JP2018163128A - 圧電定数測定装置及び圧電定数測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、しかも、圧電材料の圧電定数を高精度かつ迅速に測定することができる圧電定数測定装置を提供する。【解決手段】この圧電定数測定装置１は、圧電材料ＰＩに静荷重を印加し、かつ、この静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加する荷重印加手段２と、圧電材料ＰＩに印加される静荷重及び複数個のパルス荷重を計測する荷重計測手段３と、静荷重及び複数個のパルス荷重が印加されることによって圧電材料ＰＩに発生する電荷の量を計測する電荷量計測手段４と、この計測された電荷の量により、複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する圧電定数測定制御手段５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電材料の圧電定数を測定する圧電定数測定装置及び圧電定数測定方法に関する。

圧電材料の圧電定数を測定する圧電定数測定は、共振・反共振法など様々な方法が可能である。それらの中で、簡単な構成の装置で測定できる方法として、圧電材料に荷重を印加し、それにより発生する電荷の量を計測するものがある。圧電定数には、荷重の方向と発生する電荷の方向に応じたｄ３３、ｄ３１、ｄ１４などが有り、圧電定数は、荷重と計測した電荷の量などを用いて所定の式を用いて求めることができる。

例えば、特許文献１の図１１には、架台（試料台）の上に順に、下部電極、圧電材料、上部電極を載せ、印加荷重制御手段の下端に設けられた上部接触電極を下降させて上部電極に接触させることで圧電材料に荷重の印加を行い、上部接触電極と下部電極との間に発生する電荷の量を計測して圧電定数ｄ３３を求める圧電定数測定装置が開示されている。印加荷重制御手段には、接触荷重検出ユニット（ロードセル）が設けられており、圧電材料に印加された荷重を検出することができる。電荷の量は、圧電材料に印加される荷重を最小印加荷重から連続的又は段階的に増すことで圧電材料に生じる電流を積分して電圧に変換することで計測している。

また、特許文献２には、圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置の基本構成に、圧電定数ｄ３１用の治具を取り付けることで、圧電定数ｄ３１を測定することができる圧電定数測定装置が開示されている。なお、ここでは、圧電定数ｄ１４を圧電定数ｄ３１から所定の式を用いて算出することもしている。

特開２０１２−２４２３６０号公報 特開２０１４−０８１３３９号公報

ところで、近年、圧電材料はセラミックスやフィルムなど多種にわたっており、それらの測定において、高精度で測定するとともに迅速に測定することが求められている。しかしながら、特許文献１及び特許文献２を含め従来の圧電定数測定装置は、迅速に測定するには限度がある。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、しかも、圧電材料の圧電定数を高精度かつ迅速に測定することができる圧電定数測定装置及び圧電定数測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の圧電定数測定装置は、圧電材料に静荷重を印加し、かつ、該静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加する荷重印加手段と、前記圧電材料に印加される前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測する荷重計測手段と、前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重が印加されることによって前記圧電材料に発生する電荷の量を計測する電荷量計測手段と、前記計測された電荷の量により、前記複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と前記計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する圧電定数測定制御手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の圧電定数測定装置は、請求項１に記載の圧電定数測定装置において、前記荷重印加手段は、第１電極を有し該第１電極を前記圧電材料の第１の面に接させ、第２電極を有し該第２電極を前記圧電材料の第２の面に接させ、前記圧電材料を圧縮する向きに前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を印加し、前記電荷量計測手段は、前記第１電極又は／及び前記第２電極を通して前記圧電材料に発生する電荷を入力し、前記圧電定数測定制御手段は、圧電定数であるｄ３３を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の圧電定数測定装置は、請求項２に記載の圧電定数測定装置において、前記荷重印加手段は、前記第１電極を直動させる第１直動モーターを有し、前記第２電極を直動させる第２直動モーター又は手動押下器を有することを特徴とする。

請求項４に記載の圧電定数測定装置は、請求項１に記載の圧電定数測定装置において、前記荷重印加手段は、第１電極と第１電極補助部とを有し、それらの間に、該第１電極を前記圧電材料の第１の面に接させながら前記圧電材料の一方の端部を挟み、かつ、第２電極と第２電極補助部とを有し、それらの間に、該第２電極を前記圧電材料の第２の面に接させながら前記圧電材料の他方の端部を挟み、前記圧電材料を引き伸ばす向きに前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を印加し、前記電荷量計測手段は、前記第１電極又は／及び前記第２電極を通して前記圧電材料に発生する電荷を入力し、前記圧電定数測定制御手段は、圧電定数であるｄ３１を算出することを特徴とする。

請求項５に記載の圧電定数測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電定数測定装置において、前記複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることを特徴とする。

請求項６に記載の圧電定数測定方法は、圧電材料に静荷重を印加し、かつ、該静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加し、前記圧電材料に印加される前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測し、前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重が印加されることによって前記圧電材料に発生する電荷の量を計測し、前記計測された電荷の量により、前記複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と前記計測されたパルス荷重から圧電定数を算出することを特徴とする。

請求項７に記載の圧電定数測定方法は、請求項６に記載の圧電定数測定方法において、前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重は、前記圧電材料を圧縮する向きに印加し、圧電定数は、ｄ３３を算出することを特徴とする。

請求項８に記載の圧電定数測定方法は、請求項６に記載の圧電定数測定方法において、前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重は、前記圧電材料を引き伸ばす向きに印加し、圧電定数は、ｄ３１を算出することを特徴とする。

請求項９に記載の圧電定数測定方法は、請求項６〜８のいずれか１項に記載の圧電定数測定方法において、前記複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることを特徴とする。

本発明の圧電定数測定装置及び圧電定数測定方法によれば、簡単な構成で、しかも、圧電材料の圧電定数を高精度かつ迅速に測定することができる。

本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置を示すものであって、荷重印加手段と荷重計測手段の一部は断面図で示し、荷重計測手段のその他の一部と電荷量計測手段と圧電定数測定制御手段はブロック図で示したものである。 同上の圧電定数測定装置における波形の例を示すもので、（ａ）が圧電材料に印加される荷重の波形図であり、（ｂ）が荷重により発生する電荷の量の波形図である。 同上の圧電定数測定装置の電荷量計測手段の構成例を示す概略図である。 同上の圧電定数測定装置の圧電定数測定制御手段の構成例を示す概略図である。 同上の圧電定数測定装置の荷重印加手段の第２電極制御部の変形例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る他の圧電定数測定装置を示すものであって、荷重印加手段と荷重計測手段の一部は断面図で示し、荷重計測手段のその他の一部と電荷量計測手段と圧電定数測定制御手段はブロック図で示したものである。

本発明を実施するための形態を、以下説明する。本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置１及び後述する圧電定数測定装置１’は、圧電材料ＰＩの圧電定数を測定するものである。圧電定数を測定し得る圧電材料ＰＩとしては、セラミックスやフィルムなど各種の材料が可能である。また、圧電定数を測定し得る圧電材料ＰＩの形状としては、柱状、板状又はシート状など各種の形状が可能である。圧電定数を測定するとき、圧電材料ＰＩは、荷重（主に、後述する静荷重とパルス荷重）が印加されることにより、一方側の面である第１の面ＰＳ１とその反対側に位置する他方側の面である第２の面ＰＳ２に電荷が発生する。荷重の方向は、圧電定数測定装置１と後述する圧電定数測定装置１’とで異なっている。

圧電定数測定装置１は、圧電定数ｄ３３が測定可能な装置である。この圧電定数測定装置１は、図１に示すように、荷重印加手段２と荷重計測手段３と電荷量計測手段４と圧電定数測定制御手段５とを備えている。

荷重印加手段２は、圧電材料ＰＩに静荷重を印加し、かつ、この静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加するものである。パルス荷重（図２（ａ）の波形において線ｂで示す。）は、パルス状の荷重である。静荷重（図２（ａ）の波形において線ａで示す。）は、複数個のパルス荷重が圧電材料ＰＩに印加されるときに、その基準として一定に保たれている荷重である。静荷重は、例えば、複数個のパルス荷重が圧電材料ＰＩに印加されるときに、０．２５Ｎ〜１Ｎ程度にすることができる。この静荷重は、通常、圧電材料へのストレスが余り大きくならないことに留意して定める。パルス荷重は、例えば、０．２５Ｎ〜１Ｎ程度にすることができる。このパルス荷重は、通常、圧電材料へのストレスが余り大きくならないことに留意して定める。また、パルス荷重は、幅を余り長くする必要がなく、例えば、０．５秒〜１．５秒程度の幅とすることができる。

荷重印加手段２は、第１電極２１と第２電極２２を有する構成である。荷重印加手段２は、第１電極２１を圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１に接させ、第２電極２２を圧電材料ＰＩの第２の面ＰＳ２に接させてから、圧電材料ＰＩを圧縮する向きに静荷重及び複数個のパルス荷重を印加する。そうすると、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１と第２の面ＰＳ２に電荷が発生する。なお、静荷重がまだ印加されていない状態であっても、圧電材料ＰＩは第１電極２１と第２電極２２とによって支持されるため、それらの間には非常に小さい荷重（予荷重）（図２（ａ）の波形における線ｃで示す。）が印加されている。

ここで、複数個のパルス荷重の印加によって、図２（ｂ）に示すように、複数個のパルス状の電荷の量の変化が発生する。後述するように、複数個のパルス状の電荷の量の変化が計測されることになるが、それぞれのパルス状の電荷の量の変化は、相互に大きくは違っていないため、複数個のパルス荷重の数はそれほど多くしなくてよい。複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることが好ましく、例えば３個のパルス荷重でもよい。なお、圧電材料ＰＩの周囲（荷重印加手段２の全部又は一部の周囲を含む）はシールド材（鉄製又はアルミ製など）を設けてシールドするのが通常であるが、ノイズ等により、電荷の量の波形が全体的に少し傾斜する場合もある。

本実施形態の荷重印加手段２の構成について、以下、詳細に説明する。本実施形態の荷重印加手段２は、第１電極２１が取り付けられてそれを運動制御する第１電極制御部２３と、第２電極２２が取り付けられてそれを運動制御する第２電極制御部２４と、を有している。本実施形態では、第１電極２１は圧電材料ＰＩの下方側に配置され、第２電極２２は圧電材料ＰＩの上方側に配置されている。

第１電極制御部２３は、第１電極２１を介して圧電材料ＰＩに印加する複数個のパルス荷重を制御する。第１電極制御部２３は、第１直動モーター２３１と、電極台ケース支持棒台２３２と、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３と、電極台ケース支持棒軸受部２３４と、電極台ケース２３５と、第１電極台２３６と、を有して構成される。

第１直動モーター２３１は、直動部２３１ａが支持部２３１ｂを基準の位置にして直動するモーターであり、支持部２３１ｂは、直動部２３１ａが上下動するように圧電定数測定装置１のフレーム（図示せず）に固定されている。第１直動モーター２３１は、特に限定されるものではないが、ＶＣＭやサーボモーターなどを用いることができる。

電極台ケース支持棒台２３２は、第１直動モーター２３１の直動部２３１ａの上面部に固定され、また、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３の下端部を固定するものである。

複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３は、その上端部に電極台ケース２３５の下面部が固定される。

電極台ケース支持棒軸受部２３４は、下部プレート２３４ａと、上部プレート２３４ｂと、複数個のプレート固定ネジ２３４ｃ、２３４ｃと、複数個の電極台ケース支持棒軸受２３４ｄ、２３４ｄと、複数個の電極台保持バネ２３４ｅ、２３４ｅと、を有している。下部プレート２３４ａと上部プレート２３４ｂとは、複数個の電極台ケース支持棒軸受２３４ｄ、２３４ｄを挟みつけて複数個のプレート固定ネジ２３４ｃ、２３４ｃによって互いに固定されている。下部プレート２３４ａと上部プレート２３４ｂとは、少なくともどちらかが圧電定数測定装置１のフレーム（図示せず）に固定されている。複数個の電極台ケース支持棒軸受２３４ｄ、２３４ｄの中には、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３が通されて摺動する。複数個の電極台保持バネ２３４ｅ、２３４ｅは、上部プレート２３４ｂの上面に配置されて、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３の上端部近傍が挿入されている。複数個の電極台保持バネ２３４ｅ、２３４ｅは、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３の上下動を緩衝することができる。

電極台ケース２３５は、第１電極台２３６を収容するものである。電極台ケース２３５は、外部の電磁界をシールドすることもできる。電極台ケース２３５の内側にはテフロン（登録商標）樹脂などの絶縁体が固定されており、その絶縁体に第１電極台２３６は固定される。また、電極台ケース２３５には、第１電極台２３６に接続される後述する電気導線２３６Ａが通過する孔が設けられている。

第１電極台２３６は、第１電極２１と同電位になるように接続され、電気導線２３６Ａが接続されるものである。第１電極台２３６は、第１電極２１の端部（圧電材料ＰＩに接触し得る端部）が上向きになるようにそれが取り付けられる。詳細には、第１電極２１の下部にはネジ部２１ａが設けられており、それが第１電極台２３６にねじ込まれている。また、電気導線２３６Ａは、第１電極台２３６の下部に接続されている。電気導線２３６Ａ（及び後述する電気導線２２Ａ、３１Ａ）は、ノイズが電気信号に入らないように被覆されている。なお、ノイズ等が問題にならない範囲で、第１電極２１と同電位のその他の箇所に電気導線２３６Ａを接続することも可能である。

第１電極２１は、圧電材料ＰＩに接触し得る端部が、球又は楕球の一部の形状をしており、圧電材料ＰＩに局所的に接触できるようになっている。

次に、第２電極制御部２４を説明する。第２電極制御部２４は、第２電極２２を介して圧電材料ＰＩに印加する静荷重を制御する。第２電極制御部２４は、第２直動モーター２４１と、荷重検出器取付プレート２４２と、第２電極取付プレート２４３と、を有して構成される。

第２直動モーター２４１は、荷重検出器取付プレート２４２、荷重計測手段３の後に詳述する荷重検出器３１を介して第２電極２２を直動（直線移動）させることができる。第２直動モーター２４１は、直動部２４１ａが支持部２４１ｂを基準の位置にして直動するモーターであり、支持部２４１ｂは、直動部２４１ａが上下動するように圧電定数測定装置１のフレーム（図示せず）に固定されている。直動部２４１ａは、その下端部が荷重検出器取付プレート２４２に固定されている。第２直動モーター２４１は、特に限定されるものではないが、位置制御用のサーボモーターなどを用いることができる。

荷重検出器取付プレート２４２は、荷重検出器３１が下方からの力を検出し得るようにそれが取り付けられるものである。

第２電極取付プレート２４３は、第２電極２２の端部（圧電材料ＰＩに接触し得る端部）が下向きになるようにそれが取り付けられるものである。詳細には、第２電極２２の上部にはネジ部２２ａが設けられており、それが第２電極取付プレート２４３にねじ込まれている。ネジ部２２ａの上端面は、第２電極取付プレート２４３から露出している。第２電極取付プレート２４３は、周辺部の上面に荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ、２４２Ａが取り付けられており、また、上方には、荷重検出器保持バネ２４２Ｂ、２４２Ｂを介して上記の荷重検出器取付プレート２４２が位置している。荷重検出器取付プレート２４２と第２電極取付プレート２４３は、荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ、２４２Ａにガイドされ、また、荷重検出器保持バネ２４２Ｂ、２４２Ｂに緩衝されて相対的に上下動可能となっている。なお、荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ、２４２Ａの上部には、荷重検出器取付プレート２４２と第２電極取付プレート２４３の最大の離間を決める頭部２４２Ａａ、２４２Ａａが設けられている。

第２電極２２が圧電材料ＰＩに接触するまでは、荷重検出器取付プレート２４２と第２電極取付プレート２４３は、それらの間の最大の離間を保って荷重検出器３１が第２電極２２（ネジ部２２ａ）に接触していない状態で下降する。第２電極２２が圧電材料ＰＩに接触してからは、荷重検出器取付プレート２４２と第２電極取付プレート２４３の間が縮まっていき、荷重検出器３１が第２電極２２（ネジ部２２ａ）に接触するようになる。そうすると、第２電極２２と後述する第１電極２１との間（圧電材料ＰＩの第２の面ＰＳ１と第１の面ＰＳ２の間）に荷重の印加が可能になり、荷重計測手段３の荷重検出器３１による荷重の計測が可能になる。

第２電極２２は、本実施形態では、圧電材料ＰＩに接触し得る端部が、球又は楕球の一部の形状をしており、圧電材料ＰＩに局所的に接触できるようになっている。また、第２電極２２には、電気導線２２Ａが接続されている。なお、ノイズ等が問題にならない範囲で、第２電極２２と同電位のその他の箇所に電気導線２２Ａを接続することも可能である。

荷重印加手段２の各部は、電極台ケース２３５の内側の絶縁体を除いて、通常、金属製である。本実施形態では、荷重印加手段２の各部は、第１電極２１と第１電極台２３６とを除いて、圧電定数測定装置１のフレーム（図示せず）と同じアース電位となっている。

次に、荷重計測手段３について説明する。

荷重計測手段３は、圧電材料ＰＩに印加される静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測するものである。本実施形態では、荷重計測手段３は、荷重（圧縮荷重）を検出する荷重検出器（ロードセル）３１と、検出した荷重に対応する電気信号をデジタルデータ化して圧電定数測定制御手段５に出力することなどを行う荷重計測処理器３２を有する。荷重検出器３１は、荷重印加手段２の機構に組み込まれており、図１において、符号３１Ａは、荷重検出器３１と荷重計測処理器３２とを接続する電気導線を示している。荷重計測処理器３２は、荷重検出器３１と一体化することも可能である。

次に、電荷量計測手段４について説明する。

電荷量計測手段４は、静荷重及び複数個のパルス荷重が印加されたことにより圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１又は／及び第２の面ＰＳ２に発生する電荷の量を計測する。例えば、電荷量計測手段４は、図３に例示するように、オペアンプ４１の反転入力端子と出力端子の間にコンデンサ４２と高抵抗４３を並列に接続して構成したチャージアンプとＡＤコンバータ４４とを有するものとすることができる。ここでは、オペアンプ４１の非反転入力端子、反転入力端子にそれぞれ電荷量計測手段４の入力端子４ａ、４ｂを接続し、ＡＤコンバータ４４の入力端子、出力端子にそれぞれオペアンプ４１の出力端子、電荷量計測手段４の出力端子４ｃを接続している。

入力端子４ａ、４ｂにはそれぞれ、電気導線２２Ａ、電気導線２３６Ａを接続する。本実施形態では、電気導線２２Ａはアース電位となるので、電荷量計測手段４は、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１に発生する電荷が入力端子４ｂを通って入力され、オペアンプ４１とコンデンサ４２と高抵抗４３を用いたチャージアンプで電圧に変換し、その電圧をＡＤコンバータ４４によりデジタルデータに変換することで、電荷の量を計測し、出力端子４ｃから計測値を出力する。チャージアンプは、図示したものに限らず、種々の回路が可能である。

また、電荷量計測手段４では、通常、静荷重（及び複数個のパルス荷重）が印加される前に、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１と第２の面ＰＳ２に生じている電荷の量をゼロにしておく。例えば、図３に示すように、オペアンプ４１の反転入力端子と出力端子の間にコンデンサ４２及び高抵抗４３と並列に接続スイッチ４５を設けて、接続スイッチ４５の開閉を制御端子４ｄを介して制御されるようにすることができる。接続スイッチ４５が導通すると、オペアンプ４１の非反転入力端子と反転入力端子の間の電位差がゼロになり、従って、それらに接続される圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１と第２の面ＰＳ２の間の電位差及び電荷の量がゼロになる。制御端子４ｄは、圧電定数測定制御手段５による制御が可能である。

次に、圧電定数測定制御手段５について説明する。

圧電定数測定制御手段５は、電荷量計測手段４で計測された電荷の量から、複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する。算出する圧電定数は、ｄ３３が可能である。また、圧電定数は、通常、平均化される。

例えば、複数個のパルス状の電荷の量の変化量と複数個のパルス荷重のうち、第１番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_１ｕとパルス荷重ΔＦ_１ｕが計測され（図２（ａ）、（ｂ）参照）、圧電定数のｄ３３_１ｕが以下の式（１）で算出される。
ｄ３３_１ｕ＝ΔＱ_１ｕ／ΔＦ_１ｕ ・・・（１）
同様にして、第１番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_１ｄとパルス荷重ΔＦ_１ｄ、第２番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_２ｕとパルス荷重ΔＦ_２ｕ、第２番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_２ｄとパルス荷重ΔＦ_２ｄ、第３番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_３ｕとパルス荷重ΔＦ_３ｕ、第３番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_３ｄとパルス荷重ΔＦ_３ｄ、が計測され（図２（ａ）、（ｂ）参照）、圧電定数のｄ３３_１ｄ、ｄ３３_２ｕ、ｄ３３_２ｄ、ｄ３３_３ｕ、ｄ３３_３ｄ、が算出される。そして、ｄ３３_１ｕ、ｄ３３_１ｄ、ｄ３３_２ｕ、ｄ３３_２ｄ、ｄ３３_３ｕ、ｄ３３_３ｄ、が平均化される。

圧電定数測定制御手段５は、コンピュータ（パソコン）によって実現されるのが通常である。例えば、図４に示すように、プログラム記憶部５１の中の圧電定数算出用プログラム５１ａに従って、ＣＰＵ５２は、電荷量計測手段４で計測された電荷の量のデジタルデータを入力部５３を介して入力端子５ａから入力する。そして、データ記憶部５４などを用いて上述した算出方法で圧電定数を算出し、出力部５５を介して出力端子５ｂから出力する。また、圧電定数測定制御手段５は、荷重印加手段２の第１直動モーター２３１や第２直動モーター２４１などを制御することができる。

このように、圧電定数測定装置１は、荷重印加手段２と荷重計測手段３と電荷量計測手段４と圧電定数測定制御手段５とを構成要素としたものであって、簡単な構成となっている。また、圧電定数測定装置１は、複数個のパルス状の電荷の量の変化を計測するだけで、圧電材料ＰＩの圧電定数を高精度かつ迅速に測定することができる。

なお、圧電定数測定装置１は、様々な設計変更が可能である。例えば、圧電定数測定装置１の荷重印加手段２は、第１電極制御部２３と第２電極制御部２４のいずれかが静荷重とパルス荷重のどちらも制御するようにすることが可能である。例えば、第１電極制御部２３が静荷重とパルス荷重のどちらも制御するようにし、かつ、第２電極制御部２４を図５に示すように変形することができる。ここでは、第２直動モーター２４１は、手動押下器２４１’に置き換えられている。手動押下器２４１’は、軸部２４１ａ’とハンドル部２４１ｃ’と支持部２４１ｂ’とを有する。軸部２４１ａ’は、軸部２４１ａ’に形成された雄ネジが支持部２４１ｂ’に形成された雌ネジに螺合しているため、ハンドル部２４１ｃ’の回動に応じて、支持部２４１ｂ’を基準の位置にして直動する。支持部２４１ｂ’は、軸部２４１ａ’が上下動するように圧電定数測定装置１のフレーム（図示せず）に固定されている。軸部２４１ａ’は、その下端部が荷重検出器取付プレート２４２に固定されている。このような手動押下器２４１’は、圧電材料ＰＩを第１電極２１と第２電極２２とによって支持させるため、それらの間に非常に小さい荷重（予荷重）を印加するためのものである。このようにすると、第２直動モーター２４１を用いる場合に比べ、測定の労力が少し増すが、圧電定数測定装置１のコストを下げることができる。

また、第２電極２２を他の部分から絶縁することも可能である。この場合、電荷量計測手段４は、チャージアンプを図示したものから変更して、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１及び第２の面ＰＳ２に発生する電荷の量、或いは、場合によっては第２の面ＰＳ２に発生する電荷の量だけを計測するようにすることも可能である。

次に、圧電定数測定装置１’について説明する。圧電定数測定装置１’は、圧電定数ｄ３１が測定可能な装置である。この圧電定数測定装置１’は、図６に示すように、荷重印加手段２’と荷重計測手段３’と電荷量計測手段４’と圧電定数測定制御手段５’とを備えている。なお、圧電定数測定装置１’において圧電材料ＰＩに印加される荷重とその荷重により発生する電荷の量は、基本的な波形については圧電定数測定装置１と同様であるので、図２に示す波形を参照して説明する。

荷重印加手段２’は、圧電材料ＰＩに静荷重を印加し、かつ、この静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加するものである。静荷重及びパルス荷重の大きさなどについては、圧電定数測定装置１の荷重印加手段２と同様である。

荷重印加手段２’は、第１電極２１’と第１電極補助部２１Ｓ’とを有し、かつ、第２電極２２’と第２電極補助部２２Ｓ’とを有する構成である。第１電極補助部２１Ｓ’と第２電極補助部２２Ｓ’とは、樹脂製などの絶縁体である。荷重印加手段２’は、第１電極２１’と第１電極補助部２１Ｓ’の間に圧電材料ＰＩの一方の端部（図６においては下方の端部）を挟み、第２電極２２’と第２電極補助部２２Ｓ’の間に圧電材料ＰＩの他方の端部（図６においては上方の端部）を挟むことができる。このとき、第１電極２１’は圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１に接し、第２電極２２’は圧電材料ＰＩの第２の面ＰＳ２に接する。圧電体ＰＩの第１の面ＰＳ１と第２の面ＰＳ２には、前もってアルミなどの金属が蒸着されている。この状態で、荷重印加手段２’は、圧電材料ＰＩを引き伸ばす向きに静荷重及び複数個のパルス荷重を印加する。そうすると、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１と第２の面ＰＳ２に電荷が発生する。なお、静荷重がまだ印加されていない状態であっても、圧電材料ＰＩは第１電極２１’及び第１電極補助部２１Ｓ’と第２電極２２’及び第２電極補助部２２Ｓ’とによって張った状態で保持されるため、それらの間には非常に小さい荷重（予荷重）（図２（ａ）の波形における線ｃを参照）が印加されている。

ここで、複数個のパルス荷重の印加によって、複数個のパルス状の電荷の量の変化が発生する（図２（ｂ）参照）。後述するように、複数個のパルス状の電荷の量の変化が計測されることになるが、それぞれのパルス状の電荷の量の変化は、相互に大きくは違っていないため、複数個のパルス荷重の数はそれほど多くしなくてよい。複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることが好ましく、例えば３個のパルス荷重でもよい。なお、圧電材料ＰＩの周囲（荷重印加手段２の全部又は一部の周囲を含む）はシールド材（鉄製又はアルミ製など）を設けてシールドするのが通常であるが、ノイズ等により、電荷の量の波形が全体的に少し傾斜する場合もある。

本実施形態の荷重印加手段２’の構成について、以下、詳細に説明する。本実施形態の荷重印加手段２’は、第１電極２１’と第１電極補助部２１Ｓ’が取り付けられてそれを運動制御する第１電極制御部２３’と、第２電極２２’ と第２電極補助部２２Ｓ’が取り付けられてそれを運動制御する第２電極制御部２４’と、を有している。本実施形態では、第１電極２１’は圧電材料ＰＩの下部側に配置され、第２電極２２’は圧電材料ＰＩの上部側に配置されている。

第１電極制御部２３’は、第１電極２１’を介して圧電材料ＰＩに印加する複数個のパルス荷重を制御する。第１電極制御部２３’は、上述した第１電極制御部２３の場合と同様の、第１直動モーター２３１と、電極台ケース支持棒台２３２と、複数個の電極台ケース支持棒２３３、２３３と、電極台ケース支持棒軸受部２３４と、を有している。第１電極制御部２３’は、また、上述した電極台ケース２３５と第１電極台２３６に対応する電極台ケース２３５’と第１電極台２３６’を有して構成される。

電極台ケース２３５’は、電極台ケース２３５の構成に加えて、第１電極２１’と第１電極台２３６’とを接続する電気導線２１Ａ’が通過する孔が設けられている。また、電極台ケース２３５’の上面には、第１電極補助部２１Ｓ’が取り付けられている。

第１電極台２３６’は、第１電極２１’と同電位になるように接続され、電気導線２３６Ａ’が接続されるものである。第１電極台２３６’は、電気導線２１Ａ’を介して第１電極２１’に接続されている。また、電気導線２３６Ａ’は、第１電極台２３６’の下部に接続されている。電気導線２１Ａ’、２３６Ａ’（及び後述する電気導線２２Ａ’、３１Ａ’）は、ノイズが電気信号に入らないように被覆されている。なお、ノイズ等が問題にならない範囲で、第１電極２１’と同電位のその他の箇所に電気導線２３６Ａ’を接続することも可能である。

第１電極補助部２１Ｓ’は、第１電極補助部プレート２１Ｓａ’の上側に第１電極補助部支持板２１Ｓｂ’が設けられ、その上側に、平板状の第１電極補助部挟み板２１Ｓｃ’が設けられた構成である。

第１電極２１’は、上記の第１電極補助部挟み板２１Ｓｃ’と略等しい大きさの平板状である。第１電極２１’は、圧電材料ＰＩの一方の端部を挟んだ状態で、ネジ２１Ｓｄ’などにより第１電極補助部挟み板２１Ｓｃ’に着脱可能に取り付けることができる。

次に、第２電極制御部２４’を説明する。第２電極制御部２４’は、第２電極２２’を介して圧電材料ＰＩに印加する静荷重を制御する。第２電極制御部２４’は、上述した第２電極制御部２４の場合と同様の第２直動モーター２４１を有している。第２電極制御部２４’は、また、上述した荷重検出器取付プレート２４２と第２電極取付プレート２４３に対応する荷重検出器取付プレート２４２’と第２電極取付プレート２４３’を有して構成される。

荷重検出器取付プレート２４２’は、荷重計測手段３’の荷重検出器３１’の上面が取り付けられるものである。

第２電極取付プレート２４３’は、その下面に第２電極補助部２２Ｓ’が取り付けられ、また、その上面に荷重計測手段３’の荷重検出器３１’の下面が取り付けられるものである。第２電極取付プレート２４３’は、周辺部の上面に荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ’、２４２Ａ’が取り付けられている。荷重検出器取付プレート２４２’と第２電極取付プレート２４３’は、荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ’、２４２Ａ’にガイドされて相対的に上下動可能となっている。なお、荷重検出器取付プレート摺動棒２４２Ａ’、２４２Ａ’の上部には、荷重検出器取付プレート２４２’と第２電極取付プレート２４３’の最大の離間を決める頭部２４２Ａａ’、２４２Ａａ’が設けられている。

第２電極補助部２２Ｓ’は、第２電極補助部支持板２２Ｓａ’が設けられ、その下側に、平板状の第２電極補助部挟み板２２Ｓｂ’が設けられた構成である。

第２電極２２’は、上記の第２電極補助部挟み板２２Ｓｂ’と略等しい大きさの平板状である。第２電極２２’は、圧電材料ＰＩの他方の端部を挟んだ状態で、ネジ２２Ｓｃ’などにより第２電極補助部挟み板２２Ｓｂ’に着脱可能に取り付けることができる。また、第２電極２２’には、電気導線２２Ａ’が接続されている。電気導線２２Ａ’は、第２電極取付プレート２４３’に接続されるとともに、後述する電荷量計測手段４’に接続される。なお、ノイズ等が問題にならない範囲で、第２電極２２’と同電位のその他の箇所に電気導線２２Ａ’を接続することも可能である。

荷重印加手段２’の各部は、電極台ケース２３５’の内側の絶縁体、第１電極補助部２１Ｓ’、第２電極補助部２２Ｓ’を除いて、通常、金属製である。本実施形態では、荷重印加手段２の各部は、第１電極２１’と第１電極台２３６’とを除いて、圧電定数測定装置１’のフレーム（図示せず）と同じアース電位となっている。

次に、荷重計測手段３’について説明する。

荷重計測手段３’は、上述した荷重計測手段３と同様に、圧電材料ＰＩに印加される静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測するものである。本実施形態では、荷重計測手段３’は、荷重（引っ張り荷重）を検出する荷重検出器（ロードセル）３１’と、検出した荷重に対応する電気信号をデジタルデータ化して圧電定数測定制御手段５’に出力することなどを行う荷重計測処理器３２’を有する。荷重検出器３１’は、荷重印加手段２’の機構に組み込まれており、図６において、符号３１Ａ’は、荷重検出器３１’と荷重計測処理器３２’とを接続する電気導線を示している。荷重計測処理器３２’は、荷重検出器３１’と一体化することも可能である。

次に、電荷量計測手段４’について説明する。電荷量計測手段４’は、上述した電荷量計測手段４と同様な構成にすることができる。電荷量計測手段４’には、電気導線２２Ａ’、電気導線２３６Ａ’を接続する。

次に、圧電定数測定制御手段５’について説明する。

圧電定数測定制御手段５’は、電荷量計測手段４’で計測された電荷の量から、複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する。算出する圧電定数は、ｄ３１が可能である。また、圧電定数は、通常、平均化される。

圧電定数測定装置１の説明で用いた図２（ａ）、（ｂ）を用いると、例えば、複数個のパルス状の電荷の量の変化量と複数個のパルス荷重のうち、第１番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_１ｕとパルス荷重ΔＦ_１ｕが計測され、圧電定数のｄ３１_１ｕが以下の式（２）で算出される。
ｄ３１_１ｕ＝（ΔＱ_１ｕ／ΔＦ_１ｕ）×（ｔ／Ｌ） ・・・（２）
ここで、ｔは圧電材料ＰＩの厚さ（第１電極２１’と第１電極補助部２１Ｓ’の間又は第２電極２２’と第２電極補助部２２Ｓ’の間の圧電材料ＰＩの厚さ）、Ｌは圧電材料ＰＩの引き延ばされる部分の長さ（第１電極２１’と第２電極補助部２２Ｓ’の間又は第１電極補助部２１Ｓ’と第２電極２２’の間の圧電材料ＰＩの長さ）である。同様にして、第１番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_１ｄとパルス荷重ΔＦ_１ｄ、第２番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_２ｕとパルス荷重ΔＦ_２ｕ、第２番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_２ｄとパルス荷重ΔＦ_２ｄ、第３番目の立ち上りでの変化量ΔＱ_３ｕとパルス荷重ΔＦ_３ｕ、第３番目の立ち下りでの変化量ΔＱ_３ｄとパルス荷重ΔＦ_３ｄ、が計測され、圧電定数のｄ３１_１ｄ、ｄ３１_２ｕ、ｄ３１_２ｄ、ｄ３１_３ｕ、ｄ３１_３ｄ、が算出される。そして、ｄ３１_１ｕ、ｄ３１_１ｄ、ｄ３１_２ｕ、ｄ３１_２ｄ、ｄ３１_３ｕ、ｄ３１_３ｄ、が平均化される。

圧電定数測定制御手段５’は、上述した圧電定数測定制御手段５と同様にして、コンピュータ（パソコン）によって実現されるのが通常であり、また、荷重印加手段２’の第１直動モーター２３１や第２直動モーター２４１などを制御することができる。

このように、圧電定数測定装置１’は、荷重印加手段２’と荷重計測手段３’と電荷量計測手段４’と圧電定数測定制御手段５’とを構成要素としたものであって、簡単な構成となっている。また、圧電定数測定装置１’は、複数個のパルス状の電荷の量の変化を計測するだけで、圧電材料ＰＩの圧電定数を高精度かつ迅速に測定することができる。

なお、圧電定数測定装置１’は、様々な設計変更が可能である。例えば、圧電定数測定装置１’の荷重印加手段２’は、第１電極制御部２３’と第２電極制御部２４’のいずれかが静荷重とパルス荷重のどちらも制御するようにすることが可能である。また、第２電極２２’を他の部分から絶縁することも可能である。この場合、電荷量計測手段４’は、圧電材料ＰＩの第１の面ＰＳ１及び第２の面ＰＳ２に発生する電荷の量、或いは、場合によっては第２の面ＰＳ２に発生する電荷の量だけを計測するようにすることも可能である。

以上、本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置について説明したが、本発明の圧電定数測定装置及び圧電定数測定方法は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。

１、１’ 圧電定数測定装置
２、２’ 荷重印加手段
２１、２１’ 第１電極
２１ａ 第１電極のネジ部
２１Ｓ’ 第１電極補助部
２１Ｓａ’ 第１電極補助部プレート
２１Ｓｂ’ 第１電極補助部支持板
２１Ｓｃ’ 第１電極補助部挟み板
２１Ｓｄ’ ネジ
２２、２２’ 第２電極
２２ａ 第２電極のネジ部
２２Ａ、２２Ａ’ 第２電極の電気導線
２２Ｓ’ 第２電極補助部
２２Ｓａ’ 第２電極補助部支持板
２２Ｓｂ’ 第２電極補助部挟み板
２２Ｓｃ’ ネジ
２３、２３’ 第１電極制御部
２３１ 第１直動モーター
２３１ａ 第１直動モーターの直動部
２３１ｂ 第１直動モーターの支持部
２３２ 電極台ケース支持棒台
２３３ 電極台ケース支持棒
２３４ 電極台ケース支持棒軸受部
２３４ａ 電極台ケース支持棒軸受部の下部プレート
２３４ｂ 電極台ケース支持棒軸受部の上部プレート
２３４ｃ 電極台ケース支持棒軸受部のプレート固定ネジ
２３４ｄ 電極台ケース支持棒軸受
２３４ｅ 電極台保持バネ
２３５、２３５’ 電極台ケース
２３６、２３６’ 第１電極台
２３６Ａ、２３６Ａ’ 第１電極台の電気導線
２４、２４’ 第２電極制御部
２４１ 第２直動モーター
２４１ａ 第２直動モーターの直動部
２４１ｂ 第２直動モーターの支持部
２４１’ 手動押下器
２４１ａ’ 手動押下器の軸部
２４１ｂ’ 手動押下器の支持部
２４１ｃ’ 手動押下器のハンドル部
２４２、２４２’ 荷重検出器取付プレート
２４２Ａ、２４２Ａ’ 荷重検出器取付プレート摺動棒
２４２Ａａ、２４２Ａａ’ 荷重検出器取付プレート摺動棒の頭部
２４２Ｂ 荷重検出器保持バネ
２４３、２４３’ 第２電極取付プレート
３、３’ 荷重計測手段
３１、３１’ 荷重検出器
３１Ａ、３１Ａ’ 荷重検出器の電気導線
３２、３２’ 荷重計測処理器
４、４’ 電荷量計測手段
４ａ、４ｂ 電荷量計測手段の入力端子
４ｃ 電荷量計測手段の出力端子
４ｄ 電荷量計測手段の制御端子
４１ 電荷量計測手段のオペアンプ
４２ 電荷量計測手段のコンデンサ
４３ 電荷量計測手段の高抵抗
４４ 電荷量計測手段のＡＤコンバータ
４５ 電荷量計測手段の接続スイッチ
５、５’ 圧電定数測定制御手段
５ａ 圧電定数測定制御手段の入力端子
５ｂ 圧電定数測定制御手段の出力端子
５１ 圧電定数測定制御手段のプログラム記憶部
５１ａ 圧電定数測定制御手段の圧電定数算出用プログラム
５２ 圧電定数測定制御手段のＣＰＵ
５３ 圧電定数測定制御手段の入力部
５４ 圧電定数測定制御手段のデータ記憶部
５５ 圧電定数測定制御手段の出力部
ＰＩ 圧電材料
ＰＳ１ 圧電材料の一方側の面である第１の面
ＰＳ２ 圧電材料の他方側の面である第２の面

上記目的を達成するために、請求項１に記載の圧電定数測定装置は、圧電材料に静荷重を印加し、かつ、該静荷重が印加されている間に、一定変化値で立ち上がって一定値を保ち前記一定変化値で立ち下がる複数個のパルス荷重を発生して前記圧電材料に印加する荷重印加手段と、前記圧電材料に印加される前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測する荷重計測手段と、前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重が印加されることによって前記圧電材料に発生する電荷の量を計測する電荷量計測手段と、前記計測された電荷の量により、前記複数個のパルス荷重の前記一定変化値により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と前記計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する圧電定数測定制御手段と、を備えることを特徴とする。

Claims (9)

1. 圧電材料に静荷重を印加し、かつ、該静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加する荷重印加手段と、
   前記圧電材料に印加される前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測する荷重計測手段と、
   前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重が印加されることによって前記圧電材料に発生する電荷の量を計測する電荷量計測手段と、
   前記計測された電荷の量により、前記複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と前記計測されたパルス荷重から圧電定数を算出する圧電定数測定制御手段と、を備えることを特徴とする圧電定数測定装置。
2. 請求項１に記載の圧電定数測定装置において、
   前記荷重印加手段は、第１電極を有し該第１電極を前記圧電材料の第１の面に接させ、第２電極を有し該第２電極を前記圧電材料の第２の面に接させ、前記圧電材料を圧縮する向きに前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を印加し、
   前記電荷量計測手段は、前記第１電極又は／及び前記第２電極を通して前記圧電材料に発生する電荷を入力し、
   前記圧電定数測定制御手段は、圧電定数であるｄ３３を算出することを特徴とする圧電定数測定装置。
3. 請求項２に記載の圧電定数測定装置において、
   前記荷重印加手段は、前記第１電極を直動させる第１直動モーターを有し、前記第２電極を直動させる第２直動モーター又は手動押下器を有することを特徴とする圧電定数測定装置。
4. 請求項１に記載の圧電定数測定装置において、
   前記荷重印加手段は、第１電極と第１電極補助部とを有し、それらの間に、該第１電極を前記圧電材料の第１の面に接させながら前記圧電材料の一方の端部を挟み、かつ、第２電極と第２電極補助部とを有し、それらの間に、該第２電極を前記圧電材料の第２の面に接させながら前記圧電材料の他方の端部を挟み、前記圧電材料を引き伸ばす向きに前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を印加し、
   前記電荷量計測手段は、前記第１電極又は／及び前記第２電極を通して前記圧電材料に発生する電荷を入力し、
   前記圧電定数測定制御手段は、圧電定数であるｄ３１を算出することを特徴とする圧電定数測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電定数測定装置において、
   前記複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることを特徴とする圧電定数測定装置。
6. 圧電材料に静荷重を印加し、かつ、該静荷重が印加されている間に複数個のパルス荷重を印加し、
   前記圧電材料に印加される前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重を計測し、
   前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重が印加されることによって前記圧電材料に発生する電荷の量を計測し、
   前記計測された電荷の量により、前記複数個のパルス荷重により発生した複数個のパルス状の電荷の量の変化量を計測し、その変化量と前記計測されたパルス荷重から圧電定数を算出することを特徴とする圧電定数測定方法。
7. 請求項６に記載の圧電定数測定方法において、
   前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重は、前記圧電材料を圧縮する向きに印加し、
   圧電定数は、ｄ３３を算出することを特徴とする圧電定数測定方法。
8. 請求項６に記載の圧電定数測定方法において、
   前記静荷重及び前記複数個のパルス荷重は、前記圧電材料を引き伸ばす向きに印加し、
   圧電定数は、ｄ３１を算出することを特徴とする圧電定数測定方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の圧電定数測定方法において、
   前記複数個のパルス荷重は、３個以上のパルス荷重であることを特徴とする圧電定数測定方法。

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