(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子中の一方の圧電素子に対して電圧を印加し該一方の圧電素子を変形させる変形ステップと、
前記一対の圧電素子中の他方の圧電素子を前記一方の圧電素子の変形によって強制的に変形させ該強制的な変形に応じて前記他方の圧電素子から電圧を発生させる電圧発生ステップと、
前記他方の圧電素子から発生した電圧値と前記一方の圧電素子に印加した電圧値とから前記対象となる一対の圧電素子の伝達関数を求める関数演算ステップと、
前記求めた伝達関数によって得られた値である評価対象値に基づいて前記対象となる一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出するクラック検出ステップと、
を備えることを特徴とする圧電素子のクラック検出方法。
【請求項２】
請求項１記載の圧電素子のクラック検出方であって、
前記一対の圧電素子は、一端が固定側部材に取り付けられ、他端が可動側部材に取り付けられ、
前記変形ステップは、前記一方の圧電素子の変形によって前記可動側部材を変位させ、
前記電圧発生ステップは、前記可動側部材の変位によって前記他方の圧電素子を変形させて前記電圧の発生を行わせる、
ことを特徴とするクラック検出方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の圧電素子のクラック検出方法であって、
前記クラック検出ステップは、前記評価対象値を基準値と比較することにより、或は前記評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することによって前記対象となる一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する、
ことを特徴とするクラック検出方法。
【請求項４】
請求項３記載のクラック検出方法であって、
前記基準値は、何れか一方又は双方にクラックが生じている少なくとも一対の圧電素子のエラーサンプル又は双方にクラックが生じていない少なくとも一対の圧電素子の正常サンプルから予め求めた伝達関数によって得られた値である、
ことを特徴とする圧電素子のクラック検出方法。
【請求項５】
請求項３記載の圧電素子のクラック検出方法であって、
前記判別式は、何れか一方又は双方にクラックが生じている複数対の圧電素子のエラーサンプルから予め求めた複数の伝達関数によって得られた値をそれぞれエラー値とし、双方にクラックが生じていない複数対の圧電素子の正常サンプルから予め求めた複数の伝達関数によって得られた値をそれぞれ正常値とし、前記エラー値と前記正常値とを判別分析して得られた判別関数である、
ことを特徴とするクラック検出方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電素子のクラック検出方法であって、
前記伝達関数は、周波数伝達関数であり、
前記評価対象値は、前記周波数伝達関数のゲイン特性又は位相特性の波形の一つのピークを含むと共に該ピークと隣接するピークを含まない少なくとも一つの周波数レンジ内のピーク値又は面積値若しくは前記ピークの位置する周波数値である、
ことを特徴とする圧電素子のクラック検出方法。
【請求項７】
一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子中の一方の圧電素子に接続された電源と、
前記一対の圧電素子中の他方の圧電素子に接続された電圧測定器と、
前記電源及び前記電圧測定器に接続されたクラック検出器とを備え、
前記電源は、前記一方の圧電素子に対して電圧を印加して該一方の圧電素子を変形させ、
前記電圧測定器は、前記一方の圧電素子の変形によって強制的に変形した前記他方の圧電素子から発生した電圧を測定し、
前記クラック検出器は、前記電源から前記一方の圧電素子に印加された電圧値と前記電圧測定器で測定された電圧値を取得し、両電圧値から前記対象となる一対の圧電素子の伝達関数を求め、前記求めた伝達関数から得られる値である評価対象値に基づいて前記対象となる一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する、
をことを特徴とする圧電素子のクラック検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ等に用いられる一対の圧電素子のクラック検出方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）の高密度化に対応する技術としては、例えば特許文献１のように、いわゆるデュアル・アクチュエータ方式のヘッド・サスペンションがある。このヘッド・サスペンションは、キャリッジを駆動するボイス・コイル・モータの他に、ベース・プレートとロード・ビームとの間やヘッド部に圧電素子を有する圧電アクチュエータが設けられている。
【０００３】
これにより、ヘッド・サスペンションでは、ボイス・コイル・モータによる旋回駆動に加え、圧電素子の電圧印加状態に応じた変形によりヘッド部をスウェイ方向へ微少移動させることができる。従って、磁気ヘッドの位置決めを高精度に行うことができる。
【０００４】
こうしたヘッド・サスペンションでは、磁気ディスク装置の小型化等に伴って薄型化も要求され、これに応じて圧電素子の薄型化も要求されている。
【０００５】
薄型の圧電素子は、その生産時やヘッド・サスペンションへの組付け時等の外力によってマイクロ・クラックが生じやすい。マイクロ・クラックが生じた圧電素子は、長期信頼性の低下が懸念されるため、不良品として廃棄される必要がある。
【０００６】
しかしながら、マイクロ・クラックは、一般的に実体顕微鏡による外観観察では発見が困難であり、圧電素子の表面に金メッキやプラチナメッキ等による電極が形成されることからも発見が困難である。
【０００７】
しかも、マイクロ・クラックは、電気特性の測定によっても、その発見が困難である。すなわち、圧電素子は、ヘッド・サスペンションに組付けた後に例えば静電容量を測定して性能評価試験を行うが、マイクロ・クラックレベルでは静電容量に変化は見られない。
【０００８】
これに対し、圧電素子のクラック検出方法としては、例えば特許文献２及び３のように、インピーダンスや位相の周波数特性のパターン比較を行うものや圧電素子の光透過性を利用するものもある。
【０００９】
しかしながら、かかる検出方法は、判別が困難であり或いは現実の適用自体が困難であり、結果としてマイクロ・クラックを確実に検出できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２-５０１４０号公報
【特許文献２】特開平６−００３３０５号公報
【特許文献３】特開２００２−３６７３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
解決しようとする問題点は、圧電素子のクラックをサイズによって検出できなくなる点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、圧電素子のクラックをサイズに拘わらずに確実に検出するために、一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子中の一方の圧電素子に対して電圧を印加し該一方の圧電素子を変形させる変形ステップと、前記一対の圧電素子中の他方の圧電素子を前記一方の圧電素子の変形によって強制的に変形させ該強制的な変形に応じて前記他方の圧電素子から電圧を発生させる電圧発生ステップと、前記他方の圧電素子から発生した電圧と前記一方の圧電素子に印加した電圧とから前記対象となる一対の圧電素子の伝達関数を求める関数演算ステップと、前記求めた伝達関数によって得られた値である評価対象値に基づいて前記対象となる一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出するクラック検出ステップとを備える圧電素子のクラック検出方法を最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一対の圧電素子の両端に印加したときの電圧値で伝達関数を求めるのではなく、一方の圧電素子にのみ電圧を印加し、その印加電圧の電圧値と他方の圧電素子から発生した電圧の電圧値とで伝達関数を求めることにより、求めた伝達関数によって得られる評価対象値を用いてマイクロ・クラックを含むクラックの確実な検出が可能となる。つまり、本発明では、一対の圧電素子の一方又は双方に生じているクラックをサイズに拘わらずに確実に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】圧電素子のクラック検出装置を概念的に示す全体図である（実施例）。
【図２】周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性の一例を示すグラフである（実施例）。
【図３】（Ａ）は、マイクロ・クラックが生じている圧電素子を示す拡大写真であり、（Ｂ）は、（Ａ）の部分拡大写真である。（実施例）。
【図４】圧電素子のマイクロ・クラックの有無による電気的特性の測定結果を示す図表である（実施例）。
【図５】圧電素子のマイクロ・クラックの有無によるストロークの測定結果を示すグラフである（実施例）。
【図６】マイクロ・クラックが生じていると共に電極が分断されていない状態の圧電素子の断面図である（実施例）。
【図７】クラック検出方法を示すフローチャートである（実施例）。
【図８】サンプルから求めた周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性のグラフであり、（Ａ）がマイクロ・クラックのない正常サンプル、（Ｂ）がマイクロ・クラックのあるエラーサンプルを示す（実施例）。
【図９】図８（Ａ）及び（Ｂ）のゲイン特性相互及び位相特性相互を重ね合わせたグラフである（実施例）。
【図１０】図９のエラーサンプル及び正常サンプルの伝達関数の周波数レンジ毎のゲイン特性のピーク値分布を対比して示す箱ひげ図である（実施例）。
【図１１】図９のエラーサンプル及び正常サンプルの伝達関数の周波数レンジ毎のゲイン特性の周波数値分布を対比して示す箱ひげ図である（実施例）。
【図１２】図９のエラーサンプル及び正常サンプルの伝達関数の周波数レンジ毎のゲイン特性の面積値分布を対比して示す箱ひげ図である（実施例）。
【図１３】図１２で用いる面積値の求め方を示す説明図である（実施例）。
【図１４】図９のエラーサンプル及び正常サンプルの伝達関数の周波数レンジ毎の位相特性の周波数値分布を対比して示す箱ひげ図である（実施例）。
【図１５】図９のエラーサンプル及び正常サンプルの伝達関数によって得られる複数のパラメータから総当たりで二つのパラメータを抽出して判別分析した結果を対比して示すグラフである（実施例）。
【図１６】図１のエラーサンプルと正常サンプルとを判別できた判別分析結果を示すグラフである（実施例）。
【図１７】図１６の判別分析の結果に対応し、判別式によって得られる値に基づいたグラフである（実施例）。
【図１８】図１６の判別分析の結果に対応し、エラーサンプル及び正常サンプル毎の判別結果を示すテーブルである（実施例）。
【図１９】（Ａ）は判別式によって得られる値に基づいた判別分析の結果を示すグラフ、（Ｂ）はエラーサンプル及び正常サンプル毎の判別結果を示すテーブルである（実施例）。
【図２０】（Ａ）は判別式によって得られる値に基づいた判別分析の結果を示すグラフ、（Ｂ）はエラーサンプル及び正常サンプル毎の判別結果を示すテーブルである（実施例）。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
圧電素子のクラックをサイズに拘わらず確実に検出するという目的を、一対の圧電素子中の一方の圧電素子に電圧を印加して変形を行わせ、これに応じて強制的に変形した他方の圧電素子から電圧を発生させ、印加した電圧と発生した電圧とで伝達関数を求め、その伝達関数により得られた値である評価対象値に基づいて一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出するクラック検出方法によって実現した。
【００１６】
一対の圧電素子は、一端が固定側部材に取り付けられ、他端が可動側部材に取り付けられ、変形ステップは、一方の圧電素子の変形によって可動側部材を変位させ、電圧発生ステップは、可動側部材の変位によって他方の圧電素子を変形させて電圧の発生を行わせてもよい。
【００１７】
クラック検出ステップは、評価対象値を基準値と比較することにより、或は評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することによって一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出してもよい。
【００１８】
基準値は、何れか一方又は双方にクラックが生じている少なくとも一対の圧電素子のエラーサンプル又は双方にクラックが生じていない少なくとも一対の圧電素子の正常サンプルから予め求めた伝達関数によって得られた値としてもよい。
【００１９】
判別式は、何れか一方又は双方にクラックが生じている複数対の圧電素子のエラーサンプルから予め求めた複数の伝達関数で得られた値をそれぞれエラー値とし、双方にクラックが生じていない複数対の圧電素子の正常サンプルから予め求めた複数の伝達関数で得られた値をそれぞれ正常値とし、エラー値と正常値とを判別分析して得られた判別関数としてもよい。
【００２０】
伝達関数は、周波数伝達関数としてもよい。この場合、評価対象値は、周波数伝達関数のゲイン特性又は位相特性の波形の一つのピークを含むと共に該ピークと隣接するピークを含まない少なくとも一つの周波数レンジ内のピーク値又は面積値若しくはピークの位置する周波数値としてもよい。
【００２１】
クラック検出方法に用いるクラック検出装置は、一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子中の一方の圧電素子に接続された電源と、一対の圧電素子中の他方の圧電素子に接続された電圧測定器と、電源及び電圧測定器に接続されたクラック検出器とを備える。
【００２２】
電源は、一方の圧電素子に対して電圧を印加して該一方の圧電素子を変形させ、電圧測定器は、一方の圧電素子の変形によって強制的に変形した他方の圧電素子から発生した電圧を測定し、クラック検出器は、電源から一方の圧電素子に印加された電圧値と電圧測定器で測定された電圧値を取得し、両電圧値から対象となる一対の圧電素子の伝達関数を求め、求めた伝達関数から得られる値である評価対象値に基づいて対象となる一対の圧電素子の何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する。
【実施例】
【００２３】
［クラック検出装置］
図１は、本発明の一実施例に係る圧電素子のクラック検出装置を概念的に示す全体図である。
【００２４】
本実施例のクラック検出装置１は、図１のように、交流電源３と、電圧測定器５と、クラック検出器７とを備え、一対の圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出するものである。
【００２５】
クラック検出の対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂは、圧電アクチュエータ等として一体的に変形するように結合されたものである。本実施例では、一対の圧電素子９ａ、９ｂがハード・ディスク・ドライブ内のヘッド・サスペンションに用いられる圧電アクチュエータを構成するものであり、アクチュエータ・ベース１１に取り付けられている。なお、図１において、圧電素子９ａ、９ｂ及びアクチュエータ・ベース１１は平面的に示し、その他の構成及び電気的接続関係は概念的に示している。
【００２６】
アクチュエータ・ベース１１は、ヘッド・サスペンションの一部を構成する薄板で、図１の上下方向である長手方向の中間部に図１の左右方向である幅方向の両側から中央部へ向かって開口部１３ａ、１３ｂを設けたものとなっている。これにより、アクチュエータ・ベース１１は、固定側部材１５、可動側部材１７、及び連結部１９を備えている。
【００２７】
固定側部材１５及び可動側部材１７は、幅方向に沿って延設された平面矩形状である。ただし、固定側部材１５及び可動側部材１７の構成は、特に限定されるものではなく、圧電アクチュエータ等として可動側部材１７を固定側部材１５に対して変位可能であればよい。これら固定側部材１５及び可動側部材１７は、開口部１３ａ、１３ｂを挟んで長手方向で相互に対向しており、幅方向中間部が連結部１９によって一体に連結されている。
【００２８】
連結部１９は、長手方向に沿った平面矩形状であり、固定側部材１５に対して可動側部材１７を変位可能に結合している。本実施例では、連結部１９を中心に可動側部材１７が揺動可能となっている。なお、連結部１９の構成は、特に限定されるものではなく、固定側部材１５に対する可動側部材１７の変位を許容できればよい。
【００２９】
かかるアクチュエータ・ベース１１に対し、一対の圧電素子９ａ、９ｂが連結部１９の幅方向両側で開口部１３ａ、１３ｂを跨ぐように配置されている。圧電素子９ａ、９ｂは、長手方向に延設された平面矩形状であり、長手方向の両端部は、それぞれ固定側部材１５及び可動側部材１７に接着剤（図示せず）によって固定されている。これにより、圧電素子９ａ、９ｂは、相互に逆向きの極性を有するように平行に配置されており、電圧の印加によって長手方向で逆向きに伸縮する構成となっている。本実施例の圧電素子９ａ、９ｂは、伸縮方向が長手方向となっており、伸縮方向に交差する方向が幅方向となっている。
【００３０】
交流電源３は、一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の一方の圧電素子９ａに電圧を印加するようになっており、一方の圧電素子９ａに電気的に接続されている。この交流電源３は、所定範囲で周波数と電圧（交流電圧）の値を設定可能であり、設定された値の周波数で設定された値の電圧を一方の圧電素子９ａに出力して印加する。この電圧の印加により、一方の圧電素子９ａは伸縮して変形する。なお、原理上、電源としては、直流電源であってもよい。
【００３１】
上記のように一方の圧電素子９ａが変形すると、その変形によってアクチュエータ・ベース１１の可動側部材１７が連結部１９を支点として固定側部材１５に対して変位する。この可動側部材１７の変位によって他方の圧電素子９ｂを一方の圧電素子９ａとは逆向きに強制的に伸縮させ変形させる。例えば、一方の圧電素子９ａが伸長すると、他方の圧電素子９ｂが逆向きに収縮する。結果として、他方の圧電素子９ｂは電圧を発生する。
【００３２】
電圧測定器５は、他方の圧電素子９ｂに電気的に接続され、他方の圧電素子９ｂで発生した電圧が入力される。従って、電圧測定器５は、他方の圧電素子９ｂから発生して入力された電圧を測定する。
【００３３】
クラック検出器７は、交流電源３で一方の圧電素子９ａに印加した電圧値と電圧測定器５で測定された他方の圧電素子９ｂで発生した電圧値とに基づいて、圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する。
【００３４】
クラック検出器７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を有するコンピューターによって構成され、プログラムの実行によって各種機能を実現する。なお、クラック検出器７は、図１において交流電源３及び電圧測定器５とは別体のユニットとなっているが、それらの一方又は双方と一体のユニットとして構成してもよい。
【００３５】
クラック検出器７は、交流電源３及び電圧測定器５に電気的に接続され、交流電源３から一方の圧電素子９ａに印加された電圧値と電圧測定器５で測定された電圧値を取得する機能を有する。それらの電圧値の取得は、例えば、交流電源３が電圧を出力したことをトリガーに出力した電圧値をクラック検出器７に出力し、電圧測定器５が電圧を入力されたことをトリガーに入力された電圧値をクラック検出器７に出力することで行えばよい。ただし、電圧値を取得できれば、その取得方法は限定されるものではない。
【００３６】
また、クラック検出器７は、取得した電圧値から一対の圧電素子９ａ、９ｂの伝達関数Ｇ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）／Ｘ（ｓ）を求める機能を有する。なお、Ｇ（ｓ）は伝達関数であり、Ｙ（ｓ）は出力の関数、Ｘ（ｓ）は入力の関数である。本実施例の伝達関数は、特に周波数伝達関数である。図２に周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性の一例を示す。なお、伝達関数は、原理上、周波数伝達関数に限られるものではない。
【００３７】
クラック検出器７は、求めた伝達関数から得られる値である評価対象値に基づいて、一対の圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する機能を有する。
【００３８】
本実施例の評価対象値は、周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性の波形から得られるピーク値、面積値、又は周波数値である。評価対象値に基づくクラックの有無の検出は、例えば、評価対象値を基準値と比較することにより、或は評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することによって行うことができる。評価対象値、基準値、並びに判別式の設定については後述する。
【００３９】
［クラック検出方法］
本実施例のクラック検出方法は、一対の圧電素子９ａ、９ｂに極めて微細なマイクロ・クラックが生じているか否かも検出可能とするものである。つまり、本実施例では、微細なマイクロ・クラックを含め、クラックをサイズに拘わらず検出可能とする。
【００４０】
図３（Ａ）は、マイクロ・クラックが生じている圧電素子を示す拡大写真であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の部分拡大写真である。
【００４１】
マイクロ・クラックには、図３（Ａ）及び（Ｂ）のように、金めっきＰのある領域Ｒ１において外観から全く見分けがつかず、金めっきＰのない領域Ｒ２においても外観から見分けることは困難な極めて微細なものがある。このような極めて微細なマイクロ・クラック（「微細マイクロ・クラック」と称する）は、電気的特性への影響もなく、従来は問題とならず、若しくは電気特性によるクラック検出では見過ごされていた。
【００４２】
図４は、圧電素子のクラックの有無による電気的特性の測定結果を示す。図４では、５つのサンプルの圧電素子に対して、人為的に微細マイクロ・クラックを発生させ、その前後の静電容量及び誘電正接を電気的特性として測定した。図中の「前」は微細マイクロ・クラックの発生前の値、「後」は、微細マイクロ・クラックの発生後の値である。
【００４３】
図４のように、微細マイクロ・クラックの発生前後を通じて、静電容量及び誘電正接の値に大きな変化は見られない。
【００４４】
図５は、圧電素子のクラックの有無によるストロークの測定結果を示す。図５では、図４のように人為的に微細マイクロ・クラックを発生させ、その前後で電圧に応じた圧電素子のストロークを測定し、その結果をプロットしている。
【００４５】
図５のように、微細マイクロ・クラックの発生前後を通じて、ストローク量に大きな変化は見られない。
【００４６】
このように、微細マイクロ・クラックは、相対的に大きい通常のマイクロ・クラックで変化が見られる静電容量、誘電正接、及びストロークに変化が見られないものとなっている。これは、微細マイクロ・クラックが圧電素子に生じていても、電極が完全には分断されていないためと考えられる。図６に、微細マイクロ・クラックＣが生じていると共に電極１０ａ、１０ｂが分断されていない状態の圧電素子９の一例の断面図を示す。電極１０ａ、１０ｂは、金メッキやプラチナメッキ等とすることができ、本実施例においてプラチナメッキとなっている。
【００４７】
このような微細マイクロ・クラックであっても、圧電アクチュエータとしての長期信頼性に影響することから、確実な検出が求められる。
【００４８】
本実施例では、一対の圧電素子９ａ、９ｂの周波数伝達関数を求め、その周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性から得られる値（評価対象値）を基準値と比較することにより、或は評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することによって微細マイクロ・クラックの検出を可能としている。
【００４９】
特に、本実施例では、一方の圧電素子９ａにのみ電圧を印加し、その印加電圧の電圧値と他方の圧電素子９ｂから発生した電圧の電圧値とで周波数伝達関数を求めるようにしている。この結果、伝達関数、本実施例では周波数伝達関数によって得られる評価対象値を用いて微細マイクロ・クラックの検出が可能となる。
【００５０】
図７は、クラック検出方法を示すフローチャートである。
【００５１】
本実施例のクラック検出方法は、図１のクラック検出装置１を用いて行われ、変形ステップＳ１、電圧発生ステップＳ２、関数演算ステップＳ３、クラック検出ステップＳ４が順次実行される。
【００５２】
変形ステップＳ１では、対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の一方の圧電素子９ａに対して交流電源３から設定された電圧を印加する。印加した電圧値は、交流電源３からクラック検出器７に出力される。なお、電圧の印加は、クラック検出器７がコントローラとして管理してもよい。かかる電圧の印加により、一方の圧電素子９ａが変形する。
【００５３】
電圧発生ステップＳ２では、一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の他方の圧電素子９ｂを一方の圧電素子９ａの変形によって強制的に変形させる。すなわち、一方の圧電素子９ａの変形によって可動側部材１７が連結部１９を支点として変位し、この可動側部材１７の変位によって他方の圧電素子９ｂを一方の圧電素子９ａとは逆向きに強制的に伸縮させる。
【００５４】
このとき、他方の圧電素子９ｂは、強制的な伸縮で電圧を発生する。発生した電圧は、電圧測定器５で測定され、電圧の測定値は、電圧測定器５からクラック検出器７へと出力される。
【００５５】
関数演算ステップＳ３では、クラック検出器７が交流電源３から入力された印加電圧値と電圧測定器５から入力された測定電圧値とから周波数伝達関数Ｇ（ｓ）を求める。
【００５６】
クラック検出ステップＳ４では、クラック検出器７が関数演算ステップＳ３で求めた周波数伝達関数から評価対象値、特にゲイン特性及び位相特性のピーク値、面積値、又は周波数値を得て、その評価対象値を基準値と比較することにより、或は評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することによって、一対の圧電素子９ａ、９ｂの一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する。
【００５７】
［基準値］
図８〜図１４を参照して、評価対象値と基準値との比較について実験結果と共に説明する。
【００５８】
図８は、サンプルから求めた周波数伝達関数のゲイン特性及び位相特性のグラフであり、（Ａ）がマイクロ・クラックのない正常サンプル、（Ｂ）がマイクロ・クラックのあるエラーサンプルを示す。図９は、図８（Ａ）及び（Ｂ）のゲイン特性相互及び位相特性相互を重ね合わせたグラフである。
【００５９】
図８では、何れか一方又は双方にクラックが生じている複数対（２０対）の圧電素子のエラーサンプルから求めた周波数伝達関数（「エラー伝達関数」と称する）と、双方にクラックが生じていない複数対（２０対）の圧電素子の正常サンプルから求めた周波数伝達関数（「正常伝達関数」と称する）を示している。エラーサンプルは、上記同様、人為的に圧電素子に微細マイクロ・クラックを発生させたものである。
【００６０】
エラー伝達関数及び正常伝達関数は、クラック検出装置１を用いて、サンプルの一方の圧電素子９ａに印加した電圧値とサンプルの他方の圧電素子９ｂから発生した電圧値とから求めたものである。なお、エラーサンプルにおいては、圧電素子９ａにマイクロ・クラックがある場合と、圧電素子９ｂにマイクロ・クラックが有る場合と、双方にマイクロ・クラックが有る場合とを含んでいるが、伝達関数の波形に大きな差は無い。従って、本実施例のクラック検出方法は、上記のように、常に一方の圧電素子９ａに電圧を印加すればよく、迅速なクラックの検出が可能となっている。
【００６１】
図９のように図８の結果を重ね合わせて比較すると、エラー伝達関数と正常伝達関数との間でゲイン特性及び位相特性のピークが現れる周波数にずれが生じている部分がある。その部分に着目して、ずれが生じているゲイン特性及び位相特性のピークから得られる値を比較した。
【００６２】
具体的には、ずれが生じているピークに対し、両隣のピークを含まないような周波数レンジＦ１〜Ｆ６を規定し、各周波数レンジのエラー伝達関数び正常伝達関数のパラメータ、特にピークトップの値（ピーク値）又はピーク面積の値（面積値）若しくはピークトップの位置する周波数の値（周波数値）を抽出し、それらを比較した。
【００６３】
図１０は、図９のエラー伝達関数（エラーサンプル）及び正常伝達関数（正常サンプル）の周波数レンジ毎のゲイン特性のピーク値分布を対比して示す箱ひげ図であり、（Ａ）は１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚの周波数レンジＦ１、（Ｂ）は２０ｋＨｚ〜２５ｋＨｚの周波数レンジＦ２、（Ｃ）は３５ｋＨｚ〜３８ｋＨｚの周波数レンジＦ３、（Ｄ）は５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４、（Ｅ）は６５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ５、（Ｆ）は７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６である。
【００６４】
なお、図１０の箱ひげ図では、矩形領域が第１四分位点から第３四分位点までを、矩形領域内の太線が平均値を、上下の横線が最大値及び最小値を、最大値及び最小値外の点が外れ値をそれぞれ示している。なお、他の図面の箱ひげ図も同様である。
【００６５】
図１０のように、ゲイン特性のピーク値では、全周波数レンジＦ１〜Ｆ６において最大値から最小値までの範囲がエラーサンプルと正常サンプルとの間で重なる部分を有している。このため、ゲイン特性のピーク値の比較からは、エラーサンプル群と正常サンプル群とを正確に分けることができず、圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を正確に判別することはできない。
【００６６】
図１１は、図９のエラー伝達関数及び正常伝達関数の周波数レンジ毎のゲイン特性の周波数値分布を対比して示す箱ひげ図であり、（Ａ）〜（Ｆ）はそれぞれ周波数レンジＦ１〜Ｆ６である。
【００６７】
図１１のように、ゲイン特性のピークトップの周波数値でも、全周波数レンジＦ１〜Ｆ６において最大値から最小値までの範囲がエラーサンプルと正常サンプルとの間で重なる部分を有し、圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を正確に判別することはできない。
【００６８】
図１２は、エラー伝達関数及び正常伝達関数の周波数レンジ毎のゲイン特性の面積値分布を対比して示す箱ひげ図であり、（Ａ）は７０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ７、（Ｂ）は７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６、（Ｃ）は７６ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ８である。なお、図１２では、圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を最も区別しやすいと思われる周波数レンジＦ６〜Ｆ８を示している。周波数レンジＦ１〜Ｆ５については、記載を省略する。また、周波数レンジＦ７及びＦ８は、それぞれ周波数レンジＦ５及びＦ６を隣のピークを含まない範囲で調整したものである。
【００６９】
図１２のように、ゲイン特性のピークの面積値でも、全周波数レンジＦ１〜Ｆ８において最大値から最小値までの範囲がエラーサンプルと正常サンプルとの間で重なる部分を有し、圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を正確に判別することはできない。なお、図１２の面積値は、図１３のように、周波数レンジ内のピーク及びその周辺を含めた波形の全面積の値である。なお、図１３は、７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６での面積値を求める場合の一例である。
【００７０】
位相特性も、上記ゲイン特性と同様、ピーク値及び面積値では圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を正確に判別することができなかった。これに対し、位相特性の周波数値では、特定の周波数レンジにおいて圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を判別することが可能であった。
【００７１】
図１４は、エラー伝達関数及び正常伝達関数の周波数レンジ毎の位相特性の周波数値分布を対比して示す箱ひげ図であり、（Ａ）〜（Ｆ）はそれぞれ周波数レンジＦ１〜Ｆ６である。図１４では、分散が大きく、箱ひげ図の要部のみを示している。
【００７２】
図１４のように、位相特性の周波数値は、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４及び６５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ５において、最大値から最小値までの範囲がエラーサンプルと正常サンプルとの間で重なっていない。従って、位相特性の周波数値を比較することにより、エラーサンプル群と正常サンプル群とを正確に分けることができ、圧電素子の微細マイクロ・クラックの有無を正確に区別することができた。
【００７３】
なお、図１４の場合は、エラー伝達関数の位相特性の周波数値が、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４及び６５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ５において正常伝達関数のものよりも低くなっている。
【００７４】
従って、周波数レンジＦ４及びＦ５の一方又は双方において、エラー伝達関数の位相特性の周波数の最大値又は正常伝達関数の位相特性の周波数の最小値を基準値とすれば、微細マイクロ・クラックの有無を検出することが可能となる。
【００７５】
すなわち、周波数レンジＦ４及びＦ５の一方又は双方において、検出の対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂの周波数伝達関数から得られた位相特性の周波数値を評価対象値として基準値と比較し、評価対象値が基準値を上回るか否か又は下回るか否かで微細マイクロ・クラックの有無を検出することができる。
【００７６】
なお、基準値としては、複数対の圧電素子のエラーサンプル又は正常サンプルから得られた値の内の最大値又は最小値を選択する場合の他、少なくとも一対の圧電素子のエラーサンプル又は正常サンプルから得られた値を選択することも可能である。
【００７７】
また、上記エラーサンプルの最大値及び正常サンプルの最小値の双方を基準値として採用してもよい。
【００７８】
微細マイクロ・クラックの有無を検出可能な周波数レンジやパラメータの種類は、圧電アクチュエータの仕様に応じて変動するため、適宜実験等を通じて設定する必要がある。
【００７９】
［判別式］
図１５〜図２０を参照して、評価対象値を用いて判別式から得られる値の評価について実験結果と共に説明する。
【００８０】
判別式を得るために、エラー伝達関数及び正常伝達関数から得られる値をそれぞれエラー値及び正常値として判別分析を行った。本実施例では、複数のパラメータの中から二つのパラメータを抽出し、抽出したパラメータのエラー値及び正常値を判別分析し、これを複数のパラメータについて総当たりで行った。なお、判別分析を行う際は、３８対のエラーサンプル及び４０対の正常サンプルを用いている。
【００８１】
図１５は、図９のエラー伝達関数及び正常伝達関数によって得られる複数のパラメータから総当たりで二つのパラメータを抽出して判別分析した結果を対比して示すグラフであり、図１６は、図１５の中からエラーサンプルと正常サンプルとを判別できた判別分析結果を示すグラフである。
【００８２】
なお、図１５においては、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４におけるゲイン特性のピーク値（ゲインピーク）、ゲイン特性の周波数値（ゲイン周波数）、及び位相特性の周波数値（位相周波数）、並びに７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６におけるゲイン特性のピーク値、周波数値、面積値（ゲイン面積）、及び位相特性の周波数値を複数のパラメータとして選択的に示している。
【００８３】
図１５の格子状の各セルのグラフは、そのセルが属する行の左端に記載のパラメータが縦軸であり、そのセルが属する列の上端に記載のパラメータが横軸である。
【００８４】
また、図１５は、各セルのグラフの数値や文字が不明瞭となっているが、それら数値や文字に拘わらず、どのパラメータの組み合わせでエラーサンプルと正常サンプルとを判別できたかを概略的に示している。
【００８５】
さらに、図１５において、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚのゲイン特性の面積値、位相特性のピーク値及び面積値、並びに７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの位相特性のピーク値及び面積値は、エラーサンプルと正常サンプルとを区別できなかったパラメータであるため省略する。同様に、図１５以外の周波数レンジでの判別分析結果は、エラーサンプルと正常サンプルとを区別できなかったために省略する。
【００８６】
本実施例では、図１５及び図１６のように、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４における位相特性の周波数値と７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６におけるゲイン特性の面積値とをパラメータとして用いた判別分析により、エラーサンプル群と正常サンプル群とを明確に判別することができた。
【００８７】
図１７及び図１８は、図１６の判別分析結果に対応し、図１７は判別式による値に基づくグラフ、図１８はエラーサンプル及び正常サンプル毎の判別結果を示すテーブルである。
【００８８】
図１７のように、図１６の判別結果では、判別式としての判別関数Ｙ＝ａ０＋ａ１ｘ１＋ａ２ｘ２のＹの値が０を下回る場合に（Ｙ＜０）正常品と判断し、Ｙの値が０を上回る場合に（Ｙ＞０）エラー品と判断している。また、図１６の判別結果では、図１８のように、エラーサンプルはエラー品として、正常サンプルは正常品として判別することができている。
【００８９】
なお、判別式において、ａ０は、定数項、ａ１、ａ２は、係数であり、Ｘ１、Ｘ２は、パラメータとしての５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの位相特性の周波数値及び７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚのゲイン特性の面積値である。
【００９０】
従って、上記図１６の判別分析での判別関数を判別式として用いることで、微細マイクロ・クラックの有無を検出することが可能となる。具体的には、一対の圧電素子９ａ、９ｂの伝達関数から得られた５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの位相特性の周波数値と７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚのゲイン特性の面積値を評価対象値としてそれぞれＸ１及びＸ２に代入してＹを求める。そして、Ｙが０を上回るか（Ｙ＞０）下回るか（Ｙ＜０）によって、微細マイクロ・クラックの有無を検出することができる。
【００９１】
図１９（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図１７及び図１８に対応し、三つのパラメータを用いて判別分析した結果を示す。図２０（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ図１７及び図１８に対応し、別の三つのパラメータを用いて判別分析した結果を示す。
【００９２】
図１９では、パラメータとして、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４における位相特性の周波数値、６５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ５における位相特性の周波数値、７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６におけるゲイン特性の面積値を用いている。
【００９３】
図２０では、パラメータとして、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４におけるゲイン特性のピーク値、７５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数レンジＦ６におけるゲイン特性のピーク値、５５ｋＨｚ〜６５ｋＨｚの周波数レンジＦ４における位相特性の周波数値を用いている。
【００９４】
図１９及び図２０は、判別式としての判別関数Ｙ＝ａ０＋ａ１Ｘ１＋ａ２Ｘ２＋ａ３Ｘ３のＹの値が０を下回る場合に（Ｙ＜０）正常品と判断し、Ｙの値が０を上回る場合に（Ｙ＞０）エラー品と判断している。なお、判別式において、ａ０は定数項、ａ１、ａ２、ａ３は係数であり、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、上記パラメータである。この判別により、エラーサンプルはエラー品として、正常サンプルは正常品として判別することができている。
【００９５】
従って、図１８及び図１９の判別式を用い、三つのパラメータにより、上記同様に微細マイクロ・クラックの有無を検出することができる。
【００９６】
なお、判別式のパラメータ及び係数は、圧電アクチュエータの仕様に応じて変動するため、適宜判別分析を通じて設定する必要がある。
【００９７】
［実施例の効果］
本実施例のクラック検出方法は、一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の一方の圧電素子９ａに対して電圧を印加し該一方の圧電素子９ａを変形させる変形ステップＳ１と、一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の他方の圧電素子９ｂを一方の圧電素子９ａの変形によって強制的に変形させ該強制的な変形に応じて他方の圧電素子９ｂから電圧を発生させる電圧発生ステップＳ２と、他方の圧電素子９ｂから発生した電圧値と一方の圧電素子９ａに印加した電圧値とから対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂの伝達関数を求める関数演算ステップＳ３と、求めた伝達関数によって得られた値である評価対象値に基づいて対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方に微細マイクロ・クラックが生じているか否かを検出するクラック検出ステップＳ４とを備える。
【００９８】
従って、本実施例のクラック検出方法は、一方の圧電素子９ａにのみ電圧を印加し、その印加電圧の電圧値と他方の圧電素子９ｂから発生した電圧の電圧値とで伝達関数を求めることにより、求めた伝達関数によって得られる評価対象値を用いて微細マイクロ・クラックの検出が可能となる。
【００９９】
つまり、本実施例のクラック検出方法では、一対の圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方に生じるクラックをサイズに拘わらず正確に検出することができる。
【０１００】
また、本実施例のクラック検出方法では、クラック検出ステップＳ４において、単純に評価対象値を基準値と比較することで容易に、或は評価対象値を用いて判別式から得られる値を評価することでより高い精度で微細マイクロ・クラックの検出が可能となる。
【０１０１】
基準値は、何れか一方又は双方に微細マイクロ・クラックが生じている少なくとも一対の圧電素子のエラーサンプルから予め求めた周波数伝達関数によって得られた値とすることができる。従って、本実施例では、基準値を容易に設定することができる。
【０１０２】
判別式は、何れか一方又は双方にクラックが生じている複数対の圧電素子のエラーサンプルから予め求めた複数の伝達関数によって得られた値をそれぞれエラー値とし、双方にクラックが生じていない複数対の圧電素子の正常サンプルから予め求めた複数の伝達関数によって得られた値をそれぞれ正常値とし、エラー値と正常値とを判別分析して得られた判別関数とすることができる。従って、本実施例では、判別式を容易に設定することができる。
【０１０３】
本実施例のクラック検出装置１は、一体的に変形するように結合した対象となる一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の一方の圧電素子９ａに接続された交流電源３と、一対の圧電素子９ａ、９ｂ中の他方の圧電素子９ｂに接続された電圧測定器５と、交流電源３及び電圧測定器５に接続されたクラック検出器７とを備える。交流電源３は、一方の圧電素子９ａに対して電圧を印加して該一方の圧電素子９ａを変形させる。電圧測定器５は、一方の圧電素子９ａの変形によって強制的に変形した他方の圧電素子９ｂから発生した電圧を測定する。クラック検出器７は、交流電源３から一方の圧電素子９ａに印加された電圧値と電圧測定器５で測定された電圧値を取得し、両電圧値から一対の圧電素子９ａ、９ｂの伝達関数を求め、求めた伝達関数から得られる値である評価対象値に基づいて一対の圧電素子９ａ、９ｂの何れか一方又は双方にクラックが生じているか否かを検出する。
【０１０４】
従って、クラック検出装置１は、本実施例のクラック検出方法を実現し、微細マイクロ・クラックを確実に検出することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１  クラック検出装置
３  交流電源
５  電圧測定器
７  クラック検出器
９ａ、９ｂ  圧電素子
１５  固定側部材
１７  可動側部材
１９  連結部
【図１】
0006506707.tif 000002
【図２】
0006506707.tif 000003
【図３】
0006506707.tif 000004
【図４】
0006506707.tif 000005
【図５】
0006506707.tif 000006
【図６】
0006506707.tif 000007
【図７】
0006506707.tif 000008
【図８】
0006506707.tif 000009
【図９】
0006506707.tif 000010
【図１０】
0006506707.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0006506707.tif 000015
【図１５】
0006506707.tif 000016
【図１６】
0006506707.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0006506707.tif 000019
【図１９】
0006506707.tif 000020
【図２０】
0006506707.tif 000021