2024-70621 メタマテリアル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024070621

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】メタマテリアル

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/14 20060101AFI20240516BHJP

   H01P 1/00 20060101ALI20240516BHJP

【ＦＩ】

H01Q15/14 Z

H01P1/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022181236

(22)【出願日】2022-11-11

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】雨宮 智宏

(72)【発明者】

【氏名】高木 茉佑

【テーマコード（参考）】

5J011

5J020

【Ｆターム（参考）】

5J011CA00

5J020AA04

5J020BA02

5J020BA04

(57)【要約】

【課題】透磁率と誘電率を独立に制御可能なメタマテリアルを提供する。
【解決手段】メタマテリアル２００は、空間的に分布して配置される複数の共振器構造体１００を備える。共振器構造体１００は、ピラー状の第１要素１１０と、第１要素１１０を取り囲む周回構造を有する第２要素１２０を含む。複数の共振器構造体１００それぞれにおいて、第１要素１１０のサイズと第２要素１２０のサイズが独立して設計される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空間的に分布して配置される複数の共振器構造体を備え、
前記共振器構造体は、
ピラー状の第１要素と、
前記第１要素を取り囲む周回構造を有する第２要素と、
含み、
前記複数の共振器構造体それぞれにおいて、前記第１要素のサイズと前記第２要素のサイズが独立して設計されることを特徴とするメタマテリアル。

【請求項2】

前記第１要素のサイズは、前記第１要素の高さであることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル。

【請求項3】

前記第２要素のサイズは、前記第２要素の周長であることを特徴とする請求項１または２に記載のメタマテリアル。

【請求項4】

前記第２要素は、井桁構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載のメタマテリアル。

【請求項5】

前記複数の共振器構造体は、１枚のシート上に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のメタマテリアル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、メタマテリアルに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自然界に存在しない物質の特性を示すメタマテリアルに注目が集まっている。物質の電磁気学的な性質は、誘電率εと透磁率μの組み合わせによって規定される。代表的なものとしては、負の透磁率と負の誘電率を実現すると、負の屈折率を実現できることが知られている。メタマテリアルは、光学迷彩などの用途が期待されている。

【0003】

メタマテリアルは、対象とする波長よりも小さい構造（メタ原子という）によって、透磁率および誘電率を制御することで実現される。透磁率μの制御のために、メタ原子として、分割リング共振器（SRR:Split Ring Resonator）が利用される。ＳＲＲは、金属のリングに、ギャップを形成したものであり、ギャップ部分が容量Ｃ、金属部分がインダクタンスＬとなり、ＬＣ共振器を形成している。このＳＲＲを、入射電磁場の磁場が貫くと、電磁誘導により起電力が生じて、電流が流れ、この電流が磁気モーメントを生じさせる。このようにしてＳＲＲは、磁気的な応答を示す。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－０７２５３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来のメタマテリアルでは、共振器構造体の透磁率と誘電率の一方のみを制御するものであったため、光の直交する２つの偏波のうち、一方のみの屈折率分布しか制御できかった。そのため、メタマテリアルを光学迷彩（透明マント）に利用する場合、透過率が低下するという問題があった。

【0006】

本開示はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、透磁率と誘電率を独立に制御可能なメタマテリアルの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある態様は、メタマテリアルに関する。メタマテリアルは、空間的に分布して配置される複数の共振器構造体を備える。共振器構造体は、ピラー状の第１要素と、第１要素を取り囲む周回構造を有する第２要素と、含む。複数の共振器構造体それぞれにおいて、第１要素のサイズと第２要素のサイズが独立して設計される。

【発明の効果】

【0008】

本開示のある態様によれば、透磁率と誘電率を独立に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るメタマテリアルの構造を示す斜視図である。

【図2】実施形態に係る共振器構造体の斜視図である。

【図3】第１要素の設計パラメータを説明する図である。

【図4】第１要素を単独で配置したときの誘電率ε_ｒのシミュレーション結果を示す図である。

【図5】第１要素の高さｈと誘電率ε_ｒの関係を示す図である。

【図6】第２要素の設計パラメータを説明する図である。

【図7】第２要素を単独で配置したときの透磁率μ_ｒのシミュレーション結果を示す図である。

【図8】第２要素の長さａと透磁率μ_ｒの関係を示す図である。

【図9】第１要素の設計パラメータｈに加えて、第２要素の設計パラメータａを同時に変化させたときの誘電率ε_ｒを示す図である。

【図10】図５のプロットに、図９の誘電率ε_ｒを重ねてプロットした図である。

【図11】第２要素の設計パラメータａに加えて、第１要素の設計パラメータｈを同時に変化させたときの透磁率μ_ｒを示す図である。

【図12】図８のプロットに、図１１の透磁率μ_ｒを重ねてプロットした図である。

【図13】一実施例に係るメタマテリアルシートを示す図である。

【図14】図１３のメタマテリアルシートの使用形態を説明する図である。

【図15】偏光に依存しない光学迷彩を実現するためのパラメータｈの分布を示す図である。

【図16】光学迷彩を実現するためのパラメータａの分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0011】

一実施形態に係るメタマテリアルは、空間的に分布して配置される複数の共振器構造体を備える。共振器構造体は、ピラー状の第１要素と、第１要素を取り囲む周回構造を有する第２要素と、含む。複数の共振器構造体それぞれにおいて、第１要素のサイズと第２要素のサイズが独立して設計される。

【0012】

この構成によると、共振器構造体ごとに、第１要素のサイズに応じて誘電率を制御し、第２要素のサイズに応じて透磁率を制御することができ、誘電率と透磁率について独立した空間分布を形成することができる。

【0013】

一実施形態において、第１要素のサイズは、第１要素の高さであってもよい。第１要素の断面の大きさは一定としつつ、高さを変化させることで、誘電率を簡易に制御することができる。

【0014】

一実施形態において、第２要素のサイズは、第２要素の周長であってもよい。第２要素の周方向に垂直な断面の大きさは一定としつつ、周方向の長さを変化させることで、透磁率を簡易に制御することができる。

【0015】

一実施形態において、第２要素は、井桁構造を有してもよい。

【0016】

一実施形態において、複数の共振器構造体は、１枚のシート上に形成されてもよい。このシートを、物体に何重にも巻き付けることにより、物体の表面に、複数の共振器構造体が３次元的に分布し、誘電率と透磁率の独立した分布が形成される。これにより直交する２つの偏光成分の両方を利用した透過率の高い光学迷彩を実現できる。

【0017】

（実施形態）
以下、実施形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

【0018】

以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。

【0019】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0020】

図１は、実施形態に係るメタマテリアル２００の構造を示す斜視図である。メタマテリアル２００は、空間中に三次元（あるいは二次元）に分布する複数のメタ原子２０２を備える。各メタ原子２０２は、透磁率μおよび誘電率εを制御可能であり、したがって屈折率を制御することができる。メタ原子２０２は、後述する共振器構造体１００で構成される。メタ原子２０２の集合体であるメタマテリアル２００は、任意の屈折率の空間分布を持つ。たとえばメタマテリアル２００によって空間中に負の屈折率分布を形成することで、光学迷彩やその他の光学素子を実現できる。

【0021】

図２は、実施形態に係る共振器構造体１００の斜視図である。この共振器構造体１００は、図１に示したように、メタマテリアル２００のメタ原子２０２として利用され、誘電率εと透磁率μが制御可能である。

【0022】

共振器構造体１００は、第１要素１１０および第２要素１２０を備える。第１要素１１０はピラー形状を有している。この例では第１要素１１０は四角柱であるが、円柱や多角柱であってもよい。第１要素１１０を、インナーバーとも称する。

【0023】

第２要素１２０は、第１要素１１０を取り囲む周回構造を有する。第２要素１２０をアウターリングとも称する。第１要素１１０は、等価回路で見たときに周方向に直列に接続されるインダクタとキャパシタを含む共振回路となるように構成される。本実施形態において、第１要素１１０は、井桁構造を有しており、第１方向に平行に伸びる第１配線対１２２と、第２方向に平行に伸びる第２配線対１２４と、を含み、第１配線対１２２と第２配線対１２４は異なる高さに形成される。

【0024】

共振器構造体１００は、第１要素１１０のサイズと、第２要素１２０のサイズが設計パラメータであり、それらの組み合わせによって、誘電率εと透磁率μが制御される。

【0025】

続いて、設計パラメータについて説明する。

【0026】

図３は、第１要素１１０の設計パラメータを説明する図である。この例において第１要素１１０は四角柱であり、そのサイズは、高さｈ、断面の矩形の寸法ｗ_１，ｄ_１で規定され、これらの任意のひとつまたは複数を、誘電率制御のための設計パラメータとすることができる。ただし設計パラメータの個数を増やすと、組み合わせが指数関数的に増加するため、設計パラメータは少ないことが好ましい。そこで、ｗ_１，ｄ_１は固定し、高さｈを設計パラメータとするとよい。

【0027】

図４は、第１要素１１０を単独で配置したときの誘電率ε_ｒのシミュレーション結果を示す図である。ここでは、ｗ_１＝ｄ_１＝１０ｎｍに固定し、高さｈを設計パラメータに選び、高さｈを１００ｎｍ～１７０ｎｍの範囲で１０ｎｍ刻みで変化させて、誘電率ε_ｒの変化を調べた。

【0028】

図５は、第１要素１１０の高さｈと誘電率ε_ｒの関係を示す図である。第１要素１１０の高さｈを制御パラメータとすることで、誘電率ε_ｒを０～１．４に渡る広い範囲において制御できる。

【0029】

図６は、第２要素１２０の設計パラメータを説明する図である。この第２要素１２０は、第１配線対１２２に関して、配線の断面サイズｄ_１，ｗ_１、２本の配線間の距離ａ_１を設計パラメータとして選ぶことができる。また第２配線対１２４に関して、配線の断面サイズｄ_２，ｗ_２、２本の配線間の距離ａ_２を設計パラメータとして選ぶことができる。さらに第１配線対１２２と第２配線対１２４の高さ方向の距離ｂを設計パラメータとして選ぶことができる。

【0030】

なお、第１配線対１２２の配線長ｌ_１と、第２配線対１２４の配線長ｌ_２も設計パラメータとして捉えることができるが、ｌ_２＝ａ_１＋２×ｄ_１、ｌ_１＝ａ_２＋２×ｄ_２であることから、ｌ_１，ｌ_２は従属的な設計パラメータであると言える。

【0031】

第２要素１２０についても設計パラメータの個数を増やすと、組み合わせが指数関数的に増加するため、設計パラメータは少ないことが好ましい。そこで、ｗ_１，ｄ_１,ｗ_２，ｄ_２，ｂは固定し、ａ_１＝ａ_２＝ａという制約条件のもと、ａを設計パラメータとするとよい。長さａを変化させることは、第２要素１２０の周長を変化させることに他ならない。

【0032】

図７は、第２要素１２０を単独で配置したときの透磁率μ_ｒのシミュレーション結果を示す図である。ここでは、ｗ_１＝ｗ_２＝３０ｎｍ、ｄ_１＝ｄ_２＝３０ｎｍ、ｂ＝６０ｎｍに固定し、長さａを設計パラメータに選び、長さａを５０ｎｍ～９０ｎｍの範囲で５ｎｍ刻みで変化させて、透磁率μ_ｒの変化を調べた。４１０．１ＴＨｚの光の振動数において、透磁率μ_ｒは、０．０５～０．４４の範囲で変化させることができることが分かる。なお透磁率μ_ｒを負の領域で設計すると、負の屈折率を得ることができる。

【0033】

図８は、第２要素１２０の長さａと透磁率μ_ｒの関係を示す図である。第２要素１２０の配線要素の長さａ（つまり周長）を制御パラメータとすることで、透磁率μ_ｒを０．０５～０．４２に渡る広い範囲において制御できる。

【0034】

これまでは、第１要素１１０と第２要素１２０それぞれの個別の特性について検討した。第１要素１１０と第２要素１２０を組み合わせて使用する場合、それらは空間的に近接するため、相互作用する。そのため、第１要素１１０単体で誘電率ε_ｒが制御でき、あるいは第２要素１２０単体で透磁率μ_ｒが制御できたからといって、それらの組み合わせにおいて、誘電率ε_ｒと透磁率μ_ｒが独立に制御できるとは限らない。そこでこの懸念についてシミュレーションにより確認した。

【0035】

図９は、第１要素１１０の設計パラメータｈに加えて、第２要素１２０の設計パラメータａを同時に変化させたときの誘電率ε_ｒを示す図である。図１０は、図５のプロットに、図９の誘電率ε_ｒを重ねてプロットした図である。図１０から分かるように、誘電率ε_ｒは、設計パラメータａの影響はほとんど受けずに、本来の設計パラメータであるｈによって決まることが分かる。

【0036】

図１１は、第２要素１２０の設計パラメータａに加えて、第１要素１１０の設計パラメータｈを同時に変化させたときの透磁率μ_ｒを示す図である。図１２は、図８のプロットに、図１１の透磁率μ_ｒを重ねてプロットした図である。図１２から分かるように、透磁率μ_ｒは、設計パラメータｈの影響はほとんど受けずに、本来の設計パラメータであるａによって決まることが分かる。

【0037】

図１０、図１２から分かるように、図２の共振器構造体１００では、第１要素１１０の高さｈによって誘電率ε_ｒを制御でき、第２要素１２０の長さａによって、透磁率μ_ｒを制御できる。つまり、誘電率ε_ｒと透磁率μ_ｒを独立に制御できることが分かる。

【0038】

図１３は、一実施例に係るメタマテリアルシート３００を示す図である。このメタマテリアルシート３００は、複数の共振器構造体１００を、１枚のシート状のフィルム３０２上に形成したものである。

【0039】

図１４は、図１３のメタマテリアルシート３００の使用形態を説明する図である。メタマテリアルシート３００は、物体ＯＢＪに巻き付けて使用される。メタマテリアルシート３００は光学迷彩あるいは透明マントであり、物体ＯＢＪに向かう光を、物体ＯＢＪの表面のメタマテリアルシート３００に沿って導波させ、物体ＯＢＪの反対側から放出する。これにより、人間の目には、物体ＯＢＪが存在しないかのように見える。

【0040】

図１５は、偏光に依存しない光学迷彩を実現するためのパラメータｈの分布を示す図である。横軸は、図１３のフィルムの長さ方向の位置に対応する。図１６は、光学迷彩を実現するためのパラメータａの分布を示す図である。横軸は、図１３のフィルムの長さ方向の位置に対応する。フィルム３０２の厚さは７２５ｎｍとし、巻数を６８、物体ＯＢＪの直径を５０μｍ、透過波長を４１０ＴＨｚとして計算している。パラメータｈ，ａは、互いに直交する２つの偏光成分の両方について、光学迷彩の条件を満たしていることに留意されたい。

【0041】

このように、本実施形態では、２つの設計パラメータａとｈのシートの長さ方向に対する分布を最適化することにより、光学迷彩を実現することができる。この光学迷彩は、直交する２つの偏光成分について、光を透過させる偏光無依存型である。従来技術では、１つの偏光成分についてのみ、光学迷彩の条件が成立していたが、本実施形態では、２つの偏光成分について光学迷彩の条件を成立させることができるため、透過率を高めることができる。

【0042】

（変形例１）
実施形態では、第１要素１１０について高さｈのみを、第２要素１２０について長さａのみを設計パラメータとしたが、本開示はそれに限定されず、その他の寸法を設計パラメータとして用いてもよい。

【0043】

（変形例２）
実施形態では、第２要素１２０について井桁型の共振器を説明したがそれに限定されない。たとえば第２要素１２０としては、Ｃ字型の共振器構造を採用してもよい。

【符号の説明】

【0044】

１００ 共振器構造体
１１０ 第１要素
１２０ 第２要素
１２２ 第１配線対
１２４ 第２配線対
２００ メタマテリアル
２０２ メタ原子
３００ メタマテリアルシート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】