(57)【要約】【課題】圧電特性（ｄ３１定数）を、高精度で求めることができる圧電特性測定方法等を提供すること。【解決手段】本発明に係る圧電特性測定方法は、基板と、前記基板上に設けられた圧電素子と、を有する被測定体の圧電特性測定方法であって、前記被測定体の一端を固定することで、前記被測定体を保持する工程と、前記圧電素子の圧電体層に電圧信号を印加して、前記被測定体を振動状態とする工程と、振動状態の前記被測定体に光源からレーザー光を照射し、前記被測定体から反射した反射光を得る工程と、レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、前記被測定体の変位量の経時的変化を得る工程と、前記変位量から前記被測定体の前記圧電体層の圧電特性を算出する工程と、を含み、前記反射光を得る工程において、前記レーザー光は、前記被測定体の２次振動の節に対して照射される。【選択図】図１
2011237281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に設けられた圧電素子と、を有する被測定体の圧電特性測定方法であって、
前記被測定体の一端を固定することで、前記被測定体を保持する工程と、
前記圧電素子の圧電体層に電圧信号を印加して、前記被測定体を振動状態とする工程と、
振動状態の前記被測定体に光源からレーザー光を照射し、前記被測定体から反射した反射光を得る工程と、
レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、前記被測定体の変位量の経時的変化を得る工程と、
前記変位量から前記被測定体の前記圧電体層の圧電特性を算出する工程と、
を含み、
前記反射光を得る工程において、前記レーザー光は、前記被測定体の２次振動の節に対して照射される、圧電特性測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体層に印加される前記電圧信号は、単一の鋸波であって、
前記電圧信号の周波数は、被測定体の共振周波数の１／１０以下である、圧電特性測定方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記電圧信号の印加電圧値をＸ［Ｖ］とし、前記被測定体の共振周波数をＹ［Ｈｚ］とした場合、前記電圧信号を前記圧電素子に印加する際の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）は、Ｘ／５Ｙ［Ｖ／ｓｅｃ］である、圧電特性測定方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項において、
前記振動状態は、共振状態である、圧電特性測定方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項において、
前記圧電特性を算出する工程は、有限要素シミュレーションを用いる、圧電特性測定方法。
【請求項６】
圧電素子を含む被測定体の一端を保持する保持部と、
前記被測定体に印加される電圧信号を発生させる信号発生部と、
前記被測定体に照射するレーザー光の光源を含む光学系、前記被測定体に前記レーザー光を照射して得られる反射光と前記光源から得られる参照光とを検出する検出部、および前記検出部における検出結果から前記被測定体の変位量の経時的変化を得ることができる信号処理部、を含むレーザードップラー振動計と、
を有し、
前記レーザードップラー振動計の前記光源からの前記レーザー光は、前記被測定体の２次振動の節に対して照射される、圧電特性測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電特性測定方法および圧電特性測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体層の厚みを、バルク型の圧電体層よりも薄く形成することができる薄膜技術を用いて製造された薄膜型の圧電素子を有する圧電アクチュエータやインクジェット式記録ヘッドなどが知られている。このような薄膜型の圧電素子において、ｄ定数などの圧電特性の測定を行う場合、バルク型の圧電素子よりも、その変位量が微小であることや、基板と接触していること等の理由から、圧電特性の測定が非常に困難であることが知られている（特許文献１）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、被測定体に対し、レーザー光を照射し、その被測定体の反りの状態の変化に伴った反射位置の変化により圧電特性を測定する技術が記載されている。
【０００４】
しかしながら、薄膜型の圧電素子を用いた圧電アクチュエータやインクジェット式記録ヘッドを設計する場合は、圧電素子のｄ３３定数だけではなく、基板上に設けられた状態における圧電素子のｄ３１定数が有用となる。したがって、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる、圧電特性の測定方法およびシステムが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２５１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明のいくつかの態様によれば、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる圧電特性測定方法および圧電特性測定システムを提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の態様の１つである圧電特性測定方法は、
基板と、前記基板上に設けられた圧電素子と、を有する被測定体の圧電特性測定方法であって、
前記被測定体の一端を固定することで、前記被測定体を保持する工程と、
前記圧電素子の圧電体層に電圧信号を印加して、前記被測定体を振動状態とする工程と、
振動状態の前記被測定体に光源からレーザー光を照射し、前記被測定体から反射した反射光を得る工程と、
レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、前記被測定体の変位量の経時的変化を得る工程と、
前記変位量から前記被測定体の前記圧電体層の圧電特性を算出する工程と、
を含み、
前記反射光を得る工程において、前記レーザー光は、前記被測定体の２次振動の節に対して照射される。
【０００８】
本発明によれば、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる圧電特性測定方法を提供することができる。
【０００９】
（２）本発明の態様の１つである圧電特性測定方法において、
前記圧電体層に印加される前記電圧信号は、単一の鋸波であって、
前記電圧信号の周波数は、被測定体の共振周波数の１／１０以下であってもよい。
【００１０】
これによれば、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることができるため、圧電素子のｄ３１定数をより高精度で求めることができる。
【００１１】
（３）本発明の態様の１つである圧電特性測定方法において、
前記電圧信号の印加電圧値をＸ［Ｖ］とし、前記被測定体の共振周波数をＹ［Ｈｚ］とした場合、前記電圧信号を前記圧電素子に印加する際の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）は、Ｘ／５Ｙ［Ｖ／ｓｅｃ］であってもよい。
【００１２】
これによれば、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることができるため、圧電素子のｄ３１定数をより高精度で求めることができる。
【００１３】
（４）本発明の態様の１つである圧電特性測定方法において、
前記振動状態は、共振状態であってもよい。
【００１４】
（５）本発明の態様の１つである圧電特性測定方法において、
前記圧電特性を算出する工程は、有限要素シミュレーションを用いてもよい。
【００１５】
（６）本発明の態様の１つである圧電特性測定システムは、
圧電素子を含む被測定体の一端を保持する保持部と、
前記被測定体に印加される電圧信号を発生させる信号発生部と、
前記被測定体に照射するレーザー光の光源を含む光学系、前記被測定体に前記レーザー光を照射して得られる反射光と前記光源から得られる参照光とを検出する検出部、および前記検出部における検出結果から前記被測定体の変位量の経時的変化を得ることができる信号処理部、を含むレーザードップラー振動計と、
を有し、
前記レーザードップラー振動計の前記光源からの前記レーザー光は、前記被測定体の２次振動の節に対して照射される。
【００１６】
本発明によれば、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる圧電特性測定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の圧電特性測定システムを模式的に示す図。
【図２】被測定体の一例を模式的に示す斜視図。
【図３】電圧信号の波形を模式的に説明する図。
【図４】本実施形態の圧電特性測定方法を説明するための図。
【図５】本実施例に係る測定結果を説明する図。
【図６】本実施例に係る測定結果を説明する図。
【図７】本実施例に係る測定結果を説明する図。
【図８】本比較例に係る測定結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１９】
１．圧電特性測定システム
図１は、本実施形態の圧電特性測定システムの一例を模式的に説明する図である。図２は、本実施形態の圧電特性測定システムでもって圧電特性測定に用いる被測定体の一例を模式的に説明する図である。図２は、被測定体１０の斜視図である。図３は、信号発生部が発生する電圧信号の波形を模式的に示す図である。
【００２０】
本実施形態に係る圧電特性の測定方法を実施するためのシステムである圧電特性測定システム１００は、図１に示すように、被測定体１０を保持する保持部２０、被測定体１０に印加する電圧信号を発生させる信号発生部３０およびレーザードップラー振動計４０（光学系（４１、４２、４３）、検出部４５、信号処理部４６）を含む。
【００２１】
本発明において「圧電特性」という文言を、例えば、圧電素子に用いられる圧電体のｄ定数を意味する文言として用いる。特に、本発明においては、「圧電特性」という文言で、圧電体層のｄ３１の圧電定数を意味する。
【００２２】
図１に示すように、被測定体１０は、基板５と、基板５の上に設けられた圧電素子４と、を有する。圧電素子４は、第１電極１と第２電極３とによって挟まれた圧電体層２を有する。図１に示すように、被測定体１０は、保持部２０によって被測定体１０の少なくとも一端を固定される（片持ちされる）ことで保持される。被測定体１０の外形および構成は、圧電素子４に電圧を印加することにより変形／振動することができる限り、特に限定されない。以下において、被測定体１０の一例を、図２を用いて説明するが、被測定体１０の構成は、以下の説明に限定されるものではない。
【００２３】
例えば、図２に示すように、被測定体１０は、一の方向に延びた直方体であってもよい。被測定体１０の外形は、例えば長辺と短辺のアスペクト比が、５以上であってもよい。ここで、被測定体１０が最も歪む方向であって、外形の長手方向をＸ軸方向とし、被測定体１０の短手方向（被測定体の幅方向）をＹ軸方向とし、ＸＹ軸面に対しての法線方向（被測定体の厚み方向）をＺ軸方向とする。
【００２４】
図２に示すように、被測定体１０は、被測定部分１１と、保持部分１２とを有する。被測定部分１１は、電圧が印加された場合に、圧電素子４として実質的に変位／振動することができる部分である。保持部分１２は、後述される保持部２０によって、保持することができる部分であって、実質的に変位／振動を無視できる部分である。したがって、Ｘ軸方向において、被測定部分１１は、保持部分１２よりも長い部分であってもよい。ここで、図２に示すように、被測定部分１１の保持部分１２とは反対側に位置する端部を、先端部分１５とする。
【００２５】
基板５は、弾性を有する導電体、半導体、絶縁体で形成されたプレート状部材である。基板５は、後述される圧電素子４の変形／振動によって変形／振動できる部材である。基板５の材質としては、圧電素子４が密着よく形成できれば限定されるものではないが、変化量を大きくとるために弾性定数の低い素材を使用することが望ましい。基板５の材質としては、例えば、想定される圧電ディバイスの基板と同様の材質を用いることができる。基板５の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体、ステンレス鋼などの合金や、ポリプロピレン、ポリイミド、シリコン樹脂、フッ素樹脂などの有機高分子素材を用いることができる。基板５は、例示した物質の２種以上の積層構造であってもよい。基板５の厚みは、用いる材質の弾性率などにしたがって最適に選ばれる。基板５の厚みは、例えば、３０μｍ以上１０００ｍｍ以下とすることができる。これによれば、被測定体１０をハンドリングすることができ、測定される変位を読み取ることができる。
【００２６】
図２に示すように、圧電素子４は、基板５の上に形成された第１電極１と、第１電極１の上に形成された圧電体層２と、圧電体層２の上に形成された第２電極３と、を有する。したがって、第１電極１、圧電体層２および第２電極３は、Ｚ軸方向において積層されている構造を有する。ここで、圧電体層２の第１電極１側の面を第１の面２ａとし、第２電極側の面を第２の面２ｂとする。
【００２７】
第１電極１は、図２に示すように、基板５の上に形成される。第１電極１は、第２電極３と対になり、圧電体層２を挟む一方の電極として機能する。図２に示すように、第１電極１は、被測定部分１１の第１の面２ａにおいて、圧電体層２を覆うように形成される。また、図２に示すように、第１電極１は、リード部１ａと電気的に接続されている。リード部１ａは、被測定部分１１の第１電極１と電気的に接続し、保持部分１２の第１の面２ａに形成される。リード部１ａは、圧電体層２の側面から、圧電体層２の第２の面２ｂまで連続して至るように形成されていてもよい。これによって、図２に示すように、保持部分１２の第２の面２ｂにおいて、第１電極１の電気的接続部１ｂが設けられてもよい。
【００２８】
第１電極１の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第１電極１の材質として、例えば、Ｎｉ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒなどの各種の金属及びこれらの金属の合金、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ＳｒとＲｕの複合酸化物、ＬａとＮｉの複合酸化物などを用いることができる。また、第１電極１は、例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。第１電極１の厚みは、用いる材質の弾性率と導電率などにしたがって最適に選ばれる。第１電極１の材質にＰｔを用いる場合、第１電極１の厚みは、例えば、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。
【００２９】
圧電体層２は、図２に示されるように、第１電極１と第２電極３との間に配置されている。図２に示すように、圧電体層２は、被測定体１０の被測定部分１１において、第１電極１と第２電極３とによって挟まれるように設けられる。図２に示すように、圧電体層２はプレート状の部材であってもよい。圧電体層２の厚みは、電圧が印加される際に、実質的に伸縮変形できる限り、特に限定されない。圧電体層２の厚みは、例えば、１００ｎｍ以上１０００００ｎｍ以下とすることができる。
【００３０】
圧電体層２の材質としては、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。このような材質の具体的な例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）（以下、本明細書において「ＰＺＴＮ」と略すことがある。）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｂｉ，ＮａＴｉＯ３、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、およびこれらの複合酸化物などが挙げられる。
【００３１】
第２電極３は、図２に示すように、圧電体層２の上に形成される。第２電極３は、第１電極１と対になり、圧電体層２を挟む一方の電極として機能する。図２に示すように、第２電極３は、被測定部分１１の第２の面２ｂにおいて、形成される。図２に示すように、第２電極３は矩形であってもよい。ここで、図２に示すように、被測定部分１１と保持部分１２との境界を、第２電極３の保持部分１２側の一辺によって規定してもよい。また、図２に示すように、第２電極３は、リード部３ａと電気的に接続されている。リード部３ａは、被測定部分１１の第２電極３と電気的に接続し、保持部分１２の第２の面２ｂに形成される。図２に示すように、保持部分１２の第２の面２ｂにおいて、リード部３ａと連続した第２電極３の電気的接続部３ｂが設けられてもよい。
【００３２】
第２電極３の材質は、導電性を有する物質である限り特に限定されない。第２電極３の材質および構成は、例えば、第１電極１と同じ材料および構成であってもよい。
【００３３】
図２に示すように、被測定体１０は、被測定部分１１において、レーザー照射部分１６を有する。レーザー照射部分１６とは、被測定体１０の第２の面２ｂの上方であって、レーザー光が照射される部分である。換言すれば、レーザー光照射の際に、レーザー光の光軸が位置合わせされる部分である。レーザー照射部分１６の位置は、被測定部分１１が共振状態となった場合の２次振動の節の位置である。つまりは、一端は固定端（保持部分１２）であり、他端は自由端（先端部分１５）である場合の振動における２次振動の節の位置が、レーザー照射部分１６となる。したがって、保持部分１２からのレーザー照射部分１６の位置までのＸ軸方向の長さＬ１は、被測定部分１１のＸ軸方向の長さをＬ０としたときに、以下の式で表される。
【００３４】
【数１】
2011237281.tif 000003
【００３５】
また、レーザー光Ｂは、２次振動以上の高次振動モードの影響が、実質的に測定結果に影響しないように照射されればよいため、レーザー光照射位置１６は、領域幅を有していてもよい。保持部分１２からのレーザー照射部分１６の位置までのＸ軸方向の長さＬ１は、例えば、以下の式における範囲であってもよい。
【００３６】
【数２】
2011237281.tif 000004
【００３７】
上記の範囲内であれば、測定結果が、実質的には２次振動以上の高次振動モードの影響を受けにくく、測定結果として、高精度の変位量データを得ることが出来る。
【００３８】
なお、本実施形態に係る圧電特性の測定方法を実施するためのシステムでは、上述された形態を有する被測定体１０だけではなく、電圧を印加することによって、圧電素子が変形／振動できる形態であれば適宜、適用することができる。例えば、図示はされないが、被測定体１０のＺ軸方向から見た外形が、ひし形を有していてもよい。その場合であっても、適宜、２次振動の節の位置を算出してレーザー光照射位置１６を決定することができる。
【００３９】
保持部２０は、図１に示すように、被測定体１０を片持ちする部材である。具体的には、保持部２０は、被測定体１０の一端を固定することで、被測定体１０を保持する。保持部２０は、図１に示すように、被測定体１０の所定の位置に対して、後述されるレーザードップラー振動計４０からのレーザー光を照射できるように配置される。また、図示はされないが、保持部２０は、後述される信号発生部３０と電気的に接続された配線を内部に有する。これによって、保持部２０は、被測定体１０の圧電素子４に電圧を印加することができる。
【００４０】
信号発生部３０は、保持部２０の内部配線を介して、被測定体１０の圧電素子４に、所望の周波数の電圧信号（駆動信号）を印加することができる。信号発生部３０は、公知のファンクションジェネレーターを含む。また、信号発生部３０は、パワーアンプなどの増幅回路部を含む。信号発生部３０において、ファンクションジェネレーターから発生した電圧信号は、増幅回路を介して保持部２０へ送られてもよい。信号発生部３０は、例えば、所望の周波数の電圧からなる電圧信号を発生させることができる。
【００４１】
信号発生部３０が発生する電圧信号は、図３に示すように、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体１０の共振周波数の１／１０以下であってもよい。より具体的には、電圧信号の印加電圧値をＸ［Ｖ］とし、被測定体１０の共振周波数をＹ［Ｈｚ］とした場合、電圧信号を圧電素子４に印加する際の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）は、Ｘ／５Ｙ［Ｖ／ｓｅｃ］であってもよい。このように、目標の電圧値（ｄＶ）に対して、十分な時間（ｄｔ）をかけて電圧信号の電圧値を上昇させることにより、容易に被測定体を安定的な共振状態をとし、測定して得られる速度信号のシグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることができるため、圧電素子のｄ３１定数をより高精度で求めることができる。
【００４２】
レーザードップラー振動計４０は、図１に示すように、少なくとも光学系（光源４１、偏光ビームスプリッター４２、ミラー４３）、検出部４５および信号処理部４６を含む装置である。
【００４３】
本発明において「レーザードップラー振動計」という文言を、例えば、レーザー光の干渉光学系におけるドップラー効果を利用して被測定体の変位量を測定することができる装置として用いている。具体的には、「レーザードップラー振動計」は、まず、振動状態にある被測定体に光源からレーザー光を照射して得られる反射光（ドップラーシフトしたレーザー光）と、あらかじめ周波数シフトを与えられた参照光と、を干渉させ、それらの光路差によるビート周波数を得ることができる。そして、レーザードップラー振動計の信号処理部４６において周波数分析を行い、ドップラーシフトした周波数成分のみが取り出され、ＦＭ復調回路で、振動速度に応じた電気信号が出力される。したがって、本発明に係る「レーザードップラー振動計４０」としては、公知のレーザードップラー振動計を適宜、適用することができる。例えば、レーザードップラー振動計４０は、レーザー光を使用した反射型センサーであってもよい。具体的には、レーザードップラー振動計４０は、ヘテロダイン方式のレーザー変位計であってもよい。このようなレーザードップラー振動計４０を用いることで、共振状態にある被測定体１０の速度（変位量）変化を、経時的に測定することが可能となる。
【００４４】
なお、以下に説明するレーザードップラー振動計４０の構成（図１）は、本発明に適用可能なレーザードップラー振動計の一つの形態であって、本発明は、これに限定されるものではない。
【００４５】
レーザードップラー振動計４０の光学系は、例えば、レーザー光を発生させ被測定体１０に照射する光源４１と、光源４１からのレーザー光Ａを、入射光Ｂと、参照光Ｃとに偏光する偏光ビームスプリッター４２と、参照光Ｃと反射光Ｄの光路差を定検出部４５に検出させるための複数のミラー４３と、を含んでいてもよい。光源４１からのレーザー光Ａは、例えば、周波数変調がかけられた変調電流を、光源４１となる半導体レーザーに注入することによって発生させていてもよい。また、図示されないが、レーザードップラー振動計４０の光学系は、周波数シフタ、光路長差補正器、波長板、コリメータレンズ、集光レンズ、投光レンズ、受光レンズ等の光学素子を適宜、含むことができる。レーザードップラー振動計４０の光学系によれば、光源４１を用いて、被測定体にレーザー光を照射して、反射光Ｄを得て、反射光Ｄと参照光Ａとを干渉させることで、生じたビート信号を、検出部４５によって検出することができる。
【００４６】
検出部４５は、公知の光検出器から構成される。検出部４５は、公知の増幅回路を含み、検出したビート信号を、増幅回路を介して、信号処理部４６へ送ることができる。信号処理部４６は、レーザードップラー振動計４０の検出部４５において検出されたビート信号から、周波数分析を行って、被測定体１０の振動速度を算出し、それに応じた電圧信号を出力することができる。信号処理部４６によって算出された振動速度の電圧信号は、表示部５０において表示することができる。表示部５０は、例えば、オシロスコープおよび／または電子計算機を用いることができる。また、表示部５０においては、振動速度を積分処理して得られる被測定体１０の変位量を表示することができる。これによれば、測定によって得られた高精度の変位量データから、被測定体１０の圧電体層２の圧電特性ｄ３１を容易に算出することができる。
【００４７】
以上によって、本実施形態に係る圧電特性測定システム１００が構成される。本実施形態に係る圧電特性測定システム１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００４８】
本実施形態に係る圧電特性測定システム１００によれば、レーザードップラー振動計４０を用いて、被測定体１０の振動速度を測定する際、レーザー光を、被測定体１０のレーザー照射部分１６に照射して、ドップラーシフトした反射光を得ることができる。これによれば、反射光に対する２次振動以上の高次振動モードの影響を低減することができるため、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる。
【００４９】
また、本実施形態に係る圧電特性測定システム１００によれば、信号発生部３０が発生する電圧信号は、例えば、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体１０の共振周波数の１／１０以下となるように調整される。具体的には、電圧信号の印加電圧値をＸ［Ｖ］とし、被測定体１０の共振周波数をＹ［Ｈｚ］とした場合、電圧信号を圧電素子４に印加する際の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）は、Ｘ／５Ｙ［Ｖ／ｓｅｃ］となるように調整される。これによれば、被測定体１０を容易に共振振動状態とすることができる。したがって、測定して得られる速度信号のシグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることができるため、圧電素子のｄ３１定数をより高精度で求めることができる。
【００５０】
２．圧電特性測定方法
以下、図面を参照して、本実施形態に係る圧電特性測定方法について説明する。
【００５１】
図４は、本実施形態に係る圧電特性測定方法を示すフローチャート図である。
【００５２】
図４に示すように、本実施形態に係る圧電特性測定方法は、被測定体１０の一端を固定することで、被測定体１０を保持する工程と、圧電素子４の圧電体層２に電圧信号を印加して、被測定体１０を振動状態とする工程と、振動状態の被測定体１０に光源からレーザー光を照射し、被測定体１０から反射した反射光を得る工程と、レーザードップラー振動計を用いて、前記反射光と前記光源からの参照光とから、被測定体１０の変位量の経時的変化を得る工程と、変位量から被測定体１０の圧電体層２の圧電特性を算出する工程と、を含む。
【００５３】
２−１．保持工程（Ｓ１）
まず、図４に示すように、保持部２０によって、被測定体１０の一端を固定する（片持ちする）ことで、被測定体１０を保持する（Ｓ１）。被測定体１０の一端を固定する場合、保持部２０は、被測定体１０の保持部分１２を保持する。ここで、被測定体１０は、例えば、第２電極３が形成された第２の面２ｂが上面となり、第２の面２ｂの上方に、レーザードップラー振動計４０からのレーザー光が入射するように保持される。ここで、例えば、被測定体１０の保持部分１２に、保持部２０が保持するためのアライメントマークが設けられ、該アライメントマークに沿って被測定体１０は保持されていてもよい（図示せず）。ここで、被測定体１０の電気的接続部１ｂおよび３ｂと、保持部２０内の配線とが電気的に接続されることによって、圧電素子４と、信号発生部３０とが電気的に接続される。
【００５４】
２−２．電圧信号印加工程（Ｓ２）
次に、図４に示すように、圧電素子４の圧電体層２に電圧信号を印加して、被測定体１０を振動状態とする（Ｓ２）。ここで、被測定体１０の圧電素子４に印加される電圧信号は、単一の鋸波である。電圧信号の詳細は上述されているため省略する。電圧信号を印加した後に、被測定体１０は、Ｚ軸方向に変位量を有する共振状態の振動状態となることができる。
【００５５】
２−３．レーザー光照射工程（Ｓ３）
次に、図４に示すように、共振状態の被測定体１０にレーザー光を照射し、被測定体１０から反射した反射光を得る（Ｓ３）。図１に示すように、入射光Ｂは、Ｚ軸方向から被測定体１０の被測定部分１１のレーザー照射部分１６に照射される。これによって、第２の面２ｂ（または第２電極３）において入射光Ｂが反射し、ドップラーシフトした反射光Ｄを得ることができる。
【００５６】
２−４．変位量を得る工程（Ｓ４）
次に、図４に示すように、レーザードップラー振動計４０を用いて、ドップラーシフトした反射光Ｄと参照光Ｃとから得られる被測定体１０のビート周波数を、周波数分析を行い、演算処理することで、変位量データを得る（Ｓ４）。具体的には、反射光Ｄが、レーザードップラー振動計４０に取り込まれ、反射光Ｄと参照光Ｃとを干渉させる干渉光学系によって、反射光Ｄと参照光Ｃとが光学的に干渉し、検出部４５には両者の干渉よる干渉強度が検出される。ここで、被測定体１０が振動モードである場合、反射光Ｄと、参照光Ｃとの光路差長により生じる時間差によって、干渉強度にビート（うねり）が発生するため、検出部４５には、ビート信号として連続的に検出されることができる。検出部４５において検出される連続的なビート信号は、光路差によって生じたビート周波数を中心周波数とするＦＭ信号（ドップラーシフト量）である。したがって、信号処理部４６において、ＦＭ信号を、復調信号処理することによって、被測定体１０の振動速度を求めることができる。つまりは、得られた振動速度データを積分処理することにより、被測定体の変位量データを求めることができる。
【００５７】
レーザードップラー振動計４０によって得られた被測定体１０の振動速度データおよび変位量データは、例えば、オシロスコープおよび／または電子計算機などの表示部５０に出力され、変位量の経時的変化を表示させることができる。
【００５８】
ここで、第１電極１、第２電極３等の部材は、圧電体層２の変位を実質的に阻害しない程度の膜厚で形成されるため、印加電圧値に対する被測定体１０の変位量データでもって、圧電素子４の圧電体層２の電圧−歪特性データとしてもよい。また、基板５の膜厚や材質の剛性等を考慮して補正をかけてもよい。
【００５９】
２−５．圧電特性を算出する工程（Ｓ５）
次に、図４に示すように、被測定体１０の変位量データを基に、有限要素シミュレーションを用いて圧電体層２の圧電定数ｄ３１を算出する。以下に具体的に説明する。
【００６０】
例えば、基板５のヤング率をＥ５とするとき、被測定体がＤ１の変位量分変形するために必要な応力Ｆとの関係は、以下の式で表される。
【００６１】
【数３】
2011237281.tif 000005
【００６２】
ここで、Ｄ１分の変位に必要な応力Ｆを、圧電素子４の圧電体層２によって出力するために必要となる、圧電体層２のｄ３１方向の変位量をＤ２とし、圧電素子４のヤング率をＥ４とするとき、応力Ｆは、以下の式で表される。
【００６３】
【数４】
2011237281.tif 000006
【００６４】
以上において、基板５のヤング率Ｅ５および圧電素子４のヤング率Ｅ４は、材質および膜厚などの条件から既知の値である。したがって、上記のＤ２を、印加電圧値で除算することによって、圧電特性ｄ３１を求めることができる。ここで、αおよびβは、環境変数であるが、有限要素法によって算出される。
【００６５】
以上が、本実施形態に係る圧電特性測定方法の説明となる。本実施形態に係る圧電特性測定方法は、例えば、以下の特徴を有する。
【００６６】
本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、レーザードップラー振動計４０を用いて、被測定体１０の振動速度を測定する際、レーザー光を、被測定体１０のレーザー照射部分１６に照射して、ドップラーシフトした反射光を得ることができる。これによれば、反射光に対する２次振動以上の高次振動モードの影響を低減することができるため、圧電素子のｄ３１定数を高精度で求めることができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、信号発生部３０が発生する電圧信号は、例えば、単一の鋸波であって、電圧信号の周波数は、被測定体１０の共振周波数の１／１０以下となるように調整される。具体的には、電圧信号の印加電圧値をＸ［Ｖ］とし、被測定体１０の共振周波数をＹ［Ｈｚ］とした場合、電圧信号を圧電素子４に印加する際の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）は、Ｘ／５Ｙ［Ｖ／ｓｅｃ］となるように調整される。これによれば、被測定体１０を容易に共振振動状態とすることができる。したがって、測定して得られる速度信号のシグナル／ノイズ比（ＳＮ比）を高くすることができるため、圧電素子のｄ３１定数をより高精度で求めることができる。
【００６８】
３．実施例
以下、本発明に係る圧電特性測定方法および圧電特性測定システムの実施例を、図面を参照しながら説明する。
【００６９】
３−１．実施例
本実施例においては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層、白金からなる第１および第２電極、シリコン基板を用いて本実施形態に係る被測定体１０を作製し、その圧電特性を、本発明に係る圧電特性測定方法および圧電特性測定システムを用いて評価した。
【００７０】
実施例に係る被測定体１０は、厚さ６３５μｍのＴｉ/ＳｉＯ２/Ｓｉ基板の上に、第１電極１として白金（Ｐｔ）をスパッタリング法により厚さ１００ｎｍで被着させ、第１電極１の上に被測定材料の圧電体層２であるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）をゾル−ゲル法により厚さ１．３μｍとなるように成膜、焼成し、圧電体層２の上に、第２電極３として白金（Ｐｔ）を第１電極１と同じ条件で被着させたものであった。被測定体１０の外形は、レーザーの入射方向であるＺ軸方向から見て、長方形であり、長手方向であるＸ軸方向の長さが３０ｍｍ、短手方向であるＹ軸方向の長さが４ｍｍ、被測定部分１１のＸ軸方向の長さが２０ｍｍであった。
【００７１】
レーザードップラー振動計４０としては、小野測器社製のLV-0180を用いた。光源４１としては、波長６３２．８ｎｍ、出力０．９５ｍＷ以下の半導体レーザーを用いた。レーザー光の照射位置は、被測定部１１における２次振動の節部分に調整され、保持部２０によって保持された固定端から１５．２ｍｍの位置にレーザー光を照射した。
【００７２】
被測定体１０の圧電素子４に印加された電圧信号は、周波数領域が１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、電圧値が５Ｖ（最小値）〜８０Ｖ（最大値）の単一の鋸波とした。
【００７３】
図５は、本実施例に係る（１）電圧信号、（２）検出結果から算出された速度データ、および（３）速度データから算出された変位量データが、表示部５０であるオシロスコープに表示されたものを示す図である。図６は、本実施例に係る測定において得られた速度データと、速度データから得られた変位量データのみをプロットした図である。また、図７は、得られた変位量データから有限要素シミュレーションによって算出された圧電特性をプロットした図である。なお、測定は同様の条件で２回行われ、図７においては、それぞれの結果を三角と四角でプロットしている。
【００７４】
図５および図６に示すように、電圧信号を印加した後、ＳＮ比（シグナルノイズ比）が非常に高い周期的な速度データが得られた。つまりは、被測定体１０の振動速度データを高精度に得られることが確認された。
【００７５】
次に、図７に示すように、得られた振動速度データを基に算出された変位量データでもって、圧電体層２の圧電特性ｄ３１が有限要素シミュレーションによって演算処理され、得られることが確認された。また、２回の測定結果において、ほぼ同様の結果が得られたことから、本実施例に係る測定結果の再現性および信頼性が高いことが確認された。
【００７６】
３−２．比較例
本比較例においては、実施例にて用いた被測定体１０を用いて、レーザー光の照射位置を、レーザー照射部分１６ではなく、被測定部分１１の先端部分１５に近接した部分に調節して、測定を行った。レーザー光の照射位置は、保持部２０によって保持された固定端から１５．２ｍｍの位置にレーザー光を照射した。その他の測定条件は、実施例に係る条件と同様に調整された。
【００７７】
図８は、本比較例に係る測定において得られた速度データと、速度データから得られた変位量データのみをプロットした図である。
【００７８】
図８に示すように、得られた速度データには、複数の振動波形が影響を与えられていた。つまりは、レーザー光の照射位置により、２次振動以上の高次振動モードが測定結果に影響を与え、測定結果の精度が、実施例に係る測定結果と比べ低いことが明らかとなった。
【００７９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８０】
１  第１電極、１ａ  リード部、１ｂ  電気的接続部、２  圧電体層、２ａ  第１の面、
２ｂ  第２の面、３  第２電極、３ａ  リード部、３ｂ  電気的接続部、４  圧電素子、
５  基板、１０  被測定体、１１  被測定部分、１２  保持部分、１５  先端部分、
１６  レーザー照射部分、２０  保持部、
３０  信号発生部、４０  レーザードップラー振動計、４１  光源、
４２  偏光ビームスプリッター、４３  ミラー、４５  検出部、４６  信号処理部、
５０  表示部、１００  圧電特性測定システム
【図１】
2011237281.tif 000007
【図２】
2011237281.tif 000008
【図３】
2011237281.tif 000009
【図４】
2011237281.tif 000010
【図５】
2011237281.tif 000011
【図６】
2011237281.tif 000012
【図７】
2011237281.tif 000013
【図８】
2011237281.tif 000014