シミュレーション力学研究室
Computational Mechanics and Micro-tribology
マイクロあるいはナノメータの超微小領域で顕著となる”分子気体効果”あるいは ”分子液体効果”による力学作用を統計力学に基づいて究明するとともに、それらの 力学作用の支配方程式を計算力学手法によりシミュレーションすることによって、マ イクロ/ナノメータ領域の特性解析を行っている。さらには、コンピュータ用超小形 磁気ヘッドやマイクロマシン要素などの様々なマイクロメカニズムの実例に適用し、 その特性を得る。 これらの研究は、マルチメディア時代の情報機器やマイクロメカニズム研究の急速 な進展に呼応して益々重要性を増してきている。
計算トライボロジーの研究
教授 福井 茂寿
院生 山根 清美
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シミュレーション力学研究室の主な研究テーマ
1.分子気体潤滑(MGL)の研究
近年、摩擦・摩耗・潤滑を総称したトライボロジーの分野では、分子・原子の微視 的な立場から現象の本質を解明しようとする”マイクロトライボロジー”の研究が精 力的に展開されている。気体内の圧力発生によって物体を非接触に支持する”気体潤 滑”においても同様の観点からの研究が進展している。超微小すきま(例えば0.5mm 以下)で気体潤滑される場合には、潤滑領域内の流れは分子気体力学に基づいて流れ を考察する必要があり、気体潤滑におけるこの様な取り扱いは”分子気体潤滑(MGL: Molecular Gas-film Lubrication)”と呼ばれている。その典型例であるコンピュー タの磁気ディスク装置用磁気ヘッドでは、数m/s〜数十m/sの速度で走行する記録媒体 上に磁気ヘッドが0.1 mm程度以下の超微小すきまで安定に保持され、情報の読出し・ 書込みが行われている。 シミュレーション力学研究室では、気体の挙動を統計的に記述するボルツマン方程 式に基づいた一般化された気体潤滑理論の構築、それによる超微小すきまスライダ軸 受の特性解明、さらには数nm程度の極超微小すきまを対象にしたモンテカルロ直接シ ミュレーション(DSMC)法解析を継続的に行っている。 これらの研究は、マルチメディア時代の情報機器の急速な進展に呼応して、益々重 要性を増してきている。
「分子気体潤滑(MGL)」に関する解説等
<単行本>
Fukui, S. and Kaneko, R., "Handbook of Micro/Nanotribology" の13章 "Mole cular Gas Film Lubrication", B. Bhushan編, CRC Press (1995) pp. 559-604
<学術雑誌>
福井茂寿、“分子気体潤滑理論の現状”、トライボロジスト(日本トライボロジー 学会誌)、第39巻第3号(1994) pp. 214-219
福井茂寿、“分子気体潤滑”、機械の研究、第46巻第1号(1994)pp. 192-196
福井茂寿、”磁気ディスクの分子気体潤滑”、精密工学会誌、Vol. 62, No. 6 (19 96) pp. 1242-1246
「マイクロトライボロジー」に関する文献
Kaneko, R., Umemura, S., Hirano, M. Andoh, Y., Miyamoto, T. and Fukui, S., "Recent progress in microtribology", Wear, Vol. 200 (1996) pp. 296-304
2.ナノメータ領域の分子流体作用の研究
マイクロメカニズムを対象として、微小であるが故に従来の特性解析法あるいは理 論式を適用できない場合の新しい理論体系は、一般に”マイクロ理工学”と呼ばれて いる。そこでは、形状が非常に小さいことによって従来無視し得た力が顕在化し、場 合によってはそれを駆動力にしたメカニズムが提案されている。ところで、この様な 力の評価ではしばしば熱統計力学等の確立統計的な知見が重要となる。例えば、対象 とする代表長さ h に比べ気体の分子平均自由行程λが必ずしも無視できない場合、 すなわちクヌッセン数 Kn(=λ/h)が無視しえない場合には、分子気体力学(希薄気体 力学)のに特有な現象が生じ、それを用いたメカニズムが考察されことになる。 シミュレーション力学研究室では、近年研究が進展しているマイクロマシン要素の 特性解析を狙いに、走査形プローブ顕微鏡(SPM)のダイナミクスの研究、静電型マ イクロモータにおける分子気体効果の研究、マイクロな系に特有な現象である”熱ほ ふく流 (Thermal creep flow)”を用いた新しい非接触支持メカニズムの特性解析の 特性、などを推進している。 これらの研究では、高速演算パーソナルスーパーコンピュータを用いてモンテカル ロ直接シミュレーション法(DSMC法)による超微小すきま内の分子気体あるいは熱ほ ふく流に起因する圧力発生の基本解析を行うとともに、すでに実績のある分子気体潤 滑(MGL)理論の精緻化に精力的に取り組み、二つの解析手法(DSMC法解析とMGL解析 )の比較により、シミュレーション手法の得失の明確化を行っている。
3.計算トライボロジーの研究
シミュレーション力学研究室の人々
福井 茂寿
(プロフィール)
昭和52年3月 京都大学大学院工学研究科修士課程(航空工学専攻)修了
同 4月 日本電信電話公社(現NTT)研究所入所
この間、
コンピュータ用磁気ディスク装置機構の研究実用化、
および分子気体潤滑、計算トライボロジーの基礎研究に従事。
NTT境界領域研究所主幹研究員
平成7年4月 鳥取大学工学部応用数理工学科教授
現在に至る
(学会等)
日本機械学会、日本トライボロジー学会、日本流体力学会、日本応用数理学会等 の会員
日本機械学会賞論文賞を受賞(1984年、1987年、1988年)
(最近の論文、英文のみ)
Fukui, S. and Kaneko, R., "Dynamic Analysis of Flying Head Sliders with Ultra-Thin Spacing Based on the Bolzmann Equation (Comparison with Two Limiting Approximations)", JSME International. J. Ser. III, Vol. 33, No. 1 (1990) pp. 76-82
Fukui, S. and Kaneko, R., "A Database for Interpolation of Poiseuille Flow Rates for High Knudsen Number Lubrication Problems", Trans. ASME, J. Tribology, Vol. 112 (1990) pp. 78-83
Hayashi, T., Fukui, S., Ohkubo, T. and Kaneko, R., "Dynamic Characteristics of Gas-Lubricated Slider Bearings Under High Knudsen Number Conditions", Trans. ASME, J. Tribology, Vol. 112 (1990) pp. 111-118
Fukui, S., "Recent Advances in Ultra-thin Gas Film Lubrication Theory for Computer Flying Heads", Proceedings of the International Tribology Conference, Nagoya '90, Oct. 29 - Nov. 1 (1990) pp. 1335-1337
Fukui, S. and Kaneko, R., "Estimation of Gas Film Lubrication Effects beneath Sliding Bushings of Microrotors using a Molecular Gas Film Lubrication Equation", Wear, Vol. 168 (1993) pp. 175-179
Fukui, S. and Kaneko, R., "Novel Micro Levitation Mechanism Utilizing a Thermal Creep Flow (Analysis)", Proceedings of the 1993 JSME International Conference on Advanced Mechatronics, Tokyo, Japan (1993) pp. 499-503
Matsuda, R. and Fukui, S., "Asymptotic Analysis of Ultra-Thin Gas Film Lubrication for Infinite Squeeze Number (Extension of Pan's Theory to the Molecular Gas Film Lubrication Equation)", Trans. ASME, J. Tribology, Vol. 117 (1995) pp. 9-15
Watanabe, T. and Fukui, S., "A Method for Controlling Tactile Sensation of Surface Roughness Using Ultrasonic Vibration", IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) Intl Conf. on Robotics and Automation, Nagoya (1995) pp. 1134-1139
Matsuda, R. and Fukui, S., "Ultra-Thin Gas Squeeze Film Characteristics for Finite Squeeze Numbers", Trans. ASME, J. Tribology, Vol. 118 (1996) pp. 201-205
Fukui, S. and Matsuda, R. and Kaneko, R., "On the Physical Meanings of L/Qp0 and s/Qp0 in Molecular Gas Film Lubrication Problems", Trans. ASME, J. Tribology, Vol. 118 (1996) pp. 364-369
Fukui, S. and Kaneko, R., "Monte Carlo Direct Simulations of Slider Gas Bearings with Nanometer Spacings (Comparison with MGL Analysis)", Proc. of Intl. Tribology Conf. Yokohama 1995 (1996) pp. 1943-1946
Matsuda, R. and Fukui, S., "Squeeze Gas Film Effects in Molecular Gas-film Lubrication (MGL) Problems", Proc. of Intl. Tribology Conf. Yokohama 1995 (1996) pp. 943-948
(解説:分子気体潤滑)
<単行本>
Fukui, S. and Kaneko, R., "Handbook of Micro/Nanotribology" の13章 "Mole cular Gas Film Lubrication", B. Bhushan編, CRC Press (1995) pp. 559-604
<学術雑誌>
福井茂寿、“分子気体潤滑”、機械の研究、第46巻第1号(1994)pp. 192-196
福井茂寿、“分子気体潤滑理論の現状”、トライボロジスト(日本トライボロジー 学会誌)、第39巻第3号(1994) pp. 214-219
福井茂寿、”磁気ディスクの分子気体潤滑”、精密工学会誌、Vol. 62, No. 6 (19 96) pp. 1242-1246
(文献:マイクロトライボロジー)
Kaneko, R., Umemura, S., Hirano, M. Andoh, Y., Miyamoto, T. and Fukui, S., "Recent progress in microtribology", Wear, Vol. 200 (1996) pp. 296-304