(57)【要約】  より容易に圧電ファイバを内包した機能性複合材料を製造する方法を提供するために、機能性複合材料の製造方法において、溝が形成された第一の金属基板の溝に中空のファイバを配置し、第二の金属基板と第一の金属基板とをプレスすることとする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝が形成された第一の金属基板の前記溝に中空のファイバを配置し、
第二の金属基板と前記第一の金属基板とをプレスする、機能性複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記溝が形成された第一の金属基板に金属薄膜層が形成されている請求項１記載の機能性複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記第二の金属基板に金属薄膜層が形成されている請求項２記載の機能性複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記第二の金属基板にも溝が形成されており、前記第二の金属基板の前記溝と前記第一の金属基板の溝とを重ね合わせてプレスする請求項１記載の機能性複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記第一の基板における溝は、壁を有して形成される端部と、基板外に開放される端部と、を有する請求項１記載の機能性複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記第一の金属基板及び前記第二の金属基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んで構成される請求項１記載の機能性複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能性複合材料の製造方法に関し、特に、金属コアを内部に有する圧電素子を内部に有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
材料の中に様々なファイバを埋設して複合化することで周囲の環境変化に対応可能な機能性複合材料が提案されて以来、その実現に向け研究が盛んに行われている。材料の中にファイバを埋設して複合化する技術を記載したものとして、例えば下記特許文献１乃至３がある。【０００３】
下記特許文献１には、金属材料の中に光ファイバを埋設した機能性複合材料の製造方法が記載されている。また、下記特許文献２には、金属材料の中に長繊維強化複合材料と短繊維複合材料を埋設した機能性複合材料の製造方法が記載されている。【０００４】
また、下記特許文献３には、金属コアを有する圧電ファイバを埋設し、応答性の良いセンサやアクチュエータとして使用が可能な機能性複合材料が記載されている。【０００５】
【特許文献１】特開２００１−８２９１８号公報
【特許文献２】特開２００２−２８３４８７号公報
【特許文献３】特開２００３−３２８２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
確かに、上記特許文献３に記載されるような圧電ファイバを埋設した機能性複合材料はセンサやアクチュエータとしての応用が可能であり有用であるが、圧電ファイバは非常に脆く、これを埋設するためには取扱に十分注意しなければならず、製造が容易ではないという課題がある。また、金属コアを有する圧電ファイバ自体の製造が容易ではなく、結果的に製造コストも高くなってしまうという課題がある。【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、より容易に機能性複合材料を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行ったところ、製造が比較的容易な中空の圧電ファイバを、金属薄膜からなるインサート材を介して一対の基板の間に配置し、プレスすることで一部の金属が溶融し、中空の圧電ファイバの内部に充填させることができることを発見し、本発明を完成させるに至った。【０００９】
上記課題を解決するための一手段に係る機能性複合材料の製造方法は、溝が形成された第一の金属基板の溝に中空のファイバを配置し、第二の金属基板と第一の金属基板とをプレスする。【００１０】
また、本手段において、限定されるわけではないが、溝が形成された第一の金属基板に金属薄膜層が形成されていることも好ましい。【００１１】
また、本手段において、限定されるわけではないが、第二の金属基板に金属薄膜層が形成されていることも好ましい。【００１２】
また、本手段において、限定されるわけではないが、第二の金属基板にも溝が形成されており、第二の金属基板の前記溝と前記第一の金属基板の溝とを重ね合わせてプレスすることも好ましい。【００１３】
また、本手段において、限定されるわけではないが、第一の基板における溝は、壁を有して形成される端部と、基板外に開放される端部と、を有することも好ましい。【００１４】
また、本手段において、限定されるわけではないが、第一の金属基板及び第二の金属基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んで構成されることも好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明により、より容易に機能性複合材料を製造する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例に狭く限定されるものではない。【００１７】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法を説明するための図である。図１で示すとおり、本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法は、第一の基板１に金属薄膜層２を形成する工程（図１（Ａ））、金属薄膜層２が形成された第一の金属基板１に溝３を形成する工程（図１（Ｂ））、形成された第一の金属基板の溝３に中空のファイバ４を配置する工程（図１（Ｃ））、第二の金属基板５を用い、第二の金属基板５と第一の金属基板１とをプレスする工程（図１（Ｄ））を有する。なおここで金属基板には「第一の金属基板」、「第二の金属基板」とあるが、これは本実施形態に係る複合材料の説明において複数の金属基板が存在するためこれらを区別するために用いられる表現に過ぎず、各金属基板の構成を限定するために用いられるものではない。【００１８】
本実施形態において用いられる第一の金属基板１の材料としては、限定されるわけではないが、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、またはこれらの合金を用いることができる。なお、軽量かつ安価である観点からアルミニウムであることがより好ましい。金属基板の厚さとしては、適宜調整が可能であり、限定されるわけではないが、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは２ｍｍ以下の範囲内である。【００１９】
第一の金属基板１に形成される金属薄膜層２としては、後述するプレスの際に液状化し、中空ファイバの中に充填可能となる限り限定されるわけではないが、例えば第一の金属基板１又は第二の金属基板５がアルミニウムである場合は、銅、亜鉛、珪素又はこれらの合金を用いることが好ましく、共晶点を下げるとともに基板同士の接合をより強固とする効果を考慮すると銅であることが更に好ましい。金属薄膜層２の厚さとしては、限定されるわけではないが、第一の金属基板１にアルミニウムを用い、金属薄膜層２として銅を用いた場合、中空圧電ファイバの径や形成される溝の深さにも依存するが、中空圧電ファイバの破壊防止と試料内へのインサート材の過剰な残留の防止の観点から５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲内である。なお、第一の金属基板に金属薄膜を形成する方法としては、均一な膜厚を形成できる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば、箔インサート、めっき、蒸着、スパッタリング、又は溶射等の周知の方法を採用することができる。また、第一の金属基板１に形成される金属薄膜の一部又は全部を第二の金属基板５側に形成することも可能である（例えば図２参照）。【００２０】
第一の金属基板に溝を形成する方法としては、限定されるわけではないが、例えば鋼線等の押込みによる塑性加工、切削、放電加工又はエッチング等を採用することができる。【００２１】
また、この溝の深さとしては、後述する中空のファイバを配置することができ、かつ、後述するプレスの際に中空ファイバを破壊しない限りにおいて限定されるわけではないが、溝に配置される中空ファイバの外径よりも１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内で深いことが好ましく、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内である。限定されるわけではないが、１０μｍ以上とすることで、ホットプレスの際に中空ファイバが圧力によって破壊されてしまうことを防止することができ、１００μｍ以下とすることで、液状化した金属薄膜の残留を防止するとともに中空ファイバの空洞部に効率よく液状化した金属薄膜を充填させることができるようになる。また、溝の断面形状としては、中空のファイバを破壊しないで複合化できる限りにおいて限定されるわけではないが、図１の概略図で示すような略Ｕ字形状であることが好ましい。また、溝の上面から見た場合の形状としては、ファイバの延伸に対応している限り限定されるものではないが、通常のファイバ形状に合わせて線状、特に直線状とすることが好ましい。図３に、溝が形成された第一の基板を上から見た場合の概略図を示しておく。また、一つの金属基板に形成される溝の数は限定されることなく、１以上あれば複数形成しても良い。なお、ここで「溝」の深さとは、金属薄膜層２が形成された第一の金属基板の基板面から溝の底面（Ｕ字溝の場合はその最深部）までの深さによって定義されるものである（図１（Ｂ）参照）。また、溝としては、壁を有して形成される端部３１と、基板外に開放される端部３２と、を有することが好ましい（図３参照）。このような構成によりプレスの際に液状化した金属の流れを一方向に定めることができ、中空ファイバ４への充填効率を高めることができる。【００２２】
中空のファイバの材料４としては、圧電材料である限りにおいて限定されないが、例えば、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒの酸化物を含んで構成されているＰＺＴファイバであることが好ましい。中空ファイバの形状としては、筒状である限りにおいて限定されず、例えば円形状、三角や四角等の多角形状等の断面形状を採用することができる。注入時において液状化した金属薄膜を円滑に充填することができ、空隙が形成されてしまわないように、また、中空圧電ファイバの厚さを一定に保つことができるよう中空ファイバの外側形状及び中空の形状が相似形であることが好ましく、より好ましくは双方とも円形状である。なお中空ファイバは、断面が円形状である場合、限定されることはないが、入手容易性の観点から２００μｍ以上１０００μｍ以下、より入手容易なものとしては４００μｍ以上８００μｍ以下である。中空ファイバの厚さ（中空ファイバの外径と中空ファイバの内径との差）としては、プレス時の圧力に耐えることができる程度あればよく、限定されることはないが、中空ファイバの内径としては、例えば上記中空ファイバの外径が２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲内にある場合は１００μｍ以上９００μｍ以下の範囲内であることが目安であり、中空ファイバの外径が４００μｍ以上８００μｍ以下の範囲内にある場合は３００μｍ以上７００μｍ以下であることが目安である。【００２３】
中空ファイバ４の配置としては、基板同士の接合と同時に中空ファイバの中空部分に円滑に液状化した金属薄膜を充填することができる限り限定されるものではないが、第一の金属基板１を上面から見た場合に、中空ファイバの一端が第一の基板の面内にあり、他の一端が第一の基板の周縁部から突出していることが好ましい（図３参照）。このようにすることで余分な液状化した金属薄膜層を確実に排出させることができる。【００２４】
第一の金属基板１と対になる第二の金属基板５としては、第一の金属基板１と同じものを使用することができる。もちろん、第一の金属基板１と第二の金属基板２とは異なる金属を使用することも可能である。【００２５】
第一の金属基板と第二の金属基板とをホットプレスする圧力としては、第一及び第二の金属基板を接合でき、かつ、中空ファイバを破壊しないで複合化することができる限りにおいて限定されるものではなく、採用する材料により適宜調整が可能である。例えば基板にアルミニウム、金属薄膜に銅を用いた場合、２ＭＰａ以上４ＭＰａ以下の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは２ＭＰａ以上３ＭＰａ以下の範囲内である。限定されるわけではないが、２ＭＰａ以上とすることで、液状化した金属薄膜のうち過剰な分を一対の基板外に効率的に排出させることができ、更にボイドの除去などにより高い接合力を得ることができる。また、限定されるわけではないが、４ＭＰａ以下とすることで、中空ファイバを破壊することなく複合化することがより確実にできる、という利点がある。【００２６】
また、第一の金属基板と第二の金属基板とをプレスする温度としては、採用する材料により異なり、限定されるわけではないが、第一の金属基板及び金属薄膜の共晶温度以上であって、双方の融点のうちいずれか低いほうの温度以下であることが好ましい。例えば基板にアルミニウム、金属薄膜に銅を用いた場合、５５０℃以上６５０℃以下の範囲内にあることが好ましく、５８０℃以上６００℃以下の範囲内にあることがより好ましい。限定されるわけではないが、５５０℃以上とすると、液状化した金属薄膜のうち過剰な分を一対の基板外部へ排出することができ、更に、ボイドの除去、拡散や塑性流動の促進などにより高い接合力を得ることができる。また６５０℃以下とすることでアルミニウムの極端な軟化による溝の変形とそれによる中空ファイバの破壊を防止することができる。なお、プレスする時間としては、選択する材料やホットプレスする温度により適宜調整が可能であり、基板同士を接合可能かつ中空ファイバを破壊しないで複合化可能である限り限定されるものではないが、５分以上１時間以下程度が目安である。【００２７】
図４に、上記の工程を経た結果得られる機能性複合材料の概略断面図を示す。本実施形態に係る機能性複合材料は第一の基板と第二の基板とをプレスすることで第一の金属基板と第二の金属基板との間の金属薄膜を単独で又は基板と反応させて溶融させ、これを中空ファイバの空洞部分から入り込ませ、圧電素子の金属コアとすることができる。これにより、空洞を有する中空ファイバであるにもかかわらず破壊することなく金属コアを有する圧電素子を有する機能性複合材料をより容易に製造することができる。なおこの機能性複合材料はターミナルを取り付けて出力電圧を測定することでセンサとして利用でき、また一方、電圧を印加することでアクチュエータとして利用できる。なおもちろん、上記の構成を有する限り用途は限定されず、他の用途にも応用が可能であることはいうまでもない。【００２８】
（実施形態２）
本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法は、第一の金属基板１のみに溝が形成されているが、本実施形態では第二の金属基板２にも溝が形成されている点が実施形態１と異なる。それ以外は実施形態１と同様である。図５に本実施形態に係る機能性複合材料の製造工程の一部（図１における（Ｄ）に相当）を示す。【００２９】
実施形態１によると、第一の金属基板１は中空ファイバよりも十分厚いものである必要があるが、このようにすることで、第一の金属基板１の厚さをより薄くすることが可能となり、圧電ファイバを基板の厚さ方向の中心位置に配置させつつ機能性複合材料の全体厚さをより薄くすることができるという効果を有する。なおこの場合の「溝」とは、第一の金属基板１に形成された溝の深さと、第二の金属基板５に形成された溝の深さとの和をいう。【００３０】
なお、本実施形態においても実施形態１と同様、金属薄膜層２の一部又は全部を第二の金属基板５側に形成することも可能である（例えば図６参照）。【００３１】
（実施形態３）
本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法は、基板上に金属薄膜層を形成する前に溝を形成している点が実施形態１と異なるが、それ以外は実施形態１と同様である。図７は、本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法を説明するための図である。【００３２】
本実施形態に係る機能性複合材料の製造方法は、第一の金属基板に溝を形成する工程（図７（Ａ））、第一の基板に金属薄膜層を形成する工程（図７（Ｂ））、形成された第一の金属基板の溝に中空のファイバを配置する工程（図７（Ｃ））、第二の金属基板と第一の金属基板とをプレスする工程（図７（Ｄ））を有する。本実施形態によっても上記実施形態１と同様の効果を得ることができる。なお、実施形態１は、Ｕ溝の寸法が金属薄膜厚についての影響を考慮しなくてすむという点において有利であり、本実施形態は、金属薄膜の厚さを均一化かつ微調整可能である点において実施形態１に比べて有利である。【００３３】
なお、本実施形態も、実施形態２と同様に、第二の金属基板５にも溝を形成することとしても良く、また、金属薄膜層の一部又は全部を第二の金属基板５側に形成することとしても良い。【００３４】
（実施例）
上記実施形態に係る機能性複合材料を実際に作成、評価し、本発明の効果を確認した。以下、具体的に説明する。【００３５】
本実施例では上記実施形態１を基準とし、第一の金属基板として、６０ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍ純アルミニウム製の基板を用いた。第二の金属基板としても６０ｍｍ×３０ｍｍ×１．５ｍｍの純アルミニウム製の基板を用いた。中空ファイバとしては、外径５００μｍ、内径（空洞の径）２５０μｍ、長さ５０ｍｍのＰＺＴファイバ（スマートマテリアル社製、ＰＺＴ５Ｈ２）を用いた。【００３６】
まず、第一の基板に銅箔を積層し、純銅からなる金属薄膜層を１０μｍ形成した。次に、この金属薄膜が形成された第一の金属基板にＳＵＳ３０４ステンレス鋼線を押しあてて、幅５３０μｍ、深さ５３０μｍのＵ字形状の溝を形成した。なお、この溝の一端は面内にあるようにして壁を形成し、他の一端は基板の周縁部に到達する（開放した端部を有する）ようにした。【００３７】
次に、上記中空ファイバの一端を図３で示したように、中空一方の開口端を基板外部に突き出すよう配置し、２．２ＭＰａ、６００℃、４０分で第一の基板と第二の基板とをホットプレスし、機能性複合材料を作製した。【００３８】
本実施例により作製した機能性複合材料の断面図（ＳＥＭ）を図８に示しておく。この図によると、圧電ファイバの破断やインサート材の過剰な残留は無く良好な組織であることが確認できた。【００３９】
またこの得られた機能性複合材料のセンサとしての機能を確認すべく、圧電ファイバを分極処理した後、微小衝撃印加実験を行った。なお、微小衝撃印加実験は、曲げ強度１９０ＭＰａの脆性材料を複合材料上で破壊した際に生ずる衝撃に対し発生する出力電圧を測定することで確認した。この実験における系を図９に、この結果を図１０に示す。【００４０】
この結果、本複合材料は外部からの衝撃に応答して電圧を発生していることが確認でき、埋め込んだ中空ファイバが機能することを確認した。本実施例により、既に金属コアを有する圧電素子を用いるのではなく、より製造が簡便な中空ファイバを用いることで圧電素子の形成と機能性複合材料の形成とを同時に行うことができ、極めてより容易に機能性複合材料を製造することが可能となることを確認した。なお本実験では外部からの衝撃に対する電圧を測定することができているため、反対に本複合材料に電圧を印加することで複合材料に変位を生じさせてアクチュエータとすることが可能であると考えられる。【００４１】
また一方で、他の方法による衝撃試験も行った。本衝撃試験は、上記作製した複合材料を、３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの立方体に切り出し、図１０で示すような複合材料試料片とし、更にメタクリル樹脂で周囲を覆い（Ｒ＝１２．５ｍｍ、高さ３０ｍｍの柱状とし）、中空ファイバの長手方向に対して平行な方向から衝撃を加え、金属基板と中空ファイバに充填された金属との間に生ずる電圧をオシロスコープで観測する実験とした。図１１に本実験において用いた装置を図１２にこの実験の結果を示す。なお本実験においては、試料片に対し外形１５ｍｍ、内径１１ｍｍ、長さ１５０ｍｍの中空のガイドラインパイプを配置し、そのガイドパイプ内に直径１０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、重さ４．７ｇの木の丸棒を、ガイドパイプの上端から落下させることで行った。【００４２】
この結果、衝撃に対する電圧の応答を観測することができ、この実験によっても複合材料がセンサとして機能せいていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る機能性複合材料は、限定されるわけではないが、センサやアクチュエータとして利用可能であるため、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１に係る機能性複合材料の製造方法を説明するための図である。
【図２】実施形態１に係る機能性複合材料の製造方法の他の例を説明するための図である。
【図３】実施形態１に係る機能性複合材料において用いられる第一の金属基板を上部から見た場合の図である。
【図４】実施形態１に係る機能性複合材料の断面の概略図である。
【図５】実施形態２に係る機能性複合材料の製造方法の一部を説明するための図である。
【図６】実施形態２に係る機能性複合材料の製造方法の他の例を説明するための図である。
【図７】実施形態３に係る機能性複合材料の製造方法を説明するための図である。
【図８】実施例１に係る機能性複合材料の断面のＳＥＭ写真である。
【図９】実施例１に係る機能性複合材料の機能を確認するために行った実験の系を示す図である。
【図１０】実施例１に係る機能性複合材料の機能を確認するために行った実験の結果を示す図である。
【図１１】実施例において行った他の衝撃実験で用いた試料片の概略図である。
【図１２】実施例において行った他の衝撃実験で用いた実験装置の概略図である。
【図１３】実施例において行った他の衝撃実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…第一の金属基板、２…金属薄膜層、３…溝、４…中空ファイバ、５…第二の金属基板、３１…（溝の）壁を有する端部、３２…（溝の）基板外に開放される端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008053925.tif 000011
【図１０】
2008053925.tif 000012
【図１１】
2008053925.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2008053925.tif 000016
2008053925.tif 000017