(57)【要約】物体の少なくとも１つの物理的パラメータ、例えば、水分及び塩分含有量を測定する方法及び装置が説明される。マイクロ波ビームに測定物体を通過させ、所定の偏光方向の送信波の反射のみを検出することにより実施される。これを達成するために、偏光板が用いられ、物体を通過する水平偏光のマイクロ波のみが検出され、周囲の構造からの垂直偏光反射が除外される。物体は、コンベアベルト上を移動していてもよく、静止していてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
・時間依存の電気信号を生成するソース、
・物体に近接して配置され、時間依存の電気信号をマイクロ波に変換し、物体に向けてマ  イクロ波を送信する送信器、
・物体に隣接し、送信器と反対側に配置され、送信波の偏光の少なくとも一部を回転させ  、所定の偏光方向の送信波を反射させる偏光子、
・所定の偏光方向の反射マイクロ波を受信し、それを電気信号に変換するために、偏光子  に対して物体の反対側に配置された受信器、
・物体の少なくとも１つの物理的パラメータを計算するために、電気信号を利用するコン  ピュータシステムと
を備え、物体に向けてマイクロ波を送信し、反射マイクロ波を解析することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する装置。
【請求項２】
ソースを制御する制御電子回路をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
偏光子は、送信波の少なくとも一部を回転させるために板の水平面に配置された複数の平行ワイヤを有する板である請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
偏光子の厚さは、マイクロ波の波長の１／４である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
送信器と受信器の間の電気信号を分割する結合器を備え、受信器への電気信号の一部は、参照チャネルを通過し、参照信号として用いられる前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
物体が測定されるとき、物体は移送されている前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
受信器及び送信器は、偏光が互いに直交し、受信器は、素材(material)に向けられる前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの物理的パラメータは、物体の水分含有量及び／又は密度である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
受信器は、アンテナである前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
受信器は、ダイオードである前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
送信マイクロ波は、直線偏光である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
送信マイクロ波は、円偏光である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
反射マイクロ波の少なくとも一部を受信するために、偏光子に対して物体の反対側に配置された第２の受信器をさらに備える前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１４】
受信マイクロ波の偏光方向は、送信マイクロ波と同一である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１５】
・時間依存の第１の電気信号を生成し、第１の電気信号の少なくとも一部をマイクロ波に  変換し、
・マイクロ波を物体に向けて送信し、
・物体に隣接すると共に、送信器に向かい合って配置された偏光子によって、送信マイク  ロ波を反射させ、反射マイクロ波の偏光の少なくとも一部を回転させ、
・物体に向かい合って配置され、送信波の受信された部分を第２の電気信号に変換する受  信器で、偏光子からの反射マイクロ波の回転した部分を受信し、
・第２の電気信号を解析し、少なくとも１つの物理的パラメータを測定する工程を備え、
物体に向けてマイクロ波を送信し、その反射を測定することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法。
【請求項１６】
第１の電気信号の一部は、参照チャネルを通って受信手段に向かい、参照信号として用いられる請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
送信マイクロ波の少なくとも一部の回転は９０°である請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
第２の電気信号と参照信号の和は、少なくとも１つの物理的パラメータを測定するために用いられる請求項１５から１７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
第２の電気信号は、少なくとも１つの物理的パラメータを測定するために用いられる請求項１５から１８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２０】
所定の偏光方向の反射マイクロ波の少なくとも一部を受信するために、偏光子に対して物体の反対側に配置された第２の受信手段をさらに備え、受信マイクロ波は、電気信号に変換され、参照信号に関連する電気信号の位相シフトは、物体の高さを測定するために用いられる請求項１５から１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２１】
信号の減衰レベルと位相シフトは、物体の誘電率及び損失因子を計算するために用いられる請求項１５から２０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２２】
物体の誘電率及び損失因子は、物体の密度を計算するために用いられる請求項１５から２１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２３】
物体の誘電率及び損失因子は、物体の水分含有量を計算するために用いられる請求項１５から２２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２４】
物体の体積、密度、及び水分含有量は、物体の乾燥重量を測定するために用いられる請求項１５から２３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２５】
物体の少なくとも１つの物理的パラメータの測定は、履歴データに基づく請求項１５から２４のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、アイスランド出願第５９６０号及び米国仮出願第６０／２９４，２４９号からの優先権を主張する。
【０００２】
本発明の分野
本発明は、マイクロ波を物体に向けて送信し、垂直偏光(co-polar)及び水平偏光(cross-polar)の送信、及び反射マイクロ波を解析することにより、物体の少なくとも１つの物理的パラメータのマイクロ波測定の装置及び方法に関する。
【０００３】
本発明の背景
木、タバコ、及び食品のような種々の製品の製造において、製品が製造の最終段階に入る前に、製品中の水分含有量が重要な役割を担うことはよく知られている。
【０００４】
マイクロ波放射を用いて水分含有量を測定するとき、マイクロ波は、測定物体中の水分子と相互作用する。水分子の双極子特性により、マイクロ波の場は分子と相互作用し、その結果、分子の回転及び並進運動をもたらし、入射エネルギーの熱吸収が起こる。マイクロ波の位相シフト（速度損失）と共に、マイクロ波の減衰（エネルギー損失）を測定することにより、素材(material)の水分含有量を正確に測定することができる。これは、一般に、出力信号を電気信号に変換することにより行われる。素材中での減衰及び位相シフトは、その素材の誘電特性を計算するのに用いることができる。素材の誘電特性は、通常、複素比誘電率ε＝ε'+ｊε"で表わされ、ε'は誘電率であり、素材が電気エネルギーを蓄える能力を表わし、ε"は、素材での電場エネルギーの損失を表わす損失因子である。ε'及びε"の両方を知ることにより、公知の公式により素材の水分含有量及び密度を計算することができる。
【０００５】
さらに、例えば、１より多くの周波数を用い、水による吸収効果と塩分イオンの存在による吸収（これらは、２つの損失機構の周波数依存の違いにより支配される。）を分離することにより、脂肪、タンパク質、及び塩分のような他の物理的パラメータを測定することができる。その装置で解析を繰り返し、従来の方法により得られた結果と比較することにより、校正を行うことができる。
【０００６】
マイクロ波を用いた既知の方法では、一般に水分含有量のみを測定し、脂肪、タンパク質、及び塩分のような他の物理的パラメータは測定しない。例えば、非接触マイクロ波技術を用いて、脂肪含有量を測定する装置は、存在しなかった。マイクロ波を用いて脂肪含有量を概算する手持ち式の装置は存在した。しかし、その装置は測定物体にしっかりと接触させる必要があり、また、実際には水分含有量を測定している。その装置は、予め校正されており、測定した水分含有量から脂肪含有量を計算している。
【０００７】
素材の水分含有量を測定するための他のシステムや方法も開発されてきた。その１つは、手持ち式の器具を用いるものであり、上述したものと類似し、「ストリップライン」センサと呼ばれる。その器具は、ストリップラインが素材に密着するように、素材に配置される。次に、マイクロ波を生成し、これをストリップラインに沿って与え、ストリップラインでの減衰を測定する。次に、減衰又は損失を水分含有量に変換する。この方法は、表面測定である。バルク素材全体の水分含有量を得るためには、数箇所で測定を行い、物体をひっくり返す必要がある。そして、その平均値が指標として用いられる。
【０００８】
別の装置では、素材は、マイクロ波伝送システムの送受信アンテナの間に配置され、素材からの出力信号とソース信号とを比較することにより、素材の特性を推論することができる。
【０００９】
さらに別の装置（米国特許第４,５７８,９９８号）には、異なる偏光の信号を用いたマイクロ波システムの説明がある。２つの放射器を用い、信号の相互交換を避けるために２つの異なる偏光を利用して、シート状の素材の幅を測定する。すなわち、偏光は、放射器を識別するために用いられる。
【００１０】
米国特許第４,５７８,９９８号には問題があり、それは、測定信号は、素材による減衰と、周囲の素材で反射したマイクロ波からの反射からなることであるが、このことが考察されていない。これにより、結果にエラーが生じるであろう。
【００１１】
手持ち式接触型器具を用いることの不利益は、この器具がバルク素材の表面測定を行うということである。従って、物体の周りの種々の点で測定を行わなければならず、また、人間が器具を操作し、測定中にセンサを素材に接触させるという不都合があるため、物体全体の測定をするのに時間がかかる。また、人間は正確に同じように器具を操作することができないので、エラーを発生させる場合もある。
【００１２】
本発明の概要
バルク素材の水分及び脂肪含有量のような物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法及び装置を提供することにより、上述の方法を改良することが本発明の目的である。これは、偏光を利用し、サンプルを通る伝送経路を形成することにより行われる。マイクロ波ビームは、測定素材を介して伝送され、送信波の所定の偏光方向(polarity)の反射のみが検出される。これには、素材を通った信号のみが測定されるという利点がある。これは、偏光板を設けることにより達成され、物体を通過する水平偏光のマイクロ波のみが検出され、周囲の構造からの垂直偏光反射が除外される。これにより、測定の感度及び精度が向上する。従って、測定物体を通過した後、偏光板での反射波のみが受信される。システムが水平偏光反射を検出するように設定されていると、測定されたマイクロ波は、検出前に物体を２度通過したことが保証される。システムが垂直偏光反射を検出するように設定されていると、受信アンテナのアパーチャから素材の表面の距離を測定することができ、これは、素材が存在しないときの垂直偏光反射と比較して、素材の奥行きに関連させることができる。
【００１３】
本発明の第１の観点によると、本発明は、
・時間依存の電気信号を生成するソース、
・物体に近接して配置され、時間依存の電気信号をマイクロ波に変換し、物体に向けてマ  イクロ波を送信する送信器、
・物体に隣接し、送信器に向かい合って配置され、送信波の偏光の少なくとも一部を回転  させ、所定の偏光方向の送信波を反射させる偏光子、
・偏光子に対して物体の反対側に配置され、所定の偏光方向の反射マイクロ波を受信し、  それを電気信号に変換する受信器、
・物体の少なくとも１つの物理的パラメータを計算するために、電気信号を利用するコン  ピュータシステムと
を備え、物体に向けてマイクロ波を送信し、反射マイクロ波を解析することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する装置に関する。
【００１４】
さらに、制御電子回路が、ソースを制御するために設けられることが好ましい。偏光子は、送信波の少なくとも一部を回転させるために偏光板の水平面に配置された複数の平行ワイヤを有する板であってもよい。これらのワイヤは、プラスチック素材のような非反射性媒体により支持することができる。偏光板の下層は、金属板のような反射性素材である。マイクロ波が偏光板に衝突すると、その一部は偏光を回転させるワイヤに衝突し、一部は、ワイヤの間を通り、下板で反射されるまで支持素材を通過する。下板は、反射の法則に従って、マイクロ波を反射し、この反射したマイクロ波の一部は、その偏光を回転させるワイヤに衝突する。適切な厚さ（つまり、ワイヤと下板との間の間隔）の偏光板を用いると、「第２の」偏光は、「第１の」偏光と同一にすることができる。この間隔は、１／４λであるか（λはマイクロ波の波長）、又は一般に（１／４＋ｎ）λである（ｎは整数）。しかし、これは、通常、空気がワイヤと反射板との間にある場合である。しかし、この厚さ比は、ワイヤと反射板との間に素材があるときには異なり、その素材の誘電特性によって決まる。回転した偏光は、受信器で受信され、受信器が、マイクロ波を電気信号に変換する。この受信マイクロ波のこの偏光は、送信マイクロ波（直線偏光及び／又は円偏光であってもよい。）に対して例えば９０°回転する。受信器は、例えばアンテナ又はダイポールとすることができる。
【００１５】
時間依存の電気ソース信号の周波数は、１つのパラメータ、例えば水分のみを測定するのか、さらに多くのパラメータ、例えば、水分及び塩分を測定するのかによって決まる。これは、水及び塩分子、並びにそれらの共鳴周波数の特性が異なるためである。ある実施形態では、時間依存の電気信号は、連続した周期的な周波数を有する。すなわち、第１の周波数は、水分を測定し、第２の、異なる周波数は、塩分を測定する。従って、時間依存の電磁場は、少なくとも１つの周波数を有している。
【００１６】
物体の少なくとも１つの物理的パラメータ（物体の水分含有量及び／又は密度とすることができる。）を測定するために、参照チャネルを用いるのが便利である。ある実施形態では、装置は、結合器を備え、結合器は、送信器（伝送アンテナとすることができる。）と受信器の間の電気信号を分割し、受信器へ向けられた電気信号の一部は、参照チャネルを通過し、参照信号として用いられる。好ましくは、ソース信号の半分が参照チャネルを通過し、半分が送信アンテナを通過する。
【００１７】
物体が測定されるとき、物体は静止していてもよく、又はコンベアベルトのような移送手段により移送されていてもよい。送信及び受信アンテナは、通常は、物体の上方の適切な位置で近接しており、そのアンテナ指向性図は、物体に向けられる。減衰測定のため、送信及び受信アンテナは、偏光が互いに直交している。
【００１８】
さらに、素材の誘電率を測定するために、素材の厚さを測定できることが重要である。これを測定する１つの方法は、送信アンテナの近くであって、偏光子に対して物体の上方に位置する第２の受信アンテナを実装することである。垂直偏光信号は、素材が存在しないときと、素材が存在するときの距離の差を測定する。好ましくは、受信マイクロ波の偏光方向は、この場合、送信マイクロ波と同一である。同一の目的のため、超音波を用いることもできる。
【００１９】
本発明は、別の観点では、
・   時間依存の第１の電気信号を生成し、第１の電気信号の少なくとも一部をマイクロ波に変換し、
・   マイクロ波を物体に向けて送信し、
・   物体に隣接すると共に、送信器に向かい合って配置された偏光子によって、送信マイクロ波を反射させ、反射マイクロ波の偏光の少なくとも一部を回転させ、
・   物体に向かい合って配置され、送信波の受信された部分を第２の電気信号に変換する受信器で、偏光子からの反射マイクロ波の回転した部分を受信し、
・   第２の電気信号を解析し、少なくとも１つの物理的パラメータを測定する工程を備え、
物体に向けてマイクロ波を送信し、反射を測定することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法を提供する。
【００２０】
ある実施形態では、ソースからの時間依存の電気信号は、二分割され、一部は、参照チャネルを通過し、一部は、偏光板から受信手段に向かう。その後、２つの信号は、再び足し合わされる。足し合わされた信号は、例えば偏光板に素材が存在しないときに、参照位相及び／又は参照レベルを有する参照信号として用いられる。物体が偏光板に存在するときの、参照位相及び参照レベルからのずれは、物体の複素比誘電率を測定するのに用いられる。参照位相又は周波数のシフトは、誘電率ε'を求めるのに用いることができ、参照レベルのシフトは、物体の損失因子ε"を計算するのに用いることができる。ε'及びε"を計算するに際し、重要となる他のパラメータは、マイクロ波が通過する素材の厚さである。このパラメータは、例えば、偏光子に対して物体の反対側に配置される第２の受信手段を用いて、測定することができる。第２の受信手段は、好ましくは、送信マイクロ波と同じ偏光方向のマイクロ波を検出するように調整される。その結果、物体からの反射マイクロ波の一部は、測定され、参照信号（例えば、物体がないときの信号）と比較される。この参照信号からの位相シフトは、物体の高さを測定するために用いられる。アパーチャと偏光板の間の距離と送信ホーンからの放射角を知ることにより、有効測定エリアを決定することができる。従って、厚さと共に、体積も計算される。
【００２１】
送信マイクロ波は、直線偏光であってもよく、受信手段が検出する反射波の偏光部分は、送信マイクロ波に対して、好ましくは、９０°偏光されている。偏光子は物体の下に配置され、この偏光を有するマイクロ波は、物体を通過したはずであり、物体全体を通過した送信波の一部のみが検出されることが保証される。素材での位相変化及び減衰変化を測定する一つの方法は、参照チャネルを用いることである。参照チャネルからの信号と偏光子を反射する信号の和は、素材が存在しないとき、参照チャネルにある調整可能な減衰器と位相シフターの助けを借り、ゼロになる。直線偏光のマイクロ波でなく、例えば、素材中の繊維の大部分が一方向（例えば、送信ホーンに垂直な方向）を向いている場合、円偏光のものも用いることができる。
【００２２】
さらに、水分含有量は、浮力が既知かつ一定であって、そのため、体内の脂肪及び水の関係が経験則により確立されている場合、魚のような物体の脂肪濃度を測定するのに用いることができる。これは、履歴データを用いて達成することができる。
【００２３】
詳細な説明
次に、添付図面と関連させて、特定の好ましい実施形態において、本発明をより詳しく説明する。
【００２４】
図１は、水分含有量を測定するために本発明の方法を用いて、装置の１つの実施形態がどのように使用されるのかを示すフローチャートである。装置は、結合器２の左に示すマイクロ波放射ソース１を備える。好ましい実施形態では、マイクロ波放射ソース１は、周波数が特定の周波数帯域幅に渡って、好ましくは線形に、時間変化するマイクロ波を連続して送信する走査型ソースである。ソースは、１より多くの中心周波数を送信するように構成することもできる。走査型ソース１は、結合器２に信号を送る前にスイッチ１５から信号を受け取る。スイッチ１５は、どの中心周波数が送信されるのかを決定する。
【００２５】
走査型ソース１からの信号は、適切なレベルに増幅された後、結合器２で分割される。信号の一部は、参照チャネルを通って、受信器７に向かい、信号の残りは、測定チャネルにある送信アンテナ４に向かう。２つの異なる方向に向かう信号は同一であり、各部分は、正確に元の信号の５０％であることが好ましい。
【００２６】
本発明の原理を逸脱することなく、測定サンプルは、連続的に流れるバルク素材に代えることができることは理解されるであろう。図解の目的のため、単一の測定サンプルのみを用いて、装置の説明を行う。
【００２７】
マイクロ波は、送信アンテナ４のような手段によりサンプルに向けられる。また、同様の目的で、平面アンテナを用いることもできる。
【００２８】
ソース信号１０ａは、非常に高い周波数のマイクロ波信号であり、所定の帯域幅に渡って、中心周波数のすぐ下の周波数から、中心周波数のすぐ上の周波数まで、ソース発振器を線形に走査することにより、周波数変調されている。ソース信号の好ましい中心周波数は、サンプル１４の性質によって決まり、周波数の数は、測定する物理的パラメータ、例えば水分、塩分、又はタンパク質の数によって決まる。
【００２９】
ソース信号１０ａは、サンプル１４を通過し、偏光子５に衝突し、反射される。ソース信号１０ａはサンプルを通過すると、減衰し、速度を落とす。この減衰の程度は、ソース信号が衝突するサンプル１４の素材の損失因子ε"によりほぼ決定される。ソース信号がその速度を落とす程度は、素材１４の誘電率ε'によりほぼ決定される。
【００３０】
ソース信号１０ａが偏光子５に衝突すると、偏光子５は、その信号の偏光を受信アンテナ６の偏光に変化させる。送信アンテナ４と受信アンテナ６は、これらの偏光の方向が直交しているという点を除いては、本質的に同一のものである。このことは、サンプル、コンベアベルト、若しくはコンベアベルト超構造、又は周囲にあるものからの反射や、送信アンテナ４から受信アンテナ６への直接放射を受信器７は、検出しないであろうことを意味している。なぜなら、これらの信号は、受信アンテナ６に入るための正しい偏光を有していないからである。システムが校正されると、受信器７は、原理上、システム中のサンプル１４の存在による測定信号の電気的変化のみを検出するであろう。
【００３１】
サンプル１４により、測定チャネルにおいて、追加の位相シフト及び減衰がもたらされるであろう。単一の受信アンテナを備えるのが好ましいが、それより多くの受信アンテナを備えることもできることは理解されるであろう。
【００３２】
ある実施形態では、位相差を測定するために、参照及び測定チャネルの両方において、周波数ミキサーが使用される。別の実施形態では、参照信号８ａは、減衰器及び位相シフター３に向かう。減衰器及び位相シフター３の校正を行い、サンプル１４が無い状態又は特性の分かっているサンプルの存在下で測定チャネルの電気的特性をこのチャネルに複製する。
【００３３】
受信器７は、受信器の入力で参照信号８ｂ及び測定信号１０ｂを逆位相で足し合わせる。参照チャネルにおいて挿入された位相シフト及び減衰は、受信器でゼロ信号を与え、記録される。記録された位相シフト及び減衰は、プロセッサに送られ、物理的パラメータ、例えば水分の計算が行われる。
【００３４】
１より多くの周波数が用いられる装置でも、その方法は、上で述べたものと同じであり、スイッチ１５が、種々の周波数を切り替える。
【００３５】
上述の説明は、１つの実施形態の説明である。一般に、測定は主に４つの方法で行われる。
１.  最も単純な実施形態は、走査型発振器１を用い、参照チャネルで、電気的に制御可能な（プログラム可能な）位相シフター及び減衰器３の両方を用いるものである。この実施形態では、受信器入力で足し合わされる信号が「正確な」逆位相になり、校正周波数で図４の「ゼロ」入力信号４が生成されるまで、受信器が制御する位相シフター及び減衰器３は、調整される。サンプル１４が存在するときの減衰及び位相シフトの両方の変化が記録され、プロセッサに送られる。
【００３６】
２.  ソース１は、非走査型であるが、周波数を制御可能であり、参照チャネルは、電気的に制御可能な減衰器３のみを備える。この場合、発振器周波数及び減衰器３は、受信器７でゼロが生成されるように調整される。
【００３７】
３.  図４で示す周波数レスポンスを受信器で生み出すことができる走査型周波数ソース３が用いられる。受信器の電子回路は、複雑になり、このレスポンス形状の変化（測定物体による位相変化及び減衰変化を示す。）を記録できることが必要になる。この場合、参照チャネルのプログラム可能な位相シフター及び減衰器は、必要でない。なぜなら、より洗練された電子回路により、必要な位相シフト及び減衰情報が与えられるからである。しかし、図３の手動で調整された減衰器及び位相シフター１７は、この場合も存在し、サンプルが存在しないときに、ある周波数で図４の正確な逆位相又はゼロ入力信号２６を得るようにシステムを校正する。
【００３８】
４.  ソース１は、非走査型であり、サンプルの挿入によりもたらされた減衰変化及び位相シフト変化の両方は、別々の水平偏光受信チャネル（一方は振幅、他方は位相）により直接的に測定される。振幅チャネルでは、整流ダイオードが用いられ、サンプルでの減衰の尺度である直流信号レベルが求められる。位相チャネルでは、二重バランス周波数ミキサーが用いられ、サンプルによる位相変化の尺度であるＩ．Ｆ．（直流）信号レベルが求められる。
【００３９】
図２ａ及び２ｂは、本発明の１つの実施形態の概略図であり、非常に簡素なバージョンの装置を示す。マイクロ波ソース１（走査型ソースであってもよい。）は、時間依存の電気信号を生成する。その信号の一部は、結合器２で分割され、参照信号９として用いられる。信号の残りは、送信アンテナ４に向かい、その一部は、偏光子５から反射され、物体１４を通過する。これは、測定信号１１と呼ばれる。
【００４０】
図３は、本発明で用いられる装置の第２の例示の実施形態の概略図である。この装置は、図２の装置と同様に、サンプル（タバコ）の水分及び塩分含有量を測定する。サンプルは、静止していてもよく、コンベアベルト上を移動していてもよい。
【００４１】
この装置は、２つの周波数を用い、水分及び塩分含有量という２つの異なる物理的パラメータを測定する。従って、スイッチ１５は、受信器７からの信号を受け取った後、８ＧＨｚと１２ＧＨｚとを切り替える。他の周波数を用いても同一の結果が得られる。
【００４２】
装置は、マイクロ波放射ソース１を備える。走査型ソース１は、結合器２に信号を送る前にスイッチ１５からの信号を受け取る。走査型ソース１からの信号は、適切なレベルに増幅された後、結合器２で分割される。信号の一部は、参照チャネルを通って、参照信号８ａとして受信器７に向かい、信号の残りは、測定信号１０ａとして、送信アンテナ４に向かう。２つの異なる方向に向かう信号は理想的には同一のものであり、各部分は、正確に元の信号の５０％であることが好ましい。
【００４３】
マイクロ波は、送信アンテナ４からサンプルに向けられ、送信される。ソース１は、非常に高い周波数のマイクロ波発振器であり、その周波数は、所定の帯域幅に渡って、線形に時間変化することを繰り返す。
【００４４】
送信信号の一部１１は、サンプル１４を通過し、偏光子に衝突し、反射される。送信信号の別の部分２５は、その信号がサンプルに衝突するときに反射される。その部分は、垂直偏光の受信アンテナ１９により受信され、第１の反射による位相シフトを検出することにより、サンプル１４の厚さを測定するのに用いられる。サンプル１４を通過し、偏光子に衝突した部分は、反射し、偏光が変化した後、水平偏光の受信アンテナ６により受信される。
【００４５】
参照信号８ａは、手動で調整された減衰器及び位相シフター１７に向かい、次に、プログラム可能な／可変の減衰器及び位相シフター１８に向かう。手動で調整される減衰器及び位相シフター１７は、対象が存在していないときに、周波数走査おける、ある周波数において足し合わされた信号が０になるように、装置がセットされた後に、信号を校正するのに用いられる。サンプルが存在すると、測定チャネルのマイクロ波の減衰及び位相シフトは大きくなり、信号１０ｂは、アンテナ６に向かうときには弱くなっている。次に、受信器７は、信号を送り、プログラム可能な／可変の減衰器及び位相シフター１８を調整し、再度、足し合わされた信号をゼロにする
【００４６】
赤外線温度計２０は、サンプル１４の温度を測定し、受信器に信号を送り、種々の温度に対して複素比誘電率の測定値を補正する。
【００４７】
受信器７は、参照信号８ｂと測定信号１０ｂとを逆位相で足し合わせる。位相シフト及び減衰１８が正しく調整されると、ゼロが検出される。このことは、８ｂでの減衰は、１０ｂでの減衰と同一であることを意味する。次に、参照チャネルでの位相シフト及び減衰が記録される。検出された位相シフト及び減衰は、プロセッサに送られ、そこでは、数値が意味のある情報に計算され、変換される。
【００４８】
図４は、サンプルのε'及びε"を計算するのに用いられる受信器７からの電気信号の一例を示す。ｘ軸は、ソースの周波数走査を示し、ｙ軸は、信号の強度を示す。最初に、サンプルのない状態で、レスポンス２６を与えるようにシステムを調整する。サンプルが存在するとき、素材での損失のため、送信マイクロ波の減衰は大きくなり、また、位相変化も生じるであろう。参照チャネルでは信号は変化しないので、サンプルが存在するとき、参照信号と測定信号の和は変化し、これは、レスポンス曲線２７で示される。水平方向の差は、サンプルによる位相変化を示し、垂直方向の差は、サンプルによる減衰変化を示し、これらのパラメータは、公知の公式によりε'及びε"を計算するのに用いられる。
【００４９】
湿潤質量及び密度の何れも、対象（例えば、タバコ、木、又はトウモロコシ）によって決まる履歴なデータに基づいて測定することができる。これらの対象は、位相シフトや減衰と実際の水分含有量や密度との間にそれぞれ独自の関係を有している。公式を用いる代わりに、装置からデータを集め、実際の水分や密度の値にフィットさせることもできる。
【００５０】
図４において、曲線２６は、図２ａのように測定サンプルがないときの測定信号を示す。この場合、測定信号は、参照信号と同一であるが、偏光が異なっている。従って、参照信号と測定信号の和は、走査における、ある周波数でゼロになる。参照値は、水分が存在しないときは、０である。
【００５１】
測定曲線２７は、信号が水分を含むサンプルを通過するときのものである。この場合、サンプルは信号を５０％低減又は減衰させる。参照信号が変化しないので、参照信号と測定信号の和は、垂直方向（減衰軸）に５０％変化する。サンプルが純水（全てのマイクロ波を吸収する。）であれば、測定信号はゼロに減衰され、参照信号のみが受信され、参照信号の減衰レベルは直線になる。
【００５２】
さらに、曲線２７は、周波数走査に対するマイクロ波の位相シフトを示す。位相シフトは、信号の極小位置から分かり、ｆ0からｆ1へ左に移動する。この位相シフトは、上述の通り、サンプルの密度を計算するのに用いられる。
【００５３】
複素比誘電率を用いて密度を計算し、密度の公式ρ＝（ｍwet＋ｍdry）／Ｖを用い、湿潤質量ｍwetを知り、物体の体積が分かると、乾燥質量ｍdryを計算することができる。図３に示すように、垂直偏光の受信アンテナ１９を用いて、サンプル１４の厚さを測定し、それを定期的に登録することにより、その体積を概算することができる。物体が一定の速度でコンベアベルトにのって運ばれているのであれば、その物体を、高さが固定され、厚みが異なるいくつかの部分に分けることができる。
【００５４】
図５は、平行金属ワイヤ２８からなり、偏光板の水平面に位置し、送信された波の少なくとも一部を回転させる偏光子の１つの実施形態を示す。これらのワイヤは、プラスチック素材のような非反射性媒体２９により支持することができる。偏光板の下層は、金属板３０のような反射性素材にすることができる。マイクロ波が偏光板に衝突すると、その一部は、ワイヤに衝突し、偏光を回転させ、また、一部は、ワイヤ間を通過し、支持素材を通り、下板３０から反射される。送信アンテナ４と受信アンテナ６の間の線に平行に配置された偏光板の側面と、４５°で等しい２つの角度３１、３２を有することにより、送信アンテナ４からの入射マイクロ波と、下板３０から反射されるマイクロ波（非反射性媒体２９から外に出るときに金属ワイヤ２８に衝突する。）の両方の偏光で９０°の回転が保証される。
【００５５】
次の実施例により、さらに本発明の例証を行う。これは、如何なる限定をも意図するものではない。
実施例
次の実施例は、９つのサンプルの茶葉について行った実験に基づく。各サンプルは、約１００ｇであり、５％の水分から２０％水分まで種々の水分含有量である。２つの走査周波数が用いられた。１つは、約８ＧＨｚであり、もう１つは、約１２ＧＨｚであった。このサンプルについて、減衰の測定は行ったが、位相変化は測定しなかった。この実験では、図６に示すように、減衰とサンプルの実際の水分含有量との関係は線形であった。高い相関係数が得られ、その値は、８ＧＨｚでは０．９９１４、１２ＧＨｚでは０．９７８９であった。相関係数とは、０から１までの因子であり、データの各点がどの程度、フィットラインに合っているのかを示す。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】水分含有量を測定するために、本発明の方法を用いて、１つの実施形態がどのように使用されるのかを示すフローチャートである。
【図２】図２ａと２ｂは、本発明の方法を用いて使用される装置の１つの実施形態の概略図である。
【図３】水分含有量を測定するために、本発明を用いて使用される第２の実施形態の概略図である。さらに、この実施形態は、測定物体の奥行きも測定し、それ故に、その密度を測定する。
【図４】送信ビーム中の物体の存在に対する電気反応のサンプルを示すグラフであり、測定物体の密度と、測定物体の湿潤質量とを計算するのに用いられる
【図５】偏光子の１つの実施形態を示す。
【図６】装置での実験からの結果を示す。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成15年5月5日(2003.5.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・時間依存の電気信号を生成するソース、
・物体に近接して配置され、時間依存の電気信号をマイクロ波に変換し、物体に向けてマ  イクロ波を送信する送信器、
・物体に隣接し、送信器と反対側に配置され、送信波の偏光の少なくとも一部を回転させ  、所定の偏光方向の送信波を反射させる偏光子、
・偏光子に対して物体の反対側に配置され、物体を二度通過した所定偏光方向の反射マイ  クロ波を受信し、それを電気信号に変換する受信器、
・前記送信器及び前記受信器は、偏光が互いに直交し、
・物体の少なくとも１つの物理的パラメータを計算するために、電気信号を利用するコン  ピュータシステムと
を備え、物体に向けてマイクロ波を送信し、反射マイクロ波を解析することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する装置。
【請求項２】
ソースを制御する制御電子回路をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
偏光子は、送信波の少なくとも一部を回転させるために板の水平面に配置された複数の平行ワイヤを有する板である請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
偏光子の厚さは、マイクロ波の波長の１／４である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
送信器と受信器の間の電気信号を分割する結合器を備え、受信器への電気信号の一部は、参照チャネルを通過し、参照信号として用いられる前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
物体が測定されるとき、物体は移送されている前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの物理的パラメータは、物体の水分含有量及び／又は密度である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
受信器は、アンテナである前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
受信器は、ダイオードである前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
送信マイクロ波は、直線偏光である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
送信マイクロ波は、円偏光である前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
反射マイクロ波の少なくとも一部を受信するために、偏光子に対して物体の反対側に配置された第２の受信器をさらに備える前記請求項のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
・時間依存の第１の電気信号を生成し、第１の電気信号の少なくとも一部を偏光マイクロ  波に変換し、
・偏光マイクロ波を物体に向けて送信し、
・物体に隣接すると共に、送信器に向かい合って配置された偏光子によって、送信マイク  ロ波を反射させ、反射マイクロ波の偏光の少なくとも一部を回転させ、
・物体に向かい合って配置され、送信波の受信された部分を第２の電気信号に変換する偏  光受信器で、物体を二度通過した偏光子からの反射マイクロ波の回転した部分を受信し  、受信器は、送信器に対して、偏光が直交し、
・第２の電気信号を解析し、少なくとも１つの物理的パラメータを測定する工程を備え、
物体に向けてマイクロ波を送信し、物体を二度通過した波の反射を測定することにより物体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定する方法。
【請求項１４】
第１の電気信号の一部は、参照チャネルを通って受信手段に向かい、参照信号として用いられる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
生成されたマイクロ波の一部と、偏光子からの反射マイクロ波の、回転されると共に受信された部分は、周波数ミキサーに与えられ、生成されたマイクロ波と物体によって反射されたマイクロ波との間の位相シフトを測定する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
第２の電気信号と参照信号の和は、少なくとも１つの物理的パラメータを測定するために用いられる請求項１３から１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
第２の電気信号は、少なくとも１つの物理的パラメータを測定するために用いられる請求項１３から１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
所定の偏光方向の反射マイクロ波の少なくとも一部を受信するために、偏光子に対して物体の反対側に配置された第２の受信手段をさらに備え、受信マイクロ波は、電気信号に変換され、参照信号に関連する電気信号の位相シフトは、物体の高さを測定するために用いられる請求項１３から１７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
信号の減衰レベルと位相シフトは、物体の誘電率及び損失因子を計算するために用いられる請求項１３から１８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２０】
物体の誘電率及び損失因子は、物体の密度を計算するために用いられる請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
物体の誘電率及び損失因子は、物体の水分含有量を計算するために用いられる
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つの物理的パラメータは、物体の脂肪含有量、塩分含有量、及び水分含有量の１又はそれ以上からなる請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
物体の体積、密度、及び水分含有量は、物体の乾燥重量を測定するために用いられる請求項１８から２２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項２４】
物体の少なくとも１つの物理的パラメータの測定は、履歴データに基づく請求項１３から２３のいずれか１つに記載の方法。


【国際調査報告】
2005516181.tif 000010
2005516181.tif 000011
2005516181.tif 000012