JPH02110357A - 物性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被測定物の物性を測定できる装置に関し、特
に被測定物に励起信号を与え、その被測定物からの反射
波を周波数成分に分解し、当該周波数成分から被測定物
の物性を得る物性測定装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種の物性測定装置は、被測定物の性質を測定
できる装置として知られている。このような物性測定装
置であって、被測定物の電気的性質、殊に被測定物の誘
電的性質を測定できる物性測定装置は、以前から提供さ
れてきた。かかる物性測定装置は、主として、二つの電
極間に被測定物を挿入し、特定の交流信号を前記電極間
に供給することにより当該被測定物に交流電場を印加し
、その交流信号における電圧、電流あるいは周波数の変
化等を測定することにより、被測定物の誘電的性質を得
るものであった。

このような物性測定装置によっても被測定物の誘な的性
質を測定することはできる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の物性測定装置は、被測定物の
形状がある程度大きくなければ測定することができず、
また測定のための二つの電極の形状等も一定の制約があ
るという欠点がある。また、上記従来の物性測定装置は
、被測定物そのものの形状に制約があったり、被測定物
を切除する等の操作が必要であったりするという欠点が
あった。

本発明は、上述した欠点を解消するためになされたもの
で、被測定物に特定の操作を加えることなく、かつ・小
さな被測定物であっても、正確に物質の性質を測定する
ことのできる物性測定装置を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明にかかる物性測定装
置は、被測定物に与える励起信号を発生する信号発生手
段と、前記信号発生手段からの励起信号を被測定物に入
射し、その被測定物からの反射波を検出する検出手段と
、前記検出手段を介して検出した反射波を取り込み、当
該反射波を周波数成分に分解し、その周波数成分に応じ
て被測定物の物性を求める信号処理手段とを備えてなる
ものである。

また、本発明において、物性測定装置に使用される検出
手段は、一つの心線を中心軸としてと同軸円筒状に他の
導体を配置し、被測定物に当接させる端面な平面状に構
成したプローブを少なくとも有している。

また、本発明において、物性測定装置に使用される信号
発生手段は、ステップパルスを励起信号として発生する
回路構成とされている。

（作用） したがって、一般に、電磁波を特定の場から物質に当て
ると、その場と物質との境界において反射が起きること
は、よく知られた現象である。ここで、一定の条件下に
形成された伝送路（例えば、同軸ケーブル）の一端に負
荷を終端し、当該伝送路の他端から角振動数ωの電磁波
Ｖθ（ω）を印加したとする。このとき、前記伝送路の
特性インピーダンスと、負荷のインピーダンスとが等し
ければ、伝送路に電磁波Ｖθ（ω）を伝播させたとして
も、前記終端部において反射は起こらない。

しかしながら、負荷が誘電的性質を測定しようとするよ
うな物質であるときには、当然、負荷である物質のイン
ピーダンスと、伝送路の特性インピーダンスとは異なっ
てくるので、電磁波Ｖθ（ω）は前記終端部において反
射が起こり、進行波の一部がｘＦｊ１波Ｖθ（ω）供給
側に戻ってくる。

そこで、このように反射が起こっているときにその反射
係数ｒは、反射波をｒｚ　（ω）とし、上記ｉＳ磁波Ｖ
θ（ω）を入射波とすると、で与えられる。ここで、Ｚ
χ＝ωｄ／Ｔ；”ｉｃであり、ｄは伝送路の幾何学長、
γｄは電気長、Ｃは光速である。

物質の複素誘電率Ｅｚは上記（１）式から、で与えられ
ることになる。そこで、入射波Ｖθ（ω）および反射波
−（ω）を測定することにより、上記（２）式から物質
の複素誘電率ムを求めることができる。

しかしながら、実際には角周波数ωを変えて、入射波Ｖ
θ（ω）および反射波Ｎ（ω）を測定し、複素誘電率ム
の周波数依存性を求めることが必要になる。そこで、本
発明は、入射波すなわち励起信号に例えばステップパル
スを用い、反射波を時間領域で観測し、その反射波を周
波数成分に分解し、上記（２）式から物質の複素誘電率
ｔ工を求めるようにしたものである。

本発明は、上述したような方法により複素誘電率と工を
求めているが、これは入射波の周波数を連続的に変化さ
せたことに対応している。

ところで、同一測定装置において、入射波Ｖθ（ω）と
反射波−（ω）とを同時に測定することは困難である。

ρ１えば、反射波−（ω）を測定できるように測定装置
を構成すれば、入射波Ｖθ（ω）の測定が困難となる。

逆に、入射波Ｖθ（ω）を測定できるように測定装置を
構成すれば、反射波−（ω）の測定が困難である。

そこで、複素誘電率ｔｚ　（ω）が既にわかっている標
準物質を用い、その標準物質からの反射波−（ω）の測
定を行う、標準物質に対しても上記（２）式は成立する
。つまり、標準物質による複素誘電率６（ω）は、 で与えられる。ここで、Ｚｓ＝＝ωｄτ／Ｃである。

そして、入射波Ｖθ（ω）を上式（２）式と前記（２′
　）式とから消去すると、求める複素誘電率ｔｚ　（ω
）は、 ｆχ　＝Ｚエ　ｃｏｔ　　ｚエ　、 ｆｓ　　＝Ｚｓ　　ＣＯｌ　　Ｚｓ で与えられることになる。この（３）式からもわかるよ
うに、標準物質を用いれば、入射波■θ（ω）を測定す
ることなく、反射波１、Ｉ’ｓ　（ω）を測定するだけ
で、複素誘電率ムを求めることができる。また、上記（
３）式は、伝送路を伝わる電波の減衰や測定装置全体の
不整合の補正もできることになる。なお、標準物質はそ
の複素誘電率ｔｓ　（ω）が、求める複素誘電率ム（ω
）に近いほど正確に測定できることになる。

このように本発明は、反射波のみの測定として、測定困
難な成分を除去し、かつ信号発生手段からステップ状の
励起信号を被測定物に与えて時間領域で反射波を検出手
段をもって検出し、この検出信号周波数領域に分解し、
その周波数成分から被測定物の物性を求めるものである
。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図に本発明の物性測定装置の一実施例をブロック図
で示す。

該図において、物性測定装置１は、励起信号を発生させ
る信号発生手段２と、被測定物５の表面からの信号の反
射波を検出する検出手段３と、この検出信号を処理して
被測定物５の誘電率を求める信号処理手段４とから構成
されている。

前記信号発生手段２は、例えばステップパルス等からな
る励起信号を発生する回路構成とされており、二つの励
起信号Ｖθ、ＶＢを形成して出力するように設けられて
いる。前記信号発生手段２は前記検出手段３に電気的に
接続されており、前記励起信号Ｖθ、ＶＢと前記検出手
段３に供給できるようになっている。

前記検出手段３は、前記信号発生手段２からの励起信号
Ｖθを被測定物５に入射し、その被測定物５からの反射
波ｒを検出できる構成とされている。この検出手段３は
、グローブ３１を含んで構成されている。前記プローブ
３１は、第２図および第３図に示すように、一つの心線
３１１を中心軸として同軸円筒状に他の導体３１２が配
置され、前記被測定物５に当接させる端面３１３が平面
状に構成されている。前記検出手段３は前記信号処理手
段４に電気的に接続されており、被測定物５からの反射
波ｒおよび所定の終端部からの信号Ｖｒ８を前記信号処
理手段４に供給できるようになっている。

前記信号処理手段４は、・前記反射波ｒを時間領域で測
定し、これを周波数成分に分解し、その周波数成分に応
じて被測定物５の物性、特に誘電率ε工を求める構成と
なっている。

更に、前記信号発生手段２は、信号処理手段４からの同
期クロックパルスでバイアス電源２１を励振させて、ト
ンネルダイオード２２を発振させて約２５［ｐｓ］の立
ち上がり時間で２００［ｍＶ］のステップパルスを発生
し、このパルスをパワーデバイダ２３により二つに分け
、一方を励起信号■θとして出力し、他方を方向性結合
器２４を通して励起信号ＶＢとして出力できるように構
成されている。この方向性結合器２４は、例えば５０［
Ω］の終端抵抗２５で終端しである。

前記検出手段３は、入力された励起信号Ｖθをサンプリ
ングヘッド３２、同軸ケーブル３３、プローブ３１を介
して被測定物５に入射し、被測定物５からの反射波ｒを
プローブ３１、同軸ケーブル３３、サンプリングヘッド
３２を介して信号処理手段４に与えられるようになって
いる。また、前記検出手段３は、入力された励起信号Ｖ
θやサンプリングヘッド３２を介して例えば５０〔Ω〕
の抵抗で終端された同軸ケーブル３５に入射し、その出
力信号ＶｒＢを信号処理手段４に与えられるようになっ
ている゛。

前記１ｚ号処理手段４は、入力された信号ｒ。

Ｖｒ８をサンプリングすると共に同期クロックパルスを
出すサンプリングスコープ４１と、このサンプリングス
コープ４１からの出力信号を取り込み、デジタル的に信
号を分析するシグナルアナライザ４２と、このシグナル
アナライザ４２からのデジタル信号をＧＰＩＢインター
フェース４３を介して収り込み、フーリエ変換して時間
領域の成分を周波数領域の成分にして、その成分から複
素誘電率ｔ工を求めるマイクロコンピュータ４５と、こ
のマイクロコンピュータ４５からの出力データを印字す
るプリンタ４６と、同マイクロコンピュータ４５からの
図形データを作図するプロッタ４７とから構成されてい
る。

このように構成された実施例の作用を説明する。

上述のように構成された物性測定装置１により被測定物
５として生体物質の水分量を測定する動作について説明
する。

生体物質は動植物を問わず水分を含んでいる。

また、水分のうち半分以上は通常の水の状態を生体中で
も保つ（自由水）が、残りの水は水素結合や静電的相互
作用により生体に結合しく結合水）、通常の水とは異な
る構造をとっている。

く第１の測定例〉 そこで、生体物質の水分の測定例として人間の皮膚の水
分量を本物性測定装置１を用いて測定する。

検出手段３のプローブ３１を人間の前腕部内側に当接さ
せる。グローブ３１は、第２図および第３図に示す形状
をしている。このような形状のプローブ３１によれば、
電極の大きさを例えば３［Ｉｍ］以下にできるので、被
測定物５は約２　［ｍ］の平坦な部分を持っていればよ
く、測定はソフトなワンタッチですむ、さらに、同軸ケ
ーブル３３はフレキシブルなものを用いることによって
、いろいろな部分の測定が可能である。また、プローブ
３１の電ｆ！３１１　、３１２の太さをより細くするこ
とにより、より小さな部分の誘電情報を得ることができ
る。

このように検出′手段３のグローブ３１を被測定物５に
当接したままで、物性測定装置１を動作させる。すると
、信号処理手段４のサンプリングスコープ４１から同期
クロックパルスが出力される。

これにより、信号発生手段２は、トンネルダイオード２
２を駆動するバイアス電源２１が同期クロックパルスに
より同期動作して、トンネルダイオード２２を発振させ
る。このトンネルダイオード２２からは、前述したよう
に例えば約２５　［ｐｓ］の立ち上がり時間で２００　
［ｍＶ］の波高値のステップパルスを形成し、これをパ
ワーデバイス２３に供給する。このステップパルスは、
パワーデバイダ２３により二つに分割されて、一方が励
起信号Ｖθとして出力され、他方が方向性結合器２４を
介して励起信号ＶＢとして出力される。

励起信号Ｖθはサンプリングヘッド３２、同軸ケーブル
３３、グローブ３１を介して被測定物５である人間の皮
膚に入射される。被測定物５からの反射波ｒはプローブ
３１、同軸ケーブル３３、サンプリングヘッド３２を介
して信号処理手段４のサンプリングスコープ４１の一方
の入力端に入力される。

励起信号■θは、サンプリングヘッド３４を介して終端
された同軸ケーブル３５で消費される。

その一部の信号ＶｒＢは、小さなパルスとなって信号処
理手段４のサンプリングスコープ４１の他方の入力端に
入力される。

サンプリングスコープ４１では入力された反射波ｒ等を
サンプリングする。また、サンプリングスコープ４１で
測定したパルスをシグナルアナライザ４２のトリガパル
スＴＰとして用い、このシグナルアナライザ４２で反射
波ｒを記録する。前記シグナルアナライザ４２でデジタ
ル化された信号はＧＰＩＢインターフェース４３を介し
てマイクロコンピュータ４５に入力される。マイクロコ
ンピュータ４５は、入力したデジタル信号をフーリエ変
換して周波数成分のデータに変換し、その周波成分を下
に複素誘電率を求め、これから水分量を求める。

このようにして人間の皮膚の誘電率の周波数依存性を測
定したも゛のが、第４図に示す誘電スペクトルである。

第４図において横軸は周波数（ｌｏｇｆ［ｌ１ｚｌ）を
、縦軸は水分による分散ε゛と吸収ε”をそれぞれ示す
０通常、水は２０　［ＧＨｚｌにスペクトルのピークを
示し、結合水は１００［ＨＨｚ］付近にピークを示す、
ところで、測定結果は、第４図に示すように特性ＨＡ、
　ＨＢ、　ＨＣをとり、かつ実験値に基づく特性Ｊをと
る。第４図において、特性ＨＡは１０ＧＨｚ付近に通常
の水と思われる吸収・分散がε゛およびε”に［ｌＩ測
される。その吸収量の大きさから、皮膚の約３５％が通
常の自由水であることがわかる。特性Ｈａは１５０Ｈｆ
ｌｚ付近に生物特有の生体組織と結合した結語水の分散
・吸収がみられる。それは全体の約３０％であり自由水
とあわせると腕の皮膚では約６０〜７０％が水分という
ことになる。１０ＭＨｚ付近でみられる大きな吸収は、
皮膚の不均一性（分子レベルで見て）からくる効果（ワ
ーグナー効果）である、この結果は自由水が増加するこ
とより顕著になる。

ここで、物質の誘電率にとって重要なことは、結合水と
自由水の役割である。第１表には人間８名の皮膚の誘電
率の測定結果が示されている。第１表において、緩和１
は細胞全体の誘電率と細胞間の誘電率との差による見か
け上の緩和Δε１が示されており、かつ緩和時間（ｌｏ
ｇｆ１　［Ｓ］）が示されている。第１表において、緩
和２は単位体積当りの水分子に比例した結合水の誘電強
度Δε２が示されており、かつそのときの緩和時間（ｌ
ｏｇｆ２［Ｓ］）が示されている。第１表において、緩
和３には自由水の誘電強度Δε３が示されており、かつ
そのときの緩和時間（ｌｏｇｆ３［Ｓ］）が示されてい
る。

以下余白 第１表は８名の皮膚の結果をまとめて示しであるが、結
合水（Δε２）、自由水（Δε３）とも個人差は小さい
６．ｔたそれらの比Δε３／Δε２はほとんど一致して
いる０発汗にともなう結合水（Δε２）、自由水（Δε
３）の変化を調べたものが、第５図および第６図に示す
特性図である。

第６図は発汗後の緩和時間（１０Ｑτ［ｓｌ）と時間ｔ
との関係を示したものである。第５図は人間の皮膚の発
汗後の緩和強度を時間と共に示したものである。汗が出
始めると、Δε３からもわかるように、自由水は増加す
る。その後、発汗を抑制すると、自由水の量はΔε３か
らもわかるようにピークを示しその後減少する。約２０
分で皮膚は元の状態に戻る。一方、結合水はΔε３から
もわかるように何らの変化もしない、つまり、発汗によ
る皮膚組織の変化はほとんどないということがわかる。

く第２の測定例〉 第２の測定例は人間の皮膚に乳液を塗布し、その乳液の
皮膚に与える効果を測定したものである。

第７図は乳液の第１１和強度Δε１、第２Ｍ和強度Δε
２、第３［和強度Δε３を時間ｔ　（１１ｉｎ　）とと
もに示したものであり、特性Ｋが乳液による測定値から
求めたものである。

第７図においてΔε３からもわかるように、塗布により
自由水が増え、時間とともに減少し２０分程度で元に戻
る。一方、結合水も第７図のΔε２かられかるように塗
布と共に急激に増加するが、その後の現象はゆるやかで
ある。また、結合水は約５０％も増えｃＡ湿効果がある
ことが明らかである。その効果は長時間にわたり持続す
ることがわかる。

く第３の測定〉 第３の測定は人間の皮膚に軟膏を塗り、その軟膏の皮膚
に与える効果を測定したものである。

第７図は軟膏の第１緩和時間Δε１、第２Ｍ和時間Δε
２、第３Ｍ和時間Δε３を示したものであり、特性りが
軟膏による測定値から求めたものである。

第７図の特製りは、第２緩和（Δε２）、第３緩和（Δ
ε３）でも変化していない、これは、結合水、自由水と
もに変化がないことを意味している。第１緩和（Δε１
）に若干の変化が見られるが、乳液（特性Ｋ）と比較し
て変化が少ない、このような特性が見られるのは軟膏が
皮膚を保護しているからである。

〈第４の測定〉 第４の測定は、生体物質の結合水、自由水を定型的に測
定できる本発明装置を使用することにより、食品（肉、
魚、野菜等）の鮮度や冷凍の効果などを測定したもので
ある。

例えば、鳥肉（ササミ）を当該物性測定装置１により、
測定した結果を第２表に示し、野菜（人参）を当該物性
測定装置１により測定した結果を第３表に示す。

第２表および第３表は、「生」、「冷凍」、「煮る」、
「焼く」という状態によって、第１緩和、第２Ｍ和、第
３Ｍ和における誘電強度Δε１Δε２、Δε３と緩和時
間τ１．τ２．τ３が求められる。

［応用例］ 本発明装置は、各種の分野への応用が可能である。以下
に応用分野について説明する。

（エレクトロニクス） 宇宙通信では既に１０〜５０ＧＨｚの高い周波数が用い
られている。一般にエレクトロニクスや通信回路でも本
発明はＧＨｚ帯域での誘電率や誘電損失の測定に簡単に
利用できる。ファインセラミックスや、高分子絶縁材料
、回路用基板等の誘電力率などの測定に優れている。ま
た液晶材料の機能あるいは基礎的、分子論的研究に本発
明を応用することは適している。

（化学工業） 本方式は水分検出に極めて有効である。したがって、残
留水分が問題となる物質の水分含有量測定に有効である
。塗料、エマルジョン等この分野での応用が考えられる
。

（食品） 食品は、自由水や結合水の含有量を知ることにより物質
の鮮度等が判る。したがって、例えば、第２表に示した
冷凍の効果についてであるが、動物の筋肉の場合、解凍
したものは冷凍前の物よりも自由水（通常の水）が増え
ていることが判る。

所謂水っぽいわけである。冷凍を繰り返せばさらに自由
水は増える。野菜では一度冷凍することにより自由水は
増え、結合水は減少する。冷凍の効果は動物よりも野菜
の方がはるかに強いといえる。

また、調理した食品についても調理の方法により自由水
や結合水の変化に差異が生じることが判る。烏では自由
水にその効果が、人参では結合水にその効果が顕著に見
える。生の新鮮な人参での第ｉｌｌ和の強度は極めて大
きく、冷凍や調理により著しく減少することも注意する
必要がある。

本システムの食品、衛生面での用途は極めて広いと考え
られる。

（薬品、化粧品） 化粧品の効果は、人間の皮膚についてのみに注目されて
いる０人間の皮膚も一般の生体物質と同様結合水と自由
水を持っている。結合水による誘電強度は約２２で人に
ほとんど依存しない、しかし、自由水は２０〜２８（水
分全体の３０〜４０％）と人により異なる。水気の多い
人と少ない人がいるわけである。化粧品を塗布した場合
、結合水よりも自由水に大きな変化が現われる。この変
化は塗布後の時間の関数として求められる０例えば、乳
液の場合、塗布直後には自由水が約２倍になるが、約３
０分後には元に戻る。結合水は５０％増加し徐々に減少
する。結合水からその保湿効果を図ることができる。

薬品の効果でも特に皮膚に塗布する薬品については同様
の測定によりその効果の測定ができる。

（医学） 皮膚疾患、特に外出、火傷等に関しては、その検診及び
薬品の効果について本システムが利用できる。皮膚の細
胞組織の変化には必ずや結合水や自由水の変化が伴うこ
とが予想される。

また、センサーの形状に因っては皮膚表面より２〜３市
程度なかの誘電情報が得られる。これを用いることによ
り皮膚あるいはその下に出現した異常細胞消滅に有効な
マイクロ波加熱の周波数を特に選ぶことができる。この
周波数は人により異なることが予想され、この選択は極
めて重要であると思われる。さらにこの周波数を用いた
マイクロ波を発信させ、異常細胞のみの加熱を行なうこ
とにより治療効果を促進させる。測定電極とマイクロ波
発信器を一体化することによりその効果は倍加すること
が予想される。

フレキシブルな細い電線の先に取り付けられた小形の電
極部分はファイバースコープと共に食道や胃に達するこ
とができ、胃ガンや食道ガン等の治療に役立つことも期
待される。

（スポーツ） 発汗すると、人の皮膚の自由水は約２倍増加するが、結
合水には変化がみられない０発汗後は約２０分で元の状
態に戻る０本センサーは発汗の定量化及び発汗制御によ
る運動機能の制御等の研究に有効である。

（その他） 上記の用途の他にも含有水分が重要となる土木、建築資
材などの測定にも有効である。

このように本発明は各種分野への応用が考えられる。

尚、上述の実施例は好適な実施の一例ではあるがこれに
限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範
囲において種々変形実施可能である０例えば、本実施例
で用いたプローグ３１は被測定物５へ当接する面が平面
状になっているが、異なる形状であっても良い、この場
合、直接接触しない部分のついての反射成分を補正する
必要がある。また、励起信号としては、ステップパルス
の使用が１つのパルスで広い周波数帯域をカバーできる
ので測定時間の短縮化において好適であるが、これに限
定されるものではなく、正弦波のような他の電磁波を使
用することも可能である。但し、この場合、各周波数毎
の信号を入力しなければならないので時間がかかる問題
がある。また、パルスとしても、矩形波に限定されず、
のこぎり波や三角波のようなものでも、台形波、半波な
いし全波整流波、長方形パルス等の各種歪正弦波が利用
できる。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明は、励起信号を
被測定物に与え、その反射波を周波数領域に変換し、そ
の周波数成分により被測定物の物性を測定するようにし
たので、測定が容易でありかつ被測定物に特殊な操作を
加えることなく物性を得ることができる。

また、本発明によれば、単に被測定物に検出手段を当て
るだけで測定できるので、被測定物が少なくて済みかつ
励起信号に対する反射波の周波数成分から、その物性の
測定ができるので測定を簡単に完了することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は本
発明の実”施例で用いる１０−ブのｌｆｌ断面図、第３
図は同プローブの正面図、第４図は周波数に対する分散
吸収の様子を示す波形図、第５図皮膚の緩和強度に対す
る時間の依存性を示す波形図、第６図は発汗後の緩和時
間の時間依存性を示す波形図、第７図は食肉及び野菜の
緩和強度に対する時間の依存性を示す波形図である。 １・・・物性測定装！、２・・・信号発生手段、３・・
・検出手段、４・・・信号発生手段、５・・・被測定物
。 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物に与える励起信号を発生する信号発生手
   段と、前記信号発生手段からの励起信号を被測定物に入
   射し、その被測定物からの反射波を検出する検出手段と
   、前記検出手段を介して検出した反射波を取り込み、当
   該反射波を周波数成分に分解し、その周波数成分に応じ
   て被測定物の物性を求める信号処理手段とを備えてなる
   物性測定装置。
2. （２）前記検出手段は、一つの心線を中心軸として同軸
   円筒状に他の導体を配置し、被測定物に当接させる端面
   を平面状に構成したプローブを含んでなることを特徴と
   する請求項１記載の物性測定装置。
3. （３）前記信号発生手段は、ステップパルスを励起信号
   として発生する回路構成としたこと特徴とする請求項１
   記載の物性測定装置。