(57)【要約】【課題】  樹脂フィルム、表面コート膜等の薄い被測定物の誘電率を精度よく測定する誘電率測定の技術を提供する。【解決手段】  互いに平行に配置された二つの対向電極と、該対向電極間の静電容量を検出する回路と、対向電極間において被測定物を電極面と垂直な方向に移動する機構とを備え、被測定物が少なくとも２点以上の異なる相対位置にあるときの前記対向電極間の静電容量のデータを取得し、取得した静電容量にもとづき予め設けられた誘電率テーブルを参照して被測定物の誘電率を算出することを特徴とする誘電率測定装置。【選択図】図１
2008014726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に配置された二つの対向電極と、
該対向電極間の静電容量を検出する容量検出回路と、
前記対向電極間において被測定物を前記対向電極の電極面と垂直な方向に移動する移動機構とを備え、
前記被測定物が少なくとも２点以上の異なる相対位置にあるときの前記対向電極間の静電容量のデータを取得する手段と、
取得した前記静電容量にもとづき予め設けられた誘電率テーブルを参照して前記被測定物の誘電率を算出する手段とを有することを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項２】
取得した前記静電容量をもとに被測定物が前記対向電極間に挿入されていない場合の静電容量を基準値とする変化量について２点位置の比の値を求め、該比の値から予め設定された誘電率テーブルを参照して被測定物の誘電率を決定することを特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項３】
前記対向電極に対する被測定物の位置を移動しながら静電容量を取得し、前記静電容量の最大値と最小値を求め、該最大値と該最小値から予め設定された誘電率テーブルを参照して被測定物の誘電率を決定することを特徴とする請求項１に記載の誘電率測定装置。
【請求項４】
誘電率が既知の基板に被測定物が載せられて、該被測定物と該基板が同時に前記対向電極間に挿入された場合に適用する誘電率テーブルを用意することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘電率測定装置。
【請求項５】
互いに平行に配置された二つの対向電極と、
該対向電極間の静電容量を検出する容量検出回路と、
前記対向電極間において被測定物を前記対向電極の電極面と垂直な方向に移動する移動機構とを備える装置における誘電率測定方法であって、
前記被測定物が少なくとも２点以上の異なる相対位置にあるときの前記対向電極間の静電容量を取得するステップと、
取得した前記静電容量にもとづき予め設けられた誘電率テーブルを参照して前記被測定物の誘電率を算出するステップとを有することを特徴とする誘電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に挿入する被測定物を移動させることによって変化する電極間の静電容量を測定し、樹脂フィルム、表面コート膜等の薄い被測定物の誘電率を精度よく測定する誘電率測定の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、材料の誘電率を測定する方法として、試料を空洞共振器のなかに入れてマイクロ波の共振を調べる方法や、試料を対向する平板電極で挟み込んで、対向電極間の静電容量値が挟みこまれた物質の誘電率を反映することを利用して求める方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
対向電極間に誘電率ε＝ｋε０（ｋは比誘電率、ε0 は真空の誘電率）の被測定物が満たされていれば、理想的な平行平板間の静電容量は、
Ｃ＝ε０ｋＡ／ｄ  （Ａ：電極面積、ｄ：電極間距離 )      （式１）
から誘電率を求めることができる。また、電極間距離ｄよりも薄い厚さｔのシート状の物質が電極間に挿入された場合には、その静電容量は、次の式２で表される。
Ｃ＝Ａε０ｋ／〔ｔ＋ｋ（ｄ−ｔ）〕        （式２）
さらに、ｔがｄよりもずっと小さい場合には、式３のように近似することができる。
Ｃ〜（Ａε０／ｄ）＊〔１＋（ｔ／ｄ）＊（ｋ−１）／ｋ〕（ｔ／ｄ＜＜１）（式３）
上記の式２または式３を使って、シートの厚みｔが分かっていれば、静電容量値から挿入したシートの比誘電率を求めることができる。
【０００４】
しかしながら、試料を共振器に入れる測定方法や電極で挟む測定方法は、測定したい材料から共振器や対向電極に適合させるために、試料片を切り出すなどの準備が必要となり、被測定物をそのままの状態で容易に測定できる方法ではない。また、シート状の被測物を対向電極間に挟み込めばそのままの状態でも測定できるが、被測定物に傷をつけたりする危険性がある。
【０００５】
対向電極間にシート状の被測定物を挿入して接触させずに、式２または式３にしたがって測定する場合には、シートの厚みが既知であることが条件となる。また、式２または式３は、電極間間隔ｄに較べて電極のサイズがはるかに大きい場合に成り立つものであるが、実際には、電極のサイズは比較的小さいことが多いため、式２または式３による静電容量の値とは大きなズレが生じてくる。
【非特許文献１】日本化学会編、第５版「実験化学講座」第７巻、ｐ１８１−１８３、丸善発行（２００４年３月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した問題を解決するために、本発明では、平行に配置された対向電極間において被測定物を移動する機構と電極間の静電容量を検出する回路とを備えた誘電率測定装置によって、樹脂フィルム、表面コート膜等の薄い被測定物の誘電率を精度よく測定する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第一の発明は、互いに平行に配置された二つの対向電極と、該対向電極間の静電容量を検出する容量検出回路と、前記対向電極間において被測定物を前記対向電極の電極面と垂直な方向に移動する移動機構とを備え、前記被測定物が少なくとも２点以上の異なる相対位置にあるときの前記対向電極間の静電容量のデータを取得する手段と、取得した前記静電容量にもとづき予め設けられた誘電率テーブルを参照して前記被測定物の誘電率を算出する手段とを有することを特徴とする誘電率測定装置に関する。
【０００８】
すなわち、第一の発明によれば、本誘電率測定装置は、対向電極と該対向電極間の静電容量を検出する回路と、被測定物の対向電極に対する相対位置を対向電極の電極面と垂直な方向に移動する機構を備えた装置であり、データ取得手段によって電極面に垂直な方向において被測定物の対向電極に対する相対位置が異なる２点以上で電極間の静電容量のデータを取得し、算出手段が、例えば、予め定めた２つの位置の静電容量から誘電率および厚みを導きだす形式で用意された誘電率テーブルに照らし合わせて被測定物の誘電率を導き出す構成とすることによって、被測定物が薄いシートであっても精度よく効率的に誘電率を求めることが可能となる。
【０００９】
第二の発明は、取得した前記静電容量をもとに被測定物が前記対向電極間に挿入されていない場合の静電容量を基準値とする変化量について２点位置の比の値を求め、該比の値から予め設定された誘電率テーブルを参照して被測定物の誘電率を決定することを特徴とする上記第一の発明に記載の誘電率測定装置に関する。
【００１０】
すなわち、第二の発明によれば、本誘電率測定装置は、被測定物の対向電極に対する相対位置が電極面に垂直な方向において異なる２点での電極間の静電容量のデータを取得したら、被測定物が電極間に挿入されていない場合の基準の静電容量値からの変化量の２点の比の値を求め、予め与えられた比の値から誘電率を決める誘電率テーブルに照らし合わせることによって、被測定物の誘電率が精度よく効率的に求めることができる。
【００１１】
第三の発明は、前記対向電極に対する被測定物の位置を移動しながら静電容量を取得し、前記静電容量の最大値と最小値を求め、該最大値と該最小値から予め設定された誘電率テーブルを参照して被測定物の誘電率を決定することを特徴とする上記第一の発明に記載の誘電率測定装置に関する。
【００１２】
すなわち、第三の発明によれば、本誘電率測定装置は、対向電極のすきま全体に被測定物の相対位置を移動し、静電容量値の最小値と最大値を求め、予め用意してある最小値と最大値から誘電率および厚みを求める誘電率テーブルを使う構成とすることによって、被測定物の誘電率を精度よく効率的に求めることが可能となる。
【００１３】
第四の発明は、誘電率が既知の基板に被測定物が載せられて、該被測定物と該基板が同時に前記対向電極間に挿入された場合に適用する誘電率テーブルを用意することを特徴とする上記第一乃至第三の発明のいずれかに記載の誘電率測定装置に関する。
【００１４】
すなわち、第四の発明によれば、本誘電率測定装置は、特性が既知の基板に被測定物を載せ、被測定物と基板を同時に対向電極間に挿入して容量値の検出を行い、予め用意してある、被測定物が既知の基板に載せられている場合に適用すべき誘電率テーブルよって、被測定物の誘電率や厚みを求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明により以下の効果が生まれる。
【００１６】
本誘電率測定装置は、対向電極と該対向電極間の静電容量を検出する回路と、被測定物の対向電極に対する相対位置を対向電極の電極面と垂直な方向に移動する機構を備えた装置であり、データ取得手段によって電極面に垂直な方向において被測定物の対向電極に対する相対位置が異なる２点以上で電極間の静電容量のデータを取得し、算出手段が、例えば、予め定めた２つの位置の静電容量から誘電率および厚みを導きだす形式で用意された誘電率テーブルに照らし合わせて被測定物の誘電率を導き出す構成とすることによって、被測定物が薄いシートであっても精度よく効率的に誘電率を求めることができる。
【００１７】
すなわち、本発明によれば、シート状の物体の誘電率を、試料を切り出す準備などの手間がなくなり、十分に実用的な精度で求めることが可能となる。
【００１８】
また、被測定物の対向電極に対する相対位置が電極面に垂直な方向において異なる２点での電極間の静電容量のデータを取得したら、被測定物が電極間に挿入されていない場合の基準の静電容量値からの変化量の２点の比の値を求め、予め与えられた比の値から誘電率を決める誘電率テーブルに照らし合わせることによって、被測定物の誘電率が精度よく効率的に求めることができる。
【００１９】
また、対向電極のすきま全体に被測定物の相対位置を移動し、静電容量値の最小値と最大値を求め、予め用意してある最小値と最大値から誘電率および厚みを求める誘電率テーブルを使う構成とすることによって、被測定物の誘電率を精度よく効率的に求めることが可能となる。
【００２０】
さらに、特性が既知の基板に被測定物を載せ、被測定物と基板を同時に対向電極間に挿入して容量値の検出を行い、予め用意してある、被測定物が既知の基板に載せられている場合に適用すべき誘電率テーブルよって、被測定物の誘電率や厚みを求めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態になる誘電率測定装置の原理構成を示す。誘電率測定装置は、対向電極として互いに平行に配置された電極１と電極２の二つの電極と、その電極間に挿入され、電極面に対し垂直に移動可能なステージに載せられた薄いシート状の被測定物３と、電極間の容量を検出する容量検出回路９と、検出された静電容量を取得して被測定物の誘電率を算出する計算機Ｂとから構成されている。
【００２３】
対向電極間（電極１／電極２間）の隙間に薄いシート状の被測定物３を挿入した場合、対向電極間の静電容量は、理想的には、上記した式３として表されるが、電極の面積が比較的小さい場合には（例えば、電極の直径が電極間の隙間の10倍以内程度）、理想的な式とは違い、とくに、被測定物３（または単にシートともいう）の位置が対向電極の隙間のどこにあるかで静電容量の値が変化することが、実験や有限要素解析の結果により分かった。以下に、有限要素解析で得られた被測定物３の挿入位置によって変化する静電容量の結果について説明する。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態になる被測定物の挿入位置と対向電極間の静電容量の関係を示す。図２（ａ）は、被測定物３であるシートの厚みｔが、隙間ｄの２０分の１の場合の有限要素解析の結果を示し、図２（ｂ）は、シートの厚みｔが、隙間ｄの１０分の１の場合の有限要素解析の結果を示している。ここで、対向電極の隙間内における被測定物３の位置を横軸に、静電容量値をシートが存在しない場合からの変化量として表した静電容量値を縦軸に示し、シートの位置は、原点を隙間の中央として、端までに距離を１に規格化して表示している。実施例では、比誘電率ｋ＝３とｋ＝１２の場合のデータが示されている。
【００２５】
図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、対向電極間の静電容量値は、隙間の中央部で小さく、端（両端の電極）に近づくと増大する傾向となる。また、この端に近づいて増大する傾向は、シートの比誘電率が大きいほど著しくなっている。
【００２６】
静電容量値は、もちろんシートの厚みによって変化し、図２（ａ）、（ｂ）の比較から、シートの厚みを２倍にした結果、静電容量値はシートの厚みにほぼ比例して２倍に増大するが、誘電率に対する位置依存性は同じ傾向を示している。つまり、誘電率は、静電容量値のシート位置による依存性に影響を与え、また、シートの厚みは全体的に静電容量値を大きくするという性質がある。
【００２７】
隙間の内部の異なる２つの位置、例えば、中央ｘ＝０と端に近い位置ｘ＝０．８で測定した静電容量値の比と、被測定物３の比誘電率ｋの関係を、いくつかのシートの厚みに対して描くと以下の図３が得られる。
【００２８】
図３は、本発明の実施の形態になる２つの挿入位置における対向電極間の静電容量比と比誘電率の関係を示す。シートの厚みｔは、隙間の中央から端（両端の電極）までを１に規格化して表示している。シートの厚みによる影響が少しあるものの、近似的には２つの位置の静電容量値の比と比誘電率とを対応づけることができ、この関係から２つの位置の静電容量値の比から、近似的に被測定物３の誘電率を求めるテーブルを作成することができる。
【００２９】
つまり、２つの位置の静電容量の比を測定し、そのテーブルから誘電率の値を求める誘電率測定装置が可能である。
【００３０】
図４は、本発明の実施の形態になる誘電率測定装置のシステム構成例を示す。本誘電率測定装置は、測定機構機部Ａと、その測定機構部Ａを制御し、静電容量を計測して被測定物３の誘電率を算出する計算機Ｂとから構成されている。
【００３１】
測定機構部Ａは、被測定物３を載せる保持台４が取り付けられた移動ステージ５と、対向電極としての電極１及び電極２をそれぞれ固定する固定部材１’及び固定部材２’と、被測定物の位置を検出する変位センサ６とが取付枠７に取り付けられた構造となっており、さらに、移動ステージ５を駆動するステージ駆動部８、および対向電極に接続し対向電極間の静電容量を検出する容量検出回路９を備えている。
【００３２】
また、対向電極としての電極１、電極２は、それぞれ固定部材１’、固定部材２’に固定され、移動ステージ５により上下に可動する保持台４に被測定物３を載せて静電容量値を測定する。保持台４は、対向電極に対応する部分に穴を開けてある。例えば、対向電極の大きさは直径１０ｍｍの円形であり、上下の電極間の隙間は２ｍｍとしている。保持台４には、電極よりも大きく直径２０ｍｍ程度の穴をあけている。また、保持台４は、電界に影響を与えないように金属ではなく樹脂を使う。さらに、被測定物３の位置は、ステージの位置で求めても良いが、光学式などの変位センサ６を備え、被測定物の位置を求めるようにすると精度が向上する。
【００３３】
さらに、計算機Ｂは、ステージ駆動部８を制御して対向電極間の任意の隙間位置に被測定物３を移動させ、また、容量検出回路９からの出力信号を受けて誘電率の算出部１１に、取得した静電容量のデータを送る制御を行う制御部１０と、被測定物３が少なくとも２点以上の異なる相対位置にあるときの対向電極間の静電容量のデータを取得するデータ取得手段１０１、取得した前記静電容量にもとづき予め設けられた誘電率テーブル１２を参照するテーブル参照手段１０２、および該誘電率テーブル１２から被測定物３の誘電率を算出する算出手段１０３を有する算出部１１から構成されている。
【００３４】
なお、図４では、被測定物３の位置を移動ステージ５によって移動する構成としているが、対向電極の方を移動する構成とすることでもよい。
【００３５】
図５は、本発明の実施の形態になる誘電率測定装置において被測定物を固定する保持台の構成例を示す。図５（ａ）は、電極に対応する部分に貫通孔を設けた場合の保持台４の例であり、図５（ｂ）は、電極に対応する部分に貫通孔を設けない場合の保持台４の例を示している。
【００３６】
対向電極の隙間には、被測定物３のみを挿入して静電容量値を求めたいので、図５（ａ）のように被測定物の保持台４としては、対向電極の部分に穴の開いているものが適している。しかし、そのような穴の開いている台では保持できない場合、図５（ｂ）に示すように、保持台４と被測定物３を一緒に対向電極の隙間に挿入しなければならない。この場合、保持台４による静電容量値の変化と、被測定物３による静電容量値の変化の両方が生じるので、保持台３の影響を考慮して作成した誘電率テーブル１２を用意しておき、被測定物３の誘電率を求めることとなる。したがって、被測定物３による静電容量変化を分かりやすくするには、保持台４は誘電率の小さいものが適している。
【００３７】
図６は、本発明の実施の形態になる誘電率テーブルのデータ構成例を示す。図６（ａ）は、２点位置における静電容量値の比をパラメータとした場合で、被測定物３が中央位置（Ｐ＝０）にあるときの静電容量値との組合せになる誘電率および厚さのデータを示しており、また、図６（ｂ）は、２点位置における静電容量値をパラメータとした場合で、中央位置（Ｐ＝０）の静電容量値と端部近くの位置（Ｐ＝０．８）における静電容量値の組合せになる誘電率および厚さのデータを示している。
【００３８】
本実施例では、図３に示したように厚みも２つの位置の静電容量値の比に若干影響を与えるので、２つの位置での静電容量値の比と静電容量の大きさを同時に考慮するように、比と大きさの組に対して、誘電率、厚みの分かっている試料による実験データ、または有限要素解析により誘電率テーブル１２を作成している。
【００３９】
また、被測定物３の対向電極に対する位置による静電容量変化を明確に生じさせるために、本発明では、対向電極の大きさ（例えば、直径) と対向電極の隙間の比は、１０：１程度以下としている。また、シート状の被測定物３の厚みは対向電極の隙間の１０分の１程度までの範囲で測定可能としている。
【００４０】
本発明は、被測定物であるシートの厚みが未知の場合にも誘電率を決定する方法を提供するものである。従来の隙間の中央にシートを置いて静電容量値を測定する方法では、たとえ厚みが分かっていても、誘電率による静電容量の変化が小さいために精度よく誘電率を求めることができないが、本発明の方法によれば、誘電率の影響の大きい中央からずれた位置での静電容量値も用いているため、精度よく誘電率を求めることが可能となる。
【００４１】
また、位置の誤差を防ぐために対向電極の隙間全体に被測定物３を移動し、それぞれの位置で静電容量値を取得し、静電容量値の最大値と最小値から誘電率を求めるように誘電率テーブル１２を準備することができる。この場合、最小値は、隙間の中央に被測定物３が位置している状態、最大値は、隙間の一番端（電極近傍）に被測定物３が位置している状態となっている。
【００４２】
図７は、本発明の実施の形態になる誘電率測定の処理フローを示す。まず、ステップＳ１１において、被測定物３を保持台４にセットする。つぎに、ステップＳ１２において、移動ステージ５を移動させ被測定物３を電極間のセンタに位置合わせする。そして、ステップＳ１３において、被測定物３が電極間のセンタ位置にあるときの静電容量を測定する。
【００４３】
さらに、ステップＳ１４において、被測定物３を移動させて電極端部に位置合わせし、ステップＳ１５において、被測定物３が端部位置にあるときの電極間の静電容量を測定する。そして、ステップＳ１６において、これら中央位置および端部位置にあるときに電極間で検出された静電容量は、被測定物３が電極間に存在しないときの静電容量に対する変化量である静電容量値に変換し、かつ、これら２つの静電容量値の比を求め、この比の値から誘電率テーブル１２を検索して被測定物３の誘電率を決定する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置の原理構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる被測定物の挿入位置と対向電極間の静電容量の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる２つの挿入位置における対向電極間の静電容量比と比誘電率の関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置のシステム構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置において被測定物を固定する保持台の構成例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になる誘電率テーブルのデータ構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態になる誘電率測定の処理フローを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ  測定機構部
Ｂ  計算機
１、２  電極
１’、２’  固定部材
３  被測定物
４  保持台
５  移動ステージ
６  変位センサ
７  取付枠
８  ステージ駆動部
９  容量検出回路
１０  制御部
１１  算出部
１２  誘電率テーブル
１０１  データ取得手段
１０２  テーブル参照手段
１０３  算出手段
【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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