シミュレーション技術の有効活用−

研究・開発・設計における実践ツールとして−

The Effective Use of Simulation Technology: A Practical Tool for Research, Development, and Design

高田久＊

Takata, Hisashi

要旨

２）試作の方向性を事前予測：試作および実験前にシ

最近、研究・開発・設計の各ステージで、開発効率向ミュレーションを行って、試作する価値があるかあ

上／設計品質確保の重要性は益々高まってきている。こるいは、どうすれば目的（仕様）を満足する試作にでれらを解決する一手法として、コンピュータ上に構築しきるかを事前に予測する。

たモデルを用いて仮想試作／仮想実験を行う「シミュ３）測定困難な実験の補足：一般的に実験で測定できレーション技術」がある。本稿では、シミュレーションる回数、部位は時間的コスト的制約によって、限られ技術とはどういうものか、またシミュレーション技術をる場合が多い。また、マイクロデバイスの過渡現象、有効活用するにはどうすべきか、さらには使用時の注意

化学反応等、現実問題として直接測定できないもの点等について、適用事例を紹介しながら説明する。

もある。測定できた現象とシミュレーションの計算結果を突き合わせて相関をとることで、より有用なAbstract情報を得ることができる。

Today in the field of research, development, and de-上記１）〜３）を実行するには、高価なシミュレー

sign, improving development efficiency and ensuring high-ションツールが必須と思われるかもしれない。先に「シquality design are of increasing importance. As one of the

ミュレーション技術とは、コンピュータ上で仮想試作／methods to serve these goals, simulation technology pro-

仮想実験を行うこと」と定義した。しかし広義の意味でvides virtual trial production and virtual experimentation

は、Fig.１に示すように理論式による手計算、電卓での計

via computer simulation models. Explained here, with ex-

算あるいは表計算ソフトを用いた簡易計算による手法もamples, are what simulation technology is, how it can be

シミュレーションにおける「モデル化」と言える。

used most effectively, and what should be kept in mind

すなわち精密モデル、詳細モデルになるほど、より現when using it.

１

はじめに当室では、コンピュータ上に構築したモデルを用いて仮想試作／仮想実験を行う「シミュレーション技術」を先行開発／導入するとともに、シミュレーション技術を必要とする部署への技術支援／適用を実施している。
本稿では、当室でのこれまでの実施内容を紹介するとともに、シミュレーション技術の概要、有効活用方法について説明する。

２

シミュレーション技術の概要

シミュレーション技術の目的は、以下の３つに大別できると考えている。
１）新規構成／デバイスの駆動原理等の理論背景把握：
過去に取り扱ったことのない方式や複数の原理を融合させた場合、系として成立できるかどうかをシミュレーション技術で判断／予測する。
＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱システム技術研究所 シミュレーション技術室

Fig.1 Various approaches of Simulation

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.1（2004）143実に近く精度も向上するが、その反面、入力すべき情報量は増加し、計算時間も増加してくるという傾向があ３）再びシミュレーションを実施する。というサイクルを２回実施し、初期の設計よりも最る。したがって、シミュレーション技術を有効活用する大応力値を低下させることができた。Fig.２に計算モには、各ステージで考慮すべき設計変数、パラメータをデル全体、Fig.３に結果の１例（変形＋応力コンター）過不足無く盛り込んだ、できる限りシンプルなモデル化を示す。

を行うことが重要である。

３

保有しているシミュレーション技術

現在、当室では以下のシミュレーション技術を保有している。
１）構造解析：構造物の変形、応力状態の計算。
静的線形計算および大変形、非線形、過渡応答、振動・騒音。圧電素子専用解析。
２）熱流体解析：自由表面を伴う流体解析および流れを考慮した伝熱解析
３）電磁場解析：電界解析、磁場解析およびそれらの連成解析。

Fig.2 Whole model of simulation

４）等価回路解析：電気特性、機械特性、音響特性を等価な回路に置き換え、これらの現象を複合的に扱うシステムシミュレーション。
５）化学解析：分子力学法、分子動力学法、分子軌道法、モンテカルロ法。
６）プロセス解析：単結晶 Si の異方性エッチング。
さらにこれらは、独立したシステムで存在するだけでなく、３DCADの３次元モデル形状を取り込んだり、品質工学（タグチメソッド、以下TM）における実験に活用したり、他の設計手法との融合を図っている。

４

適用事例

最近当室が関わったテーマで、シミュレーション技術を有効活用した事例を紹介する。
４．１

落下／衝撃解析

カメラ、携帯に代表される容易に持ち運びが可能な製品では、落下／衝撃を考慮した設計が必要となる。コニ
カミノルタセンシング株式会社では、次期オキシメータの設計にあたり、バラック出図前に落下／衝撃解析を実Fig.3 Examples of calculated results

施し、耐衝撃設計に活用した。
当初から、計算値の絶対値を評価するのは困難であ

本稿執筆時には、バラック組立てのステージであり、り、また設計側からみてもリスクも大きいことから、あ実物での評価は残念ながら別の機会に譲ることとする。

らかじめ現行機種で同様のシミュレーションを実施し、４．２

既存製品との相関関係を把握した後、１）初期設計案にてシミュレーションを実施し、衝突後の変形量／最大応力を計算／評価する。
２）許容値を越えた箇所の構成変更、厚み変更、リブ追加等の設計変更を実施する。

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流体解析

現在、コニカミノルタビジネステクノロジーズ株式会
社では、感光体塗布液製造工程（分散）において、更なる効率向上／処理量向上が望まれている。分散のメカニ
ズムおよび各パラメータの影響を流体解析の観点から明KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.1（2004）

難、分散効率を何で評価すべきか等の課題はあるが、今らかにし、改良案を提示する。
Fig.４ にバッチ型分散機外観を示す。左図が中で回転するローターおよびディスクであり、右図が容器であ後は「循環式」等のより処理効率が向上する方式へも適用し、活用していく。

る。この容器中に溶剤、顔料およびビーズを入れて攪拌することにより、所望の塗布液を作製する。

４．３

化学解析

高分子材料の開発／設計は実験が主体であり、多大な時間と労力がかかっている。実験の効率化、試作精度の向上を目的として、化学解析に取り組んでいる。ポリマーの基本特性の１つであるガラス転移温度（Tg）を分子力学計算、分子動力学計算にて予測した。
Fig.６にポリスチレン（PS）の初期構造を示す。高温から一定温度（15Ｋ）ごとに降温させ、安定した状態の体積をプロットする。

Fig.4 Appearance of dispersing machine

まず現状の形状／条件でシミュレーションを実行し、容器内の流れの様子（旋回流、上下流、流れの滞留箇所等）を明らかにした。Fig.５に計算結果の１例（速度ベクトル＋塗布液の液面形状）を示す。

Fig.6 Initial structure of PS

Fig.5 Examples of calculated results

その後、実験結果も参考にしながら、シミュレーションの計算範囲を限定してモデルの簡略化を行った。さらにＴＭと組み合せて、各パラメータ（ディスク径、ディスク厚み、ディスク間距離、回転数等）の影響度を明ら

Fig.7 Volume− Temperature relation of PS

かにした。その結果、Fig.７にPSの温度と体積の関係を示す。破線がTgの文

１）上下流を大きくする構成とする。
２）滞留しがちなビーズに運動エネルギーを与える構成とする。

献値である１）。若干のばらつきが見られるが、Tgを境に体積が大きく変化している傾向が見られる。同様にFig.８という知見が得られた。にポリメチルメタクリレート（PMMA）の場合を示す。

ビーズの動き／衝突を考慮したシミュレーションが困

こちらは、明確な変曲点が生じ、Tgが予測できる。

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５

今後

シミュレーション技術の大きな流れは、①

新たな現象のモデル化／計算精度の向上②

使い勝手の向上に大別される。①については、既存の保有技術のさらなる向上、異なる分野のシミュレーションの連成解析（構造−流体、電磁場−熱 等）に取り組んでいく。さらにマクロ（連続体力学）とミクロ（分子、原子レベル）の中間に位置する領域であるメゾスケールのシミュレーションに取り組む予定である。これらのシミュレーション技術を獲得することにより、超微粒子／超薄膜のモデル化や、新材料／物質の開発に活用できる有効なツールにしていきたい。
②については、「自動化｣に取り組んでいく。これは、Fig.8 Volume− Temperature relation of PMMA

類似の手順による一連のシミュレーションプロセス、ＴＭとの融合におけるパラメータの割り付け等について、シミュレーション対象により、誤差が大きい場合がモデル構築の煩雑さの解消／入力ミスの防止を目的としあったり計算時間がかかるといった課題はあるが、今後ている。さらに、目標とする仕様（変形、応力、温度は精度を向上させるモデル化、複合材料のモデル化等に等）を、指定した制約条件の中でベストの解を出す「最取り組む予定である。

適化」にも取り組む予定である。
また、①②両方に関わるが、計算精度の向上、計算時４．４シミュレーション技術ポータルサイト間の短縮化を目的として、計算ハードウェア環境の向上

当室では、シミュレーション技術が必要な技術者向けにも取り組んでいく。一昔前であればスーパーコンのポータルサイトを構築／運用している。シミュレー

ピュータでしか計算できなかった大規模／複雑モデルでション技術全般、適用事例の紹介、関連部署／ベンダーも、近年はＰＣでも可能となってきている。さらに、複へのリンク等をコニカミノルタグループ内向けにウェブ数のＰＣをネットワークで繋いで計算速度を向上させるで公開しているので、是非ご参照いただきたい。
（Fig.９）「ＰＣクラスター」も実用的になりつつあり、こちらの今後さらに有用な「シミュレーションデータベース」構築にも取り組む予定である。にレベルアップして行きますので、気軽にご質問ご要望をいただきたく思います。

６

URL http://cse.iie.konicaminolta.jp

まとめ

本稿では当室が保有しているシミュレーション技術および適用事例の一部を紹介した。しかし、テーマや製品注）申し訳ありませんが、上記URL はコニカミノルタグループ内のみ閲覧可能です。

特有のシミュレーション技術も存在し、当室だけでは無く、他テーマおよび各事業会社でも活用されている。
今後も社内／社外を問わず、シミュレーション技術に関わる部署、人との技術交流を通じて、お互いのレベルアップを図り、コニカミノルタグループ内での新たなシミュレーション技術開発およびさらなる有効活用のきっかけになれば幸いである。
最後に、事例紹介に際し、本稿掲載をご了承いただいた関係部署の皆様に厚く御礼を申し上げます。
●参考文献
１）J.Brandrup, E.H.Immergut, E.A.Grulke,"Polymer Handbook", 4th ed. A Wiley-Interscience
Publication, USA, 1999, p. Ⅵ /193 .

Fig.9 Homepage of Simulation Technology Division

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