JP5990082B2 - 圧電定数測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電部材の圧電定数を測定するのに用いられる圧電定数測定装置に関する。

特許文献１には、圧電体試料（圧電部材）の圧電特性（圧電定数）を測定する測定装置が記載されている。

そして、この測定装置では、圧電体試料の下端部近傍を固定し、圧電体試料の上端部側を自立させる。そして、圧電体試料に電圧を印加し、これによって生じた圧電体試料の上端部側の変位と、圧電体試料に印加した電圧とによって算出制御部が、圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出するようになっている（変位法）。

特開２０１２−１６３５０２号公報

しかし、従来の構成では、測定される圧電部材が板状（フィルム状）の場合には、圧電部材の自立が困難となり、圧電部材の上端部側の変位を測定しても、精度良くその変位を測定することができなかった。

一方、板状の圧電部材を板厚方向に押圧することで、圧電部材に付加した押圧力と、圧電部材に生じた電荷とによって圧電部材の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置が知られている。

本発明の課題は、圧電部材の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置の基本構成を用いて、板状（フィルム状）の圧電部材の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を、精度良く算出することである。

本発明の請求項１に係る圧電定数測定装置は、板状の圧電部材の一端部を一端側で把持すると共に他端側が一端側に対して前記圧電部材を間において反対側に配置される第一冶具と、前記圧電部材の他端部を一端側で把持すると共に他端側が一端側に対して前記圧電部材を間において反対側に配置される第二冶具と、前記第一冶具の他端側と前記第二冶具の他端側とを近接させて前記圧電部材に引張力を付与する可動部材と、前記可動部材が前記圧電部材に引張力を付与することで前記圧電部材に生じた電荷を検出する電荷検出手段と、前記可動部材が前記圧電部材に付与した引張力と、前記電荷検出手段によって検出された電荷とによって前記圧電部材の圧電定数を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、第一冶具は圧電部材の一端部を一端側で把持し、第一冶具の他端側は、一端側に対して圧電部材を間において反対側に配置されている。また、第二冶具は圧電部材の他端部を一端側で把持し、第二冶具の他端側は、一端側に対して圧電部材を間において反対側に配置されている。

そして、可動部材が、第一冶具の他端側と第二冶具の他端側とを近接させることで、板状の圧電部材に引張力を付与する。

つまり、第一冶具の他端側と第二冶具の他端側とを近接させることで圧電部材に引張力を付与するようになっている。すなわち、近接する力（圧縮する力）が、引張力に変換されるようになっている。

このように、圧縮する力を引張力に変換させる構成を備えることで、板状の圧電部材を板厚方向から圧縮させることで圧電部材の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置の基本構成を用いて、圧電部材に引張力を付与することで、板状の圧電部材の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を、精度良く算出することができる。

本発明の請求項２に係る圧電定数測定装置は、請求項１に記載の圧電定数測定装置において、前記第一冶具の他端側を支持すると共に、前記第一冶具が着脱可能とされる第一支持部材と、前記第二冶具の他端側を支持すると共に、前記第二冶具が着脱可能とされる第二支持部材と、を備え、前記可動部材は、前記第一支持部材と前記第二支持部材とを近接させることで、前記第一冶具の他端側と前記第二冶具の他端側とを近接させることを特徴とする。

上記構成によれば、第一冶具が第一支持部材に対して着脱可能とされ、第二冶具が第二支持部材に対して着脱可能とされている。これにより、冶具を交換するだけで容易に圧電部材の圧電定数ｄ３３を測定することができる。

本発明の請求項３に係る圧電定数測定装置は、請求項２に記載の圧電定数測定装置において、前記第一支持部材と、前記圧電部材の他端部を把持する前記第二冶具の一端側と、前記圧電部材の一端部を把持する前記第一冶具の一端側と、前記第二支持部材と、はこの順番で前記圧電部材が引っ張られる引張方向に並んでいることを特徴とする。

上記構成によれば、第一支持部材と、圧電部材の他端部を把持する第二冶具の一端側と、圧電部材の一端部を把持する第一冶具の一端側と、第二支持部材と、はこの順番で圧電部材が引っ張られる引張方向に並んでいる。

この構成により、可動部材が第一支持部材と第二支持部材とを近接させる力が、圧電部材を引っ張る引張力に効率良く変換される。

本発明によれば、圧電部材の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置の基本構成を用いて、板状（フィルム状）の圧電部材の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を、精度良く算出することができる。

本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置を示した概略構成図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置に用いられた第一冶具及び第二冶具等を示した斜視図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置に用いられた第一把持部及び第二把持部等を示した斜視図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置に用いられた第一把持部及び第二把持部等を示した断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置によって測定される圧電部材等を示した正面図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置の基本構成が用いられ、圧電定数ｄ３３を測定するための圧電定数測定装置を示した概略構成図である。 本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置の基本構成が用いられ、圧電定数ｄ３３を測定するための圧電定数測定装置を示した断面図である。

本発明の実施形態に係る圧電定数測定装置１０及びこの圧電定数測定装置１０によって圧電定数が算出される圧電部材１００の一例について図１〜図７に従って説明する。なお、図中の矢印ＵＰは、鉛直方向の上方を示す。

（全体構成）
圧電定数測定装置１０は、図１に示されるように、長矩形で板状（フィルム状）の圧電部材１００に引張力を付与する外力付与システム１２と、外力付与システム１２が圧電部材１００に引張力を付与することで圧電部材１００に生じた電荷を検出する電荷検出手段の一例としての電荷検出部１４と、外力付与システム１２が圧電部材１００に付与した引張力と、電荷検出部１４によって検出された電荷とによって圧電部材１００の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出する算出手段の一例としての算出部１６と、を備えている。

（圧電部材）
先ず、圧電部材１００について説明する。

圧電部材１００（所謂ピエゾ）は、振動や圧力などの力が加わると電荷（電圧）が発生し、また 逆に電荷（電圧）が印加されると伸縮する部材であって、図４に示されるように、圧電体１００Ａを２枚の電極１００Ｂで挟んだ構成を基本構成とする部材である。

圧電部材１００の圧電体１００Ａは、延伸処理が施されたポリ乳酸フィルムで成形された長矩形片であり、図５に示されるように、板厚方向から見て延伸方向（図中矢印Ｃ）から４５°の角度を長手方向として切り出されたものである。

また、本実施形態では、圧電部材１００において引張力が付与される部分の寸法については、図３、図５に示されるように、長手方向Ｌ〔ｍｍ〕、短手方向Ｗ〔ｍｍ〕、厚さ方向ｔ〔ｍｍ〕とされている。

（外力付与システム）
次に、外力付与システム１２について説明する。

外力付与システム１２は、図１に示されるように、圧電部材１００の一端部（図中上端部）を一端側で把持する第一冶具２０と、第一冶具２０の他端側を支持する第一支持部材２２と、圧電部材１００の他端部（図中下端部）を一端側で把持する第二冶具２４と、第二冶具２４の他端側を支持する第二支持部材２６と、を備えている。

さらに、外力付与システム１２は、第一支持部材２２を鉛直方向の上側に移動させて第一支持部材２２を第二支持部材２６に近接せさることで圧電部材１００に引張力を付与する可動部材３０と、可動部材３０を稼動させる外力付与部３２と、を備えている。

〔第一冶具〕
先ず、第一冶具２０について説明する。

第一冶具２０は、第一支持部材２２に着脱可能に取り付けられている。さらに、第一冶具２０は、図１に示されるように、水平方向である装置幅方向（図中Ｈ方向）の一方側（図１に示す左側）が開放されたコ字形状とされる第一本体部３６と、圧電部材１００の一端部を把持する第一把持部３８（図２参照）と、を備えている。

［第一本体部］
第一本体部３６は、絶縁体とされ、図２に示されるように、装置幅方向に延びる水平部位３６Ａ（他端側の一例）を備えている。また、第一本体部３６は、水平部位３６Ａの上方であって、水平部位３６Ａに対して圧電部材１００を間において反対側に配置され、水平部位３６Ａに対して幅狭とされて装置幅方向に延びると共に第一把持部３８が図示せぬ固定具によって固定される水平部位３６Ｂ（一端側の一例）を備えている。

さらに、第一本体部３６は、鉛直方向に延び、水平部位３６Ａの一端部（図中右端部）と水平部位３６Ｂの一端部（図中右端部）とを連結する連結部位３６Ｃを備えている。そして、水平部位３６Ａが、第一支持部材２２の上端部に支持されている。

ここで、第一支持部材２２の上方の移動により、第一把持部３８が固定される水平部位３６Ｂと水平部位３６Ａとの間の寸法が、狭くなるように第一本体部３６が変形してしまうことが考えられる。しかし、圧電部材１００に引張力を効果的に付与するため、第一本体部３６の変形を抑制するように、第一本体部３６の材料及び各部位の断面形状等が決められている（剛性が高くなっている）。

［第一把持部］
第一把持部３８は、図３、図４に示されるように、圧電部材１００の一端部を挟み込むと共に絶縁体とされた一対の把持板３８Ａと、一対の把持板３８Ａを互いに近接させて圧電部材１００の一端部を一対の把持板３８Ａに把持させる２個のスクリュー３８Ｂと、を備えている。

さらに、第一把持部３８は、図４に示されるように、装置幅方向から見てＬ字状とされ、圧電部材１００の一方の電極１００Ｂと接触する導体とされると共に、電荷検出部１４に導電線４０を介して接続される導電部材３８Ｃを備えている。

〔第二冶具〕
次に、第二冶具２４について説明する。

第二冶具２４は、第二支持部材２６に着脱可能に取り付けられている。そして、第二冶具２４は、図１に示されるように、装置幅方向（図中Ｈ方向）の他方側（図１に示す右側）が開放された逆コ字形状とされる第二本体部４６と、圧電部材１００の他端部を把持する第二把持部４８（図２参照）と、を備えている。

［第二本体部］
第二本体部４６は、絶縁体とされ、図２に示されるように、水平部位３６Ｂの上方に配置されると共に装置幅方向に延びる水平部位４６Ａ（他端側の一例）を備えている。また、第二本体部４６は、水平部位４６Ａに対して圧電部材１００を間において反対側で、かつ水平部位３６Ａの上方に配置され、水平部位４６Ａに対して幅狭とされて装置幅方向に延びると共に第二把持部４８が図示せぬ固定具によって固定される水平部位４６Ｂ（一端側の一例）を備えている。

さらに、第二本体部４６は、鉛直方向に延び、水平部位４６Ａの一端部（図中左端部）と水平部位４６Ｂの一端部（図中右端部）とを連結する連結部位４６Ｃを備えている。そして、水平部位４６Ａが、第二支持部材２６の下端部に支持されている。

ここで、圧電部材１００に引張力を付与するために、第二把持部４８が固定される水平部位４６Ｂと水平部位４６Ａとの間の寸法が、狭くなるように第二本体部４６が変形してしまうことが考えられる。しかし、圧電部材１００に引張力を効果的に付与するため、第二本体部４６の変形を抑制するように、第二本体部４６の材料及び各部位の断面形状等が決められている（剛性が高くなっている）。

［第二把持部］
第二把持部４８は、図３、図４に示されるように、圧電部材１００の他端部を挟み込むと共に絶縁体とされた一対の把持板４８Ａと、一対の把持板４８Ａを互いに近接させて圧電部材１００の他端部を一対の把持板４８Ａに把持させる２個のスクリュー４８Ｂと、を備えている。

さらに、第二把持部４８は、図４に示されるように、装置幅方向から見てＬ字状とされ、圧電部材１００の他方の電極１００Ｂと接触する導体とされると共に、電荷検出部１４に導電線５０を介して接続される導電部材４８Ｃを備えている。

〔第一支持部材・可動部材〕
次に、第一支持部材２２及び可動部材３０について説明する。

第一支持部材２２は、図２に示されるように、上下方向に延びる断面円状の部材とされ、第一支持部材２２の上端部で第一本体部３６の水平部位３６Ａを支持している。さらに、第一支持部材２２の下端部には、第一支持部材２２を鉛直方向に移動させて第一支持部材２２と第二支持部材２６とを近接させる可動部材３０が接続されている。

〔第二支持部材〕
次に、第二支持部材２６について説明する。

第二支持部材２６は、鉛直方向において第一支持部材２２と対向して配置され、図２に示されるように、上下方向に延びる断面円状の部材とされている。そして、第二支持部材２６の上端部は、フレーム部材５２（図１参照）に固定されている。

以上の構成において、第一支持部材２２と、第二把持部４８（第二冶具２４の一端側の一例）と、第一把持部３８（第一冶具２０の一端側の一例）と、第二支持部材２６とは、この順番で鉛直方向（圧電部材１００が引っ張られる引張方向（引張力のベクトル方向））に並ぶように、各部材が配置されている。

（圧電定数ｄ３３を測定する構成）
次に、圧電定数測定装置１０の第一冶具２０及び第二冶具２４を交換し、圧電定数測定装置１０の基本構成を用いて圧電部材１００の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置１０２について説明する。具体的には、圧電定数測定装置１０と圧電定数測定装置１０２との相異部分は、第一支持部材２２及び第二支持部材２６に取り付けられる冶具である。

圧電定数測定装置１０２では、圧電部材１００は、図６、図７に示されるように、板厚方向から第三冶具１１０と第四冶具１２０とに挟み込まれるようなっている。

具体的には、第三冶具１１０は、絶縁体とされると共に第一支持部材２２の上端部に着脱可能に取り付けられ、板面が鉛直方向を向いた板状部材とされている。さらに、第三冶具１１０は、図７に示されるように、装置幅方向から見てＬ字状とされ、圧電部材１００の一方の電極１００Ｂと接触する導体とされると共に、電荷検出部１４に導電線４０を介して接続される導電部材１１２を備えている。

一方、第四冶具１２０は、絶縁体とされると共に第二支持部材２６の下端部に着脱可能に取り付けられ、図６、図７に示されるように、板面が鉛直方向を向いた板状部材とされている。さらに、第四冶具１２０は、図７に示されるように、装置幅方向から見てＬ字状とされ、圧電部材１００の他方の電極１００Ｂと接触する導体とされると共に、電荷検出部１４に導電線５０を介して接続される導電部材１２２を備えている。

この圧電定数測定装置１０２を用いて圧電定数ｄ３３を測定（算出）する場合には、図６に示されるように、外力付与部３２が可動部材３０を稼動させ、第一支持部材２２を上方へ移動させる。第一支持部材２２を上方に移動させることで、圧電部材１００は、板厚方向から第三冶具１１０と第四冶具１２０とに挟み込まれる。これにより、圧電部材１００には、板厚方向に圧縮される圧縮力Ｆ１〔Ｎ〕が作用する。

一方、圧縮力Ｆ１〔Ｎ〕が圧電部材１００に作用することで、圧電部材１００には電荷Ｑ１〔Ｃ〕が生じ、電荷検出部１４がこの電荷Ｑ１〔Ｃ〕を検出する。

さらに、算出部１６が、電荷検出部１４によって検出された電荷Ｑ１〔Ｃ〕と、可動部材３０によって圧電部材１００に付与された圧縮力Ｆ１〔Ｎ〕とから下記式（１）を用いて圧電定数ｄ３３を算出する。

ｄ３３〔Ｃ／Ｎ〕＝Ｑ１／Ｆ１・・・・・・・・・・・・・・（１）
（圧電定数測定装置１０の作用・効果）
次に、圧電定数測定装置１０を用いて圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出する方法（作用）等について説明する。換言すれば、前述した圧電定数測定装置１０２の基本構成に第一冶具２０や第二冶具２４を装着した装置を用いて圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出する方法（作用）等について説明する。

圧電定数測定装置１０を用いて圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出（測定）する場合には、図１に示されるように、外力付与部３２が可動部材３０を稼動させ、第一支持部材２２を上方へ移動させる。第一支持部材２２を上方に移動させることで、第一冶具２０が上方へ移動する。これにより、圧電部材１００の一端部が上方に引っ張られ、圧電部材１００には、鉛直方向に引っ張られる引張力Ｆ２〔Ｎ〕が作用する。

一方、引張力Ｆ２〔Ｎ〕が圧電部材１００に作用することで、圧電部材１００には電荷Ｑ２〔Ｃ〕が生じ、電荷検出部１４がこの電荷Ｑ２〔Ｃ〕を検出する。

さらに、算出部１６が、電荷検出部１４によって検出された電荷Ｑ２〔Ｃ〕と、可動部材３０によって圧電部材１００に付与された引張力Ｆ２〔Ｎ〕とから下記式（２）を用いて圧電定数ｄ３１を算出する。

ｄ３１〔Ｃ／Ｎ〕＝Ｑ２／Ｆ２×(（フィルム厚ｔ)/（チャック間距離Ｌ）)・・・（２）
さらに、算出部１６が、算出された圧電定数ｄ３１〔Ｃ／Ｎ〕から下記式（３）を用いて圧電定数ｄ１４を算出する
ｄ１４〔Ｃ／Ｎ〕＝２・ｄ３１・・・・・・・・・・・・・・（３）
以上説明したように、板状（フィルム状）の圧電部材１００に引張力を付与することで、圧電部材１００の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出（電荷法）する。このため、板状（フィルム状）の圧電部材を自立させ、変位法によって圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出する場合と比して、自立困難な圧電部材、例えばポリ乳酸のような有機高分子から実質的になる圧電体を備える圧電部材を自立させる必要がないため、精度良く圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を算出することができる。

換言すれば、板状の圧電部材１００の圧電定数ｄ３３を測定する圧電定数測定装置１０２の基本構成を用いて、圧電部材１００の圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を精度良く算出することができる。

また、前述したように、第一冶具２０は第一支持部材２２に着脱可能とされ、第二冶具２４は第二支持部材２６に着脱可能とされる。このため、冶具を交換するだけで容易に圧電部材１００の圧電定数ｄ３３を測定することができる。

また、前述したように、第一支持部材２２と、第二把持部４８と、第一把持部３８と、第二支持部材２６とは、この順番で鉛直方向に並べられている。このため、これらの部材が鉛直方向で蛇行して配置されている場合と比して、可動部材３０が第一支持部材２２と第二支持部材２６とを近接させる力が、圧電部材１００を引っ張る引張力に効率良く変換される。

また、前述したように、第一支持部材２２のみを移動させることで圧電部材１００に引張力を生じさせる構成となっているため、例えば、第一支持部材２２及び第二支持部材２６の両方を移動させる構成と比して、圧電部材１００に生じる引張力を容易に制御することができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、鉛直方向に沿って圧電部材１００を引っ張る構成としたが、他の方向に沿って圧電部材１００を引っ張る構成としてもよい。

また、圧電体は延伸処理が施されたポリ乳酸フィルムに限られず、例えばポリペプチドなどの光学活性を有するヘリカルキラル高分子を延伸処理したフィルムであってもよい。また第一冶具および第二冶具の形状はコ字形状に限定されず、圧電部材１００の一端部を冶具の一端部で把持し、冶具の他端部が圧電部材１００を間にして圧電部材１００の一端部の反対側に配置されており、かつ冶具の一端部以外に冶具が圧電材料と接しない形状であればどのような形状であってもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、水平部位３６Ａの自由端部と水平部位３６Ｂの自由端部とを他の部材で連結して、引張力を付与する際の第一本体部３６の変形を抑制してもよい。同様に、水平部位４６Ａの自由端部と水平部位４６Ｂの自由端部とを他の部材で連結して、引張力を付与する際の第二本体部４６の変形を抑制してもよい。これにより、圧電定数ｄ３１及び圧電定数ｄ１４を、さらに精度良く算出することができる。

１０ 圧電定数測定装置
１４ 電荷検出部（電荷検出手段の一例）
１６ 算出部（算出手段の一例）
２０ 第一冶具
２２ 第一支持部材
２４ 第二冶具
２６ 第二支持部材
３０ 可動部材

Claims (3)

1. 板状の圧電部材の一端部を一端側で把持すると共に他端側が一端側に対して前記圧電部材を間において反対側に配置される第一冶具と、
   前記圧電部材の他端部を一端側で把持すると共に他端側が一端側に対して前記圧電部材を間において反対側に配置される第二冶具と、
   前記第一冶具の他端側と前記第二冶具の他端側とを近接させて前記圧電部材に引張力を付与する可動部材と、
   前記可動部材が前記圧電部材に引張力を付与することで前記圧電部材に生じた電荷を検出する電荷検出手段と、
   前記可動部材が前記圧電部材に付与した引張力と、前記電荷検出手段によって検出された電荷とによって前記圧電部材の圧電定数を算出する算出手段と、
   を備える圧電定数測定装置。
2. 前記第一冶具の他端側を支持すると共に、前記第一冶具が着脱可能とされる第一支持部材と、
   前記第二冶具の他端側を支持すると共に、前記第二冶具が着脱可能とされる第二支持部材と、を備え、
   前記可動部材は、前記第一支持部材と前記第二支持部材とを近接させることで、前記第一冶具の他端側と前記第二冶具の他端側とを近接させる請求項１に記載の圧電定数測定装置。
3. 前記第一支持部材と、前記圧電部材の他端部を把持する前記第二冶具の一端側と、前記圧電部材の一端部を把持する前記第一冶具の一端側と、前記第二支持部材と、はこの順番で前記圧電部材が引っ張られる引張方向に並んでいる請求項２に記載の圧電定数測定装置。

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