JP2011237281A - Method and system for measuring piezoelectric characteristic - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for measuring a piezoelectric characteristic (d31 constant) with high accuracy.SOLUTION: The method related to the present invention is a method for measuring a piezoelectric characteristic of a measuring object having a substrate and a piezoelectric element formed thereon and comprises: holding the measuring object by fixing one end thereof; putting the measuring object into vibration state by applying a voltage signal to a piezoelectric layer of the piezoelectric element; receiving reflected light from the measuring object by illuminating the measuring object in the vibration state with laser light from a light source; obtaining secular change in displacement of the measuring object from the reflected light and reference light from the light source using a laser Doppler vibrometer; and calculating the piezoelectric characteristic of the piezoelectric layer of the measuring object from the displacement. In addition, in the process of obtaining the reflected light, the laser light is oriented so as to hit a node the secondary vibration of the measuring object.

Description

本発明は、圧電特性測定方法および圧電特性測定システムに関する。   The present invention relates to a piezoelectric characteristic measuring method and a piezoelectric characteristic measuring system.

圧電体層の厚みを、バルク型の圧電体層よりも薄く形成することができる薄膜技術を用いて製造された薄膜型の圧電素子を有する圧電アクチュエータやインクジェット式記録ヘッドなどが知られている。このような薄膜型の圧電素子において、d定数などの圧電特性の測定を行う場合、バルク型の圧電素子よりも、その変位量が微小であることや、基板と接触していること等の理由から、圧電特性の測定が非常に困難であることが知られている(特許文献1)。   2. Description of the Related Art There are known piezoelectric actuators and ink jet recording heads having a thin film type piezoelectric element manufactured by using a thin film technology capable of forming a piezoelectric layer thinner than a bulk type piezoelectric layer. In such a thin film type piezoelectric element, when measuring piezoelectric characteristics such as d constant, the displacement amount is smaller than that of the bulk type piezoelectric element, and the reason is that it is in contact with the substrate. Therefore, it is known that measurement of piezoelectric characteristics is very difficult (Patent Document 1).

例えば、特許文献1には、被測定体に対し、レーザー光を照射し、その被測定体の反りの状態の変化に伴った反射位置の変化により圧電特性を測定する技術が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a technique for irradiating a measurement object with laser light and measuring a piezoelectric characteristic by a change in a reflection position accompanying a change in the state of warping of the measurement object.

しかしながら、薄膜型の圧電素子を用いた圧電アクチュエータやインクジェット式記録ヘッドを設計する場合は、圧電素子のd33定数だけではなく、基板上に設けられた状態における圧電素子のd31定数が有用となる。したがって、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる、圧電特性の測定方法およびシステムが望まれている。   However, when designing a piezoelectric actuator or an ink jet recording head using a thin film type piezoelectric element, not only the d33 constant of the piezoelectric element but also the d31 constant of the piezoelectric element provided on the substrate is useful. Therefore, there is a demand for a method and system for measuring piezoelectric characteristics that can determine the d31 constant of a piezoelectric element with high accuracy.

特開平9−325165号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-325165

本発明のいくつかの態様によれば、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる圧電特性測定方法および圧電特性測定システムを提供することができる。   According to some aspects of the present invention, it is possible to provide a piezoelectric characteristic measuring method and a piezoelectric characteristic measuring system capable of obtaining the d31 constant of a piezoelectric element with high accuracy.

(1)本発明の態様の1つである圧電特性測定方法は、
基板と、前記基板上に設けられた圧電素子と、を有する被測定体の圧電特性測定方法であって、
前記被測定体の一端を固定することで、前記被測定体を保持する工程と、
前記圧電素子の圧電体層に電圧信号を印加して、前記被測定体を振動状態とする工程と、
振動状態の前記被測定体に光源からレーザー光を照射し、前記被測定体から反射した反射光を得る工程と、
レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、前記被測定体の変位量の経時的変化を得る工程と、
前記変位量から前記被測定体の前記圧電体層の圧電特性を算出する工程と、
を含み、
前記反射光を得る工程において、前記レーザー光は、前記被測定体の2次振動の節に対して照射される。
(1) A piezoelectric property measuring method which is one aspect of the present invention is:
A method for measuring piezoelectric characteristics of an object to be measured, comprising: a substrate; and a piezoelectric element provided on the substrate,
Fixing the one end of the measured object to hold the measured object;
Applying a voltage signal to the piezoelectric layer of the piezoelectric element to bring the object to be measured into a vibrating state;
Irradiating a laser beam from a light source to the object to be measured in a vibrating state to obtain reflected light reflected from the object to be measured;
Using a laser Doppler vibrometer to obtain a change over time in the amount of displacement of the measured object from the reflected light and the reference light from the light source;
Calculating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer of the measured object from the displacement amount;
Including
In the step of obtaining the reflected light, the laser light is applied to a secondary vibration node of the measured object.

本発明によれば、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる圧電特性測定方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric characteristic measuring method which can obtain | require the d31 constant of a piezoelectric element with high precision can be provided.

(2)本発明の態様の1つである圧電特性測定方法において、
前記圧電体層に印加される前記電圧信号は、単一の鋸波であって、
前記電圧信号の周波数は、被測定体の共振周波数の1/10以下であってもよい。
(2) In the piezoelectric characteristic measuring method which is one aspect of the present invention,
The voltage signal applied to the piezoelectric layer is a single sawtooth wave,
The frequency of the voltage signal may be 1/10 or less of the resonance frequency of the measured object.

これによれば、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル/ノイズ比(SN比)を高くすることができるため、圧電素子のd31定数をより高精度で求めることができる。   According to this, since the measured object can be easily brought into a stable resonance state and the signal / noise ratio (SN ratio) of the speed signal obtained by measurement can be increased, the d31 constant of the piezoelectric element can be further increased. It can be obtained with high accuracy.

(3)本発明の態様の1つである圧電特性測定方法において、
前記電圧信号の印加電圧値をX[V]とし、前記被測定体の共振周波数をY[Hz]とした場合、前記電圧信号を前記圧電素子に印加する際の電圧上昇率(dV/dt)は、X/5Y[V/sec]であってもよい。
(3) In the piezoelectric characteristic measuring method which is one aspect of the present invention,
When the applied voltage value of the voltage signal is X [V] and the resonance frequency of the object to be measured is Y [Hz], the voltage increase rate (dV / dt) when the voltage signal is applied to the piezoelectric element May be X / 5Y [V / sec].

これによれば、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル/ノイズ比(SN比)を高くすることができるため、圧電素子のd31定数をより高精度で求めることができる。   According to this, since the measured object can be easily brought into a stable resonance state and the signal / noise ratio (SN ratio) of the speed signal obtained by measurement can be increased, the d31 constant of the piezoelectric element can be further increased. It can be obtained with high accuracy.

(4)本発明の態様の1つである圧電特性測定方法において、
前記振動状態は、共振状態であってもよい。
(4) In the piezoelectric characteristic measuring method which is one aspect of the present invention,
The vibration state may be a resonance state.

(5)本発明の態様の1つである圧電特性測定方法において、
前記圧電特性を算出する工程は、有限要素シミュレーションを用いてもよい。
(5) In the piezoelectric characteristic measuring method which is one aspect of the present invention,
The step of calculating the piezoelectric characteristics may use finite element simulation.

(6)本発明の態様の1つである圧電特性測定システムは、
圧電素子を含む被測定体の一端を保持する保持部と、
前記被測定体に印加される電圧信号を発生させる信号発生部と、
前記被測定体に照射するレーザー光の光源を含む光学系、前記被測定体に前記レーザー光を照射して得られる反射光と前記光源から得られる参照光とを検出する検出部、および前記検出部における検出結果から前記被測定体の変位量の経時的変化を得ることができる信号処理部、を含むレーザードップラー振動計と、
を有し、
前記レーザードップラー振動計の前記光源からの前記レーザー光は、前記被測定体の2次振動の節に対して照射される。
(6) A piezoelectric property measuring system which is one of the aspects of the present invention is:
A holding unit for holding one end of a measurement object including a piezoelectric element;
A signal generator for generating a voltage signal applied to the object to be measured;
An optical system including a light source of laser light that irradiates the measurement object, a detection unit that detects reflected light obtained by irradiating the measurement object with the laser light and reference light obtained from the light source, and the detection A laser Doppler vibrometer including a signal processing unit capable of obtaining a change over time in the amount of displacement of the measured object from a detection result in the unit;
Have
The laser light from the light source of the laser Doppler vibrometer is applied to a secondary vibration node of the measured object.

本発明によれば、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる圧電特性測定システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric characteristic measuring system which can obtain | require the d31 constant of a piezoelectric element with high precision can be provided.

本実施形態の圧電特性測定システムを模式的に示す図。The figure which shows typically the piezoelectric characteristic measuring system of this embodiment. 被測定体の一例を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows an example of a to-be-measured object typically. 電圧信号の波形を模式的に説明する図。The figure which illustrates the waveform of a voltage signal typically. 本実施形態の圧電特性測定方法を説明するための図。The figure for demonstrating the piezoelectric characteristic measuring method of this embodiment. 本実施例に係る測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result which concerns on a present Example. 本実施例に係る測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result which concerns on a present Example. 本実施例に係る測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result which concerns on a present Example. 本比較例に係る測定結果を説明する図。The figure explaining the measurement result which concerns on this comparative example.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. Also, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1.圧電特性測定システム
図1は、本実施形態の圧電特性測定システムの一例を模式的に説明する図である。図2は、本実施形態の圧電特性測定システムでもって圧電特性測定に用いる被測定体の一例を模式的に説明する図である。図2は、被測定体10の斜視図である。図3は、信号発生部が発生する電圧信号の波形を模式的に示す図である。
1. Piezoelectric Characteristic Measurement System FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of a piezoelectric characteristic measurement system according to this embodiment. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an example of a measurement object used for piezoelectric characteristic measurement with the piezoelectric characteristic measurement system of the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the DUT 10. FIG. 3 is a diagram schematically showing the waveform of the voltage signal generated by the signal generator.

本実施形態に係る圧電特性の測定方法を実施するためのシステムである圧電特性測定システム100は、図1に示すように、被測定体10を保持する保持部20、被測定体10に印加する電圧信号を発生させる信号発生部30およびレーザードップラー振動計40(光学系(41、42、43)、検出部45、信号処理部46)を含む。   As shown in FIG. 1, a piezoelectric characteristic measuring system 100 that is a system for carrying out a piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment applies a holding unit 20 that holds a measured object 10 and a measured object 10. It includes a signal generator 30 for generating a voltage signal and a laser Doppler vibrometer 40 (optical systems (41, 42, 43), detector 45, signal processor 46).

本発明において「圧電特性」という文言を、例えば、圧電素子に用いられる圧電体のd定数を意味する文言として用いる。特に、本発明においては、「圧電特性」という文言で、圧電体層のd31の圧電定数を意味する。   In the present invention, the term “piezoelectric characteristics” is used as a term meaning, for example, the d constant of a piezoelectric body used in a piezoelectric element. In particular, in the present invention, the term “piezoelectric characteristics” means the piezoelectric constant of d31 of the piezoelectric layer.

図1に示すように、被測定体10は、基板5と、基板5の上に設けられた圧電素子4と、を有する。圧電素子4は、第1電極1と第2電極3とによって挟まれた圧電体層2を有する。図1に示すように、被測定体10は、保持部20によって被測定体10の少なくとも一端を固定される(片持ちされる)ことで保持される。被測定体10の外形および構成は、圧電素子4に電圧を印加することにより変形/振動することができる限り、特に限定されない。以下において、被測定体10の一例を、図2を用いて説明するが、被測定体10の構成は、以下の説明に限定されるものではない。   As shown in FIG. 1, the DUT 10 includes a substrate 5 and a piezoelectric element 4 provided on the substrate 5. The piezoelectric element 4 has a piezoelectric layer 2 sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 3. As shown in FIG. 1, the device under test 10 is held by fixing (cantilevered) at least one end of the device under test 10 by the holding unit 20. The external shape and configuration of the measurement object 10 are not particularly limited as long as they can be deformed / vibrated by applying a voltage to the piezoelectric element 4. Hereinafter, an example of the measurement target 10 will be described with reference to FIG. 2, but the configuration of the measurement target 10 is not limited to the following description.

例えば、図2に示すように、被測定体10は、一の方向に延びた直方体であってもよい。被測定体10の外形は、例えば長辺と短辺のアスペクト比が、5以上であってもよい。ここで、被測定体10が最も歪む方向であって、外形の長手方向をX軸方向とし、被測定体10の短手方向(被測定体の幅方向)をY軸方向とし、XY軸面に対しての法線方向(被測定体の厚み方向)をZ軸方向とする。   For example, as shown in FIG. 2, the DUT 10 may be a rectangular parallelepiped extending in one direction. The outer shape of the measurement object 10 may be, for example, an aspect ratio of the long side to the short side of 5 or more. Here, the measurement object 10 is the most distorted direction, the longitudinal direction of the outer shape is the X-axis direction, the short direction of the measurement object 10 (the width direction of the measurement object) is the Y-axis direction, and the XY-axis surface The normal direction with respect to (the thickness direction of the measured object) is taken as the Z-axis direction.

図2に示すように、被測定体10は、被測定部分11と、保持部分12とを有する。被測定部分11は、電圧が印加された場合に、圧電素子4として実質的に変位/振動することができる部分である。保持部分12は、後述される保持部20によって、保持することができる部分であって、実質的に変位/振動を無視できる部分である。したがって、X軸方向において、被測定部分11は、保持部分12よりも長い部分であってもよい。ここで、図2に示すように、被測定部分11の保持部分12とは反対側に位置する端部を、先端部分15とする。   As shown in FIG. 2, the measured object 10 includes a measured part 11 and a holding part 12. The part to be measured 11 is a part that can substantially be displaced / vibrated as the piezoelectric element 4 when a voltage is applied. The holding portion 12 is a portion that can be held by a holding portion 20 described later, and is a portion where displacement / vibration can be substantially ignored. Therefore, the measured part 11 may be a part longer than the holding part 12 in the X-axis direction. Here, as shown in FIG. 2, the end portion of the portion to be measured 11 located on the side opposite to the holding portion 12 is referred to as a tip portion 15.

基板5は、弾性を有する導電体、半導体、絶縁体で形成されたプレート状部材である。基板5は、後述される圧電素子4の変形/振動によって変形/振動できる部材である。基板5の材質としては、圧電素子4が密着よく形成できれば限定されるものではないが、変化量を大きくとるために弾性定数の低い素材を使用することが望ましい。基板5の材質としては、例えば、想定される圧電ディバイスの基板と同様の材質を用いることができる。基板5の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体、ステンレス鋼などの合金や、ポリプロピレン、ポリイミド、シリコン樹脂、フッ素樹脂などの有機高分子素材を用いることができる。基板5は、例示した物質の2種以上の積層構造であってもよい。基板5の厚みは、用いる材質の弾性率などにしたがって最適に選ばれる。基板5の厚みは、例えば、30μm以上1000mm以下とすることができる。これによれば、被測定体10をハンドリングすることができ、測定される変位を読み取ることができる。   The substrate 5 is a plate-like member made of an elastic conductor, semiconductor, or insulator. The substrate 5 is a member that can be deformed / vibrated by deformation / vibration of the piezoelectric element 4 described later. The material of the substrate 5 is not limited as long as the piezoelectric element 4 can be formed with good adhesion, but it is desirable to use a material having a low elastic constant in order to increase the amount of change. As the material of the substrate 5, for example, the same material as that of the assumed substrate of the piezoelectric device can be used. Examples of the material of the substrate 5 include inorganic oxides such as zirconium oxide, silicon nitride, and silicon oxide, semiconductors such as silicon and germanium, alloys such as stainless steel, and organic materials such as polypropylene, polyimide, silicon resin, and fluororesin. Molecular materials can be used. The substrate 5 may have a laminated structure of two or more kinds of the exemplified substances. The thickness of the substrate 5 is optimally selected according to the elastic modulus of the material used. The thickness of the board | substrate 5 can be 30 micrometers or more and 1000 mm or less, for example. According to this, the DUT 10 can be handled and the measured displacement can be read.

図2に示すように、圧電素子4は、基板5の上に形成された第1電極1と、第1電極1の上に形成された圧電体層2と、圧電体層2の上に形成された第2電極3と、を有する。したがって、第1電極1、圧電体層2および第2電極3は、Z軸方向において積層されている構造を有する。ここで、圧電体層2の第1電極1側の面を第1の面2aとし、第2電極側の面を第2の面2bとする。   As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 4 is formed on the first electrode 1 formed on the substrate 5, the piezoelectric layer 2 formed on the first electrode 1, and the piezoelectric layer 2. Second electrode 3. Therefore, the first electrode 1, the piezoelectric layer 2, and the second electrode 3 have a structure that is laminated in the Z-axis direction. Here, the surface on the first electrode 1 side of the piezoelectric layer 2 is defined as a first surface 2a, and the surface on the second electrode side is defined as a second surface 2b.

第1電極1は、図2に示すように、基板5の上に形成される。第1電極1は、第2電極3と対になり、圧電体層2を挟む一方の電極として機能する。図2に示すように、第1電極1は、被測定部分11の第1の面2aにおいて、圧電体層2を覆うように形成される。また、図2に示すように、第1電極1は、リード部1aと電気的に接続されている。リード部1aは、被測定部分11の第1電極1と電気的に接続し、保持部分12の第1の面2aに形成される。リード部1aは、圧電体層2の側面から、圧電体層2の第2の面2bまで連続して至るように形成されていてもよい。これによって、図2に示すように、保持部分12の第2の面2bにおいて、第1電極1の電気的接続部1bが設けられてもよい。   The first electrode 1 is formed on a substrate 5 as shown in FIG. The first electrode 1 is paired with the second electrode 3 and functions as one electrode sandwiching the piezoelectric layer 2. As shown in FIG. 2, the first electrode 1 is formed so as to cover the piezoelectric layer 2 on the first surface 2 a of the measured portion 11. Further, as shown in FIG. 2, the first electrode 1 is electrically connected to the lead portion 1a. The lead portion 1 a is electrically connected to the first electrode 1 of the portion to be measured 11 and is formed on the first surface 2 a of the holding portion 12. The lead portion 1 a may be formed so as to continue from the side surface of the piezoelectric layer 2 to the second surface 2 b of the piezoelectric layer 2. Accordingly, as shown in FIG. 2, the electrical connection portion 1 b of the first electrode 1 may be provided on the second surface 2 b of the holding portion 12.

第1電極1の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第1電極1の材質として、例えば、Ni、Ir、Au、Pt、W、Ti、Ta、Mo、Crなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物(例えば酸化イリジウムなど)、SrとRuの複合酸化物、LaとNiの複合酸化物などを用いることができる。また、第1電極1は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第1電極1の厚みは、用いる材質の弾性率と導電率などにしたがって最適に選ばれる。第1電極1の材質にPtを用いる場合、第1電極1の厚みは、例えば、30nm以上200nm以下とすることができる。   The material of the first electrode 1 is not particularly limited as long as it is a conductive material. Examples of the material of the first electrode 1 include various metals such as Ni, Ir, Au, Pt, W, Ti, Ta, Mo, and Cr, alloys of these metals, and conductive oxides thereof (for example, iridium oxide) ), A composite oxide of Sr and Ru, a composite oxide of La and Ni, or the like can be used. Further, the first electrode 1 may be a single layer of the exemplified materials or may be a structure in which a plurality of materials are stacked. The thickness of the first electrode 1 is optimally selected according to the elastic modulus and conductivity of the material used. When Pt is used as the material of the first electrode 1, the thickness of the first electrode 1 can be set to 30 nm or more and 200 nm or less, for example.

圧電体層2は、図2に示されるように、第1電極1と第2電極3との間に配置されている。図2に示すように、圧電体層2は、被測定体10の被測定部分11において、第1電極1と第2電極3とによって挟まれるように設けられる。図2に示すように、圧電体層2はプレート状の部材であってもよい。圧電体層2の厚みは、電圧が印加される際に、実質的に伸縮変形できる限り、特に限定されない。圧電体層2の厚みは、例えば、100nm以上100000nm以下とすることができる。   The piezoelectric layer 2 is disposed between the first electrode 1 and the second electrode 3 as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the piezoelectric layer 2 is provided so as to be sandwiched between the first electrode 1 and the second electrode 3 in the measured portion 11 of the measured object 10. As shown in FIG. 2, the piezoelectric layer 2 may be a plate-like member. The thickness of the piezoelectric layer 2 is not particularly limited as long as it can be substantially expanded and contracted when a voltage is applied. The thickness of the piezoelectric layer 2 can be, for example, 100 nm or more and 100,000 nm or less.

圧電体層2の材質としては、一般式ABOで示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O)(以下、本明細書において「PZTN」と略すことがある。)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ニオブ酸カリウムナトリウム((K,Na)NbO)、チタン酸ビスマスナトリウム(Bi,NaTiO、ビスマスフェライト(BiFeO)、およびこれらの複合酸化物などが挙げられる。 As the material of the piezoelectric layer 2, a perovskite oxide represented by the general formula ABO 3 is preferably used. Specific examples of such materials include lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate titanate niobate (Pb (Zr, Ti, Nb) O 3 ) (hereinafter, In this specification, it may be abbreviated as “PZTN”), barium titanate (BaTiO 3 ), potassium sodium niobate ((K, Na) NbO 3 ), bismuth sodium titanate (Bi, NaTiO 3 , bismuth ferrite ( BiFeO 3 ), and complex oxides of these.

第2電極3は、図2に示すように、圧電体層2の上に形成される。第2電極3は、第1電極1と対になり、圧電体層2を挟む一方の電極として機能する。図2に示すように、第2電極3は、被測定部分11の第2の面2bにおいて、形成される。図2に示すように、第2電極3は矩形であってもよい。ここで、図2に示すように、被測定部分11と保持部分12との境界を、第2電極3の保持部分12側の一辺によって規定してもよい。また、図2に示すように、第2電極3は、リード部3aと電気的に接続されている。リード部3aは、被測定部分11の第2電極3と電気的に接続し、保持部分12の第2の面2bに形成される。図2に示すように、保持部分12の第2の面2bにおいて、リード部3aと連続した第2電極3の電気的接続部3bが設けられてもよい。   The second electrode 3 is formed on the piezoelectric layer 2 as shown in FIG. The second electrode 3 is paired with the first electrode 1 and functions as one electrode sandwiching the piezoelectric layer 2. As shown in FIG. 2, the second electrode 3 is formed on the second surface 2 b of the portion to be measured 11. As shown in FIG. 2, the second electrode 3 may be rectangular. Here, as shown in FIG. 2, the boundary between the measured portion 11 and the holding portion 12 may be defined by one side of the second electrode 3 on the holding portion 12 side. Further, as shown in FIG. 2, the second electrode 3 is electrically connected to the lead portion 3a. The lead part 3 a is electrically connected to the second electrode 3 of the part to be measured 11 and is formed on the second surface 2 b of the holding part 12. As shown in FIG. 2, an electrical connection portion 3 b of the second electrode 3 that is continuous with the lead portion 3 a may be provided on the second surface 2 b of the holding portion 12.

第2電極3の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第2電極3の材質および構成は、例えば、第1電極1と同じ材料および構成であってもよい。   The material of the second electrode 3 is not particularly limited as long as it is a conductive material. The material and configuration of the second electrode 3 may be, for example, the same material and configuration as the first electrode 1.

図2に示すように、被測定体10は、被測定部分11において、レーザー照射部分16を有する。レーザー照射部分16とは、被測定体10の第2の面2bの上方であって、レーザー光が照射される部分である。換言すれば、レーザー光照射の際に、レーザー光の光軸が位置合わせされる部分である。レーザー照射部分16の位置は、被測定部分11が共振状態となった場合の2次振動の節の位置である。つまりは、一端は固定端(保持部分12)であり、他端は自由端(先端部分15)である場合の振動における2次振動の節の位置が、レーザー照射部分16となる。したがって、保持部分12からのレーザー照射部分16の位置までのX軸方向の長さLは、被測定部分11のX軸方向の長さをLとしたときに、以下の式で表される。 As shown in FIG. 2, the measured object 10 has a laser irradiation portion 16 in the measured portion 11. The laser irradiation portion 16 is a portion above the second surface 2b of the measurement object 10 and irradiated with laser light. In other words, it is a portion where the optical axis of the laser beam is aligned during the laser beam irradiation. The position of the laser irradiation portion 16 is the position of a secondary vibration node when the measured portion 11 is in a resonance state. That is, the position of the secondary vibration node in the vibration when one end is the fixed end (holding portion 12) and the other end is the free end (tip portion 15) is the laser irradiation portion 16. Therefore, the length L 1 in the X-axis direction from the holding portion 12 to the position of the laser irradiation portion 16 is expressed by the following equation when the length in the X-axis direction of the measured portion 11 is L 0. The

また、レーザー光Bは、2次振動以上の高次振動モードの影響が、実質的に測定結果に影響しないように照射されればよいため、レーザー光照射位置16は、領域幅を有していてもよい。保持部分12からのレーザー照射部分16の位置までのX軸方向の長さLは、例えば、以下の式における範囲であってもよい。 Further, the laser light irradiation position 16 has a region width because the laser light B may be irradiated so that the influence of the higher-order vibration mode higher than the secondary vibration does not substantially affect the measurement result. May be. X-axis direction length L 1 to the position of the laser irradiation portion 16 from the holding portion 12, for example, may range in the following equation.

上記の範囲内であれば、測定結果が、実質的には2次振動以上の高次振動モードの影響を受けにくく、測定結果として、高精度の変位量データを得ることが出来る。   If it is in said range, a measurement result will be substantially unaffected by the higher order vibration mode more than a secondary vibration, and highly accurate displacement amount data can be obtained as a measurement result.

なお、本実施形態に係る圧電特性の測定方法を実施するためのシステムでは、上述された形態を有する被測定体10だけではなく、電圧を印加することによって、圧電素子が変形/振動できる形態であれば適宜、適用することができる。例えば、図示はされないが、被測定体10のZ軸方向から見た外形が、ひし形を有していてもよい。その場合であっても、適宜、2次振動の節の位置を算出してレーザー光照射位置16を決定することができる。   In the system for carrying out the piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment, not only the measured object 10 having the above-described form but also a form in which the piezoelectric element can be deformed / vibrated by applying a voltage. It can be applied as appropriate. For example, although not shown, the outer shape of the DUT 10 viewed from the Z-axis direction may have a rhombus. Even in that case, the position of the secondary vibration node can be calculated as appropriate to determine the laser light irradiation position 16.

保持部20は、図1に示すように、被測定体10を片持ちする部材である。具体的には、保持部20は、被測定体10の一端を固定することで、被測定体10を保持する。保持部20は、図1に示すように、被測定体10の所定の位置に対して、後述されるレーザードップラー振動計40からのレーザー光を照射できるように配置される。また、図示はされないが、保持部20は、後述される信号発生部30と電気的に接続された配線を内部に有する。これによって、保持部20は、被測定体10の圧電素子4に電圧を印加することができる。   As shown in FIG. 1, the holding unit 20 is a member that cantilever the measured object 10. Specifically, the holding unit 20 holds the device under test 10 by fixing one end of the device under test 10. As shown in FIG. 1, the holding unit 20 is arranged so that laser light from a laser Doppler vibrometer 40 described later can be irradiated to a predetermined position of the measurement object 10. Although not shown, the holding unit 20 includes a wiring electrically connected to a signal generation unit 30 described later. Accordingly, the holding unit 20 can apply a voltage to the piezoelectric element 4 of the measured object 10.

信号発生部30は、保持部20の内部配線を介して、被測定体10の圧電素子4に、所望の周波数の電圧信号(駆動信号)を印加することができる。信号発生部30は、公知のファンクションジェネレーターを含む。また、信号発生部30は、パワーアンプなどの増幅回路部を含む。信号発生部30において、ファンクションジェネレーターから発生した電圧信号は、増幅回路を介して保持部20へ送られてもよい。信号発生部30は、例えば、所望の周波数の電圧からなる電圧信号を発生させることができる。   The signal generator 30 can apply a voltage signal (drive signal) having a desired frequency to the piezoelectric element 4 of the measurement target 10 via the internal wiring of the holding unit 20. The signal generator 30 includes a known function generator. The signal generator 30 includes an amplifier circuit unit such as a power amplifier. In the signal generation unit 30, the voltage signal generated from the function generator may be sent to the holding unit 20 via an amplifier circuit. For example, the signal generator 30 can generate a voltage signal composed of a voltage having a desired frequency.

信号発生部30が発生する電圧信号は、図3に示すように、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体10の共振周波数の1/10以下であってもよい。より具体的には、電圧信号の印加電圧値をX[V]とし、被測定体10の共振周波数をY[Hz]とした場合、電圧信号を圧電素子4に印加する際の電圧上昇率(dV/dt)は、X/5Y[V/sec]であってもよい。このように、目標の電圧値(dV)に対して、十分な時間(dt)をかけて電圧信号の電圧値を上昇させることにより、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル/ノイズ比(SN比)を高くすることができるため、圧電素子のd31定数をより高精度で求めることができる。   The voltage signal generated by the signal generator 30 may be a single sawtooth wave as shown in FIG. 3, and the frequency of the voltage signal may be 1/10 or less of the resonance frequency of the DUT 10. . More specifically, when the applied voltage value of the voltage signal is X [V] and the resonance frequency of the DUT 10 is Y [Hz], the voltage increase rate when the voltage signal is applied to the piezoelectric element 4 ( dV / dt) may be X / 5Y [V / sec]. In this way, by increasing the voltage value of the voltage signal over a sufficient time (dt) with respect to the target voltage value (dV), the measured object can be easily brought into a stable resonance state and measured. Since the signal / noise ratio (SN ratio) of the speed signal obtained in this way can be increased, the d31 constant of the piezoelectric element can be determined with higher accuracy.

レーザードップラー振動計40は、図1に示すように、少なくとも光学系(光源41、偏光ビームスプリッター42、ミラー43)、検出部45および信号処理部46を含む装置である。   As shown in FIG. 1, the laser Doppler vibrometer 40 is an apparatus including at least an optical system (a light source 41, a polarization beam splitter 42, a mirror 43), a detection unit 45, and a signal processing unit 46.

本発明において「レーザードップラー振動計」という文言を、例えば、レーザー光の干渉光学系におけるドップラー効果を利用して被測定体の変位量を測定することができる装置として用いている。具体的には、「レーザードップラー振動計」は、まず、振動状態にある被測定体に光源からレーザー光を照射して得られる反射光(ドップラーシフトしたレーザー光)と、あらかじめ周波数シフトを与えられた参照光と、を干渉させ、それらの光路差によるビート周波数を得ることができる。そして、レーザードップラー振動計の信号処理部46において周波数分析を行い、ドップラーシフトした周波数成分のみが取り出され、FM復調回路で、振動速度に応じた電気信号が出力される。したがって、本発明に係る「レーザードップラー振動計40」としては、公知のレーザードップラー振動計を適宜、適用することができる。例えば、レーザードップラー振動計40は、レーザー光を使用した反射型センサーであってもよい。具体的には、レーザードップラー振動計40は、ヘテロダイン方式のレーザー変位計であってもよい。このようなレーザードップラー振動計40を用いることで、共振状態にある被測定体10の速度(変位量)変化を、経時的に測定することが可能となる。   In the present invention, the term “laser Doppler vibrometer” is used, for example, as an apparatus that can measure the amount of displacement of a measurement object using the Doppler effect in an interference optical system of laser light. Specifically, a “laser Doppler vibrometer” is first given a frequency shift in advance with reflected light (Doppler shifted laser light) obtained by irradiating a laser beam to a measured object in a vibrating state from a light source. It is possible to obtain a beat frequency based on a difference in optical paths between the reference light and the reference light. Then, frequency analysis is performed in the signal processing unit 46 of the laser Doppler vibrometer, and only the Doppler-shifted frequency component is extracted, and an electric signal corresponding to the vibration speed is output by the FM demodulation circuit. Therefore, as the “laser Doppler vibrometer 40” according to the present invention, a known laser Doppler vibrometer can be appropriately applied. For example, the laser Doppler vibrometer 40 may be a reflective sensor using laser light. Specifically, the laser Doppler vibrometer 40 may be a heterodyne laser displacement meter. By using such a laser Doppler vibrometer 40, it becomes possible to measure a change in speed (displacement) of the measured object 10 in a resonance state over time.

なお、以下に説明するレーザードップラー振動計40の構成(図1)は、本発明に適用可能なレーザードップラー振動計の一つの形態であって、本発明は、これに限定されるものではない。   In addition, the structure (FIG. 1) of the laser Doppler vibrometer 40 demonstrated below is one form of the laser Doppler vibrometer applicable to this invention, Comprising: This invention is not limited to this.

レーザードップラー振動計40の光学系は、例えば、レーザー光を発生させ被測定体10に照射する光源41と、光源41からのレーザー光Aを、入射光Bと、参照光Cとに偏光する偏光ビームスプリッター42と、参照光Cと反射光Dの光路差を定検出部45に検出させるための複数のミラー43と、を含んでいてもよい。光源41からのレーザー光Aは、例えば、周波数変調がかけられた変調電流を、光源41となる半導体レーザーに注入することによって発生させていてもよい。また、図示されないが、レーザードップラー振動計40の光学系は、周波数シフタ、光路長差補正器、波長板、コリメータレンズ、集光レンズ、投光レンズ、受光レンズ等の光学素子を適宜、含むことができる。レーザードップラー振動計40の光学系によれば、光源41を用いて、被測定体にレーザー光を照射して、反射光Dを得て、反射光Dと参照光Aとを干渉させることで、生じたビート信号を、検出部45によって検出することができる。   The optical system of the laser Doppler vibrometer 40 includes, for example, a light source 41 that generates laser light and irradiates the measurement object 10, and polarized light that polarizes the laser light A from the light source 41 into incident light B and reference light C. A beam splitter 42 and a plurality of mirrors 43 for causing the constant detection unit 45 to detect the optical path difference between the reference light C and the reflected light D may be included. The laser light A from the light source 41 may be generated, for example, by injecting a modulation current subjected to frequency modulation into a semiconductor laser that becomes the light source 41. Although not shown, the optical system of the laser Doppler vibrometer 40 appropriately includes optical elements such as a frequency shifter, an optical path length difference corrector, a wave plate, a collimator lens, a condenser lens, a light projecting lens, and a light receiving lens. Can do. According to the optical system of the laser Doppler vibrometer 40, by using the light source 41 to irradiate the measured object with laser light, to obtain the reflected light D and to cause the reflected light D and the reference light A to interfere with each other. The generated beat signal can be detected by the detection unit 45.

検出部45は、公知の光検出器から構成される。検出部45は、公知の増幅回路を含み、検出したビート信号を、増幅回路を介して、信号処理部46へ送ることができる。信号処理部46は、レーザードップラー振動計40の検出部45において検出されたビート信号から、周波数分析を行って、被測定体10の振動速度を算出し、それに応じた電圧信号を出力することができる。信号処理部46によって算出された振動速度の電圧信号は、表示部50において表示することができる。表示部50は、例えば、オシロスコープおよび/または電子計算機を用いることができる。また、表示部50においては、振動速度を積分処理して得られる被測定体10の変位量を表示することができる。これによれば、測定によって得られた高精度の変位量データから、被測定体10の圧電体層2の圧電特性d31を容易に算出することができる。   The detection part 45 is comprised from a well-known photodetector. The detection unit 45 includes a known amplification circuit, and can send the detected beat signal to the signal processing unit 46 via the amplification circuit. The signal processing unit 46 performs frequency analysis from the beat signal detected by the detection unit 45 of the laser Doppler vibrometer 40, calculates the vibration speed of the DUT 10, and outputs a voltage signal corresponding thereto. it can. The voltage signal of the vibration speed calculated by the signal processing unit 46 can be displayed on the display unit 50. As the display unit 50, for example, an oscilloscope and / or an electronic computer can be used. Further, the display unit 50 can display the amount of displacement of the DUT 10 obtained by integrating the vibration speed. According to this, the piezoelectric characteristic d31 of the piezoelectric layer 2 of the measured object 10 can be easily calculated from the highly accurate displacement amount data obtained by the measurement.

以上によって、本実施形態に係る圧電特性測定システム100が構成される。本実施形態に係る圧電特性測定システム100は、例えば、以下の特徴を有する。   The piezoelectric characteristic measurement system 100 according to this embodiment is configured as described above. The piezoelectric characteristic measurement system 100 according to the present embodiment has the following features, for example.

本実施形態に係る圧電特性測定システム100によれば、レーザードップラー振動計40を用いて、被測定体10の振動速度を測定する際、レーザー光を、被測定体10のレーザー照射部分16に照射して、ドップラーシフトした反射光を得ることができる。これによれば、反射光に対する2次振動以上の高次振動モードの影響を低減することができるため、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる。   According to the piezoelectric characteristic measurement system 100 according to the present embodiment, when measuring the vibration speed of the measurement object 10 using the laser Doppler vibrometer 40, the laser irradiation portion 16 of the measurement object 10 is irradiated with laser light. Thus, reflected light that is Doppler shifted can be obtained. According to this, since it is possible to reduce the influence of the higher order vibration mode higher than the second order vibration on the reflected light, the d31 constant of the piezoelectric element can be obtained with high accuracy.

また、本実施形態に係る圧電特性測定システム100によれば、信号発生部30が発生する電圧信号は、例えば、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体10の共振周波数の1/10以下となるように調整される。具体的には、電圧信号の印加電圧値をX[V]とし、被測定体10の共振周波数をY[Hz]とした場合、電圧信号を圧電素子4に印加する際の電圧上昇率(dV/dt)は、X/5Y[V/sec]となるように調整される。これによれば、被測定体10を容易に共振振動状態とすることができる。したがって、測定して得られる速度信号のシグナル/ノイズ比(SN比)を高くすることができるため、圧電素子のd31定数をより高精度で求めることができる。   Further, according to the piezoelectric characteristic measurement system 100 according to the present embodiment, the voltage signal generated by the signal generator 30 is, for example, a single saw wave, and the frequency of the voltage signal is the resonance of the measured object 10. The frequency is adjusted to be 1/10 or less of the frequency. Specifically, when the applied voltage value of the voltage signal is X [V] and the resonance frequency of the DUT 10 is Y [Hz], the voltage increase rate (dV when the voltage signal is applied to the piezoelectric element 4) / Dt) is adjusted to be X / 5Y [V / sec]. According to this, the DUT 10 can be easily brought into a resonance vibration state. Therefore, since the signal / noise ratio (SN ratio) of the speed signal obtained by measurement can be increased, the d31 constant of the piezoelectric element can be obtained with higher accuracy.

2.圧電特性測定方法
以下、図面を参照して、本実施形態に係る圧電特性測定方法について説明する。
2. Piezoelectric Characteristic Measuring Method Hereinafter, a piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

図4は、本実施形態に係る圧電特性測定方法を示すフローチャート図である。   FIG. 4 is a flowchart showing the piezoelectric characteristic measuring method according to this embodiment.

図4に示すように、本実施形態に係る圧電特性測定方法は、被測定体10の一端を固定することで、被測定体10を保持する工程と、圧電素子4の圧電体層2に電圧信号を印加して、被測定体10を振動状態とする工程と、振動状態の被測定体10に光源からレーザー光を照射し、被測定体10から反射した反射光を得る工程と、レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、被測定体10の変位量の経時的変化を得る工程と、変位量から被測定体10の圧電体層2の圧電特性を算出する工程と、を含む。   As shown in FIG. 4, the piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment fixes the one end of the measured object 10 to hold the measured object 10 and the voltage applied to the piezoelectric layer 2 of the piezoelectric element 4. A step of applying a signal to bring the device under test 10 into a vibrating state, a step of irradiating the device under vibration 10 with a laser beam from a light source to obtain reflected light reflected from the device under test 10, and a laser Doppler Using a vibrometer, a step of obtaining a change over time in the amount of displacement of the measured object 10 from the reflected light and the reference light from the light source, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 2 of the measured object 10 from the amount of displacement. Calculating.

2−1.保持工程(S1)
まず、図4に示すように、保持部20によって、被測定体10の一端を固定する(片持ちする)ことで、被測定体10を保持する(S1)。被測定体10の一端を固定する場合、保持部20は、被測定体10の保持部分12を保持する。ここで、被測定体10は、例えば、第2電極3が形成された第2の面2bが上面となり、第2の面2bの上方に、レーザードップラー振動計40からのレーザー光が入射するように保持される。ここで、例えば、被測定体10の保持部分12に、保持部20が保持するためのアライメントマークが設けられ、該アライメントマークに沿って被測定体10は保持されていてもよい(図示せず)。ここで、被測定体10の電気的接続部1bおよび3bと、保持部20内の配線とが電気的に接続されることによって、圧電素子4と、信号発生部30とが電気的に接続される。
2-1. Holding step (S1)
First, as shown in FIG. 4, the measurement object 10 is held by fixing (cantilevering) one end of the measurement object 10 by the holding unit 20 (S1). When fixing one end of the DUT 10, the holding unit 20 holds the holding portion 12 of the DUT 10. Here, for example, the measured object 10 has a second surface 2b on which the second electrode 3 is formed as an upper surface, and the laser light from the laser Doppler vibrometer 40 is incident on the second surface 2b. Retained. Here, for example, an alignment mark for holding by the holding unit 20 may be provided on the holding portion 12 of the DUT 10 and the DUT 10 may be held along the alignment mark (not shown). ). Here, the electrical connection portions 1b and 3b of the DUT 10 and the wiring in the holding portion 20 are electrically connected, whereby the piezoelectric element 4 and the signal generating portion 30 are electrically connected. The

2−2.電圧信号印加工程(S2)
次に、図4に示すように、圧電素子4の圧電体層2に電圧信号を印加して、被測定体10を振動状態とする(S2)。ここで、被測定体10の圧電素子4に印加される電圧信号は、単一の鋸波である。電圧信号の詳細は上述されているため省略する。電圧信号を印加した後に、被測定体10は、Z軸方向に変位量を有する共振状態の振動状態となることができる。
2-2. Voltage signal application step (S2)
Next, as shown in FIG. 4, a voltage signal is applied to the piezoelectric layer 2 of the piezoelectric element 4 to bring the device under measurement 10 into a vibrating state (S2). Here, the voltage signal applied to the piezoelectric element 4 of the measured object 10 is a single sawtooth wave. The details of the voltage signal have been described above, and will be omitted. After applying the voltage signal, the DUT 10 can be in a vibration state in a resonance state having a displacement amount in the Z-axis direction.

2−3.レーザー光照射工程(S3)
次に、図4に示すように、共振状態の被測定体10にレーザー光を照射し、被測定体10から反射した反射光を得る(S3)。図1に示すように、入射光Bは、Z軸方向から被測定体10の被測定部分11のレーザー照射部分16に照射される。これによって、第2の面2b(または第2電極3)において入射光Bが反射し、ドップラーシフトした反射光Dを得ることができる。
2-3. Laser light irradiation process (S3)
Next, as shown in FIG. 4, the laser beam is irradiated onto the resonance object 10 to be measured, and the reflected light reflected from the object 10 is obtained (S3). As shown in FIG. 1, the incident light B is applied to the laser irradiation portion 16 of the measured portion 11 of the measured object 10 from the Z-axis direction. Thereby, the incident light B is reflected on the second surface 2b (or the second electrode 3), and the Doppler-shifted reflected light D can be obtained.

2−4.変位量を得る工程(S4)
次に、図4に示すように、レーザードップラー振動計40を用いて、ドップラーシフトした反射光Dと参照光Cとから得られる被測定体10のビート周波数を、周波数分析を行い、演算処理することで、変位量データを得る(S4)。具体的には、反射光Dが、レーザードップラー振動計40に取り込まれ、反射光Dと参照光Cとを干渉させる干渉光学系によって、反射光Dと参照光Cとが光学的に干渉し、検出部45には両者の干渉よる干渉強度が検出される。ここで、被測定体10が振動モードである場合、反射光Dと、参照光Cとの光路差長により生じる時間差によって、干渉強度にビート(うねり)が発生するため、検出部45には、ビート信号として連続的に検出されることができる。検出部45において検出される連続的なビート信号は、光路差によって生じたビート周波数を中心周波数とするFM信号(ドップラーシフト量)である。したがって、信号処理部46において、FM信号を、復調信号処理することによって、被測定体10の振動速度を求めることができる。つまりは、得られた振動速度データを積分処理することにより、被測定体の変位量データを求めることができる。
2-4. Step of obtaining displacement (S4)
Next, as shown in FIG. 4, using a laser Doppler vibrometer 40, the beat frequency of the measured object 10 obtained from the Doppler-shifted reflected light D and reference light C is subjected to frequency analysis and arithmetic processing is performed. Thus, displacement data is obtained (S4). Specifically, the reflected light D is captured by the laser Doppler vibrometer 40, and the reflected light D and the reference light C are optically interfered by an interference optical system that causes the reflected light D and the reference light C to interfere with each other. The detection unit 45 detects the interference intensity due to the interference between the two. Here, when the DUT 10 is in the vibration mode, a beat (swell) is generated in the interference intensity due to the time difference caused by the optical path difference length between the reflected light D and the reference light C. It can be continuously detected as a beat signal. The continuous beat signal detected by the detection unit 45 is an FM signal (Doppler shift amount) having the beat frequency generated by the optical path difference as the center frequency. Therefore, in the signal processing unit 46, the FM signal can be demodulated and the vibration speed of the DUT 10 can be obtained. That is, the displacement amount data of the measured object can be obtained by integrating the obtained vibration velocity data.

レーザードップラー振動計40によって得られた被測定体10の振動速度データおよび変位量データは、例えば、オシロスコープおよび/または電子計算機などの表示部50に出力され、変位量の経時的変化を表示させることができる。   The vibration speed data and displacement amount data of the object to be measured 10 obtained by the laser Doppler vibrometer 40 are output to a display unit 50 such as an oscilloscope and / or an electronic computer, for example, to display changes over time in the displacement amount. Can do.

ここで、第1電極1、第2電極3等の部材は、圧電体層2の変位を実質的に阻害しない程度の膜厚で形成されるため、印加電圧値に対する被測定体10の変位量データでもって、圧電素子4の圧電体層2の電圧−歪特性データとしてもよい。また、基板5の膜厚や材質の剛性等を考慮して補正をかけてもよい。   Here, since the members such as the first electrode 1 and the second electrode 3 are formed with a film thickness that does not substantially hinder the displacement of the piezoelectric layer 2, the displacement amount of the measured object 10 with respect to the applied voltage value. The data may be voltage-strain characteristic data of the piezoelectric layer 2 of the piezoelectric element 4. Further, correction may be applied in consideration of the film thickness of the substrate 5 and the rigidity of the material.

2−5.圧電特性を算出する工程(S5)
次に、図4に示すように、被測定体10の変位量データを基に、有限要素シミュレーションを用いて圧電体層2の圧電定数d31を算出する。以下に具体的に説明する。
2-5. Step of calculating piezoelectric characteristics (S5)
Next, as shown in FIG. 4, the piezoelectric constant d31 of the piezoelectric layer 2 is calculated using finite element simulation based on the displacement amount data of the DUT 10. This will be specifically described below.

例えば、基板5のヤング率をEとするとき、被測定体がDの変位量分変形するために必要な応力Fとの関係は、以下の式で表される。 For example, when the Young's modulus of the substrate 5 and E 5, the relationship between the stress F necessary for the object to be measured is displaced amount deformation of D 1 is expressed by the following equation.

ここで、D分の変位に必要な応力Fを、圧電素子4の圧電体層2によって出力するために必要となる、圧電体層2のd31方向の変位量をDとし、圧電素子4のヤング率をEとするとき、応力Fは、以下の式で表される。 Here, the stress F required for displacement of 1 minute D, is required for output by the piezoelectric layer 2 of the piezoelectric element 4, the d31 direction of displacement of the piezoelectric layer 2 and D 2, the piezoelectric element 4 when the Young's modulus and E 4, the stress F is expressed by the following equation.

以上において、基板5のヤング率Eおよび圧電素子4のヤング率Eは、材質および膜厚などの条件から既知の値である。したがって、上記のDを、印加電圧値で除算することによって、圧電特性d31を求めることができる。ここで、αおよびβは、環境変数であるが、有限要素法によって算出される。 In the above, the Young's modulus E 4 Young's modulus E 5 and the piezoelectric elements 4 of the substrate 5 are known values from conditions such as material and thickness. Therefore, the above D 2, by dividing by the applied voltage, it is possible to obtain the piezoelectric properties d31. Here, α and β are environment variables, but are calculated by the finite element method.

以上が、本実施形態に係る圧電特性測定方法の説明となる。本実施形態に係る圧電特性測定方法は、例えば、以下の特徴を有する。   The above is the description of the piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment. The piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment has the following features, for example.

本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、レーザードップラー振動計40を用いて、被測定体10の振動速度を測定する際、レーザー光を、被測定体10のレーザー照射部分16に照射して、ドップラーシフトした反射光を得ることができる。これによれば、反射光に対する2次振動以上の高次振動モードの影響を低減することができるため、圧電素子のd31定数を高精度で求めることができる。   According to the piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment, when measuring the vibration speed of the measurement object 10 using the laser Doppler vibrometer 40, the laser irradiation portion 16 of the measurement object 10 is irradiated with laser light. Thus, reflected light that is Doppler shifted can be obtained. According to this, since it is possible to reduce the influence of the higher order vibration mode higher than the second order vibration on the reflected light, the d31 constant of the piezoelectric element can be obtained with high accuracy.

また、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、信号発生部30が発生する電圧信号は、例えば、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体10の共振周波数の1/10以下となるように調整される。具体的には、電圧信号の印加電圧値をX[V]とし、被測定体10の共振周波数をY[Hz]とした場合、電圧信号を圧電素子4に印加する際の電圧上昇率(dV/dt)は、X/5Y[V/sec]となるように調整される。これによれば、被測定体10を容易に共振振動状態とすることができる。したがって、測定して得られる速度信号のシグナル/ノイズ比(SN比)を高くすることができるため、圧電素子のd31定数をより高精度で求めることができる。   Further, according to the piezoelectric characteristic measuring method according to the present embodiment, the voltage signal generated by the signal generator 30 is, for example, a single saw wave, and the frequency of the voltage signal is the resonance frequency of the DUT 10. It is adjusted to be 1/10 or less of. Specifically, when the applied voltage value of the voltage signal is X [V] and the resonance frequency of the DUT 10 is Y [Hz], the voltage increase rate (dV when the voltage signal is applied to the piezoelectric element 4) / Dt) is adjusted to be X / 5Y [V / sec]. According to this, the DUT 10 can be easily brought into a resonance vibration state. Therefore, since the signal / noise ratio (SN ratio) of the speed signal obtained by measurement can be increased, the d31 constant of the piezoelectric element can be obtained with higher accuracy.

3.実施例
以下、本発明に係る圧電特性測定方法および圧電特性測定システムの実施例を、図面を参照しながら説明する。
3. Examples of the piezoelectric characteristic measuring method and the piezoelectric characteristic measuring system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

3−1.実施例
本実施例においては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層、白金からなる第1および第2電極、シリコン基板を用いて本実施形態に係る被測定体10を作製し、その圧電特性を、本発明に係る圧電特性測定方法および圧電特性測定システムを用いて評価した。
3-1. Example In this example, a device to be measured 10 according to this embodiment is manufactured using a piezoelectric layer made of lead zirconate titanate (PZT), first and second electrodes made of platinum, and a silicon substrate, The piezoelectric characteristics were evaluated using the piezoelectric characteristic measuring method and the piezoelectric characteristic measuring system according to the present invention.

実施例に係る被測定体10は、厚さ635μmのTi/SiO/Si基板の上に、第1電極1として白金(Pt)をスパッタリング法により厚さ100nmで被着させ、第1電極1の上に被測定材料の圧電体層2であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)をゾル−ゲル法により厚さ1.3μmとなるように成膜、焼成し、圧電体層2の上に、第2電極3として白金(Pt)を第1電極1と同じ条件で被着させたものであった。被測定体10の外形は、レーザーの入射方向であるZ軸方向から見て、長方形であり、長手方向であるX軸方向の長さが30mm、短手方向であるY軸方向の長さが4mm、被測定部分11のX軸方向の長さが20mmであった。 In the measurement object 10 according to the example, platinum (Pt) was deposited as a first electrode 1 on a 635 μm thick Ti / SiO 2 / Si substrate by a sputtering method to a thickness of 100 nm. The lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), which is the piezoelectric material layer 2 of the material to be measured, is formed and fired to a thickness of 1.3 μm by a sol-gel method, On the body layer 2, platinum (Pt) was deposited as the second electrode 3 under the same conditions as the first electrode 1. The outer shape of the DUT 10 is rectangular when viewed from the Z-axis direction, which is the incident direction of the laser, and the length in the X-axis direction, which is the longitudinal direction, is 30 mm, and the length in the Y-axis direction, which is the short direction. The length in the X-axis direction of the measured portion 11 was 4 mm and 20 mm.

レーザードップラー振動計40としては、小野測器社製のLV-0180を用いた。光源41としては、波長632.8nm、出力0.95mW以下の半導体レーザーを用いた。レーザー光の照射位置は、被測定部11における2次振動の節部分に調整され、保持部20によって保持された固定端から15.2mmの位置にレーザー光を照射した。   As the laser Doppler vibrometer 40, LV-0180 manufactured by Ono Sokki Co., Ltd. was used. As the light source 41, a semiconductor laser having a wavelength of 632.8 nm and an output of 0.95 mW or less was used. The irradiation position of the laser beam was adjusted to the node portion of the secondary vibration in the measured portion 11, and the laser beam was irradiated to a position 15.2 mm from the fixed end held by the holding unit 20.

被測定体10の圧電素子4に印加された電圧信号は、周波数領域が10Hz〜100Hz、電圧値が5V(最小値)〜80V(最大値)の単一の鋸波とした。   The voltage signal applied to the piezoelectric element 4 of the DUT 10 was a single saw wave having a frequency range of 10 Hz to 100 Hz and a voltage value of 5 V (minimum value) to 80 V (maximum value).

図5は、本実施例に係る(1)電圧信号、(2)検出結果から算出された速度データ、および(3)速度データから算出された変位量データが、表示部50であるオシロスコープに表示されたものを示す図である。図6は、本実施例に係る測定において得られた速度データと、速度データから得られた変位量データのみをプロットした図である。また、図7は、得られた変位量データから有限要素シミュレーションによって算出された圧電特性をプロットした図である。なお、測定は同様の条件で2回行われ、図7においては、それぞれの結果を三角と四角でプロットしている。   5 shows (1) voltage signal, (2) velocity data calculated from the detection result, and (3) displacement amount data calculated from the velocity data according to the present embodiment on an oscilloscope as the display unit 50. It is a figure which shows what was done. FIG. 6 is a diagram in which only velocity data obtained in the measurement according to the present embodiment and displacement amount data obtained from the velocity data are plotted. FIG. 7 is a graph plotting the piezoelectric characteristics calculated by the finite element simulation from the obtained displacement amount data. The measurement was performed twice under the same conditions. In FIG. 7, the results are plotted with triangles and squares.

図5および図6に示すように、電圧信号を印加した後、SN比(シグナルノイズ比)が非常に高い周期的な速度データが得られた。つまりは、被測定体10の振動速度データを高精度に得られることが確認された。   As shown in FIGS. 5 and 6, periodic voltage data having a very high SN ratio (signal-to-noise ratio) was obtained after the voltage signal was applied. That is, it was confirmed that the vibration velocity data of the measured object 10 can be obtained with high accuracy.

次に、図7に示すように、得られた振動速度データを基に算出された変位量データでもって、圧電体層2の圧電特性d31が有限要素シミュレーションによって演算処理され、得られることが確認された。また、2回の測定結果において、ほぼ同様の結果が得られたことから、本実施例に係る測定結果の再現性および信頼性が高いことが確認された。   Next, as shown in FIG. 7, it is confirmed that the piezoelectric characteristic d31 of the piezoelectric layer 2 is arithmetically processed by a finite element simulation with the displacement amount data calculated based on the obtained vibration velocity data. It was done. In addition, since almost the same result was obtained in the two measurement results, it was confirmed that the reproducibility and reliability of the measurement result according to this example was high.

3−2.比較例
本比較例においては、実施例にて用いた被測定体10を用いて、レーザー光の照射位置を、レーザー照射部分16ではなく、被測定部分11の先端部分15に近接した部分に調節して、測定を行った。レーザー光の照射位置は、保持部20によって保持された固定端から15.2mmの位置にレーザー光を照射した。その他の測定条件は、実施例に係る条件と同様に調整された。
3-2. Comparative Example In this comparative example, using the measurement object 10 used in the example, the irradiation position of the laser beam is adjusted not to the laser irradiation part 16 but to a part close to the tip part 15 of the measurement part 11. Then, the measurement was performed. The laser beam was irradiated at a position 15.2 mm from the fixed end held by the holding unit 20. Other measurement conditions were adjusted in the same manner as the conditions according to the example.

図8は、本比較例に係る測定において得られた速度データと、速度データから得られた変位量データのみをプロットした図である。   FIG. 8 is a diagram in which only velocity data obtained in the measurement according to this comparative example and displacement amount data obtained from the velocity data are plotted.

図8に示すように、得られた速度データには、複数の振動波形が影響を与えられていた。つまりは、レーザー光の照射位置により、2次振動以上の高次振動モードが測定結果に影響を与え、測定結果の精度が、実施例に係る測定結果と比べ低いことが明らかとなった。   As shown in FIG. 8, a plurality of vibration waveforms are affected by the obtained velocity data. That is, it has been clarified that the higher-order vibration mode higher than the secondary vibration affects the measurement result depending on the irradiation position of the laser light, and the accuracy of the measurement result is lower than the measurement result according to the example.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1 第1電極、1a リード部、1b 電気的接続部、2 圧電体層、2a 第1の面、
2b 第2の面、3 第2電極、3a リード部、3b 電気的接続部、4 圧電素子、
5 基板、10 被測定体、11 被測定部分、12 保持部分、15 先端部分、
16 レーザー照射部分、20 保持部、
30 信号発生部、40 レーザードップラー振動計、41 光源、
42 偏光ビームスプリッター、43 ミラー、45 検出部、46 信号処理部、
50 表示部、100 圧電特性測定システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode, 1a Lead part, 1b Electrical connection part, 2 Piezoelectric layer, 2a 1st surface,
2b 2nd surface, 3rd electrode, 3a lead part, 3b electrical connection part, 4 piezoelectric element,
5 Substrate, 10 Measured object, 11 Measured part, 12 Holding part, 15 Tip part,
16 laser irradiation part, 20 holding part,
30 signal generator, 40 laser Doppler vibrometer, 41 light source,
42 polarizing beam splitter, 43 mirror, 45 detector, 46 signal processor,
50 display unit, 100 piezoelectric characteristic measurement system

Claims (6)

基板と、前記基板上に設けられた圧電素子と、を有する被測定体の圧電特性測定方法であって、
前記被測定体の一端を固定することで、前記被測定体を保持する工程と、
前記圧電素子の圧電体層に電圧信号を印加して、前記被測定体を振動状態とする工程と、
振動状態の前記被測定体に光源からレーザー光を照射し、前記被測定体から反射した反射光を得る工程と、
レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、前記被測定体の変位量の経時的変化を得る工程と、
前記変位量から前記被測定体の前記圧電体層の圧電特性を算出する工程と、
を含み、
前記反射光を得る工程において、前記レーザー光は、前記被測定体の2次振動の節に対して照射される、圧電特性測定方法。
A method for measuring piezoelectric characteristics of an object to be measured, comprising: a substrate; and a piezoelectric element provided on the substrate,
Fixing the one end of the measured object to hold the measured object;
Applying a voltage signal to the piezoelectric layer of the piezoelectric element to bring the object to be measured into a vibrating state;
Irradiating a laser beam from a light source to the object to be measured in a vibrating state to obtain reflected light reflected from the object to be measured;
Using a laser Doppler vibrometer to obtain a change over time in the amount of displacement of the measured object from the reflected light and the reference light from the light source;
Calculating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer of the measured object from the displacement amount;
Including
The method for measuring piezoelectric characteristics, wherein, in the step of obtaining the reflected light, the laser light is applied to a secondary vibration node of the measured object.
請求項1において、
前記圧電体層に印加される前記電圧信号は、単一の鋸波であって、
前記電圧信号の周波数は、被測定体の共振周波数の1/10以下である、圧電特性測定方法。
In claim 1,
The voltage signal applied to the piezoelectric layer is a single sawtooth wave,
The method for measuring piezoelectric characteristics, wherein the frequency of the voltage signal is 1/10 or less of the resonance frequency of the object to be measured.
請求項2において、
前記電圧信号の印加電圧値をX[V]とし、前記被測定体の共振周波数をY[Hz]とした場合、前記電圧信号を前記圧電素子に印加する際の電圧上昇率(dV/dt)は、X/5Y[V/sec]である、圧電特性測定方法。
In claim 2,
When the applied voltage value of the voltage signal is X [V] and the resonance frequency of the object to be measured is Y [Hz], the voltage increase rate (dV / dt) when the voltage signal is applied to the piezoelectric element Is a method for measuring piezoelectric characteristics, which is X / 5Y [V / sec].
請求項1から3のいずれか1項において、
前記振動状態は、共振状態である、圧電特性測定方法。
In any one of Claim 1 to 3,
The method for measuring piezoelectric characteristics, wherein the vibration state is a resonance state.
請求項1から4のいずれか1項において、
前記圧電特性を算出する工程は、有限要素シミュレーションを用いる、圧電特性測定方法。
In any one of Claims 1-4,
The step of calculating the piezoelectric characteristics is a piezoelectric characteristics measurement method using finite element simulation.
圧電素子を含む被測定体の一端を保持する保持部と、
前記被測定体に印加される電圧信号を発生させる信号発生部と、
前記被測定体に照射するレーザー光の光源を含む光学系、前記被測定体に前記レーザー光を照射して得られる反射光と前記光源から得られる参照光とを検出する検出部、および前記検出部における検出結果から前記被測定体の変位量の経時的変化を得ることができる信号処理部、を含むレーザードップラー振動計と、
を有し、
前記レーザードップラー振動計の前記光源からの前記レーザー光は、前記被測定体の2次振動の節に対して照射される、圧電特性測定システム。
A holding unit for holding one end of a measurement object including a piezoelectric element;
A signal generator for generating a voltage signal applied to the object to be measured;
An optical system including a light source of laser light that irradiates the measurement object, a detection unit that detects reflected light obtained by irradiating the measurement object with the laser light and reference light obtained from the light source, and the detection A laser Doppler vibrometer including a signal processing unit capable of obtaining a change over time in the amount of displacement of the measured object from a detection result in the unit;
Have
The piezoelectric characteristic measurement system, wherein the laser light from the light source of the laser Doppler vibrometer is irradiated to a secondary vibration node of the measured object.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016092602A (en) * 2014-11-05 2016-05-23 富士通株式会社 Method of measuring characteristics of quartz resonator
CN113419118A (en) * 2021-04-23 2021-09-21 西安交通大学 Device and method for measuring piezoelectric coefficient under uniaxial depression of ferroelectric crystal
CN114322831A (en) * 2021-12-30 2022-04-12 南京秋辰光电技术有限公司 High-precision measurement device and measurement method for size of complex structure

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