項５】
誘電体シートは透明樹脂等の透明材料であり、かつ樹脂板は透明な樹脂やガラス等の透明材料であることを特徴とする請求項１、３、４に記載の電磁波の反射・透過制御材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は電磁波の反射および透過を制御する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】  電磁波の反射を無くす電波吸収体や電磁波の透過を無くす電磁遮へい材は従来より実用されており、電波吸収・遮へいの素材や構造は幾つか知られている。電波吸収素材としては、カーボンあるいは金属粉を樹脂に混合した電気的損失材、あるいはフェライト等の磁性材を利用した磁気的損失材などがあり、これらの損失材を用いて単層型、２層型、ピラミッド型等の構造により電波吸収体が設計されている。また電磁遮へい材としては金属板の他に、前記電気的損失材や磁気的損失材が用いられる（非特許文献１および特許文献２）。
【非特許文献１】  電磁波の吸収と遮蔽、清水康敬、杉浦行、石野健編集、ページ１３５、日経技術図書。
【特許文献２】  特許第１５２７２５８、電波吸収体。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  近年、携帯電話や無線ＬＡＮの普及に伴い、周波数の近接した電磁波が空間に混在している。高品質な通信状態を達成するためには、不要な電磁波の発生を制御して所望の電磁波のみを送受信できる電磁環境の整備が必要になっている。電磁環境の整備が必要な箇所は、オフィスや一般家庭が対象となるので、壁、床、天井、窓などへの施工に適した素材や構造が必要になっている。本発明の課題は、或る特定の周波数においては反射を無くし、他の特定の周波数においては透過を無くす周波数選択性を有する反射・透過制御材を実現することである。例えば、携帯電話の無線周波数は反射なく透過させ、無線ＬＡＮの周波数は全反射、すなわち透過のない板状材料が得られればオフィスの壁材を兼ねた電磁環境用素材として使用できる。さらに該構造体が可視光において透明であれば、電磁波の反射・透過制御機能を有する窓ガラスとして使用でき、オフィスや病院などでの電波環境改善材料として有用である。
【発明が解決するための手段】
【０００４】  上記課題を解決するため、電波的な共鳴素子を配列してなる配列シートと樹脂板の組み合わせ構造とする。
【０００５】  まず、電波的な共鳴素子を配列してなる配列シートについて説明する。有限長の直線状導電材を誘電体シートに２次元周期配列した配列シートは、該直線状導電材に偏波面が一致する電磁波を入射すると、該配列シートを均質媒質と仮定するときの誘電率に共鳴分散的な周波数変化が生じることが知られている（特許文献３）。上記直線状導電材は電波的な共鳴素子であり、直線部の長さに対応した特定の共鳴周波数ｆ０を有する。該直線状導電材を交差角９０°で交差させた十字形パターンは偏波依存性を無くすことができる。該配列シートの誘電率は共鳴分散的な変化であるので、ｆ＝ｆ０において誘電率の虚数部は最大になり、かつｆ＞ｆ０なる周波数では誘電率実数部が負の値になる領域が現れる。
【特許文献３】  特願２００５−４３０６１  電波吸収素材及び電波吸収体。
【０００６】  図１は導電材を用いて構成される十字型パターン１を共鳴素子として用い、該共鳴素子を誘電体シート２の片側面に配列間隔Ｓで周期的に配列した配列シート３である。該配列シート３を図２に示すように樹脂板４の片面に、あるいは図３に示すように両面に装着して反射・透過制御材とする。また、図４に示すように配列シート３を２枚の樹脂板４で挟み込む構造にしても良い。
【０００７】  本発明においては、樹脂板４の片側面、または両面に電波的共鳴素子の周期配列を設けることが本質である。したがって、該共鳴素子を樹脂板４にプリント、メッキ、蒸着等の手法で直接設けてもよい。
【０００８】  共鳴素子を構成する導電材は実質的に電気的良導体であればよいので銅、アルミ、および各種合金等の金属の他に、カーボン繊維、導電材メッキ繊維などを素材として用いることができる。
【０００９】  実施例２で述べるように本発明における共鳴素子の配列間隔は疎であるから、樹脂板４、および誘電体２を可視光において透明な材料で構成すれば、実質的に透明な電磁波の反射・透過制御材を得ることが出来る。
【００１０】  十字形パターンの幅ｔは、透明性を確保する点からは出来る限り細くすることが望ましいが、表皮深さ程度は必要である。本発明が対象とする周波数は数１００ＭＨｚから１００ＧＨｚであり、銅、アルミ、および各種合金等においては表皮深さは数１００ＭＨｚで数μｍ程度である。これより、十字形パターンの幅ｔは１０μｍ以上必要である。また、十字形パターンの直線部は直線アンテナとして作用するので十分細長くすることが必要である。十字形パターンの直線部長さＬは設計周波数の１／２波長程度であり、例えば１００ＧＨｚ帯で設計する場合はＬは１．５ｍｍである。アスペクト比を３０以上に設定すれば細長い形状に十分近似できるとすると、十字形パターンの幅ｔは５０μｍ以下でなければならない。これらより十字形パターンの導電材の幅ｔは１０μｍ＜ｔ＜５０μｍの範囲に設定するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の効果を以下に説明する。配列シート３の比誘電率をεｒ（＝ε’ｒ−ｊε”ｒ）と表す。ｊは虚数単位である。図５は共鳴素子を配列した配列シート３の比誘電率εｒが周波数ｆ０において共鳴する特性を模擬的に示したものである。ｆ０は共鳴素子である十字形パターンの直線部長さがほぼ１／２波長となる周波数である。ε”ｒはｆ０において最大値ε”ｒｍａｘをとり、また、ｆ＞ｆ０においてはε’ｒ＜０になる周波数域がある。共鳴素子の配列間隔Ｓが短くなるほど、すなわち共鳴素子の密度が高くなるほど共鳴が鋭く生じる傾向を有し、ε”ｒｍａｘはＳが短くなるほど大きい値になる。
【００１２】  配列シート３と樹脂板４を積層した図２に示す構造を例にとって反射、透過特性を以下に説明する。平板状媒質に電磁波が入射するときの反射・透過特性は伝送線路理論より計算することができる。このとき、配列シート３、樹脂板４の厚みが波長に比べて十分薄いと近似できるときは、各層は伝送線路に並列に接続された集中定数のアドミッタンスに置き換えて表すことができる。自由空間波長をλ０、自由空間波動インピーダンスをＺ０、配列シート２の厚みをｄ１、樹脂板の比誘電率をεｄ、厚みをｄ２とすると、図２の
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ただし、εｅは配列シート３と樹脂板４をまとめて均一媒質と仮定したときの平均的な比誘電率であり、次式で与えられる。
【数１】
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配列シートと樹脂板の積層構造の透過係数Ｔは、
【数２】
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で求められる。
【００１３】  この構造で反射・透過制御材が達成できる原理は以下の通りである。まず、配列シートの共鳴周波数ｆ０においては図５に示すように誘電率虚数部が最大であり、
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脂板の比誘電率は２〜４程度であることを考慮すると、［数１］の分子は
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伝送線路間に抵抗Ｒが並列接続された等価回路になる。ここでＲは、
【数３】
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である。したがって、ε”ｒｍａｘが十分に大きい値であってＲ＜＜Ｚ０なる条件を満たすようにすれば、伝送線路を十分小さい抵抗で短絡した状態に近似でき、ｆ０においてはほぼ全反射（すなわちほぼ無透過）の特性が得られる。
【００１４】  次に、共鳴周波数より高い周波数域における配列シート２の比誘電率に着目する。図５に示されるように配列シートの比誘電率εｒはその実数部ε’ｒが、ε’ｒ＜０、すなわち負である周波数域が存在する。樹脂板の比誘電率εｄは１より大きい値であるがε’ｒ＜０であるから、［数１］において得られる平均的な比誘電率εｅは、
【数４】
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が満たされる周波数ｆ１においてεｅ＝１になる。この状態は比誘電率が１、すなわち自由空間と同一の比誘電率であるから無反射であり、全透過の特性が得られる。理論上は配列シートの比誘電率の虚数部ε”ｒは０ではないので若干の透過損失があるが、ε”ｒ＜＜｜ε’ｒ｜なる領域にｆ１を選べばε”ｒの影響は大きくない。樹脂板の比誘電率εｄは１以上であるから［数４］はε’ｒ＜０なる特性を利用しなければ達成できず、配列シートの誘電率が共鳴分散特性を示すことを利用することではじめて可能になるものである。
【００１５】  以上述べたように図２に示した構造は、ｆ０においてはほぼ全反射、ｆ１ではほぼ全透過の特性を有する反射・透過制御材である。ｆ０は共鳴素子のサイズを変化させれば容易に調整可能である。ｆ１はεｒの分散特性、εｄ、およびｄ１、ｄ２により調整できる。例えば、ある前期パラメータがある状態の時に［数４］を満たす周波数ｆ１が実験や数値計算により既知の場合、より高い周波数で［数４］を満たすように設計するには樹脂板の厚みｄ２を薄くすればよく、ｆ１はε’ｒ＜０なる周波数範囲で容易に設定可能である。
【００１６】  以上図２の構造を例にとって反射・透過の取り扱いを説明したが、図３，図４のように配列シートが２層、あるいは樹脂板が２層になった構造においても、伝送線路としての基本的な考え方は同様であり、従って設計手法も同様である。また、配列シートを２層用いる場合には、各層の共鳴周波数を異なる周波数に設定することも可能であり、ほぼ全反射、あるいはほぼ全透過になる周波数は複数になる。
【００１７】  本発明の配列シートは共鳴素子を配列することが本質であるので、共鳴素子は十字形パターンに限られない。円形、四角形や６角形などの多角形のパターン、Ｙ型パターンなど或る特定の周波数で共鳴が生じる特性であれば、いずれも本発明の共鳴素子として用いることが可能である。
【００１８】  図３の構造においては、樹脂板４の右側面の配列シート３の共鳴周波数と左側面の配列シート３の共鳴周波数を異なる周波数に設定することも可能である。
【００１９】  配列シート３のε”ｒｍａｘは共鳴素子の配列間隔Ｓに依存し、Ｓが短いほど大きい値が得られる傾向がある。共鳴素子を十字形パターンとする場合、隣接する十字形パターン同志が重ならないようにするためにはＳ＞Ｌにしなければならない。実験によれば３Ｌ＞Ｓ＞（４／３）Ｌとすればε”ｒｍａｘは数１０〜２０００の値が得られる。
【００２０】  上記の共鳴素子を配列した配列シート３において、導体部の太さｔと配列間隔Ｓの比を仮にｔ＝５０μｍ、Ｓ＝１．５Ｌとして求めてみると、ｆ０を１００ＧＨｚとするとｔ／Ｓ＝４５、ｆ０を１０ＧＨｚとするとｔ／Ｓ＝４５０である。共鳴素子を配列する誘電体シート２として透明な材料を用い、かつ樹脂板４としてガラス等の透明材料を使用した場合、共鳴素子部分は不透明であっても共鳴素子が占める面積割合は小さく、実用的には十分な透明性が確保できる。すなわち、透明であり、かつ或る特定の周波数においては反射を無くし、他の特定の周波数においては透過を無くす周波数選択性を有する反射・透過制御材が実現できる。
【実施例１】
【００２１】  図２に示す構造の透過係数Ｔ、反射係数「の計算値を図９、図１０に示す。
両図において実線ロ、ニは樹脂板４の片面に配列シート３を積層した構造についての結果である。また配列シート３のない樹脂板４単体での結果を参考として破線イ、ハで示す。
破線と実線の差が配列シート３の効果を表す。計算において樹脂板４の比誘電率εｄは６、厚みは２ｍｍとした。配列シート２の厚みは０．２３５ｍｍとし、また誘電率は［数５］の共鳴分散式より求めた。［数５］においてωは角周波数（２π×周波数）である。またω０は共鳴角周波数（２π×共鳴周波数ｆ０）、Ｋは分極の大きさを表す定数、αは損失を表す定数であり、これらはｆ０は３ＧＨｚ、ε”ｒｍａｘは１０００、十分周波数が低いときの比誘電率を２０、十分周波数が高いときの比誘電率ε∞を２と仮定して求めた。
【数５】
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【００２２】  図９の破線イが示すように、樹脂板４単体でのＴは１ＧＨｚではほぼ０ｄＢ、６ＧＨｚでは１ｄＢであり、この周波数帯では実質的に全透過の特性である。配列シート２を積層することにより実線ロが示すように配列シート３の共鳴周波数であるｆ０＝３ＧＨｚにおいてＴは１７ｄＢであり、透過が抑制されていることがわかる。また図１０の破線ハが示すように、樹脂板４単体での「は１ＧＨｚで−２０ｄＢ、６ＧＨｚで−６ｄＢであり、「は周波数につれて単調に増加する特性であるが、配列シート３を積層することにより実線ニが示すように配列シート３の共鳴周波数であるｆ０＝３ＧＨｚにおいて−２ｄＢ、ｆ１＝３．６ＧＨｚにおいて−２５ｄＢとなり、３ＧＨｚではほぼ全反射、３．６ＧＨｚにおいてはほぼ無反射となっている。【００２３】  すなわちこの構造においては、３ＧＨｚと３．６ＧＨｚに注目すると、３ＧＨｚでは入射波の殆どは反射し、透過波は非常に小さいが、一方３．６ＧＨｚにおいては入射波の殆どは透過し、反射波は非常に小さい。このように、配列シート３と樹脂板４を積層することにより或る特定の周波数においては反射を無くし、他の特定の周波数においては透過を無くす周波数選択性を有する反射・透過制御素材が実現できる。
【実施例２】
【００２４】  図１１および図１２に、図３に示すように樹脂板４の両面に配列シート３を積層した構造の透過係数Ｔ、反射係数「を示す。樹脂板４、および配列シートの厚みや比誘電率等の定数は実施例１と同じである。図１１より、配列シート３の共鳴周波数であるｆ０＝３ＧＨｚにおいてＴは２６ｄＢであり、実施例１よりさらに透過が抑制される。また図８より、「は配列シート３の共鳴周波数であるｆ０＝３ＧＨｚにおいて−２ｄＢとなり、またｆ１＝４．２ＧＨｚにおいては−３０ｄＢ以下となり、実施例１よりさらに反射が抑制される。【００２５】  すなわちこの構造においては、３ＧＨｚと４．２ＧＨｚに注目すると、３ＧＨｚでは入射波の殆どは反射し、透過波は非常に小さいが、一方４．２ＧＨｚにおいては入射波の殆どは透過し、反射波は非常に小さい。すなわち、或る特定の周波数においては反射を無くし、他の特定の周波数においては透過を無くす周波数選択性を有する反射・透過制御構造が可能であることを示している。【００２６】  ほぼ無反射になる周波数ｆ１は実施例１と比較すると高周波側に変化している。これは配列シートを２層にしているのでｆ＞ｆ０の周波数帯においてεｒの実数部は実施例１よりも絶対値の大きい負が得られ、その結果εｅ＝１になる周波数が高周波側にずれるためである。また実施例１と比較すると、３ＧＨｚにおける透過、および４．２ＧＨｚにおける反射はより抑制されており、配列シートを２重に用いた効果が現れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】配列シートの図。
【図２】配列シートを樹脂板の片面に装着した構成の図。
【図３】配列シートを樹脂板の両面に装着した構成の図。
【図４】配列シートを２枚の樹脂板で挟み込んだ構成の図。
【図５】配列シートの比誘電率。
【図６】配列シートを樹脂板の片面に装着した構成の等価回路。
【図７】図６に示した等価回路の等価回路
【図８】共鳴周波数における等価回路。
【図９】配列シートを樹脂板片面に装着したときの透過係波。
【図１０】配列シートを樹脂板片面に装着したときの反射係数。
【図１１】配列シートを樹脂板両面に装着したときの透過係数。
【図１２】配列シートを樹脂板両面に装着したときの反射係数。
【符号の説明】
１：  十字型導体
２：  誘電体シート
３：  配列シート
４：  樹脂板
ｔ：  十字形共鳴素子直線部の線幅
Ｓ：  共鳴素子の配列間隔
Ｌ：  十字形共鳴素子の直線部線長
イ：  樹脂板単体の透過係数
ロ：  樹脂板に配列シートを積層した構造における透過係数
ハ：  樹脂板単体の反射係数
ニ：  樹脂板に配列シートを積層した構造における反射係数
【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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