(57)【要約】【課題】本発明の目的は、圧電体の周波数特性測定を、従来よりも広い範囲の帯域で行うことができる装置を提供すること。【解決手段】試験用圧電素子２と、試験用圧電素子２に加える振動を発生させるための加振用圧電素子１と、加振用圧電素子１と試験用圧電素子２とを圧力を加えながら挟み込む上部押圧体３１及び下部押圧体３２と、加振用圧電素子１に電圧信号を発信するための信号発信装置５と、試験用圧電素子２に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置６を備える広帯域周波数特性測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験用圧電素子の周波数特性を測定する装置であって、
試験用圧電素子と、
試験用圧電素子に加える振動を発生させるための加振用圧電素子と
加振用圧電素子と試験用圧電素子とを圧力を加えながら挟み込む押圧体と、
加振用圧電素子に電圧信号を発信するための信号発信装置と、
試験用圧電素子に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置を備えることを特徴とする周波数特性測定装置
【請求項２】
加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体と、
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、
試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の周波数特性測定装置。
【請求項３】
押圧体が上部押圧体と下部押圧体に分かれ、
加振用圧電素子と試験用圧電素子を上下から挟むことを、
特徴とする請求項１記載の周波数特性測定装置。
【請求項４】
加振用圧電素子の部品である加振用圧電体の材料はチタン酸ジルコン酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデンから選択された一つであることを特徴とする請求項１記載の周波数特性測定装置。
【請求項５】
加振用圧電素子を構成する加振用圧電体の材料がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項１記載の周波数特性測定装置。
【請求項６】
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が上部押圧体の表面に形成され、
且つ試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が下部押圧体の表面に形成されていることを特徴とする請求項２記載の周波数特性測定装置。
【請求項７】
加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体が加振用圧電素子の表面に形成されていることを特徴とする請求項２記載の周波数特性測定装置。
【請求項８】
加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が、加振用圧電素子の表面に形成されていることを特徴とする請求項２記載の周波数特性測定装置。
【請求項９】
試験用圧電素子に加える振動の周波数が１００Ｈｚ〜１．５ＭＨｚであることを特徴とする請求項１記載の周波数特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の周波数特性を測定する装置に関する。
更に詳しくは、加振用圧電体が発生させた振動によって試験用圧電体を加振することで周波数特性を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から計測分野では、圧電体の動的性能を調べるために圧電体の周波数特性を測定することが行われる（特許文献１参照）。
周波数特性の測定方法としては、その測定対象となる圧電体（すなわち試験用圧電体）を直接疲労試験機で加振し、その応答を測定することで周波数特性を求めるやり方が知られている。
【０００３】
具体的には試験用圧電体に対し、疲労試験機で一定の周波数で圧力を加え、圧電体に発生した電荷をチャージアンプで電圧に変換し、その応答波形から周波数特性を評価するものである。
【特許文献１】特開平１１−３５２１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
〔加振可能振動数の範囲の限界〕
しかし、上記のような方法で周波数特性を測定する場合、試験用圧電体に加えることが出来る周波数帯域は疲労試験機自体の性能に制限される。
因みに、一般的な疲労試験機が発生させる事が出来る周波数帯域は、通常、約１Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度である。
【０００５】
ところで、例えば新材料の圧電体が開発された場合は、その周波数特性を厳密に把握するために、より広範囲な帯域での周波数特性を測定することが重要である。
そのため上記の一般的な周波数帯域である１Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲以外の周波数で圧電体を加振する必要がある。
【０００６】
本発明はかかる技術的な背景をもとになされたものである。
即ち、圧電体の周波数特性測定を、従来よりも広い範囲の帯域で行うことができる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かくして、本発明者は以上の課題に対して鋭意研究を重ねた結果、加振用圧電体に電圧を加えることで発生した振動を試験用圧電体に与えることにより、上記問題を解決できることを見出し、その知見に基づいて本発明を完成させたものである。
【０００８】
すなわち本発明は、（１）、試験用圧電素子の周波数特性を測定する装置であって、試験用圧電素子と、試験用圧電素子に加える振動を発生させるための加振用圧電素子と、加振用圧電素子と試験用圧電素子とを圧力を加えながら挟み込む押圧体と、加振用圧電素子に電圧信号を発信するための信号発信装置と、試験用圧電素子に発生した電荷量及び電圧を測定するための測定装置と、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体を備える周波数特性測定装置に存する。
【０００９】
また本発明は、（２）、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体と、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体と、試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体とを備える上記（１）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１０】
また本発明は、（３）、押圧体が上部押圧体と下部押圧体に分かれ、加振用圧電素子と試験用圧電素子を上下から挟む上記（１）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１１】
また本発明は、（４）、加振用圧電素子の部品である加振用圧電体の材料はチタン酸ジルコン酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデンから選択された一つである上記（１）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１２】
また本発明は、（５）、加振用圧電素子を構成する加振用圧電体の材料がチタン酸ジルコン酸鉛である上記（１）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１３】
また本発明は、（６）、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が上部押圧体の表面に形成され、且つ試験用圧電素子と下部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が下部押圧体の表面に形成されている上記（２）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１４】
また本発明は、（７）、加振用圧電素子と試験用圧電素子がショートすることを防ぐための絶縁体が加振用圧電素子の表面に形成されている上記（２）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１５】
また本発明は、（８）、加振用圧電素子と上部押圧体との間のショートを防ぐための絶縁体が、加振用圧電素子の表面に形成されている上記（２）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１６】
また本発明は、（９）、試験用圧電素子に加える振動の周波数が１００Ｈｚ〜１．５ＭＨｚである上記（１）記載の周波数特性測定装置に存する。
【００１７】
本発明の目的に添ったものであれば上記（１）〜（９）の発明を適宜組み合わせた構成を採用することも当然可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、試験用圧電体に対し従来よりも遙かに広い帯域（例えば１００Ｈｚ〜１.５ＭＨｚ）の振動を加えることが可能である。
その結果、従来よりも広い帯域で、圧電体の周波数特性を評価することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施する際の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本測定装置の全体を概略的に説明する模式図である。
図１に示す通り、本発明の周波数特性測定装置は、加振用圧電素子１、試験用圧電素子２に圧力を加える押圧体（上部押圧体３１、及び下部押圧体３２）を備える。
【００２０】
そして、上部押圧体３１の表面には絶縁体４１Ａが、下部押圧体３２の表面には絶縁体４１Ｂ（例えばアルミナ等）が形成されている。
更に上部押圧体３１の側の加振用圧電素子１と下部押圧体３２の側の試験用圧電素子２の中間にも、絶縁体４２が図示しない適宜の方法により配置される。
【００２１】
加振用圧電素子１は上部押圧体３１の表面に例えば接着剤等により固定され、試験用圧電素子２は下部押圧体３２の上に載置される。
加振用圧電素子１は常法により信号発信装置５に接続され、試験用圧電素子は常法により測定装置６に接続される。
【００２２】
加振用圧電素子１は、加振用の圧電体１１を電極層１２で挟みこんだものである。
加振用圧電素子１は信号発信装置５が発信した電圧信号を受信することで、選ばれた一定の周波数で振動し、該振動は絶縁体４２を通して試験用圧電素子２に伝わり、試験用圧電素子２を間接的に加振する。
【００２３】
このように加振用圧電素子１が発生させた振動によって、試験用圧電素子２を加振する方法を採用することで、加振用圧電素子１が発生可能な周波数（約１００Ｈｚ〜１．５ＭＨｚ）帯域で自由に試験用圧電素子２を加振することができる。
従来のような既成の試験機の性能に拘束されることなく広範囲の周波数帯域での周波数特性が求まる。
【００２４】
なお、加振用圧電素子１１の材料は特に限定されることはなく、適宜状況に応じてその材料を変更することが可能である。
例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等が採用可能である。
ただし、圧電定数が極めて大きく、より幅広い周波数で加振できるＰＺＴを用いることがより好ましい。
【００２５】
また、電極層１２の材料も同様に、その材料は特に限定されるものではなく、例えば銅、ステンレス、白金等が採用可能である。
【００２６】
試験用圧電素子２も加振用圧電素子１と同様に、試験用の圧電体２１を電極層２２で挟みこんだ構造をしている。
また、試験用圧電体２１を基板等の上に載置し、それを電極層で挟む構成もあり、基板としてはシリコン等の半導体材料、金属材料、および高分子材料等が採用可能である。
【００２７】
試験用圧電素子２は加振用圧電素子１が発生させた振動により加振され、その周波数に応じた電圧（電荷）を電極層２２に発生させる。
そして発生電荷を測定装置６で測定し、試験用圧電体２１の周波数特性を測定することができる。
【００２８】
上部押圧体３１と下部押圧体３２が、加振用圧電素子１と試験用圧電素子２を上下から適当な大きさ、すなわち圧電素子及び絶縁体を破壊しない程度の大きさの力（約４０Ｎ〜６０Ｎ）で挟み込むことで、加振用圧電素子１が発生させる振動を効率よく試験用圧電素子２に伝え、試験用圧電素子の出力電圧波形の歪みの発生を抑制する。
その結果、正確な周波数特性の計測が可能になる。
【００２９】
本発明の周波数特性測定装置は、加振用圧電素子１に電圧を加えるために、それぞれ、加振用圧電素子１と押圧体の間、試験用圧電素子２と押圧体の間、加振用圧電素子１と試験用圧電素子２の間の導通を防ぐ必要がある。
絶縁体４１Ａ及び絶縁体４１Ｂは加振用圧電素子１に加えた電圧、及び試験用圧電素子２の表面に発生した電荷が、上部押圧体３１又は下部押圧体３２を通って導通し、正確な測定を妨げることを防ぐ。
【００３０】
また、絶縁体４２は周波数特性の測定時に、加振用圧電素子１と試験用圧電素子２が、直接接触してショートすることを防ぐ。
なお、絶縁体４２は、図２に示すように、加振用圧電素子１の表面（すなわち試験用圧電素子２の当接側）に形成しても同様の効果を発揮することが可能である。
また、同様に絶縁体４１Ａを加振用圧電素子１の表面に形成することも可能である（図３参照）。
【００３１】
次に、試験用圧電体の周波数特性の評価方法について述べる。
先ず予め、試験用圧電体２の、１００Ｈｚの加振における出力電圧Ｖ１００を調べておく。
そして、加振用圧電素子に任意の周波数の振動を発生させ、試験用圧電素子２を加振する。
加振された試験用圧電素子２は電圧を発生させるので、該出力電圧の大きさＶが測定装置で測定される。
【００３２】
周波数特性はＶ、Ｖ１００及び以下の式（１）を用いてＧａｉｎで評価する。
Ｇａｉｎ＝２０×log10 （Ｖ/ Ｖ１００）                  …式（１）
Ｖ１００：試験用圧電素子の１００Ｈｚの加振における出力電圧（Ｖ）
Ｖ    ：試験用圧電素子のある周波数の加振における出力電圧（Ｖ）
【００３３】
以上本発明を説明したが、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の変形等が可能である。
例えば、図４に示すように、加振用圧電素子１を下部押圧体３２の上に載置し、試験用圧電素子２を絶縁体４２上に載置することも当然可能である。
また、押圧体で加振用圧電素子及び試験用圧電素子を左右から押圧する方法も当然可能である。
【００３４】
〔実施例〕
次ぎに実施例について説明する。
実施例で用いた本発明の各構成部品は以下の通りである。
（１）加振用圧電体の材料：ＰＺＴ
（２）試験用圧電体の材料：窒化アルミニウム
（３）電極層の材料：銅
（４）絶縁体：アルミナ
（５）押圧体が加えた力：５０Ｎ
（６）信号発信装置：Waveform Generator（Agilent 33120A）
（７）測定装置：オシロスコープ（Tektronix TDS2024）
（８）発信電圧：最大振幅電圧１０Ｖのｓｉｎ波
【００３５】
そして、ＰＺＴを銅製の電極層で挟み込んで加振用圧電素子を作成し、窒化アルミニウムを同様に銅製の電極層で挟み込んで試験用圧電素子を作成した。
加振用圧電素子及び試験用圧電素子を適所に配置後、押圧体で加振用圧電素子と試験用圧電素子を５０Ｎで押圧した。
【００３６】
そして、信号発信装置から最大振幅電圧１０Ｖで１００Ｈｚのsin 波を発信させ、オシロスコープで直接試験用圧電体に発生した電圧を測定した。
該出力電圧の大きさからＧａｉｎを計算し記録した。
【００３７】
同様の計測を１．５ＭＨｚまで所定の間隔で他に１１点計測を行った。
その結果を表１に示す。
図５は、表１の結果をグラフ化したものである。
【００３８】
また、１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚの信号を加振用圧電素子に加えたときの、試験用圧電素子の出力電圧を図６〜図９に参考として示す。
【００３９】
このように、本発明の装置では、広範囲の周波数帯域を採用できる。
従来の疲労試験機では加振することができなかった帯域での周波数特性が可能となるために、従来の疲労試験機を使った測定と較べて格段と圧電素子の性能評価が向上した。
【００４０】
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【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、装置全体の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図３】図３は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図４】図４は、本測定装置の構成例を示す模式図である。
【図５】図５は、表１の結果をグラフ化した図である。
【図６】図６は、周波数１ｋＨｚの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図７】図７は、周波数１０ｋＨｚの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図８】図８は、周波数１００ｋＨｚの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【図９】図９は、周波数１ＭＨｚの電圧信号を発信した時の、試験用圧電素子の出力電圧を示した図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  加振用圧電素子
１１  加振用の圧電体
１２  電極層
２  試験用圧電素子
２１  試験用の圧電体
２２  電極層
３１  上部押圧体
３２  下部押圧体
４１Ａ  絶縁体
４１Ｂ  絶縁体
４２  絶縁体
５  信号発信装置
６  測定装置
【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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