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R 1699-2

:2016

(1) 

目  次

ページ

1

  適用範囲

1

2

  引用規格

1

3

  用語及び定義

1

4

  測定原理

1

5

  測定装置

3

6

  試料の調製

4

6.1

  試料の形状

4

6.2

  試料の密度測定

4

6.3

  主要定数の測定

4

7

  測定手順

4

8

  解析手順

5

9

  計算方法及び測定結果の表し方

6

9.1

  特性値の算出手順

6

9.2

  測定結果の表し方

8

10

  測定結果の報告

8


R 1699-2

:2016

(2) 

まえがき

この規格は,工業標準化法に基づき,日本工業標準調査会の審議を経て,経済産業大臣が制定した日本

工業規格である。

この規格は,著作権法で保護対象となっている著作物である。

この規格の一部が,特許権,出願公開後の特許出願又は実用新案権に抵触する可能性があることに注意

を喚起する。経済産業大臣及び日本工業標準調査会は,このような特許権,出願公開後の特許出願及び実

用新案権に関わる確認について,責任はもたない。

JIS R 1699

の規格群には,次に示す部編成がある。

JIS R 1699-1

  第 1 部:共振・反共振法による高温環境条件下での測定方法

JIS R 1699-2

  第 2 部:電気的過渡応答法による高振動レベル下での測定方法


日本工業規格

JIS

 R

1699-2

:2016

ファインセラミックス−

高負荷環境下での圧電材料の特性−

第 2 部:電気的過渡応答法による

高振動レベル下での測定方法

Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) -

Characteristic of piezoelectric properties under high load conditions-

Part 2: Electrical transient response method under high vibration levels

1

適用範囲

この規格は,電気的過渡応答法による高振動レベル下でのファインセラミックス圧電材料の測定方法に

ついて規定する。

2

引用規格

次に掲げる規格は,この規格に引用されることによって,この規格の規定の一部を構成する。この引用

規格は,その最新版(追補を含む。

)を適用する。

JIS R 1600

  ファインセラミックス関連用語

3

用語及び定義

この規格で用いる主な用語及び定義は,JIS R 1600 によるほか,次による。

3.1

電気的過渡応答法

本手法はファインセラミックス圧電材料に共振周波数近傍の電圧を印加し,振動が励起されるまで,短

時間だけ行う駆動で大振幅状態を実現した後,電気端子短絡下での振動速度と電流の減衰波形を用いて,

任意の振動レベル下での特性を評価する方法。

注記  外部電界及び温度の影響を極力排除することが可能なため,これらの要因を排除した振動応力

負荷環境下での特性を測定,評価することができる。

3.2

バースト駆動

振動を励起するため,短時間だけ駆動すること。

4

測定原理

ファインセラミックス圧電材料に共振周波数近傍の駆動電圧 を短時間だけ印加し,大振幅振動領域ま


2

R 1699-2

:2016

で励振した後,駆動電圧を 0,すなわち,電気端子短絡状態(e=0)にする(

図 を参照)。

図 1−ファインセラミックス圧電材料のバースト電圧駆動時の振動速度及び電流波形

このバースト駆動終了後の電気端子短絡状態(e=0)での振動速度 及び電流 の減衰波形は,式(1)及

び式(2)に従って機械的共振周波数で減衰することとなる(

図 を参照)。

(

)

v

rv

0

π

2

sin

v

φ

ε

β

+

=

t

f

V

v

t

  (1)

ここに,

v

振動速度(

m/s

V

0

振動速度の振幅(

m/s

β

v

振動速度の減衰定数(

s

-1

t

時間(

s

f

rv

振動速度の共振周波数(

Hz

ϕ

v

振動速度の初期位相(

rad

(

)

i

ri

0

π

2

sin

i

φ

ε

β

+

=

t

f

I

i

t

  (2)

ここに,

i

電流(

A

I

0

電流の振幅(

A

β

i

電流の減衰定数(

s

-1

f

ri

電流の共振周波数(

Hz

ϕ

i

電流の初期位相(

rad

β

v

β

i

及び

f

rv

f

ri

はおよそ同じ値になると考えられるが,機械的振動レベルに関する測定解析であるこ

とを考慮し,減衰定数は

β

v

を,共振周波数は

f

rv

を採用する。また,大振幅領域では非線形現象などによ

って他の周波数成分が発生する場合がある。このため,電気端子短絡状態での振動速度及び電流の減衰波

形から基本周波数成分だけを抽出し,任意の時刻の振動速度の振幅

V

1

,電流の振幅

I

1

,共振周波数

f

rv1

,減


3

R 1699-2

:2016

衰定数

β

v1

を測定・算出し,これらの値を用いて任意の振動速度時における必要定数を算出する。電圧を

短時間だけ印加した後,

0 V

とするため,電気端子短絡後は素子に加わる電界を

0

とみなせることに加え,

短時間だけの駆動により,損失による温度変化がほとんどない条件下での測定が可能となり,外部電界及

び温度の影響を排除した振動応力負荷環境下での圧電特性が評価できる。

5

測定装置

測定装置は,次による。

なお,測定する際は校正した測定装置を使用し,測定装置構成の概要を

図 に示す。

図 2−測定装置構成の概要

a

)

発振器  ファインセラミックス圧電材料の

1

次(基本)共振周波数以上の正弦波を出力することがで

き,その駆動時間を設定(バースト駆動)することが可能なもの。

b

)

電力増幅器  ファインセラミックス圧電材料の

1

次(基本)共振周波数の

2

倍以上の正弦波を電力増

幅することができ,

4

象限出力可能なもの。出力電圧及び電流の最大振幅が,それぞれ

200 V

以上,

1

A

以上で,出力インピーダンスが

0.5 Ω

以下のものが望ましい。

c

)

レーザドップラ振動速度計  ファインセラミックス圧電材料の

1

次(基本)共振周波数以上の

5

倍程

度までの周波数領域が測定でき,

0.01 m/s

から

2 m/s

程度の範囲の振動速度が測定できるもの。

d

)

電流プローブ  ファインセラミックス圧電材料の

1

次(基本)共振周波数の

5

倍程度までの周波数領

域が測定でき,

1 mA

から

1 A

程度の範囲の電流が測定できるもの。

e

)

デジタルストレージオシロスコープ  ファインセラミックス圧電材料の

1

次(基本)共振周波数の

10

倍以上のサンプリング周波数で波形を記録でき,波形データを数値データとして出力できるもの。

1

秒以上の波形データを記録でき,縦軸分解能に優れていることが望ましい。

f

)

Z

ステージ(試料保持用ジグ)  直径が

1 mm

以下の電極ピン一対を先端とし,これによってファイ

ンセラミックス圧電材料の上下電極面とそれぞれ

1

点で接触した状態で挟み保持できるもの。

注記

  Z

ステージを備え,上部のピンが上下に移動できる機構を付けると,ファインセラミックス

圧電材料を容易に取り付けることができる。下側の電極ピン内に熱電対を附属すると,ファ


4

R 1699-2

:2016

インセラミックス圧電材料の温度を測定することができる。

g

)

数値解析ソフト(数値解析装置)  波形データを周波数解析することができ,かつ,任意の周波数成

分を抽出することができるもので,瞬時周波数値及び瞬時振幅値が算出できるもの。

6

試料の調製

6.1

試料の形状

単板のファインセラミックス圧電材料を試料とし,

形状は,

長さ

  X

43

±

0.20 mm

  Y

7

±

0.20 mm

厚み

  Z

1

±

0.05 mm

,電極面は,長さと幅とで囲まれる面とする。また,試料は,厚み方向に分極処理

しておく。

注記

反射するレーザ光を正確に捉えるため,レーザ照射面(二面ある幅と厚みとで囲まれる側面の

いずれか一つ)は,鏡面仕上げとすることが望ましい。

6.2

試料の密度測定

試料を

1 mg

の単位で質量

M

をひょう量する。その後,6.1 の値を基に計算した体積から密度

ρ kg/m

3

有効数字

3

桁に丸めて算出する。

6.3

主要定数の測定

あらかじめ試料の共振周波数

f

0

,機械的品質係数

Q

m

,弾性コンプライアンス

s

11

E

,圧電定数

d

31

,の主要

定数を測定しておく。

注記

各定数の測定方法については,一般社団法人電子情報技術産業協会(

JEITA

)規格  圧電セラ

ミック振動子の電気的試験方法(EM-4501)規格を参考にするとよい。

7

測定手順

測定の手順は,次による。

a

)

試料の厚み方向を垂直にして,箇条 5 f

)

の試料保持用ジグの電極ピンにて試料中央部を支持した後,

試料側面にレーザドップラ振動速度計のレーザ光を照射する。

b

)

発振器出力を調整し,試料にバースト駆動電圧

e

を入力し,解析したい最大振動速度より

0.1 m/s

上高い振動速度まで励振する。

c

)

振動速度は,駆動周波数

f

d

,駆動電圧

e

の振幅及びバースト駆動時間(印加サイクル数)で調整する。

このとき,周波数掃引駆動も可とする。できるだけ駆動時間を短くしたほうが損失による発熱の影響

が少ない。駆動周波数

f

d

,駆動電圧

e

の振幅及びバースト駆動時間は任意でよいが,振動速度の振幅

が安定してから

5 ms

程度は駆動状態を持続することが望ましい。

注記 1

一例として,振動速度が最大

0.6 m/s

の値を解析したい場合は,例えば,

0.7 m/s

以上の定常

振動速度まで励振するとよい。このため,まずは駆動周波数

f

d

を 6.3 で測定した共振周波数

f

0

から

0.1 kHz

程度低下させて調整して測定してみる。これでも高いレベルまで励振できない

場合には,電圧の振幅

E

を+

5 V

程度上げて,再度駆動周波数

f

d

を低下させながら測定する

とよい。

d

)

定常振動速度まで励振するための駆動条件が決定したら,振動速度波形及び電流波形を記録する。こ

のとき,同じ駆動条件で計測器測定レンジ又はデジタルストレージオシロスコープの縦軸メモリ幅を

小さくして何回か記録する。波形がレンジオーバーしてもよい。サンプリング周波数も試料の特性に

合わせて,その都度調整する。

注記 2

一例として,振動速度測定レンジ(

Y

軸目盛幅)を

1.0 m/s/div.

0.5 m/s/div.

0.2 m/s/div.

0.1


5

R 1699-2

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m/s/div.

などとする。電流測定レンジも同様に,同時に設定し直すとよい。6.3 で測定した

Q

m

値が

1 000

以上の場合は,サンプリング周波数を 6.3 で測定した共振周波数の

10

倍程度を目

安とするとよい。また,6.3 で測定した

Q

m

値が

100

以下の場合は,サンプリング周波数をよ

り高く,例えば

100

倍程度にするとよい。

e

)

測定終了後に,試料保持用ジグに試料を取り付けた状態で,6.3 の手順で主要定数を再度測定する。

8

解析手順

データの解析手順は,次による。また,解析手順の参考例を

図 に示す。図 に記載されている

a)

i)

は,次の説明項目である。また,同じく

図 に記載されている式

(3)

∼式

(7)

は,9.1 に記載されている式で

ある。

長さ

:X

:Y

厚み

:Z

質量

:M

電流

:i

振動速度

:v

電流瞬時振幅

:I

1

振動速度瞬時周波数

:f

rv1

電流基本周波数成分

:i

1

振動速度基本周波数成分

:v

1

振動速度瞬時振幅

:V

1

振動速度スペクトル

:G

v

力係数

:A

減衰定数

:β

v1

弾性コンプライアンス

:s

11

E*

機械的品質係数

:Q

m

*

圧電定数

:d

31

*

振動応力

:T

m

*

密度

:ρ

a)

b)

c)

d, g)

e)

f, h)

i)

(3)

(4)

(6)

(7)

(5)

図 3−電気的過渡応答法による測定項目と計算及び解析の流れの参考例

a

)

測定で得た振動速度

v

−時間

t

データに対し数値解析ソフトなどによって振動速度スペクトル

G

v

を算

出する。

b

)

大振幅領域では非線形現象などによって様々な周波数成分が含まれるので,基本周波数成分近傍で振

動速度

v

−時間

t

データをバンドパスフィルタ処理し,振動速度の基本周波数成分だけの振動速度

v

1

−時間

t

データを抽出する。

注記 1

例えば,基本共振周波数が

40 kHz

の場合,

30 kHz

50 kHz

程度のバンドパスフィルタ処理し,

基本周波数成分だけを取り出すとよい。

c

)

b

)

で得た基本周波数成分だけの振動速度

v

1

−時間

t

データに対し,数値解析ソフトなどによって振動

速度の瞬時振幅値

V

1

−時間

t

データを算出する。

d

)

b

)

で得た基本周波数成分だけの振動速度

v

1

−時間

t

データに対し,数値解析ソフトなどによって振動

速度の瞬時周波数

f

rv1

−時間

t

データを算出する。

e

)

振動速度波形同様に,電流についても基本周波数成分近傍で電流

i

−時間

t

データをバンドパスフィル


6

R 1699-2

:2016

タ処理し,基本周波数成分だけの電流

i

1

−時間

t

データを抽出する。

f

)

e

)

で得た基本周波数成分だけの電流

i

1

−時間

t

データに対し,数値解析ソフトなどによって電流の瞬時

振幅

I

1

−時間

t

データを算出する。

注記 2

上記 c

)

d

)

及び f

)

を算出する場合,ヒルベルト変換の手法を用いて算出する方法もある。

g

)

解析したい振動速度の瞬時振幅を

V

1(x)

,そのときの時刻を

t

(x)

とする。

V

1(x)

から

0.05 m/s

振動速度の高

い振動速度の瞬時振幅を

V

1(a)

,そのときの時刻を

t

(a)

とし,

V

1(x)

より

0.05 m/s

振動速度の低い振動速度

の瞬時振幅を

V

1(b)

,そのときの時刻を

t

(b)

とする。この

t

(a)

t

(b)

との間だけの全データを用いて,横軸

を振動速度の瞬時振幅

V

1

,縦軸を振動速度の瞬時周波数

f

rv1

,とした図を作成して最小二乗法によっ

2

次近似式を算出し,

V

1(x)

時の振動速度の瞬時周波数

f

rv1(x)

をこの近似式から求める。

なお,この振動速度の瞬時周波数

f

rv1(x)

及び

注記 の電流の瞬時周波数

f

ri1(x)

の算出に限り,時間領域

を上記の範囲で設定せずに幅広い領域データを用いて最小二乗法によって

2

次近似式を算出してもよ

い。

h

)

g

)

と同様にして,

t

(a)

t

(b)

との間だけの全データを用いて,横軸を振動速度の瞬時振幅

V

1

,縦軸を電流

の瞬時振幅

I

1

とした図を作成して最小二乗法によって

1

次近似式を算出し,

V

1(x)

時の電流の瞬時振幅

I

1(x)

をその近似式から求める。

i

)

横軸に

t

,縦軸に

t

(a)

t

(b)

との間の振動速度の瞬時振幅

V

1

の対数値

ln(V

1

)

をとった図を作成して最小二

乗法によって

1

次近似式を算出し(直線近似)

,その傾きを

V

1(x)

時の振動速度の瞬時減衰定数

β

v1(x)

する。

注記 3

電流の瞬時周波数

f

ri1

及び電流の瞬時減衰定数

β

i1

も同様な手法で算出して,

f

rv1

及び

β

v1

と比

較しておくと参考となる。

9

計算方法及び測定結果の表し方

9.1

特性値の算出手順

特性値の算出手順は,次による。

a

)

振動速度の瞬時振幅

V

1(x)

時における電流の瞬時振幅

I

1(x)

,振動速度の瞬時周波数

f

rv1(x)

及び振動速度の

瞬時減衰定数

β

v1(x)

を用いて式

(3)

∼式

(7)

によって必要な特性値,

Q

m

*

s

11

E*

d

31

*

及び

T

m

*

を算出する。

これを算出する振動速度の瞬間振幅のポイント回数だけ繰り返す。

1

v

1

rv

*

m

π

β

f

Q

=

  (3)

ここに,

Q

m

*

等価的な機械的品質係数

f

rv1

振動速度の瞬時周波数(

Hz

β

v1

振動速度の瞬時減衰定数(

s

-1

2

1

rv

2

*

E

11

4

1

f

X

s

ρ

=

  (4)

ここに,

s

11

E*

等価的な弾性コンプライアンス(

m

2

/N

ρ

試料の密度(

kg/m

3

X

試料の長さ(

m


7

R 1699-2

:2016

f

rv1

振動速度の瞬時周波数(

Hz

1

1

V

I

A

=

  (5)

ここに,

A

力係数(

N/V

I

1

電流の瞬時振幅(

A

V

1

振動速度の瞬時振幅(

m/s

Y

A

s

YV

I

s

d

2

2

*

E

11

1

1

*

E

11

*

31

=

=

  (6)

ここに,

d

31

*

等価的な圧電定数(

C/N

Y

試料の幅(

m

1

*

E

11

*

m

V

s

T

ρ

=

  (7)

ここに,

T

m

*

等価的な中心部最大応力の振幅(

Pa

b

)

算出する振動速度のポイントは,

一例として

0.1 m/s

から

1.0 m/s

までの間で

0.1 m/s

間隔のデータとし,

必ず

0.6 m/s

を含める。ただし,算出の際に使用可能なデータ領域は,一例として振動速度の瞬時振幅

V

1

に対する振動速度の瞬時周波数

f

rv1

のばらつきと,振動速度の瞬時振幅

V

1

に対する力係数

A

のばら

つきの程度から指定する。具体的には,横軸を振動速度の瞬時振幅

V

1

,縦軸を振動速度の瞬時周波数

f

rv1

とし,解析して算出したデータを最小二乗法によって

2

次近似式を算出し,このデータが

2

次近似

式に対して±

1 %

内に入っている範囲内の領域,かつ,横軸を振動速度の瞬時振幅

V

1

,縦軸を力係数

A

とし,解析して算出したデータを最小二乗法によって

2

次近似式を算出し,このデータが

2

次近似式

に対して±

4 %

内に入っている範囲内の領域を満たす範囲の数値データとする。使用できるデータ領

域を指定する参考例を,

図 に示す。


8

R 1699-2

:2016

y = 0.009 134 x

2

0.002 569 x + 0.149 364

0.11

0.12

0.13

0.14

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19

0.20

0.21

.0

0 5

.0

1 5

A

(N

/V)

V

1

(m/s)

使用可能データ領域

近似式

+4%

4%

算出データ

図 4−解析に使用可能なデータ領域を指定する参考例

9.2

測定結果の表し方

測定データの数値の丸め方は,次による。

a

)

試料の長さ,幅及び厚みは単位を(

mm

)とし,小数点以下

3

桁目を四捨五入して,小数点以下

2

で求める。

b

)

電流の瞬時振幅は単位を(

A

)とし,小数点以下

5

桁目を四捨五入して,小数点以下

4

桁で求める。

c

)

振動速度の瞬時減衰定数は単位を(

s

-1

)とし,小数点以下

2

桁目を四捨五入して,小数点以下

1

桁で

求める。

d

)

共振周波数及び振動速度の瞬時周波数は単位を(

Hz

)とし,小数点以下

1

桁目を四捨五入して,整数

で求める。

e

)

機械的品質係数及び等価的な機械的品質係数は小数点以下

1

桁目を四捨五入して,整数で求める。

f

)

弾性コンプライアンス及び等価的な弾性コンプライアンスは単位を(

pm

2

/N

)とし,小数点以下

3

目を四捨五入して,小数点以下

2

桁で求める。

g

)

圧電定数及び等価的な圧電定数は単位を(

pC/N

)とし,小数点以下

2

桁目を四捨五入して,小数点以

1

桁で求める。

h

)

等価的な中心部最大応力の振幅は単位を(

MPa

)とし,小数点以下

3

桁目を四捨五入して,小数点以

2

桁で求める。

10

測定結果の報告

測定結果の報告には,次の項目を記載する。

a

)

この規格の規格番号

b

)

測定年月日,測定担当者名

c

)

試料名,材質,寸法,質量及び 6.2 で求めた密度(

表 参照)

d

)

6.3

及び箇条 7 e

)

で求めた試料の共振周波数,機械的品質係数,弾性コンプライアンス,圧電定数など

の主要定数(

表 参照)

e

)

測定に用いた発振器,電力増幅器,レーザドップラ振動速度計,電流プローブ及びデジタルストレー


9

R 1699-2

:2016

ジオシロスコープの製造業者名及び品番

f

)

数値解析ソフトの種類(市販品の場合は,その製造業者名及び品番)又は数値解析装置(製造業者名

及び品番)

g

)

駆動条件(駆動周波数,駆動電圧及び駆動時間)

表 参照)

h

)

解析した値(

V

1

I

1

β

v1

及び

f

rv1

表 参照)

i

)

電流の瞬時周波数

f

ri1

及び減衰定数

β

i1

を求めた場合は,その値

j

)

得られた特性値(

Q

m

*

s

11

E*

d

31

*

及び

T

m

*

表 参照)

k

)

その他,測定状況に関する特記すべき事項

表 1−試料の寸法・質量などの測定結果の例

試料名

長さ

X(×10

-3

m)

Y(×10

-3

m)

厚み

Z(×10

-3

m)

質量

M(×10

-3

kg)

密度

ρ(kg/m

3

High Q

m

 PZT

42.98

7.01

1.00

2.316

7 690

表 2−主要定数の測定結果の例

条件

共振周波数

f

0

(Hz)

機械的品質係数

Q

m

弾性コンプライ

アンス

s

11

E

(pm

2

/N)

圧電定数

d

31

(pC/N)

過渡応答測定前

36 889

1 942

12.91

147.5

過渡応答測定後

36 887

1 799

12.92

148.8

表 3−駆動条件の例

駆動周波数

f

d

(Hz)

駆動電圧

E(V)

駆動時間

t

d

(s)

35 300

50

0.02


10

R 1699-2

:2016

表 4−特性値の解析結果の例

振 動 速 度 の
瞬時振幅

V

1

(m/s)

電 流 の 瞬
時振幅

I

1

(A)

振 動 速 度 の 瞬
時減衰定数

β

v1

(s

-1

振 動 速 度 の
瞬時周波数

f

rv1

(Hz)

等価的な
機械的品

質係数

Q

m

*

等 価 的 な 弾
性 コ ン プ ラ

イアンス

s

11

E*

(pm

2

/N)

等価的な圧
電定数 
d

31

*

(pC/N)

等価的な中
心部最大応

力の振幅 
T

m

*

(MPa)

0.1

0.017 1

73.7

36 856

1 571

12.96

158.0

2.44

0.2

0.034 9

94.8

36 796

1 219

13.00

161.8

4.86

0.3

0.052 9

142.4

36 703

810

13.06

164.3

7.28

0.4

0.071 7

222.0

36 575

518

13.16

168.2

9.67

0.5

0.091 0

323.8

36 417

353

13.27

172.3

12.04

0.6

0.111 0

472.0

36 232

241

13.41

176.9

14.37

0.7

0.131 6

621.0

36 036

182

13.55

181.7

16.67

0.8

0.151 8

777.0

35 840

145

13.70

185.4

18.95

0.9

0.173 5

925.0

35 657

121

13.84

190.3

21.21

1.0

0.193 8

1 287.0

35 452

87

14.00

193.6

23.43

注記  この表に記載の等価的な機械品質係数 Q

m

*

等の“等価的”とは本測定法で求めた Q

m

*

等であり,主要定数で

求めた Q

m

と基本的には同じ物理定数である。

参考文献

EM-4501

  圧電セラミック振動子の電気的試験方法