2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K20539
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
野田 祐樹 大阪大学, 産業科学研究所, 特任助教(常勤) (30784748)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 振動 / 生体模倣 / 帯電 / コンクリート構造物 / 社会実装 / 金属ナノワイヤ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
振動センサを橋の橋脚やトンネルを始めとする交通インフラ構造物に設置し診断を常時行なうことで、日々進行する内部の劣化の過程をモニタリングできる。そのためには低コスト、高精度、耐環境性能の高い振動センサが求められているが、これらの要素を兼ね備えた振動センサは実現が難しい。本研究の目的は聴覚を司る蝸牛殻をモデルとした振動センサを作製し、これを建築物や交通インフラにおけるコンクリート構造物の劣化を診断するための振動センサとして社会実装を行うことである。
本年度は、前年度に引き続き0.1 Hzの長周期に感度を有する振動センサの開発を行なった。その結果、周波数0.1 Hz、加速度0.06 m/s2において加振した正弦波に由来する信号を検出することに成功した。これは震度１に相当する振動の伝搬を検知できることに相当し、これにより前年度に掲げた目標を達成することができた。また、今回開発に成功した0.1Hz以上の周波数帯を検知可能な振動センサについて、その計測感度を向上させる開発に取り組んだ。特に振動センサにおいては構造上電極が圧電素子の機械的振動を拘束するため、電極自体に伸縮性があることが望ましい。ここでは電極材料について、従来用いていた印刷金属インク電極から、金属ナノワイヤに変更することで機械的引張ひずみに対する耐性と表面積の増大に伴う感度向上を試みた。溶液法により直径約100 nm, 長さ約30 umの一次元金属ナノワイヤの合成に成功し、これを用いて印刷法による電極形成を行なった。開発した金属ナノワイヤ電極の引張ひずみに対する抵抗変化率を検討したところ、100%の引張ひずみに対して規格化抵抗が5%以下に抑制できる電極の開発に成功した。今後は開発した金属ナノワイヤ電極と圧電材料を組み合わせることで振動センサのSN向上に取り組む。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は前年度に引き続き0.1 Hzの長周期に感度を有する振動センサの開発を行なった。有限要素法によるシミュレーションと作製プロセスに最適化により、周波数0.1 Hz、加速度0.06 m/s2において加振した正弦波に由来する信号を検出することに成功した。さらに振動センサに用いる電極構造に関する開発を行なった。具体的には従来採用していた金属インクによる印刷電極から、金属ナノワイヤからなるネットワーク電極に変えることで、電極の伸縮性向上と表面積増大による計測感度向上を狙った。デバイス実装を前提として環境負荷の低い溶液合成法を開拓した。結果、直径約100 nm, 長さ約30 umの一次元金属ナノワイヤの合成に成功し、フォトリソグラフィー技術を組み合わせることで聴覚を模擬したナノ構造を有する電極を作製することができた。得られた電極の引張ひずみに対する抵抗変化率を検討したところ、100%の引張ひずみに対して規格化抵抗が5%以下に抑制できることが明らかとなった。これにより圧電素子の機械的動作を電極が拘束する現象を低減させることができ、信号強度の増強が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の開発において作製した金属ナノワイヤ電極構造と圧電材料の一体化のを試みた際、既存のプロセスでは電極間の絶縁性の担保が困難であり、新たなプロセスを開発する必要性が明らかになった。今後は2021年度と同様に有限要素法を用いたシミュレーションと新規プロセスを開拓することで生体模倣型の振動センサの開発と物性評価に取り組む。また屋外設置を想定してセンサの温度に対する特性変化を評価する必要があるため、-10度から+40度の温度領域における圧電定数等の物性変化を計測する。さらに0.1Hz以上の帯域で増幅が可能なアンプの開発を平行して行なうことで、屋外における実証試験に備えた取り組みを行なう。
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| Causes of Carryover |
作製したセンサの特性評価方法については屋外使用を前提とするため-10度から＋40度の範囲の物性を検討する必要性が明らかとなり、温度可変型のプローバーとその周辺機器を新たに導入した。一方でコロナ禍における半導体の供給不足による計測機器の納期遅れと機種選定の見直し、および出張経費として計上していた旅費等がオンライン開催に変更するなどの影響を受け、申請当時の執行予定とずれが生じている。2022年度は海外出張などの参加、および導入が遅れているマイクロコンタクトプリンタを始めとする印刷機の執行を進めることで当初の計画に沿った予算執行を実現する。
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Research Products
(3 results)
