JP3204852B2 - Non-linear dielectric constant measuring device - Google Patents
Non-linear dielectric constant measuring deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、誘電体材料の非線形誘
電率を測定する非線形誘電率測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for measuring a nonlinear dielectric constant of a dielectric material.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、移動体通信用弾性表面波デバイス
をはじめとする種々の弾性波応用素子において、高周波
化・大電力化が進み、それらの素子に用いられている圧
電材料の誘電率等の非線形特性が無視できない状況にな
りつつある。またコンコルバのように材料の非線形特性
を利用したデバイスも開発されつつある。またさらに最
近ではその薄膜化の研究も大きな進歩を遂げ、次世代の
超高密度メモリーへの応用を目的とした研究も活発に行
なわれている。以上のように圧電材料の応用研究が活発
に行なわれるようになるにつれて、誘電率の非線形特性
の評価や誘電率の非線形特性に関係の深い誘電体材料の
結晶性や強誘電体の分極の状態の観測は、ますます重要
になりつつある。従来は、誘電体材料の結晶性や強誘電
体の分極の状態の観測には、X線回折法による分析や、
ソーヤタワー回路によるD−E曲線の観測など一般的に
用いられていた。2. Description of the Related Art In recent years, various types of surface acoustic wave devices, such as surface acoustic wave devices for mobile communication, have been operated at higher frequencies and higher powers, and the dielectric constant of piezoelectric materials used in these devices has been increasing. Is becoming a situation where the non-linear characteristics of can not be ignored. Also, devices utilizing the nonlinear characteristics of materials, such as concorva, are being developed. In recent years, research on thinning has made great progress, and research aimed at application to next-generation ultra-high-density memory has been actively conducted. As described above, as applied research on piezoelectric materials is actively conducted, the evaluation of nonlinear characteristics of dielectric constant and the state of crystallinity of dielectric materials and the polarization state of ferroelectrics are closely related to the nonlinear characteristics of dielectric constant. Observations are becoming increasingly important. Conventionally, to observe the crystallinity of a dielectric material and the state of polarization of a ferroelectric, analysis by X-ray diffraction,
It was generally used for observation of a DE curve by a Sawyer tower circuit.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
X線回折法やソーヤタワー回路による方法では、強誘電
体の分極のミクロの分布や、誘電率の非線形定数のミク
ロの分布の測定はできなかった。However, with the conventional X-ray diffraction method or the method using the Sawyer tower circuit, it is impossible to measure the micro distribution of the polarization of the ferroelectric or the micro distribution of the nonlinear constant of the dielectric constant. Was.
【0004】本発明の目的は、上記問題点を解決して、
非線形誘電率のミクロの分布や、これによって、誘電体
の結晶状態や分極のミクロの分布を観測することができ
る非線形誘電率測定装置を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above problems,
It is an object of the present invention to provide a non-linear dielectric constant measuring apparatus capable of observing a micro-distribution of a non-linear dielectric constant and a micro-distribution of a crystal state and a polarization of a dielectric substance.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項1記
載の非線形誘電率測定装置は、互いに対向する第1の面
と第2の面とを有する誘電体の一部分である微小領域に
おける非線形誘電率を測定する非線形誘電率測定装置で
あって、上記誘電体の第1の面に形成された第1の電極
と、上記誘電体の第2の面に接触するように設けられた
先端部を有する第2の電極と、上記第1の電極と上記第
2の電極に接続され、上記誘電体の微小領域に所定の周
波数を有する交流信号を印加する電圧印加手段と、上記
第1の電極と上記第2の電極との間に挟設された誘電体
の微小領域のキャパシタと、インダクタとを含んで構成
されたLC共振回路を備えて、上記誘電体の微小領域に
上記交流信号が印加されたときに、上記交流信号の周波
数と上記微小領域の非線形誘電率に対応して発振周波数
が変化する発振信号を発生する発振手段と、上記発振信
号を周波数復調して、上記交流信号の周波数と上記微小
領域の非線形誘電率に対応した振幅を有する信号を電気
信号として出力する復調手段とを備え、上記電気信号に
基づいて上記誘電体の微小領域の非線形誘電率を測定す
ることを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a non-linear dielectric constant measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, wherein a non-linear dielectric constant measuring device has a first surface and a second surface which oppose each other. What is claimed is: 1. A non-linear dielectric constant measuring device for measuring a dielectric constant, comprising: a first electrode formed on a first surface of the dielectric; and a tip provided to be in contact with a second surface of the dielectric. A voltage applying means connected to the first electrode and the second electrode for applying an AC signal having a predetermined frequency to a minute region of the dielectric; And an LC resonance circuit including an inductor and a capacitor in a minute region of a dielectric sandwiched between the capacitor and the second electrode, and the AC signal is applied to the minute region of the dielectric. When the frequency of the AC signal and the minute area An oscillating means for generating an oscillating signal whose oscillation frequency changes in accordance with the non-linear dielectric constant, and a signal having an amplitude corresponding to the frequency of the alternating-current signal and the non-linear dielectric constant of the minute area by frequency-demodulating the oscillating signal And demodulating means for outputting a non-linear dielectric constant in a minute region of the dielectric based on the electric signal.
【0006】請求項2記載の非線形誘電率測定装置は、
互いに対向する第1の面と第2の面とを有する誘電体の
一部分である微小領域における非線形誘電率を測定する
非線形誘電率測定装置であって、上記誘電体の第1の面
に形成された第1の電極と、上記誘電体の第2の面に形
成された透明材料にてなる第2の電極と、上記第1の電
極と上記第2の電極に接続され、上記誘電体の微小領域
に所定の周波数を有する交流信号を印加する電圧印加手
段と、上記第2の電極を介して上記誘電体の微小領域に
光ビームを照射する光照射手段と、上記光ビームが照射
されたときに、上記誘電体の微小領域から反射される反
射光を光電変換して電気信号を出力する光電変換手段と
を備え、上記電気信号に基づいて上記誘電体の微小領域
の非線形誘電率を測定することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, there is provided a nonlinear dielectric constant measuring apparatus,
A non-linear dielectric constant measuring device for measuring a non-linear dielectric constant in a minute region which is a part of a dielectric having a first surface and a second surface opposed to each other, wherein the device is formed on a first surface of the dielectric. A first electrode, a second electrode made of a transparent material formed on a second surface of the dielectric, and a first electrode connected to the first electrode and the second electrode. Voltage applying means for applying an AC signal having a predetermined frequency to a region, light irradiating means for irradiating a light beam to a minute region of the dielectric via the second electrode, and when the light beam is irradiated A photoelectric conversion unit that photoelectrically converts reflected light reflected from the minute region of the dielectric and outputs an electric signal, and measures a nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric based on the electric signal. It is characterized by the following.
【0007】請求項3記載の非線形誘電率測定装置は、
請求項1又は2記載の非線形誘電率測定装置において、
さらに、上記交流信号に基づいて上記電気信号を同期検
波して上記電気信号の振幅に対応した直流信号を出力す
る検波手段とを備え、上記直流信号に基づいて上記誘電
体の微小領域の非線形誘電率を測定することを特徴とす
る。According to a third aspect of the present invention, there is provided a nonlinear dielectric constant measuring apparatus,
The nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to claim 1 or 2,
Detecting means for synchronously detecting the electric signal based on the AC signal and outputting a DC signal corresponding to the amplitude of the electric signal; and a non-linear dielectric in a minute region of the dielectric based on the DC signal. It is characterized by measuring the rate.
【0008】請求項4記載の非線形誘電率測定装置にお
いては、請求項1記載の非線形誘電率測定装置におい
て、上記共振回路は、互いに対向する2個の底面を備え
た円筒形状を有し、上記円筒形状の一方の底面が短絡さ
れて終端されかつ他方の底面に開口部を有する導体ケー
スと、上記導体ケースの一方の底面の中心に連結され、
かつ上記連結部分から上記導体ケースの軸中心に沿って
上記先端部が上記開口部まで延在するように上記導体ケ
ース内に設けられた円柱形状の上記第2の電極とを備
え、上記導体ケースの他方の底面が上記誘電体の上面に
接触してなるリエントラント空胴共振器であることを特
徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the non-linear dielectric constant measuring apparatus according to the first aspect, the resonance circuit has a cylindrical shape having two opposed bottom surfaces. A conductor case having one bottom surface of the cylindrical shape short-circuited and terminated and having an opening in the other bottom surface, and connected to the center of one bottom surface of the conductor case;
And a column-shaped second electrode provided in the conductor case such that the distal end extends from the connection portion along the axial center of the conductor case to the opening. Is a reentrant cavity resonator in which the other bottom surface is in contact with the top surface of the dielectric.
【0009】請求項5記載の非線形誘電率測定装置は、
請求項1、3又は4記載の非線形誘電率測定装置におい
て、さらに、上記第2の電極が上記誘電体の第2の面上
を走査するように、上記誘電体を1次元方向又は2次元
方向で移動する移動手段を備えたことを特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a nonlinear dielectric constant measuring apparatus,
5. The non-linear dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, further comprising: moving the dielectric in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction such that the second electrode scans on a second surface of the dielectric. A moving means for moving by means of.
【0010】請求項6記載の非線形誘電率測定装置は、
請求項2又は3記載の非線形誘電率測定装置において、
さらに、上記光照射手段によって照射された光ビームに
対して垂直に、上記誘電体を1次元方向又は2次元方向
で移動する移動手段を備えたことを特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a nonlinear dielectric constant measuring apparatus,
The nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to claim 2 or 3,
Further, a moving means for moving the dielectric in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction perpendicular to the light beam irradiated by the light irradiating means is provided.
【0011】[0011]
【作用】請求項1記載の非線形誘電率測定装置において
は、上記電圧印加手段は、上記第1の電極と上記第2の
電極に所定の周波数を有する上記交流信号を印加するこ
とによって、上記誘電体の微小領域に上記交流信号を印
加する。上記発振手段は、上記誘電体の微小領域に上記
交流信号が印加されたときに、上記交流信号の周波数と
上記微小領域の非線形誘電率に対応して発振周波数が変
化する発振信号を発生する。次いで、上記復調手段は、
上記発振信号を周波数復調して、上記交流信号の周波数
と上記誘電体の微小領域の非線形誘電率に対応した振幅
を有する信号を電気信号として出力する。そして、上記
電気信号に基づいて上記誘電体の微小領域の電気的領域
における非線形誘電率を測定する。In the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first aspect, the voltage applying means applies the AC signal having a predetermined frequency to the first electrode and the second electrode, so that the voltage is applied to the first electrode and the second electrode. The AC signal is applied to a minute area of the body. The oscillating means generates an oscillating signal whose oscillation frequency changes according to the frequency of the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region when the AC signal is applied to the minute region of the dielectric. Next, the demodulation means:
The oscillation signal is frequency-demodulated, and a signal having an amplitude corresponding to the frequency of the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric is output as an electric signal. Then, based on the electric signal, a nonlinear dielectric constant in an electric region of the minute region of the dielectric is measured.
【0012】また、請求項2記載の非線形誘電率測定装
置においては、上記電圧印加手段は、上記第1の電極と
上記第2の電極に上記交流信号を印加することによっ
て、上記誘電体の微小領域に上記交流信号を印加する。
これによって、上記誘電体の微小領域の光反射率は、上
記交流信号と上記誘電体の微小領域の非線形誘電率に対
応して変化する。また、上記光照射手段が、上記透明材
料にてなる第2の電極を介して、上記誘電体の微小領域
に光ビームを照射すると、上記誘電体の微小領域は、上
記光反射率の変化に対応した強度を有する光ビームを反
射光として反射する。次いで、上記光電変換手段は、上
記誘電体の微小領域から反射される反射光を光電変換し
て電気信号を出力する。そして、上記電気信号に基づい
て上記誘電体の微小領域の光学的領域における非線形誘
電率を測定する。According to a second aspect of the present invention, in the nonlinear dielectric constant measuring apparatus, the voltage applying means applies the AC signal to the first electrode and the second electrode, so that the dielectric material has a small size. The AC signal is applied to the region.
Thus, the light reflectance of the minute region of the dielectric changes according to the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric. When the light irradiating unit irradiates a light beam to the minute region of the dielectric via the second electrode made of the transparent material, the minute region of the dielectric changes in the light reflectance. A light beam having a corresponding intensity is reflected as reflected light. Next, the photoelectric conversion unit photoelectrically converts the reflected light reflected from the minute region of the dielectric to output an electric signal. Then, the nonlinear dielectric constant in the optical region of the minute region of the dielectric is measured based on the electric signal.
【0013】さらに、請求項3記載の非線形誘電率測定
装置においては、上記検波手段は、上記交流信号に基づ
いて、上記電気信号を同期検波して上記電気信号の振幅
に対応した直流信号を出力する。そして、上記直流信号
に基づいて上記誘電体の微小領域の非線形誘電率を測定
する。Further, in the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to claim 3, the detecting means synchronously detects the electric signal based on the AC signal and outputs a DC signal corresponding to the amplitude of the electric signal. I do. Then, the nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric is measured based on the DC signal.
【0014】請求項4記載の非線形誘電率測定装置にお
いては、上記共振回路は、好ましくは、互いに対向する
2個の底面を備えた円筒形状を有し、上記円筒形状の一
方の底面が短絡されて終端されかつ他方の底面に開口部
を有する導体ケースと、上記導体ケースの一方の底面の
中心に連結され、かつ上記連結部分から上記導体ケース
の軸中心に沿って上記先端部が上記開口部まで延在する
ように上記導体ケース内に設けられた円柱形状の上記第
2の電極とを備え、上記導体ケースの他方の底面が上記
誘電体の上面に接触してなるリエントラント空胴共振器
である。Preferably, the resonance circuit has a cylindrical shape having two bottom surfaces opposed to each other, and one of the bottom surfaces of the cylindrical shape is short-circuited. A conductor case terminated at the other end and having an opening at the other bottom surface, and connected to the center of one bottom surface of the conductor case, and the tip portion is formed at the opening along the axial center of the conductor case from the connection portion. A second electrode having a columnar shape provided in the conductor case so as to extend to the conductor case, and the other bottom surface of the conductor case is in contact with the upper surface of the dielectric. is there.
【0015】請求項5記載の非線形誘電率測定装置にお
いては、請求項1、3又は4記載の非線形誘電率測定装
置の上記移動手段は、上記第2の電極が上記誘電体の第
2の面上を走査するように、上記誘電体を1次元方向又
は2次元方向で移動する。これによって、上記誘電体の
表面上の直線上又は平面上の電気的領域における非線形
誘電率の分布を測定することができる。According to a fifth aspect of the present invention, in the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first, third, or fourth aspect, the moving means may be such that the second electrode is a second surface of the dielectric. The dielectric is moved in a one-dimensional or two-dimensional direction so as to scan above. This makes it possible to measure the distribution of the nonlinear dielectric constant in a linear or planar electrical region on the surface of the dielectric.
【0016】請求項6記載の非線形誘電率測定装置にお
いては、請求項2又は3記載の非線形誘電率測定装置の
上記移動手段は、上記光照射手段によって照射された光
ビームに対して垂直に、上記誘電体を1次元方向又は2
次元方向で移動する。これによって、上記誘電体の表面
上の直線上又は平面上の光学的領域における非線形誘電
率の分布を測定することができる。According to a sixth aspect of the present invention, in the nonlinear dielectric constant measuring apparatus, the moving means of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus is perpendicular to the light beam irradiated by the light irradiating means. The above dielectric is placed in one-dimensional direction or 2
Move in the dimension direction. This makes it possible to measure the distribution of the nonlinear dielectric constant in an optical region on a straight line or a plane on the surface of the dielectric.
【0017】[0017]
【実施例】以下、図面を用いて本発明に係る実施例につ
いて説明する。 <基本回路>図1は本発明に係る非線形誘電率測定装置
の基本回路を示すブロック図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. <Basic Circuit> FIG. 1 is a block diagram showing a basic circuit of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the present invention.
【0018】図1の非線形誘電率測定装置は、(a)周
波数fpを有する交流電圧Vpを発生して、測定電極5
0と電極4に上記交流電圧Vpを印加することによって
誘電体試料2の微小領域2aに交流電界Epを発生させ
るともに、交流電圧Vpを基準信号として出力する交流
電源9と、(b)上記電極4と上記測定電極50に挟設
された微小領域2aと、電極4と、測定電極50とによ
って構成されるキャパシタ部1を含む共振回路部10を
備え上記交流電圧Vpが上記電極4と上記測定電極50
に印加されたときに発振周波数が上記周波数fpと微小
領域2aの3次の誘電率ε3に対応して発振周波数が変
化する発振信号を発生する発振器20と、(c)上記発
振信号を周波数復調して上記周波数fpと上記微小領域
2aの3次の誘電率ε3に対応した振幅を有する信号を
復調信号として出力するFM復調回路26と、(d)上
記基準信号に基づいて上記復調信号を同期検波して上記
周波数fpと上記微小領域2aの3次の誘電率ε3に対
応した振幅を有する直流信号を出力するロックインアン
プ27とを備え、上記微小領域2aの電気的領域の3次
の誘電率ε3を測定するように構成したことを特徴とす
る。The nonlinear dielectric constant measuring apparatus shown in FIG. 1 generates (a) an AC voltage Vp having a frequency fp,
An AC power supply 9 that generates an AC electric field Ep in the minute region 2a of the dielectric sample 2 by applying the AC voltage Vp to the electrode 4 and the electrode 4, and outputs the AC voltage Vp as a reference signal; 4 and a minute area 2a interposed between the measurement electrodes 50, a resonance circuit section 10 including a capacitor section 1 constituted by the electrodes 4 and the measurement electrodes 50. Electrode 50
An oscillator 20 for generating an oscillation signal whose oscillation frequency changes in accordance with the frequency fp and the third-order dielectric constant ε 3 of the minute region 2a when applied to (c); An FM demodulation circuit 26 for demodulating and outputting as a demodulated signal a signal having an amplitude corresponding to the frequency fp and the third-order permittivity ε 3 of the minute area 2a; and (d) the demodulated signal based on the reference signal. And a lock-in amplifier 27 which synchronously detects the frequency fp and outputs a DC signal having an amplitude corresponding to the tertiary dielectric constant ε 3 of the minute region 2a. characterized by being configured to measure the next permittivity epsilon 3.
【0019】以下図面を用いて図1の基本回路の構成を
詳細に説明する。The configuration of the basic circuit shown in FIG. 1 will be described below in detail with reference to the drawings.
【0020】図1に示すように、上記共振回路部10
は、誘電体試料2と、電極4と、測定電極50と、機構
部7と、コイル6とによって構成される。上記誘電体試
料2は、略平行な上面と下面を有し、上記誘電体試料2
の下面に上記電極4が形成される。測定電極50は、尖
った先端部50aを有する導体によって構成され、上記
先端部50aが上記誘電体試料2の上面に接するように
固定される。上記誘電体試料2と電極4と測定電極50
はキャパシタ部1を構成する。また、機構部7は上面に
形成された絶縁部8を備え、上記誘電体試料2をその表
面上に載置して保持し、かつ機構制御部25からの制御
信号に応答して、誘電体試料2を上記測定電極50の先
端部50aが上記誘電体試料2の上面と接した状態を保
ったまま誘電体試料2を一次元方向または二次元方向に
移動させる。さらに、コイル6はインダクタンスLを有
し、その一端は測定電極50及び負性抵抗回路5の入力
端に接続される一方、その他端は電極4に接続される。
またさらに、交流電源9は、交流電圧Vpを測定電極5
0と電極4とに印加することにより、上記測定電極50
と電極4の間に位置する誘電体試料2の微小領域2aに
交流電界Epを発生させる一方、上記交流電圧Vpを基
準信号としてロックインアンプ27に出力する。以上の
ように構成された共振回路部10において、測定電極5
0の先端部50aと、電極4と、測定電極50の先端部
50aと電極4とによって挟設された誘電体試料2の微
小領域2aはキャパシタンスCsを形成して、さらに、
上述のようにコイル6は上記キャパシタンスCsに並列
になるように接続されているので、上記キャパシタンス
Csと上記コイル6はLC共振回路を構成する。このL
C共振回路は負性抵抗回路5に接続されて、発振器20
を構成する。発振器20は詳細後述するようにキャパシ
タンスCsの変化に対応して周波数変調された発振信号
を発振して発生しFM復調回路26に出力する。FM復
調回路26は、周波数変調された発振信号を復調して復
調信号をロックインアンプ27に出力する。As shown in FIG. 1, the resonance circuit 10
Is composed of a dielectric sample 2, an electrode 4, a measurement electrode 50, a mechanism 7, and a coil 6. The dielectric sample 2 has substantially parallel upper and lower surfaces, and the dielectric sample 2
The electrode 4 is formed on the lower surface of the substrate. The measurement electrode 50 is formed of a conductor having a sharp tip 50 a, and is fixed such that the tip 50 a contacts the upper surface of the dielectric sample 2. The dielectric sample 2, the electrode 4, and the measuring electrode 50
Constitutes the capacitor section 1. The mechanism section 7 includes an insulating section 8 formed on the upper surface, mounts and holds the dielectric sample 2 on its surface, and responds to a control signal from a mechanism control section 25 to control the dielectric sample. The dielectric sample 2 is moved in the one-dimensional direction or the two-dimensional direction while maintaining the state in which the tip part 50a of the measurement electrode 50 is in contact with the upper surface of the dielectric sample 2. Further, the coil 6 has an inductance L, one end of which is connected to the measuring electrode 50 and the input end of the negative resistance circuit 5, while the other end is connected to the electrode 4.
Further, the AC power supply 9 applies the AC voltage Vp to the measurement electrode 5.
0 and the electrode 4, the measurement electrode 50
An AC electric field Ep is generated in the minute area 2a of the dielectric sample 2 located between the electrode 4 and the electrode 4, and the AC voltage Vp is output to the lock-in amplifier 27 as a reference signal. In the resonance circuit section 10 configured as described above, the measurement electrode 5
0, the electrode 4, and the minute region 2a of the dielectric sample 2 sandwiched between the electrode 50 and the tip 50a of the measurement electrode 50 forms a capacitance Cs.
As described above, since the coil 6 is connected in parallel with the capacitance Cs, the capacitance Cs and the coil 6 form an LC resonance circuit. This L
The C resonance circuit is connected to the negative resistance circuit 5 and the oscillator 20
Is configured. The oscillator 20 oscillates and generates an oscillating signal that is frequency-modulated according to a change in the capacitance Cs, and outputs the oscillated signal to the FM demodulation circuit 26 as described in detail below. The FM demodulation circuit 26 demodulates the frequency-modulated oscillation signal and outputs the demodulated signal to the lock-in amplifier 27.
【0021】ロックインアンプ27は、図2に示すよう
に、入力端子T1,T2と、増幅器271と、波形整形
器272と、同相分配器273,274と、90度移相
器275と、乗算器である混合器277a,277b
と、低域通過フィルタ278a,278bと、出力端子
T3,T4とによって構成される。増幅器271は、入
力端子T1を介して入力される復調信号を増幅して同相
分配器273に出力する。同相分配器273は、増幅さ
れた復調信号を同相分配して混合器277aと混合器2
77bに出力する。一方、波形整形器272は、入力端
子T2を介して入力された基準信号を方形波に整形して
同相分配器274に出力する。同相分配器274は、波
形整形器272から出力される基準信号を同相で分配し
て混合器277bと90度移相器275に出力する。9
0度移相器275は、基準信号を基準信号の周波数にお
いて90度だけ移相して混合器277aに出力する。混
合器277aは、復調信号と90度だけ移相された基準
信号を乗算して混合し、上記復調信号の周波数と上記基
準信号の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換し
て低域通過フィルタ278aに出力する。低域通過フィ
ルタ278aは、入力される混合後の信号のうちの直流
信号のみを通過させて出力端子T3を介して出力電圧V
a1を表示制御部28に出力する。混合器277bは、
基準信号と復調信号とを乗算して混合し、上記復調信号
の周波数と上記基準信号の周波数の和と差の周波数を有
する信号に変換して、低域通過フィルタ278bに出力
する。低域通過フィルタ278bは、入力される混合後
の信号のうちの直流信号のみを通過させて出力端子T4
を介して出力電圧Va2を表示制御部28に出力する。
ここで、低域通過フィルタ278aから出力される電圧
Va1は、基準信号が90度だけ移相されて復調信号と
混合されるので、上記復調信号と上記基準信号が同相で
掛算されかつ低域ろ波された後の電圧の絶対値を│Va
│とし、かつ上記復調信号と上記基準信号との間の位相
差をφとすると数1で表される。また同様に、低域通過
フィルタ278bから出力される電圧Va2は、数2で
表される。As shown in FIG. 2, the lock-in amplifier 27 includes input terminals T1 and T2, an amplifier 271, a waveform shaper 272, in-phase distributors 273 and 274, a 90-degree phase shifter 275, Mixers 277a and 277b
, Low-pass filters 278a and 278b, and output terminals T3 and T4. The amplifier 271 amplifies the demodulated signal input through the input terminal T1 and outputs the signal to the in-phase distributor 273. The in-phase distributor 273 distributes the amplified demodulated signal in-phase to the mixer 277 a and the mixer 2.
77b. On the other hand, the waveform shaper 272 shapes the reference signal input via the input terminal T2 into a square wave, and outputs the square wave to the in-phase distributor 274. The in-phase distributor 274 distributes the reference signal output from the waveform shaper 272 in phase, and outputs the reference signal to the mixer 277 b and the 90-degree phase shifter 275. 9
The 0-degree phase shifter 275 shifts the phase of the reference signal by 90 degrees at the frequency of the reference signal and outputs the resultant signal to the mixer 277a. The mixer 277a multiplies and mixes the demodulated signal with a reference signal shifted by 90 degrees, converts the demodulated signal into a signal having a frequency of the sum and difference of the frequency of the demodulated signal and the frequency of the reference signal, Output to the pass filter 278a. The low-pass filter 278a allows only the DC signal of the input mixed signal to pass and outputs the output voltage V through the output terminal T3.
and outputs the a 1 to the display control unit 28. The mixer 277b
The reference signal and the demodulated signal are multiplied and mixed, converted into a signal having a frequency of the sum and difference between the frequency of the demodulated signal and the frequency of the reference signal, and output to the low-pass filter 278b. The low-pass filter 278b allows only the DC signal of the input mixed signal to pass, and
And outputs the output voltage Va 2 to the display control unit 28 via.
Here, the voltage Va 1 output from the low-pass filter 278a is obtained by multiplying the demodulated signal and the reference signal in phase by mixing the demodulated signal with the demodulated signal by shifting the phase of the reference signal by 90 degrees. The absolute value of the voltage after filtering is | Va
And | is the phase difference between the demodulated signal and the reference signal. Similarly, the voltage Va 2 output from the low-pass filter 278b is expressed by Expression 2.
【0022】[0022]
【数1】Va1=│Va│・sinφ[Equation 1] Va 1 = │Va│ · sin φ
【数2】Va2=│Va│・cosφ[Equation 2] Va 2 = │Va│ · cos φ
【0023】表示制御部28は、ロックインアンプ27
から入力される出力電圧Va1と出力電圧Va2とから
出力電圧│Va│と位相差φをそれぞれ次の数3と数4
を用いて演算して、ロックインアンプ27の出力電圧│
Va│,Va1,Va2と機構制御部25から入力され
る位置信号のうちから指定された測定値をディスプレイ
29の表示画面上に表示するように制御する。これに応
答してディスプレイ29は、表示制御部28の指示信号
に従って各パラメータの各値を表示する。The display control unit 28 includes a lock-in amplifier 27
Output voltage Va 1 and the output voltage Va 2 Metropolitan output voltage │Va│ and the phase difference φ the following equation (3) from each input from the number 4
And the output voltage of the lock-in amplifier 27 |
Control is performed so that a measurement value designated from among Va│, Va 1 , and Va 2 and the position signal input from the mechanism control unit 25 is displayed on the display screen of the display 29. In response, the display 29 displays each value of each parameter according to the instruction signal of the display control unit 28.
【0024】[0024]
【数3】│Va│=√(Va1 2+Va2 2)| Va | = √ (Va 1 2 + Va 2 2 )
【数4】φ=tan−1(Va1/Va2)## EQU4 ## φ = tan −1 (Va 1 / Va 2 )
【0025】以上のように構成された基本回路を備えた
非線形誘電率測定装置において、上記誘電体試料2の微
小領域2aに、交流電源9によって測定電極50と電極
4に周波数fpを有する正弦波である交流電圧Vpを印
加すると、上記微小領域2aに上記交流電圧Vpの振幅
に比例した振幅と上記交流電圧Vpの周波数fpと同じ
周波数を有する正弦波である交流電界Epを発生する。
交流電圧Vpと交流電界Epは、数5で表される角周波
数ωpを用いて数6と数7で表すことができる。ここで
Vp0は交流電圧Vpの振幅であり、Ep0は交流電界E
pの振幅である。In the nonlinear dielectric constant measuring apparatus having the basic circuit constructed as described above, the sine wave having the frequency fp is applied to the measuring electrode 50 and the electrode 4 by the AC power supply 9 in the minute area 2a of the dielectric sample 2. When the AC voltage Vp is applied, an AC electric field Ep which is a sine wave having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp and the same frequency as the frequency fp of the AC voltage Vp is generated in the minute area 2a.
The AC voltage Vp and the AC electric field Ep can be expressed by Expressions 6 and 7 using the angular frequency ωp expressed by Expression 5. Here, Vp 0 is the amplitude of the AC voltage Vp, and Ep 0 is the AC electric field E
The amplitude of p.
【0026】[0026]
【数5】ωp=2πfpΩp = 2πfp
【数6】Vp=Vp0cosωpVp = Vp 0 cosωp
【数7】Ep=Ep0cosωp[Equation 7] Ep = Ep 0 cosωp
【0027】また、交流電圧Vpを印加したときの上記
微小領域2aの誘電率εtは、公知のように、交流電界
Epと2次の誘電率ε2と3次の誘電率ε3と4次の誘
電率ε4を用いると次の数8で表される。Further, the dielectric constant εt of the small region 2a upon application of the alternating voltage Vp, as is known, the alternating electric field Ep and secondary dielectric constant epsilon 2 and third order dielectric constant epsilon 3 quartic Using the dielectric constant ε 4 of the following formula, it is expressed by the following equation 8.
【0028】[0028]
【数8】εt=ε2+ε3Ep+(1/2)ε4Ep2 8t = ε 2 + ε 3 Ep + (1 /) ε 4 Ep 2
【0029】ここで、数8は以下のように導くことがで
きる。誘電体試料2に電界を印加したときの誘電体試料
2の電束密度と電界をそれぞれD,Eとして、誘電体試
料2の単位体積当たりに蓄えられる内部エネルギーと、
電気的エンタルピーをそれぞれU,Hとして、上記電束
密度Dと電界Eと内部エネルギーUと電気的エンタルピ
ーHの微分をそれぞれdD,dE,dU,dHとする
と、次の数9と数10の関係が成り立つ。Here, Equation 8 can be derived as follows. When the electric flux density and the electric field of the dielectric sample 2 when an electric field is applied to the dielectric sample 2 are D and E, respectively, the internal energy stored per unit volume of the dielectric sample 2;
Assuming that the electric enthalpy is U and H, respectively, and the derivatives of the electric flux density D, the electric field E, the internal energy U and the electric enthalpy H are dD, dE, dU and dH, respectively, the following equations 9 and 10 are obtained. Holds.
【0030】[0030]
【数9】dU=EdD## EQU9 ## dU = EdD
【数10】H=U−EDH = U-ED
【0031】以上の数9と数10から微分dHは、次の
数11で表される。従って、電束密度Dは数12で表さ
れる。From the above equations (9) and (10), the differential dH is expressed by the following equation (11). Therefore, the electric flux density D is represented by Expression 12.
【0032】[0032]
【数11】dH=−DdE## EQU11 ## dH = -DdE
【数12】D=−∂H/∂ED = -∂H / ∂E
【0033】次に、電気エンタルピーHを電界Eの関数
として原点で4次の項までテーラー展開すると、電気的
エンタルピーHは次の数13で与えられる。Next, when the electric enthalpy H is Taylor-expanded to the fourth-order term at the origin as a function of the electric field E, the electric enthalpy H is given by the following equation (13).
【0034】[0034]
【数13】H=(1/2)(∂2H/∂E2)0E2+(1/6)(∂3H/
∂E3)0E3+(1/24)(∂4H/∂E4)0E4 H = (1/2) (∂ 2 H / ∂E 2 ) 0 E 2 + (1/6) (∂ 3 H /
∂E 3 ) 0 E 3 + (1/24) (∂ 4 H / ∂E 4 ) 0 E 4
【0035】ここで、0次の項は、電界E=0で場に蓄
えられるエネルギーを0とすることにより0とした。ま
た、1次の項は、電界E=0で電束密度D=0になるこ
とと数12とから0になる。また、数12と数13から
電束密度Dは、次の数14で表される。Here, the zero-order term is set to 0 by setting the energy stored in the field when the electric field E = 0 to zero. In addition, the first-order term becomes zero from the fact that the electric flux density D = 0 when the electric field E = 0 and the equation (12). Further, the electric flux density D is expressed by the following Expression 14 from Expressions 12 and 13.
【0036】[0036]
【数14】D=−(∂2H/∂E2)0E-(1/2)(∂3H/∂
E3)0E2-(1/6)(∂4H/∂E4)0E3 =ε2E+(1/2)ε3E2+(1/6)ε4E3 D = − (∂ 2 H / ∂E 2 ) 0 E- (1/2) (∂ 3 H / ∂
E 3 ) 0 E 2- (1/6) (∂ 4 H / ∂E 4 ) 0 E 3 = ε 2 E + (1) ε 3 E 2 + (1)) 4 E 3
【0037】ここで、−(∂2H/∂E2)0=ε2,−(∂3
H/∂E3)0=ε3,−(∂4H/∂E4)0=ε4としている。
以上のことから、電気的エンタルピーHをテーラー展開
したときの、2次の展開係数に対応したε2を2次の誘
電率と呼び、3次の展開係数に対応したε3を3次の誘
電率と呼び、4次の展開係数に対応したε4を4次の誘
電率と呼んでいる。さらに、数14において、交流電界
Epに発振信号に対応した微小電界ΔEが重畳している
場合を考える。このとき上記交流電界Epに対応した電
束密度をDpとして、上記微小電界ΔEに対応した微小
電束密度をΔDとすると、数14は次の数15のように
表わすことができる。Here,-(∂ 2 H / ∂E 2 ) 0 = ε 2 , − (∂ 3
H / ∂E 3 ) 0 = ε 3 and − (∂ 4 H / ∂E 4 ) 0 = ε 4 .
From the above, when the electric enthalpy H is Taylor-expanded, ε 2 corresponding to the second-order expansion coefficient is called a second-order permittivity, and ε 3 corresponding to the third-order expansion coefficient is called the third-order dielectric constant. Ε 4 corresponding to the fourth order expansion coefficient is called a fourth order permittivity. Further, in Equation 14, a case is considered where a minute electric field ΔE corresponding to the oscillation signal is superimposed on the AC electric field Ep. At this time, assuming that the electric flux density corresponding to the AC electric field Ep is Dp and the minute electric flux density corresponding to the minute electric field ΔE is ΔD, Equation 14 can be expressed as the following Equation 15.
【0038】[0038]
【数15】Dp+ΔD=ε2(Ep+ΔE)+(1/2)ε
3(Ep+ΔE)2+(1/6)ε4(Ep+ΔE)3 Dp + ΔD = ε 2 (Ep + ΔE) + (1/2) ε
3 (Ep + ΔE) 2 + (1/6) ε 4 (Ep + ΔE) 3
【0039】ここで、電束密度Dpは、次の数16で表
され、また交流電界Epに比較して微小電界ΔEは十分
小さいので、(ΔE)2と(ΔE)3を含む項は0と近似する
ことができ、数15の第2項のΔDは数17のように表
わすことができる。Here, the electric flux density Dp is expressed by the following equation (16). Since the small electric field ΔE is sufficiently smaller than the AC electric field Ep, the term including (ΔE) 2 and (ΔE) 3 is 0. And ΔD of the second term in Equation 15 can be expressed as in Equation 17.
【0040】[0040]
【数16】 Dp=ε2Ep+(1/2)ε3Ep2+(1/6)ε4Ep3 Dp = ε 2 Ep + (1) ε 3 Ep 2 + (1/6) ε 4 Ep 3
【数17】 ΔD=ε2ΔE+ε3EpΔE+(1/2)ε4Ep2ΔE ={ε2+ε3Ep+(1/2)ε4Ep2}ΔE =εtΔEΔD = ε 2 ΔE + ε 3 Ep ΔE + (1/2) ε 4 Ep 2 ΔE = {ε 2 + ε 3 Ep + (1/2) ε 4 Ep 2 } ΔE = εtΔE
【0041】数17から明らかなように、微小電界ΔE
と、微小電界ΔEによって発生する微小電束密度ΔDの
間の比例係数εtとして数8を導くことができる。ま
た、本明細書では、3次の誘電率ε3、4次の誘電率ε4
等の3次以上の誘電率のことを非線形誘電率と呼ぶ。本
基本回路では、電気信号である発振信号に対する応答性
を観測しているので、ここで言う非線形誘電率は、電気
的領域の非線形誘電率のことである。また、3次の誘電
率ε3は、特に交流電界Epの向きと分極Pの向きが同
じ向き場合と、交流電界Epの向きと分極Pの向きが逆
の向き場合とで、正負が反転する。また数8において4
次の誘電率ε4よりも高次の誘電率は無視しているが、
上記高次の誘電率は2次,3次,及び4次の誘電率に比
較して十分小さいので、以下の説明において高次の誘電
率を無視したことの影響は無い。また、以下の説明にお
いて、数式は、誘電体試料2の厚み方向の1次元に限定
して表示している。また、上記測定電極50と電極4と
によって挟設された上記微小領域2aが構成するキャパ
シタンスCsは、誘電率εtに比例するので、誘電体試
料2の厚さdと測定電極50の先端部の面積と誘電体試
料2によって決まる正の定数Ceと数8を用いて次の数
18のように表すことができる。As is apparent from Equation 17, the small electric field ΔE
Equation 8 can be derived as a proportionality coefficient εt between the electric field density ΔD generated by the small electric field ΔE. In this specification, a third-order permittivity ε 3 , a fourth-order permittivity ε 4
And the like are referred to as non-linear dielectric constants. In this basic circuit, the responsiveness to an oscillation signal, which is an electric signal, is observed. Therefore, the nonlinear dielectric constant referred to here is a nonlinear dielectric constant in an electric region. In addition, the tertiary dielectric constant ε 3 is inverted between positive and negative, especially when the direction of the AC electric field Ep and the direction of the polarization P are the same, and when the direction of the AC electric field Ep and the direction of the polarization P are opposite. . Also, in Equation 8, 4
The dielectric constant higher than the next dielectric constant ε 4 is ignored,
Since the higher-order permittivity is sufficiently smaller than the second-order, third-order, and fourth-order permittivity, there is no effect of ignoring the higher-order permittivity in the following description. In the following description, the mathematical expressions are limited to one dimension in the thickness direction of the dielectric sample 2. Further, since the capacitance Cs formed by the minute region 2a sandwiched between the measurement electrode 50 and the electrode 4 is proportional to the dielectric constant εt, the thickness d of the dielectric sample 2 and the tip of the measurement electrode 50 are Using the positive constant Ce determined by the area and the dielectric sample 2 and Equation 8, the following equation 18 can be used.
【0042】[0042]
【数18】 Cs=Ce(1/d){ε2+ε3Ep+(1/2)ε4Ep2}Cs = Ce (1 / d) {ε 2 + ε 3 Ep + (1/2) ε 4 Ep 2 }
【0043】また、数18で表されるキャパシタンスC
sは、次の数19で表されるキャパシタンスC0と次の
数20で表されるキャパシタンス変化量△Cを用いると
数21のように表すことができる。ここで、キャパシタ
ンスC0は、交流電圧Vpが印加されていないときの測
定電極50と電極4と測定電極50と電極4とによって
挟設された上記微小領域2aが構成するキャパシタンス
であり、キャパシタンス変化量△Cは、交流電圧Vpを
印加したときのキャパシタンスC0からのキャパシタン
ス変化量である。Further, the capacitance C expressed by the equation (18)
s can be expressed as in Expression 21 by using a capacitance C 0 expressed by Expression 19 and a capacitance change amount ΔC expressed by Expression 20. Here, the capacitance C 0 is a capacitance formed by the minute region 2a sandwiched between the measurement electrode 50, the electrode 4, the measurement electrode 50, and the electrode 4 when the AC voltage Vp is not applied, and The amount ΔC is a capacitance change amount from the capacitance C 0 when the AC voltage Vp is applied.
【0044】[0044]
【数19】C0=Ce(1/d)ε2 C 0 = Ce (1 / d) ε 2
【数20】 △C=Ce(1/d){ε3Ep+(1/2)ε4Ep2}CC = Ce (1 / d) {ε 3 Ep + (1/2) ε 4 Ep 2 △
【数21】Cs=C0+△C## EQU21 ## Cs = C 0 + △ C
【0045】数7で表される交流電界Epを数20の右
辺に代入して、さらに数22で表される三角関数の公式
を用いて変形すると、△Cは数23のように表すことが
できる。By substituting the AC electric field Ep expressed by the equation (7) into the right side of the equation (20), and further transforming it using the formula of the trigonometric function expressed by the equation (22), ΔC can be expressed by the following equation (23). it can.
【0046】[0046]
【数22】cos2(ωp・t)={1+cos(2ωp・t)}/2Cos 2 (ωp · t) = {1 + cos (2ωp · t)} / 2
【数23】△C=Ce(1/d){ε4Ep0 2/4+ε3Ep0cos
(ωp・t)+(ε4Ep0 2/4)cos(2ωp・t)}Equation 23] △ C = Ce (1 / d ) {ε 4 Ep 0 2/4 + ε 3 Ep 0 cos
(ωp · t) + (ε 4 Ep 0 2/4) cos (2ωp · t)}
【0047】さらに、数23は、次の数24と数25と
数26で表されるキャパシタンス変化量△C2,△C3,
△C4を用いて数27のように書き換えることができ
る。ここで、キャパシタンス変化量△C2は、4次の誘
電率ε4と交流電界Epの振幅Ep0の2乗に比例して時
間的には変化しない変化量であって、キャパシタンス変
化量△C3は、3次の誘電率ε3と交流電界Epの振幅E
p0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωpを有して交
番的に変化するキャパシタンス変化量である。また、キ
ャパシタンス変化量△C4は、4次の誘電率ε4と交流電
界Epの振幅Ep0の2乗に比例する振幅を有しかつ角
周波数2ωpを有して交番的に変化するキャパシタンス
変化量である。Further, Equation 23 is obtained by changing the capacitances ΔC 2 , ΔC 3 , which are expressed by the following Equations 24, 25 and 26.
It can be rewritten as Equation 27 using ΔC 4 . Here, the capacitance change amount ΔC 2 is a change amount that does not change with time in proportion to the square of the fourth-order permittivity ε 4 and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and the capacitance change amount ΔC 2 3 is the third dielectric constant ε 3 and the amplitude E of the AC electric field Ep.
This is a capacitance change amount having an amplitude proportional to p 0 and having an angular frequency ωp and changing alternately. Further, the capacitance variation △ C 4 is the fourth-order dielectric constant epsilon 4 with alternating electric field Ep of the change in capacitance that varies alternately have a and angular frequency 2ωp an amplitude proportional to the square of the amplitude Ep 0 Quantity.
【0048】[0048]
【数24】△C2=Ce(1/d)(ε4Ep0 2/4)Equation 24] △ C 2 = Ce (1 / d) (ε 4 Ep 0 2/4)
【数25】△C3=Ce(1/d)ε3Ep0cos(ωp・t)25C 3 = Ce (1 / d) ε 3 Ep 0 cos (ωp · t)
【数26】△C4=Ce(1/d)(ε4Ep0 2/4)cos(2ωp・
t)[Number 26] △ C 4 = Ce (1 / d) (ε 4 Ep 0 2/4) cos (2ωp ·
t)
【数27】△C=△C2+△C3+△C4 数 C = △ C 2 + △ C 3 + △ C 4
【0049】一方、キャパシタ部1とコイル6は上述の
ようにLC共振回路を構成し、上記LC共振回路の共振
周波数fLCは、公知のように次の数28で表される。On the other hand, the capacitor section 1 and the coil 6 constitute an LC resonance circuit as described above, and the resonance frequency f LC of the LC resonance circuit is expressed by the following equation 28 as is known.
【0050】[0050]
【数28】fLC=1/{2π√(L・Cs)} =1/[2π√{L・(C0+ΔC)}]F LC = 1 / {2π√ (L · Cs)} = 1 / [2π√ {L · (C 0 + ΔC)}]
【0051】また、数25におけるε3Ep0と数26に
おけるε4Ep0 2/4は、2次の誘電率ε2に比べて十分
小さいので、数19と数20よりC0≫ΔCが成り立
つ。従って、数28を数29で表される近似式を用いて
書き換えると、上記キャパシタンス変化量△Cと共振周
波数変化量△fLCの関係は、数30のように表わすこと
ができる。[0051] Further, the ε 4 Ep 0 2/4 in the epsilon 3 Ep 0 to the number 26 in number 25, since the secondary sufficiently smaller than the dielectric constant epsilon 2, the number 19 to the number 20 from the C 0 »ΔC is Holds. Therefore, when Expression 28 is rewritten using the approximate expression expressed by Expression 29, the relationship between the capacitance change amount ΔC and the resonance frequency change amount Δf LC can be expressed as Expression 30.
【0052】[0052]
【数29】√(1+△C/C0)=(1+△C/C0)-1/2≒1−
(1/2)(△C/C0)数 (1 + △ C / C 0 ) = (1 + △ C / C 0 ) -1/2 ≒ 1−
(1/2) (△ C / C 0 )
【数30】△C/C0=−2△fLC/fLC 数 C / C 0 = −2 △ f LC / f LC
【0053】以上のように、上記LC共振回路の共振周
波数fLCは、上記キャパシタンスCsのキャパシタンス
変化量△Cに比例して共振周波数変化量△fLCだけ変化
する。また、上記共振回路部10と負性抵抗回路5は、
発振器20を構成しているので、上記発振器20は、上
記共振周波数fLCと同じ周波数である発振周波数fOSC
を有する発振信号を発振して発生してFM復調回路26
に出力する。ここで、上述のように上記LC共振回路の
共振周波数fLCは、上記キャパシタンスCsのキャパシ
タンス変化量△Cに比例して共振周波数変化量△fLCだ
け変化するので、上記発振周波数fOSCも同様に、上記
キャパシタンスCsのキャパシタンス変化量△Cに比例
して変化する。また、上述のようにキャパシタンス変化
量△Cは、3次の誘電率ε3と交流電界Epの振幅Ep0
に比例する振幅を有しかつ角周波数ωpを有して交番的
に変化するキャパシタンス変化量△C3と、4次の誘電
率ε4と交流電界Epの振幅Ep0の2乗に比例する振幅
を有しかつ角周波数2ωpを有して交番的に変化するキ
ャパシタンス変化量△C4を含むので、上記発振信号
は、3次の誘電率ε3と交流電界Epの振幅Ep0に比例
する振幅を有しかつ角周波数ωpすなわち周波数fpを
有する信号S3と、4次の誘電率ε4と交流電界Epの振
幅Ep0の2乗に比例する振幅を有しかつ角周波数2ω
pすなわち周波数2fpを有する信号S4によって周波
数変調された発振信号である。このとき、上記周波数変
調された発振信号の周波数偏移は、信号S3の振幅と、
信号S4の振幅に比例する。As described above, the resonance frequency f LC of the LC resonance circuit changes by the resonance frequency change Δf LC in proportion to the capacitance change ΔC of the capacitance Cs. The resonance circuit section 10 and the negative resistance circuit 5
Since the oscillator 20 is configured, the oscillator 20 has an oscillation frequency f OSC that is the same frequency as the resonance frequency f LC.
Oscillates and generates an FM demodulation circuit 26
Output to Here, the resonance frequency f LC of the LC resonant circuit as described above, since the changes by the capacitance change amount △ proportion to C and resonance frequency variation △ f LC of the capacitance Cs, the oscillation frequency f OSC same Then, the capacitance Cs changes in proportion to the capacitance change amount ΔC. Further, as described above, the capacitance change amount ΔC is determined by the third-order dielectric constant ε 3 and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep.
Amplitude proportional to the square of the amplitude Ep 0 of the capacitance variation △ C 3 to have a have an amplitude and angular frequency ωp varies alternately proportional, fourth-order dielectric constant epsilon 4 with alternating electric field Ep in since the a and having an angular frequency 2ωp including a capacitance variation △ C 4 which changes alternately, the oscillation signal is proportional to the cubic dielectric constant epsilon 3 and the AC electric field amplitude Ep 0 of Ep amplitude And a signal S 3 having an angular frequency ωp, that is, a frequency fp, and an amplitude proportional to the square of the fourth-order permittivity ε 4 and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and having an angular frequency 2ω
p, that is, an oscillation signal frequency-modulated by the signal S 4 having a frequency of 2 fp. In this case, the frequency deviation of the frequency-modulated oscillation signal, the amplitude of the signal S 3,
Is proportional to the amplitude of the signal S 4.
【0054】上記FM復調回路26は、上記発振信号を
FM復調処理して、3次の誘電率ε3と交流電界Epの
振幅Ep0に比例する振幅を有しかつ周波数fpを有す
る信号S3と、4次の誘電率ε4と交流電界Epの振幅E
p0の2乗に比例する振幅を有しかつ周波数2fpを有
する信号S4を含む復調信号をロックインアンプ27の
端子T1に出力する。The FM demodulation circuit 26 performs an FM demodulation process on the oscillating signal to perform a signal S 3 having a third-order dielectric constant ε 3 and an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and having the frequency fp. And the fourth-order permittivity ε 4 and the amplitude E of the AC electric field Ep
A demodulated signal including a signal S 4 having an amplitude proportional to the square of p 0 and having a frequency of 2 fp is output to a terminal T 1 of the lock-in amplifier 27.
【0055】ロックインアンプ27において、混合器2
77aは、増幅された後に同相分配された一方の復調信
号と、波形整形されかつ90度移相された基準信号とを
乗算して混合し、上記復調信号の周波数と上記基準信号
の周波数の和と差の周波数を有する信号に変換して低域
通過フィルタ278aに出力し、低域通過フィルタ27
8aは、混合後の信号のうち直流成分である出力電圧│
Va│sinφのみを端子T3を介して表示制御部28
に出力する。一方、混合器277bは、同相分配された
他方の復調信号と波形整形された基準信号とを乗算して
混合し、上記復調信号の周波数と上記基準信号の周波数
の和と差の周波数を有する信号に変換して、低域通過フ
ィルタ278bに出力し、低域通過フィルタ278b
は、混合後の信号のうちの直流成分である出力電圧│V
a│cosφのみを端子T4を介して表示制御部28に
出力する。In the lock-in amplifier 27, the mixer 2
77a multiplies and mixes one demodulated signal that has been amplified and distributed in phase with a reference signal that has been waveform-shaped and phase-shifted by 90 degrees, and mixes the sum of the frequency of the demodulated signal and the frequency of the reference signal. And outputs the signal to the low-pass filter 278a.
8a is an output voltage | which is a DC component of the mixed signal.
Va│sinφ is applied to the display control unit 28 via the terminal T3.
Output to On the other hand, the mixer 277b multiplies and mixes the other demodulated signal in-phase distributed with the waveform-shaped reference signal and mixes the resulting signal with a signal having a frequency equal to the sum of the frequency of the demodulated signal and the frequency of the reference signal. And outputs it to the low-pass filter 278b.
Is the output voltage | V, which is the DC component of the mixed signal.
Only a│cosφ is output to the display control unit 28 via the terminal T4.
【0056】ここで、信号S3は上記基準信号の周波数
fpを有する信号であるので、上記混合器277aと上
記混合器277bはそれぞれ、上記基準信号と周波数f
pを有する信号S3とを乗算して混合したときに発生す
る直流信号である出力電圧│Va│sinφと出力電圧
│Va│cosφを出力する。すなわち出力電圧Va1
と出力電圧Va2は位相差φと3次の誘電率ε3に対応し
た電圧になる。ここで特に、3次の誘電率ε3が実数で
あってかつ正の値のときには、数25から明らかなよう
に、キャパシタンス変化量ΔC3と交流電界Epは同相
で変化する。また、数30から明らかなように、上記キ
ャパシタンス変化量ΔC3は、共振周波数変化量ΔfLC
と逆相で変化する。以上のことから、3次の誘電率ε3
が実数であってかつ正の値のときには、共振周波数変化
量ΔfLCは交流電界Epと逆相で変化する。さらに、交
流電界Epと交流電圧Vpは同相で変化するので、3次
の誘電率ε3が実数であってかつ正の値のときには、上
記基準信号と上記信号S3の位相差φはπになる。また
同様に3次の誘電率ε3が実数であってかつ負の値のと
きには、上記基準信号と上記信号S3の位相差φは0に
なる。以上のように、3次の誘電率ε3が実数のときに
は、上記基準信号と上記信号S3の位相差φは0かπの
値をとり、出力電圧Va1は、0となり、出力電圧Va2
のみが出力される。また、3次の誘電率ε3が正のとき
には、位相差φはπになって出力電圧Va2はマイナス
の値で出力されて、3次の誘電率ε3が負のときには、
位相差φは0になって出力電圧Va2はプラスの値で出
力される。Here, since the signal S 3 is a signal having the frequency fp of the reference signal, the mixer 277a and the mixer 277b respectively transmit the reference signal and the frequency f.
and outputs a DC signal which is output voltage │Va│sinφ the output voltage │Va│cosφ that occurs upon mixing by multiplying the signal S 3 having to p. That is, the output voltage Va 1
And the output voltage Va 2 becomes a voltage corresponding to the phase difference φ and the third-order permittivity ε 3 . Here, in particular, when the third-order dielectric constant ε 3 is a real number and a positive value, as is apparent from Equation 25, the capacitance change amount ΔC 3 and the AC electric field Ep change in phase. As is apparent from Equation 30, the capacitance change amount ΔC 3 is equal to the resonance frequency change amount Δf LC
And changes in the opposite phase. From the above, the third-order dielectric constant ε 3
Is a real number and a positive value, the resonance frequency change amount Δf LC changes in the opposite phase to the AC electric field Ep. Further, since the AC electric field Ep and the AC voltage Vp change in phase, when the third-order dielectric constant ε 3 is a real number and a positive value, the phase difference φ between the reference signal and the signal S 3 becomes π. Become. Similarly, when the third-order permittivity ε 3 is a real number and a negative value, the phase difference φ between the reference signal and the signal S 3 becomes zero. As described above, when the third-order permittivity ε 3 is a real number, the phase difference φ between the reference signal and the signal S 3 takes a value of 0 or π, the output voltage Va 1 becomes 0, and the output voltage Va Two
Only output. When the third-order permittivity ε 3 is positive, the phase difference φ becomes π, and the output voltage Va 2 is output as a negative value. When the third-order permittivity ε 3 is negative,
The phase difference φ becomes 0, and the output voltage Va 2 is output with a positive value.
【0057】次に、表示制御部28は、入力される電圧
Va1,Va2から位相差φと電圧│Va│を演算し
て、機構制御部25から入力される位置信号と、電圧V
a1,Va2,│Va│と、上記位相差φのうちから指
定されるパラメータをディスプレイ29の表示画面上に
表示するようにディスプレイ29を制御する。これに応
答して、上記ディスプレイ29は表示制御部28の指示
信号に従って各パラメータの各値を表示する。Next, the display control unit 28 calculates the phase difference φ and the voltage | Va | from the input voltages Va 1 and Va 2 , and outputs the position signal input from the mechanism control unit 25 and the voltage V
The display 29 is controlled so that parameters designated from among a 1 , Va 2 , | Va | and the phase difference φ are displayed on the display screen of the display 29. In response, the display 29 displays each value of each parameter according to the instruction signal of the display control unit 28.
【0058】以上詳述したように、上記測定電極50と
上記電極4に交流電界Vpを印加して上記誘電体試料2
の微小領域2aに交流電界Epを発生させると、上記発
振器20は、上記信号S3を含む信号によって周波数変
調された発振信号を発振して発生する。次にFM復調回
路26は、上記発振信号をFM復調して上記信号S3を
含む復調信号を発生する。さらに、ロックインアンプ2
7は、上記復調信号を周波数fpを有する基準信号に基
づいて上記復調信号を同期検波して、上記信号S3の振
幅に比例した、すなわち上記微小領域2aの3次の誘電
率ε3と上記交流電圧Vpの振幅に比例した直流信号を
出力する。従って、上記機構部7と機構制御部25によ
って、上記微小領域2aの位置を順次変えて上記直流信
号を測定することによって、各微小領域2aの電気的領
域における3次の誘電率ε3の違いを上記直流信号の値
によって観測することができる。また、上記基本回路を
備えた非線形誘電率測定装置は、上記ロックインアンプ
27を備え、上述したように、位相差φの値も出力でき
るので、3次の誘電率ε3をその絶対値と位相の形で観
測することもできる。一方、材料の分極は、それを構成
するミクロな双極子の体積平均値で与えられるが、この
分極が完全に一方向を向いたとき、材料の一軸異方性も
最も大きくなり、その結果、3次の誘電率ε3も最大に
なる。これとは逆に、ミクロな双極子がランダムな方向
を向くと、その結果、分極も0となり、測定方向に方向
性がなくなるので、3次の誘電率ε3も0となる。ま
た、分極が逆方向を向いた場合は、3次の誘電率ε3は
その符号を変える。材料の分極と3次の誘電率の間に
は、以上のような関係があるので、測定された3次の誘
電率ε3に基づいて、上記誘電体試料2の微小領域2a
における分極の状態を観測する事ができる。As described in detail above, an AC electric field Vp is applied to the measurement electrode 50 and the electrode 4 to apply the dielectric sample 2
When is the generation of small regions 2a to alternating electric field Ep, the oscillator 20 generates oscillates an oscillation signal frequency-modulated by a signal containing the signal S 3. Next FM demodulation circuit 26 FM demodulating the oscillating signal to generate a demodulated signal containing the signal S 3. Furthermore, lock-in amplifier 2
7, by synchronous detection of said demodulated signal on the basis of a reference signal having a frequency fp the demodulated signal, proportional to the amplitude of the signal S 3, i.e. the cubic dielectric constant epsilon 3 and above the small region 2a It outputs a DC signal proportional to the amplitude of the AC voltage Vp. Therefore, by sequentially changing the position of the minute region 2a and measuring the DC signal by the mechanism unit 7 and the mechanism control unit 25, the difference in the third-order dielectric constant ε 3 in the electrical region of each minute region 2a is obtained. Can be observed by the value of the DC signal. Further, since the nonlinear dielectric constant measuring apparatus having the basic circuit includes the lock-in amplifier 27 and can also output the value of the phase difference φ as described above, the third-order dielectric constant ε 3 is defined as the absolute value. It can also be observed in phase form. On the other hand, the polarization of a material is given by the volume average value of the micro dipoles that compose it. When this polarization is completely oriented in one direction, the uniaxial anisotropy of the material also becomes the largest, and as a result, The third-order permittivity ε 3 also becomes maximum. Conversely, when the micro dipole points in a random direction, the polarization becomes zero as a result, and the measurement direction has no directivity, so that the third-order dielectric constant ε 3 also becomes zero. When the polarization is in the opposite direction, the third-order permittivity ε 3 changes its sign. Since the above relationship exists between the polarization of the material and the third-order permittivity, the minute region 2a of the dielectric sample 2 is determined based on the measured third-order permittivity ε 3.
The state of polarization at can be observed.
【0059】以上の基本回路においては、基準信号に周
波数fpを有する交流電圧Vpを用いて構成して3次の
誘電率ε3を測定しているが、本発明はこれに限らず、
周波数2fpを有する信号を基準信号として用いて、4
次の誘電率ε4を求めるように構成してもよい。以上の
ようにして、電気的領域における非線形誘電率を測定す
ることができる。In the above basic circuit, a third-order dielectric constant ε 3 is measured by using an AC voltage Vp having a frequency fp as a reference signal, but the present invention is not limited to this.
Using a signal having a frequency of 2 fp as a reference signal, 4
It may be configured to determine the next permittivity epsilon 4. As described above, the nonlinear dielectric constant in the electric region can be measured.
【0060】また、ロックインアンプ27を用いて復調
信号を同期検波しているので、基準信号に同期しない所
望されない他の雑音を除去して、ロックインアンプ27
で得られる直流信号の信号電力対雑音電力比S/Nを大
幅に改善することができ、3次の誘電率ε3の測定の精
度をさらに高めることができる。Further, since the demodulated signal is synchronously detected using the lock-in amplifier 27, other unwanted noise not synchronized with the reference signal is removed, and the lock-in amplifier 27 is removed.
A signal power to noise power ratio S / N of the DC signal obtained by can be significantly improved, it is possible to further enhance the accuracy of the third-order dielectric constant epsilon 3 measurements.
【0061】以上の基本回路においては、ロックインア
ンプ27の出力を観測しているが、本発明はこれに限ら
ず、FM復調回路26から出力される復調信号を観測し
て誘電体試料2の微小領域2aにおける3次の誘電率ε
3を測定するようにしてもよい。この場合においては、
発振器20における変調指数を1より十分に小さい値に
設定して、搬送波と側波帯のエネルギーが概ね、搬送波
と第1上側波帯と第1下側波帯に含まれるようにする。
このときの第1上側波帯及び第1下側波帯のうちの少な
くとも1つの振幅をスペクトラムアナライザなどで測定
することにより、ロックインアンプ27を使用したとき
の出力電圧Va(直流信号の絶対値)に比例した信号電
圧を得ることができ、上述と同様に3次の誘電率ε3を
測定することができる。また、第2上側波帯及び第2下
側波帯のうちの少なくとも1つの振幅をスペクトラムア
ナライザなどで測定することにより、4次の誘電率ε4
を測定することができる。In the above basic circuit, the output of the lock-in amplifier 27 is observed. However, the present invention is not limited to this, and the demodulated signal output from the FM demodulation circuit 26 is observed and the Third-order dielectric constant ε in minute region 2a
3 may be measured. In this case,
The modulation index in the oscillator 20 is set to a value sufficiently smaller than 1, so that the energy of the carrier and the sidebands are substantially included in the carrier, the first upper sideband, and the first lower sideband.
At this time, the amplitude of at least one of the first upper sideband and the first lower sideband is measured by a spectrum analyzer or the like, so that the output voltage Va (absolute value of the DC signal) when the lock-in amplifier 27 is used. ) Can be obtained, and the third-order permittivity ε 3 can be measured in the same manner as described above. Also, by measuring the amplitude of at least one of the second upper sideband and the second lower sideband with a spectrum analyzer or the like, the fourth-order permittivity ε 4
Can be measured.
【0062】<第一の実施例>図3は本発明に係る第一
の実施例の非線形誘電率測定装置の構造を示すブロック
図である。図3の第一の実施例の非線形誘電率測定装置
は、図1のLC共振回路に代えてリエントラント型空胴
共振器30を備えて共振回路部10aを構成したことを
特徴とする。第一の実施例の非線形誘電率測定装置は、
共振回路部10a以外の構成は、上述の基本回路と同様
に構成される。以上のような構成により、第一の実施例
の非線形誘電率測定装置は、電気的領域の非線形誘電率
を測定することができる。以下、図面を用いて第一の実
施例の非線形誘電率測定装置の構成を説明する。<First Embodiment> FIG. 3 is a block diagram showing the structure of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 3 is characterized in that a resonance circuit section 10a is provided with a reentrant cavity resonator 30 instead of the LC resonance circuit shown in FIG. The nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment is
The configuration other than the resonance circuit section 10a is configured similarly to the above-described basic circuit. With the configuration as described above, the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first embodiment can measure the nonlinear dielectric constant in the electric region. Hereinafter, the configuration of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
【0063】図4は、誘電体試料2と接したときのリエ
ントラント型空胴共振器30の断面図であり、図5はリ
エントラント型空胴共振器30を誘電体試料2と接する
方向から見た平面図である。上記誘電体試料2は、図4
に示すように、図1の誘電体試料2と同様、略平行な上
面と下面を有し、誘電体試料2の下面には電極4が形成
される。上記リエントラント型空胴共振器30は、導体
ケース31と、中心導体32と、コネクタ40とによっ
て構成される。上記導体ケース31は、誘電体試料2の
表面と接する円環状の接触表面部33を備えた下底面
と、厚さ方向に貫通して形成されコネクタ40を取り付
けるための円形状の孔34を備えた上底面を有する円筒
状の導体からなる。また、上記中心導体32は、円柱状
の導体からなり、中心導体32の軸と上記導体ケース3
1の軸が一致するように、その一端は上記導体ケース3
1の上底面の中央部に連結される一方、その他端は円す
い状に細くなるように形成されて、その先端に誘電体試
料2の微小領域2aに所定の接触面積を有して接触する
先端部35を備える。コネクタ40は、外導体41と絶
縁体42と中心導体43を備えて構成され、上記中心導
体43は導体ケース31と絶縁された状態で上記孔34
を貫通する。そして中心導体43は、接続導体44を介
して上記中心導体32と接続される。また、上記外導体
41は、上記導体ケースと電気的に接続されて、コネク
タ40が上記導体ケース31に固定される。以上のよう
な構成によって、上記接触表面部33と電極4との間に
挟設された誘電体試料2の一部分である円環形状の領域
2bによってキャパシタンスCgが形成され、先端部3
5と電極4との間に挟設された誘電体試料2の微小領域
2aによってキャパシタンスCsが形成される。ここ
で、先端部35の接触面積は接触表面部33が誘電体試
料2に接触する接触面積に比較すると十分小さくなるよ
うに構成される。FIG. 4 is a cross-sectional view of the reentrant cavity resonator 30 when it comes into contact with the dielectric sample 2, and FIG. 5 shows the reentrant cavity resonator 30 as seen from the direction in contact with the dielectric sample 2. It is a top view. The dielectric sample 2 is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, similarly to the dielectric sample 2 of FIG. 1, the dielectric sample 2 has substantially parallel upper and lower surfaces, and an electrode 4 is formed on the lower surface of the dielectric sample 2. The reentrant cavity resonator 30 includes a conductor case 31, a center conductor 32, and a connector 40. The conductor case 31 includes a lower bottom surface having an annular contact surface portion 33 in contact with the surface of the dielectric sample 2 and a circular hole 34 formed through the thickness direction to mount the connector 40. And a cylindrical conductor having an upper bottom surface. The center conductor 32 is formed of a columnar conductor, and the axis of the center conductor 32 and the conductor case 3
One end is connected to the conductor case 3 so that the axes of
1 is connected to the center of the upper bottom surface, while the other end is formed so as to be conical and thin, and the leading end thereof comes into contact with the minute region 2a of the dielectric sample 2 with a predetermined contact area. A unit 35 is provided. The connector 40 includes an outer conductor 41, an insulator 42, and a center conductor 43. The center conductor 43 is insulated from the conductor case 31 and has the hole 34.
Penetrate through. The center conductor 43 is connected to the center conductor 32 via the connection conductor 44. The outer conductor 41 is electrically connected to the conductor case, and the connector 40 is fixed to the conductor case 31. With the above configuration, the capacitance Cg is formed by the ring-shaped region 2b which is a part of the dielectric sample 2 sandwiched between the contact surface portion 33 and the electrode 4, and the tip portion 3
The capacitance Cs is formed by the minute region 2a of the dielectric sample 2 sandwiched between the electrode 5 and the electrode 4. Here, the contact area of the tip portion 35 is configured to be sufficiently smaller than the contact area of the contact surface portion 33 in contact with the dielectric sample 2.
【0064】図3に示すように、交流電源9は、交流電
圧Vpを上記リエントラント型空胴共振器30の導体ケ
ース31と電極4に印加することにより、微小領域2a
と領域2bに交流電界Epを発生させる一方、上記交流
電圧Vpを基準信号として、ロックインアンプ27に出
力する。またさらに、機構部7はその上面に形成された
絶縁部8を備え、上記誘電体試料2をその表面上に載置
して保持し、かつ機構制御部25からの制御信号に応答
して、誘電体試料2を上記中心導体32の先端部35と
上記導体ケース31の接触表面部33が上記誘電体試料
2の上面と接した状態を保ったまま誘電体試料2を一次
元方向または二次元方向に移動させる。以上のようにし
て、第一の実施例の非線形誘電率測定装置の共振回路部
10aは構成される。また、共振回路部10a以外の部
分は上述の図1の基本回路と同様に構成される。As shown in FIG. 3, the AC power supply 9 applies the AC voltage Vp to the conductor case 31 and the electrode 4 of the reentrant cavity resonator 30 so that the minute area 2 a
And the region 2b generates an AC electric field Ep, and outputs the AC voltage Vp to the lock-in amplifier 27 as a reference signal. Further, the mechanism section 7 includes an insulating section 8 formed on the upper surface thereof, the dielectric sample 2 is placed and held on the surface thereof, and in response to a control signal from the mechanism control section 25, The dielectric sample 2 is moved one-dimensionally or two-dimensionally while the tip 35 of the center conductor 32 and the contact surface 33 of the conductor case 31 are kept in contact with the upper surface of the dielectric sample 2. Move in the direction. As described above, the resonance circuit section 10a of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first embodiment is configured. Parts other than the resonance circuit section 10a are configured in the same manner as the above-described basic circuit of FIG.
【0065】図6は上述のように構成されたキャパシタ
部1と交流電源9を含むリエントラント型空胴共振器3
0の等価回路を表す回路図である。図6の等価回路は、
中心導体32と接地導体である上記導体ケース31の円
筒状の側面とによって構成される伝送線路の一端が導体
ケース31の上底面である短絡面36によって短絡さ
れ、上記伝送線路の他端である上記中心導体32の先端
部35である端子T35と上記導体ケース31の接触表
面部33である端子T33はそれぞれキャパシタンスC
sとキャパシタンスCgを介して電極4に接続されてい
る。また接地導体である上記導体ケース31と電極4の
間には交流電源9が接続される。FIG. 6 shows a reentrant cavity resonator 3 including the capacitor unit 1 and the AC power supply 9 configured as described above.
It is a circuit diagram showing the equivalent circuit of 0. The equivalent circuit of FIG.
One end of the transmission line constituted by the center conductor 32 and the cylindrical side surface of the conductor case 31 which is a ground conductor is short-circuited by the short-circuit surface 36 which is the upper bottom surface of the conductor case 31, and is the other end of the transmission line. The terminal T35, which is the tip portion 35 of the center conductor 32, and the terminal T33, which is the contact surface portion 33 of the conductor case 31, are each a capacitance C.
s and the capacitance Cg are connected to the electrode 4. An AC power supply 9 is connected between the conductor case 31 which is a ground conductor and the electrode 4.
【0066】以上のように構成された第一の実施例の非
線形誘電率測定装置において、上記交流電源9が、上記
リエントラント型空胴共振器30の導体ケース31と上
記電極4に交流電圧Vpを印加すると、上記誘電体試料
2の微小領域2aと上記接触表面部33と電極4との間
に位置する領域2bに交流電界Epが発生する。上記微
小領域2aと上記領域2bはどちらも上記交流電界Ep
によって誘電率が変化してキャパシタンスCs,Cgが
変化する。このとき、上記接触表面部33の接触面積
は、上記先端部35の接触面積に比較すると十分大きい
ので、キャパシタンスCg≫キャパシタンスCsが成り
立つ。また図6に示すように、キャパシタンスCgとキ
ャパシタンスCsは直列接続になるので、上記誘電体試
料2と電極4を含むリエントラント型空胴共振器30の
共振周波数は、キャパシタンスCsの変化に伴って変化
するが、キャパシタンスCgの変化による共振周波数へ
の影響は無視できる。In the non-linear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment configured as described above, the AC power supply 9 applies the AC voltage Vp to the conductor case 31 of the reentrant cavity resonator 30 and the electrode 4. When applied, an alternating electric field Ep is generated in the minute region 2a of the dielectric sample 2 and the region 2b located between the contact surface portion 33 and the electrode 4. Both the minute area 2a and the area 2b are connected to the AC electric field Ep.
As a result, the dielectric constant changes, and the capacitances Cs and Cg change. At this time, since the contact area of the contact surface portion 33 is sufficiently larger than the contact area of the tip portion 35, the capacitance Cg≫the capacitance Cs holds. Further, as shown in FIG. 6, since the capacitance Cg and the capacitance Cs are connected in series, the resonance frequency of the reentrant cavity 30 including the dielectric sample 2 and the electrode 4 changes with the change of the capacitance Cs. However, the influence of the change in the capacitance Cg on the resonance frequency can be ignored.
【0067】また、上記リエントラント型空胴共振器3
0の共振条件はよく知られたように次の数31で与えら
れる。数31中、Lcは当該リエントラント空胴共振器
30の共振器長であり、vcは真空中の光の速度であ
り、Yは、リエントラント型空胴共振器30の上記導体
ケース31と上記中心導体32とを同軸線路と見たとき
の同軸線路の特性アドミタンスであって、数32で表さ
れる当該同軸線路の特性インピーダンスZの逆数で表さ
れる。ここで、数32におけるaは中心導体32の径で
あり、bは導体ケース31の内径である。また、μ0は
真空中の透磁率であり、ε0は真空中の誘電率である。
さらに数31は、数33に変形することができ、またさ
らに数33は数34のように変形することができる。従
って、数34より、上記共振器長Lcは数35で与えら
れる。The above-mentioned reentrant cavity resonator 3
The resonance condition of 0 is given by the following equation 31 as is well known. In Equation 31, Lc is the resonator length of the reentrant cavity resonator 30, vc is the speed of light in vacuum, and Y is the conductor case 31 and the center conductor of the reentrant cavity resonator 30. 32 is a characteristic admittance of the coaxial line when 32 is regarded as a coaxial line, and is represented by the reciprocal of the characteristic impedance Z of the coaxial line represented by Expression 32. Here, a in Equation 32 is the diameter of the center conductor 32, and b is the inner diameter of the conductor case 31. Μ 0 is the magnetic permeability in a vacuum, and ε 0 is the dielectric constant in a vacuum.
Furthermore, Equation 31 can be transformed into Equation 33, and Equation 33 can be further transformed as Equation 34. Therefore, from Equation 34, the resonator length Lc is given by Equation 35.
【0068】[0068]
【数31】ωr・Cs−Ycot(ωr・Lc/vc)=0Ωr · Cs−Ycot (ωr · Lc / vc) = 0
【数32】Z={1/(2π)}√(μ0/ε0)ln(b/a)(32) Z = {1 / (2π)} √ (μ 0 / ε 0 ) ln (b / a)
【数33】tan(ωr・Lc/vc)=Y/(ωr・Cs)Tan (ωr · Lc / vc) = Y / (ωr · Cs)
【数34】ωr・Lc/vc=tan-1{Y/(ωr・Cs)}Ωr · Lc / vc = tan −1 {Y / (ωr · Cs)}
【数35】Lc=(vc/ωr)tan-1{Y/(ωr・Cs)}Lc = (vc / ωr) tan -1 {Y / (ωr · Cs)}
【0069】次に、上記リエントラント空胴共振器30
の角共振周波数ωrを数36のように表して、数36で
表される角共振周波数ωrと数21で表されるキャパシ
タンスCsとを数31に代入すると、数31は数37の
ように表される。ここで、数36中、ω0は、誘電体試
料2に交流電圧Vpを印加していないときの、上記リエ
ントラント空胴共振器30の角共振周波数である。ま
た、Δωは、誘電体試料2に交流電圧Vpを印加したと
きの、上記リエントラント空胴共振器30の角共振周波
数ω0からの角共振周波数変化量である。Next, the reentrant cavity resonator 30
Is expressed as in Equation 36, and the angular resonance frequency ωr expressed in Equation 36 and the capacitance Cs expressed in Equation 21 are substituted into Equation 31. Equation 31 is expressed as Equation 37. Is done. Here, in Equation 36, ω 0 is the angular resonance frequency of the reentrant cavity resonator 30 when the AC voltage Vp is not applied to the dielectric sample 2. Δω is the amount of change in the angular resonance frequency from the angular resonance frequency ω 0 of the reentrant cavity resonator 30 when the AC voltage Vp is applied to the dielectric sample 2.
【0070】[0070]
【数36】ωr=ω0+ΔωΩr = ω 0 + Δω
【数37】(ω0+Δω)(C0+ΔC)−Ycot{(ω0/vc+
Δω/vc)・Lc}=0(37) (ω 0 + Δω) (C 0 + ΔC) −Ycot {(ω 0 / vc +
Δω / vc) · Lc} = 0
【0071】ここで、ω0≫Δω,C0≫ΔCであるか
ら、数37において、数38で表される近似式を用いる
ことができ、またΔω×ΔC≒0と近似することができ
る。以上のことから、数37は数39のように表わすこ
とができる。Here, since ω 0 ≫Δω, C 0 ≫ΔC, the approximate expression expressed by Expression 38 can be used in Expression 37, and it can be approximated as Δω × ΔC ≒ 0. From the above, Equation 37 can be expressed as Equation 39.
【0072】[0072]
【数38】cot{(ω0/vc+Δω/vc)・Lc}≒cot{(ω0/
vc)・Lc}−[cosec2{(ω0/vc)・Lc}]・(Δω/vc)・Lc38] cot {(ω 0 / vc + Δω / vc) · Lc} ≒ cot {(ω 0 /
vc) · Lc} − [cosec 2 {(ω 0 / vc) · Lc}] · (Δω / vc) · Lc
【数39】ω0C0+ΔωC0+ω0ΔC−Ycot{(ω0/v
c)・Lc}+[Y・cosec2{(ω0/vc)・Lc}]・(Δω/vc)・Lc
=0## EQU39 ## ω 0 C 0 + ΔωC 0 + ω 0 ΔC−Ycot {(ω 0 / v
c) · Lc} + [Y · cosec 2 {(ω 0 / vc) · Lc}] · (Δω / vc) · Lc
= 0
【0073】数39は数40のように変形でき、さらに
数40は、数41のように変形することができる。Equation 39 can be transformed as Equation 40, and Equation 40 can be transformed as Equation 41.
【0074】[0074]
【数40】Δω[C0+(Lc/vc)Ycosec2{(ω0/vc)・L
c}]=−ω0・ΔCEquation 40 Δω [C 0 + (Lc / vc) Ycosec 2 {(ω 0 / vc) · L
c}] = − ω 0 · ΔC
【数41】Δf/f0=Δω/ω0 =−ΔC/[C0+(Lc/vc)Ycosec2{(ω0/vc)・Lc}]Δf / f 0 = Δω / ω 0 = −ΔC / [C 0 + (Lc / vc) Ycosec 2 {(ω 0 / vc) · Lc}]
【0075】以上詳述したように、リエントラント空胴
共振器30の導体ケース31と電極4に交流電圧Vpを
印加したときの共振周波数変化量Δfは、キャパシタン
ス変化量ΔCの負の傾きを有する1次関数で表される。
従って、上記リエントラント空胴共振器30の共振周波
数f0は、上記キャパシタンスCsのキャパシタンス変
化量△Cに比例して共振周波数変化量△fだけ変化す
る。また、上記共振回路部10aと負性抵抗回路5は、
発振器20aを構成しているので、上記発振器20a
は、上記共振周波数f0と同じ周波数である発振周波数
fOSCを有する発振信号を発振して発生してFM復調回
路26に出力する。ここで、上述のように上記リエント
ラント空胴共振器30の共振周波数f0は、上記キャパ
シタンスCsのキャパシタンス変化量△Cに比例して共
振周波数変化量△fだけ変化するので、上記発振周波数
fOSCも同様に、上記キャパシタンスCsのキャパシタ
ンス変化量△Cに比例して変化する。また、キャパシタ
ンス変化量△Cは、数27で与えられるので、3次の誘
電率ε3と交流電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有
しかつ角周波数ωpを有して交番的に変化するキャパシ
タンス変化量△C3と、4次の誘電率ε4と交流電界Ep
の振幅Ep0の2乗に比例する振幅を有しかつ角周波数
2ωpを有して交番的に変化するキャパシタンス変化量
△C4を含む。従って、上記発振信号は、3次の誘電率
ε3と交流電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有しか
つ角周波数ωpすなわち周波数fpを有する信号S
3と、4次の誘電率ε4と交流電界Epの振幅Ep0の2
乗に比例する振幅を有しかつ角周波数2ωpすなわち周
波数fpを有する信号S4によって周波数変調された発
振信号である。従って図1の基本回路の説明において上
述したように、同様に、上記発振信号を復調後、同期検
波することによって、電気的領域の3次の誘電率ε3を
測定することができ、さらに当該3次の誘電率ε3の測
定結果をもとにして、分極分布を求めることができる。As described in detail above, when the AC voltage Vp is applied to the conductor case 31 and the electrode 4 of the reentrant cavity resonator 30, the resonance frequency change Δf has a negative slope of the capacitance change ΔC. It is expressed by the following function.
Therefore, the resonance frequency f 0 of the reentrant cavity resonator 30 changes by the resonance frequency change Δf in proportion to the capacitance change ΔC of the capacitance Cs. Further, the resonance circuit section 10a and the negative resistance circuit 5
Since the oscillator 20a is configured, the oscillator 20a
Oscillates and generates an oscillation signal having an oscillation frequency f OSC that is the same frequency as the resonance frequency f 0, and outputs the oscillation signal to the FM demodulation circuit 26. Here, as described above, the resonance frequency f 0 of the reentrant cavity resonator 30 changes by the resonance frequency change Δf in proportion to the capacitance change ΔC of the capacitance Cs, so that the oscillation frequency f OSC Similarly, the capacitance changes in proportion to the capacitance change ΔC of the capacitance Cs. Further, since the capacitance change amount ΔC is given by Expression 27, the capacitance change amount ΔC has an amplitude proportional to the third-order dielectric constant ε 3 and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and changes alternately with the angular frequency ωp. Capacitance change ΔC 3 , fourth-order permittivity ε 4 and AC electric field Ep
Including capacitance variation △ C 4 that varies alternately have a have an amplitude and angular frequency 2ωp proportional to the square of the amplitude Ep 0. Therefore, the oscillation signal has a third order dielectric constant ε 3 and a signal S having an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and having an angular frequency ωp, that is, a frequency fp.
3 and the fourth order permittivity ε 4 and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep 2
An oscillation signal frequency-modulated by a signal S 4 having a having an amplitude and angular frequency 2ωp or frequency fp proportional to the multiplication. Therefore, as described above in the description of the basic circuit in FIG. 1, similarly, the tertiary dielectric constant ε 3 in the electrical region can be measured by demodulating the oscillation signal and performing synchronous detection. tertiary dielectric constant epsilon 3 of the measurement results based on, can be determined polarization distribution.
【0076】第一の実施例の非線形誘電率測定装置にお
いては、上記リエントラント型空胴共振器30を用いて
いるので、発振器20aの発振周波数を基本回路の非線
形誘電率測定装置に比べると高く設定することができ
る。これによって、最大周波数偏移を大きくすることが
でき、従来例に比較してより高感度でかつより高い精度
で3次の誘電率ε3の測定をすることができる。In the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment, since the reentrant cavity resonator 30 is used, the oscillation frequency of the oscillator 20a is set higher than that of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the basic circuit. can do. As a result, the maximum frequency shift can be increased, and the third-order permittivity ε 3 can be measured with higher sensitivity and higher accuracy than the conventional example.
【0077】次に第一の実施例の非線形誘電率測定装置
を用いた測定例を説明する。図7は、以下の測定に用い
たZカットLiNbO3の平面図であり、図8は、図7
のZカットLiNbO3を誘電体試料2として用いて測
定した測定結果を示したグラフである。Zカットとは、
光軸に垂直な面で切り出した結晶である。Next, a measurement example using the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment will be described. FIG. 7 is a plan view of Z-cut LiNbO 3 used for the following measurement, and FIG.
7 is a graph showing measurement results obtained by using Z-cut LiNbO 3 of Example 1 as a dielectric sample 2. What is Z cut?
It is a crystal cut out on a plane perpendicular to the optical axis.
【0078】図8は、図7のZカットLiNbO3を用
いて測定したときのX軸上のX0からの距離Xにおける
ロックインアンプ27の出力電圧│Va│と、発振搬送
波の発振周波数f0を示したグラフである。ここで、発
振搬送波とは、誘電体試料2に電圧Vpを印加したとき
の、周波数変調がされていない発振信号のことである。
従って、この発振搬送波は、交番的な変化を伴わないキ
ャパシタンスの変化によって変化することがある。図8
から明らかなように、ロックインアンプ27の出力電圧
│Va│は、X軸上の位置によってそれぞれ異なった値
が出力されている。これは、それぞれの位置によって、
3次の誘電率ε3が異なることを示している。また、発
振搬送波の発振周波数は、X軸上のX0からの距離Xが
約3mmの位置で最大値をとり、そこから離れるに従っ
て、小さくなっている。これは、誘電体試料2として用
いたZカットLiNbO3の中央部で2次の誘電率ε2で
ある線形誘電率が小さくなっているか、または当該中央
部で試料の厚さが厚くなっているためと考えられる。以
上のように、第一の実施例の非線形誘電率測定装置を用
いると、線形誘電率と分離して3次の誘電率ε3を観測
することができ、かつ3次の誘電率ε3がそれぞれの微
小領域によって異なっていることが観測できる。これに
よって、それぞれの微小領域の分極の状態が異なること
を観測することができる。FIG. 8 shows the output voltage | Va | of the lock-in amplifier 27 at a distance X from X0 on the X-axis measured using the Z-cut LiNbO 3 of FIG. 7, and the oscillation frequency f 0 of the oscillation carrier. FIG. Here, the oscillation carrier is an oscillation signal that is not frequency-modulated when the voltage Vp is applied to the dielectric sample 2.
Thus, the oscillating carrier may change due to a change in capacitance without alternating changes. FIG.
As is clear from FIG. 7, the output voltage | Va | of the lock-in amplifier 27 outputs different values depending on the position on the X-axis. This depends on each position
This shows that the third-order permittivity ε 3 is different. The oscillating frequency of the oscillating carrier has a maximum value at a position where the distance X from X0 on the X axis is about 3 mm, and decreases as the distance from the position increases. This is because the linear dielectric constant, which is the secondary dielectric constant ε 2 , is small at the center of the Z-cut LiNbO 3 used as the dielectric sample 2, or the thickness of the sample is large at the center. It is thought to be. As described above, when using a non-linear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment, by separating the linear dielectric constant can be observed cubic dielectric constant epsilon 3, and the third-order dielectric constant epsilon 3 is It can be observed that it differs depending on each minute region. Thereby, it is possible to observe that the polarization state of each minute region is different.
【0079】図9は、分極の状態が異なる誘電体試料2
を第一の実施例の非線形誘電率測定装置を用いて測定し
たときの、それぞれの位置におけるロックインアンプ2
7の出力電圧Va2を図式的に示したグラフである。図
9から明らかなように、分極P1が誘電体試料2の電極
4に接する面から他方の面に向かって誘電体試料2の厚
さ方向に平行に分布している領域であって、3次の誘電
率ε3が正である領域では、ロックインアンプ27の出
力電圧Va2は負の電圧であるV2を出力する。分極P
2が誘電体試料2の上記他方の面から電極4に接する面
に向かって誘電体試料2の厚さ方向に平行に分布してい
る領域であって、3次の誘電率ε3が負である領域で
は、ロックインアンプ27の出力電圧Va2は正の電圧
であるV1を出力する。分極P3が誘電体試料2の電極
4に接する面から他方の面に向かって誘電体試料2の厚
さ方向に平行に分布している領域であって、3次の誘電
率ε3が正である領域では、ロックインアンプ27の出
力電圧Va2は負の電圧であるV2を出力する。以上の
ように、第一の実施例の非線形誘電率測定装置を用いる
と、3次の誘電率ε3が正と負の領域を有する誘電体試
料2では、3次の誘電率ε3が正の領域と、3次の誘電
率ε3が負の領域では、ロックインアンプ27の出力電
圧Va2の正負が反転して出力されるので、容易に当該
領域の3次の誘電率ε3の正負を判別することができ
る。すなわち、当該領域における分極の方向を判別する
ことができる。FIG. 9 shows a dielectric sample 2 having a different polarization state.
Of the lock-in amplifier 2 at each position when is measured using the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment.
7 is a graph schematically showing an output voltage Va 2 of FIG. As is apparent from FIG. 9, the region where the polarization P1 is distributed from the surface in contact with the electrode 4 of the dielectric sample 2 to the other surface in parallel with the thickness direction of the dielectric sample 2, and the dielectric constant epsilon 3 is positive region, the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27 outputs V2 is a negative voltage. Polarization P
2 is a region distributed in parallel with the thickness direction of the dielectric sample 2 from the other surface of the dielectric sample 2 to the surface in contact with the electrode 4, and the tertiary dielectric constant ε 3 is negative. in some regions, the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27 outputs V1 is a positive voltage. A region where the polarization P3 is distributed in parallel from the surface of the dielectric sample 2 in contact with the electrode 4 to the other surface in the thickness direction of the dielectric sample 2, and the tertiary dielectric constant ε 3 is positive. In a certain area, the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27 outputs a negative voltage V 2 . As described above, when using a non-linear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment, the dielectric Sample 2 cubic dielectric constant epsilon 3 has positive and negative regions, third-order dielectric constant epsilon 3 positive And the region where the third-order dielectric constant ε 3 is negative, the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27 is inverted and outputted, so that the third-order dielectric constant ε 3 of the region can be easily obtained. Positive or negative can be determined. That is, the direction of polarization in the region can be determined.
【0080】<誘電体記録読取装置>図10は、上述し
た電気的領域の3次の誘電率ε3が正のときには、復調
信号のうちの信号S3と基準信号の位相差φがπにな
り、電気的領域の3次の誘電率ε3が負のときには、信
号S3と基準信号の位相差φが0になることを利用した
誘電体記録読取装置のブロック図である。当該誘電体記
録読取装置は、詳細後述するように、誘電体膜102の
分極を厚さ方向でかつデジタル信号の1と0の信号に対
応する向きを有するように記録した誘電体テープ100
の誘電体記録読取装置である。<Dielectric Recording / Reading Apparatus> FIG. 10 shows that when the third-order permittivity ε 3 of the above-mentioned electrical region is positive, the phase difference φ between the signal S 3 of the demodulated signal and the reference signal becomes π. FIG. 4 is a block diagram of a dielectric recording / reading apparatus utilizing the fact that the phase difference φ between the signal S 3 and the reference signal becomes 0 when the third-order permittivity ε 3 of the electrical region is negative. As will be described in detail later, the dielectric recording / reading apparatus has a dielectric tape 100 in which the polarization of the dielectric film 102 is recorded in the thickness direction and in a direction corresponding to digital signals 1 and 0.
Is a dielectric recording and reading device.
【0081】図10の誘電体記録読取装置は、(a)周
波数fpを有する交流電圧Vpを金属膜104と測定電
極50に印加することによって誘電体膜102に交流電
界Epを発生させて、かつ上記交流電圧Vpを基準信号
として出力する交流電源9と、(b)上記誘電体膜10
2を含む共振回路部10bを備え上記交流電圧Vpが上
記誘電体膜102に印加されたときに発振周波数が上記
周波数fpと誘電体膜102の分極の向きに対応して発
振周波数が変化する発振信号を発生する発振器20b
と、(c)上記発振信号を周波数復調して上記周波数f
pと分極の向きに対応した位相差φを有する信号を復調
信号として出力するFM復調回路26と、(d)上記基
準信号に基づいて上記復調信号と基準信号との位相差を
検出して、上記誘電体膜102の分極の向きに対応した
位相差φを出力する位相検出器56を備え、上記誘電体
膜102に記録されたデジタル信号に対応した位相差φ
を出力するように構成したことを特徴とする。The dielectric recording / reading apparatus shown in FIG. 10 generates (a) an AC electric field Ep in the dielectric film 102 by applying an AC voltage Vp having a frequency fp to the metal film 104 and the measurement electrode 50; An AC power supply 9 for outputting the AC voltage Vp as a reference signal, and (b) the dielectric film 10
The oscillation circuit includes a resonance circuit section 10b including the oscillation frequency 2 and the oscillation frequency changes when the AC voltage Vp is applied to the dielectric film 102 in accordance with the frequency fp and the polarization direction of the dielectric film 102. Oscillator 20b for generating a signal
And (c) demodulating the frequency of the oscillation signal to obtain the frequency f
an FM demodulation circuit 26 that outputs a signal having a phase difference φ corresponding to p and the direction of polarization as a demodulated signal, and (d) detecting a phase difference between the demodulated signal and the reference signal based on the reference signal, A phase detector 56 that outputs a phase difference φ corresponding to the polarization direction of the dielectric film 102, and a phase difference φ corresponding to a digital signal recorded on the dielectric film 102;
Is output.
【0082】以下図面を用いて誘電体記録読取装置の構
成を詳細に説明する。Hereinafter, the configuration of the dielectric recording / reading apparatus will be described in detail with reference to the drawings.
【0083】図10に示すように、上記共振回路部10
bは、誘電体テープ100と、測定電極50と、テープ
保持部55a,55b,55cと、コイル6とによって
構成される。誘電体テープ100は、金属膜104と強
誘電体からなる誘電体膜102とによって構成され、テ
ープ状に形成されたテープベースとなる金属膜104上
に強誘電体からなる誘電体膜102を例えばスパッタリ
ングなどの公知の方法によって密着形成して構成され
る。また上記誘電体テープ100は、以下のように、1
と0の2種類の信号からなるデジタル信号が記録されて
いる。上記デジタル信号が1のときには、誘電体膜2が
有する分極は、上記金属膜104と密着した誘電体膜1
02の一方の表面102bから誘電体膜102の他方の
表面102aに向かう方向に分極処理がされ、上記デジ
タル信号が0のときには、誘電体膜2が有する分極は、
上記表面102bから上記表面102aに向かう方向に
向くように分極処理がされる。測定電極50は、円錐状
の先端部50aを有する導体によって構成され、上記先
端部50aが上記誘電体膜102の上記表面102aに
接するように固定される。また、テープ保持部55a,
55b,55cは、誘電体テープ100の幅より長い所
定の軸方向の長さを有する円柱状の導体からなる。テー
プ保持部55aとテープ保持部55bは、それぞれの軸
が誘電体テープ100の幅方向と平行になるように、か
つ誘電体テープ100をそれぞれの円周面で挟むように
互いに対向して回転可能に設けられる。また、テープ保
持部55cは、その軸が誘電体テープの幅方向と平行に
なるように、かつ測定電極50の先端部50aと対向し
て誘電体テープ100を所定の圧力で押さえるように回
転可能に設けられる。そして、テープ保持部55aとテ
ープ保持部55bは、誘電体テープ100を挟設して所
定の圧力で押さえながら、互いに反対方向に所定の回転
数で回転して、誘電体テープ100をその長手方向に所
定のスピードで走行させる。ここで、テープ保持部55
aは、誘電体テープ100の金属膜104に接する一
方、テープ保持部55bは、誘電体膜102に接する。As shown in FIG. 10, the resonance circuit 10
“b” is composed of the dielectric tape 100, the measurement electrode 50, the tape holders 55a, 55b, 55c, and the coil 6. The dielectric tape 100 is composed of a metal film 104 and a dielectric film 102 made of a ferroelectric material. For example, the dielectric film 102 made of a ferroelectric material is formed on the tape-shaped metal film 104 serving as a tape base. It is formed by close contact formation by a known method such as sputtering. In addition, the dielectric tape 100 is formed as follows.
And a digital signal composed of two types of signals, 0 and 0. When the digital signal is 1, the polarization of the dielectric film 2 is caused by the dielectric film 1 in close contact with the metal film 104.
02 from the one surface 102b to the other surface 102a of the dielectric film 102. When the digital signal is 0, the polarization of the dielectric film 2 is
Polarization is performed so as to be directed from the surface 102b toward the surface 102a. The measurement electrode 50 is formed of a conductor having a conical tip 50 a, and is fixed such that the tip 50 a contacts the surface 102 a of the dielectric film 102. Further, the tape holding portions 55a,
55b and 55c are formed of columnar conductors having a predetermined axial length longer than the width of the dielectric tape 100. The tape holding portion 55a and the tape holding portion 55b can be rotated to face each other so that their axes are parallel to the width direction of the dielectric tape 100 and the dielectric tape 100 is sandwiched between the respective circumferential surfaces. Is provided. Further, the tape holding portion 55c is rotatable so that its axis is parallel to the width direction of the dielectric tape, and presses the dielectric tape 100 at a predetermined pressure in opposition to the distal end portion 50a of the measurement electrode 50. Is provided. The tape holding unit 55a and the tape holding unit 55b rotate the dielectric tape 100 in the longitudinal direction in opposite directions to each other while holding the dielectric tape 100 therebetween and pressing the dielectric tape 100 at a predetermined pressure. At a predetermined speed. Here, the tape holding unit 55
“a” contacts the metal film 104 of the dielectric tape 100, while the tape holder 55 b contacts the dielectric film 102.
【0084】さらに、コイル6はインダクタンスLを有
し、その一端が上記測定電極50と負性抵抗部5に接続
され、その他端が上記テープ保持部55cに接続されて
いる。以上のように共振回路部10bは構成される。ま
たさらに、交流電源9は、上記テープ保持部55aとア
ース間に接続されて、上記測定電極50と、上記テープ
保持部55aを介して金属膜104に交流電圧Vpを印
加することによって、上記測定電極50と上記テープ保
持部55cの間に位置する誘電体膜102の微小領域1
02aに交流電界Epを発生させる一方、上記交流電圧
Vpを基準信号として位相検出器56に出力する。Further, the coil 6 has an inductance L, one end of which is connected to the measuring electrode 50 and the negative resistance section 5 and the other end of which is connected to the tape holding section 55c. The resonance circuit unit 10b is configured as described above. Further, the AC power supply 9 is connected between the tape holding portion 55a and the ground, and applies an AC voltage Vp to the measurement electrode 50 and the metal film 104 via the tape holding portion 55a to perform the measurement. Small area 1 of dielectric film 102 located between electrode 50 and tape holding portion 55c
An AC electric field Ep is generated at 02a, and the AC voltage Vp is output to the phase detector 56 as a reference signal.
【0085】以上のように構成された共振回路部10b
において、測定電極50の先端部50aと、金属膜10
4と、上記測定電極50の先端部50aと上記金属膜1
04とによって挟まれた誘電体膜102はキャパシタン
スCsを形成して、さらに、上述のようにコイル6は上
記キャパシタンスCsに並列に接続されているので、上
記キャパシタンスCsと上記コイル6はLC共振回路を
構成する。このLC共振回路は負性抵抗回路5に接続さ
れて、発振器20bを構成する。発振器20bは、詳細
後述するように、キャパシタンスCsの変化に対応して
周波数変調された発振信号を発振して発生しFM復調回
路26に出力する。FM復調回路26は、周波数変調さ
れた発振信号を復調して復調信号を位相検出器56に出
力する。また、位相検出器56は、例えばロックインア
ンプ27を備えて構成され、上記ロックインアンプ27
の出力電圧Va1,Va2から数4を用いて位相差φを演
算して出力する。The resonance circuit section 10b configured as described above
, The tip 50a of the measurement electrode 50 and the metal film 10
4, the tip 50a of the measurement electrode 50 and the metal film 1
04 forms a capacitance Cs. Further, since the coil 6 is connected in parallel with the capacitance Cs as described above, the capacitance Cs and the coil 6 are connected to the LC resonance circuit. Is configured. This LC resonance circuit is connected to the negative resistance circuit 5 and forms the oscillator 20b. The oscillator 20b oscillates and generates an oscillation signal frequency-modulated in accordance with the change in the capacitance Cs, and outputs the oscillation signal to the FM demodulation circuit 26, as described in detail later. The FM demodulation circuit 26 demodulates the frequency-modulated oscillation signal and outputs the demodulated signal to the phase detector 56. The phase detector 56 includes, for example, the lock-in amplifier 27, and
The phase difference φ is calculated from the output voltages Va 1 and Va 2 of Equation (4) using Equation 4 and output.
【0086】以上のように構成された誘電体記録読取装
置において、交流電源9が、上記測定電極50と、上記
テープ保持部55aを介して金属膜104に交流電圧V
pを印加することによって、上記測定電極50と上記テ
ープ保持部55cの間に位置する誘電体膜102の微小
領域102aに交流電界Epを発生させると、図1の基
本回路の説明において上述したように、上記発振器20
bは、上記微小領域102aの3次の誘電率ε3と上記
交流電圧Vpに比例した振幅を有しかつ上記周波数fp
を有する信号を含む信号S3によって周波数変調された
発振信号を発振して発生する。ここで、上記3次の誘電
率ε3が正の実数のとき、すなわちデジタル信号が1の
ときには、上記周波数fpを有する信号の基準信号との
位相差φはπであり、上記3次の誘電率ε3が負の実数
のとき、すなわちデジタル信号が0のときには、上記周
波数fpを有する信号の基準信号との位相差φは0であ
る。次にFM復調回路26は、上記発振信号を復調して
上記微小領域102aの3次の誘電率ε3と上記交流電
圧Vpに比例した振幅を有しかつ上記交流電圧Vpと同
じ周波数fpを有しさらに上述のデジタル信号に対応し
た位相差φを有する信号を含む復調信号を発生する。さ
らに位相検出器56は、上記復調信号を周波数fpを有
する基準信号に基づいて上記復調信号を同期検波して、
上記微小領域102aの3次の誘電率ε3の正負に対応
して、0か又はπの位相差φを出力する。従って、上記
テープ保持部55a,55bが所定のスピードで回転す
ることによって、上記誘電体テープ100を走行させ、
上記微小領域102aの位置を順次変えて上記位相差φ
を検出することによって、各微小領域102aの3次の
誘電率ε3の正負を上記位相差φの値によって観測する
ことができる。また、上述したように3次の誘電率ε3
の正の値は、測定電極50から金属膜104に向かう方
向を有する分極に対応し、3次の誘電率ε3の負の値
は、金属膜104から測定電極50に向かう方向を有す
る分極に対応する。すなわち、上記各微小領域102a
の分極の向きを検出することができ、上記デジタル信号
を読み取ることができる。ここで、上記誘電体膜102
への上記デジタル信号の記録には、例えば、上記微小領
域102aに直流電界が発生するように上記測定電極5
0と上記金属膜104に直流電圧を印加するなどの分極
処理が用いられる。In the dielectric recording / reading apparatus having the above-described structure, the AC power supply 9 applies the AC voltage V to the metal film 104 via the measuring electrode 50 and the tape holder 55a.
When an AC electric field Ep is generated in the minute region 102a of the dielectric film 102 located between the measurement electrode 50 and the tape holder 55c by applying p, as described above in the description of the basic circuit in FIG. In addition, the oscillator 20
b has an amplitude proportional to the tertiary dielectric constant ε 3 of the minute region 102a and the AC voltage Vp, and has the frequency fp
Generated by oscillating an oscillation signal frequency-modulated by a signal S 3 which includes a signal having a. Here, when the tertiary dielectric constant ε 3 is a positive real number, that is, when the digital signal is 1, the phase difference φ between the signal having the frequency fp and the reference signal is π, and the tertiary dielectric constant ε 3 is π. When the rate ε 3 is a negative real number, that is, when the digital signal is 0, the phase difference φ between the signal having the frequency fp and the reference signal is 0. Next, the FM demodulation circuit 26 demodulates the oscillation signal to have a third-order dielectric constant ε 3 of the minute region 102 a and an amplitude proportional to the AC voltage Vp and the same frequency fp as the AC voltage Vp. Further, a demodulated signal including a signal having a phase difference φ corresponding to the above digital signal is generated. Further, the phase detector 56 synchronously detects the demodulated signal based on a reference signal having a frequency fp,
A phase difference φ of 0 or π is output in accordance with the sign of the third-order dielectric constant ε 3 of the minute region 102a. Therefore, the dielectric tape 100 is caused to travel by rotating the tape holding portions 55a and 55b at a predetermined speed,
By sequentially changing the position of the minute area 102a, the phase difference φ
, It is possible to observe the sign of the third-order dielectric constant ε 3 of each minute region 102 a by the value of the phase difference φ. Further, as described above, the third-order dielectric constant ε 3
Is a polarization having a direction from the measurement electrode 50 toward the metal film 104, and a negative value of the third order dielectric constant ε 3 is a polarization having a direction from the metal film 104 toward the measurement electrode 50. Corresponding. That is, each of the minute regions 102a
Can be detected, and the digital signal can be read. Here, the dielectric film 102
The recording of the digital signal into the measuring electrode 5 is performed, for example, so that a DC electric field is generated in the minute area 102a.
0 and a polarization process such as applying a DC voltage to the metal film 104 are used.
【0087】<第二の実施例>図11は、第二の実施例
の誘電体記録読取装置の構成を示すブロック図である。
図11の第二の実施例の誘電体記録読取装置は、図10
の応用回路のLC共振回路に代えてリエントラント型空
胴共振器30を備えて共振回路部10cを構成したこと
を特徴とする。図11のリエントラント型空胴共振器3
0は、図4と図5に示した第一の実施例のリエントラン
ト型空胴共振器30と同様に構成される。また、テープ
保持部55a,55cは、誘電体テープ100の幅より
長い所定の軸方向の長さを有する円柱状の導体からな
り、それぞれの軸が誘電体テープ100の幅方向に平行
になるように、かつ、リエントラント型空胴共振器30
の表面接触部33に対向して、上記表面接触部33との
間に誘電体テープ100を保持するように回転可能に設
けられる。そして、テープ保持部55a,55cは、所
定の回転数で回転することによって上記誘電体テープ1
00をその長手方向に所定のスピードで走行させる。<Second Embodiment> FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a dielectric recording and reading apparatus according to a second embodiment.
The dielectric recording / reading apparatus of the second embodiment shown in FIG.
The resonance circuit section 10c is provided with a reentrant cavity resonator 30 in place of the LC resonance circuit of the application circuit of (1). Reentrant cavity resonator 3 of FIG.
Numeral 0 is configured similarly to the reentrant cavity resonator 30 of the first embodiment shown in FIGS. The tape holding portions 55a and 55c are made of a columnar conductor having a predetermined axial length longer than the width of the dielectric tape 100, and each axis is parallel to the width direction of the dielectric tape 100. And a reentrant cavity resonator 30
The surface contact portion 33 is rotatably provided so as to hold the dielectric tape 100 between the surface contact portion 33 and the surface contact portion 33. Then, the tape holding portions 55a and 55c rotate at a predetermined number of rotations so that the dielectric tape 1 is rotated.
00 at a predetermined speed in its longitudinal direction.
【0088】また、交流電源9は、上記テープ保持部5
5aとリエントラント空胴共振器30に交流電圧Vpを
印加することによって、先端部35と金属膜104に挟
設された誘電体膜102の微小領域102aと接触表面
部33と金属膜104に挟設された誘電体膜102の領
域102bに交流電界Epを発生させる。またさらに、
第二の実施例の誘電体記録読取装置において、図10の
誘電体記録読取装置の位相検出器56に代えて、ロック
インアンプ27aを備えて構成される。上記ロックイン
アンプ27aは出力電圧Va2のみが出力されるように
構成される。共振回路部10cとロックインアンプ27
a以外の構成は、上述の図10の誘電体記録読取装置と
同様に構成される。The AC power supply 9 is connected to the tape holding unit 5.
By applying an AC voltage Vp to the cavity 5a and the reentrant cavity 30, a minute region 102a of the dielectric film 102 sandwiched between the tip portion 35 and the metal film 104, the contact surface portion 33, and the metal film 104 are sandwiched. An AC electric field Ep is generated in the region 102b of the dielectric film 102 thus formed. Moreover,
In the dielectric recording / reading apparatus of the second embodiment, a lock-in amplifier 27a is provided instead of the phase detector 56 of the dielectric recording / reading apparatus of FIG. The lock-in amplifier 27a is configured so that only the output voltage Va 2 is outputted. Resonant circuit section 10c and lock-in amplifier 27
Configurations other than a are the same as those of the above-described dielectric recording and reading apparatus of FIG.
【0089】以上のように構成された第二の実施例の誘
電体記録読取装置において、上記交流電源9が、上記リ
エントラント型空胴共振器30とテープ保持部55aに
交流電圧Vpを印加すると、上記誘電体膜102の微小
領域102aと、領域2bに交流電界Epが発生する。
上記微小領域102aと上記領域102bはどちらも上
記交流電界Epによって誘電率が変化してキャパシタン
スCs,Cgが変化する。In the dielectric recording / reading apparatus of the second embodiment configured as described above, when the AC power supply 9 applies an AC voltage Vp to the reentrant cavity resonator 30 and the tape holder 55a, An AC electric field Ep is generated in the minute region 102a and the region 2b of the dielectric film 102.
In both the minute region 102a and the region 102b, the dielectric constant changes due to the AC electric field Ep, and the capacitances Cs and Cg change.
【0090】上記リエントラント型空胴共振器30の共
振周波数は、上述のように微小領域102aの誘電率の
変化に伴うキャパシタンスCsの変化に対応して変化す
る。これによって、発振器20cはキャパシタンスCs
の変化に対応して周波数変調された発振信号を発振して
発生する。従って、上記テープ保持部55a,55cが
回転することによって、誘電体テープ100をその長手
方向に走行させて、上記微小領域102aの位置を順次
変えて上記出力電圧Va2を測定することによって、各
微小領域102aの3次の誘電率ε3の正負を上記出力
電圧Va2の正負によって判別することができる。すな
わち、上述のように、デジタル信号に対応した上記各微
小領域102aの分極の向きを検出することができ、上
記デジタル信号を読み取ることができる。As described above, the resonance frequency of the reentrant cavity resonator 30 changes in accordance with the change in the capacitance Cs associated with the change in the dielectric constant of the minute region 102a. As a result, the oscillator 20c has the capacitance Cs
Oscillates and generates an oscillation signal that has been frequency-modulated in response to the change in. Therefore, by the tape holding unit 55a, 55c is rotated, by driving the dielectric tape 100 in the longitudinal direction, by measuring the output voltage Va 2 sequentially changing the position of the minute regions 102a, each the third order of the positive and negative permittivity epsilon 3 of the small regions 102a may be determined by the sign of the output voltage Va 2. That is, as described above, the direction of polarization of each of the minute regions 102a corresponding to the digital signal can be detected, and the digital signal can be read.
【0091】第二の実施例の誘電体記録読取装置におい
ては、上記リエントラント型空胴共振器30を用いてい
るので、発振器20cの発振周波数を図10の応用回路
の誘電体記録読取装置に比べると高く設定することがで
きる。これによって、最大周波数偏移を大きくすること
ができるので、図1の誘電体記録読取装置に比較してよ
り高感度で、かつより高精度の誘電体記録読取装置を構
成することができる。In the dielectric recording / reading apparatus of the second embodiment, since the above-mentioned reentrant cavity resonator 30 is used, the oscillation frequency of the oscillator 20c is compared with that of the dielectric recording / reading apparatus of the application circuit of FIG. And can be set higher. As a result, the maximum frequency shift can be increased, so that a dielectric recording / reading device having higher sensitivity and higher accuracy than the dielectric recording / reading device of FIG. 1 can be configured.
【0092】図12は、第二の実施例の誘電体記録読取
装置を用いた測定例を示す図であって、誘電体テープ1
00のスタート点からの距離とロックインアンプ27a
の出力電圧Va2との関係を示すグラフである。ここ
で、上記リエントラント型空胴共振器30の先端部35
は、直径Dが1.6mmの円形になるよう構成されてい
るので、上記誘電体テープ100のスタート点からの距
離は、上記直径である1.6mmを単位として表示し
た。図12から明らかなように、上記誘電体膜102の
有する分極の向きが、誘電体膜102の表面102dか
ら誘電体膜102の表面102cに向かう方向に分極処
理されている領域では、ロックインアンプ27aの出力
電圧Va2は負であって、分極の向きが、上記表面10
2cから上記表面102dに向かう方向に分極処理がさ
れている領域では、出力電圧Va2は正である。以上の
ように、第二の実施例の誘電体記録読取装置を使用する
と、分極の向きによって記録された情報がロックインア
ンプ27aの出力電圧Va2の正負として出力されるの
で、当該情報を容易に読み取ることができる。FIG. 12 is a view showing an example of measurement using the dielectric recording and reading apparatus of the second embodiment, and shows a dielectric tape 1
00 from start point and lock-in amplifier 27a
5 is a graph showing a relationship between the output voltage Va 2 and the output voltage Va 2 . Here, the tip 35 of the reentrant cavity resonator 30 is used.
Is configured so that the diameter D is a circle having a diameter of 1.6 mm, the distance from the starting point of the dielectric tape 100 is expressed in units of 1.6 mm, which is the diameter. As is apparent from FIG. 12, in the region where the polarization direction of the dielectric film 102 is polarized in the direction from the surface 102d of the dielectric film 102 to the surface 102c of the dielectric film 102, the lock-in amplifier is used. output voltage Va 2 of 27a is a negative, the polarization direction is, the surface 10
The output voltage Va 2 is positive in a region where the polarization process is performed in the direction from 2c to the surface 102d. As described above, by using the dielectric recording and reading system of the second embodiment, since the information recorded by the direction of polarization is output as the sign of the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27a, facilitating the information Can be read.
【0093】<第三の実施例>図13は、他の応用例で
ある第三の実施例の非線形誘電率測定装置の構成を示す
ブロック図である。第三の実施例の非線形誘電率測定装
置は、詳細後述するように、強誘電体からなる誘電体試
料2に交流電界Epを印加すると、上記誘電体試料2の
反射率が上記交流電界Epにしたがって変化することを
利用して、上記誘電体試料2の光学的領域における非線
形誘電率の1つであるポッケルス定数を測定する非線形
誘電率測定装置である。<Third Embodiment> FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to a third embodiment which is another applied example. As will be described in detail later, when an AC electric field Ep is applied to a dielectric sample 2 made of a ferroelectric substance, the reflectivity of the dielectric sample 2 changes to the AC electric field Ep as described later in detail. Therefore, a non-linear dielectric constant measuring apparatus that measures the Pockels constant, which is one of the non-linear dielectric constants in the optical region of the dielectric sample 2, utilizing the change.
【0094】以下、図面を用いて第三の実施例の非線形
誘電率測定装置の構成を説明する。図13に示すよう
に、反射光測定部60は、キャパシタ部1と、レーザダ
イオード21と、交流電源9と、ハーフミラー57と、
フォーカスレンズ58と、機構部7と、機構制御部25
と、光電変換器51とによって構成される。キャパシタ
部1は、誘電体試料2が互いに対向する透明電極3と電
極4によって挟設されて構成される。レーザダイオード
21は、所定波長の光ビームを発生して、当該光ビーム
をハーフミラー57とフォーカスレンズ58と透明電極
3を介して誘電体試料2の一部分である微小領域2aの
表面に照射する。交流電源9は、上記透明電極3と上記
電極4に接続されて、上記誘電体試料2に100MHz
から1000MHzの間の所定の周波数を有する交流電
圧Vpを印加する一方、当該交流電圧Vpを基準信号と
して混合器53bに出力する。ハーフミラー57は、レ
ーザダイオード21が発生する光ビームがフォーカスレ
ンズ58を介して上記誘電体試料2の微小領域2aの表
面に集光到達するように透過する一方、上記微小領域2
aの表面によって反射された後フォーカスレンズ58を
介して入射する光ビームを反射して、光ビーム信号であ
る当該反射光を光電変換器51に照射する。ここで、上
記反射光は、後述するように上記交流電圧Vpと同じ周
波数を有し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比例した振
幅を有する信号を含む信号によって強度変調された光ビ
ーム信号である。光電変換器51は、入力される反射光
である光ビーム信号を光電変換して、上記交流電圧Vp
と同じ周波数を有し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比
例した振幅を有する信号を含む電気信号を発生して、増
幅器52を介して電気信号処理部70の混合器53aに
出力する。Hereinafter, the configuration of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the third embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 13, the reflected light measuring unit 60 includes a capacitor unit 1, a laser diode 21, an AC power supply 9, a half mirror 57,
Focus lens 58, mechanism section 7, mechanism control section 25
And a photoelectric converter 51. The capacitor section 1 is configured by sandwiching a dielectric sample 2 between transparent electrodes 3 and electrodes 4 facing each other. The laser diode 21 generates a light beam of a predetermined wavelength, and irradiates the light beam to the surface of the minute region 2a which is a part of the dielectric sample 2 via the half mirror 57, the focus lens 58, and the transparent electrode 3. An AC power supply 9 is connected to the transparent electrode 3 and the electrode 4 to supply the dielectric sample 2 with 100 MHz.
While applying an AC voltage Vp having a predetermined frequency of between 1000 MHz and 1000 MHz as a reference signal to the mixer 53b. The half mirror 57 transmits the light beam generated by the laser diode 21 through the focus lens 58 so as to converge on the surface of the minute area 2a of the dielectric sample 2, while the half mirror 57 transmits the light beam.
After being reflected by the surface a, the light beam incident through the focus lens 58 is reflected, and the reflected light, which is a light beam signal, is emitted to the photoelectric converter 51. Here, the reflected light is a light beam signal having the same frequency as the AC voltage Vp and being intensity-modulated by a signal including a signal having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp, as described later. . The photoelectric converter 51 photoelectrically converts a light beam signal, which is input reflected light, to obtain the AC voltage Vp.
And generates an electric signal including a signal having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp, and outputs the generated electric signal to the mixer 53a of the electric signal processing unit 70 via the amplifier 52.
【0095】上記機構部7は、キャパシタ部1をその表
面上に載置して保持し、かつ機構制御部25からの制御
信号に応答してキャパシタ部1をレーザダイオード21
からの光ビームの照射方向に対して垂直な方向で1次元
方向又は2次元方向に移動させる。キャパシタ部1が機
構部7によって、このように移動されることにより、上
記光ビームが照射される誘電体試料2の微小領域2aが
1次元方向又は2次元方向に移動される。機構制御部2
5は、上記制御信号を発生するとともに、当該制御信号
に対応し上記誘電体試料2の微小領域2aの移動位置を
示す位置信号を発生して表示制御部28に出力する。The mechanism section 7 mounts and holds the capacitor section 1 on its surface, and in response to a control signal from the mechanism control section 25, switches the capacitor section 1 to the laser diode 21.
Is moved in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction in a direction perpendicular to the direction in which the light beam is irradiated. By moving the capacitor unit 1 by the mechanism unit 7 in this manner, the minute region 2a of the dielectric sample 2 to be irradiated with the light beam is moved in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction. Mechanism control unit 2
5 generates the above-mentioned control signal, generates a position signal indicating the movement position of the minute area 2a of the above-mentioned dielectric sample 2 corresponding to the above-mentioned control signal, and outputs it to the display control unit 28.
【0096】また、電気信号処理部70は、増幅器52
と、局部発振器54と、混合器53a,53bと、ロッ
クインアンプ27と、表示制御部28と、ディスプレイ
29とによって構成される。局部発振器54は、上記交
流電圧Vpの有する周波数fpより低い所定の局部発振
周波数を有する局部発振信号を発振して発生し、混合器
53aと混合器53bに出力する。混合器53aは、増
幅器52からの電気信号と、上記局部発振信号を混合し
て、上記電気信号の周波数と上記局部発振周波数の和と
差の周波数を有する信号に周波数変換して帯域通過フィ
ルタ59aに出力する。上記帯域通過フィルタ59a
は、上記電気信号の周波数と上記局部発振周波数の和と
差の周波数を有する信号のうち、周波数fpと上記局部
発振周波数の差の周波数を有する信号のみを通過させ
て、ロックインアンプ27の端子T1に出力する。一方
混合器53bは、入力される基準信号と上記局部発振信
号を混合して、上記基準信号の周波数fpと上記局部発
振周波数の和と差の周波数を有する信号に周波数変換し
て、上記帯域通過フィルタ59bに出力する。上記帯域
通過フィルタ59bは、上記基準信号の周波数fpと上
記局部発振周波数の差の周波数を有する信号のみを通過
させて、ロックインアンプ27の端子T2に出力する。
また、ロックインアンプ27と、表示制御部28と、デ
ィスプレイ29は、第一の実施例の非線形誘電率測定装
置と同様に構成される。The electric signal processing unit 70 includes an amplifier 52
, A local oscillator 54, mixers 53 a and 53 b, a lock-in amplifier 27, a display controller 28, and a display 29. The local oscillator 54 oscillates and generates a local oscillation signal having a predetermined local oscillation frequency lower than the frequency fp of the AC voltage Vp, and outputs the signal to the mixers 53a and 53b. The mixer 53a mixes the electric signal from the amplifier 52 and the local oscillation signal, converts the frequency of the electric signal to a signal having a frequency of the sum and difference of the frequency of the electric signal and the local oscillation frequency, and performs a band-pass filter 59a. Output to The band-pass filter 59a
The terminal of the lock-in amplifier 27 passes only the signal having the frequency of the difference between the frequency fp and the local oscillation frequency among the signals having the frequency of the sum and the difference between the frequency of the electric signal and the local oscillation frequency. Output to T1. On the other hand, the mixer 53b mixes the input reference signal and the local oscillation signal, frequency-converts the signal into a signal having a frequency that is the sum and difference of the frequency fp of the reference signal and the local oscillation frequency, and Output to the filter 59b. The band-pass filter 59b passes only a signal having a frequency equal to the difference between the frequency fp of the reference signal and the local oscillation frequency, and outputs the signal to the terminal T2 of the lock-in amplifier 27.
Further, the lock-in amplifier 27, the display control unit 28, and the display 29 are configured similarly to the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the first embodiment.
【0097】以上のように構成された第三の実施例の非
線形誘電率測定装置において、上記誘電体試料2に、光
ビームを照射すると、上記光ビームは上記誘電体試料2
の微小領域2aの表面で反射される。このとき上記誘電
体試料2の光の反射率Rは、上記誘電体試料2の屈折率
nを用いて数42のように表わすことができる。また、
上記屈折率nは、上記誘電体試料2の誘電率εsと真空
中の誘電率ε0を用いて数43のように表わすことがで
きる。When the dielectric sample 2 is irradiated with a light beam in the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the third embodiment having the above-described configuration, the light beam is irradiated with the dielectric sample 2.
Is reflected on the surface of the minute region 2a. At this time, the reflectance R of the light of the dielectric sample 2 can be expressed as in Equation 42 using the refractive index n of the dielectric sample 2. Also,
The refractive index n can be expressed as in Equation 43 using the dielectric constant εs of the dielectric sample 2 and the dielectric constant ε 0 in vacuum.
【0098】[0098]
【数42】R={(1−n)/(1+n)}2 R = {(1-n) / (1 + n)} 2
【数43】n=√(εs/ε0)[Mathematical formula-see original document] n = √ (εs / ε 0 )
【0099】また、交流電源9によって、透明電極3と
電極4に周波数fpを有する正弦波である交流電圧Vp
を印加すると、上記誘電体試料2の厚さ方向と平行に、
上記交流電圧Vpの振幅に比例した振幅と上記交流電圧
Vpの周波数fpと同じ周波数を有する正弦波である交
流電界Epを発生する。これによって、上記屈折率nと
反射率Rは、後述するように交流電界Epに応じてそれ
ぞれ屈折率変化量Δnと反射率変化量ΔRだけ変化す
る。ここで、交流電圧Vpが印加されていないときの屈
折率をn0とすると屈折率nは、次の数44で表わすこ
とができ、誘電体試料2に交流電圧Vpが印加されてい
ないときの反射率をR0とすると、反射率Rは次の数4
5で表わすことができる。The AC power supply 9 applies an AC voltage Vp, which is a sine wave having a frequency fp, to the transparent electrodes 3 and 4.
Is applied, in parallel with the thickness direction of the dielectric sample 2,
An AC electric field Ep that is a sine wave having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp and the same frequency as the frequency fp of the AC voltage Vp is generated. As a result, the refractive index n and the reflectance R change by the refractive index change Δn and the reflectance change ΔR, respectively, according to the AC electric field Ep, as described later. Here, assuming that the refractive index when the AC voltage Vp is not applied is n 0 , the refractive index n can be expressed by the following equation 44, and when the AC voltage Vp is not applied to the dielectric sample 2. Assuming that the reflectance is R 0 , the reflectance R is given by
5 can be represented.
【0100】[0100]
【数44】n=n0+ΔnN = n 0 + Δn
【数45】R=R0+ΔRR = R 0 + ΔR
【0101】次に、数44で表される屈折率nと数45
で表される反射率Rを数42に代入して変形すると、反
射率Rは数46のように表わすことができる。Next, the refractive index n expressed by Expression 44 and Expression 45
By substituting the reflectivity R expressed by Eq. Into Equation 42 and deforming, the reflectivity R can be expressed as shown in Equation 46.
【0102】[0102]
【数46】R0+ΔR={(1−n0)/(1+n0)}2[{1−
Δn/(1−n0)}/{1+Δn/(1+n0)}]2 R 0 + ΔR = {(1−n 0 ) / (1 + n 0 )} 2 [{1-
Δn / (1−n 0 )} / {1 + Δn / (1 + n 0 )}] 2
【0103】ここで、上記屈折率変化量Δn≪n0かつ
屈折率変化量Δn≪1であるので、(Δn)2=0とす
ることができる。また、反射率R0は、数42から明ら
かなように、屈折率n0を用いて数47のように表わす
ことができる。以上のことから数46は次の数48のよ
うに書き換えることができる。さらに、数48から反射
率変化量ΔRは数49,数50のように表わすことがで
きる。Here, since the refractive index change Δn≪n 0 and the refractive index change Δn≪1, it is possible to set (Δn) 2 = 0. Further, as is apparent from Equation 42, the reflectance R 0 can be expressed as Equation 47 using the refractive index n 0 . From the above, Equation 46 can be rewritten as Equation 48 below. Further, from Expression 48, the reflectance change amount ΔR can be expressed as Expression 49 and Expression 50.
【0104】[0104]
【数47】R0={(1−n0)/(1+n0)}2 R 0 = {(1−n 0 ) / (1 + n 0 )} 2
【数48】R0+ΔR=R0{1−2Δn/(1−n0)−2
Δn/(1+n0)}R 0 + ΔR = R 0 (1-2Δn / (1-n 0 ) -2)
Δn / (1 + n 0 )}
【数49】 ΔR=R0{−2Δn/(1−n0)−2Δn/(1+n0)}ΔR = R 0 {−2Δn / (1−n 0 ) −2Δn / (1 + n 0 )}
【数50】ΔR=−4R0Δn/(1−n0 2)ΔR = −4R 0 Δn / (1-n 0 2 )
【0105】一方、透明電極3と電極4に交流電圧Vp
を印加することによって、上記誘電体試料2の微小領域
2aに交流電界Epを発生させると、上記交流電界Ep
に応じて誘電率εsは、誘電率変化量Δεだけ変化す
る。交流電圧Vpが印加されていないときの、誘電率を
εs0とすると、誘電率εsは次の数51で表わすこと
ができる。さらに、数51で表される誘電率εsを用い
ると、交流電圧Vpが印加されたときの屈折率は、数5
2のように表わすことができる。On the other hand, the AC voltage Vp is applied to the transparent electrodes 3 and 4.
When an AC electric field Ep is generated in the minute region 2a of the dielectric sample 2 by applying
Changes the permittivity εs by the permittivity change amount Δε. Assuming that the dielectric constant when no AC voltage Vp is applied is εs 0 , the dielectric constant εs can be expressed by the following equation 51. Further, when the dielectric constant εs expressed by Expression 51 is used, the refractive index when the AC voltage Vp is applied is expressed by Expression 5
2 can be represented.
【0106】[0106]
【数51】εs=εs0+Δε[Equation 51] εs = εs 0 + Δε
【数52】n0+Δn={(εs0+Δε)/ε0}1/2 N 0 + Δn = {(εs 0 + Δε) / ε 0 } 1/2
【0107】また、数52において、Δε≪εs0であ
るので、数52は近似を用いて数53のように書き表す
ことができる。数53において数54で表される屈折率
n0を用いると屈折率変化量Δnは、数55のように表
わすことができる。Since Δε≪εs 0 in Equation 52, Equation 52 can be written as Equation 53 using approximation. When the refractive index n 0 expressed by Expression 54 in Expression 53 is used, the refractive index change Δn can be expressed as Expression 55.
【0108】[0108]
【数53】 n0+Δn=(εs0/ε0)1/2{1+(1/2)(Δε/εs0)}[Expression 53] n 0 + Δn = (εs 0 / ε 0 ) 1/2 {1+ (1/2) (Δε / εs 0 )}
【数54】n0=(εs0/ε0)1/2 N 0 = (εs 0 / ε 0 ) 1/2
【数55】Δn=(1/2)n0(Δε/εs0)[Expression 55] Δn = (1/2) n 0 (Δε / εs 0 )
【0109】次に、数55で表される屈折率変化量Δn
を数50で表される反射率変化量ΔRに代入すると、反
射率変化量ΔRは、次の数56で表わす事ができる。Next, the refractive index change amount Δn represented by Expression 55
Is substituted into the reflectance change amount ΔR expressed by Expression 50, the reflectance change amount ΔR can be expressed by the following Expression 56.
【0110】[0110]
【数56】ΔR=−4R0{(1/2)n(Δε/εs0)}Δ
n/(1−n0 2)ΔR = −4R 0 {(1/2) n (Δε / εs 0 )} Δ
n / (1-n 0 2 )
【0111】また、公知のように、上記誘電率変化量Δ
εは、1次の電気光学定数であるポッケルス定数rと2
次の電気光学定数であるカー定数gを用いると数57の
ように表わすことができる。ここで、上記ポッケルス定
数rは3次の誘電率ε3の一種であり、上記カー定数g
は4次の誘電率ε4の一種である。従って、ポッケルス
定数rとカー定数gは非線形誘電率の一種である。ここ
でいう非線形誘電率は、光に対する応答性について観測
しているので、光学的領域における非線形誘電率のこと
である。さらに、次の数57で表される誘電率変化量Δ
εを用いると数56で表される反射率変化量ΔRは、数
58のように書き表すことができる。またさらに、数5
8の反射率変化量ΔRは、数59で表される交流電界E
pに比例する反射率変化量ΔR1と数60で表される交
流電界Epの2乗に比例する反射率変化量ΔR2を用い
ると、数61のように表わすことができる。As is well known, the dielectric constant variation Δ
ε is a Pockels constant r which is a first-order electro-optical constant and 2
Using the Kerr constant g, which is the following electro-optic constant, can be expressed as in Equation 57. Here, the Pockels constant r is a kind of the third-order dielectric constant ε 3 , and the Kerr constant g
Is a kind of fourth-order permittivity ε 4 . Therefore, the Pockels constant r and the Kerr constant g are a kind of nonlinear dielectric constant. The non-linear dielectric constant referred to here is a non-linear dielectric constant in an optical region since the response to light is observed. Further, the dielectric constant change amount Δ expressed by the following equation 57
Using ε, the reflectance change ΔR expressed by Expression 56 can be written as Expression 58. Furthermore, Equation 5
8 is the AC electric field E expressed by the equation 59.
With reflectance change amount [Delta] R 2 is proportional to the square of the AC electric field Ep represented by reflectance change amount [Delta] R 1 to the number 60 which is proportional to p, it can be expressed as Expression 61.
【0112】[0112]
【数57】Δε=−(εs0 2/ε0)(rEp+gEp2)Δ57 = − (εs 0 2 / ε 0 ) (rEp + gEp 2 )
【数58】 ΔR=2{n0 3/(1−n0 2)}R0(rEp+gEp2)Equation 58] ΔR = 2 {n 0 3 / (1-n 0 2)} R 0 (rEp + gEp 2)
【数59】ΔR1=2{n0 3/(1−n0 2)}R0rEpEquation 59] ΔR 1 = 2 {n 0 3 / (1-n 0 2)} R 0 rEp
【数60】ΔR2=2{n0 3/(1−n0 2)}R0gEp2 Equation 60] ΔR 2 = 2 {n 0 3 / (1-n 0 2)} R 0 gEp 2
【数61】ΔR=ΔR1+ΔR2 ΔR = ΔR 1 + ΔR 2
【0113】数61に示すように、反射率変化量ΔRは
交流電界Epに比例する項ΔR1と交流電界Epの2乗
に比例する項ΔR2の和の形に表される。従って、誘電
体試料2の微小領域2aの反射率変化量△Rは、ポッケ
ルス定数と交流電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を
有しかつ角周波数ωpを有して交番的に変化する反射率
変化量△R1と、カー定数と交流電界Epの振幅Ep0の
2乗に比例する振幅を有しかつ角周波数2ωpを有して
交番的に変化する反射率変化量△R2を含むので、上記
反射光である光ビーム信号は、上記反射率変化量ΔR1
と上記反射率変化量ΔR2に対応して強度が変化する。
従って、上記反射光である光ビーム信号は、ポッケルス
定数と交流電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有し
かつ角周波数ωpすなわち周波数fpを有する信号S3
と、カー定数と交流電界Epの振幅Ep0の2乗に比例
する振幅を有しかつ角周波数2ωpすなわち周波数fp
を有する信号S4によって強度変調された光ビーム信号
になる。As shown in Equation 61, the reflectance change amount ΔR is expressed in the form of the sum of a term ΔR 1 proportional to the AC electric field Ep and a term ΔR 2 proportional to the square of the AC electric field Ep. Accordingly, the reflectance change ΔR of the minute region 2a of the dielectric sample 2 has a Pockels constant and an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and a reflection that changes alternately with the angular frequency ωp. the rate variation △ R 1, including reflectance change amount △ R 2 which changes alternately have a and angular frequency 2ωp an amplitude proportional to the square of the amplitude Ep 0 of the Kerr constant and alternating electric field Ep Therefore, the light beam signal that is the reflected light is reflected by the reflectance change amount ΔR 1
And the intensity changes in accordance with the reflectance change amount ΔR 2 .
Therefore, the light beam signal as the reflected light has a signal S 3 having an amplitude proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and having the angular frequency ωp, that is, the frequency fp.
And an angular frequency 2ωp, that is, a frequency fp, having an amplitude proportional to the square of the Kerr constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep.
Becomes a light beam signal intensity-modulated by the signal S 4 having
【0114】上記光電変換器51は、上記強度変調され
た光ビーム信号を光電変換して、ポッケルス定数と交流
電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有しかつ角周波
数ωpすなわち周波数fpを有する信号S3と、カー定
数と交流電界Epの振幅Ep0の2乗に比例する振幅を
有しかつ角周波数2ωpすなわち周波数fpを有する信
号S4を含む電気信号に変換して、上記増幅器52を介
して混合器53aに出力する。上記混合器53aは、局
部発振器54から入力される局部発振信号と上記増幅器
52を介して入力される電気信号とを混合して、上記電
気信号の周波数と上記局部発振信号の周波数との和と差
の周波数を有する信号に周波数変換して、上記帯域通過
フィルタ59aに出力する。上記帯域通過フィルタ59
aは、上記電気信号の周波数と上記局部発振信号の周波
数との和と差の周波数を有する信号のうちから、周波数
fpと上記局部発振信号の周波数の差の周波数を有する
信号のみを通過させて、ロックインアンプ27の端子T
1に出力する。ここで、上記電気信号中、周波数fpを
有する信号S3は、上述したように、ポッケルス定数と
交流電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有している
ので、周波数fpと上記局部発振信号の周波数の差の周
波数を有する信号も、ポッケルス定数と交流電界Epの
振幅Ep0に比例する振幅を有した信号である。The photoelectric converter 51 photoelectrically converts the intensity-modulated light beam signal, has a Pockels constant, an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and has an angular frequency ωp, that is, a frequency fp. the signal S 3, into an electric signal including a signal S 4 having a and angular frequency 2ωp or frequency fp an amplitude proportional to the square of the amplitude Ep 0 of the Kerr constant and alternating electric field Ep, the amplifier 52 Output to the mixer 53a via the The mixer 53a mixes the local oscillation signal input from the local oscillator 54 and the electric signal input via the amplifier 52, and calculates a sum of the frequency of the electric signal and the frequency of the local oscillation signal. The signal is frequency-converted into a signal having a difference frequency and output to the band-pass filter 59a. The above bandpass filter 59
a, among the signals having the frequency of the sum and difference between the frequency of the electric signal and the frequency of the local oscillation signal, passing only the signal having the frequency of the difference between the frequency fp and the frequency of the local oscillation signal. , Terminal T of the lock-in amplifier 27
Output to 1. Here, among the electric signals, the signal S 3 having the frequency fp has an amplitude proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, as described above, so that the frequency fp and the local oscillation signal Is also a signal having an amplitude proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep.
【0115】一方混合器53bは、入力される基準信号
と上記局部発振信号を混合して、上記基準信号の周波数
と上記局部発振周波数の和と差の周波数を有する信号に
周波数変換して、上記帯域通過フィルタ59bに出力す
る。上記帯域通過フィルタ59aは、上記基準信号の周
波数fpと上記局部発振周波数の和と差の周波数を有す
る信号のうちから、上記基準信号の周波数fpと上記局
部発振周波数の差の周波数を有する信号のみを通過させ
て、ロックインアンプ27の端子T2に出力する。On the other hand, the mixer 53b mixes the input reference signal and the local oscillation signal, frequency-converts the mixed signal into a signal having a frequency that is the sum and difference between the frequency of the reference signal and the local oscillation frequency, and Output to the band-pass filter 59b. The band-pass filter 59a includes only a signal having a frequency equal to the difference between the frequency fp of the reference signal and the local oscillation frequency among signals having a frequency equal to the sum of the frequency fp of the reference signal and the local oscillation frequency. And output to the terminal T2 of the lock-in amplifier 27.
【0116】ロックインアンプ27は、端子T1から入
力される周波数fpと上記局部発振信号の周波数の差の
周波数を有する信号を、上記基準信号の周波数fpと上
記局部発振信号の周波数の差の周波数を有する信号に基
づいて同期検波して、出力電圧│Va│sinφを端子
T3を介して表示制御部28に出力し、出力電圧│Va
│cosφを端子T4を介して表示制御部28に出力す
る。周波数fpと上記局部発振信号の周波数の差の周波
数を有する信号は、ポッケルス定数と交流電界Epの振
幅Ep0に比例する振幅を有した信号であるので、出力
電圧Va1と出力電圧Va2はポッケルス定数と交流電界
Epの振幅Ep0に比例した電圧になる。The lock-in amplifier 27 converts the signal having the frequency difference between the frequency fp input from the terminal T1 and the frequency of the local oscillation signal into the frequency difference between the frequency fp of the reference signal and the frequency of the local oscillation signal. , And outputs the output voltage | Va | sin φ to the display control unit 28 via the terminal T3, and outputs the output voltage | Va
| Cosφ is output to the display control unit 28 via the terminal T4. Since the signal having the frequency of the difference between the frequency fp and the frequency of the local oscillation signal is a signal having an amplitude proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, the output voltage Va 1 and the output voltage Va 2 are The voltage is proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep.
【0117】次に、表示制御部28は、入力される電圧
Va1,Va2から位相差φと電圧│Va│を演算し
て、機構制御部25から入力される位置信号と、電圧V
a1,Va2,│Va│と、上記位相差φのうちから指
定されるパラメータをディスプレイ29上に表示するよ
うにディスプレイ29を制御する。上記ディスプレイ2
9は表示制御部28の指示に従って、誘電体試料2の位
置に対応させて、電圧Va1とVa2と│Va│と上記
位相差φのうちから指定されるパラメータを2次元平面
上に表示する。Next, the display control unit 28 calculates the phase difference φ and the voltage | Va | from the input voltages Va 1 and Va 2 , and outputs the position signal input from the mechanism control unit 25 and the voltage V
The display 29 is controlled so that parameters designated from among a 1 , Va 2 , | Va | and the phase difference φ are displayed on the display 29. Display 2 above
9 displays a parameter specified from the voltages Va 1 , Va 2 , | Va | and the phase difference φ on a two-dimensional plane in accordance with the position of the dielectric sample 2 in accordance with the instruction of the display control unit 28. I do.
【0118】以上詳述したように、光ビームを照射しな
がら、透明電極3と電極4に交流電圧Vpを印加して、
誘電体試料2の微小領域2aに交流電界Epを発生させ
ると、微小領域2aは、入力される光ビームを上記微小
領域2aのポッケルス定数と上記交流電圧Vpの振幅に
比例した振幅を有しかつ上記交流電圧Vpと同じ周波数
fpを有する信号にしたがって強度変調された光ビーム
信号として反射する。次に光電変換器51は、上記強度
変調された光ビーム信号を光電変換して上記微小領域2
aのポッケルス定数と上記交流電圧Vpの振幅に比例し
た振幅を有しかつ上記交流電圧Vpと同じ周波数fpを
有する信号を含む電気信号に変換する。さらにロッイン
アンプ27は、基準信号に基づいて上記電気信号を同期
検波して、上記微小領域2aのポッケルス定数と上記交
流電圧Vpの振幅に比例した直流信号を出力する。従っ
て、上記機構部7と機構制御部25によって、上記光ビ
ームの照射位置を走査して、上記直流信号を測定するこ
とによって、微小領域2aのポッケルス定数の違いを上
記直流信号の値によって観測することができる。また、
上記ポッケルス定数は、3次の誘電率ε3と同じく3階
のテンソルであり対称中心を有する材料には存在しな
い。また、例えば分極が十分かかっている材料とそうで
ない材料では、ポッケルス定数の値は大きく異なる。ま
た、分極が零になるとポッケルス定数も零になり、分極
方向が反転した場合には、ポッケルス定数の符号も変わ
る。またさらに、結晶状態に乱れが生じると、乱れた部
分では結晶の異方性が小さくなり、やはり3階のテンソ
ル量であるポッケルス定数は小さくなると考えられる。
従って、上記ポッケルス定数の微小領域2aにおける違
いを観測することによって、上記結晶状態の不均一や永
久分極のミクロな分布の大小が判断できる。As described in detail above, the AC voltage Vp is applied to the transparent electrodes 3 and 4 while irradiating the light beam.
When an AC electric field Ep is generated in the minute region 2a of the dielectric sample 2, the minute region 2a causes the input light beam to have an amplitude proportional to the Pockels constant of the minute region 2a and the amplitude of the AC voltage Vp; The light is reflected as a light beam signal whose intensity is modulated according to a signal having the same frequency fp as the AC voltage Vp. Next, the photoelectric converter 51 photoelectrically converts the intensity-modulated light beam signal, and
It is converted into an electric signal having a Pockels constant of a and an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp and including a signal having the same frequency fp as the AC voltage Vp. Further, the lock-in amplifier 27 synchronously detects the electric signal based on the reference signal and outputs a DC signal proportional to the Pockels constant of the minute area 2a and the amplitude of the AC voltage Vp. Therefore, by scanning the irradiation position of the light beam by the mechanism unit 7 and the mechanism control unit 25 and measuring the DC signal, the difference in the Pockels constant of the minute area 2a is observed based on the value of the DC signal. be able to. Also,
The Pockels constant is a third-order tensor like the third-order permittivity ε 3, and does not exist in a material having a center of symmetry. In addition, for example, a material with sufficiently polarized polarization and a material with less polarization have greatly different values of the Pockels constant. When the polarization becomes zero, the Pockels constant also becomes zero. When the polarization direction is reversed, the sign of the Pockels constant changes. Furthermore, when the crystal state is disturbed, it is considered that the anisotropy of the crystal is reduced in the disturbed portion, and the Pockels constant, which is also the third-order tensor amount, is reduced.
Therefore, by observing the difference in the fine region 2a of the Pockels constant, it is possible to judge the non-uniformity of the crystal state and the microscopic distribution of the permanent polarization.
【0119】以上の第三の実施例においては、周波数f
pを有する基準信号を用いて同期検波することによっ
て、ポッケルス定数が観測できるように構成したが、本
発明はこれに限らず、周波数が2×fpである基準信号
に基づいて同期検波するように構成して、カー定数が観
測できるように構成してもよい。以上のようにして、光
学的領域における非線形誘電率を測定することができ
る。In the above third embodiment, the frequency f
Although the Pockels constant is configured to be observable by performing synchronous detection using a reference signal having p, the present invention is not limited to this, and the synchronous detection is performed based on a reference signal having a frequency of 2 × fp. It may be configured so that the Kerr constant can be observed. As described above, the nonlinear dielectric constant in the optical region can be measured.
【0120】<第四の実施例>図14は、第四の実施例
の非線形誘電率測定装置の構成を示すブロック図であ
る。第四の実施例の非線形誘電率測定装置が、第三の実
施例の非線形誘電率測定装置と異なる所は、電極4に代
えて透明電極4aを備えて、さらに、機構部7に代えて
透明体からなる機構部7aを備えて構成されている点で
ある。以上のような構成によって、透明電極3と誘電体
試料2と透明電極4aと機構部7aを透過する透過光で
ある光ビーム信号を電気信号に変換して、当該電気信号
に基づいて、光学的領域における非線形誘電率を測定す
ることを特徴とする。<Fourth Embodiment> FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to a fourth embodiment. The difference between the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the fourth embodiment and the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the third embodiment is that a transparent electrode 4a is provided in place of the electrode 4 and a transparent electrode is provided in place of the mechanical unit 7. This is a point that it is provided with a mechanical portion 7a composed of a body. With the above-described configuration, a light beam signal, which is transmitted light passing through the transparent electrode 3, the dielectric sample 2, the transparent electrode 4a, and the mechanism 7a, is converted into an electric signal, and an optical signal is formed based on the electric signal. The method is characterized in that a nonlinear dielectric constant in a region is measured.
【0121】以下、図面を用いて第四の実施例の非線形
誘電率測定装置の構成を説明する。第四の実施例の非線
形誘電率測定装置は、図14に示すように、第三の実施
例の反射光測定部60にかえて、キャパシタ部1と、レ
ーザダイオード21と、交流電源9と、機構部7aと、
機構制御部25と、光電変換器51とからなる透過光測
定部を備えて構成される。キャパシタ部1は、誘電体試
料2が互いに対向する透明電極3と透明電極4aによっ
て挟設されて構成される。レーザダイオード21は、所
定波長の光ビームを発生して、当該光ビームを透明電極
3を介して誘電体試料2の一部分である微小領域2aに
照射する。交流電源9は、上記透明電極3と透明電極4
aに周波数fpを有する交流電圧Vpを印加することに
よって、上記誘電体試料2の微小領域2aに周波数fp
を有する交流電界Epを発生させる一方、上記交流電圧
Vpを基準信号として混合器53bに出力する。ここ
で、上記周波数fpは、100MHzから1000MH
zの間の所定の周波数に設定される。ここで、上記透過
光は、後述するように上記交流電圧Vpと同じ周波数を
有し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比例した振幅を有
する信号を含む信号によって強度変調された光ビーム信
号である。光電変換器51は、入力される透過光である
光ビーム信号を光電変換して、上記交流電圧Vpと同じ
周波数を有し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比例した
振幅を有する信号を含む電気信号を発生して、増幅器5
2を介して上記混合器53aに出力する。上記機構部7
aは、透明体からなり、キャパシタ部1をその表面上に
載置して保持し、かつ機構制御部25からの制御信号に
応答してキャパシタ部1をレーザダイオード21からの
光ビームの照射方向に対して垂直な方向で1次元方向又
は2次元方向に移動させる。キャパシタ部1が機構部7
によって、このように移動されることにより、上記光ビ
ームが照射される誘電体試料2の微小領域2aが1次元
方向又は2次元方向に移動される。機構制御部25は、
上記制御信号を発生するとともに、当該制御信号に対応
し上記誘電体試料2の微小領域2aの移動位置を示す位
置信号を発生して表示制御部28に出力する。Hereinafter, the configuration of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 14, the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the fourth embodiment replaces the reflected light measuring section 60 of the third embodiment with a capacitor section 1, a laser diode 21, an AC power supply 9, A mechanism section 7a;
It is provided with a transmitted light measuring unit including the mechanism control unit 25 and the photoelectric converter 51. The capacitor section 1 is configured by sandwiching a dielectric sample 2 between a transparent electrode 3 and a transparent electrode 4a facing each other. The laser diode 21 generates a light beam having a predetermined wavelength, and irradiates the light beam to the minute area 2 a which is a part of the dielectric sample 2 via the transparent electrode 3. The AC power supply 9 includes the transparent electrode 3 and the transparent electrode 4.
a to the minute region 2a of the dielectric sample 2 by applying an AC voltage Vp having a frequency fp to
, And outputs the AC voltage Vp to the mixer 53b as a reference signal. Here, the frequency fp ranges from 100 MHz to 1000 MHz.
It is set to a predetermined frequency between z. Here, the transmitted light is a light beam signal which has the same frequency as the AC voltage Vp and is intensity-modulated by a signal including a signal having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp, as described later. . The photoelectric converter 51 photoelectrically converts a light beam signal, which is input transmitted light, into an electric signal including a signal having the same frequency as the AC voltage Vp and having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp. The signal is generated by the amplifier 5
2 to the mixer 53a. The above mechanism 7
a is made of a transparent body, the capacitor unit 1 is placed and held on its surface, and in response to a control signal from the mechanism control unit 25, the capacitor unit 1 is moved in the direction in which the light beam is emitted from the laser diode 21. Are moved in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction in a direction perpendicular to. Capacitor part 1 is mechanism part 7
As a result, the minute region 2a of the dielectric sample 2 to which the light beam is irradiated is moved in one-dimensional direction or two-dimensional direction. The mechanism control unit 25 includes:
In addition to generating the control signal, it generates a position signal indicating the movement position of the minute area 2a of the dielectric sample 2 corresponding to the control signal, and outputs the position signal to the display control unit 28.
【0122】以上のように構成された、第四の実施例の
非線形誘電率測定装置において、上記誘電体試料2に、
交流電源9によって、透明電極3,4に交流電圧Vpを
印加すると、上記誘電体試料2の厚さ方向と平行に、上
記交流電圧Vpの振幅に比例した振幅と上記交流電圧V
pの周波数fpと同じ周波数を有する交流電界Epを発
生する。これによって、上述のように、反射率変化量Δ
Rが変化する。ここで、公知のように、誘電体試料2の
反射率Rと誘電体試料2の光の透過率Tとの間には、数
62に示す関係がある。従って反射率変化量ΔRと透過
率変化量ΔTの間には、数63に示す関係がある。In the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the fourth embodiment having the above-described configuration, the dielectric sample 2
When an AC voltage Vp is applied to the transparent electrodes 3 and 4 by the AC power supply 9, an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp and the AC voltage Vp are applied in parallel with the thickness direction of the dielectric sample 2.
An AC electric field Ep having the same frequency as the frequency fp of p is generated. Thereby, as described above, the reflectance change amount Δ
R changes. Here, as is well known, there is a relationship shown in Expression 62 between the reflectance R of the dielectric sample 2 and the light transmittance T of the dielectric sample 2. Therefore, there is a relationship shown in Expression 63 between the reflectance change amount ΔR and the transmittance change amount ΔT.
【0123】[0123]
【数62】T=1−RT = 1-R
【数63】ΔT=−ΔRΔT = −ΔR
【0124】数63と数61から明らかなように、上記
透過率変化量ΔTは、ポッケルス定数と交流電界Epの
振幅Ep0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωpを有
して交番的に変化する透過率変化量と、カー定数と交流
電界Epの振幅Ep0の2乗に比例する振幅を有しかつ
角周波数2ωpを有して交番的に変化する透過率変化量
ΔTを含むので、上記透過光である光ビーム信号は、ポ
ッケルス定数と交流電界Epの振幅Ep0に比例する振
幅を有しかつ角周波数ωpすなわち周波数fpを有する
信号と、カー定数と交流電界Epの振幅Ep0の2乗に
比例する振幅を有しかつ角周波数2ωpすなわち周波数
fpを有する信号によって強度変調された光ビーム信号
である。As is apparent from Equations 63 and 61, the transmittance change ΔT has an amplitude proportional to the Pockels constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and has an angular frequency ωp, and Since it includes the transmittance change amount that changes and the transmittance change amount ΔT that has an amplitude proportional to the square of the Kerr constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and that alternately changes with the angular frequency 2ωp, the light beam signal is the transmitted light, and a signal having the Pockels constant and alternating electric field having an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of Ep and the angular frequency ωp or frequency fp, the Kerr constant and alternating electric field Ep of the amplitude Ep 0 A light beam signal having an amplitude proportional to the square and being intensity-modulated by a signal having an angular frequency 2ωp, that is, a frequency fp.
【0125】従って、上記光ビーム信号を光電変換した
電気信号を第五の実施例と同様な処理をすることによっ
て、各微小領域2aのポッケルス定数の違いを上記直流
信号の値によって観測することができる。以上のよう
に、誘電体試料2の光の透過率Tが印加される電界Ep
によって変化することを利用して、各微小領域2aのポ
ッケルス定数の違いを観測することができる。Therefore, by subjecting the electric signal obtained by photoelectrically converting the light beam signal to the same processing as in the fifth embodiment, it is possible to observe the difference in the Pockels constant of each minute area 2a based on the value of the DC signal. it can. As described above, the electric field Ep to which the light transmittance T of the dielectric sample 2 is applied
The difference in Pockels constant of each minute region 2a can be observed by utilizing the fact that the Pockels constant varies in each micro region 2a.
【0126】以上の第四の実施例においては、周波数f
pを有する基準信号を用いて同期検波することによっ
て、ポッケルス定数が観測できるように構成したが、本
発明はこれに限らず、周波数が2×fpである基準信号
に基づいて同期検波するように構成して、カー定数が観
測できるように構成してもよい。In the fourth embodiment, the frequency f
Although the Pockels constant is configured to be observable by performing synchronous detection using a reference signal having p, the present invention is not limited to this, and the synchronous detection is performed based on a reference signal having a frequency of 2 × fp. It may be configured so that the Kerr constant can be observed.
【0127】以上の第三と第四の実施例においては、ロ
ックインアンプ27の出力を観測しているが、本発明は
これに限らず、光電変換器51から出力される電気信号
を観測して誘電体試料2の微小領域2aにおけるポッケ
ルス定数を測定するようにしてもよい。この場合におい
て、非線形誘電率測定装置は、光電変換器51から出力
される電気信号のうちから周波数fpの信号のみを選択
的にろ波する帯域通過フィルタと、100MHzから1
000MHzの周波数を有する信号の波形を測定するオ
シロスコープなどを備えて構成される。以上のような構
成によって、ポッケルス定数と交流電界Epの振幅Ep
0に比例する電力値を得ることができ、ポッケルス定数
を測定することができる。また、周波数2fpを有する
信号のみを選択的にろ波して出力する帯域通過フィルタ
を用いることによって、カー定数を測定することができ
る。以上のようにして、上述の第三の実施例の非線形誘
電率測定装置と同様に、光学的領域における非線形誘電
率を測定することができる。In the third and fourth embodiments, the output of the lock-in amplifier 27 is observed. However, the present invention is not limited to this, and the electric signal output from the photoelectric converter 51 is observed. Alternatively, the Pockels constant in the minute region 2a of the dielectric sample 2 may be measured. In this case, the nonlinear dielectric constant measuring apparatus includes a band-pass filter that selectively filters only the signal of the frequency fp from the electric signals output from the photoelectric converter 51,
An oscilloscope for measuring the waveform of a signal having a frequency of 000 MHz is provided. With the above configuration, the Pockels constant and the amplitude Ep of the AC electric field Ep are obtained.
The power value proportional to 0 can be obtained, and the Pockels constant can be measured. The Kerr constant can be measured by using a band-pass filter that selectively filters and outputs only a signal having a frequency of 2 fp. As described above, the nonlinear dielectric constant in the optical region can be measured as in the above-described nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the third embodiment.
【0128】<第五の実施例>図15は、上述の3次の
誘電率ε3と同様に誘電体膜102の分極の向きによっ
てポッケルス定数rの正負が反転することを利用した第
五の実施例の誘電体記録読取装置の実施例である。図1
5の誘電体記録読取装置は、誘電体テープ100と、レ
ーザダイオード21と、ハーフミラー57と、フォーカ
スレンズ58と、交流電源9と、テープ保持部55a,
55b,55c,55dと、光電変換器51と、位相検
出器56とによって構成される。誘電体テープ100
は、テープ状に形成された金属膜104上に強誘電体か
らなる誘電体膜102を例えばスパッタリングなどの公
知の方法によって形成し、さらに上記誘電体膜102の
上にITOなどの透明電極103を例えばスパッタリン
グなどの公知の方法によって形成して構成される。レー
ザダイオード21は、所定波長の光ビームを発生して、
上記ハーフミラー57とフォーカスレンズ58を介し
て、当該光ビームを誘電体膜102の一部分である微小
領域102aの表面に照射する。ここで、フォーカスレ
ンズ58は、上記光ビームを誘電体試料2の微小部分1
02aに照射するように集光する。また、交流電源9
は、テープ保持部55cとテープ保持部55dに交流電
圧Vpを印加することによって、上記誘電体膜102の
厚さ方向に交流電界Epを発生させる一方、上記交流電
圧Vpを基準信号として位相検出器56に出力する。ハ
ーフミラー57は、レーザダイオード21が発生する光
ビームが上記誘電体膜102の微小領域102aの表面
に照射させるように透過する一方、上記微小領域102
aの表面によって反射された後フォーカスレンズ58を
介して入射する光ビーム信号を反射して、当該反射光で
ある光ビーム信号を光電変換器51に照射する。ここ
で、上記反射光は、上記交流電圧Vpと同じ周波数を有
し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比例した振幅を有す
る信号を含む信号によって強度変調された光ビーム信号
である。光電変換器51は、入力される反射光である光
ビーム信号を光電変換して、上記交流電圧Vpと同じ周
波数を有し、かつ上記交流電圧Vpの振幅に比例した振
幅を有する信号を含む電気信号を発生して、位相検出器
56に出力する。<Fifth Embodiment> FIG. 15 shows a fifth embodiment utilizing the fact that the polarity of the Pockels constant r is inverted depending on the direction of polarization of the dielectric film 102 in the same manner as the above-described third-order dielectric constant ε 3 . 1 is an embodiment of a dielectric recording and reading apparatus according to an embodiment. FIG.
The dielectric recording / reading apparatus 5 includes a dielectric tape 100, a laser diode 21, a half mirror 57, a focus lens 58, an AC power supply 9, a tape holding unit 55a,
It is constituted by 55b, 55c, 55d, the photoelectric converter 51, and the phase detector 56. Dielectric tape 100
A dielectric film 102 made of a ferroelectric is formed on a metal film 104 formed in a tape shape by a known method such as sputtering, and a transparent electrode 103 such as ITO is formed on the dielectric film 102. For example, it is formed by a known method such as sputtering. The laser diode 21 generates a light beam of a predetermined wavelength,
The light beam is applied to the surface of the minute region 102a which is a part of the dielectric film 102 via the half mirror 57 and the focus lens 58. Here, the focus lens 58 transmits the light beam to the minute portion 1 of the dielectric sample 2.
The light is focused so as to irradiate 02a. In addition, AC power supply 9
Generates an AC electric field Ep in the thickness direction of the dielectric film 102 by applying an AC voltage Vp to the tape holder 55c and the tape holder 55d, while using the AC voltage Vp as a reference signal to generate a phase detector. Output to 56. The half mirror 57 transmits the light beam generated by the laser diode 21 so as to irradiate the surface of the minute region 102 a of the dielectric film 102, while the half mirror 57 transmits the light beam
After being reflected by the surface a, the light beam signal incident through the focus lens 58 is reflected, and the light beam signal as the reflected light is radiated to the photoelectric converter 51. Here, the reflected light is a light beam signal that has the same frequency as the AC voltage Vp and is intensity-modulated by a signal including a signal having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp. The photoelectric converter 51 photoelectrically converts an input light beam signal, which is reflected light, into an electric signal including a signal having the same frequency as the AC voltage Vp and having an amplitude proportional to the amplitude of the AC voltage Vp. A signal is generated and output to the phase detector 56.
【0129】また、テープ保持部55a,55b,55
c,55dは、それぞれ誘電体テープ100の幅より長
い所定の軸方向の長さを有する円柱状の導体からなる。
テープ保持部55aとテープ保持部55bは、それぞれ
の軸が誘電体テープ100の幅方向と平行になるよう
に、かつ誘電体テープ100をそれぞれの円周面で挟む
ように互いに対向して回転可能に設けられる。またさら
に、テープ保持部55cとテープ保持部55dは、それ
ぞれの軸が誘電体テープ100の幅方向と平行になるよ
うに、かつ誘電体テープ100をそれぞれの円周面で挟
むように互いに対向して回転可能に設けられる。上記誘
電体テープ100は、その厚さ方向が常に光ビームの照
射方向と一致するように、かつフォーカスレンズ58か
らの距離が所定の値になるように、そして、誘電体テー
プ100の長手方向で走行可能に、互いにその長手方向
で所定の間隔だけ離れて並置するテープ保持部55a,
55bとテープ保持部55c,55dによって保持され
る。ここで、テープ保持部55cは、透明電極103に
電気的に接触し、テープ保持部55dは、金属膜104
に電気的に接触する。そして、テープ保持部55aとテ
ープ保持部55bは、誘電体テープ100を挟設して所
定の圧力で押えながら、互いに反対方向に所定の回転数
で回転して、誘電体テープ100をその長手方向に所定
のスピードで走行させる。さらに、位相検出器56は、
例えばロックインアンプ27を備えて構成され、上記ロ
ックインアンプ27の出力電圧Va1,Va2から数4を
用いて位相差φを演算して出力する。Further, the tape holding portions 55a, 55b, 55
Each of c and 55d is a columnar conductor having a predetermined axial length longer than the width of the dielectric tape 100.
The tape holding portion 55a and the tape holding portion 55b can be rotated to face each other so that their axes are parallel to the width direction of the dielectric tape 100 and the dielectric tape 100 is sandwiched between the respective circumferential surfaces. Is provided. Further, the tape holding portion 55c and the tape holding portion 55d face each other such that their axes are parallel to the width direction of the dielectric tape 100 and that the dielectric tape 100 is sandwiched between the respective circumferential surfaces. It is provided rotatably. The dielectric tape 100 is so arranged that its thickness direction always coincides with the irradiation direction of the light beam, and that the distance from the focus lens 58 is a predetermined value. The tape holding portions 55a, 55a,
55b and the tape holding portions 55c and 55d. Here, the tape holder 55c is in electrical contact with the transparent electrode 103, and the tape holder 55d is
Electrical contact with Then, the tape holding portion 55a and the tape holding portion 55b are rotated at a predetermined number of rotations in opposite directions while holding the dielectric tape 100 therebetween and pressing the dielectric tape 100 at a predetermined pressure, thereby moving the dielectric tape 100 in its longitudinal direction. At a predetermined speed. Further, the phase detector 56
For example, it is configured to include a lock-in amplifier 27, and calculates and outputs a phase difference φ from the output voltages Va 1 and Va 2 of the lock-in amplifier 27 using Expression 4.
【0130】以上のように構成された、第五の実施例の
誘電体記録読取装置において、上記誘電体テープ100
に、光ビームを照射すると、上記光ビームは、上記誘電
体膜102の表面で反射され、上記反射光である光ビー
ム信号は、上述のように、強度変調された光ビーム信号
になる。In the dielectric recording / reading apparatus of the fifth embodiment configured as described above, the dielectric tape 100
Then, when the light beam is irradiated, the light beam is reflected on the surface of the dielectric film 102, and the light beam signal, which is the reflected light, becomes the intensity-modulated light beam signal as described above.
【0131】上記光電変換器51は、上記強度変調され
た光ビーム信号を光電変換して、ポッケルス定数と交流
電界Epの振幅Ep0に比例する振幅を有しかつ角周波
数ωpすなわち周波数fpを有する信号と、カー定数と
交流電界Epの振幅Ep0の2乗に比例する振幅を有し
かつ角周波数2ωpすなわち周波数fpを有する信号を
含む電気信号に変換して、上記位相検出器56に出力す
る。上記位相検出器56は、基準信号に基づいて当該電
気信号のうち、ポッケルス定数rと交流電界Epの振幅
Ep0に比例する振幅を有しかつ角周波数ωpすなわち
周波数fpを有する信号の位相を検出して出力する。こ
こで、数59においてn0は1より大きいので上記ポッ
ケルス定数rが正のときには、反射率変化量△R1は交
流電界Epすなわち交流電圧Vpと逆相で変化する。従
って、上記ポッケルス定数rが正のとき、上記周波数f
pを有する信号と基準信号の位相差φはπになる。同様
に、上記ポッケルス定数rが負のとき、上記周波数fp
を有する信号と基準信号の位相差φは0である。すなわ
ち、上記ポッケルス定数の正負に対応して位相差φはπ
又は0の何れかが出力される。さらに、上記テープ保持
部55a,55b,55cによって、上記微小領域10
2aの位置を順次変えて上記位相差φを測定することに
よって、各微小領域102aのポッケルス定数rの正負
を上記位相差φの値によって観測することができる。す
なわち、上記ポッケルス定数の正負は、上記微小領域の
分極の向きに対応しているので、上記各微小領域102
aの分極の向きを検出することができ、上記誘電体テー
プ100に記録されたデジタル信号を読み取ることがで
きる。The photoelectric converter 51 photoelectrically converts the intensity-modulated light beam signal to have a Pockels constant, an amplitude proportional to the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep, and an angular frequency ωp, that is, a frequency fp. The signal is converted into an electric signal including a signal having an amplitude proportional to the square of the Kerr constant and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and having an angular frequency 2ωp, that is, a frequency fp, and outputs the signal to the phase detector 56. . The phase detector 56 detects a phase of a signal having an amplitude proportional to the Pockels constant r and the amplitude Ep 0 of the AC electric field Ep and having an angular frequency ωp, that is, a frequency fp, of the electric signal based on the reference signal. And output. Here, since n 0 is larger than 1 in Equation 59, when the Pockels constant r is positive, the reflectance change ΔR 1 changes in the opposite phase to the AC electric field Ep, that is, the AC voltage Vp. Therefore, when the Pockels constant r is positive, the frequency f
The phase difference φ between the signal having p and the reference signal becomes π. Similarly, when the Pockels constant r is negative, the frequency fp
And the reference signal has a phase difference φ of 0. That is, the phase difference φ is π corresponding to the positive or negative of the Pockels constant.
Or 0 is output. Further, the tape holding portions 55a, 55b, and 55c allow the minute area 10
By sequentially changing the position of 2a and measuring the phase difference φ, the sign of the Pockels constant r of each minute region 102a can be observed by the value of the phase difference φ. That is, since the positive and negative of the Pockels constant correspond to the direction of polarization of the minute region,
The direction of the polarization a can be detected, and the digital signal recorded on the dielectric tape 100 can be read.
【0132】以上の第五の実施例では、反射光である光
ビーム信号を用いて誘電体読取装置を構成したが、本発
明はこれに限らず、第四の実施例と同様に、透過光であ
る光ビーム信号を用いて構成してもよい。In the above-described fifth embodiment, the dielectric reading device is configured by using the light beam signal that is the reflected light. However, the present invention is not limited to this, and the transmitted light can be changed as in the fourth embodiment. Alternatively, the configuration may be made using a light beam signal.
【0133】また、上述の第二と第五の実施例の誘電体
記録読取装置に使用される強誘電体材料は、例えば以下
に示す材料が使用される。 (a)PbTiO3−PbZrO3の固溶体であるPZT
材料。 (b)PbTiO3で表されるチタン酸鉛。 (c)PbZrO3で表されるジルコン酸鉛。 (d)BaTiO3で表されるチタン酸バリウム。 (e)LiNbO3で表されるニオブ酸リチウム。 (f)鉛(Pb),ランタン(La),ジルコニウム
(Zr),チタン(Ti)系の固溶体であるPLZT材
料。 (g)ビスマス(Bi),ナトリウム(Na),鉛(P
b),バリウム(Ba)系の固溶体であるBNPB材料
などの強誘電体材料。 上記材料は、セラミックス,単結晶又は薄膜形成された
もののいずれの材料も使用可能である。また、ポリフッ
化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデンと三フッ
化エチレンの共重合体、フッ化ビニリデンと四フッ化エ
チレンの共重合体、シアノビニリデンと酢酸ビニルの共
重合体などの圧電高分子材料なども使用することができ
る。またさらに、上記材料を複数個組み合わせた材料も
使用できる。As the ferroelectric material used in the dielectric recording and reading devices of the second and fifth embodiments, for example, the following materials are used. (A) PZT which is a solid solution of PbTiO 3 -PbZrO 3
material. (B) Lead titanate represented by PbTiO 3 . (C) Lead zirconate represented by PbZrO 3 . (D) Barium titanate represented by BaTiO 3 . (E) Lithium niobate represented by LiNbO 3 . (F) A PLZT material which is a solid solution of lead (Pb), lanthanum (La), zirconium (Zr), and titanium (Ti). (G) Bismuth (Bi), sodium (Na), lead (P
b) a ferroelectric material such as a BNPB material which is a barium (Ba) -based solid solution; As the above-mentioned material, any material of ceramics, single crystal or a thin film formed can be used. Piezoelectric polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVDF), copolymers of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, copolymers of vinylidene fluoride and ethylene tetrafluoride, and copolymers of cyanovinylidene and vinyl acetate Etc. can also be used. Further, a material obtained by combining a plurality of the above materials can also be used.
【0134】また、上述の第二と第五の実施例の誘電体
記録読取装置においては、誘電体テープ100を用いた
が、本発明はこれに限らず円盤状の誘電体ディスクを用
いてもよい。In the dielectric recording and reading devices of the second and fifth embodiments described above, the dielectric tape 100 is used. However, the present invention is not limited to this, and a disk-shaped dielectric disk may be used. Good.
【0135】[0135]
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る非線形
誘電率測定装置によれば、上記第1の電極と第2の電極
間に位置する上記誘電体の微小領域に、所定の周波数を
有する交流信号を印加し、上記2つの電極と上記誘電体
とを含んで構成された共振回路を備えて、上記誘電体の
微小領域に上記交流信号が印加されたときに、上記交流
信号の周波数と上記微小領域の非線形誘電率に対応して
発振周波数が変化する発振信号を発生した後、上記発振
信号を周波数復調して、上記交流信号の周波数と上記誘
電体の微小領域の非線形誘電率に対応した振幅を有する
電気信号を出力し、上記電気信号に基づいて上記誘電体
の微小領域の非線形誘電率を測定する。これによって、
従来は測定できなかった上記誘電体の微小領域の電気的
領域における非線形誘電率を測定することができる。As described above in detail, according to the nonlinear dielectric constant measuring apparatus of the present invention, a predetermined frequency is applied to a minute region of the dielectric located between the first electrode and the second electrode. And a resonance circuit configured to include the two electrodes and the dielectric. When the AC signal is applied to a minute area of the dielectric, the frequency of the AC signal is increased. Then, after generating an oscillation signal whose oscillation frequency changes in accordance with the nonlinear dielectric constant of the minute region, the oscillation signal is frequency-demodulated to obtain the frequency of the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric. An electric signal having a corresponding amplitude is output, and a nonlinear dielectric constant of a minute region of the dielectric is measured based on the electric signal. by this,
It is possible to measure a nonlinear dielectric constant in an electric region of a minute region of the dielectric which could not be measured conventionally.
【0136】また、上記第1の電極と透明材料からなる
第2の電極間に位置する上記誘電体の微小領域に、所定
の周波数を有する交流信号を印加し、さらに、第2の電
極を介して上記誘電体の微小領域に光ビームを照射し
て、上記微小領域の表面によって反射される上記誘電体
の微小領域の非線形誘電率と上記交流信号の周波数に対
応した強度を有する反射光を電気信号に光電変換して、
上記電気信号に基づいて、上記誘電体の微小領域の非線
形誘電率を測定する。これによって、従来は測定できな
かった上記誘電体の微小領域の光学的領域における非線
形誘電率を測定することができる。Further, an AC signal having a predetermined frequency is applied to a minute region of the dielectric located between the first electrode and the second electrode made of a transparent material. Irradiating the minute area of the dielectric with a light beam, and electrically reflected light having an intensity corresponding to the nonlinear dielectric constant of the minute area of the dielectric reflected by the surface of the minute area and the frequency of the AC signal. Photoelectrically converts it into a signal,
A non-linear dielectric constant of a minute region of the dielectric is measured based on the electric signal. This makes it possible to measure the non-linear dielectric constant in the optical region of the minute region of the dielectric, which could not be measured conventionally.
【0137】また、上記交流信号に基づいて上記電気信
号を同期検波して上記電気信号に対応した直流信号を出
力する検波手段を備え、上記直流信号に基づいて上記誘
電体の微小領域の非線形誘電率を測定する。従って、電
気信号を同期検波しているので、上記交流信号に同期し
ない所望されない他の雑音を除去して、同期検波後に得
られる直流信号の信号電力対雑音電力比S/Nを大幅に
改善することができるので、非線形誘電率の測定精度を
高めることができる。[0137] Further, there is provided a detecting means for synchronously detecting the electric signal based on the AC signal and outputting a DC signal corresponding to the electric signal, and a non-linear dielectric in a minute region of the dielectric based on the DC signal. Measure the rate. Therefore, since the electric signal is synchronously detected, other unwanted noise not synchronized with the AC signal is removed, and the signal-to-noise power ratio S / N of the DC signal obtained after the synchronous detection is greatly improved. Therefore, the measurement accuracy of the nonlinear dielectric constant can be improved.
【0138】さらに、上記第2の電極が上記誘電体の第
2の面上を走査するように、または、上記光照射手段に
よって照射された光ビームに対して垂直に、上記誘電体
を1次元方向又は2次元方向で移動する移動手段を備え
たので、上記誘電体の微小領域の位置を変えて上記測定
をすることによって、上記各微小領域毎の非線形誘電率
の相対的な変化を測定することができるので、上記誘電
体の非線形誘電率の相対的なミクロの分布を知ることが
できる。Furthermore, the dielectric is one-dimensionally moved so that the second electrode scans on the second surface of the dielectric or perpendicular to the light beam irradiated by the light irradiating means. Since the moving means for moving in the direction or the two-dimensional direction is provided, the relative change in the nonlinear dielectric constant of each of the minute regions is measured by changing the position of the minute region of the dielectric and performing the measurement. Therefore, the relative micro-distribution of the nonlinear dielectric constant of the dielectric can be known.
【図1】 本発明に係る非線形誘電率測定装置の基本回
路の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a basic circuit of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the present invention.
【図2】 図1のロックインアンプ27の詳細な構成を
示すロックインアンプ27のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of the lock-in amplifier 27 showing a detailed configuration of the lock-in amplifier 27 of FIG.
【図3】 本発明に係る第一の実施例の非線形誘電率測
定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明に係る第一の実施例の非線形誘電率測
定装置のリエントラント型空胴共振器30の断面図であ
る。FIG. 4 is a cross-sectional view of a reentrant cavity resonator 30 of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
【図5】 図4のリエントラント型空胴共振器30を誘
電体試料2の方向から見た平面図である。5 is a plan view of the reentrant cavity resonator 30 of FIG. 4 as viewed from the direction of the dielectric sample 2. FIG.
【図6】 図4のリエントラント型空胴共振器30が誘
電体試料2に接したときのキャパシタ部1と交流電源9
を含む等価回路の回路図である。FIG. 6 shows a capacitor unit 1 and an AC power supply 9 when the reentrant cavity 30 shown in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of an equivalent circuit including the following.
【図7】 図8の測定結果を得るために用いたZカット
LiNbO3からなる誘電体試料2の平面図である。FIG. 7 is a plan view of a dielectric sample 2 made of Z-cut LiNbO 3 used to obtain the measurement results of FIG.
【図8】 図7のZカットLiNbO3からなる誘電体
試料2におけるX軸上のX0からの距離Xにおけるロッ
クインアンプ27の出力電圧│Va│と、発振搬送波の
発振周波数f0を示したグラフである。8 shows the output voltage | Va | of the lock-in amplifier 27 and the oscillation frequency f 0 of the oscillation carrier at a distance X from X0 on the X axis in the dielectric sample 2 made of Z-cut LiNbO 3 of FIG. It is a graph.
【図9】 分極の状態が異なる領域を有する誘電体試料
2を図式的に示した断面図と、当該断面図に対応して測
定位置であるそれぞれの領域におけるロックインアンプ
27の出力電圧Va2の測定結果を示すグラフである。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a dielectric sample 2 having regions with different polarization states, and the output voltage Va 2 of the lock-in amplifier 27 in each of the measurement positions corresponding to the cross-sectional views. 6 is a graph showing the measurement results of FIG.
【図10】 図10は、本発明に係る非線形誘電率測定
装置の原理を応用した誘電体記録読取装置の応用回路の
ブロック図である。FIG. 10 is a block diagram of an application circuit of a dielectric recording / reading apparatus to which the principle of the nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to the present invention is applied.
【図11】 第二の実施例の誘電体記録読取装置の構成
を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of a dielectric recording and reading apparatus according to a second embodiment.
【図12】 第二の実施例の誘電体記録読取装置の測定
例である誘電体テープ100のスタート点からの距離に
おけるロックインアンプ27aの出力電圧を示すグラフ
である。FIG. 12 is a graph showing an output voltage of a lock-in amplifier 27a at a distance from a start point of a dielectric tape 100, which is a measurement example of the dielectric recording and reading apparatus of the second embodiment.
【図13】 第三の実施例の非線形誘電率測定装置の構
成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a non-linear dielectric constant measuring apparatus according to a third embodiment.
【図14】 第四の実施例の非線形誘電率測定装置の構
成を示すブロック図である。FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of a nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to a fourth embodiment.
【図15】 第五の実施例の誘電体記録読取装置の構成
を示すブロック図である。FIG. 15 is a block diagram illustrating a configuration of a dielectric recording and reading apparatus according to a fifth embodiment.
1…キャパシタ部、 2…誘電体試料、 2a,102a…微小領域、 2b,102b…領域、 3,4a…透明電極、 4…電極、 5…負性抵抗回路、 6…コイル、 7,7a…機構部、 9…交流電源、 10,10a,10b,10c…共振回路部、 20,20a,20b,20c…発振器、 21…レーザダイオード、 25…機構制御部、 26…FM復調回路、 27,27a…ロックインアンプ、 28…表示制御部、 29…ディスプレイ、 30…リエントラント型空胴共振器、 31…導体ケース、 32…中心導体、 33…開口部、 35,50a…先端部、 50…測定電極、 51…光電変換器、 53a,53b,277a,277b…混合器、 55a,55b,55c,55d…テープ保持部、 57…ハーフミラー、 58…レンズ、 56…位相検出器、 60…反射光測定部、 100…誘電体テープ、 102…誘電体膜、 103…透明電極膜、 104…金属膜、 271…増幅器、 272…波形整形器、 273,274…同相分配器、 275…90度移相器、 278a,278b…低域通過フィルタ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Capacitor part, 2 ... Dielectric sample, 2a, 102a ... Micro area, 2b, 102b ... Area, 3, 4a ... Transparent electrode, 4 ... Electrode, 5 ... Negative resistance circuit, 6 ... Coil, 7, 7a ... 9: AC power supply, 10, 10a, 10b, 10c: Resonance circuit unit, 20, 20a, 20b, 20c: Oscillator, 21: Laser diode, 25: Mechanism control unit, 26: FM demodulation circuit, 27, 27a ... lock-in amplifier, 28 ... display control unit, 29 ... display, 30 ... reentrant cavity resonator, 31 ... conductor case, 32 ... center conductor, 33 ... opening, 35, 50a ... tip, 50 ... measuring electrode 51, a photoelectric converter, 53a, 53b, 277a, 277b, a mixer, 55a, 55b, 55c, 55d, a tape holder, 57, a half mirror, 58, a lens, 56: phase detector, 60: reflected light measurement unit, 100: dielectric tape, 102: dielectric film, 103: transparent electrode film, 104: metal film, 271: amplifier, 272: waveform shaper, 273, 274 ... In-phase distributor, 275 ... 90 degree phase shifter, 278a, 278b ... Low pass filter.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 27/26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01R 27/26
Claims (6)
有する誘電体の一部分である微小領域における非線形誘
電率を測定する非線形誘電率測定装置であって、 上記誘電体の第1の面に形成された第1の電極と、 上記誘電体の第2の面に接触するように設けられた先端
部を有する第2の電極と、 上記第1の電極と上記第2の電極に接続され、上記誘電
体の微小領域に所定の周波数を有する交流信号を印加す
る電圧印加手段と、 上記第1の電極と上記第2の電極との間に挟設された誘
電体の微小領域のキャパシタと、インダクタとを含んで
構成されたLC共振回路を備えて、上記誘電体の微小領
域に上記交流信号が印加されたときに、上記交流信号の
周波数と上記微小領域の非線形誘電率に対応して発振周
波数が変化する発振信号を発生する発振手段と、 上記発振信号を周波数復調して、上記交流信号の周波数
と上記微小領域の非線形誘電率に対応した振幅を有する
信号を電気信号として出力する復調手段とを備え、 上記電気信号に基づいて上記誘電体の微小領域の非線形
誘電率を測定することを特徴とする非線形誘電率測定装
置。1. A non-linear dielectric constant measuring apparatus for measuring a non-linear dielectric constant in a minute region which is a part of a dielectric having a first surface and a second surface opposed to each other, comprising: A first electrode formed on the surface of the first electrode, a second electrode having a tip portion provided to be in contact with the second surface of the dielectric, and the first electrode and the second electrode. A voltage applying means connected to the terminal for applying an alternating current signal having a predetermined frequency to the minute area of the dielectric; and a voltage applying means for sandwiching the minute area of the dielectric sandwiched between the first electrode and the second electrode. An LC resonance circuit including a capacitor and an inductor is provided. When the AC signal is applied to a minute region of the dielectric, the LC signal corresponds to the frequency of the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region. To generate an oscillation signal whose oscillation frequency changes And a demodulating unit that frequency-demodulates the oscillation signal and outputs a signal having an amplitude corresponding to the frequency of the AC signal and the nonlinear dielectric constant of the minute region as an electric signal, based on the electric signal. A non-linear dielectric constant measuring device for measuring a non-linear dielectric constant of a minute region of the dielectric material.
有する誘電体の一部分である微小領域における非線形誘
電率を測定する非線形誘電率測定装置であって、 上記誘電体の第1の面に形成された第1の電極と、 上記誘電体の第2の面に形成された透明材料にてなる第
2の電極と、 上記第1の電極と上記第2の電極に接続され、上記誘電
体の微小領域に所定の周波数を有する交流信号を印加す
る電圧印加手段と、 上記第2の電極を介して上記誘電体の微小領域に光ビー
ムを照射する光照射手段と、 上記光ビームが照射されたときに、上記誘電体の微小領
域から反射される反射光を光電変換して電気信号を出力
する光電変換手段とを備え、 上記電気信号に基づいて上記誘電体の微小領域の非線形
誘電率を測定することを特徴とする非線形誘電率測定装
置。2. A non-linear dielectric constant measuring apparatus for measuring a non-linear dielectric constant in a minute region which is a part of a dielectric having a first surface and a second surface opposed to each other, wherein: A first electrode formed on a surface of the dielectric, a second electrode formed of a transparent material formed on a second surface of the dielectric, connected to the first electrode and the second electrode, Voltage applying means for applying an AC signal having a predetermined frequency to the minute area of the dielectric, light irradiating means for applying a light beam to the minute area of the dielectric via the second electrode, and the light beam And a photoelectric conversion unit that photoelectrically converts reflected light reflected from the minute area of the dielectric when the light is irradiated, and outputs an electric signal. Based on the electric signal, a non-linear area of the minute area of the dielectric is provided. Nonlinear dielectric characterized by measuring permittivity Rate measuring device.
記電気信号の振幅に対応した直流信号を出力する検波手
段とを備え、 上記直流信号に基づいて上記誘電体の微小領域の非線形
誘電率を測定することを特徴とする請求項1又は2記載
の非線形誘電率測定装置。3. The non-linear dielectric constant measuring device further comprises: a detecting means for synchronously detecting the electric signal based on the AC signal and outputting a DC signal corresponding to the amplitude of the electric signal. 3. The nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, wherein the nonlinear dielectric constant of the minute region of the dielectric is measured based on the following equation.
記円筒形状の一方の底面が短絡されて終端されかつ他方
の底面に開口部を有する導体ケースと、 上記導体ケースの一方の底面の中心に連結され、かつ上
記連結部分から上記導体ケースの軸中心に沿って上記先
端部が上記開口部まで延在するように上記導体ケース内
に設けられた円柱形状の上記第2の電極とを備え、 上記導体ケースの他方の底面が上記誘電体の上面に接触
してなるリエントラント空胴共振器であることを特徴と
する請求項1記載の非線形誘電率測定装置。4. The conductor circuit according to claim 1, wherein the resonance circuit has a cylindrical shape having two bottom surfaces facing each other, and one bottom surface of the cylindrical shape is short-circuited and terminated, and an opening is formed in the other bottom surface. And connected to the center of one bottom surface of the conductor case, and provided in the conductor case such that the tip extends from the connection portion along the axial center of the conductor case to the opening. 2. The nonlinear dielectric constant according to claim 1, further comprising a second electrode having a columnar shape, wherein the other bottom surface of the conductor case is a reentrant cavity resonator in contact with an upper surface of the dielectric. 3. measuring device.
うに、上記誘電体を1次元方向又は2次元方向で移動す
る移動手段を備えたことを特徴とする請求項1、3又は
4記載の非線形誘電率測定装置。5. The non-linear dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, further comprising: moving the dielectric in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction such that the second electrode scans on a second surface of the dielectric. 5. The non-linear dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, further comprising means.
直に、上記誘電体を1次元方向又は2次元方向で移動す
る移動手段を備えたことを特徴とする請求項2又は3記
載の非線形誘電率測定装置。6. The non-linear dielectric constant measuring device further includes a moving means for moving the dielectric in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction perpendicular to the light beam irradiated by the light irradiating means. The nonlinear dielectric constant measuring apparatus according to claim 2 or 3, wherein:
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- 1994-09-02 JP JP20959394A patent/JP3204852B2/en not_active Expired - Lifetime
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