JP2006114489A - Dielectric meta-material and magnetic substance meta-material - Google Patents

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齊 大里
Georgios Zouganelis
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material with electric characteristics such as magnetic characteristics and dielectric characteristics marvelously heightened. <P>SOLUTION: The complex material (the meta-material) is formed by periodically arranging magnetic substances or dielectrics. Soft material is used for their bonding. The shapes of the magnetic substance and the dielectric substance is cuboid or pseudo-cuboid formed by slightly deforming the cuboid, and the meta-material is aggregation of the cuboid-shaped substance or the pseudo-cuboid-shaped substance, or combination thereof. The meta-material is formed by periodically arranged them in three dimension, and bonded to each other by the soft material. By arranging these materials periodically (in one to three dimensions), the materials with higher dielectric and magnetic characteristics than the original material can be provided. Barium titanate(BaTiO<SB>3</SB>), forsterite, willemite or the like is utilized for the dielectric which can obtain a dielectric constant several times larger than that of original material. As for the magnetic substances, strong magnetic characteristics, stronger than that of Fe<SB>14</SB>Nd<SB>2</SB>B, can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、誘電体材料または磁性体材料を用いたメタマテリアルに関するものである。   The present invention relates to a metamaterial using a dielectric material or a magnetic material.

従来、現存する最大の誘電率を持つ誘電体材料としてチタン酸バリウム（BaTiO3）が知られている。また、現存する最大の磁性を持つ強磁性材料としてネオジ鉄ボロン（Fe14Nd2B）化合物が知られている。 Conventionally, barium titanate (BaTiO 3 ) is known as an existing dielectric material having the maximum dielectric constant. In addition, neodiiron boron (Fe 14 Nd 2 B) compound is known as a ferromagnetic material having the largest existing magnetism.

誘電体材料であるチタン酸バリウム（BaTiO3）は、その強誘電性によりコンデンサの材料として実用に共されている。この他に誘電体材料としてチタン酸ストロンチウム、フォルステライト、ウイルマイトがあり、共振器、アンテナ等の無線通信の分野において実用に共されている。 Barium titanate (BaTiO 3 ), which is a dielectric material, is practically used as a capacitor material due to its ferroelectricity. In addition, there are strontium titanate, forsterite, and wilmite as dielectric materials, which are practically used in the field of wireless communication such as resonators and antennas.

一方、強磁性材料であるネオジ鉄ボロン（Fe14Nd2B）化合物は、結晶電場異方性（CEF）および形状異方性を備えるため、大きな磁性特性を持っている。また、同じく強磁性材料である鉄は、粒子形状異方性が強いため大きな磁性特性をもっている。これらは、モータや磁気記録用の材料として実用に共されている。 On the other hand, neodiiron boron (Fe 14 Nd 2 B) compound, which is a ferromagnetic material, has large magnetic properties because it has crystal electric field anisotropy (CEF) and shape anisotropy. Iron, which is also a ferromagnetic material, has a large magnetic property because of its strong particle shape anisotropy. These are practically used as materials for motors and magnetic recording.

なお、強磁性体および強誘電体を使用したメモリ素子材料の例として、特許文献１に示されるものがある。
特開２００２−１１８２３７公報 An example of a memory element material using a ferromagnetic material and a ferroelectric material is disclosed in Patent Document 1.
JP 2002-118237 A

上記の誘電体材料や磁性体材料の誘電率や透磁率（磁性特性）をさらに増大できれば、より高性能で小型化可能なコンデンサ、共振器、アンテナ、モータ及び磁気記録用の材料等が実現可能である。   If the dielectric constant and magnetic permeability (magnetic properties) of the above dielectric materials and magnetic materials can be further increased, it is possible to realize capacitors, resonators, antennas, motors, magnetic recording materials, and the like with higher performance and smaller size. It is.

本発明者らは、この改善を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、現存する誘電体材料や磁性体材料により形成された単位構造を周期的に配列することにより、誘電率や透磁率を、素材である誘電体材料や磁性体材料がもともと備える誘電率や透磁率と比較して劇的に増大できることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve this improvement, the present inventors periodically arranged unit structures formed by existing dielectric materials and magnetic materials, thereby permitting dielectric constant and permeability to be obtained. It has been found that the dielectric material and magnetic material, which are raw materials, can be dramatically increased compared to the dielectric constant and magnetic permeability originally provided.

すなわち、上記の課題を解決するための第１の発明は、誘電体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルで結合された誘電体メタマテリアルである。   That is, a first invention for solving the above-described problem is a dielectric in which a plurality of unit structures formed of a dielectric material are periodically arranged and the unit structures are coupled to each other by a soft material. Metamaterial.

また、第２の発明は、磁性体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルで結合された磁性体メタマテリアルである。   The second invention is a magnetic metamaterial in which a plurality of unit structures formed of a magnetic material are periodically arranged and the unit structures are bonded to each other with a soft material.

ここで、「周期的に配列」とは、特定の周期性をもって配列されていれば配列の態様はどのようであっても良く、例えば単位構造の複数個が、一直線上に並んだ１次元周期構造であってもよく、正方格子構造・三角格子構造等のように二次元的に規則的に配列する２次元周期構造であってもよく、面心立方格子構造・体心立方格子構造・単純立方格子構造等のように３次元的に規則的に配列する３次元周期構造であってもよい。   Here, “periodically arranged” may be any arrangement as long as it is arranged with a specific periodicity. For example, a one-dimensional period in which a plurality of unit structures are arranged in a straight line. The structure may be a two-dimensional periodic structure such as a square lattice structure, a triangular lattice structure, or the like, a face-centered cubic lattice structure, a body-centered cubic lattice structure, or a simple structure. It may be a three-dimensional periodic structure that is regularly arranged three-dimensionally, such as a cubic lattice structure.

本発明によれば、誘電体材料により形成された単位構造の複数を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合して誘電体メタマテリアルとすることにより、誘電特性を、素材である誘電体材料がもともと有する特性と比較して飛躍的に向上させることができる。   According to the present invention, a plurality of unit structures formed of a dielectric material are periodically arranged and combined with a soft material to form a dielectric metamaterial. Compared with the inherent characteristics, it can be dramatically improved.

また、磁性体材料により形成された単位構造の複数を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合して磁性体メタマテリアルとすることにより、磁性特性を、素材である磁性体材料がもともと有する特性と比較して飛躍的に向上させることができる。磁性体材料を周期的に配列させることにより、磁束密度Ｂは、特に低周波領域において増大する。特に、磁性体材料としてネオジ鉄ボロン（Fe14Nd2B）を使用した場合、磁性体メタマテリアルは、素材であるネオジ鉄ボロンがもともと有する透磁率と比較して驚異的に大きくなる。 In addition, by periodically arranging a plurality of unit structures formed of magnetic material and combining them with a soft material to form a magnetic metamaterial, the magnetic properties are the same as those inherent in the magnetic material that is the material. Compared to this, it can be improved dramatically. By arranging the magnetic material periodically, the magnetic flux density B increases particularly in the low frequency region. In particular, when neodiiron boron (Fe 14 Nd 2 B) is used as the magnetic material, the magnetic metamaterial is surprisingly larger than the magnetic permeability inherent in the neodiiron boron that is the material.

このような誘電体メタマテリアル・磁性体メタマテリアルは、高性能で小型化可能なコンデンサ、共振器、アンテナ、モータ及び磁気記録用材料等の材料として利用可能である。   Such a dielectric metamaterial / magnetic metamaterial can be used as a material such as a capacitor, a resonator, an antenna, a motor, and a magnetic recording material that can be miniaturized with high performance.

本発明の誘電体メタマテリアルまたは磁性体メタマテリアル（以下、「メタマテリアル」と略記することがある）は、誘電体材料または磁性体材料の単位構造を周期的に配列し、ソフトマテリアルで結合したものである。   The dielectric metamaterial or magnetic metamaterial of the present invention (hereinafter may be abbreviated as “metamaterial”) is a unitary arrangement of dielectric materials or magnetic materials, and is bonded with a soft material. Is.

単位構造を構成する誘電体材料としては特に制限はないが、強誘電体材料または常誘電体材料を好ましく使用できる。より具体的には、チタン酸バリウム（BaTiO3）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）、フォルステライト（Mg2SiO4）、ウイルマイト（Zn2SiO4）等を好ましく使用できる。なかでも、フォルステライトおよびウイルマイトとしては、ルチル型酸化チタンを添加することにより共振周波数の温度係数を０ｐｐｍ／℃付近に調整したルチル添加フォルステライト、ルチル添加ウイルマイトを使用することもできる。 Although there is no restriction | limiting in particular as a dielectric material which comprises a unit structure, A ferroelectric material or a paraelectric material can be used preferably. More specifically, barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), forsterite (Mg 2 SiO 4 ), Wilmite (Zn 2 SiO 4 ) and the like can be preferably used. Among these, as forsterite and wilmite, rutile-added forsterite and rutile-added wilmite whose temperature coefficient of resonance frequency is adjusted to around 0 ppm / ° C. by adding rutile-type titanium oxide can also be used.

また、単位構造を構成する磁性体材料としては特に制限はないが、ネオジ鉄ボロン（Fe14Nd2B）、鉄（Fe）、ニッケル(Ni)、サマリュームコバルト（SmCo5）を特に好ましく使用することができる。 The magnetic material constituting the unit structure is not particularly limited, but neodiiron boron (Fe 14 Nd 2 B), iron (Fe), nickel (Ni), and samarium cobalt (SmCo 5 ) are particularly preferably used. can do.

「ソフトマテリアル」とは、電界・磁界をかけたときにヒステリシスをもたない材料のことをいう。本発明の誘電体メタマテリアルに好適なソフトマテリアルとしては、例えばルチル型酸化チタン（TiO2）、SrTiO3、CeTiO3、NiO2、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を挙げることができる。また磁性体メタマテリアルに好適なソフトマテリアルとしては、ルチル型酸化チタン（TiO2）、SrTiO3、CeTiO3、NiO2、Fe、Ni、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、Si等を挙げることができる。 “Soft material” refers to a material that has no hysteresis when an electric or magnetic field is applied. Examples of soft materials suitable for the dielectric metamaterial of the present invention include, for example, rutile titanium oxide (TiO 2 ), SrTiO 3 , CeTiO 3 , NiO 2 , Cu, Bi, graphite, polytetrafluoroethylene (PTFE), and thermoplasticity. Examples thereof include a resin and a thermosetting resin. Soft materials suitable for magnetic metamaterials include rutile titanium oxide (TiO 2 ), SrTiO 3 , CeTiO 3 , NiO 2 , Fe, Ni, Cu, Bi, graphite, polytetrafluoroethylene (PTFE), heat A plastic resin, a thermosetting resin, Si, etc. can be mentioned.

なお、例えば誘電体材料の中には、単位構造を構成する材料としても使用でき、単位構造同士を結合するソフトマテリアルとしても使用できるものがあるが、１つのメタマテリアルを構成する単位構造とソフトマテリアルとには、互いに異なる材料を使用することを要する。   For example, some dielectric materials can be used as a material constituting a unit structure, and can also be used as a soft material for connecting unit structures to each other. However, a unit structure and a soft material constituting one metamaterial can be used. For materials, it is necessary to use different materials.

図１〜図５には、誘電体材料、または磁性体材料により形成された単位構造Ｐ１〜Ｐ５を周期的に配列してソフトマテリアルＳ１〜Ｓ５で結合したメタマテリアルＭ１〜Ｍ５の例を示す。メタマテリアルＭ１〜Ｍ５の周期構造は、例えば図１、図２に示すように、単位構造Ｐ１またはＰ２の複数個が一次元的に配列する１次元周期構造であってもよく、図３に示すように、単位構造Ｐ３が二次元的に配列する２次元周期構造であってもよく、図４、図５に示すように、単位構造Ｐ４、Ｐ５が３次元的に配列する３次元周期構造であってもよい。特に３次元周期構造であることが、誘電特性または磁性特性の向上のために効果的である。 1 to 5, metamaterials M 1 to M in which unit structures P 1 to P 5 formed of a dielectric material or a magnetic material are periodically arranged and combined with soft materials S 1 to S 5. The example of 5 is shown. The periodic structure of the metamaterials M 1 to M 5 may be a one-dimensional periodic structure in which a plurality of unit structures P 1 or P 2 are arranged one-dimensionally, for example, as shown in FIGS. as shown in FIG. 3, may be a two-dimensional periodic structure unit structure P 3 are arranged two-dimensionally, as shown in FIGS. 4 and 5, the unit structure P 4, P 5 is 3-dimensionally It may be a three-dimensional periodic structure to be arranged. In particular, a three-dimensional periodic structure is effective for improving dielectric characteristics or magnetic characteristics.

また、単位構造Ｐの形状には特に制限はなく、例えば図１に示すように直方体であっても良く、図２に示すように立方体であっても良く、円柱（図７参照）等の形状をとることもできる。特に、立方体、または立方体に変形を加えた擬似立方体、あるいは立方体と擬似立方体とを組み合わせた形状であることが好ましい。ここで、「変形を加えた」とは、例えば立方体（正６面体）の辺の長さや角度を変化させること、頂点を削ること等を含み、「擬似立方体」としては、例えば６つの面の一部または全部が長方形で構成される直方体、立方体の頂点が削られた形状の１４面体である切頂６面体（truncated-cube）等を例示できる。   The shape of the unit structure P is not particularly limited. For example, the unit structure P may be a rectangular parallelepiped as shown in FIG. 1, a cube as shown in FIG. 2, or a shape such as a cylinder (see FIG. 7). You can also take In particular, the shape is preferably a cube, a pseudo cube obtained by modifying a cube, or a combination of a cube and a pseudo cube. Here, “deformed” includes, for example, changing the side length and angle of a cube (regular hexahedron), cutting a vertex, and the like. Examples thereof include a rectangular parallelepiped that is partially or entirely rectangular, and a truncated hexahedron (truncated-cube) that is a 14-sided shape in which a vertex of a cube is cut.

本発明のメタマテリアルの作成方法の一例を、図６Ａ〜図６Ｃを参照しつつ説明する。   An example of a method for creating a metamaterial of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.

まず、誘電体材料（または磁性体材料）により作製したプレート１１と、ソフトマテリアルである樹脂により作製した樹脂シート１２とを用意する。そして、プレート１１の複数枚を、間に樹脂シート１２を挟みつつ積層し、積層体１３を作製する（図６Ａ）。次に、この積層体１３に対し、例えば炭酸ガスレーザ装置を用いてプレート１１の板面と直交する方向（Ｚ軸方向）からレーザ光を照射することにより、積層体１３をプレート１１の積層方向に沿って複数箇所切断する（図６Ｂ）。なお、図６Ｂでは、積層体１３をプレート１１の積層方向（Ｚ軸方向）と交差する２方向にそれぞれ複数列（具体的には、Ｘ軸方向に５列、Ｙ軸方向に４列）に分断しているが、分断の態様は本作成例に特に限定されるものではなく、分断によって分割形成される複数個のプレート片（単位構造Ｐ６）が周期的に配列していれば良い。次いで、積層体１３の切断位置に形成された隙間１４の内部を、樹脂シート１２の材料である樹脂と同種の樹脂で埋めるとともに、積層体１３の外周面を同じ樹脂によりコーティングする。このようにして、誘電体材料（または磁性体材料）により形成された単位構造Ｐ６（プレート片）の複数個が３次元的に配列し、互いにソフトマテリアルＳ６（樹脂シート１２、および隙間１４の充填と表面コーティングとに使用された樹脂）で結合されたメタマテリアルＭ６が完成する（図６Ｃ）。 First, a plate 11 made of a dielectric material (or a magnetic material) and a resin sheet 12 made of a resin that is a soft material are prepared. Then, a plurality of the plates 11 are laminated with the resin sheet 12 interposed therebetween to produce a laminate 13 (FIG. 6A). Next, the laminated body 13 is irradiated in the direction in which the plate 11 is laminated by irradiating the laminated body 13 with laser light from a direction (Z-axis direction) orthogonal to the plate surface of the plate 11 using, for example, a carbon dioxide laser device. A plurality of points are cut along the line (FIG. 6B). In FIG. 6B, the stacked body 13 is divided into a plurality of rows (specifically, 5 rows in the X-axis direction and 4 rows in the Y-axis direction) in two directions intersecting the stacking direction (Z-axis direction) of the plates 11. Although it is divided, the mode of division is not particularly limited to this example, and it is sufficient that a plurality of plate pieces (unit structure P 6 ) divided and formed by division are periodically arranged. Next, the gap 14 formed at the cutting position of the laminate 13 is filled with the same kind of resin as the material of the resin sheet 12, and the outer peripheral surface of the laminate 13 is coated with the same resin. In this way, a plurality of unit structures P 6 (plate pieces) formed of a dielectric material (or magnetic material) are arranged three-dimensionally, and are mutually soft material S 6 (resin sheet 12 and gap 14). metamaterial M 6 coupled is completed for the use in filling and the surface coating resin) (FIG. 6C).

次に、本発明のメタマテリアルの作成方法の他の例を、図７Ａ〜図７Ｃを参照しつつ説明する。   Next, another example of the method for creating a metamaterial of the present invention will be described with reference to FIGS. 7A to 7C.

まず、誘電体材料または磁性体材料のペースト２１を調製する。ペースト２１は、誘電体材料または磁性体材料の焼結用の原料粉末と、樹脂（例えばダウ・ケミカル社製熱可塑性セルロースエーテル「エトセル（登録商標）」）と有機溶剤（例えばテルピネロール）とを３本ロールミルで混錬する通常の方法により調製することができる。   First, a paste 21 of dielectric material or magnetic material is prepared. The paste 21 comprises a raw material powder for sintering a dielectric material or magnetic material, a resin (for example, thermoplastic cellulose ether “Etocel (registered trademark)” manufactured by Dow Chemical Company), and an organic solvent (for example, terpineol). It can be prepared by the usual method of kneading with this roll mill.

これとともに、ソフトマテリアルのグリーンシート２２を準備する。まず、ソフトマテリアルを構成するセラミックスの原料粉末と、有機バインダ（例えばブチラール系樹脂、アクリル系樹脂）と、可塑剤と、有機溶媒（例えばメチルエチルケトン、エタノール、トルエンの混合溶液）をポットで混合することにより、ソフトマテリアルの原料スラリーを得る。この原料スラリーを、通常のドクターブレードキャスティング装置を用いて、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）キャリア部材の上に薄く均一な厚さでキャスティング（塗工）した後、ヒータにより約７０℃で加熱乾燥し、スラリー中の揮発成分の大部分を揮発させて、グリーンシート２２を得る。このグリーンシート２２を、打ち抜き金型等の周知の手段を用いて切断し、所定の大きさとする。   At the same time, a soft material green sheet 22 is prepared. First, the ceramic raw material powder constituting the soft material, an organic binder (for example, butyral resin, acrylic resin), a plasticizer, and an organic solvent (for example, a mixed solution of methyl ethyl ketone, ethanol, and toluene) are mixed in a pot. Thus, a raw material slurry of soft material is obtained. This raw material slurry is cast (coated) on a PET (polyethylene terephthalate) carrier member in a thin and uniform thickness using an ordinary doctor blade casting apparatus, and then dried by heating at about 70 ° C. with a heater. The green sheet 22 is obtained by volatilizing most of the volatile components therein. The green sheet 22 is cut using a known means such as a punching die to obtain a predetermined size.

次に、このグリーンシート２２に、厚さ方向に貫通する複数個の貫通孔２３を、メカニカルパンチ装置、あるいは、炭酸ガスレーザ装置を用いて空ける（図７Ａ）。図７Ａでは、縦２列、横４列に貫通孔２３を配置したが、貫通孔の配列は周期的であれば図７Ａの配列に特に限定されない。次いで、この貫通孔２３に、例えばスクリーン印刷法により、誘電体材料または磁性体材料を含むペースト２１を充填する。   Next, a plurality of through holes 23 penetrating in the thickness direction are formed in the green sheet 22 using a mechanical punch device or a carbon dioxide gas laser device (FIG. 7A). In FIG. 7A, the through holes 23 are arranged in two vertical rows and four horizontal rows, but the arrangement of the through holes is not particularly limited to the arrangement of FIG. Next, the through holes 23 are filled with a paste 21 containing a dielectric material or a magnetic material, for example, by screen printing.

次いで、このように貫通孔２３の形成およびペースト２１の充填が施されたグリーンシート２２Ａの複数枚を、貫通孔２３が形成されていないグリーンシート２２Ｂを挟んで積層する。そして、ラミネート装置を用いて所定温度条件（例えば８０℃）下でシート積層方向に押圧力（例えば５０００ｋｇｆ/ｃｍ２程度）を付与することにより、各グリーンシート２２Ａ、２２Ｂを圧着して一体化させ、積層体２４を形成する（図７Ｂ）。 Next, a plurality of green sheets 22A thus formed with the through holes 23 and filled with the paste 21 are stacked with the green sheets 22B having no through holes 23 interposed therebetween. Then, by applying a pressing force (for example, about 5000 kgf / cm 2 ) in the sheet stacking direction under a predetermined temperature condition (for example, 80 ° C.) using a laminating apparatus, the green sheets 22A and 22B are pressed and integrated. Then, the laminate 24 is formed (FIG. 7B).

最後に、この積層体２４を脱脂（２５０℃で１０時間程度）し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。これにより、ペースト２１に含まれる誘電体材料または磁性体材料の原料粉末が焼結し、誘電体材料または磁性体材料の単位構造Ｐ７となる。また、グリーンシート２２Ａ、２２Ｂに含まれるセラミックスの原料粉末も焼結して、単位構造Ｐ７同士を結合する。このようにして、単位構造Ｐ７が周期的に配列し、互いにソフトマテリアルＳ７で結合されたメタマテリアルＭ７が得られる（図７Ｃ）。なお、焼成前に、積層体２４を必要に応じて適切な大きさにカットしても構わない。 Finally, the laminate 24 is degreased (at 250 ° C. for about 10 hours), and further fired at a predetermined temperature for a predetermined time. Thereby, the raw material powder of the dielectric material or the magnetic material contained in the paste 21 is sintered, and the unit structure P 7 of the dielectric material or the magnetic material is obtained. Further, green sheets 22A, also the raw material powder of ceramics contained in 22B sintered couples a unit structure P 7 each other. In this way, the unit structure P 7 is periodically arranged, metamaterial M 7 joined by soft materials S 7 are obtained from each other (Fig. 7C). In addition, you may cut the laminated body 24 into a suitable magnitude | size as needed before baking.

＜実施例１−１＞
誘電体メタマテリアルの誘電特性増大効果を検証するため、チタン酸バリウム（BaTiO3）の単位構造を周期的に配列した誘電体メタマテリアルのＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより求めた。 <Example 1-1>
In order to verify the effect of increasing the dielectric properties of the dielectric metamaterial, the S parameter of the dielectric metamaterial in which unit structures of barium titanate (BaTiO 3 ) are periodically arranged was obtained by computer simulation.

図１に例示したようにチタン酸バリウムの単位構造Ｐ１をＺ軸方向に３個直列させ、隣り合う単位構造Ｐ１間をソフトマテリアルＳ１で結合するとともに表面を同じソフトマテリアルＳ１でコーティングしたものを単位格子Ｇ１とした。この単位格子Ｇ１は、４つの反射面をもつ。この単位格子Ｇ１をＸＹ方向に複数並列することにより、図４に例示したような３次元周期構造の誘電体メタマテリアルを設計した。但し、単位格子Ｇ１は、Ｘ軸方向に２０列、Ｙ軸方向に２０列配列した。また、単位構造Ｐ１の寸法は、幅Ｗ１×奥行きＬ１×高さＨ１＝０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ×０．３ｍｍ、単位格子Ｇ１の寸法は、幅Ｗ２×奥行きＬ２×高さＨ２＝０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１ｍｍとした。 The unit structure P 1 barium titanate as illustrated in FIG. 1 is three series in the Z axis direction, coating the surface with coupling between adjacent unit structures P 1 in soft materials S 1 with the same soft materials S 1 and the ones with the unit cell G 1. The unit cell G 1 has four reflective surfaces. By multiple parallel the unit cell G 1 in the XY direction, were designed dielectric metamaterials three-dimensional periodic structure as illustrated in FIG. However, the unit cell G 1 is 20 rows in the X-axis direction and 20 columns arranged in the Y-axis direction. The dimensions of the unit structure P 1 are width W 1 × depth L 1 × height H 1 = 0.18 mm × 0.18 mm × 0.3 mm, and the dimensions of the unit cell G 1 are width W 2 × depth L 2. × Height H 2 = 0.2 mm × 0.2 mm × 1 mm

このようにして設計した誘電体メタマテリアルについて、ＦＤＴＤ（Finte Difference Time Domain）、ＦＥＭ（Finte Element Method）を用いてコンピュータシミュレーションによりＳパラメータを解析した。   With respect to the dielectric metamaterial thus designed, S parameters were analyzed by computer simulation using FDTD (Finte Difference Time Domain) and FEM (Finte Element Method).

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図８に示した。メタマテリアルを形成することによって、２８ＧＨｚ付近で共振ピークが観測された。   The analysis result of the S parameter by computer simulation is shown in FIG. By forming the metamaterial, a resonance peak was observed near 28 GHz.

＜実施例１−２＞
図２に例示したようにチタン酸バリウムの単位構造Ｐ２をＺ軸方向に５個直列させ、隣り合う単位構造Ｐ２間をソフトマテリアルＳ２で結合するとともに表面を同じソフトマテリアルＳ１でコーティングしたものを単位格子Ｇ２とした。この単位格子Ｇ２は、６つの反射面をもつ。この単位格子Ｇ２をＸＹ方向に複数並列することにより、図５に例示したような３次元周期構造の誘電体メタマテリアルを設計した。但し、単位格子Ｇ２は、Ｘ軸方向に２０列、Ｙ軸方向に２０列配列した。また、単位構造Ｐ２の寸法は、幅Ｗ３×奥行きＬ３×高さＨ３＝０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ×０．１８ｍｍ、単位格子Ｇ２の寸法は、幅Ｗ４×奥行きＬ４×高さＨ４＝０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×１ｍｍとした。 <Example 1-2>
As illustrated in FIG. 2, five unit structures P 2 of barium titanate are connected in series in the Z-axis direction, and adjacent unit structures P 2 are connected with the soft material S 2 and the surface is coated with the same soft material S 1 . and the ones with the unit cell G 2. The unit cell G 2 is, having six reflecting surfaces. By multiple parallel the unit cell G 2 in the XY directions, were designed dielectric metamaterials three-dimensional periodic structure as illustrated in FIG. However, the unit cell G 2 is, 20 rows in the X-axis direction and 20 columns arranged in the Y-axis direction. The unit structure P 2 has a width W 3 × depth L 3 × height H 3 = 0.18 mm × 0.18 mm × 0.18 mm, and the unit lattice G 2 has a width W 4 × depth L 4. X Height H 4 = 0.2 mm x 0.2 mm x 1 mm

このようにして設計した誘電体メタマテリアルについて、実施例１−１と同様にしてコンピュータシミュレーションによりＳパラメータを解析した。   For the dielectric metamaterial thus designed, S parameters were analyzed by computer simulation in the same manner as in Example 1-1.

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図９に示した。実施例１−１と比較して、Ｚ軸方向の周期の数を３から５に増加させることによって、Ｓパラメータの共振ピークの低周波側へのシフトが観察された。このことから誘電率の増加が導かれる。   The analysis result of the S parameter by computer simulation is shown in FIG. As compared with Example 1-1, a shift of the S-parameter resonance peak toward the low frequency side was observed by increasing the number of periods in the Z-axis direction from 3 to 5. This leads to an increase in dielectric constant.

＜実施例２−１＞
実施例１−１のチタン酸バリウムに代えて、透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用いた他は実施例１−１と同様にして３次元周期構造の磁性体メタマテリアルを設計し、コンピュータシミュレーションを行った。 <Example 2-1>
A magnetic metamaterial having a three-dimensional periodic structure was designed in the same manner as in Example 1-1 except that a magnetic material having a magnetic permeability μ = 2000 was used instead of barium titanate in Example 1-1, and a computer was designed. A simulation was performed.

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図１０に示した。メタマテリアルを形成することによって、２０ＧＨｚ付近で共振ピークが観測された。   The analysis result of the S parameter by computer simulation is shown in FIG. By forming the metamaterial, a resonance peak was observed around 20 GHz.

＜実施例２−２＞
実施例１−２のチタン酸バリウムに代えて、透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用いた他は実施例１−２と同様にして３次元周期構造の磁性体メタマテリアルを設計し、コンピュータシミュレーションを行った。 <Example 2-2>
A magnetic metamaterial having a three-dimensional periodic structure was designed in the same manner as in Example 1-2, except that a magnetic material having a magnetic permeability μ = 2000 was used instead of barium titanate in Example 1-2, and the computer A simulation was performed.

Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を図１１に示した。実施例２−１と比較して、Ｚ軸方向の周期の数を３から５に増加させることによって、Ｓパラメータの共振ピークの高周波側へのシフトが観察された。このことから透磁率の増加が導かれる。   The analysis result of the S parameter by computer simulation is shown in FIG. As compared with Example 2-1, by increasing the number of periods in the Z-axis direction from 3 to 5, a shift of the resonance peak of the S parameter to the high frequency side was observed. This leads to an increase in permeability.

＜実施例３＞
磁性体メタマテリアルの磁性特性増大効果を検証するため、鉄の単位構造を周期的に配列した磁性体メタマテリアルのＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより求めた。 <Example 3>
In order to verify the effect of increasing the magnetic properties of the magnetic metamaterial, S parameters of the magnetic metamaterial in which iron unit structures are periodically arranged were obtained by computer simulation.

図１２に示すように、幅Ｗ５×奥行きＬ５×高さＨ５＝２．２５ｍｍ×２．２５ｍｍ×４５ｍｍに形成された樹脂（ソフトマテリアルＳ８）のブロックに、幅方向に貫通する２０個の貫通孔３０を高さ方向に均一ピッチで形成した。この貫通孔３０内に鉄製のワイヤからなる単位構造Ｐ８を差し込むことにより、メタマテリアルＭ８を作製した。
このようにして設計した磁性体メタマテリアルについて、Broadband Microstrip Based Methodを用いてＳパラメータをコンピュータシミュレーションにより解析した。 As shown in FIG. 12, 20 penetrates in the width direction through a block of resin (soft material S 8 ) formed in a width W 5 × depth L 5 × height H 5 = 2.25 mm × 2.25 mm × 45 mm. The through holes 30 were formed at a uniform pitch in the height direction. By inserting the unit structure P 8 consisting of iron wire in the through-hole 30, to prepare a metamaterial M 8.
For the magnetic metamaterial thus designed, S parameters were analyzed by computer simulation using Broadband Microstrip Based Method.

図１３には、磁性体メタマテリアルのＳパラメータのコンピュータシミュレーションによる解析結果を示した（図中、S21wires、S22wiresとして示す）。なお、図１３には、対照として、貫通孔３０内に単位構造Ｐ８を差し込んでいないソフトマテリアルＳ８のブロックについての解析結果も併せて示した（図中、S21holes、S22holesとして示す）。メタマテリアルのＳパラメータには、対照と比較して共振ピークの増大および低周波側へのシフトが観察された。 FIG. 13 shows the result of computer simulation analysis of the S parameter of the magnetic metamaterial (shown as S21wires and S22wires in the figure). Incidentally, in FIG. 13, (shown in Fig, S21holes, as S22holes) As a control, the analysis results are also shown for the block of soft materials S 8 without insert the unit structure P 8 in the through hole 30. In the S parameter of the metamaterial, an increase in resonance peak and a shift toward the low frequency side were observed as compared with the control.

１次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図A perspective view showing an example of a metamaterial having a one-dimensional periodic structure １次元周期構造のメタマテリアルの他の例を示す斜視図Perspective view showing another example of a metamaterial having a one-dimensional periodic structure ２次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図A perspective view showing an example of a metamaterial having a two-dimensional periodic structure ３次元周期構造のメタマテリアルの一例を示す斜視図A perspective view showing an example of a metamaterial having a three-dimensional periodic structure ３次元周期構造のメタマテリアルの他の例を示す斜視図The perspective view which shows the other example of the metamaterial of a three-dimensional periodic structure 誘電体材料（または磁性体材料）により作製したプレートを、樹脂シートを挟んで積層した積層体を示す斜視図The perspective view which shows the laminated body which laminated | stacked the plate produced with dielectric material (or magnetic material) on both sides of the resin sheet 積層体に切れ目を入れた様子を示す斜視図The perspective view which shows a mode that cut | interrupted the laminated body メタマテリアルの完成形を示す斜視図Perspective view showing the completed metamaterial ソフトマテリアルのグリーンシートに貫通孔を形成した様子を示す斜視図A perspective view showing a through-hole formed in a soft material green sheet グリーンシートを積層した積層体を示す斜視図The perspective view which shows the laminated body which laminated | stacked the green sheet メタマテリアルの完成形を示す斜視図Perspective view showing the completed metamaterial 誘電体材料としてチタン酸バリウムを用い、Ｚ軸方向の周期数が３である３次元周期構造の誘電体メタマテリアルについて、自由空間法によるＳパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャートChart showing the results of computer simulation of S-parameters using a free space method for a dielectric metamaterial with a three-dimensional periodic structure using barium titanate as the dielectric material and having a period number of 3 in the Z-axis direction 誘電体材料としてチタン酸バリウムを用い、Ｚ軸方向の周期数が５である３次元周期構造の誘電体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャートChart showing results of computer simulation of S parameters for a dielectric metamaterial having a three-dimensional periodic structure in which barium titanate is used as a dielectric material and the number of periods in the Z-axis direction is 5. 透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用い、Ｚ軸方向の周期数が３である３次元周期構造の磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャートThe chart which shows the result of having performed the computer simulation of S parameter about the magnetic metamaterial of the three-dimensional periodic structure which uses the magnetic material of magnetic permeability (micro | micron | mu) = 2000, and the number of periods of the Z-axis direction is 3. 透磁率μ＝２０００の磁性体材料を用い、Ｚ軸方向の周期数が５である３次元周期構造の磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャートThe chart which shows the result of having performed the computer simulation of S parameter about the magnetic metamaterial of the three-dimensional periodic structure which uses the magnetic material of magnetic permeability (micro | micron | mu) = 2000, and the number of periods of the Z-axis direction is 5. 実施例３に用いた磁性体メタマテリアルの構造を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the magnetic substance metamaterial used for Example 3 磁性体材料として鉄を用いた磁性体メタマテリアルについて、Ｓパラメータのコンピュータシミュレーションを行った結果を示すチャートChart showing results of computer simulation of S parameters for magnetic metamaterial using iron as magnetic material

符号の説明Explanation of symbols

Ｍ…メタマテリアル（誘電体メタマテリアル、磁性体メタマテリアル）
Ｐ…単位構造
Ｓ…ソフトマテリアル M ... Metamaterial (dielectric metamaterial, magnetic metamaterial)
P ... Unit structure S ... Soft material

Claims (9)

誘電体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルにより結合された誘電体メタマテリアル。   A dielectric metamaterial in which a plurality of unit structures formed of a dielectric material are periodically arranged and the unit structures are bonded to each other by a soft material. 前記単位構造が、立方体、または立方体に変形を加えた擬似立方体、あるいは前記立方体と前記擬似立方体とを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体メタマテリアル。   2. The dielectric metamaterial according to claim 1, wherein the unit structure is a cube, a pseudo cube obtained by modifying a cube, or a combination of the cube and the pseudo cube. 前記誘電体材料が強誘電体材料または常誘電体材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘電体メタマテリアル。   The dielectric metamaterial according to claim 1, wherein the dielectric material is a ferroelectric material or a paraelectric material. 前記誘電体材料がチタン酸バリウム（BaTiO3）、チタン酸ストロンチウム（SrTiO3）、フォルステライト（Mg2SiO4）、およびウイルマイト（Zn2SiO4）からなる群より選ばれる１種であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の誘電体メタマテリアル。 The dielectric material is one selected from the group consisting of barium titanate (BaTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), forsterite (Mg 2 SiO 4 ), and wilmite (Zn 2 SiO 4 ). The dielectric metamaterial according to any one of claims 1 to 3, wherein the dielectric metamaterial is characterized. 前記ソフトマテリアルがルチル型酸化チタン（TiO2）、SrTiO3、CeTiO3、NiO2、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、および熱硬化性樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の誘電体メタマテリアル。 The soft material is selected from the group consisting of rutile titanium oxide (TiO 2 ), SrTiO 3 , CeTiO 3 , NiO 2 , Cu, Bi, graphite, polytetrafluoroethylene (PTFE), a thermoplastic resin, and a thermosetting resin. The dielectric metamaterial according to claim 1, wherein the dielectric metamaterial is at least one selected from the group consisting of: 磁性体材料により形成された単位構造の複数が周期的に配列されるとともに、前記単位構造同士が互いにソフトマテリアルにより結合された磁性体メタマテリアル。   A magnetic metamaterial in which a plurality of unit structures formed of a magnetic material are periodically arranged and the unit structures are bonded to each other by a soft material. 前記単位構造が、立方体または立方体に変形を加えた擬似立方体あるいはその両方を組み合せた形状であることを特徴とする請求項６に記載の磁性体メタマテリアル。   7. The magnetic metamaterial according to claim 6, wherein the unit structure is a cube, a pseudo cube obtained by deforming a cube, or a combination of both. 前記磁性体材料がネオジ鉄ボロン（Fe14Nd2B）、鉄（Fe）、ニッケル(Ni)、およびサマリュームコバルト（SmCo5）からなる群より選ばれる１種であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の磁性体メタマテリアル。 The magnetic material is one selected from the group consisting of neodiiron boron (Fe 14 Nd 2 B), iron (Fe), nickel (Ni), and samarium cobalt (SmCo 5 ). Item 8. A magnetic metamaterial according to Item 6 or Claim 7. 前記ソフトマテリアルがルチル型酸化チタン（TiO2）、SrTiO3、CeTiO3、NiO2、Fe、Ni、Cu、Bi、グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の磁性体メタマテリアル。 The soft material is rutile titanium oxide (TiO 2 ), SrTiO 3 , CeTiO 3 , NiO 2 , Fe, Ni, Cu, Bi, graphite, polytetrafluoroethylene (PTFE), thermoplastic resin, thermosetting resin, and The magnetic metamaterial according to any one of claims 6 to 8, wherein the magnetic metamaterial is at least one selected from the group consisting of Si.
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