CN109477779A - 液状或粘性物质的压电特性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压电特性测量装置。所述压电特性测量装置,包括：固定夹具，形成有一部分区域为开放的内部空间；运转夹具，将所述固定夹具密闭而形成能够容纳试样的密闭空间，并且，向容纳于所述密闭空间的试样施加荷重；第一电极和第二电极，用于测定所述密闭空间的电荷量；驱动模块，移动所述运转夹具；移动信息测量模块，测定运转夹具的移动信息；电荷量计量模块，通过所述第1及第二电极测定电荷量；控制模块，向所述驱动模块提供驱动信号，并且，根据从所述移动信息测量模块提供的移动信息和从所述电荷量计量模块提供的电荷量信息，测定对于试样的压电特性。
Description
技术领域
本发明是在韩国中小企业厅的支持下通过课题序号S2341055而实现，上述课题的研究管理专门机构是韩国产业技术振兴院(KIAT)，研究事业名称是“WorldClass300R&D”，研究课题名是“K-Cosmetic先导型功能性化妆品用皮肤细胞受容体调节功能性新材料发掘和含有其的最佳皮肤传送技术开发”，主管机构是Cosmax Co.,Ltd,研究时间是2013.09.01～2017.08.31。
本发明涉及压电特性测量装置，尤其，涉及一种测量对于液状或粘性物质施加压力时出现的电荷量，由此，来测定压电特性的压电特性测量装置。
背景技术
压电现象是指向材料施加压力时，通过变形(机械能源)内部极化发生变化，而发生电荷(电能源)，最初是Jacques和Pierre Curie在1880年在石英中发现。目前使用的大部分的压电性物质是在1940年代开发的钛酸钡(Barium titanate(BaTiO3)),锆钛酸铅(Leadzirconate titanate(Pb(Zr,Ti)O3,PZT))等无机物质。最近受到关注的是高分子压电性物质的PVDF，另外还使用金属氧化物等固体材料。工业方面将上述材料应用于传感器、过滤器、共振器、制动器、麦克风、能源采集等，以适用于各种领域，作为完成品应用于手机、加湿器、打火机、表、鞋、高速公路等主要IT产业、能源产业、医疗产业等。
为了测量具有上述压电特性的材料物性，需要借助于施加荷重而发生的信号测量电荷量或借助于施加电场而发生的信号测量变形量。
以往在测量固体薄膜形态的压电特性时，因基板的制约，无法通过在烧结体中标准使用的共振法测量压电常数，而只能通过静态或准静态方法测量。上述方法分为如同脉冲法、空压法、垂直应力法等利用测量向试片施加荷重时诱导的电荷量的静压电效果的方式和如同干涉仪方法、原子力显微镜(AFM)方法等利用施加电压而测量试片的变形程度的反压电效应的方式。上述的方法作为试样使用固体薄膜，因此，施加荷重时，能够维持初始的形态。
但，要对液体或粘性物质测定压电特性时，向液体或粘性物质施加荷重时，无法维持形态，因此，无法通过上述的方法测量压电特性。
因此，本发明人提供一种不仅是固体状，对于具有流动性的液状材料也能够容易地测量压电特性的装置。
发明内容
技术问题
为了解决上述的问题，本发明的目的为提供一种将液状或粘性物质的试样放入密闭空间并施加荷重，测量从试样发生的电性信号，而能够测定对于试样的压电特性的压电特性测量装置。
技术方案
为了实现上述的技术课题，根据本发明的特性的压电特性测量装置，包括：固定夹具，在内部形成有能够容纳试样的内部空间，并且，所述内部空间的一部分区域为开放的；运转夹具，将所述固定夹具的内部空间的开放的区域密闭而形成密闭空间，并且，为了向容纳于所述密闭空间的试样施加荷重，能够向所述固定夹具的内部空间移动；第一电极和第二电极，用于测定借助于所述固定夹具和所述运转夹具而形成的密闭空间的电荷量；驱动模块，根据驱动信号移动所述运转夹具；移动信息测量模块，安装在所述运转夹具，测定通过所述驱动模块的运转夹具的移动信息；电荷量计量模块，通过所述第一电极及第二电极测定电荷量，变换为电压信号并增幅后输出；控制模块，生成对于所述驱动模块的驱动信号，提供给驱动模块，并且，接收从所述移动信息测量模块提供的移动信息，接收从所述电荷量计量模块提供的密闭空间的电荷量信息，并利用所述移动信息及电荷量信息，测定对于试样的压电特性。
根据上述特征的压电特性测量装置，优选地，所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质形成。
根据上述特征的压电特性测量装置，所述运转夹具由圆通形或多角形形状形成，所述固定夹具的内部空间形成为与所述运转夹具对应的形状，运转夹具可在固定夹具的内部空间进行上下往复运动，所述移动信息为运转夹具向密闭空间施加的荷重。
所述第一电极及第二电极分别安装在所述运转夹具的下部面及所述固定夹具的内部空间的底面，或第一电极及第二电极都安装在运转夹具的侧壁或固定夹具的内周面，并相互分隔既定距离而配置，从而，电性地相互分离。
根据上述特征的压电特性测量装置，所述运转夹具形成为圆柱形，下部面由圆锥形形成，所述固定夹具的内部空间形成与所述运转夹具对应的形状，底面平坦地形成，并且，所述运转夹具对于固定夹具进行上下往复运动及旋转运动，所述移动信息是运转夹具在密闭空间旋转的旋转角，
所述第一电极安装在所述运转夹具的下部面，所述第二电极安装在所述固定夹具的内部空间的底面，在所述运转夹具的下部面附着的第一电极形成与运转夹具的下部面紧贴结合的圆锥形。
根据上述特征的压电特性测量装置，所述运转夹具，包括：主体，为能够将固定夹具的开放区域密闭的形状，在中心形成有贯通口；及移动部件，在所述主体的贯通口可上下移动及旋转地搭载，可在固定夹具的内部空间进行上下往复运动及旋转运动，并且，所述运转夹具的移动部件从所述固定夹具的内周面分隔既定距离而形成，并且，所述运转部件的移动部件与所述固定夹具的内周面分隔既定距离而形成，所述运转夹具对于固定夹具进行上下往复运动和旋转运动，所述移动信息为运转夹具在密闭空间旋转的旋转角，
所述第一电极安装在所述运转夹具的移动部件的侧壁，所述第二电极安装在所述固定夹具的内周面。
发明的效果
本发明的压电特性测量装置利用固定夹具和运转夹具形成密闭空间，并向所述密闭空间放入液状或粘性物质的试样后施加荷重，测量借助于施加的荷重在密闭空间的试样发生的电荷量，由此，能够测量对于液状或粘性物质的压电特性。
图9为对于为了测量因压电现象发生的压电系数(d)向试样施加的荷重而发生的电荷量的图表。参照图9，通过表示对于向试样施加的垂直荷重(Vertical Load)发生的电荷量(Amplifier)的图表，能够计算倾斜度(d)。所述倾斜度可使用为压电系数。
附图说明
图1为整体性地表示根据本发明的第一实施例的压电特性测量装置的框图；图2为表示本发明的第一实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；
图3为整体性地表示本发明的第二实施例的压电特性测量装置的框图；图4为表示本发明的第二实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；
图5为整体性地表示本发明的第三实施例的压电特性测量装置的框图；图6为表示本发明的第三实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；
图7为整体性地表示本发明的第四实施例的压电特性测量装置的框图；图8为表示本发明的第四实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；
图9为对于为了测量因压电现象发生的压电系数(d)向试样施加的荷重而发生的电荷量的图表。
具体实施方式
本发明的压电特性测量装置的特征是借助于固定夹具和可移动的运转夹具而形成能够容纳液状或粘性物质的试样的密闭空间，并对于容纳有密闭空间的试样施加荷重或变形力，由此，能够测量从试样发生的电荷量。
以下，详细说明本发明的压电特性测量装置的各种实施例。
<第一实施例>
以下，参照图1及图2详细说明根据本发明的第一实施例的压电特性测量装置的结构及动作。图1为整体性地表示根据本发明的第一实施例的压电特性测量装置的框图；图2为表示本发明的第一实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；根据本实施例的压电特性测量装置的特征是测量对于向试样施加的荷重的压电特性。
参照图1及图2，根据本实施例的压电特性测量装置10，包括：固定夹具100、运转夹具110、第一电极120及第二电极122、驱动模块140、移动信息测量模块130、电荷量计量模块150、ADC160及控制模块170。以下，详细说明各个构成要素。
所述固定夹具100在内部形成有能够容纳试样的内部空间，并且，所述内部空间的一部分区域被开放。
所述运转夹具110用于密闭所述固定夹具的内部空间的开放的区域而形成密闭空间，并且，为了向所述密闭空间容纳的试样施加荷重，可向所述固定夹具的内部空间移动。所述固定夹具的内部空间及所述运转夹具的外周面由多角形或圆形形成，为相互对应的形状，并且，运转夹具可在固定夹具的内部空间由上下移动，尤其，在上下移动时，固定夹具的内部空间可被运转夹具形成密闭空间。
所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质制造，可通过铸造、锻造、注塑、快速造型等方法制作。
并且，优选地，在固定夹具的内周面与运转夹具的外周面的之间还形成有具有弹性的密闭部件(附图中未图示)，从而，更加提高未容纳试样而借助于固定夹具与运转夹具形成的密闭空间的气密性。
所述第一电极120及第二电极122是用于测量借助于所述固定夹具和所述运转夹具形成的密闭空间的电荷量(C)，优选地，第一电极120安装在运转夹具的下部面，第二电极122形成于固定夹具的内部空间的底面，而相对地配置。所述第一电极及第二电极与电荷量计量模块150的输入端子连接，从而，通过第一电极及第二电极在移动信息测量模块测定密闭空间的电荷量。所述第一电极及第二电极可通过结合、粘接、焊接、物理性蒸镀、化学性蒸镀等方法，而与运转夹具及固定夹具结合或制作。
所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质制作，优选地，所述第一电极及第二电极由铜、金、银等导电性优秀的材料制作。
所述电荷量计量模块150是通过所述第一电极及第二电极测定电荷量，并将测定的电荷量值以电压信号变换及增幅，向ADC160输出。所述ADC160是将模拟信号变换为数码信号后输出的元件，将从电荷量计量模块提供的模拟信号变换为数码信号，向控制模块提供。
所述驱动模块140根据由控制模块提供的驱动信号使得所述运转夹具移动，本实施例中由驱动器(Actuator)形成，而使得所述运转夹具由上下方向移动。
所述移动信息测量模块130被安装在所述运转夹具，测定通过所述驱动模块发生的运转夹具的移动信息，本实施例中由测力传感器形成，测定向运转夹具施加的荷重，并将所述测定的荷重值(N)作为移动信息向控制模块提供。
所述控制模块170生成对于所述驱动模块的驱动信号，向驱动模块提供，并由所述移动信息测量模块接收移动信息即向运转夹具施加的荷重值(N)，接收从所述电荷量计量模块提供的密闭空间的电荷量信息(C)，并且，利用所述荷重值(N)及电荷量信息(C)利用数学式1测定提供对于试样的压电特性即压电系数(d33)。
【数学式1】
具体实施方式
<第二实施例>
以下参照图3及图4详细说明根据本发明的第二实施例的压电特性测量装置的结构及动作。图3为整体性地表示根据本发明的第二实施例的压电特性测量装置的框图；图4为表示根据本发明的第二实施例的压电特性测量装置的固定夹具、运转夹具及电极的立体图；本实施例的压电特性测量装置的特征是测定因对于试样施加的荷重发生的压电特性。
参照图3及图4，根据实施例的压电特性测量装置20包括：固定夹具200、运转夹具210、第一电极220及第二电极222、驱动模块240、移动信息测量模块230、电荷量计量模块250、ADC260及控制模块270。
根据本发明的第二实施例的压电特性测量装置与上述的第一实施例的压电特性装置相同，只是，固定夹具、运转夹具和第一电极及第二电极的形状及配置不同。以下，以不同于第一实施例的构成要素为中心进行说明，并且，省略对于与第一实施例的构成要素相同的构成要素，例如驱动模块240、移动信息测量模块230、电荷量计量模块250、ADC260及控制模块270的说明。
参照图3及图4，第1及第二电极220,222可附着于固定夹具的相对的侧壁，或附着固定在运转夹具的相对的侧壁。第一电极及第二电极附着固定在固定夹具或运转夹具的侧壁，并且，为了第一电极及第二电极之间的电性绝缘，要相互分隔配置。
所述控制模块270生成对于所述驱动模块的驱动信号，并向驱动模块提供，从所述移动信息测量模块接收移动信息即对于运转夹具施加的荷重值N，从所述电荷量计量模块接收密闭空间的电荷量信息(C)，利用所述荷重值及电荷量信息并利用数学式2测定对于试样的压电特性即压电系数(d31)而提供。
【数学式2】
<第三实施例>
以下参照图5及图6详细说明根据本发明的第三实施例的压电特性测量装置的结构及动作。图5为整体性地表示本发明的第三实施例的压电特性测量装置的框图；图6为表示本发明的第三实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；根据本实施例的压电特性测量装置的特征是测定对于试样的剪断力的压电特性。
参照图5及图6，根据本实施例的压电特性测量装置30包括：固定夹具300、运转夹具310、第一电极320及第二电极322、驱动模块340、移动信息测量模块330、电荷量计量模块350、ADC360及控制模块370。以下，详细说明各个构成要素。
所述固定夹具300在内部形成有能够容纳试样的内部空间，并且，所述内部空间的一部分区域被开放。
所述运转夹具310将所述固定夹具的内部空间的开放的区域密闭而形成密闭空间，并且，为了向容纳于所述密闭空间的试样施加荷重，可向所述固定夹具的内部空间移动。所述固定夹具的内部空间及所述运转夹具的外周面由圆形形成，为相互对应的形状，运转夹具可在固定夹具的内部空间由上下移动运动并同时向左右方向旋转，尤其，在上下移动及旋转时，固定夹具的内部空间被运转夹具形成密闭空间。尤其，运转夹具310的下部面形成圆锥形。
所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质制作，可通过铸造、注塑、快速造型等方法制造。
所述第一电极320及第二电极322是为了测定借助于所述固定夹具和所述运转夹具形成的密闭空间的电荷量，优选地，第一电极320被安装在运转夹具的下部面，第二电极322被安装在固定夹具的内部空间的底面，而相对地配置。并且，优选地，所述第一电极320形成与所述运转夹具的下部面相同的圆锥形状，与运转夹具的下部面紧贴而安装。所述第一电极及第二电极与电荷量计量模块350的输入端子连接，密闭空间的电荷量可通过第一电极及第二电极在移动信息测量模块中测定。所述第一电极及第二电极可利用结合、粘接、焊接、物理性蒸镀、化学性蒸镀等方法，将运转夹具及固定夹具结合或制造。
所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质制造，优选地，所述第一电极及第二电极由铜、金、银等导电性优秀的材质制造。
所述电荷量计量模块350将通过所述第一电极及第二电极测定的电荷量变换为电压信号并增幅，向ADC360输出。所述ADC360是将模拟信号变换为数码信号后输出地元件，将从电荷量计量模块提供的模拟信号变换为数码信号，向控制模块提供。
所述驱动模块340根据从控制模块提供的驱动信号使得所述运转夹具移动，本实施例中由电机(Motor)形成，通过从垂直方向向运转夹具施加荷重，而使得所述运转夹具由左右方向旋转。
所述移动信息测量模块330是被安装在所述运转夹具，以测定通过所述驱动模块的运转夹具的移动信息，本实施例由旋转角测定仪形成，用于测定运转夹具的旋转角，并将所述测定的旋转角作为移动信息提供给控制模块。
所述控制模块370生成对于所述驱动模块的驱动信号，向驱动模块提供，并从所述移动信息测量模块接收移动信息即根据运转夹具的旋转的旋转角值，从所述电荷量计量模块接收密闭空间的电荷量(C)，并且，利用从所述旋转角值计算的变形率及电荷量信息，通过数学式3测定对于试样的压电特性即压电系数(e51)并提供。
【数学式3】
并且，根据旋转角的变形率可通过数学式4计算。
【数学式4】
在此，r为相当于旋转的内部夹具电极的圆柱的半径，φ为旋转角，L为相当于内部夹具电极的圆柱的高度，c为内部夹具与外部夹具之间的间隔，c需小于L和r。
<第四实施例>
以下，参照图7及图8详细说明根据本发明的第四实施例的压电特性测量装置的结构及动作。图7为整体性地表示本发明的第四实施例地压电特性测量装置的框图；图8为表示本发明的第四实施例的压电特性测量装置中固定夹具、运转夹具及电极的立体图；本实施例相同于第三实施例的压电特性测量装置，其特征为测定对于试样的借助于剪断力的压电特性。
参照图7及图8，根据本实施例的压电特性测量装置40，包括：固定夹具400、运转夹具410、第一电极420及第二电极420、驱动模块440、移动信息测量模块430、电荷量计量模块450、ADC460及控制模块470。
根据本发明的第四实施例的压电特性测量装置与上述的第三实施例的压电特性装置相同，只是，固定夹具、运转夹具和第一电极及第二电极的形状及配置不同。以下，以与第三实施例不同的构成要素为中心说明，并且，省略对于与第三实施例的构成要素相同的构成要素，例如，驱动模块440、移动信息测量模块430、电荷量计量模块450、ADC460及控制模块470的说明。
参照图7及图8，固定夹具400在内部形成有容纳试样的内部空间，并且，上部被开放。
运转夹具410包括在中心形成有贯通口的圆盘形状的主体412及在所述主体的贯通口配置的移动部件414，并且，配置在固定夹具400的开放的上部。所述主体412在固定夹具的上部固定，移动部件414与驱动模块440连接，而由垂直方向上下移动的同时可向左右方向旋转。从而，运转夹具对于密闭空间的试样由垂直方向施加荷重，而使其向左右方向旋转。
第一电极420形成圆柱形状，安装在运转夹具410的移动部件的下部面。第二电极422沿着固定夹具400的内周面配置。第一电极和第二电极要香花分隔既定距离而配置，而形成电性绝缘，为此，优选地，调整第一电极的圆柱的粗细。
所述控制模块470生成对于所述驱动模块的驱动信号后向驱动模块提供，从所述移动信息测量模块接收移动信息即运转夹具的旋转角值，从所述电荷量计量模块接收密闭空间的电荷量(C)，利用以所述旋转角值计算的变形率及电荷量，通过数学式5测定对于试样的压电特性即压电系数(e51)并提供。
【数学式5】
以上以优选实施例为中心说明了本发明，但，其只是示例性的，并非限定本发明，本发明的技术领域的普通技术人员应当理解在不脱离本发明的本质性的特征的前提下可进行以上未示例的各种变形和应用。并且，关于上述变形和应用的不同点应当属于权利要求书中规定的本发明的范围。
Claims (11)
1.一种液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，包括：
固定夹具，在内部形成有能够容纳试样的内部空间，并且，所述内部空间的一部分区域为开放的；
运转夹具，将所述固定夹具的内部空间的开放的区域密闭而形成密闭空间，并且，为了向容纳于所述密闭空间的试样施加荷重而向所述固定夹具的内部空间移动；
第一电极和第二电极，用于测定通过所述固定夹具和所述运转夹具构成的密闭空间的电荷量；
驱动模块，根据驱动信号移动所述运转夹具；
移动信息测量模块，安装在所述运转夹具，测定通过所述驱动模块移动的运转夹具的移动信息；
电荷量计量模块，通过所述第1及第二电极测定电荷量，变换为电压信号并增幅后输出；
控制模块，生成对于所述驱动模块的驱动信号，提供给驱动模块，并且，接收从所述移动信息测量模块提供的移动信息，接收从所述电荷量计量模块提供的密闭空间的电荷量信息，并利用所述移动信息及电荷量信息，测定对于试样的压电特性。
2.根据权利要求1所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述固定夹具及运转夹具由绝缘物质形成。
3.根据权利要求1所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述运转夹具相对于固定夹具进行上下往复运动，所述移动信息为运转夹具向密闭空间施加的荷重。
4.根据权利要求3所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述运转夹具由圆筒形或多角形形状形成，所述固定夹具的内部空间形成为与所述运转夹具对应的形状，运转夹具在固定夹具的内部空间进行上下往复运动，
所述移动信息为运转夹具向密闭空间施加的荷重。
5.根据权利要求4所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述第一电极及第二电极分别安装在所述运转夹具的下部面及所述固定夹具的内部空间的底面，
或第一电极及第二电极都安装在运转夹具的侧壁或固定夹具的内周面，并相互分隔预定距离而配置，从而，电性地相互分离。
6.根据权利要求1所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述运转夹具对于固定夹具进行上下往复运动及旋转运动，并且，所述移动信息为运转夹具在密闭空间旋转的旋转角信息。
7.根据权利要求6所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述运转夹具形成为圆柱形，下部面由圆锥形形成，所述固定夹具的内部空间形成与所述运转夹具对应的形状，底面平坦地形成，并且，运转夹具在固定夹具的内部空间进行上下往复运动及旋转运动。
8.根据权利要求7所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述第一电极安装在所述运转夹具的下部面，
所述第二电极安装在所述固定夹具的内部空间的底面，
在所述运转夹具的下部面附着的第一电极为与运转夹具的下部面紧贴结合的圆锥形。
9.根据权利要求6所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述运转夹具，包括：
主体，为用于将固定夹具的开放区域密闭的形状，在中心形成有贯通口；及
移动部件，可上下移动及旋转地搭载于所述主体的贯通口，可在固定夹具的内部空间进行上下往复运动及旋转运动，
并且，所述运转夹具的移动部件从所述固定夹具的内周面分隔预定距离而形成。
10.根据权利要求9所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
所述第一电极安装在所述运转夹具的移动部件的侧壁，
所述第二电极安装在所述固定夹具的内周面。
11.根据权利要求1所述的液状或粘性物质的压电特性测量装置，其特征在于，
在所述固定夹具及运转夹具之间附加形成有密闭部件。
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