柔軟なヒンジと柔軟な身体メカニズムの設計最適化の理論的基盤に関する研究

拡張

柔軟なヒンジは、剛性成分の代わりに弾性変形を介して運動またはエネルギーを送信する能力により、精密デバイスに大きな注目を集めています。 従来のモーションヒンジと比較して、柔軟なヒンジは、高運動解像度、摩擦なし、潤滑なし、単純な製造プロセスなどの利点を提供します。 それらは、投影リソグラフィ目標レンズ、シリコンウェーハワークベンチ、電子スキャン顕微鏡、スペース光学リモートセンサー、精密および超高度処理など、さまざまな精密デバイスで広く使用されています。 柔軟なヒンジなどの準拠メカニズムの重要なパラメーターは、動的特性と端の位置決めの精度に直接影響します。 したがって、柔軟なヒンジの柔軟性を理解するために、広範な研究が行われています。 このペーパーは、ストレートビームの丸い曲げヒンジの柔軟性マトリックスを研究し、そのパラメーターを分析し、その設計と最適化の理論的根拠を提供することを目的としています。

まっすぐなビームの丸い屈曲ヒンジの柔軟性マトリックス：

ストレートビームの丸い屈曲ヒンジは、ストレス集中を避けるために、ヒンジの端に丸い角があるストレートビームシート構造で構成されています。 主な幾何学的パラメーターには、ヒンジの高さ（H）、ヒンジの長さ（L）、ヒンジの厚さ（T）、およびヒンジフィレット半径（R）が含まれます。 ヒンジの面内変形を分析するために、カンチレバービーム理論に基づく分析計算方法が導出されます。 この方法は、柔軟なヒンジの面内柔軟性マトリックスの閉ループ分析モデルを確立します。 さらに、柔軟性マトリックスの単純化された計算式が、ヒンジコーナーの半径と厚さ（r/t）の比率が与えられたときに提供されます。

有限要素の検証：

導出された分析式を検証するために、UGNX Nastranソフトウェアを使用して、まっすぐなビーム丸い曲げヒンジの有限要素モデルが確立されます。 有限要素モデルのシミュレーション結果は、柔軟性マトリックスパラメーターの分析値と比較されます。 2つの間の相対誤差は、ヒンジの長さと厚さ（L/t）の比と、ヒンジコーナー半径と厚さ（r/t）の比など、ヒンジの構造パラメーターの異なる変動について分析されます。

結果：

分析では、4以上のL/T比の場合、柔軟性マトリックスの分析値とシミュレーション値の間の相対誤差が5.5％以内であることが示されています。 ただし、4未満のL/T比の場合、カンチレバービームを細いビームに単純化できないため、相対誤差は比較的大きくなります。 これは、閉ループ分析モデルが大規模なL/Tケースにより適していることを示しています。

比率R/Tに関しては、分析では、0.1≤R/T≤0.5の場合、分析値とシミュレーション値の間の相対誤差が9％以内に制御できることが明らかになりました。 さらに、0.2≤R/T≤0.3の場合、相対誤差は6.5％以内に制御できます。 これらの調査結果は、柔軟性マトリックスの閉ループ分析モデルの精度と適用性を示しています。

この研究で開発された閉ループ分析モデルは、まっすぐなビーム丸い屈曲ヒンジの設計と最適化の理論的基礎を提供します。 分析は、ヒンジの長さ、厚さ、およびコーナー半径の変動を検討する際に、モデルが柔軟性マトリックスパラメーターを正確に予測できることを実証しました。 これらの調査結果は、準拠メカニズムとそのアプリケーションの精密デバイスでのアプリケーションの進歩に貢献します。