JP3785785B2

JP3785785B2 - Material property measuring device

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Publication number: JP3785785B2
Application number: JP02358698A
Authority: JP
Inventors: 芳雄大橋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JPH11223623A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の動的ヤング率、損失係数を測定する材料物性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、被測定材料のヤング率、損失係数を求めるときには、機械的共振法と称される手法を用いていた。この機械的共振法とは、短冊状に成形された被測定材料片を強制的に加振してヤング率、損失係数を求める。すなわち、この機械的共振法とは、強制的に加振して、振動特性を検出することで、被測定材料片の共振周波数及び尖鋭度を求め、被測定材料片の寸法、質量密度等から損失係数を求める手法である。
【０００３】
この機械的共振法によれば、被測定材料片のヤング率Ｅ、損失係数ηは下記の式１、式２にしたがって求められる。
Ｅ＝48π²ρＬ⁴ｆｎ²／Ｔ²λｎ⁴ （１）
η＝（△ｆｎ）／ｆｎ（２）
ここで、ｎは共振モードの次数、ρは被測定材料片の密度［ｋｇ／ｍ³］、Ｌは振動の有効長［ｍ］、ｆｎはｎ次の共振周波数［Ｈｚ］、Ｔは被測定材料片の厚さ［ｍ］である。λｎは定数でありｎ＝１，２，３・・・に対して1.875,4.694,7.855・・・という値を示す。△ｆｎはｎ次の振動モードにおける半値幅である。
【０００４】
この機械的共振法で用いる被測定材料片１００としては、図１５に示すように試験材料１０１のみからなるものや、図１６に示すように試験材料１０１と基板１０２とからなる２層構造のものを用いる。これは、ヤング率が低いものや、損失係数の大きいものを測定するためである。この図１６に示した被測定材料片１００は、試験材料１０１を基板１０２上に接着することで作成される。そして、この機械的共振法では、試験材料１０１と基板１０２とからなる被測定材料片１００のヤング率、損失係数を測定し、これらの値から試験材料１０１のヤング率、損失係数を求める。ここで、基板１０２としては、損失係数が非常に小さく略々０と見なせる材料を用いているが、基板１０２の損失係数を考慮すると、試験材料１０１のヤング率、損失係数は下記の式３、式４にしたがって求められる。

ここで、E1,E2は試験材料１０１，基板１０２のヤング率である。T1，T2は試験材料１０１，基板１０２の厚さであり、MはE1/E2で表現され、TはT1/T2で表現される。fnc,fn2はそれぞれ試験材料１０１、基板１０２のｎ次の共振周波数であり、αは(fnc/fn2)²(1+DT),βは4+6T+4T²で表現される。また、D=σ1/σ2であり、σ1,σ2は試験材料１０１、基板１０２の密度である。η1、η2、ηcは試験材料１０１、基板１０２、被測定材料片１００の損失係数である。
【０００５】
この機械的共振法により試験材料１０１のヤング率、損失係数を求めるときには、図１７に示すような電磁式材料物性測定装置１１０が使用される。このような電磁式材料物性測定装置１１０で被測定材料片１００のヤング率、損失係数を求めるときには、短冊状に成形した被測定材料片１００の一方の端部をクランプ部１１１に固定し、他方の端部を電磁加振器１１２を用いて図１７中のＡ方向に加振する。このとき、電磁式振動検出器１１３を用いて被測定材料片１００の振動を検出し、ＦＦＴ（fast fourier transform）又は周波数アナライザを用いて動的ヤング率、損失係数を算出する。ここで、加振器１１２の加振周波数は約１０ｋＨｚ以下である。なお、この図１７に示した電磁式材料物性測定装置１１０では、被測定材料片１００が磁性体であることを要する。
【０００６】
一方、被測定材料片１００が非磁性材料であるときには、図１８に示すような電磁式材料物性測定装置１２０を用いてヤング率、損失係数を求める。この図１８に示した電磁式材料物性測定装置１２０は、上述した図１７の電磁式材料物性測定装置１１０と略同一の構成となっており、異なる点は、被測定材料片１００が非磁性体であることから、電磁式振動検出部１１３及び電磁式加振器１１２を機能させるために被測定材料片１００に磁性材料片１２１を接着している点である。
【０００７】
また、被測定材料片１００が非磁性体である場合の他のヤング率、損失係数の測定方法としては、図１９に示すように、静電ピックアップを用いた材料物性測定装置１３０を用いる方法がある。この材料物性測定装置１３０では、被測定材料片１００の一方の端部を電磁式加振器１３１に固定し、他方の端部の上方に配された静電ピックアップ１３２で振動を検出する。このとき、静電ピックアップ１３２は、放出する静電気を検出することで被測定材料片１００との距離を検出して、被測定材料片１００の振動特性を検出する。また、静電ピックアップ１３２は、被測定材料片１００の幅方向における全面に相当する大きさを有して被測定材料片１００の上方に配設される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の図１７に示した電磁式材料物性測定装置１１０では、加振法、検出法として電磁式を採用しているので、非磁性材料の加振、振動検出が不可能であり、従って非磁性材料の測定はできない。
【０００９】
また、上述の図１７及び図１８に示した電磁式材料物性測定装置１１０，１２０では、装置の構成上、薄い材料や、柔らかい材料の加振は非常に困難である。さらに、図１８に示した電磁式材料物性測定装置１２０では、被測定材料片１００の一部に磁性体を接着して測定を行う必要があり、測定精度を劣化させてしまう。
【００１０】
また、上述の図１９に示した材料物性測定装置１３０では、被測定材料片１００を振動させて振動特性を測定すると、図２０に示すようにノイズＡを生じてしまう。すなわち、この材料物性測定装置１３０では、静電ピックアップ１３２が被測定材料片１００の短軸方向における全面に相当する大きさを有して被測定材料片１００の上方に配設されているので、例えば測定に必要な曲げ振動以外に、ねじれ振動も検出してしまう。その結果、この材料物性測定装置１３０では、振動特性の測定精度を向上させることが困難という問題がある。
【００１１】
さらに、上述したいずれの測定装置１１０，１２０，１３０においても、加振器が約１０ｋＨｚ程度までしか被測定材料片１００を加振させることができず、それ以上高周波における振動特性の測定が行えない、という不都合がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、周波数が１０ｋＨｚ以上における振動特性の測定を可能とするとともに、振動特性の検出精度を向上させた材料物性測定装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する本発明に係る材料物性測定装置は、被測定物を固定するとともに被測定物の固定部を振動させる積層圧電素子を有する固定振動手段と、固定振動手段で振動されている被測定物にレーザ光を照射し、ドップラー効果を用いて被測定物の振動を検出する振動検出手段と、信号発生手段で周波数に対して一定な駆動電圧を供給して被測定物を所定の周波数で振動させ、振動検出手段からの検出結果を用いて、被測定物のヤング率及び損失係数を演算する演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
このような材料物性測定装置は、圧電素子を用いた固定振動手段で固定された被測定物を振動させるとともに、振動検出手段で被測定物の振動を検出し、この振動検出手段で検出された結果を用いて被測定物のヤング率及び損失係数を演算する。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１は、第１の実施の形態に係る材料物性測定装置１を示す図である。この材料物性測定装置１は、被測定材料片２を備えた積層圧電アクチュエータ３と、積層圧電アクチュエータ３に駆動電圧を供給する駆動信号発生部４と、レーザードップラー振動計５と、これら各部を制御する制御部６とを備える。
【００１７】
積層圧電アクチュエータ３は、クランプ用治具７とクランプ用ねじ８とからなるクランプ部９を備える。この積層圧電アクチュエータ３は、このクランプ部９で短冊状に成形された被測定材料片２の長軸方向における一方の端部（固定端）２ａを固定している。この積層圧電アクチュエータ３の被測定材料片２の固定端２ａは、被測定材料片２の振動特性を測定するときの測定周波数より高くなるようになされている。
【００１８】
積層圧電アクチュエータ３は、積層圧電素子を備えており、この積層圧電素子に駆動信号発生部４からの駆動電圧が供給される。この積層圧電アクチュエータ３は、駆動信号発生部４からの駆動電圧に応じて積層圧電素子が伸縮され、被測定材料片２の他方の端部（自由端）２ｂを約数Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の周波数ｆで振動させる。この積層圧電アクチュエータ３は、駆動電圧に応じて一定の振動方向Ａにのみ被測定材料片２を振動させる。
【００１９】
なお、本実施の形態においては、被測定材料片２の端部のうち、積層圧電アクチュエータ３により固定されている端部を「固定端２ａ」と称し、積層圧電アクチュエータ３により振動される端部を「自由端２ｂ」と称する。
【００２０】
この積層圧電アクチュエータ３で振動される被測定材料片２は、１次共振周波数で振動されているときには図２（ａ）で示すように変形して振動され、２次共振周波数で振動されているときには図２（ｂ）で示すように変形して振動され、３次共振周波数で振動されているときには図２（ｃ）で示すように変形して振動される。この被測定材料片２は、このように共振周波数に応じて振動時の形状が変形されることで、自由端２ｂの振動速度が変化することとなる。
【００２１】
積層圧電アクチュエータ３は、図１に示すように、固定ブロック１０と接続されている。この固定ブロック１０は、質量密度、損失係数ともに大きいもので構成されている。
【００２２】
駆動信号発生部４は、制御部６からの制御信号に応じて積層圧電アクチュエータ３を駆動させるための駆動電圧を発生する。この駆動信号発生部４は、被測定材料片２に対する積層圧電アクチュエータ３の加振力を一定とするために、制御部６からの一定の電圧を示す制御信号に対して被測定材料片２を振動させる周波数ｆの２乗を除算処理することで駆動電圧を生成して積層圧電アクチュエータ３に供給する。
【００２３】
レーザードップラー振動計５は、図３に示すように、レーザ光を出射する光源１１と、光源１１から出射されたレーザ光を被測定材料片２に導くとともに被測定材料片２からの戻り光を検出する光学系１２，１３と、所定の周波数で光源１１からのレーザ光を変調する変調器１４と、被測定材料片２からの戻り光及び変調器１４で変調されたレーザ光が入射されるフォトダイオード１５とから構成されている。
【００２４】
レーザードップラー振動計５は、光源１１からのレーザ光を短冊状に成形された被測定材料片２の自由端２ｂの短軸方向Ｂにおける中央位置Ｃに照射する。そして、このレーザードップラー振動計５は、被測定材料片２からの戻り光を検出することで、被測定材料片２の振動状態を検出する。
【００２５】
すなわち、レーザードップラー振動計５は、制御部６からの制御信号に応じて光源１１から周波数ｆ₀のレーザ光を出射し、光学系１２，１３で積層圧電アクチュエータ３に固定されている被測定材料片２に照射する。そして、このレーザードップラー振動計５では被測定材料片２からの戻り光をフォトダイオード１５で検出する。ここで、被測定材料片２からの戻り光は、被測定材料片２の振動速度に比例した周波数変化をうけ、周波数がｆ_Dだけ変化し、ｆ₀＋ｆ_Dで示される周波数となる。
【００２６】
一方、光源１１から出射されたレーザ光は、変調器１４に入射される。この変調器１４は、本実施の形態では例えば約８０ＭＨｚの変調処理を施す。この変調器１４に入射されたレーザ光は、変調されることで周波数がｆ₀＋８０ＭＨｚとされる。この変調されたレーザ光は、フォトダイオード１５で検出される。
【００２７】
フォトダイオード１５は、これら変調器１４からのレーザ光と、被測定材料片２からの戻り光とを検出することで、被測定材料片２の振動速度に比例した振動周波数の変化（８０＋ｆ_D）を検出する。ここで、ｆ_Dは、振動速度に比例し、以下の式で表現される。
ｆ_D＝２ｖ（ｔ）／λ
ここで、ｖは被測定材料片２の単位時間ｔにおける速度を示し、λはレーザ光の波長を示している。そして、このレーザードップラー振動計５は、被測定材料片２の振動周波数に対応する振動速度を検出結果として制御部６に供給する。
【００２８】
このようなレーザードップラー振動計５で検出した被測定材料片２の振動は、図４に示すように、２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの範囲内において、ノイズを検出するようなことなく被測定材料片２の振動を検出することがわかる。
【００２９】
制御部６は、レーザードップラー振動計５からの検出結果に応じて図５に示すような振動周波数［Ｈｚ］−ゲイン［ｄＢ］特性を検出する。この制御部６は、図５のゲインの各ピークにおける振動周波数の値を被測定材料片２の共振周波数として検出するとともに、各共振周波数における尖鋭度を検出する。ここで、共振周波数は、低周波数側のピークから順次１次共振周波数，２次共振周波数，３次共振周波数，・・・ｎ次共振周波数と検出する。制御部６は、振動周波数−ゲイン特性から検出した各共振周波数ｆｎを用いて、下記式１でヤング率Ｅを演算し、下記式２で損失係数ηを演算する。
Ｅ＝48π²ρＬ⁴ｆｎ²／Ｔ²λｎ⁴ （１）
η＝（△ｆｎ）／ｆｎ（２）
ここで、ｎは共振モードの次数、ρは被測定材料片２の密度［ｋｇ／ｍ³］、Ｌは振動の有効長［ｍ］、ｆｎはｎ次の共振周波数、Ｔは被測定材料片２の厚さ［ｍ］である。λｎは定数でありｎ＝１，２，３・・・に対して1.875,4.694,7.855・・・という値を示す。△ｆｎはｎ次の振動モードにおける半値幅である。
【００３０】
なお、図５における振動周波数−ゲイン特性における被測定材料片２は短冊状に成形されたアルミニウムであり、長軸方向の長さが約５３ｍｍ、厚さが約０．４９ｍｍ、短軸方向の長さが約５ｍｍ、質量密度が約２６００kg/m³である。
【００３１】
この図５によれば、１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚまでの被測定材料片２の振動が精度良く検出されていることがわかる。
【００３２】
また、図６に検出した振動に基づいて式１で算出したヤング率Ｅの周波数特性を示し、図７に検出した振動に基づいて式２で算出した損失係数ηの周波数特性を示す。この図６及び図７によれば、１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚまでのヤング率、損失係数の周波数特性が線形となっているので、精度良く測定されていることがわかる。
【００３３】
このように構成された材料物性測定装置１で被測定材料片２のヤング率、損失係数を求めるときには、先ず、駆動信号発生部４において制御部６からの制御信号に応じて積層圧電アクチュエータ３を駆動させるための駆動電圧を発生させて、この駆動電圧を積層圧電アクチュエータ３に供給する。
【００３４】
次に、積層圧電アクチュエータ３では、駆動信号発生部４からの駆動信号に応じて積層圧電素子を駆動させ、被測定材料片２の自由端２ｂを振動させる。このとき、制御部６は、被測定材料片２を振動させるような制御信号を生成して、被測定材料片２の振動周波数を制御する。
【００３５】
次に、制御部６は、レーザードップラー振動計５を駆動させるような制御信号を生成出力し、レーザードップラー振動計５で被測定材料片２の振動状態を検出させる。このとき、レーザードップラー振動計５では、被測定材料片２からの戻り光を検出することで、被測定材料片２の振動速度に応じた検出結果を生成して制御部６に供給する。
【００３６】
次に、制御部６では、レーザードップラー振動計５からの検出結果に応じて上述の式１でヤング率を演算し、式２で損失係数を演算する。なお、制御部６は、図示しないメモリを備えており、被測定材料片２に応じた密度ρ［ｋｇ／ｍ³］、振動の有効長Ｌ［ｍ］、被測定材料片の厚さＴ［ｍ］等のパラメータを格納しておき、ヤング率及び損失係数の演算時に適宜読み出して演算を行う。
【００３７】
このように構成された材料物性測定装置１は、被測定材料片２を振動させるのに積層圧電アクチュエータ３を用いているので、数Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の広い周波数帯域においてヤング率及び損失係数の測定を行うことができる。また、この材料物性測定装置１は、被測定材料片２の振動を検出するのにレーザードップラー振動計５を用いているので、数Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の広い周波数帯域においてヤング率及び損失係数の測定を精度良く行うことができる。
【００３８】
また、この材料物性測定装置１は、レーザードップラー振動計５で被測定材料片２の振動を検出するときに、自由端２ｂの短軸方向Ｂにおける中心位置Ｃにレーザ光を照射させているので、被測定材料片２にねじり振動が生じてもねじりを検出するようなことがなく、精度良く被測定材料片２の振動を検出することができる。
【００３９】
つぎに、第２の実施の形態に係る材料物性測定装置３０について説明する。なお、以下の第２の実施の形態に係る材料物性測定装置３０説明においては、上述の第１の実施の形態に係る材料物性測定装置１と同一の部分は同一の符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４０】
この材料物性測定装置３０は、図８に示すように、積層圧電アクチュエータ３１と、駆動信号発生部４と、レーザードップラー振動計５と、制御部３５とから構成されている。
【００４１】
積層圧電アクチュエータ３１は、積層圧電素子を備えており、この積層圧電素子に駆動信号発生部４から駆動電圧が供給される。この積層圧電アクチュエータ３１は、駆動信号発生部４からの駆動電圧に応じて積層圧電素子が伸縮され、被測定材料片２を振動させる。
【００４２】
この積層圧電アクチュエータ３１は、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えばステンレス等のヤング率が高く損失係数の小さいクランプ用治具３２とクランプ用ねじ３３とからなるクランプ部３４を備える。この積層圧電アクチュエータ３１は、このクランプ部３４で被測定材料片２の両端部を固定している。このクランプ部３４は、共振周波数が被測定材料片２の振動特性を測定する測定周波数より高くなるようになされている。
【００４３】
この積層圧電アクチュエータ３１で振動される被測定材料片２は、図１０に示すように、１次共振周波数で振動されているときには図１０（ａ）に示すように変形して振動され、３次，５次，７次共振周波数で振動されているときにはそれぞれ図１０（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように変形して振動される。この被測定材料片２は、このように共振周波数に応じて振動時の形状が変形されることで、検出位置における振動速度が変化されることとなる。
【００４４】
なお、この材料物性測定装置３０において、積層圧電アクチュエータ３で両端を固定して被測定材料片２の振動特性を検出する場合には、奇数次の共振周波数のみが検出され、偶数次の共振周波数は検出されない。
【００４５】
レーザードップラー振動計５は、上述の第１の実施の形態に係るものと同様の構成を有するが、光源１１から出射されたレーザ光を図９（ｂ）に示す被測定材料片２の中心位置Ｄに照射する点で異なる。
【００４６】
このような材料物性測定装置３０では、積層圧電アクチュエータ３で被測定材料片２の両端を固定し、積層圧電アクチュエータ３で被測定材料片２の中心位置Ｄにレーザ光を照射するので、図１０に示すように、各共振周波数時の被測定材料片２の中心位置Ｄが常に正弦波形状における腹の部分となる。
【００４７】
制御部３５は、駆動信号発生部４に積層圧電アクチュエータ３を駆動させるような制御信号を生成出力するとともに、レーザードップラー振動計５からの被測定材料片２の振動周波数に対応する振動速度を検出結果として入力される。
【００４８】
この制御部３５は、供給された検出結果から被測定材料片２の共振周波数及び共振周波数における尖鋭度を求める。制御部６は、レーザードップラー振動計５からの検出結果から検出した共振周波数ｆｎを用いて、下記式５でヤング率Ｅを演算し、下記式６で損失係数ηを演算する。
Ｅ＝48π²ρＬ⁴ｆｎ²／Ｔ²λｎ⁴ (n=1,3,5,・・・) （５）
η＝（△ｆｎ）／ｆｎ（６）
ここで、ｎは共振モードの次数、ρは被測定材料片の密度［ｋｇ／ｍ³］、Ｌは振動の有効長［ｍ］、ｆｎはｎ次の共振周波数、Ｔは被測定材料片の厚さ［ｍ］である。λｎは定数でありｎ＝１，３，５・・・に対して4.73,10.996,17.279,・・・という値を示す。△ｆｎはｎ次の振動モードにおける半値幅である。
【００４９】
つぎに、この材料物性測定装置３０で被測定材料片２としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を用いたときのヤング率、損失係数の周波数特性を図１１及び図１２に示す。図１１は検出した振動に基づいて式５で算出したヤング率Ｅの周波数特性を示し、図１２は検出した振動に基づいて式６で算出した損失係数ηの周波数特性を示す。この図１１及び図１２によれば、約１Ｈｚ〜約２０ｋＨｚまでのヤング率、損失係数の周波数特性が線形となっており、精度良く測定されていることがわかる。なお、上述の図１１及び図１２に示した測定におけるＰＥＴの寸法としては、厚さが約０．１０ｍｍ、短軸方向における長さが約５ｍｍである。
【００５０】
また、材料物性測定装置３０で被測定材料片２として主にスピーカ装置等のエッジ材として使用されるＳＢＲ（スチレン-ブタジエン-ラバー）を用いたときのヤング率、損失係数の周波数特性を図１３及び図１４に示す。図１３は検出した振動に基づいて式３で算出したヤング率Ｅの周波数特性を示し、図１４は検出した振動に基づいて式４で算出した損失係数ηの周波数特性を示す。この図１３及び図１４によれば、約２００Ｈｚ〜約１０ｋＨｚまでのヤング率、損失係数の周波数特性が線形となっており、精度良く測定されていることがわかる。なお、上述の図１３から図１４に示した測定におけるＳＢＲの寸法としては、厚さが約０．４０ｍｍ、短軸方向における長さが約５ｍｍである。
【００５１】
したがって、このような材料物性測定装置３０によれば、積層圧電アクチュエータ３により被測定材料片２の両端を固定して振動させ、レーザードップラー振動計５により被測定材料片２の中心位置Ｄにレーザ光を照射させて被測定材料片２の振動を検出しているので、上述のＰＥＴやＳＢＲのように柔らかい材料であっても振動を検出することができ、高い精度でヤング率、損失係数を求めることができる。
【００５２】
また、この材料物性測定装置３０では、被測定材料片２の中心位置Ｄにレーザ光を照射して被測定材料片２の振動を検出しているので、被測定材料片２にねじれ振動が生じても、ねじれによるノイズを検出するようなことがない。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る材料物性測定装置は、被測定物を固定するとともに被測定物の固定部を振動させる積層圧電素子を有する固定振動手段と、固定振動手段で振動されている被測定物にレーザ光を照射し、ドップラー効果を用いて被測定物の振動を検出する振動検出手段とを備え、信号発生手段で周波数に対して一定な駆動電圧を供給して被測定物を所定の周波数で振動させるので、数Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度まで被測定物を振動させることができ、さらに振動させた被測定物の振動を精度良く検出することができ、被測定物のヤング率及び損失係数を求めることができる。
【００５４】
また、この材料物性測定装置によれば、例えば短冊状に成形された被測定物の両端を固定振動手段により固定して振動させ、振動検出手段で振動を検出することで、非常に柔らかい材料であっても精度良く振動を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る材料物性測定装置の一例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る材料物性測定装置で被測定材料片を振動させたときの各共振周波数における形状を示す図である。
【図３】レーザードップラー振動計の構成を示すブロック図である。
【図４】レーザードップラー振動計により検出した振動周波数−ゲイン特性を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る材料物性測定装置で検出した振動周波数−ゲイン特性を示す図である。
【図６】第１の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めたヤング率の周波数特性を示す図である。
【図７】第１の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めた損失係数の周波数特性を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置の一例を示す図である。
【図９】クランプ部で被測定材料片の両端を固定する一例を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置で被測定材料片を振動させたときの各共振周波数におけるの形状を示す図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めたＰＥＴのヤング率の周波数特性を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めたＰＥＴの損失係数の周波数特性を示す図である。
【図１３】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めたＳＢＲのヤング率の周波数特性を示す図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る材料物性測定装置で求めたＳＢＲの損失係数の周波数特性を示す図である。
【図１５】単層構造の被測定材料片の一例を示す図である。
【図１６】２層構造の被測定材料片の一例を示す図である。
【図１７】被測定材料片が磁性体であるときの従来の電磁式材料物性測定装置を示す図である。
【図１８】被測定材料片が非磁性体であるときの従来の電磁式材料物性測定装置を示す図である。
【図１９】静電ピックアップを用いた従来の材料物性測定装置を示す図である。
【図２０】図１９に示した従来の材料物性測定装置で検出した振動周波数−ゲイン特性を示す図である。
【符号の説明】
１，３０材料物性測定装置、２被測定材料片、３，３１積層圧電アクチュエータ、４駆動信号発生部、５レーザードップラー振動計、６，３５制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a material property measuring apparatus for measuring dynamic Young's modulus and loss coefficient of various materials.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when obtaining the Young's modulus and loss factor of a material to be measured, a method called a mechanical resonance method has been used. In this mechanical resonance method, a Young's modulus and a loss coefficient are obtained by forcibly vibrating a piece of material to be measured formed into a strip shape. That is, the mechanical resonance method is to forcibly vibrate and detect the vibration characteristics to obtain the resonance frequency and sharpness of the material piece to be measured, from the size, mass density, etc. of the material piece to be measured. This is a technique for obtaining a loss factor.
[0003]
According to this mechanical resonance method, the Young's modulus E and the loss coefficient η of the material piece to be measured are obtained according to the following

formulas

1 and 2.
E = 48π ² ρL ^Four fn ² / T ² λn ^Four (1)
η = (Δfn) / fn (2)
Here, n is the order of the resonance mode, ρ is the density of the material piece to be measured [kg / m ^Three ], L is the effective vibration length [m], fn is the n-th resonance frequency [Hz], and T is the thickness [m] of the piece of material to be measured. .lambda.n is a constant and indicates values of 1.875, 4.694, 7.855... for n = 1, 2, 3,. Δfn is the half width in the n-th vibration mode.
[0004]
The material piece 100 to be measured used in this mechanical resonance method is composed of only the test material 101 as shown in FIG. 15, or has a two-layer structure composed of the test material 101 and the substrate 102 as shown in FIG. Is used. This is for measuring a low Young's modulus or a large loss factor. The material piece 100 to be measured shown in FIG. 16 is created by bonding the test material 101 onto the substrate 102. In this mechanical resonance method, the Young's modulus and loss coefficient of the material piece 100 to be measured consisting of the test material 101 and the substrate 102 are measured, and the Young's modulus and loss coefficient of the test material 101 are obtained from these values. Here, as the substrate 102, a material having a very small loss factor is used, but considering the loss factor of the substrate 102, the Young's modulus and loss factor of the test material 101 are expressed by the following Equation 3, It is obtained according to Equation 4.

Here, E1 and E2 are Young's moduli of the test material 101 and the substrate 102, respectively. T1 and T2 are thicknesses of the test material 101 and the substrate 102, M is expressed by E1 / E2, and T is expressed by T1 / T2. fnc and fn2 are n-order resonance frequencies of the test material 101 and the substrate 102, respectively, and α is (fnc / fn2) ² (1 + DT), β is 4 + 6T + 4T ² It is expressed by Further, D = σ1 / σ2, and σ1, σ2 are the densities of the test material 101 and the substrate 102, respectively. η1, η2, and ηc are loss coefficients of the test material 101, the substrate 102, and the material piece 100 to be measured.
[0005]
When obtaining the Young's modulus and loss factor of the test material 101 by this mechanical resonance method, an electromagnetic material property measuring apparatus 110 as shown in FIG. 17 is used. When obtaining the Young's modulus and loss factor of the material piece 100 to be measured with such an electromagnetic material property measuring apparatus 110, one end of the material piece 100 to be measured formed into a strip shape is fixed to the clamp portion 111, and the other Is excited in the direction A in FIG. 17 using the electromagnetic vibrator 112. At this time, the vibration of the material piece 100 to be measured is detected using the electromagnetic vibration detector 113, and the dynamic Young's modulus and loss coefficient are calculated using an FFT (fast fourier transform) or a frequency analyzer. Here, the excitation frequency of the vibrator 112 is about 10 kHz or less. In the electromagnetic material property measuring apparatus 110 shown in FIG. 17, the material piece 100 to be measured needs to be a magnetic material.
[0006]
On the other hand, when the material piece 100 to be measured is a non-magnetic material, Young's modulus and loss coefficient are obtained using an electromagnetic material property measuring apparatus 120 as shown in FIG. The electromagnetic material property measuring apparatus 120 shown in FIG. 18 has substantially the same configuration as the electromagnetic material property measuring apparatus 110 shown in FIG. 17 described above. The difference is that the measured material piece 100 is a non-magnetic material. Therefore, the magnetic material piece 121 is bonded to the measured material piece 100 in order to make the electromagnetic vibration detector 113 and the electromagnetic vibrator 112 function.
[0007]
As another method for measuring the Young's modulus and loss coefficient when the material piece 100 to be measured is a non-magnetic material, a method using a material property measuring device 130 using an electrostatic pickup as shown in FIG. is there. In this material property measuring apparatus 130, one end of the material piece 100 to be measured is fixed to the electromagnetic vibrator 131, and vibration is detected by an electrostatic pickup 132 disposed above the other end. At this time, the electrostatic pickup 132 detects the distance from the material piece 100 to be measured by detecting the discharged static electricity, and detects the vibration characteristics of the material piece 100 to be measured. The electrostatic pickup 132 has a size corresponding to the entire surface in the width direction of the material piece 100 to be measured, and is disposed above the material piece 100 to be measured.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the electromagnetic material property measuring apparatus 110 shown in FIG. 17 employs an electromagnetic method as a vibration method and a detection method, it is impossible to vibrate and detect vibrations of non-magnetic materials. Non-magnetic materials cannot be measured.
[0009]
Moreover, in the electromagnetic material physical

property measuring apparatuses

110 and 120 shown in FIGS. 17 and 18, it is very difficult to vibrate a thin material or a soft material because of the configuration of the apparatus. Furthermore, in the electromagnetic material property measuring apparatus 120 shown in FIG. 18, it is necessary to perform the measurement by adhering a magnetic material to a part of the material piece 100 to be measured, which degrades the measurement accuracy.
[0010]
Further, in the material property measuring apparatus 130 shown in FIG. 19 described above, noise A is generated as shown in FIG. 20 when the measured material piece 100 is vibrated to measure the vibration characteristics. That is, in the material property measuring apparatus 130, the electrostatic pickup 132 has a size corresponding to the entire surface in the minor axis direction of the material piece 100 to be measured and is disposed above the material piece 100 to be measured. For example, in addition to bending vibration necessary for measurement, torsional vibration is also detected. As a result, the material property measuring apparatus 130 has a problem that it is difficult to improve the measurement accuracy of vibration characteristics.
[0011]
Furthermore, in any of the above-described measuring

apparatuses

110, 120, and 130, the vibrator 100 can vibrate only the material piece 100 to be measured up to about 10 kHz, and vibration characteristics at high frequencies cannot be measured any more. There is an inconvenience.
[0012]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and a material physical property measuring apparatus that enables measurement of vibration characteristics at a frequency of 10 kHz or more and improves detection accuracy of vibration characteristics. The purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The material physical property measuring apparatus according to the present invention for solving the above-described problems is to fix a measured object and measure the measured object. Fixed part A fixed vibration means having a laminated piezoelectric element that vibrates, a vibration detection means for irradiating the measurement object vibrated by the fixed vibration means with laser light, and detecting the vibration of the measurement object using the Doppler effect; A signal generating means supplies a constant driving voltage with respect to the frequency to vibrate the object to be measured at a predetermined frequency, And a calculation means for calculating the Young's modulus and loss factor of the object to be measured using the detection result from the vibration detection means.
[0014]
Such a material property measuring apparatus vibrates the measurement object fixed by the fixed vibration means using the piezoelectric element, detects the vibration of the measurement object by the vibration detection means, and detects the vibration by the vibration detection means. The Young's modulus and loss factor of the object to be measured are calculated using the results.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a diagram showing a material property measuring apparatus 1 according to the first embodiment. This material property measuring apparatus 1 controls a laminated piezoelectric actuator 3 having a material piece 2 to be measured, a drive signal generator 4 for supplying a drive voltage to the laminated piezoelectric actuator 3, a laser Doppler vibrometer 5, and these parts. And a control unit 6 that performs.
[0017]
The laminated piezoelectric actuator 3 includes a clamp portion 9 including a clamp jig 7 and a clamp screw 8. The laminated piezoelectric actuator 3 fixes one end portion (fixed end) 2 a in the major axis direction of the material piece 2 to be measured formed into a strip shape by the clamp portion 9. The fixed end 2a of the material piece 2 to be measured of the laminated piezoelectric actuator 3 is set to be higher than the measurement frequency when the vibration characteristic of the material piece 2 to be measured is measured.
[0018]
The laminated piezoelectric actuator 3 includes a laminated piezoelectric element, and a drive voltage from the drive signal generator 4 is supplied to the laminated piezoelectric element. In this laminated piezoelectric actuator 3, the laminated piezoelectric element is expanded and contracted according to the drive voltage from the drive signal generator 4, and the other end (free end) 2 b of the material piece 2 to be measured has a frequency of about several Hz to 100 kHz. Vibrate at f. This laminated piezoelectric actuator 3 vibrates the material piece 2 to be measured only in a certain vibration direction A according to the drive voltage.
[0019]
In the present embodiment, of the end portions of the material piece 2 to be measured, the end portion fixed by the laminated piezoelectric actuator 3 is referred to as “fixed end 2 a” and the end portion vibrated by the laminated piezoelectric actuator 3. Is referred to as "free end 2b".
[0020]
When the material piece 2 to be measured vibrated by the laminated piezoelectric actuator 3 is vibrated at the primary resonance frequency, it is deformed and vibrated as shown in FIG. 2A, and is vibrated at the secondary resonance frequency. Sometimes it is deformed and vibrated as shown in FIG. 2 (b), and when it is vibrated at the third resonance frequency, it is deformed and vibrated as shown in FIG. 2 (c). The measured material piece 2 is thus deformed in the shape of vibration according to the resonance frequency, so that the vibration speed of the free end 2b changes.
[0021]
The laminated piezoelectric actuator 3 is connected to a fixed block 10 as shown in FIG. The fixed block 10 is configured with a large mass density and loss factor.
[0022]
The drive signal generator 4 generates a drive voltage for driving the laminated piezoelectric actuator 3 in accordance with a control signal from the controller 6. This drive signal generation unit 4 causes the measured material piece 2 to be applied to a control signal indicating a constant voltage from the control unit 6 in order to make the excitation force of the laminated piezoelectric actuator 3 to the measured material piece 2 constant. A drive voltage is generated by dividing the square of the frequency f to be vibrated and supplied to the laminated piezoelectric actuator 3.
[0023]
As shown in FIG. 3, the laser Doppler vibrometer 5 emits a laser beam and guides the laser beam emitted from the light source 11 to the material piece 2 to be measured and returns the return light from the material piece 2 to be measured.

Optical systems

12 and 13 for detection, a modulator 14 that modulates laser light from the light source 11 at a predetermined frequency, return light from the material piece 2 to be measured and laser light modulated by the modulator 14 are incident. It consists of a photodiode 15.
[0024]
The laser Doppler vibrometer 5 irradiates the laser beam from the light source 11 to the center position C in the short axis direction B of the free end 2b of the material piece 2 to be measured formed into a strip shape. The laser Doppler vibrometer 5 detects the vibration state of the material piece 2 to be measured by detecting the return light from the material piece 2 to be measured.
[0025]
That is, the laser Doppler vibrometer 5 receives the frequency f from the light source 11 according to the control signal from the control unit 6. ₀ Is irradiated to the material piece 2 to be measured fixed to the laminated piezoelectric actuator 3 by the

optical systems

12 and 13. In the laser Doppler vibrometer 5, the return light from the material piece 2 to be measured is detected by the photodiode 15. Here, the return light from the material piece 2 to be measured undergoes a frequency change proportional to the vibration speed of the material piece 2 to be measured, and the frequency is f. _D Only f and f ₀ + F _D It becomes the frequency shown by.
[0026]
On the other hand, the laser light emitted from the light source 11 is incident on the modulator 14. In this embodiment, the modulator 14 performs a modulation process of about 80 MHz, for example. The laser beam incident on the modulator 14 is modulated so that the frequency is f. ₀ +80 MHz. This modulated laser beam is detected by the photodiode 15.
[0027]
The photodiode 15 detects the laser light from the modulator 14 and the return light from the material piece 2 to be measured, thereby changing the vibration frequency (80 + f) proportional to the vibration speed of the material piece 2 to be measured. _D ) Is detected. Where f _D Is proportional to the vibration speed and is expressed by the following equation.
f _D = 2v (t) / λ
Here, v represents the speed of the material piece 2 to be measured in the unit time t, and λ represents the wavelength of the laser beam. The laser Doppler vibrometer 5 supplies a vibration speed corresponding to the vibration frequency of the material piece 2 to be measured to the control unit 6 as a detection result.
[0028]
The vibration of the measured material piece 2 detected by the laser Doppler vibrometer 5 is the vibration of the measured material piece 2 in the range of 2 kHz to 4 kHz without detecting noise as shown in FIG. Can be detected.
[0029]
The control unit 6 detects a vibration frequency [Hz] -gain [dB] characteristic as shown in FIG. 5 according to the detection result from the laser Doppler vibrometer 5. The control unit 6 detects the value of the vibration frequency at each gain peak in FIG. 5 as the resonance frequency of the material piece 2 to be measured, and also detects the sharpness at each resonance frequency. Here, the resonance frequency is detected sequentially from the peak on the low frequency side as a primary resonance frequency, a secondary resonance frequency, a tertiary resonance frequency,. The control unit 6 calculates the Young's modulus E by the following formula 1 and the loss coefficient η by the following formula 2 using each resonance frequency fn detected from the vibration frequency-gain characteristics.
E = 48π ² ρL ^Four fn ² / T ² λn ^Four (1)
η = (Δfn) / fn (2)
Here, n is the order of the resonance mode, ρ is the density of the material piece 2 to be measured [kg / m ^Three ], L is the effective length [m] of vibration, fn is the n-th resonance frequency, and T is the thickness [m] of the material piece 2 to be measured. .lambda.n is a constant and indicates values of 1.875, 4.694, 7.855... for n = 1, 2, 3,. Δfn is the half width in the n-th vibration mode.
[0030]
The material piece 2 to be measured in the vibration frequency-gain characteristic in FIG. 5 is aluminum formed in a strip shape, the length in the major axis direction is about 53 mm, the thickness is about 0.49 mm, and the length in the minor axis direction. Is about 5mm and mass density is about 2600kg / m ^Three It is.
[0031]
According to FIG. 5, it can be seen that the vibration of the material piece 2 to be measured from 10 Hz to 100 kHz is detected with high accuracy.
[0032]
6 shows the frequency characteristic of Young's modulus E calculated by Expression 1 based on the detected vibration, and FIG. 7 shows the frequency characteristic of loss factor η calculated by Expression 2 based on the detected vibration. According to FIGS. 6 and 7, it can be seen that the frequency characteristics of the Young's modulus and loss coefficient from 10 Hz to 100 kHz are linear, and thus are measured with high accuracy.
[0033]
When obtaining the Young's modulus and loss factor of the material piece 2 to be measured with the material property measuring apparatus 1 configured in this way, first, the drive signal generator 4 sets the laminated piezoelectric actuator 3 according to the control signal from the controller 6. A drive voltage for driving is generated, and this drive voltage is supplied to the laminated piezoelectric actuator 3.
[0034]
Next, in the laminated piezoelectric actuator 3, the laminated piezoelectric element is driven according to the drive signal from the drive signal generating unit 4 to vibrate the free end 2 b of the material piece 2 to be measured. At this time, the control unit 6 generates a control signal that vibrates the measured material piece 2 and controls the vibration frequency of the measured material piece 2.
[0035]
Next, the control unit 6 generates and outputs a control signal for driving the laser Doppler vibrometer 5 and causes the laser Doppler vibrometer 5 to detect the vibration state of the material piece 2 to be measured. At this time, the laser Doppler vibrometer 5 detects the return light from the measured material piece 2 to generate a detection result corresponding to the vibration speed of the measured material piece 2 and supplies the detection result to the control unit 6.
[0036]
Next, the control unit 6 calculates the Young's modulus according to the above-described equation 1 and the loss coefficient according to the equation 2 according to the detection result from the laser Doppler vibrometer 5. The control unit 6 includes a memory (not shown), and the density ρ [kg / m according to the material piece 2 to be measured. ^Three ], The effective length L [m] of the vibration, the thickness T [m] of the material piece to be measured, and the like are stored, and are read and calculated as appropriate when calculating the Young's modulus and the loss coefficient.
[0037]
Since the material property measuring apparatus 1 configured as described above uses the laminated piezoelectric actuator 3 to vibrate the material piece 2 to be measured, measurement of Young's modulus and loss coefficient in a wide frequency band of several Hz to 100 kHz. It can be performed. Further, since the material property measuring apparatus 1 uses the laser Doppler vibrometer 5 to detect the vibration of the material piece 2 to be measured, measurement of Young's modulus and loss coefficient in a wide frequency band of about several Hz to 100 kHz. Can be performed with high accuracy.
[0038]
In addition, when the material physical property measuring apparatus 1 detects the vibration of the material piece 2 to be measured by the laser Doppler vibrometer 5, the center position C in the short axis direction B of the free end 2b is irradiated with laser light. Even if a torsional vibration occurs in the material piece 2 to be measured, the torsion is not detected and the vibration of the material piece 2 to be measured can be detected with high accuracy.
[0039]
Next, the material property measuring apparatus 30 according to the second embodiment will be described. In the following description of the material property measuring apparatus 30 according to the second embodiment, the same parts as those of the material property measuring apparatus 1 according to the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals. Detailed description is omitted.
[0040]
As shown in FIG. 8, the material property measuring apparatus 30 includes a laminated piezoelectric actuator 31, a drive signal generating unit 4, a laser Doppler vibrometer 5, and a control unit 35.
[0041]
The laminated piezoelectric actuator 31 includes a laminated piezoelectric element, and a drive voltage is supplied to the laminated piezoelectric element from the drive signal generator 4. In this laminated piezoelectric actuator 31, the laminated piezoelectric element is expanded and contracted in accordance with the drive voltage from the drive signal generator 4 to vibrate the material piece 2 to be measured.
[0042]
As shown in FIGS. 9A and 9B, the multilayer piezoelectric actuator 31 includes a clamp portion 34 including a clamp jig 32 and a clamp screw 33 having a high Young's modulus and a small loss coefficient, such as stainless steel. Prepare. In the laminated piezoelectric actuator 31, both end portions of the material piece 2 to be measured are fixed by the clamp portion 34. The clamp portion 34 is configured such that the resonance frequency is higher than the measurement frequency for measuring the vibration characteristics of the material piece 2 to be measured.
[0043]
The material piece 2 to be measured vibrated by the laminated piezoelectric actuator 31 is deformed and vibrated as shown in FIG. 10A when it is vibrated at the primary resonance frequency as shown in FIG. , 5th order, and 7th order resonance frequencies are deformed and vibrated as shown in FIGS. 10B, 10C, and 10D, respectively. In this way, the material piece 2 to be measured is deformed in accordance with the resonance frequency, so that the vibration speed at the detection position is changed.
[0044]
In the material property measuring apparatus 30, when the vibration characteristics of the material piece 2 to be measured are detected by fixing both ends with the laminated piezoelectric actuator 3, only the odd-order resonance frequency is detected, and the even-order resonance frequency is detected. Is not detected.
[0045]
The laser Doppler vibrometer 5 has the same configuration as that according to the first embodiment described above, but the center position of the measured material piece 2 shown in FIG. D is different in that it is irradiated.
[0046]
In such a material property measuring apparatus 30, both ends of the material piece 2 to be measured are fixed by the laminated piezoelectric actuator 3 and the center position D of the material piece 2 to be measured is irradiated by the laminated piezoelectric actuator 3. As shown in FIG. 4, the center position D of the material piece 2 to be measured at each resonance frequency is always an antinode in the sine wave shape.
[0047]
The control unit 35 generates and outputs a control signal that causes the drive signal generation unit 4 to drive the laminated piezoelectric actuator 3, and detects a vibration speed corresponding to the vibration frequency of the material piece 2 to be measured from the laser Doppler vibrometer 5. Entered as a result.
[0048]
This control part 35 calculates | requires the sharpness in the resonant frequency and resonance frequency of the to-be-measured material piece 2 from the supplied detection result. Using the resonance frequency fn detected from the detection result from the laser Doppler vibrometer 5, the control unit 6 calculates the Young's modulus E using the following formula 5 and calculates the loss coefficient η using the following formula 6.
E = 48π ² ρL ^Four fn ² / T ² λn ^Four (n = 1,3,5, ...) (5)
η = (Δfn) / fn (6)
Here, n is the order of the resonance mode, ρ is the density of the material piece to be measured [kg / m ^Three ], L is the effective length of vibration [m], fn is the n-th resonance frequency, and T is the thickness [m] of the material piece to be measured. .lambda.n is a constant and indicates values of 4.73, 10.996, 17.279,... for n = 1, 3, 5,. Δfn is the half width in the n-th vibration mode.
[0049]
Next, frequency characteristics of Young's modulus and loss coefficient when PET (polyethylene terephthalate) is used as the material piece 2 to be measured in the material property measuring apparatus 30 are shown in FIGS. FIG. 11 shows the frequency characteristic of Young's modulus E calculated by Expression 5 based on the detected vibration, and FIG. 12 shows the frequency characteristic of loss factor η calculated by Expression 6 based on the detected vibration. 11 and 12, it can be seen that the frequency characteristics of the Young's modulus and loss coefficient from about 1 Hz to about 20 kHz are linear and are measured with high accuracy. Note that the PET dimensions in the measurements shown in FIGS. 11 and 12 are about 0.10 mm in thickness and about 5 mm in the minor axis direction.
[0050]
FIG. 13 shows the frequency characteristics of Young's modulus and loss coefficient when SBR (styrene-butadiene-rubber) used mainly as an edge material of a speaker device or the like is used as the material piece 2 to be measured in the material property measuring apparatus 30. And shown in FIG. FIG. 13 shows the frequency characteristic of Young's modulus E calculated by Expression 3 based on the detected vibration, and FIG. 14 shows the frequency characteristic of loss factor η calculated by Expression 4 based on the detected vibration. According to FIGS. 13 and 14, it can be seen that the frequency characteristics of Young's modulus and loss factor from about 200 Hz to about 10 kHz are linear and are measured with high accuracy. Note that the dimensions of the SBR in the measurements shown in FIGS. 13 to 14 are about 0.40 mm in thickness and about 5 mm in the minor axis direction.
[0051]
Therefore, according to such a material physical property measuring apparatus 30, both ends of the material piece 2 to be measured are fixed and vibrated by the laminated piezoelectric actuator 3, and the laser is applied to the center position D of the material piece 2 to be measured by the laser Doppler vibrometer 5. Since the vibration of the material piece 2 to be measured is detected by irradiating light, the vibration can be detected even with a soft material such as the above-described PET or SBR, and the Young's modulus and loss factor can be detected with high accuracy. Can be sought.
[0052]
Further, in this material property measuring apparatus 30, since the vibration of the material piece 2 to be measured is detected by irradiating the center position D of the material piece 2 to be measured with the laser beam, the torsional vibration is generated in the material piece 2 to be measured. However, no noise due to twisting is detected.
[0053]
【The invention's effect】
As described above in detail, the material physical property measuring apparatus according to the present invention fixes the object to be measured and measures the object to be measured. Fixed part A fixed vibration means having a laminated piezoelectric element that vibrates, and a vibration detection means for irradiating the object to be measured which is vibrated by the fixed vibration means with a laser beam and detecting the vibration of the object to be measured using the Doppler effect. , The signal generator supplies a constant drive voltage with respect to the frequency to vibrate the device under test at the predetermined frequency. Therefore, the object to be measured can be vibrated from several Hz to about 100 kHz, the vibration of the object to be measured can be detected with high accuracy, and the Young's modulus and loss factor of the object to be measured can be obtained. it can.
[0054]
Further, according to the material property measuring apparatus, for example, the both ends of the object to be measured formed into a strip shape are fixed and vibrated by the fixed vibration means, and the vibration is detected by the vibration detection means. Even if it exists, vibration can be detected with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a material property measuring apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a shape at each resonance frequency when a material piece to be measured is vibrated by the material property measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a laser Doppler vibrometer.
FIG. 4 is a diagram showing vibration frequency-gain characteristics detected by a laser Doppler vibrometer.
FIG. 5 is a diagram showing vibration frequency-gain characteristics detected by the material property measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the frequency characteristics of Young's modulus obtained by the material property measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics of loss factors obtained by the material property measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a material property measuring apparatus according to a second embodiment.
FIG. 9 is a view showing an example in which both ends of a material piece to be measured are fixed by a clamp portion.
FIG. 10 is a diagram showing a shape at each resonance frequency when a material piece to be measured is vibrated by the material property measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing frequency characteristics of Young's modulus of PET obtained by the material property measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing frequency characteristics of a loss factor of PET obtained by the material property measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing frequency characteristics of Young's modulus of SBR obtained by the material property measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating frequency characteristics of a loss factor of SBR obtained by the material property measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing an example of a material piece to be measured having a single-layer structure.
FIG. 16 is a diagram showing an example of a material piece to be measured having a two-layer structure.
FIG. 17 is a diagram showing a conventional electromagnetic material property measuring apparatus when a material piece to be measured is a magnetic body.
FIG. 18 is a diagram showing a conventional electromagnetic material property measuring apparatus when a material piece to be measured is a non-magnetic material.
FIG. 19 is a diagram showing a conventional material property measuring apparatus using an electrostatic pickup.
20 is a diagram showing vibration frequency-gain characteristics detected by the conventional material property measuring apparatus shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF

SYMBOLS

1,30 Material physical property measuring apparatus, 2 to-be-measured material piece, 3,31 laminated piezoelectric actuator, 4 drive signal generation part, 5 laser Doppler vibrometer, 6,35 control part

Claims

A fixed vibration means having a laminated piezoelectric element for fixing a measured object and vibrating a fixed portion of the measured object;
A vibration detecting means for irradiating the measurement object vibrated by the fixed vibration means with a laser beam and detecting the vibration of the measurement object using the Doppler effect;
A signal generating means supplies a constant driving voltage with respect to the frequency to vibrate the object to be measured at a predetermined frequency,
An apparatus for measuring material properties, comprising: a calculation means for calculating a Young's modulus and a loss coefficient of the object to be measured using a detection result from the vibration detection means.

2. The material property measuring apparatus according to claim 1, wherein the fixed vibration means fixes and vibrates one end in the long axis direction of the object to be measured formed in a strip shape.

3. The material physical property according to claim 2, wherein the vibration detecting means detects the vibration of the object to be measured by irradiating a laser beam to a substantially central position in the short axis direction of one end where the object to be measured is not fixed. measuring device.

The material property measuring apparatus according to claim 1, wherein the fixed vibration means fixes and vibrates both ends in a major axis direction of a measurement object formed in a strip shape.

5. The material property measuring apparatus according to claim 4, wherein the vibration detecting means detects the vibration of the object to be measured by irradiating the center position of the object to be measured in the major axis direction and the minor axis direction with a laser beam.

The fixed vibration means includes a signal generation means for generating a drive signal for vibrating the object to be measured at a predetermined frequency,
2. The material property measuring apparatus according to claim 1, wherein the fixed vibration means vibrates the object to be measured by being supplied with a drive voltage inversely proportional to the square of the predetermined frequency by the signal generating means. .

2. The material property measuring apparatus according to claim 1, wherein the calculating means calculates the Young's modulus and loss factor of the object to be measured by dividing the detection result from the vibration detecting means by the square of the frequency. .