超音波振動による軟化現象を応用した衝撃吸収装置の開発
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22K04006
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Tokuyama College of Technology |
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Principal Investigator |
鈴木 厚行 徳山工業高等専門学校, 機械電気工学科, 教授 (40450142)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | 超音波振動 / 衝撃軽減 / 衝撃吸収 / Blaha効果 / 樹脂 / 高張力鋼板 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では人体や精密機器などの保護を目的に、超音波振動を用いた衝撃吸収装置を開発する。これまでの研究では、ボルト締めランジュバン型振動子（BLT）を用いて高張力鋼・アルミニウム合金・炭素繊維強化プラスチック（CFRP）・各種樹脂などを軟化させることにより衝突による衝撃力が軽減することを示してきた。本研究では超音波振動による衝撃吸収性が発現しやすい材料や駆動方法を見出すとともに装置の改良および駆動条件の最適化などにより衝撃吸収性を高め、自動車向けの衝撃吸収装置やヘッドガードのようなウェアラブルな衝撃吸収装置の開発を図る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超音波振動を用いた物体軟化装置として主に樹脂に超音波を印加して溶融させる方式の実験装置を構成し、衝撃力の低減効果などについて検討した。直径 50 mmのボルト締めランジュバン型振動子（BLT）にホーンを取り付けた縦振動系の超音波振動子を用いた。共振周波数は約 19.5 kHzである。衝撃印加用錘にはダミーヘッドを用いた。衝撃力は試料台の下に設置した圧電型ロードセルで測定した。溶融試料として直径 11.5 mm の ホットメルト接着剤（HMA）を用いた。超音波振動子の先端部を HMAに接触させ，静圧力を印加させた状態で衝撃力を印加できるようにした。超音波振動子を把持した筐体部の天板に衝撃印加用錘を衝突させて衝撃力を印加した。
レーザドップラ振動計を用いて超音波振動子の径方向振動分布を測定した。圧電素子部に振動ループがあり、BLT の両端近傍に振動ノードがあることから縦振動の定在波が励振されていると考えるが、ホーン先端部で径方向振動の振幅が大きくなっているため、曲げ振動など他の振動も励振されていると推測する。
駆動電圧と溶融試料の高さをパラメータとして衝撃軽減特性を測定した。駆動電圧を 0 Vrms から 80 Vrmsまで変化させたときの衝撃軽減特性を測定した。溶融試料の高さは 10 mm 一定とした。駆動電圧の増加に伴い、衝撃力は徐々に低下した。超音波振動の印加により、衝撃力の最大値は 1032 Nから 810 N まで低下し、低減率は 21.5%になった。つづいて溶融試料の高さを10 mmから 20 mmまで変化させたときの衝撃軽減特性を測定した。駆動電圧は 80 Vrms一定とした。超音波振動を加えることにより、いずれの場合も衝撃力が低減した。溶融試料の高さが 20 mm のときに衝撃力の最大値は 802 N から 586 Nまで低下し、低減率は 26.9%になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ボンネットを保持する機構を模した頭部損傷測定装置では超音波振動の印加によって頭部損傷値（HIC）が軽減することを明確に示すことができなかったため、これまで、衝撃力が低減することが確認できている実験装置にダミーヘッドを設置して実験した。溶融試料として直径 11.5 mm の ホットメルト接着剤（HMA）を用いて実験したところ、超音波振動の印加によって衝撃力が低減することは明確に示すことができた。予備的な実験を行った段階に過ぎないが、HICも低減する傾向も見られた。
超音波振動による軟化現象の高速化・高効率化を目指して、直径 15 mm の BLT を用いた超音波振動子を用意し、振動特性や応答速度の測定は行った。超音波振動によって軟化しやすい材質を解明するための、情報収集も行った。超音波振動による衝撃吸収特性を明らかにするためのシステムも作成中であり、衝撃力と変形量を測定できるようにはなったが、同期を取った状態で測定できるようにはなっていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
試作した衝撃軽減特性測定装置を用いて、より効果的な衝撃軽減方法や条件を探る。衝撃印加用錘の落下装置などは改良する。超音波振動によって軟化しやすい材質を見つけたい。HMA だけではなく、さまざまな材質の試料を用いて実験する予定である。また、温度特性も測定する。まだ測定することができていない衝撃吸収特性を測れるシステムを開発するために作成中のプログラムを改良する。直径 15 mm の超音波振動子を用いた衝撃軽減装置も試作し、どの程度の小型化が可能か探る。超音波振動子の小型化によって、応答速度は向上することが推測されるが、どの程度の応答速度が得られるか示す。直径 15 mm の超音波振動子でも衝撃力を軽減できるようであれば、さらなる小型化を図り超音波振動を用いたヘッドガードの開発にもつなげたい。ヘッドガードの具体的な構造についても検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
