JP3109065B2

JP3109065B2 - 誘電緩和測定用電極

Info

Publication number: JP3109065B2
Application number: JP06329607A
Authority: JP
Inventors: 智内藤; 正人星; 一徳田; 悟真下
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 1994-12-03
Filing date: 1994-12-03
Publication date: 2000-11-13
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: JPH08159990A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘電緩和を測定するた
めに使用する電極に関する。さらに詳しくは、皮膚表層
中に存在する水分の量と水の状態とに関する情報を得る
ことを目的として皮膚表層の誘電緩和を測定する場合に
有用な電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】皮膚表層の水分の測定は、皮膚自体の性
質の評価や、皮膚に塗布する化粧品あるいは医薬品の評
価等に有用である。

【０００３】従来より、皮膚表層の水分の測定方法とし
ては、一般に高周波インピーダンス法が用いられてい
る。しかし、高周波インピーダンス法は、皮膚表層の水
の挙動を直接的には観測していないため、皮膚表層の水
分以外に測定値に影響を及ぼす因子が多く、再現性に問
題がある。また、高周波インピーダンス法により得られ
る情報は、皮膚表面からどの程度の深さのものであるか
があいまいであるという問題もある。さらに、この方法
では、自由水であるか結合水であるかという水の状態に
関する情報を得ることもできない。

【０００４】これに対して、皮膚表層に存在する水の誘
電緩和を測定する方法が考えられる。誘電緩和の測定方
法としては、周波数領域測定法と時間領域反射法（以
下、ＴＤＲ法(Time Domain Reflectometry method)と略
する）とがあるが、近年、後者の測定技術及びその応用
の研究が積極的に進められている。

【０００５】このＴＤＲ法は、試料に特定波形の励起信
号（例えば、ステップパルス）を印加して反射波を観測
し、その反射波の各周波数成分の位相と強度の変化から
試料の複素誘電率を求め、それに基づいて試料の物性を
知る方法である。この方法によれば、試料中の自由水や
結合水を非破壊的にかつ定量的に測定することが可能と
なる。例えば、特開平２−１１０３５７号公報には、Ｔ
ＤＲ法用の装置として、試料にステップパルスを励起信
号として印加するものが提案されており、この装置を使
用した生体の水分測定に関する応用例が記載されている
（同公報第４頁上右欄１０行〜第７頁下右欄１７行）。

【０００６】図９は、特開平２−１１０３５７号公報の
ＴＤＲ法用の装置に使用されている電極（プローブ）１
の断面図である。この電極１は、同軸状の内部電極１ａ
と外部電極１ｂからなる。内部電極１ａは同軸ケーブル
２の内部導体２ａに接続され、外部電極１ｂは同軸ケー
ブル２の外部導体２ｂに接続される。またこの内部電極
１ａと外部電極１ｂは、それぞれ同軸ケーブル２の内部
導体２ａ、外部導体２ｂと同径となっており、それぞれ
の被測定試料と接する端面は平面となっている。これま
でのところ、ＴＤＲ法の測定に用いられる図９のような
電極の大きさは、内部電極の径が３２０μｍ以上、外部
電極の内径が１．０５ｍｍ以上であり、その電気長は１
１５μｍを超えるものとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、皮膚には、
その表面に厚さ１００〜３００μｍの表皮が存在し、そ
の最外層が角質層（厚さ１０〜２０μｍ）と呼ばれてい
る。また、表皮の下には真皮があり、さらにその下に皮
下組織が存在する。このため化粧品や医薬品が皮膚表層
の水分に及ぼす効果を調べるためには、皮膚の所望の深
さの水分測定を行えるようにすることが好ましく、少な
くとも最外層あるいは皮膚表面から１００μｍ程度まで
の水分測定が行えるようにすることが必要となる。しか
しながら、従来のＴＤＲ法の水分測定装置は、それを皮
膚の水分測定に用いた場合に、皮膚のどの深さの水分を
測定しているかを明らかにしていない。

【０００８】そこで、本発明者は、図９に示したような
電極を用いてＴＤＲ法を行った場合の測定深さを、後述
する実施例に示した方法により推定した。その結果、内
部電極の直径が０．５１ｍｍ、外部電極の内径が１．７
ｍｍの電極を用いた場合、電極の電気長とほぼ等しい、
皮膚の最外層から約１８０μｍという広範囲の深さの水
分測定を行っていることがわかった。したがって、従来
の方法では、化粧品や医薬品が皮膚表層の水分に及ぼす
効果を十分に調べることができないということがわかっ
た。

【０００９】本発明は以上のような従来技術の課題を解
決しようとするものであり、ＴＤＲ法等の誘電緩和の測
定により皮膚表層の水分測定を行う場合に、皮膚の最外
層から１００μｍ以内の範囲の水分を測定できるように
すること、さらには所望の深さの皮膚の水分を測定でき
るようにし、角質層の水分測定をできるようにすること
を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、測定に使
用する電極の先端部を小型化することにより、電極の電
気長を１００μｍ以下にできること、またこれにより内
部電極と外部電極の間の電気力線が皮膚内を通過する深
さを制御することができ、上記の目的が達成できること
を見出し、本発明を完成させるに至った。

【００１１】即ち、本発明は、芯線状の内部電極と、そ
の内部電極に絶縁体を介して同軸状に配された外部電極
からなり、内部電極の先端面と外部電極の先端面が被測
定試料に対する接触面となる誘電緩和測定用電極であっ
て、電極の電気長が１００μｍ以下であることを特徴と
する電極を提供する。

【００１２】以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明
する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要
素を表している。

【００１３】本発明は、皮膚表層中に存在する水分の量
と水の状態とに関する情報を得ることを目的として、皮
膚表面から深さ１００μｍ程度までの皮膚表層の誘電緩
和を測定する場合に有用な電極である。その構造は、基
本的には図９に示した従来の電極と同様に、芯線状の内
部電極と、その内部電極に絶縁体を介して同軸状に配さ
れた外部電極からなっているが、電極の電気長が１００
μｍ以下であることを特徴としている。

【００１４】ここで、電極の電気長とは、同軸ケーブル
等の伝送路の一端に複素誘電率ε^＊（ω）の負荷を設
け、他端から角振動数ωの電磁波Ｖ（ω）を印加した場
合の当該電磁波Ｖ（ω）と、その反射波Ｒ（ω）と、負
荷の複素誘電率ε^＊（ω）との関係式である次式（１）
において、パラメータγd として含まれるものである。

【００１５】

【数１】この電気長γd は、複素誘電率ε^＊（ω）が知られてい
る公知の標準試料の反射波を測定することにより求める
ことができる。

【００１６】また、電気長は、電極の形状と大きさによ
って定まる電極固有の物理量であり、測定方法には依存
しない。したがって、周波数領域測定法あるいは時間領
域反射法（ＴＤＲ法）のいずれの誘電緩和の測定方法に
おいても、電極の電気長は一定である。

【００１７】一方、本発明者は、電気長が誘電緩和測定
時の被測定試料の測定深さと密接な関係があり、電気長
が測定深さの尺度となることを見出した。例えば、後述
する実施例に示されているように、表層と下層の２層か
らなり、表層の厚みが、測定に使用する電極の電気長と
等しい試料について誘電緩和を測定する場合、その電極
で得られる全情報の６３％（１−ｅ^-1）が表層からの情
報であり、８６％が電気長の２倍までの測定深さからの
情報である。

【００１８】したがって、本発明の電極は、周波数領域
測定法あるいは時間領域反射法のいずれの誘電緩和の測
定方法においても、表面から深さ約１００μｍまでの表
層の測定をするために有用なものとなる。

【００１９】本発明において、電極の電気長を従来より
も短い１００μｍ以下とするための具体的態様として
は、例えば、(1) 内部電極が試料に接触する電極先端面
の面積を小さくする、あるいは(2) 内部電極と外部電極
との先端面における間隔を狭める等の態様をあげること
ができる。なお、外部電極は、その内径が内部電極との
間隔に関与するが、それ以外の形状や大きさ等について
は任意とすることができる。

【００２０】また、誘電緩和測定時に多重反射を極力防
止し、測定を正確に行えるようにするためには、電極と
当該電極と接続する同軸ケーブルとのインピーダンス、
及び電極内のインピーダンスを一定とすることが好まし
く、そのために、電極の任意の位置において、内部電極
の径と外部電極の内径との比率を一定とすることが好ま
しい。そこで、(1) の内部電極の先端面の面積を小さく
する場合の好ましい態様としては、例えば、図１（ａ）
に示した電極１０ａのように、同軸ケーブルと接続する
内部電極１ａ及び外部電極１ｂの断面積を先端部に向か
って連続的に小さくしたものや、同図（ｂ）に示した電
極１０ｂ、同図（ｃ）に示した電極１０ｃあるいは同図
（ｄ）に示した電極１０ｄなどのように、内部電極１ａ
及び外部電極１ｂの断面積を先端部に向かって段階的に
小さくしたもの等をあげることができる。

【００２１】ただし、電極の先端面から１０ｍｍ、特に
１ｍｍ以内の電極先端部においてはインピーダンスの整
合性は考慮しなくても実際上問題はない。したがって、
図２に示した電極１０ｅのように、本発明の電極として
は、市販の同軸ケーブルの内部導体の先端部のみを加工
することにより、内部電極１ａの先端部のみが先端面に
向けて細くなるようにし、外部電極１ｂの内径及び外径
は一定としたものでもよい。

【００２２】上述の本発明の電極の内部電極の先端面は
円形であるが、本発明において、内部電極の先端部形状
は円形に限られない。図３に示したように、市販の同軸
ケーブルの内部導体の先端部のみを加工することによ
り、内部電極１ａに筒状凹部（同図（ａ））や円錐状凹
部（同図（ｂ））を形成し、先端面が環状となるように
し、それにより先端面の面積を小さくしてもよい。

【００２３】また、本発明の電極としては、その電気長
が１００μｍ以下である限り、同軸ケーブルの内部導体
に格別加工を施すことなく、直接使用することができ
る。このような同軸ケーブルとしては、内部導体の径が
１０μｍ〜２７０μｍの細径のケーブルをあげることが
できる。細径の同軸ケーブルから本発明の電極を構成す
る場合、本発明の電極は、その電極よりも径の大きい通
常の同軸ケーブルの先端に接続することができるコネク
ター部を必要とする。この場合、コネクター部として
は、図１に示した電極と同様に、内部電極の径を連続的
又は段階的に変化させるものを使用する。

【００２４】本発明において、内部電極の先端面の面積
を小さくするにあたり、その具体的数値は測定すべき皮
膚表層の深さ、当該電極の電極形状等に応じて定めるこ
とができるが、一般には直径１０μｍ〜２７０μｍの円
の面積に相当する７８μｍ²〜５．７×１０⁴μｍ²と
することが好ましい。したがって、内部電極の端面が円
形の場合、その径は１０μｍ〜２７０μｍとすることが
好ましい。

【００２５】これにより、皮膚の最外層から１００μｍ
以内の深さの水分測定を行うことが可能となる。さらに
電気長を１μｍ〜１００μｍ、より好ましくは５μｍ〜
２５μｍとすることにより、角質層の水分測定を行うこ
とが可能となる。

【００２６】また、電極の先端面における内部電極と外
部電極との間隔は、同軸ケーブルと電極とのインピーダ
ンスの整合性の点から１０μｍ〜３１０μｍとすること
が好ましい。

【００２７】電極の材質としては特に制限はないが、耐
蝕性の金属が好ましく、例えば、金、白金、銅等を使用
することができる。

【００２８】また、内部電極１ａと外部電極１ｂとの
間、及び図３（ａ）、（ｂ）に示したように内部電極１
ａの先端部に形成した凹部には、テフロン樹脂、エポキ
シ樹脂等の絶縁材を充填することが好ましい。これによ
り、標準試料として液体試料を測定することが可能とな
り、また凹部への不要な異物の付着を防止できる。

【００２９】本発明の電極の製造方法には、特に制限は
ない。

【００３０】本発明の電極を用いてＴＤＲ法等の誘電緩
和測定を行う場合に、本発明の電極に接続する同軸ケー
ブルとしては、上述のようなインピーダンスの整合性を
有する限り特に制限はなく、市販のものを使用すること
ができる。電極を測定試料に接触させる際の操作性の点
からは、フレキシブルケーブルを使用することが好まし
い。また、ＴＤＲ法による測定自体は、特開平２−１１
０３５７号公報等に記載されている公知の方法によるこ
とができる。

【００３１】

【作用】ＴＤＲ法等の誘電緩和測定を行うことにより皮
膚の水分測定を行う場合に、電極の電気長は電極から皮
膚に滲み出す信号の深さ、即ち測定深さに相当する。本
発明によれば、電極の電気長を１００μｍ以下とするの
で、測定深さを浅くすることができる。さらに、１００
μｍ以下で電極長を適宜設定することにより、皮膚表面
から１００μｍ以内の所望の深さの皮膚表層の水分測定
を行うことが可能となり、角質層の水分測定をすること
も可能となる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。

【００３３】実施例１〜５、比較例１〜３図４に示したように、先端部が内部電極１ａ、絶縁材１
ｃ及び外部電極１ｂからなる電極を、Ａ、Ｂ、Ｃの３種
の形状に作製した。この場合、内部電極１ａの先端面の
半径（あるいは幅）Ｌ、内部電極１ａの先端面の面積Ｓ
1 、内部電極１ａと絶縁材１ｃとを合わせた先端面の面
積Ｓ2 、及び外部電極の先端面の内径Ｄは、それぞれ表
１に示した値とした。電極素材は、内部電極１ａ、外部
電極１ｂ共に銅とし、絶縁材１ｃとしては内部電極１ａ
と外部電極１ｂとの間にテフロンを充填した。

【００３４】（評価） (1) 電極の電気長の測定誘電スペクトルが既に知られているアセトンを標準試料
として使用して誘電緩和測定を行い、電極の電気長を求
めた。即ち、電極の先端をアセトンに浸し、励起信号と
してステップパルスを用いてＴＤＲ法で反射波を測定
し、励起信号と測定された反射波とを用い、電気長γd
をパラメータとして、式（１）から誘電スペクトルを算
出した。この場合、電気長γd の値を変えながら誘電ス
ペクトルを算出し、その算出した誘電スペクトルの値が
アセトンの既知の誘電スペクトルと最も一致した場合の
電気長γd を当該電極の電気長γd とした。この結果を
表１に示した。また、形状Ａ、Ｂの電極について、得ら
れた電気長γd と内部電極の半径Ｌとの関係図を図８に
示した。

【００３５】(2) 電極の測定深さの測定ＴＤＲ法による皮膚の水分測定に各電極を使用した場合
の測定深さを調べるために、水（表層）−テフロン（下
層）の２層からなる試料に対して表層である水の厚みを
種々変えて１００ＭＨｚにおける誘電率を次のように測
定した。

【００３６】まず、図５に示したように、ガラス板１１
にテフロンテープ（テフロンの誘電率２）１２を貼った
ものを、水浴（水の誘電率７８）１３に入れ、そのテフ
ロンテープ１２に対向するように浴中に電極１０をセッ
トした。また、この水浴１３はＺステージ１４に載置
し、Ｚステージ１４には膜厚計１５を取り付けた。そし
て、Ｚステージ１４を上下させることにより、電極１０
とテフロンテープ１２との距離ｘを変化させ、そのとき
の誘電率を測定した。この場合、誘電率の測定方法とし
ては、ステップパルスを励起信号とするＴＤＲ法を用い
た。

【００３７】こうして得られた誘電率を、実験例３及び
比較例１〜３について、図６に示した。なお、同図の誘
電率変化率は、テフロンの誘電率を０、水の誘電率を１
００と規格化した値を示している。また、同図において
下段の図は上段の図のＬ＝−１００〜４００μｍの範囲
の拡大図である。さらに、実施例３及び比較例１〜３に
ついて、図７に、−ln（１−誘電率変化率）と膜厚計の
読みとの関係を示した。なお、図６、図７において膜厚
計の読み（即ち、電極１０とテフロンテープ１２との距
離ｘ）が負の値の領域は、電極１０がテフロンテープ１
２に接触したまま上方に移動していることを表してい
る。

【００３８】このような誘電率の測定においては、電極
１０がテフロンテープ１２に接している場合には、電極
１０からの励起信号の滲み出しはテフロンテープ１２の
みに行われるので、図６に示されているように、観測さ
れる誘電率は一定値を示す。一方、電極１０をテフロン
テープ１２から離していき、両者の距離ｘを大きくして
いくと、電極１０からの励起信号の滲み出しは水とテフ
ロンテープ１２の双方に及ぶので、観測される誘電率は
大きくなり、さらに距離ｘを大きくしていくと次第に誘
電率は水の規格化値１００に近付く。

【００３９】ここで、図７において、距離ｘが正の領域
において、プロットが直線関係を示していることから、
測定される誘電率は距離ｘに対して指数関数的に変化し
ていることがわかる。即ち、表層（水）の誘電率を
ε₁、下層（テフロン）の誘電率をε₂、観測される誘
電率をε_obsとすると、観測される誘電率ε_obsは、次
式（２）で表されることがわかる。

【００４０】

【数２】式中、ｄo は、図７のプロットでｘが正の領域における
直線の傾きの逆数である。こうして求められるｄo の値
を表１に示した。表１から、このｄo の値は、上述のγ
d と一致することがわかる。

【００４１】そこで、式（２）は次式（３）と表せるこ
とがわかる。

【００４２】

【数３】したがって、観察される誘電率ε_obsには、電極の電気
長γd の範囲における情報が６３％の重みを占めている
こと、よって、電極の測定深さの尺度として、電気長γ
d を用いることが妥当であることがわかる。

【００４３】さらに、表１から、内部電極の先端面の面
積を小さくすることにより、あるいは内部電極と外部電
極との間隔を狭めることにより電気長γd を小さくする
ことができることがわかる。よって、内部電極の先端面
の面積を小さくすることにより、ＴＤＲ法で水分測定を
行った場合の測定深さを浅くできることがわかる。ま
た、測定深さを数十μｍ以下とすることもできるので、
角質層等の皮膚表層の水分測定を行えることがわかる。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【発明の効果】ＴＤＲ法等の誘電緩和の測定により皮膚
表層の水分測定を行う場合に、本発明の電極を用いる
と、皮膚の最外表面から１００μｍ以内で所望の深さの
水分測定を行うことが可能となり、角質層の水分測定を
行うことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電極の断面図である。

【図２】本発明の電極の断面図である。

【図３】本発明の電極の内部電極の斜視図である。

【図４】実施例及び比較例の電極の断面図である。

【図５】電極の測定深さの測定方法の説明図である。

【図６】膜厚計の読みと誘電率変化率との関係図であ
る。

【図７】膜厚計の読みと誘電率変化率との関係図であ
る。

【図８】内部電極の半径と電気長との関係図である。

【図９】従来の電極の断面図である。

【符号の説明】

１電極１ａ内部電極１ｂ外部電極１ｃ絶縁材２同軸ケーブル２ａ内部導体２ｂ外部導体１０、１０ａ〜１０ｅ電極１１ガラス板１２テフロンテープ１３水浴１４Ｚステージ１５膜厚計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 22/04 Ｇ０１Ｎ 22/04 Ｚ (56)参考文献特開平２−110357（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−63039（ＪＰ，Ａ) 特公昭57−46852（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A61B 5/00 A61B 5/05 A61B 10/00 G01N 22/00 G01N 22/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】芯線状の内部電極と、その内部電極に絶
縁体を介して同軸状に配された外部電極とからなり、内
部電極の先端面と外部電極の先端面が被測定試料に対す
る接触面となる誘電緩和測定用電極であって、電極の電
気長が１００μｍ以下であることを特徴とする電極。
【請求項２】電極の電気長が、１μｍ〜１００μｍで
ある請求項１記載の誘電緩和測定用電極。
【請求項３】内部電極の径が電極の先端部に向かって
連続的又は段階的に細くなっている請求項１又は２記載
の誘電緩和測定用電極。
【請求項４】内部電極の先端面が円形であるか又は先
端部に凹部が形成されることにより先端面が環状となっ
ている請求項１〜３のいずれかに記載の誘電緩和測定用
電極。
【請求項５】内部電極の先端面の面積が、７８μｍ²
〜５．７×１０⁴μｍ²である請求項４記載の誘電緩和
測定用電極。
【請求項６】内部電極の円形の先端面の直径が、１０
μｍ〜２７０μｍである請求項４記載の誘電緩和測定用
電極。
【請求項７】先端面における内部電極と外部電極との
間隔が１０μｍ〜３１０μｍである請求項１〜６のいず
れかに記載の誘電緩和測定用電極。