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未来型アクチュエータ材料・デバイス
Next-Generation Actuator Materials and Devices
[コードNo.2006T520]

■監修/ 古屋泰文(弘前大学 理工学部 知能機械システム工学科 教授)
樋口俊郎(東京大学 大学院工学研究科 精密機械工学専攻 教授)
今泉伸夫(並木精密宝石(株) 取締役
       兼 黒石ビジネスオーガニゼーション・バイスプレジデント)
■体裁/ B5判 384ページ
■発行/ 2006年 12月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 75,600円(税込価格)

革新的アクチュエータ用新材料の内外情報を網羅
機械・電気系技術者へ材料基礎原理からわかりやすく記述
新コンセプトの未来型アクチュエータ・デバイス研究戦略
学部学生や若手技術者育成に有効!

※ 本書籍はご試読頂けません ※

推薦の言葉
 「大江戸からくり人形」事例をみてもわかるように日本人のもつ手先の器用さ、創意工夫、緻密小型化への熱心さなどは、歴史的にみてもだれもが認める特質であります。それらが受け継がれ、現代の半導体チップ作製自動化、人の動きをする小型先進ロボット、体内内視鏡などの医療福祉機器開発に発展し、そこでの集積化技術要請(部品数減、小型軽量、高精密、多機能、極限環境下での高信頼性)とあいまって、本書での “動く材料“、いわゆる”アクチュエータ材料・デバイス“の研究開発がわが国で発展してきました。また、現在、内外で推進されている、ナノスケールでの物質・材料探索やバイオ遺伝子操作においても、その場観察やその構造操作のために、ナノオーダ位置決め用アクチュエータは不可欠であり、さらに、将来的に発展するであろう、センサや制御技術との融合化で可能な”知的材料・構造システム”への大きな技術潮流のなかで一層の研究開発が望まれています。
 本書は、最新アクチュエータ材料研究成果が多く含まれており、材料機能(物性・ミクロ組織設計)、材料加工プロセス・評価、精密機械・制御デバイス事例まで、材料基礎からデバイス設計まで解りやすく説明してあります。材料側視点から編集した、はじめてのアクチュエータ関連専門書として意義があり、多くの方々に紹介いたしたく、ここに推薦いたします。
         平成18年11月 NIMSにて 岸輝雄   (独)物質材料研究機構(NIMS) 理事長
                                東京大学 名誉教授
                                日本学術会議 副会長(平成18年10月まで)

刊行にあたって
 様々な機械構造製品のなかで、運動を引き起こすための駆動源となるのがアクチュエータです。本書は、材料側視点からアクチュエータ・デバイス化研究開発に向けて書かれた数少ない技術書です。最初に、アクチュエータの動向と重要技術を精密工学系研究者により解説、また、材料側からの未来型アクチュエータ用素材への取り組みを述べています。続いて、アクチュエータの材料学的な設計指針と作製プロセス技術を概説、その後に、金属、セラミックス、高分子(ポリマ)、流体系を含む、各種アクチュエータ材料・デバイス技術の原理、設計、試作実例を記述しています。
 具体的な特集成果としては、新たにマルチフェロイック系アクチュエータ(センサ)材料の概念が明確化され実例も出てきていること、そのためにナノテク支援の材料研究(ナノドメインエンジニアリング)の推進が指摘され、また、アクチュエータ機能とセンサ機能の融合化デバイスによる多機能化設計、高分子ポリマ系での実用化に向けの研究状況等が理解しやすく書かれています。また、優れた機能性を示すアモルファス系バルク金属ガラスとのハイブリッドアクチュエータ化もはじめて提案されています。 さらに、機械設計・制御系では、磁性流体、電気粘性流体、および電界共役流体への新たな研究展開が示され、特に、圧電アクチュエータ関係では、この材料が得意とする微小位置きめデバイス、インパクトドライブ、超音波モータ、さらには表面弾性波モータなど、その駆動回路設計も含めた大学での研究最前線が記載されています。さらに、製品化へのチャレンジ視点から、圧電デバイスによる携帯電話用手ブレ防止機構、形状記憶合金や超磁歪アクチュエータ駆動システム研究事例、世界最小(2mmφ以下)のマイクロブラシレス電磁モータ開発と商品化課題など産業界視点からの資料もあり興味を引きます。そして最後の章では、未来型アクチュエータ・デバイス研究開発への視点(研究戦略)を設けて、材料側着目点、機械制御系からの若手を含む新しい発想の研究事例、さらに、アクチュエータ・センサ・制御の三位一体で実現する近未来への知能化(インテリジェント・スマート)技術、いわゆる“知的材料・構造システム”への発展性にも言及しています。
 このように本書では、従来ややありがちな研究・技術者自身の専門領域の寄せ集め的な編修は出来るだけ避けました。 また、アクチュエータ材料の技術については、その前半基礎部分において、機械、電気制御分野などの技術者が材料機能発現を理解できるように材料研究開発への基本的な技術手法などを平易にいれて編集しているところにも特徴があります。 対外対応に忙しい大学や研究所、企業の上司が、学部学生や若手研究員、新入社員などの部下に“これ読んでおけばアククエータ材料技術の原理と動向はかなりわかる・・・”というイメージで構成を立てて編修しています。本書が大学、研究所、企業での研究開発および生産技術改善の一助になれば幸いです。
平成18年11月 古屋泰文(弘前大学 理工学部 知能機械システム工学科・教授)

執筆者
古屋泰文弘前大学 理工学部 知能機械システム工学科 教授
樋口俊郎東京大学 大学院工学研究科 精密機械工学専攻 教授
安田弘行大阪大学 超高圧電子顕微鏡センター 助教授
馬越佑吉大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻 教授
和田智志東京工業大学大学院 理工学研究科 材料工学専攻 助教授
増本博東北大学 金属材料研究所 複合機能材料学研究部門 助教授
金熙榮筑波大学 大学院数理物質科学研究科 講師
宮崎修一筑波大学 大学院数理物質科学研究科 教授
岡崎禎子弘前大学 理工学部 物質理工学科 助教授
岡西紀昌弘前大学大学院 理工学部(現;アルプス電気(株))
佐藤宏司(独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門
石田章(独)物質・材料研究機構 センサ材料センター アクチュエータ機能グループ グループリーダー
佐藤守夫(独)物質・材料研究機構 センサ材料センター アクチュエータ機能グループ 主任研究員
内田裕久学校法人東海大学 理事/工学部・情報デザイン工学部 学部長/工学部 エネルギー工学科 教授
松村義人東海大学 エネルギー工学科 教授
飯島高志(独)産業技術総合研究所 水素材料先端科学研究センター 水素脆化評価研究チーム 主任研究員
Ichiro Takeuchiメリーランド大学 材料科学工学科 助教授
Manfred Wuttigメリーランド大学 材料科学工学科 教授
久保田健東北大学 金属材料研究所
貝沼亮介東北大学 多元物質科学研究所 教授
伊東航東北大学 大学院工学研究科
須藤祐司東北大学 先進医工学研究機構 助手
及川勝成東北大学 大学院工学研究科 助教授
石田清仁東北大学 大学院工学研究科 教授
斉藤千尋並木精密宝石(株) NJC研究所 研究員
西義武東海大学 工学部 材料科学科 教授
内田晴久東海大学 教養学部 人間環境学科 自然環境課程 教授
小笠原崇東海大学大学院 工学研究科 金属材料工学専攻
沼崎謙一東海大学大学院 工学研究科 金属材料工学専攻
和田大志横浜国立大学大学院 工学研究院 システムの創生部門 助教授
浅沼博千葉大学 工学部 電子機械工学科 助教授
今大健弘前大学大学院 理工学部 (現;リバーエレテック(株))
岸本哲(独)物質・材料研究機構 コーティング・複合材料センター 複合材料グループ 主席研究員
榎学東京大学大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 助教授
安積欣志(独)産業技術総合研究所 セルエンジニアリング研究部門 人工細胞研究グループ長
平井利博信州大学 繊維学部 (学部長) 教授
高崎緑信州大学 SVBL研究員
須藤誠一秋田県立大学 システム科学技術学部 機械知能システム学科 教授
中野政身山形大学 工学部 機械システム工学科 教授
横田眞一東京工業大学 精密工学研究所 所長・教授
前野隆司慶應義塾大学 理工学部 機械工学科 教授
黒澤実東京工業大学 総合理工学研究科 助教授
吉田龍一コニカミノルタオプト(株) 新規事業推進室
森田剛東京大学 新領域創成科学研究科 人間環境学専攻 助教授
本間大トキ・コーポレーション(株) 取締役研究開発本部 部長;早稲田大学 理工学部 非常勤講師
江田弘茨城大学 工学部 教授
尾嶌裕隆茨城大学 工学部 助手
今泉伸夫並木精密宝石(株) 取締役 兼 黒石ビジネスオーガニゼーション・バイスプレジデント

構成および内容
序章アクチュエータ概論
1未来型アクチュエータの開発と材料(樋口俊郎)
1.1はじめに
1.2近年のアクチュエータ研究の動向と特徴
1.2.1圧電素子の利用の拡大
1.2.2ナノメータの操作
1.2.3マイクロ化への挑戦
1.2.4アクチュエータの薄型化
1.2.5特殊環境用アクチュエータ
1.2.6人工筋肉
1.3アクチュエータの研究開発の方法
1.3.1未来型アクチュエータの考察
1.3.2製造法と使用法の研究
1.3.3標準化と試験法の確立
2アクチュエータ技術概論(古屋泰文)
2.1新しいアクチュエータの必要性
2.2アクチュエータの分類と特性
2.3アクチュエータ材料
2.3.1はじめに
2.3.2アクチュエータ材料
2.3.3センサ技術
2.3.4知的材料・構造システム開発への潮流
2.3.5研究開発体制
第1章アクチュエータ材料の基礎
1その作動原理・材料の基本設計(古屋泰文)
1.1アクチュエータ材料の分類および機能発現原理
1.2固体アクチュエータ・センサ材料の研究開発
1.3溶解・加工プロセス法による事例
1.4固相焼結プロセスの事例
1.5複合機能化アクチュエータ材料・デバイス化への研究発展
2作製プロセス化技術
2.1バルク材料−単結晶(古屋泰文)
2.1.1はじめに(結晶とその分類)
2.1.2結晶異方性
2.1.3単結晶・粗大結晶作製プロセス
2.1.4おわりに
2.2バルク材料−多結晶、非晶質(古屋泰文)
2.2.1はじめに
2.2.2非晶質金属ガラス材料
2.2.3おわりに
2.3材料加工プロセス概論(古屋泰文)
2.3.1材料製造技術の分類と特徴
2.3.2機能性材料開発への材料加工プロセス法
2.3.3加工品の寸法精度
2.3.4材料加工における技術的課題
2.3.5まとめ
2.4多結晶制御と機能特性発現(安田弘行、馬越佑吉)
2.4.1はじめに
2.4.2Fe-Pd合金における巨大磁歪
2.4.3結晶方位分布
2.4.4結晶粒界性格とマルテンサイト変態
2.4.5磁歪の結晶粒径依存性
2.4.6結晶組織制御技術
2.4.7おわりに
2.5バルク材料−セラミックス(和田智志)
2.5.1アクチュエータ材料としてのセラミックス
2.5.2圧電セラミックスの内部構造による分類と分極による対称性の変化
2.5.3圧電セラミックスの化学組成による分類とMPBの有効利用
2.5.4セラミックスプロセス技術の概要
2.5.5粉体合成プロセス技術
2.5.6バルク体成形プロセス技術
2.5.7焼結プロセス技術
2.5.8分極プロセス技術
2.5.9今後の圧電セラミックスの動向
2.5.10まとめ
2.6薄膜化プロセス(増本博)
2.6.1はじめに
2.6.2圧電体薄膜の作製法
2.6.3圧電アクチュエータとイオン伝導体を用いた機能協調設計
2.6.4おわりに
第2章金属系バルクアクチュエータ材料技術の基盤技術
1形状記憶材料(金熙榮、宮崎修一)
1.1はじめに
1.2形状記憶合金の作動原理
1.3材料設計
1.4作製プロセス
1.5最新技術と応用展望
1.5.1形状記憶合金薄膜
1.5.2高温形状記憶合金
1.5.3磁場駆動形状記憶合金
1.6おわりに
2磁歪材料(作動原理、作製プロセスおよび最新技術)(岡崎禎子、岡西紀昌、古屋泰文)
2.1はじめに
2.2磁歪のメカニズム(タイプI、タイプII)
2.3急冷凝固法によるリボン材の作製
2.4低温放電プラズマ焼結法:Fe-Gaバルクの磁歪
2.5片持ち梁型バイモルフ磁歪アクチュエータ・センサ
第3章セラミックス系バルクアクチュエータ材料の基盤技術
1圧電・電歪材料(和田智志)
1.1圧電・電歪材料
1.2アクチュエータへの応用
1.3ドメインエンジニアリングの分類
1.4巨大圧電特性に対するエンジニアード・ドメイン構造の効果
1.5ドメイン壁近傍領域からの圧電特性への寄与
1.6ドメイン壁エンジニアリングによる到達点
1.7まとめ
2ファイバ型(佐藤宏司)
2.1序章
2.2金属コア入り圧電ファイバの作製
2.3スマートボードのセンサ・アクチュエータ特性
2.4まとめ
第4章薄膜型アクチュエータ材料化技術
1形状記憶材料系(石田章、佐藤守夫)
1.1形状記憶合金薄膜の開発の背景
1.2形状記憶合金薄膜の作製方法
1.3薄膜の形状記憶特性と機械的特性
1.4形状記憶合金薄膜アクチュエータとデバイスへの応用
1.5形状記憶合金薄膜アクチュエータの将来展望
2磁歪材料(原理と材料設計)(内田裕久、松村義人)
2.1磁歪材料
2.1.1磁歪現象とその特徴
2.1.2まとめ
2.2超磁歪材料
2.2.1バルク超磁歪材料
2.2.2薄膜化磁歪材料
2.2.3まとめ
2.3磁歪材料の作製プロセス
2.3.1バルク材料
2.3.2薄膜材料
2.3.3まとめ
2.4磁歪デバイスの応用
2.4.1バルク磁歪材料
2.4.2利用原理
2.4.3薄膜化磁歪材料
2.4.4まとめ
3圧電材料系(飯島高志)
3.1はじめに
3.2化学溶液法を用いたPZT膜の作製
3.3PZT膜の微細加工
3.4PZT膜の圧電特性評価
3.5PZT膜デバイスの作製
3.6おわりに
第5章新アクチュエータ材料技術
1マルチフェロイクスの材料科学とデバイス化研究(Ichiro Takeuchi、Manfred Wuttig、久保田健、岡崎禎子、古屋泰文)
1.1はじめに
1.2バルク単体型アクチュエータ材料
1.3薄膜型アクチュエータ/センサ材の開発
1.4先進的マルチフェロイック材料・デバイス
1.4.1ナノ構造設計からの新展開
1.4.2バルク複合材料型設計
1.5応用展開と課題
2新しい金属系マルチフェロイック材料−メタ磁性形状記憶合金−(貝沼亮介、伊東航、須藤祐司、及川勝成、石田清仁)
2.1はじめに
2.2Ni-Mn-In基ホイスラー合金
2.3メタ磁性形状記憶効果
2.4おわりに
3新鉄基磁歪合金(斉藤千尋)
3.1はじめに
3.2Fe-Ga合金に関するこれまでの知見
3.2.1大磁歪の起源
3.2.2多結晶Fe-Ga合金の研究事例
3.3今後の展開
4薄膜化マルチフェロイクス材料の研究(飯島高志)
4.1はじめに
4.2マルチフェロイクス材料
4.3NiTi/PZT積層薄膜型マルチフェロイクス材料
4.4おわりに
5水素吸蔵合金アクチュエータの研究(西義武、内田晴久、小笠原崇、沼崎謙一)
5.1はじめに
5.2水素吸蔵合金アクチュエータ
5.2.1アクチュエータ
5.2.2LaNi5水素吸蔵合金
5.2.3ユニモルフ構造
5.3触媒処理による応答性の向上
5.4応用展開
5.4.1大変位アクチュエータ
5.4.2電流制御
5.4.3医療用ソフトアクチュエータ
5.5実用化のための課題と問題点
5.5.1現状における問題点
5.5.2改善提案
5.6おわりに
第6章マルチフェロイクス複合材料の研究開発
1知能(スマート)化技術(イントロダクション)(古屋泰文)
1.1はじめに(知能化技術とはなにか)
1.2知的材料システムの工学的意義
1.3知的(スマート)複合材料システムの設計・開発
1.3.1知的複合材料システムの設計と意義
1.3.2形状記憶合金強化複合材料システム
1.3.3損傷検知・修復機能スマートコンポジットボード
1.4おわりに
2強磁性形状記憶合金ならびに強磁性/形状記憶合金複合材料における材料設計とアクチュエータ設計(和田大志)
2.1強磁性形状記憶合金FePdの性質と材料設計
2.2強磁性/形状記憶合金複合材料の材料設計
2.3ばね型アクチュエータ
2.4回転型アクチュエータ
3スマート化技術(I:知的材料システム)(浅沼博)
3.1はじめに
3.2AMS創製のための新設計論
3.3AMSの一例
3.4アクティブラミネートの特性
3.5各種デモンストレータの試作
3.6おわりに
4スマート化技術(II:ヘルスモニタリング)(古屋泰文、今大健)
4.1はじめに(センサ技術の発展)
4.2構造健全性評価技術(ストラクチャヘルスモニタリング)
4.3米国でのSMART LAYER技術紹介(Stanford大学)
4.4多機能型SAWセンサデバイス設計・開発
4.4.1SAWセンサの原理
4.4.2米国での研究事例
4.4.3多機能型SAWセンサ設計と試作、その特性
4.5おわりに
5安心・安全化技術の進展(I:センサー材料システム)(岸本哲)
5.1はじめに
5.2研究動向
5.3今後の展開
5.4おわりに
6安心・安全化技術の進展(II:非破壊評価)(榎学)
6.1緒言
6.2応力記憶センサの原理
6.2.1繰り返し回数推定
6.2.2応力振幅推定
6.2.3最大応力推定
6.3応力記憶センサ特性評価
6.3.1試料
6.3.2疲労試験
6.3.3AE計測
6.3.4結果および考察
6.4まとめ
第7章ポリマー系アクチュエータ
1高分子ゲルアクチュエータ(安積欣志)
1.1はじめに
1.2イオン導電性高分子アクチュエータの構成と材料
1.3作製法
1.4応答モデル
1.5実験解析法
1.6応用研究例
2高分子系ソフトアクチュエータ(平井利博、高崎緑)
2.1はじめに
2.2高分子系ソフトアクチュエータ材料の分類
2.3膨潤収縮しない高分子ソフトアクチュエータ
2.4柔らかさの由来と多様な駆動の原理との関係
2.4.1柔軟性を付与している媒質の移動を伴う駆動
2.4.2媒質の移動によらずマトリックス高分子の移動による駆動
2.4.3媒質の共存しないソフト高分子の駆動
2.5おわりに
第8章流体系アクチュエータ技術
1磁性流体マイクロアクチュエータ(須藤誠一)
1.1はじめに
1.2磁性流体マイクロアクチュエータの駆動原理
1.2.1磁性流体マイクロモータの構成と駆動原理
1.2.2磁性流体マイクロレシプロケータの駆動原理
1.3磁性流体マイクロモータの回転特性
1.4磁性流体マイクロレシプロケータの周波数特性
1.5おわりに
2MR流体アクチュエータ(中野政身)
2.1はじめに
2.2MR流体のレオロジー特性と電気・力変換機構
2.2.1機能発現機構とレオロジー特性
2.2.2電気・力変換機構
2.3MR流体のスマートアクチュエータへの応用
2.3.1MR流体を用いた減衰力可変ダンパとセミアクティブ除振制御
2.3.2MR流体コンポジットブレーキを用いたコイル巻線用張力制御
2.3.3MR流体を活用したモーター用電磁ブレーキ
2.3.4その他のMR流体の応用例
2.4おわりに
3ER流体とECF(横田眞一)
3.1まえがき
3.2電気粘性流体ERF
3.2.1粒子分散系ERF
3.2.2均一系ERF
3.2.3ERFのアクチュエータへの応用
3.2.4粒子分散系ERFアクチュエータ
3.2.5均一系ERFアクチュエータ
3.3電界共役流体ECF
3.3.1ジェットを回転に利用(ECFマイクロモータ)
3.3.2ジェットによる圧力をソフトアクチュエータ駆動に利用
3.3.3ジェットを冷却に利用(極薄平面ポンプ)
3.4あとがき
第9章アクチュエータ・デバイス化技術の新展開
1圧電素子を利用した位置決め機構(樋口俊郎)
1.1圧電素子
1.2圧電アクチュエータの方式
1.3変位拡大機構
1.4インチワーム機構
1.5Walking Drive機構
1.6インパクトドライブ機構(IDM)
1.6.1細胞操作用マニピュレータ
1.6.2マイクロ放電加工機
1.6.3回転機構
1.6.4STM探針駆動機構
2超音波モータ(前野隆司)
2.1はじめに
2.2特徴と駆動原理
2.3応用例
2.4おわりに
3弾性表面波モータ(黒澤実)
3.1はじめに
3.2弾性表面波デバイスと原理
3.2.1レイリー波の利用
3.2.2デバイス材料
3.2.3作製プロセスとデバイス
3.2.4極微小な振動振幅
3.3これまでに実現された諸特性
3.3.1速度と推力
3.3.2微小送り
3.3.3効率改善
3.3.4マイクロ化・多次元化
3.4海外での動き
3.5おわりに
4圧電アクチュエータSIDMの原理とその応用(吉田龍一)
4.1はじめに
4.2駆動原理
4.3SIDMの高速化と必要な電圧波形
4.4駆動回路
4.5SIDMの試作ユニットと性能
4.6SIDMの応用
4.6.1携帯電話用カメラAF用アクチュエータ
4.6.2デジタルカメラ手振れ補正用アクチュエータ
4.6.3光ディスク収差補正用アクチュエータ
4.6.4位置決め用精密ステージ
4.7おわりに
5水熱合成法圧電膜を利用したマイクロモータ(森田剛)
5.1はじめに
5.2構造と原理
5.3水熱合成法を用いたPZT薄膜の合成
5.4PZT薄膜を用いた円筒型超音波モータ
5.5さらなる小型化へ
5.6まとめと今後の課題
6形状記憶合金アクチュエータ(本間大)
6.1形状記憶効果と形状記憶合金
6.2形状記憶合金アクチュエータの動作原理
6.3形状記憶合金アクチュエータの形式と構造
6.4通電加熱駆動と制御
6.5おわりに
7超磁歪アクチュエータ(江田弘、尾嶌裕隆)
7.1はじめに
7.2超磁歪
7.3TERFENOL-Dセンサーモデル
7.3.1補助方程式とモデリング
7.3.2非線形モデリングの手法
7.3.3非線形TERFENOL-D材料モデル
7.3.4透磁率の変化
7.4応用事例
第10章産業界としての要求(今泉伸夫)
1はじめに
2シーズとニーズの狭間
3マイクロブラシレスモータの課題
4直径2mm(φ2)ブラシレスモータ用肉薄円筒磁石
5金属ガラスを用いた減速ギアと細径ブラシレスギヤードモータ
6おわりに
第11章未来型アクチュエータ材料・デバイス研究開発への視点(古屋泰文、樋口俊郎)
1はじめに
2材料側研究(現状と新展開)
2.1アクチュエータ材料・デバイス研究開発への設計視点
2.2事例分析および新展開
2.3マルチフェロイクス材料・デバイス研究の現状と展開
2.4知的材料システム・デバイスへの研究展開
2.5材料製造プロセス・加工および評価技術の重要性
3未来型アクチュエータ設計・システム開発事例
4企業実用化開発への課題
5おわりに

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