JP2020051870A

JP2020051870A - 測定装置、および測定方法

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Publication number: JP2020051870A
Application number: JP2018180874A
Authority: JP
Inventors: 純勝山; Jun Katsuyama; 憲典松本; Kensuke Matsumoto; 品川　満; Mitsuru Shinagawa; 満品川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Hosei University
Current assignee: Yokogawa Electric Corp; Hosei University
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP7113427B2; EP3859355A1; EP3859355A4; WO2020066828A1; US20220034951A1; EP3859355B1

Abstract

【課題】シート状もしくはフィルム状の誘電体の比誘電率を高空間分解能かつ非接触で測定することができる測定装置、および測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】測定装置は、交流電界を発生する電界発生手段と、電界発生手段からの交流電界を検出できる電界検出手段と、測定対象物の厚さを測定する厚さ計と、比誘電率と交流電界の強度の関係を示す検量線の導出を行う処理部と、を備え、電界発生手段と電界検出手段は互いに対向して配置され、測定対象物は電界発生手段と電界検出手段の間に挿入され、電界発生手段と電界検出手段は測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置され、厚さ計は測定対象物と接触しないように配置され、電界検出手段は測定対象物によって減衰した交流電界の強度を検出し、厚さ計は測定対象物の厚さを測定し、処理部は、測定された交流電界の強度と厚さと検量線とに基づいて測定対象物の比誘電率を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置、および測定方法に関する。

近年、電子デバイスには誘電体材料が用いられている。このような誘電体材料の誘電率を測定する手法として、比較的低い周波数領域では、インピーダンスアナライザやＬＣＲメータを用いた静電容量法などが知られている。このような測定においては、試料全体のマクロな比誘電率を見ることができるが、ミクロな領域での情報を得ることはできない。

誘電体材料の品質向上や不良診断といった観点から、微小領域を高空間分解能で測定する要求が高まっている。
このため、誘電体材料の比誘電率を高空間分解能で測定する手法として、試料の表面に接触させた測定電極と、それに対向した電極によってつくられるキャパシタ部と、コイルによって構成されるＬＣ共振回路部を用いて、試料の比誘電率を測定することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、誘電体材料の比誘電率を高空間分解能で測定する手法として、探針を試料の表面に位置させて探針もしくは試料のどちらかを相対的に励振させ、静電容量の変化を測定することで、試料の比誘電率を測定することが提案されている（例えば特許文献２参照）。

また、誘電体材料の比誘電率を高空間分解能かつ高速で測定したいという要求が高まっている。

特許第３２０４８５２号公報特許第５２９５０４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、測定電極を試料に接触させる必要があるため、試料表面に傷がつく可能性があり破壊検査となる。また、特許文献１に記載の技術では、試料表面に接触する必要があるため、移動体の測定ができない。このため、特許文献１に記載の技術では、シート状もしくはフィルム状の試料が高速で搬送されて製造されるプロセス中においてインライン測定に応用することができない。
また、特許文献２に記載の技術では、探針を試料に接触させないものの、探針と試料表面の距離は３０ｎｍ以下にする必要がある。このため、特許文献２に記載の技術では、シート状もしくはフィルム状の試料が高速で搬送されて製造されるプロセスにおいて、試料が鉛直方向にばたつくため、探針が試料に触れる可能性がある。このため、特許文献２に記載の技術では、プロセス中でのインライン測定に応用することができない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、シート状もしくはフィルム状の誘電体の比誘電率を高空間分解能かつ非接触で測定することができる測定装置、および測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る測定装置は、交流電界を発生する電界発生手段と、電界発生手段からの交流電界を検出できる電界検出手段と、測定対象物の厚さを測定する厚さ計と、比誘電率と交流電界の強度の関係を示す検量線の導出を行う処理部と、を備え、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、互いに対向して配置され、前記測定対象物は、前記電界発生手段と前記電界検出手段の間に挿入され、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、前記測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置され、前記厚さ計は、前記測定対象物と接触しないように配置され、前記電界検出手段は、前記測定対象物によって減衰した交流電界の強度を検出し、前記厚さ計は、前記測定対象物の厚さを測定し、前記処理部は、測定された前記交流電界の強度と前記厚さと前記検量線とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出する。

上記の構成により、測定装置は、電界発生手段と電界検出手段とを測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置し、厚さ計を測定対象物と接触しないように配置し、測定値と検量線に基づいて比誘電率を算出するようにしたので、シート状もしくはフィルム状の誘電体の比誘電率を高空間分解能かつ非接触で測定することができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記電界検出手段として、電気光学効果を応用した電界センサを用いるようにしてもよい。

上記の構成により、測定装置は、電界検出手段に電気光学プローブを用いることで、金属製アンテナと比較して低擾乱で安定的な測定ができる。また、測定装置は、電気光学プローブに用いる電気光学結晶の微小化や、参照光のビーム径を細くするなどの工夫により、金属製アンテナよりも空間分解能が高い測定が可能となる。さらに、測定装置は、電界発生手段に入力する信号の周波数を数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度にすることで、信号検出回路の高速化などの必要がなく、ミリ波帯やマイクロ波帯の信号を用いる測定手法に比べて、装置を安価に構築できる効果を得られる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記検量線は、比誘電率が既知である複数の前記測定対象物それぞれの前記比誘電率と前記交流電界の強度との関係を示し、前記処理部は、比誘電率が既知である前記測定対象物の厚さ毎に前記検量線を導出するようにしてもよい。

上記の構成により、測定装置は、比誘電率が既知の測定対象物を用いて検量線を導出するようにしたので、比誘電率を高空間分解能で測定することができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記処理部は、厚さ毎の複数の前記検量線から厚さ毎に傾きと切片を求め、複数の前記傾きを厚さ変数とする第１の関数を求め、複数の前記切片を厚さ変数とする第２の関数を求め、測定された前記厚さと前記第１の関数と前記第２の関数とを用いて、測定された前記厚さに対応する検量線の傾きと切片を求め、測定された前記厚さに対応する検量線の傾きと切片と測定された前記交流電界の強度とを用いて、比誘電率が未知である前記測定対象物の比誘電率を算出するようにしてもよい。

上記の構成により、測定装置は、比誘電率が既知の測定対象物を用いて導出した検量線に基づいて比誘電率が未知である前記測定対象物の比誘電率を算出するようにしたので、比誘電率を簡便に高空間分解能で測定することができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記測定対象物がシート状もしくはフィルム状の誘電体材料であり、前記電界発生手段から発生する交流電界の励起信号に、高電圧の信号を用い、前記電界発生手段と前記電界検出手段との距離を数ｍｍに配置し、前記測定対象物が搬送手段によって高速搬送された場合に、前記測定対象物が鉛直方向に振動しても、前記電界発生手段と前記電界検出手段のどちらもが前記測定対象物に接触しないように配置した構成であるようにしてもよい。

上記の構成により、測定装置は、電界発生手段から発生する交流電界の励起信号に、高電圧の信号を生成できる低い周波数を用いることで電界発生手段と電界検出手段との距離を数ｍｍに配置することができる。これにより、測定装置は、十分な距離を取ったギャップに測定対象物を高速に搬送させることができるので、製造しながら測定対象物の全数を検査でき、生産性の向上に寄与することができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記測定対象物の搬送方向に直行するような水平方向へのスキャン機構を有し、前記測定対象物の比誘電率の面分布測定ができるようにしてもよい。

上記の構成により、測定装置は、測定対象物の比誘電率の面分布測定ができる。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る測定方法は、交流電界を発生する電界発生手段と、電界発生手段からの交流電界を検出できる電界検出手段と、測定対象物の厚さを測定する厚さ計と、比誘電率と交流電界の強度の関係を示す検量線の導出を行う処理部と、を備え、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、互いに対向して配置され、前記測定対象物は、前記電界発生手段と前記電界検出手段の間に挿入され、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、前記測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置され、前記厚さ計は、前記測定対象物と接触しないように配置されている測定装置における測定方法であって、前記処理部が、比誘電率が既知である複数の前記測定対象物それぞれの前記比誘電率と前記交流電界の強度との関係を示す検量線であって、比誘電率が既知である前記測定対象物の厚さ毎に前記検量線を導出するステップと、前記電界検出手段が、前記測定対象物によって減衰した交流電界の強度を検出するステップと、前記厚さ計が、前記測定対象物の厚さを測定するステップと、前記処理部が、測定された前記交流電界の強度と前記厚さと前記検量線とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出するステップと、を含む。

上記の構成により、測定装置は、測定方法を実行することによって、シート状もしくはフィルム状の誘電体の比誘電率を高空間分解能かつ非接触で測定することができる。

本発明によれば、シート状もしくはフィルム状の誘電体の比誘電率を高空間分解能かつ非接触で測定することができる。

本実施形態に係る測定装置の構成例を示す図である。本実施形態に係る比誘電率と電界測定値との検量線の例を示す図である。本実施形態に係る検量線の導入手順のフローチャートである。厚さと電界測定値との関係例を示す図である。本実施形態に係る比誘電率の測定手順のフローチャートである。電気光学プローブの構成例のブロック図である。本実施形態の測定装置を、シート状もしくはフィルム状の誘電体材料が高速で搬送されて製造されるプロセス中に適用する例を示す図である。本実施形態による測定装置の概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［測定装置１の構成例］
図１は、本実施形態に係る測定装置１の構成例を示す図である。図１に示すように、測定装置１は、電界発生源１１、厚さ計１２、センサ１３、処理部１４、記憶部１５、および出力部１６を備える。処理部１４は、演算部１４１および制御部１４２を備える。

測定装置１は、試料２（測定対象物）の厚さと電界値を測定し、測定値に基づいて試料２の比誘電率を求める。
試料２（測定対象物）は、フィルム状またはシート状の誘電体である。試料２（測定対象物）は、電界発生源１１（電界発生手段）とセンサ１３（電界検出手段）の間に挿入される。

電界発生源１１（電界発生手段）は、処理部１４の制御部１４２の制御に応じて交流電界３を発生させる。

厚さ計１２は、例えば光学式、超音波式等によって試料２の厚さを測定するセンサである。厚さ計１２は、試料２の厚さを測定し、測定値を処理部１４の演算部１４１に出力する。また、厚さ計１２は、試料２と接触しないように配置されている。

センサ１３（電界検出手段）は、電界発生源１１によって発生した交流電界３を検出し、周波数成分の強度に応じた電界測定値（交流電界の強度）を演算部１４１に出力する。なお、センサ１３は、試料２によって減衰した交流電界３の強度を検出する。このため、まず、センサ１３は、試料２が無い状態の交流電界３の強度を検出する。センサ１３は、電気光学効果を有する電気光学結晶を用いた電気光学プローブ（非特許文献１参照）などの電界センサが好ましい。なお、電界発生源１１（電界発生手段）と、センサ１３（電界検出手段）とは、互いに対向して配置される。
なお、電界発生源１１（電界発生手段）とセンサ１３（電界検出手段）は、試料２（測定対象物）と接触しないように、距離を隔てて配置される。距離は、数十（μｍ）〜数（ｍｍ）である。

非特許文献；斉藤凌、“電気光学プローブを用いた有機薄膜太陽電池の電圧校正技術に関する研究”、法政大学大学院理工学・工学研究科紀要Ｖｏｌ．５８、法政大学、２０１７年３月

演算部１４１は、厚さ計１２が出力する検出値と、センサ１３が出力する電界測定値と、記憶部１５が記憶する情報とを用いて、試料２の比誘電率を求める。演算部１４１は、求めた比誘電率を出力部１６に出力する。なお、比誘電率の求め方は後述する。

制御部１４２は、電界発生源１１の電界発生の開始、終了、電界の大きさを制御する。

記憶部１５は、サンプルの厚さ毎に、比誘電率と電界測定値との関係（検量線）を記憶する。記憶部１５は、比誘電率と電界測定値との関係の傾きとサンプルの厚さの関係を記憶し、比誘電率と電界測定値との関係の切片とサンプルの厚さの関係を記憶する。記憶部１５は、サンプルの厚さと電界測定値との関係を記憶する。

出力部１６は、例えば表示装置または印刷装置等である。出力部１６は、演算部１４１が出力する比誘電率を表示または印字する。

［検量線の例］
次に、記憶部１５が記憶する情報について説明する。
図２は、本実施形態に係る比誘電率と電界測定値との検量線の例を示す図である。図３において、横軸は比誘電率であり、縦軸は電界測定値（任意単位）である。符号ｇ１は、厚さがｔ_１における比誘電率と電界測定値の関係である。バツ印は、厚さがｔ_１で比誘電率が異なるサンプルにおいて電界測定値を測定した結果を示す。符号ｇ２は、厚さがｔ_２における比誘電率と電界測定値の関係である。菱形印は、厚さがｔ_２で比誘電率が異なるサンプルにおいて電界測定値を測定した結果を示す。符号ｇ３は、厚さがｔ_３における比誘電率と電界測定値の関係である。丸印は、厚さがｔ_３で比誘電率が異なるサンプルにおいて電界測定値を測定した結果を示す。

ここで、比誘電率と電界測定値との関係についてさらに説明する。
センサ１３と電界発生源１１の間に位置するサンプルの比誘電率が高くなると、センサ１３で検出される交流電界３の強度は、クラマース・クローニッヒの関係式に従って、複素誘電率の実部と相関がある虚数部に比例する導電率（誘電体での誘電損にあたる）が高くなり損失が生じ、比例関係を持って減少する。比誘電率と電界測定値とには、このような関係性があるため、本実施形態では、比誘電率と電界測定値とを回帰解析によって直線近似することで一次関数によって表す。

図２において、傾きをａ_ｎ、切片をｂ_ｎ（ｎは厚さｔ_ｎにおけるｎの対応する整数）とすると、厚さｔ_１における電界測定値Ｖは、Ｖ＝ａ_１×ε_ｒ＋ｂ_１で表される。また、厚さｔ_２における電界測定値Ｖは、Ｖ＝ａ_２×ε_ｒ＋ｂ_２で表される。また、厚さｔ_３における電界測定値Ｖは、Ｖ＝ａ_３×ε_ｒ＋ｂ_３で表される。これらの一次式それぞれが検量線Ａである。

［検量線の導出手順］
次に、図２に示した検量線の導入手順について説明する。
図３は、本実施形態に係る検量線の導入手順のフローチャートである。なお、以下の処理は、比誘電率を求めたい試料２の測定を行う前に、厚さと比誘電率が既知のサンプルを用いて行う。この前処理では、厚さｔ_１のサンプル１（比誘電率ε_ｒ１）、サンプル２（比誘電率ε_ｒ２）、・・・、サンプルｍ（比誘電率ε_ｒｍ）、・・・、厚さｔ_ｎのサンプル１（比誘電率ε_ｒ１）、サンプル２（比誘電率ε_ｒ２）、・・・、サンプルｍ（比誘電率ε_ｒｍ）が用いられる。すなわち、前処理で用いるサンプル数は、ｎ×ｍ枚である。なお、サンプルの厚さは、未知であってもよい。この場合、測定装置１は、厚さ計１２によってサンプルの厚さを測定する。また、各サンプルは、比誘電率が安定的な、シート形状またはフィルム形状の一般的なプラスチック材料でよい。また、ｎおよびｍは、近似処理を行うため３以上が望ましい。

（ループ処理Ｌ１ｓ〜Ｌ１ｅ）演算部１４１は、ループ処理Ｌ２ｓ〜Ｌ２ｅと、ステップＳ２の処理をｎ回繰り返す。なお、演算部１４１は、１回目の処理で、ｉを０に設定し、ｉに１を加算する。演算部１４１は、２回目以降の処理で、ｉに１を加算する。

（ループ処理Ｌ２ｓ〜Ｌ２ｅ）演算部１４１は、ステップＳ１の処理をｍ回繰り返す。なお、演算部１４１は、１回目の処理で、ｊを０に設定し、ｊに１を加算する。演算部１４１は、２回目以降の処理で、ｊに１を加算する。

（ステップＳ１）作業者は、厚さがｔ_ｉで、比誘電率がε_ｊのサンプル（一般材料）を、電界発生源１１（図１）とセンサ１３（図１）との間に置く。演算部１４１は、このサンプルの電界測定値Ｖ_ｉｊを取得する。

（ステップＳ２）演算部１４１は、厚さｔ_ｉ毎に、比誘電率に対する電界測定値の検量線Ａを線形近似によって求める。続けて、演算部１４１は、検量線Ａの傾きａと切片ｂを記憶部１５に記憶させる。

（ステップＳ３）演算部１４１は、検量線Ａの傾きａと切片ｂについて、ｔを変数とした第１の関数ａ＝ｆ（ｔ）と第２の関数ｂ＝ｆ（ｔ）を近似によって求める。続いて、演算部１４１は、第１の関数ａ＝ｆ（ｔ）と第２の関数ｂ＝ｆ（ｔ）を記憶部１５に記憶させる。

ここで、図２に示した処理の具体例を説明する。
測定装置１は、厚さｔ_１の第１のサンプル（比誘電率ε_ｒ１）の電界測定値Ｖ_１１を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_１の第２のサンプル（比誘電率ε_ｒ２）の電界測定値Ｖ_１２を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_１の第３のサンプル（比誘電率ε_ｒ３）の電界測定値Ｖ_１３を測定する（１回目のループ処理Ｌ２ｓ〜Ｌ２ｅ）。
次に、演算部１４１は、回帰分析によって直線近似して、厚さｔ_１の検量線Ａ_１（Ｖ＝ａ_１×ε_ｒ＋ｂ_１）を求める（１回目のステップＳ２）。演算部１４１は、検量線Ａ_１の傾きａ_１と切片ｂ_１を記憶部１５に記憶させる。

次に、測定装置１は、厚さｔ_２の第４のサンプル（比誘電率ε_ｒ４）の電界測定値Ｖ_２４を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_２の第５のサンプル（比誘電率ε_ｒ５）の電界測定値Ｖ_２５を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_２の第６のサンプル（比誘電率ε_ｒ６）の電界測定値Ｖ_２６を測定する（２回目のループ処理Ｌ２ｓ〜Ｌ２ｅ）。
次に、演算部１４１は、回帰分析によって直線近似して、厚さｔ_２の検量線Ａ_２（Ｖ＝ａ_２×ε_ｒ＋ｂ_２）を求める（２回目のステップＳ２）。演算部１４１は、検量線Ａ_２の傾きａ_２と切片ｂ_２を記憶部１５に記憶させる。

次に、測定装置１は、厚さｔ_３の第７のサンプル（比誘電率ε_ｒ７）の電界測定値Ｖ_３７を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_３の第８のサンプル（比誘電率ε_ｒ８）の電界測定値Ｖ_３８を測定する。次に、測定装置１は、厚さｔ_３の第９のサンプル（比誘電率ε_ｒ９）の電界測定値Ｖ_３９を測定する（３回目のループ処理Ｌ２ｓ〜Ｌ２ｅ）。
次に、演算部１４１は、回帰分析によって直線近似して、厚さｔ_３の検量線Ａ_３（Ｖ＝ａ_３×ε_ｒ＋ｂ_３）を求める（３回目のステップＳ２）。演算部１４１は、検量線Ａ_３の傾きａ_３と切片ｂ_３を記憶部１５に記憶させる。
上述した処理によって得られた測定結果は図２のようになる。図２の例では、２１枚のサンプルを用いて、前処理を行った例である。また、電界測定値Ｖを縦軸に、厚さｔを横軸に取ったときのグラフは、図４のように表される。なお、図４については、後述する。

次に、演算部１４１は、厚さｔ_１の傾きａ_１と、厚さｔ_２の傾きａ_２と、厚さｔ_３の傾きａ_３とを用いて、第１の関数ａ＝ｆ（ｔ）を求める。また、演算部１４１は、厚さｔ_１の切片ｂ_１と、厚さｔ_２の切片ｂ_２と、厚さｔ_３の切片ｂ_３とを用いて、第２の関数ｂ＝ｆ（ｔ）を求める。なお、演算部１４１は、例えば指数近似を用いて関数を求める。

［検量線の導出手順］
次に、試料２の比誘電率の求め方を説明する。
まず、厚さと電界測定値との関係について説明する。
図４は、厚さと電界測定値との関係例を示す図である。図４において、横軸は厚さ（μｍ）であり、縦軸は電界測定値（任意単位）である。
センサ１３と電界発生源１１の間に位置する試料２の厚さが厚くなると、センサ１３で検出される交流電界３の強度は、ランベルトベールの法則に従って通過損失が生じ、図４に示すように指数関数的に減少する。ここで、厚さをｔ、電界測定値をＶ、減衰係数をｃとすると、電界測定値Ｖは、Ｖ＝Ｖ_０×ｅｘｐ（−ｃｔ）で表すことができる。

すなわち、センサ１３で検出される交流電界３の強度である電界測定値は、測定対象物である試料２の厚さと比誘電率の関数である。したがって、厚さか比誘電率のいずれかを求めたいときには、どちらか一方の値と電界測定値から、もう一方の値を求めることができる。本実施形態では比誘電率の測定を目的としているため、電界測定値と共に、試料２の厚さを厚さ計１２によって取得する。

図５は、本実施形態に係る比誘電率の測定手順のフローチャートである。図５において比誘電率を測定する対象の試料２は、比誘電率と厚さが未知の誘電体材料である。測定に際して、作業者は、試料２を、電界発生源１１（図１）とセンサ１３（図１）との間に置く。

（ステップＳ１１）演算部１４１は、厚さ計１２が出力する試料２の厚さｔ_ｘの測定値を取得する。
（ステップＳ１２）演算部１４１は、試料２の電界測定値Ｖ_ｘを取得する。

（ステップＳ１３）演算部１４１は、取得した厚さｔ_ｘと、記憶部１５が記憶する第１の関数ａ＝ｆ（ｔ）と第２の関数ｂ＝ｆ（ｔ）を用いて、傾きａ_ｘと切片ｂ_ｘとを求める。これにより、演算部１４１は、比誘電率ε_ｒと電界測定値Ｖとの関係式（Ｖ＝ａ_ｘ×ε_ｒ＋ｂ_ｘ）を得る。

（ステップＳ１４）演算部１４１は、電界測定値Ｖ_ｘと、傾きａ_ｘと切片ｂ_ｘとの関係式（Ｖ＝ａ_ｘ×ε_ｒ＋ｂ_ｘ）を用いて、比誘電率ε_ｘを求める。すなわち、演算部１４１は、比誘電率ε_ｘを（Ｖ−ｂ_ｘ）／ａ_ｘによって求める。

［電気光学プローブ］
ここで、電気光学プローブについて概略を説明する。
図６は、電気光学プローブ１３Ａの構成例のブロック図である。なお、図６は、センサ１３に電気光学プローブ１３Ａを適用した例である。図６に示すように、電気光学プローブ１３Ａは、ＥＯ／ＯＥ回路１３１とプローブヘッド１３２を備える。ＥＯ／ＯＥ回路１３１は、ＬＤドライバ１３１１、ＬＤ１３１２、ＰＤ１３１３、ＰＤ１３１４、差動アンプ１３１５、およびコンデンサ１３１６を備える。プローブヘッド１３２は、波長板１３２１、ＥＯ結晶１３２２、およびＰＢＳ１３２３を備える。

ＥＯ／ＯＥ回路１３１は、プローブヘッド１３２で検出した電界強度を電気信号に変換して出力する。ＬＤドライバ１３１１はＬＤ１３１２を駆動する。ＬＤ１３１２は、例えば半導体レーザである。ＰＤ１３１３、およびＰＤ１３１４は光受光部であり、プローブヘッド１３２からのレーザ光のＰ波とＳ波を受光し、受光したＰ波とＳ波それぞれを電気信号に変換して差動アンプ１３１５に出力する。差動アンプ１３１５は、ＰＤ１３１３が出力する電気信号とＰＤ１３１４が出力する電気信号との差分を求め、求めた強度差を増幅した出力信号を、コンデンサ１３１６によってＤＣ（直流）成分をカットした後に出力する。

ＥＯ／ＯＥ回路１３１のＬＤ１３１２によって照射されたレーザ光が光りファイバを介してプローブヘッド１３２へ送られる。
プローブヘッド１３２は、波長板１３２１とＥＯ結晶１３２２を透過したレーザ光は、ＰＢＳ１３２３（偏光ビームスプリッタ）によってＰ波とＳ波の２つの直線偏光に分離する。なお、ＥＯ結晶１３２２は、結晶中に電界が印加された際に，結晶の持つ屈折率が変化するＥＯ（電気光学）効果を示す結晶である。

なお、図６に示した電気光学プローブ１３Ａの構成は一例であり、構成はこれに限らない。

以上のように、本実施形態の測定装置１を用いることで、従来技術ではできなかった非接触での比誘電率測定を実現することが可能となる。
また、本実施形態によれば、電界を検出するセンサ１３に電気光学プローブを採用することで、金属製アンテナと比較して低擾乱で安定的な測定ができる。そして、本実施形態では、電気光学プローブに用いる電気光学結晶の微小化や、参照光のビーム径を細くするなどの工夫により、金属製アンテナよりも空間分解能が高い測定が可能となる。
さらに、本実施形態によれば、電界発生源１１に入力する信号の周波数を数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度にすることで、信号検出回路の高速化などの必要がなく、ミリ波帯やマイクロ波帯の信号を用いる測定手法に比べて、装置を安価に構築できる効果を得ることができる。

［シート／フィルムの製造プロセス中でのインライン測定例］
次に、測定装置１を、シート状もしくはフィルム状の誘電体材料が高速で搬送されて製造されるプロセス中に適用する例を説明する。このプロセスに測定装置１を適用することで、比誘電率のインライン測定を高空間分解能かつ非接触で実現することができる。

図７は、本実施形態の測定装置１を、シート状もしくはフィルム状の誘電体材料が高速で搬送して製造する製造装置１００に適用する例を示す図である。製造装置１００は、測定装置１、搬送手段１０１を含んで構成される。図７に示すｘｙｚ直交座標系において、ｘ軸が試料２の搬送方向Ｄ１に沿う方向、ｙ軸が試料２の幅方向に沿う方向、ｚ軸が鉛直方向に沿う方向にそれぞれ設定されている。

試料２は、試料２を巻き取って搬送するアルミのロールなどの搬送手段１０１によって、ｘ軸方向へ高速搬送される。
図７において、電界発生源１１とセンサ１３の距離が遠いほど、センサ１３で検出される電界強度は低くなり、Ｓ／Ｎが悪くなる。このような場合は、電界発生源１１を高電圧の交流信号で励起させ、センサ１３で検出する交流電界３の強度を高めることで、Ｓ／Ｎ劣化を抑制できる。また、比較的低い周波数帯の高電圧信号を生成することは容易である。ここで、比較的低い周波数とは、例えば数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度である。このように、本実施形態では、例えば数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の高電圧信号を用いることで、センサ１３と電界発生源１１の距離を遠ざけても、精度の高い測定が容易に実現可能である。

試料２とセンサ１３との距離、または試料２と電界発生源１１の距離が従来技術のように近い場合は、試料２がセンサ１３や電界発生源１１に接触することで、表面に傷がついたり穴があいたりする問題が発生する。一方、本実施形態によれば、十分な距離を取ったギャップに試料２を搬送させることで、接触が発生せず、かつ上述したように精度の高い測定を行うことができる。

図８は、本実施形態による測定装置１Ａの概略構成を示す斜視図である。図８に示すように、測定装置１Ａは、さらにフレーム１０を備える。
フレーム１０は、外部形状として長手方向と短手方向を有する略四角環形状の部材である。フレーム１０は、その開口部ＯＰ内において厚さ計１２とセンサ１３及び電界発生源１１を長手方向に往復運動可能に支持する。具体的に、フレーム１０は、長手方向が紙Ｐの幅方向（ｙ方向）に沿う方向に設定されるとともに短手方向が鉛直方向（ｚ方向）に沿う方向に設定され、試料２が開口部ＯＰのほぼ中央を通過するように配置される。

つまり、フレーム１０は、搬送される試料２の上方に厚さ計１２とセンサ１３が配置されるとともに、搬送される試料２の下方に電界発生源１１が配置されるように、試料２に対して位置決めがなされている。そして、厚さ計１２とセンサ１３を試料２の表面に沿ってｙ方向に往復運動させる機構と、電界発生源１１を試料２の裏面に沿ってｙ方向に往復運動させる機構とを備える。すなわち、測定装置１Ａは、試料２（測定対象物）の搬送方向に直行するような水平方向へのスキャン機構を有している。これらの機構を同じように駆動すれば厚さ計１２とセンサ１３と、電界発生源１１とを同期させて往復運動させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、フィルム状またはシート状の誘電体の比誘電率を、高空間分解能で、かつ非接触で測定することができる。

なお、本発明における処理部１４の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより処理部１４が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

１，１Ａ…測定装置、１１…電界発生源、１２…厚さ計、１３…センサ、１３Ａ…電気光学プローブ、１４…処理部、１５…記憶部、１６…出力部、１４１…演算部、１４２…制御部、２…試料、１０…フレーム、１０１…搬送手段、１００…製造装置

Claims

交流電界を発生する電界発生手段と、電界発生手段からの交流電界を検出できる電界検出手段と、測定対象物の厚さを測定する厚さ計と、比誘電率と交流電界の強度の関係を示す検量線の導出を行う処理部と、を備え、
前記電界発生手段と前記電界検出手段は、互いに対向して配置され、
前記測定対象物は、前記電界発生手段と前記電界検出手段の間に挿入され、
前記電界発生手段と前記電界検出手段は、前記測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置され、
前記厚さ計は、前記測定対象物と接触しないように配置され
前記電界検出手段は、前記測定対象物によって減衰した交流電界の強度を検出し、
前記厚さ計は、前記測定対象物の厚さを測定し、
前記処理部は、測定された前記交流電界の強度と前記厚さと前記検量線とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出する、測定装置。
前記電界検出手段として、電気光学効果を応用した電界センサを用いる、請求項１に記載の測定装置。
前記検量線は、比誘電率が既知である複数の前記測定対象物それぞれの前記比誘電率と前記交流電界の強度との関係を示し、
前記処理部は、比誘電率が既知である前記測定対象物の厚さ毎に前記検量線を導出する、請求項１または請求項２に記載の測定装置。
前記処理部は、厚さ毎の複数の前記検量線から厚さ毎に傾きと切片を求め、複数の前記傾きを厚さ変数とする第１の関数を求め、複数の前記切片を厚さ変数とする第２の関数を求め、測定された前記厚さと前記第１の関数と前記第２の関数とを用いて、測定された前記厚さに対応する検量線の傾きと切片を求め、測定された前記厚さに対応する検量線の傾きと切片と測定された前記交流電界の強度とを用いて、比誘電率が未知である前記測定対象物の比誘電率を算出する、請求項３に記載の測定装置。
前記測定対象物がシート状もしくはフィルム状の誘電体材料であり、
前記電界発生手段から発生する交流電界の励起信号に、高電圧の信号を用い、前記電界発生手段と前記電界検出手段との距離を数ｍｍに配置し、
前記測定対象物が搬送手段によって高速搬送された場合に、前記測定対象物が鉛直方向に振動しても、前記電界発生手段と前記電界検出手段のどちらもが前記測定対象物に接触しないように配置した構成である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の測定装置。
前記測定対象物の搬送方向に直行するような水平方向へのスキャン機構を有し、前記測定対象物の比誘電率の面分布測定ができる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測定装置。
交流電界を発生する電界発生手段と、電界発生手段からの交流電界を検出できる電界検出手段と、測定対象物の厚さを測定する厚さ計と、比誘電率と交流電界の強度の関係を示す検量線の導出を行う処理部と、を備え、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、互いに対向して配置され、前記測定対象物は、前記電界発生手段と前記電界検出手段の間に挿入され、前記電界発生手段と前記電界検出手段は、前記測定対象物と接触しないように距離を隔てて配置され、前記厚さ計は、前記測定対象物と接触しないように配置されている測定装置における測定方法であって、
前記処理部が、比誘電率が既知である複数の前記測定対象物それぞれの前記比誘電率と前記交流電界の強度との関係を示す検量線であって、比誘電率が既知である前記測定対象物の厚さ毎に前記検量線を導出するステップと、
前記電界検出手段が、前記測定対象物によって減衰した交流電界の強度を検出するステップと、
前記厚さ計が、前記測定対象物の厚さを測定するステップと、
前記処理部が、測定された前記交流電界の強度と前記厚さと前記検量線とに基づいて、前記測定対象物の比誘電率を算出するステップと、
を含む測定方法。