(57)【要約】【課題】伝導性粒子の影響を低減して誘電緩和時間と緩和強度の評価が容易な複素誘電率測定装置及び当該複素誘電率測定装置に用いられる誘電体付き電極を提供する。【解決手段】一対の電極３１、３２間に測定対象物２を挟んで交流電圧を印加し、そのとき、一対の電極３１、３２間に生じる電圧及び一対の電極３１、３２間に流れる電流に基づいて測定対象物２の複素誘電率を測定する。誘電体５が、一対の電極３１、３２の少なくとも一方である電極３１と測定対象物２との間に挟まれて設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に測定用電圧を印加するための一対の電極と、前記一対の電極を用いて複素誘電率を測定する複素誘電率測定手段と、を備えた複素誘電率測定装置において、
前記一対の電極の少なくとも一方と前記測定対象物との間に挟まれる誘電体を
さらに備えたことを特徴とする複素誘電率測定装置。
【請求項２】
前記電極を支持する治具をさらに備え、
前記治具の端面から離間した位置に前記電極が支持され、前記電極が直接、前記測定対象物に当接しない
ことを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項３】
前記一対の電極が、円柱状の中心電極と、前記中心電極を囲む円筒状の外側電極と、から構成され、
前記誘電体が、前記中心電極の外周面又は／及び前記外側電極の内周面を覆うように設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定装置。
【請求項４】
前記一対の電極が、端面が円形の中心電極と、前記中心電極を囲む端面が中空円形の外側電極と、から構成され、
前記誘電体が、前記中心電極又は／及び前記外側電極の端面に設けられた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複素誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複素誘電率測定装置に係り、特に、一対の電極を用いて測定対象物の複素誘電率を測定する複素誘電率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２に示すように、電気双極子モーメント（以下、双極子モーメントと呼ぶ）μで特徴付けられる双極子を有する分子１００（例えば水分子）を含む誘電体である測定対象物１０１をコンデンサ状の電極１０２、１０３内部に充填し、電極１０２、１０３に直流電圧を印加すると、双極子モーメントμを有する分子１００が電場の方向に回転し、測定対象物１０１内では分極が生じる。このとき、分極の影響により、内部を測定対象物１０１で満たした場合のコンデンサの静電容量Ｃは、内部が真空の場合の静電容量Ｃ0よりも大きくなる。また、真空の誘電率をε0＝１とすると、測定対象物１０１の静的誘電率εSは、すなわち直流電圧を印加した場合の誘電率は、下記の式（１）のように求められる。
εS＝Ｃ／Ｃ0  …（１）
【０００３】
次に、測定対象物１０１を内部に含む電極１０２、１０３間に交流電源１０４から交流電圧を印加した場合、双極子モーメントμを有する分子１００の配向運動には有限の時間を要するため、系の分極が平衡状態に達するのにも有限の時間を考慮する必要がある。分子運動の特性時間である誘電緩和時間に比べて十分長い周期の交流電場を与えた場合、測定対象物１０１は十分に分極し、この分極によって測定対象物１０１を含む電極１０２、１０３の静的誘電率を得ることができる。
【０００４】
これに対して誘電緩和時間に匹敵する周期又はそれよりも短い周期の交流電場を加えた場合、分極が平衡状態に達する前に電場の方向が変わるため、周波数の増加と共に減少する誘電率として取り扱われる。このとき、測定対象物１０１の誘電率は下記の式（２）で定義される複素誘電率ε*が用いられる。
ε*＝ε′−ｊε″  …（２）
ここで実数部のε′は誘電率、虚数部のε″は誘電損失と呼ばれる。測定対象物１０１では入力する交流電場の周波数に応じた分極が起こり、誘電率にも周波数依存性が観測される。このとき誘電率の低周波極限、すなわち直流電圧印加時は、静的誘電率εSと一致する。
【０００５】
測定対象物１０１を挿入した電極１０２、１０３のアドミッタンスＹは下記の式（３）のように表現できる。
Ｙ＝ｊωＣ  …（３）
ここで、ωは角周波数で、印加する交流電圧の周波数ｆとω＝２πｆの関係を持つ。また、Ｃは測定対象物１０１を挿入した電極１０２と電極１０３の間の静電容量であり、Ｃ＝Ｃ0ε*である。上記式（２）及び（３）からアドミッタンスＹは下記の式（４）のように変形できる。
Ｙ＝ｊωＣ0ε*＝ｊωＣ0（ε′−ｊε″）＝ωＣ0ε″＋ｊωＣ0ε′  …（４）
【０００６】
一方、測定対象物１０１を挿入した電極１０２、１０３の等価回路は、ＲＣ並列回路と考えることができるので、そのアドミッタンスＹは、次のようになる。
Ｙ＝１／ＲP＋ｊωＣP  …（５）
ここで、ＲPは等価回路のレジスタンス、ＣPは等価回路のキャパシタンスを示している。式（４）、（５）より測定対象物１０１の複素誘電率ε*の誘電率ε′、誘電損失ε″は次の式（６）、（７）に示すように求められる。
ε′＝ＣP／Ｃ0  …（６）
ε″＝１／ωＣ0ＲP  …（７）
上述したレジスタンスＲP、キャパシタンスＣPは、インピーダンスアナライザーやＬＣＲメータ等によって容易に測定できるため、それらの測定結果を用いて測定対象物１０１の複素誘電率ε*を求めることができる。
【０００７】
また、広帯域で測定された複素誘電率の周波数依存性（スペクトル）は、式（８）のDebye式に代表される緩和関数で評価することができることが知られている。
ε*（ω）＝ε∞＋Δε／（１＋ｊωτ）  …（８）
ここでε∞は誘電率の高周波極限値、τは誘電緩和時間である。また、Δεは誘電率緩和強度で、式（９）に示すように、誘電体である測定対象物１０１中で、双極子モーメントμで特徴付けられる、単位体積当たりの双極子数、即ち双極子数密度ｎに比例し、静的誘電率εSとεS＝Δε＋ε∞の関係を持つ。
Δε∝（ｎμ2ｇ）／Ｔ  …（９）
ｇは双極子の配列に関係した因子であり、Ｔは絶対温度で表現した温度である。
【０００８】
誘電率ε′及び誘電損失ε″スペクトルを図１３に示す。誘電緩和時間に匹敵する周期の交流電圧を加えた場合、誘電率ε′、誘電損失ε″スペクトルには式（８）で記述される誘電緩和過程が観測される。同図に示すように、低周波数の誘電率ε′及び高周波数の誘電率ε′から誘電率緩和強度Δεを求めることができ、誘電損失ε″のピーク周波数ｆmから誘電緩和時間τを求めることができる。
【０００９】
以上のように測定対象物１０１を挿入した電極１０２、１０３の複素アドミッタンス、或いは、複素誘電率を測定することで、分子１００の誘電緩和時間τや誘電体１０１中に含まれる双極子数密度ｎを評価できる。具体的には、複素誘電率スペクトルからコンクリートの健常性評価方法、ゴムの劣化診断、生体の水分量評価法に展開している。また複素誘電率スペクトルの測定では、電極１０２、１０３を測定対象物１０１に直接接触させることで測定を行うため、測定対象物１０１に適合したさまざまな電極１０２、１０３が提案されている（特許文献１〜３）。従来の物性測定用電極の開発概念では、測定対象物１０１である誘電体に電極１０２、１０３を隙間なく完全に接触させることにより、精度良く複素誘電率を測定することを主眼としており、測定の周波数に応じた形状や電極１０２、１０３の静電容量Ｃ0を大きくする形状も提案されている。
【００１０】
しかしながら、測定対象物１０１が、生体物質、食品、コロイドなどの不均一物質や分散系物質であると、測定対象物１０１中に含まれる伝導性分子・微粒子（以下「伝導性粒子」という。）の寄与により、電気伝導度が高いため、図１４に示すように、電流が流れ続けるため、この伝導性粒子によっても複素アドミッタンス及び複素誘電率が変動してしまう。これら伝導性粒子の影響は電気伝導の寄与、電極分極、マクスウェルワーグナー効果と呼ばれる。これにより、求めた複素誘電率から式（８）等で記述される誘電緩和過程の評価が困難であり、ひいては、求めた複素誘電率から測定対象物１０１中に含まれる双極子数密度や誘電緩和時間を適切に評価することも困難である、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−１５９９９０号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／１１６３０１
【特許文献３】特開２００４−１５０９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は、伝導性粒子の影響を低減して誘電緩和過程の評価が容易な複素誘電率測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、測定対象物に測定用電圧を印加するための一対の電極と、前記一対の電極を用いて複素誘電率を測定する複素誘電率測定手段と、を備えた複素誘電率測定装置において、前記一対の電極の少なくとも一方と前記測定対象物との間に挟まれる誘電体をさらに備えたことを特徴とする複素誘電率測定装置に存する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、前記電極を支持する治具をさらに備え、前記治具の端面から離間した位置に前記電極が支持され、前記電極が直接、前記測定対象物に当接しないことを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定装置に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記一対の電極が、円柱状の中心電極と、前記中心電極を囲む円筒状の外側電極と、から構成され、前記誘電体が、前記中心電極の外周面又は／及び前記外側電極の内周面を覆うように設けられることを特徴とする請求項１に記載の複素誘電率測定装置に存する。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記一対の電極が、端面が円形の中心電極と、前記中心電極を囲む端面が中空円形の外側電極と、から構成され、前記誘電体が、前記中心電極又は／及び前記外側電極の端面に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の複素誘電率測定装置に存する。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、一対の電極の少なくとも一方と測定対象物との間に挟まれる誘電体により、伝導性粒子の移動が妨げられ、測定対象物内を伝導性粒子の移動に関係した電流が流れ続けることがなくなるため、伝導性粒子の影響が低減して誘電緩和過程の評価が容易となる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、治具により、電極が測定対象物に直接当接しない位置に配されるため、測定対象物と電極との間に液体状やゲル状等の誘電体を充填することができる。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、外側電極の筒長さ方向の一方の開口を塞いで、塞がれていない開口から内部に液体状の測定対象物を流し込んで複素誘電率を測定することができるので、液体状の測定対象物の測定に適している。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、誘電体側の端面を測定対象物に当接して、測定対象物の複素誘電率を測定することができるため、測定対象物を非破壊で測定することができる。また、同軸ケーブルとインピーダンスマッチングしやすい同軸形状の電極にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の複素誘電率測定装置の一実施形態を示す図である。
【図２】第１実施形態における複素誘電率測定装置に用いられる電極の断面図である。
【図３】本発明の複素誘電率測定装置の効果を説明するための説明図である。
【図４】（ａ）は従来品及び本発明品で豚肉の複素誘電率の誘電損失（虚数部）を測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）に示す本発明品での測定結果の拡大図である。
【図５】従来品及び本発明品で人の上腕筋の複素誘電率の誘電損失（虚数部）を測定した結果を示すグラフである。
【図６】従来品及び本発明品でイオン交換膜（ナフィオン（登録商標））の複素誘電率の誘電損失（虚数部）を測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来品及び本発明品でゴムの複素誘電率の誘電損失（虚数部）を測定した結果を示すグラフである。
【図８】第２実施形態における複素誘電率測定装置に用いられる電極の断面図である。
【図９】第３実施形態における複素誘電率測定装置に用いられる電極の断面図である。
【図１０】第４実施形態における複素誘電率測定装置に用いられる電極の断面図である。
【図１１】第４実施形態の変形例における複素誘電率測定装置に用いられる電極の断面図である。
【図１２】従来の複素誘電率測定装置の一例を示す図である。
【図１３】複素誘電率の誘電率及び誘電損失の周波数特性を示すグラフである。
【図１４】従来の複素誘電率測定装置の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態における複素誘電率測定装置について図面を参照して説明する。図１に示すように、複素誘電率測定装置１は、測定対象物２に測定用電圧としての交流電圧を印加するための一対の電極３１、３２と、一対の電極３１、３２を用いて複素誘電率を測定する複素誘電率測定手段としてのＬＣＲメータ４と、一対の電極３１、３２の一方である電極３１と測定対象物２との間に挟まれる誘電体５と、を備えている。
【００２３】
上記一対の電極３１、３２は各々平板状に形成されていて、互いの間に測定対象物２を挟んでいる。この一対の電極３１、３２は、導線６（図２）を介してＬＣＲメータ４に接続されている。
【００２４】
ＬＣＲメータ４は、上記一対の電極３１、３２を介して測定対象物２に交流電圧（測定用電源）を印加する交流電源４１と、交流電圧印加時に一対の電極３１、３２間に流れる電流を検出する電流計４３と、交流電圧印加時に生じる一対の電極３１、３２間の電圧を検出する電圧計４２と、電流計４３、電圧計４２により検出された電流値、電圧値から背景技術で説明したように電極３１、３２間のレジスタンスＲP、キャパシタンスＣPを測定して、複素誘電率ε*を演算する演算部４４と、を備えている。
【００２５】
本実施形態では、誘電体５は、電極３１に取り付けられているが、電極３１、３２の双方に取り付けても良い。誘電体５は、フィルム状、或いは固体状でもよいが、電極３１に誘電体５をコーティングして設けてもよい。このように誘電体５を電極３１と測定対象物２との間に挟むことにより、図３に示すように、伝導性粒子が誘電体５が設けられた電極３１に到達しないため、電流が流れ続けることがなく、伝導性粒子の影響を低減して誘電緩和過程の評価が容易となる。
【００２６】
この誘電体５の厚さｄ1とその誘電率εaの複素静電容量への寄与は、測定対象物２の複素誘電率をε*としたときは、下記の式（１０）のような関数で示される。
【数１】
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ここでｄは電極３１、３２同士の間隔、Ｃ*は測定対象物２を充填した状態で測定された複素静電容量、Ｃaは測定対象物２を充填する前に測定された静電容量を示している。従って、事前に静電容量Ｃa、誘電体５の厚さｄ1、電極３１、３２同士の間隔ｄを測定しておけば、上記式（１０）を用いて誘電体５の影響を除去した複素静電容量、ひいては、測定対象物２の複素誘電率を求めることができる。
【００２７】
式（１０）によれば、誘電体５の厚さｄ1が電極３１、３２同士の間隔ｄに比べて十分に小さければ、誘電体５の寄与を無視することができる。ただし、誘電体５の厚みが１０マイクロメートル程度以下であると、誘電体５内部を伝導性粒子が通過してしまうため、伝導性粒子の影響を取り除くことができない。従って、誘電体５の厚みは、１０マイクロメートルより大きいほうが望ましい。
【００２８】
また、誘電体５の材質は、誘電体５の緩和過程による誘電損失が測定周波数域に観測されないもので、かつ低誘電率の物質を用いた方が、望ましい。
【００２９】
次に、上述した本実施形態の効果を確認するため、本発明者らは、電極３１、３２に誘電体５が設けられていない従来の複素誘電率測定装置（以下従来品）と、電極３１、３２に誘電体５が設けられた図１に示す本発明の複素誘電率測定装置（以下本発明品）と、でそれぞれ測定対象物２の複素誘電率スペクトルを測定した。結果を図４〜図７に示す。なお、図４は、食品の測定例として、測定対象物２を厚さ10mmの食品（豚肉）とした結果である。図５は、生体の測定例として、測定対象物２を人の上腕筋とした結果である。図６は、フィルム状物質の測定例として、測定対象物２を燃料電池材料として用いられる厚さ0.1mmのイオン交換膜（ナフィオン（登録商標））とした結果である。図７は、工業材料の測定例として、厚さ１ｍｍのシート状のクロロプレン系ゴムとした結果である。また、図４〜図７中の白丸が図１に示す本発明の複素誘電率測定装置で測定した結果を示し、黒丸が従来の複素誘電率測定装置で測定した結果を示す。
【００３０】
このとき、電極３１、３２としては、ステンレス製の円形の板状電極から構成され、厚さ10mm、直径40mmのものを用い、誘電体５としては、厚さ0.1mmのテフロン（登録商標）を用いて電極３１の測定対象物２に向き合う側の表面全体を覆ったものを用いて測定した。
【００３１】
図４〜図７に示すように、誘電体５を取り除いた電極３１、３２では、誘電損失スペクトルに式（１１）で記述される寄与が観測されるため、誘電損失のスペクトルピークは観測できない。
ε″＝σ／ε0ω  …（１１）
ここでσは電気伝導度を示している。一方、図４〜図７に示される本発明の複素誘電測定装置によって測定された誘電損失スペクトルでは、緩和過程に伴う誘電損失のピークが観測される。電極３１に取り付けた誘電体５で、伝導性粒子の影響が取り除け、誘電損失のピークが観測されることが分かった。
【００３２】
第２実施形態
次に、第２実施形態について図８を参照して説明する。第１実施形態と第２実施形態とで異なる点は、治具８を有している点である。治具８は、円筒状に形成されている。また、円形の板状電極３１は、治具８の端面（図８では右側端部であり、測定対象物２との当接面となる）から所定距離離間して、治具８内に嵌め込まれて固定されている。そして、測定対象物２上に治具８を重ねると電極３１と測定対象物２との間には前記所定距離の隙間が生じる。この隙間に液体状の誘電体５を充填することができる。
【００３３】
なお、第２実施形態では、治具８として、円筒状のものを用いたが、測定対象物２と離間するように電極３１を支持するものであればよく、円筒状でなくてもよい。
【００３４】
第３実施形態
次に、第３実施形態について図９を参照して説明する。上述した第１及び第２実施形態では、平板状の一対の電極３１、３２を用いていたが、第３実施形態では一対の電極３１、３２の代わりに円柱状の中心電極３３と、中心電極３３を囲む円筒状の外側電極３４と、から構成されている。誘電体５は、この中心電極３３の外周面を覆うように設けられている。上記外側電極３４の筒長さ方向一方の開口は、絶縁部９によって塞がれている。
【００３５】
第３実施形態によれば、外側電極３４の絶縁部９に塞がれていない開口から内部に液体状の測定対象物２を流し込んで複素誘電率を測定することができるので、液体状の測定対象物２の測定に適している。
【００３６】
なお、第３実施形態においては、誘電体５としては、中心電極３３の外周面に設けられていたが、本発明はこれに限ったものではなく、外側電極３４の内周面を覆うように設けても良い。また、中心電極３３の外周面及び外側電極３４の内周面の双方を誘電体５で覆うようにしてもよい。また、中心電極３３及び外側電極３４の形状は、それぞれ円柱状及び円筒状のものであるとしたが、これに限ったものではない。例えば、四角柱状及び四角筒状としてもよい。
【００３７】
第４実施形態
次に、第４実施形態について図１０を参照して説明する。上述した第１及び第２実施形態では、平板状の一対の電極３１、３２を用いていたが、第４実施形態では一対の電極３１、３２の代わりに第３実施形態と同様に円柱状で端面が円形の中心電極３３と、中心電極３３を囲む円筒状で端面が中空円形の外側電極３４と、から構成されている。中心電極３３としては、外径40mmのステンレス製の電極、外側電極３４としては、内径45mmのステンレス製の電極である。誘電体５は、第３実施形態とは異なり、中心電極３３の長さ方向の端面を覆うように設けられている。この誘電体５は、厚さ0.1mmのテフロン（登録商標）である。また、絶縁部９によって中心電極３３と外側電極３４との間の隙間が塞がれている。
【００３８】
そして、図１０に示すように、中心電極３３及び外側電極３４の誘電体５側の端面を測定対象物２に当接して、測定対象物２の複素誘電率を測定する。これによれば、一対の電極３１、３２間に測定対象物２を挟まなくてもよく、電極３１、３２で挟める大きさに測定対象物２を切る必要もなくなり、非破壊で測定することができる。また、電極と同軸ケーブルとのインピーダンスマッチングもしやすい。
【００３９】
また、第４実施形態では、中心電極３３の端面のみを誘電体５で覆っていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、外側電極３４の長さ方向の端面のみを誘電体５で覆うようにしてもよいし、中心電極３３及び外側電極３４の双方の長さ方向の端面を誘電体５で覆うようにしてもよい。
【００４０】
また、図１１に示すように、第２実施形態のように治具１０を設け、中心電極３３及び外側電極３４が治具１０内に嵌め込まれて固定されている。そして、測定対象物２上に重ねると中心電極３３及び外側電極３４と測定対象物２との間には隙間が生じる。この隙間に液体状の誘電体５を充填することができる。これによれば、誘電体５として液体状のものを用いることができる。
【００４１】
また、図１０及び図１１に示す実施形態では、中心電極３３、外側電極３４を、ある程度高さのある柱状、円筒状に設けた例について説明したが、中心電極３３、外側電極３４の長さ方向の端面に誘電体５を設けるタイプとしてはこれに限ったものではない。中心電極３３、外側電極３４としては、それぞれ端面が円形、中空円形であればよく、例えば、中心電極３３として円形の板状電極を用い、外側電極３４として中空円形の板状電極を用い、これら中心電極３３、外側電極３４の誘電体５とは反対側の端面に絶縁性の棒を取り付けてもよい。また、更には、中心電極３３及び外側電極３４として板状電極を用いる場合、その形状は円形及び中空円形に限ったものではない。例えば、それぞれ四角形及び中空四角形としてもよい。
【００４２】
また、上述した第１〜第４実施形態では、測定対象物２に交流電圧を供給し、ＬＣＲメータ４を用いて複素誘電率を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、特開平０２−１１０３５７号公報などに記載しているように、測定対象物２にパルスを供給し、その反射波を周波数分析して複素誘電率を測定するようにしてもよい。
【００４３】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  複素誘電率測定装置
２  測定対象物
４  ＬＣＲメータ（複素誘電率測定装置）
５  誘電体
８  治具
１０  治具
３１  電極
３２  電極
３３  中心電極
３４  外側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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