既存のものよりも100倍小さいアンテナを実現できる技術が開発される 53
ストーリー by hylom
もっと小さく 部門より
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現在無線通信で使われているよりも100倍ほど小さいアンテナを実現できる技術が開発された。この技術を応用することで、脳に埋め込むようなデバイスや小型医療機器、アクセサリのように身につけられる超小型ウェアラブルデバイスなどを実現できるという（Nature Asia、Science、Nature誌掲載論文、Slashdot）。
この技術は、光と電波、音波などさまざまな電磁波で発生する相互作用を利用するもの。一般的なアンテナは対象とする電磁波の波長に対応した長さが必要だが、今回開発された技術は「特定の周波数の電磁波と共振する膜」のようなものを利用するもので、振動すると磁化状態が変化する膜を共振によって物理的に振動させ、その磁気変化を検出することで信号を受信するという。
すでにUHFおよびVHF帯での実証も行われており、同サイズの既存のアンテナよりも特性が優れていることが確認できたという。
ざっくりした説明 (スコア:5, 参考になる)
既存のアンテナは導体と電場の共鳴を使っているが，これだと波長の数分の一程度までしか小型化できない（サイズが小さくなると共鳴点から外れ，急激に感度が落ちる）．
一方で，アンテナの小型化への要望は強い．
そのため，「導体と電場の共鳴」という通常の手法とは別のメカニズムによるアンテナの開発が進められている．
その一つの手法として，磁歪（変形させると磁化が変化する．逆に，磁化を変化させると歪む）を示す物質と，ピエゾ素子（電圧をかけると歪む．逆に，歪めると電圧が発生する）を積層したものが最近提唱された．
これは単純に言うと，
放射時：ピエゾ素子に交流電圧をかけ周期的に伸縮させる．すると上に乗っている磁歪材料が周期的に歪み，その結果交流磁場が生じる．
※交流電場が電波を生じ伝播するように，交流磁場も電波を生み伝播できる．
受信時：磁歪素子に電波の交流磁場が印加され，それが磁歪により周期的な歪みを生じる．積層されているピエゾ素子が周期的に歪むことから，電波を電圧変化として取り出せる．
というもの．ただ，力学的な歪みと磁歪との結合は小さいため，これまではせいぜいkHzオーダーだったり準静的な状況での応答しか実現できておらず，実用化の要望の大きいVHFやUHF帯でこの方式による素子が実現可能なのかはよくわかっていなかった．
今回の論文では，ナノサイズの薄膜素子をうまく作り，それを使うことで60 MHz-2.5 GHzの範囲でアンテナとして働く素子群を作成，その動作を実証した．
という感じ．
磁歪材料としては，鉄-ガリウム合金系（ちょっとホウ素入り）を使用．鉄-ガリウム系は20年ぐらい前に米海軍研究所あたりが開発してからちょくちょく使われるようになった素材でしたっけ．
ピエゾ素子としては窒化アルミ．
Si基盤上に電極としてPtを蒸着して，その上にAlNを成膜，必要な形状にエッチングしたのち上に鉄ガリウム合金をのせ，最後にPtの下を削って浮いたナノ薄膜にする（もちろん完全に浮いているわけでは無く，端が2箇所で細く繋がってますが）．
磁歪材料とピエゾ素子がきれいに繋がってないといけないのと，きちっとした薄膜構造を作る必要があるので，その辺の材料選定がうまくいった，という感じなのでしょうか．
なお，共鳴周波数は薄膜部の厚さや形状を変えてどんな音響振動モードで共鳴させるかで変わるので，その辺は普通のアンテナと似た感じ（もちろんサイズは小さい）．
Re:ざっくりした説明 (スコア:1)
なるほど。MEMSカンチレバーを利用したいわば電磁音響力学アンテナっていうところか。
なんか昔のコヒーラー検波器みたいなのを想像してた。
応用としてはメタマテリアルの実現が妥当か。
Re:ざっくりした説明 (スコア:1)
もう一つ追加。60MHz付近ということでMRI用のRFアンテナなんかも有望か。
Re: (スコア:0)
電磁場の変化→材料の変形→電磁場の変化
という耳音響放射みたいな性質を利用すると
電子だけが共振する場合より
共振するものが低速で重いので
同等の共振周波数なら小型になるってこと？
Re:ざっくりした説明 (スコア:1)
電磁波 ＞ 音響振動 ＞ 電磁波という流れは例えばSAWフィルタなんかではおなじみのものだったけど、
点電荷をいくら激しく振動させても強い電波は出ないのでアンテナにはなりえない、…と思っていた。
軽い電子ではなく例えば鉄の音叉のような重い磁性体を振動させてもアンテナとしては成立しうるというのはまさに盲点だった。しかもピエゾ素子よりも磁歪素子の方が電磁波に対して敏感だったことを忘れていた。
まあ、アンテナ単体としては送信できる出力に限度はあるだろうが、受信用として割り切れば今後も色々な可能性がありうる。
Re:ざっくりした説明 (スコア:1)
あれか、ポアンカレ予想をトポロジーじゃなく微分幾何学のアプローチで解いた [wikipedia.org]というヤツか!
専門的なアレを追究したのではなく別分野の力で解いたという感じで、詳しくはわかりません(えーw
Re: (スコア:0)
感度を落とさずに波長の数分の一以下の効率的なアンテナを作れるというのなら、ぜひダイポール比のゲインを公表してもらいたいものだ
＃実は既存の小型アンテナよりも少し特性が良い程度というオチがついても驚かない
Re:ざっくりした説明 (スコア:1)
2.5 GHz用のやつ（直径200 μm）で今回作成したものが-18 dBiなのに対し、同サイズのループアンテナだと-68 dBiだから、このスケールでアンテナ作ろうとすれば50 dB違うよ、だって。
まあこんだけ波長とサイズが違ってれば（何せサイズが波長の1/600ぐらい）、古典的なアンテナの感度はとんでもなく低くなるしね。
Re: (スコア:0)
同サイズ古典アンテナよりは高感度でも限度があるし、MEMSレベルのサイズなら一つの素子内に複数のアンテナ入れたパッケージにしてダイバーシティ技術なんかと複合させるとかがデフォルトになるのかな。
波長以下サイズをみっしり並べてフェイズドアレイとかしたらどうなるんだろう…
Re: (スコア:0)
RFをキャパシタで受けて、電極の振動をレーザーで読み取るという方法はかなり前から研究されていたんだけど、磁場の変化を受けて圧電素子で変換したわけか。
なーるほど。
ひとしきり、アマチュアが使える手法か考えたけど、無理みたいだ。
はやく素子にして売ってくれ！
100倍小さい (スコア:1)
「1/100に縮小」という意味でしょうけど。
タレコミがそうなってたのでhylom様の文責ではなさそう。
リンク先でも
ってなってるし。
電磁波の波長と周波数の関係は確か
波長(km) = 300000(位相速度？) /周波数(Hz)
だっけ。
#そして、波数は波長の逆数。
どっちも同じ現象に対する違う表現と言うか単位のような気がするけど、なんだかよくわからない。
Re:100倍小さい (スコア:2)
音叉の共鳴のようなものと考えれば分かりやすいんじゃないかな。
440Hzの音は、おおよそ80cm。その1/4波長な20cmの閉館気柱や、1/2波長な開管気柱で共鳴させることができます。空気の振動である音を、空気の振動として共鳴させるので、その波長に依存したサイズの「受信部」になるわけです。
一方、音叉を使えば、数cmサイズの音叉で440Hzに共鳴させられます。金属内の音速は遙かに速いので、空気中での波長に依存せず「440Hz」に対応した音叉で共鳴させられるわけです。
300MHzの電磁波は、その波長が1mになります。従来のアンテナは、電線中の電気の伝達を電磁波と共振させるものですが、その伝達速度はほぼ光速と同じなため、1/2波長や1/4波長とほぼ同じ、25cmとか50cmというサイズのアンテナになります。
一方、今回の研究は、「その波長よりもはるかに小さいサイズで、300MHzの振動に共振する薄膜を作成した」というものですね。
Re: (スコア:0)
>一方、音叉を使えば、数cmサイズの音叉で440Hzに共鳴させられます。金属内の音速は遙かに速いので、
>空気中での波長に依存せず「440Hz」に対応した音叉で共鳴させられるわけです。
昔、幾つかの金属（素材が判らなかったので、鉄と似てそうなその他金属）内での音速を使って、
440Hz音叉の腕の長さとか測って計算したことがあるんだけど、腕の長さと波長（周波数）の関係が
どうしても合わせられなかった記憶があります。
どうしても合わなかったんで勝手に想像したんだけど、
440Hz音叉の形状は腕が2本あるわけだけど、振動が2本の腕を交互に移動
Re: (スコア:0)
リコーダーは開口端補正があるからでしょ。
Re: (スコア:0)
開口端補正はやったような気がする
計算した時のノートが手元に無いので
「気がする」で申し訳ないが…
Re: (スコア:0)
音叉の振動は金属棒が曲がる向きの振動なので質量分布の影響を受けて、縦波の速度と棒の長さだけでは決まらないのでは？
Re: (スコア:0)
音叉って、直線のものですか？U字のものですか？
U字だとたぶん手計算では計算できないと思います。
ANSYS等のFEMシミュレータで計算すれば、割と合うと思います。
また、音叉の製造方法にも依存します。
内部応力が残ってると合わないので、正確に合わせようと思ったら、バルクから削り出して作る必要があります。
Re: (スコア:0)
＞内部応力が残ってると合わないので、正確に合わせようと思ったら、バルクから削り出して作る必要があります。
歪取焼鈍じゃだめなん？
Re: (スコア:0)
音叉って、ワザと応力を残すために曲げてるのかと思ってたんだけど。
Re:100倍小さい (スコア:1)
波長より短いアンテナは、コイルで短縮す例があるじゃない。
元々、アンテナは電気的に共振させる為に短縮率が掛かってるから、空間中の波長とは既に一致してない。
で、電場じゃなく磁場を取り込む方向に代えて成功した例に、フェライトバーアンテナってのが有る。
コイルは電気的共振で磁気変動を取り込むセンサと化し、フェライトが磁束を吸い込む効果で磁気的な大きさを確保する構造。
でも、外部に外形の大きな共振型ループアンテナを置けば感度が向上するから、フェライトの磁気吸引距離が十分では無いって事もも例示してる。
バーアンテナは磁気的には共振の無い全波長型だけど、今回のは磁気的にも共振する構造ってのが目新しいのかな？
それとも、フェライトバーアンテナみたいなのをGHz帯域で実現しましたって事なのかは良く分からん。
-- Buy It When You Found It --
Re:100倍小さい (スコア:1)
音波だと
波長(km) = 0.34029(海面での音速)/周波数(Hz)
と考えられるので電磁波と同じ周波数で振動できればその波長は凄く短くできるという理屈？
Re: (スコア:0)
音速は音速でも固体の音速でしょう。
Re: (スコア:0)
同感。
＞特定の波長ではなく、特定の周波数の電磁波と共振する膜
特定の波長は特定の周波数と同等なので、違和感あります。トンデモ科学っぽい。
Re: (スコア:0)
速度が一定なら波長と周波数は同等だけど、速度が変化するなら異なりますよ？
あとは長さを見るのか時間を見るのかでも異なりますし。
Re: (スコア:0)
高校レベルの知識だけども、電磁波なんだから速度は光速で一定なんじゃないの？
Re: (スコア:0)
高校レベルの知識だけども、電磁波なんだから速度は光速で一定なんじゃないの？
光速は媒質によって変わりますよ？
Re: (スコア:0)
電磁波を機械振動に置き換えて共振させるので、考慮するのは光速ではなく音速になります。
Re: (スコア:0)
光速だって媒体に依るだろ？
Re: (スコア:0)
真空で重力の影響を受けないときですよね？
水中やガラスは遅くなりますよ。光の屈折は中学校レベルですけど。
Re:100倍小さい (スコア:1)
誘電率で変わるんだっけ
Re:100倍小さい (スコア:2)
誘電率と透磁率の積∝光速度の二乗
強誘電体なんてのはちょこちょこあるけど強磁性体はそんなにないというのもあるかな
Re: (スコア:0)
「真空中の」光速とあるように媒質によって光の速さも変わる。
Re: (スコア:0)
元コメが言ってることを分かりやすく言うと、音叉は磁石で作るんだよ。
この音叉が単振動すると、その振動数の電磁波が出る。特定の振動数の電磁波で音叉が震える。つまり、媒質がどうのじゃなくて、音の振動数と光の振動数を一致させるわけだから、理論的な波長は音速/光速になる。まあ、石の音速が10km/sくらいだと考えると、長さは3万分の1でいい。
Re: (スコア:0)
ネタ元の一つは英文で"100 times smaller"って書いているので、直訳すると「100倍小さい」のかもしれない。
でも英語で良くても日本語じゃ変だよね。
Re:100倍小さい (スコア:1)
もしかしたら、いわゆる直訳か機械翻訳なのかもしれませんね。
Re: (スコア:0)
でも、1/100倍小さいだと、なんか違和感
1/100に縮小だと違和感感じない
Re: (スコア:0)
強磁性層の磁化が電磁波の周波数に対して共振するということを言いたいんでしょう
波長に対しての共振ではないのでアンテナの物理的サイズを小さく出来ますよという主張
Re: (スコア:0)
周波数と波長は逆数の関係にあるのに、周波数限定の関係で波長は無関係とは是如何に
Re: (スコア:0)
通常のアンテナが波長と関係するのは、導体の物理的長さと、そこを流れる高周波電流の波長が関係するから
今回のはアンテナの動作原理として、高周波電流の共振を利用しない＝波長とは関係ない
言葉遊びみたいだけど、伝播する波の周波数というより物理的振動数っていうことなのでは
衝撃の事実 (スコア:0)
音波は電磁波だった!
Re:衝撃の事実 (スコア:2)
3度読んでしまいました
Re: (スコア:0)
これって、応用で例えばHF帯のアンテナを小型化してアパマンHam用のベランダアンテナとか、VLF帯で潜水艦に搭載とか出来ないかな・・・
（無理）
Re: (スコア:0)
これって（中略）、VLF帯で潜水艦に搭載とか出来ないかな・・・
（無理）
潜水艦が使うVLF帯通信ならどうせ受信専用なのだから、既存技術のバーアンテナで済むだろ。フェライト等が巨大過ぎて、今では省略することも多いMADには捕まり易いかもしれんが。
# 通らばリーチ、根拠無し。
こういう今までとは桁が違うほど画期的な発見って (スコア:0)
突然でてきて世界を塗り替えるかと思いきやその後の続報がまったく無いよね
Re: (スコア:0)
そうそう！
そんなにいいものなら発表なんかしないでさっさと商用化してがっぽり儲ければいいのに。
でも、そうしないのはなぜ？
って考えていくと、やっぱり口に出せない障壁があるんだろうなぁ。でも、結果を出したということは世間に認めてもらいたい。
って葛藤なのかな？
Re:こういう今までとは桁が違うほど画期的な発見って (スコア:1)
(アカデミックの)研究者はどっちかっていうと新しい何かを考案したり作ったりするのがお仕事。
なので必ずしも商品化や実用化を目指すわけじゃないし、実用化を考えていないことも多い。
「商品化前になんで発表するの？」と言うより、「商品化したいなら誰かやれば？」とかそういうスタンス。
でまあ一般的に、何かの商品化には品質のコントロールやらコストの問題やら色々あるので、何でもかんでも商品化できるとは限らない。
流れとしては、研究者が手当たり次第に色々思いつき&実証して発表 → そのうちの一部に企業等が目をつけ実用化にトライ → そのうちの一部が実用化可能に、となる。だから発表の中で実用化されるのはごく一部だし、実用化までに何年とか何十年とかかかるものも多い。
もちろん実用化まで自分でやるアカデミックの研究者もないわけではないけど、非常に少数。
それは (スコア:0)
>そんなにいいものなら発表なんかしないでさっさと商用化してがっぽり儲ければいいのに。
単純に、「イノベーティブな物であれば何故か経済的にもペイすると思い込んでいるから」だね。
「技術的に可能」ってのと「経済的に高効率」ってのは意外と違ったりするよ。
せめてコストの壁を破らないと、ニッチな市場にすらなかなか使われるものでは無かったり。
でもまあ、これは他では出来ない分野に使えそうだから、コスト度外視でも使う所も出易い事例では無いかと思うので、暫く見て居れば出て来るのではないかな。
Re: (スコア:0)
先端すぎる発見は安定して動かないんだよ。それが「実験室レベル」ってやつ。
風が吹いたら壊れるとか、三日で蒸発するとか、100個作って1個しか動かないとか、まだまだ不都合が一杯ある。最初のリチウム二次電池は1970年代には発明されてる。
でも、携帯電話に入れても爆発炎上する事故を起こさず、数千円で買え、年間何万個と作れる現代のリチウムイオン二次電池になるまでには30年以上かかってる。
この研究もその類で、あと10～15年くらいしたら「最初のピエゾ積層アンテナ応用機器」が出てくるかもしれない。
じゃあ10年かけて完成してから発表すべきかっていうとそれはカネが続かないんで、一番重要な原理だけ示して後進に任せる。それが「基礎研究」で、社会に近づけていくのが応用研究。
応用研究はより早くカネになるし重要性は同じくらいあるけど、ネタとしてはある程度誰が見ても分かる訳だから面白味は薄いし、塗り替え方は弱い。
スプリアスが出そうな気がする (スコア:0)
一旦、機械振動を経由すると、その「経由」に非線形な伝達があった場合、
不要輻射が発生すると思います。
もう、空間に出てしまったあとではフィルタもできないし、対策は
難しそう・・・
Re:スプリアスが出そうな気がする (スコア:1)
小さな素子１コだけで何とかしようとするから、厳密に作りこむ必要がでてくるんでしょ？
なら、ちんこい素子には小さい電力しか与えんとも良いから大量に平面に並べてフェイズドアレイアンテナを作らせれば、ほぼ狙った方向にしか電波が飛ばなくなるので多少の振動のズレも気にならなくなるのではないかなーと思う。
…まあ、妄想レベルだけど。