表面マイクロ波を用いた信号と電力の同時伝送法 - Shinoda

社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
信学技報
TECHNICAL REPORT OF IEICE
表面マイクロ波を用いた信号と電力の同時伝送法
板井 裕人 1
張 兵2
篠田 裕之 3
株式会社セルクロス 〒113-8656 東京都文京区弥生 2-11-16-9-722
独立行政法人情報通信研究機構 〒619-0289 京都府相楽郡精華町光台 3-5
1
2
3
東京大学大学院情報理工学系研究科システム情報学専攻 〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1
E-mail:
1
[email protected],
2
[email protected],
3
[email protected]
あらまし 多数のユビキタスセンサを実装するための新しい物理層として，近年二次元通信が提案されている．
導電体－絶縁体－導電性メッシュの 3 層構造をもつ表面に素子が近接し，表面を伝搬するマイクロ波によって信号
伝送を行う．本研究では，このような表面に近接し，高効率のマイクロ波電力取得を行う電極アレイを提案し，実
験的検証を行った．
キーワード ユビキタスセンサ，センサネットワーク，二次元通信，マイクロ波電力伝送
Method of Simultaneous Signal-Power Transmission Using Surface Microwave
Hiroto ITAI 1, Bing ZHANG 2, and Hiroyuki SHINODA 3
1
Cellcross Corporation, 2-11-16 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo, 113-8656 Japan
2
National Institute of Information and Communication Technology,
3-5 Hikaridai, Seika-cho, Soraku-gun, Kyoto, 619-0289 Japan
3
Graduate School of Information Science and Technology, The University of Tokyo,
7-3-1, Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo, 113-0033, Japan
1
E-mail: [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected]
Abstract Two Dimensional Communication is a new physical form of communication that enables us to mount many
ubiquitous devices in rooms and on clothes. The devices transmit/receive signals by microwaves traveling along the
table or floor surfaces that have a simple three layer structure. The three layers are composed of a conductive sheet, an
insulating sheet, and a conductive mesh. In this paper, we propose electrode array to absorb microwave power from the
three-layer sheet and confirm the efficiency by experiments.
Keyword Ubiquitous sensor, sensor network, two dimensional communication, microwave power transmission
1. はじめに
が提案されている．この技術は，導電体－絶縁体－導
ユビキタス社会の進展に伴い，身の回りの多くの機
電性メッシュの３層からなる二次元通信シート上に置
器や物がネットワークに接続され，便利に活用される
かれたセンサ素子に対してマイクロ波を用いて電力を
ようになってきている．中でも分布するセンサ間を
供給し，同時に情報通信も行なうものである．
ネットワーク化したものは，センサネットワークと呼
本研究では，このような二次元通信シートの表面に
ばれ，集中型の計測装置では得られない緻密な分布情
近接し，高効率のマイクロ波電力取得を行う電極アレ
報 を 得 る 方 法 と し て 期 待 さ れ て い る [1]．こ の 実 現 方 法
イを提案し，実験的検証を行った．また情報通信用の
としてこれまでは，センサノード間を一つずつ配線で
コネクタについても新規な構造のものを提案した．
繋ぐか，無線で繋ぐことが想定されてきた．しかし情
報を授受するセンサノードの数が増えるにつれ，配線
は室内の美観や機能を損なう厄介者となる．一方無線
2. 二次元通信近接コネクション
マイクロ波を用いた二次元通信の物理形態として，
を用いた場合には，各端末への電力供給や，混信が問
文 献 [2]で は 4 種 類 の 方 法 が 示 さ れ て い る ．本 論 文 で は
題となることが指摘され始めている．
それらのうちで，導電体－絶縁体－導電メッシュから
こ の 解 決 方 法 の ひ と つ と し て ，近 年 ，二 次 元 通 信 [2]
なる３層構造の二次元通信シートを用いることを前提
とする．その場合，二次元通信シート上に配置したセ
力供給装置から信号用近接コネクタ（信号伝送用コネ
ンサ素子は，通信シートに対して非接触で電磁波の授
ク タ と 共 通 の 構 造 の も の を 用 い る ） を 介 し て 2.4 GHz
受を行い，情報通信や電力供給を実現できる．このよ
帯のマイクロ波を二次元通信シートに放射し，二次元
うな近接結合を実現する方法としては，これまでに文
通信シート上に置かれた電力取得用電極アレイにより
献 [3]に 示 さ れ る よ う な デ バ イ ス が 提 案 さ れ て い る ．こ
マイクロ波電力を取得する．このようにして得られた
の コ ネ ク タ は ，単 体 で フ リ ス の 伝 送 効 率 限 界 [2]に 近 い
電力を用いて二次元通信シート上に置かれたスピーカ，
電力伝送を実現するが，それらを複数配置して電力吸
キ ー ボ ー ド ，マ ウ ス を 駆 動 す る ．ま た ，PC と 接 続 さ れ
収量を拡張するために適した構造とはなっていなかっ
た 信 号 用 近 接 コ ネ ク タ を 介 し て 2.4 GHz 帯 の 信 号 の 授
た．そこで本研究では電力供給に目的を限定したアレ
受 を 行 い ，ス ピ ー カ か ら の 音 声 信 号 出 力 ，キ ー ボ ー ド ，
イ型の近接コネクタ（電力取得用電極アレイ）を提案
マ ウ ス を 用 い た PC 操 作 を 行 な う ． Bluetooth 機 器 を 流
し，試作を行なった．アレイの個々のユニットが吸収
用した試作システムにおいて，これらが良好に動作す
す る 電 力 量 は 文 献 [3]の も の に 比 べ て 小 さ い が ，そ れ ら
ることが確認された．以下では，本システムを構成す
の出力を整流後加算することで，アレイの大きさに応
る各要素について述べる．
じた電力を安定に取得することができる．
ま た ， 文 献 [3]に お い て は ， 18 cm 角 の 通 信 シ ー ト に
おける基礎実験結果が示されていたのみであったが，
2.2. 二次元通信におけるマイクロ波伝送媒体
本研究では，マイクロ波伝送媒体として，導電体－
本 研 究 で は 卓 上 を 覆 う 200 mm× 600 mm の 通 信 シ ー
絶縁体－導電メッシュの 3 層構造からなる二次元通信
ト が 試 作 さ れ て い る ．さ ら に 文 献 [3]の も の に 比 べ て 厚
シートを用いる．図 2 に実験で使用した二次元通信
みの薄い信号用近接コネクタが設計・試作されている
シートを示す．誘電体を均一良導体とメッシュ構造の
ので，それらの構造，実験結果もあわせて報告する．
良 導 体 と で 挟 ん だ 構 造 を し て お り ， 縦 横 が 2000 mm×
通 信 用 近 接 コネクタ
電力供給装置
600 mm， 厚 さ は 2 mm で あ る ． ま た メ ッ シ ュ 構 造 の 周
PC
スピーカ
期 は 7 mm，メ ッ シ ュ 線 幅 は 1 mm，誘 電 体 に は ポ リ マ ー
の発泡体を用いている．
キー ボード マウス
二 次 元 通 信シ ート
(a) 実 験 シ ス テ ム の 概 観
(a) 二 次 元 通 信 シ ー ト の 全 景
導電体
(b) 実 験 シ ス テ ム 構 成
絶縁体
(b) 二 次 元 通 信 シ ー ト の 断 面
上面
底面
(c)ス ピ ー カ 用 に 試 作 し た 電 力 取 得 用 電 極 ア レ イ と
信号用近接コネクタ
図 1 実験システム
2.1. 二 次 元 通 信 における信 号 と電 力 の同 時 伝 送
実験システム構成
本 研 究 に お け る 実 証 実 験 シ ス テ ム を 図 1に 示 す ． 電
図 2
二次元通信シートの概観
2.3. 信号用近接コネクタ
今 回 の 実 験 で は ， 無 線 LAN で 使 用 さ れ て い る 2.4
GHz 帯 で の 使 用 を 前 提 に 信 号 用 近 接 コ ネ ク タ を 試 作 し
た ．こ の コ ネ ク タ は ，信 号 の 送 受 信 だ け で な く 通 信 シ ー
ト へ の 電 力 供 給 に も 用 い ら れ る ． 図 3に 信 号 用 近 接 コ
ネ ク タ の 構 造 お よ び 写 真 を 示 す ． 本 実 験 で は ， a = 60
mm，b = 40 mm，c = 3.2 mm と し た ．図 4 に 二 次 元 通
本 実 験 で は ，2 cm 角 の 電 極 を ア レ イ 状 に 複 数 配 置 し
信シート上での信号用近接コネクタのリターンロスと
た ．2 つ の 電 極 間 に 整 流 回 路 を 接 続 し た も の を 1 ユ ニ ッ
VSWR を 示 す ．
ト と す る ．そ の ユ ニ ッ ト を 複 数 並 列 接 続 し ，図 5 に 示
す よ う な 5×5 の 電 極 ア レ イ を 試 作 し た ．電 極 ア レ イ の
出力端子に抵抗を接続し，両端に発生する電圧を測定
し て 抵 抗 で 消 費 さ れ る 電 力 を 計 算 し た と こ ろ ， 図 6の
よ う な 結 果 が 得 ら れ た ．こ の 結 果 か ら 10W の 供 給 電 力
に 対 し て 最 大 216mW を 取 得 で き る こ と が 分 か っ た ．
こ こ で ， 図 6に お け る 測 定 は ， 電 力 供 給 用 近 接 コ ネ ク
タ と 電 力 取 得 用 電 極 ア レ イ を 40cm 離 し た 位 置 で 行 っ
た．
(a) 上 面 図
(b) 底 面 図
(a) 電 極 ア レ イ の 上 面
図 5
(c) 断 面 図
(b) 電 極 ア レ イ の 底 面
試作した電力取得用電極アレイ
250
(d) 試 作 し た 近 接 コ ネ ク タ (e) 試 作 し た 近 接 コ ネ ク タ
の上面
の底面
図 3
試作した信号用近接コネクタ
消費電力 [mW]
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
抵抗値 [Ω]
図 6
電力取得電極アレイでの消費電力と
負荷抵抗値の関係
3. おわりに
(a) リ タ ー ン ロ ス
図 4
(b) VSWR
信号用近接コネクタの特性
2.4. 電力取得用電極アレイ
これまでにも二次元通信を用いた電力伝送が検討
さ れ て い る が [3]，先 行 研 究 に お い て は 電 力 供 給 側 も 電
力取得側も同一構造の共振型近接コネクタが用いられ
ていた．一方，本研究で提案を行う電力取得用電極ア
レイは，特定の周波数において共振を起こさない非共
振型の近接コネクタを多数配列したものである．各ア
レイからの電力は整流後に加算され、全体として多く
の電力を得る．
本 研 究 で は 二 次 元 通 信 シ ー ト の 表 面 に 近 接 し ，信 号 伝
送を行うための信号用近接コネクタと，高効率のマイ
クロ波電力取得を行う電極アレイを提案し，実験的検
証 を 行 っ た ．2000 mm×600 mm の 通 信 シ ー ト に 対 し て
10 Ｗ を 投 入 し た 実 験 に お い て ， 今 回 試 作 し た 電 極 ア
レ イ で は ， 最 大 216 mW の 消 費 電 力 が 取 得 で き る こ と
が明らかになった．
本 研 究 で は 各 電 極 の 一 辺 を 2 cm 角 と し て 試 作 を 行 っ
たが，電極サイズを変化させることによる取得電力の
変化を確認することは今後の課題である．
文
献
[1] 安 藤 繁 ， 田 村 陽 介 ， 戸 辺 義 人 ， 南 正 輝 ，“ セ ン サ
ネ ッ ト ワ ー ク 技 術 ”， 東 京 電 機 大 学 出 版 ， 2005
[2] 篠 田 裕 之 ，“ 素 材 表 面 に 形 成 す る 高 速 セ ン サ ネ ッ
ト ワ ー ク ”，計 測 と 制 御 ，vol.46，no.2，pp.98-103，
2007
[3] Naoshi Yamahira, Yasutoshi Makino, Hiroto Itai and
Hiroyuki Shinoda, “ Proximity Connection in
Two-Dimensional Signal Transmission ” , Proc.
SICE-ICASE Int. Joint Conf. 2006, Oct., Busan,
Korea, pp.2735-2740, 2006.