(57)【要約】【課題】試料を回転させることなく、一個の共振器を用いて誘電率の異方性を測定する。【解決手段】隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器をＴＥ11n（ｎは自然数）モードで励振させ、その隙間に試料を配置し、試料の配置前は１つに縮退し、試料の配置により縮退が解けて２個に分離したＴＥ11nモードのその２個の共振周波数を測定し、その２個の共振周波数から試料の面内方向における最大比誘電率と最小比誘電率とを求め、又はその２個の共振周波数の差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めることによって、面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を測定する。【選択図】図１
2007248097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を、以下の工程（Ａ）から（Ｄ）を含んで測定することを特徴とする誘電率異方性測定方法。
（Ａ）隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のＴＥ11n（ｎは自然数）モードを励振させること、
（Ｂ）前記隙間に試料を配置すること、
（Ｃ）試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを測定すること、並び
（Ｄ）低周波側の共振周波数ｆLと高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを求めること。
ここで、共振周波数ｆL，ｆHは試料の配置により縮退が解けて分離したＴＥ11nモードの２個の共振周波数の低周波側と高周波側のそれぞれの周波数である。
【請求項２】
前記工程（Ｄ）では、近似的に、低周波側の共振周波数ｆLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを求め、高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを求める請求項１に記載の誘電率異方性測定方法。
【請求項３】
面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を、以下の工程（Ａ）から（Ｄ）を含んで測定することを特徴とする誘電率異方性測定方法。
（Ａ）隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のＴＥ11nモードを励振させること、
（Ｂ）前記隙間に試料を配置すること、
（Ｃ）試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを測定すること、並びに
（Ｄ）前記２個の共振周波数ｆL，ｆHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めること。
【請求項４】
隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器、前記共振器の一端側に設けられ共振器内にマイクロ波を導入する励振装置及び前記共振器の他端側に設けられ共振器内のマイクロ波を検波する検波装置を備えた円筒空洞共振装置と、前記励振装置により共振器内にマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置と、前記マイクロ波発生装置とマイクロ波信号解析装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを検出する検出手段と、検出した２個の共振周波数ｆL，ｆHにより請求項１から３のいずれかに記載の誘電率異方性測定方法における工程（Ｄ）に基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段と、を備えていることを特徴とする誘電率異方性測定装置。
【請求項５】
前記円筒空洞共振器は電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられているものである請求項４に記載の誘電率異方性測定装置。
【請求項６】
前記電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナは前記円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て９０度回転した位置に設けられている請求項５に記載の誘電率異方性測定装置。
【請求項７】
前記電磁波励振用ループアンテナのループ面と前記電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されている請求項５又は６に記載の誘電率異方性測定装置。
【請求項８】
試料が前記隙間を通過するように移動させる試料移動機構をさらに備えてオンライン測定装置となっている請求項４から７のいずれかに記載の誘電率異方性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック、ゴム、セラミック等の薄板状基板や、紙、不織布、高分子フィルム等のシート状物質の誘電率の異方性をマイクロ波により測定する測定方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ポリマーフィルムなどの高分子材料の異方性を測定する方法として、複屈折による方法が知られている。この方法は、シート面内での複屈折率あるいはレターデーション（複屈折率×厚さ）を測定するものであり、試料を移動させながら測定することもできるものである（特許文献１参照）。しかし、この複屈折による方法は、可視光（偏光）を透過させて測定する必要があるため、不透明物質は測定できないという問題があった。
【０００３】
そこで、この問題を解決するためにマイクロ波誘電体共振器を用いて、シート状物質の片側に検出部を直接接触もしくは近接させて、シート状試料の配向を測定する配向測定装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
この配向測定装置は、シート状物質の配向が誘電率の配向として評価できることを基礎的原理としている。この配向測定装置では、シールド容器に挿入された、開口部を有する角柱又は円柱の誘電体共振器が利用され、試料であるシート状物質は誘電体共振器の開口部を覆うように設置される。そして、誘電体共振器の種々の共振モードの中で誘電体共振器の上部表面上で電界ベクトルが平行になり、かつ試料中の電界強度ができるだけ強くなるような共振モードが、配向測定に使用される。
【０００５】
この誘電体共振器の共振周波数は、試料の誘電率が大きいほど低周波数側に低下する。試料の面内に誘電率の異方性がある場合、誘電率の大きい方向と、誘電体共振器の上部表面上の電界ベクトルの方向が一致するとき、共振周波数の低下量は最も大きくなる。誘電率の大きい方向と、誘電体共振器の上部表面上の電界ベクトルの方向が直交するとき、共振周波数の低下量は最も小さくなる。
【０００６】
したがって、試料を一回転させ、共振周波数の変動を直接、あるいは間接に測定すれば、試料の面内の誘電率の異方性の程度を評価できるというものである。なお、シート状物質の製作工程でこれを移動させながら測定する、いわゆるオンライン評価する場合には、試料（シート状物質）を回転させる代わりに、上部表面電界ベクトルの向きがそれぞれ異なるように複数の誘電体共振器を互いに接近させて配置すればよい。
【特許文献１】特開平４−８９５５３号公報
【特許文献２】特開２００１−９１４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の配向測定装置では、多数の誘電体共振器を並べない限り、分解能の高い測定ができない。また、誘電体共振器の個数が増えれば、そのコストが増大し、装置の大型化、データ処理の複雑化を招いてしまう。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、不透明な薄板状又はシート状の試料に対しても、試料を回転させることなく、一個の共振器を用いて誘電率の異方性を測定することができる測定方法と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】
【０００９】
本発明の誘電率異方性測定方法は、面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を測定する方法であって、第１の局面は以下の工程（Ａ）から（Ｄ）を含む。
（Ａ）隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のＴＥ11n（ｎは自然数）モードを励振させること、
（Ｂ）前記隙間に前記試料を配置すること、
（Ｃ）試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを測定すること、並びに
（Ｄ）低周波側の共振周波数ｆLと高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを求めること。
工程（Ｄ）では、近似的に、低周波側の共振周波数ｆLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを求め、高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを求めるようにすることもできる。
【００１０】
本発明の誘電率異方性測定方法の第２の局面は、第１の局面の工程（Ｄ）に替えて、工程（Ｄ）として、測定した２個の共振周波数ｆL，ｆHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めるものである。
ここで、共振周波数ｆL，ｆHは試料の配置により縮退が解けて分離したＴＥ11nモードの２個の共振周波数の低周波側と高周波側のそれぞれの周波数である。
【００１１】
本発明の誘電率異方性測定装置は、隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器、前記共振器の一端側に設けられ共振器内にマイクロ波を導入する励振装置及び前記共振器の他端側に設けられ共振器内のマイクロ波を検波する検波装置を備えた円筒空洞共振装置と、前記励振装置により共振器内にマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置と、前記マイクロ波発生装置とマイクロ波信号解析装置を制御する制御装置と、を備えたものである。そして、前記制御装置は、試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを検出する検出手段と、検出した２個の共振周波数ｆL，ｆHに基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段と、を備えている。
【００１２】
誘電率異方性算出手段の第１の形態は、検出した低周波側の共振周波数ｆLと高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを算出するものである。
この形態において、誘電率異方性算出手段は、近似的に、低周波側の共振周波数ｆLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを算出し、高周波側の共振周波数ｆHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを算出するものとすることができる。
【００１３】
誘電率異方性算出手段の第２の形態は、検出した２個の共振周波数ｆL，ｆHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を表わす指標を算出するものである。
そのような指標の例は、（ｆH−ｆL）又は（ｆH−ｆL）／（ｆH＋ｆL）などである。
【００１４】
円筒空洞共振器は、電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられているものであることが好ましい。
円筒空洞共振器は、電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナが円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て９０度回転した位置に設けられているものであることが好ましい。
円筒空洞共振器は、さらに、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているものであることが好ましい。
【００１５】
本発明の誘電率異方性測定装置は、試料が円筒空洞共振器の前記隙間を通過するように移動させる試料移動機構をさらに備えてオンライン測定装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の誘電率異方性測定方法は、円筒空洞共振器のＴＥ11nモードを励振させ、試料の配置により縮退が解けて２個に分離したＴＥ11nモードの２個の共振周波数ｆL，ｆHを測定して試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINとを求めたり、又は２個の共振周波数の差ｆH，ｆLに基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めるようにした。
【００１７】
また、本発明の誘電率異方性測定装置では、円筒空洞共振器内のマイクロ波を検波する検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置において、検出手段が試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを検出し、誘電率異方性算出手段が２個の共振周波数ｆL，ｆHに基づいて試料の誘電率異方性を算出するようにした。
【００１８】
このような本発明の誘電率異方性測定方法及び装置によれば、不透明な薄板状又はシート状の試料に対して、試料を回転させることなく、一個の円筒空洞共振器を用いて誘電率の異方性を測定することができる。
その際、円筒空洞共振器として電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられたものを使用し、又はさらに電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナが円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て９０度回転した位置に設けられているものを使用すれば、ループアンテナの影響によるＴＥ11nモードの共振ピークの分離を防ぎ、誘電率異方性測定の誤差を軽減できる。
【００１９】
また、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているものを使用するようにすれば、異方性を有する試料の挿入により分離したＴＥ11nモードの共振ピークの両方を同時に励振検波しやすくなる。
【００２０】
さらに、上記測定の工程（Ｂ）において円筒空洞共振器の一対の有底筒状部材間の隙間を試料が通過するように移動させてオンライン測定を行なえば、製造工程において移動する薄板状又はシート状の試料をオンライン評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の誘電率異方性測定方法に用いる円筒空洞共振器１０の構造を示している。（Ａ）はそれぞれの底面においてアンテナを固定する孔の位置関係を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のX−Y線位置での断面図である。
円筒空洞共振器１０は、一対の有底筒状部材である上側有底筒状部材１１と下側有底筒状部材１２とからなる。
【００２２】
上側有底筒状部材１１と下側有底筒状部材１２は、銅やアルミニウムなどの金属材料で形成され、これらの開口部同士を隙間をもって合わせ、その隙間に試料２を配置するようになっている。その隙間に試料２を配置しやすいように、それぞれの開口部の周囲にフランジ部１１１、１２１が設けられている。
試料２は、有機、無機材料からなる薄板状のものやシート状のものが挙げられる。これらの厚みは、５０〜５００μｍ程度である。
【００２３】
そして、上側有底筒状部材１１の底面には孔５が形成され、下側有底筒状部材１２の底面には孔４が形成され、これらの孔５，４から同軸ケーブルの先端に形成されたループアンテナ６，７がそれぞれ挿入され固定されている。この一対のループアンテナ６，７は、一方が電磁波励振用ループアンテナで、他方が電磁波検波用ループアンテナとなっている。いま、ループアンテナ６を電磁波励振用、ループアンテナ７を電磁波検波用とする。測定に際しては、電磁波励振用ループアンテナ６で円筒空洞共振器を励振し、電磁波検波用ループアンテナで検波し、これらに接続されたネットワークアナライザー等の測定器で共振周波数を測定するようになっている。
【００２４】
両ループアンテナ６，７はそれぞれの筒状部材の底面に配置され、かつ底面に対し垂直方向になるように固定され、またそれぞれの筒状部材の底面の中心から離れた位置で、円筒の横断面における中心から見て９０度回転した位置に設けられている。
円筒空洞共振器１０の内部円筒の直径をＤとすると、両ループアンテナ６，７が設けられている位置は、円筒の中心から（３／８）Ｄ以内の距離の位置が望ましく、一例として中心からＤ／４の距離の位置に配置した。
【００２５】
そして、図１においては、電磁波励振用ループアンテナ６のループ面と電磁波検波用ループアンテナ７のループ面とが互いに直交するように配置されている。ループアンテナ６，７のこのような配置により、異方性を有する薄板状又はシート状の試料の挿入により分離したＴＥ11n（ｎは自然数）モードの２つの共振ピークを同時に励振検波しやすくできるという効果を奏するようになっている。
【００２６】
ここで、本発明の誘電率異方性測定方法の原理を説明する。実際に用いられる円筒空洞共振器とは異なるが、図１１に計算用のモデルとして、分割されていない円筒空洞共振器３を示す。（Ａ）は円筒の軸に沿った垂直断面図、（Ｂ）はその軸に垂直な面内での電界ベクトルを示す平面図である。なお、共振させるためのループアンテナ等の図示は省略している。
【００２７】
図１１に示す円筒空洞共振器３のＴＥ11n（ｎは自然数）モードは、試料が存在しない状態で、円筒の軸に垂直な面内でほぼ直線状に電界ベクトルを持ち、かつ、２重縮退している。ここで２重縮退とは、２個の独立した共振電磁界の共振周波数が同一であるため、一個の共振電磁界のように観測される現象のことである。図１１では、この２重縮退したＴＥ11nモードの電界ベクトルＥの一方の分布を示している。
【００２８】
この２重縮退したＴＥ11nモードは、図１に示すように誘電率に異方性をもつた薄板状又はシート状の試料２を、円筒空洞共振器の電界分布の強い位置で円筒軸と垂直になるように挿入することで縮退を解かれ、共振周波数が分離することが、本発明の過程により見出された。
【００２９】
さらにｎが奇数の場合、円筒空洞共振器の円筒軸方向の中央部でＴＥ11nモードの電界が最大になるので、本発明の実施がより容易になる。ＴＥ11nモードでは、ＴＥ111、ＴＥ112、ＴＥ113、…が他の共振モードとともに励振される。共振周波数は高次モードほど高くなり、かつ、他モードと隣接して干渉しやすくなるので、ＴＥ111モードが最も測定に適している。ＴＥ112モードでも測定はでき、ＴＥ113モードくらいまでは実用に耐える。
【００３０】
そして、縮退を解かれ共振周波数が分離して形成される２個の共振モードでは、主たる電界ベクトルの方向が、それぞれ円筒の軸に垂直に挿入された試料面内の誘電率が最大の方向と最小の方向に向くことが本発明の過程によりわかった。このことは、後述の検証結果により確かめられた。すなわち、試料面内の誘電率が最大となる方向に添った電界ベクトルをもつＴＥ11nモードが低共振周波数モードとなり、誘電率が最小となる方向に添った電界ベクトルをもつＴＥ11nモードが高共振周波数モードとなる。なお、試料面内とは、薄板状又はシート状の試料の厚み方向と垂直な面内の方向のことをいう。
【００３１】
そして、これらの共振モードの共振周波数から最大比誘電率及び最小比誘電率を近似的に求めることができる。すなわち、低共振周波数モードの共振周波数ｆLから試料面内の最大比誘電率εMAXを求めることができ、高共振周波数モードの共振周波数ｆHから試料面内の最小比誘電率εMINを求めることができる。この場合の近似的な計算方法について述べる。
【００３２】
比誘電率の計算を簡単にするために、まず、試料が面内に等方性誘電率εをもつ場合（図２（Ａ））を考える。計算上のモデルとしては、等方性誘電率εをもつ試料２が円筒空洞共振器３の中に完全に挿入された場合（図２（Ｂ））を考える。
図２（Ｂ）の場合には、ＴＥ11nモードの共振周波数ｆ0より、εは以下の式により計算できる。
【００３３】
2007248097.tif 000003
ただし、ｃは光速であり、Ｘ、Yは次式で与えられる。
【００３４】
2007248097.tif 000004
【００３５】
2007248097.tif 000005
ここで、ｔは試料の厚み、ｎはＴＥ11n共振モードの次数ｎ、ｋ0＝２πｆ0／ｃ，ｋr＝１．８４１２／Ｒである。ｋ0−ｋr＜０の場合、YはｊY’（ｊは虚数単位）で置き換えられる。
【００３６】
ｆ0の代わりにｆHを（１）式に入れて求められるεはεMINの近似値となり、ｆ0の代わりにｆLを（１）式に入れて求められるεはεMAXの近似値となる。このようにしてεMINとεMAXの近似値を計算できる。
【００３７】
また、ｆHとｆLからＦＥＭ等の数値解析を使って、εMAXとεMINをより厳密に求めることもできる。ここでＦＥＭ（有限要素法）とは電磁場などの解析を数値的に行なうシミュレーション技術の一種であり、本発明においては共振周波数を計算できるものが必要である。市販のソフトであるＨＦＳＳ等を使用することも可能である。
【００３８】
さらに、ｆLとｆHから異方性の程度を表わす指標を求めることができる。そのような指標として、例えば、最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINの差（εMAX−εMIN）を評価するための指標（ｆH−ｆL）、又は異方性の程度（εMAX−εMIN）／（εMAX＋εMIN）を評価するための（ｆH−ｆL）／（ｆH＋ｆL）などを求めることができる。
【００３９】
本発明においては、試料が配置されていないときにループアンテナの影響によるＴＥ11n（ｎは自然数）モードの共振ピークの分離を防ぎ、誘電率異方性測定の誤差を軽減するために、図１に示すように、電磁波励振用ループアンテナを円筒空洞共振器の一方の底面に垂直に挿入するとともに、電磁波検波用ループアンテナを円筒空洞共振器の他方の底面に垂直に挿入するのが好ましい。
【００４０】
そして同じ理由で、これらのループアンテナは円筒空洞共振器のそれぞれの底面の中心に設けられていてもよいが、図１に示すように円筒の横断面における中心から見て９０度回転した位置に設けられているのが好ましい。
【００４１】
そして、図１においては、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているが、これにより、異方性を有する薄板状又はシート状の試料の挿入により分離したＴＥ11n（ｎは自然数）モードの共振ピークの両方を同時に励振検波しやすくできるという効果を奏するようになっている。
【００４２】
これまで述べた測定方法は、薄板状又はシート状の試料を一対の有底筒状部材で挟持するようにして測定するものであったが、試料を一対の有底筒状部材間で移動するようにして測定することもできる。すなわち、薄板状又はシート状の製品の製造ラインにこの円筒空洞共振器を配置しておくことで、薄板状又はシート状の製品の製造工程において、製品の面内方向における異方性を評価することができる。
【００４３】
このとき、薄板状又はシート状の試料が固定された上述の測定方法と同様に、円筒空洞共振器にＴＥ11nモードを励振させることで、移動する試料によりＴＥ11nモードの共振ピークを２個発生させるのであるが、測定に際し、製造工程で試料が移動する速度よりも十分速い速度で周波数を掃引すれば、これらの２個の共振モードはほぼ同時に現れるので、製造工程において移動する薄板状又はシート状の試料をオンライン評価する場合にも、空洞共振器を一個設置するだけでよい。
【００４４】
ここで、シート状材料（試料）の製造プロセスで本発明を使用する場合、図３に示すように、所定の隙間ｇを設けて上下一対の有底筒状部材をそれぞれの開口部同士が対向するように配置し、それらの間をシート状材料が移動するようになっているのが望ましい。図３で、符号１３により示されるのは概略的に示した連続したシート状材料２ａを移動させるための試料供給機構であり、例えば連続したシート状材料２ａの両側に配置されたローラとそれを駆動するモータなどからなる機構である。
【００４５】
このとき、隙間ｇから電磁場が放射しないように、隙間ｇは
ｇ＜λ0L／（２εMAX0.5）かつｇ＜λ0H／（２εMIN0.5）
の関係を満たしておく必要がある。ただし、λ0Lは共振周波数ｆLにおける波長であり、λ0Hは共振周波数ｆHにおける波長である。
【００４６】
この場合は、（１）式の基礎になっている円筒空洞共振器とは異なるので、（１）式を使用すると誘電率は粗い近似値しか求めることができないので、誘電率を正確に求めるためには、ｆL、ｆHの測定値から、ＦＥＭ等の数値解析により、εMAX、εMINを求める必要がある。
また、この場合でもｆL，ｆH自体は求まるので、ｆLとｆHの差をシート状材料の異方性の大きさを表すパラメーターとして使用することもできる。
【００４７】
これまで述べた測定方法の妥当性について検証を行った結果を示す。
直径（Ｄ）が３５ｍｍ、高さ（Ｈ）が２５ｍｍの図１に示す形状の円筒空洞共振器１０を作製した。すなわち、ループアンテナ６，７はそれぞれの筒状部材の底面で中心からＤ／４の距離だけ離れ、円筒の横断面における中心から見て互いに９０度回転した位置に配置され、それぞれの底面に対し垂直方向で、ループ面が互いに直交する方向に向けられて固定されている。
【００４８】
図４（Ａ）にその円筒空洞共振器１０を用い、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を示す。いくつかのモードの共振ピークが得られるが、そのうちのＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して図４（Ｂ）に示す。ＴＥ111モードには２つの共振ピークが存在するが、試料を配置しない状態では縮退しているためにピークが分離していないことが確認できる。
【００４９】
ここで、円筒空洞共振器の形状及び大きさは変えないで、ループアンテナ６，７の配置位置や方向を異ならせたとき、試料を配置しないときのＴＥ111モードの共振ピークがどのように変化するかを調べておく。
【００５０】
まず、ループアンテナ６，７をそれぞれの筒状部材の側面に配置し、その位置は試料が配置されるべき中央の横断面からそれぞれＨ／４（Ｈは円筒空洞共振器の高さ）の位置とし、円筒の横断面において互いに１８０度をなす位置に配置され、それぞれ側面に対し垂直方向に固定した。すなわち、ループ面は互いに平行な方向となる。この状態の円筒空洞共振器で、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を図５（Ａ）に示す。いくつかのモードの共振ピークのうちのＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して図５（Ｂ）に示すが、ＴＥ111モードの２つの共振ピークが０.００２ＧＨｚ弱分離していることが確認できる。
【００５１】
次に、ループアンテナ６，７をそれぞれの筒状部材の底面で中心からＤ／４の距離だけ離れ、円筒の横断面において同じ位置に配置され、それぞれの底面に対し垂直方向でループ面が互いに平行になる方向に向けて固定した。この状態の円筒空洞共振器で、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を図６（Ａ）に示す。いくつかのモードの共振ピークのうちのＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して図６（Ｂ）に示すが、このピークは、ＴＥ111モードの２つの共振ピークのピークトップ位置が０.００１ＧＨｚ程度ずれて、強度（ピーク高さ）の異なる２つのＴＥ111ピークが重なったものと推定することができる。
【００５２】
このようにループアンテナを最適な位置に置かない場合、試料挿入前にＴＥ111モードが０．００１から０．００２ＧＨｚの僅かな分離を示すことが確認された。このピーク分離の周波数０．００２ＧＨｚが、比誘電率の異方性測定において、ｆL、ｆHの不確かさを与えると仮定して、どの程度の誤差が生じるかを検討しておく。
【００５３】
後述する実施例の測定結果を示す表１において、厚さ０．６１０ｍｍのＡ面サファイアにおいてはｆL＝６．１６７３ＧＨｚからεMAX＝１１．２３６を得るが、ｆL＝に０．００２ＧＨｚの誤差があるとすると、εMAXの誤差としてΔεf＝０．００８が生じる。これは通常避けがたい１μｍの厚さの誤差の効果Δεt＝０．０２より小さいので、無視できる。
【００５４】
一方、表１において、厚さ０．１２７ｍｍのＰＥＴフィルムにおいてはｆL＝７．６８７１ＧＨｚからεMAX＝２．９４５を得るが、ｆLに０．００２ＧＨｚの誤差があるとすると、εMAXの誤差としてΔεf＝０．０２６が生じる。これは通常避けがたい１μｍの厚さの誤差の効果であるΔεt＝０．０２と同程度なので、無視できない。また、ＰＥＴフィルムにおいてはεMAX−εMIN＝０．２に対して、Δεf＝０．０２６は１０％以上であり、この観点からも無視できない。
【００５５】
以上の考察より、厚さが薄く、比誘電率が小さい試料においては、ループアンテナを最適な位置に置かない場合には、試料挿入前にＴＥ111モードが僅かな分離を示すことが測定精度上無視できなくなる。
【００５６】
そこで、このような結果を踏まえ、本発明の最良の形態として、ループアンテナ６，７の位置と方向を図１に示すように固定した円筒空洞共振器１０を用いて、一対の有底筒状部材１１，１２間にシート状試料２を挟持して、この円筒空洞共振器１０の共振周波数を測定した。
【００５７】
比誘電率に顕著な異方性をもつ試料として面内にＣ軸があるＡ面サファイア基板の測定を行なうとともに、比誘電率に小さな異方性をもつ試料としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムの測定を行なった。
【００５８】
図７にＡ面サファイア基板のＴＥ111モードの共振ピークの測定結果、図８にＰＥＴフィルムのＴＥ111モードの共振ピークの測定結果を示す。図７，８で横軸は周波数、縦軸ＩＬ（インサーションロス）は円筒空洞共振器１０を透過した電力の入力電力に対する減衰量をｄＢ（デシベル）表示したものである。
【００５９】
図７においては、Ａ面サファイア基板のＣ軸に平行な誘電率εMAX＝１１．５(文献値)と垂直な誘電率εMIN＝９．４ (文献値)に対応するピーク分離が発生しているのが認められる。また、図８においては、ＰＥＴフィルムにおいても僅かな誘電率の異方性に起因したピーク分離が発生しているのが認められる。
【００６０】
そして、それぞれの共振ピークにおける共振周波数ｆL、共振周波数ｆHから（１）式により求めた最大比誘電率εMAX、最小比誘電率εMINの近似値を表１に示す。
【表１】
2007248097.tif 000006
(Δε)2 =(Δεt)2 + (Δεf)2
【００６１】
ここで、表中に「±」の数値で示されているのは誤差であり、εの誤差Δεは、試料厚さｔの不確かさから生じるεの誤差Δεtと、共振周波数ｆの繰返し測定誤差から生じるεの誤差Δεfの平均二乗誤差として求めたものである。
表１に示す結果より、Ａ面サファイア基板のεMAX、εMINは文献値１１．５、９．４にほぼ近い値となっており、本測定方法の妥当性が検証されたことを示している。
【００６２】
なお、図７及び図８においては、試料を任意の角度で挿入しても、誘電率の異方性に対応した一定のピーク分離が起こることを確認するために、一対の有底筒状部材１１，１２間に試料２を配置して共振波形を測定し（図７（Ａ）、図８（Ａ））、次に試料を４５度回転させて測定し（図７（Ｂ）、図８（Ｂ））、さらに試料を９０度回転させて測定した（図７（Ｃ）、図８（Ｃ））。これらの回転角度を異ならせた測定波形の結果から、試料と有底筒状部材１１，１２との相対的な角度に依存せずに、誘電率の異方性に対応した一定のピーク分離が観測されていることが確認できる。
【００６３】
図９に誘電率異方性測定装置の一実施例を概略的に示す。（Ａ）はその全体構成を示すブロック図、（Ｂ）はマイクロ波信号検出解析装置の機能を示すブロック図である。
円筒空洞共振装置は、一例として図１に示されたものであり、隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器２０、その共振器２０の一端側に設けられ共振器２０内にマイクロ波を導入する励振装置２２及び共振器２０の他端側に設けられ共振器２０内のマイクロ波を検波する検波装置２４を備えている。円筒空洞共振装置の一例は図１に示されたものであり、励振装置２２と検波装置２４はそれぞれループアンテナである。
【００６４】
励振装置２２により共振器２０内にマイクロ波を発生させるために、励振装置２２にはスイーパと称されるマイクロ波発生装置２６が接続されている。検波装置２４が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうために、検波装置２４にはネットワークアナライザーなどのマイクロ波信号検出解析装置２８が接続されている。この円筒空洞共振装置による測定動作を制御するために制御装置３０が設けられている。具体的には制御装置３０はマイクロ波発生装置２６とマイクロ波信号検出解析装置２８を制御する。制御装置３０は例えばパーソナルコンピュータにより実現される。
【００６５】
さらに、本発明では、制御装置３０は、図９（Ｂ）に示されるように、試料配置後のＴＥ11nモードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを検出する検出手段３０ａと、検出した２個の共振周波数ｆL，ｆHに基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段３０ｂとを備えている。検出手段３０ａと誘電率異方性算出手段３０ｂは制御装置３０に組み込まれた誘電率異方性算出プログラムにより実現される機能である。
【００６６】
この円筒空洞共振装置による誘電率異方性測定動作の一例を図１０のフローチャートを参照して説明する。
制御装置３０からの指令によりマイクロ波発生装置２６はＴＥ111モードの共振周波数を含む周波数領域でマイクロ波信号を掃引（スイープ）し、励振装置２２により共振器２０を励振させる。マイクロ波信号検出解析装置２８は、共振器２０に試料が配置されているときの検波装置２４により検波されたマイクロ波信号を入力し、ＴＥ111モードの低周波側の共振周波数ｆL及び高周波側の共振周波数ｆHを検出する。そして、制御装置３０において（１）式により、又はＦＥＭ等の数値解析法により試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを算出する。
【００６７】
この動作をより具体的に示すと、マイクロ波信号検出解析装置２８としての市販のネットワークアナライザーには、ＩＬ（インサーションロス）を測定している周波数領域の中で、ＩＬが最も大きい点の周波数を自動で測定する機能（Ｍａｘ機能）があるので、これを用いて共振ピークのトップの周波数、つまり共振周波数を測定することができる。マイクロ波信号検出解析装置２８としてネットワークアナライザーを使用し、この機能を用いて自動でｆL測定を行う場合は次のように行なう。
【００６８】
１）制御装置（具体的にはパーソナルコンピュータ）３０から、予め与えられているｆLの初期値の前後で周波数をスイープするよう、マイクロ波発生装置２６に指示を出し、次に制御装置３０はネットワークアナライザー２８にＭａｘ機能指示を出してｆLの概略値を求める。
【００６９】
２）次に制御装置３０はこのｆLの概略値を中心により狭い範囲で周波数をスイープするよう、マイクロ波発生装置２６に指示を出し、再度ネットワークアナライザー２８にＭａｘ機能指示を出してｆLの精密値を求める。
【００７０】
ｆH測定を行う場合も同様である。
制御装置３０の中のプログラムには、このような測定操作を指示するための部分と、ｆL、ｆHからεMAXとεMINを算出する部分がある。
【００７１】
制御装置３０は、検出した２個の共振周波数ｆL，ｆHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を表わす指標を算出するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】試料を挿入した円筒空洞共振器を表わす図であり、（Ａ）はそれぞれの底面においてアンテナを固定する孔の位置関係を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のX−Y線位置での断面図である。
【図２】（Ａ）は近似計算に用いる為に簡略化した、試料を挿入した円筒空洞共振器モデルであり、（Ｂ）はさらに簡略化した計算上のモデルである。
【図３】シート材料をオンラインで測定するための空洞円筒共振器の断面図である。
【図４】（Ａ）は図１の円筒空洞共振器を用いたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、（Ｂ）はＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。
【図５】（Ａ）は図１の円筒空洞共振器とはループアンテナの配置位置と方向を異ならせたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、（Ｂ）はＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。
【図６】（Ａ）は図１の円筒空洞共振器とはループアンテナの配置位置と方向を異ならせたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、（Ｂ）はＴＥ111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。
【図７】図１の円筒空洞共振器を用いたときのサファイア基板を挿入した空洞円筒共振器のＴＥ11nモードの２個の共振ピークを示す図である。
【図８】図１の円筒空洞共振器を用いたときのＰＥＴフィルムを挿入した空洞円筒共振器のＴＥ11nモードの２個の共振ピークを示す図である。
【図９】（Ａ）は誘電率異方性測定装置の一実施例を概略的に示すブロック図、（Ｂ）はその中の制御装置が誘電率異方性を求める機能を示すブロック図である。
【図１０】誘電率異方性測定装置の同実施例の動作を示すフローチャートである。
【図１１】（Ａ）は円筒空洞共振器の回転軸に沿った断面図、（Ｂ）はＴＥ11nモードの回転軸に垂直な平面内での電場分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
２      試料
３，２０      円筒空洞共振器
４，５      孔
６，７      ループアンテナ
１１，１２      有底筒状部材
２２      励振装置
２４      検波装置
２６      マイクロ波発生装置
２８      マイクロ波信号検出解析装置
３０      制御装置
２８ａ      共振周波数検出手段
２８ｂ      誘電率異方性算出手段
【図１】
2007248097.tif 000007
【図２】
2007248097.tif 000008
【図３】
2007248097.tif 000009
【図４】
2007248097.tif 000010
【図５】
2007248097.tif 000011
【図６】
2007248097.tif 000012
【図７】
2007248097.tif 000013
【図８】
2007248097.tif 000014
【図９】
2007248097.tif 000015
【図１０】
2007248097.tif 000016
【図１１】
2007248097.tif 000017