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発明の名称 広帯域周波数特性測定装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−171065(P2007−171065A)
公開日 平成19年7月5日(2007.7.5)
出願番号 特願2005−371367(P2005−371367)
出願日 平成17年12月26日(2005.12.26)
代理人 【識別番号】100103805
【弁理士】
【氏名又は名称】白崎 真二
発明者 大石 康宣 / 岸 和司 / 野間 弘昭
要約 課題
本発明の目的は、圧電体の周波数特性測定を、従来よりも広い範囲の帯域で行うことができる装置を提供すること。

解決手段
試験用圧電素子2と、試験用圧電素子2に加える振動を発生させるための加振用圧電素子1と、加振用圧電素子1と試験用圧電素子2とを圧力を加えながら挟み込む上部押圧体31及び下部押圧体32と、加振用圧電素子1に電圧信号を発信するための信号発信装置5と、試験用圧電素子2に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置6を備える広帯域周波数特性測定装置。
特許請求の範囲
【請求項1】
試験用圧電素子の周波数特性を測定する装置であって、
試験用圧電素子と、
試験用圧電素子に加える振動を発生させるための加振用圧電素子と
加振用圧電素子と試験用圧電素子とを圧力を加えながら挟み込む押圧体と、
加振用圧電素子に電圧信号を発信するための信号発信装置と、
試験用圧電素子に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置を備えることを特徴とする周波数特性測定装置
【請求項2】
加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体と、
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、
試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の周波数特性測定装置。
【請求項3】
押圧体が上部押圧体と下部押圧体に分かれ、
加振用圧電素子と試験用圧電素子を上下から挟むことを、
特徴とする請求項1記載の周波数特性測定装置。
【請求項4】
加振用圧電素子の部品である加振用圧電体の材料はチタン酸ジルコン酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデンから選択された一つであることを特徴とする請求項1記載の周波数特性測定装置。
【請求項5】
加振用圧電素子を構成する加振用圧電体の材料がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項1記載の周波数特性測定装置。
【請求項6】
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が上部押圧体の表面に形成され、
且つ試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が下部押圧体の表面に形成されていることを特徴とする請求項2記載の周波数特性測定装置。
【請求項7】
加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体が加振用圧電素子の表面に形成されていることを特徴とする請求項2記載の周波数特性測定装置。
【請求項8】
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が、加振用圧電素子の表面に形成されていることを特徴とする請求項2記載の周波数特性測定装置。
【請求項9】
試験用圧電素子に加える振動の周波数が100Hz〜1.5MHzであることを特徴とする請求項1記載の周波数特性測定装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電体の周波数特性を測定する装置に関する。
更に詳しくは、加振用圧電体が発生させた振動によって試験用圧電体を加振することで周波数特性を測定する装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から計測分野では、圧電体の動的性能を調べるために圧電体の周波数特性を測定することが行われる(特許文献1参照)。
周波数特性の測定方法としては、その測定対象となる圧電体(すなわち試験用圧電体)を直接疲労試験機で加振し、その応答を測定することで周波数特性を求めるやり方が知られている。
【0003】
具体的には試験用圧電体に対し、疲労試験機で一定の周波数で圧力を加え、圧電体に発生した電荷をチャージアンプで電圧に変換し、その応答波形から周波数特性を評価するものである。
【特許文献1】特開平11−352162号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
〔加振可能振動数の範囲の限界〕
しかし、上記のような方法で周波数特性を測定する場合、試験用圧電体に加えることが出来る周波数帯域は疲労試験機自体の性能に制限される。
因みに、一般的な疲労試験機が発生させる事が出来る周波数帯域は、通常、約1Hz〜100Hz程度である。
【0005】
ところで、例えば新材料の圧電体が開発された場合は、その周波数特性を厳密に把握するために、より広範囲な帯域での周波数特性を測定することが重要である。
そのため上記の一般的な周波数帯域である1Hz〜100Hzの範囲以外の周波数で圧電体を加振する必要がある。
【0006】
本発明はかかる技術的な背景をもとになされたものである。
即ち、圧電体の周波数特性測定を、従来よりも広い範囲の帯域で行うことができる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かくして、本発明者は以上の課題に対して鋭意研究を重ねた結果、加振用圧電体に電圧を加えることで発生した振動を試験用圧電体に与えることにより、上記問題を解決できることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させたものである。
【0008】
すなわち本発明は、(1)、試験用圧電素子の周波数特性を測定する装置であって、試験用圧電素子と、試験用圧電素子に加える振動を発生させるための加振用圧電素子と、加振用圧電素子と試験用圧電素子とを圧力を加えながら挟み込む押圧体と、加振用圧電素子に電圧信号を発信するための信号発信装置と、試験用圧電素子に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置と、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体を備える周波数特性測定装置に存する。
【0009】
また本発明は、(2)、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体と、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体とを備える上記(1)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0010】
また本発明は、(3)、押圧体が上部押圧体と下部押圧体に分かれ、加振用圧電素子と試験用圧電素子を上下から挟む上記(1)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0011】
また本発明は、(4)、加振用圧電素子の部品である加振用圧電体の材料はチタン酸ジルコン酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデンから選択された一つである上記(1)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0012】
また本発明は、(5)、加振用圧電素子を構成する加振用圧電体の材料がチタン酸ジルコン酸鉛である上記(1)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0013】
また本発明は、(6)、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が上部押圧体の表面に形成され、且つ試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が下部押圧体の表面に形成されている上記(2)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0014】
また本発明は、(7)、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体が加振用圧電素子の表面に形成されている上記(2)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0015】
また本発明は、(8)、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が、加振用圧電素子の表面に形成されている上記(2)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0016】
また本発明は、(9)、試験用圧電素子に加える振動の周波数が100Hz〜1.5MHzである上記(1)記載の周波数特性測定装置に存する。
【0017】
本発明の目的に添ったものであれば上記(1)〜(9)の発明を適宜組み合わせた構成を採用することも当然可能である。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、試験用圧電体に対し従来よりも遙かに広い帯域(例えば100Hz〜1.5MHz)の振動を加えることが可能である。
その結果、従来よりも広い帯域で、圧電体の周波数特性を評価することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明を実施する際の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本測定装置の全体を概略的に説明する模式図である。
図1に示す通り、本発明の周波数特性測定装置は、加振用圧電素子1、試験用圧電素子2に圧力を加える押圧体(上部押圧体31、及び下部押圧体32)を備える。
【0020】
そして、上部押圧体31の表面には絶縁体41Aが、下部押圧体32の表面には絶縁体41B(例えばアルミナ等)が形成されている。
更に上部押圧体31の側の加振用圧電素子1と下部押圧体32の側の試験用圧電素子2の中間にも、絶縁体42が図示しない適宜の方法により配置される。
【0021】
加振用圧電素子1は上部押圧体31の表面に例えば接着剤等により固定され、試験用圧電素子2は下部押圧体32の上に載置される。
加振用圧電素子1は常法により信号発信装置5に接続され、試験用圧電素子は常法により測定装置6に接続される。
【0022】
加振用圧電素子1は、加振用の圧電体11を電極層12で挟みこんだものである。
加振用圧電素子1は信号発信装置5が発信した電圧信号を受信することで、選ばれた一定の周波数で振動し、該振動は絶縁体42を通して試験用圧電素子2に伝わり、試験用圧電素子2を間接的に加振する。
【0023】
このように加振用圧電素子1が発生させた振動によって、試験用圧電素子2を加振する方法を採用することで、加振用圧電素子1が発生可能な周波数(約100Hz〜1.5MHz)帯域で自由に試験用圧電素子2を加振することができる。
従来のような既成の試験機の性能に拘束されることなく広範囲の周波数帯域での周波数特性が求まる。
【0024】
なお、加振用圧電素子11の材料は特に限定されることはなく、適宜状況に応じてその材料を変更することが可能である。
例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等が採用可能である。
ただし、圧電定数が極めて大きく、より幅広い周波数で加振できるPZTを用いることがより好ましい。
【0025】
また、電極層12の材料も同様に、その材料は特に限定されるものではなく、例えば銅、ステンレス、白金等が採用可能である。
【0026】
試験用圧電素子2も加振用圧電素子1と同様に、試験用の圧電体21を電極層22で挟みこんだ構造をしている。
また、試験用圧電体21を基板等の上に載置し、それを電極層で挟む構成もあり、基板としてはシリコン等の半導体材料、金属材料、および高分子材料等が採用可能である。
【0027】
試験用圧電素子2は加振用圧電素子1が発生させた振動により加振され、その周波数に応じた電圧(電荷)を電極層22に発生させる。
そして発生電荷を測定装置6で測定し、試験用圧電体21の周波数特性を測定することができる。
【0028】
上部押圧体31と下部押圧体32が、加振用圧電素子1と試験用圧電素子2を上下から適当な大きさ、すなわち圧電素子及び絶縁体を破壊しない程度の大きさの力(約40N〜60N)で挟み込むことで、加振用圧電素子1が発生させる振動を効率よく試験用圧電素子2に伝え、試験用圧電素子の出力電圧波形の歪みの発生を抑制する。
その結果、正確な周波数特性の計測が可能になる。
【0029】
本発明の周波数特性測定装置は、加振用圧電素子1に電圧を加えるために、それぞれ、加振用圧電素子1と押圧体の間、試験用圧電素子2と押圧体の間、加振用圧電素子1と試験用圧電素子2の間の導通を防ぐ必要がある。
絶縁体41A及び絶縁体41Bは加振用圧電素子1に加えた電圧、及び試験用圧電素子2の表面に発生した電荷が、上部押圧体31又は下部押圧体32を通って導通し、正確な測定を妨げることを防ぐ。
【0030】
また、絶縁体42は周波数特性の測定時に、加振用圧電素子1と試験用圧電素子2が、直接接触してショートすることを防ぐ。
なお、絶縁体42は、図2に示すように、加振用圧電素子1の表面(すなわち試験用圧電素子2の当接側)に形成しても同様の効果を発揮することが可能である。
また、同様に絶縁体41Aを加振用圧電素子1の表面に形成することも可能である(図3参照)。
【0031】
次に、試験用圧電体の周波数特性の評価方法について述べる。
先ず予め、試験用圧電体2の、100Hzの加振における出力電圧V100を調べておく。
そして、加振用圧電素子に任意の周波数の振動を発生させ、試験用圧電素子2を加振する。
加振された試験用圧電素子2は電圧を発生させるので、該出力電圧の大きさVが測定装置で測定される。
【0032】
周波数特性はV、V100及び以下の式(1)を用いてGainで評価する。
Gain=20×log10 (V/ V100) …式(1)
100:試験用圧電素子の100Hzの加振における出力電圧(V)
V :試験用圧電素子のある周波数の加振における出力電圧(V)
【0033】
以上本発明を説明したが、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の変形等が可能である。
例えば、図4に示すように、加振用圧電素子1を下部押圧体32の上に載置し、試験用圧電素子2を絶縁体42上に載置することも当然可能である。
また、押圧体で加振用圧電素子及び試験用圧電素子を左右から押圧する方法も当然可能である。
【0034】
〔実施例〕
次ぎに実施例について説明する。
実施例で用いた本発明の各構成部品は以下の通りである。
(1)加振用圧電体の材料:PZT
(2)試験用圧電体の材料:窒化アルミニウム
(3)電極層の材料:銅
(4)絶縁体:アルミナ
(5)押圧体が加えた力:50N
(6)信号発信装置:Waveform Generator(Agilent 33120A)
(7)測定装置:オシロスコープ(Tektronix TDS2024)
(8)発信電圧:最大振幅電圧10Vのsin波
【0035】
そして、PZTを銅製の電極層で挟み込んで加振用圧電素子を作成し、窒化アルミニウムを同様に銅製の電極層で挟み込んで試験用圧電素子を作成した。
加振用圧電素子及び試験用圧電素子を適所に配置後、押圧体で加振用圧電素子と試験用圧電素子を50Nで押圧した。
【0036】
そして、信号発信装置から最大振幅電圧10Vで100Hzのsin 波を発信させ、オシロスコープで直接試験用圧電体に発生した電圧を測定した。
該出力電圧の大きさからGainを計算し記録した。
【0037】
同様の計測を1.5MHzまで所定の間隔で他に11点計測を行った。
その結果を表1に示す。
図5は、表1の結果をグラフ化したものである。
【0038】
また、1kHz、10kHz、100kHz、1MHzの信号を加振用圧電素子に加えたときの、試験用圧電素子の出力電圧を図6〜図9に参考として示す。
【0039】
このように、本発明の装置では、広範囲の周波数帯域を採用できる。
従来の疲労試験機では加振することができなかった帯域での周波数特性が可能となるために、従来の疲労試験機を使った測定と較べて格段と圧電素子の性能評価が向上した。
【0040】


【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】図1は、装置全体の構成を示す模式図である。
【図2】図2は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図3】図3は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図4】図4は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図5】図5は、表1の結果をグラフ化した図である。
【図6】図6は、周波数1kHzの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図7】図7は、周波数10kHzの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図8】図8は、周波数100kHzの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図9】図9は、周波数1MHzの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【符号の説明】
【0042】
1 加振用圧電素子
11 加振用の圧電体
12 電極層
2 試験用圧電素子
21 試験用の圧電体
22 電極層
31 上部押圧体
32 下部押圧体
41A 絶縁体
41B 絶縁体
42 絶縁体
5 信号発信装置
6 測定装置




 

 


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