特開 2023-147615 測定装置、測定システム及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023147615

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】測定装置、測定システム及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/26 20060101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

G01R27/26 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022055210

(22)【出願日】2022-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】北村 英則

(72)【発明者】

【氏名】寒川 潮

【テーマコード（参考）】

2G028

【Ｆターム（参考）】

2G028AA01

2G028BB05

2G028BC03

2G028BC04

2G028BC05

2G028BD03

2G028CG09

2G028CG10

2G028CG13

2G028CG14

2G028DH15

(57)【要約】

【課題】測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定する。
【解決手段】測定装置１０は、第１誘電体層１３０と、第１誘電体層１３０上に配置される第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２と、第１グランド層１２１と第２グランド層１２２との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路１１０と、を備える。第１誘電体層１３０は、平面視において伝送線路１１０と重なる位置に設けられ、測定対象物を配置するためのキャビティ１３１を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１誘電体層と、
前記第１誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、
前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備え、
前記第１誘電体層は、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられ、測定対象物を配置するための間隙を有する、
測定装置。

【請求項2】

前記伝送線路の線幅は、前記間隙の幅より狭い、
請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記伝送線路は、円形リング状である、
請求項１又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記第１誘電体層は、樹脂、ガラス及びＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）のうちの少なくとも１つの材料を含む、
請求項１～３のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記伝送線路上に配置された第２誘電体層と、
前記第２誘電体層上に配置された、前記伝送線路に給電するための一対の給電端子と、を備える、
請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項6】

前記第２誘電体層を貫通し、前記第１グランド層と前記第２グランド層とを電気的に接続する複数のグランド端子を備える、
請求項５に記載の測定装置。

【請求項7】

前記複数のグランド端子は、前記伝送線路が形成するリングの中心を挟んで対称に配置されている、
請求項６に記載の測定装置。

【請求項8】

前記伝送線路に所定の周波数の高周波信号を供給することで、前記伝送線路の伝送特性を測定する測定器を備える、
請求項１～７のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項9】

前記測定対象物は、粉体である、
請求項１～８のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか１項に記載の測定装置と、
前記伝送線路の伝送特性に基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出する演算回路と、を備える、
測定システム。

【請求項11】

誘電体層と、前記誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備える共振器における前記誘電体層の、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられた間隙に測定対象物を配置するステップと、
前記伝送線路に所定の周波数の高周波信号を供給することで、前記伝送線路の伝送特性を測定するステップと、
前記伝送特性と前記測定対象物の前記間隙に対する充填率とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出するステップと、を含む、
測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、測定装置、測定システム及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、一対の電極が配置された容器内に粉体を入れて、一対の電極間に電圧を印加して粉体と空気との複合系の見かけの比誘電率を測定する測定方法が開示されている。当該測定方法では、測定した見かけの比誘電率を用いて、対数混合則またはリヒトネッカロータの式に基づいて粉体の比誘電率を求める。

【0003】

特許文献２には、空洞共振器内に封入した誘電体の複素誘電率の測定方法が開示されている。当該測定方法では、空洞共振器に電磁波を入力し、空洞共振器から出力された電磁波を測定し、測定した電磁波を基に複素誘電率を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６－１３８０７６号公報

【特許文献2】特開２００５－６２１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の測定方法では、測定精度が低く、測定周波数の帯域が狭いという問題がある。

【0006】

そこで、本開示は、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる測定方法などを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係る測定装置は、第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備える。前記第１誘電体層は、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられ、測定対象物を配置するための間隙を有する。

【0008】

本開示の一態様に係る測定システムは、上記一態様に係る測定装置と、前記伝送線路の伝送特性に基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出する演算回路と、を備える。

【0009】

本開示の一態様に係る測定方法は、誘電体層と、前記誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備える共振器における前記誘電体層の、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられた間隙に測定対象物を配置するステップと、前記伝送線路に所定の周波数の高周波信号を供給することで、前記伝送線路の伝送特性を測定するステップと、前記伝送特性と前記測定対象物の前記間隙に対する充填率とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出するステップと、を含む。

【0010】

また、本開示の一態様は、上記測定方法をコンピュータに実行させるプログラムとして実現することができる。あるいは、本開示の一態様は、当該プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体として実現することもできる。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施の形態に係る測定システムの構成を示す図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る共振器の断面図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る共振器の平面図である。

【図4】図４は、実施の形態に係る共振器の、図２のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。

【図5】図５は、実施の形態に係る共振器の、図２のＶ－Ｖ線における断面図である。

【図6】図６は、実施の形態に係る測定システムの動作を示すフローチャートである。

【図7】図７は、実施の形態に係る測定システムによって測定された伝送線路の伝送特性の一例を示す図である。

【図8】図８は、実施の形態に係る測定システムによって測定された伝送線路の伝送特性の一部を拡大して示す拡大図である。

【図9】図９は、空間率と見かけ上の比誘電率との関係を示す図である。

【図10】図１０は、周波数と比誘電率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（本開示の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した従来の測定方法に関し、以下の問題が生じることを見出した。

【0014】

特許文献１に開示された測定方法では、測定周波数として１ＭＨｚ程度の低い周波数を想定している。近年では、測定周波数の帯域の広帯域化が求められる。

【0015】

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、高い周波数帯域（例えば、ミリ波帯域）では、多測定周波数に対して電極サイズが大きくなるため、各共振モードのＱ値の算出精度が低下し、誘電率の測定が難しい。また、高い周波数帯域では、測定周波数に対してフリンジ効果により測定誤差が大きくなるという問題がある。

【0016】

特許文献２に開示された方法では、空洞共振器の共振モードのうちＴＥ_０１１モードとＴＭ_１１１モードとの分離ができたとしても、高次のモードが縮退することがあり、広い周波数帯域での測定が難しい。

【0017】

そこで、本開示では、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる測定装置などを提供する。

【0018】

本開示の一態様に係る測定装置は、第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備える。前記第１誘電体層は、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられ、測定対象物を配置するための間隙を有する。

【0019】

これにより、リング状の伝送線路をコプレーナ線路で構成することにより、コプレーナ線路間の間隔に電界が集中する。すなわち、伝送線路の近傍に電磁界が集中するため、当該伝送線路に平面視で重なる位置に設けられた間隙に入れられた測定対象物が伝送特性に大きな影響を与えることができる。このため、伝送特性を測定して評価することにより、測定対象物の誘電特性を精度良く算出することができる。また、リング状の伝送線路を利用することにより、共振を発生させる周波数帯域の広帯域化を実現することができる。

【0020】

また、例えば、前記伝送線路の線幅は、前記間隙の幅より狭くてもよい。

【0021】

これにより、伝送線路の周囲に多くの測定対象物を配置することができるので、測定対象物が伝送特性に与える影響をより大きくすることができる。このため、伝送特性を測定して評価することにより、測定対象物の誘電特性をより精度良く算出することができる。

【0022】

また、例えば、前記伝送線路は、円形リング状であってもよい。

【0023】

これにより、円形の伝送線路の中心軸を対称軸として、電磁界分布の境界条件を明確に定義することができる。このため、共振を伝送線路の面内で均一に発生させることができる。このため、伝送特性の実測値の評価結果の精度が向上するので、測定対象物の誘電特性をより精度良く算出することができる。

【0024】

また、例えば、前記第１誘電体層は、樹脂、ガラス及びＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）のうちの少なくとも１つの材料を含んでもよい。

【0025】

リング状の伝送線路の形状に合わせた間隙を精度良く作成することにより、測定対象物の充填率を精度良く算出することができる。よって、測定対象物の誘電特性をより精度良く算出することができる。

【0026】

また、例えば、本開示の一態様に係る測定装置は、前記伝送線路上に配置された第２誘電体層と、前記第２誘電体層上に配置された、前記伝送線路に給電するための一対の給電端子と、を備えてもよい。

【0027】

例えばコプレーナ線路で構成されたリング状の伝送線路に対して、一対の給電端子を介してカップリングにより給電を行う。

【0028】

また、例えば、本開示の一態様に係る測定装置は、前記第２誘電体層を貫通し、前記第１グランド層と前記第２グランド層とを電気的に接続する複数のグランド端子を備えてもよい。

【0029】

これにより、伝送線路の両側のグランド層を複数箇所で電気的に接続することができるので、これらのグランド電位を安定させることができる。このため、伝送特性の実測値の評価結果の精度が向上するので、測定対象物の誘電特性をより精度良く算出することができる。

【0030】

また、例えば、前記複数のグランド端子は、前記伝送線路が形成するリングの中心を挟んで対称に配置されていてもよい。

【0031】

これにより、伝送線路の両側のグランド層の電位のばらつきを減らすことができる。このため、伝送特性の実測値の評価結果の精度が向上するので、測定対象物の誘電特性をより精度良く算出することができる。

【0032】

また、例えば、本開示の一態様に係る測定装置は、前記伝送線路に所定の周波数の高周波信号を供給することで、前記伝送線路の伝送特性を測定する測定器を備えてもよい。

【0033】

これにより、リング状の伝送路を含む共振器と測定器とを一体化することができる。

【0034】

また、例えば、前記測定対象物は、粉体であってもよい。

【0035】

これにより、粉体の誘電特性を算出することができる。

【0036】

また、本開示の一態様に係る測定システムは、上記一態様に係る測定装置と、前記伝送線路の伝送特性に基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出する演算回路と、を備える。

【0037】

これにより、上述した測定装置と同様に、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる。

【0038】

また、本開示の一態様に係る測定方法は、誘電体層と、前記誘電体層上に配置される第１グランド層及び第２グランド層と、前記第１グランド層と前記第２グランド層との間で、各々と間隔を空けて配置されたリング状の伝送線路と、を備える共振器における前記誘電体層の、平面視において前記伝送線路と重なる位置に設けられた間隙に測定対象物を配置するステップと、前記伝送線路に所定の周波数の高周波信号を供給することで、前記伝送線路の伝送特性を測定するステップと、前記伝送特性と前記測定対象物の前記間隙に対する充填率とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出するステップと、を含む。

【0039】

これにより、上述した測定装置と同様に、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる。

【0040】

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

【0041】

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0042】

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

【0043】

また、本明細書において、平行又は垂直などの要素間の関係性を示す用語、及び、円形又は円環などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

【0044】

（実施の形態）
［１．構成］
まず、実施の形態に係る測定システムの構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る測定システム１の構成を示す図である。

【0045】

図１に示される測定システム１は、測定対象物の誘電特性を算出するためのシステムである。測定対象物は、例えば粉体である。誘電特性は、誘電率及び誘電正接の一方である。

【0046】

図１に示されるように、測定システム１は、測定装置１０と、演算回路２０と、を備える。

【0047】

測定装置１０は、共振器１００と、ネットワークアナライザ１０１と、を備える。

【0048】

共振器１００は、測定対象物を収容する容器（治具）としても機能する。共振器１００の具体的な構成は、後で説明する。

【0049】

ネットワークアナライザ１０１は、共振器１００が有する伝送線路１１０（図２を参照）に所定の周波数の高周波信号を供給することで、伝送線路１１０の伝送特性を測定する測定器の一例である。ネットワークアナライザ１０１は、例えば、高周波信号を発生させて出力する高周波信号発生器と、伝送線路１１０の伝送特性を検出する検波機器と、を含む。

【0050】

演算回路２０は、伝送線路１１０の伝送特性に基づいて、測定対象物の誘電率及び誘電正接の少なくとも一方を算出する。具体的な算出方法については、後で説明する。

【0051】

演算回路２０は、例えば、集積回路（ＩＣ）であるＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）によって実現される。なお、集積回路は、ＬＳＩに限られず、専用回路又は汎用プロセッサであってもよい。例えば、演算回路２０は、１又は複数のマイクロコントローラであってもよい。マイクロコントローラは、例えば、プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを含んでいる。また、演算回路２０は、プログラム可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、ＬＳＩ内の回路セルの接続及び設定が再構成可能なリコンフィギュラブルプロセッサであってもよい。演算回路２０が実行する機能は、ソフトウェアで実現されてもよく、ハードウェアで実現されてもよい。

【0052】

［２．共振器の構造］
次に、共振器１００の構造について、図２～図５を用いて説明する。

【0053】

図２、図４及び図５はそれぞれ、本実施の形態に係る共振器１００の断面図である。図３は、本実施の形態に係る共振器１００の平面図である。図２は、図３～図５のＩＩ－ＩＩ線における断面を表している。図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線における断面を表している。図５は、図２のＶ－Ｖ線における断面を表している。

【0054】

図２に示されるように、共振器１００は、伝送線路１１０と、第１グランド層１２１と、第２グランド層１２２と、第１誘電体層１３０と、第２誘電体層１４０と、第３誘電体層１５０と、給電端子１６１及び１６２と、を備える。また、図３に示されるように、共振器１００は、複数のグランド端子１７０を備える。

【0055】

伝送線路１１０は、第１グランド層１２１と第２グランド層１２２との間で、各々と間隔を空けて配置されている。伝送線路１１０は、第１グランド層１２１と第２グランド層１２２と同層（図２のＩＶ－ＩＶで表される直線が通る位置）に位置している。

【0056】

伝送線路１１０は、リング状の伝送線路である。具体的には、図４に示されるように、伝送線路１１０は、円形リング状である。伝送線路１１０の幅（線幅）は、周方向に沿って均一である。

【0057】

伝送線路１１０の長さ（円周）をＬ１とすると、共振周波数ｆは、以下の式（１）で表される。なお、伝送線路１１０の長さＬ１は、共振器長であり、共振波長λの整数倍とみなすことができるので、Ｌ１＝ｍλで表すことができる。なお、ｍは整数である。

【0058】

【数1】

【0059】

式（１）において、νは伝送線路１１０を伝搬する信号の速度である。ｃは光速である。ε_ｒｅｆは実効誘電率である。実効誘電率が３．１である場合、周波数が７９ＧＨｚの測定を行うためには、式（１）から伝送線路１１０の長さＬ１は、２．１６ｍｍ以上必要であることが分かる。伝送線路１１０の長さＬ１を長くすることにより、低い周波数帯域から高い周波数帯域まで共振を発生させることができ、誘電特性の測定を行うことができる。

【0060】

第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２は、第１誘電体層１３０上に配置される。第１グランド層１２１は、平面視において、伝送線路１１０より内側に位置し、伝送線路１１０と一定の間隔を空けて配置されている。第１グランド層１２１の平面視形状は、円形である。第２グランド層１２２は、平面視において、伝送線路１１０より外側に位置し、伝送線路１１０と一定の間隔を空けて配置されている。第２グランド層１２２の平面視形状は、所定の幅の円環形状である。第１グランド層１２１と伝送線路１１０との間隔（隙間の線幅）は、周方向に沿って均一である。第２グランド層１２２と伝送線路１１０との間隔（隙間の線幅）は、周方向に沿って均一である。これらの２つの線幅は、互いに等しい。

【0061】

伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２は、導電材料を用いて形成される。導電材料は、例えば、銅などの金属材料である。伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２は、同じ材料を用いて形成することができる。例えば、１枚の銅箔を第２誘電体層１４０の主面に貼り付けた後、二重リング形状の部分を除去することによって、伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２を形成することができる。除去は、例えばエッチングであるが、特に限定されない。また、銅箔を貼り付ける代わりに、蒸着、スパッタリング、メッキなどで金属薄膜を第２誘電体層１４０の主面に形成してもよい。伝送線路１１０の厚みは、共振周波数の表皮深さｄ_０以上の厚さである。なお、表皮深さｄ_０は、以下の式（２）で表される。

【0062】

【数2】

【0063】

式（２）において、πは円周率である。ｆは共振周波数である。μは伝送線路１１０の透磁率である。σは伝送線路１１０の導電率である。例えば、伝送線路１１０が銅を用いて形成されている場合、σは５．９×１０^７Ｓ／ｍになる。伝送線路１１０の厚みは、表皮深さｄ_０より十分に厚く形成されることで、伝送線路１１０の厚みのばらつきによる測定誤差の増大を抑制することができる。例えば、伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２の厚みは、互いに同じであり、一例として周波数が７９ＧＨｚの場合、１μｍ以上である。

【0064】

第１誘電体層１３０は、測定対象物を配置するための間隙（具体的にはキャビティ１３１）を有する。キャビティ１３１は、平面視において、伝送線路１１０と重なる位置に設けられている。具体的には、図５に示されるように、キャビティ１３１は、円形リング状である。キャビティ１３１の幅（線幅）は、伝送線路１１０の線幅よりも広い。伝送線路１１０は、キャビティ１３１と隣接して配置されている。伝送線路１１０と第１誘電体層１３０とは接していない。キャビティ１３１の深さ、すなわち、第１誘電体層１３０の厚さは、伝送線路１１０の厚さより大きい。

【0065】

第１誘電体層１３０は、誘電材料を用いて形成されている。具体的には、第１誘電体層１３０は、樹脂、ガラス及びＬＴＣＣのうちの少なくとも１つの材料を含む。第１誘電体層１３０の比誘電率及び誘電正接は、既知の値である。

【0066】

第１誘電体層１３０の平面視における外形は、例えば円形である。例えば、第１誘電体層１３０の外周と第２グランド層１２２の外周とは平面視で一致している。第１誘電体層１３０は、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２に固定されている。これにより、キャビティ１３１と伝送線路１１０との位置関係のずれを抑制することができる。

【0067】

本実施の形態では、第１グランド層１２１と伝送線路１１０との隙間、及び、第２グランド層１２２と伝送線路１１０との隙間にはそれぞれ、誘電体層１３２が隙間を埋めるように配置されている。誘電体層１３２が隙間を埋めることによって、伝送線路１１０と第１グランド層１２１又は第２グランド層１２２との間隔を一定に保つことができる。キャビティ１３１に測定対象物を配置する際の衝撃などによって伝送線路１１０と第１グランド層１２１又は第２グランド層１２２との間隔が変わるのを誘電体層１３２によって抑制することができる。また、誘電体層１３２が設けられていることによって、伝送線路１１０と第１グランド層１２１又は第２グランド層１２２との隙間に測定対象物が入り込むのを抑制することもできる。

【0068】

誘電体層１３２は、第１誘電体層１３０と同じ材料を用いて形成される。例えば、第２誘電体層１４０の主面に伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２を形成した後、誘電材料を所定の厚みで成膜する。これにより、伝送線路１１０の両側の隙間に誘電材料が充填されて誘電体層１３２を形成することができる。その後、誘電材料の一部を伝送線路１１０の形状に沿って除去することにより、キャビティ１３１を有する第１誘電体層１３０を形成することができる。なお、誘電体層１３２の比誘電率及び誘電正接は既知である。誘電体層１３２と第１誘電体層１３０とは異なる材料を用いて形成されていてもよい。

【0069】

第２誘電体層１４０は、伝送線路１１０上に配置されている。第２誘電体層１４０は、伝送線路１１０、第１グランド層１２１及び第２グランド層１２２の支持基板である。

【0070】

第２誘電体層１４０は、誘電材料を用いて形成されている。具体的には、第２誘電体層１４０は、樹脂、ガラス及びＬＴＣＣのうちの少なくとも１つの材料を含む。例えば、第２誘電体層１４０は、第１誘電体層１３０と同じ材料を用いて形成されていてもよい。第２誘電体層１４０の比誘電率及び誘電正接は既知である。

【0071】

第３誘電体層１５０は、キャビティ１３１を覆うカバー部材である。第３誘電体層１５０は、第２誘電体層１４０に対して着脱自在である。第３誘電体層１５０を取り外した状態でキャビティ１３１に測定対象物を配置した後、キャビティ１３１を覆うように第３誘電体層１５０を第１誘電体層１３０に固定する。固定は、例えば、図示しないクランプ部材又はネジなどによって行われるが、特に限定されない。

【0072】

第３誘電体層１５０は、誘電材料を用いて形成されている。具体的には、第３誘電体層１５０は、樹脂、ガラス及びＬＴＣＣのうちの少なくとも１つの材料を含む。例えば、第３誘電体層１５０は、第１誘電体層１３０と同じ材料を用いて形成されていてもよい。第３誘電体層１５０の比誘電率及び誘電正接は既知である。第３誘電体層１５０の比誘電率が小さくて、かつ、厚みを薄くすることにより、伝送線路１１０の伝送特性へ与える影響を小さくすることができる。

【0073】

給電端子１６１及び１６２は、第２誘電体層１４０上に配置された、伝送線路１１０に給電するための一対の給電端子である。また、給電端子１６１及び１６２は、伝送線路１１０の伝送特性を検出する検出端子としても機能する。

【0074】

給電端子１６１及び１６２はそれぞれ、平面視において伝送線路１１０に重なる位置に配置されている。例えば、図３に示されるように、給電端子１６１及び１６２は、平面視において、伝送線路１１０が形成するリングの中心を挟んで配置されている。つまり、給電端子１６１及び１６２は、リングの中心を通る直線（図３のＩＩ－ＩＩ線）上に配置されている。

【0075】

給電端子１６１及び１６２は、伝送線路１１０には電気的に接続されている。例えば、給電端子１６１及び１６２は、伝送線路１１０と電磁界結合（カップリング）している。給電端子１６１及び１６２はそれぞれ、ネットワークアナライザ１０１に接続されている。給電端子１６１及び１６２は、ネットワークアナライザ１０１から供給される高周波信号をカップリングによって伝送線路１１０に供給する。これにより、伝送線路１１０（共振器１００）を励振させることができる。

【0076】

グランド端子１７０は、第２誘電体層１４０を貫通し、第１グランド層１２１と第２グランド層１２２とを電気的に接続する。複数のグランド端子１７０は、例えば、伝送線路１１０が形成するリングの中心を挟んで対象に配置されている。具体的には、複数のグランド端子１７０は、給電端子１６１と給電端子１６２との中心を通る法線を対称軸として線対称に配置されている。図３に示される例では、４つのグランド端子１７０が、給電端子１６１と給電端子１６２を結ぶ直線の中心を通る法線を対称軸として、線対称になるように配置されている。なお、グランド端子１７０の個数は、特に限定されない。

【0077】

［３．動作］
続いて、本実施の形態に係る測定システム１の動作（測定方法）について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る測定システム１の動作を示すフローチャートである。

【0078】

図６に示されるように、まずは、キャビティ１３１に測定対象物を配置する（Ｓ１０）。測定対象物は、例えば粉体であるが、その粒径は伝送線路１１０に比べて十分に小さい。一例として、粉体の粒径は伝送線路１１０の線幅の１／１００以下である。

【0079】

次に、ネットワークアナライザ１０１は、伝送線路１１０の伝送特性を測定する（Ｓ１２）。具体的には、ネットワークアナライザ１０１は、給電端子１６１及び１６２を介して伝送線路１１０に高周波信号を供給して、伝送線路１１０の伝送特性を測定する。例えば、高周波信号の周波数を所定の周波数帯域内でスキャンすることにより、図７及び図８に示されるような伝送特性を得ることができる。

【0080】

図７は、本実施の形態に係る測定システム１によって測定された伝送線路１１０の伝送特性の一例を示す図である。図８は、本実施の形態に係る測定システム１によって測定された伝送線路１１０の伝送特性の一例を拡大して示す拡大図である。図７及び図８において、横軸は、伝送線路１１０に供給される高周波信号の周波数を表し、縦軸は伝送線路１１０の電力通過特性を表している。図７は、０ＧＨｚ以上６０ＧＨｚ以下の周波数帯域を表している。図８は、５．０ＧＨｚ以上７．０以上の周波数帯域を表している。また、図７では、実線が実測値を表しており、破線はシミュレーション結果を表している。

【0081】

図７に示されるように、伝送特性では、所定の周波数間隔で共振によるピークが存在する。得られた伝送特性は、ネットワークアナライザ１０１から演算回路２０に出力される。

【0082】

次に、図６に示されるように、演算回路２０が共振周波数及びＱ値（無負荷Ｑ値）を算出する（Ｓ１４）。共振周波数及びＱ値は、ピーク毎に算出される。共振周波数は、ピークの極大値に対応する周波数である。Ｑ値は、以下の式（３）で表される。

【0083】

【数3】

【0084】

式（３）において、ｆは共振周波数である。Δｆは電力半値幅である。ＩＬは、挿入損失である。

【0085】

次に、演算回路２０は、見かけ上の測定対象物の誘電特性を算出する（Ｓ１６）。具体的には、演算回路２０は、電磁界解析（電磁界シミュレータ）により、共振周波数及びＱ値を算出し、伝送特性の実測値に合うように最適化する。例えば、図７のピーク毎に、シミュレーション結果（破線）を実測値にフィッティングさせてシミュレーションのパラメータの最適化を行う。これにより、測定対象物の比誘電率及び誘電正接の少なくとも一方を算出する。なお、電磁界解析には、共振器１００の構造及び材料の物性値が必要であり、これらは既知の値である。具体的には、伝送線路１１０の大きさ（線幅、直径）及び形状、キャビティ１３１の大きさ（幅、高さ、直径）及び形状、並びに、第１誘電体層１３０、第２誘電体層１４０及び第３誘電体層１５０の各々の大きさ、形状及び材料の物性値（比誘電率）などが電磁界解析に利用される。

【0086】

次に、演算回路２０は、見かけ上の測定対象物の誘電特性と、測定対象物のキャビティ１３１に対する充填率とから、測定対象物の誘電特性を算出する（Ｓ１８）。

【0087】

図９は、空間率と見かけ上の比誘電率との関係を示す図である。図９において、横軸は空間率を表し、縦軸は見かけ上の比誘電率を表している。なお、空間率は、キャビティ１３１に占める空気の体積率（体積割合）であり、１－充填率で表される。すなわち、空間率１００％は、キャビティ１３１には何も充填されていないことを意味する。このため、見かけ上の比誘電率は、空気の比誘電率である１．０に一致する。

【0088】

図９では、空間率が３７．６％、５１．４％、６０．４％の場合の３点について実測値を丸印のプロットで表している。各々の見かけ上の比誘電率は、１．７８８、１．５７３、１．４０５であった。なお、実測値は、図７に示される複数のピークのうち、最も低いピークでの評価結果である。

【0089】

図９に示されるように、空間率が減少するにつれて、すなわち、充填率が上昇するにつれて、見かけ上の比誘電率が高くなる。見かけ上の比誘電率は、キャビティ１３１に配置された測定対象物の比誘電率の影響を受けて変化していることが分かる。また、その変化は、充填率（空間率）に依存することが分かる。

【0090】

充填率は、測定対象物の比重と、測定対象物の重さと、キャビティ１３１の体積とに基づいて算出される。具体的には、演算回路２０は、以下の式（４）に基づいて充填率を算出する。

【0091】

（４） 充填率＝（測定対象物の重さ）÷（測定対象物の比重）÷（キャビティ１３１の体積）

【0092】

測定対象物の重さは、実測により得られる。例えば、測定対象物をキャビティ１３１に配置する前の共振器１００の重さの実測値と、測定対象物をキャビティ１３１に配置した後の共振器１００の重さの実測値との差分により、測定対象物の重さが得られる。測定対象物の比重、及び、キャビティ１３１の体積はそれぞれ、事前に計測されるなどによって既知の値である。

【0093】

演算回路２０は、例えば、体積分率、対数混合則（Ｒｉｃｈｔｎｅｋｅｒの式）、Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｔｔの式、Ｒａｙｌｅｉｇｈの式などに基づいて、見かけ上の測定対象物の誘電特性と充填率とから、測定対象物の誘電特性を算出する。例えば、以下のとおりに、各パラメータを定義する。

【0094】

見かけ上の比誘電率 ：ε_ｓ
測定対象物の比誘電率：ε_ｐ
空気の比誘電率 ：ε_ａ
測定対象物の充填率 ：Φ_ｐ
空気の体積率 ：Φ_ａ

【0095】

なお、空気の体積率Φ_ａは、キャビティ１３１内の空気が占める体積割合であり、１－Φ_ｐで表される。

【0096】

＜体積分率＞
まず、体積分率に基づいて比誘電率ε_ｐを算出する例を説明する。体積分率に従う手法では、以下の式（５）が成立する。

【0097】

（５） ε_ｓ＝Φ_ｐε_ｐ＋Φ_ａε_ａ

【0098】

式（５）をε_ｐについて解くと、以下の式（６）が得られる。

【0099】

（６） ε_ｐ＝［（ε_ｓ－Φ_ａε_ａ）／Φ_ｐ］

【0100】

ε_ｓは、実測により得られる値である。ε_ａは１とみなすことができる。さらに、Φ_ａ及びΦ_ｐは、充填率を算出することによって得られる。したがって、式（６）から測定対象物の比誘電率ε_ｐを算出することができる。

【0101】

＜対数混合則（Ｒｉｃｈｔｎｅｋｅｒの式）＞
次に、対数混合則に基づいて比誘電率ε_ｐを算出する例を説明する。対数混合則に従う手法では、以下の式（７）が成立する。

【0102】

（７） Ｌｏｇ（ε_ｓ）＝Φ_ｐＬｏｇ（ε_ｐ）＋Φ_ａＬｏｇ（ε_ａ）

【0103】

式（７）をε_ｐについて解くと、以下の式（８）が得られる。

【0104】

（８） ε_ｐ＝１０＾［（Ｌｏｇ（ε_ｓ）－Φ_ａＬｏｇ（ε_ａ））／Φ_ｐ］

【0105】

体積分率の場合と同様に、式（８）の右辺に含まれる各パラメータの値は、実測又は演算などによって得られる値であるので、式（８）から測定対象物の比誘電率ε_ｐを算出することができる。

【0106】

＜Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｔｔの式＞
次に、Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｔｔの式に基づいて比誘電率ε_ｐを算出する例を説明する。Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｔｔの式では、以下の式（９）で表される。

【0107】

【数4】

【0108】

ε_ａは１とみなすことができるので、式（９）は以下の式（１０）として表すことができる。

【0109】

【数5】

【0110】

ε_ｓは実測により得られる値であり、Φ_ｐは充填率の算出により得られる値である。したがって、式（１０）を解くことにより、測定対象物の比誘電率ε_ｐを算出することができる。

【0111】

＜Ｒａｙｌｅｉｇｈの式＞
次に、Ｒａｙｌｅｉｇｈの式に基づいて比誘電率ε_ｐを算出する例を説明する。Ｒａｙｌｅｉｇｈの式は、以下の式（１１）で表される。

【0112】

【数6】

【0113】

式（１１）において、ΣＡ及びΣＢはそれぞれ、測定対象物（粉体）の充填構造により定まる定数である。ε_ｓは実測により得られる値であり、Φ_ｐは充填率の算出により得られる値である。したがって、式（１１）を解くことにより、測定対象物の比誘電率ε_ｐを算出することができる。

【0114】

なお、比誘電率の算出は、上記の例には限定されず、例えば、Ｂｒｕｇｇｍｅｎの式が利用されてもよい。

【0115】

図１０は、周波数と比誘電率との関係を示す図である。図１０において、横軸は高周波信号の周波数（測定周波数）を表し、縦軸は測定対象物の比誘電率を表している。図１０には、ピーク毎の評価結果、すなわち、算出された比誘電率を示している。多少のばらつきはあるものの、同じ算出手法で比較すると、各ピークにおいて概ね同じ値が得られていることが分かる。このように、低い周波数帯域から高い周波数帯域まで精度良く比誘電率が算出されていることが分かる。

【0116】

また、演算回路２０は、測定対象物の誘電正接ｔａｎδ_ｐが算出できる。誘電正接ｔａｎδ_ｐは、見かけ上の誘電正接ｔａｎδ_ｓを利用して、上述した比誘電率ε_ｐと同様に算出することができる。例えば、体積分率に従う場合には、下記式（１２）を利用することができる。

【0117】

（１２） ｔａｎδ_ｓ＝Φ_ｐｔａｎδ_ｐ＋Φ_ａｔａｎδ_ａ

【0118】

式（１２）において、ｔａｎδ_ａは空気の誘電正接である。したがって、測定対象物の誘電正接を算出することができる。ここでは、体積分率に従う例のみを示したが、他の式についても同様に誘電正接の算出に利用することができる。

【0119】

以上のように、本実施の形態に係る測定システム１によれば、共振器１００を利用して、測定対象物の誘電特性を広帯域で精度良く測定することができる。伝送線路１１０の線路長が異なる共振器を用意する必要はなく、１つの共振器１００のみで、すなわち、同一の治具（容器）で測定周波数の広帯域化が可能である。

【0120】

なお、測定システム１では、測定対象物の充填率を異ならせて、複数回の測定を行ってもよい。これにより、誘電特性の算出精度をさらに高めることができる。

【0121】

（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る測定装置、測定システム及び測定方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。

【0122】

例えば、上記の実施の形態では、測定対象物が粉体である例を示したが、これに限定されない。測定対象物は、例えば、液体、ゲル状物質又は気体などであってもよい。

【0123】

また、上記実施の形態において、ネットワークアナライザ１０１又は演算回路２０が実行する処理を別の処理部が実行してもよい。また、複数の処理の順序が変更されてもよく、あるいは、複数の処理が並行して実行されてもよい。また、測定システム１が備える構成要素の複数の装置への振り分けは、一例である。例えば、一の装置が備える構成要素を他の装置が備えてもよい。また、測定システム１は、単一の装置として実現されてもよい。

【0124】

例えば、上記実施の形態において説明した処理は、単一の装置（システム）を用いて集中処理することによって実現してもよく、又は、複数の装置を用いて分散処理することによって実現してもよい。また、上記プログラムを実行するプロセッサは、単数であってもよく、複数であってもよい。すなわち、集中処理を行ってもよく、又は分散処理を行ってもよい。

【0125】

また、上記実施の形態において、制御部などの構成要素の全部又は一部は、専用のハードウェアで構成されてもよく、あるいは、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。

【0126】

また、本開示の全般的又は具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路又はコンピュータプログラムで実現されてもよい。あるいは、当該コンピュータプログラムが記憶された光学ディスク、ＨＤＤ若しくは半導体メモリなどのコンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体で実現されてもよい。また、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

【0127】

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0128】

本開示は、例えば、測定装置などに利用することができる。

【符号の説明】

【0129】

１ 測定システム
１０ 測定装置
２０ 演算回路
１００ 共振器
１０１ ネットワークアナライザ
１１０ 伝送線路
１２１ 第１グランド層
１２２ 第２グランド層
１３０ 第１誘電体層
１３１ キャビティ
１３２ 誘電体層
１４０ 第２誘電体層
１５０ 第３誘電体層
１６１、１６２ 給電端子
１７０ グランド端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】