JPWO2014132714A1 - 空隙配置構造体及び測定方法 - Google Patents

Abstract

ディップ波形やピーク波形の周波数位置を調整することができる空隙配置構造体及び該空隙配置構造体を用いた測定方法を提供する。電磁波の照射により保持されている被測定物を測定するのに用いられる空隙配置構造体１であって、第１の主面１ａから第２の主面１ｂに向かって複数の空隙部１ｃが貫通しており、空隙部１ｃの開口形状が、少なくとも１つの角部Ｃ１を有し、角部Ｃ１において、該角部Ｃ１の両側に位置している直線部分Ｌ１，Ｌ２同士が曲線部分２により連ねられている、空隙配置構造体１。

Description

本発明は、被測定物が保持された空隙配置構造体に電磁波を照射することにより、被測定物を測定するための空隙配置構造体及び測定方法に関する。

従来、空隙配置構造体に被測定物を配置して電磁波を照射することにより被測定物を測定する方法が知られている。例えば、下記の特許文献１には、この種の測定方法の一例が開示されている。特許文献１では、メッシュ状の導体板などからなる空隙配置構造体が用いられている。空隙配置構造体の主面に被測定物が保持される。この空隙配置構造体の主面に対して電磁波を照射する。空隙配置構造体を透過してきた電磁波を検出する。この電磁波の周波数特性にディップ波形が表れる。ディップ波形とは、電磁波の透過スペクトルの通過帯域中に生じる透過率が急激に低下している波形をいう。なお、通過帯域とは、透過スペクトルの透過率が高い領域をいう。従って、通過帯域内にディップ波形が存在すると、そのディップ波形における透過率の低下度を確認することができる。

被測定物の有無により、上記ディップ波形が変化する。従って、被測定物を検出することができる。

特開２００８−１８５５５２号公報

しかしながら、特許文献１では、上記ディップ波形の周波数位置の調整方法については示されていない。空隙配置構造体の構造によっては、ディップ波形の周波数位置が大きくずれることがある。極端な場合、上記通過帯域からディップ波形がはずれ、ディップ波形における透過率の低下度を検出することができないことがあった。

上記電磁波の透過ではなく、電磁波の反射を利用し、ディップ波形ではなく、ピーク波形を検出する測定方法も知られている。このピーク波形を検出する測定方法においても、空隙配置構造体の構造によっては、ピーク波形の周波数位置が通過帯域から外れることがあった。

本発明の目的は、ディップ波形やピーク波形の周波数位置を調整することができる空隙配置構造体及び該空隙配置構造体を用いた測定方法を提供することにある。

本発明に係る空隙配置構造体は、電磁波の照射により保持されている被測定物を測定するのに用いられる。本発明の空隙配置構造体は、第１の主面と、第１の主面に対向する第２の主面とを有する。空隙配置構造体は、複数の空隙部を有する。複数の空隙部は、第１の主面から第２の主面に向かって貫通している。本発明においては、空隙部の開口形状が少なくとも１つの角部を有する。そして、該角部において、角部の両側に位置している直線部分同士が曲線部分によって連ねられている。

本発明に係る空隙配置構造体では、上記曲線部分が、両側の上記直線部分が突き合わさって形成される仮想の角部よりも内側に位置していてもよい。

また、本発明においては、上記曲線部分が、両側の上記直線部分が突き合わさって形成される仮想の角部よりも外側に位置していてもよい。

本発明に係る空隙配置構造体では、好ましくは、角部が複数設けられており、全ての角部において上記曲線部分が設けられている。

本発明において、上記空隙の開口形状は、好ましくは正多角形であり、より好ましくは正方形である。

本発明に係る測定方法は、本発明に従って構成されている空隙配置構造体を用いる。本発明の測定方法は、以下の各工程を備える。
複数の空隙部が設けられており、かつ少なくとも１つの角部における前記曲線部分の形状が調整された空隙配置構造体を用意する工程。
曲線部分の形状を調整したのちに、空隙配置構造体に電磁波を照射する工程。
曲線部分の形状が調整された空隙配置構造体に被測定物を保持させた状態で電磁波を照射し、散乱された電磁波を検出する工程。
被測定物が保持される前と、保持された後の散乱された電磁波の差に基づき、被測定物を測定する工程。

本発明に係る空隙配置構造体では、開口部の少なくとも１つの角部において、両側の直線部分同士が曲線部分により連ねられているため、該曲線部分の形状を調整することにより、ディップ波形やピーク波形の周波数位置を調整することができる。従って、電磁波の透過スペクトルまたは反射スペクトルを解析することにより被測定物を確実に検出することが可能となる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る空隙配置構造体の斜視図及びその要部を示す部分切り欠き拡大正面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る空隙配置構造体において曲線部分の形状を変化させた場合のディップ波形の周波数位置の変化を示す透過率−周波数特性図である。 図３は、本発明の第１の実施形態におけるディップ波形の周波数位置が変化するメカニズムを説明するための模式的拡大正面図である。 図４は、第１の実施形態の変形例を説明するための部分切り欠き拡大正面図である。 図５は、第１の実施形態の他の変形例を説明するための部分切り欠き拡大正面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、空隙部の開口形状の変形例を示す各正面図である。 図７は、空隙の開口形状の他の変形例を説明するための平面図である。 図８は、本発明の空隙配置構造体を用いた測定装置を説明するための概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る空隙配置構造体の斜視図であり、（ｂ）は、その要部を示す部分切り欠き拡大正面図である。

本実施形態では、空隙配置構造体１は、矩形板状の形状を有する。空隙配置構造体１の平面形状自体は特に限定されず、矩形以外の形状であってもよい。

空隙配置構造体１は、第１の主面１ａと、第１の主面１ａと対向している第２の主面１ｂとを有する。

空隙配置構造体１には、第１の主面１ａから第２の主面１ｂに貫通している複数の空隙部１ｃが形成されている。複数の空隙部１ｃは、第１の主面１ａ上において周期的に配置されている。本実施形態では、複数の空隙部１ｃは、複数の行及び複数の列を有するマトリクス状に配置されている。もっとも、周期的配置構造は、マトリクス状の配置構造に限定されるものではない。

上記空隙配置構造体１は、特に限定されないが、低電気抵抗の物質からなる。より具体的には、金属や半導体を用いて構成することができる。より好ましくは、金属が用いられる。金属としては、金、銀、銅、鉄、ニッケル、タングステン、または様々な金属の合金が挙げられる。なお、空隙配置構造体１は、絶縁性材料表面に導電性材料をコーティングすることにより形成されていてもよい。

空隙配置構造体１の特徴は、空隙部１ｃの開口形状にある。図１（ｂ）に示すように、第１の主面１ａ側から見た場合、空隙部１ｃの開口形状は略正方形である。従って、この開口形状は、４つの角部Ｃ１〜Ｃ４を有する。本実施形態の特徴は、複数の角部Ｃ１〜Ｃ４が丸められていることにある。この角部が丸められている構成を、角部Ｃ１を代表して説明する。

角部Ｃ１では、角部Ｃ１の両側の辺である第１の直線部分Ｌ１と第２の直線部分Ｌ２とが曲線部分２により連ねられている。すなわち、角部を丸めることにより曲線部分２が形成されている。丸められていない場合には、破線で示す角部Ｃ０が形成されることになる。言い換えれば、直線部分Ｌ１と直線部分Ｌ２が直交するように接続されて、仮想の角部Ｃ０が形成される。これに対して、本実施形態では、上記曲線部分２は、角部Ｃ０よりも内側に位置している。

残りの角部Ｃ２〜Ｃ４も同様であり、両側の直線部分が角部Ｃ２〜Ｃ４のそれぞれにおいて、曲線部分２により連ねられている。

本実施形態では、上記のように空隙部１ｃにおいて、４つの角部Ｃ１〜Ｃ４が上記曲線部分２を有するように丸められているため、被測定物の測定に際し、ディップ波形の周波数位置を容易に調整することができる。これを図２を参照して説明する。図２は、以下の実施例１，２及び比較例の空隙配置構造体における電磁波の透過率−周波数特性を示す図である。

なお、実施例１，２において、空隙配置構造体１はＮｉからなる材料を用い、全体形状を円形とし、その寸法は直径６ｍｍ×厚み０．６μｍとした。また、１つの空隙部１ｃにおける開口寸法、すなわち対向し合う辺間の距離は１．８μｍとした。また、複数の開口部１ｃのピッチは２．６μｍとした。実施例１，２においては、上記曲線部分２の曲率半径Ｒを以下のように変化させた。また比較例として、Ｒ＝０μｍ、すなわち曲線部分を有しないことを除いては実施例１と同様の構造体を用意した。

比較例：Ｒ＝０μｍ
実施例１：Ｒ＝０．２μｍ
実施例２：Ｒ＝０．４μｍ

上記実施例１，２及び比較例の空隙配置構造体１に８８〜１０８ＴＨｚの範囲の周波数を含む電磁波パルスを照射し、電磁波の透過率−周波数特性を測定した。その結果、図２に示す結果が得られた。

図２から明らかなように、上記曲線部分２における曲率が変化すると、透過率−周波数特性曲線に表れるディップ波形矢印Ｐ１〜Ｐ３の周波数位置が変化することがわかる。図２では、矢印Ｐ１で示すディップ波形の極小点は９６．２４５ＴＨｚにあり、矢印Ｐ２で示すディップ波形の極小点は９７．９６６ＴＨｚにあり、矢印Ｐ３で示すディップ波形の極小点は１０１．８７８ＴＨｚに位置している。

従って、上記曲線部分２の形状を変化させれば、ディップ波形の周波数位置を変化させ得ることがわかる。他方、図２から明らかなように、上記空隙配置構造体１において透過率が高い周波数域は、約９４〜１００．５ＴＨｚ付近である。これは、透過率がマイナス０．７ｄＢ以下の周波数域である。このような透過率が高い周波数域が前述した通過帯域として用いられる。

従って、この通過帯域中に上記ディップ波形が存在すれば、透過率の低下度合いにより、被測定物を高精度に検出することができる。

よって、本実施形態によれば、上記曲線部分２の曲率を調整することにより被測定物を確実に測定することができる。

なお、本発明は、上記のように透過スペクトルすなわち電磁波の前方散乱による散乱電磁波を検出するものに限定されない。後方散乱である反射電磁波を検出してもよい。すなわち、空隙配置構造体１の第１の主面１ａに向かって電磁波を照射し、空隙配置構造体１によって反射されたすなわち後方散乱された電磁波を検出してもよい。その場合には、ディップ波形ではなく、ピーク波形の大きさにより被測定物を検出することができる。そして、このようなピーク波形を検出する場合においても、上記曲線部分２の形状を変化させることによりピーク波形の周波数位置を調整することができる。

上記実施形態において、曲線部分２の形状を変化させれば、ディップ波形の周波数位置が変化するのは、以下の理由によると考えられる。図３に示すように、空隙部１ｃに電磁波が照射された場合、空隙部１ｃにおいて、ＬＣ共振現象が生じる。この場合、共振電界Ｅの電波ベクトルは図３に矢印で示す方向となる。他方、共振電流Ｉは図３に示すように角部Ｃ１〜Ｃ４において、角部Ｃ１〜Ｃ４の導体部分を流れることになる。

曲線部分２の形状が変化すると、上記共振電流Ｉが流れる電流路の面積が変化することになる。そのため、インダクタンスＬの値が変化することとなる。本実施形態のように、仮想の角部Ｃ０よりも曲線部分２が内側に位置している場合には、インダクタンスＬが小さくなる。従って、ディップ波形の周波数位置が高くなると考えられる。

逆に、図５に部分切り欠き拡大正面図で示す変形例のように、角部Ｃ１において、曲線部分２が仮想の角部Ｃ０よりも外側に位置している場合には、インダクタンスＬが大きくなる。従って、共振周波数が低くなり、ディップ波形の周波数位置が低くなる。

よって、本実施形態によれば、上記曲線部分２の形状を調整することにより、ディップ波形やピーク波形の周波数位置を容易に調整することができる。

また、本実施形態の空隙配置構造体１では、上記角部Ｃ１〜Ｃ４が丸められているため、機械的強度が高い。上記空隙配置構造体１は、薄い部材であり、伸長させて他の部分に固定することが多い。この場合、伸長に際し、空隙部１ｃの角部Ｃ１〜Ｃ４に応力が加わる。そのため、角部が丸められていない場合には、応力により破断し易い。これに対して、本実施形態では、角部Ｃ１〜Ｃ４が丸められているため、すなわち曲線部分２を有するため、上記応力を緩和することができる。従って、伸長時の破断を効果的に抑制することができる。

加えて、図４に示す変形例のように、例えば空隙配置構造体１において、導電性材料等からなるコーティング層３を設けることがある。この場合、角部Ｃ１が丸められていると、コーティング液の流動性が高くなる。従って、角部Ｃ１の内側面にコーティングを確実に施すことができる。

図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明における空隙部１ｃの開口形状の変形例を示す各正面図である。

図６（ａ）に示す空隙部１ｄでは、略正方形の開口形状において、２つの角部Ｃ１，Ｃ４は上記実施形態と同様に丸められており、曲線部分を有する。これに対して、他の２つの角部Ｄ１，Ｄ２は丸められていない。すなわち、内角９０°の角部と同様とされている。このように、開口形状は、複数の角部Ｃ１，Ｃ４，Ｄ１，Ｄ２を有している場合、全ての角部Ｃ１，Ｃ４，Ｄ１，Ｄ２において上記曲線部分が設けられていなくてもよい。すなわち、少なくとも１つの角部において、両側の直線部分同士が曲線部分により連ねられていてもよい。

また、図６（ｂ）に示す空隙部１ｄのように、全体が略正六角形の形状とされていてもよい。この場合においても角部が、両側の直線部分が該角部において曲線部分により連ねられている。すなわち、角部が丸められている。なお、正六角形に限らず、上記正方形のような正四角形や正八角形などの他の正多角形であってもよい。また、開口形状は正多角形に限らず、他の多角形であってもよい。

さらに、図７に示す空隙部１ｅのように略四角形の開口形状が、凹部１ｆを有してもよい。ここでは、凹部１ｆが四角形の一つの辺に設けられているため、開口形状は角部Ｅ１〜Ｅ８を有する。そして、この場合においても、角部Ｅ１〜Ｅ８のうち少なくとも１つの角部において、両側の直線部分が曲線部分に連ねられているように丸められておればよい。

なお、上記凹部１ｆの角部Ｅ６，Ｅ７の形状を変化させた場合には、共振電流が流れた場合の容量Ｃが変化し、それによってディップ波形やピーク波形の周波数位置が変化すると考えられる

このように、本発明においては、上記角部が曲線部分を有することによって、共振周波数を決定する容量Ｃが変化するようにして、ディップ波形やピーク波形の周波数位置が調整されてもよい。

上述した空隙配置構造体１は、特許文献１に記載のような従来公知の電磁波を用いた測定方法に用いられる。このような測定方法では、図８に示す測定装置を用いて実施することができる。

本測定装置は、電磁波を照射する照射部２１と、空隙配置構造体１で散乱した電磁波を検出するための検出部２２とを備える。また、照射部２１の動作を制御する照射制御部２３と、検出部２２の検出結果を処理する解析処理部２４とを有する。解析処理部２４には、解析結果を表示する表示部２５が接続されている。

なお、上記「散乱」とは、前述したように、前方散乱の一形態である透過や、後方散乱の一形態である反射などを含む広義の概念を意味する。好ましくは透過あるいは反射である。より好ましくは、０次方向の透過や０次方向の反射である。

なお、一般的に、回折格子の格子間隔をｄ（本明細書では空隙部の間隔）、入射角をｉ、回折角をθ、波長をλとしたとき、回折格子によって回折されたスペクトルは、
ｄ（ｓｉｎ ｉ −ｓｉｎ θ）＝ｎλ …式（１）
と表すことができる。上記「０次方向」の０次とは、上記式（１）のｎが０の場合を指す。ｄおよびλは０となり得ないため、ｎ＝０が成立するのは、ｓｉｎ ｉ− ｓｉｎ θ＝０の場合のみである。従って、上記「０次方向」とは、入射角と回折角が等しいとき、つまり電磁波の進行方向が変わらないような方向を意味する。

照射制御部２３により制御されて、照射部２１から空隙配置構造体１に電磁波が照射される。空隙配置構造体１で透過した電磁波が検出部２２で検出される。検出部２２において、検出された電磁波が、電気信号に変換され、解析処理部２４に与えられる。そして、表示部２５において、透過率の周波数特性が表示される。

次に、測定物を上記空隙配置構造体１の主面に保持させる。そして、上記電磁波パルスを照射し、再度測定する。被測定物が存在すると、透過率が減少する。すなわちディップ波形における透過率が著しく低くなる。よって、ディップ波形における透過率の低下度合いにより、被測定物の量や物性を検出することができる。

本発明の測定方法の実施形態では、上記測定に際し、少なくとも１つの角部Ｃ１における曲線部分２の形状を調整する。しかる後、曲線部分２の形状が調整された空隙配置構造体１に電磁波を照射する。しかる後、散乱された電磁波を検出する。この散乱は、上記のように、前方散乱であってもよく、後方散乱であってもよい。次に、曲線部分２の形状が調整された空隙配置構造体１に、被測定物を保持させ、電磁波を照射する。そして、被測定物が保持される前と、保持された後の散乱された電磁波の差に基づき、被測定物を測定する。

よって、上記のように曲線部分２の形状をあらかじめ調整することにより、ディップ波形やピーク波形の周波数位置を通過帯域以内に確実に位置させることができる。よって、被測定物を高精度に測定することができる。

１…空隙配置構造体
１ａ…第１の主面
１ｂ…第２の主面
１ｃ，１ｄ，１ｅ…空隙部
１ｆ…凹部
２…曲線部分
３…コーティング層
２１…照射部
２２…検出部
２３…照射制御部
２４…解析処理部
２５…表示部
Ｃ０〜Ｃ４…角部
Ｄ１，Ｄ２…角部
Ｅ１〜Ｅ８…角部
Ｌ１…第１の直線部分
Ｌ２…第２の直線部分

Claims (7)

1. 電磁波の照射により保持されている被測定物を測定するのに用いられる空隙配置構造体であって、
   第１の主面と、第１の主面に対向する第２の主面とを有し、第１の主面から第２の主面に向かって貫通している複数の空隙部を有し、
   前記空隙部の開口形状が、少なくとも１つの角部を有し、該角部において該角部の両側に位置している直線部分同士が曲線部分により連ねられている、空隙配置構造体。
2. 前記曲線部分が、両側の前記直線部分が突き合わさって形成される仮想の角部よりも内側に位置している、請求項１に記載の空隙配置構造体。
3. 前記曲線部分が、両側の前記直線部分が突き合わさって形成される仮想の角部よりも外側に位置している、請求項１に記載の空隙配置構造体。
4. 前記角部が複数設けられており、全ての角部において前記曲線部分が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
5. 前記空隙の開口形状が正多角形である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空隙配置構造体。
6. 前記開口形状が正方形である、請求項５に記載の空隙配置構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の空隙配置構造体を用いた測定方法であって、
   前記複数の空隙部が設けられており、少なくとも１つの角部における前記曲線部分の形状が調整された空隙配置構造体を用意する工程と、
   前記曲線部分の形状を調整したのちに、前記空隙配置構造体に電磁波を照射する工程と、
   前記曲線部分の形状が調整された空隙配置構造体に被測定物を保持させた状態で電磁波を照射し、散乱された電磁波を検出する工程と、
   前記被測定物が保持される前と、保持された後の散乱された電磁波の差に基づき、被測定物を測定する工程とを備える、測定方法。

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