JPS62195568A - 材料の３次元方向の誘電率測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 プζ　ｚｘ聞　を千　τｒ　］１月外々　り〒　史　／
−１）ｒ　１ナー　Ｍ　ナエ６）９　々９トゴ丁　ｍの
誘電率測定装置に関する。

口、従来の技術 誘電体の誘電率とか誘電損失は電気絶縁材料の重要な特
性であり、誘電損失はまた高周波加熱への応用もあるの
で、従来から電気工業、通信技術への応用と云う面から
種々な材料について測定が行われている。また誘電率の
異方性は学術的な興味から結晶体について測定が行われ
ている。

上述した物質の電気的特性の測定には従来から可聴周波
或は高周波を用いることが行われているが、その方法は
電極として金属を蒸着した試料でコンデンサを構成する
とか、空胴共振器の中を試料物質で埋める或は空胴共振
器の壁に試料を貼設する等の方法である。

他方、誘電率とか誘電損失、誘電正接の異方性等は電気
的利用を目的としないシートとか繊維等の一般材料でも
材質の恒常性、加工度の管理における指標として利用で
きるものである。例えばプラスチック材料において混合
する顔料、充填材その他種々な添加剤の材質、混入量の
変動は誘電率、誘電損失の変動となって現れ、またプラ
スチックの延伸率の変動が誘電率、誘電損質の異方性と
なって現れる。

従って誘電率とが誘電損失、誘電正接或はそれらの異方
性が製造現場で簡単に測定できれば、これらの量は品質
管理上の有力な指標となり得る筈である。

ところが、近年機能性材料として様々な用途への応用が
急速に展開されている材料は、正方形、長方形成は円形
などの種々の断面形状の或は糸状などの細幅形状のも゛
のとして使用される場合が多い。しかし上述の如き従来
の方法では、材料が成る程度２次元的な広りを持った形
状のものを測定する場合には、測定は可能であるが、上
述の如き線状撚糸状等の試料の測定には不可能であり、
上述したように従来は細幅形状の材料を工場内で簡便且
つ迅速に実施できる測定方法がながった。

ハ６発明が解決しようとする問題点 上述したような状況に鑑み本発明は細幅形状或は細小な
試料の３次元方向の誘電的特性を簡便且つ迅速に測定で
きる装置を提供しようとするものである。

二１問題点解決のための手段 本発明は空胴共振器の電界の腹の部分を横断するように
空胴共振器にスリットを設け、このスリットに試料を取
付けた試料ホルダを空胴共振器の軸を中心に回転可能に
挿入し、試料挿入前後の空胴共振器の共振周波数ｆ１．
ｆ２の差によって試料の誘電率を求め、同じくＱ値の差
によって誘電損失を求めるもので、試料を回転させるこ
とにより、上記３次元方向の複素誘電率の異方性を求め
るものである。

ホ０作用 従来から空胴共振器を用いて誘電率を測定することは行
われている。本発明とこの従来方法との相違の第１は従
来は空胴共振器を完全に密閉するか或は共振器の腹部に
甲常に小さい一対の円孔を設けるかしてスリットのよう
なものは設けないようにしていたのに対して、本発明で
は空胴共振器を横断するスリットを設け、試料を挿入す
るようにした所にある。このため従来は空胴共振器内に
試料を設定するのが大変面倒であり、共振器内で試料を
回転させると云うことができなかったのに対し、本発明
では試料の着脱がきわめて簡単であり、回転させること
ができるので、試料の３次元方向の異方性が容易に測定
できる。第２の相違点は従来は試料として空胴共振器の
断面を塞いで相当の厚さを有するものを用いるので試料
として大きな体積を要するとか、シート状の試料では空
胴共振器の開講部一杯の大きさで内壁面を覆うように設
定していたので、大きな面積の試料が必要であった。こ
れに対して本発明では試料は空胴共振器の断面積の一部
を占める程度の小型試料例えば細幅形状のものでよく、
空胴共振器の断面一杯の広がりを必要としないのである
。

空胴共振器内の電界の腹の所に誘電体を置くと共振周波
数が変化する。本発明はこの共振周波数のずれによって
試料の誘電率を求める。試料を入れる前の共振周波数を
ｆ１、試料入れたときの共振周波数をｆ２とすると、試
料の複素誘電率ε＝ε　−ｉε°においてε′、ε〜は
一般に下式でまたε”は試料入れる前と入れたときの空
胴共振器のＱ値をＱ１、Ｑ２．とすると で表される。上式でＡは空胴共振器の形状寸法。

振動モード及び試料の形状寸法２位置によって決まる係
数である。空胴共振器を長さｃ１断面がａ×ｂの矩形と
し、長さ方向の中央に幅ｅのスリットを周接したものと
する。振動はＴＥ　　ｅモードで電界はｙ方向と平行、
ｘ、ｚ両方向成分は０であるとして、幅がｄ、厚さｔ　
（ｄ＜ａ、ｄ＜ｂ。

ｔ＜ｅ）なる試料をスリットから第１図Ａ、Ｂに示すよ
うに挿入したとき、上式のＡは第１図Ａの場合、 第１図Ｂの場合、 振器の断面一杯になる迄適用できる。こ＼でｅは空胴共
振器内の長さ方向の波数で、実際上波数は１の状態で使
うのが便利である。またａに比しｄが充分小さい場合、
（３）式は 上２　（３）　（４）式でｓｉｎ　　の項はスリットに
よる補正項でｅ＝ｏとすると１になる。ｅはＣに比し充
分小さいので近似的には第１図への場合、 Ａ＃　□　　−一〜＜Ｃ＞ ２ズ藏 また第１図Ｂの場合 となる。上記Ａを与える式で分母のｔｄは試料の断面積
であるから、断面円形の線条試料、繊維を撚った糸条試
料、線条を平行に並べてテープ状になった試料等でも上
記各式のｔｄの所に試料断面積を入れることによって適
用できる。なお、厚さ方向の複素ｙ！誘電率計算する場
合、Ａとして次の式から計算される。

誘電損失エネルギーＷは周波数をｆ、電界強度をＥとす
れば ｗＯｃ−ｆ　Ｅ“ＥＸ であり、ε゛の効果で電力損失が生ずるので、ε”の効
果は空胴共振器のＱの低下となって現れる。

以上は特殊な場合について説明したが、一般的には、空
胴共振器内の試料挿入位置（電界の腹部）の試料がない
ときの電界をＥ、試料挿入時ので与えられる。こ＼でｆ
’ｌとｆ２はサンプル挿入前後の複素周波数であり、−
は複素誘電率である。また、分母の積分は電界強度の２
乗の空胴的全体の積分であり、矩形断面の空胴の場合、
ａｂｃＥｏ／２（但しＥＯは電界の最大振幅）であり、
分子の積分は試料内部について行う体積積分で、Ｅ−ε
゛はＥとＥｔとのスカラ積である。矩形断面の空胴共振
器について上式を変形しεを求めると、 第１図Ａの場合、試料断面形の如何にかかわりなく、Ｅ
＝Ｅ’と考えてよ（、第１図Ｂの場合、試料中のＥ′は
Ｅと平行で 試料が垂直、水平の中間の傾いている場合、Ｅ′はＥと
平行でなくなり、複雑になるが、基本的には任意の回転
角度における試料内部の電界Ｅ′を導入して（１０）式
の積分を実行すればε−ε　−１ε”が求められろ。−
はＥの方向の複素誘電率であるがら空胴内で試料を回す
ことによってεの皮方性がさらに３軸方向のε゛ε”の
異方性が分かるのである。

北の説明では空胴共振器の断面を横断する細長い試料に
ついて計算例を示したが、空胴共振器の断面内で一部を
占める任意形状例えば小さな円板とか短繊条等でも、そ
の形状について前記（１０）式の計算をしておくことで
εを求めることができる。

へ、実施例 第２図は本発明の一実施例を示す。１は矩形断面の空胴
共振器で、中央で切断されて回転可能に円板２が挿入さ
れている。円板２には同心的に空胴１の断面を内包する
大きさの円孔が穿っである。円板２には側面から溝３が
切込んであり、試料はホルダにはさんでこの溝に挿入す
る。空胴共振器１の両端は隔壁を介して夫々短い同軸導
波管変換器４，５が接続してあり、隔壁中央に小孔が穿
っである。同軸導波管変換器４．５には夫々アンテナ６
．７が挿入してあり、アンテナ６は空胴共振器を励振す
る高周波電源８に接続され、アンテナ７は検波回路９に
接続されている。高周波電源８は周波数可変である。検
波回路９の出力電圧はデータ処理回路１０に取込まれて
最大値が検出される。データ処理回路１０には高周波電
源から周波数のデータが入力され、データ処理回路は試
料挿入前と後における最大検波出力を与える周波数ｆ１
．ｆ２を読取り、さらに共振曲線の半値幅からＱｌとＱ
２を得て前記（１）　（２）式及び（６）　（７）式等
によってε′、ε″を算出する。また試位置を第１図Ａ
、Ｂの２方向にしたときのε′、ε２から異方性の度合
を算出する。

実施例１゜ 分子の無配向性が別途確かめられている厚さが０．２ｍ
ｍ５幅が５　ｍ　ｍ　、長さが１００ｍｍの未延伸のポ
リエチレンテレフタレートの細幅形状サンプルを、第２
図の如き本発明の装置を使用し、（ａ）電界方向に対し
てサンプルの長軸方向が平行となるようにサンプルを設
置した場合、（ｂ）電界方向に対してサンプルの長軸方
向が垂直となるようにサンプルを設置した場合、（Ｃ）
電界方向に対してサンプルの厚み方向が平行となるよう
にサンプルを設置した場合、（ｄ）電界方向に対してサ
ンプルの厚み方向が垂直となるようにサンプルを設置し
た夫々の場合で測定した。

得られた誘電率値ε′と誘電損失値ε−はＹ％１表のよ
うになるが、表から３次元方向の誘電率値と誘電損失値
がよ（一致し、分子の無配向性が明らかである。

第１表 誘電率ε゛　　誘電損失ε“ （ａ）　Ｅ　／／長軸方向　　２．７６４　　　２．２
８×１０（ｂ）　Ｅ上長軸方向　　２．７８０　　　２
．２５×１０（ｃ）　Ｅ　／／厚み方向　　２．７９６
　　　２．２９×１０（ｄ）　Ｅ±厚み方向　　２．７
９１　　　２．２５×１０実施例２゜ 長軸方向に一軸延伸加工後のポリエチレンテレフタレー
トの細幅形状サンプルを使用する以外は実施例１の場合
と同様にし、誘電率値ε′と誘電損失値ε“を第２表の
ように得た。

第２表に示すように、−軸延伸加工方向である長軸方向
の誘電率値は増加し、逆に誘電損失値は減少しているの
で、−軸延伸加工により実施例１の場合の分子の無配向
性が分子配向性を示すように変化したことが明らかであ
る。

第２表 誘電率（ε′）誘電損失（ε”） （ａ）　Ｅ　／長軸方向　２．９０２　　　１．６０×
１０（ｂ）　Ｅ上長軸方向　２．６７５　　　２．２Ｏ
−１０（ｃ）　Ｅ　／／厚み方向　２．８９０　　　２
．８０×１０（ｄ）　Ｅ±厚み方向　２．７１０　　　
３．２０×１０試料が短小で直接ホルダーに挟めない場
合、試料を無配向性のシートに貼着或は挟んで、そのシ
ートをホルダーに挟めばよい。

ト、効果 本発明はその原理上試料の形状の制限が少な（、細長試
料に限らず、空胴共振器の断面一杯のシート状試料或は
逆に断面内に全部が納まって断面積席の一部を占めるに
過ぎないス料でも測定可能であると共に、シート状試料
がら第３図のＳのように試料を切出して第１図Ｂのよう
にセットすると試料の厚さ方向の誘電率が求められ、シ
ート面に平行な２方向の誘電率も求められるがら、シー
ト状材料の３次元的な異方性測定が可能となる。このよ
うなことは従来予想できなかったことである。また本発
明によれば試料の着脱交換及び回転が容易なので、誘電
率及びその異方性の測定が簡単にできるので、従来でき
なかった不透明体の屈折率、複屈折等の測定の代りに誘
電率の測定から屈折率等容易に計算することができる。

また例えばプラスチックの中には結晶化度と誘電損失と
の間に良好な相関関係があるが、本発明によれば容易に
複素誘電率が求まるので、その測定によって結晶化度の
管理が可能になると云うように、生産工程での品質管理
に万力な手段を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

の縦断面図、第３図は厚さ方向の誘電率測定のための試
料の切出し方の説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 空胴共振器の電界の腹に相当する部分に空胴共振器を横
   断するスリットを設け、このスリットに回転可能に試料
   ホルダを挿入し、試料挿入前と挿入時の空胴共振器の共
   振周波数ｆ１、ｆ２及びＱ値Ｑ１、Ｑ２を測定する手段
   を備えて、材料の複素誘電率をε′−ε″、空胴共振器
   の形状寸法、振動モード及び試料の形状、方向による係
   数をＡとするとき、 ε′＝１＋Ａ［（ｆ２−ｆ１）／ｆ２］ ε″＝（Ａ／２）［（１／Ｑ２）−（１／Ｑ１）］とし
   て複素誘電率を求めるようにした材料の３次元方向の誘
   電率測定装置。