(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶体から切り出した圧電基板の表裏両側に個々に配設された２つの測定プローブと、
該測定プローブを前記圧電基板を挟んで接近離間可能に支持するプローブ支持手段とを備える圧電基板の材料定数測定装置であって、
前記測定プローブが、前記圧電基板に接する測定電極を有し、
該測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接する弾性体が設けられていることを特徴とする圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項２】
前記弾性体が環状であることを特徴とする請求項１記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項３】
前記測定プローブを前記圧電基板に対し略垂直な方向に押圧する付勢手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項４】
前記測定電極が、弾性を有する基部に金製の電極部を貼付したものであることを特徴とする請求項１、２または３記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項５】
圧電単結晶体から切り出した圧電基板の表裏両側に個々に配設された２つの測定プローブと、該測定プローブを前記圧電基板を挟んで接近離間可能に支持するプローブ支持手段とを有し、前記圧電基板の各所ごとに厚み滑り振動の共振周波数を測定する周波数測定部と、
前記各所ごとに基板厚さを測定する厚さ測定部を備える圧電基板の材料定数測定装置であって、
前記測定プローブの測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接する弾性体が設けられていることを特徴とする圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項６】
前記周波数測定部によって測定された共振周波数と前記厚さ測定部によって測定された基板厚さとを乗じて前記各所ごとの材料定数を算出する演算部を備えることを特徴とする請求項５記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の材料定数を測定するための材料定数測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電単結晶体の材料定数、例えば密度や音速等が結晶の組成と育成条件とに依存することは周知である。そこで、圧電単結晶体の各所位から切り出した基板（以下、圧電基板という）について材料定数を測定し、結晶の均一性を評価する作業を行う必要がある。
【０００３】
均一性評価の手法として、圧電単結晶体がＬａ３  Ｇａ５  Ｓｉ  Ｏ１４（ランガサイト）等の常誘電体の場合は、圧電基板にＳＡＷデバイスを設け、その中心周波数を測定することで結晶の均一性評価を行っている。
【０００４】
ところで、誘電体の圧電単結晶体の評価を行う場合、中心周波数の測定が圧電基板の表面状態、ＳＡＷデバイスの設計および評価プロセスの再現性等に影響され易いため、測定結果の信頼性が低い。また、評価プロセスの作業時間が長く、作業効率が低いという問題がある。
【０００５】
そこで、圧電基板の各所ごとに厚み滑り振動の共振周波数、および基板厚さを測定し、これらの測定データをもとに圧電基板の材料定数を求める手法が開発されている。この手法を採用すれば、従来のようにＳＡＷデバイスを設置する必要がないので、測定に要する時間が大幅に短縮される。また、ＳＡＷデバイスの設置によって圧電基板を破壊することがないので、製品として出荷するものについても測定を実施することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような材料定数測定を実施するにあたっては次のような問題点が指摘されている。
圧電基板の共振振動数を測定するには、まず、圧電基板の表裏両側に個々に測定プローブを配置し、両プローブの測定電極を圧電基板上の測定個所に当接させた後、交流信号を伝達して圧電基板を励振する。そして、交流信号の周波数走査を行って当該測定個所におけるインピーダンスと位相との周波数依存性を検出し、周波数依存性を示す波形の解析を行って共振周波数を得る。
【０００７】
しかしながら、上記のようにして圧電基板の励振を行うと、測定個所以外の部位にも励振が起こり、当該部位で生じた共振信号やノイズが測定プローブによって検出されてしまうため、正確な測定が行えないのである。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、圧電単結晶体の均一性評価を正確に、かつ短時間のうちに実施するべく、圧電基板の材料定数を測定するための装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の圧電基板の材料定数測定装置を採用する。すなわち、本発明に係る請求項１記載の圧電基板の材料定数測定装置は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の表裏両側に個々に配設された２つの測定プローブと、該測定プローブを前記圧電基板を挟んで接近離間可能に支持するプローブ支持手段とを備える圧電基板の材料定数測定装置であって、前記測定プローブが、前記圧電基板に接する測定電極を有し、該測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接する弾性体が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、測定プローブの測定電極の周囲に、圧電基板に当接する弾性体を設けることにより、測定電極が当接する個所以外の部位で生じた共振信号やノイズが弾性体によって吸収されるので、測定プローブによってこれらが検出され難くなる。
【００１１】
請求項２記載の圧電基板の材料定数測定装置は、請求項１記載の圧電基板の材料定数測定装置において、前記弾性体が環状であることを特徴とする。
【００１２】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、弾性体を環状とすることにより、測定電極が当接する個所に対し周囲の如何なる方向から共振信号やノイズが伝達しても、これが弾性体によって吸収されるので、測定個所において生じた共振信号のみを捉えることが可能となり、これをもとに正確な測定が行えるようになる。
【００１３】
請求項３記載の圧電基板の材料定数測定装置は、請求項１または２記載の圧電基板の材料定数測定装置において、前記測定プローブを前記圧電基板に対し略垂直な方向に押圧する付勢手段が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、測定プローブを圧電基板に対し略垂直な方向に押圧する付勢手段を設けることにより、測定電極が圧電基板に接触する圧力が２つの測定プローブ間で均一化されるので、測定条件が等しくなってより正確な測定が行えるようになる。
【００１５】
請求項４記載の圧電基板の材料定数測定装置は、請求項１、２または３記載の圧電基板の材料定数測定装置において、前記測定電極が、弾性を有する基部に金製の電極部を貼付したものであることを特徴とする。
【００１６】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、測定電極を、弾性を有する基部に金製の電極部を貼付したものとすることにより、導電性が高く、かつ基部の弾性によって圧電基板への接触が電極全体で偏りなく良好になされるようになる。
【００１７】
請求項５記載の圧電基板の材料定数測定装置は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の表裏両側に個々に配設された２つの測定プローブと、該測定プローブを前記圧電基板を挟んで接近離間可能に支持するプローブ支持手段とを有し、前記圧電基板の各所ごとに厚み滑り振動の共振周波数を測定する周波数測定部と、前記各所ごとに基板厚さを測定する厚さ測定部を備える圧電基板の材料定数測定装置であって、
前記測定プローブの測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接する弾性体が設けられていることを特徴とする。
【００１８】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、圧電単結晶体から切り出した圧電基板について、該圧電基板の各所ごとに厚み滑り振動の共振周波数、および基板厚さを測定し、両測定値を乗じて前記圧電基板の各所ごとの材料定数を算出する。
【００１９】
圧電基板についての厚み滑り振動の共振振動数と材料定数との関係を次式に示す。
ｆ  ＝  （Ｅ／ρ）１／２／（２ｔ）  …  （Ｉ）
ｆ：共振周波数、ｔ：基板厚さ、ρ：結晶密度、Ｅ：結晶方向により決まる弾性定数である。ここで、式（Ｉ）を整理すると、
ｆ・ｔ  ＝  （Ｅ／ρ）１／２／２  …  （Ｉ’）
となり、ｆとｔの値を求め、さらにその積を求めることで式（Ｉ’）の右辺に相当する材料定数が得られる。なお、ｆ・ｔは圧電基板におけるバルク波音速とみなせる。
【００２０】
この圧電基板の材料定数測定装置によれば、従来のようにＳＡＷデバイスを設置する必要がないので、測定に要する時間が大幅に短縮される。また、ＳＡＷデバイスの設置によって圧電基板を破壊することがないので、製品として出荷するものについても測定を実施することが可能である。
【００２１】
請求項６記載の圧電基板の材料定数測定装置は、請求項５記載の圧電基板の材料定数測定装置において、前記周波数測定部によって測定された共振周波数と前記厚さ測定部によって測定された基板厚さとを乗じて前記各所ごとの材料定数を算出する演算部を備えることを特徴とする。
【００２２】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の各所について、周波数測定部によって厚み滑り振動の共振周波数を測定するとともに、厚さ測定部によって基板厚さを測定し、演算部において圧電基板の各所ごとに共振周波数と基板厚さとの積を求めて材料定数を算出する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１ないし図３に示して説明する。
図１は周波数測定部を構成するバルク波測定ユニット１の概略構成を示す図である。図に示すように、バルク波測定ユニット１は、圧電基板Ｐを支持する基板支持機構１１と、圧電基板Ｐの表裏両側に個々に配設された測定プローブ１２，１３と、測定プローブ１２，１３を支持するプローブ支持機構（プローブ支持手段）１４と、測定プローブ１２，１３を駆動して圧電基板Ｐのインピーダンス、および位相の周波数依存性を測定するインピーダンス・アナライザ１５と、基板支持機構１１およびプローブ支持機構１４の駆動を制御する制御装置１６とを備えている。
【００２４】
基板支持機構１１は、支持した圧電基板Ｐを基板面に平行かつ直交する２方向（これらをＸ方向、Ｙ方向とする）に移動可能に支持しており、これによって見かけ上は圧電基板Ｐの各所に測定プローブ１２，１３を配置することができる。
【００２５】
プローブ支持機構１４は、支持した測定プローブ１２，１３を、圧電基板Ｐを挟んで基板面に垂直な方向（これをＺ方向とする）に接近、離間可能に支持しており、圧電基板Ｐに対しプロービングを行う際には測定プローブ１２，１３を圧電基板Ｐの表面、裏面にそれぞれ同期して接近させることができる。
【００２６】
図２は測定プローブ１２，１３およびその周辺の構造を示す図である。図において、符号１２ａ，１３ａは各プローブの測定電極、１７は各測定電極１２ａ，１３ａを取り付けられる軸体、１８は軸体１７を支持するシリンダ、１９はシリンダ１８に対し軸体１７を付勢するバネ（付勢手段）、２０は弾性体からなる吸収リング、である。
【００２７】
測定電極１２ａ，１３ａはいずれも、弾性を有する基部１２ｂ，１３ｂに金製の電極部１２ｃ，１３ｃを貼付した構造を有し、軸体１７の一端に圧電基板Ｐの基板面に平行に形成された板状部１７ａに、表裏の基板面にそれぞれ対向させて取り付けられている。
【００２８】
シリンダ１８はプローブ支持機構１４を構成するアームに固定されており、軸体１７をＺ方向に移動自在に支持している。バネ１９はシリンダ１８と軸体１７との間に介装されており、軸体１７（すなわち測定電極１２ａ，１３ａ）をＺ方向（または−Ｚ方向）に付勢している。軸体１７の他端には膨出部１７ｂが設けられており、一端の板状部１７ａと合わせて測定プローブ１２，１３のＺ方向の移動範囲を規制するストッパとしての働きを有している。
【００２９】
吸収リング２０には変形が容易なゴム等の弾性材料が採用されており、板状部１７ａに各測定電極１２ａ，１３ａの周りを取り囲むように環状をなして配設されている。
【００３０】
図３は厚さ測定部を構成する厚さ分布測定ユニット２の概略構成を示す図である。図に示すように、厚さ分布測定ユニット２は、Ｈｅ−Ｎｅレーザを発する光源２１と、レーザ光を平行光に変換する光学素子２２と、レーザ光を一方の面から透過し他方の面で反射させる半反射ミラー２３と、半反射ミラー２３を挟んで光源２１と相対する位置に圧電基板Ｐがレーザ光に対して垂直となるように支持する基板支持台２４と、半反射ミラー２３の他方の面で反射した反射光を投映されるスクリーン２５と、スクリーン２５に投映された反射光の干渉縞を撮影するデジタルカメラ２６と、デジタルカメラ２６によって撮影されたデジタル画像を解析する画像解析装置２７とを備えている。
【００３１】
バルク波測定ユニット１におけるインピーダンス・アナライザ１５および制御装置１６と、厚さ分布測定ユニット２におけるデジタルカメラ２６とは、これらすべてを統括、制御する演算部３０を有するメインコンピュータ３１に接続されている。
【００３２】
バルク波測定ユニット１、厚さ分布測定ユニット２およびメインコンピュータ３１により構成される圧電基板の材料定数測定装置を使用して、圧電基板Ｐの材料定数を測定する操作の手順について説明する。
［共振周波数の測定］
圧電単結晶体から切り出した圧電基板Ｐを基板支持機構１１にセットしてずれないように固定する。この状態から、基板支持機構１１を駆動すると、圧電基板ＰがＸ／Ｙ方向に段階的に移動し、圧電基板Ｐ上に設けられた複数の測定個所のひとつひとつにに対して測定プローブ１２，１３が順を追って配置され、１箇所ごとにプロービングが行われる。
【００３３】
ある測定個所を挟んで圧電基板Ｐの表裏両側に測定プローブ１２，１３が配置されると、プローブ支持機構１４が駆動し、測定プローブ１２，１３がＺ方向（または−Ｚ方向）に移動して圧電基板Ｐの表面と裏面とに同期して接近する。
【００３４】
測定プローブ１２，１３の測定電極１２ａ，１３ａがともに圧電基板Ｐに接したら、インピーダンス・アナライザ１５から交流信号が発せられ、測定電極１２ａ，１３ａを経て圧電基板Ｐが励振される。
【００３５】
そこで、交流信号の周波数走査を行って当該測定個所におけるインピーダンスと位相との周波数依存性を検出する。この測定データはメインコンピュータ３１に入力される。メインコンピュータ３１では、演算部３０において周波数依存性を示す波形の解析が行われて共振周波数が求められる。
【００３６】
共振周波数の情報が得られたら、測定プローブ１２，１３が先ほどとは逆方向に移動し、圧電基板Ｐから離間する。これと同期して基板支持機構１１がＸ／Ｙ方向に駆動し、圧電基板Ｐを移動させて測定プローブ１２，１３間に次の測定個所が配置される。
以降は上記の手順が繰り返され、圧電基板Ｐ上のすべての測定個所について共振周波数が求められる。
【００３７】
［基板厚さの測定］
圧電基板Ｐを基板支持台２４にずれないように固定する。この状態から、光源２１からレーザ光を光学素子２２に向けて発すると、レーザ光は平行光に変換され、半反射ミラー２３を透過して圧電基板Ｐに照射される。
【００３８】
照射されたレーザ光は、一部が圧電基板Ｐの表面で反射し、残りが圧電基板Ｐの裏面で反射する。このとき、表面で反射したレーザ光（以下、これを表面反射光とする）と裏面で反射したレーザ光（これを裏面反射光とする）との間には圧電基板Ｐの厚さの２倍にあたる光路長差が生じる。
【００３９】
表面反射光と裏面反射光とは、干渉しながら半反射ミラー２３の他方の面で反射し、スクリーン２５に投映されるため、スクリーン２５上には光路長差に依存する干渉縞が生じる。１本の干渉縞は圧電基板Ｐ上において同じ厚さを表す等高線とみなすことができる。また、隣り合う干渉縞間の厚さの差はλ０／（２ｎ）（λ０；真空中におけるレーザ光の波長、ｎ；圧電基板Ｐの屈折率）で表される。
【００４０】
表面／裏面反射光の入射角度を変化させると、干渉縞に変化が生まれるから、これをデジタルカメラ２６で撮影する。撮影されたデジタル画像を画像解析装置２７で解析すると、圧電基板Ｐの厚い部分と薄い部分とが相対的に把握できる。これらの解析データはメインコンピュータ３１に入力され、あらかじめ精密なマイクロメータで測定しておいた圧電基板Ｐの代表的な部分の厚さをもとに、演算部３０において圧電基板Ｐ全体の厚さ分布が得られる。
【００４１】
厚さ分布の情報が得られたら、先に得られた共振周波数の情報と組み合わせて圧電基板Ｐ上の各測定個所ごとの材料定数が算出されるので、これをもとに材料定数の評価を行う。
【００４２】
上記のようにすれば、ＳＡＷデバイスを設けずに測定が行えることから、ＳＡＷデバイスの製作に要していた時間が短縮されるので、圧電単結晶体の均一性評価を短時間のうちに実施することができる。また、圧電基板をＳＡＷデバイスの設置によって破壊することがないので、製品として出荷するものについても測定を実施することが可能である。
【００４３】
また、バネ２０の働きによって測定プローブ１２，１３を圧電基板Ｐに対し略垂直な方向に押圧することにより、測定電極１２ａ，１３ａが圧電基板Ｐに接触する際の圧力が２つの測定プローブ１２，１３間で均一化されるので、測定条件が等しくなってより正確な測定が行える。
【００４４】
さらに、測定電極１２ａ，１３ａを、弾性を有する基部１２ｂ，１３ｂに金製の電極部１２ｃ，１３ｃを貼付した構造とすることにより、導電性が高く、かつ基部の弾性によって圧電基板への接触が電極全体で偏りなく良好になされる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、バルク波測定ユニット１における制御装置１６、および厚さ分布測定ユニット２における画像解析装置２７をメインコンピュータ３１とは別に設けているが、これらの働きをメインコンピュータ３１に行わせるように構成しても構わない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定プローブの測定電極の周囲に、圧電基板に当接する弾性体を設けることにより、測定電極が当接する個所以外の部位で生じた共振信号やノイズが弾性体によって吸収されるので、測定個所において生じた共振信号のみを捉えることが可能となり、これをもとに正確な測定を行うことができる。その結果として、圧電単結晶体の均一性評価を正確に、かつ短時間のうちに実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態を示す図であって、周波数測定部を構成するバルク波測定ユニットの概略構成を示す図である。
【図２】測定プローブおよびその周辺の構造を示す図である。
【図３】厚さ測定部を構成する厚さ分布測定ユニットの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１          バルク波測定ユニット
１１        基板支持機構
１２，１３  測定プローブ
１４        プローブ支持機構
１５        インピーダンス・アナライザ
２０        バネ（付勢手段）
３０        演算部
３１        メインコンピュータ
Ｐ          圧電基板
【図１】
0003608499.tif 000002
【図２】
0003608499.tif 000003
【図３】
0003608499.tif 000004