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ちかこえいさか
7 years ago
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1 Doc. No. -H Rev.01 Date: 2015/7/17 MEMS 設計のための構造最適化とマルチフィジックス解析技術のご紹介最適化で新規性意匠性の高いデザインを実現シミュレーションの積極活用で設計試作のトライ & エラーを低減 URL: TEL: FAX: Doc No. -H Rev.01

３Dプリンタとも相性抜群 MEMSミラーのリブ設計 UP 応力低減が可能自動で外形形状を変更固有値を目標に合せ込み

2 MEMS設計のためのCAE技術高度なシミュレーションの活用により試行錯誤を低減し開発を効率化位相最適化トポロジ最適化形状最適化マルチフィジックス解析自動で不要な部分を削除し固有振動数の改善剛性電場磁場圧電効果を考慮斬新なアイデア取得３Dプリンタとも相性抜群 MEMSミラーのリブ設計 UP 応力低減が可能自動で外形形状を変更固有値を目標に合せ込みエレメンタルデザインコンサルティング株式会社した高精度設計パラメトリック検討にも対応パラメトリック検討による応力低減 2 Doc No. -H Rev.01

scanning mirror and its application to pico-projectors," Optical MEMS and Nanophotonics (OMN), 2014 International

3 事例１位相最適化とマルチフィジックス解析位相最適化で斬新な形状を導きマルチフィジックスのパラスタで高精度設計が可能 MEMSミラー構想設計ノンパラメトリック最適化詳細設計マルチフィジックス解析出展 Ikegami, Keiichi; Koyama, Takaaki; Saito, Takao; Yasuda, Yoshiaki; Toshiyoshi, Hiroshi, "A biaxial piezoelectric MEMS scanning mirror and its application to pico-projectors," Optical MEMS and Nanophotonics (OMN), 2014 International Conference on, vol., no., pp.95,96, Aug 東京大学スタンレー電気(株)の共同研究エレメンタルデザインコンサルティング株式会社 3 Doc No. -H Rev.01

事例２形状最適化による固有振動数の合わせ込み人手では困難な設計が最適化により可能です課題１４次の固有振動数を同時に目標値に合せるモード初期形状設計目標 1 23,866 25,000 2 28,291 30,000 3 65,777 70,000 4 70,506

4 事例２形状最適化による固有振動数の合わせ込み人手では困難な設計が最適化により可能です課題１４次の固有振動数を同時に目標値に合せるモード初期形状設計目標 1 23,866 25, ,291 30, ,777 70, ,506 80, ,627-３次モード (65777Hz) エレメンタルデザインコンサルティング株式会社２次モード (28291Hz) １次モード 23866Hz ４次モード (70506Hz) ５次モード (103627Hz) 4 Doc No. -H Rev.01

検討条件 FEM モデルを作成し最適化を行います 0.4 mm 今回の最適化は体積一定で固有振動数を目標値に収束させるように条件を設定した 1 ステップ当たりの計算時間は約 1 分計算マシンの Intel Core i7*4cpu メモリー 4GB を使用 2 mm 4 mm 自由度 1-6 拘束 PID=1 ミラー部 0.5 mm 4.

5 検討条件 FEM モデルを作成し最適化を行います 0.4 mm 今回の最適化は体積一定で固有振動数を目標値に収束させるように条件を設定した 1 ステップ当たりの計算時間は約 1 分計算マシンの Intel Core i7*4cpu メモリー 4GB を使用 2 mm 4 mm 自由度 1-6 拘束 PID=1 ミラー部 0.5 mm 4.8 mm E = 160,000 MPa ν = 0.33 ρ = 2.3E-9 ton/mm3 寸法と材料板厚 t = 0.2 mm PID=3 結合部 PID=2 ビーム部 PID=4 ブーム部 FEM モデル概要 PID=5 支持部自由度 1-6 拘束節点 :13695 要素 : シェル 2 次 (4 辺形 :4300 三角形 :68) 板厚分布の最適化もできるように部位毎に PID で区分 5 Doc No. -H Rev.01

6 製造条件製造に必要な条件を設定して最適化を行いました変動保持形状変動拘束の概要ダミー SPC として付与拘束 OFF X1opt-mems2D1a _result.bdf 拘束 ON x1opt-mems2d1b _result.bdf 図 : 形状変動拘束の効果干渉回避ダミーシェル概要ダミーシェルダミーシェル OFF x1opt-mems2d1d _result.bdf 図 : 干渉防止ダミーシェルの効果ダミーシェル ON x1opt-mems2d1d1 _result.bdf 6 Doc No. -H Rev.01

7 固有振動数 (HZ) ケース 1: 板厚一定固有振動数を最適化固有振動数が目標値に収束するように解析と形状変更を繰り返します 90,000 80,000 70,000 60,000 形状が逐次変化表 : 固有振動数の比較モード初期形状設計目標最適化結果誤差合否 1 23,866 25,000 25, % 2 28,291 30,000 29, % 3 65,777 70,000 70, % 4 70,506 80,000 79, % 5 103, , ,000 40,000 30,000 Iter=0 Iter=2 Iter=16 t=0.2 t=0.2 t=0.2 製造条件体積一定ミラー部形状変更 NG ミラーと支持部の干渉 NG 固定部形状変更 NG 板厚変更 NG 20,000 10,000 固有振動数が目標値に収束 t= 最適化繰り返し計算回数図 : 最適化による固有振動数と形状の変化 t=0.2 x1opt-mems2d2d1_result.bdf 図 : 最適化結果形状 (Iter=16) 7 Doc No. -H Rev.01

固有振動数 (HZ) ケース 2: 板厚変動可固有振動数を最適化外形形状と同時に板厚も最適化し早い段階で収束しました 1,800 1,600 1,400 mode 1 mode 2 mode 3 mode 4 Target 1 Target 2 Target 3 Target 4 形状と板厚が逐次変化表 : 固有振動数の比較モード初期形状設計目標最適化結果誤差合否 1

8 固有振動数 (HZ) ケース 2: 板厚変動可固有振動数を最適化外形形状と同時に板厚も最適化し早い段階で収束しました 1,800 1,600 1,400 mode 1 mode 2 mode 3 mode 4 Target 1 Target 2 Target 3 Target 4 形状と板厚が逐次変化表 : 固有振動数の比較モード初期形状設計目標最適化結果誤差合否 1 23,866 25,000 25, % 2 28,291 30,000 30, % 3 65,777 70,000 70, % 4 70,506 80,000 80, % 5 103, , ,200 1, Iter=0 Iter=1 Iter=5 t= t= t= 製造条件体積一定ミラー部形状変更 NG ミラーと支持部の干渉 NG 固定部形状変更 NG 板厚変化 OK 板厚変化を OK とすることで固有振動数が目標値に早く収束 t= 最適化繰り返し計算回数 t= x1opt-mems2d2c_result.bdf 図 : 最適化による固有振動数と形状の変化図 : 最適化結果形状 (Iter=5) 8 Doc No. -H Rev.01

9 固有振動数 (HZ) ケース 3: 目標値を大幅アップ ( 最適解が無い場合 ) 最適解が無い領域では固有値は目標値に到達せず一定値に収束しました 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 モード初期形状旧設計目標新設計目標 1 23,866 25,000 30, ,291 30,000 40, ,777 70,000 70, ,506 80,000 80, , 製造条件ミラー部形状変更 NG ミラーと支持部の干渉 NG 固定部形状変更 NG 板厚変更 NG 40,000 30,000 20,000 10, 最適化繰り返し計算回数 x1opt-mems2d2d7_result.bdf 図 : 最適化による固有振動数の変化図 : 最適化初期形状図 : 最適化結果形状 (Iter=22) 9 Doc No. -H Rev.01

10 事例 3 マルチフィジックス解析のパラメトリック検討 Micro-mirror Design Using Piezoelectric Capabilities in OOFELIE 10 Doc No. -H Rev.01

3 µm thick ミラー基板トーションバーフレームシリコン 50 µm thick PZT アクチュエータ,

11 パラメトリック検討用モデル作成圧電体の特性を付与し外枠の形状をパラメトリック検討対象としました材料特性の定義 PZT アクチュエータ, 3 µm thick Alレイヤー, 0.3 µm thick ミラー基板トーションバーフレームシリコン 50 µm thick PZT アクチュエータ, 3 µm thick パラメトリックモデル残留応力を定義可能圧電体の特性を設定エレメンタルデザインコンサルティング株式会社 11 Doc No. -H Rev.01

12 光学設計ソフトとマルチフィジックス解析の連携 ZEMAXとパラメトリック検討により動的応答時の挙動を最適化モーダル解析ミラー回転モード Hz 周波数応答解析動的解析 (ZEMAXとの連携): 最大変位=0.182 mm 最大変位= mm 剛体モード含む剛体モード除外ミラー視点の変形エレメンタルデザインコンサルティング株式会社 ZEMAXへデータ出力 12 Doc No. -H Rev.01

節点移動により表面形状を変化 ( 特許技術 ) 不要部位のヤング率をゼロに漸減し形状導出構想検討骨格リブ検討に有用 2 位相 ( トポロジ

13 構造最適化ソフト :OPTISHAPE-TS 内臓ソルバの解析と最適化により軽量化剛性応力固有振動数の改善を実現 1 力法形状最適化形状変動が位相最適化レベル干渉を回避しつつ剛性 UP 軽量化ソリッドだけでなくシェルにも対応板厚高さ配置の最適化節点移動により表面形状を変化 ( 特許技術 ) 不要部位のヤング率をゼロに漸減し形状導出構想検討骨格リブ検討に有用 2 位相 ( トポロジ ) 最適化 3 レベルセット法形状最適化位相最適化とノンパラメトリック形状最適化の両方の特性を兼ね備えた手法 13 Doc No. -H Rev.01

マルチフィジックス解析ソフト OOFELIE::Multiphysics 大規模モデルを取扱いできる強連成FEM/BEM解析ソフト強連成の設定はダイアログボックスで物理場を選択のみで自動設定 ①MEMS 光学設計 ②流体熱構造連成 ③外部ソフトと連携光学設計ソフト加速度計圧電効果

14 マルチフィジックス解析ソフト OOFELIE::Multiphysics 大規模モデルを取扱いできる強連成FEM/BEM解析ソフト強連成の設定はダイアログボックスで物理場を選択のみで自動設定 ①MEMS 光学設計 ②流体熱構造連成 ③外部ソフトと連携光学設計ソフト加速度計圧電効果空間電位分布 BEM LED熱設計 MEMS設計ソフト燃料タンクのスロッシング流体解析ソフト電磁MEMS 電磁場解析とモデル縮約くし歯解析静電効果エレメンタルデザインコンサルティング株式会社タービンブレード樹脂流動解析ソフト 14 Doc No. -H Rev.01

15 お問い合わせ先ご相談は無料ですご興味を頂けましたら下記までご連絡お願いします弊社担当からご連絡させて頂きさらに詳しい情報をお届けします弊社ビジネス一覧 1 設計サービス 2 ソフト販売 3 マーケティング軽量化構造最適設計 CFRP 複合材の活用 MEMS 光学設計熱流体構造連成解析 TransMagic (CAD/PMI 表示変換 ) OPTISHAPE-TS( 最適化 ) OOFELIE( マルチフィジックス解析 ) IHS Goldfire( 検索システム ) コンサルティング一括請負 PR Support URL: Sales@eldc.co.jp 東京都港区南青山ウィン青山 942 TEL: FAX: Doc No. -H Rev.01

スライド 1

スライド 1 H25 創造設計演習 ~ 振動設計演習 1~ 1 ゆれない片持ち梁の設計振動設計演習全体 HP(2011 年度まで使用今は閲覧のみ ): http://hockey.t.u-tokyo.ac.jp/shindousekkei/index.html M4 取付ネジ 2 Xin 加振器 50mm 幅 30mm 材料 :A2017または ABS 樹脂計測点 :Xout 2mm? Hz CAD 所望の特性になるまで繰り返す?