超小型動的機械システムの基本特性と振動制御手法の開発

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03935
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 森下 信 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (80166404)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 振動 / 超小型振動系 / 減衰 / 固有振動数 / 進行波 / ハイスピードカメラ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、線径20ミクロン、直径が100ミクロン以下の極細ピアノ線による微小なコイルばねを用いた超小型振動系を実験的に構築して、この振動系の動的特性と従来のニュートン力学に基づく予測値とを比較し、その差異の原因特定と定量的考察、さらには振動制御方法について提案することを目的としている。現在はMEMS を中心にマイクロセンサの開発、さらにはマイクロマシンの開発は研究レベルで積極的に試みられているが、単に幾何学的に寸法を小さくしたものが多く、しかも動力学を考慮された研究はみあたらない。振動系を極めて小さくした際に、慣性力、空気抵抗力、静電気力、摩擦力、構造減衰等の影響について定量的な考察を行うことによってマイクロマシン実現への基礎的知見獲得し、さらに超小型振動系に対する系統的な振動制御法について検討することが求められている。
平成28年度は超小型振動系の特性について定量的評価を試みたが、ばねの質量が全体の特性に与える影響が大きく、ばねの中に進行波が発生し、系の固有振動と重ね合わさって複雑な振動をすることが明らかになった。進行波の影響について考察を行っている。また並行して、振動が発生したときの抑制方法について検討し、磁気粘性グリースを用いた可変減衰器について検討を行っている。磁気粘性グリースは微小な磁性体を分散させている離散系流体であり、間隙や面積を小さくすることで、連続体近似できない部分を考慮する必要がある。実験ではまだ結果に対する再現性が乏しく、実験系の改良を行っている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超小型振動系を用いた実験を着実に進めているが、ばねの質量が全体の特性に与える影響が大きく、ばねの中に進行波が発生し、系の固有振動と重ね合わさって複雑な振動を呈することが明らかになった。これまでばねの中を伝播する進行波についての考察をされた例は少なく、詳細な検討を行っている。
また、振動が発生したときの抑制方法について検討し、磁気粘性グリースを用いた可変減衰器について検討を行っている。磁気粘性グリースは微小な磁性体を分散させている離散系流体であり、間隙や面積を小さくすることで、連続体近似できない部分を考慮する必要がある。実験ではまだ結果に対する再現性が乏しく、実験系の改良を行っている。

Strategy for Future Research Activity

超小型振動系のばねの中を伝播する進行波の影響については、数値計算によってその影響評価を行う予定である。同時に、幾何学的な大きさと質量との関係から、進行波の影響を定量的に考察する予定である。それをもって多自由度集中質量系の振動特性について考察を進める。
磁気粘性グリースによる超小型可変減衰器の開発であるが、グリースの付着力を活かして、外部から加える磁場の強度によって減衰特性がどの程度変化するか実験的に検討を進めている。現在は磁気粘性グリースを挿入する間隙にグリースを一定に保つことが困難であり、この問題を解決することによって、定量的な評価を行う予定である。