(57)【要約】【課題】外部からの振動に影響されにくく、動的荷重に対しても圧電特性を精度よく求めることができ、温度特性の計測にも対応できる圧電特性計測装置を提供する。【解決手段】圧電体Ｓを載置する載置面２５を有する載置測定部１１と、載置面２５が中心軸Ｃの延長上に来るように載置測定部１１を下端に固定した第２筒状体１４と、上側の第１筒状体１３内に配置したアクチュエータ（圧力発生手段）１２と、アクチュエータ１２から圧電体Ｓに圧力を伝達する圧力伝達手段１６と、第２筒状体１４を収容し、第１筒状体１３の下端を支持する筐体３３とを備えた圧電特性計測装置１０である。【選択図】図１
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【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装置であって、
前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、
前記載置測定部が一方端に固定され、前記載置面が中心軸の延長上に配置された筒状体と、
該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、
前記筒状体の前記一方端から前記載置面に向けて一部が突出した状態で前記中心軸に沿って配置された、前記圧力発生手段からの圧力を前記載置面に載置された前記圧電体に伝達するための圧力伝達手段と、
前記載置測定部の前記載置面とは反対の面側が非接触の状態で前記筒状体を支持する支持体と
を備えていることを特徴とする圧電特性計測装置。
【請求項２】
前記圧力伝達手段は、前記載置測定部の前記載置面に対向して前記圧電体に圧力を印加する一方端面と、該一方端面とは反対側の他方端面とを有しているとともに、前記一方端面および前記他方端面の双方が、前記中心軸と直交しており、
前記圧力発生手段は、発生した圧力を前記中心軸に沿って前記圧力伝達手段の前記他方端面に加えることで、前記圧力伝達手段を前記中心軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１記載の圧電特性計測装置。
【請求項３】
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伝達手段の前記他方端面との間に配置された、印加された電圧に応じて前記中心軸の方向に圧力を調整する圧電デバイスを有していることを特徴とする請求項２記載の圧電特性計測装置。
【請求項４】
前記中心軸に沿って前記基準面の位置を移動させる基準面可動手段を備えることを特徴とする請求項３記載の圧電特性計測装置。
【請求項５】
前記支持体は、天板に貫通孔が設けられた筺体を備えており、
前記筒状体が前記貫通孔に通されて支持され、前記載置測定部が前記筺体の内部に収容されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電特定計測装置。
【請求項６】
前記筺体の内部の温度を調整する温度調整機構をさらに備えていることを特徴とする請求項５記載の圧電特性計測装置。
【請求項７】
前記筒状体の内部で前記筺体の外側に位置する部位に、前記中心軸の方向の伝熱を抑制する断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項６記載の圧電特性計測装置。
【請求項８】
前記圧力発生装置が、前記断熱部材よりも前記筒状体の他方端側に配置されていることを特徴とする請求項７記載の圧電特性計測装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の圧電特性計測装置と、
前記圧力発生手段の動作を制御して、所定の圧力を周期的に発生させる圧力発生手段制御部と、
前記圧力発生手段から前記圧力伝達手段を介して印加された周期的な前記圧力に応じて前記圧電体からの前記出力電圧の情報を取得する出力電圧情報取得部と、
前記圧力発生手段制御部によって周期的に発生させた前記圧力の情報と前記出力電圧情報取得部が取得した前記出力電圧の情報とを用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する情報処理部と
を備えることを特徴とする圧電特性計測システム。
【請求項１０】
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前記中心軸と直交する、前記筒状体に対する位置が固定された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、前記他方の主面から印加された圧力に応じた台座出力電圧を発生する台座圧電体とを備え、
前記情報処理部は、前記圧力の情報に代えて、前記圧電体に印加された圧力が前記板状体を介して印加されることで生じる前記台座圧電体からの前記台座出力電圧の情報を取得して、該台座出力電圧の情報と前記出力電圧の情報とを用いて前記圧電特性値を算出することを特徴とする請求項９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装置およびそれを用いた圧電特性計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は加圧力に対して所定の関係の高さの電圧を発生する素子であり、圧力センサとして用いられる。なお、本明細書では、「加圧力」のことを単に「圧力」ということがある。これは本来の圧力（面積当りの力）とは異なる。圧電素子の特性は、一般的に圧電素子に印加した力（Ｎ）と、そのときに発生する電荷（ｐＣ）から計算した圧電定数（ｐＣ／Ｎ）によって特定される。加圧力によって圧力定数が一定でない場合は、関数全体を特性ということもある。いずれの場合も印加した力とその力によって発生する電荷は、それぞれ精密に測定する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、精密に測定するため、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、その測定値から印加した力を算出する方法を開示している、さらにそ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う。
【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】
車載用の圧電素子（圧力センサ）においては、静止状態における特性だけでなく、振動などの変動する力に対する特性も重要である。このため、車載用の圧電素子の特性としては、時系列に変動する力（動的荷重）に対する発生電圧の関係も重要になってくる。圧電素子に関し、このような動的荷重に対する発生電圧の関係を詳細に測定するには、発生電圧の時系列変動情報を正確に知るのみでなく、圧電素子に対して印加された動的荷重の時系列変動も、正確に知る必要がある。
例えば、特許文献１に記載されているような従来の測定装置では、測定対象である圧電素子を設置台の上面側に載置し、この設置台を除振台などの土台部材にさらに載置して、動的荷重を印加していた。このような従来の測定装置では、土台部材等からの振動が圧電素子に伝わって印加した動的荷重に重畳されてしまい、印加した動的荷重の値を精度良く知ることができなかった。このため、圧電素子の、動的荷重に対する特性を高精度に測定することはできなかった。上記土台基板として除振台を用いた場合も、微小な振動までは確実に除去できず、高精度の測定が困難であった。また、圧電素子は周囲の温度が変動したときにどの程度影響するかという温度特性（評価）も求められる。しかし特許文献１の測定装置では温度特性を求めることができない。
【０００６】
本発明は測定対象物を載置した台や地面からの振動によって影響されにくく、従来の装置と同等か、それ以上の精度で圧電特性を求めることができ、さらに動的荷重に対しても圧電特性を精度よく求めることができる圧電特性計測装置を提供することを技術課題としている。さらに本発明は、温度特性の計測にも対応することができる圧電特性計測装置を提供することを技術課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、測定対象物である圧電体を載置する載置測定部に対し、圧力発生手段で発生した圧力を所定の圧力伝達手段によって伝達することにより間接的に作用させれば、動的加重に対しても圧電特性を精度よく測定することができ、また、遠隔的に検出することも容易であるという新たな事実を見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、本発明の圧電特性計測装置は、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装置であって、前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、前記載置測定部が一方端に固定され、前記載置面が中心軸の延長上に配置された筒状体と、該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、前記筒状体の前記一方端から前記載置面に向けて一部が突出した状態で前記中心軸に沿って配置された、前記圧力発生手段からの圧力を前記載置面に載置された前記圧電体に伝達するための圧力伝達手段と、前記載置測定部の前記載置面とは反対の面側が非接触の状態で前記筒状体を支持する支持体とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
このような圧電特性計測装置においては、前記圧力伝達手段は、前記載置測定部の前記載置面に対向して前記圧電体に圧力を印加する一方端面と、該一方端面とは反対側の他方端面とを有しているとともに、前記一方端面および前記他方端面の双方が、前記中心軸と直交しており、前記圧力発生手段は、発生した圧力を前記中心軸に沿って前記圧力伝達手段の前記他方端面に加えることで、前記圧力伝達手段を前記中心軸に沿って移動させるものを採用することができる。それにより、圧力発生手段によって発生された圧力は、他方端面から圧力伝達手段に加えられ、圧力伝達手段が軸方向に沿って移動し、その一方端面が載置測定部に載置された圧電体を加圧するので、圧力を効率よく伝達することができる。
【００１０】
また、前記筒状体として内部に前記中心軸と直交する基準面を備えているものを用い、前記圧力発生手段として前記基準面と前記圧力伝達手段の前記他方端面との間に配置された、印加された電圧に応じて前記中心軸の方向に圧力を調整する圧電デバイスを有するものを採用することができる。このものは圧電デバイスによって圧力伝達手段の圧力を調整することができるので、一層適切な力の伝達を行うことができる。
【００１１】
さらに前記中心軸に沿って前記基準面の位置を移動させる基準面可動手段を備えるものであってもよい。このものは基準面を移動させることにより、圧電体に対し、静止荷重をプリロードとしてかけておくことができる。
【００１２】
前記いずれの圧電特性計測装置においても、前記支持体は、天板に貫通孔が設けられた筺体を備えており、前記筒状体が前記貫通孔に通されて支持され、前記載置測定部が前記筺体の内部に収容されているものが好ましい。このものは筐体の内部を周囲の環境から保護することができ、高い精度で圧電特性を計測することができる。
【００１３】
前記筺体の内部の温度を調整する温度調整機構をさらに備えている装置であってもよい。この圧電特性計測装置では、筐体の内部を恒温槽として利用することができる。すなわち、恒温槽の内部の温度を氷点下や高温に設定することにより、厳冬期や炎天下など、あるいはエンジンの近くに圧力センサを配置する場合など、過酷な環境の下における圧電特性を測定することができる。
【００１４】
前記筒状体の内部で前記筺体の外側に位置する部位に、前記中心軸の方向の伝熱を抑制する断熱部材が配置されているものが好ましい。その場合は、周囲温度が変動しても、筐体の内部を特定の温度に維持することができ、測定精度の向上に寄与することができる。
【００１５】
前記圧力発生装置が、前記断熱部材よりも前記筒状体の他方端側に配置されているものであってもよい。このものは載置測定部を収容する筐体内の熱が圧力伝達手段を伝わることを阻止し、筐体内の温度維持を容易にすると共に、圧力発生手段を筐体内部の熱から保護することができる。
【００１６】
本発明の圧電特性計測システムは、前記いずれかの圧電特性計測装置と、前記圧力発生手段の動作を制御して、所定の圧力を周期的に発生させる圧力発生手段制御部と、前記圧力発生手段から前記圧力伝達手段を介して印加された周期的な前記圧力に応じて前記圧電体からの前記出力電圧の情報を取得する出力電圧情報取得部と、前記圧力発生手段制御部によって周期的に発生させた前記圧力の情報と前記出力電圧情報取得部が取得した前記出力電圧の情報とを用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する情報処理部とを備えることを特徴とする。この圧電特性計測システムは、周期的に変動する圧力と、それによって出力される変動する電圧とに基づいて、いわば動的な圧電特性を得ることができる。
【００１７】
このような圧電特性計測システムにおいては、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前記中心軸と直交する、前記筒状体に対する位置が固定された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、前記他方の主面から印加された圧力に応じた台座出力電圧を発生する台座圧電体とを備え、前記情報処理部は、前記圧力の情報に代えて、前記圧電体に印加された圧力が前記板状体を介して印加されることで生じる前記台座圧電体からの前記台座出力電圧の情報を取得して、該台座出力電圧の情報と前記出力電圧の情報とを用いて前記圧電特性値を算出するものが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電特性計測装置は、測定対象である圧電体が載置される載置測定部の、圧電体の載置面とは反対の面側が非接触の状態で、圧電体に圧力を印加して圧電特性を測定するので、圧電体への振動の伝達、特に載置面に垂直な軸方向の振動の圧電体への伝達が抑制される。これにより、動的荷重に対する特性を高精度で測定することができる。
また、載置測定部に対して圧力伝達手段が加える力の反力を筒状体が支持するため、載置測定部を筐体などに直接固定する必要がなく、いわば非接触状態で保持することができる。そのため外部からの振動が伝わらず、動的荷重に対する特性を高精度で測定することができる。また、測定対象物である圧電体を載置する載置測定部に対し、圧力発生手段で発生した圧力を所定の圧力伝達手段によって伝達することにより間接的に作用させるので、動的加重に対しても圧電特性を精度よく測定することができる。また、圧力伝達手段によって圧力発生手段から載置測定部に圧力を伝えるため、遠隔計測や恒温室などに配置して温度特性を測定することも容易である。
【００１９】
本発明の圧電特性計測システムは、周期的に変動する圧力と、それによって出力される変動する電圧とに基づいて、動的な圧電特性を精度よく、効率的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電特性計測装置の断面図である。
【図２】図１の計測装置の測定対象物の一例を示す斜視図である。
【図３】図１の計測装置の集電ヘッドを示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の計測装置に用いられる集電ヘッドの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】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６】図１の計測装置を用いて計測する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の圧電特性計測装置（以下、単に計測装置という）の一実施形態を説明する。図１の計測装置１０は、測定対象物である圧電素子（圧電体）Ｓが載置される載置測定部１１と、圧電体Ｓに印加する圧力を発生するアクチュエータ（圧力発生手段）１２と、そのアクチュエータの下端に配置される断熱材３２と、アクチュエータ１２および断熱材３２を収容する第１筒状体１３と、前記載置計測部１１が下端に連結され載置計測部１１とアクチュエータ１２を連結する第２筒状体１４と、第２筒状体１４の内部に軸方向移動自在に設けられアクチュエータ１２が発生した圧力を前記載置測定部１１に保持された圧電体Ｓに伝達するための圧力伝達手段１６とを備えている。
圧電体Ｓは、例えば図２のような中央に貫通孔（あるいは有底の穴）Ｓａが形成された円柱状のものである。
以下の説明では図１の配置関係に基づいて「上」、「下」などと表現するが、本発明はこれらに限定されない。すなわち筒状体１３、１４は上下方向にするほか、水平や斜めに配置することもできる。また筒状体を上下方向に配置した上で載置測定部１１を筒状体１３、１４の上端に設けることもできる。
【００２２】
図１に示す筒状体１３、１４のうち、上側（載置測定部１１から遠い側）の第１筒状体１３は大径で、その内部には、積層圧電体を備えて成されたアクチュエータ１２が配置されている。アクチュエータ１２は、印加された電圧に応じた量だけ、第１筒状体１３の軸方向に添って膨脹または収縮するように構成されている。アクチュエータ１２は摺動抵抗を低減させるため、リニアガイドブッシュ１７を介して第１筒状体１３の内部に収容している。リニアガイドブッシュ１７とアクチュエータ１２とは、両者で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。第１筒状体１３の下方（載置測定部１１に近い側）には、小径の第２筒状体１４が同心状に連結されている。アクチュエータ１２は通常は自軸回りに回動できない。しかし回動自在に構成しても差し支えない。
下側の第２筒状体１４の内部には、圧力伝達手段１６が軸方向摺動自在に収容されている。圧力伝達手段１６も回転自在にする必要はないが、そうであっても差し支えない。圧力伝達手段１６は、たとえばステンレススチールからなる加圧ロッドを採用しうる。加圧ロッドなどの圧力伝達手段１６の下端面１６ａは請求項２における「他方端面」であり、圧力伝達手段１６の上端面１５ａは「一方端面」である。
【００２３】
載置測定部１１は、略水平に配置される一対の板状体１９、２０と、それらを連結する縦板２１とから略コ字状に形成されている。縦板２１を左右一対で設けて全体を枠体にしてもよい。下側の板状体２０は、上下一対の互いに平行な主面２２、２３を有し、上側の主面（一方の主面）２２上には、ロードセルＬＣなどの荷重センサ（台座圧電体）を介して計測対象の圧電体Ｓを載置する台座部材２４が固定されている。台座部材２４はロードセルＬＣにプリロードを加えるため、下側の板状体２０の上面、すなわち上側の主面２２にボルトなどで強固に固定されている。台座部材２４の上面の中央は圧電体Ｓを載置する台座面、すなわち載置面２５である。載置面２５は筒状体１３、１４の中心軸Ｃの下方の延長上に配置されている。
【００２４】
載置測定部１１の上側の板状体１９は第２筒状体１４の下端に固定されている。それにより載置測定部１１は筒状体１３、１４によって吊り下げられた状態となっている。前述のロードセルＬＣは圧電体Ｓに印加される圧力を計測するセンサであり、たとえば水晶圧電式のものが使用される。このロードセルＬＣは、加圧力が変動するときの荷重、すなわちダイナミックロード（動的荷重）の測定のみに使用し、静止荷重であるプリロードは別のロードセルなどの計測器を用いるのが好ましい。静止荷重と動的荷重では測定のレンジが異なるためである。
【００２５】
第１筒状体１３の上端には蓋体２６が被せられ、ねじなどで固定されている。その蓋体２６に貫通形成した雌ねじに、プリロード印加ねじ（雄ねじ）２７が螺合されている。このプリロード印加ねじ２７は、手動で回転させて圧電体Ｓにプリロードを付与するためのものである。プリロード印加ねじ２７の下端面２８は筒状体１３、１４の中心軸Ｃと直交する基準面である。この基準面はプリロード印加ねじ２７の回転に応じて上下に移動する。プリロード印加ねじ２７は基準面可動手段である。基準面には、プリロードを検出するための第２ロードセルＬＣ２を介して前述のアクチュエータ１２が取り付けられている。第２ロードセルＬＣ２は、圧力を電気信号に変換するセンサであり、ロードセル以外に他の検出センサを用いることができる。アクチュエータ１２は外部から所定の波形で電力を付与すると、その波形に応じた加圧力を生ずるアクチュエータであり、電気信号を力に変換する圧電デバイスが用いられる。このようなアクチュエータ１２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が好ましい。
【００２６】
アクチュエータ１２の下端面は、前述の断熱材３２の上端面に当接している。この断熱材３２の下端には、圧力伝達手段１６の上端が連結されている。この実施形態では支持体として恒温槽として用いる筐体３３を採用している。断熱材３２は筒状体１３、１４を恒温槽などの筐体３３に取り付けたとき、筐体３３の熱がアクチュエータなどに伝わらないようにするものである。なお、圧力伝達手段１６を上下方向に向けて配置する場合は、断熱材３２と下側の第２筒状体１４の間に圧力伝達手段１６を上向きに付勢するバネを介在させ、圧力伝達手段１６の重量とバランスさせることもできる。圧力伝達手段１６の下端には、集電ヘッド３５が取り付けられている。集電ヘッド３５は、圧電体Ｓが発生した出力電圧を集めるデバイスである。
【００２７】
この集電ヘッド３５は、図３に拡大して示すように、円柱状の上ジグ３６と下ジグ３７の間にアルミナ製のボール３８を挟み、そのボール３８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（図１の符号３９）を介して圧電体Ｓが発生した電圧を検出器に導くものである。上ジグ３６および下ジグ３７の対向する面には、それぞれボール３８を支持する円錐状の凹部３６ａ、３７ａが形成されている。これにより圧電体Ｓの上下面の平行度のバラツキを吸収し、バラツキによる影響を排除できる。アルミナを用いるのは絶縁抵抗が高いためである。ジルコニアなどでは絶縁抵抗が低いため、出力にノイズが載る問題がある。圧電体Ｓの平行度あるいは圧電体を上下から挟む部材の平行度を高めるため、圧力伝達手段１６の上端面および下端面はそれぞれ中心軸Ｃに対し、直交するように形成している。さらにボール３８の脱落を防止するため、凹部３６ａ、３７ａにはダンパ（衝撃吸収材）を兼ねる軟質樹脂、たとえばシリコーン系接着剤、シリコーン系シーラントを充填するのが好ましい。
【００２８】
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とほぼ同様であるが、上ジグ６１は円板状を呈しており、その下面には円錐状の凹部が形成されていない。下ジグ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。上下のジグ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を設けている。上ジグ６１の上面中央には、加圧ロッドなどの圧力伝達手段の下端を固定するため、ネジ軸６６が突設されている。ネジ軸６６には雄ねじが形成されている。
【００２９】
上記のように構成される計測装置１０は、たとえば下側の筒状体１４の上端に取り付けたフランジ部４０を筐体３３の天板４１に載置し、天板に設けた貫通孔４２に第２筒状体（下側）１４を挿入し、その筒状体１４の下端に載置測定部１１を取り付けることにより、筐体３３内の温度下における圧電体Ｓの圧電特性を計測することができる。筐体３３として、筐体内の温度を調節する温度調節機構を備えた恒温槽を採用する場合は、高温状態や低温状態での圧電特性を計測することができる。
【００３０】
上記の計測装置１０を用いて圧電体Ｓの圧電特性を計測するには、まず、集電ヘッド３５と台座部座２４の間に測定対象である圧電体Ｓを挟み、プリロード印加ねじ２７を回して所定のプリロードを付与する。プリロードはたとえば４〜６ｋＮもの高荷重である。ついでアクチュエータ１２によって所定の波形の圧力を発生させる。それにより、圧力伝達手段１６がその圧力を圧電体Ｓに伝え、集電ヘッド３５から圧電体Ｓが発生する発生電圧を検出することができる。なお、圧電体Ｓを挟圧するときの反力は載置測定部１１の縦板２１、上側の板状体１９および筒状体１４、１３が支持する。そのため、載置測定部１１や下側の筒状体１４を筐体３３に固定する必要がない。したがってフランジ部４０と筐体３３の天板４１の間に隙間をあけてもよく、また、フランジ防振ゴムや断熱材などの柔軟性を有するものを介在させることもできる。
【００３１】
図５に示す圧電特性計測システム５０は、図１の計測装置１０と、その計測装置のアクチュエータ１２（圧力発生手段：ピエゾアクチュエータ）に送る波形５１ａ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１２を作動させるピエゾドライバ（パワーアンプ）５２とを備えている。ファンクションジェネレータ５１とピエゾドライバ５２は、アクチュエータ制御部５３を構成する。符号５４はローノイズケーブルである。また、プリロード印加ねじ２７によって印加された圧力を検出する第２ロードセルＬＣ２は計測した圧力を表示する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た表示値（ロードセルＬＣ２による計測値）を確認しながら、プリロード印加ねじ２７を回転させて、圧電体Ｓに所定の大きさの圧力（プリロード圧力）を印加する。集電ヘッド３５には、ローノイズケーブル５５によって出力電荷用のチャージアンプ５６が連結され、データロガー５７を介してパーソナルコンピュータ（情報処理部）ＰＣに連結されている。また、圧電体Ｓに加える変動圧力（ダイナミックロード）を検出するロードセルＬＣの出力もロードセル用のチャージアンプ５８を介して前述のデータロガー５７に連結され、パーソナルコンピュータＰＣに伝えられる。また、両方のチャージアンプ５６、５７の出力はオシロスコープ５９などのモニターで確認できるようにしている。また、筐体３３の内部の温度を調整するヒータやクーラーなどの温度調整機構Ｈが設けられている。
【００３２】
つぎに図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。この計測方法では、まず計測の対象である圧電体Ｓと印加された圧力に応じて電圧を発生するロードセルＬＣ（計測用圧電体）とを一軸方向に沿って重ねて配置する第１ステップＳ１を行う。ついで第２ロードセルＬＣ２によって確認しながらプリロードねじ２７によって所定のプリロードを付与する。さらに対象圧電体Ｓに対して、計測用圧電体と反対の側から、前記一軸方向に沿った圧力を周期的に印加する第２ステップＳ２を行う。
【００３３】
さらに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ステップＳ３を行う。その取得する第３ステップＳ３では、印加した圧力の情報として、上記一軸方向に沿った圧力に応じて発生する、ロードセルＬＳ（計測用圧電体）からの出力電圧の情報を併せて取得する（第４ステップＳ４）。そして、印加した圧力の情報、および出力電圧の情報を用いて、圧電体Ｓの圧電特性値を算出する第５ステップＳ５を行う。ロードセルＬＣは、測定対象である圧電体Ｓの直下に配置され、一軸方向に沿って圧電体Ｓにかかる圧力が、直接印加される。このロードセルＬＣからの出力電圧は、圧電体Ｓにかかる圧力の大きさに精度よく対応し、出力電圧の変動は、圧電体Ｓにかかる圧力の変動に精度よく対応している。本実施形態のシステムでは、測定対象にかかる圧力の大きさおよび変動を、高い精度で測定することができるので、この測定値を用いて、測定対象である圧電体の動的荷重に対する特性を高精度に求めることができる。
【００３４】
前記第１ステップＳ１では、具体的には、集電ヘッド３５と台座部座２４の間に測定対象である圧電体Ｓを挟み、プリロード印加ねじ２７を回して所定のプリロードを付与する。プリロードはたとえば４〜６ｋＮもの高荷重である。ついでアクチュエータ１２によって所定の波形の圧力を発生させる（第２ステップＳ２）。それにより、圧力伝達手段６がその圧力を圧電体Ｓに伝え、集電ヘッド３５から圧電体Ｓが発生する発生電圧を検出することができる（第３ステップＳ３）。
【００３５】
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。しかしロードセルＬＣで実際に検出した値を使用するほうが、精度が高い。なお、圧電体Ｓを挟圧するときの反力は載置測定部１１の縦板２１、上側の板状体１９および筒状体１４、１３が支持する。そのため、載置測定部１１や下側の筒状体１４を筐体３３に固定する必要がない。したがってフランジ部４０と筐体３３の天板４１の間に隙間をあけてもよく、また、フランジ防振ゴムや断熱材などの柔軟性を有するものを介在させることもできる。
【００３６】
前記実施形態ではアクチュエータ（圧力発生手段）の上端に対応する基準面を移動させる基準面可動手段を備え、その基準面からプリロードを付与する構造を採用するため、測定対象物に所望の値のプリロードをかけながら、所望の関数の動的荷重をかけて測定することができる。ただし動的荷重による圧電特性を測定するだけでよいのであれば、基準面可動手段やプリロード印加ねじは省略することができる。また前記実施形態では圧力発生手段としてピエゾアクチュエータを採用しているが、所定の関数で電気信号を圧力に変換できるアクチュエータであれば、他のアクチュエータも採用することができる。
以上、本発明の圧電特性計測システムおよび圧電特性計測方法について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、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】
【００３７】
１０  圧電特性計測装置
Ｓ  圧電素子（圧電体）
１１  載置測定部
１２  アクチュエータ（圧力発生手段）
１３  第１筒状体
１４  第２筒状体
１５ａ  上端面
１６  圧力伝達手段（加圧ロッド）
１６ａ  下端面
Ｓａ  貫通孔
１７  リニアガイドブッシュ
１９  上側の板状体
２０  下側の板状体
２１  縦板
２２、２３  主面
ＬＣ  ロードセル（台座圧電体）
２４  台座部材
２５  載置面
Ｃ  中心軸
２６  蓋体
２７  プリロード印加ねじ
２８  下端面
ＬＣ２  第２ロードセル（プリロード検出用）
３２  断熱材
３３  筐体（恒温槽）
３５  集電ヘッド
３６  上ジグ
３７  下ジグ
３６ａ、３７ａ  凹部
３８  ボール
３９  ローノイズケーブル
４０  フランジ部
４１  天板
４２  貫通孔
５０  圧電特性計測システム
５１  ファンクションジェネレータ
５１ａ  波形
５２  ピエゾドライバ
５３  圧力発生手段制御部
５４、５５  ローノイズケーブル
５６  チャージアンプ
５７  データロガー
６０  集電ヘッド
６１  上ジグ
６２  下ジグ
６２ａ  凹部
６３  ボール
６４  シリコーン系接着剤
６５  空間
６６  ネジ軸
【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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