(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性（電圧−歪特性）を、簡便で、かつ、信頼性の高い方法で測定す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、前記被測定体の少なくとも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、レーザー変位計を用いて、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、を含む。【選択図】図１
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【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、
前記被測定体の少なくとも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、
レーザー変位計を用いて、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、
を含む、圧電特性測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記電圧信号の周波数は、前記被測定体の共振周波数より低い周波数を有する、圧電特性測定方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記電圧信号の周波数は、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下である、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、共振状態ではない、定常状態である、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、
前記被測定体の保持工程において、前記被測定体の前記一端と対向する他端をさらに固定する、圧電特性測定方法。
【請求項６】
圧電素子を含む被測定体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、を含むレーザー変位計と、
を有する、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定数や、実質的な変位量の経時的変動など、圧電素子の基礎物性に関した情報が有用となる。したがって、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性を、簡便で、かつ、信頼性の高い方法で測定す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、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性を、簡便で、かつ、信頼性の高い方法で測定することができる圧電特性の測定方法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、
前記被測定体の少なくとも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、
レーザー変位計を用いて、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、
を含む。
【０００８】
本発明において、「上」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明において、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上」という文言を用いている。同様に、「下」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【０００９】
本発明によれば、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性（電圧−歪特性）を、簡便で、かつ、信頼性の高い方法で測定す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。
【００１０】
（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、
前記電圧信号の周波数は、前記被測定体の共振周波数より低い周波数を有していてもよい。
【００１１】
これによれば、被測定体を振動状態とする工程において、被測定体を共振させないで、定常状態とすることができる。
【００１２】
（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、
前記交流電圧の周波数は、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下であってもよい。
【００１３】
これによれば、より信頼性の高い圧電特性の測定方法を提供することができる。
【００１４】
（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、共振状態ではない、定常状態であってもよい。
【００１５】
（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、
前記被測定体の保持工程において、前記被測定体の前記一端と対向する他端をさらに固定してもよい。
【００１６】
（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、を含むレーザー変位計と、
を有する。
【００１７】
本発明によれば、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性（電圧−歪特性）を、簡便で、かつ、信頼性の高い方法で測定す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】
【００１８】
【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】本実施形態の圧電特性測定方法を説明するための図。
【図４】第１〜第３実施例の電圧−歪特性のプロット図。
【図５】第４実施例の電圧−歪特性のプロット図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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およびレーザー変位計４０（光学系（４１、４２、４３）、検出部４５、信号処理部４６）を含む。
【００２２】
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経時的な電圧−歪特性を意味する文言として用いる。電圧−歪特性の傾きを用いてｄ定数を求めることができる。また、電圧−歪特性は、印加電界により非線形の形状をとることが知られている。つまりは、低電界下の歪特性と、高電界下での歪特性では歪率が異なることが知られている。また、同電界下においても、保持時間により応力の緩和や、圧電材料のリラクゼーションにより、歪量が経時的に変化することも知られている。これらを含めた電圧−歪特性を測定することにより、液体噴射ヘッドなどに用いられる圧電アクチュエータの設計に有用な圧電特性（基礎物性データ）を得ることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
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が延びる方向であって、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。
【００２５】
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／振動を行わない部分である。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。また、図示はされないが、Ｘ軸方向において、被測定体１０の両端において、被測定部分１１を挟むように保持部分１２が設けられていてもよい。その形状の場合には、２箇所の保持部１２の一方には、同様の電極パターンがなくても良い。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
保持部２０は、図１に示すように、被測定体１０を片持ちできる。具体的には、保持部２０は、被測定体１０の少なくとも一端を固定することで、被測定体１０を保持する。また、図示はされないが、保持部２０は、被測定体１０を両端保持してもよい。この場合、被測定体１０は、被測定部分１１を挟むように、保持部分１２が形成される。保持部２０は、図１に示すように、被測定体１０に対して、後述されるレーザー変位計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。
【００３６】
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。信号発生部３０が発生する電圧信号の周波数は、例えば、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下に調整されてもよい。
【００３７】
レーザー変位計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。
【００３８】
本発明において「レーザー変位計」という文言を、例えば、レーザー光の干渉光学系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。したがって、「レーザー変位計」は、「レーザー干渉変位計」とも称することができる。具体的には、「レーザー変位計」は、被測定体に光源からレーザー光を照射して得られた反射光と、同じ光源から得られた参照光と、を干渉させ、それらの光路差によるビート信号（うなり信号）から、被測定体の基準位置からの変位量を測定する機構を有する。したがって、レーザー変位計４０としては、公知のレーザー変位計を適宜、適用することができる。例えば、レーザー変位計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、レーザー変位計４０は、ヘテロダイン方式レーザー変位計であってもよい。このようなレーザー変位計４０を用いることで、定常状態（非共振状態）にある被測定体１０の変位量を、経時的に測定することが可能となる。
【００３９】
なお、以下に説明するレーザー変位計４０の構成（図１）は、本発明に適用可能なレーザー変位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。
【００４０】
レーザー変位計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、レーザー変位計４０の光学系は、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。レーザー変位計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、光路差により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。
【００４１】
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、レーザー変位計４０の検出部４５において検出されたビート信号から、被測定体１０の変位量を算出することができる。信号処理部４６によって算出された変位信号は、変位波形として表示部５０に表示される。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。
【００４２】
（変形例）
本変形例に係る圧電特性測定システムとして、保持部２０は、被測定体１０の両端を保持することができる保持部であってもよい。両端を保持する場合、第１電極１および第２電極３とによって挟まれた圧電体層２の実質的な駆動部分が、被測定部分となるように、被測定体１０の両端を保持して固定してもよい。
【００４３】
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。
【００４４】
本実施形態に係る圧電特性測定システム１００によれば、レーザー変位計４０を用いることから、被測定体１０の変位量の経時的変化に関した情報を得ることができる。つまりは、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性（電圧−歪特性）を得ることができる。
【００４５】
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、レーザー変位計４０を備えることから、圧電特性の測定方法が簡便となる。以下に詳細を説明する。まず、圧電特性測定システム１００によれば、被測定体１０に含まれる圧電素子４の圧電体層２の圧電特性を、定常状態（非共振状態）の被測定体１０のまま、測定することができる。つまりは、被測定体を共振状態として測定する共振系の測定方法と比べて、圧電特性の測定が容易となり、さらに実使用に近い状態での測定が可能となる。また、同一サンプルを複数回にわたり、連続して測定することも容易となる。また、圧電特性測定システム１００によれば、光源４１からのレーザー光を入射させる位置は、被測定体１０が振動している領域であれば限定されず、レーザー光の入射位置のアライメントが、極めて容易である。したがって、圧電特性測定システム１００によれば、圧電特性の測定方法が簡便となる。
【００４６】
また、圧電特性測定システム１００によれば、レーザー変位計４０を備えることから、定常状態（非共振状態）の被測定体１０の変位量を測定することができるため、被測定体１０の圧電素子４が、液体噴射ヘッドなどの圧電アクチュエータとして用いられる際の実際の駆動状態に近似した条件での測定結果を得ることができる。また、被測定体１０に印加する電圧信号も、実際の圧電アクチュエータの駆動に用いられる駆動信号と同様の信号（つまりはプラス電圧値からマイナス電圧値）を用いることができる。したがって、圧電特性測定システム１００によれば、共振系の測定方法よりも、実際の駆動条件に近似した条件下で圧電特性の測定を行うことができるため、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００４７】
また、圧電特性測定システム１００によれば、レーザー変位計４０を備えることから、測定に用いる電圧信号の周波数を、共振周波数よりも低い周波数とすることができる。したがって、信頼性のより高い測定結果を得ることができる。以下に詳細を説明する。測定に用いる電圧信号の周波数は、例えば、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の周波数領域を用いることができる。例えば、１００Ｈｚより大きな高周波数領域で変位量の測定を行った場合、サンプル固有の共振周波数が測定値として含まれてしまう可能性がある。これに対し、圧電特性測定システム１００によれば、低周波数領域でもって圧電特性測定を行うことができるため、高周波数領域で測定を行った際、周波数フィルターを用いる必要がある。しかしながら、周波数フィルターを用いた場合は、実測変位量よりも減衰したデータとなってしまう可能性がある。したがって、圧電特性測定システム１００によれば、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００４８】
また、変形例に係る圧電特性測定システムによれば、被測定体１０が両端を固定された状態下での変位量を測定することができるため、実際の圧電アクチュエータの駆動条件に近似した条件下で圧電特性の測定を行うことができ、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
図３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。
【００５１】
図３に示すように、本実施形態に係る圧電特性測定方法は、基板５と、基板５上に設けられた圧電素子４と、を有する被測定体１０の圧電特性測定方法であって、被測定体１０の少なくとも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４１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、レーザー変位計４０を用いて、前記反射光と光源４１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、を含む。
【００５２】
２−１．保持工程（Ｓ１）
まず、図３に示すように、保持部２０によって、被測定体１０の少なくとも一端を固定する（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、レーザー変位計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。
【００５３】
２−２．電圧信号印加工程（Ｓ２）
次に、図３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、サイン波および三角波、台形波である。これによって、被測定体１０は、図２に示すように、Ｚ軸方向に変位量を有する振動状態となることができる。
【００５４】
圧電素子４に印加される電圧信号の印加波形は、被測定体１０を定常状態（非共振状態）の振動状態とすることができる限り、特に限定されない。印加電圧の波形は、例えば、三角波であってもよい。また、印加電圧の波形は、例えば、方形波（矩形波）や、のこぎり波であってもよい。電圧信号の印加波形の周波数は、信号発生部３０において調整される。電圧信号の周波数は、被測定体１０の共振周波数より低い周波数であってもよい。電圧信号の周波数の周波数領域は、例えば、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の低周波数領域であってもよい。これによれば、レーザー変位計４０による被測定体１０の変位量の測定において、被測定体１０固有の共振周波数が測定値として含まれにくくなる。その結果、測定結果の信頼性が向上する。また、電圧信号の電圧値領域は、マイナス電圧からプラス電圧に渡る範囲であってもよい。例えば、−６Ｖ以上、＋４０Ｖ以下の範囲であってもよい。これによれば、実際の圧電アクチュエータにおいて使用される駆動電圧の範囲での測定結果を得ることができる。
【００５５】
２−３．レーザー光照射工程（Ｓ３）
次に、図３に示すように、振動状態の被測定体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に照射される。照射される位置は、被測定部分１１の第２の面２ｂの上方であれば特に限定されない。例えば、被測定部分１１のＸ軸方向における中間位置よりも、保持されていない先端側の領域が、振動幅が大きく信号強度が強くなるため、好適に入射光Ｂが照射される。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、反射光Ｄを得ることができる。
【００５６】
２−４．変位量（圧電特性）を得る工程（Ｓ４）
次に、図３に示すように、レーザー変位計４０を用いて、反射光Ｄと参照光Ｃとから、被測定体１０の変位量の経時的変化を得る（Ｓ４）。具体的には、反射光Ｄが、レーザー変位計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。この連続的なビート信号が、信号処理部４６において、復調信号処理されることによって、被測定体１０の変位量の経時的変化のデータを得ることができる。
【００５７】
レーザー変位計４０によって得られた被測定体１０の変位量データは、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】
また、被測定体１０の変位量データを基に、圧電体層２の圧電定数ｄ３１を求めることができる。以下に具体的に説明する。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。
【００６０】
【数１】
2011220956.tif 000003
【００６１】
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。
【００６２】
【数２】
2011220956.tif 000004
【００６３】
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。
【００６４】
（変形例）
本変形例に係る圧電特性測定方法として、（Ｓ１）保持工程において、保持部２０によって被測定体１０の両端を保持してもよい。両端を保持する場合、第１電極１および第２電極３とによって挟まれた圧電体層２の実質的な駆動部分が、被測定部分となるように、被測定体１０の両端を保持して固定してもよい。
【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、レーザー変位計４０を用いることから、被測定体１０の変位量の経時的変化に関した情報を得ることができる。つまりは、圧電アクチュエータの設計のために有用な圧電特性（電圧−歪特性）を得ることができる。
【００６７】
また、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、レーザー変位計４０を用いることから、圧電特性の測定方法が簡便となる。以下に詳細を説明する。まず、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、被測定体１０に含まれる圧電素子４の圧電体層２の圧電特性を、定常状態（非共振状態）のまま、測定することができる。つまりは、被測定体を共振状態としてから測定する共振系の測定方法と比べて、圧電特性の測定が容易となる。また、同一サンプルを複数回にわたり、連続して測定することも容易となる。また、圧電特性測定システム１００によれば、光源４１からのレーザー光を照射する位置は、被測定体１０が振動している領域であればよく、照射位置のアライメントが容易である。したがって、簡便な圧電特性測定方法を提供することができる。
【００６８】
また、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、レーザー変位計４０を用いることから、定常状態（非共振状態）の被測定体１０の変位量を測定することができるため、被測定体１０の圧電素子４が、液体噴射ヘッドなどの圧電アクチュエータとして用いられる際の実際の駆動状態に近似した条件での測定結果を得ることができる。また、被測定体１０に印加する電圧信号も、実際の圧電アクチュエータの駆動に用いられる駆動信号と同様の信号（つまりはプラス電圧値からマイナス電圧値）を用いることができる。したがって、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、共振系の測定方法よりも、実際の圧電アクチュエータの駆動条件に近似した条件下で圧電特性の測定を行うことができるため、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００６９】
また、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、レーザー変位計４０を用いることから、測定に用いる電圧信号の周波数を、共振周波数よりも低い周波数とすることができる。したがって、信頼性のより高い測定結果を得ることができる。以下に詳細を説明する。測定に用いる電圧信号の周波数は、例えば、５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以下の周波数領域を用いることができる。例えば、１００Ｈｚより大きな高周波数領域で変位量の測定を行った場合、サンプル固有の共振周波数が測定値として含まれてしまう可能性がある。これに対し、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、低周波数領域でもって圧電特性測定を行うことができるため、高周波数領域で測定を行った際、周波数フィルターを用いる必要がある。しかしながら、周波数フィルターを用いた場合は、実測変位量よりも減衰したデータとなってしまう可能性がある。したがって、本実施形態に係る圧電特性測定方法によれば、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００７０】
また、変形例に係る圧電特性測定方法によれば、被測定体１０が両端を固定された状態下での変位量を測定することができるため、実際の圧電アクチュエータの駆動条件に近似した条件下で圧電特性の測定を行うことができ、より信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００７１】
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。
【００７２】
３−１．第１〜第３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。
【００７３】
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。
【００７４】
レーザー変位計４０としては、岩通計測社製のＳＴ−３７６１を用いた。光源４１としては、波長５７０ｎｍ、出力０．９５ｍＷ以下の半導体レーザーを用いた。レーザー光の照射条件は、入射光Ｂの入射位置が、保持部２０によって保持された固定端から１８ｍｍの位置にレーザー光を照射した。
【００７５】
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５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ、電圧値が−３０Ｖ〜３０Ｖの三角波とした。第１実施例に係る周波数は、５０Ｈｚ、第２実施例に係る周波数は６６Ｈｚ、第３実施例に係る周波数は１００Ｈｚと設定された。
【００７６】
図４は、本実施例に係る被測定体の電圧−歪特性を測定し、測定結果をプロットした図である。図４に示すように、定常状態（非共振状態）の被測定体１０を測定に用いた場合であっても、５０Ｈｚ、６６Ｈｚ、１００Ｈｚの周波数おいて、バタフライ曲線を得ることが可能であることが確認された。なお、図４においてプロット線に、小刻みな波形が現れているのは、他の振動モードが波形にのっているためであり、ローパスフィルタを抽入し、機械的に高周波数を除去すれば、排除することができる。
【００７７】
また、図４に示すように、電圧値領域が−３０Ｖから＋３０Ｖの領域で、連続的に電圧−歪特性を測定することが可能であることが確認された。
【００７８】
３−２．第４実施例
第４実施例においては、第１〜第３実施例にて用いた被測定体１０を両端持ちした状態で、電圧−歪特性の測定を行った。本実施例においては、被測定部分１１のＸ軸方向の長さが２０ｍｍであった。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６６Ｈｚ、電圧値が−３０Ｖ〜３０Ｖの三角波とした。
【００７９】
図５は、本実施例に係る被測定体の電圧−歪特性を測定し、測定結果をプロットした図である。図５に示すように、被測定体１０の両端を固定した場合であっても、バタフライ曲線を得ることが可能であることが確認された。
【００８０】
なお、上述した実施形態及び各種の変形は、それぞれ一例であって、本発明は、これらに限定されるわけではない。例えば実施形態及び各変形は、複数を適宜組み合わせることが可能である。
【００８１】
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】
【００８２】
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、２０  保持部、
３０  信号発生部、４０  レーザー変位計、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】
2011220956.tif 000005
【図２】
2011220956.tif 000006
【図３】
2011220956.tif 000007
【図５】
2011220956.tif 000008
【図４】
2011220956.tif 000009