(57)【要約】【課題】  食品等の被測定物に含まれる脂質含有率の測定精度を向上することができる脂質含有率測定方法及び装置を提供する。【解決手段】  マイクロ波の周波数を有する電磁波を試料（被測定物）に照射し、その反射波を検出し、この検出電磁波の照射電磁波に対する反射係数の振幅及び位相を測定するステップＳ１と、測定される反射係数の振幅及び位相に基づいて反射係数の実数部及び虚数部を算出するステップＳ２と、算出される反射係数の実数部及び虚数部に基づいて試料の比誘電率を求めるステップＳ３と、求められる比誘電率に基づいて試料に含まれる脂質の含有率を求めるステップＳ４とを有する。【選択図】  図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波の周波数を有する電磁波を被測定物に照射し、その反射波または透過波を検出し、この検出電磁波の前記照射電磁波に対する反射係数または透過係数の振幅及び位相を測定する第１のステップと、
前記第１のステップにより測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第２のステップと、
前記第２のステップにより求められる前記比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて前記被測定物に含まれる脂質の含有率を求める第３のステップとを有する脂質含有率測定方法。
【請求項２】
前記第２のステップは、
前記第１のステップにより測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部を算出する第４のステップと、
前記第４のステップにより算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第５のステップとを有する請求項１に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項３】
前記第５のステップは、
前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部の一方を縦軸とし他方を横軸とする複素平面に、前記実数部及び虚数部に対して理論的に算出された比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りが記入されている予め準備されたチャートを用いて、前記第４のステップにより算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に対応する前記比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りを読み取ることにより、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める請求項２に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項４】
前記第１のステップにおいて、前記反射係数の振幅及び位相を測定する際は、前記被測定物の背面に反射板を配置して前記電磁波を前記被測定物の前面に照射する請求項１に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項５】
前記電磁波は、周波数が８ＧＨｚ以上で、１２ＧＨｚ以下のマイクロ波の周波数を有する請求項１に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項６】
前記被測定物が食品である請求項１に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項７】
前記被測定物の形状が板状である請求項１に記載の脂質含有率測定方法。
【請求項８】
被測定物に電磁波を照射するための発信用アンテナと、
前記被測定物から反射される反射波または前記被測定物を透過した透過波を検出するための受信用アンテナと、
前記発信用アンテナから照射された電磁波に対する前記受信用アンテナにより検出される検出電磁波の比を示す反射係数または透過係数の振幅及び位相を測定する測定部と、
前記測定部により測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第１の処理と、前記第１の処理により求められる前記比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて前記被測定物に含まれる脂質の含有率を求める第２の処理とを行う脂質含有率算出部とを備えた脂質含有率測定装置。
【請求項９】
前記脂質含有率算出部は、前記第１の処理が、
前記測定部により測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部を算出する第３の処理と、
前記第３処理により算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第４の処理とを有するように構成された請求項８に記載の脂質含有率測定装置。
【請求項１０】
前記脂質含有率算出部は、前記第４の処理が、
前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部の一方を縦軸とし他方を横軸とする複素平面に、前記実数部及び虚数部に対して理論的に算出された比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りが記入されている予め準備されたチャートを用いて、前記第３処理により算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に対応する前記比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りを読み取ることにより、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるように構成された請求項９に記載の脂質含有率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、食品等に含まれる脂質含有率を測定するための脂質含有率測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、糖尿病や脳卒中などに代表される生活習慣病が深刻化している。この生活習慣病を食生活の観点からみると、その背景には食生活の欧米化による栄養過剰、特に脂質の過剰摂取が存在する。厚生労働省の報告によると、1946年には国民の総摂取カロリーが1903kcal（脂質は16g/day）であったのに対し、2002年の総摂取カロリーは1930kcal（脂質は54.4 g/day）と、摂取カロリーはあまり変わっていないものの、脂質の摂取量は大幅に増加していることがわかる。
【０００３】
近年ではデジタルカメラやデジタルカメラ付き携帯電話のような視覚媒体を用いた食事内容の遠隔栄養管理システムが注目されているが、明確な栄養量判断は難しく精度が低いといわれている。特に食品中の脂質含有率を正確に把握することは難しく、容易に測定できる機器の開発が望まれている。
【０００４】
特許文献１には、食品に含まれる水分及び塩分の濃度を測定するための技術が開示されているが、脂質については一切考慮されていない。
【０００５】
また、特許文献２には、食品等に含まれている水分の含有率を測定するための技術が開示されているが、脂質については一切考慮されていない。
【特許文献１】特開平８−１０５８４５号公報
【特許文献２】特開平６−１２９９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように従来、食品等に含まれる水分及び塩分を測定するための技術は存在するが、脂質含有率を正確に測定するための技術は見当たらない。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、食品等の被測定物に含まれる脂質含有率の測定精度を向上することができる脂質含有率測定方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の脂質含有率測定方法は、マイクロ波の周波数を有する電磁波を被測定物に照射し、その反射波または透過波を検出し、この検出電磁波の前記照射電磁波に対する反射係数または透過係数の振幅及び位相を測定する第１のステップと、前記第１のステップにより測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第２のステップと、前記第２のステップにより求められる前記比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて前記被測定物に含まれる脂質の含有率を求める第３のステップとを有する。
【０００９】
この方法によれば、測定される反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求め、その比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて被測定物に含まれる脂質の含有率を求めることにより、脂質含有率の測定精度を向上でき、正確な測定が可能になる。
【００１０】
また、前記第２のステップは、前記第１のステップにより測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部を算出する第４のステップと、前記第４のステップにより算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第５のステップとを有するようにしてもよい。
【００１１】
この場合、前記第５のステップは、前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部の一方を縦軸とし他方を横軸とする複素平面に、前記実数部及び虚数部に対して理論的に算出された比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りが記入されている予め準備されたチャートを用いて、前記第４のステップにより算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に対応する前記比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りを読み取ることにより、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるようにしてもよい。
【００１２】
このように、予め準備されたチャートを用いることで、被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を容易に求めることができる。
【００１３】
また、前記第１のステップにおいて、前記反射係数の振幅及び位相を測定する際は、前記被測定物の背面に反射板を配置して前記電磁波を前記被測定物の前面に照射するようにしてもよい。
【００１４】
また、前記電磁波は、周波数が８ＧＨｚ以上で、１２ＧＨｚ以下のマイクロ波の周波数を有するものとしてもよい。
【００１５】
また、前記被測定物が食品であるとしてもよい。
【００１６】
また、前記被測定物の形状が板状であることが好ましい。
【００１７】
本発明の脂質含有率測定装置は、被測定物に電磁波を照射するための発信用アンテナと、前記被測定物から反射される反射波または前記被測定物を透過した透過波を検出するための受信用アンテナと、前記発信用アンテナから照射された電磁波に対する前記受信用アンテナにより検出される検出電磁波の比を示す反射係数または透過係数の振幅及び位相を測定する測定部と、前記測定部により測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第１の処理と、前記第１の処理により求められる前記比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて前記被測定物に含まれる脂質の含有率を求める第２の処理とを行う脂質含有率算出部とを備えている。
【００１８】
この構成によれば、測定部で測定される反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、脂質含有率算出部において被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接が求められ、その比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて被測定物に含まれる脂質の含有率を求められることにより、脂質含有率の測定精度を向上でき、正確な測定が可能になる。
【００１９】
また、前記脂質含有率算出部は、前記第１の処理が、前記測定部により測定される前記反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部を算出する第３の処理と、前記第３処理により算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に基づいて、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求める第４の処理とを有するように構成されてあってもよい。
【００２０】
この場合、前記脂質含有率算出部は、前記第４の処理が、前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部の一方を縦軸とし他方を横軸とする複素平面に、前記実数部及び虚数部に対して理論的に算出された比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りが記入されている予め準備されたチャートを用いて、前記第３処理により算出される前記反射係数または透過係数の実数部及び虚数部に対応する前記比誘電率及び／又は誘電正接の目盛りを読み取ることにより、前記被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるように構成されてあってもよい。
【００２１】
このように、脂質含有率算出部において、予め準備されたチャートを用いることで、被測定物の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるための演算処理が容易になる。ここで、チャートはデータとして予め脂質含有率算出部に記憶されてあればよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、以上に説明した構成を有し、食品等の被測定物に含まれる脂質含有率の測定精度を向上することができる脂質含有率測定方法及び装置を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（発明に至る経緯）
本発明者は、食品中の脂質含有率を測定するため、まず、人体内の脂肪測定に用いられるインピーダンス法の応用を考えたが、インピーダンス法では、被測定物に微弱な定電流を流したときの電圧を測定し、オームの法則によってインピーダンスを求めるため、被測定物の脂質含有率が高くなると、定電流を流すための電圧を大きくしなければならないなど、広範囲の脂質含有率の測定の実現が困難であると予想した。
【００２４】
そこで、本発明者は、マイクロ波（波長が数10cm以下の電波）が脂質のような高抵抗の物質中では、導電性の高い水など低抵抗の物質に比べて透過性が高いという、インピーダンス法とは逆ともいえる特徴を生かすことにより、マイクロ波を用いて広範囲にわたる脂質含有率の測定を容易に行えるのではないかと考え、検討を行った。
【００２５】
−第１の検討内容−
まず、マイクロ波を用いて脂質含有率の測定が可能であるか否かについて検証した。ここでは、被測定物にマイクロ波を照射したときの被測定物の脂質含有率に対するマイクロ波の反射特性について考察した。
【００２６】
物質にマイクロ波を照射したときの、物質に含まれる脂質の含有率（体積割合）に対する反射波の特性を調べるため、反射係数（照射したマイクロ波（入射波）に対して反射してきたマイクロ波（反射波）の比を表す値）を理論的に導いた。ここで、測定対象とする試料（被測定物）の形状を薄い板状とし、試料の後方が無限長線路の状態と、試料の背面が短絡の状態との２つの状態の場合について検討した。
【００２７】
〔１．試料の後方が無限長線路の状態の場合〕
試料の後方に電波吸収体を置き、前方から入射され試料を透過したマイクロ波が吸収体で吸収されて反射しない場合（試料の後方が無限長線路の状態の場合；マイクロ波の伝搬する経路が吸収体により無限遠に拡がっている状態の場合）について検討する。この場合のマイクロ波の伝搬状態を図１に示す。
【００２８】
試料の後方が無限長線路の状態の場合、図１のように、入射領域（アンテナから試料までの領域（空気））を領域１、試料内部領域（試料の厚みをｄ[m]とする）を領域２、試料後方領域（図１では試料を透過したマイクロ波が進む領域（空気））を領域３とし、アンテナから照射されるマイクロ波の進行方向をｚ軸にとり、図１の紙面に垂直な方向をｙ軸にとり、ｚ軸及びｙ軸に垂直な方向をｘ軸にとる。
【００２９】
領域１の左方と領域３の右方は無限に拡がっているとすると、領域１には、アンテナから試料に向かって進む入射波と試料からの反射波が存在し、領域２にはｚ軸の正の方向へ伝搬するマイクロ波とｚ軸の負の方向へ伝搬するマイクロ波が存在し、領域３には透過波のみが存在する。いま、伝搬するマイクロ波を平面波と仮定すれば、各領域の電界、磁界は以下のように表される。
【００３０】
まず、領域１について説明する。領域１を伝搬する入射波の電界Ｅ1i及び磁界Ｈ1iは、（数１）の式(1a)、(1b)により表され、反射波の電界Ｅ1r及び磁界Ｈ1rは式(2a)、(2b)により表される。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
ここで、ωは角周波数、ε０は真空の誘電率、μ０は真空の透磁率であり、ｋ０及びη０は（数１）の式(3)、(4)で表される。また、ix、iyはそれぞれｘ方向、ｙ方向の単位ベクトルである。
【００３３】
次に、領域２について説明する。領域２（試料内部領域）において試料の比誘電率をεｒ、誘電正接をtanδとすると、ｚ軸の正の方向に伝搬する波の電界Ｅ2i及び磁界Ｈ2iは、（数２）の式(5a)、(5b)により表され、ｚ軸の負の方向に伝搬する波の電界Ｅ2r及び磁界Ｈ2r は式(6a)、(6b)により表される。
【００３４】
【数２】
2007271412.tif 000004
【００３５】
ここで、γは伝搬定数、ηは特性インピーダンスであり、γ及びηは（数２）の式(7)、(8)で表される。
【００３６】
次に、領域３について説明する。領域３では、試料を透過したｚ軸の正の方向に伝搬する透過波のみが存在し、この透過波の電界Ｅ3i及び磁界Ｈ3iは、（数３）の式(9a)、(9b)により表される。
【００３７】
【数３】
2007271412.tif 000005
【００３８】
次に、領域１と領域２の境界（Ｚ＝０）において、電界、磁界の境界条件より、式(1a)、(2a)、(5a)、(6a)から（数４）の式(10a)が得られ、式(1b)、(2b)、(5b)、(6b)から式(10b)が得られる。
【００３９】
【数４】
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【００４０】
同様に、領域２と領域３の境界（Ｚ＝ｄ）において、式(5a)、(6a)、(9a)より（数５）の式(11a)が得られ、式(5b)、(6b)、(9b)より式(11b)が得られる。
【００４１】
【数５】
2007271412.tif 000007
【００４２】
上記の式(10a)、(10b)、(11a)、(11b)を解くと、試料の後方が無限長線路の状態の場合における反射係数Γ1（＝Ｅ1r/Ｅ1i）は、（数６）の式(12a)となり、Γ＝|Γ|ｅｊargΓとすると、反射係数の絶対値である反射係数の振幅（以下、「反射振幅」という）|Γ1|及び反射係数の位相（以下、「反射位相」という）argΓ1の式(12b)、(12c)が得られる。
【００４３】
【数６】
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【００４４】
ここで、式(12b)、(12c)中のＡ、α、ａ（αに含まれるａ）、Φは、それぞれ（数７）の式(13)〜(16)に示すとおりである。
【００４５】
【数７】
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【００４６】
〔２．試料の背面が短絡の状態の場合〕
試料の後ろに金属板を置き、試料を透過したマイクロ波が金属板によって完全反射する場合（短絡の状態の場合；マイクロ波の伝搬する経路が金属板で短絡されている状態の場合）について検討する。この場合のマイクロ波の伝搬状態を図２に示す。図２において、領域１，２，３及びｘ、ｙ、ｚ軸等は、図１の場合と同様である。
【００４７】
試料の背面が短絡の状態の場合、図２のように、領域２と領域３の境界に置いた金属板により領域２からｚ軸の正方向に伝搬する波が完全反射するため、領域３へ波は伝搬しない。また、領域１、領域２に伝搬する波の電界及び磁界は、試料の後方が無限長線路の状態の場合と同様に式(1a)、(1b)、(2a)、(2b)、(5a)、(5b)、(6a)、(6b)により表され、領域１と領域２の境界（Ｚ＝０）において、電界、磁界の境界条件より式(10a)、(10b)が得られる。また、領域２と領域３の境界（Ｚ＝ｄ）において、電界の境界条件より式(5a)、(6a)から（数８）の式(17)が得られる。
【００４８】
【数８】
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【００４９】
前述の式(10a)、(10b)、(17)を解くと、試料の背面が短絡の状態における反射係数Γ2（＝Ｅ1r/Ｅ1i）は、（数９）の式(18a)となり、Γ＝|Γ|ｅｊargΓとすると、反射振幅|Γ2|及び反射位相argΓ2の式(18b)、(18c)が得られる。
【００５０】
【数９】
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【００５１】
ただし、式(18b)、(18c)中のξ、ψ、ζについては、（数１０）の式(19a)、(19b)、(19c)に示されるとおりである。
【００５２】
【数１０】
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【００５３】
次に、試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅を、無限長線路状態の場合と短絡状態の場合とについて、それぞれシミュレーションで求めるとともに、実験により求めた。
【００５４】
ここで、シミュレーションでは、試料を脂質と赤身肉の混合物とし、試料の厚み（ｄ）は2mmとした。また、照射するマイクロ波の周波数を１０ＧＨｚとした。また、試料の比誘電率εｒ及び誘電正接tanδは、それぞれ、（数１１）の式(20)、(21)で示されるものとした。
【００５５】
【数１１】
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【００５６】
ここで、Ｐfatは試料中の脂質の体積割合（％）を示す。なお、εrfatは脂質の比誘電率であり、εrmは赤身肉の比誘電率であり、tanδfatは脂質の誘電正接であり、tanδmは赤身肉の誘電正接である。これらのεrfat、εrm、tanδfat、tanδmには、「An Internet resource for the calculation of the Dielectric Properties of Body Tissues (ITALIAN NATIONAL RESERCH COUNCIL) 」で計算された人体の脂肪と筋肉の比誘電率、誘電正接の値を、それぞれ脂質と赤身肉の比誘電率、誘電正接の値として用いた。この場合、εrfat＝4.602、εrm＝42.76、tanδfat＝0.2286、tanδm＝0.4467である。また、真空の誘電率ε０は8.854×10-12（Ｆ/ｍ）、真空の透磁率μ０は1.257×10-6（Ｈ/ｍ）である。
【００５７】
以上のシミュレーションの条件は、無限長線路状態の場合と短絡状態の場合も同じである。無限長線路状態の場合のシミュレーションでは、反射振幅の式(12b)を用いて、試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅（|Γ1|）を求めた。このシミュレーション結果を図３（ａ）に示す。また、短絡状態の場合のシミュレーションでは、反射振幅の式(12b)を用いて、試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅（|Γ2|）を求めた。このシミュレーション結果を図４（ａ）に示す。
【００５８】
次に、実験では、脂質としてラードを、赤身肉として比較的扱いやすく食肉の中でも特に脂質の少ない鶏ささみ肉を使用し、試料全体に対する脂質の体積割合が0、10、20、40、60、80、100％で、それぞれ厚み（ｄ）が2mmの試料を作成した。具体的には、上記のそれぞれの体積割合となるように、ラードと赤身肉をフードプロセッサーで均一に混ぜた後、エチレンのビニールにはさみ、厚さが2mmで均一になるように、厚さ2mmの枠を使って上方からめん棒で平らにして試料を作成した。
【００５９】
実験装置の概略構成を図５に示す。この実験装置では、マイクロ波発振器２１から出力されるマイクロ波は、ネットワーアナライザである測定装置２２を介して発信及び受信兼用のアンテナ２３から試料台２４上の試料Ｓに照射される。そして、試料Ｓからの反射波がアンテナ２３を介して測定装置２２に入力され、この測定装置２２では、反射振幅及び反射位相を測定値として出力表示可能である。具体的には、マイクロ波発振器２１には、hp（ヒューレット・パッカード）社のSYNTHESIZED  SWEEPER （HP83630A）を用い、測定装置２２には、hp社のHP8510B ベクトルネットワークアナライザを用い、アンテナ２３には、SPC electronics社の  WR-90  Xバンド用ホーンアンテナ（TYPE 14T007）を用いた。
【００６０】
無限長線路状態の場合の実験は、試料台２４の上にマイクロ波吸収体を敷き、その上に、発砲スチロールを置き、その上に試料Ｓを載せて行った。また、短絡状態の場合の実験は、試料台２４の上に発砲スチロールを置き、その上に金属板を置き、さらにその上に試料Ｓを載せて行った。いずれの場合の実験も、試料Ｓから80mm上方の位置にアンテナ２３の開口面が水平になるように設置し、１０ＧＨｚのマイクロ波を照射して、測定装置２２にて反射振幅を測定した。この測定は、脂質の体積割合が0、10、20、40、60、80、100％の各試料を２個ずつ作成しておき、２回ずつ行った。無限長線路状態の場合の実験結果を図３（ｂ）に示し、短絡状態の場合の実験結果を図４（ｂ）に示す。
【００６１】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、シミュレーション及び実験のいずれの場合も、無限長線路状態の場合、反射振幅は、脂質含有率（脂質の体積割合）の増加とともに上昇し、最大となった後、脂質含有率の増加とともに低下するという結果が示された。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、シミュレーション及び実験のいずれの場合も、短絡状態の場合、反射振幅は、脂質含有率の増加とともに指数関数的に低下し、最小となった後、脂質含有率の増加とともに上昇するという結果が示された。
【００６２】
以上より、シミュレーション結果（理論値）と実験結果とにおいて定性的に良い一致が見られ、理論的検討の妥当性が示された。なお、無限長線路状態の場合に反射振幅が最大値を示す脂質含有率、及び短絡状態の場合に反射振幅の最小値を示す脂質含有率が異なったのは、シミュレーションと実験で用いた脂質及び赤身肉のそれぞれの比誘電率及び誘電正接の値に誤差があったことが原因と考えられる。また、シミュレーション結果に比べて実験結果が全体的に低い値を示しているのは、シミュレーションでは反射した波をすべて測定できていることになっているが、実験では試料中においてマイクロ波の散乱などが生じ、反射した波をすべて測定できていないことが原因と考えられる。
【００６３】
一方、無限長線路状態の場合及び短絡状態の場合のいずれも、１つの反射振幅に対して脂質含有率が１つに決まらないため、反射振幅のみから脂質含有率を求めることは困難であると考えられる。
【００６４】
また、試料後方が無限長線路の状態における反射振幅よりも試料背面が短絡状態での反射振幅の方が、脂質の体積割合に対する変化が大きいため、脂質の含有率測定には試料背面が短絡状態での反射振幅を用いる方が適していると考えられる。
【００６５】
そこで、次に、試料背面を短絡状態とした場合において、反射振幅に加えて反射位相の値も用い、反射振幅と反射位相とから脂質含有率を導出する方法について検討した。
【００６６】
−第２の検討内容−
試料の背面が短絡された状態における反射振幅及び位相の測定値から脂質含有率を求める方法として、反射係数から比誘電率εｒ、誘電正接tanδを導出し、これらの値から脂質の体積割合を求める方法を検討した。反射係数の式に基づいて、反射振幅及び位相の測定値から比誘電率εｒ、誘電正接tanδを導出するようにしてもよいが、この場合、演算が複雑になる。そこで、反射係数の実数部と虚数部を軸にとった反射複素平面チャートを作成し、これを用いて試料の反射係数（反射振幅及び位相の測定値）から比誘電率εｒ、誘電正接tanδを導出することとした。
【００６７】
試料背面が短絡の状態における反射係数Γ２は（数１２）の式(22)で表される。
【００６８】
【数１２】
2007271412.tif 000014
【００６９】
この式(22)を用いて、比誘電率εｒを1、10、20、・・・、80に固定して誘電正接tanδを0〜1.0まで変化させた場合と、誘電正接tanδを0、0.05、0.1、・・・、1.0に固定して比誘電率εｒを1〜80まで変化させた場合とについて、試料の厚みが1mm、 2mm、 4mmのそれぞれの場合についてシミュレーションを行い、複素反射係数の実数部を横軸にとり、虚数部を縦軸にとった複素平面上にプロットして複素平面チャートを作成した。なお、理論上、tanδは∞まで存在するが、今回測定の対象とする測定物は高損失の物でないことから、tanδ＞１のグラフは省略した。
【００７０】
シミュレーションの結果、試料厚みが1mm、2mmの場合には1≦εｒ≦80、0≦tanδ≦1の範囲内でεｒ、tanδの曲線同士が交わることなく比較的きれいなグラフとなり、4mmでは1≦εｒ≦80の範囲内で曲線が交わっているグラフとなった。図６に、シミュレーションを行うことにより作成された試料の厚みが2mmの場合の反射複素平面チャートを示す。
【００７１】
このことから、試料の厚みを薄くして測定した反射振幅、反射位相を、（数１３）の式(23)、(24)によって反射係数の実数部(ReΓ)、虚数部(ImΓ)に変換し、短絡状態における反射複素平面チャート上にプロットすれば、比誘電率εｒ及び誘電正接tanδを読み取ることが可能である。また、試料の厚みが薄いほど高い比誘電率において変化幅が大きく、試料の厚みが厚いほど低い比誘電率において変化幅が大きいことが示された結果となった。
【００７２】
【数１３】
2007271412.tif 000015
【００７３】
ただし、作成した反射複素平面チャートは測定が理想的に行えた場合の（純理論的な）シミュレーション結果によるものであるため、測定値をこのチャートにプロットする場合には、測定値を測定が理想的に行えた場合の値に補正する必要がある。
【００７４】
次に、理論的検討の妥当性をみるため実験を行った。この実験では、アンテナから80mmの位置を基準として金属板を置き（試料の背面が短絡の状態）、試料のない状態で反射振幅及び反射位相を測定した後、金属板の上に脂質の体積割合が0、10、20、40、60、80、100％の厚み2mmの試料を載せて反射振幅及び反射位相を測定し、測定結果から反射複素平面チャートを用いて比誘電率εｒ及び誘電正接tanδを求めた。
【００７５】
今回の実験では、先の実験と同様、脂質としてラードを、赤身肉として比較的扱いやすく食肉の中でも特に脂質の少ない鶏ささみ肉を使用し、試料全体に対する脂質の体積割合が0、10、20、40、60、80、100％で、それぞれ厚み（ｄ）が2mmの試料を作成した。
【００７６】
実験装置は、先の実験と同じ実験装置（図５）を用いた。
【００７７】
まず、試料台２４の上に金属板を置き、金属板の表面から80mm上方の位置にアンテナ２３の開口面が水平になるようにアンテナ２３を設置し、試料のない状態で、１０ＧＨｚのマイクロ波を照射して、測定装置２２にて反射振幅及び反射位相を測定した。次に、試料を金属板の上に置き、１０ＧＨｚのマイクロ波を照射して、測定装置２２にて反射振幅及び反射位相を測定した。この測定は、脂質の体積割合が0、10、20、40、60、80、100％の各試料を３個ずつ作成しておき、３回ずつ行った。
【００７８】
ここで、理想的な測定が行えた場合の反射係数をΓ（振幅|Γ|、位相argΓ）、試料表面（基準面）に金属板を置いたときの反射係数をΓair（振幅|Γair|、位相argΓair）、実際の測定値をΓｍ（振幅|Γｍ|、位相argΓｍ）とすると、理想的な測定が行えた場合、全反射では反射係数の絶対値の２乗は|Γ|２＝１であるが、実際に試料表面に金属板を置いて測定した場合にアンテナが受信する反射係数Γairの絶対値の２乗は１未満（|Γair|２＜１）となる。従って、実測値Γｍの絶対値の２乗|Γｍ|２は、測定が理想的に行えた場合の反射電力（真の反射電力すなわち反射係数Γの絶対値の２乗|Γ|２）の|Γair|２倍となり、（数１４）の式(25)で表される。この式(25)より式(26)が求まる。
【００７９】
【数１４】
2007271412.tif 000016
【００８０】
また、完全反射の場合、反射面（今回の実験において金属板）では位相はπである。したがって、この面を基準面としたときの基準面における位相argΓは(数１５)の式(27)となる。
【００８１】
【数１５】
2007271412.tif 000017
【００８２】
今回の実験で測定した反射振幅を式(26)で補正した結果、図７の実験値１，２，３で示される値となり、多少の誤差は見られたが理論値との定量的な一致が見られた。
【００８３】
また、反射位相について、理論的検討では試料の上表面を基準としているが、実験では便宜性を考えて試料の下の表面（アンテナから80mmの位置）を基準としたため、試料の厚み(ｄmm)分の補正を付け加える必要がある。従って、式(27)は（数１６）の式(28)となる。ここで、λはマイクロ波の波長である。
【００８４】
【数１６】
2007271412.tif 000018
今回の実験において試料の厚みは2mmなので、式(28)のｄに２(mm)を代入して測定した反射位相の補正を行った結果、図８の実験値１，２，３で示される値となり、理論値との定量的な一致が見られた。
【００８５】
次に、補正した反射振幅及び反射位相を用いて式(23)、(24)に基づき反射係数の実数部及び虚数部を算出し、反射複素平面チャートにプロットした。これを図９に示す。図９において、例えば「fat100％」の文字の近傍にプロットされている実験値１，２，３が脂質の体積割合が100％の場合の実験値を示す。他の実験値についても同様である。
【００８６】
この反射複素平面チャートにプロットされている実験値１，２，３の各位置から比誘電率εｒ及び誘電正接tanδの値を読み取り、それぞれを脂質の体積割合に対してプロットした結果、図１０の脂質の体積割合に対する比誘電率を示すグラフ、及び図１１の脂質の体積割合に対する誘電正接を示すグラフが得られた。また、図１０、図１１には実験結果とともに、先の（数１１）の式(20)、(21)で示したεｒ、tanδの脂質の体積割合に対する理論値も示した。
【００８７】
理論値と実験結果とにおいて、図１０のように、比誘電率については、脂質の体積割合が20％〜100％で定量的によく一致する結果となったが、20％未満において0％に近づくほど実験値と理論値との差が大きくなる結果となった。また、図１１のように、誘電正接についても、誤差はあるものの定量的な一致がみられた。
【００８８】
比誘電率、誘電正接ともに、理論値と実験結果に定量的な一致が見られるが、理論値と実験結果における誤差の要因としては、（１）試料作成時に脂質の割合が正確でなかったこと、（２）シミュレーションと実験において用いた脂質と赤身肉の比誘電率及び誘電正接に誤差があったこと、が考えられる。また、比誘電率は脂質の体積割合が少なくなるほど大きくなるが、試料の比誘電率が大きくなるほど空気との境界面において、誘電率の差が大きくなるため表面での反射が主要となる。このため、試料の表面位置の誤差は脂質割合が少ないほど大きく影響することが、脂質割合20％未満において理論値との誤差が大きくなった要因と考えられる。誘電正接については、脂質割合の変化に対する変化幅が小さいため誤差の影響が大きくなる。従って、比誘電率、誘電正接の測定精度をより向上させるためには、上記（１）、（２）に示した原因や、試料の厚み、アンテナの位置などに誤差がなく再現性の高い方法で測定すればよい。
【００８９】
なお、この「第２の検討内容」において行われたシミュレーションでは、特に記載されなかった条件については、先の「第１の検討内容」において行われたシミュレーションと同じ条件を用いた。
【００９０】
以上では、マイクロ波を発信及び受信するアンテナから一定の距離に板状の試料を設置し、試料背面に金属板をあてて短絡状態とした系において、試料の比誘電率、誘電正接が変化した場合の反射係数の変動を反射複素平面チャートとして理論的に導き、このチャートを用いて測定された反射係数から被測定物の比誘電率及び誘電正接を求める方法を導出し、さらにこの方法の妥当性を確認するため実験を行った結果、理論値と実験値が定量的な一致を示した。この反射複素平面チャートを用いた方法は、比誘電率と誘電正接を同時に測定・解析できる簡便な方法として有用である。よって、脂質と脂質以外の成分からなる混合物において各成分単体での比誘電率、誘電正接が既知であれば、この反射複素平面チャートを用いた方法によって混合物の反射係数から脂質の体積割合を求めることが可能である。
【００９１】
（実施の形態）
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００９２】
図１２は、本発明の実施の形態における脂質含有率測定方法を示すフローチャートである。
【００９３】
まず、ステップＳ１では、マイクロ波（マイクロ波の周波数を有する電磁波）を試料（被測定物）に照射し、その反射波を検出し、反射係数の振幅及び位相を測定する。この場合、試料背面に金属板（反射板）をおいて短絡状態にして測定することが好ましい。また、試料は、厚みが所定値（例えば、１ｍｍ以上４ｍｍ未満の所定値）の薄い板状の形状にしておくことが好ましい。照射するマイクロ波の周波数は、例えば、８〜１２ＧＨｚ程度である。
【００９４】
次に、ステップＳ２では、ステップＳ１により測定される反射係数の振幅及び位相に基づいて反射係数の実数部及び虚数部を算出する。この算出方法については、前述の「第２の検討内容」において説明した通りである。
【００９５】
次に、ステップＳ３では、ステップＳ２により算出される反射係数の実数部及び虚数部に基づいて、試料の比誘電率を求める。ここでは、反射係数の実数部及び虚数部から演算により比誘電率を求めるようにしてもよい。あるいは、予め図６に示すような反射複素平面チャートを作成しておき、その反射複素平面チャートに、ステップＳ２により算出され反射係数の実数部及び虚数部をプロットした位置の、比誘電率の目盛りをよみとることにより、比誘電率の値を求めてもよい。この場合、反射複素平面チャートには比誘電率の目盛りが記載されてあればよく、誘電正接の目盛りは無くてもよい。
【００９６】
次に、ステップＳ４では、ステップＳ３により求められた比誘電率に基づいて試料に含まれる脂質の体積割合（脂質含有率）を求める。ここでは、例えば図１０の理論値を算出する場合と同様、先の（数１１）の式(20)を用いて脂質の体積割合を求めればよい。
【００９７】
なお、試料の誘電正接の測定誤差を小さくできる場合には、ステップＳ３において、比誘電率に代えて、誘電正接を求めるようにし、ステップＳ４において誘電正接に基づいて脂質の体積割合を求めるようにしてもよい。あるいは、ステップＳ３において、比誘電率と誘電正接を求めるようにし、ステップＳ４において比誘電率と誘電正接とに基づいて脂質の体積割合を求めるようにしてもよい。この場合、比誘電率に基づいて求められる脂質の体積割合と、誘電正接に基づいて求められる脂質の体積割合との平均値を、求めるべき脂質の体積割合とすればよい。いずれにしても、誘電正接を求める場合には、前述の比誘電率を求める場合と同様、反射係数の実数部及び虚数部から演算により求めるようにしてもよいし、予め図６に示すような反射複素平面チャートを作成しておいて、反射係数の実数部及び虚数部をプロットした位置の、誘電正接の目盛りをよみとることにより、誘電正接の値を求めるようにしてもよい。反射複素平面チャートには、比誘電率及び誘電正接のうち求めるべき対象の目盛りが記載されてあればよい。また、誘電正接に基づいて試料に含まれる脂質の体積割合を求める場合には、例えば図１１の理論値を算出する場合と同様、先の（数１１）の式(21)を用いて脂質の体積割合を求めればよい。
【００９８】
なお、反射複素平面チャートを用いない場合には、ステップＳ２からステップＳ４まで全て演算により行われ、ステップＳ１で測定された反射係数の振幅及び位相に基づいて試料の比誘電率及び／又は誘電正接が求められ、続いて脂質の体積割合が求められる。
【００９９】
また、以上では、反射係数の振幅及び位相を測定し、その測定値に基づいて試料の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるようにしたが、同様にして透過係数（照射したマイクロ波（入射波）に対して試料を通過した透過波の比を表す値）の振幅及び位相を測定し、その測定値に基づいて試料の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるようにしてもよい。
【０１００】
以上のように、試料（被測定物）にマイクロ波を照射して測定される反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて試料の比誘電率及び／又は誘電正接を求め、その比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて試料に含まれる脂質の含有率を求めることにより、脂質含有率の測定精度を向上でき、正確な測定が可能になる。
【０１０１】
次に、図１３は、本発明の実施の形態における脂質含有率測定装置の構成を示すブロック図である。
【０１０２】
この脂質含有率測定装置は、マイクロ波発生部１１、発信用のアンテナ１２ａ、受信用のアンテナ１２ｂ、測定部１３、脂質含有率算出部１４及び表示部１５を備えている。マイクロ波発生部１１は、所望の周波数のマイクロ波を発生し、発生されたマイクロ波は測定部１３を介して発信用アンテナ１２ａから発信され、試料（図示せず）に照射される。試料からの反射波または試料を通過した透過波は受信用アンテナ１２ｂで検出されて測定部１３へ入力される。
【０１０３】
なお、反射波を検出する場合には、図５の実験装置のように、発信用アンテナ１２ａと受信用アンテナ１２ｂとを１つのアンテナで兼用した構成とした方がコンパクトになる。また、透過波を検出する場合には、発信用アンテナ１２ａと受信用アンテナ１２ｂとを対向して配置し、その間に試料を配置して、発信用アンテナ１２ａから試料へ向けてマイクロ波を発信し、試料を通過した透過波を受信用アンテナ１２ｂで受信するように構成すればよい。
【０１０４】
測定部１３は、ネットワーアナライザの機能を有しており、アンテナ１２ａから発信される電磁波（マイクロ波）とアンテナ１２ｂで受信される電磁波とに基づいて、反射係数または透過係数の振幅及び位相を求めて測定値とし、その測定値を脂質含有率算出部１４へ出力する。
【０１０５】
脂質含有率算出部１４は、マイコン等の演算装置で構成され、例えば前述のステップＳ２〜Ｓ４の処理を行い、それにより求められた脂質の体積割合を表示部１５へ出力するようにプログラムされている。したがって、脂質含有率算出部１４では、測定部１３により測定される反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて、試料の比誘電率及び／又は誘電正接を求める処理が行われ、続いて、求められた比誘電率及び／又は誘電正接に基づいて試料に含まれる脂質の体積割合を求める処理が行われる。ここで、前述の反射複素平面チャートを用いる場合には、反射複素平面チャートのデータを例えばテーブルとして上記演算装置内のメモリに記憶しておき、反射係数または透過係数の振幅及び位相に基づいて反射係数または透過係数の実数部及び虚数部を算出し、算出した実数部及び虚数部に対応する誘電率及び／又は誘電正接の目盛りを上記テーブルから読み取ることにより試料の比誘電率及び／又は誘電正接を求めるようにプログラムしておけばよい。
【０１０６】
表示部１５は、例えば液晶ディスプレイ等で構成され、脂質含有率算出部１４により求められた脂質の体積割合を表示するようになっている。
【０１０７】
この構成によれば、試料を所定位置（前述のように反射波を検出して反射係数を測定する場合と透過波を検出して透過係数を測定する場合とで試料とアンテナとの位置関係が異なる）にセットして、例えばスタートボタン（図示せず）を押せば、マイクロ波発生部１１で発生されるマイクロ波が測定部１３を介して発信用アンテナ１２ａから発信され、測定部１３によって反射係数または透過係数の振幅及び位相が測定され、その測定値に基づいて脂質含有率算出部１４では試料に含まれる脂質の含有率（脂質の体積割合）が算出され、その算出された脂質の含有率が表示部１５に表示される。したがって、前述の脂質含有率測定方法を自動的に実施することができ、脂質含有率の測定を容易に行うことが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、食品等に含まれる脂質含有率を測定するための脂質含有率測定方法及び装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】試料の後方が無限長線路状態の場合に試料の前方から入射されるマイクロ波の伝搬状態を示す図である。
【図２】試料の背面が短絡状態の場合に試料の前方から入射されるマイクロ波の伝搬状態を示す図である。
【図３】（ａ）は、シミュレーションにより求められた無限長線路状態の場合の試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅を示す図であり、（ｂ）は、実験により求められた無限長線路状態の場合の試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅を示す図である。
【図４】（ａ）は、シミュレーションにより求められた短絡状態の場合の試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅を示す図であり、（ｂ）は、実験により求められた短絡状態の場合の試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅を示す図である。
【図５】実験装置の構成を示す図である。
【図６】試料の厚みが2mmの場合の反射係数の実数部及び虚数部と試料の比誘電率及び誘電正接との関係を示す反射複素平面チャートである。
【図７】試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射振幅（実験値及び理論値）を示す図である。
【図８】試料に含まれる脂質の体積割合に対する反射位相（実験値及び理論値）を示す図である。
【図９】図６の反射複素平面チャートに実験値及び理論値をプロットした図である。
【図１０】試料に含まれる脂質の体積割合に対する比誘電率（実験値及び理論値）を示す図である。
【図１１】試料に含まれる脂質の体積割合に対する誘電正接（実験値及び理論値）を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態における脂質含有率測定方法を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態における脂質含有率測定装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１１  マイクロ波発生部
１２ａ  発信用のアンテナ
１２ｂ  受信用のアンテナ
１３  測定部
１４  脂質含有率算出部
１５  表示部
【図１】
2007271412.tif 000019
【図２】
2007271412.tif 000020
【図３】
2007271412.tif 000021
【図４】
2007271412.tif 000022
【図５】
2007271412.tif 000023
【図６】
2007271412.tif 000024
【図７】
2007271412.tif 000025
【図８】
2007271412.tif 000026
【図９】
2007271412.tif 000027
【図１０】
2007271412.tif 000028
【図１１】
2007271412.tif 000029
【図１２】
2007271412.tif 000030
【図１３】
2007271412.tif 000031