(57)【要約】【課題】非磁性体である計測対象物の誘電率を計測する誘電率計測装置において、計測対象物の誘電率を局所的に容易に計測でき、かつ、分解能を高くできる構成を提供することである。【解決手段】誘電率計測装置１０は、Ｕ字形の基板上に沿ってＵ字形に配置され信号を伝送する信号伝送線路２２を有し、信号伝送線路２２の頂部が検出部Ｔであるセンサ部材２０と、信号を出力する信号源１２と、信号伝送線路２２の一端に入力され検出部Ｔで反射した信号を用いて検出部の信号伝送特性を取得及び記録する特性記録部４０と、検出部に計測対象物が接触した状態における検出部の信号伝送特性に基づく特性値と予め設定された誘電率及び特性値の関係とに基づいて、計測対象物において検出部が接触した位置の誘電率を算出する演算部５０とを含む。【選択図】図１
2017058180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ字形の基板上に沿ってＵ字形に配置され信号を伝送する信号伝送線路を含み、前記信号伝送線路の頂部が検出部であるセンサ部材と、
前記信号を出力する信号源と、
前記信号伝送線路の一端に入力され前記検出部で反射した前記信号を用いて前記検出部の信号伝送特性を取得及び記録する特性記録部と、
前記検出部に非磁性体である計測対象物が接触した状態における前記検出部の信号伝送特性に基づく特性値と予め設定された誘電率及び前記特性値の関係とに基づいて、前記計測対象物において前記検出部が接触した位置の誘電率を算出する演算部とを備える、誘電率計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の誘電率計測装置において、
前記信号源から出力される前記信号が高周波信号である、誘電率計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の誘電率計測装置において、
前記信号伝送線路がマイクロストリップ線路を構成しており、
前記信号源は、前記マイクロストリップ線路の一端へ、所定範囲で周波数掃引された高周波数の連続波を前記高周波信号として出力し、
前記特性記録部は、前記検出部で反射した前記高周波信号を用いて、前記信号伝送特性として、前記マイクロストリップ線路の前記検出部を含む部分の第１信号伝送特性を、周波数に対して取得及び記録し、
前記演算部は、周波数に対する前記第１信号伝送特性を逆フーリエ変換し、時間または距離に対する第２信号伝送特性に変換し、前記第２信号伝送特性から、前記検出部に前記計測対象物が接触した状態における前記検出部の前記第１信号伝送特性に基づく前記特性値を取得し、取得した前記特性値と、予め設定された誘電率及び前記特性値の関係とに基づいて、前記計測対象物において前記検出部が接触した位置の誘電率を算出する、誘電率計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の誘電率計測装置において、
前記特性値は、前記マイクロストリップ線路で反射されて前記特性記録部に入力される前記高周波信号のエネルギの値と、前記信号源から出力されて前記マイクロストリップ線路を介さずに前記特性記録部に入力される前記高周波信号のエネルギの値との比に基づく反射係数である、誘電率計測装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の誘電率計測装置において、
前記信号伝送線路の前記検出部において、前記計測対象物と接触する部分は、所定曲率半径を有する曲面により形成される、誘電率計測装置。
【請求項６】
請求項５に記載の誘電率計測装置において、
前記マイクロストリップ線路は、前記信号伝送線路において前記計測対象物とは反対側に配置された基板を含み、
前記基板において、前記信号伝送線路とは反対側に外周面が押し付けられた円柱部材またはねじ部材を備える、誘電率計測装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか１に記載の誘電率計測装置において、
前記高周波信号の周波数がミリ波帯である、誘電率計測装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１に記載の誘電率計測装置において、
前記信号源、前記特性記録部、及び前記演算部がネットワークアナライザを構成する、誘電率計測装置。
【請求項９】
請求項１に記載の誘電率計測装置において、
前記信号源から出力される前記信号は、パルス信号またはステップ信号である非正弦波信号であり、
前記特性記録部は、前記検出部の信号伝送特性として、前記検出部で反射された前記非正弦波信号を取得及び記録するデジタルオシロスコープを含む、誘電率計測装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１に記載の誘電率計測装置において、
前記信号伝送線路の他端に接続され、前記他端において前記信号の反射を抑制するターミネータを備える、誘電率計測装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１に記載の誘電率計測装置において、
演算部で算出された誘電率を出力する出力部を備える、誘電率計測装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか１に記載の誘電率計測装置において、
演算部で算出された誘電率を記録する記録部を備える、誘電率計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非磁性体である計測対象物の誘電率を計測する誘電率計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から誘電率を計測する装置が複数提案されている。また、誘電率の計測のために高周波信号を用いることで、計測の分解能を高くできる可能性がある。
【０００３】
特許文献１では、マイクロ波の高周波信号を伝送する信号伝送線路に水分率が未知の未知試料を接触させ、その未知試料の水分率を算出する技術が提案されている。この技術では、信号伝送線路の出力端のマイクロ波出力レベルの変化と、予め測定された既知試料中の水分率とに基づいて、未知試料の水分率を算出する。信号伝送線路は、ケースに収められた２本のＵ字形の導体で構成されており、その一部分をケースから露出させて検出部としている。
【０００４】
非特許文献１では、アルミナのミリ波帯域での誘電率計測技術として、タイムドメイン計測に基づく自由空間法による技術が提案されている。また、波長が短いミリ波帯を用いる場合には、自由空間法が有利であると述べられている。
【０００５】
また、非特許文献１に記載された技術では、２台のアンテナ間に計測対象物を配置し、計測対象物を含む経路の信号伝送特性をタイムドメインモードで測定している。この技術では、計測対象物の表面及び裏面での信号の反射による信号の時間差を観測し、その時間差から算出した計測対象物の厚さとノギスで測った厚さとから計測対象物の誘電率を計算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２４５２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】佐野三郎、外５名，「自由空間タイムドメイン法によるアルミナのミリ波誘電率測定」，粉体および粉末冶金、第４９巻第１０号、ｐ．８９５−８９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された技術では、物体の水分率の上昇がその物体の誘電率の上昇に対応することを利用している。この技術では、ある周波数のマイクロ波を伝送線路に印加し、伝送線路全体におけるマイクロ波の伝送特性を利用している。これにより、伝送線路全体の伝送特性に対して検出部での水分率変化の寄与度が低くなり、誘電率計測の分解能が低下する可能性がある。
【０００９】
また、非特許文献１に記載された自由空間法では、アンテナの寸法が、用いられる電磁波の周波数に依存するので、各アンテナを小型化する面から限界がある。これにより、計測対象物の誘電率の局所的な計測が困難である。また、計測対象物において大きな電磁波入射面を設定する必要がある。例えば、この入射面として、ミリ波帯域で３０ｍｍ×３０ｍｍ程度以上の大きさが必要である。
【００１０】
本発明の目的は、非磁性体である計測対象物の誘電率を計測する誘電率計測装置において、計測対象物の誘電率を局所的に容易に計測でき、かつ、分解能を高くできる構成を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る誘電率計測装置は、Ｕ字形の基板上に沿ってＵ字形に配置され信号を伝送する信号伝送線路を含み、前記信号伝送線路の頂部が検出部であるセンサ部材と、前記信号を出力する信号源と、前記信号伝送線路の一端に入力され前記検出部で反射した前記信号を用いて前記検出部の信号伝送特性を取得及び記録する特性記録部と、前記検出部に非磁性体である計測対象物が接触した状態における前記検出部の信号伝送特性に基づく特性値と予め設定された誘電率及び前記特性値の関係とに基づいて、前記計測対象物において前記検出部が接触した位置の誘電率を算出する演算部とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る誘電率計測装置によれば、センサ部材の検出部を小さくできるので非磁性体である計測対象物の誘電率を局所的に容易に計測でき、かつ、検出部で反射した信号を用いるので分解能を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態の誘電率計測装置の構成（ａ）と、誘電率計測装置で取得される第１信号伝送特性及び第２信号伝送特性（ｂ）とを示す図である。
【図２】図１の誘電率計測装置を構成するセンサ部材の斜視図である。
【図３Ａ】図２に示すセンサ部材の頂部に計測対象物を接触させた状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３ＡのＡ−Ａ断面図である。
【図４】誘電率と反射係数との関係を求めるために、本発明に係る誘電率計測装置で反射係数を計測した部材の３例を示す図である。
【図５】複数の部材において、比誘電率と、誘電率計測装置で計測された反射係数との関係を求めた結果を示す図である。
【図６】本発明に係る実施形態により計測対象物の誘電率を計測する場合において、特性記録部で取得された反射係数とその反射に対応する信号伝送線路上の位置との関係を示す図である。
【図７】本発明に係る実施形態の誘電率計測装置の別例において、図３Ａに対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、誘電率計測装置の仕様に応じて適宜変更することができる。以下において複数の実施形態や、変形例などが含まれる場合、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。また、以下の説明で用いる上、下は、説明の便宜上用いるもので、使用時の配置位置を限定するものではない。
【００１５】
図１は、実施形態の誘電率計測装置１０の構成（ａ）と、誘電率計測装置１０で取得される第１信号伝送特性及び第２信号伝送特性（ｂ）とを示している。誘電率計測装置１０は、非磁性体である計測対象物６０（図３Ａ、図３Ｂ）の誘電率を計測する。誘電率計測装置１０は、信号源１２、信号ケーブル１４、センサ部材２０、特性記録部４０、及び演算部５０を備える。信号源１２は、正弦波の高周波信号を出力する。具体的には、信号源１２は、所定の周波数範囲で周波数掃引された高周波数の連続波を高周波信号として、センサ部材２０を形成する後述のマイクロストリップ線路２１の信号伝送線路２２の入力端２２ａへ出力する。高周波信号の周波数は、例えば３０〜３００ＧＨｚのミリ波帯である。この高周波信号は、信号源１２から出力された後、信号ケーブル１４の中間部に設置されたスプリッタ１５により等分に分岐される。具体的には、高周波信号は、スプリッタ１５により、伝播信号Ｓ１と参照信号Ｓ２とに等分分岐される。参照信号Ｓ２は、特性記録部４０に入力される。伝播信号Ｓ１は、入力信号として信号ケーブル１４を伝播し、センサ部材２０の信号伝送線路２２の入力端２２ａに入力される。信号ケーブル１４は同軸ケーブルにより形成される。信号ケーブル１４には、センサ部材２０からの反射信号Ｓ３を取り込む方向性結合器１６が設けられ、反射信号Ｓ３が特性記録部４０に入力される。また、特性記録部４０には演算部５０が接続されており、特性記録部４０における各種信号に基づいて各種演算を行う。
【００１６】
図２は、誘電率計測装置１０を構成するセンサ部材２０の斜視図である。図３Ａは、センサ部材２０の頂部に計測対象物６０を接触させた状態を示す断面図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ断面図である。センサ部材２０は、センサボディ２３及びマイクロストリップ線路２１を含んでいる。センサボディ２３は、全体として、先端（図における下端）が面取りされた幅の狭い厚板状であり、先端部に正面から見てＵ字状の外周面を有している（ＹＺ平面による断面がＵ字状）。この例では、センサボディ２３の中央部が空間であり、ＹＺ平面での断面もＵ字状となっている。すなわち、センサボディ２３は、その両側に略平行な一対の平板部２４と、各平板部２４の下端に連結された曲面板部２５とを有し、平板部２４及び曲面板部２５の幅方向Ｘ両端に空間の前後を塞ぐように連結された端板部２６とを有する。曲面板部２５は、下端に頂部を有する断面Ｕ字形に形成される。すなわち、曲面板部２５の底部には、所定の小さい曲率半径を有する曲面部２５ａが形成されている。また、一対の平板部２４及び各端板部２６の上端には、蓋部２７が結合されてセンサボディ２３内の空間の上端が塞がれている。センサボディ２３は、例えば樹脂材料により形成される。図２、及び後述する図３Ａ、図３Ｂでは、センサ部材２０の幅方向をＸ、センサ部材２０の下端に平面を接触させた場合においてその平面に沿い、かつ、幅方向Ｘに対し直交する方向をＹ、Ｘ及びＹに対し直交する上下方向をＺと示す。
【００１７】
マイクロストリップ線路２１は、Ｕ字形の基板２１ａと、接地用導体２１ｂ（図３Ａ、図３Ｂ）と、信号伝送線路２２とを有する。基板２１ａは、センサボディ２３の一対の平板部２４及び曲面板部２５の外面上に接地用導体２１ｂを介して固定されて配置される。基板２１ａは、例えば０．１〜０．２ｍｍの厚みの低誘電率の板材がＵ字形に曲げられて形成される。基板２１ａとして、例えばフッ素樹脂系のポリテトラフルオロエチレン等の樹脂製の曲げやすい板材が用いられる。図２では砂地部分により基板２１ａを示している。
【００１８】
図３Ａ、図３Ｂに示すように、接地用導体２１ｂは、例えば銅箔等の帯状の金属箔である。接地用導体２１ｂは、基板２１ａの内面（図３Ａ、図３Ｂの上側面）において、基板２１ａのＵ字形の長手方向に沿って固定される。接地用導体２１ｂの幅方向Ｘ長さは、基板２１ａの幅方向Ｘ長さと略同じである。信号伝送線路２２は、線状の導体パターンであり、基板２１ａの外側面（図３Ａ、図３Ｂの下側面）において、基板２１ａの長手方向に沿って配置される。
【００１９】
基板２１ａの内側及び外側に接地用導体２１ｂ及び信号伝送線路２２がそれぞれ配置された状態で、基板２１ａがＵ字形に曲げられてセンサボディ２３に固定される。これにより、基板２１ａ上に沿って信号伝送線路２２を含んでマイクロストリップ線路２１がＵ字形に配置される。信号伝送線路２２は高周波信号を伝送する。
【００２０】
センサ部材２０の下端部であって、信号伝送線路２２のＵ字形の頂部が検出部Ｔである。検出部Ｔには、計測対象物６０が接触する。計測対象物６０は、例えば樹脂製の板材である。後述のように信号伝送線路２２を伝播する高周波信号の少なくとも一部は検出部Ｔで反射信号として反射される。そして、その反射信号に基づく後述の反射係数から計測対象物６０の誘電率が計測される。このとき、信号伝送線路２２の信号伝達特性の変化が利用される。
【００２１】
信号伝送線路２２の幅（図３ＢのＸ方向長さ）は、接地用導体２１ｂ及び基板２１ａの幅より小さい。これにより検出部Ｔに計測対象物６０を接触させた状態で、計測対象物６０の微小な局所部分の誘電率の計測が可能である。例えば、信号伝送線路２２の幅方向Ｘ長さは約０．５ｍｍである。また検出部Ｔに計測対象物６０を接触させた状態で、検出部ＴのＹ方向長さは約０．５ｍｍである。
【００２２】
なお、図３Ａに示すように、検出部Ｔである信号伝送線路２２の頂部は所定の小さい曲率半径を有する断面円弧の曲面Ｒにより形成することが好ましい。この好ましい構成と異なり、検出部Ｔで折れ目が形成されるなどによって、信号伝送線路の形状が急激に変化する場合には、検出部Ｔに測定対象が接触しない場合において、信号伝送線路２２の検出部Ｔでの信号の反射が生じやすくなる。これにより、信号伝送特性の変化によって計測対象物６０の誘電率を計測する場合において、その計測感度が低下する可能性がある。上記の好ましい構成によれば、このような不都合が生じないので、誘電率計測の感度を高くできる。
【００２３】
図２に戻って、センサボディ２３の上端の蓋部２７には、入力側板部２８及び出力側板部２９が固定される。入力側板部２８には、信号ケーブル１４の信号源１２とは反対側の出力端がネジ結合される。この状態で、信号ケーブル１４の図示しない芯線で絶縁被覆１４ａから露出した先端は、信号伝送線路２２の一端である入力端２２ａに電気的に接続される。
【００２４】
センサ部材２０の出力側板部２９には、ターミネータ１７が取り付けられる。ターミネータ１７は出力側板部２９にネジ結合される。この状態で、ターミネータ１７は、信号伝送線路２２の他端である出力端２２ｂに図示しない導体を介して電気的に接続される。ターミネータ１７は、抵抗器を含み、出力端２２ｂにおいて、高周波信号の反射を抑制する機能を有する。ターミネータ１７により出力端２２ｂでの反射が抑制されることによって、検出部Ｔにおける反射信号をより明確に計測できる。
【００２５】
また、センサ部材２０において、信号ケーブル１４及びターミネータ１７の接続部を含む部分は、図示しない円筒状のカバーで覆われる。このカバーは、計測の際に、ユーザが掴むことが可能な把持部の役割を果たす。なお、図２では、センサ部材２０が、内側に空間を有するＵ字形状のセンサボディ２３にマイクロストリップ線路２１が固定される構成である場合を説明した。一方、センサ部材２０は、所定の厚みを有するＵ字形の板状部材において、Ｕ字形の外側面に沿ってマイクロストリップ線路２１が固定される構成としてもよい。
【００２６】
このようなセンサ部材２０では、検出部Ｔに計測対象物６０が接触すると、信号伝送線路２２を伝播する伝播信号Ｓ１の少なくとも一部が検出部Ｔで反射信号Ｓ３として反射される。そして、この反射信号Ｓ３が後述の特性記録部４０で取得される。次いで、後述の演算部５０において、この反射信号Ｓ３の後述する反射係数に基づいて計測対象物６０の誘電率が算出される。
【００２７】
図１に示す特性記録部４０には、信号ケーブル１４において、スプリッタ１５で分岐された第１分岐線１８と、方向性結合器１６で分岐された第２分岐線１９とが接続される。第１分岐線１８の一端は特性記録部４０の第１入力部Ｃ１に接続される。第２分岐線１９の一端は特性記録部４０の第２入力部Ｃ２に接続される。方向性結合器１６は、信号ケーブル１４を通ってセンサ部材２０側から信号源１２側へ伝送される信号である反射信号Ｓ３のみを第２分岐線１９に伝送させる。
【００２８】
特性記録部４０は、センサ部材２０の検出部Ｔで反射した反射信号Ｓ３を用いて検出部Ｔの信号伝送特性を取得及び記録する。具体的には、特性記録部４０は、信号伝送線路２２の検出部Ｔを含む部分で反射した反射信号Ｓ３を用いて、信号伝送線路２２の検出部Ｔを含む部分の第１信号伝送特性（図１（ｂ））を、周波数ｆに対して取得及び記録する。第１信号伝送特性は、周波数ｆと反射係数Ｇとの関係を表す。反射係数Ｇは、特性記録部４０に入力された反射信号Ｓ３のエネルギの値Ｅ２と、マイクロストリップ線路２１を介さずに特性記録部４０に入力された参照信号Ｓ２のエネルギの値Ｅ１との比（Ｅ２／Ｅ１）またはその比をデシベル換算した値である。反射係数Ｇは、２つのエネルギの値Ｅ２，Ｅ１の比Ｅ２／Ｅ１に基づく値であり、特性値に相当する。
【００２９】
演算部５０は、センサ部材２０の検出部Ｔに計測対象物６０が接触した状態における検出部Ｔの信号伝送特性に基づく反射係数Ｇと、予め設定された誘電率及び反射係数Ｇの関係とに基づいて、計測対象物６０において検出部Ｔが接触した位置の誘電率を算出する。具体的には、演算部５０は、図１（ｂ）に示すように、周波数ｆに対する第１信号伝送特性を逆フーリエ変換し、時間ｔまたは距離Ｌに対する第２信号伝送特性に変換して取得する。そして、演算部５０は、第２信号伝送特性から、検出部Ｔに計測対象物６０が接触した状態における検出部Ｔの第１信号伝送特性に基づく反射係数Ｇａ（図１（ｂ））を取得する。第２信号伝送特性は、信号伝送線路２２の位置に応じて特性記録部４０に反射信号が入力される時間ｔまたはその時間に応じた距離Ｌと反射係数Ｇとの関係を表す。そして、演算部５０は、検出部Ｔの位置に応じて取得した反射係数Ｇａと、後述のように予め設定される誘電率及び反射係数Ｇの関係とに基づいて、計測対象物６０において検出部Ｔが接触した位置の誘電率を算出する。
【００３０】
誘電率計測装置１０は、メモリなどの内部記憶装置または外部記憶装置である図示しない記録部を備え、演算部５０で算出された誘電率がデータとして記録部に記録される構成としてもよい。また、誘電率計測装置１０は、ディスプレイなどの出力部を備え、演算部５０で算出された誘電率が出力部に出力として表示される構成としてもよい。誘電率計測装置１０は、出力部として、算出された誘電率を紙などの媒体に出力として印刷する印刷装置を含む構成としてもよい。
【００３１】
上記の特性記録部４０、演算部５０、及び信号源１２によりネットワークアナライザが構成されてもよい。ネットワークアナライザは、信号源１２、スプリッタ１５、方向性結合器１６、及び特性記録部４０を接続する信号伝送路と、演算部５０と、表示部及び操作部とを含む構成としてもよい。例えば表示部は、信号源１２から出力される出力信号及び反射信号の測定結果と、誘電率の測定結果とを表示する構成としてもよい。操作部は、信号源１２からの信号の出力の発生指示部、及びその信号の周波数の範囲の変更指示部を含んで、ユーザにより操作可能とされてもよい。
【００３２】
上記の誘電率計測装置１０の使用時には、センサ部材２０の検出部Ｔに非磁性体の計測対象物６０を接触させる。そして、信号源１２から信号ケーブル１４を介してセンサ部材２０を構成する信号伝送線路２２の入力端２２ａに、ミリ波帯域で周波数掃引された高周波の伝播信号Ｓ１を出力する。このとき、信号伝送線路２２を伝播する伝播信号Ｓ１の少なくとも一部が検出部Ｔを含む部分で反射信号Ｓ３として反射される。
【００３３】
そして、この反射信号Ｓ３がセンサ部材２０の入力端２２ａを通過して信号ケーブル１４を伝播する。この反射信号Ｓ３は、方向性結合器１６により信号源１２側には向かわずに、特性記録部４０の第２入力部Ｃ２へ入力される。そして、特性記録部４０により、信号伝送線路２２の検出部Ｔを含む部分の第１信号伝送特性（図１（ｂ））が、周波数に対して取得及び記録される。
【００３４】
また、演算部５０により、第１信号伝送特性が逆フーリエ変換されて、信号伝送線路２２上の位置に応じた時間ｔまたは距離Ｌに対する反射係数Ｇの分布である第２信号伝送特性（図１（ｂ））に変換される。そして、第２信号伝送特性から、検出部Ｔで反射した反射信号Ｓ３の反射係数Ｇａ（図１（ｂ））が取得される。そして、その反射係数Ｇａと、予め準備された既知の材料の誘電率及び反射係数Ｇの関係とから、計測対象物６０において検出部Ｔに接触している位置の誘電率が算出される。
【００３５】
上記の誘電率計測装置１０によれば、非磁性体である計測対象物６０の誘電率を局所的に容易に計測でき、かつ、分解能を高くできる。この理由は次のとおりである。高周波信号が伝播される信号伝送線路２２の周辺にその特性インピーダンスを変化させる物体が存在すると、信号伝送線路２２の伝送特性が変化する。この伝送特性の変化は、特性インピーダンスが変化した位置での高周波信号の反射を生じさせる。この反射による反射信号の大きさは、物体が存在する位置の特性インピーダンスの変化の度合いを反映した量となる。これにより、この反射信号の大きさが、物体の電磁気的特性、例えば透磁率、誘電率を反映した量となる。したがって、特性インピーダンスが変化した位置の伝送特性を計測することで、その位置にある物体の電磁気的特性を評価することができる。そして、物体が非磁性体である場合には、物体の透磁率が真空の透磁率と同じであり、透磁率の変化を無視できるので、反射信号の大きさから物体の誘電率を計測することができる。
【００３６】
実施形態では、このような原理に基づいて、信号伝送線路２２の局所的な伝送特性の変化を利用して、計測対象物６０の誘電率を計測できる。また、センサ部材２０の信号伝送線路２２は線路幅を極小、例えば１ｍｍ未満にすることができる。さらに、この信号伝送線路２２がＵ字形であり、その頂部が検出部Ｔであるので、検出部Ｔを極小にできる。例えば検出部ＴのＸ方向長さを０．５ｍｍ程度とし、Ｙ方向長さも０．５ｍｍ程度とすることができる。これにより、この検出部Ｔを計測対象物６０に接触させることで、上記の局所的な伝送特性の変化を検出部Ｔに意図的に生じさせて、計測対象物６０の誘電率を局所的に容易に計測できる。したがって、計測対象物６０が小さい、例えばＸ方向長さが１．０ｍｍでＹ方向長さが１．０ｍｍ程度のように小さい板材である場合でも、計測対象物６０の複数の局所位置に順にセンサ部材２０の検出部Ｔを接触させることができる。そしてこれによって、各局所位置の誘電率を計測することができる。
【００３７】
また、センサ部材２０の検出部Ｔで反射した信号を用いるので、特許文献１に記載された構成のように伝送線路全体の伝送特性を利用する場合と異なり、計測の分解能を高くできる。
【００３８】
図４は、誘電率と反射係数Ｇとの関係を求めるために誘電率計測装置１０で反射係数Ｇを計測した部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃの３例を示している。図４に示す部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃはいずれも比誘電率が既知である同じ樹脂材料により形成されている。
【００３９】
図４（ａ）に示す部材６２ａは、矩形の板材である。例えば、この部材６２ａとして、縦方向（図４（ａ）の上下方向）、横方向（図４（ａ）の左右方向）、厚み方向（図４の紙面に対し直交する方向）の寸法をそれぞれ１５０ｍｍ、１５０ｍｍ、５ｍｍなどに種々に変えたものを用いることができる。また、部材６２ａの反射係数の計測範囲は、図４（ａ）に斜格子部Ｕ１で示している。例えば斜格子部Ｕ１の縦方向及び横方向の寸法はそれぞれ２５ｍｍである。
【００４０】
図４（ｂ）に示す部材６２ｂは、矩形の板材の一辺に谷部６３が形成されたＶブロック材である。この部材６２ｂの反射係数の計測範囲は、図４（ｂ）に斜格子部Ｕ２で示している。
【００４１】
図４（ｃ）に示す部材６２ｃは、矩形枠形状の板材である。この部材６２ｃの反射係数の計測範囲は、図４（ｃ）に破線Ｕ３で示した直線状の範囲である。
【００４２】
そして、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）の各部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃのそれぞれで、計測範囲の複数位置に誘電率計測装置１０の検出部Ｔを接触させて反射係数を算出し、その複数位置の反射係数の平均値を各部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃの反射係数Ｇとして設定した。各部材６２ａ、６２ｂ、６２ｃで計測点数は同じ数とした。このとき、後述の図６に示すように信号伝送線路２２上の検出部Ｔの位置Ｐ３において、特性インピーダンスの変化に応じて反射係数Ｇのピークが発生する。また、信号伝送線路２２の入力端２２ａ及び出力端２２ｂでも特性インピーダンスが大きく変化するので、２つの反射係数Ｇのピークが発生する。これにより、検出部Ｔの位置Ｐ３のピークは、入力端２２ａ及び出力端２２ｂの位置Ｐ１，Ｐ２の間の略中央のピークとして発生する。この略中央位置Ｐ３のピークの大きさＧａが、検出部Ｔに接触した部材に基づく反射係数となる。
【００４３】
図５は、複数の部材において、比誘電率と、誘電率計測装置１０で計測された反射係数Ｇとの関係を求めた結果を示す図である。図５の関係は、複数の部材で材料、具体的には樹脂材料を変えることにより求めた。また、図４で示したように、複数の部材の一部では、同じ樹脂材料により形成し、かつ、形状を変えて測定した。各部材で比誘電率は既知である。図５の点は、各部材に対する反射係数Ｇの計測結果である。図５の実線αは、各計測結果から算出された近似直線である。
【００４４】
図５に示した計測結果から、反射係数Ｇが比誘電率の増大に応じてほぼ直線的に比例して増大することが分かる。また、図５の破線β１、β２で囲んだ部分は、それぞれ同じ材料で部材の形状を変えた場合を示している。これによれば、材料が同じであれば、部材の形状を変えた場合でも、比誘電率と反射係数Ｇとの関係はほぼ同じとなった。実施形態の誘電率計測装置１０によれば、図４で示した形状のように、種々の形状の部材の反射係数Ｇを計測することができる。
【００４５】
誘電率計測装置１０で誘電率の計測を行う際には、図５のように予め求めた比誘電率と反射係数Ｇとの関係を演算部５０に記憶させている。誘電率計測装置１０では、この関係を用いて計測対象物６０の未知の部材の誘電率を計測できる。
【００４６】
図６は、実施形態により計測対象物６０の誘電率を計測する場合において、特性記録部４０で取得された反射係数とその反射に対応する信号伝送線路２２上の位置との関係を示している。図６は、第２信号伝送特性（図１（ｂ））に対応する。図６の横軸は、特性記録部４０で反射信号Ｓ３が取得される時間に対応する信号伝送線路２２上の位置であり、縦軸は、参照信号Ｓ２と反射信号Ｓ３とから得られる反射係数Ｇである。
【００４７】
図６では反射係数Ｇについて、複数のピークが認識される。図６の複数のピークのうち、図６の左右両側に見られる大きな２つのピークは、それぞれ入力端２２ａの位置Ｐ１と出力端２２ｂの位置Ｐ２とでの反射信号によるものである。図６の略中央に見られるピークは、センサ部材２０の検出部Ｔの位置Ｐ３での反射信号によるものである。そして、演算部５０は、この検出部Ｔの位置Ｐ３の反射係数Ｇａと、図５で予め求めた比誘電率及び反射係数Ｇとの関係から検出部Ｔにおける計測対象物６０の誘電率を計測する。なお、Ｐ３位置はＰ１，Ｐ２位置の間の中央位置に限定するものではなく、検出部Ｔから入力端２２ａまでの長さと、検出部Ｔから出力端２２ｂまでの長さとの関係で変更される。実際には、反射係数Ｇが大きくなる、すなわち誘電率が高い材料を用いて図１（ｂ）の第２信号伝送特性を表すデータにおいて、信号伝送線路２２上の検出部Ｔの正確な位置を予め容易に設定できる。
【００４８】
上記の誘電率計測装置１０を用いた上記の計測方法によれば、検出部Ｔを小型にできるので、従来は計測が困難であった複雑な形状でも、単純な形状の場合と同様に誘電率を計測できる。
【００４９】
また、信号源１２、特性記録部４０、及び演算部５０により、ネットワークアナライザを構成し、ネットワークアナライザを用いる構成では、ＳＮ比を高くできる。また、実施形態では、ミリ波帯の高周波信号を用いるので、測定感度を高くできる。一方、測定感度は低下するが、ミリ波帯より低い周波数の信号を用いて、誘電率を計測することもできる。
【００５０】
図７は、実施形態の誘電率計測装置の別例において、図３Ａに対応する図である。図７に示す別例では、センサ部材２０において、センサボディ２３（図３Ａ参照）を設けずにその代わりにマイクロストリップ線路２１の接地用導体２１ｂの側に円柱部材３０の外周面を接触させている。円柱部材３０は、例えば金属製のピンである。このとき、マイクロストリップ線路２１の入力端２２ａ及び出力端２２ｂ（図２参照）の周辺部を保持する保持部（図示せず）と円柱部材３０とで樹脂製の板部材３１を挟んでいる。これによって、マイクロストリップ線路２１の検出部Ｔが断面円弧形の曲面状に維持される。したがって、基板２１ａにおいて信号伝送線路２２とは反対側には円柱部材３０の外周面が押し付けられる。円柱部材３０はマイクロストリップ線路２１及び板部材３１だけに接触する。これにより、検出部Ｔの形状が高精度に維持されるので、誘電率の計測精度を長期間にわたり高く維持できる。その他の構成及び作用は、図１から図３Ａ、図３Ｂの構成と同様である。なお、図７の構成において、円柱部材３０の代わりにスタッドなどのねじ部材を用いて、基板２１ａにおいて信号伝送線路２２とは反対側にねじ部材の外周面が押し付けられてもよい。円柱部材３０またはねじ部材は、基板２１ａにおいて信号伝送線路２２とは反対側に樹脂などの絶縁層を介して押し付けられてもよい。
【００５１】
なお、上記では、信号源１２から出力される信号が正弦波の高周波信号である場合を説明したが、上記の各例において、信号源から出力される信号は、パルス信号またはステップ信号である非正弦波信号としてもよい。この非正弦波信号は、信号源から周期的にパルス信号またはステップ信号が繰り返されて出力される。
【００５２】
このような非正弦波信号を用いる場合には、ネットワークアナライザを用いずに、特性記録部として、周波数帯域が広いデジタルオシロスコープを含む構成を用いることができる。デジタルオシロスコープは、検出部Ｔの信号伝送特性として、検出部Ｔで反射された非正弦波信号を取得及び記録する。このような高周波帯域のデジタルオシロスコープを用いることで、非正弦波信号を用いる場合でも、検出部Ｔでの反射係数から計測対象物６０の誘電率を計測できる。
【００５３】
また、上記の各例では信号伝送線路２２が、マイクロストリップ線路２１を構成する場合を説明したが、信号伝送線路は、マイクロストリップ線路以外の部材、例えば導波管を構成するものとしてもよい。また、上記の各例において、計測対象物６０は樹脂製の部材に限定するものではなく、非磁性体であればよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０  誘電率計測装置、１２  信号源、１４  信号ケーブル、１４ａ  絶縁皮膜、１５  スプリッタ、１６  方向性結合器、１７  ターミネータ、１８  第１分岐線、１９  第２分岐線、２０  センサ部材、２１  マイクロストリップ線路、２１ａ  基板、２１ｂ  接地用導体、２２  信号伝送線路、２２ａ  入力端、２２ｂ  出力端、２３  センサボディ、２４  平板部、２５  曲面板部、２５ａ  曲面部、２６  端板部、２７  蓋部、２８  入力側板部、２９  出力側板部、３０  円柱部材、３１  板部材、４０  特性記録部、５０  演算部、６０  計測対象物、６２ａ，６２ｂ，６２ｃ  部材、６３  谷部。
【図１】
2017058180.tif 000003
【図２】
2017058180.tif 000004
【図３Ａ】
2017058180.tif 000005
【図３Ｂ】
2017058180.tif 000006
【図４】
2017058180.tif 000007
【図５】
2017058180.tif 000008
【図６】
2017058180.tif 000009
【図７】
2017058180.tif 000010