(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶体から切り出した圧電基板の両側方に個々に配設された２つの周波数測定プローブを、前記圧電基板を挟んで互いに接近離間可能に支持し、これら２つの周波数測定プローブを前記圧電基板に当接させて両プローブ間に挟まれた任意箇所の厚み滑り振動の共振周波数を測定する周波数測定部と、
前記圧電基板の両側方に個々に配設された２つの厚さ測定子を前記圧電基板に当接させて両測定子間に挟まれた任意箇所の基板厚さを測定する厚さ測定部とを備える圧電基板の材料定数測定装置であって、
前記圧電基板の同じ側に配設された前記周波数測定プローブおよび前記厚さ測定子は、前記周波数測定プローブの中央に、前記圧電基板の厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記厚さ測定子が挿通されていることを特徴とする圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項２】
前記周波数測定プローブが、前記圧電基板の側面に接近離間可能に支持された基部と、該基部に対し揺動自在に取り付けられたプローブ本体と、該プローブ本体を前記基部の所定位置に回帰させる付勢部材とを備えることを特徴とする請求項１記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【請求項３】
前記プローブ本体の先端に設けられた測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接される環状の弾性体が設けられていることを特徴とする請求項２記載の圧電基板の材料定数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の材料定数を測定するための材料定数測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電単結晶体の材料定数、例えば密度や音速等が結晶の組成と育成条件とに依存することは周知である。そこで、圧電単結晶体の各所位から切り出した基板（以下、圧電基板という）について材料定数を測定し、結晶の均一性を評価する作業を行う必要がある。
【０００３】
均一性評価の手法として、圧電単結晶体がLi Ta O3等の強誘電体の場合は、当該結晶のキュリー温度（強誘電相から常誘電相まで転換する際の温度）が組成に強く依存する性質を利用して結晶の均一性を評価している。
【０００４】
これに対し圧電単結晶体がLa3 Ga5 SiO14（ランガサイト）等の常誘電体の場合はキュリー温度をもたない。そこで、圧電基板にＳＡＷデバイスを設け、その中心周波数を測定することで結晶の均一性評価を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにして常誘電体の圧電単結晶体の評価を行う場合には、中心周波数の測定が圧電基板の表面状態、ＳＡＷデバイスの設計および評価プロセスの再現性等に影響され易いため、測定結果の信頼性が低い。また、評価プロセスの作業時問が長く、作業効率が低いという問題がある。
【０００６】
さらに、この評価プロセスはＳＡＷデバイスを設置することで圧電基板に製品としての価値を失わせてしまうため、圧電基板の出荷検査には適用できないことも問題である。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、圧電単結晶体の均一性評価を短時間のうちに正確に実施すべく、圧電基板の材料定数を測定するための装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の圧電基板の材料定数測定装置を採用する。
すなわち、本発明に係る圧電基板の材料定数測定装置は、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の両側方に個々に配設された２つの周波数測定プローブを、前記圧電基板を挟んで互いに接近離間可能に支持し、これら２つの周波数測定プローブを前記圧電基板に当接させて両プローブ間に挟まれた任意箇所の厚み滑り振動の共振周波数を測定する周波数測定部と、
前記圧電基板の両側方に個々に配設された２つの厚さ測定子を前記圧電基板に当接させて両測定子間に挟まれた任意箇所の基板厚さを測定する厚さ測定部とを備える圧電基板の材料定数測定装置であって、
前記圧電基板の同じ側に配設された前記周波数測定プローブおよび前記厚さ測定子は、前記周波数測定プローブの中央に、前記圧電基板の厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記厚さ測定子が挿通されていることを特徴とする。
【０００９】
圧電基板についての厚み滑り振動の共振振動数と材料定数との関係を次式に示す。
ｆ＝（Ｅ／ρ）1/2／（２ｔ）…（１）
ｆ：共振周波数、ｔ：基板厚さ、ρ：結晶密度、Ｅ：結晶方向により決まる弾性定数である。
ここで、式（１）を整理すると、
ｆ・ｔ＝（Ｅ／ρ）1/2／２…（２）
となり、ｆとｔの値を求め、さらにその積を求めることで式（２）の右辺に相当する材料定数が得られる。なお、ｆ・ｔは圧電基板におけるバルク波音速とみなせる。
【００１０】
この圧電基板の材料定数測定装置においては、圧電単結晶体から切り出した圧電基板の任意の各所について、周波数測定部によって厚み滑り振動の共振周波数を測定するとともに、厚さ測定部によって基板厚さを測定し、測定結果を上記の式（２）に代入して各所の材料定数（バルク波音速）を算出するのであるが、従来のようなＳＡＷデバイスを設置する必要がないこと、周波数測定プローブおよび厚さ測定子を一体として周波数測定と厚さ測定とを同時に行うことにより、測定に要する時間が大幅に短縮される。また、ＳＡＷデバイスの設置によって圧電基板を破壊することがないので、製品として出荷する圧電基板についても測定を実施することが可能である。
【００１２】
本発明に係る圧電基板の材料定数測定装置においては、前記周波数測定プローブが、前記圧電基板の側面に接近離間可能に支持された基部と、該基部に対し揺動自在に取り付けられたプローブ本体と、該プローブ本体を前記基部の所定位置に回帰させる付勢部材とを備える構成とすることが望ましい。
【００１３】
本発明に係る圧電基板の材料定数測定装置においては、前記プローブ本体の先端に設けられる測定電極の周囲に、前記圧電基板に当接される環状の弾性体を設けた構成とすることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１ないし図３に示して説明する。
図１は圧電基板の材料定数測定装置の概賂構成を示す図である。図に示すように、圧電基板Ｐの厚み滑り振動の共振周波数を測定する周波数測定部１と、圧電基板Ｐの基板厚さを測定する厚さ測定部２と、周波数測定部１および厚さ測定部２の各部の駆動を制御する制御装置３とを備えている。
周波数測定部１は、圧電基板Ｐを支持する基板支持機構１１と、圧電基板Ｐの上下両側方に個々に配設された２つの周波数測定プローブ１２，１３と、これら対向配置された周波数測定プローブ１２，１３を支持するプローブ支持機構１４と、周波数測定プローブ１２，１３を駆動して圧電基板Ｐのインピーダンス、および位相の周波数依存性を測定するインピーダンス・アナライザ１５とを傭えている。
【００１５】
基板支持機構１１は、支持した圧電基板Ｐをその面方向に平行または直交する２方向（これらをＸ方向、Ｙ方向とする）に移動可能に支持しており、本実施形態においてはＸ−Ｙステージが用いられている。基板支持機構１１は、圧電基板Ｐの任意の各箇所において周波数測定プローブ１２，１３を対向配置させることが可能である。
【００１６】
プローブ支持機構１４は、基板支持機構１１に支持された圧電基板Ｐの上面側に支柱１６から張り出す上部ブーム１７と、同圧電基板Ｐの下面側に支柱１６から張り出す下部ブーム１８と、上部ブーム１７の先端に設けられて一方の周波数測定プローブ１２を圧電基板Ｐの厚さ方向に移動させる昇降部１９と、下部ブーム１８の先端に設けられて他方の周波数測定プローブ１３を圧電基板Ｐの厚さ方向に移動させる昇降部２０とを備えている。周波数測定プローブ１２，１３は、昇降部１９，２０を相反する方向に同期して作動させることで、圧電基板Ｐを挟んで基板面に垂直な方向（これをＺ方向とする）に接近、離間可能に支持されている。
【００１７】
厚さ測定部２は、上部ブーム１７の先端に設けられた上部変位計２１と、下部ブーム１８の先端に設けられた下部変位計２２とを備えている。上部変位計２１には、下方に支持された圧電基板Ｐに向けてＺ方向に出没するスピンドル（厚さ測定子）２１ａが設けられ、下部変位計２２には、上方に支持された圧電基板Ｐに向けてＺ方向に出没するスピンドル（厚さ測定子）２２ａが設けられている。上部変位計２１は、スピンドル２１ａの突出長の差分によって距離を測定する構造を有している。下部変位計２２も同様の構造である。
【００１８】
図２は周波数測定プローブ１２，１３、および上下の変位計２１，２２とその周辺の構造を示す図である。
周波数測定プローブ１２は、昇降部１９によって昇降する基部２３ａと、基部２３ａに対し揺動自在に取り付けられたプローブ本体２４ａと、プローブ本体２４ａの先端（下端）に取り付けられた測定電極１２ａと、プローブ本体２４ａに測定電極１２ａを取り囲むように配設された吸収リング２５ａとを備えている。
【００１９】
基部２３ａにはＺ方向に円孔２６ａが貫通形成され、円孔２６ａの上部開口には、円孔２６ａと中心の軸線を一致させてすり鉢状の拡径部（被係合部）２７ａが形成されている。プローブ本体２４ａの中央には、測定電極１２ａの反対側に突き出すように、円孔２６ａよりも小径の円筒状部２８ａが設けられている。円筒状部２８ａの先端（すなわちプローブ本体２４ａの上端）には、円筒状部２８ａと中心の軸線を一致させて逆円錐状の鍔部（係合部）２９ａが形成されている。
【００２０】
プローブ本体２４ａは、円筒状部２８ａを円孔２６ａに通し、拡径部２７ａに鍔部２９ａがはめ合わされるようにして基部２３ａに係わっている。拡径部２７ａと鍔部２９ａとは最大径が等しくかつ斜面の傾斜角が等しくされており、両者が正しく係合すると円孔２６ａと円筒状部２８ａとが中心の軸線を一致させるようになっている。また、基部２３ａとプローブ本体２４ａとの間には、プローブ本体２４ａを基部２３ａから下方に離間させる方向に付勢するバネ体３０ａが介装されている。
【００２１】
吸収リング２５ａはゴム等の弾性材料からなり、プローブ本体２４ａに形成された円板状のフランジ３１ａの下面に、測定電極１２ａを中心にして接着されている。吸収リング２５ａは測定電極１２ａとともに圧電基板Ｐの上面に接し、測定箇所を取り囲むように配置される。
【００２２】
円筒状部２８ａ内側の孔３２ａは、プローブ本体２４ａ、さらには測定電極１２ａをも貫通して形成されており、この孔３１ａには、上部変位計２１のスピンドル２１ａが挿通されている。スピンドル２１ａは孔３２ａと比較して細く、プローブ本体２４ａが揺動してもスピンドル２２ａには接しないようになっている。
【００２３】
周波数測定プローブ１３は、昇降部２０によって昇降する基部２３ｂと、基部２３ｂに対し揺動自在に取り付けられたプローブ本体２４ｂと、プローブ本体２４ｂの先端（上端）に取り付けられた測定電極１２ｂと、プローブ本体２４ｂに測定電極１３ａを取り囲むように配設されたゴム製の吸収リング２５ｂとを備えている。
【００２４】
基部２３ｂにはＺ方向に円孔２６ｂが貫通形成され、円孔２６ｂの下部開口には、円孔２６ｂと中心の軸線を一致させてすり鉢状の拡径部（被係合部）２７ｂが形成されている。プローブ本体２４ｂの中央には、測定電極１２ｂの反対側に突き出すように、円孔２６ｂよりも小径の円筒状部２８ｂが設けられている。円筒状部２８ｂの先端（すなわちプローブ本体２４ａの下端）には、円筒状部２８ｂと中心の軸線を一致させて逆円錐状の鍔部（係合部）２９ｂが形成されている。
【００２５】
プローブ本体２４ｂは、円筒状部２８ｂを円孔２６ｂに通し、拡径部２７ｂに鍔部２９ｂがはめ合わされるようにして基部２３ｂに係わっている。拡径部２７ｂと鍔部２９ｂとは最大径が等しくかつ斜面の傾斜角が等しくされており、両者が正しく係合すると円孔２６ｂと円筒状部２８ｂとが中心の軸線を一致させるようになっている。また、基部２３ｂとプローブ本体２４ｂとの間には、プローブ本体２４ｂを基部２３ｂから上方に離間させる方向に付勢するバネ体３０ｂが介装されている。
【００２６】
吸収リング２５ｂはゴム等の弾性材料からなり、プローブ本体２４ｂに形成された円板状のフランジ３１ｂの下面に、測定電極１２ａを中心にして接着されている。吸収リング２５ｂは測定電極１３ａとともに圧電基板Ｐの下面に接し、測定箇所を取り囲むように配置される。
【００２７】
円筒状部２８ｂ内側の孔３２ｂは、プローブ本体２４ｂ、さらには測定電極１２ｂをも貫通して形成されており、この孔３１ｂには、下部変位計２２のスピンドル２２ａが挿通されている。スピンドル２２ａは孔３２ｂと比較して細く、プローブ本体２３ｂが揺動してもスピンドル２２ａには接しないようになっている。
【００２８】
制御装置３、インピーダンス・アナライザ１５は、これらすべてを統括、制御し、インピーダンス・アナライザ１５からの情報をもとに材料定数を算出するコンピュータ３３に接続されている。
【００２９】
上記のように構成された材料定数測定装置を使用して、圧電基板Ｐの材料定数を測定する手順について説明する。
まず、圧電単結晶体から切り出した圧電基板Ｐを基板支持機構１１にセットしてずれないように固定する。この状態から基板支持機構１１を駆動すると、圧電基板ＰがＸ／Ｙ方向に段階的に移動し、圧電基板Ｐ上に設定された複数の測定箇所のひとつひとつに対して周波数測定プローブ１２，１３が順を追って配置され、１箇所ごとにプロービングが行われる。
【００３０】
ある測定箇所を挟んで圧電基板Ｐの両側方に周波数測定プローブ１２，１３が配置されると、まず、上部変位計２１がスピンドル２１ａを圧電基板Ｐに当接させ、上部変位計２１から圧電基板Ｐの上面までの距離を測定する。同時に、下部変位計２２がスピンドル２２ａを圧電基板Ｐに当接させ、上部変位計２２から圧電基板Ｐまでの距離を測定する。これらの測定データはコンピュータ３３に入力され、事前に測定しておいた圧電基板Ｐのない状態での上下の変位計２１，２２間の距離から、上部変位計２１から圧電基板Ｐの上面までの距離と下部変位計２２から圧電基板Ｐの下面までの距離との和を減算することで圧電基板Ｐの基板厚さが求められる。
【００３１】
上下の変位計２１，２２がそれぞれのスピンドル２１ａ，２２ａを圧電基板Ｐに当接させるのに僅かに後れてプローブ支持機構１４が作動し、周波数測定プローブ１２，１３がＺ方向（または−Ｚ方向）に移動して圧電基板Ｐの上下両側面に同期して接近する。
【００３２】
周波数測定プローブ１２，１３の測定電極１２ａ，１３ａがともに圧電基板Ｐに接し、バネ体３０ａ，３０ｂがともに付勢力を発揮して測定電極１２ａ，１３ａを圧電基板Ｐに押し付けるようになったら周波数測定プローブ１２，１３が停止する（図３参照）。このとき、プローブ本体２４ａ，２４ｂの鍔部２９ａ，２９ｂは、基部２３ａ，２３ｂ側の拡径部２７ａ，２７ｂから離間する。
【００３３】
続いて、インピーダンス・アナライザ１５から交流信号が発せられ、測定電極１２ａ，１３ａを介して圧電基板Ｐが励振されるので、交流信号の周波数走査を行って当該測定箇所におけるインピーダンスと位相との周波数依存性を検出する。この測定データはコンピュータ３３に入力され、周波数依存性を示す波形の解析を行うことで共振周波数が求められる。
【００３４】
上記のようにして基板厚さおよび共振周波数が求められたら、コンピュータ３３においてこれらの情報を加工して圧電基板Ｐ上のある測定箇所の材料定数が算出される。
【００３５】
当該測定箇所での測定を終えたら、スピンドル２１ａ，２２ａが後退するとともに周波数測定プローブ１２，１３が後退してもとの位置に回帰する。測定電極１２ａ，１３ａが圧電基板Ｐから離れると、バネ体３０ａ，３０ｂの付勢力により鍔部２９ａ，２９ｂが拡径部２７ａ，２７ｂに係合し、円孔２６ｂと円筒状部２８ｂとが中心の軸線を一致させることでプローブ本体２４ａ，２４ｂおよび測定電極１２ａ，１３ａが定位置に回帰する。
以降は上記の手順が繰り返され、圧電基板Ｐ上に設定されたすべての測定箇所について材料定数が算出されるので、これをもとに材料定数の評価を行う。
【００３６】
上記のようにすれば、ＳＡＷデバイスを設置する必要がないこと、周波数測定プローブ１２，１３および厚さ測定子を一体として周波数測定と厚さ測定とを同時に行うことにより、測定に要する時間が大幅に短縮される。また、ＳＡＷデバイスの設置によって圧電基板を破壊することがないので、製品として出荷する圧電基板についても測定を実施することが可能である。
【００３７】
周波数測定プローブ１２，１３の中央に厚さ測定子としてのスピンドル２１ａ，２２ａを配設したことで、周波数の測定箇所と基板厚さの測定箇所とが正に一致するので、誤差のない高精度の測定が可能になる。
【００３８】
周波数測定に際しては、測定電極１２ａ，１３ａとともに吸収リング２５ａ，２５ｂが圧電基板Ｐに接して測定箇所を上下から取り囲み、測定箇所に発生する余計な振動を吸収するので、より高精度に共振周波数を特定することができる。圧電基板Ｐに交流信号を流すと、基本および高次の厚み振動によって構成される主振動とともに、主振動に近接した多数の副振動が励振される。副振動とは、弾性波が圧電基板Ｐ内の上下の境界面で反射しながら横方向に伝播し、圧電基板Ｐの端面で反射して定常波となったときに発生する振動である。このような副振動本来必要な主振動の測定にとって好ましくないノイズであるが、圧電基板Ｐに設定される測定箇所によっては主振動よりも強い場合があり、主振動の測定を阻害する大きな要因となっている。吸収リング２５ａ，２５ｂは弾性波を吸収して主振動だけを残すので、ノイズの少ない波形が得られて高精度な測定が可能となるのである。
【００３９】
バネ体３０ａ，３０ｂが付勢力を発揮して測定電極１２ａ，１３ａを圧電基板Ｐに押し付けることにより、測定電極１２ａ，１３ａが圧電基板Ｐに接触する際の圧力が２つの周波数測定プローブ１２，１３間で均一化されるので、測定条件が等しくなって高精度な測定が可能になる。
【００４０】
プローブ本体２４ａ，２４ｂを基部２３ａ，２３ｂに対して揺動可能とし、測定電極１２ａ，１３ａの測定面が少量傾く自由度が与えられることにより、圧電基板Ｐの表面形状のバラツキが吸収されて上記と同じく２つの周波数測定プローブ１２，１３間で均一化されるので、さらに高精度な測定が可能になる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のようなＳＡＷデバイスを設置する必要がないこと、周波数測定プローブおよび厚さ測定子を一体として周波数測定と厚さ測定とを同時に行うことにより、測定に要する時間が大幅に短縮される。また、ＳＡＷデバイスの設置によって圧電基板を破壊することがないので、製品として出荷する圧電基板についても測定を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態を示す図であって、材料定数測定装置の全体図である。
【図２】図１の材料定数測定装置の要部を示す図であって、周波数測定プローブおよびスピンドルが圧電基板から離間した状態を示す状態説明図である。
【図３】同じく図１の材料定数測定装置の要部を示す図であって、周波数測定プローブおよびスピンドルが圧電基板に接した状態を示す状態説明図である。
【符号の説明】
１              周波数測定部
２              厚さ測定部
１２，１３      周波数測定プローブ
２１            上部変位計
２２            下部変位計
２１ａ，２２ａ  スピンドル（厚さ測定子）
２７ａ，２７ｂ  拡径部（被係合部）
２９ａ，２９ｂ  鍔部（係合部）
３０ａ，３０ｂ  バネ体
１２ａ，１３ａ  測定電極
２５ａ，２５ｂ  吸収リング
Ｐ              圧電基板
【図１】
0003915582.tif 000002
【図２】
0003915582.tif 000003
【図３】
0003915582.tif 000004