特許 7400954 物体誘電率測定装置及び物体厚さ測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】物体誘電率測定装置及び物体厚さ測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 27/26 20060101AFI20231212BHJP

   G01B 21/08 20060101ALI20231212BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

G01R27/26 H

G01B21/08

G01N27/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022516556

(86)(22)【出願日】2020-04-22

(86)【国際出願番号】 JP2020017375

(87)【国際公開番号】W WO2021214917

(87)【国際公開日】2021-10-28

【審査請求日】2022-09-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中森 真輝

(72)【発明者】

【氏名】五藤 幸弘

(72)【発明者】

【氏名】押田 博之

【審査官】田口 孝明

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２７１４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０１９１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０６３７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６００５３９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１７２１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２０７４２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ２７／００－２７／３２、

Ｇ０１Ｎ ２２／００－２２／２４、

２４／００－２４／１４、

３３／２８－３３／６４、

２７／００－２７／１０、

２７／１４－２７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属体に光波を照射し、前記金属体の腐食部分で反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、前記腐食部分までの距離Ｌを算出する光波距離測定器と、
前記金属体に前記腐食部分を透過する周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定する電磁波位相測定器と、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ｄ：金属体表面の腐食部分の厚さ
（２）式より、前記金属体表面の前記腐食部分の誘電率εを算出する誘電率算出回路と、
を備える物体誘電率測定装置。

【請求項2】

前記電磁波の周波数が１０¹¹～１０¹³であることを特徴とする請求項１に記載の物体誘電率測定装置。

【請求項3】

金属体に光波を照射し、前記金属体の腐食部分で反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、前記腐食部分までの距離Ｌを算出し、
前記金属体に前記腐食部分を透過する周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定し、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ｄ：金属体表面の腐食部分の厚さ
（２）式より、前記金属体表面の前記腐食部分の誘電率εを算出する物体誘電率測定方法。

【請求項4】

前記電磁波の周波数が１０¹¹～１０¹³であることを特徴とする請求項３に記載の物体誘電率測定方法。

【請求項5】

金属体に光波を照射し、前記金属体の腐食部分で反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、前記腐食部分までの距離Ｌを算出する光波距離測定器と、
前記金属体に前記腐食部分を透過する周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定する電磁波位相測定器と、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ε：金属体表面の腐食部分の誘電率
（２）式より、前記金属体表面の前記腐食部分の厚さｄを算出する厚さ算出回路と、
を備える物体厚さ測定装置。

【請求項6】

前記電磁波の周波数が１０¹¹～１０¹³であることを特徴とする請求項５に記載の物体厚さ測定装置。

【請求項7】

金属体に光波を照射し、前記金属体の腐食部分で反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、前記腐食部分までの距離Ｌを算出し、
前記金属体に前記腐食部分を透過する周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定し、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ε：金属体表面の腐食部分の誘電率
（２）式より、前記金属体表面の前記腐食部分の厚さｄを算出する物体厚さ測定方法。

【請求項8】

前記電磁波の周波数が１０¹¹～１０¹³であることを特徴とする請求項７に記載の物体厚さ測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、物体の誘電率を測定する物体誘電率測定装置及び物体誘電率測定方法に関する。さらに、物体の厚さを測定する物体厚さ測定装置及び物体厚さ測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の周波数の電磁波を被測定物に照射し、被測定物の比誘電率を算出する方法が開発されている（例えば、特許文献1参照。）。

【0003】

この方法によれば、被測定物に電磁波を照射し、被測定物を透過した後の位相変化及び被測定物の既知の厚さから、被測定物の比誘電率を算出するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－２０７４２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の方法では、複数の周波数の電磁波を被測定物に照射し、透過した後の電磁波の位相を測定する。このため、電磁波に対して不透明な屋外通信設備に特許文献１の方法を適用することができない。

【課題を解決するための手段】

【0006】

こうした電磁波に対して不透明な物体の表面にある異物の測定を可能にするために、周波数１０¹¹～１０¹³の電磁波であるテラヘルツ波を用いた反射型の測定を案出した。反射型であれば、電磁波に対して不透明な物体に対しても適用することができる。

【0007】

ここでは、本開示の測定対象には、不透明な物体、即ち、電磁波を反射する物体として金属体を例に、また、不透明な物体の表面にある異物、即ち、光波を反射し、電磁波を透過する異物として金属の腐食部分を例に説明する。ここでは、電磁波の代表として、周波数１０¹¹～１０¹³のテラヘルツ波を例示する。

【0008】

腐食のある金属体に対して、光波は腐食部分の表面で反射する。一方、テラヘルツ波は腐食部分を透過し、腐食していない金属体の表面で反射する。一般的に亜鉛メッキ鋼材における腐食では、初期段階では表面の亜鉛が酸化して腐食する。腐食が進み亜鉛のメッキがなくなると、内部の鉄が腐食し始める。このように腐食の段階によって材料の組成が変化しているので、金属体の表面の材料の性質を測定することで腐食の段階を推定することが可能である。

【0009】

そこで、腐食のある金属体に対して、光波を用いて腐食部分の表面までの距離を測定し、電磁波を用いて腐食のある金属体の表面までの位相の回転量を測定する。金属体の表面までの位相の回転量の測定では、腐食部分の表面までの位相の回転量に比較して、腐食部分の表面から金属体の表面までの距離の分だけ位相の回転量が多くなる。

【0010】

そのため、多くなった位相の回転量を算出すればよい。腐食部分の厚さが既知であれば、多くなった位相の回転量から腐食部分の誘電率を算出することができる。腐食部分の誘電率が既知であれば、腐食部分の厚さを算出することができる。

【0011】

具体的には、本願発明の物体誘電率測定装置は、
物体に光波を照射し、反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、物体までの距離Ｌを算出する光波距離測定器と、
物体に周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定する電磁波位相測定器と、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ｄ：物体表面の異物の厚さ
（２）式より、物体表面の異物の誘電率εを算出する誘電率算出回路と、
を備える。

【0012】

具体的には、本願発明の物体誘電率測定方法は、
物体に光波を照射し、反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、物体までの距離Ｌを算出し、
物体に周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定し、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ｄ：物体表面の異物の厚さ
（２）式より、物体表面の異物の誘電率εを算出する。

【0013】

具体的には、本願発明の物体厚さ測定装置は、
物体に光波を照射し、反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、物体までの距離Ｌを算出する光波距離測定器と、
物体に周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定する電磁波位相測定器と、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ε：物体表面の異物の誘電率
（２）式より、物体表面の異物の厚さｄを算出する厚さ算出回路と、
を備える。

【0014】

具体的には、本願発明の物体厚さ測定方法は、
物体に光波を照射し、反射して戻ってきた光波の往復時間ｔを測定し、
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
ｃ：光速
（１）式より、物体までの距離Ｌを算出し、
物体に周波数ｆの電磁波を照射し、反射して戻ってきた電磁波の回転した位相φを測定し、
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
ε：物体表面の異物の誘電率
（２）式より、物体表面の異物の厚さｄを算出する。

【発明の効果】

【0015】

本開示の物体誘電率測定装置及び物体誘電率測定方法によれば、物体表面の異物の厚さが既知であれば、物体表面の異物の誘電率を算出することができる。

【0016】

本開示の物体厚さ測定装置及び物体厚さ測定方法によれば、物体表面の異物の誘電率が既知であれば、物体表面の異物の厚さを算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】物体誘電率測定装置の構成を説明する図である。

【図2】物体誘電率測定方法を説明する図である。

【図3】物体厚さ測定装置の構成を説明する図である。

【図4】物体厚さ測定方法を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0019】

（実施形態１）
本開示の物体誘電率測定装置の構成を図１に、物体誘電率測定方法を図２に示す。図１において、１０は物体誘電率測定装置、５１は金属の腐食部分、５２は金属体である。物体誘電率測定装置１０は、電磁波位相測定器１１、光波距離測定器１２及び誘電率算出回路１３を備える。電磁波位相測定器１１は、電磁波照射回路１１１、電磁波受信回路１１２及び回転位相測定回路１１３を備える。光波距離測定器１２は、光波照射回路１２１、光波受信回路１２２、往復時間測定回路及び距離算出回路１２４を備える。

【0020】

図１及び図２を用いて、光波距離測定を説明する。光波照射回路１２１は測定対象である物体に向けて光波を照射する（Ｔ１）。物体としての金属体５２の表面が腐食していると、金属体５２の表面には腐食部分５１が異物として存在する。光波は腐食部分５１の表面で反射され、光波受信回路１２２が反射して戻ってきた光波を受信する。往復時間測定回路１２３は、光波照射回路１２１が光波を照射してから、光波受信回路１２２が戻ってきた光波を受信するまでの往復時間ｔを測定する（Ｔ２）。往復時間の測定には、公知のパルス法やＦＭ－ＣＷ法が適用できる。

【0021】

距離算出回路１２４は、往復時間ｔ及び光速ｃから
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
上記（１）式に基づいて、物体誘電率測定装置１０から金属の腐食部分５１の表面までの距離Ｌを算出する（Ｔ３）。

【0022】

図１及び図２を用いて、電磁波位相測定を説明する。電磁波照射回路１１１は測定対象である物体に向けて周波数ｆの電磁波を照射する（Ｐ１）。電磁波は腐食部分５１を透過し、金属体５２の表面で反射され、電磁波受信回路１１２が反射して戻ってきた電磁波を受信する。回転位相測定回路１１３は、電磁波照射回路１１１が照射したときの電磁波の位相と電磁波受信回路が受信したときの電磁波の位相の差から回転した位相φを測定する（Ｐ２）。

【0023】

図１及び図２を用いて、誘電率算出を説明する。物体表面の異物である金属の腐食部分５１の厚さｄが既知であれば、誘電率算出回路１３は、（１）式で算出した距離L及び次式
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
より、腐食部分５１の誘電率εを算出する（Ｅ１）。

【0024】

（２）式の第１項は、周波数ｆの電磁波が物体誘電率測定装置１０と金属の腐食部分５１の表面との間を往復する間に、回転する位相量を表す。（２）式の第２項は、周波数ｆの電磁波が金属の腐食部分５１の表面と金属体５２の表面との間を往復する間に、回転する位相量を表す。

【0025】

物体表面の異物としての腐食部分の厚さが既知であれば、物体表面の異物としての腐食部分の誘電率を算出することができる。特に、電磁波の周波数ｆが１０¹¹～１０¹³であれば、電磁波の大部分が腐食部分を透過し、金属体で反射されるため、腐食部分の誘電率を精度よく算出することができる。

【0026】

（実施形態２）
本開示の物体厚さ測定装置の構成を図３に、物体厚さ測定方法での動作を図４に示す。図３において、２０は物体厚さ測定装置、５１は金属の腐食部分、５２は金属体である。物体厚さ測定装置２０は、電磁波位相測定器１１、光波距離測定器１２及び厚さ算出回路２３を備える。電磁波位相測定器１１は、電磁波照射回路１１１、電磁波受信回路１１２及び回転位相測定回路１１３を備える。光波距離測定器１２は、光波照射回路１２１、光波受信回路１２２、往復時間測定回路及び距離算出回路１２４を備える。

【0027】

図３及び図４を用いて、光波距離測定を説明する。光波照射回路１２１は測定対象である物体に向けて光波を照射する（Ｔ１）。物体としての金属体５２の表面が腐食していると、金属体５２の表面には腐食部分５１が異物として存在する。光波は腐食部分５１の表面で反射され、光波受信回路１２２が反射して戻ってきた光波を受信する。往復時間測定回路１２３は、光波照射回路１２１が光波を照射してから、光波受信回路１２２が戻ってきた光波を受信するまでの往復時間ｔを測定する（Ｔ２）。往復時間の測定には、公知のパルス法やＦＭ－ＣＷ法が適用できる。

【0028】

距離算出回路１２４は、往復時間ｔ及び光速ｃから
Ｌ＝ｃｔ／２ （１）
上記（１）式に基づいて、物体誘電率測定装置１０から金属の腐食部分５１の表面までの距離Ｌを算出する（Ｔ３）。

【0029】

図３及び図４を用いて、電磁波位相測定を説明する。電磁波照射回路１１１は測定対象である物体に向けて周波数ｆの電磁波を照射する（Ｐ１）。電磁波は腐食部分５１を透過し、金属体５２の表面で反射され、電磁波受信回路１１２が反射して戻ってきた電磁波を受信する。回転位相測定回路１１３は、電磁波照射回路１１１が照射したときの電磁波の位相と電磁波受信回路が受信したときの電磁波の位相の差から回転した位相φを測定する（Ｐ２）。

【0030】

図３及び図４を用いて、厚さ算出を説明する。物体表面の異物である金属の腐食部分５１の誘電率εが既知であれば、厚さ算出回路２３は、次式
φ＝４πＬｆ／ｃ＋４π（ε）^1/2ｄｆ／ｃ （２）
より、腐食部分５１の厚さｄを算出する（Ｄ１）。

【0031】

（２）式の第１項は、周波数ｆの電磁波が物体厚さ測定装置２０と金属の腐食部分５１の表面との間を往復する間に、回転する位相量を表す。（２）式の第２項は、周波数ｆの電磁波が金属の腐食部分５１の表面と金属体５２の表面との間を往復する間に、回転する位相量を表す。

【0032】

物体表面の異物としての腐食部分の誘電率が既知であれば、物体表面の異物としての腐食部分の厚さを算出することができる。特に、電磁波の周波数ｆが１０¹¹～１０¹³であれば、電磁波の大部分が腐食部分を透過し、金属体で反射されるため、腐食部分の厚さを精度よく算出することができる。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本開示は情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0034】

１０：物体誘電率測定装置
１１：電磁波位相測定器
１１１：電磁波照射回路
１１２：電磁波受信回路
１１３：回転位相測定回路
１２：光波距離測定器
１２１：光波照射回路
１２２：光波受信回路
１２３：往復時間測定回路
１２４：距離算出回路
１３：誘電率算出回路
２０：物体厚さ測定装置
２３：厚さ算出回路
５１：金属の腐食部分
５２：金属体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】