| 研究概要 |
ピエゾ電気材料は,構造的な力学現象と電気的な現象問に連成効果を生じる材料である.すなわち,材料に表面力を負荷すれば電位が生じ,逆に電荷を与えれば弾性変形する.他方,ピエゾ抵抗材料は,同様に,構造的・電気間の連成効果を生じる材料であるが,材料に応力を負荷した場合に抵抗値が変化する効果を生じる点が異なる.これらの材料をアクチュエータやセンサとして利用する場合には,通常他の比較的弾性係数の小さい柔軟な弾性構造物と連結し,アクチュエータとして必要な所要の変形機構の形成,変形量の拡大を図ったり,センサとして必要な荷重方向の選定や,感度の向上を図る.
本研究では,このような柔軟な弾性構造物で構成されるアクチュエータやセンサの高性能化・多機能を目的に,トポロジー最適化と多目的最適設計の考え方のもと,ピエゾ材料と柔軟構造の形態・形状を創成可能な設計法を以下のように開発した.
まず第一段階として,ピエゾ電気材料を用いたアクチュエータの構造創成設計法の開発した.すなわち,最初にアクチュエータ設計のための目的関数の設定と,最適化問題の定式化を行った.そしてその定式化に基づき,最適化アルゴリズムを開発するとともに,簡単なアクチュエータ構造の設計問題に適用することにより,提案する方法の有効性を検証した.さらに,その方法論を,複数のアクチュエータ機能を持つ場合に展開するとともに,試作品を用いた実験により,創成されたアクチュエータが設定通りの機能を持つことを確認した.
次に第二段階として,ピエゾ抵抗材料を用いたセンサの構造創成設計法の確立を行った.すなわち,センサ設計のための目的関数の設定と,最適化問題の定式化を行った.そしてその定式化に基づき,最適化アルゴリズムを開発し,この場合にも,簡単なセンサ構造の設計問題に適用することにより,提案する方法の有効性を検証した.
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