JP2004235589A

JP2004235589A - 可変コンデンサ及びこれを用いた圧電体の特性測定装置

Info

Publication number: JP2004235589A
Application number: JP2003025362A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kamiezu; 由晃上江洲; Mamoru Fukunaga; 守福永
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】装置の小型化に寄与し且つ圧電特性を簡単に求めることに寄与する。
【解決手段】特性測定装置１０は、可変コンデンサ１８と電気回路部１９とを含んで圧電体Ｐに押圧力を付与する押圧プローブ１２と、データ処理手段５１とを備えている。可変コンデンサ１８は、相対移動可能な第１及び第２の電極２６，２７を備え、当該各電極２６，２７の相対移動時に付与される力の大きさに応じた相対領域の面積の変化により、静電容量を変化させる。また、押圧プローブ１２の押圧部２１は、各電極２６，２７の相対移動時に付与される力を押圧力として圧電体Ｐに伝達する。電気回路部１９は、可変コンデンサ１８の静電容量に対応した変換信号を生成する力測定用回路３０と、電荷量に対応した変換信号を生成する電荷測定用回路３１とからなる。データ処理手段５１は、各変換信号から前記押圧力の大きさ及び電荷量を求めてそれらを対応させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変コンデンサ及びこれを用いた圧電体の特性測定装置に係り、更に詳しくは、圧電定数等の圧電特性を簡単に求めることに寄与する可変コンデンサ及びこれを用いた圧電体の特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体の特性測定装置としては、後記特許文献１の圧電定数測定装置が知られている。この測定装置は、測定対象の圧電薄膜を片持状に保持するホルダーと、モータの駆動によって前記圧電薄膜の自由端側を押圧する荷重針と、圧電薄膜及びホルダーが乗る電子はかりと、荷重針の押圧によって圧電薄膜に生じた電荷量を測定するチャージアンプとを備えて構成されている。この測定装置では、荷重針によって圧電薄膜が押圧されると、その押圧力を電子はかりで読み取れるようになっており、この読み取り値と圧電薄膜に生じた電荷量との関係から圧電薄膜の圧電定数がパソコンで求められる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２６４３７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記測定装置にあっては、測定対象となる圧電体を電子はかりにセットしなければならず、測定対象となる圧電体が数多くある場合には、測定対象の圧電体をその都度セットし直さなければならず、測定作業が面倒になるという不都合がある。また、前記測定装置は、荷重針を上下動させるモータ及び荷重を計測する電子はかりが必要となるため、装置全体の大型化を招来することにもなる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、装置の小型化に寄与でき、且つ、圧電特性を簡単に求めることに寄与できる可変コンデンサ及びこれを用いた圧電体の特性測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、相互に非接触となる状態で相対移動可能な第１及び第２の電極を備え、これら電極の相対移動により各電極が相対する領域の面積が変化することで、静電容量を可変にする可変コンデンサにおいて、
前記第１及び第２の電極は、所定の付勢部材を介して相対移動可能に設けられ、この付勢部材は、前記各電極の相対移動時に付与される力の大きさに応じて、前記面積を変化させる、という構成を採っている。
【０００７】
また、本発明は、前記可変コンデンサを用い、所定の圧電体への押圧力と、当該押圧力によって前記圧電体に生じた電荷量との関係を検出する圧電体の特性測定装置であって、
前記第１及び第２の電極の相対移動時に付与される力を前記押圧力として前記圧電体に伝達する押圧部と、前記可変コンデンサの静電容量に対応した変換信号を生成する力測定用回路と、前記電荷量に対応した変換信号を生成する電荷測定用回路と、これら各変換信号から、前記押圧力の大きさ及び電荷量を求めてそれらを対応させるデータ処理手段とを備える、という構成を採っている。
【０００８】
以上のような構成によれば、各電極の相対移動時に付与される力が圧電体の押圧力となり、当該押圧力の大きさに応じて前記可変コンデンサの静電容量が変わることになるため、この静電容量を検出することで、前記押圧力を簡単に求めることができる。従って、当該押圧力の測定を行う際に、電子はかりのような大掛かりな計測装置が必要なく、コンパクトな装置構成で押圧力の測定が可能となる。また、各電極の相対移動を手で行うようにすることもでき、この場合には、圧電体に押圧力を付与するモータ等を不要にすることができる。以上により、装置全体の小型化に寄与できることになる。また、圧電体が乗る電子はかり等が不要になることから、圧電体の設置場所や設置姿勢を問わず圧電性能の検出が可能となり、圧電特性を簡単に求めることに寄与できる。例えば、測定対象の圧電体が多数ある場合、当該圧電体を任意の設置台に並べ、各圧電体を順番に押圧することで、各圧電体の圧電特性を簡単且つ迅速に求めることができる他、各圧電体の圧電定数等の比較も非常に簡単に行うことができる。
【０００９】
なお、本明細書において「圧電体」とは、圧電性を有する部材、材料、素子、結晶等の各種物質を包括した概念として用いる。
【００１０】
なお、本明細書において、「上」、「下」、「左」、「右」等の位置若しくは方向を示す用語は、特に明示しない限り、図１を正面側から見た場合における位置若しくは方向を意味する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１には、本実施形態に係る圧電体の特性測定装置の概略構成図が示されている。この図において、特性測定装置１０は、測定対象となる試料状の圧電体Ｐに押圧力を付与するための押圧プローブ１２と、この押圧プローブ１２に電気的に接続された信号処理表示装置１４と、この信号処理表示装置１４に接続されたパーソナルコンピュータ１５とにより構成されている。
【００１３】
前記押圧プローブ１２は、略スティック状の外観形状をなし、筆記具のように手で把持可能となっている。この押圧プローブ１２は、上下方向に延びる略中実円柱状の軸状部材１７と、当該軸状部材１７の上部寄りに設けられた可変コンデンサ１８と、軸状部材１７の下端側となる先端側に設けられた電気回路部１９とを備えて構成されている。
【００１４】
前記軸状部材１７の先端側には、前記圧電体Ｐに接触して当該圧電体Ｐを押圧する押圧部２１が設けられ、この押圧部２１は、導電性材料によって形成されている。
【００１５】
前記可変コンデンサ１８は、図１及び図２に示されるように、所定の絶縁材料によって形成された筒状の操作部２３と、この操作部２３を軸状部材１７に連結する付勢部材としてのコイルばね２５と、操作部２３の外周面に沿って配置された第１の電極２６と、この第１の電極２６の下方に位置する第２の電極２７とを備えている。
【００１６】
前記操作部２３は、軸状部材１７が隙間Ｓ１（図２参照）を介して挿通されており、当該軸状部材１７の延出方向（上下方向）に沿って相対移動可能となっている。
【００１７】
前記コイルばね２５は、軸状部材１７の外周側に巻回されており、一端側が操作部２３の下端側に固定される一方、その下方に位置する他端側が軸状部材１７の外周面に固定されている。これにより、押圧部２１を圧電体Ｐに接触させた図１の状態で、コイルばね２５が縮む方向（下方）に操作部２３を移動すると、コイルばね２５の付勢に抗して操作部２３に付与された力が、押圧部２１から圧電体Ｐに伝達され、その力が当該圧電体Ｐへの押圧力となる。このため、当該押圧力の大きさは、操作部２３の下方への移動量に略比例することになる。なお、本実施形態では、コイルばね２５を用いたが、前述と同様の作用を奏する限りにおいて、他のばね、ゴム等の他の付勢部材を代替適用することも可能である。
【００１８】
前記第１の電極２６は、両端が開放する薄肉の円筒状に設けられ、操作部２３の下部外周面に固定されることで、当該操作部２３と一体的に上下移動可能となっている。
【００１９】
前記第２の電極２７は、両端が開放する薄肉の円筒状に設けられ、軸状部材１７が挿通された状態で、図示しない支持手段により、当該軸状部材１７に固定的に支持されている。第２の電極２７の内径は、図１の状態から下方に移動した操作部２３及び第１の電極２６を受容可能な寸法に設定されている。また、第２の電極２７の内周面には、第１の電極２６との電気的な接触を阻止する絶縁体２９（図２参照）が被覆されている。この絶縁体２９は、その内側に第１の電極２６が受容された状態で、当該第１の電極２６との間に僅かな隙間Ｓ２（図２参照）を形成可能に配置されている。これによって、第１の電極２６は、第２の電極２７に対し、相互に非接触となる状態で挿抜方向に移動可能となる。ここで、操作部２３が操作されていない図１の初期状態では、第２の電極２７の内部に第１の電極２６の下端側が僅かに受容された状態となっており、コイルばね２５を縮める方向すなわち圧電体Ｐを押圧する方向に操作部２３を移動操作すると、第１の電極２６の外周面と第２の電極２７の内周面との相対領域の面積が増大し、各電極２６，２７における静電容量が増大することになる。つまり、第１及び第２の電極２６，２７は、コイルばね２５を介して相対移動可能となっており、このコイルばね２５は、操作部２３の移動操作時の力すなわち圧電体Ｐへの押圧力の大きさに応じて、各電極２６，２７の相対領域の面積を変化させるように作用する。これら相対領域の面積が変化すると、可変コンデンサ１８の静電容量が略比例的に変化することになる。
【００２０】
前記電気回路部１９は、可変コンデンサ１９の静電容量に対応した変換信号を生成する力測定用回路３０と、押圧部２１による圧電体Ｐの押圧により発生した電荷量に対応した変換信号を生成する電荷測定用回路３１とを備えている。
【００２１】
前記力測定用回路３０は、図３に示されるように、その一部に前記可変コンデンサ１８が電気的に接続されるようになっており、その他、パルス発振器３３、ショットキバリアダイオード３４、抵抗３５及びコンデンサ３６が接続されている。前記パルス発振器３３は、前記信号処理表示装置１４に設けられたバッテリ３８を電源として、所定のパルス信号（本実施形態では１ＭＨｚの信号）を回路に供給できるようになっている。この力測定用回路３０は、パルス発振器３３からのパルス信号を可変コンデンサ１８に与えることで、回路の出力端子３９，３９で、可変コンデンサ１８の静電容量の大きさに応じて変換された電圧信号（直流電圧）が得られるようになっている。ここで、可変コンデンサ１７の静電容量は、前述したように、圧電体Ｐへの押圧力の変化に伴って変化するため、出力端子３９では、圧電体Ｐへの押圧力に対応する電圧信号が得られることになる。
【００２２】
前記電荷測定用回路３１は、図４に示されるように、強誘電体Ｄ−Ｅヒステリシスの測定に用いられるソーヤ・タワー回路と実質的同一な回路構成となっている。すなわち、電荷測定用回路３１は、圧電体Ｐの上下両面に配置された電極面４２，４３に対して電気的に接続される基準コンデンサ４５と、この基準コンデンサ４５の両端間の電圧を増幅する増幅部４８と、増幅部４８で増幅された電圧信号（直流電圧）を出力する出力端子４９とを備えている。
【００２３】
前記基準コンデンサ４５は、前記押圧部２１（図１参照）及び下側の電極面４３が接触する０Ｖレベルの圧電体Ｐの設置台Ｔ（図１参照）に接続され、押圧部２１が上側の電極面４２に接触したときに、圧電体Ｐと電気的に並列接続されるようになっている。ここで、基準コンデンサ４５の静電容量は、圧電体Ｐ側の静電容量よりも遥かに大きく設定されており（本実施形態では１００倍以上）、押圧部２１が圧電体Ｐに接触して押圧することで当該圧電体Ｐに生じた電荷は、殆ど基準コンデンサ４５に蓄積されることになる。また、圧電体Ｐよりも静電容量が遥かに大きい基準コンデンサ４５と圧電体Ｐとが並列接続されることで、圧電体Ｐの静電容量の変化を無視でき、圧電体Ｐの両端の電圧を低く抑えることが可能となる。これによって、圧電体Ｐに電場が生じることを抑制したり、圧電体Ｐのコンダクタンスにより電荷が減少するのを防止可能となる。
【００２４】
前記増幅部４８は、前記バッテリ３８を電源として作動するようになっている。なお、増幅部４８の入力部分の絶縁性を考慮して、余分なものが付かないように、押圧部２１及び基準コンデンサ４５は、押圧プローブ１２の先端側に取り付けられている。
【００２５】
前記信号処理表示装置１４は、図１に示されるように、前記バッテリ３８と、前記力測定用回路３０及び電荷測定用回路３１で得られた電圧信号から、圧電体Ｐへの押圧力の大きさ及びその際に発生した圧電体Ｐの電荷量を求め、それらを対応させる処理を行うデータ処理手段５１と、このデータ処理手段５１で求められた押圧力の大きさ及び圧電体Ｐの電荷量を表示する表示部５２とを備えている。
【００２６】
前記データ処理手段５１は、力測定用回路３０及び電荷測定用回路３１の各出力端子３９，４９（図３，図４参照）間の電圧信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ等からなる変換部５４と、変換部５４からのデジタル信号から、予め記憶された変換データを用いて押圧力の大きさ及び圧電体Ｐの電荷量を求めるワンチップマイコン（ＣＰＵ）等からなる処理部５５とを備えて構成されている。
【００２７】
前記パーソナルコンピュータ１５は、データ処理手段５１によって求められた押圧力の大きさ及び圧電体Ｐの電荷量の関係をグラフ化し、それらデータを保存できるようになっている。また、前記グラフを用いて、圧電定数ｄ＝ΔＱ／ΔＦが演算されるようになっている。
【００２８】
次に、前記特性測定装置１０による圧電体Ｐの特性の測定手順につき説明する。
【００２９】
先ず、試料とする圧電体Ｐを電極面４２，４３の間に挟んだ状態で設置台Ｔに載せる。そして、前記信号処理表示装置１４に接続された押圧プローブ１２の操作部２３を手で持って、その押圧部２１を圧電体Ｐの上側の電極面４２に接触させる。このとき、圧電体Ｐに対して押圧プローブ１２が略直立姿勢となるように、当該押圧プローブ１２を保持する。そして、操作部２３を図１の初期状態から指で下方に押し下げる。このとき、操作部２３がコイルばね２５の付勢力に抗した操作力で移動操作されることになり、当該操作力が圧電体Ｐの押圧力となる。このとき、力測定用回路３０により、可変コンデンサ１８にパルス信号が与えられ、圧電体Ｐの押圧力に応じて変化した静電容量の大きさに対応する電圧信号が出力端子３９から取り出され、前記データ処理手段５１により、圧電体Ｐに対する押圧力の大きさが求められる。
【００３０】
一方、押圧部２１が圧電体Ｐの上側の電極面４２に接触していると、圧電体Ｐと電荷測定用回路３１とが電気的に接続され、当該電荷測定用回路３１で、圧電体Ｐの押圧により発生した電荷量に対応する電圧信号が生成される。そして、前記データ処理手段５１では、電荷測定用回路３１で生成された電圧信号から圧電体Ｐに発生した電荷量が求められる。この電荷量は、力測定用回路３０からの電圧信号に基づいて求められた押圧力に対応付けられる。そして、これら押圧力や電荷量が表示部５５で表示され、パーソナルコンピュータ１５では、押圧力と電荷量との関係がグラフ化されて表示される他、圧電定数が求められ表示される。なお、この圧電定数は信号処理表示装置１４側で求めてもよい。
【００３１】
なお、前記図示例では、圧電体Ｐを上方から押圧したときの押圧力と電荷量との関係を求めたが、前記特性測定装置１０では、図５に示されるように、圧電体Ｐを同図中側方から押圧したときの押圧力と電荷量との関係を求めることもできる。この場合は、押圧部２１に、所定の絶縁材料からなる押し棒５７を連結し、当該押し棒５７の先端側（図５中左端側）を圧電体Ｐの側方に接触させる。そして、圧電体Ｐの上面の電極面４２に、導電性を有する電極棒５９を接触させ、当該電極棒５９と押圧部２１とを電気的に接続すれば、前述した場合と同様にして横からの押圧力と電荷量との関係を求めることができる。
【００３２】
従って、このような実施形態によれば、押圧プローブ１２を手で持ちながら圧電体Ｐの特性を簡単に測定することができ、押圧プローブ１２が筆記具程度の大きさであることから、装置構成を大幅に小型化できるという効果を得る。また、圧電体Ｐの設置場所や設置姿勢が拘束されず、自由な場所及び姿勢で圧電体Ｐの特性を測定することができる他、圧電体Ｐに対し側方（横方向）から押圧したときの特性も簡単に測定することができる。
【００３３】
なお、前記実施形態では、第１の電極２６が第２の電極２７に対して上下方向に移動可能としたが、本発明はこれに限らず、第２の電極２７を第１の電極２６に対して移動させてもよいし、また、各電極２６，２７がそれぞれ移動するようにしてもよい。
【００３４】
また、各電極２６，２７は、前記実施形態の形状に限定されず、これら電極２６，２７の相対移動によるそれら相対領域の面積の変化に応じて、可変コンデンサ１８の静電容量を可変とする限りにおいて、平板状等の他の形状を採用することも可能である。
【００３５】
更に、押圧プローブ１２による圧電体Ｐの押圧は、モータやシリンダ等のアクチュエータの動力を用いて行うこともできる。但し、前記実施形態のように、人間の手を用いて行う方が、特性測定装置１０の小型化、簡素化を促進できる他、圧電体Ｐに付与される押圧力を変更する際に迅速な対応が可能になる。
【００３６】
また、前記実施形態では、信号処理表示装置１４を押圧プローブ１２やパーソナルコンピュータ１５と別途独立して設けたが、信号処理表示装置１４の一部機能若しくは全機能を押圧プローブ１２やパーソナルコンピュータ１５に設けることも可能である。
【００３７】
更に、前記実施形態では、可変コンデンサ１８を圧電体Ｐの特性測定装置１０に適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、所定部材の荷重を自動計測する計測装置等の他の装置、機器に対し、前記可変コンデンサ１８を適用することもできる。
【００３８】
その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可変コンデンサの静電容量を、各電極の相対移動時に付与される力の大きさに応じて可変にし、また、当該力を押圧力として圧電体に伝達するようにしたから、特性測定装置の小型化に寄与でき、且つ、圧電特性を簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る圧電体の特性測定装置の概略構成図。
【図２】図１のＡ―Ａ線に沿う押圧プローブの拡大断面図。
【図３】力測定用回路の回路図。
【図４】電荷測定用回路の回路図。
【図５】前記特性測定装置を用いて、圧電体を側方から押圧したときの当該圧電体の特性を測定する方法の説明図。
【符号の説明】
１０特性測定装置
１８可変コンデンサ
２１押圧部
２５コイルばね（付勢部材）
２６第１の電極
２７第２の電極
３０力測定用回路
３１電荷測定用回路
５１データ処理手段
Ｐ圧電体

Claims

相互に非接触となる状態で相対移動可能な第１及び第２の電極を備え、これら電極の相対移動により各電極が相対する領域の面積が変化することで、静電容量を可変にする可変コンデンサにおいて、
前記第１及び第２の電極は、所定の付勢部材を介して相対移動可能に設けられ、この付勢部材は、前記各電極の相対移動時に付与される力の大きさに応じて、前記面積を変化させることを特徴とする可変コンデンサ。
請求項１記載の可変コンデンサを用い、所定の圧電体への押圧力と、当該押圧力によって前記圧電体に生じた電荷量との関係を検出する圧電体の特性測定装置であって、
前記第１及び第２の電極の相対移動時に付与される力を前記押圧力として前記圧電体に伝達する押圧部と、前記可変コンデンサの静電容量に対応した変換信号を生成する力測定用回路と、前記電荷量に対応した変換信号を生成する電荷測定用回路と、これら各変換信号から、前記押圧力の大きさ及び電荷量を求めてそれらを対応させるデータ処理手段とを備えたことを特徴とする圧電体の特性測定装置。