JP2007248097A - Method and apparatus for measuring anisotropy of dielectric constant - Google Patents

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政博 田中
Akira Nakayama
明 中山
Seiichi Tanaka
精一 田中
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紳一 永田
Hidetada Sawamoto
英忠 澤本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure an anisotropy of a dielectric constant using one resonator without rotating a sample. <P>SOLUTION: A cylindrical cavity resonator composed of a pair of bottomed cylindrical members opposed to each other so as to leave a gap is excited in a TE<SB>11n</SB>(n is a natural number) mode and the sample is arranged to the gap. Two resonance frequencies of TE<SB>11n</SB>mode degenerated to one before the arrangement of the sample and separated into two by the relief of degeneracy due to the arrangement of the sample are measured and the maximum and minimum specific inductivities in an in-plane direction of the sample are calculated from two resonance frequencies or the anisotropic degrees of the specific inductivities in the in-plane direction of the sample are calculated on the basis of the difference between two resonance frequencies to measure the dielectric constant anisotropy of the sheetlike or sheetlike sample having an anisotropy in dielectric constant in the in-plane direction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、プラスチック、ゴム、セラミック等の薄板状基板や、紙、不織布、高分子フィルム等のシート状物質の誘電率の異方性をマイクロ波により測定する測定方法と装置に関するものである。   The present invention relates to a measuring method and apparatus for measuring the dielectric anisotropy of a thin plate-like substrate such as plastic, rubber, and ceramic, and a sheet-like material such as paper, nonwoven fabric, and polymer film by microwaves.

ポリマーフィルムなどの高分子材料の異方性を測定する方法として、複屈折による方法が知られている。この方法は、シート面内での複屈折率あるいはレターデーション(複屈折率×厚さ)を測定するものであり、試料を移動させながら測定することもできるものである(特許文献1参照)。しかし、この複屈折による方法は、可視光(偏光)を透過させて測定する必要があるため、不透明物質は測定できないという問題があった。   As a method for measuring the anisotropy of a polymer material such as a polymer film, a method based on birefringence is known. This method measures the birefringence or retardation (birefringence index × thickness) in the sheet surface, and can be measured while moving the sample (see Patent Document 1). However, this method based on birefringence has a problem that it is not possible to measure an opaque substance because it is necessary to measure by transmitting visible light (polarized light).

そこで、この問題を解決するためにマイクロ波誘電体共振器を用いて、シート状物質の片側に検出部を直接接触もしくは近接させて、シート状試料の配向を測定する配向測定装置が提案されている(特許文献2参照)。   In order to solve this problem, an orientation measuring device has been proposed that uses a microwave dielectric resonator to measure the orientation of a sheet-like sample by bringing a detection unit into direct contact with or close to one side of the sheet-like substance. (See Patent Document 2).

この配向測定装置は、シート状物質の配向が誘電率の配向として評価できることを基礎的原理としている。この配向測定装置では、シールド容器に挿入された、開口部を有する角柱又は円柱の誘電体共振器が利用され、試料であるシート状物質は誘電体共振器の開口部を覆うように設置される。そして、誘電体共振器の種々の共振モードの中で誘電体共振器の上部表面上で電界ベクトルが平行になり、かつ試料中の電界強度ができるだけ強くなるような共振モードが、配向測定に使用される。   This orientation measuring apparatus is based on the basic principle that the orientation of the sheet-like substance can be evaluated as the orientation of the dielectric constant. In this orientation measuring apparatus, a prismatic or cylindrical dielectric resonator having an opening inserted into a shield container is used, and a sheet-like substance as a sample is installed so as to cover the opening of the dielectric resonator. . Among the various resonance modes of the dielectric resonator, a resonance mode in which the electric field vector is parallel on the upper surface of the dielectric resonator and the electric field strength in the sample is as strong as possible is used for orientation measurement. Is done.

この誘電体共振器の共振周波数は、試料の誘電率が大きいほど低周波数側に低下する。試料の面内に誘電率の異方性がある場合、誘電率の大きい方向と、誘電体共振器の上部表面上の電界ベクトルの方向が一致するとき、共振周波数の低下量は最も大きくなる。誘電率の大きい方向と、誘電体共振器の上部表面上の電界ベクトルの方向が直交するとき、共振周波数の低下量は最も小さくなる。   The resonance frequency of the dielectric resonator decreases toward a lower frequency as the dielectric constant of the sample increases. When there is anisotropy of the dielectric constant in the surface of the sample, the amount of decrease in the resonance frequency is greatest when the direction of the large dielectric constant matches the direction of the electric field vector on the upper surface of the dielectric resonator. When the direction in which the dielectric constant is large and the direction of the electric field vector on the upper surface of the dielectric resonator are orthogonal, the amount of decrease in the resonance frequency is the smallest.

したがって、試料を一回転させ、共振周波数の変動を直接、あるいは間接に測定すれば、試料の面内の誘電率の異方性の程度を評価できるというものである。なお、シート状物質の製作工程でこれを移動させながら測定する、いわゆるオンライン評価する場合には、試料(シート状物質)を回転させる代わりに、上部表面電界ベクトルの向きがそれぞれ異なるように複数の誘電体共振器を互いに接近させて配置すればよい。
特開平4−89553号公報 特開2001−91476号公報
Therefore, if the sample is rotated once and the fluctuation of the resonance frequency is measured directly or indirectly, the degree of anisotropy of the dielectric constant in the surface of the sample can be evaluated. In addition, in the case of so-called on-line evaluation in which measurement is performed while moving the sheet-like material in the manufacturing process, instead of rotating the sample (sheet-like material), a plurality of directions are used so that the directions of the upper surface electric field vectors are different from each other. The dielectric resonators may be arranged close to each other.
Japanese Patent Laid-Open No. 4-89553 JP 2001-91476 A

しかしながら、上述の配向測定装置では、多数の誘電体共振器を並べない限り、分解能の高い測定ができない。また、誘電体共振器の個数が増えれば、そのコストが増大し、装置の大型化、データ処理の複雑化を招いてしまう。   However, the above-described orientation measuring apparatus cannot perform measurement with high resolution unless a large number of dielectric resonators are arranged. Further, if the number of dielectric resonators increases, the cost increases, leading to an increase in the size of the device and the complexity of data processing.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、不透明な薄板状又はシート状の試料に対しても、試料を回転させることなく、一個の共振器を用いて誘電率の異方性を測定することができる測定方法と装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and even for an opaque thin plate or sheet sample, the anisotropy of dielectric constant is measured using a single resonator without rotating the sample. It is an object of the present invention to provide a measuring method and apparatus that can be used.

本発明の誘電率異方性測定方法は、面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を測定する方法であって、第1の局面は以下の工程(A)から(D)を含む。
(A)隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のTE11n(nは自然数)モードを励振させること、
(B)前記隙間に前記試料を配置すること、
(C)試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを測定すること、並びに
(D)低周波側の共振周波数fLと高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを求めること。
工程(D)では、近似的に、低周波側の共振周波数fLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを求め、高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを求めるようにすることもできる。
The dielectric anisotropy measuring method of the present invention is a method for measuring the dielectric anisotropy of a thin plate-like or sheet-like sample having anisotropy in the in-plane direction. The following steps (A) to (D) are included.
(A) exciting a TE 11n (n is a natural number) mode of a cylindrical cavity resonator composed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap;
(B) disposing the sample in the gap;
(C) Measure the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after sample placement, and (D) the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency on the high frequency side. Obtain the maximum relative permittivity ε MAX and the minimum relative permittivity ε MIN in the in-plane direction of the sample from f H.
In the step (D), the maximum relative dielectric constant ε MAX in the in-plane direction of the sample is approximately obtained from the resonance frequency f L on the low frequency side, and the minimum ratio in the in-plane direction of the sample from the resonance frequency f H on the high frequency side. The dielectric constant ε MIN can also be obtained.

本発明の誘電率異方性測定方法の第2の局面は、第1の局面の工程(D)に替えて、工程(D)として、測定した2個の共振周波数fL,fHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めるものである。
ここで、共振周波数fL,fHは試料の配置により縮退が解けて分離したTE11nモードの2個の共振周波数の低周波側と高周波側のそれぞれの周波数である。
The second aspect of the dielectric anisotropy measuring method of the present invention is the difference between the two measured resonance frequencies f L and f H as a step (D) instead of the step (D) of the first aspect. Based on the above, the degree of anisotropy of the relative dielectric constant in the in-plane direction of the sample is obtained.
Here, the resonance frequencies f L and f H are the frequencies on the low frequency side and the high frequency side of the two resonance frequencies of the TE 11n mode which are separated from each other by the arrangement of the sample.

本発明の誘電率異方性測定装置は、隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器、前記共振器の一端側に設けられ共振器内にマイクロ波を導入する励振装置及び前記共振器の他端側に設けられ共振器内のマイクロ波を検波する検波装置を備えた円筒空洞共振装置と、前記励振装置により共振器内にマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置と、前記マイクロ波発生装置とマイクロ波信号解析装置を制御する制御装置と、を備えたものである。そして、前記制御装置は、試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを検出する検出手段と、検出した2個の共振周波数fL,fHに基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段と、を備えている。 A dielectric anisotropy measuring apparatus according to the present invention includes a cylindrical cavity resonator formed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap, and an excitation device that is provided on one end side of the resonator and introduces a microwave into the resonator. And a cylindrical cavity resonance device provided on the other end side of the resonator and provided with a detection device for detecting the microwave in the resonator, a microwave generation device for generating a microwave in the resonator by the excitation device, A microwave signal detection / analysis device that inputs and analyzes a microwave signal detected by the detection device, and a control device that controls the microwave generation device and the microwave signal analysis device. The control device detects the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after sample placement, and the detected two resonance frequencies f L and f H. And dielectric anisotropy calculating means for calculating the dielectric anisotropy of the sample based on the above.

誘電率異方性算出手段の第1の形態は、検出した低周波側の共振周波数fLと高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを算出するものである。
この形態において、誘電率異方性算出手段は、近似的に、低周波側の共振周波数fLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを算出し、高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを算出するものとすることができる。
The first form of the dielectric anisotropy calculating means is that the maximum relative dielectric constant ε MAX and the minimum relative dielectric constant in the in-plane direction of the sample from the detected resonance frequency f L on the low frequency side and resonance frequency f H on the high frequency side. ε MIN is calculated.
In this embodiment, the dielectric anisotropy calculating means approximately calculates the maximum relative dielectric constant ε MAX in the in-plane direction of the sample from the resonance frequency f L on the low frequency side, and from the resonance frequency f H on the high frequency side. The minimum relative dielectric constant ε MIN in the in-plane direction of the sample can be calculated.

誘電率異方性算出手段の第2の形態は、検出した2個の共振周波数fL,fHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を表わす指標を算出するものである。
そのような指標の例は、(fH−fL)又は(fH−fL)/(fH+fL)などである。
In the second form of the dielectric anisotropy calculating means, an index representing the degree of anisotropy of the relative dielectric constant in the in-plane direction of the sample is based on the difference between the detected two resonance frequencies f L and f H. Is to be calculated.
Examples of such indicators are (f H −f L ) or (f H −f L ) / (f H + f L ).

円筒空洞共振器は、電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられているものであることが好ましい。
円筒空洞共振器は、電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナが円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て90度回転した位置に設けられているものであることが好ましい。
円筒空洞共振器は、さらに、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているものであることが好ましい。
The cylindrical cavity resonator is preferably such that an electromagnetic wave excitation loop antenna and an electromagnetic wave detection loop antenna are vertically attached to the bottom surface of each bottomed cylindrical member.
The cylindrical cavity resonator is preferably such that the electromagnetic wave excitation loop antenna and the electromagnetic wave detection loop antenna are provided at a position rotated 90 degrees as viewed from the center of the cross section of the cylindrical cavity resonator cylinder.
It is preferable that the cylindrical cavity resonator is further arranged so that the loop surface of the electromagnetic wave excitation loop antenna and the loop surface of the electromagnetic wave detection loop antenna are orthogonal to each other.

本発明の誘電率異方性測定装置は、試料が円筒空洞共振器の前記隙間を通過するように移動させる試料移動機構をさらに備えてオンライン測定装置とすることができる。   The dielectric anisotropy measuring device of the present invention can be further provided with a sample moving mechanism for moving the sample so as to pass through the gap of the cylindrical cavity resonator, thereby making it an on-line measuring device.

本発明の誘電率異方性測定方法は、円筒空洞共振器のTE11nモードを励振させ、試料の配置により縮退が解けて2個に分離したTE11nモードの2個の共振周波数fL,fHを測定して試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINとを求めたり、又は2個の共振周波数の差fH,fLに基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めるようにした。 The dielectric anisotropy measuring method of the present invention excites the TE 11n mode of the cylindrical cavity resonator, and the two resonance frequencies f L and f of the TE 11n mode separated into two by decoupling the arrangement of the sample and releasing them. The maximum relative dielectric constant ε MAX and the minimum relative dielectric constant ε MIN in the in-plane direction of the sample are measured by measuring H , or the in-plane direction of the sample based on the difference between the two resonance frequencies f H and f L The degree of anisotropy of the relative dielectric constant was determined.

また、本発明の誘電率異方性測定装置では、円筒空洞共振器内のマイクロ波を検波する検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置において、検出手段が試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを検出し、誘電率異方性算出手段が2個の共振周波数fL,fHに基づいて試料の誘電率異方性を算出するようにした。 Further, in the dielectric anisotropy measuring apparatus of the present invention, in the microwave signal detection / analysis apparatus for inputting and analyzing the microwave signal detected by the detection apparatus for detecting the microwave in the cylindrical cavity resonator, the detection means includes The TE 11n mode low-frequency resonance frequency f L and high-frequency resonance frequency f H of the TE 11n mode after sample placement are detected, and the dielectric anisotropy calculation means calculates the sample based on the two resonance frequencies f L and f H. The dielectric anisotropy of was calculated.

このような本発明の誘電率異方性測定方法及び装置によれば、不透明な薄板状又はシート状の試料に対して、試料を回転させることなく、一個の円筒空洞共振器を用いて誘電率の異方性を測定することができる。
その際、円筒空洞共振器として電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられたものを使用し、又はさらに電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナが円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て90度回転した位置に設けられているものを使用すれば、ループアンテナの影響によるTE11nモードの共振ピークの分離を防ぎ、誘電率異方性測定の誤差を軽減できる。
According to the dielectric anisotropy measuring method and apparatus of the present invention as described above, the dielectric constant is measured using a single cylindrical cavity resonator without rotating the sample with respect to an opaque thin plate-like or sheet-like sample. Can be measured.
At that time, a cylindrical cavity resonator in which an electromagnetic wave excitation loop antenna and an electromagnetic wave detection loop antenna are vertically attached to the bottom surface of each bottomed cylindrical member is used, or further, an electromagnetic wave excitation loop antenna and an electromagnetic wave are used. If the detection loop antenna is provided at a position rotated 90 degrees from the center of the cylindrical cross section of the cylindrical cavity resonator, separation of the resonance peak of the TE 11n mode due to the influence of the loop antenna is prevented. The error of dielectric anisotropy measurement can be reduced.

また、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているものを使用するようにすれば、異方性を有する試料の挿入により分離したTE11nモードの共振ピークの両方を同時に励振検波しやすくなる。 If the loop surface of the electromagnetic wave excitation loop antenna and the loop surface of the electromagnetic wave detection loop antenna are arranged so as to be orthogonal to each other, the sample is separated by inserting an anisotropic sample. It becomes easy to simultaneously detect and detect both the resonance peaks of the TE 11n mode.

さらに、上記測定の工程(B)において円筒空洞共振器の一対の有底筒状部材間の隙間を試料が通過するように移動させてオンライン測定を行なえば、製造工程において移動する薄板状又はシート状の試料をオンライン評価することができる。   Further, in the measurement step (B), if online measurement is performed by moving the gap between the pair of bottomed cylindrical members of the cylindrical cavity resonator so that the sample passes, a thin plate or sheet that moves in the manufacturing process The sample can be evaluated online.

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の誘電率異方性測定方法に用いる円筒空洞共振器10の構造を示している。(A)はそれぞれの底面においてアンテナを固定する孔の位置関係を示す平面図、(B)は(A)のX−Y線位置での断面図である。
円筒空洞共振器10は、一対の有底筒状部材である上側有底筒状部材11と下側有底筒状部材12とからなる。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the structure of a cylindrical cavity resonator 10 used in the dielectric anisotropy measuring method of the present invention. (A) is a top view which shows the positional relationship of the hole which fixes an antenna in each bottom face, (B) is sectional drawing in the XY line position of (A).
The cylindrical cavity resonator 10 includes an upper bottomed tubular member 11 and a lower bottomed tubular member 12 which are a pair of bottomed tubular members.

上側有底筒状部材11と下側有底筒状部材12は、銅やアルミニウムなどの金属材料で形成され、これらの開口部同士を隙間をもって合わせ、その隙間に試料2を配置するようになっている。その隙間に試料2を配置しやすいように、それぞれの開口部の周囲にフランジ部111、121が設けられている。
試料2は、有機、無機材料からなる薄板状のものやシート状のものが挙げられる。これらの厚みは、50〜500μm程度である。
The upper bottomed cylindrical member 11 and the lower bottomed cylindrical member 12 are formed of a metal material such as copper or aluminum, and these openings are aligned with a gap, and the sample 2 is arranged in the gap. ing. Flange portions 111 and 121 are provided around the respective openings so that the sample 2 can be easily placed in the gap.
Sample 2 may be a thin plate or a sheet made of organic or inorganic materials. These thicknesses are about 50-500 micrometers.

そして、上側有底筒状部材11の底面には孔5が形成され、下側有底筒状部材12の底面には孔4が形成され、これらの孔5,4から同軸ケーブルの先端に形成されたループアンテナ6,7がそれぞれ挿入され固定されている。この一対のループアンテナ6,7は、一方が電磁波励振用ループアンテナで、他方が電磁波検波用ループアンテナとなっている。いま、ループアンテナ6を電磁波励振用、ループアンテナ7を電磁波検波用とする。測定に際しては、電磁波励振用ループアンテナ6で円筒空洞共振器を励振し、電磁波検波用ループアンテナで検波し、これらに接続されたネットワークアナライザー等の測定器で共振周波数を測定するようになっている。   And the hole 5 is formed in the bottom face of the upper bottomed cylindrical member 11, the hole 4 is formed in the bottom face of the lower bottomed cylindrical member 12, and it forms in the front-end | tip of a coaxial cable from these holes 5 and 4. The loop antennas 6 and 7 are inserted and fixed. One of the pair of loop antennas 6 and 7 is an electromagnetic wave excitation loop antenna, and the other is an electromagnetic wave detection loop antenna. Now, the loop antenna 6 is used for electromagnetic wave excitation, and the loop antenna 7 is used for electromagnetic wave detection. In the measurement, the cylindrical cavity resonator is excited by the electromagnetic wave excitation loop antenna 6, detected by the electromagnetic wave detection loop antenna, and the resonance frequency is measured by a measuring instrument such as a network analyzer connected thereto. .

両ループアンテナ6,7はそれぞれの筒状部材の底面に配置され、かつ底面に対し垂直方向になるように固定され、またそれぞれの筒状部材の底面の中心から離れた位置で、円筒の横断面における中心から見て90度回転した位置に設けられている。
円筒空洞共振器10の内部円筒の直径をDとすると、両ループアンテナ6,7が設けられている位置は、円筒の中心から(3/8)D以内の距離の位置が望ましく、一例として中心からD/4の距離の位置に配置した。
Both loop antennas 6 and 7 are arranged on the bottom surfaces of the respective cylindrical members and are fixed so as to be perpendicular to the bottom surfaces, and crossing the cylinders at positions away from the center of the bottom surfaces of the respective cylindrical members. It is provided at a position rotated 90 degrees from the center of the surface.
Assuming that the diameter of the inner cylinder of the cylindrical cavity resonator 10 is D, the position where both the loop antennas 6 and 7 are provided is preferably a position within a distance of (3/8) D from the center of the cylinder. To D / 4.

そして、図1においては、電磁波励振用ループアンテナ6のループ面と電磁波検波用ループアンテナ7のループ面とが互いに直交するように配置されている。ループアンテナ6,7のこのような配置により、異方性を有する薄板状又はシート状の試料の挿入により分離したTE11n(nは自然数)モードの2つの共振ピークを同時に励振検波しやすくできるという効果を奏するようになっている。 In FIG. 1, the loop surface of the electromagnetic wave excitation loop antenna 6 and the loop surface of the electromagnetic wave detection loop antenna 7 are arranged so as to be orthogonal to each other. Such an arrangement of the loop antennas 6 and 7 facilitates simultaneous excitation detection of two resonance peaks of the TE 11n (n is a natural number) mode separated by insertion of an anisotropic thin plate or sheet sample. It comes to have an effect.

ここで、本発明の誘電率異方性測定方法の原理を説明する。実際に用いられる円筒空洞共振器とは異なるが、図11に計算用のモデルとして、分割されていない円筒空洞共振器3を示す。(A)は円筒の軸に沿った垂直断面図、(B)はその軸に垂直な面内での電界ベクトルを示す平面図である。なお、共振させるためのループアンテナ等の図示は省略している。   Here, the principle of the dielectric anisotropy measurement method of the present invention will be described. Although different from the actually used cylindrical cavity resonator, FIG. 11 shows an undivided cylindrical cavity resonator 3 as a calculation model. (A) is a vertical sectional view along the axis of a cylinder, and (B) is a plan view showing an electric field vector in a plane perpendicular to the axis. Illustration of a loop antenna and the like for resonating is omitted.

図11に示す円筒空洞共振器3のTE11n(nは自然数)モードは、試料が存在しない状態で、円筒の軸に垂直な面内でほぼ直線状に電界ベクトルを持ち、かつ、2重縮退している。ここで2重縮退とは、2個の独立した共振電磁界の共振周波数が同一であるため、一個の共振電磁界のように観測される現象のことである。図11では、この2重縮退したTE11nモードの電界ベクトルEの一方の分布を示している。 The TE 11n (n is a natural number) mode of the cylindrical cavity resonator 3 shown in FIG. 11 has an electric field vector substantially linearly in a plane perpendicular to the axis of the cylinder in the absence of a sample, and is double degenerate. is doing. Here, the double degeneracy is a phenomenon that is observed like a single resonance electromagnetic field because the resonance frequencies of two independent resonance electromagnetic fields are the same. FIG. 11 shows one distribution of the electric field vector E in the double degenerate TE 11n mode.

この2重縮退したTE11nモードは、図1に示すように誘電率に異方性をもつた薄板状又はシート状の試料2を、円筒空洞共振器の電界分布の強い位置で円筒軸と垂直になるように挿入することで縮退を解かれ、共振周波数が分離することが、本発明の過程により見出された。 As shown in FIG. 1, this double-degenerate TE 11n mode allows a thin plate or sheet sample 2 having dielectric anisotropy to be perpendicular to the cylinder axis at a position where the electric field distribution of the cylindrical cavity is strong. It was found by the process of the present invention that the degeneracy is solved by inserting so that the resonance frequency is separated and the resonance frequency is separated.

さらにnが奇数の場合、円筒空洞共振器の円筒軸方向の中央部でTE11nモードの電界が最大になるので、本発明の実施がより容易になる。TE11nモードでは、TE111、TE112、TE113、…が他の共振モードとともに励振される。共振周波数は高次モードほど高くなり、かつ、他モードと隣接して干渉しやすくなるので、TE111モードが最も測定に適している。TE112モードでも測定はでき、TE113モードくらいまでは実用に耐える。 Furthermore, when n is an odd number, the TE 11n mode electric field is maximized at the central portion of the cylindrical cavity in the cylindrical axis direction, so that the present invention becomes easier to implement. In the TE 11n mode, TE 111 , TE 112 , TE 113 ,... Are excited together with other resonance modes. Since the resonance frequency becomes higher as the higher-order mode increases, and it becomes easier to interfere with other modes, the TE 111 mode is most suitable for measurement. Also measurements made of TE 112 mode, to around TE 113 mode for practical use.

そして、縮退を解かれ共振周波数が分離して形成される2個の共振モードでは、主たる電界ベクトルの方向が、それぞれ円筒の軸に垂直に挿入された試料面内の誘電率が最大の方向と最小の方向に向くことが本発明の過程によりわかった。このことは、後述の検証結果により確かめられた。すなわち、試料面内の誘電率が最大となる方向に添った電界ベクトルをもつTE11nモードが低共振周波数モードとなり、誘電率が最小となる方向に添った電界ベクトルをもつTE11nモードが高共振周波数モードとなる。なお、試料面内とは、薄板状又はシート状の試料の厚み方向と垂直な面内の方向のことをいう。 In the two resonance modes that are degenerated and separated from the resonance frequency, the direction of the main electric field vector is the direction in which the dielectric constant in the sample plane inserted perpendicularly to the axis of the cylinder is the maximum. It has been found by the process of the present invention that it is oriented in the minimum direction. This was confirmed by the verification results described later. That is, the TE 11n mode having an electric field vector along the direction in which the dielectric constant in the sample surface is maximum becomes the low resonance frequency mode, and the TE 11n mode having an electric field vector along the direction in which the dielectric constant is minimum is high resonance. It becomes frequency mode. In addition, the sample plane means a direction in a plane perpendicular to the thickness direction of a thin plate or sheet sample.

そして、これらの共振モードの共振周波数から最大比誘電率及び最小比誘電率を近似的に求めることができる。すなわち、低共振周波数モードの共振周波数fLから試料面内の最大比誘電率εMAXを求めることができ、高共振周波数モードの共振周波数fHから試料面内の最小比誘電率εMINを求めることができる。この場合の近似的な計算方法について述べる。 The maximum relative dielectric constant and the minimum relative dielectric constant can be approximately obtained from the resonance frequencies of these resonance modes. That is, the maximum relative dielectric constant ε MAX in the sample surface can be obtained from the resonance frequency f L in the low resonance frequency mode, and the minimum relative dielectric constant ε MIN in the sample surface can be obtained from the resonance frequency f H in the high resonance frequency mode. be able to. An approximate calculation method in this case will be described.

比誘電率の計算を簡単にするために、まず、試料が面内に等方性誘電率εをもつ場合(図2(A))を考える。計算上のモデルとしては、等方性誘電率εをもつ試料2が円筒空洞共振器3の中に完全に挿入された場合(図2(B))を考える。
図2(B)の場合には、TE11nモードの共振周波数f0より、εは以下の式により計算できる。
In order to simplify the calculation of the relative dielectric constant, first, consider a case where the sample has an isotropic dielectric constant ε in the plane (FIG. 2A). As a calculation model, consider a case where the sample 2 having an isotropic dielectric constant ε is completely inserted into the cylindrical cavity resonator 3 (FIG. 2B).
In the case of FIG. 2B, ε can be calculated by the following equation from the resonance frequency f 0 of the TE 11n mode.

Figure 2007248097
ただし、cは光速であり、X、Yは次式で与えられる。
Figure 2007248097
However, c is the speed of light, and X and Y are given by the following equations.

Figure 2007248097
Figure 2007248097

Figure 2007248097
ここで、tは試料の厚み、nはTE11n共振モードの次数n、k0=2πf0/c,kr=1.8412/Rである。k0−kr<0の場合、YはjY’(jは虚数単位)で置き換えられる。
Figure 2007248097
Here, t is the thickness of the sample, n is the order n of the TE 11n resonance mode, k 0 = 2πf 0 / c, and k r = 1.8412 / R. When k 0 −k r <0, Y is replaced with jY ′ (j is an imaginary unit).

0の代わりにfHを(1)式に入れて求められるεはεMINの近似値となり、f0の代わりにfLを(1)式に入れて求められるεはεMAXの近似値となる。このようにしてεMINとεMAXの近似値を計算できる。 ε obtained by putting f H in equation (1) instead of f 0 is an approximate value of ε MIN , and ε obtained by putting f L in equation (1) instead of f 0 is an approximate value of ε MAX It becomes. In this way, approximate values of ε MIN and ε MAX can be calculated.

また、fHとfLからFEM等の数値解析を使って、εMAXとεMINをより厳密に求めることもできる。ここでFEM(有限要素法)とは電磁場などの解析を数値的に行なうシミュレーション技術の一種であり、本発明においては共振周波数を計算できるものが必要である。市販のソフトであるHFSS等を使用することも可能である。 Further, ε MAX and ε MIN can be determined more strictly from f H and f L by using numerical analysis such as FEM. Here, FEM (finite element method) is a kind of simulation technique for numerically analyzing an electromagnetic field or the like, and in the present invention, a technique capable of calculating a resonance frequency is required. It is also possible to use commercially available software such as HFSS.

さらに、fLとfHから異方性の程度を表わす指標を求めることができる。そのような指標として、例えば、最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINの差(εMAX−εMIN)を評価するための指標(fH−fL)、又は異方性の程度(εMAX−εMIN)/(εMAX+εMIN)を評価するための(fH−fL)/(fH+fL)などを求めることができる。 Furthermore, an index representing the degree of anisotropy can be obtained from f L and f H. As such an index, for example, an index (f H −f L ) for evaluating the difference (ε MAX −ε MIN ) between the maximum relative dielectric constant ε MAX and the minimum relative dielectric constant ε MIN , or the degree of anisotropy It is possible to obtain (f H −f L ) / (f H + f L ) for evaluating (ε MAX −ε MIN ) / (ε MAX + ε MIN ).

本発明においては、試料が配置されていないときにループアンテナの影響によるTE11n(nは自然数)モードの共振ピークの分離を防ぎ、誘電率異方性測定の誤差を軽減するために、図1に示すように、電磁波励振用ループアンテナを円筒空洞共振器の一方の底面に垂直に挿入するとともに、電磁波検波用ループアンテナを円筒空洞共振器の他方の底面に垂直に挿入するのが好ましい。 In the present invention, in order to prevent the separation of the resonance peak of the TE 11n (n is a natural number) mode due to the influence of the loop antenna when the sample is not arranged, and to reduce the error of dielectric anisotropy measurement, FIG. As shown in FIG. 2, it is preferable to insert the electromagnetic wave excitation loop antenna perpendicularly to one bottom surface of the cylindrical cavity resonator and insert the electromagnetic wave detection loop antenna perpendicularly to the other bottom surface of the cylindrical cavity resonator.

そして同じ理由で、これらのループアンテナは円筒空洞共振器のそれぞれの底面の中心に設けられていてもよいが、図1に示すように円筒の横断面における中心から見て90度回転した位置に設けられているのが好ましい。   For the same reason, these loop antennas may be provided at the center of the bottom surface of each of the cylindrical cavity resonators. However, as shown in FIG. Preferably it is provided.

そして、図1においては、電磁波励振用ループアンテナのループ面と電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されているが、これにより、異方性を有する薄板状又はシート状の試料の挿入により分離したTE11n(nは自然数)モードの共振ピークの両方を同時に励振検波しやすくできるという効果を奏するようになっている。 In FIG. 1, the loop surface of the electromagnetic wave excitation loop antenna and the loop surface of the electromagnetic wave detection loop antenna are arranged so as to be orthogonal to each other. The TE 11n (n is a natural number) mode resonance peak separated by the insertion of the sample can be easily excited and detected at the same time.

これまで述べた測定方法は、薄板状又はシート状の試料を一対の有底筒状部材で挟持するようにして測定するものであったが、試料を一対の有底筒状部材間で移動するようにして測定することもできる。すなわち、薄板状又はシート状の製品の製造ラインにこの円筒空洞共振器を配置しておくことで、薄板状又はシート状の製品の製造工程において、製品の面内方向における異方性を評価することができる。   In the measurement methods described so far, a thin plate-like or sheet-like sample is measured by being sandwiched between a pair of bottomed cylindrical members, but the sample is moved between a pair of bottomed cylindrical members. Thus, it can be measured. That is, by arranging this cylindrical cavity resonator in the production line of a thin plate or sheet product, the anisotropy in the in-plane direction of the product is evaluated in the production process of the thin plate or sheet product. be able to.

このとき、薄板状又はシート状の試料が固定された上述の測定方法と同様に、円筒空洞共振器にTE11nモードを励振させることで、移動する試料によりTE11nモードの共振ピークを2個発生させるのであるが、測定に際し、製造工程で試料が移動する速度よりも十分速い速度で周波数を掃引すれば、これらの2個の共振モードはほぼ同時に現れるので、製造工程において移動する薄板状又はシート状の試料をオンライン評価する場合にも、空洞共振器を一個設置するだけでよい。 At this time, two TE 11n mode resonance peaks are generated by the moving sample by exciting the TE 11n mode in the cylindrical cavity resonator in the same manner as the above measurement method in which the thin plate or sheet sample is fixed. However, when measuring, if the frequency is swept at a speed sufficiently faster than the speed at which the sample moves in the manufacturing process, these two resonance modes appear almost simultaneously, so a thin plate or sheet that moves in the manufacturing process. Even when an on-line evaluation of a sample is performed, it is only necessary to install one cavity resonator.

ここで、シート状材料(試料)の製造プロセスで本発明を使用する場合、図3に示すように、所定の隙間gを設けて上下一対の有底筒状部材をそれぞれの開口部同士が対向するように配置し、それらの間をシート状材料が移動するようになっているのが望ましい。図3で、符号13により示されるのは概略的に示した連続したシート状材料2aを移動させるための試料供給機構であり、例えば連続したシート状材料2aの両側に配置されたローラとそれを駆動するモータなどからなる機構である。   Here, when the present invention is used in a manufacturing process of a sheet-like material (sample), as shown in FIG. 3, a predetermined gap g is provided, and a pair of upper and lower bottomed cylindrical members are opposed to each other. It is desirable that the sheet-like material is arranged so as to move between them. In FIG. 3, reference numeral 13 denotes a sample supply mechanism for moving the continuous sheet-like material 2a schematically shown. For example, rollers arranged on both sides of the continuous sheet-like material 2a and This is a mechanism composed of a motor to be driven.

このとき、隙間gから電磁場が放射しないように、隙間gは
g<λ0L/(2εMAX 0.5)かつg<λ0H/(2εMIN 0.5
の関係を満たしておく必要がある。ただし、λ0Lは共振周波数fLにおける波長であり、λ0Hは共振周波数fHにおける波長である。
At this time, the gap g is g <λ 0L / (2ε MAX 0.5 ) and g <λ 0H / (2ε MIN 0.5 ) so that the electromagnetic field does not radiate from the gap g.
It is necessary to satisfy the relationship. However, λ 0L is the wavelength at the resonance frequency f L , and λ 0H is the wavelength at the resonance frequency f H.

この場合は、(1)式の基礎になっている円筒空洞共振器とは異なるので、(1)式を使用すると誘電率は粗い近似値しか求めることができないので、誘電率を正確に求めるためには、fL、fHの測定値から、FEM等の数値解析により、εMAX、εMINを求める必要がある。
また、この場合でもfL,fH自体は求まるので、fLとfHの差をシート状材料の異方性の大きさを表すパラメーターとして使用することもできる。
In this case, since it is different from the cylindrical cavity resonator that is the basis of the equation (1), the use of the equation (1) makes it possible to obtain only a rough approximate value of the dielectric constant. It is necessary to obtain ε MAX and ε MIN from the measured values of f L and f H by numerical analysis such as FEM.
Also in this case, since f L and f H themselves can be obtained, the difference between f L and f H can also be used as a parameter representing the magnitude of anisotropy of the sheet-like material.

これまで述べた測定方法の妥当性について検証を行った結果を示す。
直径(D)が35mm、高さ(H)が25mmの図1に示す形状の円筒空洞共振器10を作製した。すなわち、ループアンテナ6,7はそれぞれの筒状部材の底面で中心からD/4の距離だけ離れ、円筒の横断面における中心から見て互いに90度回転した位置に配置され、それぞれの底面に対し垂直方向で、ループ面が互いに直交する方向に向けられて固定されている。
The result of verifying the validity of the measurement method described so far is shown.
A cylindrical cavity resonator 10 having a diameter (D) of 35 mm and a height (H) of 25 mm and having the shape shown in FIG. 1 was produced. That is, the loop antennas 6 and 7 are arranged at positions that are separated from each other by a distance of D / 4 from the center on the bottom surface of each cylindrical member and rotated 90 degrees from each other when viewed from the center in the cross section of the cylinder. In the vertical direction, the loop surfaces are fixed in directions perpendicular to each other.

図4(A)にその円筒空洞共振器10を用い、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を示す。いくつかのモードの共振ピークが得られるが、そのうちのTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して図4(B)に示す。TE111モードには2つの共振ピークが存在するが、試料を配置しない状態では縮退しているためにピークが分離していないことが確認できる。 FIG. 4A shows a result of measuring the resonance peak using the cylindrical cavity resonator 10 in a state where no sample is arranged. Resonance peaks of several modes are obtained. Among them, the resonance peak of the TE 111 mode is shown in FIG. Although there are two resonance peaks in the TE 111 mode, it can be confirmed that the peaks are not separated because they are degenerated when no sample is arranged.

ここで、円筒空洞共振器の形状及び大きさは変えないで、ループアンテナ6,7の配置位置や方向を異ならせたとき、試料を配置しないときのTE111モードの共振ピークがどのように変化するかを調べておく。 Here, when the arrangement position and direction of the loop antennas 6 and 7 are changed without changing the shape and size of the cylindrical cavity resonator, how the resonance peak of the TE 111 mode changes when the sample is not arranged. Find out what to do.

まず、ループアンテナ6,7をそれぞれの筒状部材の側面に配置し、その位置は試料が配置されるべき中央の横断面からそれぞれH/4(Hは円筒空洞共振器の高さ)の位置とし、円筒の横断面において互いに180度をなす位置に配置され、それぞれ側面に対し垂直方向に固定した。すなわち、ループ面は互いに平行な方向となる。この状態の円筒空洞共振器で、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を図5(A)に示す。いくつかのモードの共振ピークのうちのTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して図5(B)に示すが、TE111モードの2つの共振ピークが0.002GHz弱分離していることが確認できる。 First, the loop antennas 6 and 7 are arranged on the side surfaces of the respective cylindrical members, and the positions thereof are positions H / 4 (H is the height of the cylindrical cavity resonator) from the central cross section where the sample is to be arranged. And arranged at positions that are 180 degrees to each other in the cross section of the cylinder, and fixed in a direction perpendicular to the side surfaces. That is, the loop surfaces are parallel to each other. FIG. 5A shows the result of measuring the resonance peak with the cylindrical cavity resonator in this state in a state where no sample is arranged. Among the resonance peaks of several modes, the resonance peak of the TE 111 mode is shown in FIG. 5B by enlarging the horizontal axis. The two resonance peaks of the TE 111 mode are slightly separated by 0.002 GHz. Can be confirmed.

次に、ループアンテナ6,7をそれぞれの筒状部材の底面で中心からD/4の距離だけ離れ、円筒の横断面において同じ位置に配置され、それぞれの底面に対し垂直方向でループ面が互いに平行になる方向に向けて固定した。この状態の円筒空洞共振器で、試料を配置しない状態で共振ピークを測定した結果を図6(A)に示す。いくつかのモードの共振ピークのうちのTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して図6(B)に示すが、このピークは、TE111モードの2つの共振ピークのピークトップ位置が0.001GHz程度ずれて、強度(ピーク高さ)の異なる2つのTE111ピークが重なったものと推定することができる。 Next, the loop antennas 6 and 7 are separated from the center by a distance of D / 4 at the bottom surface of each cylindrical member and are arranged at the same position in the cross section of the cylinder, and the loop surfaces are perpendicular to each bottom surface. Fixed in a parallel direction. FIG. 6 (A) shows the result of measuring the resonance peak with the cylindrical cavity resonator in this state without placing the sample. Among the resonance peaks of several modes, the resonance peak of the TE 111 mode is shown in FIG. 6B with the horizontal axis enlarged, and this peak is the peak top position of the two resonance peaks of the TE 111 mode is 0. It can be estimated that two TE 111 peaks having different intensities (peak heights) are overlapped with each other with a deviation of about 0.001 GHz.

このようにループアンテナを最適な位置に置かない場合、試料挿入前にTE111モードが0.001から0.002GHzの僅かな分離を示すことが確認された。このピーク分離の周波数0.002GHzが、比誘電率の異方性測定において、fL、fHの不確かさを与えると仮定して、どの程度の誤差が生じるかを検討しておく。 Thus, when the loop antenna was not placed at the optimum position, it was confirmed that the TE 111 mode showed a slight separation of 0.001 to 0.002 GHz before inserting the sample. Assuming that this peak separation frequency of 0.002 GHz gives uncertainties of f L and f H in the measurement of relative dielectric anisotropy, it will be examined how much error occurs.

後述する実施例の測定結果を示す表1において、厚さ0.610mmのA面サファイアにおいてはfL=6.1673GHzからεMAX=11.236を得るが、fL=に0.002GHzの誤差があるとすると、εMAXの誤差としてΔεf=0.008が生じる。これは通常避けがたい1μmの厚さの誤差の効果Δεt=0.02より小さいので、無視できる。 In Table 1 showing the measurement results of Examples described later, ε MAX = 11.236 is obtained from f L = 6.1673 GHz for an A-plane sapphire having a thickness of 0.610 mm, but an error of 0.002 GHz at f L =. If there is, Δε f = 0.008 occurs as an error of ε MAX . This is negligible since it is usually less than the effect of 1 μm thickness error Δε t = 0.02, which is unavoidable.

一方、表1において、厚さ0.127mmのPETフィルムにおいてはfL=7.6871GHzからεMAX=2.945を得るが、fLに0.002GHzの誤差があるとすると、εMAXの誤差としてΔεf=0.026が生じる。これは通常避けがたい1μmの厚さの誤差の効果であるΔεt=0.02と同程度なので、無視できない。また、PETフィルムにおいてはεMAX−εMIN=0.2に対して、Δεf=0.026は10%以上であり、この観点からも無視できない。 On the other hand, in Table 1, in the PET film having a thickness of 0.127 mm, ε MAX = 2.945 is obtained from f L = 7.66871 GHz. If there is an error of 0.002 GHz in f L , the error of ε MAX As a result, Δε f = 0.026. This is almost equal to Δε t = 0.02, which is an effect of a thickness error of 1 μm, which is usually unavoidable, and cannot be ignored. Further, in the PET film, Δε f = 0.026 is 10% or more with respect to ε MAX −ε MIN = 0.2, which cannot be ignored from this viewpoint.

以上の考察より、厚さが薄く、比誘電率が小さい試料においては、ループアンテナを最適な位置に置かない場合には、試料挿入前にTE111モードが僅かな分離を示すことが測定精度上無視できなくなる。 Based on the above considerations, for samples with a small thickness and a low relative dielectric constant, if the loop antenna is not placed at the optimum position, the TE 111 mode shows a slight separation before sample insertion. It cannot be ignored.

そこで、このような結果を踏まえ、本発明の最良の形態として、ループアンテナ6,7の位置と方向を図1に示すように固定した円筒空洞共振器10を用いて、一対の有底筒状部材11,12間にシート状試料2を挟持して、この円筒空洞共振器10の共振周波数を測定した。   Therefore, based on such results, as a best mode of the present invention, a pair of bottomed cylindrical shapes are used by using a cylindrical cavity resonator 10 in which the positions and directions of the loop antennas 6 and 7 are fixed as shown in FIG. The sheet-like sample 2 was sandwiched between the members 11 and 12, and the resonance frequency of the cylindrical cavity resonator 10 was measured.

比誘電率に顕著な異方性をもつ試料として面内にC軸があるA面サファイア基板の測定を行なうとともに、比誘電率に小さな異方性をもつ試料としてPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルムの測定を行なった。   Measurement of an A-plane sapphire substrate with a C axis in the plane as a sample having significant anisotropy in relative permittivity, and measurement of a PET (polyethylene terephthalate) film as a sample having a small anisotropy in relative permittivity Was done.

図7にA面サファイア基板のTE111モードの共振ピークの測定結果、図8にPETフィルムのTE111モードの共振ピークの測定結果を示す。図7,8で横軸は周波数、縦軸IL(インサーションロス)は円筒空洞共振器10を透過した電力の入力電力に対する減衰量をdB(デシベル)表示したものである。 FIG. 7 shows the measurement result of the TE 111 mode resonance peak of the A-plane sapphire substrate, and FIG. 8 shows the measurement result of the TE 111 mode resonance peak of the PET film. 7 and 8, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis IL (insertion loss) represents the amount of attenuation of the power transmitted through the cylindrical cavity resonator 10 with respect to the input power in dB (decibel).

図7においては、A面サファイア基板のC軸に平行な誘電率εMAX=11.5(文献値)と垂直な誘電率εMIN=9.4 (文献値)に対応するピーク分離が発生しているのが認められる。また、図8においては、PETフィルムにおいても僅かな誘電率の異方性に起因したピーク分離が発生しているのが認められる。 In FIG. 7, peak separation corresponding to the dielectric constant ε MAX = 11.5 (document value) parallel to the C axis of the A-plane sapphire substrate and the perpendicular dielectric constant ε MIN = 9.4 (document value) occurs. Is recognized. In FIG. 8, it is recognized that peak separation due to slight anisotropy of dielectric constant is also generated in the PET film.

そして、それぞれの共振ピークにおける共振周波数fL、共振周波数fHから(1)式により求めた最大比誘電率εMAX、最小比誘電率εMINの近似値を表1に示す。

Figure 2007248097
(Δε)2 =(Δεt)2 + (Δεf)2 Table 1 shows approximate values of the maximum relative permittivity ε MAX and the minimum relative permittivity ε MIN obtained from the resonance frequency f L and the resonance frequency f H at each resonance peak by the equation (1).
Figure 2007248097
(Δε) 2 = (Δε t ) 2 + (Δε f ) 2

ここで、表中に「±」の数値で示されているのは誤差であり、εの誤差Δεは、試料厚さtの不確かさから生じるεの誤差Δεtと、共振周波数fの繰返し測定誤差から生じるεの誤差Δεfの平均二乗誤差として求めたものである。
表1に示す結果より、A面サファイア基板のεMAX、εMINは文献値11.5、9.4にほぼ近い値となっており、本測定方法の妥当性が検証されたことを示している。
Here, the numerical value “±” shown in the table is an error, and the error Δε of ε is the ε error Δε t resulting from the uncertainty of the sample thickness t and the repeated measurement of the resonance frequency f. It is obtained as the mean square error of the error Δε f of ε resulting from the error.
From the results shown in Table 1, ε MAX and ε MIN of the A-plane sapphire substrate are values close to the literature values 11.5 and 9.4, indicating that the validity of this measurement method was verified. Yes.

なお、図7及び図8においては、試料を任意の角度で挿入しても、誘電率の異方性に対応した一定のピーク分離が起こることを確認するために、一対の有底筒状部材11,12間に試料2を配置して共振波形を測定し(図7(A)、図8(A))、次に試料を45度回転させて測定し(図7(B)、図8(B))、さらに試料を90度回転させて測定した(図7(C)、図8(C))。これらの回転角度を異ならせた測定波形の結果から、試料と有底筒状部材11,12との相対的な角度に依存せずに、誘電率の異方性に対応した一定のピーク分離が観測されていることが確認できる。   7 and 8, in order to confirm that a constant peak separation corresponding to the anisotropy of the dielectric constant occurs even when the sample is inserted at an arbitrary angle, a pair of bottomed cylindrical members is used. The sample 2 is placed between 11 and 12, and the resonance waveform is measured (FIG. 7 (A), FIG. 8 (A)). Next, the sample is measured by rotating 45 degrees (FIG. 7 (B), FIG. 8). (B)) The sample was further rotated by 90 degrees and measured (FIGS. 7C and 8C). From the results of the measurement waveforms with different rotation angles, a constant peak separation corresponding to the anisotropy of the dielectric constant can be obtained without depending on the relative angle between the sample and the bottomed cylindrical members 11 and 12. It can be confirmed that it is observed.

図9に誘電率異方性測定装置の一実施例を概略的に示す。(A)はその全体構成を示すブロック図、(B)はマイクロ波信号検出解析装置の機能を示すブロック図である。
円筒空洞共振装置は、一例として図1に示されたものであり、隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器20、その共振器20の一端側に設けられ共振器20内にマイクロ波を導入する励振装置22及び共振器20の他端側に設けられ共振器20内のマイクロ波を検波する検波装置24を備えている。円筒空洞共振装置の一例は図1に示されたものであり、励振装置22と検波装置24はそれぞれループアンテナである。
FIG. 9 schematically shows an embodiment of a dielectric anisotropy measuring apparatus. (A) is a block diagram showing the overall configuration, and (B) is a block diagram showing functions of the microwave signal detection and analysis apparatus.
The cylindrical cavity resonator device is shown in FIG. 1 as an example. A cylindrical cavity resonator 20 formed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap, and the resonator 20 provided on one end side of the resonator 20. An excitation device 22 for introducing microwaves therein and a detection device 24 for detecting the microwaves in the resonator 20 provided on the other end side of the resonator 20 are provided. An example of the cylindrical cavity resonance device is shown in FIG. 1, and the excitation device 22 and the detection device 24 are each a loop antenna.

励振装置22により共振器20内にマイクロ波を発生させるために、励振装置22にはスイーパと称されるマイクロ波発生装置26が接続されている。検波装置24が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうために、検波装置24にはネットワークアナライザーなどのマイクロ波信号検出解析装置28が接続されている。この円筒空洞共振装置による測定動作を制御するために制御装置30が設けられている。具体的には制御装置30はマイクロ波発生装置26とマイクロ波信号検出解析装置28を制御する。制御装置30は例えばパーソナルコンピュータにより実現される。   In order to generate microwaves in the resonator 20 by the excitation device 22, a microwave generation device 26 called a sweeper is connected to the excitation device 22. A microwave signal detection / analysis device 28 such as a network analyzer is connected to the detection device 24 in order to input and analyze the microwave signal detected by the detection device 24. A control device 30 is provided to control the measurement operation by this cylindrical cavity resonator. Specifically, the control device 30 controls the microwave generation device 26 and the microwave signal detection analysis device 28. The control device 30 is realized by a personal computer, for example.

さらに、本発明では、制御装置30は、図9(B)に示されるように、試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを検出する検出手段30aと、検出した2個の共振周波数fL,fHに基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段30bとを備えている。検出手段30aと誘電率異方性算出手段30bは制御装置30に組み込まれた誘電率異方性算出プログラムにより実現される機能である。 Furthermore, in the present invention, as shown in FIG. 9B, the control device 30 detects the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after the sample is placed. Means 30a and dielectric anisotropy calculating means 30b for calculating the dielectric anisotropy of the sample based on the two detected resonance frequencies f L and f H are provided. The detection unit 30 a and the dielectric anisotropy calculation unit 30 b are functions realized by a dielectric anisotropy calculation program incorporated in the control device 30.

この円筒空洞共振装置による誘電率異方性測定動作の一例を図10のフローチャートを参照して説明する。
制御装置30からの指令によりマイクロ波発生装置26はTE111モードの共振周波数を含む周波数領域でマイクロ波信号を掃引(スイープ)し、励振装置22により共振器20を励振させる。マイクロ波信号検出解析装置28は、共振器20に試料が配置されているときの検波装置24により検波されたマイクロ波信号を入力し、TE111モードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを検出する。そして、制御装置30において(1)式により、又はFEM等の数値解析法により試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを算出する。
An example of the dielectric anisotropy measurement operation by this cylindrical cavity resonator device will be described with reference to the flowchart of FIG.
In response to a command from the control device 30, the microwave generation device 26 sweeps (sweeps) the microwave signal in a frequency region including the resonance frequency of the TE 111 mode, and the excitation device 22 excites the resonator 20. The microwave signal detection / analysis device 28 inputs the microwave signal detected by the detection device 24 when the sample is placed in the resonator 20, and the low frequency side resonance frequency f L and the high frequency side of the TE 111 mode. detecting the resonance frequency f H. Then, the maximum relative dielectric constant ε MAX and the minimum relative dielectric constant ε MIN in the in-plane direction of the sample are calculated by the control device 30 by the equation (1) or by a numerical analysis method such as FEM.

この動作をより具体的に示すと、マイクロ波信号検出解析装置28としての市販のネットワークアナライザーには、IL(インサーションロス)を測定している周波数領域の中で、ILが最も大きい点の周波数を自動で測定する機能(Max機能)があるので、これを用いて共振ピークのトップの周波数、つまり共振周波数を測定することができる。マイクロ波信号検出解析装置28としてネットワークアナライザーを使用し、この機能を用いて自動でfL測定を行う場合は次のように行なう。 More specifically, the commercially available network analyzer as the microwave signal detection and analysis device 28 has a frequency at a point where IL is the largest in the frequency region in which IL (insertion loss) is measured. Since there is a function (Max function) for automatically measuring the resonance frequency, it is possible to measure the top frequency of the resonance peak, that is, the resonance frequency. When a network analyzer is used as the microwave signal detection / analysis device 28 and f L measurement is automatically performed using this function, the measurement is performed as follows.

1)制御装置(具体的にはパーソナルコンピュータ)30から、予め与えられているfLの初期値の前後で周波数をスイープするよう、マイクロ波発生装置26に指示を出し、次に制御装置30はネットワークアナライザー28にMax機能指示を出してfLの概略値を求める。 1) The control device (specifically, a personal computer) 30 issues an instruction to the microwave generator 26 to sweep the frequency around the predetermined initial value of f L , and then the control device 30 A Max function instruction is issued to the network analyzer 28 to obtain an approximate value of f L.

2)次に制御装置30はこのfLの概略値を中心により狭い範囲で周波数をスイープするよう、マイクロ波発生装置26に指示を出し、再度ネットワークアナライザー28にMax機能指示を出してfLの精密値を求める。 2) Next, the control device 30 issues an instruction to the microwave generator 26 so as to sweep the frequency within a narrow range with the approximate value of f L as the center, and again issues a Max function instruction to the network analyzer 28 to indicate f L. Find precise value.

H測定を行う場合も同様である。
制御装置30の中のプログラムには、このような測定操作を指示するための部分と、fL、fHからεMAXとεMINを算出する部分がある。
The same applies when fH measurement is performed.
The program in the control device 30 includes a part for instructing such a measurement operation and a part for calculating ε MAX and ε MIN from f L and f H.

制御装置30は、検出した2個の共振周波数fL,fHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を表わす指標を算出するものであってもよい。 The control device 30 may calculate an index representing the degree of anisotropy of the relative dielectric constant in the in-plane direction of the sample based on the difference between the two detected resonance frequencies f L and f H.

試料を挿入した円筒空洞共振器を表わす図であり、(A)はそれぞれの底面においてアンテナを固定する孔の位置関係を示す平面図、(B)は(A)のX−Y線位置での断面図である。It is a figure showing the cylindrical cavity resonator which inserted the sample, (A) is a top view which shows the positional relationship of the hole which fixes an antenna in each bottom face, (B) is the XY line position of (A). It is sectional drawing. (A)は近似計算に用いる為に簡略化した、試料を挿入した円筒空洞共振器モデルであり、(B)はさらに簡略化した計算上のモデルである。(A) is a cylindrical cavity resonator model in which a sample is inserted, which is simplified for use in approximate calculation, and (B) is a further simplified computational model. シート材料をオンラインで測定するための空洞円筒共振器の断面図である。1 is a cross-sectional view of a hollow cylindrical resonator for measuring sheet material online. FIG. (A)は図1の円筒空洞共振器を用いたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、(B)はTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。(A) is a waveform diagram showing a resonance peak in a state where a sample is not arranged when the cylindrical cavity resonator of FIG. 1 is used, and (B) is a waveform diagram showing a resonance peak of TE 111 mode by enlarging the horizontal axis. It is. (A)は図1の円筒空洞共振器とはループアンテナの配置位置と方向を異ならせたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、(B)はTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。(A) is a waveform diagram showing a resonance peak in a state where the sample is not arranged when the arrangement position and direction of the loop antenna are different from those of the cylindrical cavity resonator of FIG. 1, and (B) is a resonance peak of the TE 111 mode. It is a wave form diagram which expands and shows a horizontal axis. (A)は図1の円筒空洞共振器とはループアンテナの配置位置と方向を異ならせたときの試料を配置しない状態での共振ピークを示す波形図、(B)はTE111モードの共振ピークを横軸を拡大して示す波形図である。(A) is a waveform diagram showing a resonance peak in a state where the sample is not arranged when the arrangement position and direction of the loop antenna are different from those of the cylindrical cavity resonator of FIG. 1, and (B) is a resonance peak of the TE 111 mode. It is a wave form diagram which expands and shows a horizontal axis. 図1の円筒空洞共振器を用いたときのサファイア基板を挿入した空洞円筒共振器のTE11nモードの2個の共振ピークを示す図である。It is a figure which shows the two resonance peaks of TE11n mode of the cavity cylindrical resonator which inserted the sapphire substrate when the cylindrical cavity resonator of FIG. 1 is used. 図1の円筒空洞共振器を用いたときのPETフィルムを挿入した空洞円筒共振器のTE11nモードの2個の共振ピークを示す図である。It is a figure which shows two resonance peaks of TE11n mode of the hollow cylindrical resonator which inserted PET film when using the cylindrical hollow resonator of FIG. (A)は誘電率異方性測定装置の一実施例を概略的に示すブロック図、(B)はその中の制御装置が誘電率異方性を求める機能を示すブロック図である。(A) is a block diagram schematically showing an embodiment of a dielectric anisotropy measuring device, and (B) is a block diagram showing a function of a control device for obtaining a dielectric anisotropy. 誘電率異方性測定装置の同実施例の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the Example of a dielectric anisotropy measuring apparatus. (A)は円筒空洞共振器の回転軸に沿った断面図、(B)はTE11nモードの回転軸に垂直な平面内での電場分布を示す図である。(A) is sectional drawing along the rotating shaft of a cylindrical cavity resonator, (B) is a figure which shows electric field distribution in the plane perpendicular | vertical to the rotating shaft of TE11n mode.

符号の説明Explanation of symbols

2 試料
3,20 円筒空洞共振器
4,5 孔
6,7 ループアンテナ
11,12 有底筒状部材
22 励振装置
24 検波装置
26 マイクロ波発生装置
28 マイクロ波信号検出解析装置
30 制御装置
28a 共振周波数検出手段
28b 誘電率異方性算出手段
2 Sample 3,20 Cylindrical cavity resonator 4,5 hole 6,7 Loop antenna 11,12 Bottomed cylindrical member 22 Exciting device 24 Detector 26 Microwave generator 28 Microwave signal detection analyzer 30 Controller 28a Resonant frequency Detection means 28b Dielectric anisotropy calculation means

Claims (8)

面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を、以下の工程(A)から(D)を含んで測定することを特徴とする誘電率異方性測定方法。
(A)隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のTE11n(nは自然数)モードを励振させること、
(B)前記隙間に試料を配置すること、
(C)試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを測定すること、並び
(D)低周波側の共振周波数fLと高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXと最小比誘電率εMINを求めること。
ここで、共振周波数fL,fHは試料の配置により縮退が解けて分離したTE11nモードの2個の共振周波数の低周波側と高周波側のそれぞれの周波数である。
The dielectric anisotropy of a thin plate-like or sheet-like sample having an anisotropy in the in-plane direction is measured including the following steps (A) to (D): Anotropic measurement method.
(A) exciting a TE 11n (n is a natural number) mode of a cylindrical cavity resonator composed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap;
(B) disposing a sample in the gap;
(C) Measure the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after sample placement, and (D) the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency on the high frequency side Obtain the maximum relative permittivity ε MAX and the minimum relative permittivity ε MIN in the in-plane direction of the sample from f H.
Here, the resonance frequencies f L and f H are the frequencies on the low frequency side and the high frequency side of the two resonance frequencies of the TE 11n mode which are separated from each other by the arrangement of the sample.
前記工程(D)では、近似的に、低周波側の共振周波数fLから試料の面内方向における最大比誘電率εMAXを求め、高周波側の共振周波数fHから試料の面内方向における最小比誘電率εMINを求める請求項1に記載の誘電率異方性測定方法。 In the step (D), the maximum relative dielectric constant ε MAX in the in-plane direction of the sample is approximately obtained from the resonance frequency f L on the low frequency side, and the minimum in the in-plane direction of the sample from the resonance frequency f H on the high frequency side. The dielectric anisotropy measuring method according to claim 1, wherein a relative dielectric constant ε MIN is obtained. 面内方向において誘電率に異方性を有する薄板状又はシート状の試料の誘電率異方性を、以下の工程(A)から(D)を含んで測定することを特徴とする誘電率異方性測定方法。
(A)隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器のTE11nモードを励振させること、
(B)前記隙間に試料を配置すること、
(C)試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを測定すること、並びに
(D)前記2個の共振周波数fL,fHの差に基づいて試料の面内方向における比誘電率の異方性の程度を求めること。
The dielectric anisotropy of a thin plate-like or sheet-like sample having an anisotropy in the in-plane direction is measured including the following steps (A) to (D): Anotropic measurement method.
(A) exciting a TE 11n mode of a cylindrical cavity resonator composed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap;
(B) disposing a sample in the gap;
(C) Measure the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after sample placement, and (D) the difference between the two resonance frequencies f L and f H. Obtain the degree of anisotropy of relative permittivity in the in-plane direction of the sample.
隙間をもって対向する一対の有底筒状部材からなる円筒空洞共振器、前記共振器の一端側に設けられ共振器内にマイクロ波を導入する励振装置及び前記共振器の他端側に設けられ共振器内のマイクロ波を検波する検波装置を備えた円筒空洞共振装置と、前記励振装置により共振器内にマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記検波装置が検波したマイクロ波信号を入力し解析を行なうマイクロ波信号検出解析装置と、前記マイクロ波発生装置とマイクロ波信号解析装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、試料配置後のTE11nモードの低周波側の共振周波数fL及び高周波側の共振周波数fHを検出する検出手段と、検出した2個の共振周波数fL,fHにより請求項1から3のいずれかに記載の誘電率異方性測定方法における工程(D)に基づいて試料の誘電率異方性を算出する誘電率異方性算出手段と、を備えていることを特徴とする誘電率異方性測定装置。
A cylindrical cavity resonator composed of a pair of bottomed cylindrical members facing each other with a gap, an excitation device for introducing a microwave into the resonator provided at one end of the resonator, and a resonance provided at the other end of the resonator A cylindrical cavity resonance device having a detection device for detecting microwaves in the resonator, a microwave generation device for generating microwaves in the resonator by the excitation device, and a microwave signal detected by the detection device are input. A microwave signal detection and analysis device that performs analysis, and a control device that controls the microwave generation device and the microwave signal analysis device,
The control device is charged with detection means for detecting the resonance frequency f L on the low frequency side and the resonance frequency f H on the high frequency side of the TE 11n mode after sample placement, and the two detected resonance frequencies f L and f H. And a dielectric anisotropy calculating means for calculating the dielectric anisotropy of the sample based on the step (D) in the dielectric anisotropy measuring method according to any one of Items 1 to 3. A dielectric anisotropy measuring device.
前記円筒空洞共振器は電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナがそれぞれの有底筒状部材の底面に垂直方向に取りつけられているものである請求項4に記載の誘電率異方性測定装置。   5. The dielectric anisotropy measurement according to claim 4, wherein the cylindrical cavity resonator has an electromagnetic wave excitation loop antenna and an electromagnetic wave detection loop antenna attached to the bottom surface of each bottomed cylindrical member in a vertical direction. apparatus. 前記電磁波励振用ループアンテナと電磁波検波用ループアンテナは前記円筒空洞共振器の円筒の横断面における中心から見て90度回転した位置に設けられている請求項5に記載の誘電率異方性測定装置。   6. The dielectric anisotropy measurement according to claim 5, wherein the electromagnetic wave excitation loop antenna and the electromagnetic wave detection loop antenna are provided at a position rotated by 90 degrees when viewed from the center of a cross section of a cylinder of the cylindrical cavity resonator. apparatus. 前記電磁波励振用ループアンテナのループ面と前記電磁波検波用ループアンテナのループ面とが互いに直交するように配置されている請求項5又は6に記載の誘電率異方性測定装置。   The dielectric anisotropy measuring device according to claim 5 or 6, wherein a loop surface of the electromagnetic wave excitation loop antenna and a loop surface of the electromagnetic wave detection loop antenna are arranged to be orthogonal to each other. 試料が前記隙間を通過するように移動させる試料移動機構をさらに備えてオンライン測定装置となっている請求項4から7のいずれかに記載の誘電率異方性測定装置。
The dielectric anisotropy measuring device according to claim 4, further comprising a sample moving mechanism for moving the sample so as to pass through the gap, and being an on-line measuring device.
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WO2022254853A1 (en) * 2021-06-03 2022-12-08 コニカミノルタ株式会社 Inspection system and inspection method
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