作製材料

圧電ゴムの作製には，ニトリルゴム（以下，NBRとする），クロロプレンゴム（以下，CR とする），フルオロシリコーンゴム（以下，FVMQとする）およびエチレンプロピレンゴム

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（以下，EPDMとする）の4種類のゴム材を用いた．用いた4種類のゴム材の物性を表1に 示す．

ゴム材の物性において，圧電セラミックス粒子を混合し，分極する際に重要となる物性は，

誘電率である．圧電ゴムを分極する際，混合する圧電セラミックス粒子に印加される電場は，

以下の式で示される[1]．

𝐸𝑝= 3𝜀_𝑚

𝜀_𝑝+ 3𝜀_𝑚𝐸 (1) ここで，Eは分極時に圧電ゴムに印加する電場の大きさ，Epは圧電セラミックス粒子に印 加される電場の大きさ，εpは圧電セラミックス粒子の誘電率，εmはゴム材の誘電率である．

式(1)より，ゴム材の誘電率が高い程，圧電セラミックス粒子に印加される電場は高くな るため，圧電セラミックス粒子の分極が容易となる．誘電率は，電場内に置かれた誘電体内 における電荷の偏りの程度を示すものであり，誘電率が高い程，電荷が偏り易い．表2-1の 構造式からわかるように，NBR，CRおよびFVMQは，構造内に極性の高い分子が含まれる ため，電荷が偏り易く，誘電率が高い．一方，EPDMは脂肪族であり，極性の高い分子が含 まれないため，電荷が偏り難く，誘電率が低い．誘電率を表す場合，一般的には，表1に示 すように，比誘電率が用いられる．比誘電率は，真空の誘電率（8.85410^-12 F/m）に対する 物質の誘電率の比であり，以下の式で表される．

𝜀𝑟 = 𝜀 𝜀⁄ =0 𝐶𝑙

𝐴 𝜀⁄ (2) 0

ここで，𝜀_𝑟は比誘電率，𝜀は誘電率，Cは静電容量，lは厚さ，Aは静電容量の測定時の電 極面積，𝜀₀は真空の誘電率である．

Table 2-1 Rubber materials used as a matrix of piezoelectric rubber.

Rubber Density (g/cm³)

Relative Dielectric

Constant Structural Formula

NBR 1.05 14.0

CR 1.33 8.6

FVMQ 1.20 5.0

EPDM 0.93 2.5

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2.3.1.2 圧電セラミックス粒子

圧電ゴムのゴム材中に混合する圧電セラミックスの粒子には，PZTの粒子を用いた．用い たPZT粒子は，DPZ-LQ-S1（大日本塗料㈱製，以下，DPZと称する）およびZ-711（㈱セラ テックエンジニアリング製）の2種類である．2種類のPZT粒子の比誘電率や圧電性能は ほぼ同等であるが，粒子径が大きく異なる．2 種類の PZT 粒子の物性値を表 2-2 に示し，

DPZの体積粒度分布を図2-3，Z-711の体積粒度分布を図2-4に示す．粒度分布について，

圧電ゴムの場合は，粒子個数よりもゴム材中でのPZT 粒子の体積分率が影響するため，粒 子頻度を体積換算して，体積比として求めた結果を示している．

表2-2に示す物性値に関して，密度以外は，製造メーカより提供された値である．密度以 外の物性値の製造メーカにおける測定では，粒子の状態での測定が困難であるため，板状に 成形した後に測定されている．また，PZTのような強誘電体は，分極によって自発分極が生 じ，分極前よりも比誘電率が増加するため，表中の比誘電率は，分極後の誘電率である．密 度は，マイクロメリティクス乾式自動密度計アキュピック1340形（㈱島津製作所製）を用 いて測定した．

DPZの粒度分布は，DPZを水中に分散させた状態で，レーザ回折式粒度分布測定器

SALD-2200（㈱島津製作所製）を用いて測定した．一方，Z-711は，粒子径が大きいため，粒度分

布測定器を適用することができず，画像解析によって粒度分布を求めた．画像解析による粒 度分布の求め方は以下の通りである．

まず，6つのフルイ（目開き：300 μm，425 μm，500 μm，600 μm，850 μmおよび1000 μm）

を用いて，Z-711 を粒子径の異なる 6 段階の粒子（300 μm~425 μm，425 μm~500 μm，500 μm~600 μm，600 μm~850 μm，850 μm~1000 μmおよび1000 μm以上）に分級した．ここで，

300 μm以下の粒子は除外した．分級後のZ-711の粒子は，ディジタルマイクロスコープ

VH-8000（キーエンス㈱製）を用いて拡大観察し，外観を撮影した．拡大観察したZ-711の外観 例を図2-5に示す．撮影した観察結果の画像は，図2-6に示すように，白と黒で2値化し，

その画像を解析して分級後の粒度分布を求めた．その後，結果を合算して全体の粒度分布を 求めた．粒度分布の測定結果から得られた平均粒子径は，DPZが約1.0 μmであるのに対し てZ-711が約0.9 mmであり，約1000倍異なる．

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Table 2-2 Properties of PZT particles used in this study.

PZT Particle

Density

(g/cm³) ε*¹ d33*² (10^-12pC/N)

g33*³ (10^-3 V·m/N)

K33*⁴ (%)

Curie Point (°C)

DPZ 7.9 4240 660 17.5 74 212

Z-711 8.4 3700 610 18.6 74 210

*1) Relative Dielectric Constant, 2) Piezoelectric Strain Constant, 3) Piezoelectric Voltage Constant, 4) Electromechanical coupling Factor

Figure 2-3 Particle size distribution of DPZ

Figure 2-4 Particle size distribution of Z-711 0

2 4 6 8 10 12

0.2 0.4 0.6 1.0 1.7 3.0

Volume fanction(%)

Particle diameter(μm)

0 5 10 15

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

Volume fanction(%)

Particle diameter(mm)

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Figure 2-5 Photo of Z-711 particles after size classification.

Figure 2-6 Binarization images of Z-711 after classification.