(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一材質、同一寸法の微小な３個の測定供試体及び弾性定数等の機械特性が既知の同一材質、同一寸法の２枚の円板を用いて測定供試体及び円板に荷重を加えたときの変位を測定することにより測定供試体の評価を行う材料評価装置において、中央に位置する測定供試体の上面および下面間を電気的に接続する回路を形成し、該回路に開閉スイッチを設け、中央に位置する測定供試体の上面および下面を短絡した状態の測定供試体の弾性定数ｓE及び開放した状態の測定供試体の弾性定数ｓDを測定し、ｓD＝（１−ｋ2）ｓE の式に基づいて中央に位置する測定供試体の電気機械結合定数ｋを得るようにしたことを特徴とする材料評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、力学的なエネルギーを印加して電力を発生させる変換素子（本明細書においては、「トランスデューサ」という。）等の特性を評価するための装置に関し、特に微小供試片の機械特性およびエネルギー変換特性を評価するために適した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術１：寸法の大きな部材のヤング率は、万能材料試験器による加重−歪み特性の評価データから算出されていた。例えば、特開２００１−５９８０３号公報に記載されたものでは、図５に示すように試験片に加重を印加し、これをロードセルを用いて計測し、計測ブロックに貼付した歪ゲージによって変位量を測定していた。
従来技術２：図６に示す特開平６−３２３７号公報に記載のものは、紙葉類のヤング率計測法の提案であり、紙葉を片持ち梁状にして支持し、Ｚ軸ステージ、ロードセル、加重印加手段により、紙葉に加重を印加して、その撓み量をレーザ変位計で計測し、計算的手法でヤング率を算出している。
【０００３】
従来技術３：図７に示す特開平８−２９７０１３号公報に記載のものは、材料試験器の変位量をレーザにより測定する方法の提案であり、試料の複数点にレーザからのコヒーレント光束を照射して、そこから発生するスペックルパターンを受光するイメージセンサを用いて移動量を計測するものである。これにより、試料にマーキングを施すことなく、試検体の所定位置間の変位量を自動的に検出することができる。
【０００４】
従来技術４：図８に示す特開平９−６１３２４号公報に記載のものは、試験片の両側から可動な治具で加重を付加するとともに、押し棒式の変位計により、試験片の加重方向の歪みとそれに垂直な方向の歪みを同時に測定することにより、ヤング率及びポアソン比を同時に測定するものである。これによって、押し棒式の変位計法におけるヤング率の測定精度を向上させることができるものであり、特に、従来測定が不可能であった高温度領域（１５００℃以上）の測定を可能にした点が意義深い。これにより、航空宇宙、エネルギー、素材製造プロセス等の分野で紙葉されている高温構造機器の設計における重要な材料データである弾性係数の測定が可能となった。
【０００５】
従来技術５：図９に示す特開平１１−１５３５５号公報に記載のものは、薄膜状の材料のヤング率を測定するものであり、薄膜磁気ヘッドやマイクロマシン分野における、基板上に積層した数十マイクロメートル程度の厚膜の熱膨張係数等の熱的性質やヤング率等の弾性的特性を評価するためのものである。ここでは、試料室全体を水平に移動させながらレーザ変位計のレーザ光を試料へ入射し、試料の反り形状を測定する。この際に、ガラス窓の反射光の影響で測定結果にうねりが生じるが、ガラス窓−試料間の距離やガラス窓の厚みを適当に調整することで、反射光の影響が低減されることが特徴である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１の場合には、歪みゲージの測定精度からミクロンオーダーの微小な寸法領域では十分な変位計測精度が得られないという問題がある。また、従来技術２および従来技術５では、対象が主として薄膜であり、バルク体の計測はその対象外であるために、本発明が対象にするトランスデューサ用の固体部材には適用できない。従来技術３では高分子弾性体等の変位量の大きい対象に適した測定方法であり、バルク固体のミクロンオーダーの測定には適していない。さらに、従来技術４は材料試験器に付随する発明であり、変位計法による測定のために、本発明が対象とする数ミクロンオーダーの微小な寸法変位を計測することは困難である。
【０００７】
本発明は、機械・電気エネルギー変換特性を利用して、機械的なエネルギーまたは振動のエネルギーから電力を発生させる電力発生手段、特に、今後、需要が増加すると予想される分散型の電力発生手段に用いられるトランスデューサ等の機械特性およびエネルギー変換特性の評価に好適な装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の材料評価装置は、上記の課題を解決することを目的として、同一材質、同一寸法の微小な３個の測定供試体及び弾性定数（弾性率ともいい、ヤング率、剛性率、体積弾性率などがその例である。）等の機械特性が既知の同一材質、同一寸法の２枚の円板を用いて該測定供試体の評価を行う材料評価装置において、これらの測定供試体及び円板に加重を加えたときの変位を測定することにより測定供試体の評価を行うことを特徴とする。
また、本発明の材料評価装置は、試料台の上面に、下方から順に、測定供試体、円板、測定供試体、円板、測定供試体となるように載置したことを特徴とする。
また、本発明の材料評価装置は、中央に位置する測定供試体の上面および下面を接続する回路を形成し、該回路に開閉スイッチを設けたことを特徴とする。
また、本発明の材料評価装置は、中央に位置する測定供試体の上面および下面を短絡した状態と開放した状態とで該測定供試体の弾性定数を測定することにより該測定供試体の電気機械結合定数を求めることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、評価装置本体の基本構造を示したもので、基板７上には、油圧プレス１、負荷ヘッド取付けコラム４およびセンサ取付けコラム１６が所定の配置関係を有して設けられている。また、負荷ヘッド２が平行バネ３を介して負荷ヘッド取付けコラム４に上下方向にスライド可能に取付けられている。そして、負荷ヘッド取付けコラム４には位置決めジグ５、５が取付けられており、試料台６に載置される測定供試体１１、１２、１３の位置決めが行えるようになっている。測定供試体１１、１２、１３は、本装置により評価される試料であり、同一材質、同一寸法からなり、例えば、１〜１０ｍｍφ程度の大きさを有している。
【００１０】
９、１０は弾性定数の一種であるヤング率が既知の同一材質からなり、寸法も同一の円板であり、これら円板９、１０により測定供試体１１、１２、１３が分離された状態で同一線上に位置決めされて試料台６に載置される。最上位に位置する測定供試体１３と負荷ヘッド２との間には、調心座１４を介して鋼球１５が配置されている。
【００１１】
センサ取付けコラム１６には、レーザ変位計８、１７が円板９、１０を挟んで所定の位置に取付けられており、レーザ変位計８は円板９の下面の変位を、また、レーザ変位計１７は円板１０の上面の変位を計測できるようになっている。
また、中央に位置する測定供試体１２の上面および下面間を電気的に接続する回路１８を形成し、該回路１８に開閉スイッチ１９を設けておく。
【００１２】
この装置を使用して測定供試体１２の機械特性を評価するには、まず、油圧プレス１を駆動して負荷ヘッド２に力を印加する。負荷ヘッド２は、上方から鋼球１５および調心座１４を介して試料台６上に載置された測定供試体１１、１２、１３および円板９、１０を加圧する。
【００１３】
図２は、測定供試体１１、１２、１３および円板９、１０が加圧される状態を詳細に表したものである。
今、円板９、１０各々の厚さをｔ１、ヤング率をＥＹ１とする。また、測定供試体１１、１２、１３各々の厚さをｔ２、ヤング率をＥＹ２とする。
負荷時における測定供試体１３と円板１０、円板１０と測定供試体１２、測定供試体１２と円板９、円板９と測定供試体１１の接触状態は同一であるとする。また、上記の接触部には等分布加重が作用し、エッジ部に集中応力は生じないとする。
【００１４】
無負荷状態におけるＥｆ面とＦｆ面の距離Ｈは、
Ｈ＝２ｔ１＋ｔ２                                              （１）
加重Ｆにより測定供試体１１、１２、１３および円板９、１０が変形し、円板９および１０の中心線Ａ−ＡとＢ−Ｂが、それぞれＡ′−Ａ′とＢ′−Ｂ′に移動し、その距離がＣ′になるとすると、負荷後のＥｆ面とＦｆ面との距離Ｈ′は、
Ｈ′＝Ｃ′＋ｔ１／２＋ｔ１／２＝Ｃ′＋ｔ１                      （２）
加重Ｆにより変形した測定供試体１２の厚さをｔ２′、円板９、１０の厚さをｔ１′とすると、Ｈ′は、
Ｃ′＝ｔ１′／２＋ｔ１′／２＋ｔ２′＝ｔ１′＋ｔ２′              （３）
したがって、式（２）は
Ｈ′＝Ｃ′＋ｔ１／２＋ｔ１／２＝〔ｔ１′＋ｔ２′〕＋ｔ１
負荷前と負荷後のＥｆ面とＦｆ面との距離の差δ（ｘ１＋ｘ２）は
δ＝Ｈ−Ｈ′＝（２ｔ１＋ｔ２）−［〔ｔ１′＋ｔ２′〕＋ｔ１］＝〔ｔ１−ｔ１′〕＋〔ｔ２−ｔ２′〕                              （４）
式（４）における円板１０（又は円板９）、及び測定供試体１２のそれぞれの変形量〔ｔ１−ｔ１′〕及び〔ｔ２−ｔ２′〕は、接触面積をａ、ヤング率をそれぞれＥＹ１，ＥＹ２と置くと、次の式で表せる。
〔ｔ１−ｔ１′〕＝Ｆ／ａ・ｔ１／ＥＹ１                        （５）
〔ｔ２−ｔ２′〕＝Ｆ／ａ・ｔ２／ＥＹ２                        （６）
式（５）、式（６）を式（４）に代入すると、
δ＝Ｆ／ａ・ｔ１／ＥＹ１＋Ｆ／ａ・ｔ２／ＥＹ２＝Ｆ／ａ〔ｔ１／ＥＹ１＋ｔ２／ＥＹ２〕
この式を変形することにより、測定供試体１２のヤング率ＥＹ２の計算式が得られる。
ＥＹ２＝ＦＥＹ１ｔ２／（ａδＥＹ１−Ｆｔ１）                    （７）
【００１５】
したがって、負荷前と負荷後のＥｆ面とＦｆ面との距離の差δをレーザ変位計８及び１７で測定することにより、測定供試体１２のヤング率ＥＹ２  を求めることができる。
その際、上記のように測定供試体を３個用いることにより、負荷時における測定供試体１３と円板１０、円板１０と測定供試体１２、測定供試体１２と円板９、円板９と測定供試体１１の接触状態を同一とできるため、上記の計算式が成立することになり、この計算式を用いて数ミクロンオーダーの微小な寸法変位の計測を可能としている。
【００１６】
次に、測定供試体１２のエネルギー変換特性を評価するには、まず、図３（ｂ）に示すように、測定供試体１２の上面および下面間を電気的に接続する回路１８の開閉スイッチ１９を閉じた状態で測定供試体１２に応力を印加し、上記した方法により、ヤング率ｓＥを測定する。続いて、図３（ｃ）に示すように、開閉スイッチ１９を開にした状態で測定供試体１２に応力を印加し、上記した方法により、ヤング率ｓＤを測定する。
【００１７】
測定供試体１２がトランスデューサである場合、圧電現象からエネルギー変換特性である電気機械結合定数ｋを求めるには次のようになる。
圧電現象を表す基本関係は、歪をＳ、応力をＴ、電界をＥ、電気変位をＤとすると、
Ｓ  ＝  ＳＴ  Ｔ  ＋  ｄ  Ｅ
Ｄ  ＝  ｄ  Ｔ  ＋  εＴ  Ｅ
と表すことができる。ここで、ｓは弾性定数、ｄは圧電定数、εは誘電率である。
【００１８】
今、測定供試体１２の上面および下面間を短絡し、Ｅ＝０の下で応力Ｔを印加すると、歪Ｓ’が発生する。
Ｓ’＝  ｓＥ  Ｔ
ここで上付のＥは電界が一定（ゼロを含む）条件を表している。また、この際、同時に電気変位Ｄ
Ｄ’＝  ｄ  Ｔ’’
が測定供試体１２内には発生している。
次に、応力Ｔを印加したままで、上面、下面間を開放し測定供試体１２内の電気変位Ｄをゼロにするためには、生じているＤを打ち消すだけのＤ’（＝  ｄ  Ｔ）を逆向きに加える必要がある。このときに測定供試体１２内にはＤ’によって、新たなＥ’が生じており、これは新たな歪Ｓ’’を発生する。
Ｅ’’＝（１／εＴ）  Ｄ’’
Ｓ’’＝  ｄ  Ｅ’’＝  （ｄ２／εＴ）Ｔ
以上を要するに、Ｄ＝０  の下での歪Ｓは
Ｓ  ＝  Ｓ’−  Ｓ’’  ＝  （ｓＥ  −  ｄ２／εＴ）Ｔ  ≡  ｓＤ
として表現することができる。
ここで、
ｓＤ  ＝  （１−  ｄ２  ／  εＴ  ｓＥ  ）  ｓＥ
であり、これから電気機械結合定数ｋは
ｋ  ＝  ｄ２  ／  εＴ  ｓＥ
ｓＤ＝（１−ｋ２）ｓＥ
と表すことができる。
したがって、測定によって得られた短絡状態のヤング率ｓＥ  および開放状態のヤング率ｓＤ  より電気機械結合定数を得ることができる。
【００１９】
【実施例】
サンプルとしてＰＺＴ＋１ｗｔ％Ｎｂを用いた場合の計測結果によると、ｓＥおよびｓＤそれぞれ１８．４ＧＰａ，  ２５．７ＧＰａ  であった。これからｋを算出して０．５３２を得た。
図４は、サンプルの応力−変位特性を示している。この結果によると、応力が１３ＭＰａ以下では開放状態における変位が短絡状態における変位を上回っているものの、応力が１３ＭＰａ以上になると短絡状態における変位が開放状態における変位を上回っているのがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る材料評価装置は、同一材質、同一寸法の微小な３個の測定供試体を用いることにより、小型の測定供試体のヤング率の計測を容易に行うことが可能となった。すなわち、測定供試体を３個用いることにより、負荷時における測定供試体の両側の接触状態を同一とできるため、計算式を用いて数ミクロンオーダーの微小な寸法変位の計測を可能としている。
【００２１】
また、圧電現象を示す材料の特性は、電気的エネルギ−を機械的エネルギ−に、またはその逆に機械的エネルギ−を電気的エネルギ−に変換するトランスデュ−サとしての機能として発揮されることが特徴である。このとき、電気機械結合定数は、その大きさの自乗が電気的入力エネルギ−に対する力学的に蓄えられたエネルギ−、または、力学的入力エネルギ−に対して静電的に蓄えられたエネルギとして定義されるエネルギ−トランスデュ−サとしての特性を表す基本的な物理量である。これは、エネルギ−変換の目安を与えるとともに、圧電体の基本特性の評価量として広く用いられているものであり、通常は精密電気機器による計測を通じて得られる量である。本発明による簡素で静的な評価装置によって計測評価することはこれまで行われておらず、新しい手法である。
今後、機械的エネルギを用いて電気的な出力を得るための技術が、携帯用電子機器用の発電システムや自立型の計測モニタリング機器を主な応用先として盛んになることが予想され、そのための基礎的な特性評価手法としての活用が見込める。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る評価装置の基本構造を示した正面図である。
【図２】図１における測定供試体および円板が加圧される状態を詳細に示した図である
【図３】短絡状態及び開放状態での弾性定数を測定する状態を示した図である。
【図４】サンプルの応力−変位特性を示した図である。
【図５】従来技術１を示した図である。
【図６】従来技術２を示した図である。
【図７】従来技術３を示した図である。
【図８】従来技術４を示した図である。
【図９】従来技術５を示した図である。
【符号の説明】
１  油圧プレス
２  負荷ヘッド
３  平行バネ
４  負荷ヘッド取付けコラム
５  位置決めジグ
６  試料台
７  基板
８、１７  レーザ変位計
９、１０  円板
１１、１２、１３  測定供試体
１４  調心座
１５  鋼球
１６  センサ取付けコラム
１８  回路
１９  開閉スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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