【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24WS0052

利用課題名 / Title

Multi-material additive manufacturing

利用した実施機関 / Support Institute

早稲田大学 / Waseda Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

圧電センサ, ウェアラブルセンサ,ウエアラブルデバイス/ Wearable device,センサ/ Sensor,電子顕微鏡/ Electronic microscope,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

梅津 信二郎

所属名 / Affiliation

早稲田大学　創造理工学部　総合機械工学科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

坂口 千佳

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

WS-011：電界放出型 走査電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究の目的は，ウェアラブルセンサや生体統合デバイスの性能を向上させるために，長期的な生体力学的モニタリングに適した多機能圧電センサを開発することである。NiO/BaTiO₃/P(VDF-TrFE-ES)ファイバーを用いて多層ナノフィルム(MNF)構造を作製し、マルチノズル静電紡糸により自己接着性、機械的耐久性、透過性を有するPVA/ABSナノファイバー基板を作製し、物理蒸着(PVD)によりAu電極を蒸着して、安定した接着と高感度の信号取得を確保した。ドーピング（0.5 wt%）により、材料の結晶構造が著しく向上し、その結果、圧電係数（d₃₃）が13倍増加し、信号の安定性と耐久性が向上した。この設計により、センサの長期信頼性が確保されるだけでなく、ウェアラブルセンサ、バイオハイブリッド機器、リアルタイム健康モニタリングシステムなど、幅広い用途への応用が期待される。

実験 / Experimental

この実験の目的は、多層ナノメンブレン圧電センサーを作製し、材料比率とプロセスパラメータを最適化することによって、圧電特性、自己接着特性、機械的耐久性を向上させることである。基板としてPVA/ABS複合繊維膜上にNiO/BaTiO₃/P(VDF-TrFE)圧電層を成膜するために、強化静電紡糸技術を採用した。圧電特性はBaTiO₃とNiOのドーピング濃度を調整することで最適化し、PVAとABSの比率は基材層の自己接着特性と機械的強度を高めるために調整した。デュアルノズルのエレクトロスピニングプロセスを用いて、温度、湿度、電圧がフィルム層の品質と圧電特性に及ぼす影響を調べ、試料の微細構造と圧電特性をXRD、電界放出型 走査電子顕微鏡（WS-011）（SEM）、d₃₃試験によって評価した。最終的な目標は、ウェアラブルなモーションモニターやその他のフレキシブルな電子機器に応用できる、高感度で安定し、自己接着能力を持つフレキシブルな圧電センサの開発である。

結果と考察 / Results and Discussion

肌へのやさしさ、通気性、機械的耐久性に優れ、長時間の運動モニタリング用に設計されたMNF-PZTセンサは、PVA/ABS繊維ベース層、NiO/BaTiO₃/P（VDF-TrFE）圧電層、PVD蒸着Au電極層の3層構造である。 PVA/ABS複合繊維は、デュアルノズルエレクトロスピニングプロセスによって調製された。紡糸性能は、均一なNiO/BaTiO₃/P(VDF-TrFE)繊維析出のために、高電界下で安定したテイラーコーンを形成するように溶媒特性（MSおよび脱イオン水）を調節することによって最適化された。 最後に、効率的な圧電電荷移動のためのセンサ電極構造を最適化するために、Au電極をPVDで成膜した。 さらに、異なるPVA濃度（8～12 wt％）が基材層の直径、空孔率、機械的強度に及ぼす影響を調べたところ、低濃度のPVAでは多孔質の相互接続ネットワークが形成され、吸着性能が向上する一方、高濃度のPVAでは繊維径の増大、空孔率の低下、機械的強度への影響が生じることがわかった。 これらを総合すると、MNF-PZTセンサは、高感度圧電応答、自己吸着特性、優れた機械的特性を兼ね備え、長期的なウェアラブル運動モニタリングに適しており、エレクトロスピニングプロセスパラメータと材料選択がその性能を決定する上で重要な役割を果たす。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Ze Zhang, Spatial mechanical enhancement strategy enabled by multi-axis material extrusion additive manufacturing, Journal of Manufacturing Processes, 134, 762-774(2025).
   DOI: 10.1016/j.jmapro.2025.01.002
   
2. Kewei Song, Self-adhesive Crystal-enhanced multilayer nanofilm piezoelectric sensor for motion monitoring, Chemical Engineering Journal, 508, 161150(2025).
   DOI: 10.1016/j.cej.2025.161150
   
3. Ze Zhang, Reinforcement Layers Built with Multi-Degree-Of-Freedom Material Extrusion Additive Manufacturing Achieve Strength Enhancement, , , (2024).
   DOI: 10.2139/ssrn.4798414
   
4. Kewei Song, Multi-material 4D printing and 3D patterned metallization enables smart architectures, Composites Part B: Engineering, 295, 112218(2025).
   DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112218
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. ZHANG Ze, HE Jianxian, ZHUANG Rongyi, LI Yannan, HIROSE Kayo, UMEZU Shinjiro,"DLP 3D プリント技術を用いた柔軟な皮膚貼付型マイクロ流体チップの迅速な製造技術" , 情報・知能・精密機器部門講演会(IIP2025), 東京, 口頭発表, 2025年3月3日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件