WO2023095524A1 - 開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

誘電特性が測定される試料が配置された空間の湿度等の環境変化による共振周波数への影響を抑制する開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法を提供する。開放形共振器は、信号注入部を有する第１の球面反射鏡と、信号検出部を有し、第１の球面反射鏡に対向して配置される第２の球面反射鏡と、第１の球面反射鏡と第２の球面反射鏡との間に配置される試料台と、第１の球面反射鏡と第２の球面反射鏡との間の試料台が配置される空間を覆う覆いと、空間の空気を入れ替える送風機構と、を備える。

Description

開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法

　本発明は、誘電体の誘電特性（複素比誘電率の実数部（比誘電率ε’）および誘電正接（ｔａｎδ））の測定に適した開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法に関する。

　車載レーダー、光通信、高速デジタル機器、などの応用分野において、ミリ波帯の周波数が用いられているが、レーダーにおける位置分解能の向上、光通信における通信速度の上昇、デジタル機器における処理の高速化が必須の課題となっており、使用されるミリ波の周波数はさらに高まっていくことが想定される。現状では、それぞれ、７５－８０ＧＨｚ帯、５０ＧＨｚ帯、４０ＧＨｚ帯が最先端機器での使用周波数帯であるが、今後は１００ＧＨｚを超える周波数が想定されている。また、第５世代通信網（５Ｇ）の次に来る第６世代通信網（６Ｇ）においては、３３０ＧＨｚ帯まで使うことを想定した議論がなされている。これに伴い、それらの機器に使用される材料特性の測定においても、より高周波を用いた測定が必要となってきている。材料特性のうちでも、高周波化にともなうミリ波のエネルギー損失が大きな問題となることから、材料の誘電特性の測定が必須の課題となっている。

　ミリ波帯での誘電特性の測定においては、特にそのエネルギー損失の低減が重要な開発課題であることから、誘電正接（損失角、ｔａｎδ）の測定が重要であり、従来、共振器を用いた測定が主流である。スプリットシリンダー共振器はその代表的な装置であり、６０ＧＨｚ程度までの低損失材料の誘電正接の測定に用いられている。しかし、スプリットシリンダー共振器ではそれより高い周波数での誘電特性を正確に測定することが困難となってきており、それより上の周波数においては開放形共振器（ファブリペロ共振器）が適している（非特許文献１）。

　ファブリペロ共振器においては、フィルム状に加工した資料を共振器内に挿入し、測定にはネットワークアナライザを用いることが多い。ネットワークアナライザを共振器につないで、横軸を周波数、縦軸を透過信号強度（透過係数）としたグラフを得、共振特性を得る。ここで、「共振特性」とは共振の中心周波数（共振周波数）とＱ値（本明細書では中心周波数と３ｄＢバンド幅の比を採用）のことである。試料があるときとないときの共振特性から試料の比誘電率と誘電正接を計算またはシミュレーションで求めるのが一般的である。

A. L. CULLEN and P. K. YU, The accurate measurement of permittivity by means of open resonator, Proc. R. Soc. Lond. A. 325, 493-509 (1971)

　誘電特性が測定される試料が配置された空間の湿度等の環境変化による共振周波数への影響を抑制することができる開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法を提供する。

　本開示の開放形共振器は、信号入力部を有する第１の球面反射鏡と、信号出力部を有し、前記第１の球面反射鏡に対向して配置される第２の球面反射鏡と、前記第１の球面反射鏡と前記第２の球面反射鏡との間に配置される試料台と、前記第１の球面反射鏡と前記第２の球面反射鏡との間の前記試料台が配置される空間を覆う覆いと、前記空間の空気を入れ替える送風機構と、を備える。

　本開示の誘電特性測定方法は、開放形共振器を用いて、試料の誘電特性を測定する誘電特性測定方法であって、前記開放形共振器に前記試料が装着されていない状態で第１の共振特性を取得するステップと、前記開放形共振器に前記試料を装着するステップと、前記開放形共振器における前記試料が配置された空間の空気を入れ替えるステップと、前記空間の空気を入れ替えた後、前記開放形共振器に前記試料が装着された状態で第２の共振特性を取得するステップと、前記第１の共振特性および前記第２の共振特性から、前記試料の誘電特性を算出するステップと、を備える。

  本開示の開放形共振器およびそれを用いた誘電特性の測定方法によれば、誘電特性が測定される試料が配置された空間の湿度等の環境変化による共振周波数への影響を抑制することができる。

実施の形態１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間閉鎖時） 実施の形態１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間開放時） 実施の形態１に係るファブリペロ共振器の覆いを示す模式図 実施の形態１に係るファブリペロ共振器のジャバラ機構の底面図 作業者の呼気による共振周波数の変化を説明する図 共振周波数の変化が共振の波形に与える影響を示す図 実施の形態１の変形例１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間閉鎖時） 実施の形態１の変形例１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間開放時） 実施の形態２に係るファブリペロ共振器の模式図（空間閉鎖時） 実施の形態３に係るファブリペロ共振器の模式図（空間閉鎖時） 実施の形態１、３に係るファブリペロ共振器による比誘電率の測定結果を示す図 実施の形態１、３に係るファブリペロ共振器による誘電正接の測定結果を示す図

　（本発明に至った経緯）
　ファブリペロ共振器は開放型の共振器であり、測定される試料は薄いフィルム状であるので、少しの風でも試料が揺れ、測定値が大きく乱れる。それゆえ、試料が装着される空間を覆いで覆った上で測定が行われる。ファブリペロ共振器における誘電特性の測定にあたっての試料の装着は、覆いを外し作業者の手作業により行われる。発明者らは、この試料の装着時に、試料が装着される空間に作業者の呼気（息）が流入し、その空間の湿度が高くなる場合があることを発見した。

　図４は、作業者の呼気による共振周波数の変化を説明する図である試料として厚さｔが５０μｍのポリイミドフィルムを使用した。図４から、試料が装着された空間に流入する作業者の呼気の影響により、共振周波数が大きく（約０．３ＭＨｚ：呼気遮断時と呼気流入時との共振周波数の差）変動することがわかる。これは、上記ポリイミドフィルムの比誘電率に対して０．３％程度の誤差を与える。

　従来のファブリペロ共振器においては、湿度以外の誤差要因が大きく、試料が装着される空間に流入する作業者の呼気の影響による測定誤差については、まったく考慮されていなかった。発明者らは、１００ＧＨｚを超える周波数帯域における誘電特性を高精度に測定する装置および方法の開発の中で、作業者の呼気の影響による測定誤差が無視できないことを初めて見いだし本発明に至ったものである。

　試料の誘電特性は共振特性を用いて算出されるため、共振周波数の変動は誘電特性の測定誤差の要因になる。一つに、共振周波数の変動は比誘電率の測定誤差の要因になる。例えば、互いに対向する２つの球面反射鏡間の距離Ｄ０が１２０ｍｍのファブリペロ共振器において、温度２５℃、相対湿度（ＲＨ）５０％の測定環境で共振特性を測定すると、試料なしの状態での共振周波数が104.403261ＧＨｚであり、試料として比誘電率3.540、厚さ５０．００μｍの変性ポリイミドを装着した場合の共振周波数は104.294378ＧＨｚに移動する（移動量：108.883ＭＨｚ）。試料なしの状態での測定後、共振器内部の相対湿度が５０％から６０％に変化したとすると、温度２５℃における空気の比誘電率は、相対湿度（ＲＨ）が５０％のとき1.0006957、相対湿度が６０％のとき1.0007168であるので、試料として上記変性ポリイミドを入れた場合の共振周波数は、104.293278ＧＨｚになり（移動量：109.983ＭＨｚ）、上記湿度５０％時の共振周波数より１．１ＭＨｚ低くなる（移動量が大きくなる）。この場合の、比誘電率は3.566と計算されてしまい、約０．７４％大きい値として測定され、誤差が生じることとなる。

　もう一つに、呼気の流入により一時的に変動した共振周波数が測定中に徐々に通常状態に戻っていくことで、誘電正接（ｔａｎδ）の誤差要因になる。ファブリペロ共振器による誘電特性の測定にあたっては、通常、温度２５±２℃、相対湿度６０％以下の測定環境が推奨されているため、一旦呼気が共振器内に入っても、時間の経過とともに共振器内は徐々に上記通常の測定環境に戻っていく。このような共振器内が通常の測定環境に戻っていく過程でネットワークアナライザの周波数を掃引して共振特性を測定すると、共振周波数が変化している状態で測定することになるので、共振の形が歪んで測定される。図５は共振周波数が変化している状態で測定された場合に共振の形が歪んで測定される一例を示す図である。図５に示すように、狭い帯域で低速で周波数の掃引を行う場合、共振が右（高域）に移動するので、測定の初期には共振は低い周波数にあり、測定が進むにつれ共振が高い周波数に移動し、結果として得られる測定波形は本来の共振より広がった波形になる。この場合、測定波形のバンド幅が広くなるので、Ｑ値は小さくなり、結果として誘電正接ｔａｎδの値が大きく測定される。即ち、共振のＱ値が正しく測定されず、結果として試料の誘電正接ｔａｎδの測定値に誤差が生じる。

　（実施の形態１）
　図１Ａは、実施の形態１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間閉鎖時）であり、図１Ｂは、実施の形態１に係るファブリペロ共振器の模式図（空間開放時）である。図１Ａ、図１Ｂに示すように、実施の形態１に係るファブリペロ共振器１００は、固定台１０、第１の球面反射鏡１１、第２の球面反射鏡１２、試料台２０、マイクロメータ２２、覆い３０およびジャバラ機構４０を有する。ファブリペロ共振器１００は、開放形共振器の一例である。以下の説明では、図に示すＸＹＺ座標系を用いて説明し、Ｘ方向は上下方向、Ｙ方向は前後方向、Ｚ方向は左右方向に、それぞれ対応する。

　固定台１０には、図１Ａ、図１Ｂに示すように、互いに対向する第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２が所定の距離Ｄ０隔てて配置される。第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の中心にはそれぞれ第１の導波管１５および第２の導波管１６が形成されている。第１の導波管１５および第２の導波管１６の球面側の先端開口部には、所望の共振特性を得る結合状態を形成するための微小の径を有する結合孔が形成されている。第１の球面反射鏡１１の第１の導波管１５は試料の誘電特性の測定のための測定信号が入力さる信号注入部であり、第２の球面反射鏡１２の第２の導波管１６は検出信号が出力される信号検出部である。

　試料台２０は、貫通孔２１を有し、互いに対向する第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間に配置される。試料台２０は、誘電特性の測定の対象となる試料２５を取り付けるホルダである。試料２５は貫通孔２１を覆うように取り付けられる。試料台２０に取り付けられた試料２５の左右方向（Ｚ方向）の位置を調整するためのマイクロメータ２２が取り付けられている。マイクロメータ２２は、固定台１０（即ち、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２）に対して試料台２０のＺ方向の位置を調整することにより試料台２０に取り付けられた試料２５の位置を調整することができる位置調整機構である。

　覆い３０は、図２に示すように、透明のアクリル板からなる前板３１、背板３２および前板３１と背板３２とを接続する天板３３を有してコの字形状に形成されている。図１Ａに示すように、誘電特性の測定時においては、覆い３０の前板３１、背板３２および天板３３は、それぞれファブリペロ共振器１００の前面側、背面側および上面側を覆う。また、図１Ｂに示すように、試料取付時においては、覆い３０は上方にスライドさせてファブリペロ共振器１００から外され、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間（即ち、試料台が配置される空間）が露出した状態となっている。さらに、図１Ａ、図１Ｂに示すように、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０との間にはジャバラ機構４０が配置されている。

　ジャバラ機構４０は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、天板４１、底板４２および天板４１と底板４２とを接続する側壁４３を有する。天板４１および底板４２は透明のアクリル板で形成されている。側壁４３は、ジャバラ（蛇腹）を有し、伸縮自在に形成されている。側壁４３は、前面側、背面側、右側面側および左側面側の四方に形成されている。側壁４３の各側面は、図１Ａ、図１Ｂに示す例では、内側に突出する３つ山折り部を備えるジャバラを有するが、ジャバラが備える山折り部の数は、１つ、２つ又は４つ以上であってもよい。側壁４３の材料は、空気を通し難いものであればよく、特に限定されるものではないが、樹脂や紙を使用することができる。覆い３０の前板３１、背板３２および天板３３、並びにジャバラ機構４０の天板４１および底板４２は透明の材料で形成されているので、作業者はファブリペロ共振器１００の内部を視認することができる。ジャバラ機構４０は送風機構の一例である。

　なお、実施の形態１では、ジャバラ機構４０は天板４１を有するとして説明するが、天板４１は必ずしも必要ではない。ジャバラ機構は第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０の天板３３との間に配置されるので、ジャバラ機構が天板４１を有しない場合、覆い３０の天板３３がジャバラ機構４０の天板４１の役割を担う。また、実施の形態１では、上述の通り、ジャバラ機構４０の側壁４３は四方に形成されているとして説明するが、前面側および背面側の側壁は必ずしも必要ではない。ジャバラ機構は覆い３０の前板３１と背板３２との間に配置されるので、ジャバラ機構が側壁４３の前面側および背面側の部分を有しない場合であっても、ジャバラ機構の右側面側および左側面側の側壁と覆い３０の前板３１と背板３２との間に空気が保持される。

　図３は、ジャバラ機構４０の底面図である。ジャバラ機構４０は、図３に示すように、底板４２に２つの開口４４、４５を有する。ジャバラ機構４０は、試料取付時においては、図１Ｂに示すように、側壁４３が第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０と間で伸びた状態となって、内部空間に空気を保持している。また、ジャバラ機構４０は、測定時においては、図１Ａに示すように、側壁４３が第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０と間で圧縮され、側壁４３に形成されたジャバラが縮んだ状態となっており、図１Ａに示す内部空間に保持していた空気を開口４４、４５から放出した状態となっている。

　即ち、図１Ｂに示す試料取付時から図１Ａに示す測定時に移行するときに、覆い３０を下方に移動させると、ジャバラ機構４０の側壁４３は、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０と間で徐々に圧縮され、図１Ａに示す内部空間に保持していた空気が開口４４、４５から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間（即ち、試料台が配置される空間）に放出される。ここで、第１の球面反射鏡１１と試料台２０との間には主に開口４４からの空気が放出され、第２の球面反射鏡１２と試料台２０との間には主に開口４５からの空気が放出される。また、図１Ａに示す測定状態から図１Ｂに示す空間開放状態に移行するときに、覆い３０を上方に移動させると、ジャバラ機構４０の側壁４３は、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０と間で徐々に伸長され、開口４４、４５から内部空間に空気が流入する。

　（誘電特性の測定）
　ファブリペロ共振器１００による誘電特性の測定の手順（ステップ）は次の通りである。
　１）ファブリペロ共振器とネットワークアナライザをケーブルで接続し、ネットワークアナライザを所定の設定にする。
　２）試料を装着しない状態（試料無）で、測定する共振周波数において、共振特性（第１の共振特性）を測定し共振波形のバンド幅からＱ値Ｑemptyを求める。
　３）測定する周波数における共振とその前後の共振とを合わせた５個の共振を測定し、５個の共振周波数から、球面反射鏡間の距離Ｄ０を計算で求める。
　４）ファブリペロ共振器１００の覆い３０を外して試料２５を試料台２０に装着した後、覆い３０で第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆う。
　５）マイクロメータ２２を操作して、試料２５の位置調整を行う（共振周波数が最小値を示す位置に試料２５の位置を合わせる）。
　６）試料２５の位置調整がされた状態（試料有）で、測定する共振周波数において、共振特性（第２の共振特性）を測定し、試料２５の挿入によって移動した共振の中心周波数（共振周波数Ｆsample）とＱ値Ｑsampleを求める。
　７）試料２５の厚さｔ、距離Ｄ０、試料を装着しない状態のＱ値Ｑempty、試料を装着した状態の共振周波数Ｆsample、試料を装着した状態のＱ値Ｑsampleから試料の比誘電率ε’と誘電正接ｔａｎδを計算で求める。
　同一の試料２５に対して複数の周波数で誘電特性を測定するときは、上記ステップ１）の後、上記ステップ２）および３）を測定対象のすべての周波数で行い、次に上記ステップ４）および５）を行った後、上記ステップ６）および７）を測定対象のすべての周波数で行う。

　（ジャバラ機構の作用）
　実施の形態１のファブリペロ共振器１００では、上記ステップ２）および３）における「試料なし」での共振の測定は、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間が覆い３０で覆われた状態で行われる。

　次に、上記ステップ４）で試料２５を試料台２０に装着する際には、図１Ｂに示すように、覆い３０を上方にスライドさせて外すことにより、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放する。このとき、ジャバラ機構４０の側壁４３は上下方向に伸長し開口４４、４５から測定室内の空気をジャバラ機構４０の内部に取り込む。この状態で、作業者は試料２５を試料台２０に装着する。

　試料２５を試料台２０に装着した後、作業者は覆い３０を装着し下方にスライドさせることにより、図１Ａに示すように、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆い３０により覆う。このとき、ジャバラ機構４０の側壁４３は、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と覆い３０の天板の下面との間で上下方向に圧縮され、内部に取り込んでいた空気を開口４４、４５から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に放出する。これにより、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間にあった空気の大部分は覆い３０の下方からファブリペロ共振器１００外へ押し出されジャバラ機構４０から放出された空気に置き換えられる。従って、試料２５が試料台２０に装着されたときに作業者の呼気を含んだ空気が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に滞留していた場合であっても、作業者は第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆い３０で覆う作業を行うことにより、通常の測定環境と同じ環境条件で共振の測定を行うことができる。

　（変形例１）
　図６Ａおよび図６Ｂは、実施の形態１の変形例１に係るファブリペロ共振器１０１の模式図（それぞれ空間閉鎖時および空間開放時）である。図６Ａ、図６Ｂに示すように、ファブリペロ共振器１０１は、実施の形態１のファブリペロ共振器１００のジャバラ機構４０に替えて、ジャバラ機構５０を有する点で、ファブリペロ共振器１００と異なる。実施の形態１のファブリペロ共振器１００と同じファブリペロ共振器１０１の構成要素は、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

　ファブリペロ共振器１０１のジャバラ機構５０は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、天板５１、底板５２、天板５１の左端部と底板５２の左端部とを接続する左側壁５３Ｌおよび天板５１の右端部と底板５２の右端部とを接続する右側壁５３Ｒを有する。天板５１および底板５２は透明のアクリル板で形成されている。左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒは、それぞれ右側面側および左側面側に形成され、ジャバラ機構５０は前面側および背面側に側壁を有していない。即ち、左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒは、それぞれ覆い３０の左右の開放部に位置するように形成されている。ジャバラ機構５０の底板５２は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、中央部分に１つの開口５４を有する。ジャバラ機構５０は送風機構の一例である。

　左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒの各々は、ジャバラ機構５０の内側に突出する１つの山折り部を形成するジャバラ（蛇腹）を有し、伸縮自在に形成されている。左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒの各々は、上下２枚の板（上板および下板）がヒンジ（不図示）によって連結されている。即ち、ジャバラはヒンジによって連結された２枚の板によって構成されている。また、左側壁５３Ｌの上板の上端部は、天板５１の左端部とヒンジ（不図示）によって連結され、左側壁５３Ｌの下板の下端部は、底板５２の左端部とヒンジ（不図示）によって連結されている。同様に、右側壁５３Ｒの上板の上端部は、天板５１の右端部とヒンジ（不図示）によって連結され、右側壁５３Ｒの下板の下端部は、底板５２の右端部とヒンジ（不図示）によって連結されている。左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒの材料は、空気を通し難いものであればよく、特に限定されるものではないが、変形例１では、薄い樹脂製の板である。

　変形例１のファブリペロ共振器１０１の場合も、実施の形態１で説明した誘電特性の測定のステップ４）における試料台２０への試料２５の装着は、覆い３０を上方にスライドさせて外し、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放した状態で行われる。このとき、ジャバラ機構５０のジャバラは上下方向に延びた状態になっており、ジャバラ機構５０の左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒと覆い３０の前板３１および背板３２との間に空気が保持される。作業者はこの状態で試料２５を試料台２０に装着する。

　試料２５を試料台２０に装着した後、作業者は、覆い３０を上方から装着し下方にスライドさせることにより、図６Ｂに示すように、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆い３０により覆う。このとき、ジャバラ機構５０の左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒは、図６Ａに示すように、上下方向に縮み、ジャバラ機構５０の左側壁５３Ｌおよび右側壁５３Ｒと覆い３０の前板３１および背板３２との間に保持されていた空気が開口５４から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に送られ、その空間の空気の大部分が室内（通常の測定環境）の空気に置き換えられる。この状態で、誘電特性の測定が行われる。従って、試料２５が試料台２０に装着されたときに作業者の呼気を含んだ空気が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に滞留していた場合であっても、作業者は覆い３０により第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆う作業を行うことにより、通常の測定環境と同じ環境条件で共振の測定を行うことができる。

　実施の形態１では、ジャバラ機構４０の底板４２が２つの開口４４、４５を有する例を説明し、実施の形態１の変形例では、ジャバラ機構５０の底板５２が１つの開口５４を有する例を説明したが、開口は３つ以上でもよく、多数の開口が底面全体に形成されていてもよい。また、開口４４、４５、５４の各々を1つの開口ではなく、より小さい多数の開口に置き換えてもよい。また、ジャバラ機構４０、５０が底板４２、５２を有することなく、底面部の全体が実質的に開放されていてもよいが、開口の配置により、試料２５が配置された空間に効率よく空気を送ることができる。

　実施の形態１（変形例を含む）では、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放するために、覆い３０をファブリペロ共振器１００から外す例を説明した。しかし、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放することができれば、覆い３０はファブリペロ共振器１００から外すことなく、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上方に退避させるだけでもよい。この場合、ジャバラ機構４０、５０の底板４２、５２を第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２の上面と接続してもよい。これにより、覆い３０を上方にスライドさせることに連動してジャバラ機構４０、５０がより確実に伸びることを担保することができる。

　（実施の形態２）
　図７は、実施の形態２に係るファブリペロ共振器２００の模式図（空間閉鎖時）である。図７に示すように、ファブリペロ共振器２００は、実施の形態１のファブリペロ共振器１００のジャバラ機構４０に替えて覆い３０に配置されたファン６０を有する点および覆い３０に配置されたフォトセンサ７０を有する点で、ファブリペロ共振器１００と異なる。実施の形態１のファブリペロ共振器１００と同じファブリペロ共振器２００の構成要素は、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

　ファン６０は、図７に示すように、覆い３０の天板３３の下面（内側）に配置され、フォトセンサ７０から出力される信号に基づいて動作が制御される。ファン６０は送風機構の一例である。

　フォトセンサ７０は、図７に示すように、覆い３０の前板３１の左側下端部に配置され、覆い３０と第１の球面反射鏡１１との位置関係を検知し検知信号を出力する。具体的には、覆い３０により第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆うために、覆い３０を上方から下方にスライドさせる時に、フォトセンサ７０が第１の球面反射鏡１１と対向すると、第１の球面反射鏡１１によって反射された光を検出し検知信号（オン）を出力する。フォトセンサ７０はセンサの一例である。ファブリペロ共振器２００では、フォトセンサ７０を覆い３０の前板３１の左側下端部に取り付けたが、第１の球面反射鏡１１または第２の球面反射鏡１２に対する覆い３０の位置を検出できれば、フォトセンサ７０の取付位置は、覆い３０の前板３１の右側下端部でもよいし、背板３２の左側または右側下端部でもよい。また、フォトセンサ７０は、覆い３０とファブリペロ共振器２００の本体との相対的な位置関係を検出するものであるから、覆い３０ではなく、ファブリペロ共振器２００の本体側（固定台１０、第１の球面反射鏡１１および第２の球面反射鏡１２など）に配置してもよい。また、第１の球面反射鏡１１または第２の球面反射鏡１２に対する覆い３０の位置を検出できれば、フォトセンサ７０のような光学的なセンサではなく、機械的なセンサを用いることも可能である。

　実施の形態２のファブリペロ共振器２００の場合も、実施の形態１で説明した誘電特性の測定のステップ４）における試料台２０への試料２５の装着は、覆い３０を上方にスライドさせて退避させ、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放された状態で行われる。このとき、ファン６０のスイッチはオフとなっており、ファン６０は動作していない。即ち、作業者はファン６０が停止した状態で試料２５を試料台２０に装着する。

　試料２５を試料台２０に装着した後、作業者は、覆い３０を下方にスライドさせることにより、図７に示すように、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆い３０により覆う。上述のように、覆い３０を上方から下方にスライドさせる時、フォトセンサ７０が第１の球面反射鏡１１と対向すると、フォトセンサ７０は検知信号（オン）を出力する。この検知信号により、ファン６０は、スイッチがオンとなって所定時間動作（回転）し、所定時間経過後停止する。ファブリペロ共振器２００の場合、所定時間は１０秒である。ファン６０の動作により、ファン６０から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に空気が送られ、その空間の空気の大部分が室内（通常の測定環境）の空気に置き換えられる。誘電特性の測定はファン６０の停止（所定時間経過）後に行う。従って、試料２５が試料台２０に装着されたときに作業者の呼気を含んだ空気が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に滞留していた場合であっても、作業者は覆い３０により第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆う作業を行うことにより、通常の測定環境と同じ環境条件で共振の測定を行うことができる。

　実施の形態２のファブリペロ共振器２００において、フォトセンサ７０は、図７に示すように、覆い３０の下端部に配置されるので、ファン６０のスイッチがオンとなるタイミングは、覆い３０の開放状態から覆い３０を下方にスライドさせ始める時である。これにより、覆い３０の下方への移動中もファン６０が動作することになり、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間の空気を効率よく入れ替えることができる。

　（実施の形態３）
　図８は、実施の形態３に係るファブリペロ共振器３００の模式図（空間閉鎖時）である。る。図８に示すように、ファブリペロ共振器３００は、実施の形態１のファブリペロ共振器１００のジャバラ機構４０に替えて、固定台１０に配置されたファン６１を有する点およびファン６１に配置されたフォトセンサ７１を有する点で、ファブリペロ共振器１００と異なる。実施の形態１のファブリペロ共振器１００と同じファブリペロ共振器３００の構成要素は、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

　ファン６１は、図８に示すように、固定台１０の上面の背面側に配置され、フォトセンサ７１から出力される信号に基づいて動作が制御される。ファン６１は送風機構の一例である。

　フォトセンサ７１は、図８に示すように、ファン６１の上面に配置され、覆い３０の有無を検知し検知信号を出力する。具体的には、覆い３０により第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆うために、覆い３０を上方から下方にスライドさせる時に、フォトセンサ７１が覆い３０の背板３２と対向すると、背板３２によって反射された光を検出し検知信号（オン）を出力する。フォトセンサ７１はセンサの一例である。ファブリペロ共振器３００では、フォトセンサ７１をファン６１の上面に取り付けたが、覆い３０が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆う位置にあるか否かを検出できれば、フォトセンサ７１の取付位置は、ファン６１の側面であってもよい。また、第１の球面反射鏡１１または第２の球面反射鏡１２に対する覆い３０の位置を検出できれば、フォトセンサ７１のような光学的なセンサではなく、機械的なセンサを用いることも可能である。

　実施の形態３のファブリペロ共振器３００の場合も、実施の形態１で説明した誘電特性の測定のステップ４）における試料台２０への試料２５の装着は、覆い３０を上方にスライドさせて退避させ、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を開放された状態で行われる。ファブリペロ共振器３００から覆い３０が外されている状態では、フォトセンサ７１は覆い３０の背板３２と対向しないため、フォトセンサ７１から出力される検知信号はオフである。ファン６１に電源が供給されていれば、フォトセンサ７１からの検知信号がオフの場合に、ファン６１のスイッチはオンとなり、ファン６１は動作（回転）するように制御される。ファン６１が動作すると、ファブリペロ共振器３００の背面から内部（第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間）に向かって空気が送風される。即ち、ファブリペロ共振器３００の前面側で試料２５を試料台２０に装着する作業者の呼気が内部に流入しないように、ファブリペロ共振器３００の前面においては、ファブリペロ共振器３００の内部から前面側に向かって空気の流れが生じる。

　試料２５を試料台２０に装着した後、作業者は、覆い３０を第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２の上方から下方にスライドさせることにより、図８に示すように、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆い３０により覆う。覆い３０が所定の位置に達し覆い３０の背板３２がフォトセンサ７１と対向すると、フォトセンサ７１は検知信号（オン）を出力する。フォトセンサ７１が検知信号（オン）を出力すると、ファン６１のスイッチがオフとなって、ファン６１は動作（回転）を停止する。このように、覆い３０が所定の位置に達するまで、ファン６１の動作により、ファン６１から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間には、絶えず室内（通常の測定環境）の空気が送り込まれる。覆い３０が所定の位置に達し、ファン６１の動作が停止した後、誘電特性の測定が行われる。覆い３０が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間を覆うまで、その空間にはファン６１の動作により、絶えず室内（通常の測定環境）の空気が送り込まれるので、通常の測定環境下で共振の測定を行うことができる。

　実施の形態３のファブリペロ共振器３００においては、図８に示すように、フォトセンサ７１はファン６１の上端部に配置されるので、ファン６１のスイッチがオフとなるタイミングは、覆い３０を第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２の上方から下方にスライドさせ、覆い３０の背板３２の下端部がファン６１の上端部に達した時である。これにより、覆い３０の下方への移動中もファン６１が動作することになり、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に作業者の呼気が流入することを抑制しつつ室内の空気を流入させることができる。

　実施の形態３のファブリペロ共振器３００においては、図８に示すように、ファン６１を第１の球面反射鏡１１と試料台２０との間から第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に空気を送風する位置に配置する例を示したが、ファン６１を第２の球面反射鏡１２と試料台２０との間から空気を送風する位置に配置してもよいし、試料台２０の背面側（即ち、ファブリペロ共振器の背面側中央部）に配置してもよい。また、２つのファン６１またはファン６１より大きなファンを用いて、第１の球面反射鏡１１と試料台２０との間および第２の球面反射鏡１２と試料台２０との間の両方から空気を送風してもよい。このように、第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に空気を送風することができれば、ファン６１の配置位置、個数、大きさ、風量は限定されない。

　（効果等）
　図９Ａおよび図９Ｂに、ファブリペロ共振器１００により誘電特性を測定したデータを示す。図９Ａは、比誘電率の測定結果を示し、図９Ｂは誘電正接の測定結果を示している。試料２５として厚さ５０μｍの変性ポリイミド（ＭＰＩ）を用いた。図９Ａおよび図９Ｂの各々において、送風機構（ジャバラ機構４０、ファン６０、６１）を用いない場合（「送風機構なし」）、ジャバラ機構４０（実施の形態１）を用いた場合（（「ジャバラ機構」）、ファン６１（実施の形態３）を用いた場合（「ファン」）の３つの測定データが示されている。

　図９Ａに示すように、比誘電率の測定結果は、「送風機構なし」の場合は高周波側で大きな誤差を含むが、「ジャバラ機構」の場合は正常値に近づき、「ファン」の場合はほぼ正常値を示している。図９Ｂに示すように、誘電正接の測定結果は、「送風機構なし」の場合では高周波の数点において異常値を示しており、「ジャバラ機構」と「ファン」の場合では異常値は見られない。図９Ａおよび図９Ｂでは、実施の形態１、３のファブリペロ共振器１００、３００を用いた場合の誘電特性の測定結果について示したが、実施の形態１の変形例１のジャバラ機構５０を用いたファブリペロ共振器１０１および実施の形態２のファン６０を用いたファブリペロ共振器２００の場合についても同様に、比誘電率の測定については、「送風機構なし」の場合に比べて正常値に近づき、誘電正接の測定については、「送風機構なし」の場合に比べて異常値は測定されないと考えられる。

　「送風機構なし」の場合の比誘電率および誘電正接の測定結果において、測定誤差が高周波側に見られるが、これは、測定が高周波側から行われているためである。測定の初期段階では、作業者の呼気による水蒸気が第１の球面反射鏡１１と第２の球面反射鏡１２との間の空間に滞留しており大きな誤差が生じるが、水蒸気が徐々に抜けていくことにより、後半の低周波側での誤差は小さくなっている。比誘電率の誤差は、空気よりも大きい比誘電率をもつ水蒸気の影響が、試料の比誘電率によるものとして測定されてしまったことによる。誘電正接の誤差は、水蒸気が抜けていく過程で共振周波数が変動することで共振のＱ値の測定値に誤差が含まれたことに起因する。上述のように、「ジャバラ機構」においてはその影響が大幅に軽減され、「ファン」においてはその影響はほとんど見られない。

　（他の実施の形態）
　実施の形態１～３に係るファブリペロ共振器では、信号注入部および信号検出部に導波管を用いた。測定周波数に応じて、導波管に代えて、先端にループアンテナを有する同軸ケーブルを用いることもできる。

　本発明の開放形共振器は、高周波帯域における誘電体の誘電特性を安定的に測定することに適している。

１０　固定台
１１　第１の球面反射鏡
１２　第２の球面反射鏡
１５　第１の導波管
１６　第２の導波管
２０　試料台
２１　貫通孔
２２　マイクロメータ
２５　試料
３０　覆い
３１　前板
３２　背板
３３　天板
４０、５０　ジャバラ機構
４１、５１　天板
４２、５２　底板
４３　側壁
４４、４５、５４　開口
５３Ｌ　左側壁
５３Ｒ　右側壁
６０、６１　ファン
７０、７１　フォトセンサ
１００、１０１、２００、３００　ファブリペロ共振器
Ｄ０　距離

Claims (8)

1. 　信号注入部を有する第１の球面反射鏡と、
   　信号検出部を有し、前記第１の球面反射鏡に対向して配置される第２の球面反射鏡と、
   　前記第１の球面反射鏡と前記第２の球面反射鏡との間に配置される試料台と、
   　前記第１の球面反射鏡と前記第２の球面反射鏡との間の前記試料台が配置される空間を覆う覆いと、
   　前記空間の空気を入れ替える送風機構と、
   を備える、開放形共振器。
2. 　前記送風機構は、ジャバラを有する、
   請求項１に記載の開放形共振器。
3. 　前記送風機構は、前記第１の球面反射鏡および前記第２の球面反射鏡と前記覆いとの間に配置される、
   請求項１または２に記載の開放形共振器。
4. 　前記覆いは、前板、背板および前記前板と前記背板を接続する天板を有し、左側面部、右側面部および底面部が開放されており、
   　前記ジャバラは、前記覆いの前記左側面部および前記右側面部に位置する、
   請求項２に記載の開放形共振器。
5. 　前記ジャバラは、２つの板により構成される、
   請求項４に記載の開放形共振器。
6. 　前記覆いの位置を検知して信号を出力するセンサをさらに備え、
   　前記送風機構は、前記センサの前記信号に基づいて制御されるファンである、
   請求項１に記載の開放形共振器。
7. 　前記センサは、前記ファンに配置される、
   請求項６に記載の開放形共振器。
8. 　開放形共振器を用いて、試料の誘電特性を測定する誘電特性測定方法であって、
   　前記開放形共振器に前記試料が装着されていない状態で第１の共振特性を取得するステップと、
   　前記開放形共振器に前記試料を装着するステップと、
   　前記開放形共振器における前記試料が配置された空間の空気を入れ替えるステップと、
   　前記空間の空気を入れ替えた後、前記開放形共振器に前記試料が装着された状態で第２の共振特性を取得するステップと、
   　前記第１の共振特性および前記第２の共振特性から、前記試料の誘電特性を算出するステップと、を備える、
   誘電特性測定方法。

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