(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に接近又は接触する測定平面を備え、試料が前記測定平面側にのみに配置される方形の誘電体共振器と、
試料が存在するときの前記誘電体共振器の共振周波数近傍の周波数で、かつ前記平面に平行な試料内平面において一方向成分をもつ電界ベクトルをその誘電体共振器に発生させるマイクロ波用励振装置と、
その誘電体共振器による透過エネルギー又は反射エネルギーを検出する検出装置と、
各々の検出装置の検出出力の変化から試料の誘電的異方性を求めるデータ処理装置と、を備え
前記マイクロ波用励振装置は前記電界ベクトルが誘電体共振器の前記測定平面に垂直な方向にしみ出すとともに、電界ベクトル方向の延長線上に近接して配置された他の誘電体共振器があるときは相互干渉が生じるように前記測定平面に平行な面内方向で前記測定平面の外側にもしみ出すエバネセント波を有する共振モードとなるように前記誘電体共振器を励振するものであり、
前記誘電体共振器は複数個を含み、それらの誘電体共振器は１つの誘電体共振器の電界ベクトル方向の延長線上に他の誘電体共振器があるときは相互干渉が生じる程度に互いに接近して配置され、
各々の誘電体共振器は発生する電界ベクトルの方向が互いに異なっているとともに、各々の誘電体共振器の電界ベクトルの延長線上には他の誘電体共振器の中心が存在しないように配置されていることを特徴とする配向測定装置。
【請求項２】
前記各々の誘電体共振器が、各々の誘電体共振器の発生する電界ベクトル方向が複数の誘電体共振器の中心点を中心として対称的になるように配置されている請求項１記載の配向測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子フィルムをはじめとするシート状物質のみならず、プラスチック、ゴム、セラミックなどの成型品のような立体的物品も含めて、それらの分子配向あるいは誘電的異方性をマイクロ波により測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマーフィルムなどの高分子材料の配向を測定する方法としては、従来からＸ線回折、赤外二色性、力学的破断強度、超音波伝搬速度、複屈折、偏光蛍光法、マイクロ波法などが用いられてきている。これらのほとんどはラボ用途に用いられるものであり、試料が移動中に測定できる、いわゆるオンライン測定装置として実用化されているのは複屈折による方法のみであった。この方法は、屈折率の異方性つまり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）を測定する方法であり、特開平４−８９５５３号公報などに開示されている。
【０００３】
しかし、この複屈折を用いる方法は、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。
【０００４】
そこで、発明者らは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、試料の片側から検出部を接触もしくは近接させることにより、オンラインでシート状物質の配向を測定する方法を発明した（特開平９−９５１３５号公報、特開平９−２６０９８４号公報）。以下にその動作原理を説明する。
【０００５】
まず、誘電体共振器１個の場合を図１に示す。図１は誘電体共振器の構造を示す平面図である。一方のロッドアンテナ22aより励振された方形の誘電体共振器20は複数の共振モードをとる。共振スペクトルの測定例を図２に示す。図２は誘電体共振器の共振スペクトルの一例を示す波形図である。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、かつ試料との相互作用成分ができるだけ多くなるような共振モードを選択することが好ましい。そのような共振モードを確認するために、電波吸収剤を含浸させた細長い紙を方形誘電体共振器の長辺と平行になるように置き共振ピークレベルの変化を調べる。電界ベクトルと細長い紙が平行であれば、共振カーブのピークレベルが大きく減衰し、逆に直交していればほとんどピークレベルは変化しない。これを利用して、図２に現れた共振ピークすべてについて調査し、もっともピークレベルの減衰幅が大きく、かつＱ値も高いピークを選択した。そのピークを矢印で示す。このピークにおける共振モードは、共振周波数の計算結果等によりＥＸ２１１＋δモードと考えられる。その場合の電界ベクトルは、共振器の長辺方向に平行に向いており、その強度が最大となる位置がその方向で２カ所ある。この電界分布は、電波吸収材を使って調べた電界分布と一致している。この電界の一部は誘電体共振器上部表面から外部にもしみ出しており、いわゆるエバネセント波として存在し、その強度は表面から離れるに従って指数関数的に減少していく。このエバネセント波を使って試料の配向を測定することになる。
【０００６】
誘電体共振器の近辺に高分子シートなどを近づけると、共振スペクトルは図３に示すように、電界ベクトルの方向における試料の誘電率、誘電体共振器と試料とのギャップおよびに試料の厚み等に応じて共振周波数が低周波側にシフトする。図３は図１に示した誘電体共振器に高分子シートとしてＰＥ（ポリエチレン）シートを１枚載せた場合の共振スペクトルのシフトを示す図である。なお、共振周波数の理論計算は、以下に説明した式により計算できる。
試料の一面側のみに配置された１個の誘電体共振器の試料測定面を、厚みが既知の測定対象試料に一定の条件で配置し、共振周波数を測定し、下記式（１）に従って測定対象試料の誘電率が求められる。
βgＬ＝π/2＋Ｐπ＋tan-1(α2/βg)・tanh[tanh-1(α3/α2)＋α2Ｌ2]…（１）
α2＝（ｋc2−ω02ε0μ0εS）1/2
α3＝（ｋc2−ω02ε0μ0）1/2
βg＝（ω02ε0μ0εr−ｋc2）1/2
ここで、εSは試料の誘電率、εrは誘電体共振器の比誘電率、Ｌは誘電体共振器の厚み、ε0は測定雰囲気（空気）の誘電率、μ0は測定雰囲気の透磁率、ω0はマイクロ波共振角周波数、Ｌ2は測定対象試料の厚み、ｋcは誘電体共振器の形状、電磁界モード等により定まる定数（固有値）、Ｐは０、１、２、３、・・・（この数字は軸方向λg／２の整数倍を意味する）である。ここで、一定の条件とは、誘電体共振器の試料測定面を試料に接触させて測定を行なうことであるか又は、誘電体共振器の試料測定面を試料から一定の距離だけ離して測定を行なうことを示している。
【０００７】
この式から試料の厚みが一定であれば、共振周波数のシフト量（ブランク時の共振周波数と試料が有る場合の共振周波数との差）は試料の誘電率のみに依存することがわかる。
【０００８】
一方、試料の分子鎖配向と誘電率の異方性との関係を図４に示す。図４は上段に試料の分子鎖の配向状態を模試的に示した図とその状態の試料の誘電率の異方性を測定した図を下段に組み合わせて示した。ここで、分子鎖セグメントまたは微結晶を１本のファイバーと考えれば、紙、不織布のような試料でもあてはまる。その場合は、繊維配向がわかることになる。その場合、繊維自体は全く無配向（例えばガラス繊維の場合）であっても、巨視的にみれば誘電率の異方性がその並び方によって発現することはよく知られているところである。いずれにしても、分子鎖または繊維が向いている方向で誘電率が最大値（εmax）をとり、最小値（εmin）との差（Δε）が配向の程度を表す。従って、どの方向が最も誘電率が大きいかを測定すれば、配向している方向がわかることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように基本原理は、試料の配向性を誘電率の異方性から測定するものであるので、試料と誘電体共振器を近接または接触させた状態で誘電体共振器１個を回転させ、１回転中（理論的には１／４回転でよい）の共振周波数の変化を測定すれば、誘電的異方性、つまり配向を測定することができる。
【００１０】
しかし、オンライン測定の場合高速性が要求されるので、１個の誘電体共振器を回転するような方法をとった場合、その回転時間の間に測定対象が移動してしまい、同一箇所を測定できない。そのため、複数個の誘電体共振器を電界ベクトルの方向が異なるように予め方向を変えて配置しておき、電気的に同時に複数個の共振周波数を測定し、その複数個のデータから配向パターンを得るようにすることが考えられ、この方法によれば高速測定が可能となる。
理論的には、例えば、図５に示すように３０度毎に６個の誘電体共振器を方向を変えて配置し、各誘電体共振器において周波数シフト量（ブランク時の共振周波数−試料が有る時の共振周波数）を求め、それを図６に示すように極座標上にプロットし、この６ポイントで楕円近似をかけることにより配向パターンと呼ぶ楕円が計算される。図５は配向方向を測定できるように複数の誘電体共振器を配置した例を示す平面図、図６はそのように配置した各誘電体共振器の出力から得られるであろう配向パターンを示した図である。ここで、φ（基準方向と誘電率最大の方向とのなす角度）は配向角度を表し、長軸ａと短軸ｂの差またはそれを長軸ａもしくは短軸ｂで除したものは異方性の程度を表す。
【００１１】
実際の電気信号処理的には、図７に示すようにマイクロ波掃引発振器（スイーパー）から出た信号を▲１▼から▲６▼で示す６個の誘電体共振器に分配し、透過強度を検波ダイオードで電圧に変換する。これを増幅、Ａ／Ｄ変換し、ピーク検出回路によってピーク位置が検出される。周波数の掃引は一定の周期で繰り返され、かつ掃引中のみハイレベルとなる同期信号が同時にマイクロ波掃引発振器（スイーパー）から出ているため、この同期信号がハイレベルになる瞬間から透過強度が最大値をとるまでの時間を測定すれば、共振周波数が求められる。図７は６個の誘電体共振器を使用した場合の測定系のブロック図である。例えば、２５０ＭＨｚを１０ｍｓｅｃで掃引する場合のタイムチャートを図８に示す。図８は共振周波数を検出する際のタイムチャートの一例である。
【００１２】
オンライン測定等に代表されるように、短時間にシート状物質の配向を測定しようとする場合は、以上のように複数の誘電体共振器を角度を異ならせて配置させて、できるだけ短時間に各角度のデータを収集することが必要である。
本発明者は、上記のようにして複数の誘電体共振器を角度を異ならせて配置し、測定の試行を繰り返した。その際に２軸延伸フィルムのように比較的誘電的異方性の小さな高分子シートの配向を測定する場合、複数の誘電体共振器を角度を異ならせて配置してサンプルから得られたデータとあらかじめ同サンプルを分子配向計（王子計測機器社製 MOA-6000A）によって測定して得られたデータが正確に一致しないことがあった。この問題を解決して、複数の誘電体共振器を角度を異ならせて配置した場合であっても正確な配向測定データを得ることができる配向測定装置を提供することが本発明の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の配向測定装置は、試料に接近又は接触する測定平面を備え、試料が一面側にのみに配置される誘電体共振器であり、試料が存在するときの前記誘電体共振器の共振周波数近傍の周波数で、かつ前記平面に平行な試料内平面において一方向成分をもつ電界ベクトルをその誘電体共振器に発生させるマイクロ波用励振装置と、その誘電体共振器による透過エネルギー又は反射エネルギーを検出する検出装置とを備える誘電体共振器であって、該誘電体共振器をその発生する電界ベクトル方向を変えて複数個有し、かつ、各々の誘電体共振器の電界ベクトルの延長方向上に隣接する誘電体共振器が実質的に存在しないように配置し、各々の検出装置の検出出力の変化から試料の誘電的異方性を求めるデータ処理装置と、を備えたことを特徴とする。
また前記各々の誘電体共振器が、各々の誘電体共振器の発生する電界ベクトル方向が複数の誘電体共振器の中心点を中心として対称的になるように配置されていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以上に説明したように正確な測定ができない原因について本発明者等が考察したところ、複数個の共振器を並べた時に互いのエバネセント波等による相互干渉が生じているのではないかと推察された。従って、共振周波数の変化をより正確に捉えるためには、このような相互干渉を出来る限り小さく押さえ、かつ高感度な測定を行うことに着目して試行を繰り返した。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明者等は上記測定原理を用いて、各誘電体共振器の相互干渉が少なく、したがって高精度にシート状物質の配向をオンラインで測定できる装置を得た。すなわち複数の誘電体共振器をそれらの近傍において配置する場合、そのレイアウトに留意することが重要であることがわかった。図９(A)(B)に誘電体共振器間の干渉の発生し易いレイアウト例を示す。図９(A)(B)はそれぞれ本発明の比較例となるような誘電体共振器の配置の一例を示す平面図である。もちろん、各誘電体共振器間の距離を大きくとれば干渉による影響は抑えられるが、センサー部全体が大きくなり、サンプルの離れた部分をそれぞれの誘電体共振器が測定してしまうことになり、サンプルの同一部分を複数の誘電体共振器で測るという本来の前提からかけ離れることになり、現実的ではない。そこで、ある程度接近した配置が要求されることになるが、そこで例えば、図９(B)のようなレイアウトでは、奇数番目の共振器のエバネセント波が偶数番目の共振器の電界によって乱され、十分な異方性測定感度が得られないことが実験によりわかった。従って、この相互干渉を出来る限り抑えるためには、例えば図１０(A)(B)のように対称性に留意したレイアウトにすれば、干渉もなくすべての誘電体共振器が十分な異方性感度をもつことがわかった。図１０(A)(B)はそれぞれ本発明の誘電体共振器の配置の一例を示す平面図である。このように誘電体共振器の電界ベクトルの延長方向上に他の誘電体共振器が実質的にできるだけ存在しないよう配置することが必要である。ここで実質的にとは、特に、電界ベクトルの延長線上に他の誘電体共振器の中心が無いことを意味する。すなわち、電界ベクトルの延長線が若干誘電体共振器の一部に交わっても要求感度等から許容範囲内であれば使用可能ということである。 また、好ましくは、近くにある、即ち、隣接する誘電体共振器が電界ベクトルの延長線上にないことである。さらに、最も好ましくは、電界ベクトルの延長線上に他の誘電体共振器が無いことになる。
【００１６】
また、更に、誘電的異方性つまり配向を測定する上では、各誘電体共振器の電界ベクトル方向の対称性が保たれているようなレイアウトがより好ましい。
つまり、まず誘電体共振器を方形にし、表面上に滲み出たエバネセント波の電界ベクトルが平行でかつ有効面積が多い共振モードを特定した。また、複数の誘電体共振器を検出ヘッドに配置する場合、お互いの干渉がなくなるように、対称性を考慮してレイアウトすることが測定精度向上に大きく寄与することがわかった。
【００１７】
【実施例】
実施例１
図１０(A)のレイアウトを採用した場合の測定部の異方性感度を調べた。  図１０(A)は配向測定のために複数の誘電体共振器１〜５を配置してなる測定部の一例を示す平面図である。一様に作製された２軸延伸ＰＥＴフィルム（厚さ１２５μｍ）を円形にカットしたものを測定部に置き、測定平面上で回転させて１５°毎に方向を変えながらその都度共振周波数を測定した。ＰＥＴフィルムに記した０°方向と誘電体共振器１の短辺方向とが平行になる位置をスタート位置（０°）とする。このスタート位置のＰＥＴフィルムを測定部に載せた状態を図１１に示した。図１１はＰＥＴフィルムの測定をスタートさせる際に測定部に載せた状態を示す平面図である。このスタート位置から時計方向にＰＥＴフィルムを１５°ずつ回転させて各角度位置でデータを測定した。この各角度位置で得られる共振周波数のデータを１から５までの各誘電体共振器についてプロットして得られたデータを図１２のNo.1からNo.5に示した。各グラフの番号はそれぞれの誘電体共振器の番号である。このＰＥＴフィルムの配向角度が４７°（分子配向計（王子計測機器社製 MOA-6000A）によってあらかじめ測定して得られたデータ）であるので、各グラフ共、共振周波数が最小になる角度にＰＥＴフィルムをセットすれば、該当する誘電体共振器の電界ベクトルの方向、つまり長辺方向がＰＥＴフィルムの４７°方向と平行になることがわかる。つまり、個々の誘電体共振器において、ＰＥＴフィルムの４７°の方向と電界方向とが平行になった位置で共振周波数が最小となっていることが確認できた。これによって、５個の誘電体共振器が互いの発する電磁波の干渉を受けずに、シート状物質の配向（誘電的異方性）が正確に測定できたことが確認された。
【００１８】
また、実際に図１０(A)に示した測定部および図７に示した測定系と同様の測定系を使用して、図８に示したタイムチャートに従って、前述のＰＥＴフィルムの配向を測定した結果を図１３に示す。ここで、ブランクとは、ＰＥＴフィルムを置く前の状態での共振周波数であり、測定とはＰＥＴフィルムを置いた時の共振周波数である。Δｆはブランク時の共振周波数から測定時の共振周波数を引いた値であり、これを極座標上にプロットし、楕円近似したものが楕円パターンである。この長軸方向が最も周波数シフトが大きい方向、つまり誘電率最大の方向を表しており、この図では４７．２°と分子配向計で予め測定して得られた値と一致した。
【００１９】
【発明の効果】
複数の誘電体共振器を角度を異ならせて配置した場合に、各誘電体共振器の電界ベクトルの延長方向上に隣接する他の誘電体共振器が、より好ましくは他の全ての誘電体共振器が、実質的に存在しないよう配置することにより、各誘電体共振器間の干渉作用が低減し、正確な配向測定データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】誘電体共振器の構造を示す平面図。
【図２】誘電体共振器の共振スペクトルの一例を示す波形図。
【図３】図１に示した誘電体共振器にＰＥシートを１枚載せた場合の共振スペクトルのシフトを示す図。
【図４】上段に試料の分子の状態を模試的に示した図とその状態の試料の配向を測定した図を下段に組み合わせて示した図。
【図５】配向方向を測定できるように複数の誘電体共振器を配置した例を示す平面図。
【図６】図５のように配置した各誘電体共振器の出力から得られる配向パターンを示した図。
【図７】６個の誘電体共振器を使用した場合の測定系のブロック図。
【図８】共振周波数を検出する際のタイムチャートの一例。
【図９】(A)(B)はそれぞれ本発明の比較例となるような誘電体共振器の配置の一例を示す平面図。
【図１０】(A)(B)はそれぞれ本発明の誘電体共振器の配置の一例を示す平面図。
【図１１】試料ＰＥＴフィルムの測定をスタートさせる際に測定部に載せた状態を示す平面図。
【図１２】試料ＰＥＴフィルムを１５°ずつ回転させた際に各角度位置で得られる各誘電体共振器の共振周波数のデータを各誘電体共振器についてプロットした図。
【図１３】本発明の配向測定装置によりＰＥＴフィルムの配向を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
１〜５          誘電体共振器
【図１】
0004000789.tif 000002
【図２】
0004000789.tif 000003
【図３】
0004000789.tif 000004
【図４】
0004000789.tif 000005
【図５】
0004000789.tif 000006
【図６】
0004000789.tif 000007
【図７】
0004000789.tif 000008
【図８】
0004000789.tif 000009
【図９】
0004000789.tif 000010
【図１０】
0004000789.tif 000011
【図１１】
0004000789.tif 000012
【図１２】
0004000789.tif 000013
【図１３】
0004000789.tif 000014