(57)【要約】  水中における移動体通信に適用することができる水中通信装置及び水中通信方法を提供する。電気信号を発信する送信機１２と、前記送信機１２と水を介して配置され、前記電気信号を受信する受信機１４とを備える水中通信装置１０であって、前記受信機１４は、前記水に接する位置にチャネル領域３９が設けられた電界効果トランジスタ２３と、前記電界効果トランジスタ２３のソース領域３１とドレイン領域３３の間に電位差を生じさせる駆動回路２６とを有する。
2020050183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を発信する送信機と、
前記送信機と水を介して配置され、前記電気信号を受信する受信機と
を備える水中通信装置であって、
前記受信機は、
前記水に接する位置にチャネル領域が設けられた電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのソース領域とドレイン領域の間に電位差を生じさせる駆動回路と
を有する水中通信装置。
【請求項２】
前記ソース領域と前記ドレイン領域上に保護膜を有する請求項１に記載の水中通信装置。
【請求項３】
前記送信機と前記受信機は、１ｍ以上の間隔をあけて配置されている請求項１又は２に記載の水中通信装置。
【請求項４】
前記電気信号の周波数は、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである請求項１〜３のいずれか１項に記載の水中通信装置。
【請求項５】
前記水が海水である請求項１〜４のいずれか１項に記載の水中通信装置。
【請求項６】
電気信号を水中に発信する送信ステップと、
水を介して前記電気信号を受信する受信ステップと
を備える水中通信方法であって、
前記受信ステップは、前記水に接する位置にチャネル領域が設けられた電界効果トランジスタによって前記電気信号を受信する、水中通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中通信装置及び水中通信方法に関し、特に無線通信に適用するものである。
【背景技術】
【０００２】
海などの水中における移動体同士の無線通信においては、音波や電磁波等の様々な通信媒体が用いられてきた。例えば、音波は、信号の減衰が少なく、伝送距離は長いが、伝送容量が小さく、伝送速度も低速である。電磁波は、減衰率が非常に大きいため実用的とはいえない。【０００３】
これに対し、光を用いた無線通信方式は、海水中での光の吸収が小さく、通信媒体に適している。光源として、レーザを用いた水中無線通信が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７８４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の場合、レーザは指向性が高いため、送信機と受信機を精度よく整列させる必要があるので、移動体通信に適用することは困難であるという問題があった。【０００６】
本発明は、水中における移動体通信に適用することができる水中通信装置及び水中通信方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る水中通信装置は、電気信号を発信する送信機と、前記送信機と水を介して配置され、前記電気信号を受信する受信機とを備える水中通信装置であって、前記受信機は、前記水に接する位置にチャネル領域が設けられた電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのソース領域とドレイン領域の間に電位差を生じさせる駆動回路とを有する。【０００８】
本発明に係る水中通信方法は、電気信号を水中に発信する送信ステップと、水を介して前記電気信号を受信する受信ステップとを備える水中通信方法であって、前記受信ステップは、前記水に接する位置にチャネル領域が設けられた電界効果トランジスタによって前記電気信号を受信する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電気信号は、水中の減衰率が小さいので、送信機から発信された電気信号は、水中に離れて配置された受信機へ到達することができる。また電気信号は、水中を等方的に分散して伝播するので、送信機と精度よく整列されていない受信機で送信機から発信された電気信号を受信することができる。したがって、電気信号を用いる本実施形態の水中通信装置は、水中における移動体通信に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る水中通信装置を示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係る受信部を模式的に示す断面図である。
【図３】第２実施形態に係る受信部を模式的に示す断面図である。
【図４】実験装置を示す模式図である。
【図５】実験結果（１）を示すグラフであり、図５Ａは入力波形、図５Ｂは距離が０．０１ｍの場合の出力波形、図５Ｃは距離が５ｍの場合の出力波形である。
【図６】Ｉ−Ｖ特性を示すグラフであり、図６Ａは距離が０．０１ｍの場合、図６Ｂは距離が５ｍの場合である。
【図７】実験に用いた回路構成を示す模式図である。
【図８】実験結果（２）を示すグラフであり、図８Ａは入力波形、図８Ｂは出力波形である。
【図９】実験結果（３）を示すグラフであり、図９Ａは入力波形、図９Ｂは出力波形である。
【図１０】実験結果（４）を示すグラフであり、図１０Ａは入力波形、図１０Ｂは出力波形である。
【図１１】実験結果（５）を示すグラフであり、図１１Ａは入力波形、図１１Ｂは出力波形である。
【図１２】実験結果（６）を示すグラフであり、図１２Ａは入力波形、図１２Ｂは出力波形である。
【図１３】Ｉ−Ｖ特性を示すグラフであり、図１３Ａは距離が１ｍの場合、図１３Ｂは距離が１０ｍの場合である。
【図１４】距離が５０ｍの場合のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図１５】実験系を示す模式図である。
【図１６】実験結果（７）を示すグラフであり、図１６Ａは入力波形、図１６Ｂは出力波形である。
【図１７】別の実験装置を示す模式図である。
【図１８】実験結果（８）を示すグラフであり、図１８Ａは入力波形、図１８Ｂは距離が０．１ｍの場合の出力波形、図１８Ｃは距離が５ｍの場合の出力波形である。
【図１９】さらに別の実験装置を示す模式図である。
【図２０】実験結果（９）を示すグラフであり、図２０Ａは入力波形、図２０Ｂは距離が０．１ｍの場合の出力波形、図２０Ｃは距離が０．５ｍの場合の出力波形である。
【図２１】実験結果（１０）を示すグラフである。
【図２２】実験結果（１１）を示すグラフである。
【図２３】実験結果（１２）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
１．第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態は本発明の一例を示すものであり、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
（全体構成）  図１に示す水中通信装置１０は、送信機１２と受信機１４とを備える。水中通信装置１０は、水、本実施形態の場合、海水に浸漬されている。送信機１２と受信機１４は、通信経路としての海水を介して配置されている。送信機１２と受信機１４の間の距離は、特に限定されない。送信機１２と受信機１４の間の距離は、例えば、０．０１ｍ〜１００ｍ程度、又は１ｍ〜５０ｍ程度である。
【００１３】
送信機１２と受信機１４とは無線を介して接続される。本図に示す送信機１２と受信機１４は、それぞれ単体である場合について図示しているが、本発明はこれに限らない。例えば、送信機１２は受信機１４に対応する図示しない受信機と組み合わせられ、受信機１４は送信機１２に対応する図示しない送信機と組み合わせられ、全体として双方向通信が可能な水中通信装置としてもよい。
【００１４】
送信機１２は、電気信号を発信する。電気信号は、例えば、任意の周波数と波形を持った交流電圧信号であり、本実施形態の場合デジタル信号である。送信機１２は、符号化部１５と、変調部１６と、送信部１８とをこの順に接続して備えている。符号化部１５は、入力された入力情報を伝送に適した符号化データに変換する。入力情報がアナログ情報の場合、当該入力情報は、アナログデジタル変換器（図示しない）によってデジタル化された状態で符号化部１５へ入力される。変調部１６は、符号化データを搬送波に重畳した変調信号を生成して出力する。送信部１８は、変調信号を海水中に発信する。
【００１５】
受信機１４は、受信部２２Ａと、復調部２０と、復号化部１９とをこの順に接続して備えている。受信部２２Ａは、送信部１８が送信した電気信号を、海水を介して受信して出力する。復調部２０は、受信部２２Ａが出力した電気信号を元の符号化データに変換し、出力する。復号化部１９は、復調部２０が出力した符号化データに基づき、元の入力情報を取り出し、出力情報として出力する。元の入力情報がアナログ情報の場合、復号化部１９から出力された出力情報は、デジタルアナログ変換器（図示しない）によってアナログ化された状態で受信機１４から出力される。
【００１６】
図２に示すように、受信部２２Ａは、電界効果トランジスタ２３と、電界効果トランジスタ２３のソース領域３１とドレイン領域３３の間に電位差を与える駆動回路２６とを備える。
【００１７】
図２に示す電界効果トランジスタ２３は、チャネル領域３９に水が導かれることから、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ：Ion-Sensitive Field-Effect Transistor）と呼ばれている。なお本図に示す電界効果トランジスタ２３は、シリコン製ＩＳＦＥＴと呼ぶ。
【００１８】
図２に示す電界効果トランジスタ２３は、シリコン基板２７と、シリコン基板２７の一方の主面において、一方の側に設けられたソース領域３１と、他方の側に設けられたドレイン領域３３とを備える。ソース領域３１とドレイン領域３３の間の領域は、電界効果トランジスタ２３を動作させた際にチャネルとして機能する領域（以下、チャネル領域という）３９となる。
【００１９】
チャネル領域３９の寸法は、適宜設定される。例えば、チャネル長は、１０〜１０００μｍ程度の値に設定され、チャネル幅は、０．０１〜５０ｍｍ程度の値に設定される。電界効果トランジスタ２３は、不純物注入により、Ｐチャネル型、Ｎチャネル型のいずれにもなり得る。
【００２０】
チャネル領域３９上には、ＳｉＯ２からなる酸化膜４１と、酸化膜４１上にイオン感応膜４３とが形成されている。酸化膜４１は、ＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜として機能する。イオン感応膜４３は、海水が接した際に、海水中のイオンとの相互作用により、チャネル領域３９の表面に電圧を発生させる機能を有する膜である。本実施形態の場合、イオン感応膜４３は、酸化膜４１をイオンから保護する役割もある。イオン感応膜４３は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、アモルファス炭素膜を用いることができる。駆動回路２６は、ソース領域３１及びドレイン領域３３に、電気的に接続されている。
【００２１】
ソース領域３１とドレイン領域３３の表面、及び、酸化膜４１とイオン感応膜４３の側面は、保護膜３５，３７で覆われている。保護膜３５，３７は、電界効果トランジスタ２３を海水に浸漬した際に、ソース領域３１、ドレイン領域３３、チャネル領域３９が、海水を介して導通するのを防ぐ膜である。保護膜３５，３７の材料としては、例えば、酸化物（ガラス、パイレックス（登録商標）等）、窒化物（窒化ケイ素等）、レジスト、有機物（テフロン（登録商標）のフッ化系樹脂等）を用いることが好ましい。保護膜３５，３７の厚さは、０．１μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
電界効果トランジスタ２３を駆動する駆動回路２６は、ソース領域３１及びドレイン領域３３に電気的に接続されている。例えば、本図には図示しないが、ソース領域３１は接地され、ドレイン領域３３は、抵抗体、直流電源を介して接地してもよい。ソース領域３１及びドレイン領域３３は、送信機１２とは電気的に分離した状態で、接地される。すなわち送信機１２と受信機１４とは、海水を通じてのみ、電気化学的に接続される。
【００２３】
電界効果トランジスタ２３のチャネル領域３９は、海水に接している。受信機１４は、防水性のケース（図示しない）内に収容するのが好ましい。当該ケースは、外部に通じる窓を有する。電界効果トランジスタ２３は、チャネル領域３９側の表面が当該窓から外部に露出するように配置される。窓を通じて海水がチャネル領域３９に接する。窓の内側には窓と電界効果トランジスタ２３表面との間にシール材を設け、海水が窓と電界効果トランジスタ２３表面の間を通ってケース内に進入するのを防ぐのが好ましい。
【００２４】
（作用及び効果）
上記水中通信装置１０を用いて、海水中で通信をする方法について説明する。まず、海水に送信機１２及び受信機１４を浸漬する。その際、送信機１２及び受信機１４は、それぞれ個別に接地する。電界効果トランジスタ２３のチャネル領域３９は、海水を介して送信部１８と電気化学的に接続される。
【００２５】
駆動回路２６を用いて、電界効果トランジスタ２３のソース領域３１とドレイン領域３３との間（ドレイン−ソース間）に電位差が生じるように、ソース領域３１、ドレイン領域３３の一方または両方に電圧を印加する。ドレイン−ソース間に設ける電位差は、−２Ｖ以上２Ｖ以下とすることが好ましい。なお、ソース領域３１、ドレイン領域３３に対して、電界効果トランジスタ２３を海水に浸漬する前から、電圧を印加してもよい。
【００２６】
送信機１２は、入力された入力情報に基づき、所定の変調信号を生成し、当該変調信号に基づく電気信号を生成する。送信部１８は、当該電気信号を通信経路である海水中に発信する。送信部１８によって送信された電気信号は、等方的に分散しながら海水中を伝播し、受信機１４の受信部２２Ａへ到達する。
【００２７】
受信部２２Ａへ到達した電気信号によって、チャネル領域３９の表面に電圧が印加される。チャネル領域３９に電圧が印加されると、ソース領域３１とドレイン領域３３の間（チャネル領域３９）にチャネルが誘起され、ソース領域３１とドレイン領域３３との間（ドレイン−ソース間）の電位差に応じて、チャネル内を流れるドレイン電流ＩＤＳが変化する。ここでの電流ＩＤＳは、実施例として後述するように、通常の電界効果トランジスタで得られるようなＩＶ特性を有するものである。
【００２８】
上記の様にして受信部２２Ａは、ドレイン電流ＩＤＳの変化をドレイン−ソース間電圧（出力電圧）ＶＤＳの変化として検出することによって送信部１８が送信した電気信号を検出する。受信機１４は、当該電気信号から元の情報を取り出し、出力情報として出力する。
【００２９】
電気信号は、海水中の減衰率が小さいので、送信機１２から発信された電気信号は、海水中に離れて配置された受信機１４へ到達することができる。また電気信号は、海水中を等方的に分散して伝播するので、送信機１２と受信機１４を精度よく整列させる必要がない。したがって、電気信号を用いる本実施形態の水中通信装置１０は、海水中における移動体通信、例えば海水中を移動するロボットとの通信に適用することができる。
【００３０】
保護膜３５，３７は、電界効果トランジスタ２３のソース領域３１及びドレイン領域３３を覆うことによって、海水がソース領域３１及びドレイン領域３３に接触するのを防いで、電界効果トランジスタ２３を安定的に動作させることができる。
【００３１】
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る受信部について説明する。上記実施形態の場合、受信部の電界効果トランジスタとしてシリコン製ＩＳＦＥＴを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。図３に示す電界効果トランジスタ２４は、シリコン基板２８と、シリコン基板２８の一方の主面に形成されたダイヤモンド薄膜３０と、ダイヤモンド薄膜３０上に形成されたソース電極３２及びドレイン電極３４と、ソース電極３２の表面を覆う保護膜３６と、ドレイン電極３４の表面を覆う保護膜３８とを備えている。電界効果トランジスタ２４は、ダイヤモンド薄膜３０を有し、ダイヤモンド薄膜３０の接液部に酸化物を有していないことから、ダイヤモンド電解質溶液ゲート（electrolyte Solution Gate, ＳＧ）ＦＥＴ（以下、ダイヤモンドＳＧＦＥＴという）と呼ばれている。
【００３２】
ダイヤモンド薄膜３０の表面において、チャネルとして機能する部分（チャネル領域）４０を挟んで、一方の側（ソース領域）の上にソース電極３２が設けられ、他方の側（ドレイン領域）の上にドレイン電極３４が設けられている。
【００３３】
チャネル領域４０の寸法は、受信部２２Ｂの特性に応じて適宜設定される。例えば、チャネル長は、１０〜１０００μｍ程度の値に設定され、チャネル幅は、０．０１〜５０ｍｍ程度の値に設定されている。また、ソース電極３２、ドレイン電極３４の長さは、０．０１〜５０ｍｍ程度の値に設定され、ソース電極３２、ドレイン電極３４の幅は、０．０１〜１００ｍｍ程度の値に設定されている。
【００３４】
また、チャネル領域４０は、水素終端処理がされた水素化層が設けられている。水素化層は、ドレイン電極３４とソース電極３２との間のダイヤモンド薄膜３０の表面を水素終端することによって形成されている。水素終端は、周知のように、ダイヤモンド薄膜３０の表面における炭素原子の未結合手（ダングリングボンド: dangling bond）に水素を結合させた状態にすることである。水素化層は、表面にイオンが結合することにより、その水素化層の直下に、２次元正孔ガス（2DHG：two-dimensional hole gas）を誘起してＰ型導電層（チャネル、図示せず）を形成する。
【００３５】
（製造方法）
電界効果トランジスタ２４の製造方法を説明する。まず、研磨処理がなされたシリコン基板２８の一方の主面に対してダイヤモンド粉末の核付けを行う核付け処理を行う。ダイヤモンド粉末の核付け方法としては、ダイヤモンド微粒子が入った溶液を、超音波法、浸漬法、その他の方法でシリコン基板２８の表面に塗布し、その溶媒を乾燥させる方法等を用いることができる。
【００３６】
次いで、例えば熱フィラメントＣＶＤ法によって、シリコン基板の表面にダイヤモンド薄膜３０を成膜する。具体的には、炭素源（例えば、メタン、アルコール、アセトン等の低分子有機化合物）を水素ガス等とともにフィラメントに供給する。そして、炭素ラジカル等が発生する温度域（例えば、１８００〜２８００℃）までフィラメントを加熱して、この雰囲気内にダイヤモンドが析出する温度域（例えば、７５０〜９５０℃）になるようにシリコン基板２８を配置する。
【００３７】
その後、シリコン基板２８上に成膜されたダイヤモンド薄膜３０に対して水素終端処理を行う。具体的には、成膜されたダイヤモンド薄膜３０の表面の炭素終端を水素終端に置換することで高密度水素終端とする処理が行われる。この水素終端処理としては、フッ化水素酸水溶液による処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法の何れかを選択することができる。
【００３８】
次に、シリコン基板２８上に成膜されたダイヤモンド薄膜３０の表面にレジストをスピンコートし、露光及び現像を行ってレジストをパターニングする処理を行う。その後、Ａｕ／Ｔｉスパッタリングしてリフトオフすることによって、Ａｕ／Ｔｉ薄膜が、シリコン基板２８の一方の主面に形成される。これにより、シリコン基板２８上にソース電極３２及びドレイン電極３４が形成される。
【００３９】
続いて、ダイヤモンド薄膜３０及びＡｕ／Ｔｉ薄膜が形成されたシリコン基板２８上に保護膜３６，３８となるレジストをスピンコートし、露光及び現像により、レジストをパターニングする処理が行われる。レジストが除去された領域は、ダイヤモンド薄膜３０が露出した状態となる。ダイヤモンド薄膜３０が露出した領域はチャネルとして機能する。以上のようにして電界効果トランジスタ２４を得ることができる。
【００４０】
３．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。上記実施形態の場合、水が海水である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、血液、唾液、体液、雨水、水道水、塩水、電解液、地下水にも適用することができる。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）ダイヤモンドＳＧＦＥＴを用いた検証
実際に、受信部として図３に示した構成のダイヤモンドＳＧＦＥＴを用いて、水中で送信部から送信した電気信号を受信部で受信することが可能か、検証した。検証には、図４に示す実験装置５８を用いた。送信機１２は、参照電極６４と、当該参照電極６４に接続された交流電源６６とを有する。参照電極６４は、Ａｇ／ＡｇＣｌの金属電極と、飽和ＫＣｌの内部電解質と、これらを収容する筒状のガラス容器とを有する。交流電源６６は、電圧が−０．８±０．２Ｖであり、任意の周波数及び波形の電気信号を発生可能なファンクションジェネレータ（図示しない）を通じて、電気信号として、周波数が１００ｋＨｚのパルス波を発信する。ファンクションジェネレータは、接地した。【００４２】
受信部２２Ｂは、電界効果トランジスタ２４と、ドレイン電極に抵抗体６７を介して接続された直流電源６９とを有する。電界効果トランジスタ２４は、チャネル長を１０μｍ、チャネル幅を１ｍｍ、ソース電極、ドレイン電極の長さを０．５ｍｍ、ソース電極、ドレイン電極の幅を１ｍｍの値に設定した。【００４３】
抵抗体６７は１００Ωのものを用いた。直流電源６９の電圧は、−２．０Ｖである。直流電源６９及びソース電極は、接地した。ＮａＣｌの濃度が３．５質量％の塩水を充填したホース６８内に、参照電極６４、及び電界効果トランジスタ２４を配置した。ホース６８は、半径１．２５ｃｍのものを用いた。なお、ファンクションジェネレータ及び受信部２２Ｂは、共通の接地母線に接続したうえで接地した。【００４４】
参照電極−チャネル間の距離を０．０１ｍ、５ｍとした場合において、参照電極６４から送信された電気信号に対する電界効果トランジスタ２４の出力電圧ＶＤＳを測定した。その結果を図５Ａ，５Ｂ，５Ｃに示す。図５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、横軸が時間（μｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図５Ａが送信機１２から送信された電気信号（入力信号）、図５Ｂが距離０．０１ｍの場合の出力電圧ＶＤＳ、図５Ｃが距離５ｍの場合の出力電圧ＶＤＳである。【００４５】
参照電極６４から入力された周期１０μｓ、振幅４００ｍＶの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を０．０１ｍ、５ｍとした電界効果トランジスタ２４の出力電圧ＶＤＳの波形は、いずれも周期が同じで振幅が１０ｍＶの矩形状であり、反転した。当該結果から、参照電極−チャネル間の距離が０．０１ｍ、５ｍのいずれの場合も、電位の変化に対し電界効果トランジスタ２４が安定的、かつ高速で応答することが確認できた。入力信号の周波数が１００ｋＨｚのとき、参照電極−チャネル間の距離が０．０１ｍ〜５ｍの範囲では、入力信号に対する振幅の減衰率が変わらないことが分かった。【００４６】
図６Ａ，６Ｂは、電界効果トランジスタ２４のＩ−Ｖ特性を測定した結果を示す。図６Ａ，６Ｂの横軸はドレイン−ソース間電圧ＶＤＳ（Ｖ）、縦軸がドレイン−ソース間電流（ドレイン電流）ＩＤＳ（μＡ）を示す。ゲート−ソース間電圧ＶＧＳを０Ｖ〜−１Ｖの範囲で０．２Ｖずつ変化させた。図６Ａは距離が０．０１ｍの場合、図６Ｂは距離が５ｍの場合の結果である。図６Ａ，６Ｂより、参照電極−チャネル間の距離に依存することなく、同程度の飽和電流が得られ、安定して動作することが確認できた。【００４７】
（実施例２）シリコン製ＩＳＦＥＴを用いた検証
次に、受信部として図２に示した構成のシリコン製ＩＳＦＥＴを用いて、海水中において、送信部から送信した電気信号を受信部で受信することが可能か、検証した。検証には、図７に示す回路構成を用いた。参照電極−チャネル間の距離が１ｍの場合と１０ｍの場合は、参照電極６４としてＰｔ金属電極を用いた。参照電極−チャネル間の距離が５０ｍの場合は、参照電極６４として、Ａｇ／ＡｇＣｌの金属電極と、飽和ＫＣｌの内部電解質と、これらを収容する筒状のガラス容器とを有するものを用いた。交流電源６６の電圧は、２．０±０．２Ｖとした。【００４８】
受信部２２Ａは、電界効果トランジスタ２３と、ドレイン領域に抵抗体６７を介して接続された直流電源６９とを有する。電界効果トランジスタ２３は、シリコン基板上にドナーとしてリンをドープしてソース領域及びドレイン領域が形成されている。イオン感応膜はＳｉ３Ｎ４で形成した。チャネル長は１００μｍ、チャネル幅は２ｍｍ、ソース領域、ドレイン領域の長さは２ｍｍ、ソース領域、ドレイン領域の幅は０．２ｍｍの値に設定した。抵抗体６７は１ｋΩのものを用いた。直流電源６９の電圧は２．０Ｖである。参照電極６４及び電界効果トランジスタ２３は海水７１中に配置し、直流電源６９及びソース領域は接地した。なお、送信機１２及び受信機１４は、共通の接地母線７３に接続したうえで接地した。【００４９】
入力信号の周波数を１ｋＨｚ、参照電極−チャネル間の距離を１ｍとした場合の結果を図８Ａ，８Ｂに示す。図８Ａ，８Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図８Ａが入力信号、図８Ｂが出力電圧ＶＤＳである。【００５０】
入力信号の周波数を１ｋＨｚ、参照電極−チャネル間の距離を１０ｍとした場合の結果を図９Ａ，９Ｂに示す。図９Ａ，９Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図９Ａが入力信号、図９Ｂが出力電圧ＶＤＳである。【００５１】
入力信号の周波数を１０ＭＨｚ、参照電極−チャネル間の距離を１０ｍとした場合の結果を図１０Ａ，１０Ｂ示す。図１０Ａ，１０Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図１０Ａが入力信号、図１０Ｂが出力電圧ＶＤＳである。【００５２】
入力信号の周波数を１ｋＨｚ、参照電極−チャネル間の距離を５０ｍとした場合の結果を図１１Ａ，１１Ｂに示す。図１１Ａ，１１Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図１１Ａが入力信号、図１１Ｂが出力電圧ＶＤＳである。【００５３】
入力信号の周波数を１ＭＨｚ、参照電極−チャネル間の距離を５０ｍとした場合の結果を図１２Ａ，１２Ｂに示す。図１２Ａ，１２Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）を示す。図１２Ａが入力信号、図１２Ｂが出力電圧ＶＤＳである。【００５４】
図８Ａ，８Ｂ，９Ａ，９Ｂより、入力信号の周波数が１ｋＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期１０００μｓ、振幅４００ｍＶの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を１ｍ、１０ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、いずれも周期が同じで振幅が１３０ｍＶの矩形状であり、反転した。図１１Ａ，１１Ｂより、入力信号の周波数が１ｋＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期１０００μｓ、振幅８００ｍＶの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を５０ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、周期が同じで振幅が１００ｍＶの矩形状であり、反転した。【００５５】
一方、図１０Ａ，１０Ｂより、入力信号の周波数が１０ＭＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期０．１μｓ、振幅４００ｍＶの正弦波に対し、参照電極−チャネル間の距離を１０ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、周期が同じで振幅が８０ｍＶの正弦波で、反転しなかった。なお入力信号の波形は、パルス波を意図していたが、用いたファンクションジェネレータの特性によって、正弦波となった。また出力電圧ＶＤＳの波形が入力信号の波形に対し反転しなかったのは、受信系が高い周波数では微分回路(ハイパスフィルタ)として動作し、入力信号の立ち上がりおよび立ち下がりを読み取っているためと考えられる。微分回路となっていることは、図５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、図８Ａ，８Ｂ、図９Ａ，９Ｂ、図１０Ａ，１０Ｂ、図１１Ａ，１１Ｂ、図１２Ａ，１２Ｂ、後述する図１６Ａ，１６Ｂが入力信号の上昇が出力電圧では上向きのパルス、入力信号の減衰が出力電圧で下向きのパルスとなっていることでも確認される。【００５６】
また、図１２Ａ，１２Ｂより、入力信号の周波数が１ＭＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期１μｓ、振幅８００ｍＶの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を５０ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、周期が同じで振幅が８０ｍＶの正弦波であり、反転した。【００５７】
当該結果から、参照電極−チャネル間の距離が１ｍ、１０ｍ、入力信号の周波数が１ｋＨｚ、１０ＭＨｚの場合、及び、参照電極−チャネル間の距離が５０ｍ、入力信号の周波数が１ｋＨｚ、１ＭＨｚの場合において、電位の変化に対し、電界効果トランジスタが安定的、かつ高速で応答することが確認できた。入力信号の周波数が１ｋＨｚのとき参照電極−チャネル間の距離が１ｍ〜１０ｍの範囲では、入力信号に対する振幅の減衰率が変わらないことが分かった。【００５８】
次に、図７に示す回路構成を用いて、電界効果トランジスタ２３の海水中におけるＩ−Ｖ特性を測定した。参照電極−チャネル間の距離が１ｍの場合と１０ｍの場合は、参照電極６４としてＰｔ金属電極を用いた。参照電極−チャネル間の距離が５０ｍの場合は、参照電極６４として、Ａｇ／ＡｇＣｌの金属電極と、飽和ＫＣｌの内部電解質と、これらを収容する筒状のガラス容器とを有するものを用いた。【００５９】
図１３Ａは距離が１ｍの場合、図１３Ｂは距離が１０ｍの場合、図１４は距離が５０ｍの場合の結果を示す。図１３Ａ，１３Ｂ，図１４の横軸はドレイン−ソース間電圧ＶＤＳ（Ｖ）、縦軸がドレイン−ソース間電流（ドレイン電流）ＩＤＳ（μＡ）を示す。本図より、参照電極−チャネル間の距離に依存することなく、同程度の飽和電流が得られ、安定して動作することが確認できた。【００６０】
（実施例３）シリコン製ＩＳＦＥＴを用いた、接地の影響の検証
次に、送信部及び受信部を、共通の接地母線に接続せず、それぞれ直接接地する場合において、水中において、送信部から送信した電気信号を受信部で受信することが可能か、検証した。検証には、図１５に示す実験系を用いた。互に電気的に接続されていない建物６０，６２の電源に対し、一方を参照電極６４、他方を図２に示した構成の電界効果トランジスタ（シリコン製ＩＳＦＥＴ）２３に接続した。参照電極６４は、Ｐｔの金属電極を用いた。参照電極６４と電界効果トランジスタ２３は、ビーカー７０内のＮａＣｌの濃度が３．５質量％の塩水に浸漬した。抵抗体６７は１ｋΩのものを用いた。直流電源６９の電圧は２．０Ｖである。【００６１】
交流電源６６から発信される入力信号の電圧を１．６±０．４Ｖ、周波数を１ｋＨｚとした場合の結果を図１６Ａ，１６Ｂに示す。図１６Ａ，１６Ｂは、横軸が時間（ｍｓ）、縦軸が振幅（ｍＶ）である。図１６Ａが入力信号、図１６Ｂが出力電圧ＶＤＳである。参照電極６４から入力された周期１０００μｓ、振幅８００ｍＶの矩形波に対し、電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、周期が同じで振幅が７００ｍＶの矩形状であり、反転した。当該結果から、共通の接地母線に接続せず、それぞれ直接接地した場合でも、電界効果トランジスタ２３が安定的、かつ高速で応答することが確認できた。【００６２】
（実施例４）シリコン製ＩＳＦＥＴと、独立した電源を用いた検証
次に、受信部としてシリコン製ＩＳＦＥＴを用い、送信部及び受信部を、共通の接地母線に接続せず、かつ互いに電気的に接続されていない独立した電源にそれぞれ接続し、水中において、送信部から送信した電気信号を受信部で受信することが可能か、検証した。検証には、図１７に示す実験装置７１を用いた。図１７は、図４に示した実験装置５８と同様の構成については同様の符号が付されている。【００６３】
送信機１２は、図示しないが、インターフェースを介してファンクションジェネレータがノートパソコンに接続されており、当該ノートパソコンに内蔵されているバッテリを交流電源６６として用いた。交流電源６６の電圧は、１．６Ｖ±１．０Ｖとした。【００６４】
受信機１４は、図示しないが、インターフェースを介してノートパソコンに接続されており、当該ノートパソコンに内蔵されているバッテリを直流電源６９として用いた。直流電源６９の電圧は、２Ｖとした。ノートパソコンは、いずれも外部電源に接続しないで用いた。電界効果トランジスタ２３は、実施例２と同じシリコン製ＩＳＦＥＴを用いた。【００６５】
ＮａＣｌの濃度が３．５質量％の塩水を充填したホース６８内に、参照電極６４、及び電界効果トランジスタ２３を配置した。ホース６８は、内径２ｃｍのものを用いた。上記のようにして、送信機１２と受信機１４は、ホース６８内の塩水のみで電気的に接続されている。【００６６】
参照電極−チャネル間の距離を０．１ｍ、５ｍとした場合において、参照電極６４から送信された電気信号に対する電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳを測定した。その結果を図１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃに示す。図１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは、横軸が時間（μｓ）、縦軸が振幅（Ｖ）又は（ｍＶ）を示す。図１８Ａが送信機１２から送信された電気信号（入力信号）、図１８Ｂが距離０．１ｍの場合の出力電圧ＶＤＳ、図１８Ｃが距離５ｍの場合の出力電圧ＶＤＳである。【００６７】
参照電極６４から入力された周期１０μｓ、振幅２Ｖの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を０．１ｍ、５ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、いずれも、矩形波の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて、それぞれ５５ｍＶ、１５ｍＶのピーク電圧を有する微分波形であった。矩形波の立ち上がり、立下りに発生する高調波成分が塩水内を伝搬し、その結果、電界効果トランジスタ２３のチャネルの電位が変化する。チャネルの電位が変化するとドレイン電流が増減し、ドレイン電圧の変化として観測される。出力電圧ＶＤＳの波形から、直流的な電位変化は伝播していないことが認められる。【００６８】
次に、図１９に示す実験装置７４を用いて検証した。図１９は、図４及び図１７と同様の構成については同様の符号が付されている。図１９に示す実験装置７４は、図１７の実験装置７１に対し、ホース６８をタンク７６に変えた点が異なる。タンク７６は、直径５０ｃｍの円柱状の内部空間（容量１００Ｌ）を有する。当該タンク内に、ＮａＣｌの濃度が３．５質量％の塩水（６０Ｌ）を充填すると共に、参照電極６４、及び電界効果トランジスタ２３を配置した。送信機１２と受信機１４は、タンク７６内の塩水のみで電気的に接続されている。【００６９】
参照電極−チャネル間の距離を０．１ｍ、０．５ｍとした場合において、参照電極６４から送信された電気信号に対する電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳを測定した。その結果を図２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに示す。図２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、横軸が時間（μｓ）、縦軸が振幅（Ｖ）又は（ｍＶ）を示す。図２０Ａが送信機１２から送信された電気信号（入力信号）、図２０Ｂが距離０．１ｍの場合の出力電圧ＶＤＳ、図２０Ｃが距離０．５ｍの場合の出力電圧ＶＤＳである。【００７０】
参照電極６４から入力された周期１０μｓ、振幅２Ｖの矩形波に対し、参照電極−チャネル間の距離を０．１ｍ、０．５ｍとした電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、いずれも矩形波の立ち上がり及び立ち下がりのタイミングに合わせて、それぞれ２５ｍＶ、２５ｍＶのピーク電圧を有する微分波形であった。【００７１】
また、長さｘ深さｘ幅が１００ｘ７０ｘ６０ｃｍの直方体形状のタンク（容量４２０Ｌ）に塩水を３００Ｌ充填して同様の実験を行った。参照電極６４から振幅１Ｖ、周波数１０ＭＨｚの矩形波を入力したところ、参照電極−チャネル間の距離を９０ｃｍとした電界効果トランジスタ２３において、図２０Ｂと同様の微分波形が観測された。【００７２】
図２１は、実験装置７４（図１９）において参照電極−チャネル間距離に対し出力電圧ＶＤＳのピーク電圧を測定した結果を示す。図２１の横軸は参照電極−チャネル間距離（ｃｍ）、縦軸は出力電圧ＶＤＳのピーク電圧（Ｖ）を示す。図２１から明らかなように、５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの入力信号に対し、参照電極−チャネル間の距離が１０ｃｍ〜５０ｃｍの電界効果トランジスタ２３において、出力電圧ＶＤＳのピーク電圧が安定して得られることが確認された。【００７３】
塩水の正イオンと負イオンからなるプラズマイオン振動が伝導の媒介となっている。参照電極がもたらす局所的な電位変化によって、正イオンと負イオンの分布に偏りが生じる。この分布の偏りが振動（一種のプラズマ振動）し、塩水中を伝播すると考えられる。場合によってはプラズマ・ソリトン波として波形が崩れずに長距離移動することも考えられる。【００７４】
以上の結果から、送信部として参照電極、受信部としてシリコン製ＩＳＦＥＴを備える水中通信装置は、信号電位と受信電位(ソース)が共通で無い場合、すなわち共通母線を用いて接地していない場合でも、塩水を介してデジタル信号伝送が可能であることが確認できた。【００７５】
（実施例５）ダイヤモンドＳＧＦＥＴと、独立した電源を用いた検証
次に、受信部としてダイヤモンドＳＧＦＥＴを用い、送信部及び受信部を、共通の接地母線に接続せず、かつ互いに電気的に接続されていない独立した電源にそれぞれ接続した場合において、水中において、送信部から送信した電気信号を受信部で受信することが可能か、検証した。検証には、図１７に示す実験装置７１において、電界効果トランジスタ２３を、ダイヤモンドＳＧＦＥＴを用いた電界効果トランジスタ２４に変えた装置を用いた。電界効果トランジスタ２４は、実施例１と同じダイヤモンドＳＧＦＥＴを用いた。送信機１２と受信機１４は、ホース（内径２ｃｍ）６８内の塩水のみで電気的に接続されている。【００７６】
参照電極−チャネル間の距離を１ｍとした場合において、参照電極６４から送信された電気信号に対する電界効果トランジスタ２４の出力電圧ＶＤＳを測定した。その結果を図２２のａに示す。また送信機１２及び受信機１４を共通の接地母線に接続して接地した以外は同じ構成とした実験装置において、参照電極６４から送信された電気信号に対する電界効果トランジスタ２４の出力電圧ＶＤＳを測定した結果を図２２のｂに示す。図２２のａ及びｂは、横軸が時間（μｓ）、縦軸が振幅（Ｖ）又は（ｍＶ）を示す。【００７７】
図２２のａから明らかなように、入力信号の周波数が１ＭＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期１μｓ、振幅２．０Ｖの矩形波に対し、電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、９０ｍＶのピーク電圧を有する微分波形であった。【００７８】
図２２のｂから明らかなように、入力信号の周波数が１ＭＨｚの場合、参照電極６４から入力された周期１μｓ、振幅０．４Ｖの矩形波に対し、電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、周期が同じで振幅が４０ｍＶの正弦波であり、反転した。【００７９】
以上の結果から、共通母線を用いないことで、出力電圧ＶＤＳの波形が入力信号の直流成分の影響を受けないことが確認できた。【００８０】
送信部として参照電極、受信部としてダイヤモンドＳＧＦＥＴを備える水中通信装置は、信号電位と受信電位(ソース)が共通で無い場合、すなわち共通母線を用いて接地していない場合でも、塩水を介してデジタル信号伝送が可能であることが確認できた。【００８１】
（実施例６）シリコン製ＩＳＦＥＴと、独立した電源を用いた検証の再現性
実施例４の実験装置７１（図１７）を用いて、参照電極−チャネル間の距離を９０ｃｍとした場合において、参照電極６４から送信された１０ＭＨｚの電気信号に対する電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳを繰り返し測定した。その結果を図２３に示す。図２３は、横軸が時間（μｓ）、縦軸が出力電圧ＶＤＳの振幅（ｍＶ）を示す。【００８２】
図２３から明らかなように、参照電極６４から入力された周期０．１μｓ、振幅１Ｖの矩形波に対し、電界効果トランジスタ２３の出力電圧ＶＤＳの波形は、同じ周期の微分波形であった。また出力電圧の波形は、１回目から１１回目までほぼ同様であった。このことから、送信部として参照電極、受信部としてシリコン製ＩＳＦＥＴを備える水中通信装置は、再現性が高い通信が可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【００８３】
１０    水中通信装置
１２    送信機
１４    受信機
２３，２４      電界効果トランジスタ
２６    駆動回路
３１    ソース領域
３２    ソース電極
３３    ドレイン領域
３４    ドレイン電極
３５，３６，３７，３８  保護膜
３９，４０      チャネル領域
【図１】
2020050183.tif 000003
【図２】
2020050183.tif 000004
【図３】
2020050183.tif 000005
【図４】
2020050183.tif 000006
【図５】
2020050183.tif 000007
【図６】
2020050183.tif 000008
【図７】
2020050183.tif 000009
【図８】
2020050183.tif 000010
【図９】
2020050183.tif 000011
【図１０】
2020050183.tif 000012
【図１１】
2020050183.tif 000013
【図１２】
2020050183.tif 000014
【図１３】
2020050183.tif 000015
【図１４】
2020050183.tif 000016
【図１５】
2020050183.tif 000017
【図１６】
2020050183.tif 000018
【図１７】
2020050183.tif 000019
【図１８】
2020050183.tif 000020
【図１９】
2020050183.tif 000021
【図２０】
2020050183.tif 000022
【図２１】
2020050183.tif 000023
【図２２】
2020050183.tif 000024
【図２３】
2020050183.tif 000025
【国際調査報告】
2020050183.tif 000026
2020050183.tif 000027