JP4613555B2 - 有限要素解析による歯ブラシ柄部の設計方法、及び該設計に用いるコンピュータ解析システム - Google Patents

Description

本発明は、口腔清掃用具の設計方法と該設計方法に基づき製造される口腔清掃用具に係わり、より詳しくは、有限要素解析を用いることでプロセスの効率化を図ることができる設計方法及び口腔清掃用具に関する。

図９は、口腔清掃用具の典型的な設計サイクルを示しており、従来から消費者ニーズへの迅速な対応と製品開発の効率化を目的として、各工程の時間短縮化が図られている。とくにコンピュータを利用した設計案の作成や試作・評価技術（例えば、非特許文献１、２参照。）の向上が上記時間短縮化に寄与している。

また、従来は試作をした後の評価となることから、試作金型の製作コスト等を考慮すれば、いかに少ない回数で要求を満たす設計条件を見出すかが時間・コストの削減に繋がる。
更に、疲労設計においては、疲労試験に膨大な時間を要する上、疲労寿命がばらつきを有することから十分な信頼性を確保するためにはある程度の本数で試験を行わなければならず、それだけ時間とコストを要する結果となる。

伊藤龍、外３名，「非線形有限要素法による歯ブラシ毛の挙動解析」，日歯周誌,１９９４年，第３６巻，第１号，ｐ．１８８−１９６ 伊藤龍，「歯ブラシの毛の物性とその挙動」，歯科ジャーナル，１９９４年，第３９巻，第６号，ｐ．６０９，７４７−７５５

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、試作後の設計変更を少なくでき、口腔清掃用具の設計における効率化を図れるとともに、従来からの設計・試作の繰り返しによっては容易に設計しえなかった実際の口腔清掃における優れた機能性・操作性と、使用に十分耐えうる強度及び耐疲労性を兼ね備えた製品を提供できる口腔清掃用具の設計方法およびその設計方法に基づき製造される口腔清掃用具を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、口腔清掃用具の設計案に関する形状データ、材料データ及び境界条件を含む入力ファイルと、当該材料の物性データを含む物性ファイルと、有限要素法による強度解析をコンピュータに実行させるための解析プログラムとを設け、コンピュータが前記解析プログラムを実行することにより前記入力ファイル及び物性ファイルから必要データを読み込んで前記口腔清掃用具の有限要素解析を行い、コンピュータ出力された解析結果に応じて力学的評価を行った後、前記設計案の変更、あるいは口腔清掃用具の試作を行うことを特徴とする口腔清掃用具の設計方法を提供する。

なお、有限要素解析は、評価する対象を要素と呼ばれる微小単位に分割し、それらに加わる荷重等の条件をもとに、大規模な多次元方程式を解くことにより全体または局所的な挙動を把握する近似解法であり、構造物にかかる荷重等の値からそれによる変形状態、そのときに各所に発生する応力、ひずみを知ることができる手法である。

ここで、コンピュータに入力された設計案の外形データを有限要素に細分割し、形状データを自動作成させる支援プログラムを設けることが好ましく、特に、前記外形データがＣＡＤデータであることが好ましい。

また、前記支援プログラムが、前記形状データ、材料データ及び境界条件の少なくとも一つをコンピュータの画面操作により修正可能とし、該修正に応じて前記コンピュータに、重複節点の削除、要素分割等の形状データ、材料データ又は境界条件の変更を自動的に実行させることが好ましい。

また、前記物性ファイルの物性データが、材料試験による非線形特性値の実測値を区間線形近似した各データよりなることが好ましい。

また、複数の応力振幅における疲労試験を行ったデータベースを設けておき、前記力学的評価が、前記コンピュータの解析結果から求められる応力振幅と前記データベースより抽出された対応する疲労試験データとを比較し、疲労強度を評価してなることが好ましい。

更に、前記データベースに、疲労寿命のばらつきを考慮した信頼性に関する疲労設計基準を設定してなり、該基準に基づき設計案の疲労強度を評価することが好ましい。

また、前記設計案の変更が、力学的評価に応じて応力集中部への肉盛りあるいは周辺部の肉ぬすみを行う変更であることが好ましい。

また本発明は、上述の設計方法に基づき製造することを特徴とする口腔清掃用具をも提供する。

以上にしてなる本願発明に係る口腔清掃用具の設計方法は、口腔清掃用具の設計案について、試作品を製作する前にコンピュータ上で評価し、設計案の変更など煮詰める機会が与えられるため、試作後の設計案の変更を少なくでき、効率化を図ることができる。

また、コンピュータに入力された設計案の外形データを有限要素に細分割し、その節点数や要素数、節点座標値等の要素データからなる形状データを自動作成させる支援プログラムを設けたので、ユーザが手入力する時間・手間を省略し、より効率化を図ることができる。

また、前記外形データがＣＡＤデータであるので、設計案を作成したＣＡＤデータをそのまま入力すれば自動的に解析用のデータに変換される。

また、前記支援プログラムが、前記形状データ、材料データ及び境界条件の少なくとも一つをコンピュータの画面操作により修正可能とし、該修正に応じて前記コンピュータに、重複節点の削除、要素分割等の形状データ、材料データ又は境界条件の変更を自動的に実行させるので、解析結果に応じて容易に変更後の形状データや境界条件を作成し、或いは材料データを新しい材料データに置き換え、再度の強度解析を迅速に行わせることができる。

また、前記物性ファイルの物性データが、材料試験による非線形特性値の実測値を区間線形近似した各データよりなるので、合成樹脂材料に見られる非線形性特性まで記述したデータベースがなくても物性データを得ることができ、また、硬化温度、冷却時間等の製造工程や試験速度、温度等の環境に大きく依存する合成樹脂材料についてより強度解析に適した物性データを得ることができる。

また、複数の応力振幅における疲労試験を行ったデータベースを設けておき、前記力学的評価が、前記コンピュータの解析結果から求められる応力振幅と前記データベースより抽出された対応する疲労試験データとを比較し、疲労強度を評価してなるので、曲げ応力が繰り返し作用する口腔清掃用具に対して信頼性の高い製品を容易に設計できる。

また、前記データベースに、疲労寿命のばらつきを考慮した信頼性に関する疲労設計基準を設定してなり、該基準に基づき設計案の疲労強度を評価するので、疲労強度に関するより信頼性の高い口腔清掃用具を設計できる。

また、前記設計案の変更は、力学的評価に応じて応力集中部への肉盛りあるいは周辺部の肉ぬすみを行う変更が可能である。

また、これら設計方法に基づいて製造される口腔清掃用具は、設計段階の効率化によりコストダウンを図れるとともに、清掃性・操作性に優れ且つ使用に十分耐えうる強度及び耐疲労性を兼ね備えたより信頼性の高い設計案を設計段階で得ることができ、信頼性の高い製品を低コストで提供できる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係る設計方法の手順を示す説明図であり、図１〜８は代表的実施形態を示し、図中符号１はコンピュータ解析システム、２は形状ファイル、３は物性ファイル、４は記憶手段、５は処理装置、６は入出力部をそれぞれ示している。
尚、以下の説明においては口腔清掃用具である歯ブラシ、特に柄部の設計について説明するが、本発明はこのような柄部の部分のみならず植毛部や首部の設計にも好適であり、また、歯ブラシ以外にも電動歯ブラシ、義歯ブラシ、フロッサー、歯間ブラシ、イリゲータ等の種々の口腔清掃用具に適用できる。

本発明に係る口腔清掃用具の設計方法は、図１及び図４に示すように、設計案を作成した後（Ｓ１０１）、コンピュータ解析システム１により有限要素解析を行い（Ｓ１０２）、コンピュータ出力された解析結果に応じて力学的評価を行うことにより（Ｓ１０３）、前記設計案の変更（Ｓ１０４）、または口腔清掃用具の試作・試験（Ｓ１０５）及び評価（Ｓ１０６）を行うものである。

なお、このように口腔清掃用具の強度評価に有限要素解析を用いた場合、材料が合成樹脂であることからその応力−ひずみ関係は非線形性を示す。よって本発明では、特にこの非線形性を考慮した解析を行う解析システムが構築されている。そして、コンピュータシミュレーションで強度解析を行うことにより、口腔清掃用具の試作・試験を行う前に評価し、設計案の変更等を可能とした。

コンピュータ解析システム１は、図２に示すように、処理装置５を中心に、記憶手段４、ユーザが画面上で操作できる入出力部６が接続され、その他記憶手段に入力ファイル２、物性ファイル３が記憶される。

前記処理装置５は、マイクロプロセッサを主体に構成され、図示しないＲＡＭ、ＲＯＭからなる記憶部を有して各種処理動作の手順を規定するプログラムや処理データが記憶される。この処理装置５は、具体的には、解析プログラム４１を実行して有限要素解析を処理する解析処理部５１及び後述の支援プログラム４２を実行して有限要素に再分割等する形状データ作成部５２を少なくとも備えている。
また、前記記憶手段４は、有限要素法による強度解析をコンピュータに実行させるための解析プログラム４１、支援プログラム４２、要素データ４３を少なくとも備えている。

入力ファイル２は、歯ブラシ柄部の設計案に関する形状データ２１、材料データ２２及びＸＹＺ各方向に関する拘束、荷重、強制変位等に関する境界条件２３のデータを有しており、また、物性ファイル３は、当該材料の物性データ３１が含まれている。コンピュータは前記解析プログラム４１を実行することで、入力ファイル２及び物性ファイル３から必要データを読み込み、前記柄部の有限要素解析が行われる。

解析に必要な形状データ２１は、ユーザ操作によりモデルを要素分割して作成することも勿論できるが、時間短縮、簡易化を支援すべく、コンピュータに入力された設計案の外形データを自動的に有限要素に細分割し、その節点数や要素数、節点座標値等の要素データからなる形状データを作成する支援プログラム４２が設けられている。
本例では、入力される外形データとして設計案のＣＡＤデータが利用可能とされており、支援プログラム４２は、ＣＡＤソフトで通常サポートされている三角形の組み合わせで物体表面を表すデータ形式（ＳＴＬ）の節点データを利用して有限要素の細分割を行う。

また、支援プログラム４２は、入出力部６の画面操作で形状データや材料データ、境界条件を容易に修正できる機能が付加されており、修正された結果に応じて重複節点の削除や要素分割等の形状データやどの部分を保持してどの部分に力をかけるか等を決める条件である境界条件、材料データの変更が自動的に為される。

なお、上述の支援プログラム４２はユーザにより作成されたＣＡＤデータ等の外形データをもとに有限要素の細分割をサポートするものであるが、例えば、図３に示すように、設計案の外形データを作成する段階から支援することも好ましい。
具体的には、まず部品の結合等によりラフモデルを作成し（Ｓ２０１）、要素を等分割する（Ｓ２０２）。次に、節点を移動させることでモデル形状を調整可能とし、調整後に再び要素を等分割化する（Ｓ２０３）。この調整・等分割（Ｓ２０２〜２０３）を繰り返し、任意のモデル形状、すなわち設計案を完成させることができる（Ｓ２０４）。そして、さらに解析のため細分割することで解析用モデルを作成する（Ｓ２０５）。

また、支援プログラムはいくつかのラフモデルを作成後にそれらを結合するモデルの結合機能や、結合したモデルで重複した節点、不要要素を削除し、出力時の節点番号をリナンバリングするとともに、各モデルの要素で節点を共有させる機能を有していることが好ましく、この作業を終えて別々に作成されたモデルは一つの連続するモデルとすることができる。

物性データ３１は、材料試験による実測、既存データベースの参照、仮想材料特性の入力等により取得可能である。本例においては、合成樹脂材料に見られる非線形性特性まで記述したデータベースがないこと、合成樹脂材料の物性は硬化温度、冷却時間等の製造工程や試験速度、温度等の環境に大きく依存すること等の理由から、平板試験片を用いた引張試験により材料強度値や非線形性を考慮した応力−ひずみ関係、ポアソン比を実測し、その結果を基に物性データを作成する例を説明する。

引張試験による材料特性、特に応力−ひずみ関係を得る方法はＪＩＳで定められている通りである。応力は、試験機に取付けたロードセルで荷重値を測定し、試験片断面の平均応力を計測する。ひずみは、ひずみゲージや差動トランス、応力塗料やモアレ法、光弾性実験法など何れの方法で測定してもよいが、価格や精度、取扱い性などの点からはひずみゲージによる測定方法が好ましい。

より詳しくは、０／９０°の２軸直交ひずみゲージを貼り付け、引張方向ひずみと同時に横方向ひずみを測定することで縦横の弾性係数を効率よく求めることができる。試験は静的引張を想定し、ひずみ速度が十分小さい範囲で行い、応力（荷重）、ひずみをデータロガーを介してコンピュータに記録する。同時に荷重−変位（チャック間変位）関係も記録し、後の物性値決定時に用いる。

そして、引張試験で得られた結果から、有限要素解析に用いる特性データに変換してデータベース化する。解析プログラムは、非線形性を考慮して、これらの値の入力形式として近似式のパラメータを入力する方法と材料の応力−ひずみ関係を各区間で線形として取扱う区間線形近似による方法が利用される。特に、区間線形近似による方法を用いて実験により得られた応力−ひずみ関係を数点のプロット点としてデータベース化すれば、変曲点がある場合もプロット点の間を線形補間して解析を実行することが可能となる。

なお、上述の引張試験から得られる結果は応力変位特性と初期における応力ひずみ特性である。解析用入力データは、最大応力までの応力ひずみ特性、ポアソン比であるが、一般にチャック間変位を標点間距離で除したひずみはひずみゲージにより測定した値と一致しない上、ひずみが大きくなるとひずみゲージが破断し、試験片破壊近傍まで十分にひずみを計測することができない。そこで、より正確を期すためには、初期のひずみゲージによるひずみと一致するようにチャック間変位を正規化し、最大応力点までの応力ひずみ特性を求めることで、破壊点近傍の応力変位線図を得ることが好ましい。
なお、ポアソン比については、通常の歯ブラシの素材では初期に変動が見られるもののその後は一定となるので、その場合は全体として一定とみなせばよい。

コンピュータ解析システム１による有限要素解析の結果は、入出力部６で変形、応力、ひずみ分布により画面表示され、ユーザはその画面上で力学的評価を行い、設計案についての既存データ（形状、材料、境界条件）の変更等をすることができる。

図５は細分割した歯ブラシの柄部設計案を示し、図６（ａ）はその解析結果を示している。この解析結果をみれば、柄部の基端側に応力が集中していることが分かる。そして、図中（ｂ）は画面操作により幅方向に肉盛りして再度解析した結果、図中（ｃ）は厚さ方向に肉盛りした結果、図中（ｄ）は幅方向及び厚さ方向の双方に肉盛りした結果を示している。このように力学的評価に応じて応力集中部への肉盛りあるいは周辺部の肉ぬすみを行う変更が画面上で容易にできるのである。また、本例では応力の集中を見たが、変形を動的にアニメーション表示したりひずみ分布を表示して、その評価に応じて設計案の変更等を行うこともできる。

また、繰り返し負荷を受ける歯ブラシの柄部の疲労強度を評価することが可能である。疲労試験を行うことで疲労試験データベース７が構築されている。それら疲労試験データ７１には、疲労寿命のばらつきを考慮した信頼性に関する疲労設計基準が設定されている。そして処理装置５の疲労評価処理部５３が、上述の有限要素解析の結果及び前記基準に基づいて設計案の疲労強度を評価する。

このようにして評価された疲労寿命ならびに製品設計モデルが設計要求を満たすものであれば、次の試作・試験プロセス（Ｓ１０５）へ進む。それが十分な寿命ではない場合は、応力集中箇所を緩和したり荷重負荷面積を増すなどして最大応力箇所の応力低減を図り、要求を満たす設計案を立て直すことになる（Ｓ１０４）。

本発明の実施形態に係る設計方法の手順を示す説明図。 同じく実施形態におけるコンピュータ解析システムの構成を示す説明図。 設計案の外形データを作成する段階から有限要素の細分割化までの手順を示す説明図。 コンピュータ解析システムにおける処理手順を示す説明図。 細分割した歯ブラシの柄部設計案を示す説明図。 （ａ）は歯ブラシの柄部の解析結果、（ｂ）は幅方向に肉盛りした解析結果、（ｃ）は厚さ方向に肉盛りした解析結果、（ｄ）は幅方向及び厚さ方向の双方に肉盛りした解析結果。 歯ブラシの典型的な設計サイクルを示す説明図。

符号の説明

１ コンピュータ解析システム
２ 入力ファイル
３ 物性ファイル
４ 記憶手段
５ 処理装置
６ 入出力部
７ 疲労試験データベース
２１ 形状データ
２２ 材料データ
２３ 境界条件
３１ 物性データ
４１ 解析プログラム
４２ 支援プログラム
４３ 要素データ
５１ 解析処理部
５２ 形状データ作成部
５３ 疲労評価処理部
７１ 疲労試験データ

Claims (2)

1. コンピュータにより歯ブラシ柄部の設計案について有限要素解析を行い、コンピュータ出力された解析結果に応じてユーザが力学的評価を行った後、前記設計案の変更、あるいは歯ブラシ柄部の試作を行なう歯ブラシ柄部の設計方法であって、
   前記コンピュータが、
   歯ブラシ柄部の設計案に関する形状データ、材料データ及び境界条件を含む入力ファイルと、歯ブラシ柄部の材料の物性データを含む物性ファイルとを有する記憶手段を備え、
   該コンピュータが、
   入出力部からユーザ操作により入力された設計案の外形データを、有限要素に細分割し、その要素データからなる形状データを作成して前記入力ファイルに記憶する手順と、
   前記記憶手段の入力ファイル及び物性ファイルから必要データを読み込み、前記柄部の有限要素解析を行なう手順と、
   前記有限要素解析の結果を、入出力部で変形、応力、ひずみ分布により画面表示する手順と、
   入出力部の画面上で力学的評価を行なったユーザの操作により修正される形状データ、材料データ又は境界条件の修正に応じて、重複節点の削除、要素分割等の形状データ、材料データ又は境界条件の変更を行い、前記入力ファイルに記憶する手順と、
   よりなることを特徴とする歯ブラシ柄部の設計方法。
2. コンピュータにより歯ブラシ柄部の設計案について有限要素解析を行い、コンピュータ出力された解析結果に応じてユーザが力学的評価を行った後、前記設計案の変更、あるいは歯ブラシ柄部の試作を行なう歯ブラシ柄部の設計に用いるコンピュータ解析システムであって、
   前記コンピュータが、
   歯ブラシ柄部の設計案に関する形状データ、材料データ及び境界条件を含む入力ファイルと、歯ブラシ柄部の材料の物性データを含む物性ファイルとを有する記憶手段と、
   入出力部からユーザ操作により入力された設計案の外形データを、有限要素に細分割し、その要素データからなる形状データを作成して前記入力ファイルに記憶する形状データ作成手段と、
   前記記憶手段の入力ファイル及び物性ファイルから必要データを読み込み、前記柄部の有限要素解析を行なう解析処理手段と、
   前記有限要素解析の結果を、入出力部で変形、応力、ひずみ分布により画面表示する手段と、
   入出力部の画面上で力学的評価を行なったユーザの操作により修正される形状データ、材料データ又は境界条件の修正に応じて、重複節点の削除、要素分割等の形状データ、材料データ又は境界条件の変更を行い、前記入力ファイルに記憶する手段とを備えたことを特徴とするコンピュータ解析システム。

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