JPH10325811A

JPH10325811A - 配向測定装置

Info

Publication number: JPH10325811A
Application number: JP9260984A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagata; 紳一永田; Seiichi Miyamoto; 誠一宮本; Fumiaki Okada; 文明岡田
Original assignee: Oji Paper Co Ltd
Current assignee: New Oji Paper Co Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 1998-12-08
Anticipated expiration: 2017-09-08
Also published as: USRE40488E1; CA2284900C; JP3731314B2; EP0973025B1; DE69835146T2; WO1998044340A1; EP0973025A1; US6396288B1; EP0973025A4; CA2284900A1; DE69835146D1

Abstract

(57)【要約】【課題】シート状の試料に限らず、立体的な成型品の
ような試料においてもその誘電的異方性を測定できるよ
うにする。【解決手段】誘電体共振器２０に対し、アンテナ２２
ａ，２２ｂを配置することにより、誘電体共振器２０を
共振させ、かつ誘電体共振器２０から外部にしみだした
電界ベクトルが存在するような共振モードを作ることが
できる。試料２５に誘電的異方性があれば、試料２５又
は誘電体共振器２０を回転させることにより、誘電体共
振器２０の共振周波数が変化する。その変化から試料２
５の誘電的異方性を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィルムを含む高
分子シートや紙などのシート状のものや、プラスチッ
ク、樹脂、ゴムなどの成型品のような立体的物品も含め
て、それらの配向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】紙の繊維配向性は繊維を構成する分子の
連鎖方向に相当し、カール、ねじれ、ＮＩＰ（Non-Impa
ct Printer）用紙の傾斜などと密接に関係がある。特
に、ここ数年は繊維配向における基準も厳しくなってき
ており、数種類の測定方法が用いられている。そのよう
な測定方法としては、水拡散法、力学的破断強度法、超
音波法、マイクロ波法などがあり、また現在ではワイヤ
パートでの操作と配向性との対応もほぼ解明されつつあ
る。

【０００３】一方、高分子フィルムの場合には、フィル
ムを構成するものは繊維ではないが、分子鎖の配列の異
方性が種々の物性、例えば、光学的、電気的、機械的強
度などの異方性として把握できる。したがって、紙、高
分子フィルムなどを含めて、分子鎖の配列の異方性（分
子配向）として総括的に把握することができる。

【０００４】固体高分子においては、分子鎖が流動化し
た状態から固化する過程においてその形状ゆえに配向性
をもつのが一般的である。その配向性により力学的、熱
的、光学的または電磁気学的な物性において異方性が発
現する。その結果、例えば弾性率の異方性、熱収縮率の
異方性等が生じ、様々な品質上の問題が発生している。

【０００５】そのような異方性を測定する方法として
は、Ｘ線回折法、赤外偏光法、蛍光偏光法、複屈折法、
超音波法、マイクロ波法などが用いられている。これら
の方法のうち、Ｘ線回折法や蛍光偏光法は測定に時間と
労力がかかり、また赤外偏光法は厚い試料では測定が難
しい。複屈折法は屈折率の異方性に基づく屈折現象を利
用して光学的に異方性を測定する方法であるが、測定に
は可視光または近赤外光に対する透明性が要求されるた
め、不透明試料は測定できない。超音波法は接触式のた
め移動体試料には向かない。

【０００６】マイクロ波の共振を用いた方法は、誘電率
の異方性を利用したものであり、誘電率は屈折率とも一
定の関係がある。マイクロ波を用いた方法は、紙や高分
子フィルムを含めて光学的透明性の有無に関係なく、分
子配向測定に利用されている。

【０００７】図１はマイクロ波空洞共振器を用いた従来
の配向計の原理図を説明したものである。一端部にマイ
クロ波導入部２、他端部にマイクロ波検知部４を備え、
その両端部間が一定の電界振動方向をもつ導波管にてな
るマイクロ波共振器６となっている。共振器６には定在
波の腹部の位置で共振器６の軸線を垂直方向に横断する
方向にスリット８が設けられている。そのスリット８に
試料１０を配置し、マイクロ波導入部２からマイクロ波
を導入し、マイクロ波検知部４によりマイクロ波強度を
検出する。試料１０を共振器６の軸線の周りに回転さ
せ、各回転角度ごとの透過マイクロ波強度を検出して配
向パターンを得る。またスリット８に試料１０を配置し
たときの共振周波数と試料を配置していないときの共振
周波数とのずれ量から各回転角度位置ごとの誘電率を得
て誘電率パターンを得ることもできる。

【０００８】マイクロ波を用いて誘電率を測定する方法
として、図２に示されるように、試料１０を挾んで対向
する一対の誘電体共振器１２ａ，１２ｂを備え、一方の
誘電体共振器１２ａの側方に誘電体共振器１２ａを挾ん
で対向して配置された一対の端子１４ａ，１４ｂにより
誘電体共振器１２ａ，１２ｂに試料１０の面に平行な一
方向をもつ電界ベクトルを発生させてその共振特性から
誘電率を測定するようにしたものが提案されている（実
開平３−７０３６８号公報参照）。ここでは、端子１４
ａ，１４ｂはループ状である。そして、端子１４ａ，１
４ｂを複数対備え、その作動を切り換えることによって
試料の誘電的異方性を測定することもできるようになっ
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１又は図２に示され
た測定装置では、空洞共振器又は誘電体共振器が試料１
０を挾んでその両側に対向して配置されているため、測
定される試料１０の形状はシート状のものに限定され
る。そこで、本発明の第１の目的は、シート状の試料に
限らず、立体的な成型品のような試料においてもその誘
電的異方性を測定できるようにすることである。

【００１０】誘電的異方性を測定する際に要求される試
料内平面における電界ベクトルは、より均一である方が
望ましい。図２に示された測定装置では、端子１４ａ，
１４ｂがループ状であるが、本発明の第２の目的は、ル
ープ状の端子よりもさらに電界ベクトルの均一性を達成
できる端子形状を見つけて、誘電的異方性測定の感度を
高めることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの局面は、
試料に接近又は接触する平面を有する誘電体共振器と、
試料が存在するときの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、試料又は誘電体共振器を前記平面に平行な面内で
回転させる回転機構と、その回転機構による回転にとも
なう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ている。この局面は、
試料の特定の部分の誘電的異方性を求めるのに適する。

【００１２】本発明の他の局面は、試料に接近又は接触
する平面を備え、互いに接近して配置された複数の誘電
体共振器と、試料が存在するときの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で、互いに異
なる方向をもった電界ベクトルを各誘電体共振器に発生
させるマイクロ波用励振装置と、それらの誘電体共振器
による透過エネルギー又は反射エネルギーを検出する誘
電体共振器ごとの検出装置と、複数の誘電体共振器から
の方向の異なる電界ベクトルでの検出装置による検出出
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
置とを備えている。この局面によれば、試料も誘電体共
振器も回転する必要がなく、複数の誘電体共振器からの
出力によって、試料の誘電的異方性を求めることができ
るので、オンラインで流れる試料を連続して測定するの
に適する。

【００１３】本発明のさらに他の局面は、試料に接近又
は接触する平面を有する誘電体共振器と、試料が存在す
るときの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、及び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の組で、
誘電体共振器に対する互いに異なった位置に配置された
複数組と、マイクロ波用励振装置と検出装置の複数の組
のうちの１組を選択して順次作動させる切換え駆動装置
と、その切換え駆動装置による切換えにともなう検出装
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ている。

【００１４】この局面によれば、試料も誘電体共振器も
回転する必要がなく、切換え駆動装置によりマイクロ波
用励振装置と検出装置の組の作動を切り換えることによ
にって、試料の誘電的異方性を求めることができるの
で、この場合もオンラインで流れる試料を連続して測定
するのに適する。検出装置による検出出力の変化は、共
振周波数の変化として測定することができ、共振周波数
の変化は、周波数のシフト量自体として測定することが
できる。検出装置による検出出力の変化はまた、特定の
周波数における検出エネルギーの変化として検出するこ
ともできる。

【００１５】マイクロ波用励振装置と検出装置の端子は
ループ状又はロッド状の端子とすることができるが、誘
電体共振器を方形とした場合には、端子はループ状のも
のよりも棒状のロッド状のものの方が試料内平面におけ
る電界ベクトルの均一性が優れている。その際、そのロ
ッド状端子は、誘電体共振器の試料に接近又は接触する
平面に垂直な方向に配置するのが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】検出装置により透過エネルギーを
検出する場合は、励振装置と検出装置は誘電体共振器を
挟んで対向して配置された一対のループ状又はロッド状
の端子のそれぞれに接続される。また、検出装置により
反射エネルギーを検出する場合は、励振装置と検出装置
は誘電体共振器に接近して配置された共通の１つのルー
プ状又はロッド状の端子に接続される。誘電体共振器は
円柱状共振器又は方形共振器である。

【００１７】誘電体共振器の周囲は試料測定面を除いて
導電性材料からなるシールド材で被われているのが好ま
しい。これにより、共振カーブのＱ値を高めることがで
きる。その際、誘電体共振器の試料測定面側にも導電性
材料からなるシールド材が配置され、試料が誘電体共振
器の試料測定面と試料測定面側のシールド材との間に配
置されるようになっていることが好ましい。

【００１８】図３（Ａ）に一実施形態を概略的に示す。
誘電体共振器２０に対し、適当なマイクロ波用ループア
ンテナ（又はロッドアンテナ）２２ａ，２２ｂを誘電体
共振器２０に対して適当な位置に適当な方向で配置する
ことにより、誘電体共振器２０を共振させ、かつ誘電体
共振器２０から外部にしみだした電界ベクトルが存在す
るような共振モードを作ることができる。その共振モー
ドとしては、誘電体共振器２０が方形の場合にはＴＭモ
ードやＴＥモード、円柱形の場合にはＨＥＭモードなど
がある。電界ベクトル２４の強度は誘電体共振器２０か
ら離れるにつれてほぼ指数関数的に減少していくが、誘
電体共振器２０から僅かな距離を離して、又は誘電体共
振器２０に接触させて試料２５を置くことにより、電磁
的結合により試料の誘電率に応じて共振周波数がシフト
する。

【００１９】図３（Ａ）は誘電体共振器２０として円柱
状誘電体共振器を用い、ＨＥＭ₁₁δモードにした場合の
構成を概略的に示したものであるが、発振器２６から出
たマイクロ波はループアンテナ２２ａにより磁界を発生
し、電磁気結合により誘電体共振器２０が共振する。こ
の場合の共振周波数は誘電体共振器２０の寸法と誘電率
によって決まる。誘電体共振器２０の円柱の半径をａ、
長さをＬ、誘電率をεとすると、共振周波数ｆ（ＧＨ
ｚ）は近似的にｆ＝34(ａ／Ｌ＋３.４５)／ａ／ε^1/2 として求められる。

【００２０】図３（Ｂ）は図３（Ａ）を等価回路として
表わしたものである。試料を置かないときの共振周波数
に対し、試料２５を置いたときは試料２５の誘電率に応
じて容量Ｃｒが変化することにより、共振周波数がシフ
トする。また、試料２５の誘電率に異方性があれば、試
料２５と電界ベクトル２４の方向によっても共振周波数
がシフトする。

【００２１】図４はＨＥＭ_11δモードにおける電界分布
を示したものであり、（Ａ）は誘電体共振器２０の末端
付近の水平面での電界分布を示したものであり、（Ｂ）
はφ＝０（φは水平面における基準方向からの角度）の
経線面での電界分布を表わしたものである。

【００２２】図３に戻って説明すると、発振器２６から
出たマイクロ波はループアンテナ２２ａにより誘電体共
振器２０と磁気結合し、誘電体共振器２０は共振状態と
なることができる。誘電体共振器２０の電界ベクトルは
試料２５の面にほぼ平行な形で現われ、試料２５のもつ
双極子モーメントとの相互作用が起こる。ここで、試料
２５又は誘電体共振器２０を試料２５と誘電体共振器２
０との平行面内で回転させながら、検出器２８に現われ
るマイクロ波強度をその回転角度に対応して検出するこ
とにより、その強度の角度依存性から配向状態を求める
ことができる。コントローラ３０は発振器２６から発生
するマイクロ波の周波数を制御し、検出器２８によるマ
イクロ波強度を取り込む。３２はその検出されたマイク
ロ波強度の角度依存性から配向状態を求めるデータ処理
装置としてのコンピュータである。

【００２３】さらに、配向測定の原理を説明する。誘電
体共振器２０において、透過マイクロ波強度と周波数と
の間には図５（Ａ）に示されるような関係がある。この
共振カーブをＱカーブと呼ぶ。Ｑカーブは、試料２５が
置かれることによって、以下の関係により変化する。

【００２４】

【数１】

【００２５】その変化を示したのが図５（Ｂ）である。
試料２５が誘電体共振器２０と対向する平面内に異方性
をもつ場合、試料２５又は誘電体共振器２０をその平面
に平行な面内で回転させると、例えば図６（Ａ）のよう
に、誘電体共振器２０に対する試料２５の相対的な回転
角度位置（Ｓ）ごとにＱカーブのピーク周波数（共振周
波数）が変化する。この回転の中で、例えば最も高周波
側にシフトしたＱカーブにおいて、そのピーク周波数で
の透過マイクロ波検出強度をＩとし、高周波側での検出
強度がＩ／２となる周波数をｆ₁とする。周波数ｆ₁での
各回転角度の透過マイクロ波検出強度は、図６（Ｂ）の
断面として示されるものである。それを回転角度Ｓを横
軸にして書き直すと、図７（Ａ）に示されるようにな
る。さらにそれを極座標系に書き直すと、図７（Ｂ）の
ように楕円となり、この結果から配向角度（φ）及び配
向度（ａ／ｂ）を求めることができる。ａはその楕円の
長軸長さ、ｂは単軸長さである。

【００２６】

【実施例】図８は第１の実施例を表わしたものである。
上部が開口した真鍮製の円筒状シールドケース３５内に
低誘電率の支持台３８として発砲ポリエチレン成型品が
入れられ、その支持台３８上に円柱状の誘電体共振器２
０が底面を水平方向にして取りつけられている。誘電体
共振器２０はその上面がシールドケース３５の開口縁と
ほぼ等しい高さに設定されており、シールドケース３５
の開口部に試料が置かれる。試料をその開口部で水平面
内で回転させることによって、又は誘電体共振器２０を
水平面内で回転させることにより、試料の誘電率の配向
を測定することができる。

【００２７】誘電体共振器２０を挾んでその両側に一対
のループアンテナ２２ａ，２２ｂが配置され、それらの
ループが垂直方向に固定されている。ループアンテナ２
２ａ，２２ｂはセミリジッドケーブル３６ａ，３６ｂを
介してそれぞれのコネクタ３４ａ，３４ｂに接続され、
コネクタ３４ａ，３４ｂから発振器と検出器にそれぞれ
接続される。

【００２８】この測定装置で、試料を置かないで共振特
性を測定した例を図９に示す。横軸はマイクロ波周波
数、縦軸は透過エネルギーを表わしている。（Ａ）はマ
イクロ波周波数を１０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚま
で走査したときの透過エネルギースペクトルを表わし、
（Ａ）中に矢印で示した部分を拡大したのが（Ｂ）であ
り、共振している様子を表わしている。

【００２９】図１０（Ａ）は同実施例において、試料を
置かなかったとき（ブランク測定時）のマイクロ波周波
数５０７０.２ＭＨｚにおける共振ピークを表わしたも
のである。それに対し、図１０（Ｂ）は試料として紙を
シールドケース３５の開口部に置いた場合の共振特性を
示したものである。試料を置くことによってピーク位置
が低周波数側にシフトしていることが分かる。矢印で示
される位置に発信周波数を固定して測定すれば、試料を
置くことによって出力が低下する。そして、試料又は誘
電体共振器２０を誘電体共振器２０の平面に平行な面内
で回転させることにより、試料に異方性があれば図５か
ら図７で示したように配向を測定することができる。

【００３０】図１１（Ａ）は誘電体共振器２０による反
射エネルギーを測定するようにした実施例を表わしたも
のであり、（Ｂ）に示されるように誘電体共振器２０の
下面側にロッドアンテナ４０が配置されている。ロッド
アンテナ４０は発振器からのマイクロ波を誘電体共振器
２０に供給するとともに、誘電体共振器２０による反射
エネルギーを検出する。

【００３１】図１２は図１１の実施例における反射エネ
ルギーの測定結果を示したものであり、試料を置かなか
った場合のブランク測定の例である。（Ａ）はマイクロ
波周波数を１０００ＭＨｚから６０００ＭＨｚまで走査
したときの反射エネルギースペクトルを表わし、（Ａ）
中に矢印で示した部分を拡大したのが（Ｂ）であり、共
振している様子を表わしている。反射スペクトルの場合
は共振周波数の位置でエネルギーの吸収が起こり、
（Ｂ）に示されるような吸収ピークが得られる。

【００３２】図１３（Ａ）は図１１の実施例において、
ブランク測定での４５７５.８７５ＭＨｚに極小点をも
つピークを示している。それに対し、試料として１枚の
紙をシールドケース３５の開口部に置いた場合には、
（Ｂ）に示されるようにピークの極小位置が低周波数側
にシフトしている。この場合、仮に４５７５.８７５Ｍ
Ｈｚの周波数で測定を行なうと、試料を置くことによっ
て出力が低下することが分かる。そして、この場合も試
料又は誘電体共振器２０を誘電体共振器２０の平面に平
行な面内で回転させることにより、試料に誘電率の異方
性があれば、図５から図７で示したように配向を測定す
ることができる。

【００３３】図１４は誘電体共振器２０を回転させるよ
うにした具体的な例を示したものである。誘電体共振器
２０及びシールドケース３５がロータリージョイント４
２に取りつけられ、モータ４６により回転させられるよ
うになっている。コネクタ３４ａ，３４ｂはロータリー
ジョイント４２を介してジョイント４４により発振器と
検波器へそれぞれ接続されている。シールドケース３５
及び誘電体共振器２０の上面に接近して試料４８が配置
される。

【００３４】この場合、誘電体共振器２０とシールドケ
ース３５を回転させることにより、試料４８の面内での
各方向の透過エネルギーが測定され、その異方性から試
料４８の誘電的配向が求められる。試料４８は順次置か
れるものであってもよく、または連続して移動するもの
であってもよい。試料４８を連続して移動させればオン
ライン測定が可能となる。

【００３５】図１５は異方性を求めるための他の実施例
を概略的に示したものであり、誘電体共振器２０も試料
４８も回転させるのではなく、誘電体共振器から発生す
る電界ベクトルの方向が異なるように設置された複数個
の誘電体共振器２０ａ，２０ｂ，２０ｃを一平面内に配
置し、それらの誘電体共振器上を試料４８が移動するよ
うにしたものである。図１５では３個の誘電体共振器２
０ａ，２０ｂ，２０ｃにより互いに１２０°ずつ異なる
方向でのマイクロ波透過エネルギーが検出され、試料の
誘電的配向性が求められる。

【００３６】図１５の実施例では、誘電体共振器２０も
試料４８も回転させないので、試料の誘電的配向性を迅
速に求めることができる。誘電体共振器２０ａ，２０
ｂ，２０ｃは図１５のように試料４８の進行方向（矢印
の方向）に直交する方向に配置すれば互いに異なる部分
を測定することになるが、互いに接近して配置すること
により測定場所が異なることによる問題を抑えることが
できる。また、誘電体共振器２０ａ，２０ｂ，２０ｃを
試料４８の進行方向に沿って一列に配列し、それぞれの
誘電体共振器２０ａ，２０ｂ，２０ｃの検出のタイミン
グを試料４８の移動速度とを同期させ、同一場所を測定
するようにすることもできる。

【００３７】図１１の実施例のように反射エネルギーを
検出する場合も、図１４のように誘電体共振器を回転さ
せたり、図１５のように複数個の誘電体共振器を電界ベ
クトルの方向を異ならせて配置することができる。

【００３８】誘電体共振器として試料測定面が正方形又
は長方形である方形共振器を用いる場合は、マイクロ波
用励振装置と検出装置の端子としてループアンテナより
も直線の棒状のロッドアンテナの方が、測定する試料内
平面における電界ベクトルの方向の均一性が優れている
ことがわかった。このことを図１６から図２０により説
明する。

【００３９】図１６に方形共振器にロッドアンテナを適
用した場合の電解分布と共振周波数を示す。（Ａ）は試
料測定面が長方形の方形共振器５４を挾んで、一方の側
に励振装置のロッドアンテナ５６ａを配置し、その反対
側に検出装置のロッドアンテナ５６ｂを配置する。方形
共振器５４の底面は導電性材料のシールド材５８に接触
して配置する。ａとｂは方形共振器５４の試料測定面の
短辺と長辺の長さ、ｌは高さを表す。各寸法ａ，ｂ，ｌ
と方形共振器５４における各共振モードでの電界ベクト
ル図、及び共振周波数の計算値と実測値を、図１６
（Ｂ）の表に示す。共振周波数の単位はＧＨｚである。
実測値のあるモードでは、共振周波数の計算値と実測値
がほぼ一致しており、図示の共振モードが妥当であるこ
とを示している。

【００４０】次に、このような方形共振器を用いた場合
にループアンテナとロッドアンテナの電界ベクトルの分
布を比較して示す。図１７（Ａ）はループアンテナ６０
ａ，６０ｂを用いた場合、同図（Ｂ）はロッドアンテナ
５６ａ，５６ｂを用いた場合である。サンプル４８が配
置される面内で１点鎖線で示された方向を０度とする。

【００４１】図１８は空洞共振器と誘電体共振器でルー
プアンテナ又はロッドアンテナを用いた場合の電界分布
を比較した結果である。方形共振器の場合は、図１７に
示されたように一点鎖線の方向を０度とし、電波吸収体
を含浸させた細長い紙（５０ｍｍ×１．５ｍｍ）を方形
共振器の試料測定面上に３０度ごとに角度を変えながら
載せ、共振ピークレベルを測定した結果である。空洞共
振器の場合は、試料が配置される隙間部分に、電波吸収
体を含浸させたその細長い紙を３０度ごとに角度を変え
ながら配置した。そのときは、マイクロ波用励振装置と
検出装置の端子はロッドアンテナであるが、アンテナは
垂直方向に配置されるとすると、水平方向を０度とし
た。

【００４２】空洞共振器の場合は、（Ａ）に示されるよ
うに、電波吸収体を含浸させたその細長い紙を０度の方
向と１８０度の方向に配置した場合にのみ共振ピークが
得られている。このことから、空洞共振器では電界ベク
トル方向の均一性が優れていることがわかる。（Ｂ）は
円形誘電体共振器とループアンテナを組み合わせた場合
であり、一方向成分以外の電界ベクトルも存在すること
を示している。

【００４３】（Ｃ）は方形誘電体共振器とループアンテ
ナを組み合わせた場合であり、この場合は電界ベクトル
が各方向に向いており、均一性が劣っていることを示し
ている。（Ｄ）は方形誘電体共振器とロッドアンテナを
組み合わせた場合であり、一方向成分以外の電界ベクト
ルも存在するが、ループアンテナを用いた（Ｂ）の場合
よりも均一性のよい電界ベクトルをもっていることを示
している。

【００４４】図１９と図２０はこのような誘電体共振器
を用いて試料を測定した結果を示したものである。図１
９（Ａ）のように、方形誘電体共振器５４にループアン
テナ６０ａ，６０ｂを組み合わせた測定装置で、ガラス
繊維を試料４８として、その方向を図１９（Ｂ）と
（Ｃ）のように９０度異ならせて共振特性を測定したも
のである。その結果は、図１９（Ｄ）に示されるよう
に、周波数シフトが見られるものの、そのシフト量は約
０.６ＭＨｚと小さい。

【００４５】それに対し、図２０では、（Ａ）のように
方形誘電体共振器５４とロッドアンテナ５６ａ，５６ｂ
を組み合わせたものであり、同様にガラス繊維を試料４
８として、方向を９０度異ならせて測定した。その結果
は図２０（Ｂ）に示されるように、共振周波数シフトが
大きく、１.７ＭＨｚに及んでおり、より高感度な測定
ができることを示している。

【００４６】図２１はシールド部材を備えた実施例を示
したものであり、（Ａ）に示すように、真鍮製の円筒容
器からなるシールドケース６４内に円形の誘電体共振器
６２が収容されており、誘電体共振器６２の底面はシー
ルドケース６４と接触し、誘電体共振器６２の上面とシ
ールドケース６４の開口部が同じ高さに形成されてい
る。誘電体共振器６２の側面とシールドケース６４の内
壁面との間には励振装置のロッドアンテナ５６ａと検出
装置のロッドアンテナ５６ｂが誘電体共振器６２を挾ん
で対向する位置に配置されている。試料４８は誘電体共
振器６２の上面に接近するように配置される。また、試
料４８の誘電体共振器６２と反対側の面には真鍮製のシ
ールド部材６６が配置されている。

【００４７】シールド部材６６を配置しない場合はこの
誘電体共振器の共振周波数でのＱが９００であったの対
し、シールドケース６４の開口端から３０ｍｍの距離Ｌ
を離した位置にシールド部材６６を配置した場合にはＱ
が１７００と向上した。図２１（Ｂ）はこの実施例の誘
電体共振器６２の電界ベクトルを示したものであり、モ
ードはＨＥＭ_11δ+1である。電界は試料測定面で一方向
成分を含んでいる。

【００４８】図２２はこの実施例の誘電体共振器（シー
ルド部材６６を備えたもの）を用いて２軸性(bi axialy
oriented)のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）の
厚さが１９２μｍのシート状試料を測定した共鳴スペク
トルを示したものである。その共鳴スペクトル中の矢印
で示したピークについて、試料を面内で回転させたとき
の共振周波数の変化を図２３に示す。図２３は、試料を
置かなかったときのブランク測定時の共振周波数を基準
にして、それからの周波数変化値を回転角に対して表わ
したものである。半径方向の座標は、中心を６.５ＭＨ
ｚ、外周を７.０ＭＨｚとしている。この結果から、Ｐ
ＥＴシートが面内に誘電率異方性を備えていることを明
瞭に読み取ることができる。

【００４９】図２４は誘電体共振器も試料も回転させる
ことなく試料の誘電率異方性を測定する他の実施例を示
したものである。円形誘電体共振器６２の周囲に３対の
ロッドアンテナが配置されている。５６ａ−１，５６ａ
−２，５６ａ−３は励振装置のロッドアンテナ、５６ｂ
−１，５６ｂ−２，５６ｂ−３は検出装置のロッドアン
テナであり、ロッドアンテナ５６ａ−１と５６ｂ−１が
対をなして共振器６２を挟むように配置され、５６ａ−
２と５６ｂ−２が対をなして共振器６２を挟むように配
置され、５６ａ−３と５６ｂ−３が対をなして共振器６
２を挟むように配置されている。ロッドアンテナ５６ａ
−１により発生する電界ベクトルの方向とロッドアンテ
ナ５６ａ−２により発生する電界ベクトルの方向が６０
度をなし、ロッドアンテナ５６ａ−２により発生する電
界ベクトルの方向とロッドアンテナ５６ａ−３により発
生する電界ベクトルの方向が６０度をなすように、各ロ
ッドアンテナが配置されている。７０は励振装置の発振
器であり、発振器７０とロッドアンテナ５６ａ−１〜５
６ａ−３との接続は分配器６５により順次切り換えられ
る。７２は検出器であり、検出器７２とロッドアンテナ
５６ｂ−１〜５６ｂ−３との接続は分配器６７により順
次切り換えられる。分配器６５と６７は、切換え駆動装
置６８により各対のロッドアンテナを発振器７０と検出
器７２にそれぞれ接続させるように同期して制御され
る。

【００５０】図２４の実施例では、共振器６２の試料測
定面上に試料があるとき、作動するロッドアンテナ対を
切換え駆動装置６８により切り換えることにより、６０
度ずつ異なった３方向の共振スペクトルを測定すること
ができ、試料も共振器６２も回転させることなく、試料
面内での誘電率異方性を測定することができる。図２４
の実施例では、共振器６２の試料測定面が円形である
が、発振器と検出器の端子としてロッドアンテナを用い
る場合は、試料測定面は円形であるよりも多角形の方が
電界ベクトルの均一性がよくなる。そのため、図２４の
実施例では共振器６２の試料測定面の形状を正六角形と
することができる。

【００５１】図２５は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信
号に変換されて取り込まれたマイクロ波検出出力データ
を処理するデータ処理装置としてのコンピュータを概略
的に示したものである。８０はＣＰＵ、８１は制御部、
８２はデータ記憶メモリ、８３はＣＲＴ、液晶板などの
表示装置、８４はプリンタ、８５はキーボードその他の
入力装置である。

【００５２】制御部８１において、制御プログラム格納
部８１１は装置全体の動作を制御するプログラムの他、
マイクロ波電力の供給のプログラムその他も含んでい
る。試料制御プログラム格納部８１２は、例えば図１４
の実施例では試料又は誘電体共振器を回転させる動作を
制御したり、図２４の実施例では作動するロッドアンテ
ナ対を切り換える動作を制御するプログラムを格納して
いる。サンプリングプログラム格納部８１３は検出デー
タのサンプリングプログラムを格納しており、サンプリ
ングプログラムは検出データサンプリングのタイミング
及びＡ／Ｄ変換器１３８によるＡ／Ｄ変換のタイミング
を制御する。データ処理プログラム格納部８１４に格納
されたデータ処理プログラムは、サンプリングされ、こ
のデータ処理装置に導入された測定データ（透過又は反
射マイクロ波強度検出データとこれに対応する測定マイ
クロ波周波数、使用番号、試料の回転角度などのデータ
を含む）の記憶、演算処理その他の処理を制御し、その
測定データからの配向パターンの形成、配向方向、配向
度の演算導出を行なう。

【００５３】出力プログラム格納部８１５に格納された
出力プログラムは、配向パターン、配向方向、配向度な
どを随時選択して表示装置８３又はプリンタ８４に出力
する動作を制御する。

【００５４】データ記憶メモリ８２は、このデータ処理
装置に導入された測定データを一時格納するための入力
バッファメモリ領域８２１、これらのデータから配向方
向、配向度、配向パターンその他を算出した処理データ
を格納する処理データ領域８２２、データ処理のための
基礎データの格納領域８２３、表示又は印字するデータ
を随時格納したり更新する出力バッファメモリ領域８２
４などを備えている。

【００５５】試料又は誘電体共振器の回転角度を検出す
るためにロータリーエンコーダ５３が設けられている。
５２は周波数カウンターであり、例えばマイクロ波発振
器に設けられる。ロータリーエンコーダ５３による試料
の回転角度信号及び周波数カウンター５２による測定周
波数信号は、Ａ／Ｄ変換器による試料透過又は反射マイ
クロ波強度検出データと対応してこのデータ処理装置に
導入される。

【００５６】

【発明の効果】本発明は、試料に接近もしくは接触する
平面を有する誘電体共振器を備え、試料が存在するとき
の誘電体共振器の共振周波数近傍の周波数で、かつその
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ながら、試料も
しくは誘電体共振器をその平面内で回転させるか、電界
ベクトルの方向を変化させたり、又は試料に接近もしく
は接触する平面を有し互いに接近して配置された複数の
誘電体共振器を備えて、試料が存在するときの誘電体共
振器の共振周波数近傍の周波数で、かつその平面に平行
な試料内平面において一方向成分をもつ電界ベクトル
で、互いに異なる方向をもった電界ベクトルを各誘電体
共振器に発生させるようにする。そして、試料もしくは
誘電体共振器の回転又は電界ベクトルの変化にともなう
共振エネルギーの検出値の変化、又は電界ベクトルの方
向の異なる複数の誘電体共振器からの共振エネルギーの
検出値から、試料の誘電的異方性を求めるようにしたの
で、試料の形状がシート状のものである場合に限らず、
立体的な成型品のような試料においてもその誘電的異方
性を測定できるようになる。誘電体共振器を回転させる
か、電界ベクトルの方向を変化させるか、又は電界ベク
トルの方向の異なる複数の誘電体共振器を配置すること
により、移動する試料を連続して測定できるようにな
り、生産現場におけるオンライン測定に適用することが
できるようになる。また、試料が配置される部分を除い
て誘電体共振器を導電性のシールド部材で被うようにす
れば、共振スペクトルのＱが上がり、Ｓ／Ｎ比のよい測
定ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロ波空洞共振器を用いた従来の配向測定
装置を示す概略斜視図である。

【図２】誘電体共振器を用いた従来の配向測定装置を示
す断面図である。

【図３】（Ａ）は本発明の原理を説明する一実施形態の
概略斜視図、（Ｂ）はその等価回路図である。

【図４】誘電体共振器でのＨＥＭ₁₁δモードにおける電
界分布を示したものであり、（Ａ）は誘電体共振器の末
端付近の水平面での電界分布、（Ｂ）はφ＝０の経線面
での電界分布である。

【図５】（Ａ）は誘電体共振器における透過マイクロ波
強度と周波数との関係を示すＱカーブの図であり、
（Ｂ）は誘電率変化に伴なう共振周波数シフトを示す図
である。

【図６】（Ａ）は試料又は誘電体共振器を回転させたと
きのＱカーブの変化を示す図であり、（Ｂ）は特定の周
波数での断面を示す図である。

【図７】（Ａ）は図６（Ｂ）の断面を回転角度Ｓを横軸
にして書き直した図であり、（Ｂ）はさらにそれを極座
標系に書き直した図である。

【図８】第１の実施例を表わす斜視図である。

【図９】（Ａ）は同実施例の測定装置で試料を置かなか
ったときの透過エネルギースペクトルを示す図、（Ｂ）
は（Ａ）中に矢印で示した部分を拡大した図である。

【図１０】同実施例における５０７０.２ＭＨｚ付近の
共振ピークを示す図であり、（Ａ）は試料を置かなかっ
たブランク測定時、（Ｂ）は試料として紙を置いた場合
である。

【図１１】（Ａ）は誘電体共振器による反射エネルギー
を測定する実施例を示す斜視図であり、（Ｂ）はそこで
の誘電体共振器とロッドアンテナを示す正面図である。

【図１２】（Ａ）は図１１の実施例におけるブランク測
定時の反射エネルギースペクトルを示す図、（Ｂ）はそ
の矢印で示したピークを示す図である。

【図１３】図１１の実施例における４５７５.８７５Ｍ
Ｈｚ付近のピークを示す図であり、（Ａ）はブランク測
定時、（Ｂ）は試料として紙を置いたとき場合である。

【図１４】誘電体共振器を回転させるようにした実施例
を示す正面断面図である。

【図１５】発生する電界ベクトルの方向が異なるように
設置された複数個の誘電体共振器をもつ実施例を示す概
略斜視図である。

【図１６】（Ａ）は方形共振器とロッドアンテナを組み
合わせた実施例を示す概略斜視図、（Ｂ）はその実施例
における共振モードと共振周波数を示す図表である。

【図１７】（Ａ）は方形共振器とループアンテナを組み
合わせた実施例を示す概略斜視図、（Ｂ）は方形共振器
とロッドアンテナを組み合わせた実施例を示す概略斜視
図である。

【図１８】（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ空洞共振器と誘電
体共振器でループアンテナ又はロッドアンテナを用いた
場合の電界分布を示す図である。

【図１９】（Ａ）は方形共振器にループアンテナを組み
合わせた測定装置を示す概略斜視図、（Ｂ），（Ｃ）は
試料の方向を９０度異ならせて測定する状態を示す平面
図、（Ｄ）は試料の方向による共振スペクトルの変化を
示す図である。

【図２０】（Ａ）は方形共振器にロッドアンテナを組み
合わせた測定装置を示す概略斜視図、（Ｂ）は試料の方
向による共振スペクトルの変化を示す図である。

【図２１】（Ａ）はシールド部材を備えた実施例を示す
概略斜視図、（Ｂ）はこの実施例の誘電体共振器の電界
ベクトルを示す概略斜視図である。

【図２２】図２１の実施例によりＰＥＴ試料を測定した
共鳴スペクトルを示す図である。

【図２３】図２１の実施例で試料を面内で回転させたと
きの共振周波数の変化を示す図である。

【図２４】誘電体共振器も試料も回転させることなく試
料の誘電率異方性を測定する他の実施例を示す概略構成
図である。

【図２５】データ処理装置としてのコンピュータを概略
的に示すブロック図である。

【符号の説明】

２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，５４，６２誘電
体共振器２２ａ，２２ｂ，４０，５６ａ，５６ｂ，６０ａ，６０
ｂ，５６ａ−１〜５６ａ−３，５６ｂ−１〜５６ｂ−３
アンテナ２４電界ベクトル２５，４８試料２６，７０発振器２８，７２検出器３０コントローラ３２コンピュータ４２ロータリージョイント４８試料６４，６６シールド部材６５，６７分配器６８切換え駆動装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に接近又は接触する平面を有する誘
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、前記試料又は前記誘電体共振器を前記平面に平行な面内
で回転させる回転機構と、前記回転機構による回転にともなう前記検出装置の検出
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配向測定装置。
【請求項２】試料に接近又は接触する平面を備え、互
いに接近して配置された複数の誘電体共振器と、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で、互いに異なる方向
をもった電界ベクトルを各誘電体共振器に発生させるマ
イクロ波用励振装置と、それら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誘電体共振器ごとの検出装置と、前記複数の誘電体共振器からの方向の異なる電界ベクト
ルでの前記検出装置による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
特徴とする配向測定装置。
【請求項３】試料に接近又は接触する平面を有する誘
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、及びその誘電体共振
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
検出装置の組で、前記誘電体共振器に対する互いに異な
った位置に配置された複数組と、マイクロ波用励振装置と検出装置の前記複数の組のうち
の１組を選択して順次作動させる切換え駆動装置と、前記切換え駆動装置による切換えにともなう前記検出装
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配向測定装
置。
【請求項４】前記検出出力の変化として共振周波数の
変化を用いる請求項１から３のいずれかに記載の配向測
定装置。
【請求項５】前記検出出力の変化として特定周波数に
おける検出エネルギーの変化を用いる請求項１から３の
いずれかに記載の配向測定装置。
【請求項６】前記励振装置と前記検出装置は誘電体共
振器を挟んで対向して配置された端子対を備え、前記検
出装置により透過エネルギーを検出する請求項１から５
のいずれかに記載の配向測定装置。
【請求項７】前記励振装置と前記検出装置は誘電体共
振器に接近して配置された共通の端子を備え、前記検出
装置により反射エネルギーを検出する請求項１から５の
いずれかに記載の配向測定装置。
【請求項８】前記誘電体共振器は円柱状共振器である
請求項１から７のいずれかに記載の配向測定装置。
【請求項９】前記誘電体共振器は方形共振器である請
求項１から７のいずれかに記載の配向測定装置。
【請求項１０】前記励振装置と前記検出装置の端子
は、前記誘電体共振器の試料に接近又は接触する平面に
垂直な方向に配置されてた棒状のロッドアンテナである
請求項１から９のいずれかに記載の配向測定装置。
【請求項１１】前記誘電体共振器の周囲は試料測定面
を除いて導電性材料からなるシールド材で被われている
請求項１から１０いずれかに記載の配向測定装置。
【請求項１２】前記誘電体共振器の試料測定面側にも
導電性材料からなるシールド材が配置され、試料は誘電
体共振器の試料測定面と試料測定面側の前記シールド材
との間に配置される請求項１１に記載の配向測定装置。