JP2014194377A - 圧電特性の測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体試料を自立させることなく圧電特性を測定することができる、圧電特性の測定装置を提供する。
【解決手段】圧電特性の測定装置１は、電動スタンド２、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂ、および弾性変形部５、を備える。電動スタンド２は、固定部２１と可動部２２とを有しており、固定部２１と可動部２２との間隔を調整自在である。第１の試料保持部３Ａは、可動部２２に接続されており、圧電体試料１０の上端部に装脱自在である。第２の試料保持部３Ｂは、固定部２１に接続されており、圧電体試料１０の下端部に装脱自在である。弾性変形部５は、可動部２２と第１の試料保持部３Ａとの間に接続されている。測定装置１は、圧電体試料１０に印加される引張荷重に対する、圧電体試料１０に生じる電荷の関係を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電体試料の圧電特性を測定する測定装置に関する。

近年、ポリ乳酸フィルムやセルロース系材料のフィルムが圧電デバイスで圧電体として利用されることがある。ポリ乳酸フィルムの場合、その製造プロセスでは、フィルム面に平行な方向に張力をかける延伸処理が施され、その延伸方向が分極方向となりポリ乳酸フィルムの結晶化や分極化が進展する。延伸処理が施されたポリ乳酸フィルムは厚み方向に電界が印加されることで、ずり方向に歪みが生じる圧電性を持ち、厚み方向に直交する面内方向（長さ方向や幅方向）の変形が生じる。この圧電性は、圧電テンソルｄ_１４で表される。

フィルム状圧電体の圧電テンソルｄ_１４を測定するためには、従来、圧電体に電界を印加したときに逆圧電効果によって生じる変形を検出し、電界強度と変形量とに基づいて圧電テンソルｄ_１４を算出する測定方法が採用されていた（例えば特許文献１参照。）。

図９は、特許文献１を参考にした測定方法で用いられる測定装置の模式構成を説明する図である。

測定装置１０１は、発光部１０２、ファイバーヘッド１０３、可動反射板１５１、試料保持構造１１０、測光部１０４、演算制御部１０５、および、電圧印加部１０６を備える。発光部１０２は発光する。ファイバーヘッド１０３は、発光部１０２が発光して導光される光を照射し、その反射光を受光する。試料保持構造１１０は、圧電体試料１５０の下端部を固定して圧電体試料１５０の上端部側を垂直に自立させる。可動反射板１５１は、下面が圧電体試料１５０の上端部に接触するように配置され、ファイバーヘッド１０３の照射光を反射する。電圧印加部は、圧電体試料１５０に電圧を印加する。演算制御部１０５は、圧電体試料１５０の圧電変形による可動反射板１５１の変位を検出し、圧電体試料１５０の圧電特性を測定する。

特開２０１２−１６３５０２号公報

従来の測定装置および測定方法では、測定対象となる圧電体試料の下端部を固定して圧電体試料を垂直に自立させる必要があったため、圧電体試料が柔らかい場合や、圧電体試料にカールするような癖がついている場合などには、圧電体試料を垂直に自立させることが困難であり、圧電特性を測定することが難しかった。

そこで本発明の目的は、圧電体試料を自立させることなく圧電特性を測定することができる、圧電特性の測定装置を提供することにある。

本発明に係る圧電特性の測定装置は、間隔調整部、第１および第２の試料保持部、弾性変形部、および、測定部を備える。間隔調整部は、第１の支点と第２の支点とを有しており、第１の支点と第２の支点との間隔を調整自在である。第１の試料保持部は、第１の支点に接続されており、圧電体試料の第１の端部に装脱自在である。第２の試料保持部は、第２の支点に接続されており、圧電体試料の第２の端部に装脱自在である。弾性変形部は、第１の支点と第１の試料保持部との間および第２の支点と第２の試料保持部との間の少なくとも一方に接続されている。測定部は、第１および第２の試料保持部に装着される圧電体試料に電気的に接続され、圧電体試料に印加される引張荷重に対する、圧電体試料に生じる電荷の関係を測定する。

この構成では、間隔を調整自在な第１の支点と第２の支点との間に圧電体試料を接続するので、柔らかい圧電体試料や、カールするような癖がついている圧電体試料であっても、第１の支点と第２の支点との間にまっすぐな形状で保持することができる。ただし、圧電体試料をこのようにして保持すると、圧電体試料の変形が拘束され、電界を印加する際に生じる変形から逆圧電効果を利用して圧電特性を測定することが困難になる。そこで、この構成では、圧電体試料に引張荷重を印加する際に圧電効果により生じる電荷から、圧電体試料の圧電特性を測定する。そのため、弾性変形部を介して圧電体試料に接続した第１の支点と第２の支点との間隔を調整することにより、圧電体試料に引張荷重を印加する。すると、第１の支点と第２の支点との間隔の変化量は、弾性変形部の伸び変化量と、圧電体試料の伸び変化量との合計と一致する。弾性変形部は、圧電体試料に印加する引張荷重と等しい引張荷重がかかり、圧電体試料の伸び量を数倍化あるいは数十倍化した伸び量で伸びる。即ち、第１の支点と第２の支点との間隔の変化に対する圧電体試料の伸びの感度が向上する。したがって、圧電体試料の伸び量や引張荷重を、精緻で安定に設定することや、間隔調整部に必要とされる調整精度を緩和することが可能になる。これにより、圧電体試料の伸び量や引張荷重に対しての圧電体試料に生じる電荷の関係、つまり圧電特性を精度よく測定することが容易になる。また、間隔調整部や、第１の試料保持部、第２の試料保持部などの遊びを、弾性変形部で吸収し、遊びにより圧電特性の測定ばらつきが発生することを抑制できる。

上述の圧電特性の測定装置において、測定部は、圧電体試料で発生する電荷を蓄積する蓄積回路を備え、蓄積回路から蓄積された電荷量を検出してもよい。また、蓄積回路は、圧電体試料と並列に接続されているコンデンサを備え、測定部は、コンデンサの電圧とコンデンサの既知の静電容量とから蓄積回路に蓄積された電荷量を検出してもよい。

圧電体試料は、印加される引張荷重に応じた電荷量が発生し、引張荷重が一定であれば、新たな電荷が発生することがないので、圧電体試料の出力電圧は、初期の基準電圧から、変位量に応じた電圧値に瞬時に変化し、その後、再び基準電圧に瞬時に変化する。そこで、検出部に蓄積回路を設けて圧電体試料で発生する電荷を蓄積することで、圧電体試料で発生した電荷量を安定して検出することが可能になる。また、コンデンサを蓄積回路に設けてその電圧を検出することで、コンデンサの電圧と既知の静電容量とから、蓄積回路に蓄積されている電荷量を把握することが可能になる。

上述の圧電特性の測定装置において、間隔調整部を制御し、第１の支点と第２の支点との間隔を設定する制御部を備えてもよい。

上述の圧電特性の測定装置において、第１の支点と第２の支点との間に設けられ、圧電体試料に印加される引張荷重を検出する荷重検出部を備えてもよい。

上述の圧電特性の測定装置において、制御部は、前記荷重検出部が検出する引張荷重に基づいて間隔調整部を制御してもよい。

上述の圧電特性の測定装置において、測定部は、圧電体試料に生じる電荷と、荷重検出部により検出される引張荷重とに基づいて、圧電定数を算出してもよい。

上述の測定装置において、前記圧電体試料は、延伸処理が施されたポリ乳酸フィルムの長矩形片であり、延伸方向から45°の角度を長手方向として切り出されたものであると好適である。

本発明の圧電特性の測定装置によれば、極めて柔らかい圧電体試料や、カールするような癖がついている圧電体試料であっても、第１の支点と第２の支点との間で直進するような形状で保持することができる。そして、このようにして保持した圧電体試料に引張荷重を印加して圧電体試料に生じる電荷量を検出することにより、圧電効果を利用して圧電体試料の圧電特性を測定することができる。また、第１の支点と第２の支点との間に弾性変形部を介して圧電体試料を保持するので、第１の支点と第２の支点との間隔に対する、圧電体試料の伸びの感度や、圧電体試料に印加する引張荷重の感度が向上し、圧電特性を精度よく測定ばらつきを抑制して測定することができる。

第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置の側面図である。 第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置における圧電体試料の保持構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置のブロック図である。 第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置で測定される引張荷重と電荷との関係を例示するグラフである。 第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置における電荷検出部の回路図である。 第２の実施形態に係る圧電特性の測定装置のブロック図である。 第３の実施形態に係る圧電特性の測定装置のブロック図である。 第４の実施形態に係る圧電特性の測定装置のブロック図である。 従来例に係る圧電特性の測定装置を説明する模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る圧電特性の測定装置および測定方法について、添付図を用いて説明する。各添付図には、直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を適宜付している。直交座標系のＸ軸正方向は測定装置の正面方向とし、直交座標系のＹ軸正方向は測定装置の右側面方向とし、直交座標系のＺ軸正方向は測定装置の天面方向とする。

また、以下の説明では、圧電体試料の厚みが、測定装置の正面方向、即ち直交座標系のＸ軸正方向に沿い、圧電体試料の主面短辺が、測定装置の右側面方向、即ち直交座標系のＹ軸正方向に沿い、圧電体試料の主面長辺が、測定装置の天面方向、即ち直交座標系のＺ軸正方向に沿うように、圧電体試料を保持する実施形態を示す。

《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電特性の測定装置１を、右側面側からみた側面図である。図１（Ａ）は、圧電体試料１０に測定装置１が引張荷重を殆ど印加していない状態を示している。図１（Ｂ）は、圧電体試料１０に測定装置１が所定の引張荷重を印加している状態を示している。

測定装置１は、電動スタンド２と第１の試料保持部３Ａと第２の試料保持部３Ｂと荷重検出部４と弾性変形部５とを備えている。

電動スタンド２は、固定部２１と可動部２２と支柱部２３とを備えており、可動部２２と固定部２１との間隔を調整自在である。この電動スタンド２は、特許請求の範囲に記載の間隔調整部に相当しており、特許請求の範囲に記載の第１の支点には可動部２２が相当しており、第２の支点には固定部２１が相当している。

固定部２１は、図示していない載置台の天面に載置される。支柱部２３は、Ｚ軸に沿って長尺な支柱状であり、下端側が固定部２１に固定されている。可動部２２は、Ｚ軸に沿って移動自在に、支柱部２３の正面側に取り付けられており、固定部２１に対してＺ軸に沿って間隔を空けて対向している。支柱部２３は、図示していないモータ等からなる駆動機構を内蔵しており、可動部２２をＺ軸に沿って移動させる。

荷重検出部４は、可動部２２の下面に取り付けられており、Ｚ軸に沿って印加される引張荷重を検出する。弾性変形部５は、ここではＺ軸に沿って伸びるコイルバネであり、荷重検出部４の下端部に取り付けられており、Ｚ軸に沿って所定のバネ定数を有し、Ｚ軸に沿って伸びるように弾性変形自在である。なお、弾性変形部５としてはコイルバネに限らず、ゴムなどの他の弾性変形する部材を採用してもよい。

第１の試料保持部３Ａは、弾性変形部５の下端部に取り付けられており、圧電体試料１０を装脱自在である。第２の試料保持部３Ｂは、固定部２１の上面に取り付けられており、圧電体試料１０を装脱自在である。第１の試料保持部３Ａと第２の試料保持部３Ｂとは、互いにＺ軸に沿って間隔を空けて対向している。

圧電体試料１０は、前述したように、厚みが正面方向、即ち、直交座標系のＸ軸正方向に沿い、主面短辺が右側面方向、即ち、直交座標系のＹ軸正方向に沿い、主面長辺が天面方向、即ち、直交座標系のＺ軸正方向に沿うように、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂに保持されている。

したがって、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂに圧電体試料１０を装着して、可動部２２のＺ軸上での位置を適切に設定すれば、圧電体試料１０が柔らかくても、また、カールするような癖がついていても、図１（Ａ）に示すように、圧電体試料１０を上下に真っ直ぐな形状にすることができる。

また、図１（Ｂ）に示すように、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂに圧電体試料１０を装着して、可動部２２を上方に大きく移動させることで、荷重検出部４と弾性変形部５と圧電体試料１０とのそれぞれに、等しい大きさの所定の引張荷重を印加することができる。これにより、荷重検出部４は、弾性変形部５と圧電体試料１０とに印加される引張荷重の大きさを検出することができる。また、圧電体試料１０および弾性変形部５は、それぞれ、引張荷重が印加される方向に、印加される引張荷重の大きさに応じた伸び量で伸びることになる。

ここで、図１（Ａ）に示す状態での、圧電体試料１０の主面短辺の寸法を例えば１０ｍｍとし、圧電体試料１０の厚みの寸法を例えば６５μｍとし、圧電体試料１０の主面長辺の寸法を例えば８０ｍｍとし、弾性定数を例えば２．５ＧＰａとする。そして、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂが、圧電体試料１０の両端それぞれから５ｍｍの位置を保持しているとする。また、弾性変形部５の主面長辺に沿う方向のばね定数を１Ｎ／ｍｍとする。

そして、図１（Ａ）に示す状態から、荷重検出部４で検出される引張荷重が例えば１０ニュートン（Ｎ）大きくなるように可動部２２を上方に移動させ、測定装置１を図１（Ｂ）に示す状態に移行させるものとする。

すると、圧電体試料１０の主面長辺の寸法には０．４ｍｍほどの伸びが生じる。また、この時、弾性変形部５にも、圧電体試料１０に印加される引張荷重と同じ１０Ｎの引張荷重が印加されるため、弾性変形部５のＺ軸に沿う方向の寸法には、１０ｍｍの伸びが生じる。したがって、圧電体試料１０に生じる伸び（０．４ｍｍ）に対して、弾性変形部に生じる伸び（１０ｍｍ）は、約２５倍となる。

このように、圧電体試料１０に生じる伸びに対して弾性変形部に生じる伸びが２５倍になるならば、仮に、荷重検出部４による荷重検出精度が低くて検出荷重に誤差があって、可動部２２が本来設定すべき位置（例えば実際に引張荷重が１０Ｎとなる位置）から微小にずれていても、圧電体試料１０の伸び量に生じる誤差は、可動部２２の位置の誤差に対する１／（１＋２５）しか発生しないことになる。例えば、可動部２２が本来設定すべき位置から１ｍｍずれていても、圧電体試料１０の伸び量には、０．０３８ｍｍの誤差しか発生しないことになる。したがって、弾性変形部５を介して圧電体試料１０を支持することにより、圧電体試料１０に印加される引張荷重および圧電体試料１０の伸び量を、極めて高精度に設定することができる。

また、弾性変形部５を介して圧電体試料１０を支持することにより、圧電体試料１０に正確に引張荷重を印加するための冗長性が増し、可動部２２の位置精度や荷重検出部４の検出精度について要求される水準が緩和されることになる。したがって、電動スタンド２や荷重検出部４として、安価で低性能なものであっても採用することが可能になり、測定装置１を全体として安価に構成することが可能になる。したがって、圧電デバイスの製造時に、全デバイスを対象に圧電特性の測定を行うような場合であっても、圧電デバイスの製造コストを低減することも可能になる。

図２は、圧電体試料１０を保持する第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂを示す断面図である。図２（Ａ）は、図２（Ｂ），２（Ｃ）中に一点鎖線Ａ−Ａで示す断面を右側面方向からみている。図２（Ｂ）は、図２（Ａ），２（Ｃ）中に一点鎖線Ｂ−Ｂで示す断面を正面方向からみている。図２（Ｃ）は、図２（Ａ），２（Ｂ）中に一点鎖線Ｃ−Ｃで示す断面を天面方向からみている。

第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂは、それぞれ、固定治具３１と、２つの金属ロッド３４と、を備えている。固定治具３１は、板状部位３２，３３を有している。板状部位３２と板状部位３３とは、互いに対向しており、間隔を調整して固定できるように構成されている。２つの金属ロッド３４は、それぞれ断面の直径が約２ｍｍの丸棒である。板状部位３２における板状部位３３との対向面には、金属ロッド３４の直径よりも浅い溝３２Ａが設けられている。また、板状部位３３における板状部位３２との対向面には、金属ロッド３４の直径よりも浅い溝３３Ａが設けられている。そして、溝３２Ａ，３３Ａは、それぞれ、Ｙ軸に沿って延伸するように設けられて互いに対向しており、それぞれに金属ロッド３４が嵌め込まれている。したがって、２つの金属ロッド３４は、互いに対向しており、それぞれ溝３２Ａ，３３Ａから一部が突出している。

圧電体試料１０は、圧電性フィルム１１と、検出用電極１２，１３と、を備えている。

圧電性フィルム１１は、主面形状が長矩形状あり、主面短辺と主面長辺とを有する圧電体膜からなる。検出用電極１２は、圧電性フィルム１１の正面方向を向く主面の全面に形成されている。検出用電極１３は、圧電性フィルム１１の正面方向とは反対方向（背面方向）を向く主面の全面に形成されている。圧電性フィルム１１は、主面長辺（Ｚ軸）に沿う方向の伸びが生じることで、電荷が発生し、検出用電極１２と検出用電極１３との間に電位差を生じさせる。

圧電性フィルム１１の材料としては、例えば、一軸延伸または二軸延伸されたＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）のフィルムを採用することができる。ＰＬＬＡは、主鎖が螺旋構造を有するキラル高分子であり、一軸延伸されることで分子が配向して圧電性を持つ。また、ＰＬＬＡは、延伸後に熱処理を施すことにより、ポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化が促進され圧電定数が向上する。ＰＬＬＡは、圧電テンソルｄ_１４で表わされる圧電性を有しており、延伸方向に対して０°の角度を長手方向として切り出した場合には、長矩形片が平行四辺形に歪むように変形する。そのため、ここでは、ＰＬＬＡのフィルムから、延伸方向に対して４５°の角度方向を長手として長矩形片を切り出し、圧電性フィルム１１を構成している。したがって、この圧電性フィルム１１は、主面長辺に沿って伸縮するように変形することで、効率的に電荷を発生する。なお、圧電性フィルム１１としては、ＰＬＬＡから延伸方向の４５°の角度方向を長手として切り出した長矩形片の他、長手方向に伸長させることで電荷が発生するならば、その他のどのような圧電材料で構成されていてもよい。

この圧電体試料１０は、上端部側を、第１の試料保持部３Ａの２つの金属ロッド３４に挟持され、下端部側を、第２の試料保持部３Ｂの２つの金属ロッド３４に挟持されている。圧電体試料１０のＹ軸に沿う方向の寸法、即ち主面短辺の寸法は、２つの金属ロッド３４がＹ軸に沿って対向する寸法よりも短く、圧電体試料１０は主面端辺に沿う全長に亘って、２つの金属ロッド３４に接している。また、２つの金属ロッド３４がそれぞれ丸棒状であるので、圧電体試料１０と各金属ロッド３４とが接触する面積は小さく、強い挟持力で圧電体試料１０は挟持されている。そして、圧電体試料１０の検出用電極１２は、第１および第２の試料保持部３Ａ，３Ｂの金属ロッド３４に電気的に接続されており、圧電体試料１０の検出用電極１３は、金属ロッド３４に電気的に接続されている。

図３は、測定装置１のブロック図である。

測定装置１は、前述の構成に加えて、荷重制御部６と、電荷検出部７と、算出部８と、を備えている。

荷重制御部６は、特許請求の範囲に記載の制御部に相当している。荷重制御部６は、引張荷重の設定値が外部から設定されることにより、荷重検出部４で検出する実際の引張荷重の大きさが設定値となるように、電動スタンド２を制御する。

荷重検出部４は、圧電体試料１０に印加される荷重の大きさを検出する。

電荷検出部７は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。電荷検出部７は、前述の金属ロッド３４を介して、圧電体試料１０に電気的に接続されており、圧電体試料１０に生じる電荷を検出する。電荷検出部７としては、一般的にエレクトロメーターと呼ばれている装置や、詳細を後述する図５に示す回路構成を用いることができる。

算出部８は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。算出部８は、荷重検出部４の出力から、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重の所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とを読み取る。また、算出部８は、電荷検出部７の出力から、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ１の時に生じる電荷Ｑ１と、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ２の時に生じる電荷Ｑ２と、を読み取る。そして、荷重検出部４が検出する引張荷重の所定値Ｐ１，Ｐ２と、電荷検出部７が検出する電荷Ｑ１，Ｑ２と、の関係に係る圧電特性を算出する。

算出部８は、例えばＰＬＬＡからなる圧電性フィルム１１の圧電テンソルｄ_１４を、圧電特性として算出する。ここで、圧電テンソルｄ_１４の演算方法について、より具体的に説明する。

図４（Ａ）は、横軸に時間の経過をとり、縦軸に引張荷重と電荷との大きさを示すグラフである。また、図４（Ｂ）は、横軸に荷重の大きさをとり、縦軸に電荷の大きさを示すグラフである。ここでは、圧電体試料１０に所定値Ｐ１として４Ｎの引張荷重を、所定値Ｐ２として９Ｎの引張荷重を印加するように電動スタンド２を駆動して、可動部２２を上下に２ｍｍ／ｓｅｃの速度で繰り返し移動させる場合の例を示している。

引張荷重が所定値Ｐ１（＝４Ｎ）と所定値Ｐ２（＝９Ｎ）との間で行き来するように圧電体試料１０に引張荷重を印加すると、引張荷重の変化に同期して追従するように、電荷検出部７が検出する電荷は変化し、所定値Ｑ１（＝５ｎＣ）とＱ２（＝２１ｎＣ）との間で電荷量が変化する。これにより、図４（Ｂ）のグラフから読み取ると、引張荷重が１Ｎ増加することにより、発生電荷は３．２ｎＣ（ナノクーロン）増加しており、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量は、Ｑ２−Ｑ１／（Ｐ２−Ｐ１）＝３．２ｎＣの関係にある。

このような引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量を測定することができれば、Japanese Journal of Applied Physics.vol.37 p3374-3376,1998年などに記載された公知の演算方法を参考に、圧電テンソルｄ_１４を算出することができる。

例えば、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量と、圧電テンソルｄ_１４との間には次の関係式が成り立つ。

（Ｑ２−Ｑ１）／（Ｐ２−Ｐ１）
＝（（Ｌ１×Ｌ２）／（Ｌ３×Ｌ４））×ｄ_１４／２
＝３．２［ｎＣ／Ｎ］
＝（（７０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］）／（１０［ｍｍ］×６５［μｍ］））×ｄ_１４／２
ただし、上式では、圧電体試料の引張荷重が印加される部分（圧電体試料の主面長辺長さから試料保持部より内側の部分）の寸法をＬ１、圧電体試料の主面短辺の寸法をそれぞれＬ２，Ｌ３、圧電体試料の厚み寸法をＬ４としている。

したがって、圧電体試料１０の圧電特性、ここでは圧電テンソルｄ_１４を次式のように算出することができる。

ｄ_１４＝３．２［ｎＣ／Ｎ］×（１０［ｍｍ］×６５［μｍ］）×２／（７０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］）＝５．９［ｐＣ／Ｎ］
以上のように、本実施形態に係る測定装置１では、圧電体試料１０の圧電テンソルｄ_１４を、圧電体試料１０の圧電効果を利用して、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量の関係に基づいて測定することができる。そして、先に説明したように弾性変形部５を介して圧電体試料１０に引張荷重を印加することにより、引張荷重の変化量を高精度に設定することができるので、圧電体試料１０の圧電テンソルｄ_１４を、高精度に測定することができる。

すなわち、例え、荷重検出部４による誤差が大きく荷重検出精度が低くても、また、電動スタンド２による誤差が大きく駆動精度が低くても、圧電体試料１０の伸び量や、圧電体試料１０に実際に印加される引張荷重に生じる誤差が極めて小さいので、引張荷重の変化量を高精度に安定させて設定することができ、これにより、圧電体試料１０の圧電特性を高精度に安定して測定することができる。

さらには、可動部２２や、第１の試料保持部３Ａ、第２の試料保持部３Ｂなどに遊びがあっても、その遊びを弾性変形部５で吸収して、圧電特性の測定ばらつきが発生することを抑制できる。

次に、電荷検出部７を、エレクトロメーターを用いずに構成する場合の回路構成例について説明する。

図５は、電荷検出部７の回路図である。

電荷検出部７は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とコンデンサＣ１とオペアンプＵ１と電圧計Ｖ１とを備えている。

圧電体試料１０は、前述の検出用電極１２，１３のうちの一方を介して、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との接続点に接続されている。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とは、駆動電圧印加端子Ｖｄｄとグランドとの間に直列接続されている。圧電体試料１０には、コンデンサＣ１が並列接続されている。圧電体試料１０は、前述の検出用電極１２，１３のうちの他方を介して、オペアンプＵ１の非反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ１の出力端は、オペアンプＵ１の反転入力端子に接続されている。オペアンプＵ１には、駆動電圧印加端子Ｖｄｄから駆動電圧が供給されている。オペアンプＵ１の出力端は、電圧計Ｖ１に接続されている。

このように構成された電荷検出部７において、オペアンプＵ１としては、バイアス電流１ｐＡ、入力インピーダンス１ＴΩ（テラオーム）クラスのスペックを持つＣＭＯＳ型のものを採用する。すると、圧電体試料１０で発生した電荷がオペアンプＵ１を介して漏れることが殆ど無くなり、コンデンサＣ１に電荷が長時間留まるようになる。即ち、オペアンプＵ１およびコンデンサＣ１は、特許請求の範囲に記載の蓄積回路として機能し、圧電体試料１０で発生する電荷を蓄積することになる。したがって、圧電体試料１０で発生する電荷による電位差が圧電体試料１０の検出用電極１２，１３間に安定して存在することになり、電圧計Ｖ１を用いて、この電位差を安定して検出することができる。なお、プリント基板上での些細なリークパスに影響を受けて、コンデンサＣ１から電荷が漏れることがあるため、測定は温度および湿度がコントロールされた環境下で行うと好適である。

また、電荷検出部７において、圧電体試料１０で発生した電荷は、コンデンサＣ１の静電容量と、電圧計Ｖ１で検出される電圧値との積の形で現れる。したがって、この電荷検出部７で検出する電圧計Ｖ１の検出電圧と、既知のコンデンサＣ１の静電容量とから、電荷検出部７や算出部８で、圧電体試料１０で発生した電荷を算出することができる。コンデンサＣ１の静電容量としては、圧電体試料の静電容量をＣ２としたとき、既知のコンデンサＣ１の静電容量は、Ｃ２の３０倍〜３００倍程度の静電容量が適切である。

≪第２の実施形態≫
図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電特性の測定装置４１のブロック図である。

本実施形態に係る測定装置４１は、図１に示された構成と同様の構成に加えて、間隔制御部４６と、荷重検出部４４と、電荷検出部４７と、算出部４８と、を備えている。

間隔制御部４６は、特許請求の範囲に記載の制御部に相当している。間隔制御部４６は、電動スタンド２の移動量が外部から設定されることにより、電動スタンド２での移動量が設定値となるように、電動スタンド２を制御する。これにより、電動スタンド２は、間隔制御部４６に設定された移動量で可動部２２を移動させる。すると、弾性変形部５および圧電体試料１０に印加される引張荷重は、可動部２２の移動により、所定値Ｐ１から所定値Ｐ２に変化する。

荷重検出部４４は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。荷重検出部４４は、圧電体試料１０に印加される荷重の大きさを検出する。

電荷検出部４７は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。電荷検出部４７は、圧電体試料１０に生じる電荷を検出する。

算出部４８は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。算出部４８は、荷重検出部４４の出力から、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重の所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とを読み取る。また、算出部４８は、電荷検出部４７の出力から、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ１の時に生じる電荷Ｑ１と、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ２の時に生じる電荷Ｑ２と、を読み取る。そして、荷重検出部４４が検出する引張荷重の所定値Ｐ１，Ｐ２と、電荷検出部４７が検出する電荷Ｑ１，Ｑ２と、の関係に係る圧電特性を算出する。

したがって、本実施形態に係る測定装置４１でも、圧電体試料１０の圧電効果を利用して、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量の関係に基づいて、圧電特性を測定することができる。そして、先に説明したように弾性変形部５を介して圧電体試料１０に引張荷重を印加することにより、引張荷重の変化量を高精度に設定することができるので、圧電体試料１０の圧電特性を、高精度に測定することができる。

≪第３の実施形態≫
図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電特性の測定装置５１のブロック図である。

本実施形態に係る測定装置５１は、図１に示された構成と同様の構成に加えて、間隔制御部５６と、荷重検出部５４と、電荷検出部５７と、を備えている。

間隔制御部５６は、特許請求の範囲に記載の制御部に相当している。間隔制御部５６は、電動スタンド２の移動量が外部から設定されることにより、電動スタンド２での移動量が設定値となるように、電動スタンド２を制御する。これにより、電動スタンド２は、間隔制御部５６に設定された移動量で可動部２２を移動させる。すると、弾性変形部５および圧電体試料１０に印加される引張荷重は、可動部２２の移動により、所定値Ｐ１から所定値Ｐ２に変化する。

荷重検出部５４は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。圧電体試料１０に印加される荷重の大きさを検出し、少なくとも、所定値Ｐ１と所定値Ｐ２とを示す信号を、データとして何らかの標準入出力手段に出力する。

電荷検出部５７は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。電荷検出部５７は、圧電体試料１０に生じる電荷を検出し、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ１の時に、圧電体試料１０の圧電性フィルム１１に生じる電荷Ｑ１と、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ２の時に、圧電体試料１０の圧電性フィルム１１に生じる電荷Ｑ２と、を示す信号を、データとして何らかの標準入出力手段に出力する。

このようにして、本実施形態に係る測定装置５１では、圧電体試料１０の圧電効果を利用して、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量の関係を測定し、その測定したデータを出力する。したがって、これらのデータを利用して圧電体試料に係る多様な圧電定数を外部装置などで演算することが可能になる。

≪第４の実施形態≫
図８は、本発明の第４の実施形態に係る圧電特性の測定装置６１のブロック図である。

本実施形態に係る測定装置６１は、図１に示された構成と同様の構成に加えて、荷重制御部６６と、電荷検出部６７と、を備えている。

荷重制御部６６は、特許請求の範囲に記載の制御部に相当している。荷重制御部６６は、予め、圧電体試料１０に印加される引張荷重と、電動スタンド２の駆動量との対応関係が登録されており、引張荷重の設定値が外部から設定されることにより、対応する駆動量となるように電動スタンド２を制御する。これにより、電動スタンド２は、荷重制御部６６に設定された引張荷重が弾性変形部５および圧電体試料１０に印加されるように可動部２２を移動させる。すると、弾性変形部５および圧電体試料１０に印加される引張荷重は、可動部２２の移動により、所定値Ｐ１から所定値Ｐ２に変化する。

電荷検出部６７は、特許請求の範囲に記載の測定部の少なくとも一部を構成するものである。電荷検出部６７は、圧電体試料１０に生じる電荷を検出し、少なくとも、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ１の時に圧電体試料１０に生じる電荷Ｑ１と、圧電体試料１０に印加される引張荷重が所定値Ｐ２の時に圧電体試料１０に生じる電荷Ｑ２と、を示す信号を、データとして何らかの標準入出力手段に出力する。

このようにして、本実施形態に係る測定装置６１では、圧電体試料１０の圧電効果を利用して、引張荷重の変化量に対する発生電荷の変化量の関係を測定し、その測定したデータを出力する。したがって、これらのデータを利用して圧電体試料に係る多様な圧電定数を外部装置などで演算することが可能になる。

以上に説明した各実施形態のように本発明は実施することができるが、その他にも、例えば、圧電体試料の主面長辺を、測定装置の右側面方向や正面方向に沿って配置し、圧電体試料を左右や前後に引っ張るように構成してもよい。また、弾性変形部を圧電体試料の上端部側と下端部側のそれぞれに接続するようにしてもよい。また、弾性変形部や荷重測定部を圧電体試料の下端部側に接続するようにしてもよい。また、各実施形態で示したポリ乳酸フィルムは、単に圧電体試料の一例であり、本発明は、フィルム状の圧電体試料であれば、どのような材料であっても好適に圧電特性を測定することができる。また、測定する圧電特性としても、圧電テンソルｄ_１４に限らず、他の圧電Ｄ定数や他の圧電特性（圧電Ｇ定数など）を測定してもよい。

１，４１，５１，６１…測定装置
２…電動スタンド
２１…固定部
２２…可動部
２３…支柱部
３Ａ…第１の試料保持部
３Ｂ…第２の試料保持部
３１…固定治具
３２，３３…板状部位
３２Ａ，３３Ａ…溝
３４…金属ロッド
４，４４，５４…荷重検出部
５…弾性変形部
６，６６…荷重制御部
７，４７，５７，６７…電荷検出部
８，４８…算出部
１０…圧電体試料
１１…圧電性フィルム
１２，１３…検出用電極
４６，５６…間隔制御部

Claims (8)

1. 第１の支点と第２の支点とを有しており、前記第１の支点と前記第２の支点との間隔を調整自在である間隔調整部、
   前記第１の支点に接続されており、圧電体試料の第１の端部に装脱自在である第１の試料保持部、
   前記第２の支点に接続されており、前記圧電体試料の第２の端部に装脱自在である第２の試料保持部、
   前記第１の支点と前記第１の試料保持部との間および前記第２の支点と前記第２の試料保持部との間の少なくとも一方に接続されている弾性変形部、および、
   前記第１および前記第２の試料保持部に装着される圧電体試料に電気的に接続され、前記圧電体試料に印加される引張荷重に対する、前記圧電体試料に生じる電荷の関係を測定する測定部、
   を備える圧電特性の測定装置。
2. 前記測定部は、前記圧電体試料で発生する電荷を蓄積する蓄積回路を備え、前記蓄積回路から蓄積された電荷量を検出する、
   請求項１に記載の圧電特性の測定装置。
3. 前記蓄積回路は、前記圧電体試料と並列に接続されているコンデンサを備え、
   前記測定部は、前記コンデンサの電圧と前記コンデンサの既知の静電容量とから前記蓄積回路に蓄積された電荷量を検出する、
   請求項２に記載の圧電特性の測定装置。
4. 前記間隔調整部を制御し、前記第１の支点と前記第２の支点との間隔を設定する制御部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電特性の測定装置。
5. 前記第１の支点と前記第２の支点との間に設けられ、前記圧電体試料に印加される引張荷重を検出する荷重検出部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電特性の測定装置。
6. 前記間隔調整部を制御し、前記第１の支点と前記第２の支点との間隔を設定する制御部と、
   前記第１の支点と前記第２の支点との間に設けられ、前記圧電体試料に印加される引張荷重を検出する荷重検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記荷重検出部が検出する引張荷重に基づいて前記間隔調整部を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電特性の測定装置。
7. 前記測定部は、前記圧電体試料に生じる電荷と、前記圧電体試料に印加される引張荷重とに基づいて、圧電定数を算出する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電特性の測定装置。
8. 前記圧電体試料は、延伸処理が施されたポリ乳酸フィルムの長矩形片であり、延伸方向から４５°の角度を長手方向として切り出されたものである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電特性の測定装置。