炭素繊維を一方向に配向した圧電プラスチックセンサー：繊維方向の機械的特性は約20倍に

東北大学と大阪工業大学の研究グループは、「一方向炭素繊維強化圧電プラスチックセンサー」を開発した。機械的強度に優れたモーションセンシングシステムを実現することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

2枚の圧電ナノコンポジットシート界面に炭素繊維を一方向に配向

　東北大学大学院環境科学研究科の余瑶楠大学院生や成田史生教授（工学部材料科学総合学科兼担）らによる研究グループと大阪工業大学工学部機械工学科の上辻靖智教授らによる研究グループは2023年12月、「一方向炭素繊維強化圧電プラスチックセンサー」を開発したと発表した。機械的強度に優れたモーションセンシングシステムを実現することが可能となる。

　圧電プラスチックは、振動発電機能やセンシング機能を備えている。このため人体モーションセンサー用素材として期待されている。しかし、機械的強度が低く応用範囲は限られていた。そこで研究グループは、超軽量で優れた機械的安定性を有する炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を補強材と電極に用いることとした。

　今回開発した一方向炭素繊維強化圧電複合材料は、プラスチック（エポキシ樹脂）に圧電ナノ粒子（ニオブ酸カリウムナトリウム：KNN）を分散した2枚の圧電ナノコンポジットシート界面に、炭素繊維を一方向に配向させて接合し一体化した。この結果、繊維方向には優れた縦弾性係数と引張強度を実現した。繊維の垂直方向にはよく伸びてセンサーの性能が向上することを確認した。

開発した一方向炭素繊維強化圧電複合材料の構造図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　研究グループは、実験結果に基づきマルチスケール・マルチフィジックス有限要素モデルを開発した。開発したモデルを適用し、圧電CFRPユニットセルの異方性電気力学特性を求めた。また、得られた値を3層サンドイッチ構造に適用して解析すれば、炭素繊維強化圧電複合材料の応力状態や変形挙動に加え、出力電圧も予測できるという。

　さらに、作製した一方向炭素繊維強化圧電複合材料の引張試験結果と有限要素解析結果を比較した。この結果はよく一致しており、配向させた繊維方向（x方向）には伸びにくく、繊維に垂直方向（y方向）には伸びやすいことが実証された。実験では、試料のx方向とy方向に50Nの荷重を繰り返し与え、出力電圧を測定した。この結果、伸びやすい（柔らかい）方向の出力電圧は、強度が高い繊維方向に比べ20倍以上となった。

開発した一方向炭素繊維強化圧電複合材料のマルチスケール・マルチフィジックス有限要素モデルと、引張特性および出力電圧のシミュレーション／実験結果［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　研究グループは、作製した一方向炭素繊維強化圧電複合材料を「野球グローブ」や「靴」に取り付け、動き検出を行った。野球グローブでボールをキャッチングした時には約2Vの電圧を出力した。キャッチングのタイミングも、信号の振幅スペクトログラムを用いて正確に認識できるという。

　また、右足用の靴にだけ圧電複合材料を取り付けた。右足を踏み出すとその重みで電圧が出力される。歩行中は人体の重心が移動するため、1個のセンサーのみで両足の動きを感知できる。歩き始めると約3Vの電圧が出力される。さらに、振幅スペクトログラムから、脚の歩行パターンも分かるという。

開発した一方向炭素繊維強化圧電複合材料の応用例。搭載した野球グローブや靴からの出力データ［クリックで拡大］ 出所：東北大学