(57)【要約】【課題】複数の樹脂部品が溶着された樹脂製品において、溶着用の壁部分を薄く軽量化し、樹脂製品に内圧が作用した場合にも充分な耐圧力を確保する。【課題を解決するための手段】溶着用壁の位置を変えることによって、樹脂製品に内圧が作用したときに溶着部に発生する応力が変化することを見いだした。溶着用壁の位置を適値に選択すると、溶着用壁を外向きに曲げる応力と内向きに曲げる応力が相殺される状態が得られ、溶着部にかかる応力を最小化できる。溶着用壁の位置を最適化した樹脂製品は、薄くて軽量な溶着用壁から構成されていても、耐圧力を確保することができる。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている壁同士を溶着して閉じた断面を形成している樹脂製品であり、
閉じた断面の内側に作用する圧力に起因して発生する、溶着された壁を外向きに変形させる応力と内向きに変形させる応力がほぼ相殺され、溶着された壁に発生する応力が溶着された壁の内側から外側までほぼ一様に分布していることを特徴とする樹脂製品。
【請求項２】
２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている壁同士を溶着して閉じた断面を形成している樹脂製品であり、
閉じた断面の内側に作用する圧力に起因して溶着された壁に発生する応力が、溶着された壁の内側から外側に至るまで一様に引張応力であることを特徴とする樹脂製品。
【請求項３】
２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている、閉じた断面を形成する断面形成用の壁の外側に形成されている溶着用の壁同士を溶着して閉じた断面を形成する樹脂製品を設計する方法であり、
断面形成用壁と溶着用壁の距離をパラメータとして、閉じた断面の内側に圧力を作用させたときに溶着された壁に発生する応力の壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算する工程と、
計算された応力分布がほぼ一様となるパラメータを選択する工程
とを備えている樹脂製品の設計方法。
【請求項４】
２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている、閉じた断面を形成する断面形成用の壁の外側に形成されている溶着用の壁同士を溶着して閉じた断面を形成する樹脂製品を設計する方法であり、
断面形成用壁と溶着用壁の距離をパラメータとして、閉じた断面の内側に圧力を作用させたときに溶着された壁に発生する応力が、壁の内側から外側に至るまで一様に引張応力となるパラメータを選択する工程
とを備えている樹脂製品の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インテークマニホールド、エアクリーナタンク、キャニスタ容器等のように、内側に圧力が作用することがある樹脂製品とその設計方法に関する。特に、２以上の樹脂部品を溶着して形成した樹脂製品とその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】２以上の樹脂部品を溶着することによって、インテークマニホールド等のように内側に圧力が作用することがある樹脂製品を形成する技術が知られている。この場合、２以上の樹脂部品のそれぞれに溶着用の壁を形成しておく。その壁同士を溶着することによって樹脂部品同士を締結する。この樹脂製品の内側には、閉じた断面が確保される。
２以上の樹脂部品を溶着して樹脂製品を製造する技術が特許文献１，２に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３５０６３号公報
【特許文献２】
特開２０００−１７３２２９号公報
【０００４】
２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている壁同士を溶着して閉じた断面を持つ樹脂製品を製造し、その閉じた断面の内側に圧力を作用させると、溶着部で破断しやすい。
現状では、圧力をかけたときに破断しやすい部位を特定し、その部位における溶着用の壁の壁厚を厚くする処理を試行錯誤的に繰返し、圧力に耐えられる形状に修正していく。
強度計算の手法が発達しており、例えば、特許文献３，４に記載の技術を利用することによって、樹脂製品の設計段階で強度計算結果を利用することが可能となり、試行錯誤の回数を減らすことができる。
【０００５】
【特許文献３】
特開２００１−３３１５３３号公報
【特許文献４】
特開２００１−２９７１１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、圧力をかけたときに破断しやすい部位において、溶着用の壁の壁厚を厚くする。強度計算の手法を採用することによって、圧力をかけたときに破断しやすい部位を特定したり、必要な壁厚を計算したりすることが可能となる。
しかしながら従来の技術は、溶着部にかかる力に対して必要な壁厚を計算するに留まり、薄くて軽量な壁で耐圧力を確保できる可能性を追及していない。
本発明者らは、溶着用の壁の位置（製品中における位置）を変えることによって、溶着部に発生する応力の大きさが変化することを見出し、溶着用の壁の位置を的確に選定することによって、薄くて軽量な壁で耐圧力を確保できることを見出した。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用】請求項１の発明は、本発明で創作された樹脂製品であり、２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている壁同士を溶着して閉じた断面を形成している。本発明で創作された樹脂製品の場合、閉じた断面の内側に作用する圧力に起因して溶着された壁に応力が発生するところ、溶着された壁を外向きに変形させる応力と内向きに変形させる応力がほぼ相殺され、溶着された壁に発生する応力が溶着された壁の内側から外側までほぼ一様に分布していることを特徴とする。
本発明者らの検証によって、溶着用の壁の位置によって、溶着された壁を外向きに変形させる応力が大きくなったり、内向きに変形させる力が大きくなったりすることが確認された。そして、溶着用の壁の位置を選定することによって、溶着された壁を外向きに変形させる応力と内向きに変形させる応力がほぼ相殺される状態が得られることを確認した。
この場合、溶着部に作用する応力が最小化され、薄くて軽量な壁で耐圧力を確保できることが確認された。従来の技術は、溶着用の壁の位置によって溶着部に作用する応力を最小化できるという知見を活用しておらず、必要な力に耐えられるだけの壁厚を確保することで対応するために、しばしば厚くて重い壁が必要とされた。
【０００８】
請求項２の樹脂製品の場合、閉じた断面の内側に作用する圧力に起因して溶着された壁に発生する応力が、溶着された壁の内側から外側に至るまで一様に引張応力であることを特徴とする。即ち、溶着部に圧縮応力が作用しないことを特徴とする。
溶着用の壁の位置を選定することによって、溶着された壁を外向きに変形させる応力と内向きに変形させる応力がほぼ相殺され、壁を曲げるときに生じる圧縮応力が作用しないようにできる。溶着部に圧縮応力が作用しないときには、溶着部に生じる応力の最大値が効果的に低減され、薄くて軽量な壁で耐圧力を確保できることが確認された。
【０００９】
請求項３の発明は、２以上の樹脂部品のそれぞれに形成されている、閉じた断面を形成する断面形成用の壁の外側に形成されている溶着用の壁同士を溶着して閉じた断面を有する樹脂製品を設計する方法であって、断面形成用壁と溶着用壁の距離をパラメータとして、閉じた断面の内側に圧力を作用させたときに溶着された壁に発生する応力の壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、計算された応力分布がほぼ一様となるパラメータを選択することによって溶着用壁の位置を決定することを特徴とする。
本発明の設計方法によると、断面形成用壁と溶着用壁の距離を決定する際に、断面形成用壁の内側に圧力を作用させたときに溶着された壁に発生する応力がほぼ一様となって最小化される距離が選択される。これによって、壁間の距離を最適化しない場合に比較して溶着用の壁が薄くて軽量である場合でも、発生する応力が最小化されているために耐圧力を確保した樹脂製品を得ることができる。
【００１０】
請求項４の発明にかかる樹脂製品の設計方法は、断面形成用壁と溶着用壁の距離をパラメータとして、閉じた断面の内側に圧力を作用させたときに溶着された壁に発生する応力分布を計算し、壁の内側から外側に至るまで一様に引張応力となるパラメータを選択することによって樹脂製品の溶着用壁の位置を決定する。本発明の設計方法によって設計された樹脂製品は、溶着部に引張応力のみが作用しており壁を曲げるときに生じる圧縮応力が発生しないために、溶着部に生じる応力の最大値が効果的に低減されている。これにより、薄くて軽量な溶着用壁によって耐圧力を確保した樹脂製品を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に説明する実施例の主要な特徴を、次に列記する。
（形態１）  閉じた断面を形成する断面形成用壁と、その外側に形成された溶着用壁を持つ樹脂部品を溶着して樹脂製品を形成する。第１樹脂部品と第２樹脂部品の溶着用壁同士が溶着して、内側に閉じた断面を有する樹脂製品が得られる。
（形態２）  閉じた断面の内側に圧力を作用させたときに、溶着された壁に発生する応力の分布を、壁の内側から外側に至るまで計算する。
（形態３）  断面形成用壁と溶着用壁の距離を変えながら溶着された壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、応力の絶対値の最大値が最小となる距離を選択する。
（形態４）  断面形成用壁と溶着用壁の距離を変えながら溶着された壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、最大応力と最小応力の差が最小値となる距離を選択する。
（形態５）  断面形成用壁と溶着用壁の距離を変えながら溶着された壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、応力の絶対値の最大値が所定値以下となる距離を選択する。
（形態６）  断面形成用壁と溶着用壁の距離を変えながら溶着された壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、最大応力と最小応力の差が所定値以下となる距離を選択する。
（形態６）  断面形成用壁と溶着用壁の距離を変えながら溶着された壁の内側から外側に至るまでの応力分布を計算し、応力が一様に引張応力となる距離を選択する。
【００１２】
【実施例】以下に、本発明の樹脂製品とその設計方法の実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例では、図１に模式的に示す、インテークマニホールド２のサージタンク４を設計して形成する。インテークマニホールド２の全体図を図１に示し、サージタンク４の断面図を図２に示す。サージタンク４には複数の吸気パイプ１０が接続されていて図示されないエンジンの各気筒に均等に空気を供給する。サージタンク４は非常に複雑な形状をしているが、上半分を形成する第１樹脂部品６と下半分を形成する第２樹脂部品８が溶着部１２で溶着されてサージタンク４を形成している。サージタンク４には、エンジンのバックファイヤ等により内部に正の圧力が作用する場合がある。正の圧力が作用した場合でも破断しないだけの充分な強度が、溶着部１２に求められる。
【００１３】
図３に、第１樹脂部品６と第２樹脂部品８の溶着部１２付近の詳細図を示す。第１樹脂部品６の下部には、閉じた断面を形成する断面形成用壁１４が全周に亘って形成されており、断面形成用壁１４の外側に所定距離を隔てた部位において溶着用壁１８が全周に亘って形成されている。断面形成用壁１４と溶着用壁１８はフランジ壁１９で一体化されている。第２樹脂部品８の上部には、閉じた断面を形成する断面形成用壁１６が全周に亘って形成されており、断面形成用壁１６の外側に所定距離を隔てた部位において溶着用壁２０が全周に亘って形成されている。断面形成用壁１６と溶着用壁２０はフランジ壁２１で一体化されている。第１樹脂部品６の断面形成用壁１４と溶着用壁１８との間の距離は、第２樹脂部品８の断面形成用壁１６と溶着用壁２０の距離に等しくなっている。溶着用壁１８の先端と溶着用壁２０の先端を振動させて溶着することによって、断面形成用壁１４と断面形成用壁１６も実質的に接合される。断面形成用壁１４と断面形成用壁１６の内側に閉じた断面が形成される。
【００１４】
強度計算の手法を用いることによって、サージタンク４の内側の閉じた断面に圧力が作用した場合に生じる溶着部１２周辺の応力分布を精度よく計算することができる。強度計算には、市販の有限要素法による構造解析ソフトウェアを使用することが可能であり、使用するソフトウェアに特に制約はない。これらのソフトウェアによって、サージタンク４全体の解析モデルを作成して応力分布を解析することも可能であるし、又溶着部１２周辺のモデルを作成してモデルの端部にはサージタンク４の形状と内圧の条件を模した境界条件を設定し、モデル化した部分の応力分布を計算することも可能である。
【００１５】
本発明者らは、応力分布を計算することによって、接合部に生じる応力の原因を定性的に把握することに成功した。本発明者らの研究によって、接合部には主として２種類の応力が重複して加わることが確認された。
図４に、第１の原因による応力を模式的に示す。溶着壁１８，２０と平行に伸びる断面形成用壁１４，１６に矢印で示される圧力が作用して断面形成用壁１４，１６が外側に膨張することによって、溶着された壁１８，２０全体が外向きに変形する。この現象によって生じる応力は、溶着部１２の外側では引張応力となり、内側では圧縮応力となる。
図５に、第２の原因による応力を模式的に示す。溶着された壁１８，２０と垂直に伸びる断面形成用壁１４，１６に矢印で示される圧力が作用することによって、溶着された壁１８，２０は内側に変形する。この現象によって生じる応力は、溶着部１２の外側では圧縮応力となり、内側では引張応力となる。
実際の製品に生じる事象は、第１の原因による応力分布に、第２の原因による応力分布が重畳したものとなる。この場合、製品によっては、第１の原因が大きく影響する場合もあれば、第２の原因が大きく影響することもある。
【００１６】
本発明者らの研究によって、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の間の距離によって、第１の原因が大きく影響したり、第２の原因が大きく影響したりすることがわかった。それがわかったために、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の間の距離を適値に選択すると、第１の原因に起因する応力と第２の原因に起因する応力を同程度とし、両者をほぼ相殺させられることがわかった。
【００１７】
図７は、溶着部１２の内側から外側までの垂直応力の分布の一例を示す。横軸は、溶着部１２の内側からの距離を示している。縦軸は、垂直応力を示し、引張応力を正で示し、圧縮応力を負で示している。溶着部１２の内側で圧縮応力が発生し、外側で引張応力が発生している。即ち、図４に模式的に示した第１の原因が強く影響していることがわかる。応力の絶対値は溶着された壁１８，２０の外側表面で最大となっており、応力は正負に分布している。
図８は、溶着部１２の内側から外側までの垂直応力の分布の他の例を示す。溶着部１２の内側で引張応力が発生し、外側で圧縮応力が発生している。即ち、図５に模式的に示した第２の原因が強く影響していることがわかる。応力は正負に分布している。
【００１８】
本発明者らの研究によって、図７と図８に例示した応力分布の傾きに、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の間の距離が大きく影響していることが確認された。他の条件を同じにしておいても、前記距離を変えることによって、図７の右上がりの応力分布となったり、図８の右下がりの応力分布となったりすることを見出した。
多くの実験によって、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の距離が近接している場合に、第１の原因が強く影響して、図７の右上がりの応力分布となり、距離が長い場合に、第２の原因が強く影響して、図８の右下がりの応力分布となることが見出された。
【００１９】
以上の知見が得られたために、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の間の距離を適値に選択することによって、第１の原因に起因する応力と第２の原因に起因する応力を同程度とし、両者をほぼ相殺させる発想が得られた。
図９は、図７の場合の距離よりも長くし、図８の場合の距離よりも短くした場合に得られる応力分布を示す。溶着部１２のどこにも圧縮応力が発生せず、内側から外側まで一様に引張応力となっている。図７，８、９を比較すると明らかに、断面形成用壁１４，１６と溶着用壁１８，２０の間の距離を適値に選択することによって第１の原因に起因する応力と第２の原因に起因する応力をほぼ相殺させると、溶着部１２のどこにも圧縮応力が発生せずに内側から外側まで一様に引張応力となる状態が得られ、このときに垂直応力の絶対値の最大値が最小化される。図９の応力分布が得られる状態を図６に示す。溶着用壁１８，２０は曲げ変形せず、板厚と垂直な方向に引っ張られている。
【００２０】
断面形成用壁１４，１６の中心から溶着用壁１８，２０の中心までの距離をＬとする。Ｌを適値に選択することによって、第１の原因に起因する応力と第２の原因に起因する応力をほぼ相殺して溶着部１２のどこにも圧縮応力が発生せずに内側から外側まで一様に引張応力となる状態を得ることができる。このときに、図７、図８に比して、最大応力の絶対値が減少し、溶着部で破断することが効果的に防止される。
溶着部１２のどこにも圧縮応力が発生せずに内側から外側まで一様に引張応力となる状態のなかでも、最大応力と最小応力の差が最小値となる距離Ｌを選択することが好ましい。最大応力と最小応力の差が所定値以下に収まる条件で距離Ｌを選択してもよい。応力の絶対値の最大値が最小となる距離を選択するようにしてもよい。あるいは、応力の絶対値の最大値が所定値以下となる距離を選択するようにしてもよい。多くの場合に、いずれに指標によっても、ほぼ類似する距離Ｌを決定することができる。
【００２１】
以下に、溶着部１２周辺の耐圧力に優れたサージタンク４の設計方法と、その設計方法によって得られるサージタンク４について説明する。設計方法の処理手順を図１０に示す。
ステップ２で距離Ｌを仮に定める。ステップ４でサージタンク４の溶着部１２周辺の応力解析モデルを作成する。ステップ６でサージタンク４の内部に圧力が作用した場合に溶着された壁１８，２０に発生する応力を計算する。ここでは、溶着された壁１８，２０の内側から外側に至るまでの垂直応力の分布を計算する。ステップ８で応力分布を出力する。ステップ１０以下で応力分布を分析する。
【００２２】
図７のように、溶着された壁１８，２０を外向きに変形させる力が強く働く場合には、溶着された壁１８，２０の内側に圧縮応力が発生する。この場合には、ステップ１０がノーとなってステップ１２がイエスとなる。この場合には、ステップ２で設定した距離Ｌが狭すぎるので、距離Ｌをαだけ広くする修正をし（ステップ１４）、ステップ４以下をやり直す。
図８のように、溶着用壁１８，２０を内向きに変形させる力が強く働く場合には、溶着用壁１８，２０の外側に圧縮応力が発生する。この場合には、ステップ１０、１２が共にノーとなってステップ１６がイエスとなる。この場合には、距離Ｌが広すぎるので、距離Ｌをαだけ狭くする修正をし（ステップ１８）、ステップ４以下をやり直す。
【００２３】
ステップ１４と１８によって、溶着された壁１８，２０を外向きに変形させる力と内向きに変形させる力を相殺する方向に、距離Ｌが増減修正されていく。修正した結果、溶着部１２の壁の内側から外側まで一様に引張応力となったときにステップ１０がイエスとなる。ステップ１０がイエスとなる距離Ｌを選択すると、溶着された壁１８，２０を外向きに変形させる力と内向きに変形させる力がほぼ相殺される設計が得られる。
【００２４】
本実施例では、さらに、計算された応力分布（一様に引張応力となっている）の最大引張応力と最小引張応力の差を求め、これが所定値以下に収まっているか否を判断する（ステップ２０）。所定値以下に収まっていなければ、ステップ２４で距離Ｌを微小量修正して応力を計算しなおす。ステップ２４では、最大引張応力と最小引張応力の差を低減する方向に距離Ｌを増大または縮小する。
以上を繰返すことによって、応力分布がほぼ一様であって最大引張応力と最小引張応力の差が所定値以下に収まる距離Ｌが選択される。
【００２５】
ステップ２０の指標に代えて、引張応力の最大値を所定値と比較する方式、引張応力の最大値を最小とする距離Ｌを探索する方式、最大引張応力と最小引張応力の差が最小となる距離Ｌを探索する方式が取りえる。あるいは、ステップ１０で処理を終了してもよく、それだけでも、溶着された壁１８，２０を外向きに変形させる力と内向きに変形させる力がほぼ相殺される設計が得られる。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例では強度計算を繰り返して断面形成用の壁と溶着用の壁の距離を選択する場合について説明したが、ひずみゲージ等の実測手段を用いたり、又強度計算と実測手段を併用して溶着用の壁に引張応力のみが作用する距離を選択することも可能である。強度計算によって応力を求めて断面形成用の壁と溶着用の壁の距離を選択する際には、実施例で使用した垂直応力を指標とするほかに、ミゼスの相当応力などの出力が容易な応力成分を利用することもできる。
【００２７】
【発明の効果】本願発明の樹脂製品とその設計方法によると、溶着用壁の位置を変更することによって、溶着部に発生する応力が一様に引張応力となる樹脂製品または設計が得られ、溶着部にかかる負担を軽減できる。本発明によると、軽量な溶着用の壁によって耐圧力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例にかかわるサージタンクとインテークマニホールドを模式的に示す図。
【図２】サージタンクの断面図。
【図３】サージタンクの溶着部周辺の拡大断面図。
【図４】断面形成用壁に内圧が作用したときに溶着部周辺に生じる第１の変形を模式的に示す断面図。
【図５】断面形成用壁に内圧が作用したときに溶着部周辺に生じる第２の変形を模式的に示す断面図。
【図６】第１の変形と第２の変形が相殺される場合に、溶着部周辺に生じる変形を模式的に示す断面図。
【図７】溶着用壁の内側に圧縮応力が発生したときの溶着部の応力分布図。
【図８】溶着用壁の外側に圧縮応力が発生したときの溶着部の応力分布図。
【図９】溶着用壁の応力が最小化されたときの溶着部の応力分布図。
【図１０】断面形成用壁と溶着用壁の距離を最適化する設計の処理手順図。
【符号の説明】
２：インテークマニホールド
４：サージタンク
６：第１樹脂部品
８：第２樹脂部品
１０：吸気パイプ
１２：溶着部
１４，１６：断面形成用壁
１８，２０：溶着用壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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