(57)【要約】【課題】電子材料のマイクロ波帯における誘電率測定を、広い温度範囲で効率的に行えるようにする。【解決手段】加熱冷却装置１８で温度調整した不凍液を液圧循環管路２４を通して恒温槽７へ供給し、またドライエア発生手段からのドライエアを管路１８ｂを通して不凍液と熱交換し、それを恒温槽７に収容された空洞共振器４内へ供給することで、空洞共振器４内の温度制御を行う。不凍液は循環利用でき、またドライエアはそのガス源が大気であるので、ランニングコストが低くかつ安全な環境での測定ができる。また空洞共振器を銀媒体で包んでその中にドライエア導入路を設け、ドライエアが空洞共振器内で均一に流れるようにして空洞共振器内の温度分布の均一化を図る。これは温度制御時間の短縮化及び測定精度向上に寄与する。【選択図】図１
2008116385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温槽と、
熱媒体液の温度を設定された温度に加熱／冷却して前記恒温槽へ供給することによって前記恒温槽内の温度が前記設定された温度となるように制御するための加熱冷却装置と、
外気圧より大きい圧力に加圧されたドライガスを発生するためのドライガス発生手段と、
この手段により発生されたドライガスと前記加熱冷却装置により加熱／冷却された熱媒体液との熱交換を行ってドライガスを加熱／冷却しその温度が前記設定された温度となるようにするための熱交換手段と、
前記恒温槽に収容されて当該恒温槽内の熱媒体液により加熱／冷却されるとともにその内部へ前記熱交換手段によって加熱／冷却されたドライガスが供給されることによってその内部温度が前記設定された温度となるように制御される空洞共振器と、
測定対象である試料を保持し保持した試料の空洞共振器への挿入／引き出しを行うための試料供給手段と、
前記加熱冷却装置の動作により前記空洞共振器内の温度が前記設定された温度となった状態で前記試料供給手段により試料の挿入／引き出しを行って前記空洞共振器の共振曲線を測定し、空洞共振器摂動法によって当該試料の誘電率を算出するための誘電率測定算出手段とを備えたことを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項２】
前記熱媒体液は不凍液であり、前記ドライガスはドライエアであ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】
前記空洞共振器を熱伝導度の大きい伝熱媒体で包み、その伝熱媒体の内部にドライガスの導入路及び排出路を設けるとともに、当該導入路及び排出路の各々は、１つのドライガス導入口または１つのドライガス排出口から放射状にのびて空洞共振器内へ通じる複数のガス通路から形成されて成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】
前記試料供給手段は、複数の試料を保持する手段と、この手段に保持された試料を１個ずつ空洞共振器へ挿入する挿入機構を備えたことを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項５】
前記試料供給手段は、空洞共振器から排出されたドライガスの排出路を形成するように構成され、かつ試料が空洞共振器内へ非挿入時にその内部に位置するように構成された挿入筒を備えたことを特徴とする誘電率測定装置。
【請求項６】
複数の恒温槽と、
熱媒体液の温度を設定された温度に加熱／冷却して前記恒温槽の各々へ分配供給することによって前記各恒温槽内の温度が前記設定された温度となるように制御するための加熱冷却装置と、
外気圧より大きい圧力に加圧されたドライガスを発生するためのドライガス発生手段と、
この手段により発生されたドライガスと前記加熱冷却装置により加熱／冷却された熱媒体液との熱交換を行ってドライガスを加熱／冷却しその温度が前記設定された温度となるようにするための熱交換手段と、
前記恒温槽の各々に収容されて当該恒温槽内の熱媒体液により加熱／冷却されるとともにその内部へ前記熱交換手段によって加熱／冷却されたドライガスが供給されることによってその内部温度が前記設定された温度となるように制御される複数個の空洞共振器と、
前記空洞共振器の各々に対して設けられ当該空洞共振器を用いた測定の対象である試料を保持し、保持した試料の当該空洞共振器への挿入／引き出しを行うための複数個の試料供給手段と、
前記加熱冷却装置の動作により前記各空洞共振器内の温度が前記設定された温度となった状態で前記各試料供給手段により試料の挿入／引き出しを行って前記各空洞共振器の共振曲線を測定し、空洞共振器摂動法によって各試料の誘電率を算出するための誘電率測定算出手段とを備えたことを特徴とする誘電率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯における電子材料の誘電率を測定する誘電率測定装置に関わり、特に広い温度範囲で誘電率の温度特性を測定するのに適した装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ波により通信を行う例えば携帯電話機のような電子機器は、小型軽量化とともに高性能化が進んでいるが、この種電子機器の小型、高性能化には、マイクロ波誘電体の材料技術が大きな役割を果たしている。
特にマイクロ波誘電体の高誘電率化と積層化が電子機器の小型化に、またマイクロ波誘電体の低損失化と温度変化の少なさが電子機器の高性能化に大きく貢献しており、これに伴い誘電体の特性評価技術も重要さを増している。
マイクロ波誘電体の誘電特性を評価する評価方法として最も多く採用されているものに、両端短絡形誘電体共振法がある。しかしこの方法は、例えば比誘電率が１０の試料を１ＧＨｚで測定する場合、φ１３１.４×１６５.７mmのサイズをもつ試料を必要とするため、携帯電話機のような小型の電子機器に使用するマイクロ波誘電体の材料評価には適していない。
【０００３】
一方、中程度の比誘電率とQ値を有する材料を評価する方法に、空洞共振器摂動法がある。この方法は、空洞共振器内の電界最大部分に試料を挿入したときと挿入していないときとの空洞共振器の共振周波数とQ値の変化から、試料の複素比誘電率の実数部と虚数部を求める。この方法を用いて温度特性を測定できるようにした誘電率測定装置もすでに実用化されており、例えば非特許文献１及び２に記載されたものがある。
【０００４】
この誘電率測定装置は、恒温槽内に空洞共振器を収容し、ネットワークアナライザよりマイクロ波を印加して、空洞共振器内に試料を挿入しない状態と、試料を挿入したときの共振周波数とQ値を測定し、試料の複素誘電率を測定するように構成されている。恒温槽内の温度は加熱器及び冷却機により例えば−４０℃〜８０℃にわたって可変であり、冷却には炭酸ガスの気化熱が利用されている。また恒温槽内で十分熱交換された乾燥窒素ガスを空洞共振器内へ供給するシリンダを設けて、そのシリンダに試料を挿入しておき、窒素ガス供給方向を切換えて試料を空洞共振器へ出し入れするよう構成されている。これによって試料の出し入れ時に外気が空洞共振器内へ入るのを防止して、共振器内の湿度上昇や結露の防止を行うとともに、空洞共振器の酸化を防いでいる。
【非特許文献１】高橋毅他「摂動法による比誘電率温度特性評価方法」、電子情報通信学会信学技報ＭＷ９６−２７（１９９６−０５）
【非特許文献２】三浦太郎「摂動法による誘電体の評価」、セミナ配付資料（Device Test Symposium 2000, ２０００年７月４日、於新大阪ワシントンホテル）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に引用した従来装置によれば、広い温度範囲で温度を変えながらの誘電率測定が可能である。しかし、恒温槽冷却時に用いる炭酸ガスや試料の移動に用いる窒素ガスはボンベから供給され、使用後にこれらを回収して再利用するのは簡単ではなく、通常は大気中へ放出される。このため測定を行う室内にこれら不活性ガスが充満して人体に害を及ぼさないようにする換気対策が必要であり、また、これらのガスが測定のたびに消費されコストがかかるので、何らかの改善策が求められていた。
【０００６】
本発明はかかる問題を改善するためになされたもので、マイクロ波帯において、広い温度範囲で電子材料等のマイクロ波帯における誘電率測定を容易かつ効率的に行える誘電率測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に関わる本発明の誘電率測定装置は、恒温槽と、熱媒体液の温度を設定された温度に加熱／冷却して前記恒温槽へ供給することによって前記恒温槽内の温度が前記設定された温度となるように制御するための加熱冷却装置と、外気圧より大きい圧力に加圧されたドライガスを発生するためのドライガス発生手段と、この手段により発生されたドライガスと前記加熱冷却装置により加熱／冷却された熱媒体液との熱交換を行ってドライガスを加熱冷却しその温度が前記設定された温度となるようにするための熱交換手段と、
前記恒温槽に収容されて当該恒温槽内の熱媒体液により加熱／冷却されるとともにその内部へ前記熱交換手段によって加熱冷却されたドライガスが供給されることによってその内部温度が前記設定された温度となるように制御される空洞共振器と、測定対象である試料を保持し保持した試料の空洞共振器への挿入／引き出しを行うための試料供給手段と、前記加熱冷却装置の動作により前記空洞共振器内の温度が前記設定された温度となった状態で前記試料供給手段により試料の挿入引き出しを行って前記空洞共振器の共振曲線を測定し、空洞共振器摂動法によって当該試料の誘電率を算出するための誘電率測定算出手段とから構成される。
【０００８】
請求項２に関わる本発明の誘電率測定装置は、前記熱媒体液は不凍液であり、前記ドライガスはドライエアとして構成されたものである。
【０００９】
請求項３に関わる本発明の誘電率測定装置は、前記空洞共振器が熱伝導度の大きい伝熱媒体で包まれ、その伝熱媒体の内部にドライガスの導入路及び排出路を設けられている。そして当該導入路及び排出路の各々は、１つのドライガス導入口または１つのドライガス排出口から放射状にのびて空洞共振器内へ通じる複数のガス通路から形成されている。
【００１０】
請求項４に関わる本発明の誘電率測定装置は、前記試料供給手段が、複数の試料を保持する手段と、この手段に保持された試料を１個ずつ空洞共振器へ挿入する挿入機構を備えている。
【００１１】
請求項５に関わる本発明の誘電率測定装置は、前記試料供給手段が、空洞共振器から排出されたドライガスの排出路を形成するように構成され、かつ試料が空洞共振器内へ非挿入時にその内部に位置するように構成された挿入筒を備えている。
【００１２】
請求項６に関わる本発明の誘電率測定装置は、複数の恒温槽と、熱媒体液の温度を設定された温度に加熱／冷却して前記恒温槽の各々へ分配供給することによって前記各恒温槽内の温度が前記設定された温度となるように制御するための加熱冷却装置と、外気圧より大きい圧力に加圧されたドライガスを発生するためのドライガス発生手段と、この手段により発生されたドライガスと前記加熱冷却装置により加熱／冷却された熱媒体液との熱交換を行ってドライガスを加熱冷却しその温度が前記設定された温度となるようにするための熱交換手段と、前記恒温槽の各々に収容されて当該恒温槽内の熱媒体液により加熱／冷却されるとともにその内部へ前記熱交換手段によって加熱冷却されたドライガスが供給されることによってその内部温度が前記設定された温度となるように制御される複数個の空洞共振器と、該空洞共振器の各々に対して設けられ当該空洞共振器を用いた測定の対象である試料を保持し、保持した試料の当該空洞共振器への挿入／引き出しを行うための複数個の試料供給手段と、前記加熱冷却装置の動作により前記各空洞共振器内の温度が前記設定された温度となった状態で前記各試料供給手段により試料の挿入引き出しを行って前記各空洞共振器の共振曲線を測定し、空洞共振器摂動法によって各試料の誘電率を算出するための誘電率測定算出手段とから構成される。
【発明の効果】
【００１３】
前記請求項１に関わる誘電率測定装置によれば、恒温槽の温度制御を行う熱媒体を液体とすることでその循環利用が容易となるため、経済的であり、またこれが測定中に外気中へ常時排出されることもないから、特別の環境対策を必要としない。また、ドライガスとして人体への影響がない又は影響の少ないガスを用いることにより、やはり特別の環境対策が不必要で、装置構成の経済化に寄与する。
【００１４】
前記請求項２に関わる誘電率測定装置によれば、ドライガスとしてドライエアを、熱媒体液として不凍液を用いれば、安全かつ安価な構成にできるとともに、液相を維持する温度範囲の大きい不凍液を用いれば広い測定温度範囲を実現できる。
【００１５】
前記請求項３に関わる誘電率測定装置によれば、伝熱媒体として例えば熱伝導度の大きい銀を用いると、恒温槽内の熱媒体液と空洞共振器内のドライガスとの熱交換が効率よく行われる。またこの銀の伝熱媒体の中に放射状の気体流通路を形成することで、ドライガスが空洞共振器内をより均一に流れ、空洞共振器内温度の均一化に効果がある。
【００１６】
前記請求項４に関わる誘電率測定装置によれば、試料供給手段が複数個の試料を交互に空洞共振器内へ挿入できるようにすることで、１つの測定温度における複数試料の測定が容易に行え、複数試料の測定効率を向上できる。
【００１７】
前記請求項５に関わる誘電率測定装置によれば、試料供給手段に試料挿入筒を設けることで、試料の空洞共振器への挿入／非挿入時の温度変化を常に小さくでき、空洞共振器摂動法による測定のための時間短縮とともに、試料が測定中に大きな温度変化をくり返し受けることによる特性変化を防止できる。
【００１８】
前記請求項６に関わる誘電率測定装置によれば、加熱冷却装置からの熱媒体液及びドライガス発生手段からのドライガスを分岐して複数の恒温槽とそれに収容された空洞共振器へ供給する構成とすることで、複数の測定周波数における温度特性を効率よく得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を、図面を参照して以下に詳述する。
図１は、本発明の誘電率測定装置の全体構成例を示す概略ブロック図である。本構成例では、熱媒体として不凍液を、ドライガスとしてドライエアを用いるものとする。
本体部１には、空洞共振器４を収容した恒温槽７と、空洞共振器４への試料５の挿入、引き抜きを行う試料供給手段６とが設けられている。一方、周辺部２には、不凍液を加熱・冷却するための加熱冷却装置１８及び不凍液を前記した恒温槽７を通して循環させるための液圧ポンプ２３と、空洞共振器４へドライエアを送るためのドライエア発生手段１７及び流量調整手段１９と、空洞共振器４にマイクロ波を印加して空洞共振器内の電磁波レベルを検出し、試料５の複素誘電率を算出するためのネットワークアナライザー２０及び処理手段２１とが設けられている。
【００２０】
図２及び図３は、本装置の外観図を示しており、図２が正面図、図３が側面図である。本体部１では、キャスタ３により床面を移動自在な架台１ａ上に空胴共振器４を収容した恒温槽７が設置されており、恒温槽７の上方に、その誘電率が測定される試料５を空胴共振器４内へ上方より出し入れする試料供給手段６が設置されている。
一方、周辺部２の加熱冷却装置１８、ドライエア発生手段１７、ネットワークアナライザー２０，処理手段２１などは、架台２ａに収納されている。
【００２１】
以上に示した本装置に於いて、ドライエアの発生と、試料温度を所望の値とする制御は、ドライエア発生手段１７と、加熱冷却手段１８を用いて行われる。すなわち、ドライエア発生手段１７は、図１に示したように、大気を圧縮するコンプレッサ１７ａと、コンプレッサ１７ａよりバルブ１７ｂを介して送られてきた空気を外気圧より大きい圧力に調圧するレギュレータ１７ｃと、レギュレータ１７ｃにより調圧された空気中より湿気を除去してドライエアにするドライヤ１７ｄと、ドライエア中の塵埃等の異物を除去とするフィルタ１７ｅとからなっている。
ドライエア発生手段１７により発生されたドライエアは、流量調整手段１９の操作により一定流量に調整された後加熱冷却装置１８へと送られる。
【００２２】
加熱冷却手段１８は液槽１８ａを有していて、この液槽１８ａ内に、測定温度範囲内で凍結も蒸発もしない不凍液が収容されており、この不凍液は、加熱冷却装置１８に設けられた設定手段（図示省略）により設定された設定温度となるように、液温調整器１８ｃにより温度制御され、液圧ポンプ２３により液圧循環管路２４を介して恒温槽７内へ循環されるようになっている。液温調整器１８ｃによる不凍液の加熱は例えばヒーターを用い、また冷却は例えば冷媒とコンプレッサーを用いた冷却手段により構成される。また所望の温度とするための制御は、空洞共振器４の底部に取り付けられた熱電対４ｇの出力電圧を参照してのフィードバック制御による。
【００２３】
さらに流量調整手段１９より送り出されたドライエアは、液槽１８ａ内の不凍液に浸潤されたコイル状の管路１８ｂと、液体循環管路２４とともに束ねられた状態で筒状の保温材２５内に収容された気体供給管路１１を経由して空洞共振器４へ供給されるように構成されている。これによって、ドライエアと不凍液の温度は熱交換によってほぼ同一に保持され、空洞共振器４内の温度が所望の温度となるように制御される。
【００２４】
図４は、本体部１の主な構成要素である恒温槽７と空洞共振器４の詳細構成を示すもので、恒温槽７はその周囲が断熱材７ａにより保温されていて、外気温の影響を受けないようになっている。外周面の下部に不凍液が流入する流入口７ｂが、そして上部に不凍液の排出口７ｃが設けられている。
【００２５】
恒温槽７の上面は、脱着自在な蓋体８により覆われており、蓋体８の中央に開口された開口部８ａがフランジ状の共振器取り付け部材９により液密に閉鎖されている。共振器取り付け部材９は、中央に下方へ突出する凹状の嵌合部９ａが形成されていて、この嵌合部９ａが蓋体８の開口部８ａに上方から嵌合されており、嵌合部９ａの周囲に突設されたフランジ部９ｂが固着具１０により蓋体８の上面に着脱自在に取り付けられている。
共振器取り付け部材９の嵌合部９ａ下面には、空胴共振器４が収容された筒状の伝熱手段１２が取り付けられている。伝熱手段１２は、熱伝導率の高い金属、例えば銀により全体がジャケット状に形成されていて、空胴共振器４の外周面全体を覆っており、伝熱手段１２の内面と空胴共振器４の間にはドライエアが流通する気体流通路１３が形成されている。
【００２６】
図５は、図４のＡ−Ａ線に沿う矢視図であって、気体流通路１３の詳しい形状を示している。この気体流通路１３は、気体供給管路１１を通して送られてきたドライエアを空洞共振器４内へ導くための、伝熱手段１２の下内面に形成された気体流通路１３ｂと、空洞共振器４内のドライエアを排出するための伝熱手段１２の上内面に形成された気体流通路１３ａから成っている。気体流通路１３ｂは、図５に示したように、空胴共振器４の中心部を中心に放射状に形成されており、その中心部は、伝熱手段１２の下面中央に接続された気体供給管路１１に連通されている。
【００２７】
空胴共振器４は、全体が銅等の電導率の高い金属により短筒状に形成されていて、筒状部の上面が上面板４ａにより、そして下面が底板４ｂにより閉塞された密閉構造となっており、底板４ｂの下面には、伝熱手段１２の下内面に放射状に形成された気体流通路１３ｂの先端部と合致する位置に流入孔４ｄが穿設されている。
【００２８】
気体供給管路１１を通して送られてきたドライエアは、気体流通路１３ｂの中央部から入って放射状の溝に沿って流れ、流入孔４ｄから空洞共振器４内へ流入する。伝熱手段１２の上内面に形成された気体流通路１３ａも気体流通路１３ｂと同じ形状を有しており、空洞共振器４内のドライエアは、気体流通路１３ｂの流入孔４ｄに対応する位置に穿設された流出孔４ｅから気体流通路１３ａ内に入り、その中央部から空洞共振器の上面版４ａの中央に穿設された試料挿入口４ｃを通って外部へ流出する。
【００２９】
以上に詳述したように、本装置における空洞共振器内の温度制御は、不凍液とドライエアを用いて行われる。ここで熱媒体液としての、水を主成分とする不凍液を用いれば、それを循環して使用することは容易であり、消耗がないので運転コストが低くかつ環境への影響もない。また、ドライエアはそのまま大気中へ放出しても何の問題も生じないので、何らの環境対策を必要とせず、安全でコスト面でも有利である。
【００３０】
また、空洞共振器内の温度制御にはかなりの時間を必要とする。このため、ドライエアを管路１８ｂにて熱交換により不凍液と同一温度とするとともに、これを不凍液の液体循環管路２４とともに保温剤２５で包んで恒温槽７，空洞共振器４へと送り、空洞共振器４を収容している伝熱手段１２に気体流通路１３を形成してドライエアを空洞共振器内へ導入する構成としている。こうしてドライエアが空洞共振器内へ導入されるまでに不凍液と常に熱交換するようにすることで、空洞共振器４内の温度が設定された温度に短時間で到達するようになり、温度を変えての測定の全体の時間を短縮できるようにしている。
【００３１】
また、図５で説明したように、気体流通路１３ａ、１３ｂを通してドライエアの空洞共振器４内への導入、排出を行うことで、１点での導入、排出と比べて、ドライエアの空洞共振器４内での流れがより均一化され、これによって空洞共振器内温度の均一化が担保され、測定精度向上がはかれる。
【００３２】
なお、測定周波数帯によって空洞共振器のサイズは変わるので、予め測定する周波数帯毎に複数の空胴共振器４が用意されていて、測定周波数帯を変える毎に対応する空洞共振器に交換して使用できるようになっている。
【００３３】
次に、試料供給手段６及び信号処理系について説明する。まず、試料供給手段６には、図２及び図３に示すように、支持杆６ｄにより空胴共振器４の上方に支持された支持板６ｅを有していて、この支持板６ｅ上に、予めコレット６ｆにより保持された複数の試料５を、試料挿入口４ｃより空胴共振器４内へ出し入れする試料挿入手段６ｇが設けられている。
空胴共振器４が収容された恒温槽７の上面には、図４に示すように、空胴共振器４の上面に形成された試料挿入口４ｃと合致する位置に開口部８ｂが形成されていて、この開口部８ｂの周辺より上方に試料挿入筒６ａが立設され、試料挿入筒６ａの外側に支持筒６ｂが試料挿入筒６ａと同軸に立設されている。
【００３４】
これら試料挿入筒６ａ及び支持筒６ｂは試料供給手段６の一部を構成するもので、空胴共振器４の排出孔４ｅより排出されたドライエアは、伝熱手段１２の上内面に形成された気体流通路１３ｂを通って試料挿入口４ｃに集められ、恒温槽７上面の開口部８ｂから試料挿入筒６ａの下端側に排出されるようになっており、一部は試料挿入筒６ａの下部に形成された切り欠き６ｃより支持筒６ｂ内へも排出されるようになっている。
【００３５】
試料挿入手段６ｇは、測定すべき試料５を試料挿入筒６ａの中央真上へ移動させ、その後当該試料５を下方へ移動させて試料挿入筒６ａ内もしくは空洞共振器４内に試料が保持されるように動作する。この動作は、試料供給手段６に設けられた操作盤を操作することにより行う。あるいは、図１の制御手段２１から制御信号を送るようにしてもよい。
【００３６】
上記のようにして、試料挿入筒６ａ及び支持筒６ｂ内が外気（大気圧）より高い圧力に保持されるため、空胴共振器４内へ試料５を出し入れする際、空胴共振器４内へ外気が流入するのを防止することができると共に、試料挿入筒６ａ及び支持筒６ｂ内を通過したドライエアは、試料挿入筒６ａ及び支持筒６ｂの上端側開口部から大気へ排出されるようになっている。また、温度測定中の空洞共振器４への試料非挿入時に試料を外気中ではなくドライエアの充満する試料挿入筒６ａ内に保持することができ、空洞共振器への試料の非挿入時／挿入時の温度を殆ど変えることなく測定を行える。このため、試料挿入時にその温度が内部温度に達するまでの時間を殆ど要しないことになり、測定時間の短縮化に寄与し、同時に試料が大きな温度変化を何回も繰り返し受けることを防ぎ、温度変化のくり返しによる特性変化がある材料の場合でもそれを防止できる。さらに、試料挿入手段６の設置により、複数個の試料を同一温度で測定する場合、不凍液及びドライエアの温度をその温度が当該測定温度となるようにするための温度制御が１回ですむので、測定時間の効率化に寄与する。
【００３７】
次に、試料の誘電率は、試料５が空洞共振器内に挿入されたときの空洞共振器の共振周波数及びＱ値と、試料が挿入されていないときの空洞共振器の共振周波数及びＱ値を測定し、それらから計算によって求められる。このために、図４に示したように、伝熱手段１２により周囲が覆われた空胴共振器４の外周面の、互いに対向する位置にコネクタ１４とコネクタ１５が設けられており、これらコネクタ１４及び１５は、同軸ケーブル１６によりネットワークアナライザ２０に接続されている。
【００３８】
ネットワークアナライザ２０は、掃引周波数発信器や、レベル検出器、校正回路等により構成されていて、掃引周波数発信器より発生されたマイクロ波は、同軸ケーブル１６及びコネクタ１４を経由して空胴共振器４へ入力され、これによって空洞共振器４内に電磁界が発生する。この電磁界はコネクタ１５から取り出され、同軸ケーブル１６を介してネットワークアナライザ２０へと送られ、そのマイクロ波レベルがレベル検出器で検出される。
【００３９】
以上の信号系に於いて、掃引周波数発信器からのマイクロ波の周波数を空洞共振器４の共振周波数、即ち測定周波数の近辺で変えながらコネクタ１５からのマイクロ波レベルを検出し、これをネットワークアナライザ２０のメモリへ記憶することで、空洞共振器の共振曲線が得られる。ここで、ネットワークアナライザは、一般にこの共振曲線から共振器の共振周波数及びＱ値を算出する機能を有しているが、算出精度を向上させるために、本実施例ではネットワークアナライザは共振曲線測定までの動作を行って上記メモリに記憶された共振曲線のデータをそのまま制御手段２１へ送る。
そして制御手段２１が前記非特許文献１に示されている面積法によりＱ値を算出し、また面積比較法により共振周波数を算出する。さらに制御手段２１では、空洞共振器４に試料が挿入されたときとされていないときの共振周波数及びＱ値を算出すると、その変化から試料５の誘電率と誘電正接（ｔａｎδ）を算出して測定データとして制御手段２１の記憶手段（図示せず）に記憶し、また表示手段２２へ表示する。
【００４０】
次に、以上のように構成された誘電率測定装置を使用しての、試料の測定手順を図６を用いて説明する。手順６０１では、まず測定周波数に対応したサイズを持つ空洞共振器を恒温槽７に取り付け、測定対象である試料を試料供給手段６のコレット６ｆにセットする。ここでは簡単のため、１個の試料のみを測定するものとし、その試料は携帯電話機などの電子機器の回路基板に使用されているテフロン（登録商標）（登録商標）とする。
摂動法を用いた誘電率の測定に於いては、試料挿入による共振周波数及びＱ値の変化率が比誘電率に比例する程度に、試料の容積が空洞共振器の容積に比べて小さいことが必要である。空洞共振器のサイズは共振周波数、すなわち測定周波数でき決まり、またテフロン（登録商標）の比誘電率は常温でほぼ２．１程度であることから、試料としてのテフロン（登録商標）のサイズは、測定周波数が１ＧＨｚ〜３ＧＨｚの範囲では１．８×１．８×７５〜８０ｍｍ、５ＧＨｚでは１．８×１．８×６０〜６５ｍｍ、１０ＧＨｚでは１．８×１．８×５０ｍｍ、また２０ＧＨｚ帯では、０．６×０．６×３０〜３５ｍｍ程度が望ましい。
【００４１】
手順６０２では、今セットされた試料のサンプル名、サイズ及び測定周波数を制御手段２１へ入力しておく。これは後の処理で用いるためである。また、手順６０２では、ネットワークアナライザ２０の設定も行う。これは測定周波数とそれを中心とする掃引周波数範囲を設定することである。掃引周波数の範囲設定は、たとえば試料が空洞共振器に挿入されていない状態で実際に空洞共振器４へマイクロ波を印加してその出力レベルを監視し、共振曲線を取得するのに十分な周波数範囲を定めればよい。
【００４２】
手順６０３では、流量調整手段１９を操作してドライエアが試料挿入口４ｃから試料挿入筒６ａへと常時流出して、外気が内部へ入らないようにしておく。すなわち空洞共振器４内の圧力が外気圧よりも高い状態を維持して、空洞共振器４内への外気圧の侵入を防ぎ、外気温度の影響や結露を防止するようにする。
【００４３】
手順６０４では、液温調整器１８ｃを操作して測定温度を設定し、不凍液の加熱もしくは冷却を開始する。ただしこの温度特性測定開始時の最初の測定温度設定時には、手順６０１で空洞共振器を取り付け後、すぐに恒温槽７を密閉状態として開始することが望ましい。たとえば、−５０℃〜＋６０℃までの温度範囲で、−５０℃から順次温度を上昇させながら温度特性測定を行う場合、最初に常温から−５０℃まで不凍液の温度を下げる必要がある。このためには冷却時間が大きくなるので、手順６０１での他の操作や手順６０２〜６０３での操作に先立って最初の温度設定操作を行うのが好ましい。また、温度設定を行うときには、試料供給手段６を操作して、試料５を試料挿入筒６ａ内に挿入しておく。
【００４４】
液温調整器１８ｃの熱電対４ｇ出力を参照しての温度制御動作によって、不凍液の温度が測定温度に達し、また不凍液との熱交換によってドライエアの温度も測定温度に達すると、試料挿入筒６ａ内の試料温度もドライエアにより加熱／冷却されることによってほぼ測定温度になっている。この状態で次の手順６０５でネットワークアナライザ２０を動作させ、空洞共振器４へ印加するマイクロ波信号の周波数を設定された掃引周波数範囲で掃引し、空洞共振器の出力レベルを検出することによって共振曲線の測定を行う。この共振曲線測定データは、制御手段のメモリへ格納されるが、このデータは試料５が空洞共振器４内へ挿入されていないとき（試料非挿入時）のものである。
【００４５】
手順６０６では、手順６０５と同じ温度設定のままで試料５を空洞共振器４内へ移動させる。そしてネットワークアナライザ２０を手順６０５と同様に動作させて、試料挿入時の空洞共振器の共振曲線を測定し、結果を制御手段２１のメモリへ記憶する。以上の手順６０５及び６０６による共振曲線測定は１回でもよいが、測定精度を上げるために同一測定温度で複数回、例えば３回くり返し実行し（手順６０７）、試料非挿入時と挿入時の共振曲線データをそれぞれ３個ずつ取得して記憶する。
【００４６】
手順６０８，６０９では、制御手段２１によりそのときの測定温度における試料５の複素誘電率を、メモリに記憶された共振曲線データから算出する。この算出法は前記非特許文献１，２に記載された方法を用いている。すなわち、手順６０８では、まず各測定温度に於いて取得した試料非挿入時と挿入時それぞれについて、複数回のデータを平均して測定誤差の少ない平均共振曲線データを生成する。すなわち、共振曲線データはネットワークアナライザによる掃引周波数ごとの空洞共振器４の出力レベルデータであるから、各掃引周波数ごとの複数回の出力レベルデータを平均することで平均データが得られる。こうしてそのときの測定温度に対して試料非挿入時と挿入時それぞれの平均共振曲線が得られると、そのそれぞれから前記した面積法によりＱ値を算出し、また面積比較法により共振周波数を算出する。ここで面積法というのは、周波数領域における共振曲線の面積がＱ値に反比例することを利用した方法であり、また面積比較法というのは、測定された共振曲線とこの共振曲線から求められた近似曲線との面積差を算出し、この面積差が最小となるように定めた近似曲線の中心周波数を共振周波数とする方法である。
【００４７】
試料非挿入時と挿入時のＱ値及び共振周波数が手順６０８で算出されると、手順６０９でそのときの測定温度における複素誘電率及び誘電正接ｔａｎδを算出する。この計算法は既知のものでよく、公知の（数１）で計算できる；
【００４８】
【数１】
2008116385.tif 000003
ただしε１及びε２はそれぞれ複素誘電率の実数部及び虚数部、Ｖ及びＶsはそれぞれ空洞共振器４及び試料５の容積、ｆ０およびｆｓはそれぞれ試料非挿入時及び挿入時の共振周波数、Ｑ０およびＱｓはそれぞれ試料非挿入時及び挿入時のＱ値である。
こうして算出された複素誘電率及び誘電正接ｔａｎδは、制御手段２１内のメモリに記憶される。
【００４９】
以上で１つの測定温度における誘電率の測定が終わる。ここで未測定の温度が残っているときは（手順６１０で有）、手順６０４へ戻って液温調整器１８ｃを操作し、次の測定温度となるように恒温槽及び空洞共振器の温度制御を行う。そしてこの温度制御が終わると、前記と同様に手順６０５〜６０７による複数回の共振曲線測定を行い、その結果を制御手段２１のメモリへ記憶し、さらにそれらの共振曲線から手順６０８，６０９で複素誘電率及び誘電正接を算出し、記憶する。そしてすべての測定温度での測定が終わると（手順６１０で無）、手順６１１にて測定結果を必要に応じて表示装置２２へ表示し、またプリンタにより印字し、あるいはグラフ化して印刷／表示する。
【００５０】
図７及び図８は、図１の装置を用いた測定例で、比誘電率ε（実数部）と誘電正接ｔａｎδを示している。図７はテフロン（登録商標）試料（断面1.8762mm×1.8762mmの四角柱）、図８はマシナブルセラミック試料（断面1.5065mm×1.5093mmの四角柱）の結果である。どちらも測定周波数は５GHz 、−６０℃から１００℃の範囲を２０℃間隔で測定した。用いた不凍液は市販品（東レダウコーニング（株）のＳＨ２００）である。測定に要した時間は、１つの試料について約７時間であった。図から見られるように、誘電正接は温度の上昇とともに増加しているが、比誘電率の方は温度上昇につれてテフロン（登録商標）では低下し、セラミックでは増大しているのが見られる。
【００５１】
次に、本装置のいくつかの変形例について説明する。まず図１，図４では試料挿入筒６ａ、支持筒６ｂを設けて、この内部にドライエアが充満するようにし、空洞共振器４への試料非挿入状態での測定時にも試料５の温度がほぼその時点の測定温度に維持されるようにしている。もし挿入筒６ａ等がなければ、試料非挿入時には試料５は外気にさらされ外気温度に近い温度となり、挿入時には空洞共振器内部の温度になる。従って１つの測定温度ごとに試料は外気温度と内部温度にさらされて大きな温度変化を受ける。もしこのような温度変化のくり返しが試料の特性を変えてしまうような場合は、挿入筒６ａなどはその特性変化を防ぐ役割を果たし、また試料が所定温度になるまでの時間も少なくできる。しかし、温度変化のくり返しによってその特性に影響を受けないような試料であれば、試料挿入筒６ａ、支持筒６ｂを除去してもよい。
【００５２】
次に図１の本体部１を複数個設け、１つの周辺部と組み合わせて、異なる周波数で複数個の試料の測定を同時に行うことができるようにした構成を説明する。図９はその構成を示す概略図であって、周辺部2Multiはドライエア発生手段１７、流量制御手段１９、加熱冷却装置１８、及び液圧ポンプ２３を備え、さらに不凍液分配手段９１とドライエア分配手段９２を備えている。ｎ個の本体部１０１〜１０ｎ の各々は図４に示したものと同じ構成であり、この各々へ保温材２５１〜２５ｎに収容された液体循環管路及び気体供給管路を通して不凍液及びドライエアが供給され、不凍液は回収管路１８ｄを通して加熱冷却装置１８へ戻される。また、本体部１０１〜１０ｎの各々にはネットワークアナライザ２０１〜２０ｎが接続されている。
【００５３】
この構成で、本体部１０１〜１０ｎの各々の試料供給手段に試料を取り付け、空洞共振器としてはそれぞれの測定周波数に応じたサイズのものを取り付けておく。そしてまず、周辺部2Multiにより供給する不凍液及びドライエアの温度を制御して、すべての本体部の空洞共振器内温度を所定の測定温度とする。次にこの測定温度で各本体部にネットワークアナライザより各測定周波数のマイクロ波を印加しながら試料非挿入時及び挿入時の共振曲線測定を行う。この測定を各測定温度について順次繰り返すことで、ｎ個の試料をそれぞれについて設定した測定周波数で同時に測定できる。たとえばｎ個の本体部に同じサンプルから切り出した試料を取り付けておき、それぞれの測定周波数をｎ個の異なる周波数に設定してある温度範囲で測定すれば、その試料の温度特性と同時に周波数特性も効率よく取得できる。
【００５４】
なお、図１，図９に於いては、加熱冷却装置１８による温度設定・温度制御動作、試料供給手段６における試料の空洞共振器への出し入れ、ネットワークアナライザ２０の周波数設定や掃引・レベル検出動作等はそれぞれの機器を人手により操作して行うことを前提としているが、これらは制御手段２１又は別の制御手段によるプログラム制御を行うように構成すればより効率的な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置の全体構成例を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置の側面図である。
【図４】図１の装置の恒温槽及び空洞共振器の詳細構成を示す図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う矢視図である。
【図６】本発明の実施の形態になる誘電率測定装置を用いた誘電率測定の手順を示す図である。
【図７】本発明の誘電率測定装置によるテフロン（登録商標）試料の測定例を示す図である。
【図８】本発明の誘電率測定装置によるマシナブル・セラミック試料の測定例を示す図である。
【図９】本発明の誘電率測定装置の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    本体部
２、2Multi    周辺部
４    空胴共振器
４ｃ    試料挿入口
４ｄ    流入口
４ｇ    熱電対
５    試料
６    試料供給手段
６ａ    試料挿入筒
６ｇ    試料挿入手段
７    恒温槽
７ｂ    流入口
７ｃ    排出口
１１    気体供給管路
１２    伝熱手段
１３、１３ａ、１３ｂ    気体流通路
１７    ドライエア発生手段
１８    加熱冷却装置
１８ａ    液槽
１８ｂ    管路
１８ｃ    液温調整器
１９    流量調整手段
２０    ネットワークアナライザ
２１    制御手段
２３    液圧ポンプ
２４    液体循環管路
２５    保温材
９１    不凍液分配手段
９２    ドライエア分配手段
【図１】
2008116385.tif 000004
【図２】
2008116385.tif 000005
【図３】
2008116385.tif 000006
【図４】
2008116385.tif 000007
【図５】
2008116385.tif 000008
【図６】
2008116385.tif 000009
【図７】
2008116385.tif 000010
【図８】
2008116385.tif 000011
【図９】
2008116385.tif 000012