WO2006135067A1

WO2006135067A1 - トランスデューサ及びこのトランスデューサを備えた計測装置

Info

Publication number: WO2006135067A1
Application number: PCT/JP2006/312179
Authority: WO
Inventors: Akira Yoneda
Original assignee: National University Corporation Okayama University
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2006-12-21
Also published as: JP4734657B2; JPWO2006135067A1

Abstract

　１mmよりも小さいサイズの試料でも物性値を計測可能とするトランスデューサ及び計測装置を提供する。　トランスデューサを、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とからなるトランスデューサとし、特に、圧電体を、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシェル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第２リン酸アンモニウム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシウム、ポリフッ化ビニリデン、酸化亜鉛のいずれか１種として、厚み寸法を0.1mm以下とする。

Description

明細書

トランスデューサ及びこのトランスデューサを備えた計測装置

技術分野

[0001] 本発明は、微小な試料における弾性定数などの物性値を計測するために用いるトランスデューサ、及びこのトランスデューサを備えた計測装置に関するものである。背景技術

[0002] 従来、金属、合金、セラミックスなどの焼結体、あるいは合成樹脂材などの各種の材料では、その弾性定数ゃ圧電定数などの物性値があらかじめ計測されており、所望の物性値を有する材料を目的に応じて選択可能となっている。

[0003] しかし、研究室などにぉ、て各種の材料研究ある!/、は物性研究などを行って!/、る場合には、物性値が未知の新材料が生成あるいは発見されており、この新材料の特性を知るために物性値の計測が必要となって、る。

[0004] このような物性値の一つである弾性定数ゃ圧電定数を計測する際には、トランスデユーサを用いた共振法による計測装置が利用されている。

[0005] すなわち、トランスデューサは計測対象の試料に当接させる圧電体を備えており、この圧電体によって試料に所要の振動を入力するとともに、試料に入力した振動に対して生じた共振を別のトランスデューサで検出し、解析手段によって解析することにより所望の物性値を計測しているものであり、得られた物性値力試料の種類の特定までも行うことができる識別システムも提案されている（例えば、特許文献 1参照。 )

[0006] ここで、圧電体には、一般的にセラミック圧電体が用いられている。

特許文献 1：特表 2001— 523332号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、従来の計測装置では、トランスデューサの圧電体にセラミック圧電体を用いていることによって、物性値の計測が可能な試料のサイズに制限が生じ、サイズが比較的小さ!、試料での計測が不可能であると!/、う問題があった。 [0008] すなわち、共振法を用いた計測における共振周波数は、計測される試料のサイズと反比例の関係があり、さらに、セラミック圧電体では、その厚み寸法を所定の厚み寸法よりも薄くした場合に性能低下を生じるので所定の厚み寸法以下にはできず、この厚み寸法条件力セラミック圧電体によって出力可能な周波数としては 20MHz程度が上限となっていることから、計測可能な試料は少なくとも lmm程度以上の大きさが必要である、う問題があった。

[0009] 本発明者は、地球内部における超高圧相の鉱物の研究を行っており、この超高圧相の鉱物力なる単結晶の物性値の計測する必要があるものの、このような単結晶においては数百/ z m程度のサイズの試料までしか作成することができないため、従来の計測装置では物性値を精度よく計測することができなかった。

[0010] そこで、本発明者は、研究対象である超高圧相鉱物の単結晶のような lmmよりも小さいサイズの試料でも物性値を計測可能とするために研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。

課題を解決するための手段

[0011] 本発明のトランスデューサでは、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケ一シングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とからなるトランスデューサであって、圧電体は、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシエル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ -リデン、酸ィ匕亜鉛のいずれか 1種とし、厚み寸法を 0.1mm以下とした。

[0012] さらに、トランスデューサは、導線を、 Q値が 100以下の金属製または合金製の線状体であって、径寸法を 1.0mm以下としたことにも特徴を有し、電極を、 Q値が 500以上の金属製または合金製とし、膜厚寸法を 0.01mm以下としたことにも特徴を有するものである。

[0013] 本発明のトランスデューサを備えた計測装置では、トランスデューサを、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とからなるトランスデューサであって、圧電体は、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシエル塩、酒石酸ェチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ-リデン、酸ィ匕亜鉛のいずれか 1種とし、厚み寸法を 0.1mm以下とした。

発明の効果

[0014] 請求項 1記載の発明によれば、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とからなるトランスデューサとしたことによって、ケーシングによる共振の影響を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。

[0015] し力も、請求項 1記載のトランスデューサでは、圧電体を、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシエル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ-リデン、酸化亜鉛のいずれか 1種としたことによって、圧電体を薄型化できるので圧電体自体による試料測定周波数帯における共振の発生を抑制でき、特に、圧電体の厚み寸法を 0.1mm以下とすることにより精度よくより高周波の振動を励起または検出することができので、 1mm以下の試料の弾性定数ゃ圧電定数など物性値を計測可能なトランスデューサを提供できる。

[0016] 請求項 2記載の発明によれば、請求項 1記載のトランスデューサにおいて、導線を、 Q値が 100以下の金属製または合金製の線状体とし、径寸法を 1.0mm以下としたことによって、導線において共振が生じることを抑制するとともに、導線が圧電体の振動を阻害することを抑制でき、より精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。

[0017] 請求項 3記載の発明によれば、請求項 2記載のトランスデューサにおいて、電極は、 Q値が 500以上の金属製または合金製の薄膜とし、膜厚寸法を 0.01mm以下としたことによって、圧電体で生成した振動、または圧電体に伝達させる振動を電極でできるだけ減衰させずに伝達させることができるので、高性能なトランスデューサとすることがでさる。

[0018] 請求項 4記載の発明によれば、トランスデューサを備えた計測装置において、トランスデューサを、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とからなるトランスデューサとし、特に、圧電体を、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鈴、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、口ッシェル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タンダステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ-リデン、酸化亜鉛のいずれカ 1種として、厚み寸法を 0.1mm以下としたことによって、トランスデューサでは試料以外の共振の影響を抑制しながら精度のよい振動の励起または検出が可能であり、 lmm以下の試料の弾性定数ゃ圧電定数など物性値を計測可能な計測装置を提供できる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]図 1は本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成図である。

[図 2]図 2は本発明の実施形態に係るトランスデューサの概略構成図である。

[図 3]図 3は被測定体に加えた荷重の計測に用いるセミリジッド同軸ケーブルの説明図である。

符号の説明

[0020] S 被測定体

11 発振器

12 励起側トランスデューサ

13 検出側トランスデューサ

14 ロックインアンプ 21 圧電体

22 導線

23 電極

24 ケーシング

25 絶縁材

発明を実施するための最良の形態

[0021] 本発明のトランスデューサ及びこのトランスデューサを備えた計測装置では、トランスデューサを、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とで構成しているものである。

[0022] このように、ケーシングと導線とを同軸状に配置して、導線をケーシングの一方の端部部分に設けた圧電体に接続することにより、ケーシングによる共振の影響を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。

[0023] さらに、圧電体は、水晶 (SiO ),チタン酸バリウム (BaTiO)、チタン酸鉛 (PbTiO ),チタ

2 3 ン酸ジルコン酸鉛 (Pb(Zr，Ti)0 )、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Pb，La) (Zr,Ti) O )

3 3

、ニオブ酸リチウム (LiNbO )、メタニオブ酸鉛（PbNb 0 )、ロッシエル塩（NaKC H〇 ·4

3 2 6 4 4 6

Η〇）、酒石酸エチレンディアミン（C H N O ),酒石酸カリウム（2 (K C Η 0 ) ·Η〇)、

2 6 14 2 6 2 4 4 6 2 第 2リン酸アンモニゥム（ΝΗ Η ΡΟ ),タングステンブロンズ系結晶（Na WO ),タンタノレ

4 2 4 3 酸リシゥム（LiTaO )、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)、酸化亜鉛 (Zn〇)のいずれ力 1種と

3

することにより圧電体を薄型化できるので圧電体自体による試料測定周波数帯における共振の発生を抑制でき、特に、圧電体の厚み寸法を 0.1mm以下とすることにより高周波の振動を励起または検出することができ、 1mm以下の試料の弾性定数や圧電定数など物性値を計測可能とすることができる。

[0024] なお、圧電体は、上記の材料で構成する場合に限定されるものではなぐ上記の材料の代替品となり得る単結晶または多結晶若しくはアモルファスの圧電体であれば何であってもよい。

[0025] また、導線を Q値が 100以下の金属製または合金製の線状体で構成した場合には、導線において共振が生じることを抑制でき、さらに、導線の径寸法を 1.0mm以下とした場合には、圧電体に接続した導線の圧電体との接触面を小さくできることによって、導線が圧電体の振動を阻害することを抑制して、トランスデューサによる振動の励起の精度、または振動の検出の精度をさらに向上させることができる。

[0026] また、電極を Q値が 500以上の金属製または合金製の薄膜とし、膜厚寸法を 0.01m m以下とした場合には、圧電体で生成した振動、または圧電体に伝達させる振動の電極による減衰を抑制できるので、トランスデューサの性能向上を図ることができる。

[0027] ここで、 Q値とは、弾性波の伝播において媒質による弾性波のエネルギー吸収の程度を示す指数であって、 Q値が大きければ弾性波のエネルギー吸収が少なぐ少な V、損失で弾性波を伝搬させることができ、 Q値が小さければ弾性波のエネルギー吸収が大きぐ比較的短距離の伝播で弾性波を大きく減衰させることができる。

[0028] 以下において、図面に基づいて本発明の実施形態をさらに詳説する。図 1は、本実施形態の計測装置の概略構成図である。

[0029] 本実施形態の計測装置は、所要の周波数とした電気信号を出力する発振器 11と、この発振器 11から出力された電気信号が入力される励起側トランスデューサ 12と、この励起側トランスデューサ 12と対向させて配置して被測定体 Sを通過した振動を検出する検出側トランスデューサ 13と、この検出側トランスデューサ 13から出力された電気信号と発振器 11から出力された電気信号とが入力されるロックインアンプ 14と、この口ックインアンプ 14において増幅処理された信号を解析する制御部 15とから構成している。

[0030] 本実施形態では、制御部 15は発振器 11の出力制御も行っており、発振器 11から出力される電気信号の周波数を順次変えながら計測を行うことにより共鳴周波数の自動的な検出を可能としている。

[0031] ロックインアンプ 14は、所望の周波数となっている振動の検出精度を高めるために用いており、所望の周波数となっている振動の電気信号のみを増幅して出力し、この出力信号を制御部 15で解析している。

[0032] 制御部 15は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成しており、このパーソナルコンピュータのハードディスクには計測プログラムを記憶させており、この計測プログラムを起動させることにより計測プログラムに基づいて発振器 11を制御するとともに、ロックインアンプ 14の出力信号の解析を行って、弾性定数ゃ圧電定数など物性値を算出している。

[0033] 励起側トランスデューサ 12及び検出側トランスデューサ 13は、以下のように構成している。すなわち、図 2に示すように、各トランスデューサ 12,13は、一方の端部に薄膜状の電極 23を装着した筒状のケーシング 24と、このケーシング 24の内側に面した電極 23の側面に装着した薄膜状の圧電体 21と、ケーシング 24に同軸状に挿入して圧電体 21に接続した導線 22と、ケーシング 24内に充填した絶縁材 25とによって構成している。

[0034] 特に、電極 23はケーシング 24の一方の端部部分に装着して、ケーシング 24の端部に設けた開口を閉塞しており、ケーシング 24を電極 23で有底筒形状としている。

[0035] 圧電体 21は、本実施形態では、厚み寸法を 0.1mm以下とした薄膜状のニオブ酸リチウム (LiNbO )で構成している。以下において、この薄膜状としたニオブ酸リチウム

3

を単に「LiNbO」と表記する。この LiNbOは、所定厚みの板状の LiNbOを研磨して厚

3 3 3

み寸法を 0.1mm以下としているものであり、好ましくは 0.05mm以下であって、特に本実施形態では 0.02mmとしている。このように LiNbOをできるだけ薄く形成することによ

3

り圧電体 21自体の共振の発生を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。

[0036] 本実施形態では、 LiNbOは単結晶 LiNbOの Y-10° カットの平板状とした結晶体を

3 3

研磨して所定厚みとしたものを用いており、 Υ-ΙΟ° カットからなる結晶体を用いることによって、高周波縦波振動と横波振動を同時に励起または検出することができるので、高性能なトランスデューサとすることができる。なお、 LiNbOは、研磨によって形

3

成する場合に限定するものではなぐ例えば蒸着によって形成してもよい。

[0037] また、圧電体 21としては、 LiNbOだけでなぐ水晶 (SiO チタン酸バリウム (BaTiO)

3 2

、チタン酸鉛 (PbTiO )、チタン酸ジルコン酸鉛 (Pb(Zr,Ti)0 )、チタン酸ジルコン酸ラン

3 3

タン鉛（（Pb,La) (Zr,Ti) 0 )、メタニオブ酸鉛（PbNb 0 ),ロッシエル塩（NaKC H 0 ·4

3 2 6 4 4 6

Η 0)、酒石酸エチレンディアミン（C H N O ),酒石酸カリウム（2 (K C Η 0 ) ·Η 0)、

2 6 14 2 6 2 4 4 6 2 第 2リン酸アンモ-ゥム（ΝΗ Η ΡΟ ),タングステンブロンズ系結晶（Na WO ),タンタル酸リシゥム（LiTaO ),ポリフッ化ビ-リデン (PVDF)、酸化亜鉛 (ZnO)のいずれ力 1種を

3

厚み寸法 0.1mm以下の薄膜状として用いてもよぐさらにはこれら以外の圧電材料を用いてもよい。

[0038] 導線 22は、 Q値が 100以下の金属製または合金製などの共振を生じにくい線材を用いることが望ましぐしかも導線 22は径寸法を 1.0mm以下の線材として、径寸法をできるだけ小さくすることが望ましい。このように、 Q値が小さいとともに径寸法が小さい導線 22を用いることによって、導線 22自体の固有振動に基づく共振が発生することを抑制できるとともに、圧電体 21に接続した導線 22の圧電体 21との接触面積を小さくして導線 22によって圧電体 21の振動を阻害することを防止できる。

[0039] 導線 22の圧電体 21への接続は、導線 22の先端を圧電体 21である LiNbOに当接さ

3 せて、有底筒形状としたケーシング 24の内部に液体状態の絶縁材 25を注入して、この絶縁材 25を硬化させることにより絶縁材 25によって導線 22の圧電体 21への接続状態を保持させることによって行っている。

[0040] 本実施形態では、導線 22には φ 0.5mmとした鉛線を用いており、可能であれば径寸法をさらに小さくすることが望ましい。

[0041] 電極 23は、 Q値が 500以上の金属製または合金製などの薄膜で構成しており、特に、電極 23は、 100MHz程度の高周波領域において音波減衰の少なぐ電極 23自体の固有振動に基づく共振の発生が抑制された材料を用いることが望ましい。さらに、電極 23は、膜厚寸法を 0.01mm以下の薄膜としており、膜厚寸法はできるだけ小さくすることによって電極 23にお、て共振が発生することを抑制して、る。

[0042] 電極 23と圧電体 21とは、圧電体 21を電極 23に圧着させることにより接合させており、圧電体 21の電極 23への圧着後、電極 23をケーシング 24の一方の端部部分に装着している。

[0043] 電極 23のケーシング 24への装着も圧着によって行っており、ケーシング 24への圧着後、有底筒形状としたケーシング 24の内部に液体状態の絶縁材 25を注入することにより、この絶縁材 25によって、電極 23をケーシング 24の端部に保持している。電極 23 をケーシング 24に装着する場合には、電極 23に圧着した圧電体 21がケーシング 24の内部に位置するようにして装着して、る。 [0044] なお、電極 23への圧電体 21の圧着後、圧電体 21の研磨、あるいは電極 23の研磨を行って、圧電体 21のさらなる薄膜化、あるいは電極 23のさらなる薄膜ィ匕を行ってもよい。特に、圧電体 21は電極 23に装着して研磨を行うことにより、研磨作業を行いやすくすることができる。または、圧電体 21は、電極 23に直接的に所要の原子または分子を蒸着させて形成してもよい。

[0045] 本実施形態では、電極 23には 0.005mmとしたチタニウム箔を用いており、可能であれば膜厚寸法をさらに小さくすることが望ましい。

[0046] なお、電極 23はチタニウム箔に限定するものではなぐアルミニウム、ジュラルミン、タングステンカーバイトなどで構成した薄膜であってもよいが、本実施形態では、耐久性と入手容易性力チタニウム箔を選択して、る。

[0047] ケーシング 24は、音波減衰の比較的大きい材料で構成して共振の発生を抑制することが望ましぐ本実施形態ではステンレス製としている。特にケーシング 24をステンレスで構成することにより、ケーシング 24の一端に取り付けた電極 23と電気的に接続することが可能であり、ケーシング 24自体を電極 23に接続した導線として利用することがでさる。

[0048] 筒状としたケーシング 24は、被測定体 Sである試料のサイズが lmmよりも小さ、ので、径寸法をできるだけ小さくすることによって励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とで被測定体 Sを確実に挟持可能とすることができるので、本実施形態では、ケーシング 24の径寸法は φ 1.0mmとしている。

[0049] 特に、ケーシング 24は径寸法をできるだけ小さくすることによって先端部に装着した電極 23を小面積とすることができるので、被測定体 Sに対してコヒーレントな振動を入力することができ、計測精度を向上させることができる。

[0050] ケーシング 24に充填する絶縁材 25は、音波減衰の比較的大き!/、材料を用いて共振の発生を抑制することが望ましぐ本実施形態ではエポキシを用いている。なお絶縁材 25はエポキシに限定するものではなぐ音波減衰の比較的大き!/、絶縁性材料であれば何であってもよい。

[0051] このように各トランスデューサ 12,13を同軸ケーブル状に構成することによって、導線 22における高周波の電気信号の伝播において、電気信号の減衰を抑制し、かつ外部ノイズである電極 23、ケーシング 24、導線 22の共振振動の影響を抑制しやすくすることができる。

[0052] 特に、各トランスデューサ 12,13では、圧電体 21の近傍にインピーダンス変翻を介設することによって SZN比を向上させることができ、測定能力の向上を図ることができる。

[0053] このように構成した各トランスデューサ 12,13は、それぞれ図示しないコネクタを介して発振器 11、ロックインアンプ 14に接続している。

[0054] し力も、図 1に示すように、本実施形態では、励起側トランスデューサ 12は被測定体 Sの下側に配置して、励起側トランスデューサ 12で被測定体 Sを支持するとともに、検出側トランスデューサ 13は被測定体 Sの上側に配置している。

[0055] さらに、検出側トランスデューサ 13は図示しない XYZステージに装着して X軸方向、 Y軸方向、 Z軸方向にいずれも移動自在として、検出側トランスデューサ 13を励起側トランスデューサ 12側に降下させて被測定体 Sを検出側トランスデューサ 13と励起側トランスデューサ 12とで挟持可能として、る。

[0056] このように構成した計測装置での計測方法にっ、て簡単に説明する。まず、計測装置では、検出側トランスデューサ 13を XYZステージで上昇させて励起側トランスデユーサ 12と検出側トランスデューサ 13とを所定の間隔だけ離隔させた状態で、制御部 15の制御により発振器 11から所要の周波数の電気信号を順次出力してバックグラウンドを検出する。検出したバックグランド情報は制御部 15で記憶して、る。

[0057] 次、で、計測装置では、電極 23を上方に向けて配置した励起側トランスデューサ 12 上部の電極 23に被測定体 Sを載置し、 XYZステージで検出側トランスデューサ 13を降下させ、励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とで被測定体 Sを挟んで固定する。

[0058] このとき、特に検出側トランスデューサ 13には、図 3に示すようにセミリジッド同軸ケ一ブル 30を接続し、後述するように、このセミリジッド同軸ケーブル 30における歪量の計測から励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とで被測定体 Sを挟んだ際に被測定体 Sに加えられている荷重を計測可能としている。

[0059] 計測装置で計測する共振周波数は、被測定体 Sに加えられている荷重によって変化することが知られており、荷重を計測することによって計測装置の計測精度の向上を図ることができる。

[0060] 励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とによる被測定体 Sの挟持による固定後、計測装置は発振器 11から所要の周波数の電気信号を順次出力して共振周波数の計測を行ヽ、得られた結果に基づ!ヽて所要の物性値を算出して!/ヽる。

[0061] 本実施形態の計測装置では、ロックインアンプ 14を設けていることにより共振周波数の検出精度を高めており、し力も各トランスデューサ 12,13の性能向上が図られていることにより、被測定体 Sのサイズが 0.2mmよりも小さいものであっても物性値の計測を可能とすることができる。

[0062] このように構成した計測装置では、前記した超高圧相鉱物の単結晶や焼結体における物性値計測だけでなぐ隕石などの宇宙物質や粉体セラミックスなどの微小試料の物性値計測を可能とすることができる。

[0063] また、本実施形態の計測装置では、被測定体 Sの共振周波数を計測することから、既知の被測定体 Sにおける内部欠陥の有無の検出も可能であって、 1.0mm以下のベァリング球ゃノヽンダ球の検査装置として用いることもできる。

[0064] あるいは、電子天秤における微小物質の質量の計測において共振周波数のズレを利用している場合には、本実施形態の計測装置を用いることによってより微小試料のコンパクトな質量計測センサを提供可能とすることができる。

[0065] あるいは、温度や湿度で共振周波数に変化が生じることが知られて、る材料を利用した場合には、この材料の共振周波数を計測することによって温度や湿度を計測することができ、計測装置を小型化することによってコンパクトな温度センサまたは湿度センサを提供可能とすることができる。

[0066] あるいは、本発明のトランスデューサをアコースティックェミッションセンサとして用いた場合には、より高周波の計測が可能なアコースティックェミッションセンサとすることができ、例えば地球科学分野における地震研究用などの岩石破壊実験において高周波成分の検出を可能として、高精度な研究を可能とすることができる。

[0067] 最後に、前述したセミリジッド同軸ケーブル 30における歪量の計測力も励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とによって被測定体 Sに加えられた荷重を計測する荷重計測方法にっ、て説明する。

[0068] 図 3に示すように、検出側トランスデューサ 13は、セミリジッド同軸ケーブル 30に接続するためのコネクタ 35を介してセミリジッド同軸ケーブル 30に接続している。

[0069] このセミリジッド同軸ケーブル 30は、コネクタ 35を接続した先端側を鉛直下方に向けるとともに、所定の中途部で約 90° 湾曲させてほぼ水平状態とした水平領域 36を設けている。検出側トランスデューサ 13は、コネクタ 35を介してセミリジッド同軸ケーブル 30の先端に吊り下げ状態に装着している。図 3中、 37はセミリジッド同軸ケーブル 30 の基端を接続したインピーダンス変翻である。

[0070] そして、セミリジッド同軸ケーブル 30の水平領域 36には、セミリジッド同軸ケーブル 3 0の下側面に当接させて第 1歪みゲージ 31と第 2歪みゲージ 32とを配置し、セミリジッド同軸ケーブル 30を挟んで第 1歪みゲージ 31に対向させて第 3歪みゲージ 33をセミリジッド同軸ケーブル 30の上側面に当接させて配置し、セミリジッド同軸ケーブル 30を挟んで第 2歪みゲージ 32に対向させて第 4歪みゲージ 34をセミリジッド同軸ケーブル 30の上側面に当接させて配置して!/、る。

[0071] 第 1歪みゲージ 31と第 2歪みゲージ 32は、セミリジッド同軸ケーブル 30の水平領域 3 6の長手方向に沿って所定の間隔を隔てて設けるとともに、第 3歪みゲージ 33と第 4 歪みゲージ 34は、セミリジッド同軸ケーブル 30の水平領域 36の長手方向に沿って所定の間隔を隔てて設けている。

[0072] 第 1〜4歪みゲージ 31,32,33,34は互いにホイートストーンブリッジ接続して、このホイ一トストーンブリッジ接続からの出力信号を制御部 15に入力して、制御部 15で荷重換算を行っている。

[0073] そして、荷重計算を行う場合には、計測装置は、まず、先端に検出側トランスデューサ 13が装着され、水平領域 36に第 1〜4歪みゲージ 31,32,33,34が装着されたセミリジッド同軸ケーブル 30を降下させて、検出側トランスデューサ 13を被測定体 Sに当接させる。

[0074] 検出側トランスデューサ 13の被測定体 Sへの当接にともなって、計測装置は、セミリジッド同軸ケーブル 30の降下を停止するが、検出側トランスデューサ 13が被測定体 S に当接したことを検出するタイミングと、セミリジッド同軸ケーブル 30の降下が停止されるタイミングとの時間的なズレにより、セミリジッド同軸ケーブル 30は検出側トランスデユーサ 13が被測定体 Sに当接した直後に所定量だけ降下して停止する。

[0075] この検出側トランスデューサ 13が被測定体 Sに当接した直後のセミリジッド同軸ケーブル 30の降下によって、被測定体 Sには所定量の荷重が作用し、このとき、セミリジッド同軸ケーブル 30は、被測定体 S及び被測定体 Sを支持して、る励起側トランスデューサ 12により検出側トランスデューサ 13は降下できず、セミリジッド同軸ケーブル 30の水平領域 36における先端側が反り上がることとなる。

[0076] この水平領域 36のセミリジッド同軸ケーブル 30の反り上がりにともなって、第 1歪みゲージ 31及び第 2歪みゲージ 32には引張応力が作用するとともに、第 3歪みゲージ 3 3及び第 4歪みゲージ 34には圧縮応力が作用して、この引張応力及び圧縮応力に対応した起電力が生じて出力信号が得られる。制御部 15では、この出力信号を解析して荷重換算を行って荷重の計測を行っている。なお、制御部 15には、出力信号の電力値と被測定体 Sに加わる荷重との換算式をあらかじめ記憶させておき、制御部 15 ではこの換算式に基づ、て荷重を算出して!/、る。

[0077] このように被測定体 Sに作用した荷重の計測手段を設けておくことにより、被測定体 Sに加えられた荷重を加味した計測を可能とすることができるとともに、励起側トランスデューサ 12と検出側トランスデューサ 13とで被測定体 Sを正確に保持できていることも検出できる。

産業上の利用可能性

[0078] 1mmよりも小さ、サイズの試料でも物性値を計測可能な計測装置を提供できる。また、微小な物体の振動を正確に検出できることから、 1.0mm以下のベアリング球ゃノヽンダ球の欠陥の検出装置、共振周波数のズレを利用した微小な物体の質量の計測装置、共振周波数のズレを利用した温度や湿度を計測装置、あるいはァコーステイツタエミッションセンサなどを構成できる。

Claims

請求の範囲

[1] 一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、

このケーシングの内側に面した前記電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、前記ケーシングに同軸状に挿入して前記圧電体に接続した導線と、

前記ケーシング内に充填した絶縁材と

力もなるトランスデューサであって、

前記圧電体は、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシエル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ-リデン、酸ィ匕亜鉛のいずれか 1種とし、厚み寸法を 0.1mm以下としたトランスデューサ。

[2] 前記導線は、 Q値が 100以下の金属製または合金製の線状体であって、径寸法を

1.0mm以下としたことを特徴とする請求項 1記載のトランスデューサ。

[3] 前記電極は、 Q値が 500以上の金属製または合金製の薄膜であって、膜厚寸法を

0.01mm以下としたことを特徴とする請求項 2記載のトランスデューサ。

[4] トランスデューサを備えた計測装置にぉ、て、

前記トランスデューサは、

一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、

前記ケーシング内に充填した絶縁材と

力もなるトランスデューサであって、

前記圧電体は、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシエル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第 2リン酸アンモ-ゥム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシゥム、ポリフッ化ビ-リデン、酸ィ匕亜鉛のいずれか 1種とし、厚み寸法を 0.1mm以下としたことを特徴とする計測装置。