JP4918681B2

JP4918681B2 - 平行平板型透磁率測定装置及び透磁率測定方法

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Publication number: JP4918681B2
Application number: JP2007051014A
Authority: JP
Inventors: 忠弘大見; 恭白方
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP2008215908A

Description

本発明は、平面状の磁性材料を測定対象物とし、当該測定対象物の比透磁率を測定する透磁率測定方法および透磁率測定装置に関するものである。

従来、高周波領域における平面状磁性材料の透磁率測定には、１ポートまたは２ポートを有する平行平板型伝送線路を使用した方法がよく知られている。

例えば、非特許文献１には、１ポートのみを有する平行平板型伝送線路を用いた透磁率測定方法が開示されている。非特許文献１では、平行平板型伝送線路間に測定対象物である磁性材料を挿入し、挿入前後の入力インピーダンス（Ｚ１１）を測定し、測定回路を集中定数近似した算出式により比透磁率を算出している。

他方、特許文献１には、図５に示すような透磁率測定装置５０を用いた測定方法が開示されている。即ち、２つのポートを備えた平行平板型伝送線路５１の一方のポート５２，５２を高周波電源に接続して一様な交流磁界の発生源とし、他方のポート５３，５３につないだピックアップコイル１４により、測定対象物である磁性材料１２の挿入前後の交流信号の透過量（Ｓ２１）を測定し、測定回路を集中定数近似した算出式により比透磁率を算出している。即ち、特許文献１では、磁性材料１２の挿入前後に、ピックアップコイル１４に誘起される誘起電圧の比に基づいて、磁性材料１２の比透磁率を測定している。

日本応用磁気学会誌１７、４９７−５０２（１９９３）パラレルラインを用いた高周波透磁率測定特開平７−１０４０４４号公報

ところが、上記２種の透磁率測定においては、いずれも測定回路をインダクタンスと抵抗のみからなる集中定数と近似して透磁率を求めているため、測定回路を集中定数とみなすことの出来ない高周波領域では誤差が大きくなる。

例えば、非特許文献１に開示されている１ポート型透磁率測定装置においてはこの誤差を”漏れ磁界係数”と呼ばれる値により補正しているが、この係数は測定状況により変動するため別途解析的に求める必要があり著しく利便性を損なう欠点がある。

また、特許文献１に開示されている２ポート型透磁率測定法は、平行平板型伝送線路間に生じる一様な交流磁界の発生を前提としているが、実際は測定磁性材料の挿入により入力インピーダンスが変化し、それに応じて印加された電力の一部が反射して高周波電源に戻るため、材料の挿入前と後では必ずしも一様な交流磁界が発生しているとは言えない。さらに、ピックアップコイルを必要とすることから装置が大きく、かつ、複雑な構造となりやすく、したがってコイルの自己インダクタンス及び寄生容量も大きくなることから高周波特性の劣化を生じやすい。

図６は電磁界シミュレータＨＦＳＳにて、２ポート構造の透磁率測定装置に｛μ’＝２０、μ”＝４｝の理想的材料を挿入したときの交流信号の透過量（Ｓ２１）から比透磁率を算出した結果を示す図である。図６に示すように、周波数が高くなるほど理論値からのずれが大きくなっていることがわかる。

本発明の目的は、上記の点に鑑みて為されたものであり、小型かつ簡易な構造で、高周波領域における比透磁率を高精度に測定する透磁率算出方法および透磁率測定装置を提供することである。

本発明の第1の態様による平行平板型透磁率測定装置によれば、一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を含み、前記一対のポート間の入力インピーダンスの変化量を測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置した透磁率測定装置において、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数１に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出するように構成したことを特徴とする平行平板型透磁率測定装置。

本発明の第２の態様によれば、一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を有する１ポート平行平板型透磁率測定装置において、前記平行平板伝送線路は、前記一端と他端との間の線路長Ｌ、前記平行平板伝送線路間の線路間隔Ｄ、及び、前記平行平板伝送線路の線路幅Ｗを有し、前記線路幅Ｗ方向に挿入される測定対象物の挿入の有無に伴う入力インピーダンスの変化量を前記一対のポート間で測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、前記測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数２式に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出する様に構成したことを特徴とする平行平板型透磁率測定装置が得られる。

本発明の第３の態様によれば、一端を短絡し、他端を一対のポートとした１ポート平行平板型伝送線路を用いて、前記一対のポート間の入力インピーダンスの変化量を測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、上記数３に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法が得られる。

本発明の第４の態様によれば、一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を有する１ポート平行平板型透磁率測定装置を用いた透磁率測定方法において、前記平行平板伝送線路は、前記一端と他端との間の線路長Ｌ、前記平行平板伝送線路間の線路間隔Ｄ、及び、前記平行平板伝送線路の線路幅Ｗを有し、前記線路幅Ｗ方向に挿入される測定対象物の挿入の有無に伴う入力インピーダンスの変化量を前記一対のポート間で測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、前記測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数４に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法が得られる。

本発明においては、小型かつ簡易な構造で、高周波領域における比透磁率を高精度に測定する透磁率算出方法および透磁率測定装置を提供することができる。

以下、本発明について更に具体的に説明する。

本発明の透磁率測定装置は、自己インダクタンス及び寄生容量の増加を極力抑えるために、簡易な構成である平行平板型伝送線路の終端（即ち、一端）を短絡した１ポート構成とした。即ち、本発明に係る透磁率測定装置は、一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を含み、一対のポート間の入力インピーダンスの変化量を測定する。

図示された平行平板伝送線路は、一端と他端との間の線路長Ｌ、前記平行平板伝送線路間の線路間隔Ｄ、及び、前記平行平板伝送線路の線路幅Ｗを有している。一端を短絡した平行平板型伝送線路は線路長Ｌが真空の波長の１／４波長となる周波数で共振するため、測定周波数の上限は測定装置の大きさにより制約される。

実際の磁性材料測定時には磁性材料が持つ透磁率による波長短縮効果により共振周波数がさらに下がるが、線路長Ｌを出来るだけ短くして共振周波数の低下を防ぐことにより測定周波数の上限を高く保つことができる。

一方、透磁率測定装置の線路幅Ｗ及び線路間隔Ｄは、測定周波数範囲における不要モードの発生を抑制するために小型でありながらも測定試料を挿入するのに充分な容積を確保し、かつ測定装置内に安定した交流磁場を発生させる必要がある。上記に鑑み、線路長Ｌを測定上限周波数の真空における波長λ０に対してλ０＞５０Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄはそれぞれλ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄとして高周波領域における高精度測定を可能とした。

また、透磁率算出にあたっては、磁性材料挿入前後の入力インピーダンス（Ｚ１１）の変化量を測定し、Ｚを入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数５に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いることにより高周波領域における高精度の透磁率測定を可能とした。

このような構成の本発明による透磁率測定装置は、終端を短絡した平行平板型伝送線路により生ずる交流磁界中に平面状磁性材料を配置し、磁性材料挿入前後の入力インピーダンスの変化量から比透磁率を算出するものである。

透磁率測定装置を極力小型かつ簡易な構造とし、また透磁率算出には分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いることにより高周波における比透磁率を高精度に測定することができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではないことは勿論である。

図１は本発明における透磁率測定装置１０の構成を示す概略図である。図１に示すように、銅板などで形成された平行平板型伝送線路１の終端２を短絡し、他端のポート３，３は同軸ケーブル４，４を介して入力インピーダンスを測定できる装置、例えばベクトルネットワークアナライザ１１に接続される。この平行平板型伝送線路１に平面状磁性材料１２を挿入した場合と挿入しない場合の入力インピーダンスＺ１１をベクトルネットワークアナライザ１１にて測定し、測定された入力インピーダンスの変化量から測定対象物である磁性材料１２の比透磁率を算出する。

ここで、測定上限周波数を３ＧＨｚとした場合、平行平板伝送線路の線路長Ｌは真空の波長の１／５０波長である２ｍｍとし、線路幅Ｗ及び線路間隔Ｄは、それぞれ１／５波長及び１／２０波長となるＷ＝２０ｍｍ、Ｄ＝５ｍｍとした。

図２は電磁界シミュレータＨＦＳＳにて、本発明の透磁率測定装置１０に比透磁率μｒがそれぞれ１、１０、３０、かつｔａｎδを０．２としたときの入力インピーダンス−周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。図２に示すように、入力インピーダンスの実数部（Ｒｅ：Ｚ１１）と虚数部（Ｉｍ：Ｚ１１）は、測定周波数領域においてほぼ直線を示していることから、測定装置の自己インダクタンス及び寄生容量の影響は無視しうるほど小さく、高周波における高精度な測定が可能であることを示している。

図３はさらに比透磁率μｒを３０に固定し、比誘電率εｒのみ１、１０、３０と変化させたときの入力インピーダンス−周波数特性のＨＦＳＳシミュレーション結果を示す図である。

図２と図３を比較すると、材料の比透磁率μｒを変化させたときの入力インピーダンスの変化量に比べ、材料の比誘電率εｒを変化させたときの入力インピーダンスの変化量はごくわずかであり、本測定装置による測定は比誘電率の影響をほとんど受けないことが分かる。

次に、測定された入力インピーダンスから比透磁率を求める算出式を示す。分布定数線路の伝送線路方程式より、磁性材料を挿入しないときの終端が短絡された伝送線路の入力インピーダンスＺｓは、次の数６で示される。

上記数６において、ここでＺ０は線路の特性インピーダンス、βは位相定数（β＝２π／λ）、Ｌは線路長、ｊは虚数単位である。βは伝送線路の電気長などを補正した後の値であってもよい。

磁性材料を挿入したときの入力インピーダンスＺｍは、材料の実効透磁率をμｅｆｆとして、次の数７で表わされる。

測定された値Ｚｓ、Ｚｍを上記数６及び数７に代入することにより、磁性材料の実効透磁率μｅｆｆを求めることができる。

材料の複素比透磁率μｒ（＝μｒ’−ｊμｒ”）は、上記式より得られた実効透磁率μｅｆｆ（＝μｅｆｆ’−ｊμｅｆｆ’’）を用いて、次の数８及び数９によって、から求めることができる。

ここで、Ｓは磁性材料の断面積、Ｓ０は本測定装置の断面積、またαは測定装置固有の補正係数であり、あらかじめ透磁率の分かっている試料により校正するかまたは、電磁界シミュレーションによる計算値などから容易に求めることができる。

図４は電磁界シミュレータＨＦＳＳにて、本発明の透磁率測定装置に｛μ’＝２０、μ”＝４｝の理想的材料を挿入したときの入力インピーダンスをシミュレーションで求め、上記式に代入して比透磁率を算出した結果を示す図である。図４に示すように、比透磁率μは周波数によらずほとんど一定値を示し、また算出された値も理論値とほぼ一致していることから、本発明の実施例による透磁率測定装置の有効性および上記算出式の妥当性が示された。

以上説明したように、本発明による透磁率測定装置は、終端を短絡した平行平板型伝送線路により生ずる交流磁界中に平面状磁性材料を配置し、磁性材料挿入前後の入力インピーダンスの変化量から比透磁率を算出するものである。測定装置を極力小型かつ簡易な構造とし、また透磁率算出には分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いることにより高周波における透磁率を高精度に測定することができる。

以上の説明のように、本発明による透磁率測定装置と透磁率測定方法は、磁性材料の高周波領域における透磁率測定に適用できる。

本発明における透磁率測定装置の一実施例の構成を示す概略図である。本発明の一実施例における、材料の比透磁率μｒを変化させたときの入力インピーダンス−周波数特性を示す図である。本発明の一実施例における、材料の比誘電率εｒを変化させたときの入力インピーダンス−周波数特性を示す図である。本発明の一実施例における比透磁率−周波数特性を示す図である。従来の透磁率測定装置の構成を示す概略図である。従来の実施例における比透磁率−周波数特性を示す図である。

符号の説明

１，５１平行平板型伝送線路
２終端
３，５２，５３ポート
４同軸ケーブル
１０，５０透磁率測定装置
１１（ベクトル）ネットワークアナライザ
１２平板状磁性材料

Claims

一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を含み、前記一対のポート間の入力インピーダンスの変化量を測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置した透磁率測定装置において、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数１に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出するように構成したことを特徴とする平行平板型透磁率測定装置。
一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を有する１ポート平行平板型透磁率測定装置において、前記平行平板伝送線路は、前記一端と他端との間の線路長Ｌ、前記平行平板伝送線路間の線路間隔Ｄ、及び、前記平行平板伝送線路の線路幅Ｗを有し、前記線路幅Ｗ方向に挿入される測定対象物の挿入の有無に伴う入力インピーダンスの変化量を前記一対のポート間で測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、前記測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数２に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出するように構成したことを特徴とする平行平板型透磁率測定装置。
一端を短絡し、他端を一対のポートとした１ポート平行平板型伝送線路を用いて、前記一対のポート間の入力インピーダンスの変化量を測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数３に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法。
一端を短絡し、他端を一対のポートとした平行平板型伝送線路を有する１ポート平行平板型透磁率測定装置を用いた透磁率測定方法において、前記平行平板伝送線路は、前記一端と他端との間の線路長Ｌ、前記平行平板伝送線路間の線路間隔Ｄ、及び、前記平行平板伝送線路の線路幅Ｗを有し、前記線路幅Ｗ方向に挿入される測定対象物の挿入の有無に伴う入力インピーダンスの変化量を前記一対のポート間で測定すると共に、前記平行平板型伝送線路を分布定数回路として扱うことにより、前記測定対象物の比透磁率を測定するとともに、該平行平板型伝送線路の線路長Ｌ、線路幅Ｗおよび線路間隔Ｄは、測定上限周波数に対応する真空中の電磁波の波長をλ０とすると、それぞれλ０＞５０Ｌ、λ０≒５Ｗおよびλ０≒２０Ｄであり、該平行平板型伝送線路を形成する１対の平行平板間に測定対象物を配置することによって、Ｚをポート間の入力インピーダンス、Ｚ０を伝送線路の特性インピーダンス、βを位相定数、Ｌを伝送線路長、ｊを虚数単位としたとき、下記数４に示す分布定数線路の伝送線路方程式を基本式として用いて比透磁率を算出することを特徴とする透磁率測定方法。