(57)【要約】【課題】圧電素子本来の電気機械特性を正確に測定できる圧電素子の電気機械特性測定方法を提供する。【解決手段】圧電素子１の同一平面上に配設された２以上の電極に接触する２以上の測定端子２ａ・２ｂと、前記電極の配設面と対向する面に接触する支持部材３と、によって圧電素子１を挟持する圧電素子１の電気機械特性測定方法である。２以上の測定端子２ａ・２ｂが圧電素子１の電極配設面の第１の中心線上で接触し、支持部材３が第１の中心線と直交方向をなす前記対向する面の第２の中心線上で接触する。【選択図】図１
2010103583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも対向する平面を有する圧電素子の電気機械特性を測定するため、前記圧電素子の同一平面上に配設された２以上の電極に接触する２以上の測定端子と、前記電極の配設面と対向する面に接触する支持部材と、によって前記圧電素子を挟持する圧電素子の電気機械特性測定方法であって、
前記２以上の測定端子が前記圧電素子の電極配設面の第１の中心線上で接触し、
前記支持部材が前記第１の中心線と直交方向をなす前記対向する面の第２の中心線上で接触することを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子の電気機械特性測定方法であって、前記支持部材が前記第２の中心線上で線接触することを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電素子の電気機械特性測定方法であって、前記支持部材の先端が突起を有していることを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電素子の電気機械特性測定方法であって、前記支持部材を２以上用いて把持することを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電素子の電気機械特性測定方法であって、
前記圧電素子が直方体であり、
前記第１の中心線が前記配設面の長辺と平行で、かつ、
前記第２の中心線が前記対向する面の短辺と平行であることを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の電気機械特性を測定する為の電気機械特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、圧電素子の共振周波数や共振先鋭度（所謂Ｑ値）などの電気機械特性は、被測定素子表面に配設された電極に測定端子を接触させ、測定端子に接続された配線をインピーダンスアナライザやネットワークアナライザなどの電気計測器に接続することにより測定される。
【０００３】
圧電素子の電気機械特性の測定方法としては、電子材料工業会標準規格（非特許文献１）において、円板状圧電セラミック振動子の電気機械特性を測定する方法が述べられている。この規格では、直径１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板形状を持ち、両底面全体に電極を配設した圧電セラミック振動子を、円板の中心点において、１本のスプリングプローブとφ３ｍｍの真鍮製のネジで挟持する保持器により圧電振動子から電気配線を引き出して、圧電素子の電気機械特性を測定している。
【０００４】
また、特許文献１では、圧電単結晶基板の中心を両面から２つのプローブで挟持すると同時に、弾性体からなる吸収リングで圧電単結晶基板を挟持する圧電基板材料定数測定装置が開示されている。
【０００５】
これらの測定方法は、圧電材料の特性を測定する為に試料形状を平板形状に限定しており、圧電トランス、超音波モーター、圧電アクチュエータなどの各種用途向けに種々に寸法設計された実用的な圧電素子の特性測定にそのまま適用することができない。特に、圧電素子の同一表面上に配設された複数の異なる電極間の電気機械特性を測定する場合には、個々の電極に測定端子を接触させる方法が適切でないと、電気機械特性が正しく測定できない問題がある。
【０００６】
また、圧電素子の電気機械特性の測定値は、素子の姿勢を維持する支持状態によって大きく変化し、適切に支持しないと素子本来の特性値を正しく測定することができない。
【０００７】
【非特許文献１】電子材料工業会標準規格EMAS-6006「圧電セラミック振動子の試験方法 −ポアソン比−」
【特許文献１】特開２００２−１２４８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来におけるこのような課題を解決することを目的として発案されたものであり、圧電トランス、超音波モーター、圧電アクチュエータなどの圧電素子表面上に配設された複数の電極に測定端子を接触させて、配設された電極を電気計測器に電気的に接続すると同時に圧電素子を適切に支持し、圧電素子本来の電気機械特性を正確に測定できる圧電素子の電気機械特性測定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決する為の手段を鋭意検討した結果、圧電素子表面の電極に接触させる測定端子と圧電素子の姿勢を維持する支持部材を適切に配置することにより、圧電素子本来の電気機械特性を正確に測定できることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法によれば、少なくとも対向する平面を有する圧電素子の電気機械特性を測定するため、前記圧電素子の同一平面上に配設された２以上の電極に接触する２以上の測定端子と、前記電極の配設面と対向する面に接触する支持部材と、によって前記圧電素子を挟持する圧電素子の電気機械特性測定方法であって、前記２以上の測定端子が前記圧電素子の電極配設面の第１の中心線上で接触し、前記支持部材が前記第１の中心線と直交方向をなす前記対向する面の第２の中心線上で接触することを特徴とする圧電素子の電気機械特性測定方法が提供される。
【００１１】
このような測定方法にすることにより、圧電素子の振動状態を阻害することなく、圧電素子の姿勢を安定的に維持することが出来るので、圧電素子本来の電気機械特性を正確に測定することができる。
【００１２】
ここで、測定端子には、金属製の触針と触針を押し当てる巻き線スプリングを内部に有した金属円筒とから成るスプリングプローブや、タングステンやベリリウム銅製のプローブピンなどを好適に用いることが出来る。測定端子の圧電素子と反対側の端部には、電気計測器への配線が接続される。
【００１３】
支持部材の材質は、金属、セラミック、樹脂いずれも好適に用いることができ、測定端子と同様なスプリングプローブやプローブピンを用いることもできる。特に、ＰＥＥＫ、ポリカーボネート、アクリルなどの樹脂を用いると、圧電素子の振動状態への影響が極めて小さくなり、より好ましい。
【００１４】
また、支持部材の内部、あるいは支持部材と支持部材保持部との間に金属スプリングなどの緩衝部材を配置すると、圧電素子を保持する圧力を制御し易くなり、好ましい。
【００１５】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法にあっては、前記支持部材が前記第２の中心線上で線接触すると好ましい。このように線接触させることにより、圧電素子を安定的に保持でき、圧電素子の電気機械特性を繰り返し測定した際に、圧電素子を接触させる位置が前記第２の中心線に沿って微妙に変動した場合であっても電気機械特性の測定結果が大きく変化しなくなり、測定値の繰り返し再現性が向上する。特に、前記支持部材の前記第２の中心線方向の長さを圧電素子の前記第２の中心線方向の長さよりも長くすると、測定値の繰り返し再現性がより高くなり、さらに好ましい。
【００１６】
尚、ここで、線接触とは、圧電素子と支持部材との接触部が微小な幅を有した長方形の接触面であっても良い。接触面の幅は、測定する圧電素子の前記第１の中心線方向の長さの１０分の１以下であれば良く、例えば、前記第１の中心線方向の長さが５〜１０ｍｍの範囲にある圧電素子の電気機械特性を測定する場合には、前記接触面の幅は０．５ｍｍ以下であれば良い。
【００１７】
また、本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法にあっては、前記支持部材の先端が突起を有していることが好ましい。先端が突起を有していると、支持状態が圧電素子の振動状態に及ぼす影響を小さくすることができ、圧電素子本来の電気機械特性を測定することが出来る。
【００１８】
さらに、本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法にあっては、前記支持部材を２以上用いて把持することが好ましい。このようにすると、圧電素子をより安定的に支持でき、電気機械特性の測定値の繰り返し再現性が向上する。
【００１９】
またさらに、本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法にあっては、特に、前記圧電素子が直方体である場合には、前記第１の中心線が前記配設面の長辺と平行で、かつ、前記第２の中心線が前記対向する面の短辺と平行であることが好ましい。直方体形状の圧電素子は、直方体の長辺方向に主振動モードを有するので、長辺と垂直な短辺方向の中心線を支持部材で接触支持すると、圧電素子の振動状態への影響を最小に留めつつ、圧電素子の姿勢を安定的に維持することができる。逆に、圧電素子の長辺方向の端部に支持部材が接触すると、圧電素子の振動に影響を及ぼし、圧電素子本来の電気機械特性を測定できないので、好ましくない。
【００２０】
なお、本発明は支持部材を測定端子として用いることで、ある面の電極とある一面と対向する面の電極との間で印加して圧電素子の電気機械特性を測定する場合にも適用できる。この場合、ある一面の電極に接する測定端子は１つあればよく、他の測定端子は支持部材として機能すればよいため導通を有しなくともよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧電素子の電気機械特性測定方法によれば、測定端子と支持部材とを適切に配置することにより、圧電素子の振動状態を阻害することなく、圧電素子の姿勢を安定的に維持することが出来るので、圧電素子本来の電気機械特性を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２３】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例１を図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。実施例１の電気機械特性測定方法は、圧電素子１の同一平面上に配設された２つの電極に接触する２つの測定端子２ａ・２ｂと、前記電極の配設面と対向する面に接触して圧電素子１を支持する支持部材３と、測定端子２ａ・２ｂを保持する測定端子保持部４と、支持部材３を保持する支持部材保持部５と、測定端子保持部４と支持部材保持部５とを機械的に結合する結合部６ａ・６ｂとを用いて、圧電素子１を保持すると同時に前記電極から２つの電気配線を取り出している。測定端子２ａ・２ｂは、金属製の触針と触針を押し当てる巻き線スプリングを内部に有した金属円筒とから成るスプリングプローブであり、直方体形状をした圧電素子１の長辺方向の中心線に沿って配列している。測定端子２ａ・２ｂの圧電素子１に接触しない側の端部には、電気計測器へと繋がる電気配線が接続される。支持部材３は薄い平板形状のポリカーボネート樹脂部材であり、前記配設面と対向する面上で短辺方向の中心線の一部を支持している。測定端子保持部４はポリカーボネート樹脂製の部材であり、測定端子２ａ・２ｂを絶縁状態で保持している。支持部材保持部５はポリカーボネート樹脂製の部材であり、支持部材３と一体的に形成されている。結合部６ａ・６ｂは、アルミニウム合金製の部材であり、測定端子保持部４と支持部材保持部５とを結合して、測定端子２ａ・２ｂと支持部材３との間の距離を一定に保っている。
【００２４】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例２を図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。実施例２の電気機械特性測定方法は、圧電素子１の同一平面上に配設された３つの電極に接触する３つの測定端子２ａ・２ｂ・２ｃを用いており、支持部材３は前記配設面と対向する面上で短辺方向の中心線全体を支持している点が、実施例１と異なる。
【００２５】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例３−１を図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。実施例３−１の電気機械特性測定方法は、実施例１の支持部材３と支持部材保持部５の代わりに、支持端子７と支持端子保持部８を用いている点が、実施例１と異なる。実施例３−１では、支持端子７は、前記配設面と対向する面上で短辺方向の中心線上の一点を支持し、支持部材の役割を成している。実施例３−１では、圧電素子を取り付けない状態では、図５に示すように測定端子２ａ・２ｂと支持端子７が正面から見て同一直線上に伸びているが、圧電素子１を取り付けて電気機械的特性を測定する際には、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、測定端子２ａ・２ｂと支持端子７は、互いに反対方向に湾曲して、圧電素子１の表面と鋭角を成して接触する。
【００２６】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例３−２を図６に示す。実施例３−２の電気機械特性測定方法は、圧電素子を取り付けない状態では、測定端子２ａ・２ｂと支持端子７が正面から見て平行な僅かに異なる直線上に伸びている点が、実施例３−１と異なる。実施例３−２では、この異なる直線間の間隔は１ｍｍである。圧電素子１を取り付けて電気機械的特性を測定する際には、実施例３−１と同様に、図３に示すように、測定端子２ａ・２ｂと支持端子７は、互いに反対方向に湾曲して、圧電素子１の表面と鋭角を成して接触する。
【００２７】
本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例４を図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の電気機械特性測定方法は、実施例２の支持部材３と支持部材保持部５の代わりに、支持端子７ａ・７ｂと支持端子保持部８を用いている点が、実施例２と異なる。実施例４では、支持端子７ａ・７ｂは、前記配設面と対向する面上で短辺方向の中心線上の２点を支持し、支持部材の役割を成している。
【００２８】
従来の技術による圧電素子の電気機械特性測定方法の比較例１を図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。比較例１の電気機械特性測定方法は、支持部材３と支持部材保持部５の代わりに台座９を用い、台座９により圧電素子１の前記配設面と対向する面全体を支持している点が、実施例１と異なる。
【００２９】
従来の技術による圧電素子の電気機械特性測定方法の比較例２を図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。比較例２の電気機械特性測定方法は、支持部材３に厚いブロック形状の部材を用い、支持部材３により圧電素子１の前記配設面と対向する面を長辺方向の端部近傍まで支持している点が、実施例２と異なる。
【００３０】
圧電素子の例１を図９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）及び図１０に示す。例1の圧電素子は、ＰＺＴ圧電層と２種類の内部電極層１４ａ、１４ｂを交互に挟んで積層した積層圧電素子であり、長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ４ｍｍの直方体形状をしている。図９（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）及び図１０は層数を簡略化して図示しており、実際には全部で４０層のＰＺＴ圧電が積層されている。ＰＺＴ圧電層の各層の厚さは約１００μｍである。例１の圧電素子の上面には上部電極１１ａと１１ｂが、側面には側面電極１２ａと１２ｂが、底面には下部電極１３ａと１３ｂが形成されている。上部電極１１ａ、内部電極１４ａ、下部電極１３ａは、側面電極１２ａによって互いに電気的に接続されており、上部電極１１ｂ、内部電極１４ｂ、下部電極１３ｂは、側面電極１２ｂによって互いに電気的に接続されている。例１の圧電素子は、上部電極１１ａと１１ｂの間に電圧を印加すると、逆圧電効果によって厚さ方向に伸び長さ方向に縮む機械変形をする。この為、上部電極１１ａと１１ｂの間の電気アドミッタンスの周波数特性をネットワークアナライザで測定することにより、長さ方向および厚さ方向の共振周波数や共振先鋭度（Ｑ値）などの電気機械特性を測定することができる。
【００３１】
圧電素子の例２を図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）及び図１２に示す。例２の圧電素子は、ＰＺＴ圧電層と２種類の内部電極層１４ａ及び１４ｂと１４ｃ及び１４ｄを交互に挟んで積層した積層圧電素子であり、長さ１０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ４ｍｍの直方体形状をしている。図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）及び図１２は層数を簡略化して図示しており、実際には全部で４０層のＰＺＴ圧電が積層されている。ＰＺＴ圧電層の各層の厚さは約１００μｍである。例２の圧電素子の上面には上部電極１１ａ・１１ｂ・１１ｃが、側面には側面電極１２ａ・１２ｂ・１２ｃ・１２ｄが、底面には下部電極１３ａ・１３ｃ・１３ｄが形成されている。上部電極１１ａ、内部電極１４ａ、下部電極１３ａは側面電極１２ａによって互いに電気的に接続されており、上部電極１１ｂと内部電極１４ｂは側面電極１２ｂによって互いに電気的に接続されており、上部電極１１ｃ、内部電極１４ｃ、下部電極１３ｃは側面電極１２ｃによって互いに電気的に接続されており、内部電極１４と下部電極１３ｄは側面電極１２ｄによって互いに電気的に接続されている。例２の圧電素子は、上部電極１１ｂと下部電極１３ｄの間に電圧を印加すると、逆圧電効果によって厚さ方向に伸び長さ方向に縮む機械変形をすると同時に、圧電効果によって上部電極１１ａと上部電極１１ｃの間に電圧を発生する。この為、上部電極１１ｂと下部電極１３ｄの間に印加した電圧と、上部電極１１ａと上部電極１１ｃの間に発生する電圧の比率の周波数特性をネットワークアナライザで測定することにより、長さ方向および厚さ方向の共振周波数や共振先鋭度（Ｑ値）などの電気機械特性を測定することができる。
【００３２】
前述した実施例と比較例の方法により、例１又は例２の圧電素子の電気機械特性を繰り返し測定した結果を表１に示す。繰り返し測定では、各回ごとに圧電素子を一旦取り外した後に再度取り付け直すようにし、取り付け作業による測定結果への影響を評価するようにした。測定は各々５回繰り返し、５回の測定値の平均値と標準偏差および変動比を算出した。変動比は標準偏差を平均値で除算した値であり、繰り返し測定ばらつきを相対的に示している。表１には、測定した圧電素子、測定端子の構成、支持部材の構成も合わせて記載した。
【００３３】
【表１】
2010103583.tif 000003
【００３４】
表１の結果から判るように、比較例の方法ではＱ値の測定結果が平均で１５０未満と低く、圧電素子本来の電気機械特性が測定できていないのに対して、実施例の方法ではＱ値の測定結果が平均で３８０以上と高く、圧電素子本来の電気機械特性がほぼ正確に測定できている。
【００３５】
実施例１と実施例２の測定結果を比較すると、Ｑ値の平均値はほぼ同等であるが、変動比が実施例２の方が小さい。これは、実施例１では圧電素子１底面の前記第２の中心線の一部を支持部材３で支持している為に圧電素子１を支持部材３に接触させる位置が繰り返し測定の間に僅かに変動すると測定値が変動するのに対して、実施例２では前記第２の中心線全体を支持部材３で支持している為に測定値の変動が小さくなったと考えられる。
【００３６】
実施例３−１と実施例３−２の測定結果を比較すると、Ｑ値の平均値が実施例３−２の方がやや高い。この原因は定かではないが、実施例３−２のように、圧電素子を取り付けない状態では測定端子２ａ・２ｂと支持端子７が正面から見て平行な僅かに異なる直線上に伸びている方が、測定端子と支持端子を圧電素子に接触させた際に圧電素子の振動状態へ及ぼす影響が小さい為と考えられる。
【００３７】
実施例３−１と実施例４の測定結果を比較すると、Ｑ値の変動比が実施例４の方がやや小さい。これは、実施例４のように、２本の支持端子７ａ・７ｂを用いた方が、圧電素子１を支持端子に接触させる位置が繰り返し測定の間に僅かに変動しても圧電素子の振動状態へ及ぼす影響が小さい為と考えられる。
【００３８】
以上のように、本発明による実施例では、比較例に比べて高いＱ値を安定的に測定することができ、圧電素子の本来の電気機械特性を正確に測定することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図２】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例２を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図３】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例３−１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は底面図である。
【図４】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例４を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は底面図である。
【図５】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例３−１を示す正面図である。
【図６】本発明による圧電素子の電気機械特性測定方法の実施例３−２を示す正面図である。
【図７】圧電素子の電気機械特性測定方法の比較例１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図８】圧電素子の電気機械特性測定方法の比較例２を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図９】圧電素子の例１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は底面図である。
【図１０】圧電素子の例１の積層構造を示す斜視図である。
【図１１】圧電素子の例２を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は底面図である。
【図１２】圧電素子の例２の積層構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  圧電素子
２、２ａ、２ｂ、２ｃ  測定端子
３  支持部材
４  測定端子保持部
５  支持部材保持部
６ａ、６ｂ  結合部
７、７ａ、７ｂ  支持端子
８  支持端子保持部
９  台座
１１ｂ、１１ｂ、１１ｃ  上部電極
１２ｂ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  側面電極
１３ｂ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ  下部電極
１４ｂ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  内部電極
【図１】
2010103583.tif 000004
【図２】
2010103583.tif 000005
【図３】
2010103583.tif 000006
【図４】
2010103583.tif 000007
【図５】
2010103583.tif 000008
【図６】
2010103583.tif 000009
【図７】
2010103583.tif 000010
【図８】
2010103583.tif 000011
【図９】
2010103583.tif 000012
【図１０】
2010103583.tif 000013
【図１１】
2010103583.tif 000014
【図１２】
2010103583.tif 000015