JP4734657B2 - Transducer and measuring device provided with the transducer - Google Patents
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Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、微小な試料における弾性定数などの物性値を計測するために用いるトランスデューサ、及びこのトランスデューサを備えた計測装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、金属、合金、セラミックスなどの焼結体、あるいは合成樹脂材などの各種の材料では、その弾性定数や圧電定数などの物性値があらかじめ計測されており、所望の物性値を有する材料を目的に応じて選択可能となっている。
【0003】
しかし、研究室などにおいて各種の材料研究あるいは物性研究などを行っている場合には、物性値が未知の新材料が生成あるいは発見されており、この新材料の特性を知るために物性値の計測が必要となっている。
【0004】
このような物性値の一つである弾性定数や圧電定数を計測する際には、トランスデューサを用いた共振法による計測装置が利用されている。
【0005】
すなわち、トランスデューサは計測対象の試料に当接させる圧電体を備えており、この圧電体によって試料に所要の振動を入力するとともに、試料に入力した振動に対して生じた共振を別のトランスデューサで検出し、解析手段によって解析することにより所望の物性値を計測しているものであり、得られた物性値から試料の種類の特定までも行うことができる識別システムも提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0006】
ここで、圧電体には、一般的にセラミック圧電体が用いられている。
【特許文献1】
特表2001−523332号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、従来の計測装置では、トランスデューサの圧電体にセラミック圧電体を用いていることによって、物性値の計測が可能な試料のサイズに制限が生じ、サイズが比較的小さい試料での計測が不可能であるという問題があった。
[0008]
すなわち、共振法を用いた計測における共振周波数は、計測される試料のサイズと反比例の関係があり、さらに、セラミック圧電体では、その厚み寸法を所定の厚み寸法よりも薄くした場合に性能低下を生じるので所定の厚み寸法以下にはできず、この厚み寸法条件からセラミック圧電体によって出力可能な周波数としては20MHz程度が上限となっていることから、計測可能な試料は少なくとも1mm程度以上の大きさが必要であるいう問題があった。
[0009]
本発明者は、地球内部における超高圧相の鉱物の研究を行っており、この超高圧相の鉱物からなる単結晶の物性値の計測する必要があるものの、このような単結晶においては数百μm程度のサイズの試料までしか作成することができないため、従来の計側装置では物性値を精度よく計測することができなかった。
[0010]
そこで、本発明者は、研究対象である超高圧相鉱物の単結晶のような1mmよりも小さいサイズの試料でも物性値を計測可能とするために研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明のトランスデューサでは、薄膜状とした電極と、電極が一方の端部に装着されるとともに、電極と電気的に接続された筒状のケーシングと、ケーシングの内側に面した電極の側面に装着した水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシェル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第2リン酸アンモニウム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシウム、ポリフッ化ビニリデン、酸化亜鉛のいずれか1種からなる薄膜状の圧電体と、ケーシングに挿入して先端を圧電体の側面に当接させた導線と、導線が挿入されたケーシング内に液体状態で充填した後に硬化させた絶縁材とからなるトランスデューサであって、ケーシングを導線として、ケーシングに挿入した導線とともに同軸ケーブル状として圧電体に接続した。
【0012】
さらに、圧電体は、厚み寸法を0.02mm以下とし、導線は、Q値が100以下の金属製または合金製の線状体であって、径寸法を0.5mm以下とし、電極は、Q値が500以上の金属製または合金製の薄膜であって、膜厚寸法を0.01mm以下とし、ケーシングは、径寸法を1.0mm以下とした。
【0013】
本発明のトランスデューサを備えた計測装置では、2つの上記トランスデューサと、一方のトランスデューサに接続した発信器と、他方のトランスデューサに接続するとともに発信器に接続したロックインアンプと、発信器とロックインアンプに接続した制御部とを備え、2つのトランスデューサで挟持した被測定体の共振周波数を計測することとした。
【0014】
請求項1記載の発明によれば、ケーシングを導線として、ケーシングに挿入した導線とともに同軸ケーブル状として圧電体に接続したことによって、ケーシングによる共振の影響を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。
【0015】
しかも、請求項1記載のトランスデューサでは、圧電体を、水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシェル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第2リン酸アンモニウム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシウム、ポリフッ化ビニリデン、酸化亜鉛のいずれか1種としたことによって、圧電体を薄型化できるので圧電体自体による試料測定周波数帯における共振の発生を抑制できる。
【0016】
請求項2記載の発明によれば、請求項1記載のトランスデューサにおいて、圧電体は、厚み寸法を0.02mm以下とすることにより精度よくより高周波の振動を励起または検出することができ、しかも、導線は、Q値が100以下の金属製または合金製の線状体であって、径寸法を0.5mm以下とし、電極はQ値が500以上の金属製または合金製の薄膜であって、膜厚寸法を0.01mm以下とし、ケーシングは、径寸法を1.0mm以下とすることにより、導線において共振が生じることを抑制するとともに、導線が圧電体の振動を阻害することを抑制でき、より精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。
【0017】
請求項3記載の発明によれば、2つの請求項1または請求項2に記載のトランスデューサと、一方のトランスデューサに接続した発信器と、他方のトランスデューサに接続するとともに発信器に接続したロックインアンプと、発信器とロックインアンプに接続した制御部とを備え、2つのトランスデューサで挟持した被測定体の共振周波数を計測する計測装置としたことによって、トランスデューサでは試料以外の共振の影響を抑制しながら精度のよい振動の励起または検出が可能であり、1mm以下の試料の弾性定数や圧電定数など物性値を計測可能な計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
[0019]
[図1]図1は本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成図である。
[図2]図2は本発明の実施形態に係るトランスデューサの概略構成図である。
[図3]被測定体に加えた荷重の計測に用いるセミリジッド同軸ケーブルの説明図である。
符号の説明
[0020]
S 被測定体
11 発振器
12 励起側トランスデューサ
13 検出側トランスデューサ
14 ロックインアンプ
15 制御部
21 圧電体
22 導線
23 電極
24 ケーシング
25 絶縁材
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
本発明のトランスデューサ及びこのトランスデューサを備えた計測装置では、トランスデューサを、一方の端部に薄膜状の電極を装着した筒状のケーシングと、このケーシングの内側に面した電極の側面に装着した薄膜状の圧電体と、ケーシングに同軸状に挿入して圧電体に接続した導線と、ケーシング内に充填した絶縁材とで構成しているものである。
【0022】
このように、ケーシングと導線とを同軸状に配置して、導線をケーシングの一方の端部部分に設けた圧電体に接続することにより、ケーシングによる共振の影響を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。
【0023】
さらに、圧電体は、水晶(SiO2)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛((Pb,La)(Zr,Ti)O3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、メタニオブ酸鉛(PbNb2O6)、ロッシェル塩(NaKC4H4O6・4H2O)、酒石酸エチレンディアミン(C6H14N2O6)、酒石酸カリウム(2(K2C4H4O6)・H2O)、第2リン酸アンモニウム(NH4H2PO4)、タングステンブロンズ系結晶(NaxWO3)、タンタル酸リシウム(LiTaO3)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、酸化亜鉛(ZnO)のいずれか1種とすることにより圧電体を薄型化できるので圧電体自体による試料測定周波数帯における共振の発生を抑制でき、特に、圧電体の厚み寸法を0.1mm以下とすることにより高周波の振動を励起または検出することができ、1mm以下の試料の弾性定数や圧電定数など物性値を計測可能とすることができる。
【0024】
なお、圧電体は、上記の材料で構成する場合に限定されるものではなく、上記の材料の代替品となり得る単結晶または多結晶若しくはアモルファスの圧電体であれば何であってもよい。
【0025】
また、導線をQ値が100以下の金属製または合金製の線状体で構成した場合には、導線において共振が生じることを抑制でき、さらに、導線の径寸法を1.0mm以下とした場合には、圧電体に接続した導線の圧電体との接触面を小さくできることによって、導線が圧電体の振動を阻害することを抑制して、トランスデューサによる振動の励起の精度、または振動の検出の精度をさらに向上させることができる。
【0026】
また、電極をQ値が500以上の金属製または合金製の薄膜とし、膜厚寸法を0.01mm以下とした場合には、圧電体で生成した振動、または圧電体に伝達させる振動の電極による減衰を抑制できるので、トランスデューサの性能向上を図ることができる。
【0027】
ここで、Q値とは、弾性波の伝播において媒質による弾性波のエネルギー吸収の程度を示す指数であって、Q値が大きければ弾性波のエネルギー吸収が少なく、少ない損失で弾性波を伝搬させることができ、Q値が小さければ弾性波のエネルギー吸収が大きく、比較的短距離の伝播で弾性波を大きく減衰させることができる。
【0028】
以下において、図面に基づいて本発明の実施形態をさらに詳説する。図1は、本実施形態の計測装置の概略構成図である。
【0029】
本実施形態の計測装置は、所要の周波数とした電気信号を出力する発振器11と、この発振器11から出力された電気信号が入力される励起側トランスデューサ12と、この励起側トランスデューサ12と対向させて配置して被測定体Sを通過した振動を検出する検出側トランスデューサ13と、この検出側トランスデューサ13から出力された電気信号と発振器11から出力された電気信号とが入力されるロックインアンプ14と、このロックインアンプ14において増幅処理された信号を解析する制御部15とから構成している。
【0030】
本実施形態では、制御部15は発振器11の出力制御も行っており、発振器11から出力される電気信号の周波数を順次変えながら計測を行うことにより共鳴周波数の自動的な検出を可能としている。
【0031】
ロックインアンプ14は、所望の周波数となっている振動の検出精度を高めるために用いており、所望の周波数となっている振動の電気信号のみを増幅して出力し、この出力信号を制御部15で解析している。
【0032】
制御部15は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成しており、このパーソナルコンピュータのハードディスクには計測プログラムを記憶させており、この計測プログラムを起動させることにより計測プログラムに基づいて発振器11を制御するとともに、ロックインアンプ14の出力信号の解析を行って、弾性定数や圧電定数など物性値を算出している。
【0033】
励起側トランスデューサ12及び検出側トランスデューサ13は、以下のように構成している。すなわち、図2に示すように、各トランスデューサ12,13は、一方の端部に薄膜状の電極23を装着した筒状のケーシング24と、このケーシング24の内側に面した電極23の側面に装着した薄膜状の圧電体21と、ケーシング24に同軸状に挿入して圧電体21に接続した導線22と、ケーシング24内に充填した絶縁材25とによって構成している。
【0034】
特に、電極23はケーシング24の一方の端部部分に装着して、ケーシング24の端部に設けた開口を閉塞しており、ケーシング24を電極23で有底筒形状としている。
【0035】
圧電体21は、本実施形態では、厚み寸法を0.1mm以下とした薄膜状のニオブ酸リチウム(LiNbO3)で構成している。以下において、この薄膜状としたニオブ酸リチウムを単に「LiNbO3」と表記する。このLiNbO3は、所定厚みの板状のLiNbO3を研磨して厚み寸法を0.1mm以下としているものであり、好ましくは0.05mm以下であって、特に本実施形態では0.02mmとしている。このようにLiNbO3をできるだけ薄く形成することにより圧電体21自体の共振の発生を抑制でき、精度のよい振動の励起または検出を可能とすることができる。
【0036】
本実施形態では、LiNbO3は単結晶LiNbO3のY-10°カットの平板状とした結晶体を研磨して所定厚みとしたものを用いており、Y-10°カットからなる結晶体を用いることによって、高周波縦波振動と横波振動を同時に励起または検出することができるので、高性能なトランスデューサとすることができる。なお、LiNbO3は、研磨によって形成する場合に限定するものではなく、例えば蒸着によって形成してもよい。
【0037】
また、圧電体21としては、LiNbO3だけでなく、水晶(SiO2)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛((Pb,La)(Zr,Ti)O3)、メタニオブ酸鉛(PbNb2O6)、ロッシェル塩(NaKC4H4O6・4H2O)、酒石酸エチレンディアミン(C6H14N2O6)、酒石酸カリウム(2(K2C4H4O6)・H2O)、第2リン酸アンモニウム(NH4H2PO4)、タングステンブロンズ系結晶(NaxWO3)、タンタル酸リシウム(LiTaO3)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、酸化亜鉛(ZnO)のいずれか1種を厚み寸法0.1mm以下の薄膜状として用いてもよく、さらにはこれら以外の圧電材料を用いてもよい。
【0038】
導線22は、Q値が100以下の金属製または合金製などの共振を生じにくい線材を用いることが望ましく、しかも導線22は径寸法を1.0mm以下の線材として、径寸法をできるだけ小さくすることが望ましい。このように、Q値が小さいとともに径寸法が小さい導線22を用いることによって、導線22自体の固有振動に基づく共振が発生することを抑制できるとともに、圧電体21に接続した導線22の圧電体21との接触面積を小さくして導線22によって圧電体21の振動を阻害することを防止できる。
【0039】
導線22の圧電体21への接続は、導線22の先端を圧電体21であるLiNbO3に当接させて、有底筒形状としたケーシング24の内部に液体状態の絶縁材25を注入して、この絶縁材25を硬化させることにより絶縁材25によって導線22の圧電体21への接続状態を保持させることによって行っている。
【0040】
本実施形態では、導線22にはφ0.5mmとした鉛線を用いており、可能であれば径寸法をさらに小さくすることが望ましい。
【0041】
電極23は、Q値が500以上の金属製または合金製などの薄膜で構成しており、特に、電極23は、100MHz程度の高周波領域において音波減衰の少なく、電極23自体の固有振動に基づく共振の発生が抑制された材料を用いることが望ましい。さらに、電極23は、膜厚寸法を0.01mm以下の薄膜としており、膜厚寸法はできるだけ小さくすることによって電極23において共振が発生することを抑制している。
【0042】
電極23と圧電体21とは、圧電体21を電極23に圧着させることにより接合させており、圧電体21の電極23への圧着後、電極23をケーシング24の一方の端部部分に装着している。
【0043】
電極23のケーシング24への装着も圧着によって行っており、ケーシング24への圧着後、有底筒形状としたケーシング24の内部に液体状態の絶縁材25を注入することにより、この絶縁材25によって、電極23をケーシング24の端部に保持している。電極23をケーシング24に装着する場合には、電極23に圧着した圧電体21がケーシング24の内部に位置するようにして装着している。
【0044】
なお、電極23への圧電体21の圧着後、圧電体21の研磨、あるいは電極23の研磨を行って、圧電体21のさらなる薄膜化、あるいは電極23のさらなる薄膜化を行ってもよい。特に、圧電体21は電極23に装着して研磨を行うことにより、研磨作業を行いやすくすることができる。または、圧電体21は、電極23に直接的に所要の原子または分子を蒸着させて形成してもよい。
【0045】
本実施形態では、電極23には0.005mmとしたチタニウム箔を用いており、可能であれば膜厚寸法をさらに小さくすることが望ましい。
【0046】
なお、電極23はチタニウム箔に限定するものではなく、アルミニウム、ジュラルミン、タングステンカーバイトなどで構成した薄膜であってもよいが、本実施形態では、耐久性と入手容易性からチタニウム箔を選択している。
【0047】
ケーシング24は、音波減衰の比較的大きい材料で構成して共振の発生を抑制することが望ましく、本実施形態ではステンレス製としている。特にケーシング24をステンレスで構成することにより、ケーシング24の一端に取り付けた電極23と電気的に接続することが可能であり、ケーシング24自体を電極23に接続した導線として利用することができる。
【0048】
筒状としたケーシング24は、被測定体Sである試料のサイズが1mmよりも小さいので、径寸法をできるだけ小さくすることによって励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とで被測定体Sを確実に挟持可能とすることができるので、本実施形態では、ケーシング24の径寸法はφ1.0mmとしている。
【0049】
特に、ケーシング24は径寸法をできるだけ小さくすることによって先端部に装着した電極23を小面積とすることができるので、被測定体Sに対してコヒーレントな振動を入力することができ、計測精度を向上させることができる。
【0050】
ケーシング24に充填する絶縁材25は、音波減衰の比較的大きい材料を用いて共振の発生を抑制することが望ましく、本実施形態ではエポキシを用いている。なお絶縁材25はエポキシに限定するものではなく、音波減衰の比較的大きい絶縁性材料であれば何であってもよい。
【0051】
このように各トランスデューサ12,13を同軸ケーブル状に構成することによって、導線22における高周波の電気信号の伝播において、電気信号の減衰を抑制し、かつ外部ノイズである電極23、ケーシング24、導線22の共振振動の影響を抑制しやすくすることができる。
【0052】
特に、各トランスデューサ12,13では、圧電体21の近傍にインピーダンス変換器を介設することによってS/N比を向上させることができ、測定能力の向上を図ることができる。
【0053】
このように構成した各トランスデューサ12,13は、それぞれ図示しないコネクタを介して発振器11、ロックインアンプ14に接続している。
【0054】
しかも、図1に示すように、本実施形態では、励起側トランスデューサ12は被測定体Sの下側に配置して、励起側トランスデューサ12で被測定体Sを支持するとともに、検出側トランスデューサ13は被測定体Sの上側に配置している。
【0055】
さらに、検出側トランスデューサ13は図示しないXYZステージに装着してX軸方向、Y軸方向、Z軸方向にいずれも移動自在として、検出側トランスデューサ13を励起側トランスデューサ12側に降下させて被測定体Sを検出側トランスデューサ13と励起側トランスデューサ12とで挟持可能としている。
【0056】
このように構成した計測装置での計測方法について簡単に説明する。まず、計測装置では、検出側トランスデューサ13をXYZステージで上昇させて励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とを所定の間隔だけ離隔させた状態で、制御部15の制御により発振器11から所要の周波数の電気信号を順次出力してバックグラウンドを検出する。検出したバックグランド情報は制御部15で記憶している。
【0057】
次いで、計測装置では、電極23を上方に向けて配置した励起側トランスデューサ12上部の電極23に被測定体Sを載置し、XYZステージで検出側トランスデューサ13を降下させ、励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とで被測定体Sを挟んで固定する。
【0058】
このとき、特に検出側トランスデューサ13には、図3に示すようにセミリジッド同軸ケーブル30を接続し、後述するように、このセミリジッド同軸ケーブル30における歪量の計測から励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とで被測定体Sを挟んだ際に被測定体Sに加えられている荷重を計測可能としている。
【0059】
計測装置で計測する共振周波数は、被測定体Sに加えられている荷重によって変化することが知られており、荷重を計測することによって計測装置の計測精度の向上を図ることができる。
【0060】
励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とによる被測定体Sの挟持による固定後、計測装置は発振器11から所要の周波数の電気信号を順次出力して共振周波数の計測を行い、得られた結果に基づいて所要の物性値を算出している。
【0061】
本実施形態の計測装置では、ロックインアンプ14を設けていることにより共振周波数の検出精度を高めており、しかも各トランスデューサ12,13の性能向上が図られていることにより、被測定体Sのサイズが0.2mmよりも小さいものであっても物性値の計測を可能とすることができる。
【0062】
このように構成した計測装置では、前記した超高圧相鉱物の単結晶や焼結体における物性値計測だけでなく、隕石などの宇宙物質や粉体セラミックスなどの微小試料の物性値計測を可能とすることができる。
【0063】
また、本実施形態の計測装置では、被測定体Sの共振周波数を計測することから、既知の被測定体Sにおける内部欠陥の有無の検出も可能であって、1.0mm以下のベアリング球やハンダ球の検査装置として用いることもできる。
【0064】
あるいは、電子天秤における微小物質の質量の計測において共振周波数のズレを利用している場合には、本実施形態の計測装置を用いることによってより微小試料のコンパクトな質量計測センサを提供可能とすることができる。
【0065】
あるいは、温度や湿度で共振周波数に変化が生じることが知られている材料を利用した場合には、この材料の共振周波数を計測することによって温度や湿度を計測することができ、計測装置を小型化することによってコンパクトな温度センサまたは湿度センサを提供可能とすることができる。
【0066】
あるいは、本発明のトランスデューサをアコースティックエミッションセンサとして用いた場合には、より高周波の計測が可能なアコースティックエミッションセンサとすることができ、例えば地球科学分野における地震研究用などの岩石破壊実験において高周波成分の検出を可能として、高精度な研究を可能とすることができる。
【0067】
最後に、前述したセミリジッド同軸ケーブル30における歪量の計測から励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とによって被測定体Sに加えられた荷重を計測する荷重計測方法について説明する。
【0068】
図3に示すように、検出側トランスデューサ13は、セミリジッド同軸ケーブル30に接続するためのコネクタ35を介してセミリジッド同軸ケーブル30に接続している。
【0069】
このセミリジッド同軸ケーブル30は、コネクタ35を接続した先端側を鉛直下方に向けるとともに、所定の中途部で約90°湾曲させてほぼ水平状態とした水平領域36を設けている。検出側トランスデューサ13は、コネクタ35を介してセミリジッド同軸ケーブル30の先端に吊り下げ状態に装着している。図3中、37はセミリジッド同軸ケーブル30の基端を接続したインピーダンス変換器である。
【0070】
そして、セミリジッド同軸ケーブル30の水平領域36には、セミリジッド同軸ケーブル30の下側面に当接させて第1歪みゲージ31と第2歪みゲージ32とを配置し、セミリジッド同軸ケーブル30を挟んで第1歪みゲージ31に対向させて第3歪みゲージ33をセミリジッド同軸ケーブル30の上側面に当接させて配置し、セミリジッド同軸ケーブル30を挟んで第2歪みゲージ32に対向させて第4歪みゲージ34をセミリジッド同軸ケーブル30の上側面に当接させて配置している。
【0071】
第1歪みゲージ31と第2歪みゲージ32は、セミリジッド同軸ケーブル30の水平領域36の長手方向に沿って所定の間隔を隔てて設けるとともに、第3歪みゲージ33と第4歪みゲージ34は、セミリジッド同軸ケーブル30の水平領域36の長手方向に沿って所定の間隔を隔てて設けている。
【0072】
第1〜4歪みゲージ31,32,33,34は互いにホイートストーンブリッジ接続して、このホイートストーンブリッジ接続からの出力信号を制御部15に入力して、制御部15で荷重換算を行っている。
【0073】
そして、荷重計算を行う場合には、計測装置は、まず、先端に検出側トランスデューサ13が装着され、水平領域36に第1〜4歪みゲージ31,32,33,34が装着されたセミリジッド同軸ケーブル30を降下させて、検出側トランスデューサ13を被測定体Sに当接させる。
【0074】
検出側トランスデューサ13の被測定体Sへの当接にともなって、計測装置は、セミリジッド同軸ケーブル30の降下を停止するが、検出側トランスデューサ13が被測定体Sに当接したことを検出するタイミングと、セミリジッド同軸ケーブル30の降下が停止されるタイミングとの時間的なズレにより、セミリジッド同軸ケーブル30は検出側トランスデューサ13が被測定体Sに当接した直後に所定量だけ降下して停止する。
【0075】
この検出側トランスデューサ13が被測定体Sに当接した直後のセミリジッド同軸ケーブル30の降下によって、被測定体Sには所定量の荷重が作用し、このとき、セミリジッド同軸ケーブル30は、被測定体S及び被測定体Sを支持している励起側トランスデューサ12により検出側トランスデューサ13は降下できず、セミリジッド同軸ケーブル30の水平領域36における先端側が反り上がることとなる。
【0076】
この水平領域36のセミリジッド同軸ケーブル30の反り上がりにともなって、第1歪みゲージ31及び第2歪みゲージ32には引張応力が作用するとともに、第3歪みゲージ33及び第4歪みゲージ34には圧縮応力が作用して、この引張応力及び圧縮応力に対応した起電力が生じて出力信号が得られる。制御部15では、この出力信号を解析して荷重換算を行って荷重の計測を行っている。なお、制御部15には、出力信号の電力値と被測定体Sに加わる荷重との換算式をあらかじめ記憶させておき、制御部15ではこの換算式に基づいて荷重を算出している。
【0077】
このように被測定体Sに作用した荷重の計測手段を設けておくことにより、被測定体Sに加えられた荷重を加味した計測を可能とすることができるとともに、励起側トランスデューサ12と検出側トランスデューサ13とで被測定体Sを正確に保持できていることも検出できる。
【産業上の利用可能性】
【0078】
1mmよりも小さいサイズの試料でも物性値を計測可能な計測装置を提供できる。また、微小な物体の振動を正確に検出できることから、1.0mm以下のベアリング球やハンダ球の欠陥の検出装置、共振周波数のズレを利用した微小な物体の質量の計測装置、共振周波数のズレを利用した温度や湿度を計測装置、あるいはアコースティックエミッションセンサなどを構成できる。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a transducer used for measuring a physical property value such as an elastic constant in a minute sample, and a measuring apparatus including the transducer.
[Background]
[0002]
Conventionally, physical properties such as elastic constants and piezoelectric constants have been measured in advance for various materials such as sintered bodies such as metals, alloys and ceramics, or synthetic resin materials. It can be selected according to.
[0003]
However, when conducting various material research or physical property research in laboratories, etc., new materials with unknown physical property values have been generated or discovered, and measurement of physical property values is necessary to know the properties of this new material. Is required.
[0004]
When measuring an elastic constant or piezoelectric constant, which is one of such physical property values, a measuring device using a resonance method using a transducer is used.
[0005]
In other words, the transducer has a piezoelectric body that abuts against the sample to be measured, and this piezoelectric body inputs the required vibration to the sample and also detects the resonance caused by the vibration input to the sample with another transducer. In addition, an identification system has been proposed in which a desired physical property value is measured by analysis by an analysis means, and from the obtained physical property value to the specification of the type of sample can also be performed (for example, a patent) Reference 1).
[0006]
Here, a ceramic piezoelectric body is generally used as the piezoelectric body.
[Patent Document 1]
JP 2001-523332 A
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0007]
However, in conventional measurement devices, the use of a ceramic piezoelectric body as the piezoelectric body of the transducer limits the size of the sample capable of measuring physical properties, making it impossible to measure with a relatively small sample There was a problem of being.
[0008]
In other words, the resonance frequency in the measurement using the resonance method is inversely proportional to the size of the sample to be measured. Further, in the case of a ceramic piezoelectric body, the performance is degraded when the thickness is made smaller than a predetermined thickness. Since it occurs, the thickness cannot be made smaller than the predetermined thickness dimension, and the maximum frequency that can be output by the ceramic piezoelectric body is about 20 MHz from this thickness dimension condition. Therefore, the measurable sample is at least about 1 mm in size. There was a problem that was necessary.
[0009]
The present inventor has been studying ultra-high pressure phase minerals in the earth, and it is necessary to measure the physical properties of single crystals made of this ultra-high pressure phase mineral. Since only a sample having a size of about μm can be prepared, the conventional measuring device cannot accurately measure the physical property values.
[0010]
Therefore, the present inventor conducted research and development to make it possible to measure physical property values even with a sample having a size smaller than 1 mm, such as a single crystal of an ultra-high pressure phase mineral to be studied, and completed the present invention. It is a thing.
[Means for Solving the Problems]
[0011]
In the transducer of the present invention, A thin film electrode and the electrode was mounted on one end and electrically connected to the electrode A cylindrical casing; Ke Attach to the side of the electrode facing the inside of the casing Water Crystal, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lithium niobate, lead metaniobate, Rochelle salt, ethylenediamine tartrate, potassium tartrate, ammonium diphosphate, tungsten bronze -Based crystals, lithium tantalate, polyvinylidene fluoride, zinc oxide A thin film-like piezoelectric body, a conductive wire inserted into a casing and having its tip abutted against the side surface of the piezoelectric material, and an insulating material cured after filling the casing in which the conductive wire is inserted in a liquid state A transducer having a casing as a conductor and a coaxial cable connected to a piezoelectric body together with a conductor inserted into the casing. .
[0012]
further, The piezoelectric body has a thickness dimension of 0.02 mm or less, Conductor Is , A metal or alloy linear body having a Q value of 100 or less, 0.5 mm or less , electrode Is , Made of metal or alloy with Q value over 500 A thin film of The film thickness should be 0.01mm or less The casing has a diameter of 1.0mm or less .
[0013]
In the measuring device including the transducer of the present invention, Two transducers, a transmitter connected to one transducer, a lock-in amplifier connected to the other transducer and connected to the transmitter, and a control unit connected to the transmitter and the lock-in amplifier. Measure the resonance frequency of the object measured by the transducer It was.
[0014]
According to invention of Claim 1, Connected to the piezoelectric body as a coaxial cable with the conductor inserted in the casing as a conductor As a result, the influence of resonance by the casing can be suppressed, and excitation or detection of vibration with high accuracy can be achieved.
[0015]
Moreover, in the transducer according to claim 1, the piezoelectric body is made of quartz, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lithium niobate, lead metaniobate, Rochelle salt, ethylene tartrate. By using one of diamine, potassium tartrate, dibasic ammonium phosphate, tungsten bronze crystals, lithium tantalate, polyvinylidene fluoride, and zinc oxide, the piezoelectric body can be made thinner, so sample measurement with the piezoelectric body itself It can suppress the occurrence of resonance in the frequency band. Ru .
[0016]
According to invention of Claim 2, in the transducer of Claim 1, The piezoelectric body can excite or detect vibrations at higher frequencies with accuracy by making the thickness dimension 0.02 mm or less, Conductor Is A linear body made of metal or alloy having a Q value of 100 or less Because , Diameter dimensions 0.5 mm or less The electrode is a metal or alloy thin film having a Q value of 500 or more, the film thickness is 0.01 mm or less, and the casing is 1.0 mm or less in diameter. It is possible to suppress the occurrence of resonance in the conducting wire and to inhibit the conducting wire from inhibiting the vibration of the piezoelectric body, thereby enabling more accurate excitation or detection of the vibration.
[0017]
According to invention of Claim 3, Two transducers according to claim 1 or claim 2, a transmitter connected to one transducer, a lock-in amplifier connected to the other transducer and connected to the transmitter, and connected to the transmitter and the lock-in amplifier And a control device that measures the resonance frequency of the object to be measured sandwiched between two transducers, so that the transducer can accurately excite or detect vibration while suppressing the influence of resonance other than the sample. Providing measurement equipment that can measure physical properties such as elastic constants and piezoelectric constants of specimens of 1 mm or less it can.
[Brief description of the drawings]
[0019]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a transducer according to an embodiment of the present invention.
[FIG. 3] It is explanatory drawing of the semi-rigid coaxial cable used for measurement of the load added to the to-be-measured body.
Explanation of symbols
[0020]
S DUT
11 Oscillator
12 Excitation side transducer
13 Detection transducer
14 Lock-in amplifier
15 Control unit
21 Piezoelectric material
22 conductor
23 electrodes
24 casing
25 Insulation material
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0021]
In the transducer according to the present invention and the measuring device including the transducer, the transducer is formed in a cylindrical casing having a thin film electrode attached to one end thereof, and a thin film attached to the side of the electrode facing the inside of the casing. The piezoelectric body, a conductive wire coaxially inserted into the casing and connected to the piezoelectric body, and an insulating material filled in the casing.
[0022]
In this way, by arranging the casing and the conductor coaxially and connecting the conductor to the piezoelectric body provided at one end portion of the casing, the influence of resonance by the casing can be suppressed, and accurate vibration can be prevented. Excitation or detection may be possible.
[0023]
Furthermore, the piezoelectric material is quartz (SiO 2 ), Barium titanate (BaTiO), lead titanate (PbTiO) Three ), Lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O) Three ), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O) Three ), Lithium niobate (LiNbO Three ), Lead metaniobate (PbNb 2 O 6 ), Rochelle salt (NaKC Four H Four O 6 ・ 4H 2 O), ethylenediamine tartrate (C 6 H 14 N 2 O 6 ), Potassium tartrate (2 (K 2 C Four H Four O 6 ) ・ H 2 O), dibasic ammonium phosphate (NH Four H 2 PO Four ), Tungsten bronze crystals (Na x WO Three ), Lithium tantalate (LiTaO) Three ), Polyvinylidene fluoride (PVDF), or zinc oxide (ZnO) can be used to reduce the thickness of the piezoelectric body, thereby suppressing the occurrence of resonance in the sample measurement frequency band due to the piezoelectric body itself. By making the thickness dimension of 0.1 mm or less, high-frequency vibrations can be excited or detected, and physical properties such as elastic constants and piezoelectric constants of samples of 1 mm or less can be measured.
[0024]
The piezoelectric body is not limited to the above-described material, and may be any single crystal, polycrystalline, or amorphous piezoelectric body that can be used as a substitute for the above material.
[0025]
In addition, when the conducting wire is made of a metal or alloy linear body having a Q value of 100 or less, it is possible to suppress resonance in the conducting wire, and when the diameter of the conducting wire is 1.0 mm or less. Can reduce the contact surface of the lead wire connected to the piezoelectric body with the piezoelectric body, thereby suppressing the lead wire from inhibiting the vibration of the piezoelectric body, and improving the accuracy of excitation of vibration by the transducer or the accuracy of detection of vibration. Further improvement can be achieved.
[0026]
Also, when the electrode is made of a metal or alloy thin film having a Q value of 500 or more and the film thickness dimension is 0.01 mm or less, the vibration generated by the piezoelectric body or the vibration transmitted to the piezoelectric body is attenuated by the electrode. Therefore, the performance of the transducer can be improved.
[0027]
Here, the Q value is an index indicating the degree of energy absorption of the elastic wave by the medium in the propagation of the elastic wave, and if the Q value is large, the energy absorption of the elastic wave is small and the elastic wave is propagated with a small loss. If the Q value is small, the energy absorption of the elastic wave is large, and the elastic wave can be greatly attenuated by propagation over a relatively short distance.
[0028]
In the following, embodiments of the present invention will be described in more detail based on the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measuring apparatus according to the present embodiment.
[0029]
The measurement apparatus of the present embodiment includes an
[0030]
In the present embodiment, the
[0031]
The lock-in
[0032]
The
[0033]
The
[0034]
In particular, the
[0035]
In this embodiment, the
[0036]
In this embodiment, LiNbO Three Is single crystal LiNbO Three Y-10 ° cut plate-like crystal is polished to a predetermined thickness. By using a Y-10 ° cut crystal, high-frequency longitudinal and transverse vibrations can be simultaneously generated. Since it can be excited or detected, a high-performance transducer can be obtained. LiNbO Three Is not limited to the case of forming by polishing, and may be formed by vapor deposition, for example.
[0037]
Moreover, as the
[0038]
It is desirable to use a wire rod that is less likely to cause resonance, such as a metal or alloy having a Q value of 100 or less, and the
[0039]
The
[0040]
In the present embodiment, a lead wire having a diameter of 0.5 mm is used for the
[0041]
The
[0042]
The
[0043]
The
[0044]
Note that after the
[0045]
In this embodiment, the
[0046]
The
[0047]
The
[0048]
In the
[0049]
In particular, the
[0050]
As the insulating
[0051]
By configuring the
[0052]
In particular, in each of the
[0053]
Each of the
[0054]
In addition, as shown in FIG. 1, in this embodiment, the
[0055]
Further, the detection-
[0056]
A measurement method using the measurement apparatus configured as described above will be briefly described. First, in the measurement device, the
[0057]
Next, in the measuring apparatus, the measurement object S is placed on the
[0058]
At this time, a semi-rigid
[0059]
It is known that the resonance frequency measured by the measuring device changes depending on the load applied to the measurement object S, and the measurement accuracy of the measuring device can be improved by measuring the load.
[0060]
After fixing the object to be measured S by the
[0061]
In the measurement apparatus of this embodiment, the detection accuracy of the resonance frequency is improved by providing the lock-in
[0062]
The measuring device configured in this way enables not only measurement of physical property values of single crystals and sintered bodies of ultrahigh-pressure phase minerals described above, but also measurement of physical property values of space samples such as meteorites and fine samples such as powder ceramics. can do.
[0063]
In addition, since the measuring device of the present embodiment measures the resonance frequency of the measured object S, it can also detect the presence or absence of internal defects in the known measured object S, and a bearing ball or solder of 1.0 mm or less It can also be used as a sphere inspection device.
[0064]
Alternatively, when the deviation of the resonance frequency is used in the measurement of the mass of the minute substance in the electronic balance, it is possible to provide a more compact mass measurement sensor for the minute sample by using the measurement apparatus of the present embodiment. Can do.
[0065]
Alternatively, when using a material whose resonance frequency is known to change with temperature and humidity, the temperature and humidity can be measured by measuring the resonance frequency of this material, and the measuring device can be made compact. Therefore, it is possible to provide a compact temperature sensor or humidity sensor.
[0066]
Alternatively, when the transducer of the present invention is used as an acoustic emission sensor, it can be an acoustic emission sensor capable of measuring higher frequencies. For example, in a rock destruction experiment for earthquake research in the earth science field, Detection is possible, and high-precision research can be made possible.
[0067]
Finally, a load measuring method for measuring the load applied to the measurement object S by the
[0068]
As shown in FIG. 3, the detection-
[0069]
The semi-rigid
[0070]
In the
[0071]
The
[0072]
The first to fourth strain gauges 31, 32, 33, and 34 are connected to each other by a Wheatstone bridge, and an output signal from the Wheatstone bridge connection is input to the
[0073]
When performing load calculation, the measuring device is a semi-rigid coaxial cable in which the detection-
[0074]
As the detection-
[0075]
A predetermined amount of load acts on the measured object S due to the descending of the semi-rigid
[0076]
As the semi-rigid
[0077]
By providing a means for measuring the load acting on the measurement object S in this way, it is possible to perform measurement taking into account the load applied to the measurement object S, as well as the excitation-
[Industrial applicability]
[0078]
It is possible to provide a measuring apparatus capable of measuring a physical property value even with a sample having a size smaller than 1 mm. Also, since vibrations of minute objects can be accurately detected, a defect detection device for bearing balls and solder balls of 1.0 mm or less, a device for measuring the mass of minute objects using resonance frequency deviation, and a resonance frequency deviation A measuring device or an acoustic emission sensor can be configured for the temperature and humidity used.
Claims (3)
前記電極が一方の端部に装着されるとともに、前記電極と電気的に接続された筒状のケーシングと、
前記ケーシングの内側に面した前記電極の側面に装着した水晶、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、ニオブ酸リチウム、メタニオブ酸鉛、ロッシェル塩、酒石酸エチレンディアミン、酒石酸カリウム、第2リン酸アンモニウム、タングステンブロンズ系結晶、タンタル酸リシウム、ポリフッ化ビニリデン、酸化亜鉛のいずれか1種からなる薄膜状の圧電体と、
前記ケーシングに挿入して先端を前記圧電体の側面に当接させた導線と、
前記導線が挿入された前記ケーシング内に液体状態で充填した後に硬化させた絶縁材と
からなるトランスデューサであって、
前記ケーシングを導線として、前記導線とともに同軸ケーブル状として前記圧電体に接続したトランスデューサ。 A thin film electrode;
The electrode is mounted on one end, and a cylindrical casing electrically connected to the electrode ;
Water crystal was mounted on a side surface of the electrode facing the inside of the casing, barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, lead lanthanum zirconate titanate, lithium niobate, lead metaniobate, Rochelle salt, A thin-film piezoelectric body comprising any one of ethylenediamine tartrate, potassium tartrate, dibasic ammonium phosphate, tungsten bronze crystal, lithium tantalate, polyvinylidene fluoride, and zinc oxide ;
A conducting wire inserted into the casing and having its tip abutted against the side surface of the piezoelectric body;
An insulating material hardened after filling in a liquid state in the casing into which the conducting wire is inserted;
A transducer comprising:
A transducer in which the casing is used as a conducting wire and connected to the piezoelectric body in the form of a coaxial cable together with the conducting wire .
前記導線は、Q値が100以下の金属製または合金製の線状体であって、径寸法を0.5mm以下とし、
前記電極は、Q値が500以上の金属製または合金製の薄膜であって、膜厚寸法を0.01mm以下とし、
前記ケーシングは、径寸法を1.0mm以下とした
ことを特徴とする請求項1記載のトランスデューサ。 The piezoelectric body has a thickness dimension of 0.02 mm or less,
The conducting wire is a metal or alloy linear body having a Q value of 100 or less, and has a diameter of 0.5 mm or less ,
The electrode is a metal or alloy thin film having a Q value of 500 or more, and the film thickness dimension is 0.01 mm or less.
The transducer according to claim 1 , wherein the casing has a diameter of 1.0 mm or less .
一方の前記トランスデューサに接続した発信器と、
他方の前記トランスデューサに接続するとともに前記発信器に接続したロックインアンプと、
前記発信器と前記ロックインアンプに接続した制御部と
を備え、
2つの前記トランスデューサで挟持した被測定体の共振周波数を計測するトランスデューサを備えた計測装置。 Two transducers according to claim 1 or claim 2;
A transmitter connected to one of the transducers;
A lock-in amplifier connected to the other transducer and connected to the transmitter;
A control unit connected to the transmitter and the lock-in amplifier;
With
A measuring apparatus comprising a transducer for measuring a resonance frequency of a measurement object sandwiched between two transducers .
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