JP3204851B2 - 誘電率温度係数測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘電体材料の誘電率の
温度係数を測定する誘電率温度係数測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば分極分布、多結晶体の結晶構造や
粒界構造などの物質のミクロの構造を知ることは、新材
料を開発するうえで重要である。従来は物質のミクロの
構造を知るために超音波が利用されていた。この超音波
を利用した代表的な方法である超音波スペクトロスコピ
ーは、材料は音響的性質の異なった多くの微細な部分の
集合体と考えられることを利用して、材料の超音波伝搬
特性からその微細構造を知ろうとするものである。例え
ば音速が異なることを検出したとき、分極分布や多結晶
体の粒界構造が異なることを判別することができる。

【０００３】また最近では、光音響分光法を利用して物
質のミクロの構造の情報を得ることが出来るようになっ
てきた。これは、物質に断続的に光ビームを照射すると
反射と吸収が起こり、吸収されたエネルギーは熱になる
ことを利用して、この光ビームに対する熱の応答を断続
光の周波数と同じ周波数の音波として測定して光が照射
された部分の光吸収特性を知るというものである。すな
わち、物質における光吸収度の違いから、例えば分極分
布や多結晶体の粒界構造の違いを判別する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のいずれの方法も、超音波伝搬特性又は光吸収特性
の測定結果から、物質のミクロの構造の違いを知ること
ができるが、どの分布や構造が異なるかということを判
別することができなかった。また、上記の従来の方法で
は、誘電体の微小領域における誘電率の温度係数などの
電気的特性を測定することができなかった。

【０００５】本発明の目的は以上の問題点を解決し、誘
電体の表面の一部分である微小領域における誘電率温度
係数を測定する誘電率温度係数測定装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の誘電率温度係数測定装置は、２つの電極間に位置す
る誘電体の表面の一部分である微小領域における誘電率
温度係数を測定する誘電率温度係数測定装置であって、
上記誘電体の微小領域に、所定の変調周波数で強度変調
された光ビーム信号を照射する光照射手段と、上記２つ
の電極と上記誘電体とを含んで構成された共振回路を備
えて、上記誘電体の微小領域に上記光ビーム信号が照射
されたときに、上記光ビーム信号の変調周波数と上記微
小領域の誘電率の温度係数に対応して発振周波数が変化
する発振信号を発生する発振手段と、上記発振信号を周
波数復調して、上記変調周波数と上記光ビーム信号が照
射された誘電体の微小領域の誘電率の温度係数に対応し
た振幅を有する信号を復調信号として出力する復調手段
とを備え、上記復調信号に基づいて上記誘電体の微小領
域の誘電率温度係数を測定することを特徴とする。

【０００７】また、請求項２記載の誘電率温度係数測定
装置は、請求項１記載の誘電率温度係数測定装置におい
て、さらに、上記光ビーム信号に同期した基準信号を発
生する信号発生手段と、上記基準信号に基づいて上記復
調信号を同期検波して上記復調信号の振幅に対応した直
流信号を出力する検波手段とを備え、上記直流信号に基
づいて上記誘電体の微小領域の誘電率温度係数を測定す
ることを特徴とする。

【０００８】さらに、請求項３記載の誘電率温度係数測
定装置は、請求項１又は２記載の誘電率温度係数測定装
置において、上記誘電体は互いに対向する上面と下面を
有し、上記２つの電極はそれぞれ上記上面上と上記下面
上とに形成されたことを特徴とする。またさらに、請求
項４記載の誘電率温度係数測定装置は、請求項３記載の
誘電率温度係数測定装置において、上記２つの電極のう
ち少なくとも１つは透明電極であることを特徴とする。
また、請求項５記載の誘電率温度係数測定装置は、請求
項１又は２記載の誘電率温度係数測定装置において、上
記２つの電極は、上記誘電体の一表面上に互いに所定の
距離だけ離れて形成されたことを特徴とする。

【０００９】さらに、請求項６記載の誘電率温度係数測
定装置は、請求項１乃至５のうちの１つに記載の誘電率
温度係数測定装置において、上記共振回路は、上記２つ
の電極と上記誘電体とからなるキャパシタンスと、イン
ダクタンスとを備えたＬＣ共振回路であることを特徴と
する。

【００１０】またさらに、請求項７記載の誘電率温度係
数測定装置は、請求項１乃至４のうちの１つに記載の誘
電率温度係数測定装置において、上記共振回路は、互い
に対向する２個の底面を備えた円筒形状を有し、上記円
筒形状の一方の底面が短絡されて終端されかつ他方の底
面に開口部を有する導体ケースと、上記導体ケースの一
方の底面の中心に連結され、その連結部から上記導体ケ
ースの軸中心に沿って上記開口部まで延在するように上
記導体ケース内に設けられた円柱形状の中心導体とを備
え、上記２つの電極のうちの１つの電極が上記中心導体
の延在する一端に接続され、他方の電極が上記導体ケー
スの開口部と接続されてなるリエントラント型空洞共振
器であることを特徴とする。

【００１１】またさらに、請求項８記載の誘電率温度係
数測定装置は、請求項１乃至７のうちの１つに記載の誘
電率温度係数測定装置において、さらに、上記光ビーム
信号の放射方向に対して垂直に、１次元方向又は２次元
方向で上記誘電体を移動する移動手段を備えたことを特
徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１記載の誘電率温度係数測定装置におい
ては、上記光照射手段は、上記誘電体の微小領域に、所
定の変調周波数で強度変調された光ビーム信号を照射
し、上記発振手段は、上記２つの電極と上記誘電体とを
含んで構成された共振回路を備えて、上記誘電体の微小
領域に上記光ビーム信号が照射されたときに、上記光ビ
ーム信号の変調周波数と上記微小領域の誘電率の温度係
数に対応して発振周波数が変化する発振信号を発生す
る。次いで、上記復調手段は、上記発振信号を周波数復
調して、上記変調周波数と上記光ビーム信号が照射され
た誘電体の微小領域の誘電率の温度係数に対応した振幅
を有する信号を復調信号として出力する。そして、上記
復調信号に基づいて上記誘電体の微小領域の誘電率温度
係数を測定する。

【００１３】また、請求項２記載の誘電率温度係数測定
装置においては、上記信号発生手段は、上記光ビーム信
号に同期した基準信号を発生し、上記検波手段は、上記
基準信号に基づいて上記復調信号を同期検波して上記復
調信号の振幅に対応した直流信号を出力する。そして、
上記直流信号に基づいて上記誘電体の微小領域の誘電率
温度係数を測定する。

【００１４】さらに、請求項３記載の誘電率温度係数測
定装置においては、好ましくは、上記誘電体は互いに対
向する上面と下面を有し、上記２つの電極はそれぞれ上
記上面上と上記下面上とに形成された。またさらに、請
求項４記載の誘電率温度係数測定装置においては、好ま
しくは、上記２つの電極のうち少なくとも１つは透明電
極である。また、請求項５記載の誘電率温度係数測定装
置においては、好ましくは、上記２つの電極は、記誘電
体の一表面上に互いに所定の距離だけ離れて形成され
た。

【００１５】さらに、請求項６記載の誘電率温度係数測
定装置においては、上記共振回路は、好ましくは、上記
２つの電極と上記誘電体とからなるキャパシタンスと、
インダクタンスとを備えたＬＣ共振回路である。

【００１６】またさらに、請求項７記載の誘電率温度係
数測定装置においては、上記共振回路は、好ましくは、
互いに対向する２個の底面を備えた円筒形状を有し、上
記円筒形状の一方の底面が短絡されて終端されかつ他方
の底面に開口部を有する導体ケースと、上記導体ケース
の一方の底面の中心に連結され、その連結部から上記導
体ケースの軸中心に沿って上記開口部まで延在するよう
に上記導体ケース内に設けられた円柱形状の中心導体と
を備え、上記２つの電極のうちの１つの電極が上記中心
導体の延在する一端に接続され、他方の電極が上記導体
ケースの開口部と接続されてなるリエントラント型空洞
共振器である。

【００１７】またさらに、請求項８記載の誘電率温度係
数測定装置においては、上記移動手段は、上記光ビーム
信号の放射方向に対して垂直に、１次元方向又は２次元
方向で上記誘電体を移動する。これによって、上記誘電
体の表面上の直線上又は平面上の誘電率温度係数の分布
を測定することができる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明に係る第一の実施例の誘電率温
度係数測定装置のブロック図であって、当該誘電率温度
係数測定装置は、誘電体試料２の表面の一部分である微
小領域の誘電率温度係数を測定する誘電率温度係数測定
装置である。

【００１９】図１に示すように、第一の実施例の誘電率
温度係数測定装置は、（ａ）断続周波数、すなわちチョ
ッピング周波数ｆｃを有する断続光である光ビーム信号
を誘電体試料２の表面に照射する光照射部５０と、
（ｂ）キャパシタ部１とコイル６とを含んで構成された
共振部１０を備え、上記光ビーム信号が上記キャパシタ
部１の誘電体試料２の表面の微小領域に照射されたとき
に、発振周波数が上記チョッピング周波数ｆｃと上記光
ビーム信号が照射された誘電体試料２の微小領域の誘電
率の温度係数に対応して変化する発振信号を発生する発
振器２０と、（ｃ）上記発振信号を周波数復調（ＦＭ復
調）して、上記チョッピング周波数ｆｃと上記光ビーム
信号が照射された誘電体試料２の微小領域の誘電率の温
度係数に対応した振幅を有する信号を復調信号として出
力するＦＭ復調回路２６と、（ｄ）光照射部５０内のチ
ョッパー制御部２４によって発生される基準信号に基づ
いて、上記復調信号を同期検波して、上記復調信号の振
幅に対応した直流信号を出力するロックインアンプ２７
とを備え、上記光ビーム信号が照射される誘電体試料２
の微小領域の誘電率温度係数が測定することを特徴とす
る。

【００２０】以下、図面を用いて第一の実施例の誘電率
温度係数測定装置の構成を詳細に説明する。

【００２１】図１に示すように、上記光照射部５０は、
例えばレーザダイオードにてなる光源２１と、チョッパ
ー２２と、光学レンズ２３と、チョッパー制御部２４と
によって構成される。光源２１は、所定波長の光ビーム
を発生して、当該光ビームをチョッパー２２の光開閉部
と、光集光用光学レンズ２３と、キャパシタ部１の透明
電極３を介して、誘電体試料２の表面の一部分である微
小領域に集光照射する。また、チョッパー制御部２４
は、所定のチョッパー周波数に対応した周波数を有する
モータ制御信号をチョッパー２２のモータに出力して、
当該モータをモータ制御信号に同期して回転させるとと
もに、上記モータ制御信号に同期しかつ同一の周波数を
有する基準信号を発生してロックインアンプ２７の端子
Ｔ２に出力する。上記チョッパー２２の光開閉部は、円
形状であって、半円部分の角度に対応して光ビームを通
過させる孔が形成された第１の部分と、別の半円部分の
角度に対応して光ビームを遮断する第２の部分とから構
成される。このチョッパー２２の光開閉部は、チョッパ
ー制御部２４からのモータ制御信号に応答してモータが
回転されることにより、光ビームを通過させる時間と光
ビームを遮断させる時間比が１：１となるように、光源
２１からの光ビームを所定のチョッパー周波数（又は断
続周波数）ｆｃで断続して、断続して得られた光ビーム
信号を光学レンズ２３と透明電極３とを介して誘電体２
の微小領域に集光照射する。

【００２２】また、共振回路部１０は、キャパシタ部１
と、機構部７と、コイル６とによって構成される。ここ
で、キャパシタ部１は、誘電体試料２を互いに対向する
２つの電極３，４によって挟設されて構成される。本実
施例において、２つの電極３，４のうち電極３のみが例
えばＩＴＯにてなる透明電極で構成されるが、電極４も
透明電極で構成してもよい。共振回路部１０のキャパシ
タ部１の２つの電極３，４はそれぞれインダクタとなる
コイル６の両端に並列に接続され、この並列接続された
キャパシタ部１とコイル６とによってＬＣ共振回路を構
成する。このＬＣ共振回路は負性抵抗回路５に接続され
て、発振器２０を構成する。従って、発振器２０は、キ
ャパシタ部１のキャパシタンスとコイル６のインダクタ
ンスによって決定される発振周波数で発振して発振信号
を発生し、詳細後述するように発振信号は周波数変調
（ＦＭ変調）され、当該発振周波数を有しＦＭ変調され
た発振信号をＦＭ復調回路２６に出力する。ここで、キ
ャパシタ部１のキャパシタンスは、好ましくは、１ｐＦ
から数μＦになるように設定され、コイル６のインダク
タンスは、上記共振回路部１０のＬＣ共振回路の共振周
波数が好ましくは１００ｋＨｚから１ＧＨｚ程度の周波
数になるように、好ましくは１μＨから数１０ｍＨの範
囲内の所定の値に設定される。

【００２３】機構部７は、キャパシタ部１をその表面上
に載置して保持し、かつ機構制御部２５からの機構制御
信号に応答してキャパシタ部１を光照射部５０からの光
ビーム信号の照射方向に対して垂直な方向で１次元方向
又は２次元方向に移動させる。キャパシタ部１が機構部
７によって、このように移動されることにより、上記光
ビーム信号が照射される誘電体試料２の微小領域が１次
元方向又は２次元方向に移動される。機構制御部２５
は、上記機構制御信号を発生するとともに、当該制御信
号に対応し上記誘電体試料２の微小領域の移動位置を示
す位置信号を発生して表示制御部２８に出力する。

【００２４】ＦＭ復調回路２６は、発振器２０が発生す
るＦＭ変調された発振信号をＦＭ復調して復調信号をロ
ックインアンプ２７の端子Ｔ１に出力する。ロックイン
アンプ２７は、上記基準信号に基づいてＦＭ変調された
発振信号を同期検波して検波後の直流信号を表示制御部
２８に出力する。表示制御部２８は、ロックインアンプ
２７から出力される直流信号の電圧と機構制御部２５か
ら出力される位置信号とから、光ビームの照射位置にお
ける復調信号の位相φを演算して、光ビームの誘電体試
料２の表面上の照射位置を示す位置信号と、当該照射位
置における復調信号の位相φとロックインアンプ２７か
らの出力電圧をディスプレイ２９上に表示するようにデ
ィスプレイ２９を制御する。

【００２５】図２にロックインアンプ２７の構成を示
す。図２に示すように、端子Ｔ１を介して入力される復
調信号は、増幅器２７１を介して同相分配器２７３に入
力され、同相分配器２７３は、増幅された復調信号を同
相で２分配して、それぞれ乗算器である位相敏感検出器
２７７ａ，２７７ｂに出力する。一方、端子Ｔ２を介し
て入力される基準信号は波形整形器２７２に入力され、
波形整形器２７２は、入力された基準信号を方形波に波
形整形して同相分配器２７４に出力する。同相分配器２
７４は、波形整形器２７２から入力される基準信号を同
相で２分配して２つの分配信号を発生し、一方の分配信
号を乗算器である位相敏感検出器２７７ｂに出力すると
ともに、他方の分配信号を９０度だけ移相する移相器２
７５を介して位相敏感検出器２７７ａに出力する。位相
敏感検出器２７７ａは入力された２つの信号を乗算して
混合し、上記復調信号の周波数と上記基準信号の周波数
の和と差の周波数を有する信号に変換して、変換後の信
号を、直流成分のみを通過ろ波する低域通過フィルタ２
７８ａを介して端子Ｔ３に出力する。一方、位相敏感検
出器２７７ｂは入力された２つの信号を乗算して混合
し、上記復調信号の周波数と上記基準信号の周波数の和
と差の周波数を有する信号に変換して、変換後の信号
を、直流成分のみを通過ろ波する低域通過フィルタ２７
８ｂを介して端子Ｔ４に出力する。

【００２６】以上のように構成された誘電率温度係数測
定装置において、光源２１が発生する光ビームは、チョ
ッパー制御部２４によって制御されたチョッパー２２に
よってチョッピング周波数ｆｃを有する断続光である光
ビーム信号に変換された後、レンズ２３によって集光さ
れてキャパシタ部１の透明電極３に、透明電極３の表面
に対して垂直な方向で照射される。当該光ビーム信号
は、透明電極３を透過して誘電体試料２の表面の一部分
である微小領域に集光照射されて吸収される。このと
き、誘電体試料２の微小領域は、この光ビーム信号によ
り発熱して、その微小領域の温度を、熱拡散による放熱
と上記光ビーム信号の吸収による発熱とが平衡状態にな
る温度まで上昇させて、かつ当該微小領域の温度を上記
光ビーム信号の周波数であるチョッピング周波数ｆｃと
同じ周波数で変化させる。平衡状態となった後、上記誘
電体試料２の光ビーム信号が照射された微小領域の誘電
率は、数５を参照して詳細後述するように、上記微小領
域の誘電率温度係数に比例した振幅で、かつ上記チョッ
ピング周波数ｆｃと同じ周波数で変化する。これによっ
て、誘電体試料２の全体としての誘電率も変化するので
キャパシタ部１のキャパシタンスＣ₀も上記微小領域の
誘電率温度係数に比例した振幅で、かつチョッピング周
波数ｆｃと同じ周波数で変化する。

【００２７】また、キャパシタ部１とコイル６はＬＣ共
振回路を構成しているので、上記ＬＣ共振回路の共振周
波数もキャパシタ部１のキャパシタンスＣの変化に対応
して変化する。これによって、発振器２０は、キャパシ
タ部１のキャパシタンスＣの変化に対応して、光ビーム
信号が照射される誘電体試料２の表面の微小領域におけ
る誘電率温度係数に比例した振幅とチョッピング周波数
ｆｃを有する信号に従ってＦＭ変調された発振信号を発
振して発生し、ＦＭ復調回路２６に出力する。上記ＦＭ
復調回路２６は、上記ＦＭ変調された発振信号を、光ビ
ーム信号が照射される誘電体試料２の表面の微小領域に
おける誘電率温度係数に比例した振幅とチョッピング周
波数ｆｃを有する復調信号にＦＭ復調して、当該ＦＭ復
調信号をロックインアンプ２７の端子Ｔ１に出力する。

【００２８】ロックインアンプ２７は、基準信号に基づ
いて復調信号を同期検波し、同期検波後の２つの直流信
号を端子Ｔ３とＴ４とを介して表示制御部２８に出力す
る。ここで、図２に示すように、位相敏感検出器２７７
ａに入力された一方の復調信号と一方の基準信号は、位
相敏感検出器２７７ａによって乗算することによって混
合されて、当該復調信号の周波数と当該基準信号の周波
数の和と差の周波数を有する信号に変換されて低域フィ
ルタ２７８ａに出力される。低域フィルタ２７８ａに入
力された復調信号の周波数と基準信号の周波数の和と差
の周波数を有する信号のうち直流成分である直流信号の
電圧Ｖａ₁のみが、上記低域通過フィルタ２７８ａから
出力されて、端子Ｔ３を介して表示制御部２８に出力さ
れる。ここで、低域通過フィルタ２７８ａから出力され
る電圧Ｖａ₁は、基準信号が９０度だけ移相されて復調
信号と混合されるので、上記復調信号と上記基準信号が
同相で掛算されかつ低域ろ波された後の電圧の絶対値を
Ｖａとし、かつ上記復調信号と上記基準信号との間の位
相差をφとすると次の数１で表される。

【００２９】

【数１】Ｖａ₁＝Ｖａ・ｓｉｎφ

【００３０】一方、位相敏感検出器２７７ｂに入力され
た上記他方の復調信号と上記他方の基準信号は、位相敏
感検出器２７７ｂによって乗算することによって混合さ
れて、当該復調信号の周波数と当該基準信号の周波数の
和と差の周波数を有する信号に変換されて低域フィルタ
２７８ｂに出力される。低域フィルタ２７８ｂに入力さ
れた復調信号の周波数と基準信号の周波数の和と差の周
波数を有する信号のうち直流成分である直流信号の電圧
Ｖａ₂のみが、上記低域通過フィルタ２７８ｂから出力
されて端子Ｔ４を介して表示制御部２８に出力される。
ここで、低域通過フィルタ２７８ｂから出力される電圧
Ｖａ₂は、電圧の絶対値Ｖａと位相差φを用いて次の数
２で表される。

【００３１】

【数２】Ｖａ₂＝Ｖａ・ｃｏｓφ

【００３２】次に、表示制御部２８は、入力される電圧
Ｖａ₁，Ｖａ₂から電圧の絶対値Ｖａとをそれぞれ次の数
３及び数４とを用いて演算する。

【００３３】

【数３】Ｖａ＝√（Ｖａ₁ ²＋Ｖａ₂ ²）

【数４】φ＝ｔａｎ^-1（Ｖａ₁／Ｖａ₂）

【００３４】機構制御部２５から入力される位置信号
と、電圧Ｖａ₁，Ｖａ₂，Ｖａと、上記位相差φのうちか
ら指定されるパラメータの各値をディスプレイ２９の表
示画面上に表示するようにディスプレイ２９を制御す
る。これに応答して、上記ディスプレイ２９は表示制御
部２８の指示信号に従って各パラメータの各値を表示す
る。

【００３５】次に、光ビーム信号を誘電体試料２の表面
の微小領域に照射したときのキャパシタ部１のキャパシ
タンスの交番的変化量Ｃａｃについて数式を用いて説明
する。本発明者は光音響分光法に関するＲｏｓｅｎｃｗ
ａｉｇの理論を参考にして、不透明でかつ熱拡散長より
も厚い誘電体試料２を用いたときのキャパシタ部１にお
けるキャパシタンスの交番的変化量Ｃａｃを、次の数５
のように導出した。

【００３６】

【数５】Ｃac＝Ｃ₀(１／Ｌ)(ε₁／ε)(Ｉ₀／ρＳｈ)(１
／２ωｃ)cos(ωct−９０°)

【００３７】ここで、数５中の記号は以下に示す量を表
す。 （ａ）Ｃ₀は光ビーム信号を微小領域に照射していない
ときの、電極３と電極４によって挟設された当該微小領
域のキャパシタンスである。 （ｂ）Ｌは誘電体試料２の厚さである。 （ｃ）ε₁は誘電体試料２の光ビーム信号が照射される
微小領域の誘電率の温度係数である。 （ｄ）εは誘電体試料２の光ビーム信号が照射される微
小領域の誘電率である。 （ｅ）Ｉ₀は光ビーム信号の強度である。 （ｆ）ρは誘電体試料２の光ビーム信号が照射される微
小領域の密度である。 （ｇ）Ｓｈは誘電体試料２の光ビーム信号が照射される
微小領域の比熱である。 （ｈ）ωｃはチョッピング角周波数であって、チョッピ
ング周波数ｆｃを用いてωｃ＝２πｆｃで表される。

【００３８】上記数５から明らかなように、キャパシタ
部１のキャパシタンスの交番的変化量Ｃacは、誘電率の
温度係数ε₁及び光ビーム信号の強度Ｉ₀に比例するの
で、数５中の微小領域の密度ρや微小領域の比熱Ｓｈな
どの他の物理量を公知の方法で、求めておいて、光ビー
ム信号の交番的変化に対応するキャパシタンスの交番的
変化量Ｃacを定量測定することによって、誘電体試料２
の微小領域の温度係数ε₁を求めることができる。

【００３９】また、本発明者は上記数３の妥当性と本発
明に係る第一の実施例の誘電率温度係数測定装置の動作
を確認するために、次に示す数々の実験を行った。以下
に実験例と実験結果を示す。

【００４０】図３は、図１の誘電率温度係数測定装置の
チョッパー２２のチョッピング周期（すなわち、チョッ
ピング周波数の逆数）とロックインアンプ２７の出力電
圧Ｖａの関係を表したグラフである。図３のグラフは以
下のように実験条件を設定して得られた結果をもとにし
て作成した。 （１）誘電体試料２は、１０ｍｍ角で厚さ０．７ｍｍの
未分極のＰＺＴ材料からなり、この誘電体試料２の上面
に厚さ２００Åの金からなる透明の電極３が形成され、
当該誘電体試料２の下面に厚さ２０００Åのアルミニウ
ムからなる電極４が形成されて、キャパシタ部１が構成
される。ここで、ＰＺＴ材料は、よく知られたチタン酸
鉛−ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３）磁器
であって、プラスの誘電率温度係数を有する。 （２）光源２１にＨｅ−Ｎｅレーザを使用して、ビーム
強度が５ｍＷ／（１．２６×１０^-7ｍ²）である光ビー
ム信号を上記キャパシタ部１の誘電体試料２の上面でビ
ーム径が４００μｍになるように集光照射して、チョッ
ピング周期を順次変えて、それぞれのチョッピング周期
のときのロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａを測定し
た。この時の光ビームを照射する誘電体試料２の表面上
の微小領域は特定の１点に固定して測定を行い、上記チ
ョッピング周期を変えるときには５秒間光ビーム信号を
遮断した後、チョッピング周期を変更した後の光ビーム
信号を照射して当該チョッピング周期でのロックインア
ンプ２７の出力電圧Ｖａを測定した。ここで、チョッピ
ング周期はチョッピング周波数ｆｃの逆数で定義され
る。

【００４１】図３から明らかなように、ロックインアン
プ２７の出力電圧Ｖａは、チョッピング周波数ｆｃの逆
数であるチョッピング周期に比例している。またこの時
のＦＭ復調回路２６から出力される復調信号の位相φ
は、光ビーム信号の断続周波数と同じ周波数と同じ位相
を有する電気信号である基準信号の位相に比較すると、
ほぼ９０度だけ進んでいる。このとき、数５から明らか
なように、交番的変化量Ｃacと上記復調信号とは逆相で
あるので、交番的変化量Ｃacの位相は、光ビーム信号の
位相と比較すると、９０度だけ遅れている。以上の結果
は、数５において示されているキャパシタンスの交番的
変化量Ｃａｃがチョッピング角周波数ωｃの逆数に比例
することと一致する。また、プラスの誘電率温度係数ε
₁を有する材料の場合においては、光ビーム信号の位相
に比べて、交番的変化量Ｃacの位相が９０度だけ遅れる
こととも一致する。

【００４２】また、図４は、誘電体試料２として、上記
ＰＺＴ材料とは逆の負の誘電率温度係数を有する正方相
のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）を用いてキャパシ
タ部１を構成したときの、ロックインアンプ２７の出力
電圧Ｖａと誘電体試料２の温度との関係を示したグラフ
である。上記測定においては、キャパシタ部１を恒温槽
に収容して誘電体試料２を所定の測定温度に保持した状
態で光ビーム信号を照射してロックインアンプ２７の出
力電圧Ｖａを測定した。上記チタン酸バリウムは、測定
温度である１６°Ｃから２５°Ｃの範囲では、負であっ
てかつその絶対値が温度上昇とともに小さくなるような
誘電率温度係数ε₁を有していることが公知である。

【００４３】図４から明らかなように、誘電体試料２の
温度である測定温度が上昇するとロックインアンプ２７
の出力電圧Ｖａは小さくなる。このことは、誘電率温度
係数ε₁の絶対値が誘電体試料２の温度が上昇するに従
い小さくなって行くことを示している。また、図４から
明らかなように、このときの復調信号の位相φは−９０
度である。このことは、誘電率温度係数ε₁は負の値で
あることを示している。以上の結果も、数５と定性的に
よく一致している。図４に示した測定値を求めるにあた
っては、チョッピング周波数ｆｃは１０Ｈｚに固定して
測定し、その他の測定条件は、上述のＰＺＴ試料を用い
たキャパシタ部１の測定と同様の条件で行った。

【００４４】さらに図５は、キャパシタ部１の電極３が
厚さ２００Åの透明金電極の場合と、厚さ２０００Åの
アルミ電極で形成した場合について、チョッピング周波
数ｆｃとロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を
示したグラフである。ここで、上記電極３以外のキャパ
シタ部１の構成と測定条件は図３に示した測定値を求め
たときの条件と同一になるように設定した。

【００４５】図５から明らかなように、電極３に厚さ２
００Åの透明金電極を用いた場合の測定結果は、チョッ
ピング周波数ｆｃに反比例してロックインアンプ２７の
出力電圧Ｖａは下がり、この結果は数５から導かれる結
果とよく一致している。電極３に厚さ２０００Åのアル
ミ電極を用いた場合にはチョッピング周波数ｆｃを変化
させても、ロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａはほぼ
０の一定値になっている。これは、電極３を厚さ２００
０Åのアルミ電極で構成した場合には、照射される光ビ
ーム信号が当該電極によって反射されるために誘電体試
料２の表面には照射されないので、上記誘電体試料２の
温度が変化しないためである。従って、上記発振器２０
が発振する発振信号はＦＭ変調されていないので、復調
信号は出力されずロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａ
も０になる。以上の結果は、光ビーム信号が誘電体試料
２の表面に照射されることによって発振器２０の発振信
号がＦＭ変調されることを示している。

【００４６】図６は、図５の電極３が厚さ２００Åの透
明金電極の場合における測定値をチョッピング周波数と
ロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａをそれぞれ常用対
数をとって示したグラフである。図６から明らかなよう
に、チョッピング周波数とロックインアンプ２７の出力
電圧Ｖａをそれぞれの常用対数の値は、直線関係にあ
る。

【００４７】図７は、図５の電極３が厚さ２０００Åの
アルミ電極の場合における測定値をチョッピング周波数
とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａをそれぞれ常用
対数をとって示したグラフである。図７から明らかなよ
うに、チョッピング周波数とロックインアンプ２７の出
力電圧Ｖａをそれぞれの常用対数の値との関係において
も、光ビーム信号が電極３を透過しないので、特定でき
る特別の関係は現れていない。従って、図７の結果から
も誘電体試料２の表面に光ビーム信号が照射されなけれ
ば、発振信号がＦＭ変調されないことがわかる。

【００４８】図９乃至図１２は、また別の実験による測
定結果である。図９乃至図１２の測定値を得るためのキ
ャパシタ部１が図３の測定結果を得るために用いたキャ
パシタ部１と異なるところは、大きさが２ｍｍ角である
誘電体試料２を用いている点と、図８に示すように電極
３ａを誘電体試料２の一端面から当該端面と対向する他
端面に向かう中央部である当該一端面の点Ｘ０からの距
離Ｘ＝１ｍｍの点までの左側のみに形成している点であ
る。また図９乃至図１２において、光ビーム信号は上記
誘電体試料２の一端面上にある点Ｘ０から上記他端面に
向かうＸ軸上を上記他端面まで走査してロックインアン
プの出力電圧Ｖａを測定した。ここで、誘電体試料２の
厚さＬは０．７ｍｍに設定している。

【００４９】図９は、チョッピング周波数ｆｃを１０Ｈ
ｚに設定して、光ビーム信号がＸ軸上を走査するように
キャパシタ部１を移動させたときに、光ビーム信号の照
射位置である「微小領域の点Ｘ０からのＸ軸上の距離」
とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を示すグ
ラフである。

【００５０】図９から明らかなように、金透明電極が形
成された点Ｘ０からのＸ軸上の距離が０から１ｍｍまで
の間では、ロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａは約３
００μＶのほぼ一定値をとり、点Ｘ０からのＸ軸上の距
離が１ｍｍから２ｍｍの間では、上記ロックインアンプ
２７の出力電圧Ｖａは、点Ｘ０からのＸ軸上の距離が１
ｍｍを越えたところで一旦増大し、点Ｘ０からのＸ軸上
の距離がさらに大きくなると３００μＶより小さい値に
減少する。

【００５１】図１０は、図９に示した結果を得るための
測定におけるチョッピング周波数を２０Ｈｚ，３０Ｈ
ｚ，１００Ｈｚに変更して設定して、それぞれのチョッ
ピング周波数ｆｃについて同様な測定を行い、その結果
を図９に書き加えたグラフである。図１０から明らかな
ようにチョッピング周波数ｆｃを２０Ｈｚ，３０Ｈｚ，
１００Ｈｚに変更して測定しても、図９と同様の傾向の
結果が得られる。図９と図１０の結果は、光ビーム信号
を金透明電極が存在しない誘電体試料２の表面の微小領
域に照射した場合、すなわち当該微小領域の誘電率の変
化がキャパシタ部１のキャパシタンスＣ₀を変化させな
い部分である微小領域に上記光ビーム信号を照射して
も、発振信号がＦＭ変調されていないことを示してい
て、キャパシタ部１のキャパシタンスＣ₀の変化によっ
て発振信号がＦＭ変調されることを裏づけている。また
さらに、チョッピング周波数ｆｃを高くするとロックイ
ンアンプ２７の出力電圧は小さくなる。これは、図３の
結果とよく一致している。

【００５２】また、図１１及び図１２は、図９のグラフ
を求めたときのキャパシタ部１において光ビーム信号の
ビーム径を０．４ｍｍ，０．６ｍｍ，０．８ｍｍ，及び
１．０ｍｍにしたときの点Ｘ０からのＸ軸上の距離とロ
ックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を示すグラフ
である。ここで、チョッピング周波数ｆｃは１０Ｈｚに
固定して測定した。図１１の（ａ）は光ビーム信号のビ
ーム径が０．４ｍｍのときにおける点Ｘ０からのＸ軸上
の距離とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を
示すグラフであり、図１１の（ｂ）は光ビーム信号のビ
ーム径が０．６ｍｍのときにおける点Ｘ０からのＸ軸上
の距離とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を
示すグラフであり、図１２の（ａ）は光ビーム信号のビ
ーム径が０．８ｍｍのときにおける点Ｘ０からのＸ軸上
の距離とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を
示すグラフであり、図１２の（ｂ）は光ビーム信号のビ
ーム径が１．０ｍｍのときにおける点Ｘ０からのＸ軸上
の距離とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの関係を
示すグラフである。図１２と図１３から明らかなよう
に、光ビーム信号のビーム径が大きくなる程、ロックイ
ンアンプ２７の出力電圧Ｖａは小さくなっている。

【００５３】図１４は、１０ｍｍ角の厚さｌが０．７ｍ
ｍである誘電体試料２の上面に、図１３に示すようにそ
のＸ軸方向の中央部の所定の位置に厚さ２００Åの金か
らなる透明電極３ｂを形成して点Ｘ０からのＸ軸上の距
離とロックインアンプ２７の出力電圧の関係を示すグラ
フである。図１４から明らかなように金透明電極が形成
された部分ではロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａは
大きくなっている。

【００５４】図１５は、誘電体試料２がその表面に誘電
率の温度係数がプラスの部分とマイナスの部分を有する
誘電体材料からなる場合におけるロックインアンプ２７
の出力電圧Ｖａ₁を図式的に示した図である。図１５に
おいては、ロックインアンプ２７の出力電圧は、Ｖａ・
ｓｉｎφである出力電圧Ｖａ₁で表示した。

【００５５】図１５から明らかなように、誘電率の温度
係数が負である誘電体領域２−１に光ビームが照射され
たときにはロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａ₁は負
の電圧である−Ｖ２を出力し、誘電率の温度係数が正で
ある誘電体領域２−２に光ビームが照射されたときには
ロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａ₁は正の電圧であ
る＋Ｖ２を出力する。さらに、誘電率の温度係数が負で
ある誘電体領域２−３及び誘電率の温度係数が正である
誘電体領域２−４に光ビームが照射されたときも、それ
ぞれ同様にロックインアンプ２７は−Ｖ２と＋Ｖ１の電
圧を出力する。ここで、誘電体領域２−１と誘電体領域
２−３は負である同じ値の誘電率の温度係数を有し、誘
電体領域２−２と誘電体領域２−４は正である同じ値の
誘電率の温度係数を有するものとしている。

【００５６】以上のように、誘電率の温度係数が正であ
る誘電体領域と負である誘電体領域の集合体からなる誘
電体試料２においては、ロックインアンプ２７の出力電
圧Ｖａ₁の正負を判別することによって、容易に誘電体
領域の誘電率の温度係数の正負を判別することができ
る。また、図１５の図式的な図に示したモデルでは、誘
電体領域２−１と誘電体領域２−３の誘電率の温度係数
は互いに等しい値を有し、かつ誘電体領域２−２と誘電
体領域２−４の誘電率の温度係数は互いに等しい値を有
すると仮定したが、誘電体領域２−１と誘電体領域２−
３の誘電率の温度係数が互いに異なり、誘電体領域２−
２と誘電体領域２−４の誘電率の温度係数が互いに異な
るときには、出力されるロックインアンプ２７の出力電
圧Ｖａ_１の値が異なって出力される。従って、ロックイ
ンアンプ２７の出力電圧Ｖａ_１の正負からそれぞれの誘
電率の温度係数の正負が判別でき、ロックインアンプ２
７の出力電圧Ｖａ₁の絶対値の大小から誘電率の温度係
数の大小が判別できる。

【００５７】図１６は、図１の誘電率温度係数測定装置
を用いて吸光特性の波長依存性を有するルビーを誘電体
試料２に用いてキャパシタ部１を構成し、ルビーである
誘電体試料２に波長の異なる光ビーム信号を照射したと
きのロックインアンプ２７からの出力電圧Ｖａの変化を
示したグラフである。

【００５８】図１６から明らかなように、照射光ビーム
信号の波長がλ１のときとλ２のときにロックインアン
プ２７の出力電圧Ｖａの極大値がみられる。この理由を
図１７の図式的に描いたルビーのエネルギー準位図を用
いて以下に説明する。

【００５９】基底準位にある電子に励起準位Ｅ４と基底
準位Ｅ０のエネルギー差に等しいエネルギーを有する波
長λ１の光ビーム信号Ｌ１を照射すると、当該電子は当
該光ビーム信号Ｌ１のエネルギーによって励起準位Ｅ４
に励起される。励起準位Ｅ４に励起された電子は、光を
放射することなく熱Ｊ１を発生して、励起準位Ｅ４より
下の励起準位である励起準位Ｅ２に移行する。このと
き、上記熱Ｊ１によって波長λ１と異なる波長を有する
光ビームを照射したときと比較すると温度上昇は大きく
なる。従って、ロックインアンプ２７からの出力電圧Ｖ
ａも大きくなる。さらに、励起準位Ｅ２に移行した電子
の一部は、熱を発生することなく、光Ｌ３を放射して基
底準位Ｅ０に直接に移行し、励起準位Ｅ２に移行した他
の電子は励起準位Ｅ１を介して熱を発生することなく光
Ｌ４を放射して基底準位Ｅ０に移行する。このとき、励
起準位Ｅ２と励起準位Ｅ１のエネルギー差は非常に小さ
いので、電子の励起準位Ｅ２から励起準位Ｅ１への移行
に伴う発熱は無視できる。

【００６０】また、同様に、基底準位Ｅ０にある電子に
励起準位Ｅ３と基底準位Ｅ０のエネルギー差に等しいエ
ネルギーを有する波長λ２の光ビーム信号Ｌ２を照射す
ると、当該電子は当該光ビーム信号Ｌ２のエネルギーに
よって励起準位Ｅ３に励起される。励起準位Ｅ３に励起
された電子は、光を放射することなく熱Ｊ２を発生し
て、励起準位Ｅ３より下の励起準位である励起準位Ｅ２
に移行する。このとき、上記熱Ｊ２によって波長λ２と
異なる波長を有する光ビーム信号を照射したときと比較
すると温度上昇は大きくなる。従って、ロックインアン
プ２７からの出力電圧Ｖａも大きくなる。さらに励起準
位Ｅ２に移行した電子は、上述のように基底準位Ｅ０に
移行する。以上のようにして、誘電体試料２の吸光特性
の波長依存性が生じることになる。

【００６１】以上説明したように、第一の実施例の誘電
率測定装置では、キャパシタ部１を構成する誘電体試料
２の表面の微小領域に光ビーム信号を照射してその温度
上昇による当該微小領域の誘電率の変化を上記誘電率の
変化に対応して変化する発振器２０の発振信号の発振周
波数の変化として出力しているので、上記発振周波数が
変化するＦＭ信号である発振信号を復調することによっ
て上記誘電率の温度係数の変化を、従来例に比較してよ
り高い精度で検出することができる。また、上記キャパ
シタ部１を光ビーム信号の照射方向に対して垂直方向に
１次元方向又は２次元方向に移動して光ビーム信号を照
射する微小領域の位置を変えて上記測定をすることによ
って、上記各微小領域毎の誘電率温度係数の相対的な変
化を測定することができるので、上記誘電体試料２の誘
電率温度係数の相対値のミクロの分布を知ることができ
る。

【００６２】また、ロックインアンプ２７を用いて復調
信号を同期検波しているので、基準信号に同期しない所
望されない他の雑音を除去して、ロックインアンプ２７
で得られる直流信号の信号電力対雑音電力比Ｓ／Ｎを大
幅に改善することができ、誘電率の温度係数の測定の精
度をさらに高めることができる。

【００６３】さらに、キャパシタ部１の温度全体を変化
させて、各測定温度毎に上述したように、光ビーム信号
を照射してそれぞれの測定温度における誘電体試料２の
誘電率温度係数の相対値のミクロの分布を測定して、当
該温度係数を測定温度で積分することによって、微小領
域の相対的な誘電率の温度特性が得られる。またさらに
は、誘電体試料２の特定の微小領域の基準温度での誘電
率の値ががわかっていれば、他の誘電体試料２の他の微
小領域における絶対的な誘電率の温度特性を知ることが
できる。

【００６４】以上の第一の実施例においては、ロックイ
ンアンプ２７の出力を観測しているが、本発明はこれに
限らず、ＦＭ復調回路２６から出力される復調信号を観
測して誘電体試料２の微小領域における誘電率の温度係
数を測定するようにしてもよい。この場合においては、
発振器２０における変調指数を１より十分に小さい値に
設定して、搬送波と側波帯のエネルギーが概ね、搬送波
と第１上側波帯と第１下側波帯に含まれるようにする。
このときの第１上側波帯及び第１下側波帯のうちの少な
くとも１つの振幅をスペクトルアナライザなどで測定す
ることにより、ロックインアンプ２７を使用したときの
出力電圧Ｖａ（直流信号の絶対値）に比例した信号電圧
を得ることができ、上述と同様に誘電率の温度係数を測
定することができる。

【００６５】＜第二の実施例＞本発明に係る第二の実施
例の誘電率温度係数測定装置は、図１の第一の実施例の
誘電率温度係数測定装置に比較すると、共振回路部１０
に代えて図１８に示すリエントラント型空洞共振器３０
を用いて構成したことを特徴とする。その他の構成は第
一の実施例と同様であり、以下、第一の実施例と異なる
点について詳細に説明する。

【００６６】図１８はリエントラント型空洞共振器３０
の断面図であり、図１９はリエントラント型空洞共振器
３０の光ビーム信号の入射方向から見た平面図である。

【００６７】リエントラント型空洞共振器３０は、互い
に対向する２個の底面を備えた円筒形状を有し、上記円
筒形状の一方の底面が短絡されて終端されかつ他方の底
面に開口部３３を有する導体ケース３１を備える。導体
ケース３１の一方の底面寄りに当該導体ケース３１を、
第一の実施例の機構部７の如く移動させるための移動シ
ャフト８が設けられている。上記開口部３３には、誘電
体試料２が電極３と電極４によって挟設されてなるキャ
パシタ部１が装着される。また、一方の底面には、その
中心よりずれた位置に開口部３３よりも小さい直径を有
する開口部３４が形成され、当該開口部３４に、中心導
体４２と接地導体４１からなる同軸コネクタ４０が装着
される。さらに、当該空洞共振器３０の中心導体３２
は、円柱形状を有し、上記導体ケース３１の一方の底面
の中心に連結され、その連結部から上記導体ケース３１
の軸中心に沿って上記開口部３３まで延在するように上
記導体ケース３１内に設けられる。当該中心導体３２
は、接続導体４３を介してコネクタ４０の中心導体４２
に接続され、導体ケース３１はコネクタ４０の接地導体
４１に接続される。

【００６８】キャパシタ部１の電極３は、その外側の面
が導体ケース３１の他方の底面の面に一致するように外
方を向くように、キャパシタ部１が装着されており、電
極３は開口部３３の導体ケース３１と電気的に接続さ
れ、一方、上記中心導体３２の延在する一端は電極４の
表面上に電気的に接続される。

【００６９】さらに、図１８に示すように、光ビーム信
号は、図上右側より電極３の表面に対して垂直な方向
で、電極３を介して誘電体試料２に入射する。

【００７０】以上のように構成されたリエントラント型
空洞共振器３０において、キャパシタ部１はキャパシタ
ンスＣを構成しているので、上記リエントラント型空洞
共振器３０はよく知られたように次の数６を満たす周波
数ｆｒで共振する。ここで、数６中のＬｃはリエントラ
ント型空洞共振器３０の長さであり、ｖｃは真空中の光
の速度であり、Ｚはリエントラント型空洞共振器３０の
上記ケース３１と上記中心導体とを同軸線路と見たとき
の特性インピーダンスであって、ケース３１の内径ｂと
中心導体３２の径ａによって次の数７で表される。ま
た、μ₀は真空中の透磁率であり、ε₀は真空中の誘電率
である。

【００７１】

【数６】 Ｚｔａｎ(２πｆｒＬｃ／ｖｃ)＝１／(２πｆｒＣ)

【数７】Ｚ＝{１／(２π)}√(μ₀／ε₀)ｌｎ(ｂ／ａ)

【００７２】数６から明らかなように、上記リエントラ
ント型空洞共振器３０の共振周波数は、キャパシタ部１
のキャパシタンスＣの変化に対応して変化する。これに
よって、発振器２０はキャパシタ部１のキャパシタ部１
のキャパシタンスＣの変化に対応して発振周波数が変化
するようにＦＭ変調された発振信号を発振して発生す
る。以下、第一の実施例と同様に動作し、誘電体試料２
の誘電率の温度係数を測定することができる。

【００７３】第二の実施例の誘電率温度係数測定装置に
おいては、上記リエントラント型空洞共振器３０を用い
ているので、発振器２０の発振周波数を第一の実施例の
誘電率温度係数測定装置に比べると高く設定することが
できる。これによって、最大周波数偏移を大きくするこ
とができ、従来例に比較してより高い感度でかつより高
い精度で、誘電率の温度係数を測定することができる。

【００７４】＜変形例＞第一と第二の実施例において
は、チョッパー２２を用いて光源２１からの光ビームを
断続するように強度変調を行ったが、本発明はこれに限
らず、電気光学変調器などの公知の方法を用いて所定の
周期又は周波数で周期的な強度変調を行ってもよい。こ
の強度変調のときの周波数は、第一の実施例のときの断
続周波数に対応する。また、光源２１自身で断続光又は
強度変調された光を発生するように構成してもよい。

【００７５】第一と第二の実施例では、光源２１にはＨ
ｅ−Ｎｅレーザを用いたが、本発明はこれに限らず炭酸
ガスレーザ、またはレーザダイオードなどの他の光源２
１を用いてもよい。また光ビーム信号として可視光線で
はなく、紫外光線、Ｘ線などの他の光線を用いてもよ
い。またさらに、連続光源と分光器を組み合わせて用い
て光ビーム信号の波長を変えることができるように構成
してもよい。また、上記光源２１に代えて、粒子ビーム
源を用いて電子ビームやイオンビームを照射するように
構成してもよい。

【００７６】以上の第一と第二の実施例では、誘電体試
料２の上面と下面にそれぞれ電極３と電極４を形成した
が、本発明はこれに限らず上面に２つの電極を形成して
キャパシタ部１を構成してもよい。図２０は、キャパシ
タ部１を構成した本発明に係る変形例である。図２０の
キャパシタ部１では誘電体試料２の上面にＸ軸を挟ん
で、互いに所定の距離だけ離れて２つの電極３ｃと３ｄ
を形成して、Ｘ軸上に沿って光ビーム信号を照射しなが
ら移動するように構成している。ここで、誘電体試料２
の微小領域は、電極３ｃと電極３ｄとの間であって光ビ
ーム信号が照射された非常に小さい領域である。この場
合、電極３ｃ，３ｄは透明電極でなくてもよい。また、
図２０のキャパシタ部１において電極３ｃと電極３ｄの
どちらか一方、又は両方とも透明電極で構成して、電極
３ｃ，３ｄを介して光ビーム信号を照射するようにして
もよい。以上の変形例では、図２０のキャパシタ部１
は、上面のみに電極３ｃ，３ｄを形成するので、キャパ
シタ部１の作成が容易である。また、第一の実施例のよ
うに電極３を介することなく誘電体試料２の表面に光ビ
ームを照射することができるので、光ビーム信号を安定
して誘電体試料２の表面に照射でき、従来例に比較して
精度のよい誘電率の温度係数の測定が可能である。

【００７７】また、図２１に示すように、２つの平行平
板電極４ａに挟設された誘電体試料２の側面に光ビーム
信号を照射するように構成してもよい。以上のように構
成することによって、誘電体試料２の側面の一部分であ
る微小領域の誘電率の温度係数を測定することができ
る。

【００７８】以上の第一と第二の実施例では、固体であ
る誘電体試料２を用いて、キャパシタ部１を構成した
が、本発明はこれに限らず、気体や液体又は粉体（以
下、気体等と称する。）を用いて構成してもよい。この
場合、図２２に示すように、互いに絶縁されて、かつ互
いに対向して設けられた透明電極６３と電極６４を備え
たキャパシタ部６０の図上左側の端部に入力パイプ６７
を連結し、図上右側の端部に出力パイプ６８を連結す
る。以上のように構成されたキャパシタ部６０におい
て、気体等は、入力パイプ６７を介して注入され、キャ
パシタ部６０を通って、出力パイプ６８から排出され
る。ここで、上記気体等の注入量と排出量は所定の値に
なるように設定され、キャパシタ部６０において上記気
体等は、所定の流速で流れるように設定される。以上の
ようにキャパシタ部６０において上記気体等を所定の流
速で流しながら、光ビーム信号を上記透明電極６３の垂
直方向から上記透明電極６３を介して、上記気体等に照
射して、第一又は第二の実施例と同様に測定することに
よって、上記気体等の誘電率の温度係数を測定すること
ができる。

【００７９】また、図２３に示すように、図２２のキャ
パシタ部６０の透明電極６３に代えて電極６３ａを用い
て、かつ図２２の入力パイプ６７であって、キャパシタ
部６０の側面の位置に、上記気体等に電極６３ａ，６４
に平行な方向から光ビーム信号を照射することができる
ように、透明部６６を設けて構成することによって、同
様に気体等の誘電率の温度係数を測定することができ
る。ここで、上記気体等の流速は、チョッピング周波数
の逆数（チョッピング周期）である比較的短い時間にお
ける上記気体等の移動距離が、上記光ビームのビーム径
に比べて十分小さくなるように、十分遅く設定される。
また、気体等の流速が０になるように、すなわち気体等
を静止させて測定してもよい。

【００８０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る誘電率
温度係数測定装置によれば、２つの電極間に位置する誘
電体の表面の一部分である微小領域に、所定の変調周波
数で強度変調された光ビーム信号を照射し、上記２つの
電極と上記誘電体とを含んで構成された共振回路を備え
て、上記誘電体の微小領域に上記光ビーム信号が照射さ
れたときに、上記光ビーム信号の変調周波数と上記微小
領域の誘電率の温度係数に対応して発振周波数が変化す
る発振信号を発生した後、上記発振信号を周波数復調し
て、上記変調周波数と上記光ビーム信号が照射された誘
電体の微小領域の誘電率の温度係数に対応した振幅を有
する信号を復調信号として出力し、上記復調信号に基づ
いて上記誘電体の微小領域の誘電率温度係数を測定す
る。これによって、上記誘電体の誘電率の温度係数の変
化を、従来例に比較してより高い精度で検出することが
できる。

【００８１】また、上記光ビーム信号に同期した基準信
号を発生する信号発生手段と、上記基準信号に基づいて
上記復調信号を同期検波して上記復調信号の振幅に対応
した直流信号を出力する検波手段とを備え、上記直流信
号に基づいて上記誘電体の微小領域の誘電率温度係数を
測定する。従って、復調信号を同期検波しているので、
基準信号に同期しない所望されない他の雑音を除去し
て、同期検波後に得られる直流信号の信号電力対雑音電
力比Ｓ／Ｎを大幅に改善することができ、誘電率の温度
係数の測定の精度をさらに高めることができる。

【００８２】さらに、上記光ビーム信号の放射方向に対
して垂直に、１次元方向又は２次元方向で上記誘電体を
移動する移動手段を備えたので、上記光ビーム信号を照
射する微小領域の位置を変えて上記測定をすることによ
って、上記各微小領域毎の誘電率温度係数の相対的な変
化を測定することができるので、上記誘電体の誘電率温
度係数の相対値のミクロの分布を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第一の実施例の誘電率温度係数
測定装置の構成を示すブロック図である。

【図２】 図１のロックインアンプ２７の詳細な構成を
示すロックインアンプ２７のブロック図である。

【図３】 図１において誘電体試料２がＰＺＴであると
きの、光ビーム信号のチョッピング周期とロックインア
ンプ２７の出力電圧Ｖａの測定結果を示すグラフであ
る。

【図４】 図１において誘電体試料２がチタン酸バリウ
ムであるときの、誘電体試料２の温度に対する、ロック
インアンプ２７の出力電圧Ｖａ及び基準信号の位相を基
準にしたときの復調信号の位相φの測定結果を示すグラ
フである。

【図５】 図１において、電極３が厚さ２００Åの透明
金電極及び厚さ２０００Åのアルミ電極であるときの、
チョッピング周波数ｆｃとロックインアンプ２７の出力
電圧Ｖａの測定結果を示すグラフである。

【図６】 図５における厚さ２００Åの透明金電極のと
きのグラフを書き換えたグラフであって、チョッピング
周波数ｆｃの対数値とロックインアンプ２７の出力電圧
Ｖａの対数値との関係を示す測定結果を示すグラフであ
る。

【図７】 図５における厚さ２０００Åのアルミ電極の
ときのグラフを書き換えたグラフであって、チョッピン
グ周波数ｆｃの対数値とロックインアンプ２７の出力電
圧Ｖａの対数値との関係を示す測定結果を示すグラフで
ある。

【図８】 図９乃至図１２に示す測定結果を得るために
用いたキャパシタ部１の斜視図である。

【図９】 図８のキャパシタ部１を用いて光ビーム信号
の照射位置を点Ｘ０からＸ軸上に走査したときの、点Ｘ
０からのＸ軸上の距離とロックインアンプ２７の出力電
圧Ｖａの測定結果を示すグラフである。

【図１０】 図８のキャパシタ部１を用いて光ビーム信
号の照射位置を点Ｘ０からＸ軸上に走査したときの、チ
ョッピング周波数をパラメータとしたときの点Ｘ０から
のＸ軸上の距離とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａ
の測定結果を示すグラフである。

【図１１】 図８のキャパシタ部１を用いて光ビーム信
号の照射位置を点Ｘ０からＸ軸上に走査したときの、点
Ｘ０からのＸ軸上の距離とロックインアンプ２７の出力
電圧Ｖａの測定結果を示すグラフであり、（ａ）は光ビ
ーム信号径が０．４ｍｍのときにおける測定結果を示す
グラフであり、（ｂ）は光ビーム信号径が０．６ｍｍの
ときにおける測定結果を示すグラフである。

【図１２】 図８のキャパシタ部１を用いて光ビーム信
号の照射位置を点Ｘ０からＸ軸上に走査したときの、点
Ｘ０からのＸ軸上の距離とロックインアンプ２７の出力
電圧Ｖａの測定結果を示すグラフであり、（ａ）は光ビ
ーム信号径が０．８ｍｍのときにおける測定結果を示す
グラフであり、（ｂ）は光ビーム信号径が１．０ｍｍの
ときにおける測定結果を示すグラフである。

【図１３】 図１４に示す測定結果を得るために用いた
キャパシタ部１の斜視図である。

【図１４】 図１３のキャパシタ部１を用いて光ビーム
信号の照射位置を点Ｘ０からＸ軸上に走査したときの、
点Ｘ０からのＸ軸上の距離とロックインアンプ２７の出
力電圧Ｖａの測定結果を示すグラフである。

【図１５】 誘電体試料２がその表面に誘電率の温度係
数がプラスの部分とマイナスの部分を有する誘電体材料
２を図式的に示した平面図と、当該平面図に対応して、
光ビーム信号の照射位置であるＸ０からのＸ軸上の距離
とロックインアンプ２７の出力電圧Ｖａの測定結果を示
すグラフである。

【図１６】 誘電体試料２が吸光特性の波長依存性を有
するルビーからなるときに、光ビーム信号の波長とロッ
クインアンプ２７の出力電圧Ｖａの測定結果を示したグ
ラフである。

【図１７】 図１６の吸光特性を説明するための、ルビ
ーにおける発熱過程と発光過程を示したルビーのエネル
ギー準位図である。

【図１８】 本発明に係る第二の実施例の誘電率温度係
数測定装置のリエントラント型空洞共振器３０の断面図
である。

【図１９】 図１８のリエントラント型空洞共振器３０
を光ビーム信号の照射方向から見た平面図である。

【図２０】 本発明に係る変形例の誘電率温度係数測定
測定装置における誘電体試料２の上面に２つの電極を形
成したキャパシタ部１の斜視図である。

【図２１】 本発明に係る変形例の誘電率温度係数測定
測定装置において、光ビーム信号を誘電体試料２の側面
から照射するときのキャパシタ部１の断面図である。

【図２２】 本発明に係る変形例の誘電率温度係数測定
測定装置における気体等の誘電率の温度係数を測定する
ときのキャパシタ部６０の断面図である。

【図２３】 図２２のキャパシタ部６０を、電極６３
ａ，６４に平行な方向から光ビーム信号が照射できるよ
うにしたときのキャパシタ部６０の断面図である。

【符号の説明】

１，６０…キャパシタ部、 ２…誘電体試料、 ３，３ｃ，３ｄ，４，６３ａ，６４…電極、 ５…負性抵抗回路、 ６…コイル、 ７…機構部、 １０…共振回路部、 ２０…発振器、 ２１…光源、 ２２…チョッパー、 ２３…レンズ、 ２４…チョッパー制御部、 ２５…機構制御部、 ２６…ＦＭ復調回路、 ２７…ロックインアンプ、 ２８…表示制御部、 ２９…ディスプレイ、 ３０…リエントラント型空洞共振器、 ３１…導体ケース、 ３２…中心導体、 ３３…開口部、 ５０…光照射部、 ６３…透明電極、 ２７１…増幅器、 ２７２…波形整形器、 ２７３，２７４…同相分配器、 ２７５…９０度移相器、 ２７７ａ，２７７ｂ…位相敏感検出器、 ２７８ａ，２７８ｂ…低域通過フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 27/26

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの電極間に位置する誘電体の表面の
   一部分である微小領域における誘電率温度係数を測定す
   る誘電率温度係数測定装置であって、 上記誘電体の微小領域に、所定の変調周波数で強度変調
   された光ビーム信号を照射する光照射手段と、 上記２つの電極と上記誘電体とを含んで構成された共振
   回路を備えて、上記誘電体の微小領域に上記光ビーム信
   号が照射されたときに、上記光ビーム信号の変調周波数
   と上記微小領域の誘電率の温度係数に対応して発振周波
   数が変化する発振信号を発生する発振手段と、 上記発振信号を周波数復調して、上記変調周波数と上記
   光ビーム信号が照射された誘電体の微小領域の誘電率の
   温度係数に対応した振幅を有する信号を復調信号として
   出力する復調手段とを備え、 上記復調信号に基づいて上記誘電体の微小領域の誘電率
   温度係数を測定することを特徴とする誘電率温度係数測
   定装置。
2. 【請求項２】 上記誘電率温度係数測定装置はさらに、 上記光ビーム信号に同期した基準信号を発生する信号発
   生手段と、 上記基準信号に基づいて上記復調信号を同期検波して上
   記復調信号の振幅に対応した直流信号を出力する検波手
   段とを備え、 上記直流信号に基づいて上記誘電体の微小領域の誘電率
   温度係数を測定することを特徴とする請求項１記載の誘
   電率温度係数測定装置。
3. 【請求項３】 上記誘電体は互いに対向する上面と下面
   を有し、上記２つの電極はそれぞれ上記上面上と上記下
   面上とに形成されたことを特徴とする請求項１又は２記
   載の誘電率温度係数測定装置。
4. 【請求項４】 上記２つの電極のうち少なくとも１つは
   透明電極であることを特徴とする請求項３記載の誘電率
   温度係数測定装置。
5. 【請求項５】 上記２つの電極は、上記誘電体の一表面
   上に互いに所定の距離だけ離れて形成されたことを特徴
   とする請求項１又は２記載の誘電率温度係数測定装置。
6. 【請求項６】 上記共振回路は、 上記２つの電極と上記誘電体とからなるキャパシタンス
   と、インダクタンスとを備えたＬＣ共振回路であること
   を特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の誘電
   率温度係数測定装置。
7. 【請求項７】 上記共振回路は、 互いに対向する２個の底面を備えた円筒形状を有し、上
   記円筒形状の一方の底面が短絡されて終端されかつ他方
   の底面に開口部を有する導体ケースと、 上記導体ケースの一方の底面の中心に連結され、その連
   結部から上記導体ケースの軸中心に沿って上記開口部ま
   で延在するように上記導体ケース内に設けられた円柱形
   状の中心導体とを備え、 上記２つの電極のうちの１つの電極が上記中心導体の延
   在する一端に接続され、他方の電極が上記導体ケースの
   開口部と接続されてなるリエントラント型空洞共振器で
   あることを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記
   載の誘電率温度係数測定装置。
8. 【請求項８】 上記誘電率温度係数測定装置はさらに、 上記光ビーム信号の放射方向に対して垂直に、１次元方
   向又は２次元方向で上記誘電体を移動する移動手段を備
   えたことを特徴とする請求項１乃至７のうちの１つに記
   載の誘電率温度係数測定装置。