JP3968430B2 - Lead zirconate titanate fiber, smart board using lead zirconate titanate fiber, and actuator and sensor using smart board - Google Patents

Lead zirconate titanate fiber, smart board using lead zirconate titanate fiber, and actuator and sensor using smart board Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築物、自動車、船舶、航空機などの構造物に利用可能なチタン酸ジルコン酸鉛(以下「PZT」という。)ファイバ、PZTファイバを用いたスマートボードならびにスマートボードを利用したアクチュエータおよびセンサに関し、特に上記構造物の振動による疲労破壊防止、不安定振動防止、乗り心地向上による構造体の信頼性の向上とメンテナンスコストの軽減が可能なPZTファイバ、PZTファイバを用いたスマートボードならびにスマートボードを利用したアクチュエータおよびセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、センサとアクチュエータ、構造体を一つにしたスマートボードの研究開発は構造材料の最終形態として産業界からも注目を浴びている。この中でも圧電材料は機械的な入力を電気的出力に変換する正圧電効果、及び電気的入力を機械的出力に変換する逆圧電効果の2つの効果を有しており、センサやアクチュエータとして圧電材料を構造体へ埋めこむ研究は活溌に行われている。圧電材料をファイバ状にして複合材料に埋め込む研究は米国MITを中心として国内外で行われており、スキー板やテニスラケットにすでに利用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から使われているセラミックファイバは駆動させるのに櫛歯型電極を形成する必要があり、高コストであった。またPZT系の圧電材料を利用したものはセラミックス固有の特徴である硬く割れやすいという問題を抱えている。高分子圧電材料を利用したものは割れるという問題は起こり難いが性能自体がPZT系の圧電材料と比べると劣っているという問題があった。
【0004】
本発明は、圧電効果の高いPZTセラミックス、チタンワイヤおよび白金等の耐熱性金属ワイヤならびに導電性複合材料を組み合わせることにより上記問題を解決することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するべく、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、本発明をするに至ったものである。
すなわち、本発明は以下に示される発明である。
(1)金属ワイヤを芯線としてその表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆又は積層して形成したことを特徴とするチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。
(2)前記金属ワイヤがチタンワイヤであることを特徴とする(1)項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。
(3)金属ワイヤが耐熱性金属ワイヤであって、該耐熱性金属ワイヤが白金、ステンレス鋼またはニッケルから構成されることを特徴とする(1)項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。
(4)水熱合成法により金属ワイヤの表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆してなることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。
(5)押出し成形法により金属ワイヤの表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶層を被覆してなることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。
(6)(1)〜(5)のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバを導電性複合材料層に埋設して形成したことを特徴とするスマートボード。
(7)前記導電性複合材料層が炭素繊維強化プラスチックから構成されることを特徴とする(6)項記載のスマートボード。
(8)(6)又は(7)項記載のスマートボードのチタン酸ジルコン酸鉛ファイバと導電性複合材料層との間に電圧を印加するようにしたことを特徴とするスマートボードを利用したアクチュエータ。
(9)(6)又は(7)項記載のスマートボードの、例えば一端に電圧検出器を接続して成ることを特徴とするスマートボードを利用したセンサ。
(10)(6)又は(7)項記載のスマートボードをアクチュエータ又はセンサとして利用する方法であって、該チタン酸ジルコン酸鉛ファイバと導電性複合材料層との間に電圧を印加してなる方法
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
本発明の実施の形態では金属ワイヤの表面に圧電効果の極めて大きなPZT結晶膜を水熱合成法により作製するものである。水熱合成法を用いてTi基板上にPZT多結晶膜が直接形成できることは、1991年に東工大の大場らにより報告され(JJAP(日本応用物理学会), "Preparation of Lead Zirconate Titanate Thin Film by Hydrothermal method" vol. 31, No. 9B Sep 1991 pp. 2174-2177)、触覚センサや振動型ジャイロセンサなどに利用されている。
この水熱合成法では、硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム、四塩化チタンを水酸化カリウム溶液(通常、水溶液)中に混合し、成膜を行うチタン基板と共に圧力容器中に入れる。この圧力容器を高温高圧に保つことにより、溶液中のPb2+, Zr4+, Ti4+ イオンとチタン基板が反応し、基板表面にPZT多結晶膜として成長する。作成するPZT多結晶薄膜のPb、Zr及びTiの比率は水溶液中のイオン濃度の比によって制御することが可能である。また、この反応を繰り返すことにより作成する多結晶膜の膜厚を制御することができる。
水熱合成法では、例えば硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム、四塩化チタン及び水酸化カリウムを合成した溶液中に製膜するチタン基板を入れ反応を行う。それぞれの材料は水溶液中でイオン化し、以下のような反応式(1)によりPZT結晶がTi基板の表面に成長する。
Pb2+ + (1-x)Zr4+ + xTi4+ + 6OH-
Pb(Zr1-xTix)O3 + 3H2O ……(1)
ここでxの値は0<x<1であるが、x=0.48の時、PZTセラミックスはきわめて高い圧電性を示す。
PZT系圧電材料はPbとZrとTiの配合比はそれぞれ1:0.52:0.48の時にきわめて高い圧電性を持つ。
製膜反応は核付け反応と結晶成長反応の2工程あり、核付け反応ではチタンはチタン基板から供給されるため硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム、水酸化カリウムを混合した溶液中にチタンワイヤを加え、オートクレーブ中で通常180℃〜120℃で、通常24時間〜48時間の製膜反応を行う。その後、結晶成長プロセスにおいては、式(1)の目的化合物を得るように、硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム、四塩化チタン及び水酸化カリウムをPbとZrとTiのモル濃度が所定の比になるように混合し、核付けプロセス後のチタンワイヤを加え、オートクレーブ中で140℃〜100℃、24時間〜48時間反応を行う。この結晶成長プロセスを繰り返すことにより、任意のPZTの膜厚保を得ることができる。またxの値は中に加える溶液のPb:Zr:Tiの配合比によりコントロールすることができる。
水熱合成法でPZT多結晶薄膜を作製する利点として、(1)水溶液中での成膜のため3次元構造物にも膜を作製することができ(2)成長プロセスを繰り返すことにより厚い膜を作製することができ(3)分極処理が不要(自然分極)である(4)150度程度の低温でPZT薄膜を作製することができるため、他の方法と比べて作成時に発生する熱応力の影響を軽減することができる、などが挙げられる。
【0007】
上記水熱合成法のほかに、金属ワイヤ表面にPZT結晶層を被覆したファイバを作成する方法として、押出し成形法を用いることもできる。すなわち、押出し成形機に取り付けたノズルから、PZT粉にバインダーと水を加えて混練したものを白金細線とともに同時押出しすることによって金属コア入りのPZTファイバ成形体をまず作成し、次に、これを乾燥と例えば400℃〜600℃で加熱することにより脱バインダーのプロセスを経た後、1100℃〜1200℃の高温で焼結し、PZT結晶が被覆されたファイバを形成する方法である。
ここで、Pb、Zr及びTi源は、それぞれ硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム及び四塩化チタンの溶液であってよい。しかし、これらの条件については、アクチュエータ用途、センサ用途などの目的の応用によって、また作成温度、試料の大きさ、溶液の容量などによっても変化され得る。
上記押出し成形法において、心材の金属ワイヤとして白金細線を用いているが、PZTの特性を損なわないためには、白金を用いることが最も望ましい。白金以外でも、PZTファイバ成形体を1100℃〜1200℃で焼結する際にPZTと強く反応したり、酸化して金属としての特性を失わない材料であればそれを代用することもできる。そのような材料として、一応ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどが挙げられるが、PZTとの反応を極力抑える工夫が必要である。
バインダーとしては例えばメチルセルロース、トラガカントゴム、ポリビニルアルコールから選ぶことができる。このバインダーは、PZT粉末に対し、通常10質量%以下、好ましくは8質量%以下で混合する。また、通常、可塑剤としてグリセリン等を約1質量%程度加え、水を約5〜20質量%加える。例えば、水はPZT粉末100gに対して15mL加えられる。その他に、フタル酸系の高分子などを利用した熱可塑性高分子をバインダーに用いることも可能である。
【0008】
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1では、硝酸鉛、塩化酸化ジルコニウム、四塩化チタンを水酸化カリウム水溶液中に混合し、成膜を行うチタンワイヤ1と共に圧力容器中に入れ、この圧力容器を高温高圧に保つことにより、溶液中のPb2+, Zr4+, Ti4+イオンとチタンワイヤ1が反応し、チタンワイヤ1表面にPZT多結晶膜2を成長させ、PZTファイバを作成するものである。
【0009】
具体的には、硝酸鉛1.0mol/L、塩化酸化ジルコニウム1.7mol/L、四塩化チタン3.11mol/Lを準備し、核付け時は硝酸鉛7mL、塩化酸化ジルコニウム2mLと水酸化カリウム8mol/Lを12mLと混合し、150℃、48時間反応させる。その後、成長時までは硝酸鉛7.27mL、塩化酸化ジルコニウム1.85mL、四塩化チタン0.89mLと水酸化カリウム4mol/Lを12mLと混合し、120℃、48時間反応を行う。オートクレーブ内の圧力はそれぞれの温度での蒸気圧となる。150℃では0.4MPa、120℃では0.1MPa程度となる。
図1に水熱合成法により作製したPZTファイバの表面、および、図2に水熱合成法により作製したPZTファイバの断面の走査型電子顕微鏡の写真を示す。図1のPZTファイバの表面の写真からわかるようにチタンワイヤ1の表面に5〜10μmのPZT結晶が積層し成長している。また図2のPZTファイバの断面の写真に示すように直径150μmのチタンワイヤ1の表面に20μm程度のPZT薄膜2を製膜している。このように、水熱合成法による製膜方法を利用することにより、スパッタリング、スクリーンプレス、ゾルゲル法などの従来の製膜方法では困難であるワイヤ形状に20μm程度のPZT結晶膜を製膜することができる。
【0010】
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2は、実施の形態1で作成されたPZTファイバを複合材料の中に埋め込み作製したところのセンサやアクチュエータの機能を持ったスマートボードを示したものである。
すなわち、図3に示すようにPZTファイバ3、3、・・を6層の炭素繊維強化プラスチック(CFRP)表面に埋め込んでいる。この際、炭素繊維強化プラスチックの炭素繊維が一方向性のプリプレグ4,5を2枚ずつ交互に直交するようにして用い、埋め込むPZTファイバ3とプリプレグ4の方向を揃えることにより、埋め込みによる複合材への影響を軽減している。PZTセラミックスはキューリー点が350℃と高いため、複合材料を成型するときに利用するホットプレスによる影響はほとんどなく、成型時に埋め込むことが可能である。
本実施の形態2における実験では図4に示すように6層のプリプレグ4、5の上面ににPZTファイバ3、3、・・を載置し、150℃の温度雰囲気の中で上下から圧力を加えることにより、プリプレグ4にPZTファイバ3、3・・が埋め込まれた、長さ70mm、幅30mm、厚み0.7mmのカンチレバー構造10を作製した。
本実施の形態では、スマートボード自体を電極として利用するため、炭素繊維を主成分とする導電性の複合材料(CFRP)等を利用することが可能である。
圧電ファイバは、CFRPなどの複合材料に埋め込み利用することを、ひとつの目標としているため、外径はCFRPプリプレグ1〜2枚(好ましくは150μm〜300μm)に収まるように設計している。光ファイバ(光ファイバを同じように複合材料内に埋め込み歪等を検出する、径150μm程度)と同じ径にすることにより、利用範囲を広げることも可能である。水熱合成法では化学反応でPZT薄膜を作成することからPZTの厚みは5μm〜30μm程度が実用的である。一般に市販で手に入るTiワイヤの径が50μm〜200μm(Tiワイヤ150μmを使ったとき)程度のファイバを作成することができる。きわめて細いファイバも作成することが可能であるから、複合材料層の機械的強度を損なうことなく埋め込まれたPZTファイバは、センサ用途に適する。一方の押し出し成型法では、押し出し機により物理的にPZT膜を金属ワイヤ(例えば、白金ワイヤ)の表面にコーティングするため、水熱合成法よりも厚い1〜2mm以上のPZT膜を形成することができる。従って、押し出し成型法で形成されたPZTファイバは、アクチュエータへの利用が可能である。
【0011】
(実施の形態3)
実施の形態3は、実施の形態2で作成されたスマートボードのアクチュエータへの利用を示すものである。
図5(a)は、実施形態3において、スマートボードをアクチュエータとして用いる一例を、図5(b)は、他の例を示す。
図5(a)および図5(b)に示すようにPZTファイバ3のチタンワイヤ1と炭素繊維強化プラスチック等からなる導電性複合材料9との間に電圧を印加することにより、PZTファイバの埋め込まれたPZT結晶膜の部分8には負電圧では伸び変形、正電圧では縮み変形が起こる。例えば正電圧を加えたとすると、図6の左に示すようにファイバの埋め込まれたPZT結晶膜の部分8は伸び変形を生じる。この変形により図6の右に示すように複合材料には曲げ変形が起こる。
特に、図5(a)に示される本発明において、ファイバは内部の金属ワイヤを電極に利用することにより、深く埋め込まれたファイバの埋め込まれた部分すべてをセンサやアクチュエータに利用することが可能である。
なお、導電性複合材料9としては、炭素繊維を主成分とするものに限らず、導電性を有する複合材料であれば使用可能である。
【0012】
図7に示すように実証実験ではカンチレバー構造10の端を固定し、埋め込んだ4本のワイヤに駆動電圧(50Vpp)を加え、先端に発生する振動変位をレーザー変位計を用いて計測した。センサ又はアクチュエータ機能を有する構造としては、例えば、Aaron A. Bent, Nesbitt W. Hagood, and John P. Rodgers 'Anisotropic Actuation with Piezoelectric Fiber Composites', Proceedings of the DGLR Conference, Germany (1993)に記載されるものが挙げられる。図8に駆動周波数と振動変位の関係を示す。図より10nm程度の変位があり180Hz近辺で共振していることがわかる。振動変位は埋め込むファイバの本数や駆動電圧を変えることによりコントロールすることができる。
【0013】
(実施の形態4)
実施の形態4は、実施の形態2で作成されたスマートボードのセンサへの利用を示すものである。
圧電材料は電圧を加えたときに歪を発生する逆圧電効果のほかに、歪が加わったときに電荷を生じる正圧電効果ももっている。この効果を利用することにより、スマートボードに加わった歪を検出することが可能である。図9に示すように作成したカンチレバー構造体10の先端に電磁型加振器11を取り付け、カンチレバー構造体10を強制振動させる。特に、電磁型加振機11は接着剤により、カンチレバー構造の先端に取り付けている。その振動により圧電ファイバ3から出力される電圧をロックインアンプ12を用いて検出をおこなった。
図10に駆動周波数と振動変位、ファイバからの出力電圧との関係を示す。破線が電磁型加振器11を用いて強制振動させた振動変位を示している。実線がそのときに埋め込まれた一本のPZTファイバから出力された電圧を示している。駆動変位と出力電圧はほぼ比例していることが図からわかる。
【0014】
(実施の形態5)
実施の形態5は、金属ワイヤ表面にPZT結晶層を被覆したファイバを作成する方法として、押出し成形法の適用を示すものである。すなわち、図11に示すような押出し成形機(約10MPa)に取り付けたノズル13から、PZT粉に適量のバインダーと水を加えて混練したペースト14をワイヤガイド16から導かれる白金細線(50μm径)15とともにノズル出口(200μm径)17から同時押出しすることによって金属コア入りのPZTファイバ成形体18が作成される。次に、このPZTファイバ成形体18を乾燥し、脱バインダーを行った後、1100℃〜1200℃の高温で焼結することによって最終製品のPZTファイバを作成した。
【0015】
(実施の形態6)
実施の形態6は、実施の形態5で得られたPZTファイバを用い、実施の形態2と同じ方法でカンチレバー構造を作成し、実施の形態3と同じ方法でアクチュエータ性能を実証するものである。図12に駆動周波数と振動変位の関係を示す。図より、バックグランドの変位が20〜30nm程度、共振周波数220Hzでの変位が5μm程度を示すことがわかる。図8に示されている水熱合成法によるファイバの結果と比較してわかるように、押出し成形法によるファイバの変位の方が1桁以上高く出ており、アクチュエータ性能としては優れていると言える。
【0016】
(実施の形態7)
実施の形態7は,実施の形態5で得られたPZTファイバを用い、実施の形態2と同じ方法でカンチレバー構造を作成し、実施の形態4と同じ方法でセンサ性能を実証するものである。図13に、駆動周波数と振動変位、ファイバからの出力電圧との関係を示す。実線が電磁加振器で強制振動させた振動変位を示し、破線がそのときに埋め込まれた一本のPZTファイバから出力された電圧を示している。図から、センサ信号が駆動変位と対応して出力されることがわかる。図10の水熱合成法による結果と比較してわかるように、押し出し成形法によるファイバのセンサ性能としては、水熱合成法の場合との間に大きな差は認められない。
【0017】
【発明の効果】
本発明によれば、PZTファイバ、PZTファイバを用いたスマートボード、スマートボードを利用したアクチュエータ及びセンサを提供できる。これらは、櫛歯型電極を形成するために要され、割れやすさも解決し、高い圧電効果のPZTセラミックスとチタンワイヤ又は白金ワイヤ等の耐熱性金属ワイヤと導電性複合材料とを組み合わせることで優れた性能を呈する。
本発明は、以下の効果を奏する。
(1)ファイバの材料として圧電効果の高いPZTセラミックスを用いるとともに、ファイバ内に芯線としてチタンワイヤ等の金属ワイヤを用いることにより、圧電材料としての性能を保持しつつ、セラミックス固有の特徴である硬く割れやすいという問題に起因するセラミックス製ファイバの断線の問題を解決できる。
(2)また作成したPZTファイバをCFRP等の導電性複合材料に埋めこみ、複合材料自体を電気的共通グランドに利用しているので、アクチュエータとして電圧を加え、センサとして電圧を検出したときに生じる電気的な干渉を抑えることが可能であり、また外部からのノイズによる影響も受けにくい。
(3)芯材であるチタンワイヤ等の金属ワイヤはPZTセラミックスの補強材としてだけでなく、電気的信号ラインとして利用できるため、導電性ファイバに埋め込むだけでセンサやアクチュエータとして用いることができ、櫛歯状の電極を新たに作成する必要はない。
(4)炭素系複合材料を建築物、自動車、船舶、航空機などの構造に成型する過程で容易に圧電ファイバを埋め込むことができ、埋め込んだファイバは他に電極等を形成する必要なしにセンサやアクチュエータに利用することが可能である。これにより構造物の振動をセンシングしその振動を打ち消すことによる疲労破壊防止、不安定振動防止、乗り心地向上を行い構造体の信頼性の向上とメンテナンスコストの軽減が可能である。
(5)押出し成形法により作成されたPZTファイバは、ファイバの変位が高く出るため、アクチュエータ性能として優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】水熱合成法により作製した本発明の実施の形態1に係るPZTファイバの表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図2】水熱合成法により作製した本発明の実施の形態1に係るPZTファイバの断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図3】本発明の実施の形態2に係るスマートボードの作製方法を示した斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係るスマートボードの構造を示した斜視図である。
【図5】図5(a)及び(b)は、それぞれ、本発明の実施の形態3に係るアクチュエータとして利用する場合の説明図である。
【図6】本発明の実施の形態3に係るアクチュエータとして利用する場合のPZTファイバの変形により複合材料が変形する様子を示す説明図である。
【図7】本発明の実施の形態3に係るアクチュエータとして利用する場合の説明図である。
【図8】本発明の実施の形態3に係るアクチュエータとして利用した場合の実証実験の結果である。
【図9】本発明の実施の形態4に係るセンサとして利用する場合の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態4に係るセンサとして利用した場合の実証実験の結果である。
【図11】本発明の実施の形態5に係る押出し成形機に取り付けたノズルによるPZTファイバ作成の説明図である。
【図12】本発明の実施の形態6に係るアクチュエータとして利用した場合の実証実験の結果である。
【図13】本発明の実施の形態7に係るセンサとして利用した場合の実証実験の結果である。
【符号の説明】
1 チタンワイヤ
2 PZT薄膜
3 PZTファイバ
4、5 プリプレグ
8 埋め込まれたPZT結晶膜の部分
9 導電性複合材料
10 カンチレバー構造体
11 電磁型加振器
12 ロックインアンプ
13 ノズル
14 押出し成形機から押出されてくるPZTペースト
15 白金ワイヤ
16 ワイヤガイド
17 ファイバ出口
18 仕上がり成形品
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”) fiber that can be used in structures such as buildings, automobiles, ships, and aircraft, a smart board using the PZT fiber, an actuator using the smart board, and With regard to sensors, in particular, PZT fiber, smart board using PZT fiber, and smart that can prevent fatigue destruction due to vibration of the above structure, prevent unstable vibration, improve the reliability of the structure by improving riding comfort and reduce maintenance costs The present invention relates to an actuator and a sensor using a board.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research and development of smart boards that combine sensors, actuators, and structures have attracted attention from industry as the final form of structural materials. Among them, the piezoelectric material has two effects, a positive piezoelectric effect that converts mechanical input into electrical output, and a reverse piezoelectric effect that converts electrical input into mechanical output. Research to embed the structure into the structure is being carried out vigorously. Research into embedding a piezoelectric material in a fiber shape into a composite material has been conducted domestically and overseas mainly in the US MIT and has already been used for skis and tennis rackets.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventionally used ceramic fibers require a comb-shaped electrode to be driven, and are expensive. Also, those using PZT-based piezoelectric materials have the problem of being hard and easy to break, which is a characteristic characteristic of ceramics. There is a problem that the material using the polymer piezoelectric material is not easily broken, but the performance itself is inferior to that of the PZT type piezoelectric material.
[0004]
An object of the present invention is to solve the above problems by combining PZT ceramics with high piezoelectric effect, heat-resistant metal wires such as titanium wire and platinum, and conductive composite materials.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have made extensive studies and have come to achieve the present invention.
That is, the present invention is an invention shown below.
(1) A lead zirconate titanate fiber formed by coating or laminating a lead zirconate titanate crystal on the surface of a metal wire as a core wire.
(2) The lead zirconate titanate fiber according to (1), wherein the metal wire is a titanium wire.
(3) The lead zirconate titanate fiber according to (1), wherein the metal wire is a heat-resistant metal wire, and the heat-resistant metal wire is made of platinum, stainless steel, or nickel.
(4) The lead zirconate titanate fiber according to any one of (1) to (3), wherein the surface of the metal wire is coated with a lead zirconate titanate crystal by a hydrothermal synthesis method.
(5) The lead zirconate titanate fiber according to any one of (1) to (3), wherein the surface of the metal wire is coated with a lead zirconate titanate crystal layer by an extrusion molding method.
(6) A smart board formed by embedding the lead zirconate titanate fiber according to any one of (1) to (5) in a conductive composite material layer.
(7) The smart board according to (6), wherein the conductive composite material layer is made of carbon fiber reinforced plastic.
(8) An actuator using a smart board, wherein a voltage is applied between the lead zirconate titanate fiber and the conductive composite material layer of the smart board according to (6) or (7) .
(9) A sensor using a smart board, characterized in that a voltage detector is connected to, for example, one end of the smart board described in (6) or (7).
(10) A method of using the smart board according to (6) or (7) as an actuator or a sensor, wherein a voltage is applied between the lead zirconate titanate fiber and the conductive composite material layer. Way .
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the embodiment of the present invention, a PZT crystal film having an extremely large piezoelectric effect is produced on the surface of a metal wire by a hydrothermal synthesis method. The fact that PZT polycrystalline films can be formed directly on Ti substrates using hydrothermal synthesis was reported by Oba et al. Of Tokyo Institute of Technology in 1991 (JJAP (Japan Society of Applied Physics), "Preparation of Lead Zirconate Titanate Thin Film by Hydrothermal method "vol. 31, No. 9B Sep 1991 pp. 2174-2177), and is used for tactile sensors and vibration-type gyro sensors.
In this hydrothermal synthesis method, lead nitrate, zirconium chloride oxide, and titanium tetrachloride are mixed in a potassium hydroxide solution (usually an aqueous solution) and placed in a pressure vessel together with a titanium substrate on which a film is formed. By maintaining the pressure vessel at a high temperature and high pressure, Pb 2+ , Zr 4+ and Ti 4+ ions in the solution react with the titanium substrate, and grow as a PZT polycrystalline film on the substrate surface. The ratio of Pb, Zr and Ti of the PZT polycrystalline thin film to be produced can be controlled by the ratio of ion concentration in the aqueous solution. Moreover, the film thickness of the polycrystalline film produced by repeating this reaction can be controlled.
In the hydrothermal synthesis method, for example, a titanium substrate to be formed into a solution obtained by synthesizing lead nitrate, zirconium chloride oxide, titanium tetrachloride and potassium hydroxide is put into a reaction. Each material is ionized in an aqueous solution, and a PZT crystal grows on the surface of the Ti substrate by the following reaction formula (1).
Pb 2+ + (1-x) Zr 4+ + xTi 4+ + 6OH - →
Pb (Zr 1-x Ti x ) O 3 + 3H 2 O …… (1)
Here, the value of x is 0 <x <1, but when x = 0.48, the PZT ceramic exhibits extremely high piezoelectricity.
PZT-based piezoelectric materials have extremely high piezoelectricity when the mixing ratio of Pb, Zr, and Ti is 1: 0.52: 0.48, respectively.
The film-forming reaction has two steps: a nucleation reaction and a crystal growth reaction. In the nucleation reaction, titanium is supplied from a titanium substrate, so a titanium wire is added to a mixed solution of lead nitrate, chlorinated zirconium oxide, and potassium hydroxide. In an autoclave, the film-forming reaction is usually performed at 180 ° C. to 120 ° C. for 24 hours to 48 hours. Thereafter, in the crystal growth process, lead nitrate, zirconium chloride oxide, titanium tetrachloride and potassium hydroxide are mixed so that the molar concentration of Pb, Zr, and Ti becomes a predetermined ratio so as to obtain the target compound of formula (1). The titanium wire after the nucleation process is added, and the reaction is carried out in an autoclave at 140 to 100 ° C. for 24 to 48 hours. By repeating this crystal growth process, an arbitrary PZT film thickness can be obtained. The value of x can be controlled by the blending ratio of Pb: Zr: Ti of the solution added therein.
Advantages of producing PZT polycrystalline thin film by hydrothermal synthesis method are as follows: (1) A film can be formed on a three-dimensional structure for film formation in aqueous solution. (2) A thick film is obtained by repeating the growth process. (3) Polarization treatment is not required (natural polarization) (4) PZT thin film can be produced at a low temperature of about 150 ° C, so thermal stress generated during production compared to other methods It can reduce the influence of.
[0007]
In addition to the above hydrothermal synthesis method, an extrusion molding method can also be used as a method for producing a fiber having a metal wire surface coated with a PZT crystal layer. That is, a PZT fiber molded body containing a metal core is first prepared by co-extruding a PZT powder with a binder and water and kneaded together with a platinum fine wire from a nozzle attached to an extrusion molding machine, This is a method of forming a fiber coated with a PZT crystal by drying and heating at 400 ° C. to 600 ° C., followed by a binder removal process, followed by sintering at a high temperature of 1100 ° C. to 1200 ° C.
Here, the Pb, Zr and Ti sources may be solutions of lead nitrate, zirconium chloride oxide and titanium tetrachloride, respectively. However, these conditions can be changed depending on the purpose of application such as actuator use, sensor use, etc., and also depending on the preparation temperature, sample size, solution volume, and the like.
In the extrusion molding method, a platinum fine wire is used as the core metal wire. However, in order not to impair the characteristics of PZT, it is most desirable to use platinum. In addition to platinum, a material that does not react strongly with PZT or oxidize and lose its properties as a metal when sintering a PZT fiber molded body at 1100 ° C. to 1200 ° C. can be substituted. Examples of such materials include stainless steel, nickel, titanium, etc., but it is necessary to devise a technique that suppresses the reaction with PZT as much as possible.
The binder can be selected from, for example, methylcellulose, tragacanth rubber, and polyvinyl alcohol. This binder is usually mixed in an amount of 10% by mass or less, preferably 8% by mass or less, based on the PZT powder. Moreover, about 1 mass% of glycerin etc. are normally added as a plasticizer, and about 5-20 mass% of water is added. For example, 15 mL of water is added to 100 g of PZT powder. In addition, it is also possible to use a thermoplastic polymer using a phthalic acid-based polymer as a binder.
[0008]
(Embodiment 1)
In Embodiment 1 of the present invention, lead nitrate, zirconium chloride oxide, and titanium tetrachloride are mixed in an aqueous potassium hydroxide solution and placed in a pressure vessel together with titanium wire 1 for film formation. By maintaining, the Pb 2+ , Zr 4+ , Ti 4+ ions in the solution react with the titanium wire 1 to grow a PZT polycrystalline film 2 on the surface of the titanium wire 1 to produce a PZT fiber.
[0009]
Specifically, lead nitrate 1.0 mol / L, zirconium chloride oxide 1.7 mol / L, titanium tetrachloride 3.11 mol / L are prepared. At the time of nucleation, lead nitrate 7 mL, zirconium chloride oxide 2 mL and potassium hydroxide 8 mol / L Is mixed with 12 mL and reacted at 150 ° C. for 48 hours. After that, until the growth time, lead nitrate 7.27mL, zirconium chloride 1.85mL, titanium tetrachloride 0.89mL and potassium hydroxide 4mol / L are mixed with 12mL and reacted at 120 ° C for 48 hours. The pressure in the autoclave is the vapor pressure at each temperature. It is about 0.4 MPa at 150 ° C and about 0.1 MPa at 120 ° C.
FIG. 1 shows a scanning electron microscope photograph of the surface of a PZT fiber produced by the hydrothermal synthesis method, and FIG. 2 shows a cross section of the PZT fiber produced by the hydrothermal synthesis method. As can be seen from the photograph of the surface of the PZT fiber in FIG. 1, a PZT crystal of 5 to 10 μm is laminated and grown on the surface of the titanium wire 1. Further, as shown in the photograph of the cross section of the PZT fiber in FIG. 2, a PZT thin film 2 having a thickness of about 20 μm is formed on the surface of a titanium wire 1 having a diameter of 150 μm. Thus, by using a film formation method based on a hydrothermal synthesis method, a PZT crystal film of about 20 μm is formed in a wire shape, which is difficult with conventional film formation methods such as sputtering, screen press, and sol-gel method. Can do.
[0010]
(Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention shows a smart board having the function of a sensor or actuator obtained by embedding the PZT fiber produced in the first embodiment in a composite material.
That is, as shown in FIG. 3, PZT fibers 3, 3,... Are embedded in the surface of six layers of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). At this time, carbon fibers of carbon fiber reinforced plastic are used so that two unidirectional prepregs 4 and 5 are alternately orthogonal to each other, and the embedded PZT fiber 3 and the prepreg 4 are aligned so that the composite material is embedded. The impact on is reduced. Since PZT ceramics have a high Curie point of 350 ° C., they are hardly affected by hot pressing used when molding a composite material, and can be embedded at the time of molding.
In the experiment in the second embodiment, as shown in FIG. 4, PZT fibers 3, 3,... Are placed on the upper surfaces of six layers of prepregs 4, 5, and pressure is applied from above and below in a temperature atmosphere of 150.degree. In addition, a cantilever structure 10 having a length of 70 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 0.7 mm, in which PZT fibers 3, 3.
In this embodiment, since the smart board itself is used as an electrode, it is possible to use a conductive composite material (CFRP) or the like whose main component is carbon fiber.
The piezoelectric fiber is designed to be embedded in a composite material such as CFRP, so that the outer diameter is designed to be within one or two CFRP prepregs (preferably 150 μm to 300 μm). By using the same diameter as that of the optical fiber (the optical fiber is similarly embedded in the composite material to detect strain and the like, the diameter is about 150 μm), the range of use can be expanded. In the hydrothermal synthesis method, a PZT thin film is prepared by a chemical reaction, so that the PZT thickness is practically about 5 μm to 30 μm. In general, a fiber with a commercially available Ti wire diameter of about 50 μm to 200 μm (when Ti wire 150 μm is used) can be produced. Since very thin fibers can be made, PZT fibers embedded without compromising the mechanical strength of the composite layer are suitable for sensor applications. In one extrusion molding method, the PZT film is physically coated on the surface of a metal wire (for example, platinum wire) by an extruder, so that a PZT film having a thickness of 1 to 2 mm or more thicker than that of the hydrothermal synthesis method can be formed. it can. Therefore, the PZT fiber formed by the extrusion method can be used for an actuator.
[0011]
(Embodiment 3)
The third embodiment shows the use of the smart board created in the second embodiment for an actuator.
FIG. 5A shows an example in which the smart board is used as an actuator in the third embodiment, and FIG. 5B shows another example.
As shown in FIGS. 5A and 5B, the PZT fiber is embedded by applying a voltage between the titanium wire 1 of the PZT fiber 3 and the conductive composite material 9 made of carbon fiber reinforced plastic or the like. The portion 8 of the PZT crystal film is deformed by a negative voltage and contracted by a positive voltage. For example, if a positive voltage is applied, the portion 8 of the PZT crystal film in which the fiber is embedded is stretched and deformed as shown on the left in FIG. This deformation causes bending deformation in the composite material as shown on the right side of FIG.
In particular, in the present invention shown in FIG. 5 (a), the fiber can be used as a sensor or an actuator by using the inner metal wire as an electrode, so that all the embedded portions of the deeply embedded fiber can be used for sensors and actuators. is there.
In addition, as the electroconductive composite material 9, it is not restricted to what has a carbon fiber as a main component, If it is a composite material which has electroconductivity, it can be used.
[0012]
As shown in FIG. 7, in the verification experiment, the end of the cantilever structure 10 was fixed, a driving voltage (50 Vpp) was applied to the four embedded wires, and the vibration displacement generated at the tip was measured using a laser displacement meter. A structure having a sensor or actuator function is described, for example, in Aaron A. Bent, Nesbitt W. Hagood, and John P. Rodgers 'Anisotropic Actuation with Piezoelectric Fiber Composites', Proceedings of the DGLR Conference, Germany (1993). Things. FIG. 8 shows the relationship between drive frequency and vibration displacement. From the figure, it can be seen that there is a displacement of about 10 nm and the resonance occurs around 180 Hz. The vibration displacement can be controlled by changing the number of fibers to be embedded and the driving voltage.
[0013]
(Embodiment 4)
The fourth embodiment shows the use of the smart board created in the second embodiment as a sensor.
In addition to the inverse piezoelectric effect that generates strain when a voltage is applied, the piezoelectric material also has a positive piezoelectric effect that generates an electric charge when strain is applied. By utilizing this effect, it is possible to detect distortion applied to the smart board. An electromagnetic vibrator 11 is attached to the tip of the cantilever structure 10 created as shown in FIG. 9, and the cantilever structure 10 is forcibly vibrated. In particular, the electromagnetic vibrator 11 is attached to the tip of the cantilever structure with an adhesive. The voltage output from the piezoelectric fiber 3 due to the vibration was detected using the lock-in amplifier 12.
FIG. 10 shows the relationship between the drive frequency, the vibration displacement, and the output voltage from the fiber. The broken line indicates the vibration displacement forcibly vibrated using the electromagnetic vibrator 11. The solid line indicates the voltage output from one PZT fiber embedded at that time. It can be seen from the figure that the drive displacement and the output voltage are almost proportional.
[0014]
(Embodiment 5)
The fifth embodiment shows the application of an extrusion method as a method for producing a fiber in which a metal wire surface is coated with a PZT crystal layer. That is, a platinum fine wire (50 μm diameter), which is led from a wire guide 16 from a nozzle 13 attached to an extrusion molding machine (about 10 MPa) as shown in FIG. 15 and a nozzle outlet (200 μm diameter) 17 are simultaneously extruded to form a PZT fiber molded body 18 containing a metal core. Next, the PZT fiber molded body 18 was dried, debindered, and then sintered at a high temperature of 1100 ° C. to 1200 ° C. to produce a final product PZT fiber.
[0015]
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment, a cantilever structure is created by the same method as in the second embodiment using the PZT fiber obtained in the fifth embodiment, and the actuator performance is verified by the same method as in the third embodiment. FIG. 12 shows the relationship between drive frequency and vibration displacement. From the figure, it can be seen that the background displacement is about 20 to 30 nm and the displacement at the resonance frequency of 220 Hz is about 5 μm. As can be seen from the results of the hydrothermal synthesis fiber shown in FIG. 8, the fiber displacement by the extrusion method is higher by one digit or more, and it can be said that the actuator performance is excellent. .
[0016]
(Embodiment 7)
In the seventh embodiment, a cantilever structure is created by the same method as in the second embodiment using the PZT fiber obtained in the fifth embodiment, and the sensor performance is verified by the same method as in the fourth embodiment. FIG. 13 shows the relationship between the drive frequency, the vibration displacement, and the output voltage from the fiber. The solid line shows the vibration displacement forcedly vibrated by the electromagnetic vibrator, and the broken line shows the voltage output from one PZT fiber embedded at that time. From the figure, it can be seen that the sensor signal is output corresponding to the drive displacement. As can be seen from the result of the hydrothermal synthesis method of FIG. 10, there is no significant difference in the sensor performance of the fiber by the extrusion method from that of the hydrothermal synthesis method.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a PZT fiber, a smart board using the PZT fiber, and an actuator and a sensor using the smart board. These are required to form a comb-shaped electrode, and are easy to break. By combining PZT ceramics with high piezoelectric effect, heat-resistant metal wires such as titanium wires or platinum wires, and conductive composite materials, they are excellent. Exhibits excellent performance.
The present invention has the following effects.
(1) The use of PZT ceramics with high piezoelectric effect as the fiber material and the use of a metal wire such as a titanium wire as the core wire in the fiber makes it possible to maintain the properties as a piezoelectric material while maintaining the characteristics inherent to ceramics. It is possible to solve the problem of breakage of the ceramic fiber due to the problem of being easily broken.
(2) Since the prepared PZT fiber is embedded in a conductive composite material such as CFRP, and the composite material itself is used as an electrical common ground, the electric power generated when a voltage is applied as an actuator and the voltage is detected as a sensor. Interference can be suppressed, and is not easily affected by external noise.
(3) Since a metal wire such as a titanium wire as a core material can be used not only as a reinforcing material for PZT ceramics but also as an electric signal line, it can be used as a sensor or an actuator simply by being embedded in a conductive fiber. There is no need to create a new tooth-like electrode.
(4) Piezoelectric fibers can be easily embedded in the process of molding carbon-based composite materials into structures such as buildings, automobiles, ships, and aircraft, and the embedded fibers can be used without sensors or other devices without the need to form other electrodes. It can be used for an actuator. As a result, it is possible to improve the reliability of the structure and reduce the maintenance cost by detecting the vibration of the structure and canceling the vibration, thereby preventing fatigue failure, preventing unstable vibration, and improving riding comfort.
(5) The PZT fiber produced by the extrusion molding method is excellent in actuator performance because of high fiber displacement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a scanning electron micrograph of the surface of a PZT fiber according to Embodiment 1 of the present invention produced by a hydrothermal synthesis method.
FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a cross section of a PZT fiber according to Embodiment 1 of the present invention produced by a hydrothermal synthesis method.
FIG. 3 is a perspective view showing a method for manufacturing a smart board according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a smart board according to Embodiment 2 of the present invention.
FIGS. 5 (a) and 5 (b) are explanatory diagrams for use as actuators according to Embodiment 3 of the present invention. FIG.
FIG. 6 is an explanatory view showing a state in which a composite material is deformed by deformation of a PZT fiber when used as an actuator according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram when used as an actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a result of a demonstration experiment when used as an actuator according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram when used as a sensor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a result of a verification experiment when used as a sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram for producing a PZT fiber by a nozzle attached to an extrusion molding machine according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a result of a demonstration experiment when used as an actuator according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a result of a verification experiment when used as a sensor according to Embodiment 7 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Titanium wire 2 PZT thin film 3 PZT fiber 4, 5 Prepreg 8 Embedded PZT crystal film part 9 Conductive composite material 10 Cantilever structure 11 Electromagnetic exciter 12 Lock-in amplifier 13 Nozzle 14 Extruded from an extruder Coming PZT paste 15 Platinum wire 16 Wire guide 17 Fiber outlet 18 Finished molded product

Claims (10)

金属ワイヤを芯線としてその表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆して形成したことを特徴とするチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。  A lead zirconate titanate fiber characterized in that it is formed by coating a lead zirconate titanate crystal on the surface of a metal wire. 金属ワイヤがチタンワイヤであることを特徴とする請求項1記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。  The lead zirconate titanate fiber according to claim 1, wherein the metal wire is a titanium wire. 金属ワイヤが耐熱性金属ワイヤであって、該耐熱性金属ワイヤが白金、ステンレス鋼またはニッケルから構成されることを特徴とする請求項1記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。  The lead zirconate titanate fiber according to claim 1, wherein the metal wire is a heat resistant metal wire, and the heat resistant metal wire is made of platinum, stainless steel, or nickel. 水熱合成法により金属ワイヤの表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。  The lead zirconate titanate fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface of the metal wire is coated with lead zirconate titanate crystals by a hydrothermal synthesis method. 押出し成形法により金属ワイヤの表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶層を被覆してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバ。  The lead zirconate titanate fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the surface of the metal wire is coated with a lead zirconate titanate crystal layer by an extrusion molding method. 請求項1〜5のいずれか1項記載のチタン酸ジルコン酸鉛ファイバを導電性複合材料層に埋設して形成したことを特徴とするスマートボード。  A smart board comprising the lead zirconate titanate fiber according to any one of claims 1 to 5 embedded in a conductive composite material layer. 前記導電性複合材料層が炭素繊維強化プラスチックから構成されることを特徴とする請求項6記載のスマートボード。  The smart board according to claim 6, wherein the conductive composite material layer is made of a carbon fiber reinforced plastic. 請求項6又は7記載のスマートボードのチタン酸ジルコン酸鉛ファイバと導電性複合材料層との間に電圧を印加するようにしたことを特徴とするスマートボードを利用したアクチュエータ。  8. An actuator using a smart board, wherein a voltage is applied between the lead zirconate titanate fiber and the conductive composite material layer of the smart board according to claim 6 or 7. 請求項6又は7記載のスマートボードに電圧検出器を接続して成ることを特徴とするスマートボードを利用したセンサ。  A sensor using a smart board, comprising a voltage detector connected to the smart board according to claim 6. 請求項6又は7記載のスマートボードをアクチュエータ又はセンサとして利用する方法であって、該チタン酸ジルコン酸鉛ファイバと導電性複合材料層との間に電圧を印加してなる方法 A method of using the smart board according to claim 6 or 7 as an actuator or a sensor, wherein a voltage is applied between the lead zirconate titanate fiber and the conductive composite material layer .
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