JP2014194377A - 圧電特性の測定装置 - Google Patents
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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
【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d14で表される。
フィルム状圧電体の圧電テンソルd14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d14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。
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。
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。
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d14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d14を、圧電特性として算出する。ここで、圧電テンソルd14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d14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d14との間には次の関係式が成り立つ。
(Q2−Q1)/(P2−P1)
=((L1×L2)/(L3×L4))×d14/2
=3.2[nC/N]
=((70[mm]×10[mm])/(10[mm]×65[μm]))×d14/2
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。
=((L1×L2)/(L3×L4))×d14/2
=3.2[nC/N]
=((70[mm]×10[mm])/(10[mm]×65[μm]))×d14/2
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d14を次式のように算出することができる。
d14=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d14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d14を、高精度に測定することができる。
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d14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d14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。
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。
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。
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d14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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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