誘電率および／または透磁率を測定する方法および装置
【課題】 反射測定のみで、非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を、その透磁率が１でない場合でも測定することができる方法を提供する。
【解決手段】 この方法は、ａ）アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）と、ｂ）試料と、誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも一本の導電性の芯線を有している第２の導波管の、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を形成されている一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）と、ｃ）アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率および／または透磁率を計算するステップ（１００）とを含んでいる。
【解決手段】 この方法は、ａ）アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）と、ｂ）試料と、誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも一本の導電性の芯線を有している第２の導波管の、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を形成されている一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）と、ｃ）アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率および／または透磁率を計算するステップ（１００）とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非導電材料の試料の誘電率、および／または透磁率を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
本明細書においては、特記しない限り、用語「誘電率」は比誘電率を、また用語「透磁率」は比透磁率を意味している。
【背景技術】
【０００３】
非導電材料の試料の誘電率を測定するための、次のステップを含む方法がある。
ａ）非導電材料の試料と、第１の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ。この一端部には、電磁波が伝播する、誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の芯線が存在している。
【０００４】
このような方法は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
この特許文献１においては、ある材料の試料の導電率が１０-2Ｓ・ｍ-1未満、好ましくは１０-3Ｓ・ｍ-1未満である場合、その試料は、非導電性であるとみなされる。
【０００６】
このような従来技術による方法は、誘電率を測定される試料からの磁気波の反射のみしか用いないので、「反射状態における電磁解析」の方法として知られている。
【０００７】
このような反射を用いる測定には、多くの利点がある。このような測定によって、例えば次のことが可能になる。
− 液体、固体、軟質材料（粉末、弾性材料など）のいずれでも、測定を行うことができる。
− 固体試料に、平面形状以外の特定の形状とするための機械加工を施す必要がないため、非破壊測定を行うことができる。
− 広い周波数範囲（例えば０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚ）において、材料を解析することができる。
【０００８】
しかしながら、このような従来技術による方法は、透磁率が１ではない試料に対しては、実施不可能であるという欠点を有する。したがって、このような従来技術による方法では、例えばフェライトの誘電率を測定することはできない。
【０００９】
さらに、このような従来技術では、誘電率しか測定することができず、透磁率を測定することはできない。
【００１０】
これらの欠点を克服するために、誘電率と透磁率との両方を測定する方法が開発されている。これらの方法においては、試料からの電磁波の反射に加えて、試料内の電磁波の透過が用いられる。反射および透過を用いる、このような測定方法の１つが、特許文献２に記載されている。
【００１１】
反射および透過を用いる、このような測定方法においては、試料を、電磁波用の導波管内に収容することができるように作り上げるか、または機械加工する必要がある。これは欠点である。
【００１２】
この欠点を克服するために、特許文献３には、試料の同じ面上に、並べて配置した２つの導波管を用いることが提案されている。電磁波は、第１の導波管内に送り込まれる。電磁波の一部分は、試料と第１の導波管との界面で、試料から反射され、残りの部分は、試料中を伝播して、第２の導波管に達する。反射された電磁波、および透過した電磁波から、誘電率または透磁率が測定される。しかしながら、測定の一部が、透過測定であるという事実によって、大きな制約が課される。例えば２つの導波管の間の距離が、正確に知られていなければならない。さらに、この手法では、常に、２つの導波管の併用を余儀なくされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】フランス国特許公開第２６５１５８０号公報
【特許文献２】米国特許公開第２００７−０９０８４６号公報
【特許文献３】米国特許公開第２００８−１９１７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、これらの欠点の少なくとも１つを克服することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するために、本発明は、非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定するための、次のステップを含む方法を提供するものである。
ｂ）非導電材料の試料と、電磁波が伝播する誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップであって、界面で反射される電磁波の位相および／または振幅が、第２の導波管の上述の一端部で、芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、第２の導波管における上述の界面を形成する一端部に、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路が設けられているステップと、
ｃ）アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率、および／または透磁率を計算するステップ。
【００１６】
この方法は、透磁率が１である試料だけではなく、透磁率が１でない試料の誘電率の測定にも用いることができる。例えばフェライトの透磁率を、この方法によって測定することができる。
【００１７】
この方法によると、さらに、試料からの電磁波の反射のみによって、その試料の透磁率と誘電率との両方を測定することができる。
【００１８】
いかなる透過測定も用いることなく、これらの結果が得られる。より詳細には、試料から反射される電磁波の位相、および／または振幅を変更するための、以下において、「部分的な」短絡路と呼ばれる短絡路の使用は、通常用いられる、透過測定を行う方法の代替になるので有利である。したがって、透過測定の実行に伴う種々の問題が回避される。このような部分的な短絡路は、較正段階において用いられる公知の短絡路と区別することができる。公知の短絡路は、導波管の特性の測定のために用いられる。このような公知の短絡路は、試料の特性の測定のためには用いられない。本発明の短絡路とは対照的に、このような公知の短絡路は、導波管の特性のみが特定されるように、試料から導波管を分離するために用いられる。
【００１９】
最後に、本発明の方法は、さらに、反射測定と透過測定との両方を用いる方法に対して、反射測定のみを用いる方法が有する利点を全て有する。
【００２０】
この方法の実施形態においては、次の特徴の１つ以上を備えている場合がある。
・ ステップａ）とステップｂ）との間に、芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、芯線と鎧装とが電気的に短絡されている第２の導波管に切り替えるために、芯線と鎧装との間に電気的に接続されているスイッチのスイッチングを行うステップを含んでいる。
・ アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップと、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップとは、同一の周波数の電磁波を用いて遂行される。
【００２１】
本発明の方法のこれらの実施形態は、次の長所を有している。
− 第１の導波管から第２の導波管への切り替え、またはその逆の切り替えを行うための、スイッチのスイッチングにより、アドミタンスＹtestcoの測定から、アドミタンスＹtestccの測定への変化、またはその逆の変化を、迅速に行うことができる。
【００２２】
本発明は、さらに、電子的なコンピュータによって実行されたときに、上述の方法を遂行する命令を記憶している情報記録媒体を提供するものである。
【００２３】
本発明によると、さらに、非導電材料の試料の誘電率、および／または透磁率を測定するための、次のものを備えている装置が提供される。
− 非導電材料の試料と、電磁波の導波手段の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスを表わす変数を測定する測定器。
− アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部、測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも一本の導電性の芯線を有している第１の導波管。
− アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部、測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管であって、試料との界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅が、第２の導波管の第１の端部で、芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅と異なるように、上述の界面を形成する第１の端部に、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を設けられている第２の導波管。
− アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率、および／または透磁率を計算することができるコンピュータ。
【００２４】
この装置のいくつかの実施形態は、次の特徴の１つ以上を備えている場合がある。
・ 第１の導波管と第２の導波管との芯線、鎧装、および誘電材料は、両者に共通であり、芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、芯線と鎧装とが短絡されている第２の導波管への切り替えを行うために、芯線と鎧装との間に、スイッチが電気的に接続されている。
・ 第２の導波管の第１の端部は、芯線と鎧装とを短絡させ、かつ試料との界面で反射された電磁波が伝播する誘電材料の端面の一部分だけを覆うように、芯線から鎧装まで延在している金属プレートを有している。
・ 第２の導波管は、金属プレートを有しているという点を除いて、第１の導波管と同じである。
・ 第１および第２の導波管の鎧装は、それぞれ第１および第２の導波管の芯線を完全に囲んでいる。
【００２５】
これらの実施形態は、さらに、次の長所を有している。
− 第１の導波管と第２の導波管とを、ほとんど同一にすることによって、それらの導波管に対する動作周波数範囲も、ほとんど同一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】図１の装置における導波管の一端部の斜視図である。
【図３】図２の一端部の開路状態を、対応する電気モデルとともに示す図である。
【図４】図２の一端部の部分的な短絡状態を、対応する電気モデルとともに示す図である。
【図５】図１の装置によって、非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する方法のフローチャートである。
【図６】非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する装置の別の一実施形態のブロック図である。
【図７】図６の装置の導波管の一端部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付図面を参照して、単に非限定的な例として示す以下の説明を読むことによって、本発明を、より明瞭に理解することができると思う。
【００２８】
添付図面において、同一の要素には、同一の符号を付してある。
【００２９】
以下の説明において、当業者に周知の特性および機能については、詳述しない。
【００３０】
図１は、非導電材料から成る試料４の誘電率、および透磁率を測定する測定装置２を示している。一例として、試料４は、透磁率が１ではない非導電材料から成る試料である。試料４は、例えばフェライトである。試料４は、１つの物体の一部分である場合もあるし、全体である場合もある。
【００３１】
測定装置２は、試料４と、電磁波用の導波管１０の一端部を形成しているプローブ８との間の界面におけるアドミタンスを測定するための測定器６を備えている。アドミッタンス（Ｙで表わす）は、インピーダンスの逆数である。
【００３２】
導波管１０の他端部は、測定器６に電気的に接続されている。
【００３３】
測定器６は、電磁波を発生させることができ、この電磁波は、導波管１０によって、試料４の平面１２まで導かれる。これを可能にするために、プローブ８は、平面１２に直接押し当てられる。測定器６は、試料４と導波管１０との界面で反射された電磁波の振幅および位相を測定する。
【００３４】
測定器６は、例えばベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）である。このようなアナライザは公知であるので、本明細書においては、これ以上詳述しない。
【００３５】
一例として、測定器６は、測定器６によって測定されたアドミタンスの値から、試料４の誘電率および透磁率を計算することができる電子的なコンピュータ２０に接続されている。コンピュータ２０は、例えば情報記録媒体に記録されている命令を実行することができる、プログラム可能なコンピュータである。この実行を可能にするために、コンピュータ２０は、図５の方法を実行するために必要な命令を記憶しているメモリ２２に接続されている。
【００３６】
導波管１０は、中心部の導電性の芯線１６、および芯線１６を囲んで延在している導電性の鎧装１４を備えている。鎧装１４および芯線１６は、例えば金属から成っている。鎧装１４と芯線１６とは、誘電材料によって互いに分離されており、この誘電材料内をガイドされて、電磁波が伝播する。導波管１０は、例えば同軸ケーブルである。
【００３７】
コンピュータ２０は、さらに、誘電率および透磁率の測定値をユーザに伝達するためのマン−マシンインターフェイス２４に接続されている。マン−マシンインターフェイス２４は、本明細書においては、一例として、スクリーン２６およびキーボード２８によって構成されている。
【００３８】
図２は、プローブ８を、より詳細に示している。
【００３９】
プローブ８は、試料４の平面１２に直接押し当てられるように作られているフランジ３０を有している。このフランジ３０は、鎧装１４を囲んでいる。
【００４０】
鎧装１４と芯線１６との間には、鎧装１４から芯線１６を電気的に絶縁する誘電材料３２が収容されている。実質的にフランジ３０の平面上で、制御可能なスイッチ３４によって、芯線１６は、鎧装１４に電気的に接続されている。スイッチ３４は、その閉位置において、芯線１６と鎧装１４とを短絡させる。対照的に、スイッチ３４の開位置において、芯線１６と鎧装１４とは、電気的に互いに絶縁されている。このスイッチ３４のサイズ・形状、およびスイッチ３４の両端の各々を、それぞれ芯線１６および鎧装１４に接続させている導電体３６および３８の寸法と形状は、スイッチ３４の閉位置において、電磁波の一部が、若干でも試料４から反射されるように選択される。したがって、スイッチ３４が閉じられたときに、この短絡によって、誘電材料３２の端面の一部分しか覆われない。この短絡によって、平面１２から反射される電磁波の位相は、スイッチ３４が開位置にある場合に比して変更される。したがって、スイッチ３４の閉位置において、この短絡は部分的な短絡である。さらに、スイッチ３４、および導電体３６および３８の寸法と形状を、スイッチ３４の閉位置において、平面１２で反射される電磁波の振幅が、スイッチ３４が開位置にある場合に比して変更されるように選択することができる。平面１２で反射される電磁波の位相、および／または振幅をこのように変更すると、例えばスイッチ３４が開位置にあるときに得られる位相、および／または振幅よりも、少なくとも１％または１０％を超える。
【００４１】
スイッチ３４、および導電体３６および３８の寸法および形状は、スイッチ３４の閉位置において生じる短絡が、スイッチ３４が開位置にある状態に比して、１８０°の位相シフトをもたらすことができる電磁的短絡に相当するように選択することが好ましい。
【００４２】
スイッチ３４に対して、多くの実施例が可能である。例えば次のものによって、スイッチ３４を形成することができる。
− ダイオード、トランジスタ、またはサイリスタなどの半導体素子。
− マイクロマシンシステム（ＭＥＭＳ）。または
− オプトエレクトロニクス素子（フォトトランジスタ）。
【００４３】
例えば図２においては、スイッチ３４はダイオードからできている。
【００４４】
測定装置２は、さらに、スイッチ３４を制御するための制御ユニット３６を備えている。この制御ユニット３６は、開位置と閉位置との間の、スイッチ３４のスイッチングを制御することができる。開位置と閉位置との間のスイッチングは、例えばユーザによって手動で行われる。
【００４５】
スイッチ３４がダイオードである場合には、制御ユニット３６は、例えば鎧装１４と芯線１６との間に接続されている直流電圧源３８を備えている。この直流電圧源３８は、切り替えスイッチ４０に直列に接続されている。切り替えスイッチ４０が閉位置にあるとき、直流電圧が、芯線１６と鎧装１４との間に印加される。この直流電圧は、ダイオードであるスイッチ３４をオン状態にすることができるように選ばれる。切り替えスイッチ４０が開位置にあるとき、鎧装１４と芯線１６との間には、直流電圧は印加されない。したがって、スイッチ３４は開位置にあり、電流を通過させない。
【００４６】
スイッチ３４が閉位置にあるとき、芯線１６から鎧装１４までの高導電性によって、動作周波数の交流電流が伝播することができる。対照的に、スイッチ３４が開位置にあるとき、芯線１６から鎧装１４までの低導電性によって、動作周波数の交流電流は伝播することができない。
【００４７】
切り替えスイッチ４０は、ユーザによって、手動で、開位置と閉位置との間でスイッチングされる。切り替えスイッチ４０は、例えば押しボタンである。
【００４８】
図３は、スイッチ３４が開位置にあるときの、プローブ８の略断面図である。この状態のときに、プローブ８は、開路状態にあると言われる。この開路状態において、一端部のプローブ８と試料４との間の界面は、電気モデル４４でモデル化することができる。電気モデル４４は、互いに直列に接続されたキャパシタ４８およびインダクタ４６を有している。さらに、キャパシタ５０が、キャパシタ４８の両端子に並列に接続されている。インダクタ４６のインダクタンスμＬ0coの値は、試料４の透磁率μに比例する。キャパシタ４８の静電容量Ｃfcoは、試料４の誘電率および透磁率に依存しない。キャパシタ５０の静電容量εＣ0coは、試料４の誘電率に比例する。
【００４９】
図４は、スイッチ３４が閉位置にあるときの、プローブ８の略断面図である。この状態のときに、プローブ８は、短絡状態にあると言われる。この図４において、芯線１４と鎧装１６との間の短絡路は、太線５２によって示されている。
【００５０】
短絡状態のプローブは、電気モデル５４でモデル化される。電気モデル５４は、例えば連続的に並列に接続されている、１つのインダクタ５６および３つのキャパシタ５８〜６０を有している。インダクタ５６のインダクタンスμＬ0ccは、試料４の透磁率μに比例する。キャパシタ５８の静電容量Ｃfccは、試料４の誘電率および透磁率に依存しない。キャパシタ５９および６０のそれぞれの静電容量εＣ0ccおよびε2Ｃ1ccは、試料４の誘電率εの関数である。
【００５１】
電気モデル４４から、開路状態において測定器６によって測定されるアドミタンスＹCOを算出することができる。この算出値は、次の関係式（数１）によって与えられる。
【数１】
【００５２】
上述の関係式において、
− ωは、角周波数（ω＝２πｆ：ｆはＨｚを単位とする周波数である）、
− ｊは、ｊ2＝−１で定義される虚数単位、
− Ｌ0co、Ｃfco、Ｃ0coは、試料４の誘電率εおよび透磁率μに依存しない値を有する、電気モデル４４のパラメータである。
【００５３】
同様に、電気モデル５４から、短絡状態において測定器６によって測定されるアドミタンスＹCCを算出することができる。この算出値は、次の関係式（数２）によって与えられる。
【数２】
【００５４】
上述の関係式において、
− Ｌ0cc、Ｃfcc、Ｃ0cc、Ｃ1ccは、試料４の誘電率εおよび透磁率μに依存しない値を有する、電気モデル５４のパラメータである。
【００５５】
次に、測定装置２の動作を、図５を参照しながら説明する。
【００５６】
この方法は、測定装置２を較正するための段階７０で開始される。この段階７０の開始時に、最初に、ステップ７２において、測定器６が較正される。このステップ７２は、通常行われるステップであるので、これ以上詳述しない。
【００５７】
次に、ステップ７４において、開路状態におけるプローブ８の較正が実行される。このステップ７４は、パラメータＣfco、Ｃ0co、Ｌ0coの値の特定を目的としている。このステップ７４において、本発明では、標準試料を用いる。これらの標準試料の誘電率および透磁率は、前もって知られている。ステップ7４において、例えば脱イオン水、テフロン（登録商標）、空気、誘電率および透磁率が５である磁性誘電体によって形成されているグループから選ばれた３つの標準試料を用いる。
【００５８】
より詳細には、操作７６において、試料４ではなく、第１の標準試料を配置する。言い換えると、プローブ８は、この第１の標準試料の平面に押し当てられる。次に、このような条件の下で、第１の標準試料のアドミタンスＹref1coの値を、測定器６によって測定する。次いで、操作７６を、第２および第３の標準試料に対して繰り返し、それぞれのアドミタンスＹref2coおよびＹref3coの値を測定する。
【００５９】
その後、操作７８において、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹref1co、Ｙref2co、Ｙref3coの値、および第１、第２、第３の標準試料のそれぞれの誘電率の既知値εref1、εref2、εref3、および透磁率の既知値μref1、μref2、μref3から、パラメータＣ0co、Ｃfco、Ｌ0coの値をそれぞれ特定する。この特定を行うために、例えば次の連立方程式（数３）を解く。
【数３】
【００６０】
パラメータＣ0c0、Ｃfco、Ｌ0coの値は、電磁波の動作周波数、したがってアドミタンスの測定のために用いられる、芯線１６を流れる励磁電流の周波数に依存する。したがって、利用可能な動作周波数範囲に均一に分布した多数の動作周波数において、操作７６および７８を繰り返すことが好ましい。利用可能な動作周波数範囲は、例えば０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚにわたっている。動作周波数範囲は、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであることが好ましい。
【００６１】
ステップ７４が完了すると、短絡状態においてプローブ８を較正するために、ステップ８０を実行する。この実行のために、操作８２において、スイッチ３４を閉位置にスイッチングし、４つの標準試料のアドミタンスを、測定装置２によって測定する。上述と同様に、これらの４つの標準試料のそれぞれの誘電率、および透磁率の既知値は、εref1、εref2、εref3、εref4と表わされ、透磁率の既知値は、μref1、μref2、μref3、μref4と表わされる。これらの標準試料は、例えばステップ７４において説明したグループと同じグループから選ばれる。
【００６２】
操作８２において、これらの標準試料の各々のアドミタンスＹref1、Ｙref2、Ｙref3、Ｙref4の値を、測定器６によって測定する。
【００６３】
次に、操作８４において、パラメータＣfcc、Ｃ0cc、Ｃ1cc、Ｌ0ccの値を、測定されたアドミタンスＹref1、Ｙref2、Ｙref3、Ｙref4の値、および４つの標準試料の透磁率および誘電率の既知値から計算する。操作８４において、例えば次の連立方程式（数４）を解く。
【数４】
【００６４】
操作８２および８４を、動作周波数範囲に均一に分布したいくつかの動作周波数において繰り返す。ステップ７４において用いられた動作周波数と同じ動作周波数を、ステップ８０において用いることが好ましい。
【００６５】
測定装置２の較正が完了すると、段階７０は終了し、試料４の誘電率および透磁率を測定する段階９０を開始することができる。
【００６６】
段階９０の開始時に、ステップ９２において、プローブ８は、誘電率εtestおよび透磁率μtestを測定される試料４の平面１２に押し当てられる。
【００６７】
次に、ステップ９４において、スイッチ３０は、開位置にスイッチングされ、そのときのアドミタンスＹtestcoが、測定器６によって測定される。アドミタンスＹtestcoのいくつかの測定値を得るために、ステップ７４で用いられた動作周波数と同じ動作周波数で、ステップ９４を繰り返すことが好ましい。
【００６８】
次いで、ステップ９６において、スイッチ３４は、閉位置にスイッチングされる。
【００６９】
その後、ステップ９８において、アドミタンスＹtestccが、用いられた各動作周波数で、測定器６によって測定される。
【００７０】
ステップ１００において、コンピュータ２０は、ステップ９４および９８において用いられた動作周波数の各々における誘電率εtestおよび透磁率μtestを計算する。透磁率εtestおよび透磁率μtestは、同一動作周波数で測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から得られる。誘電率εtestおよび透磁率μtestは、例えば次の連立方程式（数５）を解くことによって計算される。
【数５】
上述の連立方程式において、
− Ｃfco、Ｃ0co、Ｌ0co、Ｌ0cc、Ｃfcc、Ｃ0cc、Ｃ1ccは、段階７０において測定されたパラメータの値、または段階７０中になされた測定に基づいて内挿されたパラメータの値であり、
− ＹtestcoおよびＹtestccは、その測定における動作周波数と同じ動作周波数における開路状態および短絡状態で測定されたアドミタンス値である。
【００７１】
上述の連立方程式は、解析的に解くことができる。しかしながら、この連立方程式からは、３組の解が得られる。正しい解を選択するために、１に最も近い誘電率を有する解が選択される。この選択のために、この連立方程式を、例えば初期状態において透磁率μtestの値が１に等しいとし、ニュートン法を用いて解くことができる。
【００７２】
ステップ１００において、誘電率εtestおよび透磁率μtestが計算されると、ステップ１０２において、それらの値は、マンマシンインターフェイスを介してユーザに提示されるか、またはファイルに記録される。
【００７３】
図６は、試料４の誘電率および透磁率を測定する測定装置の別の一実施形態を示している。この測定装置１１０は、図１の導波管１０が、２つの導波管１１２および１１４に置き換えられているという点を除いて、測定装置２と同じである。導波管１１２および１１４は、アドミタンスの測定がなされるときに、平面１２に直接押し当てられる端部１１６および１１８を、それぞれ有している。端部１１６は、開路状態のプローブを形成している。すなわち、端部１１６は、スイッチ３４、導電体３６および３８、および制御ユニット３６が省かれているという点を除いて、プローブ８と同じである。したがって、プローブを形成している端部１１６は、開路状態しか呈しない。
【００７４】
対照的に、端部１１８は、部分的な短絡状態しか呈しないプローブを形成している。プローブを形成しているこの端部１１８が、図７に、より詳細に示されている。すなわち、プローブを形成しているこの端部１１８は、スイッチ３４、導電体３６および３８が、芯線１６から鎧装１４まで延在している、薄い金属プレート１２０に置き換えられているという点を除いて、プローブ８と同じである。この金属プレート１２０は、平面１２によって反射される電磁波の位相、および／または振幅を、金属プレート１２０が省かれている場合に比して変更させるのに十分な寸法と形状を有している。位相および／または振幅のこの変更は、例えば金属プレート１２０が省かれている場合に得られる位相および／または振幅の少なくとも１％または１０％を超過している。例えば金属プレート１２０の幅は、芯線１６の直径と等しい。
【００７５】
各導波管１１２および１１４の他端部には、コネクタ１２２および１２４が、それぞれ取り付けられている。これらのコネクタ１２２および１２４は、測定器６への／からの導波管１１２および１１４の連結／切り離しを可能にする。
【００７６】
測定装置１１０の動作は、開路状態のプローブから短絡状態のプローブへの移行のために、導波管１１２から導波管１１４への切り替えが必要である、またはその逆の移行のために、逆の切り替えが必要であるという点を除いて、図５の方法に関して説明した動作と同じである。
【００７７】
多くの別の実施形態が可能である。例えば導波管の断面は、同軸ケーブルの場合のような円形である必要はない。鎧装および／または芯線の断面は、矩形である場合がある。
【００７８】
導波管は、複数の芯線を有している場合がある。
【００７９】
測定装置１１０において、第１の導波管１１２と第２の導波管１１４とは、金属プレート１２０を除いて、構造的に同じであるという条件は必要不可欠ではない。例えば導波管１１２と１１４との寸法および形状は、互いに異なる場合がある。例えばこれらの２つの導波管の間で、鎧装および芯線の寸法および形状（例えば、それぞれの直径）は、互いに異なっている場合がある。
【００８０】
一変形例として、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から誘電率だけを計算し、ユーザに透磁率μtestの値を伝達しない。これによって、１でない透磁率を有する材料（例えばフェライト）の誘電率を測定することができる。それとは逆に、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から透磁率μtestだけを計算し、ユーザに誘電率εtestの値を伝達しない場合もある。
【００８１】
試料の誘電率および透磁率を正しく与えるものであれば、本明細書に示されている電気モデル以外の電気モデルも用いることができる。それらの電気モデルは、電磁波の放射の式から得ることができる。本明細書に示されている電気モデルに替えて、より複雑なモデルを用いることができる。
【００８２】
各導波管の一端部が、プローブの形態を呈していることは必要不可欠ではない。導波管の端部は、例えばいかなるフランジまたは同様の手段も有することなく、試料に直接押し当てられる場合もある。
【００８３】
本明細書においては、測定装置２および１１０は、アドミタンスの測定値が、有線リンクを介してコンピュータに直接伝達される特定の例について説明してきた。一変形例では、この有線リンクを除き、測定器６によって測定された測定値を、キーボード２８を介して入力して、誘電率および透磁率の計算を行う能力を有するコンピュータ２０に伝達する。
【００８４】
最後に、測定装置２および１１０、および各連立方程式は、測定される変数がアドミタンスである特定の場合について説明する。しかしながら、測定装置２および１１０は、アドミタンスを直接に測定するのではなく、アドミタンスを表わす変数を測定するように適合化されている場合がある。用語「アドミタンスを表わす変数」は、測定器によって測定することができ、かつなんらの補足的な測定を伴うことなく、アドミタンス値を導出することができる物理的変数を意味している。例えばインピーダンス、および平面１２における電磁波の反射係数が、アドミタンスを表わす変数である。アドミタンス自体ではなく、アドミタンスを表わす変数が用いられる場合には、上述の連立方程式は、その相違を取り込むように適合化される。
【符号の説明】
【００８５】
２ 測定装置
４ 試料
６ 測定器
８ プローブ
１０ 導波管
１２ 平面
１４ 鎧装
１６ 芯線
２０ コンピュータ
２２ メモリ
２４ マン−マシンインターフェイス
２６ スクリーン
２８ キーボード
３０ フランジ
３２ 誘電材料
３４ スイッチ
３６ 導電体（制御ユニット）
３８ 導電体（直流電圧源）
４０ 切り替えスイッチ
４４、５４ 電気モデル
４６、５６ インダクタ
４８、５０、５８〜６０ キャパシタ
５２ 太線
１１０ 測定装置
１１２、１１４ 導波管
１１６、１１８ 端部
１２０ 金属プレート
１２２、１２４ コネクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非導電材料の試料の誘電率、および／または透磁率を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
本明細書においては、特記しない限り、用語「誘電率」は比誘電率を、また用語「透磁率」は比透磁率を意味している。
【背景技術】
【０００３】
非導電材料の試料の誘電率を測定するための、次のステップを含む方法がある。
ａ）非導電材料の試料と、第１の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ。この一端部には、電磁波が伝播する、誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の芯線が存在している。
【０００４】
このような方法は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００５】
この特許文献１においては、ある材料の試料の導電率が１０-2Ｓ・ｍ-1未満、好ましくは１０-3Ｓ・ｍ-1未満である場合、その試料は、非導電性であるとみなされる。
【０００６】
このような従来技術による方法は、誘電率を測定される試料からの磁気波の反射のみしか用いないので、「反射状態における電磁解析」の方法として知られている。
【０００７】
このような反射を用いる測定には、多くの利点がある。このような測定によって、例えば次のことが可能になる。
− 液体、固体、軟質材料（粉末、弾性材料など）のいずれでも、測定を行うことができる。
− 固体試料に、平面形状以外の特定の形状とするための機械加工を施す必要がないため、非破壊測定を行うことができる。
− 広い周波数範囲（例えば０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚ）において、材料を解析することができる。
【０００８】
しかしながら、このような従来技術による方法は、透磁率が１ではない試料に対しては、実施不可能であるという欠点を有する。したがって、このような従来技術による方法では、例えばフェライトの誘電率を測定することはできない。
【０００９】
さらに、このような従来技術では、誘電率しか測定することができず、透磁率を測定することはできない。
【００１０】
これらの欠点を克服するために、誘電率と透磁率との両方を測定する方法が開発されている。これらの方法においては、試料からの電磁波の反射に加えて、試料内の電磁波の透過が用いられる。反射および透過を用いる、このような測定方法の１つが、特許文献２に記載されている。
【００１１】
反射および透過を用いる、このような測定方法においては、試料を、電磁波用の導波管内に収容することができるように作り上げるか、または機械加工する必要がある。これは欠点である。
【００１２】
この欠点を克服するために、特許文献３には、試料の同じ面上に、並べて配置した２つの導波管を用いることが提案されている。電磁波は、第１の導波管内に送り込まれる。電磁波の一部分は、試料と第１の導波管との界面で、試料から反射され、残りの部分は、試料中を伝播して、第２の導波管に達する。反射された電磁波、および透過した電磁波から、誘電率または透磁率が測定される。しかしながら、測定の一部が、透過測定であるという事実によって、大きな制約が課される。例えば２つの導波管の間の距離が、正確に知られていなければならない。さらに、この手法では、常に、２つの導波管の併用を余儀なくされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】フランス国特許公開第２６５１５８０号公報
【特許文献２】米国特許公開第２００７−０９０８４６号公報
【特許文献３】米国特許公開第２００８−１９１７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、これらの欠点の少なくとも１つを克服することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するために、本発明は、非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定するための、次のステップを含む方法を提供するものである。
ｂ）非導電材料の試料と、電磁波が伝播する誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップであって、界面で反射される電磁波の位相および／または振幅が、第２の導波管の上述の一端部で、芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、第２の導波管における上述の界面を形成する一端部に、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路が設けられているステップと、
ｃ）アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率、および／または透磁率を計算するステップ。
【００１６】
この方法は、透磁率が１である試料だけではなく、透磁率が１でない試料の誘電率の測定にも用いることができる。例えばフェライトの透磁率を、この方法によって測定することができる。
【００１７】
この方法によると、さらに、試料からの電磁波の反射のみによって、その試料の透磁率と誘電率との両方を測定することができる。
【００１８】
いかなる透過測定も用いることなく、これらの結果が得られる。より詳細には、試料から反射される電磁波の位相、および／または振幅を変更するための、以下において、「部分的な」短絡路と呼ばれる短絡路の使用は、通常用いられる、透過測定を行う方法の代替になるので有利である。したがって、透過測定の実行に伴う種々の問題が回避される。このような部分的な短絡路は、較正段階において用いられる公知の短絡路と区別することができる。公知の短絡路は、導波管の特性の測定のために用いられる。このような公知の短絡路は、試料の特性の測定のためには用いられない。本発明の短絡路とは対照的に、このような公知の短絡路は、導波管の特性のみが特定されるように、試料から導波管を分離するために用いられる。
【００１９】
最後に、本発明の方法は、さらに、反射測定と透過測定との両方を用いる方法に対して、反射測定のみを用いる方法が有する利点を全て有する。
【００２０】
この方法の実施形態においては、次の特徴の１つ以上を備えている場合がある。
・ ステップａ）とステップｂ）との間に、芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、芯線と鎧装とが電気的に短絡されている第２の導波管に切り替えるために、芯線と鎧装との間に電気的に接続されているスイッチのスイッチングを行うステップを含んでいる。
・ アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップと、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップとは、同一の周波数の電磁波を用いて遂行される。
【００２１】
本発明の方法のこれらの実施形態は、次の長所を有している。
− 第１の導波管から第２の導波管への切り替え、またはその逆の切り替えを行うための、スイッチのスイッチングにより、アドミタンスＹtestcoの測定から、アドミタンスＹtestccの測定への変化、またはその逆の変化を、迅速に行うことができる。
【００２２】
本発明は、さらに、電子的なコンピュータによって実行されたときに、上述の方法を遂行する命令を記憶している情報記録媒体を提供するものである。
【００２３】
本発明によると、さらに、非導電材料の試料の誘電率、および／または透磁率を測定するための、次のものを備えている装置が提供される。
− 非導電材料の試料と、電磁波の導波手段の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスを表わす変数を測定する測定器。
− アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部、測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも一本の導電性の芯線を有している第１の導波管。
− アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部、測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管であって、試料との界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅が、第２の導波管の第１の端部で、芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅と異なるように、上述の界面を形成する第１の端部に、芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を設けられている第２の導波管。
− アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、試料の誘電率、および／または透磁率を計算することができるコンピュータ。
【００２４】
この装置のいくつかの実施形態は、次の特徴の１つ以上を備えている場合がある。
・ 第１の導波管と第２の導波管との芯線、鎧装、および誘電材料は、両者に共通であり、芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、芯線と鎧装とが短絡されている第２の導波管への切り替えを行うために、芯線と鎧装との間に、スイッチが電気的に接続されている。
・ 第２の導波管の第１の端部は、芯線と鎧装とを短絡させ、かつ試料との界面で反射された電磁波が伝播する誘電材料の端面の一部分だけを覆うように、芯線から鎧装まで延在している金属プレートを有している。
・ 第２の導波管は、金属プレートを有しているという点を除いて、第１の導波管と同じである。
・ 第１および第２の導波管の鎧装は、それぞれ第１および第２の導波管の芯線を完全に囲んでいる。
【００２５】
これらの実施形態は、さらに、次の長所を有している。
− 第１の導波管と第２の導波管とを、ほとんど同一にすることによって、それらの導波管に対する動作周波数範囲も、ほとんど同一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】図１の装置における導波管の一端部の斜視図である。
【図３】図２の一端部の開路状態を、対応する電気モデルとともに示す図である。
【図４】図２の一端部の部分的な短絡状態を、対応する電気モデルとともに示す図である。
【図５】図１の装置によって、非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する方法のフローチャートである。
【図６】非導電材料の試料の誘電率および透磁率を測定する装置の別の一実施形態のブロック図である。
【図７】図６の装置の導波管の一端部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
添付図面を参照して、単に非限定的な例として示す以下の説明を読むことによって、本発明を、より明瞭に理解することができると思う。
【００２８】
添付図面において、同一の要素には、同一の符号を付してある。
【００２９】
以下の説明において、当業者に周知の特性および機能については、詳述しない。
【００３０】
図１は、非導電材料から成る試料４の誘電率、および透磁率を測定する測定装置２を示している。一例として、試料４は、透磁率が１ではない非導電材料から成る試料である。試料４は、例えばフェライトである。試料４は、１つの物体の一部分である場合もあるし、全体である場合もある。
【００３１】
測定装置２は、試料４と、電磁波用の導波管１０の一端部を形成しているプローブ８との間の界面におけるアドミタンスを測定するための測定器６を備えている。アドミッタンス（Ｙで表わす）は、インピーダンスの逆数である。
【００３２】
導波管１０の他端部は、測定器６に電気的に接続されている。
【００３３】
測定器６は、電磁波を発生させることができ、この電磁波は、導波管１０によって、試料４の平面１２まで導かれる。これを可能にするために、プローブ８は、平面１２に直接押し当てられる。測定器６は、試料４と導波管１０との界面で反射された電磁波の振幅および位相を測定する。
【００３４】
測定器６は、例えばベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）である。このようなアナライザは公知であるので、本明細書においては、これ以上詳述しない。
【００３５】
一例として、測定器６は、測定器６によって測定されたアドミタンスの値から、試料４の誘電率および透磁率を計算することができる電子的なコンピュータ２０に接続されている。コンピュータ２０は、例えば情報記録媒体に記録されている命令を実行することができる、プログラム可能なコンピュータである。この実行を可能にするために、コンピュータ２０は、図５の方法を実行するために必要な命令を記憶しているメモリ２２に接続されている。
【００３６】
導波管１０は、中心部の導電性の芯線１６、および芯線１６を囲んで延在している導電性の鎧装１４を備えている。鎧装１４および芯線１６は、例えば金属から成っている。鎧装１４と芯線１６とは、誘電材料によって互いに分離されており、この誘電材料内をガイドされて、電磁波が伝播する。導波管１０は、例えば同軸ケーブルである。
【００３７】
コンピュータ２０は、さらに、誘電率および透磁率の測定値をユーザに伝達するためのマン−マシンインターフェイス２４に接続されている。マン−マシンインターフェイス２４は、本明細書においては、一例として、スクリーン２６およびキーボード２８によって構成されている。
【００３８】
図２は、プローブ８を、より詳細に示している。
【００３９】
プローブ８は、試料４の平面１２に直接押し当てられるように作られているフランジ３０を有している。このフランジ３０は、鎧装１４を囲んでいる。
【００４０】
鎧装１４と芯線１６との間には、鎧装１４から芯線１６を電気的に絶縁する誘電材料３２が収容されている。実質的にフランジ３０の平面上で、制御可能なスイッチ３４によって、芯線１６は、鎧装１４に電気的に接続されている。スイッチ３４は、その閉位置において、芯線１６と鎧装１４とを短絡させる。対照的に、スイッチ３４の開位置において、芯線１６と鎧装１４とは、電気的に互いに絶縁されている。このスイッチ３４のサイズ・形状、およびスイッチ３４の両端の各々を、それぞれ芯線１６および鎧装１４に接続させている導電体３６および３８の寸法と形状は、スイッチ３４の閉位置において、電磁波の一部が、若干でも試料４から反射されるように選択される。したがって、スイッチ３４が閉じられたときに、この短絡によって、誘電材料３２の端面の一部分しか覆われない。この短絡によって、平面１２から反射される電磁波の位相は、スイッチ３４が開位置にある場合に比して変更される。したがって、スイッチ３４の閉位置において、この短絡は部分的な短絡である。さらに、スイッチ３４、および導電体３６および３８の寸法と形状を、スイッチ３４の閉位置において、平面１２で反射される電磁波の振幅が、スイッチ３４が開位置にある場合に比して変更されるように選択することができる。平面１２で反射される電磁波の位相、および／または振幅をこのように変更すると、例えばスイッチ３４が開位置にあるときに得られる位相、および／または振幅よりも、少なくとも１％または１０％を超える。
【００４１】
スイッチ３４、および導電体３６および３８の寸法および形状は、スイッチ３４の閉位置において生じる短絡が、スイッチ３４が開位置にある状態に比して、１８０°の位相シフトをもたらすことができる電磁的短絡に相当するように選択することが好ましい。
【００４２】
スイッチ３４に対して、多くの実施例が可能である。例えば次のものによって、スイッチ３４を形成することができる。
− ダイオード、トランジスタ、またはサイリスタなどの半導体素子。
− マイクロマシンシステム（ＭＥＭＳ）。または
− オプトエレクトロニクス素子（フォトトランジスタ）。
【００４３】
例えば図２においては、スイッチ３４はダイオードからできている。
【００４４】
測定装置２は、さらに、スイッチ３４を制御するための制御ユニット３６を備えている。この制御ユニット３６は、開位置と閉位置との間の、スイッチ３４のスイッチングを制御することができる。開位置と閉位置との間のスイッチングは、例えばユーザによって手動で行われる。
【００４５】
スイッチ３４がダイオードである場合には、制御ユニット３６は、例えば鎧装１４と芯線１６との間に接続されている直流電圧源３８を備えている。この直流電圧源３８は、切り替えスイッチ４０に直列に接続されている。切り替えスイッチ４０が閉位置にあるとき、直流電圧が、芯線１６と鎧装１４との間に印加される。この直流電圧は、ダイオードであるスイッチ３４をオン状態にすることができるように選ばれる。切り替えスイッチ４０が開位置にあるとき、鎧装１４と芯線１６との間には、直流電圧は印加されない。したがって、スイッチ３４は開位置にあり、電流を通過させない。
【００４６】
スイッチ３４が閉位置にあるとき、芯線１６から鎧装１４までの高導電性によって、動作周波数の交流電流が伝播することができる。対照的に、スイッチ３４が開位置にあるとき、芯線１６から鎧装１４までの低導電性によって、動作周波数の交流電流は伝播することができない。
【００４７】
切り替えスイッチ４０は、ユーザによって、手動で、開位置と閉位置との間でスイッチングされる。切り替えスイッチ４０は、例えば押しボタンである。
【００４８】
図３は、スイッチ３４が開位置にあるときの、プローブ８の略断面図である。この状態のときに、プローブ８は、開路状態にあると言われる。この開路状態において、一端部のプローブ８と試料４との間の界面は、電気モデル４４でモデル化することができる。電気モデル４４は、互いに直列に接続されたキャパシタ４８およびインダクタ４６を有している。さらに、キャパシタ５０が、キャパシタ４８の両端子に並列に接続されている。インダクタ４６のインダクタンスμＬ0coの値は、試料４の透磁率μに比例する。キャパシタ４８の静電容量Ｃfcoは、試料４の誘電率および透磁率に依存しない。キャパシタ５０の静電容量εＣ0coは、試料４の誘電率に比例する。
【００４９】
図４は、スイッチ３４が閉位置にあるときの、プローブ８の略断面図である。この状態のときに、プローブ８は、短絡状態にあると言われる。この図４において、芯線１４と鎧装１６との間の短絡路は、太線５２によって示されている。
【００５０】
短絡状態のプローブは、電気モデル５４でモデル化される。電気モデル５４は、例えば連続的に並列に接続されている、１つのインダクタ５６および３つのキャパシタ５８〜６０を有している。インダクタ５６のインダクタンスμＬ0ccは、試料４の透磁率μに比例する。キャパシタ５８の静電容量Ｃfccは、試料４の誘電率および透磁率に依存しない。キャパシタ５９および６０のそれぞれの静電容量εＣ0ccおよびε2Ｃ1ccは、試料４の誘電率εの関数である。
【００５１】
電気モデル４４から、開路状態において測定器６によって測定されるアドミタンスＹCOを算出することができる。この算出値は、次の関係式（数１）によって与えられる。
【数１】
【００５２】
上述の関係式において、
− ωは、角周波数（ω＝２πｆ：ｆはＨｚを単位とする周波数である）、
− ｊは、ｊ2＝−１で定義される虚数単位、
− Ｌ0co、Ｃfco、Ｃ0coは、試料４の誘電率εおよび透磁率μに依存しない値を有する、電気モデル４４のパラメータである。
【００５３】
同様に、電気モデル５４から、短絡状態において測定器６によって測定されるアドミタンスＹCCを算出することができる。この算出値は、次の関係式（数２）によって与えられる。
【数２】
【００５４】
上述の関係式において、
− Ｌ0cc、Ｃfcc、Ｃ0cc、Ｃ1ccは、試料４の誘電率εおよび透磁率μに依存しない値を有する、電気モデル５４のパラメータである。
【００５５】
次に、測定装置２の動作を、図５を参照しながら説明する。
【００５６】
この方法は、測定装置２を較正するための段階７０で開始される。この段階７０の開始時に、最初に、ステップ７２において、測定器６が較正される。このステップ７２は、通常行われるステップであるので、これ以上詳述しない。
【００５７】
次に、ステップ７４において、開路状態におけるプローブ８の較正が実行される。このステップ７４は、パラメータＣfco、Ｃ0co、Ｌ0coの値の特定を目的としている。このステップ７４において、本発明では、標準試料を用いる。これらの標準試料の誘電率および透磁率は、前もって知られている。ステップ7４において、例えば脱イオン水、テフロン（登録商標）、空気、誘電率および透磁率が５である磁性誘電体によって形成されているグループから選ばれた３つの標準試料を用いる。
【００５８】
より詳細には、操作７６において、試料４ではなく、第１の標準試料を配置する。言い換えると、プローブ８は、この第１の標準試料の平面に押し当てられる。次に、このような条件の下で、第１の標準試料のアドミタンスＹref1coの値を、測定器６によって測定する。次いで、操作７６を、第２および第３の標準試料に対して繰り返し、それぞれのアドミタンスＹref2coおよびＹref3coの値を測定する。
【００５９】
その後、操作７８において、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹref1co、Ｙref2co、Ｙref3coの値、および第１、第２、第３の標準試料のそれぞれの誘電率の既知値εref1、εref2、εref3、および透磁率の既知値μref1、μref2、μref3から、パラメータＣ0co、Ｃfco、Ｌ0coの値をそれぞれ特定する。この特定を行うために、例えば次の連立方程式（数３）を解く。
【数３】
【００６０】
パラメータＣ0c0、Ｃfco、Ｌ0coの値は、電磁波の動作周波数、したがってアドミタンスの測定のために用いられる、芯線１６を流れる励磁電流の周波数に依存する。したがって、利用可能な動作周波数範囲に均一に分布した多数の動作周波数において、操作７６および７８を繰り返すことが好ましい。利用可能な動作周波数範囲は、例えば０ＭＨｚ〜２０ＧＨｚにわたっている。動作周波数範囲は、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであることが好ましい。
【００６１】
ステップ７４が完了すると、短絡状態においてプローブ８を較正するために、ステップ８０を実行する。この実行のために、操作８２において、スイッチ３４を閉位置にスイッチングし、４つの標準試料のアドミタンスを、測定装置２によって測定する。上述と同様に、これらの４つの標準試料のそれぞれの誘電率、および透磁率の既知値は、εref1、εref2、εref3、εref4と表わされ、透磁率の既知値は、μref1、μref2、μref3、μref4と表わされる。これらの標準試料は、例えばステップ７４において説明したグループと同じグループから選ばれる。
【００６２】
操作８２において、これらの標準試料の各々のアドミタンスＹref1、Ｙref2、Ｙref3、Ｙref4の値を、測定器６によって測定する。
【００６３】
次に、操作８４において、パラメータＣfcc、Ｃ0cc、Ｃ1cc、Ｌ0ccの値を、測定されたアドミタンスＹref1、Ｙref2、Ｙref3、Ｙref4の値、および４つの標準試料の透磁率および誘電率の既知値から計算する。操作８４において、例えば次の連立方程式（数４）を解く。
【数４】
【００６４】
操作８２および８４を、動作周波数範囲に均一に分布したいくつかの動作周波数において繰り返す。ステップ７４において用いられた動作周波数と同じ動作周波数を、ステップ８０において用いることが好ましい。
【００６５】
測定装置２の較正が完了すると、段階７０は終了し、試料４の誘電率および透磁率を測定する段階９０を開始することができる。
【００６６】
段階９０の開始時に、ステップ９２において、プローブ８は、誘電率εtestおよび透磁率μtestを測定される試料４の平面１２に押し当てられる。
【００６７】
次に、ステップ９４において、スイッチ３０は、開位置にスイッチングされ、そのときのアドミタンスＹtestcoが、測定器６によって測定される。アドミタンスＹtestcoのいくつかの測定値を得るために、ステップ７４で用いられた動作周波数と同じ動作周波数で、ステップ９４を繰り返すことが好ましい。
【００６８】
次いで、ステップ９６において、スイッチ３４は、閉位置にスイッチングされる。
【００６９】
その後、ステップ９８において、アドミタンスＹtestccが、用いられた各動作周波数で、測定器６によって測定される。
【００７０】
ステップ１００において、コンピュータ２０は、ステップ９４および９８において用いられた動作周波数の各々における誘電率εtestおよび透磁率μtestを計算する。透磁率εtestおよび透磁率μtestは、同一動作周波数で測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から得られる。誘電率εtestおよび透磁率μtestは、例えば次の連立方程式（数５）を解くことによって計算される。
【数５】
上述の連立方程式において、
− Ｃfco、Ｃ0co、Ｌ0co、Ｌ0cc、Ｃfcc、Ｃ0cc、Ｃ1ccは、段階７０において測定されたパラメータの値、または段階７０中になされた測定に基づいて内挿されたパラメータの値であり、
− ＹtestcoおよびＹtestccは、その測定における動作周波数と同じ動作周波数における開路状態および短絡状態で測定されたアドミタンス値である。
【００７１】
上述の連立方程式は、解析的に解くことができる。しかしながら、この連立方程式からは、３組の解が得られる。正しい解を選択するために、１に最も近い誘電率を有する解が選択される。この選択のために、この連立方程式を、例えば初期状態において透磁率μtestの値が１に等しいとし、ニュートン法を用いて解くことができる。
【００７２】
ステップ１００において、誘電率εtestおよび透磁率μtestが計算されると、ステップ１０２において、それらの値は、マンマシンインターフェイスを介してユーザに提示されるか、またはファイルに記録される。
【００７３】
図６は、試料４の誘電率および透磁率を測定する測定装置の別の一実施形態を示している。この測定装置１１０は、図１の導波管１０が、２つの導波管１１２および１１４に置き換えられているという点を除いて、測定装置２と同じである。導波管１１２および１１４は、アドミタンスの測定がなされるときに、平面１２に直接押し当てられる端部１１６および１１８を、それぞれ有している。端部１１６は、開路状態のプローブを形成している。すなわち、端部１１６は、スイッチ３４、導電体３６および３８、および制御ユニット３６が省かれているという点を除いて、プローブ８と同じである。したがって、プローブを形成している端部１１６は、開路状態しか呈しない。
【００７４】
対照的に、端部１１８は、部分的な短絡状態しか呈しないプローブを形成している。プローブを形成しているこの端部１１８が、図７に、より詳細に示されている。すなわち、プローブを形成しているこの端部１１８は、スイッチ３４、導電体３６および３８が、芯線１６から鎧装１４まで延在している、薄い金属プレート１２０に置き換えられているという点を除いて、プローブ８と同じである。この金属プレート１２０は、平面１２によって反射される電磁波の位相、および／または振幅を、金属プレート１２０が省かれている場合に比して変更させるのに十分な寸法と形状を有している。位相および／または振幅のこの変更は、例えば金属プレート１２０が省かれている場合に得られる位相および／または振幅の少なくとも１％または１０％を超過している。例えば金属プレート１２０の幅は、芯線１６の直径と等しい。
【００７５】
各導波管１１２および１１４の他端部には、コネクタ１２２および１２４が、それぞれ取り付けられている。これらのコネクタ１２２および１２４は、測定器６への／からの導波管１１２および１１４の連結／切り離しを可能にする。
【００７６】
測定装置１１０の動作は、開路状態のプローブから短絡状態のプローブへの移行のために、導波管１１２から導波管１１４への切り替えが必要である、またはその逆の移行のために、逆の切り替えが必要であるという点を除いて、図５の方法に関して説明した動作と同じである。
【００７７】
多くの別の実施形態が可能である。例えば導波管の断面は、同軸ケーブルの場合のような円形である必要はない。鎧装および／または芯線の断面は、矩形である場合がある。
【００７８】
導波管は、複数の芯線を有している場合がある。
【００７９】
測定装置１１０において、第１の導波管１１２と第２の導波管１１４とは、金属プレート１２０を除いて、構造的に同じであるという条件は必要不可欠ではない。例えば導波管１１２と１１４との寸法および形状は、互いに異なる場合がある。例えばこれらの２つの導波管の間で、鎧装および芯線の寸法および形状（例えば、それぞれの直径）は、互いに異なっている場合がある。
【００８０】
一変形例として、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から誘電率だけを計算し、ユーザに透磁率μtestの値を伝達しない。これによって、１でない透磁率を有する材料（例えばフェライト）の誘電率を測定することができる。それとは逆に、コンピュータ２０は、測定されたアドミタンスＹtestcoおよびＹtestccの値から透磁率μtestだけを計算し、ユーザに誘電率εtestの値を伝達しない場合もある。
【００８１】
試料の誘電率および透磁率を正しく与えるものであれば、本明細書に示されている電気モデル以外の電気モデルも用いることができる。それらの電気モデルは、電磁波の放射の式から得ることができる。本明細書に示されている電気モデルに替えて、より複雑なモデルを用いることができる。
【００８２】
各導波管の一端部が、プローブの形態を呈していることは必要不可欠ではない。導波管の端部は、例えばいかなるフランジまたは同様の手段も有することなく、試料に直接押し当てられる場合もある。
【００８３】
本明細書においては、測定装置２および１１０は、アドミタンスの測定値が、有線リンクを介してコンピュータに直接伝達される特定の例について説明してきた。一変形例では、この有線リンクを除き、測定器６によって測定された測定値を、キーボード２８を介して入力して、誘電率および透磁率の計算を行う能力を有するコンピュータ２０に伝達する。
【００８４】
最後に、測定装置２および１１０、および各連立方程式は、測定される変数がアドミタンスである特定の場合について説明する。しかしながら、測定装置２および１１０は、アドミタンスを直接に測定するのではなく、アドミタンスを表わす変数を測定するように適合化されている場合がある。用語「アドミタンスを表わす変数」は、測定器によって測定することができ、かつなんらの補足的な測定を伴うことなく、アドミタンス値を導出することができる物理的変数を意味している。例えばインピーダンス、および平面１２における電磁波の反射係数が、アドミタンスを表わす変数である。アドミタンス自体ではなく、アドミタンスを表わす変数が用いられる場合には、上述の連立方程式は、その相違を取り込むように適合化される。
【符号の説明】
【００８５】
２ 測定装置
４ 試料
６ 測定器
８ プローブ
１０ 導波管
１２ 平面
１４ 鎧装
１６ 芯線
２０ コンピュータ
２２ メモリ
２４ マン−マシンインターフェイス
２６ スクリーン
２８ キーボード
３０ フランジ
３２ 誘電材料
３４ スイッチ
３６ 導電体（制御ユニット）
３８ 導電体（直流電圧源）
４０ 切り替えスイッチ
４４、５４ 電気モデル
４６、５６ インダクタ
４８、５０、５８〜６０ キャパシタ
５２ 太線
１１０ 測定装置
１１２、１１４ 導波管
１１６、１１８ 端部
１２０ 金属プレート
１２２、１２４ コネクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）非導電材料の試料と、第１の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）であって、前記一端部には、該電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線が存在しているステップを含む非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定する方法であって、
ｂ）前記試料と、電磁波が伝播する誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）であって、前記界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅が、前記第２の導波管の一端部で、前記芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、前記界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、前記第２の導波管は、前記界面を形成する一端部に、前記芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を設けられているステップと、
ｃ）前記アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、前記試料の誘電率および／または透磁率を計算するステップ
とをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップａ）とステップｂ）との間に、前記芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、前記芯線と鎧装とが電気的に短絡されている第２の導波管に切り替えるために、前記芯線と鎧装との間に電気的に接続されているスイッチのスイッチングを行うステップ（９４、９６）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）と、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）とは、同一の周波数の電磁波を用いて遂行される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
電子的なコンピュータによって実行されたときに、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法を遂行する命令を記憶している情報記録媒体。
【請求項５】
非導電材料の試料と、電磁波の導波手段の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスを表わす変数を測定する測定器（６）と、
アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部（８、１１６）、前記測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料（３２）から成る層によって、導電性の鎧装（１４）から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線（１６）を有している第１の導波管（１０、１１２）とを備えている、非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定する装置であって、
アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部（８、１１８）、前記測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装（１４）から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線（１６）を有している第２の導波管（１０、１１４）であって、前記試料との界面で反射される電磁波の位相および／または振幅が、前記第２の導波管の前記第１の端部で、前記芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、前記界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、前記界面を形成する第１の端部に、前記芯線と鎧装とを結ぶ短絡路が設けられている第２の導波管と、
前記アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、前記試料の誘電率および／または透磁率を計算することができるコンピュータ（２０）
とをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
前記第１の導波管と第２の導波管との芯線（１６）、鎧装（１４）、および誘電材料（３２）は、両者に共通であり、
前記芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている前記第１の導波管から、前記芯線と鎧装とが短絡されている前記第２の導波管への切り替えを行うために、前記芯線と鎧装との間に、スイッチ（３４）が電気的に接続されている請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の導波管の第１の端部（１１８）は、前記芯線と鎧装とを短絡させ、かつ前記試料との界面で反射された電磁波が伝播する前記誘電材料の端面の一部分だけを覆うように、前記芯線から鎧装まで延在している金属プレート（１２０）を有している、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の導波管（１１４）は、前記金属プレート（１２０）を有しているという点を除いて、前記第１の導波管（１１２）と同じである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２の導波管の鎧装（１４）は、それぞれ前記第１および第２の導波管の芯線（１６）を完全に囲んでいる、請求項５〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１】
ａ）非導電材料の試料と、第１の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）であって、前記一端部には、該電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線が存在しているステップを含む非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定する方法であって、
ｂ）前記試料と、電磁波が伝播する誘電材料層によって、導電性の鎧装から隔てられた少なくとも１本の導電性の芯線を有している第２の導波管の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）であって、前記界面で反射される電磁波の位相、および／または振幅が、前記第２の導波管の一端部で、前記芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、前記界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、前記第２の導波管は、前記界面を形成する一端部に、前記芯線と鎧装とを結ぶ短絡路を設けられているステップと、
ｃ）前記アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、前記試料の誘電率および／または透磁率を計算するステップ
とをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップａ）とステップｂ）との間に、前記芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている第１の導波管から、前記芯線と鎧装とが電気的に短絡されている第２の導波管に切り替えるために、前記芯線と鎧装との間に電気的に接続されているスイッチのスイッチングを行うステップ（９４、９６）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するステップ（９４）と、アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するステップ（９８）とは、同一の周波数の電磁波を用いて遂行される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
電子的なコンピュータによって実行されたときに、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法を遂行する命令を記憶している情報記録媒体。
【請求項５】
非導電材料の試料と、電磁波の導波手段の一端部との間の界面で反射された電磁波の振幅および位相のみから、アドミタンスを表わす変数を測定する測定器（６）と、
アドミタンスＹtestcoを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部（８、１１６）、前記測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料（３２）から成る層によって、導電性の鎧装（１４）から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線（１６）を有している第１の導波管（１０、１１２）とを備えている、非導電材料の試料の誘電率および／または透磁率を測定する装置であって、
アドミタンスＹtestccを表わす変数を測定するために、非導電材料の試料に押し当てることができる第１の端部（８、１１８）、前記測定器に接続することができる反対側の第２の端部、および電磁波が伝播する誘電材料から成る層によって、導電性の鎧装（１４）から隔てられている少なくとも１本の導電性の芯線（１６）を有している第２の導波管（１０、１１４）であって、前記試料との界面で反射される電磁波の位相および／または振幅が、前記第２の導波管の前記第１の端部で、前記芯線と鎧装とが短絡されていない場合に、前記界面で反射される電磁波の位相および／または振幅と異なるように、前記界面を形成する第１の端部に、前記芯線と鎧装とを結ぶ短絡路が設けられている第２の導波管と、
前記アドミタンスＹtestcoおよびＹtestccを表わす変数から、前記試料の誘電率および／または透磁率を計算することができるコンピュータ（２０）
とをさらに備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
前記第１の導波管と第２の導波管との芯線（１６）、鎧装（１４）、および誘電材料（３２）は、両者に共通であり、
前記芯線と鎧装とが互いに電気的に絶縁されている前記第１の導波管から、前記芯線と鎧装とが短絡されている前記第２の導波管への切り替えを行うために、前記芯線と鎧装との間に、スイッチ（３４）が電気的に接続されている請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の導波管の第１の端部（１１８）は、前記芯線と鎧装とを短絡させ、かつ前記試料との界面で反射された電磁波が伝播する前記誘電材料の端面の一部分だけを覆うように、前記芯線から鎧装まで延在している金属プレート（１２０）を有している、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の導波管（１１４）は、前記金属プレート（１２０）を有しているという点を除いて、前記第１の導波管（１１２）と同じである、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２の導波管の鎧装（１４）は、それぞれ前記第１および第２の導波管の芯線（１６）を完全に囲んでいる、請求項５〜８のいずれか１項に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５２０４４２（Ｐ２０１２−５２０４４２Ａ）
【公表日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５３３９２（Ｐ２０１１−５５３３９２）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５２６０５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０２９２５
【国際公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（５１０１３２３４７）コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ (51)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５２６０５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１０２９２５
【国際公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（５１０１３２３４７）コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ (51)
【Ｆターム（参考）】
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