柔軟で成型性の高い圧電材料(圧電ゴム)

ゴム材中に圧電セラミックス粒子を混合した圧電ゴムは、ゴム材の柔軟性と成型性の高さを活かした圧電材料となります。

1.はじめに

圧電材料には、振動などの機械エネルギーと電圧や電流の電気エネルギーとを相互に変換できる性能があり、このような性能を利用して、センサ等として一般的に利用されています。一方、一般的な圧電材料である圧電セラミックスは、硬く脆いため、使用できる箇所が限られるなどの課題があります。

そこで、当研究室では、ゴム材中に圧電セラミックス粒子を混合した、圧電ゴムの研究に取り組んできました。圧電ゴムは、ゴム材の特徴である、柔軟性や成型性の高さを活かして、幅広い箇所でセンサ等に使用できる圧電材料として期待されます。

ここでは、鉄道分野における圧電ゴムのセンサとしての適用可能性について検証した結果を示します。

2.圧電ゴム

圧電ゴムは、図1に示すように、柔軟で割れ難い材料です。また、幅広い面積や複雑な形状に成型できる利点もあります。また、荷重を加えると、加えた荷重に応じて電圧や電荷が発生します。

図1 圧電ゴムの外観

3.圧電ゴムのセンサとしての鉄道分野への応用

圧電ゴムの鉄道分野におけるセンサとしての適用可能性を検証しました。検証した2つの事例について説明します。

① 圧電ゴムを用いた軸受の損傷検知

圧電ゴムを軸受における損傷検知センサとして適用できるか検証しました。圧電ゴムは、車軸軸受の上に設置されている防振ゴムの内部に設置しました。図2は、軸受内部に人工的な傷を付与させた軸受および正常な軸受に対して、回転試験を実施した結果です。

軸受内部に人工的な傷を付与して軸受を回転させた場合、正常な軸受の回転の際には、発生しない周波数に傷に起因する電圧が発生していることがわかります。圧電ゴムを用いることによって、直接測定した電圧値から損傷の有無を判定できるため、省力化した異常検知センサとなることが期待されます。

図2 圧電ゴムによる軸受の異常検知試験

② 圧電ゴムを用いた車両側扉戸先の異物挟み込み検知

圧電ゴムを車両側扉戸先における異物の挟み込み検知センサに適用できるか検証しました。圧電ゴムは、側扉戸先の戸先ゴム内に設置しました。図3は、戸先に異物を挟み込んでいない場合と直径5mmの異物を挟みこんだ場合の圧電ゴムから発生する電荷を増幅し、電圧として測定したものです。

異物がない場合には、明確な電圧が発生しないのに対して、直径5mmの異物を挟み込ませた場合には、明確な電圧が発生しています。現状の車両側扉では、一定以下の異物の検知は困難であることから、圧電ゴムを利用することによって、小さな異物の挟み込みも検知できる可能性があります。

図3 圧電ゴムによる車両側扉での異物の挟み込み検知試験

4.圧電ゴムの圧電性能向上

通常の作製方法で作製した圧電ゴムは、圧電性能が低いため、電気信号を増幅するアンプを介してセンサとして使用する必要があります。しかし、圧電性能が向上すれば、圧電ゴムから発生する電気信号を直接利用できるセンサとなることが期待されます。

そこで、圧電性能を向上させるため、ゴム材中で圧電セラミックス粒子が配向した粒子配向型圧電ゴムを作製しました。

図4は圧電セラミックス粒子の配向状況です。厚さ方向に粒子が連なって配向している様子がわかります。粒子の配向によって性能向上させた圧電ゴムを積層し、振動を加えることによって、LEDを点滅させることができます。(動画1)

図4 圧電セラミックス粒子の配向状況
動画1 圧電ゴムの加振試験におけるLEDの点滅

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参考文献

  1. Shogo Mamada, Naoyuki Yaguchi, Masanori Hansaka, Masafumi Yamato, Hirohisa Yoshida:Matrix Influence on the Piezoelectric Propperties of Piezoelectric Ceramic/Polymer Compposite Exhibiting Particle Alignment, Journal of Applied Polymer Science, Vol.132, Issue.15, app.41817, 2015
  2. Shogo Mamada, Naoyuki Yaguchi, Masanori Hansaka, Masafumi Yamato, Hirohisa Yoshida:Performance impprovement of ppiezoelectric-rubber by pparticle formation of linear aggregates, Journal of Applied Polymer Science, Vol.131, Issue.3, app.39862, 2014
  3. 間々田祥吾、矢口直幸、半坂征則、鈴木実:圧電ゴムの特性評価方法および材料構成の検討、高分子論文集、Vol.65、No.9、pp.579-586、2008
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