特開 2023-63638 センサ素子及び撮像素子

(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】P2023063638

(43)【公開日】2023-05-10

(54)【発明の名称】センサ素子及び撮像素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/22 20060101AFI20230428BHJP

   G01N 27/04 20060101ALI20230428BHJP

【ＦＩ】

G01N27/22 C

G01N27/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021173584

(22)【出願日】2021-10-25

(71)【出願人】

【識別番号】304027279

【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100175019

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 健朗

(74)【代理人】

【識別番号】100195648

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 悠太

(74)【代理人】

【識別番号】100104329

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 卓治

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(72)【発明者】

【氏名】安部 隆

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 洋輔

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA14

2G060AC01

2G060AF08

2G060AF11

2G060AG03

2G060AG10

2G060GA01

2G060HC10

2G060JA03

2G060JA07

2G060KA09

(57)【要約】

【課題】検出に不要なフリンジ電界を抑制することができるセンサ素子及び撮像素子を提供する。
【解決手段】センサ素子１０は、コンデンサ３０及び浮遊導体５０を備える。コンデンサ３０は、同一面上において互いに間隔を空けて設けられた第１電極３１及び第２電極３２を有する。浮遊導体５０は、コンデンサ３０の厚さ方向においてコンデンサ３０と間隔を空けて位置する。浮遊導体５０には、コンデンサ３０と対応した位置に開口部５１が設けられる。コンデンサ３０は、電圧の印加に応じて発振する振動子６１と電気的に接続される。検出の対象物９の誘電率及び導電率の少なくともいずれかの変化に応じて、振動子６１の発振周波数が変化する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

同一面上において互いに間隔を空けて設けられた第１電極及び第２電極を有するコンデンサと、
前記コンデンサの厚さ方向において前記コンデンサと間隔を空けて位置する浮遊導体と、を備え、
前記浮遊導体には、前記コンデンサと対応した位置に開口部が設けられ、
前記コンデンサは、電圧の印加に応じて発振する振動子と電気的に接続され、
検出の対象物の誘電率及び導電率の少なくともいずれかの変化に応じて、前記振動子の発振周波数が変化する、
センサ素子。

【請求項2】

前記コンデンサと前記浮遊導体の間に位置する誘電体をさらに備える、
請求項１に記載のセンサ素子。

【請求項3】

前記コンデンサは、前記振動子と直列接続の関係にあり、
前記第２電極は、前記第１電極の周囲に設けられ、
前記第１電極は、前記振動子と接続される、
請求項１又は２に記載のセンサ素子。

【請求項4】

前記開口部の中に位置する複数の微小浮遊導体をさらに備える、
請求項１～３のいずれか１項に記載のセンサ素子。

【請求項5】

複数の配列された、請求項１～４のいずれか１項に記載のセンサ素子を備える、
撮像素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ素子及びこれを備える撮像素子に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１に記載のように、水晶振動子等の振動子と直列に接続されたコンデンサを用い、振動子の発振周波数の変化に基づいて対象物の導電率などを検出するセンサが知られている。特許文献１に記載のセンサは、振動子と直列に接続される第１コンデンサと、第１コンデンサと並列に接続され、電極間に対象物である液体が配置される第２コンデンサとを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６６２４４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のように、コンデンサの対向電極間に対象物を配置する構成は、電界が対向電極間に閉じ込められるため、対象物を非接触で検出する用途には向いていない。対象物を非接触で検出するには、同一面上に展開した一対の電極からなるコンデンサ（以下、同一面展開型コンデンサと言う。）を用いることで、コンデンサに生じるフリンジ電界を面外に広げる手法が考えられる。しかしながら、同一面展開型コンデンサを単に用いただけでは、フリンジ電界が広がりすぎて、所望の対象物以外の状態変化を捉えてしまう虞がある。

【0005】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、検出に不要なフリンジ電界を抑制することができるセンサ素子及び撮像素子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】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るセンサ素子は、
同一面上において互いに間隔を空けて設けられた第１電極及び第２電極を有するコンデンサと、
前記コンデンサの厚さ方向において前記コンデンサと間隔を空けて位置する浮遊導体と、を備え、
前記浮遊導体には、前記コンデンサと対応した位置に開口部が設けられ、
前記コンデンサは、電圧の印加に応じて発振する振動子と電気的に接続され、
検出の対象物の誘電率及び導電率の少なくともいずれかの変化に応じて、前記振動子の発振周波数が変化する。

【0007】

前記センサ素子は、前記コンデンサと前記浮遊導体の間に位置する誘電体をさらに備えていてもよい。

【0008】

前記コンデンサは、前記振動子と直列接続の関係にあり、
前記第２電極は、前記第１電極の周囲に設けられ、
前記第１電極は、前記振動子と接続されてもよい。

【0009】

前記センサ素子は、前記開口部の中に位置する複数の微小浮遊導体をさらに備えていてもよい。

【0010】

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る撮像素子は、
複数の配列された、前記センサ素子を備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、検出に不要なフリンジ電界を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施形態に係る非接触検出装置の構成を示す図である。

【図2】同上実施形態に係るコンデンサが形成された基板の平面図である。

【図3】同上実施形態に係る振動子及びコンデンサの等価回路図である。

【図4】セメント硬化プロセスにおける周波数応答の経時変化例を示し、（ａ）は誘電率の変化に起因する図であり、（ｂ）は導電率の変化に起因する図である。

【図5】土壌の種類による水の浸透速度の違いに応じた周波数の経時変化例を示す図である。

【図6】実施例１に係るセンサモデルを説明するための図であり、（ａ）は浮遊導体の平面図であり、（ｂ）はコンデンサが形成された基板の平面図である。

【図7】実施例１に係るセンサモデルを説明するための図であり、（ａ）はセンサモデルの概略断面図であり、（ｂ）はセンサモデルの概略平面図である。

【図8】（ａ）は比較例１に係るセンサモデルの周波数変化量を示し、（ｂ）は実施例１に係るセンサモデルの周波数変化量を示す図である。

【図9】周波数変化量を百分率で表した図であり、（ａ）は図８（ａ）に対応し、（ｂ）は図８（ｂ）に対応する図である。

【図10】（ａ）は比較例２に係るセンサモデルの周波数変化量を示し、（ｂ）は実施例２に係るセンサモデルの周波数変化量を示す図である。

【図11】周波数変化量を百分率で表した図であり、（ａ）は図１０（ａ）に対応し、（ｂ）は図１０（ｂ）に対応する図である。

【図12】本発明の第２実施形態に係る非接触モニタリング装置の構成を示す図である。

【図13】複数の微小浮遊導体を備える変形例に係るセンサ素子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

【0014】

（第１実施形態）
第１実施形態に係る非接触検出装置１００は、図１に示すように、非接触センサ１１０及び制御部７０を備える。非接触検出装置１００は、例えば、土壌、セメント等の対象物９の状態を、非接触且つ非破壊で検出する。ここで、対象物９の状態とは、対象物９の誘電率及び導電率の少なくともいずれかに基づき特定可能な種々の状態を言い、誘電率及び導電率そのものを含むことは勿論、誘電率に応じて特定される水分量、密度及び多孔質化度、導電率に応じて特定されるイオン放出度及び腐食度などを含む。

【0015】

非接触センサ１１０は、センサ素子１０と、振動子６１を含む発振回路６０とを備える。非接触センサ１１０は、いわゆる複素容量センサであり、フリンジ電界中に位置する対象物９の複素容量の変化に応じた振動子６１の発振周波数の変化を出力する。

【0016】

センサ素子１０は、基板２０と、コンデンサ（キャパシタ）３０と、誘電体４０と、浮遊導体（非接地導体）５０とを備える。基板２０は、絶縁性を有し、例えばガラス基板などから構成される。センサ素子１０は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスで作製される。なお、図１に示すセンサ素子１０の概略断面図においては、見易さを考慮して基板２０及び誘電体４０の断面を示すハッチングを省略した。

【0017】

コンデンサ３０は、基板２０の主面２１（図１では上方に向く面）上に設けられた第１電極３１及び第２電極３２を有する。図２に示すように、第１電極３１及び第２電極３２は、主面２１上（つまり、同一平面上）において互いに間隔を空けて設けられる。このように、コンデンサ３０を構成することで、第１電極３１と第２電極３２の間に生じる電界を面外方向、つまり、対象物９が位置する方向に広げることができる。なお、図２では、後述の開口部５１の位置を仮想線で表した。

【0018】

この実施形態では、フリンジ電界を用いて局所的な検出が可能なように、第１電極３１及び第２電極３２を同心円状に形成した。具体的に、第１電極３１は、円状に形成されている。第１電極３１は、第１配線３１ａを介して振動子６１と接続される。第２電極３２は、第１電極３１の周囲に設けられ、第１配線３１ａが通る箇所が切り欠かれた略リング状に形成されている。第２電極３２は、第２配線３２ａを介して接地側と接続される。なお、第２電極３２が接地側と接続されるとは、第２配線３２ａが接地端子に直接接続される態様だけでなく、第２電極３２及び第２配線３２ａが予め定めた基準電位点と導通する任意の態様も含む。第１電極３１、第１配線３１ａ、第２電極３２及び第２配線３２ａは、例えば、銅箔などの導電体を主面２１にプリントすることで形成される。

【0019】

なお、図２の例では、第２電極３２を一部が切り欠かれた略リング状に形成したが、第１配線３１ａを基板２０に設けたスルーホールを通して主面２１の裏面に至るように構成することで、第２電極３２を完全なリング状に形成してもよい。

【0020】

図１に示す誘電体４０は、プラスチック、セラミックス等の周知の誘電体からなり、板状に形成される。誘電体４０は、コンデンサ３０と浮遊導体５０の間に位置する。誘電体４０は、コンデンサ３０で生じる電界を対象物９に誘導する。

【0021】

浮遊導体５０は、コンデンサ３０の厚さ方向（図１の上下方向）においてコンデンサ３０と間隔を空けて位置する。コンデンサ３０の厚さ方向とは、第１電極３１及び第２電極３２の厚さ方向であり、主面２１の法線方向に相当する。浮遊導体５０は、例えば、誘導体４０の主面４１（図１では上方に向く面）上に形成される。浮遊導体５０は、例えば、銅箔などの導電体を主面４１にプリントすることで形成される。

【0022】

浮遊導体５０には、コンデンサ３０と対応した位置に開口部（アパーチャ）５１が設けられている。この実施形態の開口部５１は、コンデンサ３０の中心線３０ａを中心として円状に形成された貫通孔である。開口部５１の孔径は、コンデンサ３０を構成する第２電極３２の外径よりも若干大きい。例えば、開口部５１の孔径は、０．１～１００ｍｍの間で目的に応じて設定される。中心線３０ａは、円状の第１電極３１の中心を通り、コンデンサ３０の厚さ方向に延びる線である。

【0023】

浮遊導体５０は、コンデンサ３０から発生する電界を制御するために設けられる。浮遊導体５０を設けない場合、電界が広がりすぎるが、浮遊導体５０により、コンデンサ３０との間に電界を集中させることができる。さらに、浮遊導体５０に適切な形状及びサイズの開口部５１を設けることで、対象物９における所望の測定範囲以外に電界が漏れ出ることを遮断できる。この効果の実証については後述する。

【0024】

発振回路６０は、例えば、水晶振動子である振動子６１を発振させる周知の構成である。発振回路６０は、制御部７０の制御により振動子６１に電圧を印加し、振動子６１を発振させる。また、発振回路６０は、振動子６１の発振周波数の変化を制御部７０へ出力する。発振回路６０は、例えば、コルピッツ型トランジスタ発振回路、クラップ型トランジスタ発振回路、ピアース型トランジスタ発振回路、ハートレー型トランジスタ発振回路、バトラー型トランジスタ発振回路、ゲート型インバーター発振回路などから構成することができる。

【0025】

制御部７０は、例えば、マイクロコントローラを含んで構成され、内蔵のメモリに記憶しているプログラムを実行して発振回路６０の動作を制御する。また、制御部７０は、非接触センサ１１０からの出力に基づき、振動子６１の発振周波数の変化を測定し、発振周波数の変化に基づき、対象物９の状態を評価する。

【0026】

ここで、対象物９の誘電率及び導電率の少なくともいずれかが変化すると、コンデンサ３０上にある対象物９の複素容量が変化する。複素容量が変化すると、振動子６１の発振周波数が変化する。この特性を用い、非接触検出装置１００は、振動子６１の発振周波数を測定することで、対象物９の状態を検出する。この検出原理について以下に説明する。

【0027】

複素容量は、フリンジ電界中に存在する対象物９の複素誘電率ε^＊の関数であり、下記（１）式で表される。

【0028】

【数1】

【0029】

ここで、ε’は比誘電率、σは導電率、Ｆは周波数、ε_０は真空の導電率である。これらの変化によって複素容量が変化すると、図３に示す、コンデンサ３０及び振動子６１から構成される回路の共振周波数が変化する。振動子６１は、同図に示す等価回路として扱うことができる。図中、Ｒは等価直列抵抗、Ｌは等価直列インダクタンス、Ｃ_１は等価直列容量、Ｃ_０は等価並列容量、Ｃ_Ｌはコンデンサ３０の複素容量である。共振周波数Ｆは、下記（２）式で表される。

【0030】

【数2】

【0031】

このとき、振動子６１の等価回路中の成分Ｃ_１、Ｃ_０は振動子６１の固有値であり、一定である。Ｌは変数成分であるが、Ｃ_Ｌと比較して変化が微小なので、固有値と見做せる。これにより、共振周波数の変化量ΔＦは、下記（３）式で表される。

【0032】

【数3】

【0033】

ここで、Ｃ_Ｌ１、Ｃ_Ｌ２は、対象物９の測定前後の複素容量であり、ΔＣ_Ｌは、ΔＣ_Ｌ＝Ｃ_Ｌ２－Ｃ_Ｌ１である。

【0034】

対象物９の複素誘電率ε^＊を表す、上記（１）式のうち、実部である第１項は対象物９の比誘電率、つまり誘電性に関わり、高周波数側で支配的になる。一方、虚部である第２項は対象物９の誘電損失、つまり導電性に関わり、低周波数側で支配的になる。ここで、セメント硬化プロセスにおける周波数応答（共振周波数の変化）の経時変化例を図４（ａ）、（ｂ）に示す。
図４（ａ）は、基本周波数（標準周波数）１６ＭＨｚの振動子６１を発振させた場合であり、約２時間経過後から、誘電率の低下に伴って周波数応答が変化する様子を表す。つまり、セメントの硬化に伴う、セメントの乾燥、多孔質化の状態の変化が周波数応答として表されていることが分かる。
図４（ｂ）は、基本周波数２ＭＨｚの振動子６１を発振させた場合であり、約２時間経過後から、導電率の増加に伴って周波数応答が変化する様子を表す。つまり、セメントの硬化に伴う、セメントの水和の進展の変化が周波数応答として表されていることが分かる。

【0035】

また、土壌の種類による水の浸透速度の違いを示す周波数の経時変化例を図５に示す。図中、αは腐葉土、βは黄土、γは黒土であり、約９００秒の時点で各土壌に霧吹きで水を与えた。α、β、γの周波数変化量が急峻な箇所（α及びβでは約９００秒直後、γでは約２７００秒付近）は、マイクロな間隙に水が浸透していく状態（つまり、重力水の影響）に相当する。α、β、γの周波数変化量が緩やかな箇所（αでは約９００秒経過後、βではαよりも若干の期間経過後、γでは約２７００秒経過後）は、ミクロな間隙に水が浸透していく状態（つまり、毛細管水の影響）に相当する。

【0036】

図４、図５に例示したように、対象物９の誘電率及び導電率の少なくともいずれかに応じて共振周波数が変化することが分かる。この特性を利用して、制御部７０は、共振周波数の変化量に基づき、対象物９の状態を検出する。なお、共振周波数の変化に応じて、振動子６１の発振周波数も変化する。したがって、共振周波数の変化を検出することと、振動子６１の発振周波数の変化を検出することは同義である。制御部７０は、例えば、予めメモリに格納された上記数式を示すデータを用い、共振周波数の変化から、誘電率及び導電率の少なくともいずれかを算出する。また、制御部７０は、共振周波数の変化から、誘電率に応じて特定される対象物９の水分量、密度、多孔質化度などを検出してもよいし、導電率に応じて特定される対象物９のイオン放出度、腐食度などを検出してもよい。例えば、これら対象物９の状態と共振周波数の変化量とが対応付けられたテーブルデータ、数式のデータなどを予めメモリに格納しておき、制御部７０は、測定した共振周波数の変化量と当該データに基づき、対象物９の状態を検出する。また、発振回路６０に互いに基本周波数が異なる振動子６１を複数設け、制御部７０は、発振させる振動子６１を切り替えることにより、対象物９の誘電率及び導電率のいずれかを測定するかを選択することが可能である。また、制御部７０は、振動子６１の発振を、基本周波数での発振と、オーバートーンでの発振とを切り替え、対象物９の誘電率及び導電率のいずれかを測定するかを選択してもよい。非接触検出装置１００の説明は以上である。

【0037】

続いて、実施例１として、上記センサ素子１０に浮遊導体５０を設けたことによる効果を実証した実験を説明する。第１実施形態と同様の機能を有する構成については、第１実施形態と同じ符号を用いて説明する。

【0038】

（実施例１）
本願発明者らは、図６、図７を用いて説明するセンサモデルを作成し実験を行った。図６（ａ）に示すように、センサモデルにおける浮遊導体５０及び開口部５１は、共に正方形状である。浮遊導体５０の辺の長さ（図示ｍ）は５０ｍｍ、開口部５１の辺の長さ（図示ｎ）は１６ｍｍである。また、センサモデルのコンデンサ３０を構成する第１電極３１及び第２電極３２を、図６（ｂ）に示すように作成した。第１電極３１をその１辺が７ｍｍの正方形状とした。つまり、第１電極３１のサイズは７×７ｍｍ^２である。第２電極３２を、その外周が正方形状をなす枠状に形成した。第２電極３２の外周を構成する辺の長さ（図示ｆ）は１４ｍｍである。つまり、開口部５１は、第２電極３２の外形よりも若干大きい。また、開口部５１の中心と、コンデンサ３０の中心（つまり、第１電極３１の中心）とが一致するようにセンサモデルを作成した。第２電極３２の幅（図示ｈ）は１．５ｍｍである。

【0039】

図７（ａ）に示すように、センサモデルにおいて、コンデンサ３０が形成された基板２０と、浮遊導体５０との間に位置する誘電体４０の厚さ（図示ｔ_１）は１ｍｍである。そして、シリコーンにより形成した、複数のセル８を備える構造体（以下、シリコーン部）を浮遊導体５０の上部に配置した。図７（ｂ）に示すように、シリコーン部は、行列状に配列された９個のセル８を備える。なお、各セル８の面積は１４×１４ｍｍ^２、高さは１ｍｍ、底面の厚さは０．５ｍｍである。また、シリコーン部における各セル８を、図７（ｂ）に示すように、ｘ～ｙの行と、１～３の列でナンバリングした。

【0040】

この実験では、上記実施形態と同様に、第１電極３１に、基本周波数１６ＭＨｚの水晶振動子である振動子６１を配線で接続し、第２電極３２を配線で接地側に接続した。これら配線は、図７（ｂ）に模式的に示すように、ｘ行２列目である（ｘ，２）のセル８の下方を通るように設けた。また、比較例１として、実施例１に係るセンサモデルから、開口部５１を設けた浮遊導体５０を排除したモデルについても、同様の条件で実験を行った。Keysight Technologies社製の周波数カウンタを用いて、実施例１及び比較例１の各モデルからの周波数応答を測定した。

【0041】

実験手順は以下である。
（１）任意の１つのセル８に純水（０．５ｍｌ）を滴下する。
（２）純水滴下前後の周波数変化量を測定する。
（３）全てのセル８について測定が終わるまで、上記（１）、（２）を繰り返す。

【0042】

実験結果として、図８（ａ）に比較例１のセンサモデルの周波数変化量を示し、図８（ｂ）に実施例１のセンサモデルの周波数変化量を示す。それぞれ、各セル８に純水を滴下した場合の周波数変化量を示している。また、図９（ａ）は図８（ａ）に対応し、図９（ｂ）は図８（ｂ）に対応する図であり、それぞれ、最大値を基準に周波数応答を百分率で示した図である。当然ながら、実施例１及び比較例１ともに、コンデンサ３０が形成された位置に相当する（ｙ，２）の箇所が最大値を示している。

【0043】

比較例１は、図９（ａ）に示すように、配線を設けた箇所に相当する（ｘ，２）の箇所では、配線の影響により９．７６％の応答が生じてしまっていることが分かる。なお、比較例１の周波数変化量の最大値は３３７Ｈｚであった。

【0044】

一方、実施例１は、図９（ｂ）に示すように、配線を設けた箇所に相当する（ｘ，２）の箇所であっても、周波数の応答が０．１４％である。このように、実施例１によれば、配線による影響を比較例１の数十分の一に、飛躍的に低減できることが分かる。さらに、実施例１によれば、（ｙ，２）の箇所以外、つまり、開口部５１以外の箇所での周波数応答を、開口部５１の形成箇所に相当する（ｙ，２）の箇所の応答の１０００分の１以下に低減できていることが分かる。これにより、開口部５１の箇所で、フリンジ電界が漏れ出ることをほぼ遮断できていることが分かる。なお、実施例１の周波数変化量の最大値は３３１Ｈｚと、比較例１の最大値に比べて若干の低下が生じるものの、この低下は無視できるほど微小である。

【0045】

以上の実験結果により、上記実施形態に係るセンサ素子１０は、検出に不要なフリンジ電界を効果的に抑制できることが分かる。つまり、浮遊導体５０の開口部５１を対象物９に向ければ、開口部５１に応じた測定範囲で対象物９の状態を良好に測定できる。センサ素子１０によれば、開口部５１及びコンデンサ３０のサイズ及び形状を調整することで測定対象が小さくても測定でき、電波帯の特徴である誘電性、導電性の両方の情報の可視化が可能となる。このセンサ素子１０は、非破壊検査の対象となるほぼ全ての産業分野（セメント系材料、土壌、液体を扱う素材など）での利用が可能である。

【0046】

また、センサ素子１０において、浮遊導体５０及び誘電体４０からなるユニットは、カメラに例えれば、交換可能なレンズのように機能し、開口部５１が絞りのように機能する。したがって、浮遊導体５０及び誘電体４０からなるユニットを、開口部５１の形状及びサイズなどが調整された他のユニットに交換することで、用途に応じた測定範囲のセンサ素子１０を用意することができる。

【0047】

（実施例２）
続いて、コンデンサ３０の極性の影響を調べるために、本願発明者らは、第１電極３１を振動子６１に接続し、第２電極３２を接地側に接続した実施例２と、第１電極３１を接地側に接続し、第２電極３２を振動子６１に接続した比較例２とを用いた実験を行った。この実験では、実施例２及び比較例２ともに浮遊導体５０を設けないセンサモデルを用い、極性の違い以外は同一の条件で、上記実施例１と同様の手順により実験を行った。

【0048】

実験結果として、図１０（ａ）に比較例２のセンサモデルの周波数変化量を示し、図１０（ｂ）に実施例２のセンサモデルの周波数変化量を示す。また、図１１（ａ）は図１０（ａ）に対応し、図１１（ｂ）は図１０（ｂ）に対応する図であり、それぞれ、中心にあるセル８（つまり、（ｙ，２）の位置にあるセル８）に純水を滴下した場合に測定した応答を１００％とした場合の、周波数応答を百分率で示した図である。これらの図から、比較例２では中心以外のセル８においても顕著な応答が生じている一方で、実施例２では、ほぼ中心のセル８においてのみ応答が生じていることが分かる。つまり、実施例１と同様に、開口部５１を設けた浮遊導体５０を、コンデンサ３０の上方に配置した場合には、その開口部５１に相当する箇所における応答を発生させることができる実施例２（つまり、第１電極３１に振動子６１を接続する態様）が優れていることが分かる。

【0049】

以上の実験結果により、第１電極３１が振動子６１と導通接続されたセンサ素子１０によれば、開口部５１の形成範囲に相当する箇所で十分な周波数の応答を得て、それ以外の箇所での周波数の応答をほぼ無くすことができることが分かる。

【0050】

（第２実施形態）
第２実施形態に係る非接触モニタリング装置２００は、図１２に示すように、発振回路６０と、制御部７０と、撮像素子８０と、表示部９０とを備える。なお、第１実施形態と同様の機能を有する構成については、第１実施形態と同じ符号を用いて説明し、第１実施形態と異なる点を主に説明する。非接触モニタリング装置２００は、対象物９の状態を、非接触且つ非破壊でモニタリングする装置である。

【0051】

撮像素子８０は、複数の配列されたセンサ素子１０を備えるセンサアレイであり、例えばセンサ素子１０が行列状に配列されたものである。なお、「複数の配列されたセンサ素子１０を備える」とは、各センサ素子１０に対応してコンデンサ３０及び開口部５１が少なくとも設けられていることを示し、基板２０、誘電体４０及び浮遊導体５０が各センサ素子１０で別体であることに限定されない。基板２０、誘電体４０及び浮遊導体５０は、センサアレイに共用の構成であってもよいことは勿論である。

【0052】

制御部７０は、発振回路６０を制御して、例えば、振動子６１の導通先を各センサ素子１０に選択的に切り替え、時分割で各センサ素子１０に応じた周波数応答を取得する。そして、制御部７０は、各センサ素子１０に応じた周波数応答に基づき、センサ素子１０毎に対象物９の状態（前述の水分量、密度、多孔質化度など）を特定する。当該特定手法は、第１実施形態と同様である。そして、制御部７０は、対象物９の状態を示す値に応じた濃淡を有する画素からなる画像データを出力する。なお、各センサ素子１０が画素に相当する。画像データは、対象物９の状態を示す状態画像９ａを表示するためのデータである。前述の通り、対象物９の状態とは、対象物９の誘電率及び導電率の少なくともいずれかに基づき特定可能な種々の状態を示す。表示部９０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等から構成され、制御部７０の制御の下で状態画像９ａを表示する。

【0053】

以上に説明した撮像素子８０によれば、ＭＨｚ帯の電波を用いることができ、他の周波数帯では得ることが困難な、誘電性、導電性の複合的な情報の可視化技術を提供できる。また、撮像素子８０は、検出に不要なフリンジ電界を抑制できるセンサ素子１０を備えるため、対象物９の特定の状態に応じた画像の強調、亀裂の内部における進展状況などの時空間的分析に利用可能である。

【0054】

本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

【0055】

（変形例）
変形例として、センサ素子１０は、図１３に示すように、浮遊導体５０の開口部５１の中に位置する複数の微小浮遊導体５２をさらに備えていてもよい。微小浮遊導体５２は、開口部５１の中において、複数配列されている。微小浮遊導体５２は、その径がμｍオーダー（例えば、数十μｍ～数百μｍ）の浮遊導体である。微小浮遊導体５２は、例えば、銅箔などの導電体を誘電体４０の主面４１にプリントすることで形成される。一例として、微小浮遊導体５２は、直径が１５０μｍの円状に形成され、隣り合うもの同士が１５０μｍの間隔を空けて配列される。そして、複数の微小浮遊導体５２からなる集合は、平面視で（コンデンサ３０の厚さ方向から見て）円状をなし、その集合の径は７ｍｍ程度に設定される。このように微小浮遊導体５２を設けた箇所で面外への電界の広がりを抑制し、局所増感が可能であることは、本願発明者らの研究で明らかになっている。なお、微小浮遊導体５２のサイズ、形状は、目的に応じて任意に変更可能である。

【0056】

以上に説明したセンサ素子１０を構成する各部のサイズ（厚みも含む）、形状、材質は、上述の原理で対象物９の状態を検出できる限りにおいては、任意に変更可能である。例えば、浮遊導体５０において、コンデンサ３０と対応した位置に開口部５１が設けられるとは、コンデンサ３０の厚さ方向から見て、少なくともコンデンサ３０の中央部が開口部５１の中に位置するように開口部５１が設けられることを指す。

【0057】

以上では、第１電極３１及び第２電極３２を同一平面上に設けた例を示したが、上述の原理で対象物９の状態を検出できる限りにおいては、第１電極３１及び第２電極３２は同一曲面上に設けられていてもよい。つまり、第１電極３１及び第２電極３２は、同一面上において互いに間隔を空けて設けられていればよい。また、以上では、コンデンサ３０が振動子６１と直列接続の関係にある例を示したが、コンデンサ３０は振動子６１と並列接続の関係で設けられてもよい。つまり、センサ素子１０のコンデンサ３０は、振動子６１と電気的に接続されていればよく、上述の原理で対象物９の状態を検出できる限りにおいては、コンデンサ３０と振動子６１の接続態様は任意に変更可能である。

【0058】

以上では、誘電体４０をコンデンサ３０と浮遊導体５０の間に設けた例を示したが、誘電体４０を設けなくともよい。例えば、センサ素子１０において、コンデンサ３０と間隔を空けた位置に浮遊導体５０が支持され、コンデンサ３０と浮遊導体５０の間に空気層が生じる構成を採用してもよい。

【0059】

振動子６１の種類は限定されない。振動子６１として、ＡＴカット水晶振動子、ＳＣカット水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子などを目的に応じて採用できる。

【0060】

対象物９は、土壌、セメント等に限定されず、誘電率及び導電率の少なくともいずれかに応じて状態が特定可能な物であれば任意である。

【0061】

以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

【0062】

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0063】

１００…非接触検出装置、１１０…非接触センサ
１０…センサ素子
２０…基板、２１…主面
３０…コンデンサ、３０ａ…中心線
３１…第１電極、３１ａ…第１配線、３２…第２電極、３２ａ…第２配線
４０…誘電体、４１…主面
５０…浮遊導体、５１…開口部、５２…微小浮遊導体
６０…発振回路、６１…振動子
７０…制御部
２００…非接触モニタリング装置、８０…撮像素子、９０…表示部
８…セル、９…対象物、９ａ…状態画像

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】