JP2001083102A

JP2001083102A - 電磁波式濃度測定装置

Info

Publication number: JP2001083102A
Application number: JP25955599A
Authority: JP
Inventors: Yuji Miyane; 裕司宮根; Kazuhiro Watanabe; 一弘渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度、小型、安定性および性能の高い電磁波
式濃度測定装置を得ること。【解決手段】被測定物質１が存在している測定管（また
は測定容器）２の中に、電磁波送受信器により電磁波を
送信し被測定物質１内を透過した電磁波７を受信して、
被測定物質１に含まれる測定対象物の濃度を測定する電
磁波式濃度測定装置において、電磁波送受信器に誘電体
導波路8a,8b を用い、当該誘電体導波路8a,8b より測定
対象物へ直接電磁波を送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物質に電磁
波を送信し、被測定物質内を透過した電磁波を受信し
て、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する
電磁波式濃度測定装置に係り、特に受信強度を大幅に増
加して、高精度でかつ安定性の高い濃度測定を行なえる
ようにした小型でかつ性能の高い電磁波式濃度測定装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被測定物質に含まれる測定対
象物の濃度を測定する手段として、被測定物質に電磁波
を送信し、被測定物質内を透過した電磁波を受信し、送
信波と受信波から得られる情報を測定対象物の濃度に変
換する方法が知られている。

【０００３】図２８は、この種の従来方式による電磁波
式濃度測定装置の概要構成例を示す図である。

【０００４】図２８において、被測定物質１は、測定管
（または測定容器）２の中に存在している。

【０００５】測定管２の対向する２箇所には、一対の電
磁波透過窓３ａ，３ｂが取り付けられている。

【０００６】変換手段４より高周波を発生し、導波路５
ａを通じて送信アンテナ６ａより電磁波を入射する。導
波路としては、通常、高周波用同軸ケーブルやセミリジ
ッドケーブル等が使用される。そして、入射された電磁
波は、電磁波透過窓３ａを通り、被測定物質１の中を透
過する。

【０００７】被測定物質１の中を透過する透過電磁波７
は、被測定物質１の性質の違いによって、強度と伝搬速
度が変化する。この透過電磁波７は、反対側の電磁波透
過窓３ｂを通って受信アンテナ６ｂにより受信され、導
波路５ｂを通じて変換手段４に伝えられる。

【０００８】変換手段４は、送信波と受信波の情報を、
被測定物質１に含まれる測定対象物の濃度に変換する。

【０００９】ここで、変換方法としては、第１に、測定
対象物による電磁波の減衰を利用して送信波と受信波と
の強度比から濃度を算出する方法、第２に、測定対象物
による電磁波速度の変化を利用する方法があるが、最近
では、第２の方法を応用して、送信波と受信波の位相差
を検出し濃度に変換する方法が多く用いられてきてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来方式による電磁波式濃度測定装置において
は、次に示すような問題点がある。

【００１１】（第１の問題点）第１の問題点として、電
磁波が異なる異なる物質に入射する際の反射がある。

【００１２】まず、問題点を説明するための理論的準備
として、物質の特性インピーダンスを導入する。特性イ
ンピーダンスＺは、物質の誘電率をε、透磁率をμとし
て、次式で表わされる。

【００１３】

【数１】

【００１４】真空中の誘電率をε₀、真空中の透磁率を
μ₀とすると、真空の特性インピーダンスＺ₀は、次式
で表わされる。

【００１５】

【数２】

【００１６】次に、物質の比誘電率ε_r、比透磁率μ_r
を、次式により定義する。

【００１７】

【数３】

【００１８】物質の比誘電率ε_r、比透磁率μ_rを用い
ると、物質の特性インピーダンスＺは、真空中の特性イ
ンピーダンスＺ₀を用いて次式で表わされる。

【００１９】

【数４】

【００２０】次に、電磁波が物質１から物質２に入射す
る場合を考える。

【００２１】図２９に示すように、電磁波を物質１から
物質２に入射させると、物質１と物質２の特性インピー
ダンスの違いによって、物質１と物質２との境界で電磁
波の一部が反射される。

【００２２】電磁波の透過率ｔ、反射率ｒは、物質１の
特性インピーダンスＺ₁、物質２の特性インピーダンス
Ｚ₂を用いて、次式で表わされる。

【００２３】

【数５】

【００２４】（５）式において、ｍｉｎ（Ｚ₁，Ｚ₂）
は、Ｚ₁，Ｚ₂のうち小さい方の値である。

【００２５】さらに、従来例である図２８の場合を考え
る。

【００２６】アンテナの周囲は空気であるとすると、空
気の特性インピーダンスは真空中の特性インピーダンス
Ｚ₀にほぼ等しいから、送信アンテナ６ａから発せられ
た電磁波は、特性インピーダンスＺ₀の媒質を伝わって
電磁波透過窓３ａに入射する。

【００２７】一般に、電磁波透過窓３ａの特性インピー
ダンスは、真空中の特性インピーダンスＺ₀とは異なる
ため、境界面で電磁波の反射を生じる。

【００２８】次に、電磁波透過窓３ａを透過した電磁波
は、被測定物質１に入射するが、ここでも被測定物質１
の特性インピーダンスは、一般に電磁波透過窓６ａの特
性インピーダンスとは異なるため、やはり電磁波の反射
を生じる。

【００２９】以後同様に、電磁波は被測定物質１と電磁
波透過窓３ｂとの間、電磁波透過窓３ｂと受信アンテナ
６ｂ周囲の空気との間で電磁波の反射を生じる。

【００３０】説明を簡単にするために、アンテナの指向
性やアンテナの指向性等、境界面の反射以外の影響を全
て無視すると、被測定物質１の特性インピーダンスをＺ
_s、電磁波透過窓３ａ，３ｂの特性インピーダンスをＺ
_wとして、送信アンテナ６ａから受信アンテナ６ｂへの
電磁波透過率ｔ_totalは、次式で表わされる。

【００３１】

【数６】

【００３２】次に、被測定物質１と電磁波透過窓３ａ，
３ｂの一般的物性について論じる。

【００３３】多くの物質では、比透磁率はほぼ１に等し
いことが知られている。磁性体と呼ばれる種類の物質は
１とは大きく異なる比透磁率を持つが、これらが被測定
物質あるいは測定対象物となることは希であり、本説明
では簡単のために、被測定物質および測定対象物の比透
磁率は１であると仮定する。

【００３４】ただし、比透磁率が１でない場合でも、特
性インピーダンスを用いた説明は有効であり、本発明全
般にわたってその手段は有効であることを付け加えてお
く。

【００３５】一方、物質の比誘電率は物質の分子構造の
違いによって一般に大きく異なる。被測定物質１は、通
常、水中に測定対象物が混じったものであり、その誘電
率は水の比誘電率と水中の測定対象物質の比誘電率との
比によって決まる。

【００３６】測定対象物の濃度比があまり高くない場合
には、被測定物質の誘電率は、媒質である水の比誘電率
に比較的近い値をとる。水の比誘電率は約８０程度で、
温度と電磁波の周波数に対する依存性がある。

【００３７】水の比誘電率を８０、比透磁率を１として
前記（２）式に代入すると、水の特性インピーダンスは
約４２（Ω）である。

【００３８】また、電磁波透過窓は減衰の少ない誘電体
が用いられる。

【００３９】減衰の少ない誘電体としてよく用いられる
物質にはテフロン樹脂があり、その誘電率は約２、特性
インピーダンスは約２６６（Ω）である。

【００４０】これらを（６）式に代入すると、透過率と
して０．０５１を得る。

【００４１】すなわち、受信アンテナまで伝わる電磁波
は全体の約５％に過ぎず、残りは物質との境界で反射さ
れ失われてしまう。このため、従来の電磁波式濃度測定
装置では、受信される電磁波が微弱であった。

【００４２】なお、上記の説明では、問題点を説明し易
くするために、導電性を有する物質内を伝搬する電磁波
は減衰を生じることを無視してきたが、水を始めとして
現実の被測定物質は多少とも導電性を有するため、実際
の測定においては、導電性による減衰を考慮しなければ
ならない。

【００４３】このため、導電率の高い物質では、電磁波
の受信が困難になり、Ｓ／Ｎ比の低下による精度の悪化
や、最悪の場合には濃度測定が行なえなくなることがあ
った。

【００４４】（第２の問題点）第２の問題点として、電
磁波の指向性がある。

【００４５】アンテナ等の電磁波発生器は、その設計方
法を工夫することにより指向性を持たせることができ
る。通常のアンテナは、空気中に対する電磁波の送受信
を目的として設計され、現在までに各種の指向性アンテ
ナが提案されている。

【００４６】しかしながら、電磁波式濃度測定装置で
は、被測定物質に対する送受信を行なうため、空気中で
の送受信を想定して従来方式をそのまま用いることがで
きない。

【００４７】さらに、従来方式の電磁波式濃度測定装置
では、送受信アンテナと被測定物質との間に電磁波透過
窓が介在するため、被測定物質に対して電磁波指向性を
直接制御することができず、被測定物質内を効率よく伝
搬させることができなかった。

【００４８】（第３の問題点）第３の問題点として、電
磁波送受信器の大きさがある。

【００４９】一般に、電磁波送受信器として用いられる
アンテナの大きさは、電磁波伝搬媒質中の電磁波波長に
依存し、アンテナに用いられる素子の長さは、波長と同
じかまたはその半分の１／２波長が一般的である。

【００５０】電磁波式濃度測定装置に用いられる電磁波
周波数は、１ＧＨｚ〜２ＧＨｚ程度が一般的であり、こ
れらの空気中の波長は１５ｃｍ〜３０ｃｍ程度になるか
ら、仮に１／２波長のアンテナを構成した場合、素子の
長さは７．５〜１５ｃｍ程度になる。

【００５１】配管取付型の電磁波式濃度測定装置は、口
径１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度であることから、このま
までは電磁波式濃度測定装置に用いるには大きすぎる。
そのため従来型の電磁波式濃度測定装置では、アンテナ
に誘電率の高い物質を充填する等の方法で、アンテナを
小型化する必要があった。

【００５２】（第４の問題点）第４の問題点として、従
来方式の電磁波式濃度測定装置では、被測定物質が液体
である場合で、かつ被測定物質が不均一であったり、内
部に気泡が混入された場合、濃度に誤差が生じる問題が
あった。以下、この原因について説明する。

【００５３】すなわち、被測定物質の不均一または気泡
の存在によって、電磁波の一部が散乱される。従来の電
磁波式濃度測定装置では、受信アンテナに到達する全て
の電磁波を受信していたが、受信電磁波では、被測定物
質を透過した電磁波だけでなく、被測定物質の不均一ま
たは気泡の存在による散乱電磁波も同時に受信される。
濃度測定に必要な受信電磁波は、被測定物質を透過した
電磁波であるため、散乱電磁波が測定誤差の原因とな
る。

【００５４】（第５の問題点）第５の問題点は、電磁波
送受信器の周波数帯域に起因する。

【００５５】従来方式の電磁波式濃度測定装置に用いら
れている電磁波送受信器は、使用できる電磁波周波数の
幅が狭く、また最適周波数にばらつきがあるという問題
点があった。

【００５６】図３０は、従来方式の電磁波式濃度測定装
置に用いられている電磁波送受信器の典型的特性を示す
グラフ図である。

【００５７】これは、リターンロス測定と称し、送信ア
ンテナに向けて送られた電力に対する、放射されずに反
射されて戻ってきた電力の比を、周波数を変えて測定し
たものであり、アンテナの効率検証法として一般的な測
定方法である。

【００５８】図３０において、縦軸の値が低い程、アン
テナとしての性能が高くなる。一般に、全てのアンテナ
の性能には周波数依存性があるが、従来方式の電磁波式
濃度測定装置に用いられている電磁波送受信器は、図３
０に示すように、最適周波数付近が鋭い谷になってお
り、使用できる周波数範囲が狭かった。

【００５９】また、最適周波数には、部品毎にばらつき
があったため、製品に使用する場合には、実際にリター
ンロス測定を行ない、最適周波数の適合する電磁波送受
信器の組を選別する必要があった。

【００６０】さらに、この問題は、電磁波式濃度測定装
置の性能・機能向上の妨げとなっていた。水を始めとす
る被測定物質には、電磁波周波数に対する依存性がある
ため、異なる周波数で測定を行なうことにより、得られ
る情報量は増加する。

【００６１】また、送信波と受信波との位相差を検出し
て濃度に変換する方式の電磁波式濃度測定装置では、３
６０°以上の位相差が生じた場合に、これを判定するこ
とが困難であるが、２つ以上の異なる周波数で位相差を
測定することにより、３６０°以上の位相差を判定する
ことができる。

【００６２】しかしながら、従来方式の電磁波式濃度測
定装置に用いられている電磁波送受信器は、使用できる
周波数範囲が狭かったため、事実上１周波数でしか測定
を行なうことができなかった。

【００６３】本発明の目的は、受信強度を大幅に増加し
て、高精度でかつ安定性の高い濃度測定を行なうことが
可能な小型でかつ性能の高い電磁波式濃度測定装置を提
供することにある。

【００６４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、被測定物質が存在している
測定管または測定容器の中に、電磁波送受信器により電
磁波を送信し被測定物質内を透過した電磁波を受信し
て、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する
電磁波式濃度測定装置において、電磁波送受信器に誘電
体導波路を用い、当該誘電体導波路より測定対象物へ直
接電磁波を送信するようにしている。

【００６５】従って、請求項１の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器に誘電体導波路を用
い、この誘電体導波路より測定対象物へ直接電磁波を送
信することにより、電磁波送受信器と被測定物質との間
の介在物が少ないため、受信強度を大幅に向上させるこ
とができる。これにより、導電性を有する物質において
受信強度不足のため測定困難となる問題を大きく改善
し、高精度でかつ安定性の高い濃度測定を行なうことが
できる。

【００６６】また、請求項２の発明では、上記請求項１
の発明の電磁波式濃度測定装置において、誘電体導波路
として、内部に誘電体を充填した金属導波管を用いてい
る。

【００６７】従って、請求項２の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、誘電体導波路として、内部に誘電体
を充填した金属導波管を用いることにより、誘電体導波
路の周囲を金属壁で囲んだ状態となり、誘電体導波路か
ら外部への電磁波漏れを防止して、電送特性を向上する
ことができる。

【００６８】さらに、請求項３の発明では、上記請求項
１の発明の電磁波式濃度測定装置において、誘電体導波
路として、ＮＲＤガイドを用いている。

【００６９】従って、請求項３の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、誘電体導波路としてＮＲＤガイドを
用いることにより、金属板の間隔を十分小さくとると、
誘電体導波路以外で電磁波伝搬を生じることができなく
なるため、誘電体導波路からの電磁波の漏れが無くな
る。これにより、前述した請求項２の発明と同様の作用
を、より単純な構成で得ることができる。

【００７０】一方、請求項４の発明では、被測定物質が
存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送受
信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電磁
波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度
を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送受
信器と被測定物質との間に、電磁波反射を低減する１／
４波長板を挿入している。

【００７１】従って、請求項４の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器と被測定物質との間
に、電磁波反射を低減する１／４波長板を挿入すること
により、異種物質間で生じる電磁波の反射を抑制する、
すなわち境界面での反射を抑制して、受信強度を向上さ
せることができる。

【００７２】また、請求項５の発明では、被測定物質が
存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送受
信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電磁
波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度
を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送受
信器として、誘電体ロッドアンテナを用いている。

【００７３】従って、請求項５の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器として誘電体ロッド
アンテナを用いることにより、誘電体ロッドアンテナを
被測定物質に突き出すと、棒状部分から電磁波が被測定
物質に伝わって被測定物質に伝搬し、一方棒状部分では
誘電体の境界が生じるが、電磁波伝搬方向に対して垂直
ではないため、電磁波の反射はほとんど起こらない。こ
れにより、前述した請求項４の発明と同様の反射低減作
用を別の原理により得ることができる。

【００７４】さらに、請求項６の発明では、被測定物質
が存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送
受信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電
磁波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃
度を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送
受信器として、内部に誘電体を充填した電磁ホーンを用
いている。

【００７５】従って、請求項６の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器として、内部に誘電
体を充填した電磁ホーンを用いることにより、電磁ホー
ンの開口面積を調整することで、電磁波が透過する範囲
を変更させることができるため、測定対象となる被測定
物質の中で実際に測定したい領域を自由に調整すること
ができる。

【００７６】一方、請求項７の発明では、被測定物質が
存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送受
信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電磁
波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度
を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送受
信器に、電磁波指向性および屈折率を調整する誘電体レ
ンズを組み合わせている。

【００７７】従って、請求項７の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器に、電磁波指向性お
よび屈折率を調整する誘電体レンズを組み合わせること
により、被測定物質に一様性の高い電磁波を透過させる
ことができ、また受信側では送信時に揃えられた向きに
進入する電磁波のみを受信することができ、散乱による
雑音成分の電磁波を除去することができ、前述した請求
項６の発明と同様に、測定対象となる被測定物質の中で
実際に測定したい領域を自由に調整することができる。

【００７８】また、請求項８の発明では、被測定物質が
存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送受
信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電磁
波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃度
を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送受
信器として、マイクロストリップアンテナを用いてい
る。

【００７９】従って、請求項８の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器としてマイクロスト
リップアンテナを用いることにより、電磁波送受信器が
単純化され、小型で軽量かつ安価な装置を実現すること
ができる。

【００８０】さらに、請求項９の発明では、被測定物質
が存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送
受信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電
磁波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃
度を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送
受信器として、円偏波アンテナを用いている。

【００８１】従って、請求項９の発明の電磁波式濃度測
定装置においては、電磁波送受信器として円偏波アンテ
ナを用いることにより、被測定物質には円偏波が伝搬
し、送信時と同じ向きの円偏波成分のみを受信するた
め、異なる向きの円偏波成分として散乱される電磁波を
除去し、誤差を低減することができる。

【００８２】一方、請求項１０の発明では、上記請求項
８の発明の電磁波式濃度測定装置において、マイクロス
トリップアンテナは、円偏波アンテナとしている。

【００８３】従って、請求項１０の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器として円偏波マイ
クロストリップアンテナを用いることにより、前述した
第８の発明の作用である小型化かつ軽量化と、前述した
第９の発明の作用でである誤差低減作用と同時に実現す
ることができる。

【００８４】また、請求項１１の発明では、上記請求項
８の発明の電磁波式濃度測定装置において、マイクロス
トリップアンテナは、複数の誘電体層と複数の導体層と
からなる多層構造としている。

【００８５】従って、請求項１１の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器として、複数の導
体層と複数の誘電体層とからなる多層マイクロストリッ
プアンテナを用いることにより、前述した第８の発明の
作用である小型化かつ軽量化を生かすことができると共
に、マイクロストリップアンテナの弱点である使用周波
数範囲の狭さを改善することができる。

【００８６】一方、請求項１２の発明では、被測定物質
が存在している測定管または測定容器の中に、電磁波送
受信器により電磁波を送信し被測定物質内を透過した電
磁波を受信して、被測定物質に含まれる測定対象物の濃
度を測定する電磁波式濃度測定装置において、電磁波送
受信器として、自己補対アンテナ、またはそれに類似し
た形状のアンテナを用いている。

【００８７】従って、請求項１２の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器として、自己補対
アンテナ、またはそれに類似した形状のアンテナを用い
ることにより、アンテナの送受信周波数特性が一定とな
るため、前述した第１１の発明と同様の作用を実現する
ことができる。

【００８８】また、請求項１３の発明では、上記請求項
１２の発明の電磁波式濃度測定装置において、電磁波送
受信器は、スパイラルアンテナとしている。

【００８９】従って、請求項１３の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器としてスパイラル
アンテナを用いることにより、前述した第１２の発明と
同様の作用である使用可能周波数領域の拡大作用と、前
述した第９の発明の作用である円偏波による性能向上作
用とを同時に実現することができる。

【００９０】さらに、請求項１４の発明では、上記請求
項１３の発明の電磁波式濃度測定装置において、スパイ
ラルアンテナは、円錐状に形成している。

【００９１】従って、請求項１４の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器として円錐スパイ
ラルアンテナを用いることにより、前述した第１３の発
明と同様の作用に加えてスパイラルアンテナに単指向性
を与えることができるため、送受信強度を上げることが
でき、Ｓ／Ｎ比が向上する、すなわち電磁波送受信特性
を向上させることができる。

【００９２】さらにまた、請求項１５の発明では、上記
請求項１３の発明の電磁波式濃度測定装置において、ス
パイラルアンテナは、マイクロストリップアンテナとし
て構成している。

【００９３】従って、請求項１５の発明の電磁波式濃度
測定装置においては、電磁波送受信器としてマイクロス
トリップスパイラルアンテナを用いることにより、前述
した第１３の発明と同様の作用に加えてスパイラルアン
テナに単指向性を与えることができるため、電磁波送受
信特性を向上させることができる。また、前述した第１
４の発明と同様の作用を実現することができる。

【００９４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００９５】（第１の実施の形態：請求項１に対応）図
１は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図２８と同一要素には同一符号
を付して示している。

【００９６】図１において、被測定物質１は、測定管
（または測定容器）２の中に存在している。

【００９７】変換手段４より高周波を発生し、導波路５
ａを通じて、電磁波送信器である誘電体導波路８ａに導
き、この導波路８ａより被測定物質１へ直接電磁波を送
信して入射する。そして、入射された電磁波は、被測定
物質１の中を透過する。

【００９８】被測定物質１の中を透過する透過電磁波７
は、被測定物質１の性質の違いによって、強度と伝搬速
度が変化する。この透過電磁波７は、電磁波受信器であ
る反対側の誘電体導波路８ｂを通って受信され、導波路
５ｂを通じて変換手段４に伝える。

【００９９】変換手段４は、送信波と受信波の情報を、
被測定物質１に含まれる測定対象物の濃度に変換する。

【０１００】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電磁波式濃度測定装置の作用について説明する。

【０１０１】図１において、変換手段４で発生した高周
波は、まず導波路５ａを通り、誘電体導波路８ａに導か
れる。誘電体導波路８ａに導かれた電磁波は、被測定物
質１に直接入射される。そして、被測定物質１を透過し
た電磁波は、誘電体導波路８ｂで受信され、導波路５ｂ
を通じて変換手段４に伝えられる。

【０１０２】変換手段４では、送信波と受信波の情報を
基に、被測定物質１に含まれる測定対象物の濃度に変換
される。

【０１０３】変換方法としては、測定対象物による電磁
波の減衰を利用して送信波と受信波との強度比から濃度
を算出する方法、あるいは測定対象物による電磁波速度
の変化を利用する方法があるが、後者の方法を応用し
て、送信波と受信波の位相差を検出し濃度に変換する方
法が多く用いられる。

【０１０４】ここで、電磁波は、誘電体導波路８ａに導
かれた後、被測定物質１に直接導かれることから、前述
した図２８の場合と比較すると、本実施の形態の方が、
変換手段４と被測定物質１との間の介在物が少ない。

【０１０５】そのため、電磁波の全体の透過率は、図２
８の場合には、前述の（６）式となり、本実施の形態の
場合には、誘電体導波路８ａの特性インピーダンスをＺ
ｇとすると、全体としての透過率ｔ′_totalは、次式の
ように表わされる。

【０１０６】

【数７】

【０１０７】そして、上記計算の通り受信強度が増大
し、電気計算に使用した状況では、具体例として、誘電
体導波路８ａに用いる誘電体として、最も一般的な比誘
電率２のテフロン樹脂を用い、被測定物質１が水であっ
たとすると、透過率は０．０７４となり、前述した従来
の場合と比較して、約４５％強度が増加する。

【０１０８】また、誘電体導波路８ａに用いる誘電体と
して、より一層誘電率が高い物質を用いることにより、
受信強度をさらに上げることができる。

【０１０９】高周波用材料として用いられる誘電体セラ
ミックスは、組成比を調整することにより、様々な誘電
率を持った製品がある。その中には、高い誘電率を持っ
たものもあり、比誘電率２０〜３０程度のものを探すこ
とは難しくない。

【０１１０】ここで、比誘電率３０の誘電体セラミック
スを使用した場合、比誘電率３０の誘電体の特性インピ
ーダンスは６８．８（Ω）であり、これを誘電体導波路
８ａとして、上記（７）式により誘電率を計算すると、
０．５７５となり、従来の場合と比較して１０倍以上の
大幅な改善になる。

【０１１１】理想的には、水と同じ誘電率を持った誘電
体を用いることができれば、透過率は１となる。水は、
導電性を有し、水中で電磁波は減衰を受けるため、水路
を誘電体導波路８ａとして使用することはできない。し
かし、近年では、誘電率８０程度の誘電体セラミックス
が入手可能である。

【０１１２】前述したように、水の誘電率は、温度と電
磁波周波数に依存するため、全ての条件で特性インピー
ダンスを完全に整合させることは困難であるが、被測定
物質１の温度と使用する周波数帯域に合わせて誘電体の
比誘電率を選択することにより、特性インピーダンスを
ほぼ整合させることが可能である。

【０１１３】これにより、導電性を有する物質において
受信強度不足のために測定困難となるという問題を大き
く改善することができる。

【０１１４】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波伝搬時の誘電体境界で生じる
反射を抑えて、電磁波受信強度を上げるようにしている
ので、Ｓ／Ｎ比の低下による測定精度の悪化を防止し
て、安定した濃度測定を行なうことが可能となる。

【０１１５】（第２の実施の形態：請求項２に対応）図
２は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１１６】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器である誘電体導波路として、金属導波管９の内
部に誘電体１０を充填したものを用いる構成としてい
る。

【０１１７】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、誘電体導波路として、内
部に誘電体１０を充填した金属導波管９を用いているこ
とにより、誘電体導波路の周囲を金属壁で囲んだ状態と
なるため、誘電体導波路から外部への電磁波漏洩が防止
される。

【０１１８】これにより、電磁波の損失をさらに少なく
することができ、電磁波の電送特性を向上することがで
きる。

【０１１９】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波の損失をより一層少なくし
て、電磁波の電送特性を向上することが可能となる。

【０１２０】（第３の実施の形態：請求項３に対応）図
３は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１２１】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器である誘電体導波路として、ＮＲＤガイドを用
いる構成としている。

【０１２２】ここで、ＮＲＤガイドは、誘電体１０を２
枚の金属板１１で挟んだ構成をとり、ＮＲＤガイドを形
成している。

【０１２３】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、誘電体導波路として誘電
体１０を２枚の金属板１１で挟んだ構成のＮＲＤガイド
を用いていることにより、金属板１１の間隔を十分小さ
くとると、誘電体導波路以外で電磁波伝搬を生じること
ができなくなるため、誘電体導波路からの電磁波漏洩が
無くなる。

【０１２４】これにより、前述した第２の実施の形態の
場合と同様の電磁波損失抑制作用を、より単純な構成で
得ることができる。

【０１２５】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、より単純な構成で電磁波の損失をよ
り一層少なくして、電磁波の電送特性を向上することが
可能となる。

【０１２６】（第４の実施の形態：請求項４に対応）図
４は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１２７】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器である誘電体導波路８ａ，８ｂと被測定物質１
との間に、電磁波反射を低減する１／４波長板１２を挿
入する構成としている。

【０１２８】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、誘電体導波路８ａ，８ｂ
と被測定物質１との間に、電磁波反射を低減する１／４
波長板１２を挿入していることにより、異種物質間で生
じる電磁波の反射を抑制する、すなわち境界面での反射
を抑制して、前述した第１の形態の場合よりもさらに大
きな受信強度を確保することができる。

【０１２９】ここで、１／４波長板１２とは、電磁波損
失の小さい誘電体の板厚を調整し、使用する電磁波に対
して１／４波長となるようにしたものである。

【０１３０】使用する電磁波の周波数をｆ、比誘電率ε
_rの誘電体中の波長をλ、真空中の電磁波速度をｃとす
ると、１／４波長板１２の板厚ｄは、誘電率εを用いて
次式のように表わされる。

【０１３１】

【数８】

【０１３２】１／４波長板１２には、異種物質間で生じ
る電磁波の反射を抑制する作用があり、以下にその原理
について述べる。

【０１３３】図５に模式図を示すように、物質１と物質
３との間に、１／４波長分の厚さを持つ物質２を挿入し
た場合を考える。物質１より入射した電磁波は、物質１
と物質２、物質２と物質３のそれぞれの境界面で反射を
生じる。このように、境界面が２箇所以上ある場合に
は、中間の物質で多重反射が発生する。図５の場合に
は、物質２の前後で多重反射が生じており、物質１に戻
る反射波は、次の反射波を合成したものとなる。

【０１３４】（ａ）物質１と物質２との境界で生じた反
射波（ｂ）物質２と物質３との境界で生じた反射波（ｃ）物質２の内部を２回往復した反射波（ｄ）物質２の内部を３回往復した反射波、以後無限回
まで続く。

【０１３５】ここで、物質２の厚さが１／４波長である
ことを考えると、（１）の反射波と（２）の反射波は物
質２を１往復した分、すなわち半波長分の位相が異な
る。このため、（ａ）の反射波と（ｂ）の反射波は互い
に打ち消し合う。同様にして考えると、偶数番目の反射
波と奇数番目の反射波とがそれぞれ打ち消し合うことが
分かる。

【０１３６】それぞれの境界での反射は、前述の（５）
式によって求められるから、図５の場合の反射係数も、
これを応用して計算することができる。そして、物質
１、物質２、物質３の特性インピーダンスをそれぞれＺ
₁、Ｚ₂、Ｚ₃とすると、次式のような条件を満たす場
合に、反射波が完全に打ち消されることが分かる。

【０１３７】

【数９】

【０１３８】すなわち、特に（９）式の関係が成立する
ように、１／４波長板１２の材質を選択することによ
り、反射を完全に除去することができる。

【０１３９】反射が減少すれば、より多くの電磁波が物
質２を経由して物質３まで伝搬するため、反射率の減少
分だけ透過率が増加する。

【０１４０】なお、上記の説明では、物質２の厚さは１
／４波長であるとしたが、より一般的には、厚さｄが

【０１４１】

【数１０】

【０１４２】となる全ての場合において有効である。

【０１４３】これにより、電磁波式濃度測定装置に１／
４波長板１２を組み合わせることにより、境界面での反
射を抑制して、受信強度を向上させることができる。

【０１４４】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波伝搬時の誘電体境界で生じる
反射を抑えて、前述した第１の形態の場合よりもさらに
電磁波受信強度を上げるようにしているので、Ｓ／Ｎ比
の低下による測定精度の悪化を防止して、より一層安定
した濃度測定を行なうことが可能となる。

【０１４５】（第５の実施の形態：請求項５に対応）図
６は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１４６】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器である誘電体導波路８ａ，８ｂの先端に、電磁
波送受信方向に誘電体ロッド（棒状の誘電体）１３を取
り付け、これをアンテナとして電磁波の送受信を行な
う、すなわち電磁波送受信器である誘電体導波路８ａ，
８ｂとして誘電体ロッドアンテナを用いる構成としてい
る。

【０１４７】ここで、誘電体ロッド１３は、図５に示す
ように先が細くなっており、先端部は反射を防止するた
め丸みを設けている。また、本例では、誘電体ロッドア
ンテナを、被測定物質１に直接突き出した状態で使用す
るようにしている。

【０１４８】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器である誘
電体導波路８ａ，８ｂとして誘電体ロッドアンテナを用
いていることにより、誘電体ロッドアンテナを被測定物
質１に突き出すと、送信側の誘電体ロッド１３の形状を
工夫して先を細くしているため、誘電体ロッド１３の棒
状部分（壁面）から電磁波が漏れ出し、被測定物質１に
伝わって被測定物質１に伝搬する。

【０１４９】一方、棒状部分では誘電体の境界が生じる
が、電磁波伝搬方向に対して垂直ではないため、電磁波
の反射はほとんど起こらない。

【０１５０】この場合、誘電体ロッド１３と被測定物質
１の比誘電率が異なっている場合でも、大きな反射を生
じることなく送信を行なうことができる。また、受信時
も同様であり、誘電体ロッド１３の形状を工夫すること
により、反射による受信強度低下を抑制することができ
る。

【０１５１】これにより、前述した第４の実施の形態の
場合と同様の反射低減作用を、別の原理により得ること
ができる。

【０１５２】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波伝搬時の誘電体境界で生じる
反射を抑えて、さらに電磁波受信強度を上げるようにし
ているので、前述した第４の形態の場合と同様に、Ｓ／
Ｎ比の低下による測定精度の悪化を防止して、より一層
安定した濃度測定を行なうことが可能となる。

【０１５３】（第６の実施の形態：請求項６に対応）図
７は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１５４】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器である誘電体導波路として、金属導波管９の内
部に誘電体１０を挿入したものを用い、その先端に電磁
ホーン１４を取り付け、さらに電磁ホーン１４の内部に
誘電体１０を充填する、すなわち電磁波送受信器である
誘電体導波路として内部に誘電体１０を充填した電磁ホ
ーン１４を用いる構成としている。

【０１５５】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器である誘
電体導波路として、内部に誘電体１０を充填した電磁ホ
ーン１４を用いていることにより、電磁ホーン１４の開
口面積を調整することで、電磁波が透過する範囲を変更
させることができるため、測定対象となる被測定物質１
の中で実際に測定したい領域を自由に調整することがで
きる。

【０１５６】すなわち、電磁波が被測定物質１に入射す
る前に電磁ホーン１４を経由することにより、電磁波が
拡がった状態で被測定物質１に入射し、広範囲の被測定
物質１に電磁波が送信される。また、受信時も同様に、
電磁ホーン１４の開口部全体から入射する電磁波が受信
され、広範囲の被測定物質１からの透過電磁波が受信さ
れる。

【０１５７】前述した従来の場合には、電磁波透過窓３
ａ，３ｂを経由して電磁波を入射していたことから、被
測定物質１のうちで実際の測定対象となっているのは、
電磁波透過窓３ａ，３ｂ近辺の物質に限られていたのに
対して、本実施の形態では、電磁波送受信器に電磁ホー
ン１４を用い、電磁ホーン１４の開口面積を調整するこ
とにより、電磁波が透過する範囲を変更して電磁波に任
意の広がりを持たせることができるため、測定対象とな
る被測定物質１の中で実際に測定したい領域を自由に調
整することができる。

【０１５８】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、測定対象となる被測定物質１の中で
実際に測定したい領域を自由に調整することが可能とな
る。

【０１５９】（第７の実施の形態：請求項７に対応）図
８は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図７と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１６０】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第６の実施の形態における電磁ホ
ーン１４の先端に誘電体レンズ１５を取り付け、これに
より電磁波の広がりを調整する、すなわち電磁波送受信
器である誘電体導波路に、電磁波指向性および屈折率を
調整する誘電体レンズ１５を組み合わせる構成としてい
る。

【０１６１】本例では、誘電体レンズ１５を誘電体１０
よりも誘電率の高い物質で作成し、誘電体レンズ１５の
凸面を誘電体１０に突き出した半凸レンズとして形成し
ている。

【０１６２】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁ホーン１４の先端
に、電磁波指向性および屈折率を調整する誘電体レンズ
１５を取り付けていることにより、誘電体レンズ１５
は、可視光におけるレンズと同様の原理で電磁波の向き
を変え、電磁波の指向性を調整するため、測定対象とな
る被測定物質１の中で実際に測定したい領域を自由に調
整することができる。

【０１６３】すなわち、電磁ホーン１４で広げられた電
磁波が誘電体レンズ１５によって方向を変え、送信電磁
波の進行方向が揃えられる。これにより、被測定物質１
に一様性の高い電磁波を透過させることができる。ま
た、受信側では送信時に揃えられた向きに進入する電磁
波のみを受信することができ、散乱による雑音成分の電
磁波を除去することができる。

【０１６４】これにより、前述した第６の実施の形態の
場合と同様に、測定対象となる被測定物質１の中で実際
に測定したい領域を自由に調整することができる。

【０１６５】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波の指向性を制御するようにし
ているので、被測定物質１への電磁波伝搬範囲を使用目
的に応じて制御することができるため、前述した第６の
形態の場合と同様に、測定対象となる被測定物質１の中
で実際に測定したい領域を自由に調整することが可能と
なる。

【０１６６】（変形例）上記において、誘電体レンズ１
５の材質として、誘電体１０よりも誘電率の小さい物質
を用いる場合には、図７の場合とは逆に凹レンズにする
ことにより、図７の実施の形態の場合と同様の作用効果
を得ることができる。

【０１６７】（第８の実施の形態：請求項８に対応）図
９は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概要
構成例を示す図であり、図１と同一要素には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１６８】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１の実施の形態における電磁波
送受信器としてマイクロストリップアンテナ１６を用
い、このマイクロストリップアンテナ１６の導体面を被
測定物質１に直接接して送信する構成としている。

【０１６９】ここで、マイクロストリップアンテナ１６
は、導体層に誘電体層を乗せた基板上に面状の導体を配
してアンテナとするものである。

【０１７０】図１０は、マイクロストリップアンテナの
一般的構成例を示す図である。すなわち、図１０に示す
ように、接地導体層１０１の上に誘電体層１０２を重
ね、この誘電体層１０２の上にアンテナ素子層１０３を
配した構成としている。

【０１７１】なお、図１０では、アンテナ素子層１０３
は円形であるが、方形のアンテナ素子層もよく用いられ
る。マイクロストリップアンテナは、通常、送受信媒質
に対して、１波長あるいは１／２波長分の方形パッチ形
状または円形パッチ形状のアンテナ素子層を形成するの
が一般的である。マイクロストリップアンテナの一般的
特徴として、小型、軽量、平面状であり、基板から製造
できるため大量生産に適していることが挙げられる。

【０１７２】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器としてマ
イクロストリップアンテナ１６を用いていることによ
り、電磁波送受信器が単純化され、小型で軽量かつ安価
なものとすることができる。

【０１７３】さらに、電磁波式濃度測定装置では、被測
定物質１が水等の誘電率の高い物質である場合が多い。
そして、これら高誘電率の被測定物質１に直接マイクロ
ストリップアンテナ１６の導体面を接して、被測定物質
１に直接電磁波の送受信を行なう方式をとることによ
り、アンテナに対する送受信媒質は高誘電率の被測定物
質１となる。すると、前述の（８）式のように、誘電体
内の電磁波波長は誘電体の平方根に反比例するから、通
常の空気中に対するマイクロストリップアンテナ１６と
比較してアンテナ素子の大きさが小さくなる。

【０１７４】例えば、被測定物質１に水を想定して比誘
電率が８０であるとすると、これに直接電磁波の送受信
を行なうマイクロストリップアンテナ１６の大きさは、
空気を媒質とするアンテナの約１１％になる。元々、マ
イクロストリップアンテナ１６は、小型で軽量なアンテ
ナであるが、本実施の形態によればより一層小型のアン
テナを実現することができる。

【０１７５】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、電磁波送受信器が単純化され、小型
で軽量かつ安価な装置を得ることが可能となる。

【０１７６】（第９の実施の形態：請求項８に対応）図
１１は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の概
要構成例を示す図であり、図９と同一要素には同一符号
を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分につい
てのみ述べる。

【０１７７】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第８の実施の形態におけるマイク
ロストリップアンテナ１６と被測定物質１との間に、誘
電体板１７を挿入する構成としている。

【０１７８】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、マイクロストリップアン
テナ１６と被測定物質１との間に、誘電体板１７を挿入
していることにより、被測定物質１の誘電率が、被測定
物質１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合
にも、安定して測定を行なうことができる。

【０１７９】すなわち、マイクロストリップアンテナ１
６の最適送受信周波数は、導電部の寸法と伝搬媒質の波
長とによって決まる。前述した第８の実施の形態の図９
に示すような構成では、伝搬媒質が被測定物質１である
ため、被測定物質１の誘電率が被測定物質１の温度や測
定対象物の濃度によって変化する場合は、媒質内の波長
が変化するため、最適送受信周波数は変化する。そのた
め、誘電率変化が大きい場合には、図９の構成を採用す
ることが困難になることもある。

【０１８０】これに対して、図１１に示す本実施の形態
では、マイクロストリップアンテナ１６と被測定物質１
との間に誘電体板１７を挿入していることにより、マイ
クロストリップアンテナ１６に対する伝搬媒質は誘電体
板１７になる。このため、被測定物質１に起因する誘電
率変化が生じた場合でも、マイクロストリップアンテナ
１６の最適送受信周波数は変化せず、マイクロストリッ
プアンテナ１６のメリットはそのままに、安定して測定
を行なうことができる。

【０１８１】さらに、誘電体板１７の厚さを調整して、
１／４波長板とすることにより、誘電体境界で生じる反
射を削減することができる。

【０１８２】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、マイクロストリップアンテナ１６のメリットであ
る、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となる。

【０１８３】（第１０の実施の形態：請求項９に対応）
図１２は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装置の
概要構成例を示す図であり、図２８と同一要素には同一
符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分に
ついてのみ述べる。

【０１８４】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した従来の構成における電磁波送受信
器として円偏波アンテナ１８を用いる構成としている。

【０１８５】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器として円
偏波アンテナ１８を用いていることにより、被測定物質
１には円偏波１９が伝搬する。この場合、円偏波の送受
信を行なう円偏波アンテナ１８の偏波方向を揃えておく
ことにより、散乱等によって生じる反対方向の偏波成分
を除去して、濃度測定誤差を低下させる作用を奏する。

【０１８６】すなわち、円偏波１９は、電磁界が電磁波
進行方向を軸として時間と共に回転する電磁波であり、
右回転（正）の円偏波、左回転（負）の円偏波の２種類
がある。円偏波アンテナ１８は、円偏波の送受信を行な
うアンテナであるが、正負どちらか一方の円偏波のみを
送受信対象とするという大きな性質を有する。そのた
め、受信用の円偏波アンテナ１８には、そのアンテナと
同じ方向の円偏波成分だけが受信され、もう一方の円偏
波成分は受信されない。

【０１８７】一方、先に第４の問題点として、被測定物
質１の不均一または気泡の存在による散乱電磁波を受信
することによって誤差が大きくなる問題点を説明した
が、本実施の形態では、円偏波アンテナ１８を用いて、
送受信アンテナの偏波方向を正負どちらかに統一してい
ることから、被測定物質１の不均一または気泡の存在に
よって円偏波１９が散乱される場合、一般に偏波方向は
保存されず、正負両方の偏波成分が散乱される。このた
め、受信アンテナで送信時と同じ向きの円偏波成分のみ
を受信することにより、異なる向きの円偏波成分として
散乱される電磁波を除去し、誤差を低減することができ
る。

【０１８８】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、偏波方向の異なる散乱電磁波を受信
しないようにしているので、Ｓ／Ｎ比並びに濃度測定精
度を向上させることが可能となる。

【０１８９】（第１１の実施の形態：請求項１０に対
応）図１３は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図９および図１１と同
一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここで
は異なる部分についてのみ述べる。

【０１９０】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第８または第９の実施の形態にお
ける電磁波送受信器として円偏波マイクロストリップア
ンテナ２０を用いる構成としている。

【０１９１】ここで、円偏波マイクロストリップアンテ
ナ２０は、導体面の形状や、給電方法に工夫を加えるこ
とにより、円偏波アンテナとして構成することができ
る。

【０１９２】図１４は、円偏波マイクロストリップアン
テナ２０の一般的構成例を示す図である。なお、図１４
には、アンテナ素子パターンのみを示している。

【０１９３】すなわち、図１４に示すように、アンテナ
素子に切り欠きまたは突き出し部を与えることで、円偏
波マイクロストリップアンテナを構成することができ
る。

【０１９４】なお、図１４に類したパターンでアンテナ
素子層を形成することによっても実現することができ
る。

【０１９５】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器として円
偏波マイクロストリップアンテナ２０を用いていること
により、前記第８または第９の実施の形態で述べたマイ
クロストリップアンテナのメリットである、電磁波送受
信器が単純化され、小型で軽量である上、前記第１０の
実施の形態の作用で説明した円偏波アンテナの雑音成分
低減作用を奏することができる。

【０１９６】なお、図１３では、円偏波マイクロストリ
ップアンテナ２０を被測定物質１に直接当てているが、
前述の図１１に示すように、誘電体層を介して適用する
こともできる。この場合には、アンテナ特性が被測定物
質１の誘電率変化に依存することなく、安定した濃度測
定を行なうことが可能となる。

【０１９７】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、Ｓ／Ｎ比並
びに濃度測定精度を向上させることが可能となる。

【０１９８】（第１２の実施の形態：請求項１１に対
応）図１５は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図９および図１１と同
一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここで
は異なる部分についてのみ述べる。

【０１９９】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第８または第９の実施の形態にお
ける電磁波送受信器として複数の誘電体層と複数の導体
層とからなる多層マイクロストリップアンテナ２１を用
いる構成としている。

【０２００】前述の図３０に、従来型の電磁波送受信器
の典型的特性を示したが、実はマイクロストリップアン
テナも従来型の電磁波送受信器と同様に、使用できる周
波数範囲は広くない。そのため、マイクロストリップア
ンテナを設計周波数以外で使用することは困難である。

【０２０１】しかしながら、マイクロストリップアンテ
ナの導体層の上に、さらに誘電体層と導体層を重ねるこ
とにより、使用できる周波数範囲を広げることができ
る。

【０２０２】図１６は、多層マイクロストリップアンテ
ナ２１の一般的構成例を示す図である。

【０２０３】すなわち、図１６に示すように、アンテナ
素子層の上に第２誘電体層１０５を重ね、その上に電気
的に結合していない導体層１０６を配した構成としてい
る。誘電体層１０２と第２誘電体層１０５は、一般に誘
電率が異なるものが用いられる。また、アンテナ素子層
１０３に対して、導体層１０６は一回り小さくとるのが
一般的である。

【０２０４】なお、図１６は２層構成の場合であるが、
３層以上の多層構成とすることも考えられる。

【０２０５】図１７は、多層マイクロストリップアンテ
ナ２１の典型的リターンロス特性を示す図である。

【０２０６】すなわち、図１７に示すように、最適周波
数付近の谷が緩やかになっているため、使用できる周波
数の幅が広がり、複数の周波数を用いることができるよ
うになる。また、送受信強度の周波数依存性が低下する
ため、製造時に電磁波送受信器の特性を測定して適当な
組を選別する必要が無くなる。

【０２０７】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器として複
数の誘電体層と複数の導体層とからなる多層マイクロス
トリップアンテナ２１を用いていることにより、前記第
８または第９の実施の形態で述べたマイクロストリップ
アンテナのメリットである、電磁波送受信器が単純化さ
れ、小型で軽量である上、マイクロストリップアンテナ
の弱点である使用周波数範囲の狭さを改善することがで
きる。

【０２０８】なお、図１５では、多層マイクロストリッ
プアンテナ２１を被測定物質１に直接当てているが、前
述の図１１に示すように、誘電体層を介して適用するこ
ともできる。

【０２０９】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、広い周波数
範囲で使用することができ、さらに使用周波数の調整を
行なう必要がなくなる。

【０２１０】（第１３の実施の形態：請求項１２に対
応）図１８は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図２８と同一要素には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【０２１１】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した従来の構成における電磁波送受信
器として自己補対型アンテナ２２、またはそれに類似し
た形状のアンテナを用いる構成としている。

【０２１２】ここで、理想的な自己補対アンテナ２２
は、無限平面上に導体部と空間部を中心対称に配した構
成としており、その一例を図１９に示す。

【０２１３】自己補対アンテナ２２の大きな特徴は、そ
の入力インピーダンスが、電磁波の周波数によらず送受
信媒質の特性インピーダンスの１／２となることであ
る。

【０２１４】図２０は、理想的な自己補対アンテナ２２
のリターンロス特性を示す図である。

【０２１５】図２０に示すように、インピーダンスは常
に媒質の１／２であるため、完全なインピーダンス整合
はとれず、常に一定の損失を生じるが、いかなる周波数
でも使用できるアンテナを構成することができる。

【０２１６】実際には、無限平面を構成することが不可
能であるため、アンテナの大きさは有限としなければな
らない。そこで、必要とする最低周波数に合わせて、最
低周波数に対応する波長程度の大きさとしてアンテナを
構成する。

【０２１７】図２１は、この場合のリターンロス特性を
示す図であり、ある最低周波数以上が使用可能となる。

【０２１８】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器として自
己補対型アンテナ２２、またはそれに類似した形状のア
ンテナを用いていることにより、前記第１２の実施の形
態の作用で説明したように、アンテナの送受信周波数特
性が一定となるため、従来方式で問題となっていた送受
信器の使用可能周波数幅の狭さを解決することができ
る。

【０２１９】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、広い周波数
範囲で使用することができ、さらに使用周波数の調整を
行なう必要がなくなる。

【０２２０】（第１４の実施の形態：請求項１３に対
応）図２２は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図２８と同一要素には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【０２２１】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１３の実施の形態における電磁
波送受信器としてスパイラルアンテナ２３を用いる構成
としている。

【０２２２】図２３（ａ）および（ｂ）は、スパイラル
アンテナ２３の一般的構成例を示す図である。

【０２２３】すなわち、図２３に示すように、スパイラ
ルアンテナ２３は、自己補対アンテナの一種であり、中
心より導体を渦巻き状に配置した構成としている。

【０２２４】図２３（ａ）は、２枚の導体板を渦巻き状
に配置したものである。渦巻きの数学的形状は、等角、
対数の２種類が一般的であり、特に対数を用いたものを
ログスパイラルアンテナと称する。

【０２２５】また、図２８（ｂ）は、２本の導線を渦巻
き状に巻いたものであり、これをアルキメデススパイラ
ルアンテナと称する。

【０２２６】このスパイラルアンテナ２３は、その形状
が示す通り、円偏波の送受信を行なうため、自己補対ア
ンテナの特性と、円偏波アンテナの特性とを兼ね備えて
いる。

【０２２７】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器としてス
パイラルアンテナ２３を用いていることにより、前記第
１３の実施の形態で説明した使用可能周波数領域の拡大
作用と共に、前記第１０の実施の形態で説明した円偏波
による雑音成分除去作用とを併せて奏することができ
る。

【０２２８】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、広い周波数
範囲で使用することができ、使用周波数の調整を行なう
必要がなくなり、さらにＳ／Ｎ比並びに濃度測定精度を
向上させることが可能となる。

【０２２９】（第１５の実施の形態：請求項１４に対
応）図２４は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図２２と同一要素には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【０２３０】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１４の実施の形態における電磁
波送受信器としてスパイラルアンテナを円錐状に形成し
た円錐スパイラルアンテナ２４を用いる構成としてい
る。

【０２３１】図２５は、円錐スパイラルアンテナ２４の
一般的構成例を示す図である。

【０２３２】元々のスパイラルアンテナは、渦巻き面に
対して表側と裏側の両方に指向性を有する双指向性アン
テナであるが、電磁波式濃度測定装置には一方向に指向
性を有する単指向性アンテナが望ましい。この場合、ス
パイラルアンテナを円錐状に形成することにより、単指
向性の円錐スパイラルアンテナを実現することができ
る。

【０２３３】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器として円
錐スパイラルアンテナ２４を用いていることにより、前
記第１４の実施の形態で説明したスパイラルアンテナ２
３を用いたことによる作用を奏するのに加えて、スパイ
ラルアンテナに単指向性を与えることができるため、電
磁波送受信強度を上げることができ、Ｓ／Ｎ比を向上す
ることができる。

【０２３４】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、広い周波数
範囲で使用することができ、使用周波数の調整を行なう
必要がなくなり、さらにＳ／Ｎ比の低下による測定精度
の悪化を防止して、安定した濃度測定を行なうことが可
能となる。

【０２３５】（第１６の実施の形態：請求項１５に対
応）図２６は、本実施の形態による電磁波式濃度測定装
置の概要構成例を示す図であり、図２２と同一要素には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【０２３６】すなわち、本実施の形態の電磁波式濃度測
定装置では、前述した第１４の実施の形態における電磁
波送受信器としてスパイラルアンテナをマイクロストリ
ップアンテナとして構成したマイクロストリップスパイ
ラルアンテナ２５を用いる構成としている。

【０２３７】図２７は、マイクロストリップスパイラル
アンテナ２５の一般的構成例を示す図である。

【０２３８】マイクロストリップスパイラルアンテナ２
５は、図２７に示すように、マイクロストリップ基板状
に導体面をスパイラルアンテナとして形成して実現する
ことができる。このようにマイクロストリップ基板上に
スパイラルアンテナを構築すると、通常のスパイラルア
ンテナと異なり、裏面に対する指向性を有しない。その
ため、単指向性のスパイラルアンテナを構成することが
できる。

【０２３９】以上のように構成した本実施の形態の電磁
波式濃度測定装置においては、電磁波送受信器としてマ
イクロストリップスパイラルアンテナ２５を用いている
ことにより、前記第１４の実施の形態で説明したスパイ
ラルアンテナ２３を用いたことによる作用を奏するのに
加えて、スパイラルアンテナに単指向性を与えることが
できるため、電磁波送受信強度を上げることができ、Ｓ
／Ｎ比を向上することができる。

【０２４０】また、アンテナが小型であり、装置全体を
コンパクトに構成することができる。

【０２４１】上述したように、本実施の形態の電磁波式
濃度測定装置では、被測定物質１の誘電率が被測定物質
１の温度や測定対象物の濃度によって変化する場合に
も、小型で軽量かつ安価な点を維持しつつ、安定して測
定を行なうことが可能となるばかりでなく、広い周波数
範囲で使用することができ、使用周波数の調整を行なう
必要がなくなり、さらにＳ／Ｎ比の低下による測定精度
の悪化を防止して、安定した濃度測定を行なうことが可
能となる。

【０２４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電磁波式
濃度測定装置によれば、電磁波伝搬時の誘電体境界で生
じる反射を抑えて、電磁波受信強度を上げるようにして
いるので、Ｓ／Ｎ比の低下による測定精度の悪化を防止
して安定した濃度測定を行なうことが可能となる。

【０２４３】また、電磁波の指向性を制御するようにし
ているので、被測定物質への電磁波伝搬範囲を使用目的
に応じて制御することができ、また電磁波送受信器の寸
法を小さくすることにより、装置を小型化することが可
能となる。

【０２４４】さらに、偏波方向の異なる散乱電磁波を受
信しないようにしているので、Ｓ／Ｎ比並びに濃度測定
精度を向上させ、また広い周波数範囲で使用することが
でき、さらに使用周波数の調整を行なう必要がなくな
る。

【０２４５】以上により、異種誘電体境界で発生する反
射を低減するための各種手段を施すようにしているの
で、受信強度が増加し、高精度かつ安定性の高い電磁波
式濃度測定装置を得ることができ、また電磁波送受信器
に高精度、単指向性、小型化、広帯域のための各種手段
を施すようにしているので、従来よりも性能の高い電磁
波式濃度測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１の実
施の形態を示す構成図。

【図２】本発明による電磁波式濃度測定装置の第２の実
施の形態を示す構成図。

【図３】本発明による電磁波式濃度測定装置の第３の実
施の形態を示す構成図。

【図４】本発明による電磁波式濃度測定装置の第４の実
施の形態を示す構成図。

【図５】多層マイクロストリップアンテナの一般的構造
を示す図。

【図６】本発明による電磁波式濃度測定装置の第５の実
施の形態を示す構成図。

【図７】本発明による電磁波式濃度測定装置の第６の実
施の形態を示す構成図。

【図８】本発明による電磁波式濃度測定装置の第７の実
施の形態を示す構成図。

【図９】本発明による電磁波式濃度測定装置の第８の実
施の形態を示す構成図。

【図１０】多層マイクロストリップアンテナの典型的リ
ターンロス特性を示す図。

【図１１】本発明による電磁波式濃度測定装置の第９の
実施の形態を示す構成図。

【図１２】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１０
の実施の形態を示す構成図。

【図１３】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１１
の実施の形態を示す構成図。

【図１４】自己補対アンテナの一般的形状を示す図。

【図１５】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１２
の実施の形態を示す構成図。

【図１６】理想的自己補対アンテナのリターンロス特性
を示す図。

【図１７】現実の自己補対アンテナの一般的リターンロ
ス特性を示す図。

【図１８】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１３
の実施の形態を示す構成図。

【図１９】スパイラルアンテナの一般的構造を示す図。

【図２０】円錐スパイラルアンテナの一般的構造を示す
図。

【図２１】マイクロストリップスパイラルアンテナの一
般的構造を示す図。

【図２２】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１４
の実施の形態を示す構成図。

【図２３】従来方式による電磁波式濃度測定装置の概要
を示す構成図。

【図２４】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１５
の実施の形態を示す構成図。

【図２５】誘電体境界面による反射を説明するための模
式図。

【図２６】本発明による電磁波式濃度測定装置の第１６
の実施の形態を示す構成図。

【図２７】従来方式の電磁波式濃度測定装置における電
磁波送受信器の典型的リターンロス特性を示す図。

【図２８】１／４波長板の原理を説明するための模式
図。

【図２９】マイクロストリップアンテナの一般的構造を
示す図。

【図３０】円偏波マイクロストリップアンテナの一般的
素子パターンを示す図。

【符号の説明】

１…被測定物質、２…測定管、３ａ，３ｂ…電磁波透過窓、４…変換手段、５ａ，５ｂ…導波路、６ａ…送信アンテナ、６ｂ…受信アンテナ、７…透過電磁波、８ａ，８ｂ…誘電体導波路、９…金属導波管、１０…誘電体、１１…金属板、１２…１／４波長板、１３…誘電体ロッド、１４…電磁ホーン、１５…誘電体レンズ、１６…マイクロストリップアンテナ、１７…誘電体板、１８…円偏波アンテナ、１９…円偏波、２０…円偏波マイクロストリップアンテナ、２１…多層マイクロストリップアンテナ、２２…自己補対アンテナ、２３…スパイラルアンテナ、２４…円錐スパイラルアンテナ、２５…マイクロストリップスパイラルアンテナ、１０１…接地導体層、１０２…誘電体層、１０３…アンテナ素子層、１０４…同軸ケーブル、１０５…第２誘電体層、１０６…導体層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器に誘電体導波路を用い、当該誘電体
導波路より前記測定対象物へ直接電磁波を送信するよう
にしたことを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項２】前記請求項１に記載の電磁波式濃度測定
装置において、前記誘電体導波路として、内部に誘電体を充填した金属
導波管を用いたことを特徴とする電磁波式濃度測定装
置。
【請求項３】前記請求項１に記載の電磁波式濃度測定
装置において、前記誘電体導波路として、ＮＲＤガイドを用いたことを
特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項４】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器と前記被測定物質との間に、電磁波
反射を低減する１／４波長板を挿入したことを特徴とす
る電磁波式濃度測定装置。
【請求項５】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器として、誘電体ロッドアンテナを用
いたことを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項６】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器として、内部に誘電体を充填した電
磁ホーンを用いたことを特徴とする電磁波式濃度測定装
置。
【請求項７】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器に、電磁波指向性および屈折率を調
整する誘電体レンズを組み合わせたことを特徴とする電
磁波式濃度測定装置。
【請求項８】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器として、マイクロストリップアンテ
ナを用いたことを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項９】被測定物質が存在している測定管または
測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信し
前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記被
測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁波
式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器として、円偏波アンテナを用いたこ
とを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項１０】前記請求項８に記載の電磁波式濃度測
定装置において、前記マイクロストリップアンテナは、円偏波アンテナで
あることを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項１１】前記請求項８に記載の電磁波式濃度測
定装置において、前記マイクロストリップアンテナは、複数の誘電体層と
複数の導体層とからなる多層構造としたことを特徴とす
る電磁波式濃度測定装置。
【請求項１２】被測定物質が存在している測定管また
は測定容器の中に、電磁波送受信器により電磁波を送信
し前記被測定物質内を透過した電磁波を受信して、前記
被測定物質に含まれる測定対象物の濃度を測定する電磁
波式濃度測定装置において、前記電磁波送受信器として、自己補対アンテナ、または
それに類似した形状のアンテナを用いたことを特徴とす
る電磁波式濃度測定装置。
【請求項１３】前記請求項１２に記載の電磁波式濃度
測定装置において、前記電磁波送受信器は、スパイラルアンテナとしたこと
を特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項１４】前記請求項１３に記載の電磁波式濃度
測定装置において、前記スパイラルアンテナは、円錐状
に形成したことを特徴とする電磁波式濃度測定装置。
【請求項１５】前記請求項１３に記載の電磁波式濃度
測定装置において、前記スパイラルアンテナは、マイクロストリップアンテ
ナとして構成したことを特徴とする電磁波式濃度測定装
置。