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2016 年度 実施状況報告書

分子間力によって生じる非接触物体間の応力解析とその次世代超高密度磁気記録への応用

研究課題

研究課題/領域番号 15K05764
研究機関鳥取大学

研究代表者

松岡 広成  鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10314569)

研究分担者 福井 茂壽  鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40273883)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード表面間力 / 応力分布 / 非接触状態の応力分布 / 材料分布によるせん断応力 / 材料分布による表面間力の変化
研究実績の概要

本研究の目的は、材料分布を有する表面に働く表面間応力(垂直・せん断応力)の理論を構築し、その基本特性を解明すること、およびこれを検証するための実験計測手法の確立、さらには、次世代超高密度磁気ディスク装置における新記録方式の1つであるビットパターンドメディア(BPM)上の磁気ヘッドスライダの浮上特性解析と設計指針の抽出を行うことである。
本年度は、昨年度の1次元面内方向材料分布の計算を拡張し、周期的2次元分布についての垂直応力・せん断応力の導出を行った。周期的2次元面内方向材料分布に対する材料特性分布関数を複素フーリエ級数展開し、レナード・ジョーンズ(LJ)ポテンシャルをベースに計算した。数値計算の必要な定積分については、かなり大きな計算時間を必要とするため、データベース化し、補間することによって計算するようプログラミングを行った。これにより、計算時間の飛躍的な短縮を実現できた。また、具体的な応力分布の計算例として、2種類の材料が周期的に分布した面を対象に非接触状態での表面間力の計算を行い、その垂直応力・せん断応力の分布を定量的に示した。せん断応力については、表面内の分布をベクトルで示した。求めた応力を積分し、物体間に働く相互作用力を計算すると共に、それらの基本特性を明らかにした。これらの成果は、磁気ディスク装置を含む微小機械の設計、ひいては固体接触理論等の基礎科学に重要な役割を果たすものである。さらに、これらの結果を実験的に検証する手法の1つとして、球と平面を用いた表面力測定装置によるフォースカーブの超高精度計測に着手した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

理論については、昨年の1次元材料分布の場合を拡張し、材料が面内で2次元的に周期分布する場合の表面間相互作用応力(垂直応力(圧力)およびせん断応力)を、レナード・ジョーンズポテンシャルを基に複素フーリエ級数を用いて導出することに成功した。また、この理論を用いて2種類の材料が2次元周期分布する場合の応力の基本特性を定量的に示した。実験については、球と平面間の表面力測定装置を用いて超高精度にフォースカーブを取得する手法の検討に着手した。磁気ヘッドスライダの浮上解析については、基礎理論で求めた応力を積分し、スライダに働く力を導出すると共に、その基本特性を明らかにした。
上記の内容は、当初の研究計画にほぼ合致しているため、本研究課題は概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

理論については、これまでに構築してきた基礎理論を実験と比較するため、球と平面間の相互作用表面間力の導出を行う。さらに、弾性体への理論の拡張を検討する。これは、現在の剛体間での相互作用よりも遥かに膨大な理論計算・数値計算が必要と予想される。
実験については、本年度に検討した球と平面間の表面間力測定装置を用いたフォースカーブの超高精度計測について、計測手法の確立および実験データの蓄積を行う。
磁気ヘッドスライダの浮上特性解析については、導出した理論や最近のトレンドである熱の影響を加味し、より精緻な解析を可能とするプログラム開発を行う。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Theoretical study of surface interaction stresses considering one-dimensional material distributions in the in-plane direction based on the Lennard-Jones potential2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroshige Matsuoka, Teppei Tanaka and Shigehisa Fukui
    • 雑誌名

      Microsystem Technologies

      巻: Published online ページ: 1-10

    • DOI

      10.1007/s00542-016-3194-7.

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Thermo-molecular gas-film lubrication dynamics considering boundary temperature and ambient gas (2-DOF numerical analysis by t-MGL equation)2016

    • 著者名/発表者名
      Shigehisa Fukui, Yuki Okamura, Atsushi Nakasuji and Hiroshige Matsuoka
    • 雑誌名

      Microsystem Technologies

      巻: 22 ページ: 1337-1349

    • DOI

      10.1007/s00542-015-2808-9

    • 査読あり
  • [学会発表] 2次元周期的媒質分布を有する固体表面間に働く相互作用応力の理論解析2017

    • 著者名/発表者名
      三宅 諒哉,大谷 稔紀,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本機械学会 情報・知能・精密機器部門講演会(IIP2017)
    • 発表場所
      東洋大学
    • 年月日
      2017-03-14 – 2017-03-15
  • [学会発表] 周期的媒質分布を有する固体表面間に働く相互作用応力の理論解析(LJポテンシャルに基づく2次元解析)2017

    • 著者名/発表者名
      三宅 諒哉,大谷 稔紀,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本機械学会 中国四国支部 第55期総会・講演会
    • 発表場所
      広島工業大学
    • 年月日
      2017-03-06 – 2017-03-06
  • [学会発表] 周期的媒質分布を有する固体表面間に働く相互作用応力の2次元解析(LJポテンシャルに基づく解析)2016

    • 著者名/発表者名
      三宅 諒哉,大谷 稔紀,北濱 仁希,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本トライボロジー学会2016秋新潟
    • 発表場所
      朱鷺メッセ
    • 年月日
      2016-10-12 – 2016-10-14
  • [学会発表] LJポテンシャルに基づく1次元繰り返し媒質分布を有する固体表面間に働く相互作用力の理論解析2016

    • 著者名/発表者名
      大谷 稔紀,三宅 諒哉,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2016-09-12 – 2016-09-14
  • [学会発表] 境界面の温度を考慮した分子気体潤滑 (t-MGL) 解析(自由分子流t-MGL静特性における適応係数の影響)2016

    • 著者名/発表者名
      浅田 凌太,岡村 祐輝,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2016-09-12 – 2016-09-14
  • [学会発表] 境界面の温度を考慮した分子気体潤滑 (t-MGL) 解析(自由分子流 t-MGLダイナミクスにおける適応係数の影響)2016

    • 著者名/発表者名
      種岡 純哉,岡村 祐輝,前川 覚,松岡 広成,福井 茂寿
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2016-09-12 – 2016-09-14
  • [学会発表] Theoretical Study of Surface Interaction Stresses Considering One-Dimensional Material Distributions in the In-Plane Direction Based on the Lennard-Jones Potential2016

    • 著者名/発表者名
      Hiroshige Matsuoka, Teppei Tanaka, Ryoya Miyake and Shigehisa Fukui
    • 学会等名
      米国機械学会 情報ストレージ・処理システム部門講演会(ISPS2016)
    • 発表場所
      米国 サンタクララ
    • 年月日
      2016-06-20 – 2016-06-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermo-molecular Gas-film Lubrication (t-MGL) Analysis in the Free Molecular Limit (Effects of Accommodation Coefficients on Static Pressure)2016

    • 著者名/発表者名
      Shigehisa Fukui, Yuki Okamura and Hiroshige Matsuoka
    • 学会等名
      米国機械学会 情報ストレージ・処理システム部門講演会(ISPS2016)
    • 発表場所
      米国 サンタクララ
    • 年月日
      2016-06-20 – 2016-06-21
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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