(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物である圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムであって、
前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、
前記載置面に対向して配置された、前記載置面に平行な当接面を有し、前記載置面および前記当接面に直交する一軸方向に沿った圧力を、前記当接面を介して前記圧電体に印加する圧力印加部と、
印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記圧電体からの出力電圧の情報を取得する情報取得部と、
前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する算出部と
を備えており、
前記載置測定部は、前記載置面を一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体と、該板状体の他方の主面に対向して配置された、前記一軸方向と直交する台座面を有する台座部材と、該台座部材の前記台座面に載置されて前記板状体の前記他方の主面との間に挟持された台座圧電体とを備え、
該台座圧電体は、前記一軸方向に沿って前記圧電体と重なる位置に配置され、前記台座面と前記他方の主面とから受ける前記一軸方向に沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生し、
前記情報取得部は、印加した前記圧力に応じて発生する前記台座出力電圧の情報を取得し、
前記算出部は、前記台座出力電圧の情報と前記圧電体からの前記出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である前記圧電体の圧電特性を算出し、
前記一軸方向に沿った中心軸を有する筒状体と、前記筒状体を支持する支持体とをさらに備え、
前記圧力印加部は、前記筒状体の内部に配置された、前記圧電体に印加する圧力を発生する圧力発生手段と、該圧力発生手段と前記載置面との間に配置された、前記当接面を有する圧力印加用板状体を備え、
前記圧力発生手段は、前記一軸方向に沿った圧力を前記圧力印加用板状体に印加し、
前記筒状体は、内部に前記中心軸と直交する基準面を備えており、
前記圧力発生手段は、前記基準面と前記圧力印加用板状体との間に配置された、印加された電圧に応じて前記一軸方向に沿った圧力の大きさを調整する圧電デバイスを有し、
前記筒状体に対する前記台座面の相対位置を、前記一軸方向に沿って変動させる台座面可動手段をさらに備えることを特徴とする圧電特性計測システム。
【請求項２】
前記台座部材は、前記台座面と反対側の面に開口した開口端および前記一軸方向に直交する底面を有する、前記一軸方向に沿って延びた孔部を備え、
前記台座面可動手段は、前記一軸方向に直交する端面を有するロッド部材と、前記端面の前記一軸方向に沿った位置を変動させるロッド部材変動機構とを備え、
前記ロッド部材は、前記孔部に挿入されて前記端面が前記孔部の前記底面に当接しており、
前記台座面可動手段は、前記ロッド部材変動機構によって前記端面の位置を変動させることで、前記筒状体に対する前記台座面の相対位置を変動させることを特徴とする請求項１に記載の圧電特性計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電特性計測システムおよび圧電特性計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車の燃料噴射装置の圧力の測定など、圧電素子を用いた圧電センサは様々な用途に使用されている。圧電素子は印加された圧力に対して、所定の関係の高さの電圧を発生する。圧電センサによる圧力の測定結果を高精度に評価するには、圧電素子の特性を表すこの所定の関係を、予め高精度に測定しておく必要がある。
【０００３】
特許文献１は、圧電素子の特性を測定するため、あらかじめバネ係数が分かっているバネの付勢力と圧電素子に印加する力とをバランスさせ、そのバネの撓み量を可変コンデンサーの静電容量の変化によって精密に測定し、印加した力を精密に算出する方法を開示している、特許文献１は、さらにこの方法を用いて、圧電体の特性を精密に測定する測定装置を開示している。この装置では、圧電素子への力の印加は手動操作でプローブを圧電素子に押し付けることによって行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３５５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば車載用の圧力センサ等においては、静的にかかる圧力（静的圧力）の測定精度だけでなく、振動などに起因して生じる、時間変化する圧力（動的圧力）に対する測定精度が高いことも重要である。車載用の圧電素子においては、圧電素子自体の特性として、静的圧力に対する特性だけでなく、動的圧力に対する特性についても詳しく知っておくことが重要である。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の測定装置では、動的圧力に対する特性を精度よく測定することが難しい。例えば測定装置によって算出された圧力値は、バネ定数の変動に伴う誤差、静電容量変化の時間遅れ、バネの撓みの時間遅れなど、様々な時間遅れや誤差が重畳されている。このため、特許文献１に記載されているような測定装置では、印加された動的圧力の大きさ自体を、少ない時間遅れで高精度に測定することが難しく、圧電素子の動的圧力に対する特性を知ることが難しかった。本発明は、かかる課題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、測定対象物である圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムであって、前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、前記載置面に対向して配置された、前記載置面に平行な当接面を有し、前記載置面および前記当接面に直交する一軸方向に沿った圧力を、前記当接面を介して前記圧電体に印加する圧力印加部と、
印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記圧電体からの出力電圧の情報を取得する情報取得部と、前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する算出部とを備えており、前記載置測定部は、前記載置面を一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体と、該板状体の他方の主面に対向して配置された、前記一軸方向と直交する台座面を有する台座部材と、該台座部材の前記台座面に載置されて前記板状体の前記他方の主面との間に挟持された台座圧電体とを備え、該台座圧電体は、前記一軸方向に沿って前記圧電体と重なる位置に配置され、前記台座面と前記他方の主面とから受ける前記一軸方向に沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生し、前記情報取得部は、印加した前記圧力に応じて発生する前記台座出力電圧の情報を取得し、前記算出部は、前記台座出力電圧の情報と前記圧電体からの前記出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である前記圧電体の圧電特性を算出し、前記一軸方向に沿った中心軸を有する筒状体と、前記筒状体を支持する支持体とをさらに備え、前記圧力印加部は、前記筒状体の内部に配置された、前記圧電体に印加する圧力を発生する圧力発生手段と、該圧力発生手段と前記載置面との間に配置された、前記当接面を有する圧力印加用板状体を備え、前記圧力発生手段は、前記一軸方向に沿った圧力を前記圧力印加用板状体に印加し、前記筒状体は、内部に前記中心軸と直交する基準面を備えており、前記圧力発生手段は、前記基準面と前記圧力印加用板状体との間に配置された、印加された電圧に応じて前記一軸方向に沿った圧力の大きさを調整する圧電デバイスを有し、前記筒状体に対する前記台座面の相対位置を、前記一軸方向に沿って変動させる台座面可動手段をさらに備えることを特徴とする圧電特性計測システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の圧電特性計測システムは、測定対象物である圧電体が発生する電圧と、その圧電体に重ねて配置した圧力検出用の台座圧電体から算出した印加圧力とに基づいて圧電特性を算出するので、動的圧力に対しても圧電特性を精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電特性計測システムの概略構成図である。
【図２】図１の計測システムで測定する測定対象物の一例を示す概略斜視図である。
【図３】図１の計測システムの集電ヘッドの一実施形態の概略断面図である。
【図４】図１の計測システムの集電ヘッドの他の実施形態の概略断面図である。
【図５】図１の計測システムの台座部材の近傍を拡大して示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る計測方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の圧電特性計測システムの一実施形態である計測システム１の概略構成図である。図１では一部を断面で示している。測定対象物である圧電体Ｓの圧電特性のうち、特に動的な圧力を印加した際に発生する圧電体Ｓからの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムである。圧電体Ｓが載置される載置面２２Ａを有する載置測定部２０と、圧電体Ｓに圧力を印加するための圧力印加部３０と、印加した圧力の情報および圧力に応じて発生する圧電体Ｓからの出力電圧の情報を取得する情報取得部４０と、情報取得部４０が取得した圧力の情報と出力電圧の情報とを用いて、圧電体Ｓの圧電特性値を算出する算出部５０と、圧電体Ｓに印加する動的圧力の大きさや周期等を制御する印加圧力制御部５３を備えている。
【００１２】
載置測定部２０は、載置面２２Ａを一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体２２と、板状体２２の他方の主面２２Ｂに対向して配置された、軸Ｃと直交する台座面２４Ａを有する台座部材２４と、台座部材２４の台座面２４Ａに載置されて板状体２２の他方の主面２２Ｂとの間に挟持された台座圧電体２６とを備えている。
【００１３】
台座圧電体２６は、軸Ｃに沿って圧電体Ｓと重なる位置に配置され、台座面２４Ａと板状体２２の他方の主面２２Ｂとから受ける、軸Ｃに沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生する。台座圧電体２６は、ローノイズケーブルＬ１を介して情報取得部４０と接続されている。
【００１４】
計測システム１は、測定対象物である圧電体Ｓが発生する電圧の情報（対象出力電圧情報）に加え、圧力を印加する方向である軸Ｃに方向に沿って圧電体Ｓと重ねた台座圧電体２６が発生する電圧の情報（台座出力電圧情報）を取得し、これら出力電圧の情報と台座出力電圧の情報との双方に基いて圧電体Ｓの圧電特性を求めることで、動的圧力に対する圧電体Ｓの特性を高精度に測定することを可能としている。以下、計測システム１の各部の構成について説明する。
【００１５】
圧電体Ｓは例えば図２に示すように、中央に貫通孔Ｓａが形成された円柱状のものである。本実施形態では、圧電体Ｓの貫通孔Ｓａの中心が、図１に示す軸Ｃに一致するように載置面２２Ａに配置されている。
【００１６】
圧力印加部３０は、アクチュエータ３４と、載置面２２Ａに対向して配置された、載置面２２に平行な当接面３５Ａを備えた集電ヘッド３５とを備えている。アクチュエータ３４は、複数の圧電素子が積層された圧電デバイスからなり、圧電体Ｓに印加する圧力を発生する圧力発生手段である。アクチュエータ３４が、印加された電圧に応じた量だけ、筒状体１３の軸方向に沿って膨張または収縮するように構成されている。アクチュエータ３４を構成する圧電素子としては、ピエゾアクチュエータなど、高い周波数の変動に対しても正確に追従して圧力を発生できるものを用いればよい。アクチュエータ３４は、ローノイズケーブルＬ３を介して、印加圧力制御部５３のピエゾドライバ５２と接続されている。
【００１７】
アクチュエータ３４は、支持体１１によって支持された筒状体１３の内部に配置されている。アクチュエータ３４は、摺動抵抗を低減させるためのリニアガイドブッシュ１７を介して第１筒状体１３の内部に収容されている。リニアガイドブッシュ１７は、いわゆるリニアボールベアリングあるいはボールスプラインを構成している。支持体１１は向かい合って配置された側板１１ａと、天板１１ｂと、底板１１ｃとを有した枠体状の部材である。筒状体１３は天板１１ｂに対して固定されており、筒状体１３の中心軸は、軸Ｃと一致している。
【００１８】
支持体１１の天板１１ｂには、軸Ｃと一致する中心軸を有する雌ネジ孔１１αが形成されており、この雌ネジ孔１１αに、第１プリロード印加ネジ（雄ネジ）３７が螺合されている。第１プリロード印加ネジ３７の下側には、圧電素子を備えるプリロード圧センサ３９が設けられている。プリロード圧センサ３９は、圧力を電気信号に変換するセンサである。プリロード圧センサ３９は、プリロード印加ネジ３７に追従して筒状体１３内を上下方向に移動する。プリロード圧センサ３９には、軸Ｃに直交する基準面３８を下端に備えている。この基準面３８はプリロード印加ネジ３７の回転に応じて、筒状体１３内を上下に移動する。プリロード印加ネジ３７は基準面可動手段である。アクチュエータ３４は、軸Ｃに直交する上端面３４Ａを有しており、基準面３８は、この上端面３４Ａと当接している。
【００１９】
印加圧力制御部５３は、アクチュエータ３４に送る電圧波形を作成するファンクションジェネレータ５１と、発生した波形を増幅してアクチュエータ３４を作動させるピエゾドライバ５２とを備えている。アクチュエータ３４に、印加圧力制御部５３から測定用電圧が印加されて、アクチュエータ３４は、印加された電圧に応じた量だけ、筒状体１３の軸方向に沿って膨張または収縮するように構成されている。
【００２０】
集電ヘッド３５は、当接面３５Ａが圧電体Ｓに当接し、圧電体Ｓから発生した電荷を集め（集電し）、電圧信号として出力する。この集電ヘッド３５は、図３に拡大して示すように、円柱状の上治具６６と下治具５７の間にアルミナ製のボール６８を挟み、ボール６８を介して荷重を圧電体Ｓに伝達すると共に、ローノイズケーブルＬ２を介して、圧電体Ｓが発生した電荷に対応する、圧電体Ｓから出力された電圧信号（対象出力電圧情報）を情報取得部４０に送る。
【００２１】
上治具６６および下治具６７の対向する面には、それぞれボール６８を支持する円錐状の凹部６６ａ、６７ａが形成されている。また、凹部６６ａ、６７ａには、ボール６８の脱落を防止するとともに、衝撃を吸収する軟質樹脂６９、たとえばシリコーン系接着剤、シリコーン系シーラントが充填されている。上治具６６および下治具６７の対向する面に、ボール６８を支持させる構成とすることで、圧電体Ｓの上下面の平行度がばらついた場合であっても、当接面３５Ａ全体が圧電体Ｓの上側面に当接し、Ｃ軸方向に沿った圧力を圧電体Ｓに効率よく伝えることができる。なお、計測システム１では、支持体１１全体が除振機構部７０上に載置されており、圧電体Ｓに余分な振動が伝わらないようにされている。
【００２２】
図４は、集電ヘッドの異なる実施形態について説明する図である。図４に示す集電ヘッド６０は、図３の集電ヘッド３５と比べ、上治具６１は円板状であって下面が平坦である。下治具６２は円柱状で上面の中央に円錐状の凹部６２ａが形成され、その凹部にアルミナ製のボール６３が載置されている。上下の治具６１、６２の間には、ボール６３の脱落防止およびダンパのため、シリコーン系接着剤６４が環状に設けられている。シリコーン系接着剤６４の中心部は、硬化後に切り取るなどにより、ボール６３が触れない程度の空間６５が設けられている。図４に示す実施形態でも、当接面３５Ａ全体が圧電体Ｓの上側面に当接し、Ｃ軸方向に沿った圧力を圧電体Ｓに効率よく伝えることができる。
【００２３】
載置測定部２０の台座部材２４はレールガイド４１を備えている。また、支持体１１の側板１１ａはレール１３が設けられている。台座部材２４のレールガイド４１は、レール１３に装着されており、レールガイド４１がレール１３に沿って上下方向（軸Ｃに沿った方向）に移動することで、台座部材２４全体がＣ軸方向に沿って移動可能となっている。台座部材２４は、台座面２４Ａと反対側の面に開口した開口端２７ａおよび軸Ｃに直交する底面２７Ｂを有する、軸Ｃ方向に沿って延びた孔部２７を備えている。支持体１１の底板１１ｃには、軸Ｃに一致する中心軸をもつ雌ネジ孔１１βが設けられており、この雌ネジ孔１１βにロッド部材２５が挿入されている。ロッド部材２５は、外周面に凹凸を有する雄ネジ形状であって、底板１１ｃの雌ネジ孔１１βに螺合されている。ロッド部材２５は、軸Ｃに直交する端面２５Ａを有し、端面２５Ａが孔部２７の底面２７Ｂに当接している。端面２５Ａは、ロッド部材２５の回転に応じて、底板部１１ｃからの突出量が変動する。台座部材２４は、ロッド部材２５の端面２５Ａの位置に応じて、軸Ｃに沿った位置が変動される。
【００２４】
計測システム１では、第１プリロード印加ネジ（雄ネジ）３７によって、基準面３８の軸Ｃに沿った位置を調整し、ロッド部材２５によって、台座部材２４ひいては載置面２２Ａの軸Ｃに沿った位置を調整することができる。すなわち、計測システム１では、基準面３８と載置面２２Ａとの間隔を変動させることができる。計測システム１では、基準面３８と載置面２２Ａとの間隔を変動させて、所定の大きさの静的圧力を圧電体Ｓに印加し、所定の大きさの静的圧力がかかった状態での動的特性を測定することができる。アクチュエータ３４は、印加された動的圧力に応じた出力電圧を出力するものであるが、印加された圧力に対するアクチュエータ３４からの出力電圧の応答性は、ある程度の静的圧力が印加された状態（プリロード状態）の方が高い場合がある。基準面３８と載置面２２Ａとの間隔を変動させて、アクチュエータ３４に予め所定の静的圧力を印加しておくことで、圧電体Ｓの動的特性を高精度に検出することができる。第１プリロード印加ネジ３７によって印加された圧力を検出するプリロード圧センサ３９は、計測した圧力を表示する図示しないモニターに接続されている。計測作業者は、このモニターに表示される表示値（プリロード圧センサ３９による計測値）を確認しながら、プリロード印加ネジ３７を回転させて、圧電体に所定の大きさの静的圧力を印加することができる。
【００２５】
なお、台座圧電体２６も、印加された圧力に応じた電圧を出力するものであるが、台座圧電体２６からの出力電圧の応答性も、静的圧力がある程度印加された状態の方が高い場合がある。図５は、台座部材２４の近傍を拡大して示す概略断面図である。計測装置１では、台座圧電体２６として中心に貫通孔２６ａが設けられた形状のものを用いている。台座部材２４の上記孔部２７の底面２７ｂには、中央部に凹部２１が形成されており、この凹部２１の底面に貫通孔２１ａが形成されている。また、載置面２２Ａを備える板状体２２の他方主面２２Ｂの中央部には、雌ネジ状の凹部２３が設けられている。計測システム１では、第２プリロード印加ネジ（雄ネジ）２９が、凹部２１の貫通孔２１ａと台座圧電体２６の貫通孔２６ａとに挿通され、板状体２２の凹部２３に締結されている。このプリロード印加ネジ２９を締結することで、台座圧電体２６には、所定の大きさの静的圧力がかけられた状態（プリロード状態）することができる。第２プリロード印加ネジ２９の締結強度を調整することで、台座圧電体に印加しておく静的圧力の大きさを調整し、動的圧力に応じた電圧を良好に出力することができる程度の静的圧力を印加しておくことが可能となっている。
【００２６】
情報取得部４０は、印加した圧力に応じて発生する台座出力電圧の情報を取得する。算出部５０は、台座出力電圧の情報と、圧電体からの出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である圧電体Ｓの圧電特性を算出する。情報取得部４０は、集電ヘッド３５にローノイズケーブル５５を介して接続された出力電荷用のチャージアンプ５６と、台座圧電体２６にローノイズケーブルを介して接続された印加圧力モニタ用のチャージアンプ５８と、チャージアンプ５６とチャージアンプ５８と接続されたデータロガー５９とを有している。データロガー５９は、算出部５０に接続されている。算出部５０は、公知のパーソナルコンピュータ（情報処理部）である。なお、両方のチャージアンプ５６、５８の出力はオシロスコープなどのモニター５９によって、計測中もリアルタイムに確認できるようになっている。
【００２７】
次に、図６を参照しながら、このような計測システム１により圧電体Ｓの圧電特性を計測する本発明の計測方法の実施形態を説明する。
【００２８】
まず、図１に示す状態となるよう、計測システム１の各部と圧電体Ｓとを配置する（ステップＳ１）。このステップでは、圧電体Ｓと、計測用圧電体である台座圧電体とを、軸Ｃ方向に沿って重ねて配置するとともに、アクチュエータ３４、第１プリロード印加手段２７、ロッド部材２５等も、それぞれの中心軸が軸Ｃに一致するように配置する。
【００２９】
次に、対象圧電体Ｓに静的圧力を印加し、プリロード状態とする（ステップＳ２）。具体的には、集電ヘッド３５と板状体２２の間に測定対象である圧電体Ｓを挟み、第１プリロード印加ネジ２７を回して基準面３８の位置を調整して、所定の大きさの静的圧力を圧電体Ｓに付与する。プリロードする静的圧力として、たとえば４〜６ｋＮと比較的高い圧力を印加しておく。この際、ロッド部材２５の回転を調整することで、載置面２２Ａの位置を併せて調整することもできる。第１プリロード印加手段２７およびロッド部材２５は、それぞれの中心軸が軸Ｃに一致するように配置されており、圧電体Ｓには軸Ｃに沿った静的圧力が効率的に印加される。
【００３０】
次に、圧電体Ｓに対する動的圧力の印加を開始する（ステップＳ３）。このステップでは、印加圧力制御部５３がアクチュエータ３４測定用電圧を印加し、アクチュエータ３４が、印加された電圧に応じた量だけ筒状体１３の軸方向に沿って膨張または収縮することで、圧電体Ｓに対して動的圧力が印加される。
【００３１】
続いて、情報取得部４０が、測定対象物である圧電体Ｓが発生する電圧の情報（対象出力電圧情報）と、圧力を印加する方向である軸Ｃ方向に沿って圧電体Ｓと重ねた台座圧電体２６が発生する電圧の情報（台座出力電圧情報）とを取得する（ステップＳ４）。圧電体Ｓに印加する圧力は、ファンクションジェネレータ５１が発生する電圧およびピエゾドライバ５２が増幅して得られる電圧により、推定することができる。しかしこのような推定値は、実際に圧電体Ｓに印加されている圧力から、大きく相違していることも多い。台座圧電体２６は、測定対象である圧電体Ｓの直下に配置されており、また、圧電体Ｓにかかる軸Ｃに沿った動的圧力を直接受ける。台座圧電体２６から出力される電圧の情報は、圧電体Ｓに印加される動的圧力の大きさに精度良く対応しているといえる。
【００３２】
次に、算出部５０が、情報取得部４０が取得した対象出力電圧情報と台座出力電圧情報とを用いて、圧電体Ｓの圧電特性値を算出する（ステップＳ５）。例えば、台座出力電圧情報における電圧波形を圧電体Ｓに入力された動的圧力の時系列変化を表す波形とみなし、対象出力電圧情報における電圧波形を、この動的圧力の時系列変化に応じて対象体Ｓから発生する電圧情報とし、印加された動的圧力に対する圧電体Ｓの応答特性を表すパラメータを算出する。算出するパラメータとしては、例えばｄ３３と呼ばれる圧電歪定数などが挙げられるが、特に限定されない。
【００３３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は特に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３４】
Ｓ  圧電体
１１  支持体
１１ａ  側板
１１ｂ  天板
１１ｃ  底板
１３  筒状体
２２Ａ  載置面
２０  載置測定部
２２  板状体
２２Ａ  載置面
２２Ｂ  他方の主面
２４  台座部材
２４Ａ  台座面
２５  ロッド部材
２６  台座圧電体
３０  圧力印加部
３４  アクチュエータ
３５  集電ヘッド
３５Ａ  当接面
３７  第１プリロード印加ネジ
３８  基準面
４０  情報取得部
５０  算出部
５２  ピエゾドライバ
５３  印加圧力制御部
５６、５８  チャージアンプ
【図１】
0005769587.tif 000002
【図２】
0005769587.tif 000003
【図３】
0005769587.tif 000004
【図４】
0005769587.tif 000005
【図５】
0005769587.tif 000006
【図６】
0005769587.tif 000007