金属基圧電複合材料センサによる塑性加工プロセスモニタリング
工学院大学 機械工学科准教授 柳迫 徹郎（2018 年度 奨励研究助成（若手研究者） AF-2018045-C2）
キーワード：曲げ加工，圧電複合材料，プロセスモニタリング

１．研究の目的と背景
近年様々な分野において IoT 技術を駆使した自動化・データ取得が進められおり，製造業においても例外ではなく適用しすることで加工プロセス中に生じる出力電圧を算出し，本複合材料が塑性加工プロセスモニタリングに用いることが可能であるかを検討した．

自動化および生産データの取得し，加工プロセスをモニタリングすることで生産性を高める研究が進められている
1）．多くの製造業において塑性加工は広く用いられている

２．実験方法
2・1

有限要素法による検証

加工方法であるが，塑性加工におけるプロセスモニタリン

図１に示す V 曲げ用のパンチ，ダイ，被加工材である金グには課題が残る．プロセスモニタリングの目的としては属板，金属コア圧電ファイバ／アルミニウム複合材料のモ加工精度の保証，加工時における良品・不良品判定およびデルを示す．このモデルを用いて，パンチを y 方向に 5.1

加工条件のトレーサビリティなど多岐にわたるが，mm，5.1 mm/s の速度で移動させた際に金属コア圧電ファ

１）目標曲げ角度への到達度イバ／アルミニウム複合材料から生じる出力電圧を有限２）繰り返し加工時のばらつき要素解析により算出した．モデル作成には Solidworksの 2 点をモニタリングすることに大きな利点がある．

（Dassault Systèmes SolidWorks Corporation 製），メッ

しかしながら塑性加工におけるプロセスモニタリング

シャとして MSC Apex（MSC software 製），ソルバー/ポス

は，特に金型を使用するため，金型内部の状況をカメラなト処理ソフトとして Marc/Mentat（MSC software 製）を用どで直接計測することが困難であり，また，金型内部にセいている．なお，計算コストの節約のため 1/2 モデルとしンサを取り付けたとしても加工荷重の大きさからセンサてモデルを作成している． 加えて表１に本解析で用いたに大きな負荷が生じることおよび多点計測のためにセン各材料の物性値を示す．なお，被加工材である SPCC 板は，サ数が多くなり，計測システムとしての信頼性を保つこと

降伏応力 290 MPa，加工硬化係数 0.219 として塑性加工解が難しい．

析を行っている．加えて，金属基圧電複合材料の取り付け

本研究では，金属コア圧電ファイバ／アルミニウム複合材料（以下 Piezo/Al と呼称）2）をセンサとして塑性加工

角度を 0，45 および 90°と変化させ，取り付け角度による出力電圧の変化を検討した．

プロセスモニタリングに適用することを検討する．本複合パンチ

材料はアルミニウムに金属コア圧電ファイバ 3）を界面層

6SPCC

熱膨張係数の差に起因する残留圧縮応力により，圧電セラ2

プロセス中に生じる圧電セラミックスとアルミニウムの115形成・接合法 4）を用いて複合化したものであり，複合化料はセンサとして用いた際に同様のひずみを生じさせて76ミックスの脆弱さを克服したものである．また，本複合材

20ダイもひずみ方向が変化すると出力電圧が変化する出力電圧6異方性を有していることが報告されている 5）．本複合材料をセンサとして用いることで，優れた機械的性質によるロバスト性と出力電圧異方性を有効に利用することでセンサ数を低減することを意図している．
塑性加工プロセスモニタリングに対する本複合材料の有用性を有限要素法によるシミュレーションを用いて検討を行ったのち，実際に V 曲げにおけるプロセスモニタリ

Piezo/Ala) モデル概観b) 各部寸法

金属コア圧電ファイバ
アルミニウム (外径: 0.2, コア径: 0.05, 長さ: 5)(5×5×0.55)

ングを検証することで評価した．モニタリング対象となる
塑性加工プロセスは代表的な塑性加工である金属の V 曲げとした．この加工プロセス中に，本複合材料の圧電セラミックスはその電極構造に起因した放射状の分極状態をもつため，先行研究により開発された出力電圧算出方法を(in mm)c) Piezo/Al寸法

図１

FEM に使用したモデル．

表1材料
SKD11

解析に使用した物性値．

ヤング率 ポアソン/GPa⽐
2100.3

使⽤部位その他 x '  xy '  zx '   cos '''
 xy  y  yz    sin  zx '  yz '  z '   0 sin cos
00  x  xy  zx  cos0  xy  y  yz   sin 1  zx  yz  z   0

 sin cos
00
0
1

パンチ，
ダイ-

ここで，は各軸の垂直応力，は各面におけるせん断応力であり，左辺は変換後の垂直応力およびせん断応力であSPCC

2100.3被加⼯材

降伏応⼒: 290 MPa
加⼯硬化指数: 0.219

アルミニウム690.34

⺟材-PZT

600.3

⽩⾦

1680.38

圧電定数, d31:-275, d33:
圧電ファイバ 593, d15: 731 pc/N
誘電率: 2400
コア-・・・（2）

る．なお，回転角度・は下記で与えられる．
ここで，x，y は各節点における x，y 座標である．この座標変換後の各応力と d 定数の行列から出力電気変位 Doutが導かれる．このとき，座標変換後の y 軸が分極軸となる圧電材料からの出力電圧を得るためには圧電方程式を解く必要がある．しかしながら，この圧電方程式に存在する為，d 定数行列を修正し計算を行った．
また，本複合材料は円筒コンデンサと同構造をしており，圧電定数は物性値であり，通常 z 軸方向に分極されている中心部からの距離に反比例し電界が弱くなることから，圧ことが前提となっている．このため，放射状電極構造を持電ファイバ外周部においては分極処理が充分ではなく，dつ Piezo/Al は通常の圧電方程式を適用することができな

定数が圧電ファイバ中心部と比較し減少していることがい．このため先行研究で有用性が確認された座標変換およ予想される．このため，d 定数が分極時の電界分布に比例6）すると仮定し，補正を行った．得られた電気変位 Dout と誘び分極状態を補正する手法

を用いて出力電圧を算出す

る．出力電圧異方性は，本複合材料における圧電材料の分電率を用いることにより出力電圧を求めた．

極方向が放射状のため，外力により生じた応力に対し分極2・2方向が一定の角度を取らないこと，つまりファイバの各位

圧電セラミックスファイバとして 0.05 mm の白金線を実験による塑性加工プロセスモニタリング

置において圧電定数である d33 および d31 の影響が異なるコアとした圧電ファイバ（0.2 mm．産総研製），マトリことが原因であり，ローカル座標原点をファイバ露出面にッ ク ス 材 と し て 厚 さ 1.5 mm の 純 ア ル ミ ニ ウ ム 板

おける圧電ファイバ中心に設定し，z 軸が圧電ファイバ中（A1050P-O），インサート材として厚さ 0.01 mm の純銅箔心軸に一致するように設定する．V 曲げプロセス中の圧電（純度 99.90%以上）を用いて Piezo/Al を作製した．ダイ

ファイバに生じる応力を求め，その応力を基に圧電方程式

およびパンチは SKD11 を用い，解析と同様の形状としてい（式（1））より出力電圧を算出する．

る．SPCC に関しては，50 mm×10 mm×2.0 mm にシャーリ

なお，機械的パラメータである応力 T と電気的パラメーングによって切り出したものを試験片とした．実験時のハタである電気変位 D および電界 E が圧電効果により結びつンドリング向上のため FEM 解析のものより試験片長さをいている．ここで，電気変位 D および電界 E はベクトルで向上させている．

あるので，3 次元空間において，3 成分を持つ．また，応厚さ 1.5 mm のアルミニウム板を 2 枚と厚さ 0.01 mm の力 T は対称テンソルであるので，独立の 6 成分を持つ．こ銅箔を長さ 20 mm，幅 30 mm に切断し，酸化被膜除去のた

れらの電気変位を D1，D2，D3，電界を E1，E2，E3，応力のめ#600 の耐水研摩紙により研摩し，アセトンにより脱脂

うち x，y，z 方向の垂直応力 T1，T2，T3，せん断応力を T4，した．続いて，アルミニウム板に銅箔を重ね，これに 0.25

T5，T6 とする．なお，d31 は-275 pC/N，d33 は 593 pC/N お
よび d15 は 731 pC/N の値を用いた．

mm の SUS304 ばね用ステンレス鋼線を油圧プレス装置によ T1 
T 2
 D1   d 11 d 12 d 13 d 14 d 15 d 16     11T
 D   d d d d d d  3   
 2   21 22 23 24 25 26  T   21
 D3   d 31 d 32 d 33 d 34 d 35 d 36   4   31
T5  
T6 

り圧力 98 MPa，保持時間 0.18 ks で押し付けることで繊維配列用の U 溝列を形成させた．形成した U 溝内に繊維を配列後，同形状のアルミニウム板を重ねてホットプレス行

 12  13   E1  22  23   E 2 
 32  33   E 3 った．ホットプレス条件は温度 873 K，圧力 2.2 MPa，保持時間 2.4 ks，真空度 0.1 kPa とした．その後，銅箔とコアを導電性ペーストにより導通させ，エポキシ樹脂を用いて電極部を保護した．電極とマトリックス間に 300 V，1.8 ks の電圧を印加することで圧電セラミックスの分極・・・（１）処理を行った後，作製した試料をダイヤモンドホイールソ

ここで，圧電ファイバに生じる応力はモデル作成時の座ーにて 5 mm×5 mm に切り出し，解析モデルと同様の位置標で出力されるが，本複合材料においては既述の通り分極にシアンアクリレート系接着剤を用いて接着した．なお，軸が放射状になっているため，座標変換を行う必要がある．

取り付け角度は先述の FEM による検討結果から 0°とした．

解析モデルにおいて，圧電ファイバ中心軸と z 軸が一致す

Piezo/Al を取り付けたダイ，パンチおよび SPCC 試験片をる為，座標変換は式（2）に示す z 軸周りの回転で表されテンシロン型試験機に設置し，クロスヘッド速度 5.1 mm/sる．

で試験を行った．この際，Piezo/Al から出力される電圧

はチャージアンプおよび A-D コンバータを介して PC に記

272 MPa録した（図 2）．

185 MPa３．実験結果および考察
３・197.3 MPa

有限要素法による検証

9.68 MPa

図３に取り付け角度 0°の際の FEM 結果を示す．メッシ-77.9 MPa

ュの貫通など無く，V 曲げプロセスをシミュレートできて-165 MPaいることがわかる．また，この結果より得られた曲げ角と-253 MPa

荷重の時間変化を図４に示し，Piezo/Al より得られる出-340 MPa

力電力波形を図 5 に示す．図 4 および図 5 から，取り付け-428 MPa

角度 0°の際の出力電圧と荷重の波形が極めて酷似しており（相関係数 R2：0.98），取り付け角度 0°を用いると-516 MPa

荷重モニタリングが可能であることが示唆された．

-604 MPa

加えて，本課題においては曲げ角と出力電圧間に良い相関が得られなかったものの，取り付け角度 90°においてa) 加工前

は，0°の際と逆符号の出力電圧が算出されるなど取り付

図3

け角度の影響が大きいことが示された．これは，Piezo/Alの電極構造に依存しており，荷重方向からの伝達応力が極2.5めて高いため，0°では圧電定数 d31 が支配的となり，90°2

け角度 45°においては両定数の影響が拮抗するが d31 側の影響が高かったものと考えられる．このことから，取り付け角度および取り付け位置を調整することで，曲げ角に対し良い相関の得られる，すなわち曲げ角のモニタリングが可能であることが示唆された．

出力電圧，V/mV

では d33 が支配的になるからであると考えられる．取り付b) 加工後

FEM による V 曲げ解析例（取り付け角度 0°）．

：取り付け角度0°：取り付け角度45°1.5：取り付け角度90°10.5
0-0.5-1

テンシロン型試験機

00.2

0.4

0.6

0.8

1

時間，t/sロードセル

曲げ角度と荷重の時間による変化．
4000

100SPCCダイ

図４Piezo/AlA-D変換器

チャージアンプa) 試験システム概略図
パンチ
SPCC
Piezo/Alダイ: 曲げ角度: 荷重

PC
曲げ角度, a (deg)

パンチ

変位信号
荷重信号

80

3000

60200040荷重, F/N

クロスヘッド1000

2000

図5３・２0.20.40.6時間, t/s0.810各取り付け角度における出力電力波形．
実験による塑性加工プロセスモニタリング

図 6 に実験によって得られた V 曲げ荷重と Piezo/Al かb)ダイ，パンチ，SPCCおよびPiezo/Al写真

らの出力電圧の時間変化を示す．同図と解析による結果を比較すると，荷重に関しては絶対値に差異が認められるも

図２V 曲げ試験システム概略図．のの傾向は一致しており，解析結果が妥当であることが示された．しかしながら，解析および実験による荷重波形に

5000
：出力電圧
：荷重

14000
3000
2000-1荷重, F/N

30000-24000

荷重, F/N

出力電圧, V/mV

22000

1000

00.20.40.60.81000010時間，t/s

図6

実験によって得られた出力電圧および荷重波形．

おけるプラトーな領域の荷重に関して，明確な差異が確認された．解析では加工時間 0.1 秒にて荷重波形がほぼプラトーな領域に達するが実験においては加工時間約 0.14 秒でプラトーな領域に達している．この差異は降伏応力の差に起因しているものと考えられる．解析において SPCC の降伏応力は 290 MPa に設定したが，実験から得られた降伏応力は，375 MPa であった．このため，降伏に達するまでの時間がより長く，そして荷重は高く測定されたものと考えられる．加えて，Piezo/Al の出力電圧は解析結果と異なる波形が得られた．これは，荷重波形の 0.1 から 0.8 sにある荷重がほとんど変化しないプラトーな時間領域における Piezo/Al の出力電圧を見ると過渡応答的に減少していることが確認される．このことから圧電セラミックス内部における電流リークが生じているものと考えられる．
圧電セラミックスに応力が生じると電荷が生じるが，この電荷は理想的には保持されるが，現実的には圧電セラミッ
クスは有限の抵抗値を持つため，電流が流れ電圧降下が生じる．このリークを補正したものが図 7 であり，実験で得られた荷重波形も併せて示している．同図から得られた回帰直線（図 8，相関係数 R2：0.975）を用いることにより推定した誤差は最大 10.2%と大きいが，これは図 7 における荷重波形に観察されるように，テンシロン型試験機から出力される出力電圧の時間分解能が低く，階段状の波形になっていることに起因している．

：リーク補正出力電圧：荷重

43000

22000

11000

00.20.4

0.6

0.8

01

時間，t/s図7

リーク補正出力電圧波形および荷重波形．

5リーク補正出力電圧と荷重の関係．

この時間分解能を 10 倍とし，本研究によって得られた電圧値間を線形に変化すると仮定すると，最大で約 2%の誤差となり，リーク補正を行うことで荷重をモニタリングすることが可能であることが示された．

４．結言
金属基圧電複合材料を用いた塑性加工プロセスモニタリングの実現を目的とし，有限要素解析による検討および実験による検証を行い，下記のような結果を得た．
1） 金属基圧電複合材料からの出力電圧は，取り付け角度に依存する．この取り付け角度への依存性は電極構造および圧電定数に起因している．
2） 取り付け角度 0°において，出力電圧と曲げ荷重に良い相関が得られ，荷重モニタリングが可能であることが示された．実際においては，リークによる電圧降下が生じるためリーク補正を行うことで良好なモニタリング精度を得ることができる．また，リーク補正出力電圧から荷重求める際に使用する回帰直線を求める際に，十分な時間分解能が求められることを明らかとした．
3） 金属基圧電複合材料の取り付け角度および取り付け位置を変更により，曲げ角度に対するモニタリングが可能であることが示唆された．

謝

辞

本研究は天田財団奨励研究開発助成（AF-2018045-C2）

4000

30

図81234
リーク補正出力電圧, VL/mV5000の助成を受けて遂行されたものである，ここに記して感謝
荷重, F/N

リーク補正出力電圧, VL/mV

50の意を表します．

参考文献
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