(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について、周波数測定部によって該圧電基板の両側の一部に２つの測定プローブを個々に配設して交流信号を発して前記圧電基板を励振させることで各所ごとに厚みすべり振動の共振周波数を測定する工程と、該共振周波数とは別に厚さ測定部によって前記各所ごとの基板厚さを測定する工程とを備え、
演算部によって両測定値を乗じて前記各所ごとの材料定数を算出することを特徴とする圧電基板の材料定数測定方法。
【請求項２】
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と、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とを備え、
前記周波数測定部が、前記各所ごとに前記圧電基板の両側に対向するように個々に配設されて該圧電基板を励振させる２つの測定プローブを備え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３】
前記２つの測定プローブが、両者の相対関係を保持しつつ、前記圧電基板に平行かつ直交する２方向に移動可能であることを特徴とする請求項２に記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項４】
前記厚さ測定部が、前記圧電基板に向けて平行光を照射し、前記圧電基板の表面での反射光と裏面での反射光とを干渉させ、両反射光の干渉縞をもとに基板厚さを測定することを特徴とする請求項２または３に記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項５】
前記厚さ測定部が、前記圧電基板の両面について個別に表面の形状を測定し、測定された両面の形状から基板厚さを求めることを特徴とする請求項２または３に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方法および装置に関する。
【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Ｌｉ  Ｔａ  Ｏ３等の強誘電体の場合は、当該結晶のキュリー温度（強誘電相から常誘電相まで転換する際の温度）が組成に強く依存する性質を利用して結晶の均一性を評価している。
【０００４】
これに対し圧電単結晶体がＬａ３  Ｇａ５  Ｓｉ  Ｏ１４（ランガサイト）等の常誘電体の場合はキュリー温度をもたない。そこで、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにして常誘電体の圧電単結晶体の評価を行う場合には、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。
【０００６】
さらに、この評価プロセスはＳＡＷデバイスを設置することで圧電基板に製品としての価値を失わせてしまうため、圧電基板の出荷検査には適用できないことも問題である。
【０００７】
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短時間のうちに正確に実施するべく、圧電基板の材料定数を測定するための方法および装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【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方法および装置を採用する。すなわち、本発明に係る圧電基板の材料定数測定方法は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板について、周波数測定部によって該圧電基板の両側の一部に２つの測定プローブを個々に配設して交流信号を発して前記圧電基板を励振させることで各所ごとに厚みすべり振動の共振周波数を測定する工程と、該共振周波数とは別に厚さ測定部によって前記各所ごとの基板厚さを測定する工程とを備え、演算部によって両測定値を乗じて前記各所ごとの材料定数を算出することを特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
この方法によれば、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。
【００１１】
本発明に係る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と、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とを備え、前記周波数測定部が、前記各所ごとに前記圧電基板の両側に個々に対向するように配設されて該圧電基板を励振させる２つの測定プローブを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る圧電基板の材料定数測定装置においては、前記２つの測定プローブが、両者の相対関係を保持しつつ、前記圧電基板に平行かつ直交する２方向に移動可能であることが望ましい。
【００１４】
さらに、本発明に係る圧電基板の材料定数測定装置において、圧電基板が両面研磨された透明基盤である場合は、圧電基板に向けて平行光を照射し、圧電基板の表面での反射光と裏面での反射光とを干渉させ、両反射光の干渉縞をもとに基板厚さを測定する厚さ測定部を採用するのが望ましい。
【００１５】
圧電基板が不透明または両面研磨されていない基板である場合には、圧電基板の両面について個別に表面の形状を測定し、測定された両面の形状から基板厚さを求める厚さ測定部を採用するのが望ましい。
【００１６】
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。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
図２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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
測定プローブ１２，１３の測定電極がともに圧電基板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、測定電極を経て圧電基板Ｐが励振される。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
［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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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（バルク波音速）が算出されるので、これをもとに材料定数の評価を行う。
【００３２】
上記のようにすれば、従来のようにＳＡＷデバイスを設けないので、ＳＡＷデバイスの製作に要していた時間が短縮され、圧電単結晶体の均一性評価を短時間のうちに正確に実施することができる。例えば、ある圧電基板についてＳＡＷデバイスの作成から材料定数の評価までに要した時間は６時間であったのに対し、これと同じ圧電単結晶体から切り出した圧電基板について本実施形態の通りの測定に要した時間はわずか６分程度であった。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
ところで、本実施形態における厚さ分布測定ユニット２は、圧電基板Ｐが両面研磨された透明基板である場合に有効であるが、圧電基板Ｐが不透明または両面研磨されていない基板である場合には、十分な計測が行えない。そこで、このような圧電基板Ｐに対する場合には次のような構成の厚さ分布測定ユニットを採用してもよい。
【００３６】
図３（ａ）に示す厚さ分布測定ユニット４０は、圧電基板Ｐを支持する基板支持台４１と、基板支持台４１に支持された圧電基板Ｐの表裏両側に個々に配設されたレーザ三角測定機４２，４３と、レーザ三角測定機４２，４３の測定結果に基づいて圧電基板Ｐの表裏両面の形状解析を行う解析装置４４とを備えている。
【００３７】
また、図３（ｂ）に示す厚さ分布測定ユニット５０は、圧電基板Ｐを支持する基板支持台５１と、基板支持台５１に支持された圧電基板Ｐの表裏両側に個々に配設された探針測定機５２，５３と、探針測定機５２，５３の測定結果に基づいて圧電基板Ｐの表裏両面の形状解析を行う解析装置５４とを備えている。
【００３８】
厚さ分布測定ユニット４０，５０のいずれにおいても、圧電基板Ｐの表裏両面について個別に形状解析がなされ、あらかじめ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、その差分から圧電基板Ｐ全体の厚さ分布が得られる。以降は上記と同様に、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バルク波音速が算出されるので、これをもとに材料定数の評価を行うこととなる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の各所について、厚み滑り振動の共振周波数を測定するとともに基板厚さを測定し、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ことにより、従来のようにＳＡＷデバイスを設置する必要がないので、測定に要する時間を大幅に短縮することができる。
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り、圧電基板を無駄に消費しないようにすることができる。
【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】同じく、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。
【図３】（ａ）、（ｂ）いずれも、図２とは異なる測定方式を採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
３０        演算部
３１        メインコンピュータ
Ｐ          圧電基板
【図１】
0003608498.tif 000002
【図２】
0003608498.tif 000003
【図３】
0003608498.tif 000004