JP7680696B2 - 誘電分光センサ - Google Patents

Description

本発明は、誘電分光センサに関する。

血糖値などの成分濃度検査は血液の採取を必要とし、患者にとって大きな負担となっている。このため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が実用化されている。

非侵襲な成分濃度測定装置として、例えばマイクロ波－ミリ波帯の電磁波を用いる方法が提案されている。この方法では、近赤外光などの光学的な方法と比較して、生体内での散乱が少なく、１フォトンの持つエネルギーが低いという利点がある。

マイクロ波－ミリ波帯の電磁波を用いる方法として、非特許文献１に開示された共振構造を用いる方法が提案されている。非特許文献１では、アンテナや共振器などのＱ値の高いデバイスと測定試料を接触させ、共振周波数周辺の周波数特性を測定する。共振周波数はデバイスの周囲の複素誘電率により決定されるため、共振周波数のシフト量と成分濃度との間の相関を予め予測することにより、共振周波数のシフト量に基づいて成分濃度を推定することができる。

マイクロ波－ミリ波帯の電磁波を用いる他の方法として、特許文献１に開示された誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、人間或いは動物の皮膚内に電磁波を照射し、測定対象である血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算出する。誘電緩和スペクトルは、一般的には、Cole-Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算出する。

複素誘電率は、血液中に含まれるグルコース、コレステロール等の血液成分の量との間に相関がある。複素誘電率の変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、測定した誘電緩和スペクトルの変化に基づいて成分濃度の検量を行うことができる。いずれの方法を用いる場合でも、対象となる成分と相関の強い周波数帯を選定することにより測定感度の向上が期待できるため、予め広帯域な誘電分光により誘電率の変化を測定しておくことが求められる。

誘電分光法の中でも、非特許文献２、３、特許文献２に示すような同軸プローブ（Open-ended coaxial probe、または Open-endedcoaxial line）を用いた方法は測定器の校正に水などの入手が容易な試料を用いることができる。また、材料の特殊な加工を必要とせずプローブ端面に被測定試料を接触させることで測定試料の誘電率を測定することが可能である。このため、生体や果実（の糖度）、土壌（の水分量、導電性）などの加工を避けた上で電気的特性を評価したい試料の測定に適している。

特に、特許文献２に示すような基板集積型の平面型同軸センサは、ディスクリートＩＣやＡＳＩＣを用いた誘電分光システムを集積するＰＣＢ基板に直接集積が可能であることから、ウェアラブル端末などの小型なシステム構築に適している。

また、非特許文献４には、同軸プローブの開口径に応じて測定対象物の内部に電界が侵入する深さが異なることが開示されている。

特開２０１３－３２９３３号公報 特許第６７７１３７２号公報

M. Hofmann,G. Fischer, R. Weigel, and D. Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol.61, No.5, pp. 2195-2203，2013 J P. Grant, R N. Clarke,G T. SYymm and N M. Spyrou,"A criticalstudy of the open-ended coaxialline sensor technique for RF and microwave complexpermittivity measurements", J. Phys.E: Sci. Instrum,Vol.22, pp. 757-770,1989 T.P. Marsland, and S. Evans"Dielectric measurements with an open-ended coaxial probe", IEE Proceedings, Vol. 134, No.4,1987 P.-M. Meaney, A.-P.Gregory, J. Sepp?l? and T. Lahtinen, "Open-Ended Coaxial Dielectric Probe Effective Penetration Depth Determination", IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques, Vol.64,No.3, pp. 915-923,2016

しかし、基板集積型の誘電分光センサは、通常は基板厚が規定されているので、誘電分光センサの基板厚に応じて伝送線路を設計する必要がある。このため、基板集積型の誘電分光センサに設けられる開口部の開口径が制限され、所望する開口径にすることができない。その結果、測定対象物の内部へ電界が侵入可能な侵入深さが制限されてしまう。侵入深さよりも深い部位で誘電率変化が発生した場合には、誘電分光センサで検出される反射係数（Ｓ11パラメータ）が変化しない。このため、高精度な誘電率の測定ができないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板開口部の開口径に制限されず、測定対象物内への電界の侵入深さを大きくすることにより、測定対象物の誘電率を高精度に測定することが可能な誘電分光センサを提供することにある。

本発明の誘電分光センサは、誘電分光システムに接続する誘電分光センサであって、前記誘電分光システムと一致する所定の特性インピーダンスを有する伝送線路と、前記伝送線路に接続され、第１の開口径の第１開口部を有する準同軸構造部と、前記準同軸構造部に接続され、一方の端部が前記所定の特性インピーダンスとされ、他方の端部が前記第１の開口径とは異なる第２開口径の第２開口部とされている開口径調整部と、を備える。

本発明によれば、測定対象物の誘電率を高精度に測定することが可能になる。

図１は、実施形態に係る誘電分光センサの構成を示すブロック図である。 図２は、平面型同軸センサの構造を有する誘電分光センサの構成を示す斜視図である。 図３Ａは、第２基板の上面を示す説明図である。 図３Ｂは、第２基板の下面を示す説明図である。 図４Ａは、第１基板の上面を示す説明図である。 図４Ｂは、第１基板の下面を示す説明図である。 図５Ａは、開口径調整部の構成を示す断面図であり、上面から下面に向けて外部導体５３ａの内径が一定である例を示す。 図５Ｂは、開口径調整部の構成を示す断面図であり、上面から下面に向けて外部導体５３ｂの内径が段階的に長くなる例を示す。 図５Ｃは、開口径調整部の構成を示す断面図であり、上面から下面に向けて外部導体５３ｃの内径が段階的に短くなる例を示す。 図５Ｄは、開口径調整部の構成を示す断面図であり、上面から下面に向けて外部導体５３ｄの内径が徐々に短くなる例を示す。 図６は、開口径調整部が準同軸形状に構成される例を示す説明図である。 図７は、開口径調整部の端面からの距離（侵入深さ）と、電界強度との関係を示すグラフである。 図８は、各サイズの開口径を有する開口径調整部を使用したときの、周波数の変化に対するＳ21パラメータの変化を示すグラフである。 図９は、開口径調整部の端面からの距離（侵入深さ）と、電界強度との関係を示すグラフである。 図１０は、開口径調整部１３を使用しないときの、周波数の変化に対するＳ21パラメータの変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る誘電分光センサ、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係る誘電分光センサ１００は、誘電分光システム２０に接続されており、誘電分光システム２０から出力される高周波信号（ＲＦ）を受信する。また、誘電分光センサ１００は、測定対象物Ｍに向けて電磁波を出力し、その反射波を受信して誘電分光システム２０に送信する。測定対象物Ｍは、例えば人間の皮膚、動物、果実、土壌などである。

誘電分光システム２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit、プロセッサ）と、メモリと、ストレージ（HDD：Hard Disk Drive、SSD：Solid State Drive）と、通信装置と、入力装置と、出力装置とを備える汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。

図１に示すように誘電分光センサ１００は、伝送線路１１と、準同軸構造部１２と、開口径調整部１３を備えている。伝送線路１１及び準同軸構造部１２は、回路基板１０に形成されている。

図２は、誘電分光センサ１００の斜視図である。図２に示すように本実施形態に係る誘電分光センサ１００は、第１基板２１と第２基板３１を積層した平面型同軸センサの構成を有している。第１基板２１と第２基板３１が図１に示す回路基板１０に対応する。第１基板２１及び第２基板３１は誘電体基板で構成するとよい。

図３Ａは第２基板３１の上面、図３Ｂは第２基板３１の下面を示す平面図である。第２基板３１の上面は第１基板２１に接する面であり、下面は開口径調整部１３に接する面である。

図４Ａは第１基板２１の上面、図４Ｂは第１基板２１の下面を示す平面図である。第１基板２１の上面は伝送線路１１が形成される面であり、下面は第２基板３１に接する面である。

第１基板２１及び第２基板３１の材料としては、高周波で用いられるガラスエポキシ、テフロン、アルミナ、石英、Ｓｉなどを用いることができる。第１基板２１及び第２基板３１の大きさは例えば、数センチ×数センチ角、厚さは例えば、数百μｍ～数ｍｍである。第１基板２１及び第２基板３１は、例えば比誘電率が２～３の誘電体である。

図３Ａ、図３Ｂに示すように、第２基板３１の両面には円形の開口部Ｈ１（第１開口部）を有する金属パターン３２、３５が設けられている。開口部Ｈ１の直径（第１の開口径）は、例えば数百μｍ～数ｍｍである。金属パターン３２、３５の材料としては、高周波基板で用いられる金属、例えばＣｕ、Ａｕなどを用いることができる。

第２基板３１の開口部Ｈ１の中央には、第２基板３１を貫通するビア３３が設けられている。また、開口部Ｈ１の円周に沿って、金属パターン３２及び金属パターン３５と導通する複数（図では８個）のビア３４が設けられている。つまり、ビア３３を中心とした円状に複数のビア３４が設けられる。ビア３３、３４内には、導体が充填されている。

ビア３３、３４の材料としては、導電性のインク、銅ペースト、銀ペースト、銅めっきなどを用いることができる。或いは、ビア３３、３４の径と同一の直径を有する金属ピンを埋め込んでもよい。ビア３３を内部導体、ビア３４を外部導体とする準同軸構造により、第２基板３１の平面方向にＴＥＭモードの電磁波が伝搬する。

一方、図４Ａに示すように、第１基板２１の上面には、コプレーナ線路を構成する金属パターン１１ａ、１１ｂが設けられる。金属パターン１１ａはコプレーナ線路のシグナル線となり、金属パターン１１ｂはグランド線となる。即ち、金属パターン１１ａ、１１ｂにより、伝送線路１１が形成されている。また、金属パターン１１ａ、１１ｂの特性インピーダンスは、図１に示す誘電分光システム２０の接続部における特性インピーダンス（所定の特性インピーダンス）と同一になるように設定されている。

金属パターン１１ａの幅、及び金属パターン１１ａ、１１ｂ間のギャップの幅は、数十μｍ～数ｍｍである。誘電分光センサ１００に接続される誘電分光システム２０の特性インピーダンス（所定の特性インピーダンス）に合わせて、例えば５０Ω又は７５Ωとなるようにコプレーナ線路の各寸法が設計される。

第１基板２１には、第２基板３１のビア３３、３４の位置に対応させて、準同軸構造を構成するビア２４、及び複数のビア２５が設けられている。ビア２４は、ビア３３及び金属パターン１１ａに導通する。ビア２５は、ビア３４及び金属パターン１１ｂに導通する。この構成により、第１基板２１は、コプレーナ線路－準同軸変換の役割を果たす。なお、複数のビア２５は、シグナル線となる金属パターン１１ａと接触しないように配置されている。第２基板３１と第１基板２１は、例えば接着剤により接着されている。

ビア３３、複数のビア３４、及び各ビア３４で囲まれる開口部Ｈ１で構成される領域が、図１に示す準同軸構造部１２に対応しており、開口径調整部１３を接続する接続面となる。即ち、準同軸構造部１２は、伝送線路１１に接続され、第１の開口径の第１開口部を有している。準同軸構造部１２は、誘電体基板（第１基板２１、第２基板３１）に形成した金属パターンを含んでいる。具体的には、準同軸構造部１２は、誘電体基板に形成したビア２４、３３（第１のビア）、及びビア２５、３４（第２のビア）を含んでいる。

第１基板２１に形成される金属パターン１１ａ、１１ｂからなる伝送線路１１は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、コプレーナストリップなどのプリント基板や半導体基板上に製造可能な伝送線路などを用いることができる。例えば、マイクロストリップ線路を用いる場合において、特性インピーダンスＺMSLは下記（１）式で示される。

上記（１）式において、「εsub」はマイクロストリップ線路の基板誘電率、「ｈ」は回路基板１０の基板厚である。「Ｗ」は線路幅、即ち、図４Ａに示す金属パターン１１ａの幅である。

（１）式において、基板誘電率εsub、及び基板厚ｈは、誘電分光センサ１００の作製に用いるプリント基板、或いは半導体基板を選定した段階で決定される固定値となる。従って、所望の特性インピーダンスＺMSLを得るための線路幅Ｗは一義的に決定される。

例えば、基板厚が２００μｍ、誘電率３．５程度の高周波基板を用いて、特性インピーダンスＺMSLを５０Ω程度にするためには、線路幅Ｗは４００μｍ程度となる。準同軸構造は、前述した特許文献２に示されているとおり、基板にビアを設けることで基板垂直方向に内部導体、外部導体を持つような疑似的な同軸構造としたものであり、その特性は同軸線路と同等であると見なすことができる。

ここで、同軸線路の特性インピーダンスＺcoaxは、下記の(２)式で示すことができる。

（２）式において、「εc」は、同軸線路の内部誘電体の誘電率、「Ｄ」は同軸線路を構成する外部導体の内径、「ｄ」は内部導体の外径を示す。

（２）式から明らかなように、回路基板１０の誘電率が決定され、外径Ｄと内径ｄの比率「Ｄ／ｄ」が変化しない場合には、同軸線路の特性インピーダンスは変化しない。一般的に特性インピーダンスは５０Ωとなるように設計され、基板誘電率が３．５程度の場合には比率「Ｄ／ｄ」は０．２程度とされている。

同軸プローブ型の誘電分光センサを用いる場合は、同軸線路の片側端面が測定対象物Ｍに接触できる開放端とし、開放端に接する測定対象物Ｍに電界を発生させ、この電界による反射波に基づいてＳ11パラメータを算出する。誘電分光システム２０は、Ｓ11パラメータの変化に基づいて、測定対象物の誘電率を測定する。この際、開放端の開口径に応じて測定対象物Ｍに電界が侵入する深さが変化する。

「侵入深さ」とは、誘電分光センサ１００の測定面から出力された電磁波により、測定対象物Ｍの内部に電界が侵入する深さである。侵入深さよりも深い部位で誘電率変化が起きた場合には、この部位まで電界が達していないので同軸センサのＳ11パラメータは変化しない。従って、薄膜測定、細胞などの生体の測定では、十分な侵入深さを確保することが必要になる。

図７は、本実施形態に係る開口径調整部１３を使用しないときの、測定対象物Ｍの端面からの距離（侵入深さ）と規格化した電界強度の関係を示すグラフである。周波数ｆは、５．０ＧＨｚとしている。図７に示す曲線ｑ１は、開口径を３ｍｍとしたとき、曲線ｑ２は開口径を１．６ｍｍとしたときのグラフである。曲線ｑ１、ｑ２から、開口径を３ｍｍとした方が電界の侵入深さが大きくなっていることが判る。

即ち、電界の侵入深さは、同軸センサ端面からの電界強度分布に関係しており、開口径が大きいほど電界の減衰が少なく、より深くまで電界が到達する。従って、所望の侵入深さとなる誘電分光センサを設計する際には、誘電分光センサの端面の開口径を調整すればよい。また、開口径調整部１３を同軸線路で構成し、比率「Ｄ／ｄ」を設定することにより、準同軸構造部１２の特性インピーダンスと開口径調整部１３の準同軸構造部１２との接続面側の特性インピーダンスを一致させることができる。

本実施形態では、準同軸構造部１２の端面（図３Ａ、図３Ｂに示した開口部Ｈ１に対応）に、同軸構造を有する開口径調整部１３を設けることにより、準同軸構造部１２にて、伝送線路～同軸線路の変換を行い、開口径調整部１３にて同軸線路の開口径を変化させる。そして、広帯域な伝送特性と侵入深さの設計の自由度を両立させる。

開口径調整部１３の開口径は、準同軸構造部１２の開口径（開口部Ｈ１の直径）よりも広くしても狭くしてもよい。この際、伝送線路１１、準同軸構造部１２、開口径調整部１３の特性インピーダンスは同一となるように設計する。以下、開口径調整部１３の具体的な構成について説明する。

図５Ａ～図５Ｄは、開口径調整部１３の具体的な実施例を示す断面図である。図５Ａ～図５Ｄに示す各開口径調整部１３ａ～１３ｄは円筒形状をなしており、上端ｐ１が回路基板１０の測定面に接する面、下端ｐ２が測定対象物Ｍに接する面とされている。

図５Ａに示す開口径調整部１３ａは、内部導体５１ａと、内部導体５１ａの外周に同心円状に形成された誘電体５２ａと、誘電体５２ａの外周に同心円状に形成された外部導体５３ａを備えた同軸プローブ構造を有している。内部導体５１ａ、及び外部導体５３ａは、上端ｐ１から下端ｐ２に向けて直径が同一とされている。即ち、図５Ａに示す例では、開口径調整部１３ａは、一方の端部の開口部の開口径と、他方の端部の開口径が同一とされている。このような構成により、測定対象物Ｍに接する測定面の開口径（外部導体５３ａの内径）を、図３Ａ、図３Ｂに示した開口部Ｈ１の直径とは異なるＬ１（＞Ｈ１）に設定することができる。

図５Ｂに示す開口径調整部１３ｂは、内部導体５１ｂと、内部導体５１ｂの外周に同心円状に形成された誘電体５２ｂと、誘電体５２ｂの外周に同心円状に形成された外部導体５３ｂを備えている。内部導体５１ｂは、上端ｐ１から下端ｐ２に向けて段階的に直径が大きくなっている。即ち、図５Ｂに示す例では、開口径調整部１３ｂは、一方の端部の開口部の開口径と、他方の端部の開口径が異なっており、一方の端部から他方の端部に向けて段階的に拡がるように開口径が変化する。このような構成により、測定対象物Ｍに接する測定面の開口径を、開口部Ｈ１の直径とは異なるＬ２（＞Ｈ１）に設定することができる。

図５Ｃに示す開口径調整部１３ｃは、内部導体５１ｃと、内部導体５１ｃの外周に同心円状に形成された誘電体５２ｃと、誘電体５２ｃの外周に同心円状に形成された外部導体５３ｃを備えている。内部導体５１ｃは、上端ｐ１から下端ｐ２に向けて段階的に直径が小さくなっている。即ち、図５Ｃに示す例では、開口径調整部１３ｃは、一方の端部の開口部の開口径と、他方の端部の開口径が異なっており、一方の端部から他方の端部に向けて段階的に狭まるように開口径が変化する。このような構成により、測定対象物Ｍに接する測定面の開口径を、開口部Ｈ１の直径とは異なるＬ３（＜Ｈ１）に設定することができる。

図５Ｄに示す開口径調整部１３ｄは、内部導体５１ｄと、内部導体５１ｄの外周に同心円状に形成された誘電体５２ｄと、誘電体５２ｄの外周に同心円状に形成された外部導体５３ｄを備えている。内部導体５１ｄは、上端ｐ１から下端ｐ２に向けて連続的に直径が小さくなっている。即ち、図５Ｄに示す例では、開口径調整部１３ｄは、一方の端部の開口部の開口径と、他方の端部の開口径が異なっており、一方の端部から他方の端部に向けて徐々に開口径が変化する。このような構成により、測定対象物Ｍに接する測定面の開口径を、開口部Ｈ１の直径とは異なるＬ４（＜Ｈ１）に設定することができる。

図６は、開口径調整部１３を準同軸形状に形成した例を示す説明図である。図６に示す開口径調整部１３ｅは、円筒形状を有しており、中心部に内側導体６１が形成され、内側導体６１を中心とする円上に複数（図では８個）の外側導体６２が設けられている。内側導体６１は、図３Ａ、図３Ｂに示したビア３３の位置に対応して設けられている。外側導体６２は、図３Ａ、図３Ｂに示したビア３４の位置よりも外側または内側となる位置に設けられている。このような構成により、測定対象物Ｍに接する測定面の開口径を、開口部Ｈ１の直径とは異なるＬ５（＜Ｈ１）に設定することができる。

即ち、開口径調整部１３は、準同軸構造部１２に接続され、一方の端部（上端ｐ１）が所定の特性インピーダンスとされ、他方の端部（下端ｐ２）が開口部Ｈ１の開口径（第１の開口径）とは異なる開口径Ｌ１～Ｌ５（第２開口径）の第２開口部とされている。

図８は、基板厚２００μｍ、誘電率３．５程度の高周波基板を用い、準同軸構造部１２の開口径を２ｍｍとし、開口径調整部１３として図５Ａに示したストレート構造を用いた場合の、周波数変化に対するＳ21パラメータの変化を示すグラフである。「Ｓ21パラメータ」とは、任意に設定した一のポイントから他のポイントまでの通過特性を示すパラメータである。

曲線ｑ１２は準同軸構造の開口部が２ｍｍの場合、曲線ｑ１１は開口径調整部１３の開口径が準同軸構造の開口の１／２倍である１ｍｍとした場合、曲線ｑ１３は開口径調整部１３の開口径が準同軸構造の開口の２．５倍である５ｍｍとした場合のグラフである。

また、図１０は開口径調整部１３を使用せず、平面型同軸センサの開口部の開口径を２ｍｍ、及び５ｍｍとしたときの、周波数変化に対するＳ21パラメータの変化を示すグラフである。図１０において、開口径が２ｍｍの曲線ｑ３１では、周波数の変化に対してＳ12パラメータは大きく変化していない。しかし、開口径が５ｍｍの曲線ｑ３２では、周波数が高くなるにつれてＳ21パラメータが大きく低下している。

これに対して、図８に示すグラフでは、曲線ｑ１１、ｑ１３の双方において、同軸プローブ構造のプローブ端面まで電磁波が効率よく伝送されていることが判る。プローブ端面まで効率よく電磁波が伝送されることで、反射点によるロスの影響が低減され、反射特性の測定感度を高めることができる。

図９は、図８と同様の設計において開口径調整部１３の端面からの電界強度分布を示すグラフである。図９に示す曲線ｑ２１は開口径が１ｍｍ、曲線ｑ２２は開口径が２ｍｍ、曲線ｑ２３は開口径が５ｍｍの場合を示している。各曲線ｑ２１、ｑ２２、ｑ２３から、開口径の大きさが大きいほど、より深い侵入深さが得られていることが判る。

本実施形態に係る誘電分光センサ１００では、測定対象物Ｍに対する電界の侵入深さを所望の侵入深さとし、且つ広い周波数帯域にて精度よく測定対象物の反射特性を測定することができる。測定した反射特性に基づいて、以下に示す演算により測定対象物Ｍの誘電率を求める。

同軸プローブ構造を有する開口径調整部１３の端面に校正標準、及び測定対象物Ｍを設置し、それぞれについて電磁波を出力したときの反射波を測定し、下記の（３)式、(４)式を用いることで測定対象物Ｍの誘電率を算出する。

（３）式、（４）式において、「ρ」は補正された反射係数Ｓ11、「ｙ」はアドミタンスの線形写像、「ε」は測定対象物Ｍの誘電率、「Ｇ0」は真空中の同軸プローブのコンダクタンス、「Ｃ0」は真空中の同軸プローブのキャパシタンスである。添え字の「１」～「４」は校正標準を示し、「ｍ」は測定対象物を示す。

測定された誘電率は、材料評価や測定対象物Ｍの時系列の特性変化、生体成分濃度の定量などに活用することができる。なお、回路基板１０とは異なる誘電率の材料を用いて「Ｄ／ｄ」の比率を変化させてもよい。

上述した特許文献２に記載に示された従来方法では、誘電分光センサは、本実施形態の特徴的な構成である開口径調整部１３を備えておらず、接続用伝送線路と準同軸構造部のみで構成されている。このため、電界の侵入深さを変化させるためには準同軸構造部の開口径を大きくする必要がある。

このとき、マイクロストリップ配線、或いはコプレーナ配線にて伝送するＴＥＭモードの電磁波は、１００μｍオーダーのギャップを通過しているため、準同軸構造部の開口径が極めて大きい場合には準同軸構造部が開放端に近い特性を示し、伝送線路－準同軸構造の界面で電磁波が反射してしまう。

例えば、伝送線路に線幅４００μｍのマイクロストリップ配線を用い、マイクロストリップ配線側を第１ポート、準同軸構造部の端面を第２ポートとしたときの通過特性は、図１０に示したように、開口径が大きい場合において電磁波の伝送特性が著しく劣化する。

これに対して、本実施形態では、伝送線路１１及び準同軸構造部１２に加えて、開口径調整部１３を設け、開口径調整部１３における同軸プローブ構造端面の特性インピーダンスが、伝送線路１１の特性インピーダンスと一致するように設計することで各界面における反射を低減することができる。

このように、本実施形態に係る誘電分光センサ１００は、誘電分光システム２０に接続する誘電分光センサ１００であって、誘電分光システム２０と一致する所定の特性インピーダンスを有する伝送線路１１と、伝送線路１１に接続され、第１の開口径の第１開口部を有する準同軸構造部１２と、準同軸構造部１２に接続され、一方の端部が所定の特性インピーダンスとされ、他方の端部が第１の開口径とは異なる第２開口径の第２開口部とされている開口径調整部１３とを備える。

本実施形態に係る誘電分光センサ１００では、開口径調整部１３を設けることにより、測定対象物Ｍに接する開口部の開口径を任意に設定できる。その結果、電界の侵入深さを大きくすることができ、より深い部位で測定対象物Ｍの誘電率が変化した場合でも、誘電率の変化を高精度に検出することができる。

また、伝送線路１１及び準同軸構造部１２を、誘電体基板である第１基板２１、第２基板３１上に形成した金属パターンで構成するので、誘電分光センサ１００の小型化、薄型化を図ることができる。

準同軸構造部１２は、第１基板２１及び第２基板３１（誘電体基板）に形成した円形状の開口部の中心に形成された第１のビア（ビア２４、３３）と、開口部Ｈ１の円周に沿って形成された複数の第２のビア（ビア２５、３４）を備えるので、準同軸構造部１２を簡易に構成でき、且つ、誘電体基板の小型化を図ることができる。

本実施形態では、図５Ａに示したように、開口径調整部１３は、一方の端部の開口部の開口径と、前記他方の端部の開口径が同一とされている。従って、図５Ａに示した開口径Ｌ１は、図３Ａ、図３Ｂに示した開口部Ｈ１の開口径とは異なっている。このため、開口径調整部１３の開口径を任意の開口径に設定することができ、電界の侵入深さを大きくすることができる。その結果、誘電分光センサ１００の測定精度を向上させることができる。

本実施形態では、図５Ｂ、図５Ｃに示したように、開口径調整部１３は、一方の端部から他方の端部に向けて開口径が段階的に変化する。このため、開口径調整部１３の開口径を任意の開口径に設定することができ、電界の侵入深さを大きくすることができる。その結果、誘電分光センサ１００の測定精度を向上させることができる。

本実施形態では、図５Ｄに示したように、開口径調整部１３は、一方の端部から他方の端部に向けて開口径が徐々に変化する。このため、開口径調整部１３の開口径を任意の開口径に設定することができ、電界の侵入深さを大きくすることができる。その結果、誘電分光センサ１００の測定精度を向上させることができる。

本実施形態では、図６に示したように、準同軸ケーブル形状を有する開口径調整部１３を用いる。このため、開口径調整部１３の開口径を任意の開口径に設定することができ、電界の侵入深さを大きくすることができる。その結果、誘電分光センサ１００の測定精度を向上させることができる。

本実施形態では、基板厚及び誘電率が規定されている誘電体基板上に、薄層基板や細胞、生体試料などの測定に適した広帯域かつ任意の侵入深さを有する同軸プローブ構造の開口径調整部１３を搭載することにより、測定対象物Ｍの誘電率を高精度に測定することが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１０ 回路基板
１１ 伝送線路
１１ａ、１１ｂ 金属パターン
１２ 準同軸構造部
１３、１３ａ～１３ｅ 開口径調整部
２０ 誘電分光システム
２１ 第１基板
２４、３３ ビア（第１のビア）
２５、３４ ビア（第２のビア）
３１ 第２基板
３２、３５ 金属パターン
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ 内部導体
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ 誘電体
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ 外部導体
６１ 内側導体
６２ 外側導体
１００ 誘電分光センサ
Ｍ 測定対象物

Claims (7)

1. 誘電分光システムに接続する誘電分光センサであって、
   前記誘電分光システムと一致する所定の特性インピーダンスを有する伝送線路と、
   前記伝送線路に接続され、第１の開口径の第１開口部を有する準同軸構造部と、
   前記準同軸構造部に接続され、一方の端部が前記所定の特性インピーダンスとされ、他方の端部が前記第１の開口径とは異なる第２開口径の第２開口部とされている開口径調整部と、を備え、
   前記第２開口部にて発生する電界が、測定対象物の端面から、誘電率測定のための所望の侵入深さまで到達するように、前記第２開口径が設定されている
   誘電分光センサ。
2. 前記伝送線路、及び前記準同軸構造部は、誘電体基板に形成した金属パターンを含む
   請求項１に記載の誘電分光センサ。
3. 前記準同軸構造部は、前記誘電体基板に形成された円形状の開口部の中心に形成された第１のビアと、
   前記開口部の円周に沿って形成された複数の第２のビアと、を含む
   請求項２に記載の誘電分光センサ。
4. 前記開口径調整部は、前記一方の端部の開口部の開口径と、前記他方の端部の開口径が同一である
   請求項１～３のいずれか１項に記載の誘電分光センサ。
5. 前記開口径調整部は、前記一方の端部の開口部の開口径と、前記他方の端部の開口径が異なっており、前記一方の端部から前記他方の端部に向けて徐々に開口径が変化する
   請求項１～３のいずれか１項に記載の誘電分光センサ。
6. 前記開口径調整部は、前記一方の端部の開口部の開口径と、前記他方の端部の開口径が異なっており、前記一方の端部から前記他方の端部に向けて段階的に開口径が変化する
   請求項１～３のいずれか１項に記載の誘電分光センサ。
7. 前記開口径調整部は、前記第１のビアに対応する位置に配置された内側導体と、前記第２のビアの外側、または内側に対応する位置に配置された外側導体と、を備えた
   請求項３に記載の誘電分光センサ。

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