JP2013096816A - Piezoelectric characteristic measurement system and piezoelectric characteristic measuring method - Google Patents

Piezoelectric characteristic measurement system and piezoelectric characteristic measuring method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric characteristic measurement system and its method capable of accurately finding out piezoelectric characteristics even for a dynamic load.SOLUTION: Information (target output voltage information) on a voltage generated from a piezoelectric substance S to be a measuring target and information (pedestal output voltage information) on a voltage generated from a pedestal piezoelectric substance 26 superposed to the piezoelectric substance S in a direction of an axis C to be a direction for applying pressure are acquired and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric substance S is found out based on both of the target output voltage information and the pedestal output voltage information, so that the characteristics of the piezoelectric substance S against dynamic pressure can be highly accurately measured.

Description

本発明は圧電特性計測システムおよび圧電特性計測方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric characteristic measuring system and a piezoelectric characteristic measuring method.

例えば自動車の燃料噴射装置の圧力の測定など、圧電素子を用いた圧電センサは様々な用途に使用されている。圧電素子は印加された圧力に対して、所定の関係の高さの電圧を発生する。圧電センサによる圧力の測定結果を高精度に評価するには、圧電素子の特性を表すこの所定の関係を、予め高精度に測定しておく必要がある。   For example, piezoelectric sensors using piezoelectric elements are used in various applications, such as measuring the pressure of an automobile fuel injection device. The piezoelectric element generates a voltage having a predetermined relationship with the applied pressure. In order to evaluate the measurement result of the pressure by the piezoelectric sensor with high accuracy, it is necessary to measure the predetermined relationship representing the characteristics of the piezoelectric element with high accuracy in advance.

特許文献1は、圧電素子の特性を測定するため、あらかじめバネ係数が分かっているバネの付勢力と圧電素子に印加する力とをバランスさせ、そのバネの撓み量を可変コンデンサーの静電容量の変化によって精密に測定し、印加した力を精密に算出する方法を開示している、特許文献1は、さらにこの方法を用いて、圧電体の特性を精密に測定する測定装置を開示している。この装置では、圧電素子への力の印加は手動操作でプローブを圧電素子に押し付けることによって行われている。   In Patent Document 1, in order to measure the characteristics of a piezoelectric element, the biasing force of a spring whose spring coefficient is known in advance and the force applied to the piezoelectric element are balanced, and the amount of bending of the spring is determined by the capacitance of the variable capacitor. Patent Document 1 discloses a measuring apparatus that precisely measures the characteristics of a piezoelectric body by using this method, in which a method for accurately measuring the applied force and calculating the applied force is disclosed. . In this apparatus, force is applied to the piezoelectric element by manually pressing the probe against the piezoelectric element.

特開2004−235589号公報JP 2004-235589 A

例えば車載用の圧力センサ等においては、静的にかかる圧力(静的圧力)の測定精度だけでなく、振動などに起因して生じる、時間変化する圧力(動的圧力)に対する測定精度が高いことも重要である。車載用の圧電素子においては、圧電素子自体の特性として、静的圧力に対する特性だけでなく、動的圧力に対する特性についても詳しく知っておくことが重要である。   For example, in-vehicle pressure sensors, etc. have high measurement accuracy not only for statically applied pressure (static pressure) but also for time-varying pressure (dynamic pressure) caused by vibration. It is also important. In an in-vehicle piezoelectric element, it is important to know in detail not only a characteristic for a static pressure but also a characteristic for a dynamic pressure as a characteristic of the piezoelectric element itself.

しかしながら、特許文献1に記載されている従来の測定装置では、動的圧力に対する特性を精度よく測定することが難しい。例えば測定装置によって算出された圧力値は、バネ定数の変動に伴う誤差、静電容量変化の時間遅れ、バネの撓みの時間遅れなど、様々な時間遅れや誤差が重畳されている。このため、特許文献1に記載されているような測定装置では、印加された動的圧力の大きさ自体を、少ない時間遅れで高精度に測定することが難しく、圧電素子の動的圧力に対する特性を知ることが難しかった。本発明は、かかる課題を解決することを目的としている。   However, with the conventional measuring device described in Patent Document 1, it is difficult to accurately measure the characteristic against dynamic pressure. For example, the pressure value calculated by the measuring device is superimposed with various time delays and errors such as an error due to a change in the spring constant, a time delay in capacitance change, and a time delay in spring deflection. For this reason, in the measuring apparatus as described in Patent Document 1, it is difficult to measure the magnitude of the applied dynamic pressure itself with high accuracy with a small time delay, and the characteristics of the piezoelectric element with respect to the dynamic pressure. It was difficult to know. The present invention aims to solve this problem.

本発明は、測定対象物である圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムであって、前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、前記載置面に対向して配置された、前記載置面に平行な当接面を有し、前記載置面および前記当接面に直交する一軸方向に沿った圧力を、前記当接面を介して前記圧電体に印加する圧力印加部と、印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記圧電体からの出力電圧の情報を取得する情報取得部と、前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する算出部とを備えており、前記載置測定部は、前記載置面を一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体と、該板状体の他方の主面に対向して配置された、前記一軸方向と直交する台座面を有する台座部材と、該台座部材の前記台座面に載置されて前記板状体の前記他方の主面との間に挟持された台座圧電体とを備え、該台座圧電体は、前記一軸方向に沿って前記圧電体と重なる位置に配置され、前記台座面と前記他方の主面とから受ける前記一軸方向に沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生し、前記情報取得部は、印加した前記圧力に応じて発生する前記台座出力電圧の情報を取得し、前記算出部は、前記台座出力電圧の情報と前記圧電体からの前記出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である前記圧電体の圧電特性を算出することを特徴とする圧電特性計測システムを提供する。   The present invention is a piezoelectric characteristic measurement system for measuring an output voltage from the piezoelectric body that is generated when a pressure is applied among the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body that is a measurement object. A placement measuring unit having a placement surface to be placed, and a contact surface parallel to the placement surface disposed opposite to the placement surface, and the placement surface and the contact surface. A pressure application unit that applies a pressure along one orthogonal axial direction to the piezoelectric body via the contact surface, information on the applied pressure, and an output voltage from the piezoelectric body that is generated according to the pressure. An information acquisition unit that acquires information; and a calculation unit that calculates a piezoelectric characteristic value of the piezoelectric body using the pressure information and the output voltage information. A plate-like body having a pair of parallel principal surfaces with the mounting surface as one principal surface; A pedestal member having a pedestal surface orthogonal to the uniaxial direction, disposed opposite to the other main surface, and the other main surface of the plate-like body placed on the pedestal surface of the pedestal member The pedestal piezoelectric body is disposed between the pedestal surface and the other main surface, and is disposed at a position overlapping the piezoelectric body along the uniaxial direction. The pedestal output voltage is generated according to the pressure along the line, the information acquisition unit acquires information on the pedestal output voltage generated according to the applied pressure, and the calculation unit is information on the pedestal output voltage. And a piezoelectric characteristic measurement system for calculating a piezoelectric characteristic of the piezoelectric body that is a measurement object using the output voltage information from the piezoelectric body.

また、本発明は、測定対象物である対象圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測方法であって、一軸方向に沿って重ねて配置するステップと、前記対象圧電体に対して、前記計測用圧電体と反対の側から、前記一軸方向に沿った圧力を周期的に印加するステップと、印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記対象圧電体からの出力電圧の情報を取得するステップと、前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて前記計測圧電体の圧電特性値を算出するステップとを有し、前記取得するステップでは、印加した前記圧力の情報として、前記一軸方向に沿った圧力に応じて発生する前記計測用圧電体からの出力電圧の情報を併せて取得することを特徴とする圧電特性計測方法を、併せて提供する。   The present invention also relates to a piezoelectric characteristic measuring method for measuring an output voltage from the piezoelectric body that is generated when pressure is applied among the piezoelectric characteristics of a target piezoelectric body that is a measurement object, the uniaxial direction And a step of periodically applying a pressure along the uniaxial direction to the target piezoelectric body from a side opposite to the measurement piezoelectric body, and a step of applying the pressure to the target piezoelectric body. Obtaining information and information on the output voltage from the target piezoelectric body generated according to the pressure, and calculating a piezoelectric characteristic value of the measurement piezoelectric body using the pressure information and the output voltage information In the acquiring step, the information on the output voltage from the piezoelectric body for measurement generated according to the pressure along the uniaxial direction is acquired together as the information on the applied pressure. The piezoelectric characteristics measuring method according to symptoms, together provide.

本発明の圧電特性計測システムおよび圧電特性計測方法は、測定対象物である圧電体が発生する電圧と、その圧電体に重ねて配置した圧力検出用の台座圧電体から算出した印加圧力とに基づいて圧電特性を算出するので、動的圧力に対しても圧電特性を精度よく測定することができる。   The piezoelectric characteristic measuring system and the piezoelectric characteristic measuring method of the present invention are based on a voltage generated by a piezoelectric body that is a measurement object and an applied pressure calculated from a pressure detecting pedestal piezoelectric body that is arranged on the piezoelectric body. Therefore, the piezoelectric characteristics can be accurately measured even with respect to dynamic pressure.

本発明の一実施形態に係る圧電特性計測システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a piezoelectric characteristic measurement system according to an embodiment of the present invention. 図1の計測システムで測定する測定対象物の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the measuring object measured with the measuring system of FIG. 図1の計測システムの集電ヘッドの一実施形態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of one Embodiment of the current collection head of the measuring system of FIG. 図1の計測システムの集電ヘッドの他の実施形態の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of other embodiment of the current collection head of the measurement system of FIG. 図1の計測システムの台座部材の近傍を拡大して示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands and shows the vicinity of the base member of the measurement system of FIG. 本発明の一実施形態に係る計測方法のフローチャートである。It is a flowchart of the measuring method which concerns on one Embodiment of this invention.

図1は本発明の圧電特性計測システムの一実施形態である計測システム1の概略構成図である。図1では一部を断面で示している。測定対象物である圧電体Sの圧電特性のうち、特に動的な圧力を印加した際に発生する圧電体Sからの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムである。圧電体Sが載置される載置面22Aを有する載置測定部20と、圧電体Sに圧力を印加するための圧力印加部30と、印加した圧力の情報および圧力に応じて発生する圧電体Sからの出力電圧の情報を取得する情報取得部40と、情報取得部40が取得した圧力の情報と出力電圧の情報とを用いて、圧電体Sの圧電特性値を算出する算出部50と、圧電体Sに印加する動的圧力の大きさや周期等を制御する印加圧力制御部53を備えている。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a measurement system 1 which is an embodiment of the piezoelectric characteristic measurement system of the present invention. In FIG. 1, a part is shown in cross section. This is a piezoelectric characteristic measurement system for measuring an output voltage from the piezoelectric body S generated when a dynamic pressure is applied, among the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body S as a measurement object. A mounting measurement unit 20 having a mounting surface 22A on which the piezoelectric body S is mounted, a pressure applying unit 30 for applying pressure to the piezoelectric body S, and information on the applied pressure and the piezoelectric generated in accordance with the pressure The information acquisition unit 40 that acquires information on the output voltage from the body S, and the calculation unit 50 that calculates the piezoelectric characteristic value of the piezoelectric body S using the pressure information and the output voltage information acquired by the information acquisition unit 40. And an applied pressure control unit 53 for controlling the magnitude and cycle of the dynamic pressure applied to the piezoelectric body S.

載置測定部20は、載置面22Aを一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体22と、板状体22の他方の主面22Bに対向して配置された、軸Cと直交する台座面24Aを有する台座部材24と、台座部材24の台座面24Aに載置されて板状体22の他方の主面22Bとの間に挟持された台座圧電体26とを備えている。   The placement measurement unit 20 is disposed to face the plate-like body 22 having a pair of parallel principal surfaces with the placement surface 22A as one principal surface, and the other principal surface 22B of the plate-like body 22. A pedestal member 24 having a pedestal surface 24A orthogonal to the axis C, and a pedestal piezoelectric body 26 placed on the pedestal surface 24A of the pedestal member 24 and sandwiched between the other main surface 22B of the plate-like body 22 I have.

台座圧電体26は、軸Cに沿って圧電体Sと重なる位置に配置され、台座面24Aと板状体22の他方の主面22Bとから受ける、軸Cに沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生する。台座圧電体26は、ローノイズケーブルL1を介して情報取得部40と接続されている。   The pedestal piezoelectric body 26 is arranged at a position overlapping the piezoelectric body S along the axis C, and a pedestal output corresponding to the pressure along the axis C received from the pedestal surface 24A and the other main surface 22B of the plate-like body 22. Generate voltage. The pedestal piezoelectric body 26 is connected to the information acquisition unit 40 via the low noise cable L1.

計測システム1は、測定対象物である圧電体Sが発生する電圧の情報(対象出力電圧情報)に加え、圧力を印加する方向である軸Cに方向に沿って圧電体Sと重ねた台座圧電体26が発生する電圧の情報(台座出力電圧情報)を取得し、これら出力電圧の情報と台座出力電圧の情報との双方に基いて圧電体Sの圧電特性を求めることで、動的圧力に対する圧電体Sの特性を高精度に測定することを可能としている。以下、計測システム1の各部の構成について説明する。   The measurement system 1 includes a pedestal piezoelectric element that is superposed on the piezoelectric body S along the axis C, which is a direction in which pressure is applied, in addition to information on the voltage (target output voltage information) generated by the piezoelectric body S that is a measurement target Information on the voltage generated by the body 26 (pedestal output voltage information) is obtained, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body S are obtained based on both the information on the output voltage and the information on the pedestal output voltage. The characteristics of the piezoelectric body S can be measured with high accuracy. Hereinafter, the configuration of each part of the measurement system 1 will be described.

圧電体Sは例えば図2に示すように、中央に貫通孔Saが形成された円柱状のものである。本実施形態では、圧電体Sの貫通孔Saの中心が、図1に示す軸Cに一致するように載置面22Aに配置されている。   For example, as shown in FIG. 2, the piezoelectric body S has a cylindrical shape with a through hole Sa formed in the center. In the present embodiment, the center of the through hole Sa of the piezoelectric body S is arranged on the mounting surface 22A so as to coincide with the axis C shown in FIG.

圧力印加部30は、アクチュエータ34と、載置面22Aに対向して配置された、載置面22に平行な当接面35Aを備えた集電ヘッド35とを備えている。アクチュエータ34は、複数の圧電素子が積層された圧電デバイスからなり、圧電体Sに印加する圧力を発生する圧力発生手段である。アクチュエータ34が、印加された電圧に応じた量だけ、筒状体13の軸方向に沿って膨張または収縮するように構成されている。アクチュエータ34を構成する圧電素子としては、ピエゾアクチュエータなど、高い周波数の変動に対しても正確に追従して圧力を発生できるものを用いればよい。アクチュエータ34は、ローノイズケーブルL3を介して、印加圧力制御部53のピエゾドライバ52と接続されている。   The pressure application unit 30 includes an actuator 34 and a current collecting head 35 provided with an abutment surface 35A parallel to the placement surface 22 and disposed opposite the placement surface 22A. The actuator 34 includes a piezoelectric device in which a plurality of piezoelectric elements are stacked, and is a pressure generating unit that generates a pressure to be applied to the piezoelectric body S. The actuator 34 is configured to expand or contract along the axial direction of the cylindrical body 13 by an amount corresponding to the applied voltage. As the piezoelectric element constituting the actuator 34, a piezoelectric element such as a piezo actuator that can accurately follow a high frequency fluctuation and generate pressure can be used. The actuator 34 is connected to the piezo driver 52 of the applied pressure control unit 53 via the low noise cable L3.

アクチュエータ34は、支持体11によって支持された筒状体13の内部に配置されている。アクチュエータ34は、摺動抵抗を低減させるためのリニアガイドブッシュ17を介して第1筒状体13の内部に収容されている。リニアガイドブッシュ17は、いわゆるリニアボールベアリングあるいはボールスプラインを構成している。支持体11は向かい合って配置された側板11aと、天板11bと、底板11cとを有した枠体状の部材である。筒状体13は天板11bに対して固定されており、筒状体13の中心軸は、軸Cと一致している。   The actuator 34 is disposed inside the cylindrical body 13 supported by the support body 11. The actuator 34 is accommodated inside the first cylindrical body 13 via a linear guide bush 17 for reducing sliding resistance. The linear guide bush 17 constitutes a so-called linear ball bearing or ball spline. The support 11 is a frame-like member having a side plate 11a, a top plate 11b, and a bottom plate 11c that are arranged to face each other. The cylindrical body 13 is fixed to the top plate 11b, and the central axis of the cylindrical body 13 coincides with the axis C.

支持体11の天板11bには、軸Cと一致する中心軸を有する雌ネジ孔11αが形成されており、この雌ネジ孔11αに、第1プリロード印加ネジ(雄ネジ)37が螺合されている。第1プリロード印加ネジ37の下側には、圧電素子を備えるプリロード圧センサ39が設けられている。プリロード圧センサ39は、圧力を電気信号に変換するセンサである。プリロード圧センサ39は、プリロード印加ネジ37に追従して筒状体13内を上下方向に移動する。プリロード圧センサ39には、軸Cに直交する基準面38を下端に備えている。この基準面38はプリロード印加ネジ37の回転に応じて、筒状体13内を上下に移動する。プリロード印加ネジ37は基準面可動手段である。アクチュエータ34は、軸Cに直交する上端面34Aを有しており、基準面38は、この上端面34Aと当接している。   A female screw hole 11α having a central axis coinciding with the axis C is formed in the top plate 11b of the support body 11. A first preload application screw (male screw) 37 is screwed into the female screw hole 11α. ing. A preload pressure sensor 39 including a piezoelectric element is provided below the first preload application screw 37. The preload pressure sensor 39 is a sensor that converts pressure into an electrical signal. The preload pressure sensor 39 follows the preload application screw 37 and moves up and down in the cylindrical body 13. The preload pressure sensor 39 is provided with a reference surface 38 orthogonal to the axis C at the lower end. The reference surface 38 moves up and down in the cylindrical body 13 in accordance with the rotation of the preload application screw 37. The preload application screw 37 is a reference plane moving means. The actuator 34 has an upper end surface 34A orthogonal to the axis C, and the reference surface 38 is in contact with the upper end surface 34A.

印加圧力制御部53は、アクチュエータ34に送る電圧波形を作成するファンクションジェネレータ51と、発生した波形を増幅してアクチュエータ34を作動させるピエゾドライバ52とを備えている。アクチュエータ34に、印加圧力制御部53から測定用電圧が印加されて、アクチュエータ34は、印加された電圧に応じた量だけ、筒状体13の軸方向に沿って膨張または収縮するように構成されている。   The applied pressure control unit 53 includes a function generator 51 that creates a voltage waveform to be sent to the actuator 34, and a piezo driver 52 that amplifies the generated waveform and operates the actuator 34. A measurement voltage is applied to the actuator 34 from the applied pressure control unit 53, and the actuator 34 is configured to expand or contract along the axial direction of the cylindrical body 13 by an amount corresponding to the applied voltage. ing.

集電ヘッド35は、当接面35Aが圧電体Sに当接し、圧電体Sから発生した電荷を集め(集電し)、電圧信号として出力する。この集電ヘッド35は、図3に拡大して示すように、円柱状の上治具66と下治具57の間にアルミナ製のボール68を挟み、ボール68を介して荷重を圧電体Sに伝達すると共に、ローノイズケーブルL2を介して、圧電体Sが発生した電荷に対応する、圧電体Sから出力された電圧信号(対象出力電圧情報)を情報取得部40に送る。   In the current collecting head 35, the contact surface 35 </ b> A comes into contact with the piezoelectric body S, collects (collects) electric charges generated from the piezoelectric body S, and outputs it as a voltage signal. As shown in an enlarged view in FIG. 3, the current collecting head 35 has an alumina ball 68 sandwiched between a cylindrical upper jig 66 and a lower jig 57, and a load is applied to the piezoelectric body S via the ball 68. And a voltage signal (target output voltage information) output from the piezoelectric body S corresponding to the charge generated by the piezoelectric body S is sent to the information acquisition unit 40 via the low noise cable L2.

上治具66および下治具67の対向する面には、それぞれボール68を支持する円錐状の凹部66a、67aが形成されている。また、凹部66a、67aには、ボール68の脱落を防止するとともに、衝撃を吸収する軟質樹脂69、たとえばシリコーン系接着剤、シリコーン系シーラントが充填されている。上治具66および下治具67の対向する面に、ボール68を支持させる構成とすることで、圧電体Sの上下面の平行度がばらついた場合であっても、当接面35A全体が圧電体Sの上側面に当接し、C軸方向に沿った圧力を圧電体Sに効率よく伝えることができる。なお、計測システム1では、支持体11全体が除振機構部70上に載置されており、圧電体Sに余分な振動が伝わらないようにされている。   Conical recesses 66 a and 67 a for supporting the balls 68 are formed on the opposing surfaces of the upper jig 66 and the lower jig 67, respectively. The recesses 66a and 67a are filled with a soft resin 69 such as a silicone adhesive or a silicone sealant that prevents the ball 68 from falling off and absorbs an impact. By adopting a configuration in which the ball 68 is supported on the opposing surfaces of the upper jig 66 and the lower jig 67, even when the parallelism of the upper and lower surfaces of the piezoelectric body S varies, the entire contact surface 35A can be obtained. It can abut on the upper surface of the piezoelectric body S, and can efficiently transmit the pressure along the C-axis direction to the piezoelectric body S. In the measurement system 1, the entire support 11 is placed on the vibration isolation mechanism unit 70 so that excessive vibration is not transmitted to the piezoelectric body S.

図4は、集電ヘッドの異なる実施形態について説明する図である。図4に示す集電ヘッド60は、図3の集電ヘッド35と比べ、上治具61は円板状であって下面が平坦である。下治具62は円柱状で上面の中央に円錐状の凹部62aが形成され、その凹部にアルミナ製のボール63が載置されている。上下の治具61、62の間には、ボール63の脱落防止およびダンパのため、シリコーン系接着剤64が環状に設けられている。シリコーン系接着剤64の中心部は、硬化後に切り取るなどにより、ボール63が触れない程度の空間65が設けられている。図4に示す実施形態でも、当接面35A全体が圧電体Sの上側面に当接し、C軸方向に沿った圧力を圧電体Sに効率よく伝えることができる。   FIG. 4 is a diagram illustrating a different embodiment of the current collecting head. In the current collecting head 60 shown in FIG. 4, the upper jig 61 has a disk shape and the lower surface is flat as compared with the current collecting head 35 in FIG. The lower jig 62 is cylindrical and has a conical recess 62a formed at the center of the upper surface, and an alumina ball 63 is placed in the recess. Between the upper and lower jigs 61 and 62, a silicone adhesive 64 is provided in an annular shape to prevent the ball 63 from falling off and for a damper. At the center of the silicone-based adhesive 64, a space 65 is provided such that the ball 63 is not touched by cutting off after curing. Also in the embodiment shown in FIG. 4, the entire contact surface 35 </ b> A contacts the upper surface of the piezoelectric body S, and the pressure along the C-axis direction can be efficiently transmitted to the piezoelectric body S.

載置測定部20の台座部材24はレールガイド41を備えている。また、支持体11の側板11aはレール13が設けられている。台座部材24のレールガイド41は、レール13に装着されており、レールガイド41がレール13に沿って上下方向(軸Cに沿った方向)に移動することで、台座部材24全体がC軸方向に沿って移動可能となっている。台座部材24は、台座面24Aと反対側の面に開口した開口端27aおよび軸Cに直交する底面27Bを有する、軸C方向に沿って延びた孔部27を備えている。支持体11の底板11cには、軸Cに一致する中心軸をもつ雌ネジ孔11βが設けられており、この雌ネジ孔11βにロッド部材25が挿入されている。ロッド部材25は、外周面に凹凸を有する雄ネジ形状であって、底板11cの雌ネジ孔11βに螺合されている。ロッド部材25は、軸Cに直交する端面25Aを有し、端面25Aが孔部27の底面27Bに当接している。端面25Aは、ロッド部材25の回転に応じて、底板部11cからの突出量が変動する。台座部材24は、ロッド部材25の端面25Aの位置に応じて、軸Cに沿った位置が変動される。   The pedestal member 24 of the mounting measurement unit 20 includes a rail guide 41. The side plate 11a of the support 11 is provided with rails 13. The rail guide 41 of the pedestal member 24 is mounted on the rail 13, and the entire pedestal member 24 is moved in the C-axis direction by moving the rail guide 41 in the vertical direction (direction along the axis C) along the rail 13. It is possible to move along. The pedestal member 24 includes a hole 27 extending along the direction of the axis C, having an open end 27a opened on the surface opposite to the pedestal surface 24A and a bottom surface 27B orthogonal to the axis C. The bottom plate 11c of the support 11 is provided with a female screw hole 11β having a central axis coinciding with the axis C, and a rod member 25 is inserted into the female screw hole 11β. The rod member 25 has a male screw shape having irregularities on the outer peripheral surface, and is screwed into the female screw hole 11β of the bottom plate 11c. The rod member 25 has an end surface 25A orthogonal to the axis C, and the end surface 25A is in contact with the bottom surface 27B of the hole 27. The end surface 25 </ b> A varies in the amount of protrusion from the bottom plate portion 11 c according to the rotation of the rod member 25. The position of the pedestal member 24 along the axis C is changed according to the position of the end surface 25A of the rod member 25.

計測システム1では、第1プリロード印加ネジ(雄ネジ)37によって、基準面38の軸Cに沿った位置を調整し、ロッド部材25によって、台座部材24ひいては載置面22Aの軸Cに沿った位置を調整することができる。すなわち、計測システム1では、基準面38と載置面22Aとの間隔を変動させることができる。計測システム1では、基準面38と載置面22Aとの間隔を変動させて、所定の大きさの静的圧力を圧電体Sに印加し、所定の大きさの静的圧力がかかった状態での動的特性を測定することができる。アクチュエータ34は、印加された動的圧力に応じた出力電圧を出力するものであるが、印加された圧力に対するアクチュエータ34からの出力電圧の応答性は、ある程度の静的圧力が印加された状態(プリロード状態)の方が高い場合がある。基準面38と載置面22Aとの間隔を変動させて、アクチュエータ34に予め所定の静的圧力を印加しておくことで、圧電体Sの動的特性を高精度に検出することができる。第1プリロード印加ネジ37によって印加された圧力を検出するプリロード圧センサ39は、計測した圧力を表示する図示しないモニターに接続されている。計測作業者は、このモニターに表示される表示値(プリロード圧センサ39による計測値)を確認しながら、プリロード印加ネジ37を回転させて、圧電体に所定の大きさの静的圧力を印加することができる。   In the measurement system 1, the position along the axis C of the reference surface 38 is adjusted by the first preload application screw (male screw) 37, and along the axis C of the pedestal member 24 and consequently the mounting surface 22 </ b> A by the rod member 25. The position can be adjusted. That is, in the measurement system 1, the distance between the reference surface 38 and the placement surface 22A can be changed. In the measurement system 1, the interval between the reference surface 38 and the mounting surface 22 </ b> A is changed, a static pressure having a predetermined size is applied to the piezoelectric body S, and a static pressure having a predetermined size is applied. Can be measured. The actuator 34 outputs an output voltage corresponding to the applied dynamic pressure. The response of the output voltage from the actuator 34 to the applied pressure is a state in which a certain static pressure is applied ( Preload state) may be higher. By changing the distance between the reference surface 38 and the mounting surface 22A and applying a predetermined static pressure to the actuator 34 in advance, the dynamic characteristics of the piezoelectric body S can be detected with high accuracy. A preload pressure sensor 39 that detects the pressure applied by the first preload application screw 37 is connected to a monitor (not shown) that displays the measured pressure. The measurement operator applies a static pressure of a predetermined size to the piezoelectric body by rotating the preload application screw 37 while confirming the display value (measurement value by the preload pressure sensor 39) displayed on the monitor. be able to.

なお、台座圧電体26も、印加された圧力に応じた電圧を出力するものであるが、台座圧電体26からの出力電圧の応答性も、静的圧力がある程度印加された状態の方が高い場合がある。図5は、台座部材24の近傍を拡大して示す概略断面図である。計測装置1では、台座圧電体26として中心に貫通孔26aが設けられた形状のものを用いている。台座部材24の上記孔部27の底面27bには、中央部に凹部21が形成されており、この凹部21の底面に貫通孔21aが形成されている。また、載置面22Aを備える板状体22の他方主面22Bの中央部には、雌ネジ状の凹部23が設けられている。計測システム1では、第2プリロード印加ネジ(雄ネジ)29が、凹部21の貫通孔21aと台座圧電体26の貫通孔26aとに挿通され、板状体22の凹部23に締結されている。このプリロード印加ネジ29を締結することで、台座圧電体26には、所定の大きさの静的圧力がかけられた状態(プリロード状態)することができる。第2プリロード印加ネジ29の締結強度を調整することで、台座圧電体に印加しておく静的圧力の大きさを調整し、動的圧力に応じた電圧を良好に出力することができる程度の静的圧力を印加しておくことが可能となっている。   The pedestal piezoelectric body 26 also outputs a voltage corresponding to the applied pressure, but the responsiveness of the output voltage from the pedestal piezoelectric body 26 is also higher when a static pressure is applied to some extent. There is a case. FIG. 5 is an enlarged schematic sectional view showing the vicinity of the base member 24. In the measuring apparatus 1, a base piezoelectric body 26 having a shape in which a through hole 26 a is provided at the center is used. A concave portion 21 is formed in the center portion of the bottom surface 27 b of the hole portion 27 of the base member 24, and a through hole 21 a is formed in the bottom surface of the concave portion 21. Further, a female screw-like recess 23 is provided at the center of the other main surface 22B of the plate-like body 22 having the mounting surface 22A. In the measurement system 1, a second preload application screw (male screw) 29 is inserted into the through hole 21 a of the recess 21 and the through hole 26 a of the base piezoelectric body 26 and fastened to the recess 23 of the plate-like body 22. By fastening the preload application screw 29, the pedestal piezoelectric body 26 can be in a state (preload state) where a static pressure of a predetermined magnitude is applied. By adjusting the fastening strength of the second preload application screw 29, the magnitude of the static pressure applied to the pedestal piezoelectric body can be adjusted, and the voltage according to the dynamic pressure can be output satisfactorily. It is possible to apply a static pressure.

情報取得部40は、印加した圧力に応じて発生する台座出力電圧の情報を取得する。算出部50は、台座出力電圧の情報と、圧電体からの出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である圧電体Sの圧電特性を算出する。情報取得部40は、集電ヘッド35にローノイズケーブル55を介して接続された出力電荷用のチャージアンプ56と、台座圧電体26にローノイズケーブルを介して接続された印加圧力モニタ用のチャージアンプ58と、チャージアンプ56とチャージアンプ58と接続されたデータロガー59とを有している。データロガー59は、算出部50に接続されている。算出部50は、公知のパーソナルコンピュータ(情報処理部)である。なお、両方のチャージアンプ56、58の出力はオシロスコープなどのモニター59によって、計測中もリアルタイムに確認できるようになっている。   The information acquisition unit 40 acquires information on the pedestal output voltage generated according to the applied pressure. The calculation unit 50 calculates the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body S, which is the measurement object, using information on the pedestal output voltage and information on the output voltage from the piezoelectric body. The information acquisition unit 40 includes an output charge charge amplifier 56 connected to the current collecting head 35 via a low noise cable 55, and an applied pressure monitor charge amplifier 58 connected to the base piezoelectric body 26 via a low noise cable. And a data logger 59 connected to the charge amplifier 56 and the charge amplifier 58. The data logger 59 is connected to the calculation unit 50. The calculation unit 50 is a known personal computer (information processing unit). The outputs of both charge amplifiers 56 and 58 can be confirmed in real time during measurement by a monitor 59 such as an oscilloscope.

次に、図6を参照しながら、このような計測システム1により圧電体Sの圧電特性を計測する本発明の計測方法の実施形態を説明する。   Next, an embodiment of the measurement method of the present invention for measuring the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body S with such a measurement system 1 will be described with reference to FIG.

まず、図1に示す状態となるよう、計測システム1の各部と圧電体Sとを配置する(ステップS1)。このステップでは、圧電体Sと、計測用圧電体である台座圧電体とを、軸C方向に沿って重ねて配置するとともに、アクチュエータ34、第1プリロード印加手段27、ロッド部材25等も、それぞれの中心軸が軸Cに一致するように配置する。   First, each part of the measurement system 1 and the piezoelectric body S are arranged so as to be in the state shown in FIG. 1 (step S1). In this step, the piezoelectric body S and the pedestal piezoelectric body, which is a measurement piezoelectric body, are arranged so as to overlap along the direction of the axis C, and the actuator 34, the first preload application means 27, the rod member 25, etc. Are arranged so that the central axis of the axis coincides with the axis C.

次に、対象圧電体Sに静的圧力を印加し、プリロード状態とする(ステップS2)。具体的には、集電ヘッド35と板状体22の間に測定対象である圧電体Sを挟み、第1プリロード印加ネジ27を回して基準面38の位置を調整して、所定の大きさの静的圧力を圧電体Sに付与する。プリロードする静的圧力として、たとえば4〜6kNと比較的高い圧力を印加しておく。この際、ロッド部材25の回転を調整することで、載置面22Aの位置を併せて調整することもできる。第1プリロード印加手段27およびロッド部材25は、それぞれの中心軸が軸Cに一致するように配置されており、圧電体Sには軸Cに沿った静的圧力が効率的に印加される。   Next, a static pressure is applied to the target piezoelectric body S to make a preload state (step S2). Specifically, the piezoelectric body S to be measured is sandwiched between the current collecting head 35 and the plate-like body 22, and the position of the reference plane 38 is adjusted by turning the first preload application screw 27 to obtain a predetermined size. Is applied to the piezoelectric body S. For example, a relatively high pressure of 4 to 6 kN is applied as a preloading static pressure. At this time, the position of the mounting surface 22A can also be adjusted by adjusting the rotation of the rod member 25. The first preload application means 27 and the rod member 25 are arranged so that their central axes coincide with the axis C, and a static pressure along the axis C is efficiently applied to the piezoelectric body S.

次に、圧電体Sに対する動的圧力の印加を開始する(ステップS3)。このステップでは、印加圧力制御部53がアクチュエータ34測定用電圧を印加し、アクチュエータ34が、印加された電圧に応じた量だけ筒状体13の軸方向に沿って膨張または収縮することで、圧電体Sに対して動的圧力が印加される。   Next, application of dynamic pressure to the piezoelectric body S is started (step S3). In this step, the applied pressure control unit 53 applies a voltage for measuring the actuator 34, and the actuator 34 expands or contracts along the axial direction of the cylindrical body 13 by an amount corresponding to the applied voltage, so that piezoelectric Dynamic pressure is applied to the body S.

続いて、情報取得部40が、測定対象物である圧電体Sが発生する電圧の情報(対象出力電圧情報)と、圧力を印加する方向である軸C方向に沿って圧電体Sと重ねた台座圧電体26が発生する電圧の情報(台座出力電圧情報)とを取得する(ステップS4)。圧電体Sに印加する圧力は、ファンクションジェネレータ51が発生する電圧およびピエゾドライバ52が増幅して得られる電圧により、推定することができる。しかしこのような推定値は、実際に圧電体Sに印加されている圧力から、大きく相違していることも多い。台座圧電体26は、測定対象である圧電体Sの直下に配置されており、また、圧電体Sにかかる軸Cに沿った動的圧力を直接受ける。台座圧電体26から出力される電圧の情報は、圧電体Sに印加される動的圧力の大きさに精度良く対応しているといえる。   Subsequently, the information acquisition unit 40 overlaps the piezoelectric body S along the information on the voltage (target output voltage information) generated by the piezoelectric body S that is the measurement target and the direction of the axis C that is the direction in which the pressure is applied. Information on the voltage generated by the base piezoelectric body 26 (base output voltage information) is acquired (step S4). The pressure applied to the piezoelectric body S can be estimated from the voltage generated by the function generator 51 and the voltage obtained by amplification by the piezo driver 52. However, such an estimated value often differs greatly from the pressure actually applied to the piezoelectric body S. The pedestal piezoelectric body 26 is disposed immediately below the piezoelectric body S to be measured, and directly receives dynamic pressure along the axis C applied to the piezoelectric body S. It can be said that the information on the voltage output from the base piezoelectric body 26 accurately corresponds to the magnitude of the dynamic pressure applied to the piezoelectric body S.

次に、算出部50が、情報取得部40が取得した対象出力電圧情報と台座出力電圧情報とを用いて、圧電体Sの圧電特性値を算出する(ステップS5)。例えば、台座出力電圧情報における電圧波形を圧電体Sに入力された動的圧力の時系列変化を表す波形とみなし、対象出力電圧情報における電圧波形を、この動的圧力の時系列変化に応じて対象体Sから発生する電圧情報とし、印加された動的圧力に対する圧電体Sの応答特性を表すパラメータを算出する。算出するパラメータとしては、例えばd33と呼ばれる圧電歪定数などが挙げられるが、特に限定されない。   Next, the calculation unit 50 calculates the piezoelectric characteristic value of the piezoelectric body S using the target output voltage information and the pedestal output voltage information acquired by the information acquisition unit 40 (step S5). For example, the voltage waveform in the pedestal output voltage information is regarded as a waveform representing the time series change of the dynamic pressure input to the piezoelectric body S, and the voltage waveform in the target output voltage information is determined according to the time series change of the dynamic pressure. As the voltage information generated from the object S, a parameter representing the response characteristic of the piezoelectric body S with respect to the applied dynamic pressure is calculated. Examples of the parameter to be calculated include a piezoelectric strain constant called d33, but are not particularly limited.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は特に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are not particularly limited, and it is needless to say that various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention.

S 圧電体
11 支持体
11a 側板
11b 天板
11c 底板
13 筒状体
22A 載置面
20 載置測定部
22 板状体
22A 載置面
22B 他方の主面
24 台座部材
24A 台座面
25 ロッド部材
26 台座圧電体
30 圧力印加部
34 アクチュエータ
35 集電ヘッド
35A 当接面
37 第1プリロード印加ネジ
38 基準面
40 情報取得部
50 算出部
52 ピエゾドライバ
53 印加圧力制御部
56、58 チャージアンプ
S Piezoelectric body 11 Support body 11a Side plate 11b Top plate 11c Bottom plate 13 Tubular body 22A Placement surface 20 Placement measurement unit 22 Plate-like body 22A Placement surface 22B The other main surface 24 Base member 24A Base surface 25 Rod member 26 Base Piezoelectric body 30 Pressure application unit 34 Actuator 35 Current collecting head 35A Contact surface 37 First preload application screw 38 Reference surface 40 Information acquisition unit 50 Calculation unit 52 Piezo driver 53 Applied pressure control unit 56, 58 Charge amplifier

Claims (6)

測定対象物である圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測システムであって、
前記圧電体が載置される載置面を有する載置測定部と、
前記載置面に対向して配置された、前記載置面に平行な当接面を有し、前記載置面および前記当接面に直交する一軸方向に沿った圧力を、前記当接面を介して前記圧電体に印加する圧力印加部と、
印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記圧電体からの出力電圧の情報を取得する情報取得部と、
前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて、前記圧電体の圧電特性値を算出する算出部と
を備えており、
前記載置測定部は、前記載置面を一方の主面とする一対の平行な主面を有する板状体と、該板状体の他方の主面に対向して配置された、前記一軸方向と直交する台座面を有する台座部材と、該台座部材の前記台座面に載置されて前記板状体の前記他方の主面との間に挟持された台座圧電体とを備え、
該台座圧電体は、前記一軸方向に沿って前記圧電体と重なる位置に配置され、前記台座面と前記他方の主面とから受ける前記一軸方向に沿った圧力に応じた台座出力電圧を発生し、
前記情報取得部は、印加した前記圧力に応じて発生する前記台座出力電圧の情報を取得し、
前記算出部は、前記台座出力電圧の情報と前記圧電体からの前記出力電圧の情報とを用いて、測定対象物である前記圧電体の圧電特性を算出することを特徴とする圧電特性計測システム。
Among the piezoelectric characteristics of a piezoelectric body that is a measurement object, a piezoelectric characteristic measurement system for measuring an output voltage from the piezoelectric body that is generated when pressure is applied,
A mounting measurement unit having a mounting surface on which the piezoelectric body is mounted;
The contact surface is disposed opposite to the placement surface, and has a contact surface parallel to the placement surface, and the pressure along the uniaxial direction perpendicular to the placement surface and the contact surface is A pressure application unit for applying to the piezoelectric body via,
An information acquisition unit that acquires information on the applied pressure and information on an output voltage from the piezoelectric body that is generated according to the pressure;
A calculation unit that calculates a piezoelectric characteristic value of the piezoelectric body using the pressure information and the output voltage information;
The mounting measurement unit is a plate having a pair of parallel main surfaces with the mounting surface as one main surface, and the uniaxially arranged to face the other main surface of the plate. A pedestal member having a pedestal surface orthogonal to the direction, and a pedestal piezoelectric body placed on the pedestal surface of the pedestal member and sandwiched between the other main surface of the plate-like body,
The pedestal piezoelectric body is disposed at a position overlapping the piezoelectric body along the uniaxial direction, and generates a pedestal output voltage corresponding to the pressure along the uniaxial direction received from the pedestal surface and the other main surface. ,
The information acquisition unit acquires information on the pedestal output voltage generated according to the applied pressure,
The calculation unit calculates a piezoelectric characteristic of the piezoelectric body, which is a measurement object, using information on the pedestal output voltage and information on the output voltage from the piezoelectric body. .
前記一軸方向に沿った中心軸を有する筒状体と、前記筒状体を支持する支持体とをさらに備え、
前記圧力印加部は、前記筒状体の内部に配置された、前記圧電体に印加する圧力を発生する圧力発生手段と、該圧力発生手段と前記載置面との間に配置された、前記当接面を有する圧力印加用板状体を備え、
前記圧力発生手段は、前記一軸方向に沿った圧力を前記圧力印加用板状体に印加することを特徴とする請求項1に記載の圧電特性計測システム。
A cylindrical body having a central axis along the uniaxial direction; and a support body for supporting the cylindrical body,
The pressure application unit is disposed inside the cylindrical body, and generates pressure to be applied to the piezoelectric body, and is disposed between the pressure generation means and the mounting surface. Comprising a plate for pressure application having a contact surface;
2. The piezoelectric characteristic measuring system according to claim 1, wherein the pressure generating means applies a pressure along the uniaxial direction to the pressure applying plate-like body.
前記筒状体は、内部に前記中心軸と直交する基準面を備えており、
前記圧力発生手段は、前記基準面と前記圧力印加用板状体との間に配置された、印加された電圧に応じて前記一軸方向に沿った圧力の大きさを調整する圧電デバイスを有していることを特徴とする請求項2に記載の圧電特性計測システム。
The cylindrical body includes a reference surface orthogonal to the central axis inside,
The pressure generating means includes a piezoelectric device that is arranged between the reference surface and the pressure applying plate and adjusts the magnitude of pressure along the uniaxial direction according to an applied voltage. The piezoelectric characteristic measuring system according to claim 2, wherein
前記筒状体に対する前記台座面の相対位置を、前記一軸方向に沿って変動させる台座面可動手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の圧電特性計測システム。   The piezoelectric characteristic measurement system according to claim 3, further comprising a pedestal surface movable unit that varies a relative position of the pedestal surface with respect to the cylindrical body along the uniaxial direction. 前記台座部材は、前記台座面と反対側の面に開口した開口端および前記一軸方向に直交する底面を有する、前記一軸方向に沿って延びた孔部を備え、
前記台座面可動手段は、前記一軸方向に直交する端面を有するロッド部材と、前記端面の前記一軸方向に沿った位置を変動させるロッド部材変動機構とを備え、
前記ロッド部材は、前記孔部に挿入されて前記端面が前記孔部の前記底面に当接しており、
前記台座面可動手段は、前記ロッド部材変動機構によって前記端面の位置を変動させることで、前記筒状体に対する前記台座面の相対位置を変動させることを特徴とする請求項4に記載の圧電特性計測システム。
The pedestal member includes an opening extending along the uniaxial direction, having an open end opened on a surface opposite to the pedestal surface and a bottom surface orthogonal to the uniaxial direction,
The pedestal surface moving means includes a rod member having an end surface orthogonal to the uniaxial direction, and a rod member variation mechanism that varies the position of the end surface along the uniaxial direction,
The rod member is inserted into the hole, and the end surface is in contact with the bottom surface of the hole,
5. The piezoelectric characteristic according to claim 4, wherein the pedestal surface moving unit varies the relative position of the pedestal surface with respect to the cylindrical body by varying the position of the end surface by the rod member variation mechanism. Measuring system.
測定対象物である対象圧電体の圧電特性のうち、圧力を印加した際に発生する前記圧電体からの出力電圧を計測するための圧電特性計測方法であって、
前記対象圧電体および印加された圧力に応じて電圧を発生する計測用圧電体を、一軸方向に沿って重ねて配置するステップと、
前記対象圧電体に対して、前記計測用圧電体と反対の側から、前記一軸方向に沿った圧力を周期的に印加するステップと、
印加した前記圧力の情報および前記圧力に応じて発生する前記対象圧電体からの出力電圧の情報を取得するステップと、
前記圧力の情報および前記出力電圧の情報を用いて前記計測圧電体の圧電特性値を算出するステップとを有し、
前記取得するステップでは、印加した前記圧力の情報として、前記一軸方向に沿った圧力に応じて発生する前記計測用圧電体からの出力電圧の情報を併せて取得することを特徴とする圧電特性計測方法。
Among the piezoelectric characteristics of the target piezoelectric body that is the measurement object, a piezoelectric characteristic measurement method for measuring an output voltage from the piezoelectric body that is generated when pressure is applied,
Arranging the target piezoelectric body and a measurement piezoelectric body that generates a voltage in accordance with an applied pressure, along one axis direction; and
Periodically applying a pressure along the uniaxial direction to the target piezoelectric body from a side opposite to the measurement piezoelectric body;
Obtaining information on the applied pressure and information on an output voltage from the target piezoelectric body generated in response to the pressure;
Calculating the piezoelectric characteristic value of the measurement piezoelectric body using the pressure information and the output voltage information,
In the obtaining step, information on the output voltage from the piezoelectric body for measurement generated according to the pressure along the uniaxial direction is also obtained as information on the applied pressure. Method.
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