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メタマテリアル装置 UPDATE 新技術説明会

国内特許コード P170014228
整理番号 内0460
掲載日 2017年6月16日
出願番号 特願2016-034213
公開番号 特開2017-152959
出願日 平成28年2月25日(2016.2.25)
公開日 平成29年8月31日(2017.8.31)
発明者
  • 上田 哲也
  • 石山 拓未
出願人
  • 国立大学法人京都工芸繊維大学
発明の名称 メタマテリアル装置 UPDATE 新技術説明会
発明の概要 【課題】導体損を回避しながら、従来よりも広帯域で動作する、3次元的に等方性のメタマテリアル装置を提供する。
【解決手段】単位セル10は、単位セル10の中央の誘電体共振器1と、誘電体共振器1を包囲する複数のストリップ誘電体3と、誘電体共振器1及びストリップ誘電体3を支持するホスト媒質2とを備える。単位セル10において、複数のストリップ誘電体3は、第1の方向に配置された第1のストリップ誘電体と、第2の方向に配置された第2のストリップ誘電体と、第3の方向に配置された第3のストリップ誘電体とを含む。第1のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置され、第2のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置され、第3のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置される。誘電体共振器1はホスト媒質2の誘電率よりも高い誘電率を有し、ストリップ誘電体3は誘電体共振器1の誘電率以上の誘電率を有する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


メタマテリアル装置は、サブ波長サイズを有する複数の単位構成要素(以下、単位セルという)から構成される。メタマテリアル装置の特徴的なふるまいとして、電磁波のバックワード伝搬を生じる負の屈折率を有する構造物を構成できるということがある。負の屈折率は、構造物の実効誘電率及び実効透磁率が同時に負となる場合に実現される。



一般に、メタマテリアル装置の単位セルは異方性であり、電磁波の伝搬方向及び偏波方向により、メタマテリアル装置のふるまいは大きく異なる。独立な3方向へ伝搬する電磁波又は異なる偏波特性を有する電磁波に対して、等方性の、すなわち方向依存性のないメタマテリアル装置の構造を設計することは容易ではない。



すでに、独立な3方向へ伝搬する電磁波に対して負の屈折率を示す3次元メタマテリアル装置がいくつか提案されている(例えば、特許文献1~7を参照)。さらに、電磁波の伝搬方向及び偏波方向に依存せずに負の屈折率を示す等方性の3次元メタマテリアル装置として、磁気双極子に類似した電磁界分布をもつ誘電体粒子群と、交流電界に対して遮蔽効果を持つ金属細線格子との組み合わせからなる複合構造が提案されている。この構造では、誘電体粒子群は負の透磁率を示す構造として使用されている。各誘電体粒子が磁気双極子に類似した電磁界分布を示すように、誘電体粒子内に電気力線の渦が形成される共振モードが利用されている。一方、金属細線格子は負の誘電率を示す構造として使用されている。金属細線格子は、所定間隔を有して並んだ一対の金属細線に当該間隔の2倍よりも長い波長を有する電磁波が入射したとき、負の誘電率を示す。金属細線格子単体を使用したときは、電磁波が伝搬できないカットオフ領域が現れ、遮蔽効果を示す。

産業上の利用分野


本発明は、負の屈折率を示す電磁人工構造物であるメタマテリアル装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
周期的に配置された複数の単位セルを含むメタマテリアル装置において、
上記各単位セルは、上記単位セルの中央に配置された誘電体共振器と、上記誘電体共振器を包囲するように配置された複数のストリップ誘電体と、上記誘電体共振器及び上記ストリップ誘電体を支持するホスト媒質とを備え、
上記各単位セルにおいて、上記複数のストリップ誘電体は、第1の方向に配置された少なくとも1つの第1のストリップ誘電体と、上記第1の方向とは異なる第2の方向に配置された少なくとも1つの第2のストリップ誘電体と、上記第1及び第2の方向によって張られる面に対して所定角度を有する第3の方向に配置された少なくとも1つの第3のストリップ誘電体とを含み、
上記複数の単位セルを周期的に配置することにより構成される上記メタマテリアル装置において、上記第1のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置され、上記第2のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置され、上記第3のストリップ誘電体は互いに平行にかつ周期的に配置され、
上記誘電体共振器は上記ホスト媒質の誘電率よりも高い誘電率を有し、上記ストリップ誘電体は上記誘電体共振器の誘電率以上の誘電率を有することを特徴とするメタマテリアル装置。

【請求項2】
上記メタマテリアル装置に入射する所定周波数の電磁波に対して上記メタマテリアル装置の実効誘電率及び実効透磁率がともに負となるように、上記単位セルの形状及び寸法と、上記誘電体共振器の形状、寸法、及び比誘電率と、上記ストリップ誘電体の太さと、上記第1、第2、及び第3のストリップ誘電体を周期的に配置する間隔と、上記ホスト媒質の比誘電率とが設定されたことを特徴とする請求項1記載のメタマテリアル装置。

【請求項3】
上記各単位セルは、上記複数のストリップ誘電体によって形成される導波路を備え、上記各単位セルは所定のカットオフ周波数を有し、上記各単位セルは、上記メタマテリアル装置に入射する上記カットオフ周波数よりも低い周波数の電磁波に対して上記メタマテリアル装置の実効誘電率が負となるように構成され、
上記誘電体共振器は、上記誘電体共振器に入射する所定周波数の電磁波により、磁気双極子モーメントと類似した電磁界分布の共振形態で励起し、上記電磁波に対して上記メタマテリアル装置の実効透磁率が負となるように構成されることを特徴とする請求項2記載のメタマテリアル装置。

【請求項4】
上記各単位セルは立方体であり、上記第1、第2、及び第3の方向は互いに直交することを特徴とする請求項1~3のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。

【請求項5】
上記誘電体共振器は球形状を有することを特徴とする請求項1~4のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。

【請求項6】
上記誘電体共振器は円柱形状もしくは多角柱形状を有することを特徴とする請求項1~4のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。

【請求項7】
上記誘電体共振器は立方体形状、多面体形状もしくは菱面体形状を有することを特徴とする請求項1~4のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。

【請求項8】
上記複数の単位セルのうち、1つの面で互いに隣接する2つの単位セルのすべての組み合わせのそれぞれは、上記1つの面において上記ストリップ誘電体を共有することを特徴とする請求項1~7のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。

【請求項9】
上記ホスト媒質は空洞を備えた第1の基板、及び上記第1の基板を挟む第2の基板から成り、上記第1の基板及び/又は上記第2の基板には上記第1のストリップ誘電体及び/又は第2のストリップ誘電体が形成され、
上記誘電体共振器が上記第1の基板の上記空洞に配置され、上記第2の基板で挟まれた単位形態で形成され、もしくは、上記単位形態が2層以上積層された状態で形成される上記第3のストリップ誘電体を有することを特徴とする請求項1~8のうちの1つに記載のメタマテリアル装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2016034213thum.jpg
出願権利状態 公開
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