JP2006033034A - 電磁波送受信デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 高い角度精度をもって電磁波検出や電磁波放射を行うことができ、かつ小型・薄型に構成できる電磁波送受信デバイスを提供する。
【解決手段】 電磁波の進行方向を方向変換させる方向変換素子１１と、電磁波送受信素子１２−１，１２−２とが基板１３上に配置される。方向変換素子１１は屈折率の異なる材料が基板１３板面と平行方向に周期的に配列された構造とされ、その配列方向両端に電磁波送受信素子１２−１，１２−２がそれぞれ位置される。２つの電磁波送受信素子の出力比によって電磁波の入射角度を高精度に検出でき、また２つの電磁波送受信素子から送出する電磁波の相対強度を変化させることにより、デバイスから送出する電磁波の送出角度を高精度に制御することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は光や電波などの電磁波を送受信するデバイスに関し、特に高い角度精度（方向精度）をもって電磁波検出や電磁波放射をする電磁波送受信デバイスに関する。

電磁波センサやアンテナとして、電磁波の方向を精密に制御することが重要な課題となっている。
電磁波の指向性を制御する方法として、誘電体レンズを用いる方法があり、そのような誘電体レンズを用いてなる誘電体レンズアンテナが特許文献１に記載されている。特許文献１では誘電体レンズと一次放射器との間に設けられてそれらを一体化する誘電体部材の誘電率を例えば誘電体レンズの径方向外側に向って低下させることによって、誘電体レンズアンテナの高効率化と薄型化を図るものとなっている。
一方、特許文献２には狭指向性の電磁波を広角度範囲で検出する方法として、指向性アンテナを異なる方向に複数個配置する方法が記載されている。
特開２０００−１７４５４７号公報 特許第２７６８４３９号公報

上述した特許文献１に記載されている誘電体レンズアンテナでは従来に比し、薄型化を図れるものとなっているものの、誘電体レンズ自体が大きいことから薄型化には限界があり、また電磁波の角度検出には一般に複数の誘電体レンズを配置する必要があり、よってこれらの点で薄型化や小型化が難しいという問題がある。
また、特許文献２に記載されている複数の指向性アンテナを用いる構成では、電磁波の角度検出精度を上げようとすると、非常にたくさんのアンテナを並べなければならず、小型化が難しいという問題がある。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、光や電波などの電磁波を送受信するデバイスであって、極めて薄型・小型に構成でき、かつ高い角度精度をもって電磁波検出や電磁波放射を行えるようにした電磁波送受信デバイスを提供することにある。

請求項１の発明によれば、電磁波送受信デバイスは電磁波の進行方向を方向変換させる方向変換素子と、電磁波送受信素子とが基板上に配置されてなり、方向変換素子は屈折率の異なる材料が上記基板板面と平行方向に周期的に配列された構造とされて、その配列方向両端に電磁波送受信素子がそれぞれ位置されているものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、方向変換素子が直交２方向に周期配列構造を有するものとされ、それら各方向両端に電磁波送受信素子がそれぞれ配置されているものとされる。

この発明によれば、電磁波の受信においては方向変換素子の周期配列方向両端にそれぞれ配置された電磁波送受信素子の出力比によって電磁波の入射角度を高精度に検出することができ、また電磁波の送信においてはそれら電磁波送受信素子から送出する電磁波の相対強度を変化させることによりデバイスから送出する電磁波の送出角度を高精度に制御することができ、よって高い角度精度をもって電磁波検出や電磁波放射を行うことができる。
また、方向変換素子及び電磁波送受信素子は基板の同一面上に並んで配置される構造のため、小型に構成でき、特に従来の誘電体レンズ等を用いる電磁波送受信デバイスに比し、極めて薄型に構成でき、よってこれらの点で例えばミリ波レーダーや赤外線センサなどの位置検出デバイスや通信デバイスに用いて好適な電磁波送受信デバイスを得ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明の第１の実施例を示したものであり、この例では電磁波送受信デバイス１０は方向変換素子１１と２つの電磁波送受信素子１２−１，１２−２を備え、それらが基板１３上に並んで配置されたものとなっている。
基板１３はこの例では厚さ１ｍｍのシリコン基板とされて、その上面には厚さ１ｍｍのガラス板１４が接着されて配置されており、方向変換素子１１はこのガラス板１４上に位置されている。
方向変換素子１１は電磁波の進行方向を方向変換させるもので、屈折率の異なる材料が基板１３の板面と平行方向に周期的に配列された構造を有するものとされ、この例では回折格子を上面に備えたプレーナ型光導波路とされている。この方向変換素子１１は厚さ８００μｍのシリコンを用いて作製され、回折格子を構成するライン溝１１ａはこの例ではピッチ２ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ４００μｍとされている。

上記のような方向変換素子１１は厚さ８００μｍのシリコンをガラス板１４の上面に接着した後、ダイシング加工によってライン溝１１ａを形成することによって作製され、これによりシリコンと空気の周期配列構造が形成される。
電磁波送受信素子１２−１，１２−２はガラス板１４に設けられた穴１４ａ内に位置されて基板１３上に搭載されており、方向変換素子１１の周期配列方向の両端に、方向変換素子１１を挟んで対向するように位置されている。これら電磁波送受信素子１２−１，１２−２はこの例では図１Ｃに示したような外観を有するスロットアンテナとされる。図１Ｃ中、１２ａはスロットを示し、このスロット１２ａが方向変換素子１１の周期配列方向の端面と対向されて配置される。

電磁波送受信素子１２−１，１２−２にはこの例ではシールド１５がそれぞれ設けられており、電磁波送受信素子１２−１，１２−２は方向変換素子１１と対向する面を除いてシールド１５によって覆われている。シールド１５は例えばステンレス製とされ、ガラス板１４上に搭載固定されている。なお、固定は接着またはネジ止めによって行われる。
上記のような構成とされた電磁波送受信デバイス１０では、例えば矢印１６で示したように電磁波が入射すると、電磁波は方向変換素子１１により進行方向が方向変換されて、その周期配列方向に伝播し、電磁波送受信素子１２−１，１２−２に入射するものとなる。

ここで、電磁波が電磁波送受信デバイス１０に垂直に入射した時（基板１３板面に垂直に入射した時）の入射角度θを０度とし、図２に示したように入射角度θを変化させて、６０ＧＨｚの電磁波を入射させ、２つの電磁波送受信素子１２−１，１２−２からの出力を計測した。
図３はこの計測結果を横軸：電磁波入射角度θ、縦軸：電磁波送受信素子１２−１と電磁波送受信素子１２−２の出力比として示したものであり、入射角度θが０度の場合、電磁波送受信素子１２−１，１２−２の出力比は０．２３となり、入射角度θが２０度の時、出力比は４４．４となった。また、図３より出力比は入射角度θに対して直線的に変化していることがわかり、出力比の変化率は９．６５／１度となった。この出力比の入射角度θに対する変化率が大きいほど感度がよいことになる。

この計測結果から明らかなように、図１に示した電磁波送受信デバイス１０によれば、電磁波の入射角度θの変化に対応して２つの電磁波送受信素子１２−１，１２−２の出力比は極めて大きく変化し、よって電磁波の入射角度θを非常に高精度に測定することができる。なお、この電磁波送受信デバイス１０の大きさは縦横が５ｃｍ程度、厚さが５ｍｍ程度であって小さく、特に薄型に構成することができるものとなっている。
上記においては電磁波を受信する場合について説明したが、次にこの電磁波送受信デバイス１０を用いて電磁波を送出させた場合について説明する。

電磁波送受信素子１２−１と１２−２から６０ＧＨｚの電磁波を送出させた。この時、電磁波送受信素子１２−１からの電磁波の位相と電磁波送受信素子１２−２からの電磁波の位相は逆位相とした。それぞれの電磁波送受信素子１２−１，１２−２から送出する電磁波の相対強度を変化させると、電磁波送受信デバイス１０の表面から、つまり方向変換素子１１の上面から出射する電磁波の送出角度を変化させることができた。
送出角度と電磁波送受信素子１２−１，１２−２の送出強度比の関係は、図３に示した電磁波入射角度θと電磁波送受信素子１２−１，１２−２の出力比と同様な関係となり、よってこの電磁波送受信デバイス１０によれば、電磁波送信においてその送出角度を非常に高精度に制御することができる。

図４はこの発明の第２の実施例を示したものであり、この例では方向変換素子２１は直交２方向に周期配列構造を有するものとされ、それら各方向両端に電磁波送受信素子１２−１〜１２−４がそれぞれ配置されているものとされる。
方向変換素子２１は実施例１における方向変換素子１１と同様、厚さ８００μｍのシリコンを用いて作製され、この例ではダイシング加工によってライン溝２１ａ，２１ｂが縦横に形成され、これによりシリコンと空気の２次元周期配列構造が形成されている。ライン溝２１ａ，２１ｂは共にピッチ２ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ４００μｍとされている。

基板１３（図４では隠れて見えない）及びガラス板１４の仕様は実施例１と同様とされ、また４つの電磁波送受信素子１２−１〜１２−４は実施例１と同様、スロットアンテナとされている。これら電磁波送受信素子１２−１〜１２−４の上部はステンレス製のシールド２５で覆われており、このシールド２５は実施例１におけるシールド１５が４つ一体化されたような形状を有するものとなっている。図４中、２５ａはシールド２５の上面に設けられている開口を示す。
上記のような構成を有する電磁波送受信デバイス２０では電磁波受信において電磁波の入射角度を直交２方向において高精度に検出することができ、また電磁波送信において電磁波の送出角度を直交２方向において高精度に制御することができるものとなる。

ここで、実施例１と同様、この電磁波送受信デバイス２０に６０ＧＨｚの電磁波を入射角度θを変化させて入射させた時の電磁波送受信素子１２−１〜１２−４からの出力を計測した。
図４中、Ｘ方向に入射角度θを変化させた時の電磁波送受信素子１２−１と電磁波送受信素子１２−２の出力比の入射角度θに対する変化率は８．２８／１度となった。また、Ｙ方向に入射角度θを変化させた時の電磁波送受信素子１２−３と電磁波送受信素子１２−４の出力比の入射角度θに対する変化率は８．０６／１度となった。

次に、図５に示した第３の実施例について説明する。この例ではシリコン基板３３ａ上に絶縁層３３ｂを介してシリコン層３３ｃが配置されてなる三層構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板３３を基板として用いるものとなっており、シリコン酸化膜よりなる絶縁層３３ｂの膜厚は１μｍとされている。
方向変換素子３１はシリコン層３３ｃをエッチングすることによって形成され、この例では実施例１の方向変換素子１１と同様、ライン溝３１ａによって１方向に周期配列構造が形成されている。

この方向変換素子３１はシリコン層３３ｃ上にレジストを塗布してラインアンドスペースのパターニングを行い、レジストをマスクとしてドライエッチングによりシリコン層３３ｃにライン溝３１ａを形成した後、レジストを除去することによって形成され、ライン溝３１ａはこの例ではピッチ０．５８μｍ、幅０．２９μｍ、深さ０．１μｍとされている。
電磁波送受信素子３２−１，３２−２はシリコン層３３ｃ及び絶縁層３３ｂを貫通して設けた穴３４内に位置されてシリコン基板３３ａ上に搭載されており、方向変換素子３１の周期配列方向の両端に、方向変換素子３１を挟んで対向するように位置されている。これら電磁波送受信素子３２−１，３２−２はこの例ではフォトダイオードとされている。
上記のような構成を有する電磁波送受信デバイス３０に実施例１と同様、入射角度θを変化させて、波長１．５μｍの電磁波を入射させ、２つの電磁波送受信素子３２−１，３２−２からの出力を計測した。計測結果は図３とほぼ同様な結果となり、入射角度θに対する電磁波送受信素子３２−１，３２−２の出力比の変化率は９．３７／１度となった。

［比較例１］
電磁波送受信素子を１つしか設けない点を除いて実施例１と同様の構成とした。この電磁波送受信デバイスに実施例１と同様、６０ＧＨｚの電磁波を入射角度θを変化させて入射させて電磁波送受信素子からの出力を計測した。
図６はこの計測結果を示したものであり、出力の入射角度θに対する変化は入射角度θが１０度程度まではほぼ一様な変化を示すが、それより大きい角度では一様な変化を示さないことがわかる。従って、入射角度θを検出することは基本的にできない。なお、入射角度θが０度から１０度までの出力の変化率は０．０３７／１度であった。

［比較例２］
図７は誘電体レンズを用いて構成した電磁波送受信デバイスの従来構成例を示したものであり、ガラス基板４１上にはこの例では３つの電磁波送受信素子４２−１〜４２−３が配置され、それらの上方に位置するように誘電体レンズ４３がスペーサ４４を介してガラス基板４１上に搭載されている。誘電体レンズ４３はアルミナによって構成され、電磁波送受信素子４２−１〜４２−３の上方に、この例では３ｃｍ離間されて配置されている。電磁波送受信素子４２−１〜４２−３はスロットアンテナとされている。

上記のような構成を有する電磁波送受信デバイス４０に実施例１と同様、入射角度θを変化させて６０ＧＨｚの電磁波を入射させ、電磁波送受信素子からの出力を計測した。なお、図７Ａは電磁波４５の入射角度θが０度の場合を示し、図７Ｂは入射角度が傾いている場合を示す。
計測の結果、電磁波送受信素子４２−１と４２−２の出力比の入射角度θに対する変化率は０．２７／１度となった。また、この電磁波送受信デバイス４０の大きさは縦横が１０ｃｍ程度となり、厚さは５ｃｍ程度となった。

上述した実施例１〜３及び比較例１〜２より下記のことがわかる。即ち、
１）比較例１のように電磁波送受信素子を１つしか設けない場合には、電磁波入射角度の高精度な測定は基本的に不可能であるが、実施例１や実施例２のように電磁波送受信素子を複数個設け、さらにそれらを方向変換素子を挟んで対向するように配置し、対向配置された電磁波送受信素子の出力比（信号比）を用いることによって、非常に高精度に電磁波の入射角度を測定することができることがわかる。
２）比較例２の従来構成では電磁波送受信素子の出力比の変化率が小さいため、高精度な角度測定ができず、また電磁波送受信デバイスが大きくなり、特に厚さが著しく大きくなってしまうという問題があるが、実施例１〜３の構成では高精度の角度測定ができ、また小型・薄型な電磁波送受信デバイスを得られることがわかる。
３）実施例１において説明したように、電磁波送受信素子から電磁波を送出することにも用いることができ、その際にも高精度な角度制御ができることがわかる。
４）実施例３に示したように、使用する電磁波の波長や電磁波送受信素子の形態は特に限定されるわけではなく、幅広い波長領域で利用することができることがわかる。

この発明の第１の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図、ＣはＡ，Ｂにおける電磁波送受信素子の斜視図。 図１の電磁波送受信デバイスに対する電磁波の入射角度を説明するための図。 図１の電磁波送受信デバイスにおける電磁波入射角度と２つの電磁波送受信素子の出力比との関係を示すグラフ。 この発明の第２の実施例を示す平面図。 この発明の第３の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 図１の電磁波送受信デバイスにおいて電磁波送受信素子を１つとした時の、その電磁波送受信素子の出力と電磁波入射角度との関係を示すグラフ。 従来の誘電体レンズを用いる電磁波送受信デバイスの構成及び電磁波の入射方向を説明するための図。

Claims (2)

1. 電磁波の進行方向を方向変換させる方向変換素子と、電磁波送受信素子とが基板上に配置されてなり、
   上記方向変換素子は屈折率の異なる材料が上記基板板面と平行方向に周期的に配列された構造とされて、その配列方向両端に上記電磁波送受信素子がそれぞれ位置されていることを特徴とする電磁波送受信デバイス。
2. 請求項１記載の電磁波送受信デバイスにおいて、
   上記方向変換素子は直交２方向に周期配列構造を有するものとされ、それら各方向両端に上記電磁波送受信素子がそれぞれ配置されていることを特徴とする電磁波送受信デバイス。

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