JP2001509599A - 電気、磁気およびそれ等から導かれる材料特性を測定および／または表示する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気、磁気、およひそれ等から導ける材料特性を測定および／または表示する装置に係わるこの発明の課題は、測定の深さ作用を改善し、広い限界内で表面幾何学形状と測定感度を検査すべき試料に合わせることにある。これは、処置器を形成する共振器が電気的に結合している二つまたはそれ以上の導体構造体で構成され、これ等の導体構造体は少なくとも共振時に生じる電圧最大値または負荷重心点の幾つかの領域で測定物体の方向に向けて開放していて、測定物体に対する界面のところで測定物体に向けて開放している負荷重心点の生じた重畳場が得るべき場の幾何学形状に近似するように導体構造体を配置することにより解決されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、請求項１の前段による電気、磁気およびそれ等から導かれる材料
特性を測定および／または表示する装置に関する。この発明は、請求項２９の前
段による電気、磁気およびそれから導かれる材料特性を測定および／または表示
する装置にも関する。

【０００２】 高周波、あるいはマイクロ波反射、透過または共振器の配置は特定の試料や測
定品の材料パラメータ、つまり例えば誘電率、透磁率、水分量または密度を求め
る周知の形成物である。

【０００３】 透過率測定は少なくとも各一つの送信装置と受信装置を用いてかなり大きな経
費を必要とし、特定の試料の幾何学形状と規格寸法に結び付き、必ず試料を両側
から扱える必要があるため、測定問題の限られた分野にのみ適しているに過ぎな
い。

【０００４】 反射率測定は試料に片側から扱えるだけでよく、それ故に原理的に応用分野が
広い。しかし、ここでも方法に特有な制限がある。

【０００５】 周知の可能性では、試料を導波管または同軸ケーブルの端部に取り付け、反射
計数の測定を行い、それから調べる材料パラメータを求めている。この方法は、
必ず時間毎に検査すべき材料の個別試料を取り出し、導波管の幾何学寸法に合わ
せてその形状と表面状況を合わせることを前提とし、これにより材料パラメータ
を測定する時間と作業の経費が極度に上昇する。

【０００６】 搬送可能な媒質、特に液体材料には、材料パラメータ、水分と誘電率をオンラ
イン測定するため、ドイツ特許第 42 11 362号明細書に開示されている一部導波
管として形成された管導体の装置も使用できる。この装置内で透過または反射信
号を評価する。しかし、ここでも試料をマイクロ波装置に入れる必要がある。

【０００７】 共振器の原理に基づく装置は同じように機能する。国際出願ＷＯ 91/12518 号
明細書に開示されているように、試料の界面の領域の場力線が試料に平行に進み
、離調度または半値幅の変化または両方のパラメータから水分量を測定するよう
に試料を間欠的もしくは連続的に共振器内に入れる。この装置の難点は測定物を
共振器に直接またはバイパスを介して導入しなければならない必要性にある。測
定可能な試料の大きさや幾何学形状に対する制限は、試料界面と場力線の間の平
行度の必要性からくるもので、場力線は再び試料の大きさや幾何学形状に影響を
与える。また共振器の大きさや幾何学形状に応じて多数の振動モードを励起する
ことから前記制限が生じる。

【０００８】 [Stuchly, M.A., Stuchly, S.S.: Coaxial line reflection method for
measuring dielectric properties of biological substances at radio and
microwave frequencies - A review. IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-29
, 1980, pp. 176-183]に記載されているように、装置は例えば材料の上に載せて
ある開放された同軸ケーブルで形成されている。この装置では、電磁波の漏洩場
が給電同軸ケーブルの外部導体と内部導体の間の開放された面から媒質に移行し
、ケーブルの入口の反射計数の変化に基づき材料の誘電特性を判定できる。この
装置の明らかな難点は同軸ケーブルの開口が小さく、そのために漏洩場の到達範
囲が短く、特性を測定すべき測定物体との相互作用面が狭いことにある。相互作
用容積が小さいため、測定信号は試料の表面状態、局部的な不均一性および試料
との結合間隔に非常に強く依存する。その結果、そのような装置の測定精度は試
料の前処理なしには非常に制限されている。

【０００９】 試料の材料の誘電率を測定する洗練された方法は欧州特許第 0 657 733号明細
書に開示されている。しかし、この明細書に開示されている装置にも若干の難点
がある。即ち、使用するＨＦ共振器がその構造のため大抵の応用にある機械的な
負荷に対して敏感であるため、離調が生じ、その下で装置の測定精度に苦しむ。
更に、固体共振器の漏洩場は誘電率を測定すべき測定物に比較的小さく影響する
ので、誘電率に関する供述はほぼ測定物の表面に対してのみ行え、その容積につ
いては行えない。更に、この装置は比較的大きな機械的経費で作製される。この
方法の他の欠点は、両方の共振器に必要な広い測定面と、試料特性や両方の共振
器の相互作用面の間の結合条件の相違に対して感度であることにある。

【００１０】 望む材料パラメータを求めるため、例えばマイクロ条片導体のような非共振性
で開放された導体装置も多く使用されている。これ等の装置は一方の側で測定物
に接続し、材料パラメータを求めるために導体パラメータ、減衰と位相のずれが
利用される。こお装置の難点は往き導体と戻り導体の間の間隔が狭いため測定物
への場の到達距離が小さい点にある。従って、材料のパラメータは導体の直ぐ周
りでしか測定できなく、試料表面や結合条件の状況に対して感度が非常の高くな
るため、この方法の応用分野は非常に平坦であるか液体やペースト状の試料に限
定されている。

【００１１】 評価方法と関連して実質上液体、ペーストや粒状の物体に対して利用できる他
の装置はドイツ特許第 195 20 021 号明細書に開示されている。この場合には、
個別導体、例えば平行導線が測定物に直接取り付けてあるので、測定物は導体の
誘電体を形成する。反射計数の周波数依存性あるいは測定可能な共振最小値の間
隔から導体の伝播定数あるいは測定物の誘電率が算出される。この装置の主要な
難点は、導体を測定物に直接取り付ける必要があるため、固体の場合、非破壊性
の応用が不可能であること、材料が導体を空隙なしに狭く取り囲む必要があるこ
と、および材料特性の周波数依存性を考慮しなければならないほど共振周波数が
材料に強く依存して変化することにある。

【００１２】 この発明の課題は、上に述べた制限を回避し、改善された浸透作用を有し、広
い限界内で表面幾何学形状と測定感度を検査すべき試料に合わせることができる
高周波電磁振動により電気、磁気およびそれから導かれる材料特性を測定および
／または表示する装置を提供することにある。

【００１３】 この発明によれば、上記課題は測定した共振器または反射特性から材料パラメ
ータを算出する従来技術の方法を関連して請求項１と３２の特徴構成を持つ装置
により解決されている。有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

【００１４】 処置器としては、請求項１により、周知の構造様式の互いに結合した一つまた
はそれ以上の導体構造体から成る評価する周波数範囲で共振する構造体が使用さ
れる。この構造体は、少なくとも共振時に構造体で生じる電圧最大値もしくは負
荷重心点の幾つかの領域で測定物体の方向に開放し、得られる負荷重心点の重畳
場が測定物体に対する界面で所定の場幾何学形状にできる限り良好に近似するよ
うに配置されている。

【００１５】 そのような導体構造体が共振周波数の近くで電気的に励起されると、結合して
いる導体に同相と逆相の振動範囲または電圧最大値の一定の局部的な分布を持つ
定在波が生じ、これ等の定在波は対応する負荷重心点に付属している。この導体
が前記負荷重心点の領域で開放していると、往き導体と戻り導体の間の内部空間
に主に集中する個々の導体部分の電磁場に互いに逆相で振動する導体領域により
生じる他の漏洩場成分が重なる。

【００１６】 伝播定数や電波インピーダンスのようなセグメントの伝導特性は導体に結び付
く場成分の広がりが小さいので、処置器と測定試料の間の距離が非常に小さい場
合に初めて影響を受けるが、逆相で振動する領域の間の電気的および磁気的な漏
洩場は試料の間隔の時に共振特性量または反射特性量の評価可能なずれ、例えば
共振周波数、Ｑ値、インピーダンスあるいは反射計数のずれを与える。処置器の
適当な幾何学形状により、共振特性量の評価可能な試料に依存するずれとなり、
場の分布が導体に沿って、そしてこれにより処置器の表面に基づき変わっていな
いように、両方の場成分の重みを互いに合わせることができる。

【００１７】 反対の負荷重心点から出る漏洩場の到達距離は主にその間隔と試料と相互作用
する開放された面に依存するので、要求する処置器構造を用いて、導体の長さや
設計がその他の点で不変である場合、この間隔を目的に合わせて可変して、例え
ば適当な導体構成により、漏洩場の到達距離もしくは測定感度およびそれに結び
付く可能な最大試料距離と試料材料への侵入能力をほぼ不変な共振特性の場合に
別々に調整することができる。

【００１８】 多数の導体を適当に設置したり、測定物体に向けて開放している負荷重心点の
選択と相互の位置決めにより、所定の負荷分布を処置器の近くであるいは測定物
体の表面上で近似させることが可能である。この近似は共振性の導体セグメント
を微細にしかも多数選べば、それだけ良く成っている。

【００１９】 こうして、異なった測定範囲、測定感度、場到達距離あるいは侵入深さを有す
る特定な測定問題もしくは試料に特別に合った処置器の組をほぼ同じ共振特性量
の時に設定でき、同じ高周波測定装置と全ての後続部材を用い、同じ評価アルゴ
リズムを用いて多様な測定課題を解決することができる。

【００２０】 共振器の共振特性値あるいは反射特性値、あるいは測定試料を所定の間隔まで
近づけた場合のそれ等の特性値の変化は、使用する周波数範囲で通常の測定装置
（反射率計、方向結合器、位相または直角成分検出器、ベクトル電圧計、回路解
析器、掃引測定個所）を用いて、一つの周波数または多数の周波数で測定される
。共振特性量の試料に依存する変化から、場合によって、アナログ・デジタル変
換した後、マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラを用いてシュミレ
ーション計算により、適当な物理モデルに合わせることにより、あるいは試料基
準を周知の特定と比較して得られる多数の支持点により内挿することにより、誘
電率のような興味のある材料パラメータ、透磁率あるいは材料の水分が計算され
て表示される。

【００２１】 請求項２は共振器の実施可能性を記載している。この共振器は共振性の導体要
素と導電性の面要素の戻り導体が主要な面部分、その周囲あるいは包囲部と共に
共通な面上に配置されていることに特徴がある。このため、ＨＦ技術で普通の印
刷基板上の平坦な導体が共通の導電性の面、例えば金属板、金属箔または導電性
に被覆された成形体上で裏側の金属処理部または線材導線または帯状導線に対し
て空隙を持ってあるいは空隙なしに使用される。この場合、裏側の金属処理部あ
るいは導電性の面が同時に共通の基準面を形成する。戻り導体が閉じた面でなく
格子もしくは網目構造として形成すれば、これ等の包囲物が共通の基準面を形成
する。導体構造は大幅に直線状に、あるいは特別な曲線で形成され、主に試料に
対向する側で試料面にほぼ平行に形成される。

【００２２】 実際に大切な試料（例えばセラミックス部品、構造部品、粒状物質）に対する
粗さによる表面効果を低減するため、充分な測定感度の場合、できる限り大きい
試料間隔が望ましい。更に、顆粒状および不均一に集めた試料に関する測定はよ
り大きい試料容積に対して積分して行うべきである。これ等の要請は場の到達距
離ができる限り大きいあるいは反対の負荷重心点の間隔が大きい共振器のみが適
している。この場合、限界は使用する導体部分の半波長により与えられ、これは
誘電率や透磁率の低い導体誘電体、例えば空気を選んで最大で自由空間量まで延
びていてもよい。

【００２３】 任意に形成された共振器装置には一般に零とは異なる双極子モーメントを有す
る。つまり、逆相で振動する導体部分の場成分が遠距離で完全に相殺されていな
い、特に負荷重心点が重なっている時、電磁波を放射する。これ等の波は試料の
界面で反射し、処置器と相互作用するので、特に試料が小さい時に測定結果に対
して試料幾何学形状の影響は計算し難くなる。試料の横方向の寸法は大抵充分大
きく選ぶことができるが、試料の厚さは多くの場合制限されている（例えば、板
、壁、層材料の場合）。

【００２４】 それ故、材料パラメータを厚さに無関係に測定するため、特に横に延びた共振
器では双極子モーメントをなくすることが必要である。この双極子モーメントを
この発明によりなくするための有利な配置が請求項３と４に記載されている。こ
の場合、大切なことは一方で双極子モーメントが鏡面に対して垂直に補償される
同相励起される鏡面対称な共振器構造か、あるいは、逆相励起される反対称な共
振器構造であり、他方では双極子モーメントが偶数の回転軸に対して同じ方向で
完全に補償され、奇数の回転軸に対して数の増加と共により良く補償される半径
方向に対称な構造である。

【００２５】 請求項５〜８は、例えば電気的に開放された (2n＋1)λ/4導体あるいは短絡さ
れた nλ/2導体（λ 導体の波長、n 自然数）の形の導体共振器の有利な実現可
能性を記載している。これ等の導体は好ましくは一つの極性の負荷重心点だけを
必要とする場合に使用される。長さが波長の半整数倍である短絡導体あるいは導
体リングには極性が交番する多数の負荷重心点がある。一定の抵抗値である導体
端末あるいは接続点のシリーズ抵抗により、必要な場合、共振器の基本的なＱ値
を低減させることができるので、共振ピークが広がる。

【００２６】 請求項９は電極面または電極本体に端部で容量的に負荷を受けるシールド導体
の形の実施態様を記載している。この場合、導体の特性と負荷重心点と測定物体
との相互作用は互いに完全に無関係である。これにより、電極表面あるいは電極
本体の表面に依存する場の幾何学形状が生じ、これは理論的にモデル化するが用
意に、基準のない絶対測定が行える。

【００２７】 請求項１０は一定の電気的な整合あるいは一定の結合係数を達成するように共
振器および高周波測定装置の入力インピーダンスと出力インピーダンスを互いに
合わせる可能性を記載している。このため、共振器に固定連結し、処置器に組み
込まれていて、集中部品あるいは導線、最も簡単な場合、並列または直列に接続
された開放のまたは短絡した導体部分から成る同調回路が使用される。

【００２８】 請求項１１は電気的な単一ポートの形のただ一つの接続点を有する共振器を記
載している。これ等の共振器は比較的簡単に作製でき、反射の共振特性量を比較
的低経費で測定できる。

【００２９】 請求項１２は電気的な二ポートまたは多ポートの形の一つのまたは多数の共振
分岐路を有する透過共振器を記載している。これ等の共振器により、反射特性量
の評価の外に、透過特性量の測定も行える。

【００３０】 請求項１３は、外部電場が主に試料表面に垂直な面内を進み、処置器の回転に
より非等方特性の測定ができる共振器を記載している。

【００３１】 請求項１４は、共通に通電を受ける透過共振器の形の三つの異なる方向の同じ
少なくとも三つの非等方性共振器の配置を記載し、同時にあるいはマプチプレク
サを介して順次測定されたこれ等の共振器の透過特性量から試料の非等方特性を
処置器の回転なしに計算できる。これは、非等方性の試料特性の方向分布が相互
作用面内で楕円として描かれ、楕円の曲線が異なる方向の三つの点で完全に定ま
るから可能である。

【００３２】 請求項１５と１６は、試料の形状に応じて測定に望ましい場の幾何学形状を保
証する導体共振器の高対称性のあるいは特別に試料に合った表面形状を記載して
いる。

【００３３】 請求項１７は構造上特に簡単に作製できる共振器の形状を示し、ここでは通し
の導電性面、例えば金属薄板または金属化処理された印刷基板が全ての導体部分
の共通の戻り導体を形成し、同時に機械的な補強に利用されている。

【００３４】 請求項１８はリングあるいはディスクのような間隔保持体により、あるいは成
形された共振器領域に合わせて直接載置して測定試料と共振器電極の間に一定の
間隔を保証するため有利に使用できる可能性を記載している。

【００３５】 請求項１９は測定効果にとって重要な相互作用領域よりも負荷重心点での結合
面を広げてあるいは間隔を狭めて、あるいは両方の可能性を組み合わせて、試料
と処置器の間の結合を高める可能性を示す。

【００３６】 請求項２０に記載されている押圧装置を有する処置器は測定試料に取り付ける
ための再現性のある条件を提示し、特に結合間隔が狭い場合、あるいは直接載置
した時に顕著な測定結果の不安定性を交互の押圧、傾け等で無くする。

【００３７】 請求項２１に記載されている誘電性のカバーは処置器を機械的な損傷から保護
するために使用され、特に測定物との結合を改善し、試料が液体、ペースト状ま
たは粒子状である場合、測定物が導体構造体の中に侵入することを防止する。

【００３８】 請求項２２は固体、液体、ペースト状または粒子状の物質を測定するための差
込処置器または浸漬処置器を記載している。この場合、処置器の共振性の導体セ
グメントを凸状の面、例えば薄い円筒体またはほっそりとした円錐体のカバーの
上に配置すると効果的である。更に、使用する導体のタイプおよび試料のタイプ
に応じて、媒質が導体の中間空間へ侵入することを防止する誘電性のカバーは役
に立つ。固体の穴の中に、望む耐久性に応じて、例えば開脚ダボの助けでただ挿
入、挟持、接着、漆喰による固定、ネジ止めあるいは打ち込みにより処置器を固
定できる。

【００３９】 請求項２３は試料に対向する処置器の側に取り付けた柔軟に変形する誘電体に
よりざらざらした試料または処置器の前面に平行でない試料への結合が改善され
た特別な処置器の形状を記載し、この誘電体は適当な押圧で共振器と測定対象物
の間の中間空間の測定に有効な領域を均一に充填している。このため、誘電率を
測定物体に合わせてあり、可撓性のカバーの誘電損失が測定物に比べて無視でき
る液状、可塑性、溶融可能な、揺変性の、あるいは微粒状の材料が、例えば溶融
接着剤、処置器の前面に液体を満たした弾力性のあるクッション、あるいは穴の
中の処置器を締め付ける柔らかい可塑性の広がったカバーの形にして使用される
。

【００４０】 請求項２４は共振器の導体部分に対する実施例を記載している。このため、除
く伝導特性量と場分布に応じて、空隙があっりなかったりする誘電性の基板上の
平坦な導体、単芯または多芯の線状導体やバンド状導体のような殆ど全ての周知
の二導体や多導体配置が、実施例から明らかなるように、測定面上、溝内あるい
はスリットを付けた同軸導線が問題になる。更に、異なったこれ等の導体のタイ
プの組み合わせや導体部分に沿って導体寸法および間隔を目的を持って連続的に
あるいは階段状に可変している。

【００４１】 請求項２５は幾何学的に規則正しくあるいは不規則に縁取りされた平坦な導体
要素から成る共振器の特別なクラスを特定している。これは、例えば高周波技術
で普通の空隙のあるまたはない誘電基板の上に、例えば薄板、板、網目あるいは
導電性被覆した誘電性の成形体のような自己支持式の導電性面の形にして実現さ
れている。

【００４２】 請求項２６〜２８は、平坦に作用する押圧装置と組み合わせて柔軟な誘電性基
板上の平坦な導体から成る、平坦でない試料を測定するのに適した処置器の形状
を記載している。プレスは、例えばバネ付勢されているあるいは重量で付勢され
ているスタンプを用いて、弾力性の下敷き、あるいは静圧作用する液体を満たし
た圧力分配クッション、管状もしくは棒状の試料の場合、加圧スリーブと共に実
現される。他の可能性は接着フィルムあるいは接着剤の箔を使用することおよび
処置器に組み込まれている吸引通路による真空吸引である。処置器の柔軟性が充
分であるか、あるいは曲率半径が小さ過ぎない場合、良好な再現性で試料の全面
接触が達成される。

【００４３】 請求項２９〜３２は完全な測定装置あるいは測定能力のあるインテリゼンスな
センサ部品を記載している。この場合、測定処置器は、独立した高周波測定装置
との純粋な組み合わせに比べて著しく機能的で処置技術的な改善と製造技術上の
単純化あるいは全経費の低減を与えるように、請求項１〜２８に合わせて測定に
必要な他の構造群に構造上結び付けられている。

【００４４】 請求項３１に応じて、高周波測定装置は全部あるいは一部処置器と共に測定ヘ
ッドまたは測定ヘッド部品の形の一つの構造ユニットにされるが、高周波測定装
置の残りの部分、マイクロコンピュータあるいはマイクロコントローラおよび表
示装置は一つのハウジングの中でハンド装置またはデエスク装置に合体させれて
いる。これにより、特に微妙な高周波導体の内部で直接共振器に対して極度に短
縮され、必要であれば、必要なコネクタ若しくは接続導線を感度の弱い導体部分
に移動させることができる。これにより、特に帯域の広い測定の場合、測定精度
が向上し、経費の掛かる修正計算を排除できる。

【００４５】 請求項３０の処置器を着脱可能に連結する実施例により、特別な測定課題に合
わせてある交換処置器を同じ基本装置に使用することができ、これは使用分野を
著しく拡大する。他の有利な可能性は請求項３１により全ての構造部品を一つの
コンパクトな装置に組み込むこと、あるいは請求項３２により測定結果を伝送す
るため、および、必要であれば、測定経過を中央コンピュータで制御する付加的
に組み込んだインターフェースモジュージュを備えたインテリゼンスなセンサに
ある。

【００４６】 以下、実施例に基づきこの発明をより詳しく説明する。

【００４７】 図１と２は発泡材料の板の中の密度を測定するため非常に簡単に構成された処
置器１を示し、この処置器は誘電率が小さく生じるため測定物体２の上に直接載
せてある。

【００４８】 処置器１を形成する帯状導体共振器３は、周囲に均等に配分され、給電点で配
列に接続された６つのλ/2導体列の円弧４で構成され、ガラス繊維で補強された
通常裏側を金属化処理した印刷基板の上に形成されている。

【００４９】 接続は同軸状に行われ、内側の導体は中心で貫通接触部を経由して物体側から
導入され、外側の導体は物体の面に固定ハンダ付けされている。内側の導体に平
行にインピーダンス変換用の短絡導体も物体の面にハンダ付けされ、これにより
整合が改善されている。

【００５０】 共振周波数の近傍で処置器へ給電すると、導体円弧４の中心領域に同相の負荷
重心点が生じるので、全て処置器の全面にわたり配分されてほぼ半径方向の電場
成分を有するリング状の場分布が生じる。電気的なシールドと機械的な固定のた
め、共振器３は前面を揃えて金属キャップ５の中に接着されている。この金属キ
ャップは接続ケーブル６を固定する役目も引き受けている。

【００５１】 図３と４はプラスチック材料の誘電材料特性を測定するため選択的に手動操作
可能であるか中央コンピュータを介して遠隔操作できる完全な装置としてのこの
発明の実施態様を示し、この装置は、

【００５２】 共振器３の周波数に依存する反射率を２と３のＧＨz の範囲で測定するため共
振器３に固定接続されたマイクロ波反射率計７と共に金属製の処置器ハウジング
５に固定接着した、裏側を金属化処理された誘電性の基板上に線材で電気接触さ
せた帯状導体共振器３と、

【００５３】 処置器ハウジング５を直接の載せているので、共振器３の漏洩場がディスクに
侵入する測定物体２として使用されるプラスチック板と、

【００５４】 反射率の周波数依存性から周知の数学的なアルゴリズムに従い注目する材料パ
ラメータを算出するマイクロコントローラ９と、

【００５５】 マイクロコントローラ９に結合する記憶回路１０と算出した材料パラメータを
記憶して表示するＬＣＤ点行列表示器１１の形の記憶・表示装置と、

【００５６】 装置を制御し測定を開始させるためのフォイルキーボード１２および図示して
いない外部制御コンピュータに接続するシリアル・インターフェース１３と、 から成る。

【００５７】 この場合、帯状導体共振器３は、図３のように、容量結合した周囲の長さが６
cm の対称な二重リングに形成されている。その結果、帯状導体の基板の誘電率
が約４の時、共振周波数が 2.5ＧＨz の近傍になる。望ましい相互作用間隔を得
るため、共振器３は数 mm 戻して処置器ハウジング５に接着されている。

【００５８】 対称な形状によりリングの内側領域と外側領域はそれぞれ互いに振動し、試料
の方向に双極子モーメントが生じないか、あるいはマイクロ波を放射しない。

【００５９】 処置器ハウジング５はケーブル１４を介して着脱可能なコネクターを用いて独
立したハンド装置１５に組み込まれている残りの部品に接続している。

【００６０】 キーボード１２やシリアル・インターフェース１３があることにより、選択的
に局部操作あるいは中央コンピュータによる測定経過の制御が可能である。

【００６１】 処置器１とハンド装置１５の間のコネクタ接続により、特定の測定問題、材料
のタイプおよび試料の幾何学形状に合わせた種々の処置器１を同じハンド装置１
５で選択的に動作させることができるので、応用範囲が大きく拡大する。

【００６２】 図５と６は建築物内の湿度を測定するコンパクトな測定装置の形をしたこの発
明による他の有利な実施例を示し、この装置は、

【００６３】 円筒状にくり抜いた金属製の処置器ハウジング５の形の閉じた物体面上に配置
された結合ウェブ１８を有するＣu 板からフライス加工した導体リング１７の形
の二重λ共振器と、

【００６４】 処置器ハウジング５を同時に湿気封止して閉ざすガラス繊維補強された印刷基
板誘電体ＦＲ4 から成る誘電体の被覆板と、

【００６５】 ハウジングの縁にはめ込んだ三つの間隔ピン１９を有する処置器ハウジング５
が直接載っている測定試料としての大きな壁と、

【００６６】 容量結合する図示していないダイオード検出器および一定周波数で測定した検
出電圧から湿度値を算出するアナログ・デジタル変換器を組み込んだマイクロコ
ントローラ９と、

【００６７】 ハウジングの裏側のカバーに組み込まれている表示器１１としての発光ダイオ
ードアレーおよび同様に裏側に組み込まれている測定を開始させるフォイルキー
１２と、で構成されている。

【００６８】 図面に合わせて切り出した二倍波長の程度の大きさのＣu リング構造体は、物
体接触部として同時に働く両側にリベット打ちされた二つのピン２１により平ら
に切り出したハウジングの底の上に約 0.5 cm の間隔で固定されている。こうし
て、それぞれ横断面で広がった領域内に二つの逆相の負荷重心点が生じている対
称に両側で短絡した全波共振器が得らる。この共振器の二つの二分割リングへの
給電も結合ウェブ１８を介して対称に行われるので、リングの周囲に沿って交番
する極性が生じ、遠距離で双極子成分が完全に相殺される。

【００６９】 この共振器は共振周波数以下の共振曲線のエッジの一定の周波数で動作させる
。試料に依存する共振特性量のずれはダイオード検出器への共振器透過率に変化
を与える。

【００７０】 残りの部品は処置器ハウジング５の裏側に握りやすく成形されたプラスチック
カバーにして一緒に取り付けてある。

【００７１】 図７と８は誘電性のカバーを有する差込処置器を示し、この処置器は、

【００７２】 六つの面の上に通常両側を金属化処理した印刷基板２４の狭い帯板がそれぞれ
導電接着されている機械的な支持体としての金属製の六角管２３で構成されてい
る。

【００７３】 六角管２６は接着またはハンダ付けにより底板２０を経由して一部挿入されて
いる同軸の接続ケーブル２５の外側導体に電気接続している。

【００７４】 本来の共振器を形成する長さが大体 3λ/2の印刷基板の帯板２４は両端で短絡
されていて、短絡部の近くで管内部から電気接触されている。電気接続は裏側の
金属化処理部と六角管２３を通過する絶縁された線材２６により行われる。これ
等の線材は外側の金属化処理部を共通の接続点で接続ケーブル２５の内部導体に
接続する。

【００７５】 共振周波数で給電を行うと、外側導体にそれぞれ短絡部からλ/4，また互いに
λ/2離れている極性が交番する負荷重心点が生じる。この漏洩場は処置器１の周
りでほぼ回転対称の相互作用容積を取り囲んでいる。

【００７６】 構造物全体は挿入されたテフロンカバー２７により機械的に保護されている。
同時に、測定物が導体帯板２４の間に、あるいは導体に接続する場領域に侵入す
ることが防止されているので、導体への伝播特性は殆ど変わらず、試料との相互
作用は、実際上、テフロンカバー２７を通して負荷重心点の間に延びる漏洩場に
よってのみ行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による処置器の正面図、

【図２】 この発明による処置器の断面図、

【図３】 この発明による共振器、

【図４】 この発明による装置の模式図、

【図５】 カバー板を取り除いたこの発明によるコンパクトな測定装置の正
面図、

【図６】 図５のコンパクトな測定装置の裏面図、

【図７】 この発明による差込処置器の横断面図、および

【図８】 図７の差込処置器の縦断面図。

【符号の説明】

１ 処置器 ２ 測定物体 ３ 共振器 ４ 導体の円弧 ５ 金属のキャップ、処置器のハウジング ６ 接続ケーブル ７ 反射率計 ９ マイクロコントローラ １０ 記憶回路 １１ 表示器 １２ フォイル・キーボード １３ シリアル・インターフェース １４ ケーブル １５ ハンド装置 １７ 導体リング １８ 結合ウェブ １９ 間隔ピン ２０ 底板 ２１ リベットピン ２２ 結合ピン ２３ 六角端部の管 ２４ 金属化処理された印刷基板 ２５ 接続ケーブル ２６ 線材 ２７ テフロン・カバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にまたは外部の電磁場内に測定物体を導入でき、機械的
   なホルダーまたはハウジングと共に構造ユニット、以下で処置器と称する、を形
   成し、個々にまたは一緒に外部から扱える一つまたはそれ以上の電気接続点に接
   続している、使用する周波数範囲内で電気的に共振する一つまたはそれ以上の導
   体または面の構造体、以下で共振器と称する、から成る、高周波電磁振動により
   電気、磁気およびそれ等から導かれる材料特性を測定する装置において、 −処置器（１）を形成する共振器（３）が共振時に生じる負荷重心点の付属する 電圧最大値の少なくとも幾つかの領域で測定物体（２）の方向に開いている電 気的に結合している二つまたはそれ以上の導体構造体で構成され、 −電圧最大値または負荷重心点から出る漏洩場が少なくとも一部測定物体（２） の内部に入り、 −測定物体（２）に向けて開いている電圧最大値または負荷重心点の発生した重 畳場が測定物体（２）の界面で求めるべき場の幾何学形状に近くなるように導 体構造体が配置されている、 ことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 共振器（３）に付属する導体要素および面要素の戻り導体は
   その主要面部分、縁部分またはその被覆部と共に共通の面上に配置されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 共振器（３）に付属し、測定物体に向けて開いている導体要
   素および面要素は電気接続点を除いて、鏡面に対して対称に配置され、電気的に
   同相で給電されているか、あるいは鏡面に対して反対称に配置され、電気的に逆
   相で給電されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 【請求項４】 共振器（３）に付属し、測定物体に向けて開いている導体お
   よび面の要素は電気接続点を除いて、測定物体に向いている自然数 n＝ 2，...,
   120のｎ個の回転軸に関して半径方向に対称に配置され、電気的に並列接続され
   ていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
5. 【請求項５】 共振器（３）を形成する二つまたはそれ以上の導体構造体は
   導体端部で電気的に開放していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に
   記載の装置。
6. 【請求項６】 共振器（３）を形成する二つまたはそれ以上の導体構造体は
   導体端部で電気的に短絡していることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に
   記載の装置。
7. 【請求項７】 共振器（３）を形成する二つまたはそれ以上の導体構造体は
   端部で一定の抵抗をもって終わっていることを特徴とする請求項１〜６の何れか
   １項に記載の装置。
8. 【請求項８】 共振器（３）を形成する二つまたはそれ以上の導体構造体は
   一定値のシリーズ抵抗を介して給電点に接続していることを特徴とする請求項１
   〜７の何れか１項に記載の装置。
9. 【請求項９】 共振器（３）に付属する導体または面の要素は測定物体（２
   ）に対して電磁的にシールドされ、その導体端部でのみ、測定物体（２）に向け
   て開放している導電性の電極本体または導電性の電極面に接続していることを特
   徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の装置。
10. 【請求項１０】 共振器（３）と外向きに通じる電気接続点との間には、一
    つまたはそれ以上の電気的なインピーダンス変換回路があり、これ等のインピー
    ダンス変換回路は共振器（３）に固定接続され、構造上処置器（１）に組み込ま
    れていることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の装置。
11. 【請求項１１】 発振器（３）には電気的な単一ポート回路式のただ一つの
    接続点があることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の装置。
12. 【請求項１２】 発振器（３）には電気的な二つまたはそれ以上のポート回
    路式の二つまたはそれ以上の接続点があることを特徴とする請求項１〜１１の何
    れか１項に記載の装置。
13. 【請求項１３】 共振器（３）の負荷重心点は試料面に対して垂直な面内に
    あることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３の特徴部分に合わせて形成され、異なる方向に
    配置されている少なくとも三つの透過共振器（３）には一つの共通の接続点があ
    り、第二の接続点はそれぞれ別々に、あるいは外部からスイッチングできるマル
    チプレクサを介して通じていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 【請求項１５】 共振器（３）に付属する導体要素および導電性の面要素は
    主要な面部分あるいはその縁部と共に一つの円形面、円錐面、円筒面、プリズム
    面、ピラミッド面あるいは平坦な面の上に配置されていることを特徴とする請求
    項１〜１４の何れか１項に記載の装置。
16. 【請求項１６】 共振器（３）に付属する導体要素および導電性の面要素は
    主要な面部分あるいはその縁部と共に測定物体の表面に平行な面上に配置されて
    いることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の装置。
17. 【請求項１７】 共通の導体面は共振器（３）に付属する導体要素および導
    電性の面要素の全ての戻り導線を形成することを特徴とする請求項１〜１６の何
    れか１項に記載の装置。
18. 【請求項１８】 処置器（１）は測定物体（２）に対向する側に、載置時に
    共振器と測定物体（２）の間に一定の間隔を保証する物体に特有に形成された載
    置点、載置面、あるいは他の間隔体（１９）を担持し、共振器面自体の一部が載
    置面として形成されていることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載
    の装置。
19. 【請求項１９】 測定物体（２）に対向する共振器（３）の導体表面は負荷
    重心点でそれ以外の導体の断面に比べて大きくされ、および／または特に密に測
    定物体（２）に通じていることを特徴とする請求項１〜１８の何れか１項に記載
    の装置。
20. 【請求項２０】 共振器（３）は周知の構造様式の押圧装置により点状にあ
    るいは面状に測定物体（２）に押圧されることを特徴とする請求項１〜１９の何
    れか１項に記載の装置。
21. 【請求項２１】 処置器（１）は測定物体（２）に対向する側で誘電性の層
    、覆いあるいはカバーで完全にまたは一部取り囲まれていることを特徴とする請
    求項１〜２０の何れか１項に記載の装置。
22. 【請求項２２】 処置器（１）は直接または誘電性の固体のカバーの中で一
    部あるいは全部測定物体（２）の中に固体、液体、ペーストあるいは粒状の物体
    と共に浸漬、埋込、接着、ネジ止め、打ち込み、挟持されていることを特徴とす
    る請求項１〜２１の何れか１項に記載の装置。
23. 【請求項２３】 処置器（１）の試料に対向する側には変形可能な誘電体が
    装着されていて、この誘電体は適当な押圧で共振器と測定物体の間の中間空間の
    測定に有効な領域に均一に充填されていることを特徴とする請求項１〜２２の何
    れか１項に記載の装置。
24. 【請求項２４】 共振器（３）の導体要素および導電性の面要素はマイクロ
    ストライプ導体技術、懸垂基板技術、スリット導体技術、共面導体技術で面状に
    延びた裏側電極の上の対称あるいは非対称の線材または帯導体として、あるいは
    スリットを付けた同軸ケーブルとして形成されていることを特徴とする請求項１
    〜２３の何れか１項に記載の装置。
25. 【請求項２５】 共振器（３）の導体要素および導電性の面要素は幾何学的
    に規則正しくあるいは不規則に縁取りされた面要素としてマイクロストライプ導
    体技術、懸垂基板技術で、あるいは誘電体として空気を用いて形成されているこ
    とを特徴とする請求項１〜２４の何れか１項に記載の装置。
26. 【請求項２６】 共振器（３）は可撓性基板上に平坦な導体として形成され
    、周知の構造様式の適当な押圧装置で測定物体に面状に押圧されることを特徴と
    する請求項１〜２５の何れか１項に記載の装置。
27. 【請求項２７】 共振器（３）は可撓性基板上に平坦な導体として形成され
    、試料に対向する側で測定物体に直接接着するために付着フィルムまたは接着フ
    ォイルで被覆されていることを特徴とする請求項１〜２６の何れか１項に記載の
    装置。
28. 【請求項２８】 共振器（３）は可撓性基板上に平坦な導体として形成され
    、試料に対向する側に測定物体を真空固定するため接続部分に裏側で合流する吸
    引通路を備えていることを特徴とする請求項１〜２７の何れか１項に記載の装置
    。
29. 【請求項２９】 測定物体を処置器の電磁外部場の領域に挿入でき、更に 1
    0 ＭＨz と１ＴＨz の間の範囲の一つの周波数または複数の周波数で個々の共振
    器および／またはそれぞれ二つの共振器の間の伝達区間の電気的な共振特性量を
    測定するため処置器の外から扱える電気接続点に接続している高周波測定装置と
    、共振特性量から周知の数学的なアルゴリズムに従い注目する材料パラメータを
    算出するマイクロコンピュータまたはマイクロコントローラと、必要であれば、
    処置器と測定物体の間の横方向の相対運動を実現するための機械的な格子装置と
    、必要な場合、横測定位置に応じて計数値、曲線あるいは面状の表示の形にして
    算出した材料パラメータを記憶して表示する記憶・表示装置と、装置を制御し測
    定を開始させる操作装置とから成り、請求項１の前段により電気、磁気およびそ
    れ等から導かれる材料特性を測定および／または表示する装置において、高周波
    測定装置が全部または一部処置器（１）と共に測定ヘッドの形のコンパクトな構
    造ユニットにされているが、高周波測定装置の残りの部分、マイクロコンピュー
    タまたはマイクロコントローラ（９），記憶装置（１０），表示装置（１１）お
    よび操作装置（１２）はハウジグ内でハンド装置（１５）またはディスク装置に
    合体させてあることを特徴とする装置。
30. 【請求項３０】 処置器（１）は高周波測定装置の一部と共に測定ヘッドも
    しくは測定ヘッド部分の形の独立した構造ユニットとして形成され、残りの装置
    の部分と着脱可能な機械的および電気的な接続をすることを特徴とする請求項２
    ９に記載の装置。
31. 【請求項３１】 処置器（１）および残りの全ての装置部分はコンパクトな
    装置の形で一つのハウジング内に機械的に組み込まれていることを特徴とする請
    求項２９に記載の装置。
32. 【請求項３２】 処置器（１），高周波測定装置、マイクロコンピュータも
    しくはマイクロコントローラ（９）および必要であれば付加的なインターフェー
    スユニットは、インテリジェントなセンサの形にして一つのハウジングの中に機
    械的に組み込まれているが、記憶装置（１０），表示装置（１１）および操作装
    置（１２）はケーブル、赤外線、無線、電話、光導体、音響または他の接続部を
    介してインテリゼンスなセンサに接続している制御コンピュータの中に全部また
    は一部収納されていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。