(57)【要約】【課題】  基材が薄くて大変形を伴う場合においても、基材を表す基材要素の振動を抑えて安定的に解を得ることができる連成解析装置を提供する。【解決手段】  連成解析装置１００は、剛体を表す剛体要素を設定する剛体要素設定部３と、基材を表す基材要素を設定する基材要素設定部４と、流体を表す流体要素を設定する流体要素設定部５と、剛体要素と基材要素との間に上限面を定義し、基材が上限面より剛体側へ変位しないように接触条件を設定する接触条件設定部１と、剛体要素設定部３によって設定された剛体要素と、基材要素設定部４によって設定された基材要素と、流体要素設定部５によって設定された流体要素と、接触条件設定部１によって設定された接触条件とに基づいて、流体の流動状態と基材の構造変形とを同時に連成解析する連成解析部２とを具備する。【選択図】  図１
2005131636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析装置であって、
前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定部と、
前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定部と、
前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定部と、
前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定部と、
前記剛体要素設定部によって入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定部によって入力された前記基材要素と、前記流体要素設定部によって入力された前記流体要素と、前記接触条件設定部によって入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析部とを具備する連成解析装置。
【請求項２】
前記接触条件設定部は、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定する請求項１に記載の連成解析装置。
【請求項３】
剛体に形成されたスリットを通って基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する処理をコンピュータに実行させる連成解析プログラムであって、
前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定処理と、
前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定処理と、
前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定処理と、
前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定処理と、
前記剛体要素設定処理によって入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定処理によって入力された前記基材要素と、前記流体要素設定処理によって入力された前記流体要素と、前記接触条件設定処理によって入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析処理をコンピュータに実行させる連成解析プログラム。
【請求項４】
前記接触条件設定処理は、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定する請求項３に記載の連成解析プログラム。
【請求項５】
剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析方法であって、
前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定ステップと、
前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定ステップと、
前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定ステップと、
前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定ステップと、
前記剛体要素設定ステップで入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定ステップで入力された前記基材要素と、前記流体要素設定ステップで入力された前記流体要素と、前記接触条件設定ステップで入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析ステップとを有する連成解析方法。
【請求項６】
前記接触条件設定ステップは、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定する請求項５に記載の連成解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために基材へ向かって押し出される流体の流動状態と、流体が塗布される基材の構造変形とを連成解析する連成解析装置、連成解析方法および連成解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、磁気テープ等の磁気記録媒体は、可撓性のフィルム（基材）に流体を塗布し、塗膜を形成することにより製造される。このような塗布工程においては、塗膜製造装置の構成や、流体の粘度特性、フィルムの搬送速度等の塗布条件が重要となる。
【０００３】
従来より、塗膜製造装置の設計、塗膜製造の条件を検討する際には、各種解析システムが利用されている。各種解析システムは、シミュレーションを行うことによって、例えば、塗料の圧力分布、速度等の流動挙動や、塗料が転移する基材の変形量等を予測するための解析を行う。設計者は、解析システムによる解析結果を参考にして、可撓性の基材に塗料が転移する塗布工程において、スジおよびムラ等の塗布欠陥が生じない均一な塗布を実現する最適な塗膜製造装置の構成および塗布条件を見出すことを試みる。
【０００４】
このような解析システムとして、塗料および塗料流路を微小要素に分割し、有限要素法、有限体積法および差分法等の数値解析を利用して基材に塗料が転移する流動挙動を解析する流動解析システムが利用されている。さらに、塗料から受ける荷重によって可撓性の基材が変形することを加味した構造変形と流体流動との連成解析システムも利用されている。
【０００５】
ここで、連成解析とは、流体解析と構造解析を同時実施することである。連成解析は、水圧により変形する配管の解析等、流体の流動と、該流体に接している構造体の変形とを同時に解析するモデルにおいてしばしば用いられる。
【０００６】
連成解析システムの例として、射出成型の分野においては、プラスチック成型用の金型設計のために利用される連成解析システムが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。この連成解析システムは、溶融樹脂の流体流動と、金型の構造変形とを連成解析して、金型の流動挙動、変形量等を予測する連成解析システムである。射出成型工程においては、塗布工程と比較して流体の速度が低く、また構造変形する弾性体の剛性が高い。そのため、射出成型工程の連成解析システムを、塗布工程の解析システムとして利用することは困難である。
【０００７】
塗布工程の解析方法として、有限要素法を用いて、流体と構造の連成解析を行う塗布流動解析が知られている（例えば、非特許文献１）。有限要素法の場合には、塗料の厚み、すなわち流体の自由表面形状を予測して微小要素を作成する必要がある。しかし、塗布工程においては、薄い基材が予測の範囲を超えて大きく変形する場合があり、有限要素法を用いた解析方法では、このような挙動の解析が困難である。また、例えば、塗料が基材に転移する箇所である動的接触線等、塗料の過渡的な流動を解析することも困難である。
【０００８】
このような、有限要素法を用いた解析方法では困難な解析を可能にする解析方法として、流体の自由表面形状を表現するためにＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ）法を用いた差分法または有限体積法による解析が一般に知られている。この差分法を用いた解析として、単層ダイコーティングにおける可撓性のフィルム（基材）の構造変形と、塗料の流動との連成解析が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。この解析は、厚さが１００マイクロメートル（μｍ）の比較的厚い基材における解析事例である。しかしながら、より薄い基材における解析をしようとすると、薄い基材は大きい変形を伴うので、計算上、基材が振動しやすくなり、安定解を得ることが困難となる。
【０００９】
以下、従来の同時連成解析装置について説明する。
【００１０】
図１０は、従来の同時連成解析装置が解析するモデルの構成の一例を示す図である。同時連成解析装置は、剛体６に形成されたスリットを通って、可撓性の基材７へ向かって押し出され、基材７へ塗布される流体８の流動状態と、流体８が塗布される基材７の構造変形とを同時に連成解析する。
【００１１】
図１０に示す解析モデルは、単層ダイコーティングを行うための塗膜製造装置のモデルである。図１０に示す解析モデルにおいて、スロットコーティングダイは剛体６としてモデル化されており、フィルムは基材７としてモデル化されている。塗料は流体８としてモデル化されている。この解析モデルでは、剛体６であるスロットコーティングダイに形成されたスリットから供給された流体８が、Ａ１で示される方向に走行している基材７に転移してＡ２で示される方向に流動していく。流体８の塗布流動およびそれに伴う基材７の構造変形が、従来の同時連成解析装置によって連成解析される。
【００１２】
図１１は従来の同時連成解析装置９０の構成を示すブロック図である。同時連成解析装置９０は、剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５、同時連成解析部９２を備えている。剛体要素設定部３は、剛体要素を設定する。剛体要素は、例えば、剛体６の位置、形状および密度等を表すデータである。基材要素設定部４は、基材要素を設定する。基材要素は、例えば、基材７の形状、位置、弾性率および密度等を表すデータである。流体要素設定部５は、流体要素を設定する。流体要素は、例えば、流体８の流量、速度、密度、粘性、流路等を表すデータである。同時連成解析部９２は、剛体要素、基材要素、流体要素に基づいて、流体の流動状態と基材の構造変形とを同時に連成解析する。
【００１３】
図１２は、同時連成解析装置９０における同時連成解析処理の流れを示すフローチャートである。同時連成解析部９２は、図１２に示すように、流体８の流体解析４００３と構造体（基材７）の変形解析４００２を同時に行う。流体解析４００３および構造体変形解析４００２は、剛体要素、基材要素および流体要素に基づいて、有限要素法、有限体積法または差分法などの数値解析を使用して行われる。
【００１４】
流体解析４００３では、流体８の速度、荷重（圧力）、位置等が得られる。流体解析４００３で得られた結果のうち、流体８と基材７との境界２６における、荷重（圧力）、速度等のデータは、流体−構造Ｉ／Ｆ４００４を介して、構造体変形解析４００２において利用される。構造体変形解析４００２では、基材７の速度、荷重（圧力）、位置等が得られる。構造体変形解析４００２で得られた結果のうち、流体８と基材７との境界２６における、基材７の速度、荷重（圧力）、位置等のデータは、流体−構造Ｉ／Ｆ４００４を通じて、流体解析４００３に利用される。このようにして、安定した解が得られるまで、流体解析４００３と構造体変形解析４００２が、流体−構造Ｉ／Ｆ４００４を介してデータをやり取りしながら繰り返される。
【００１５】
以上のように、同時連成解析装置９０は、流体８と基材７の境界２６において、荷重（圧力）、位置、速度等をそれぞれインターフェースし、流体８（塗料）の流動と、構造体（基材７）の変形の同時連成解析を実現している。
【００１６】
この連成解析により、厚さが１００マイクロメートルの比較的厚い基材における解析が可能である。解析結果は、最適な塗膜製造装置の形状および塗布条件（例えば、スリット形状、塗料物性等）を見出すための指針となる。
【特許文献１】特許第２５４０２３２号明細書
【特許文献２】特許第２５４０２３３号明細書
【非特許文献１】ＭＩＫＩＯ  ＴＯＭＡＲＵ  ａｎｄ  Ｌ．Ｅ．ＳＣＲＩＶＥＮ："Ａ  ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ  ＳＴＵＤＹ  ＯＦ  ＴＷＯ−ＬＡＹＥＲ  ＷＥＢ−ＴＥＮＳＩＯＮＥＤ  ＳＬＯＴ  ＣＯＡＴＩＮＧ"、９ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｍａｙ  １７、１９９８
【非特許文献２】「ＦＬＯＷ−３Ｄ  アプリケーションセミナー２００２資料」（２００２年１２月５日  ＦＬＯＷ−３Ｄ  アプリケーションセミナー、主催：株式会社エス・イー・エイ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
可撓性の基材に塗膜を形成し製造される製品の一つに、例えば、磁気記録媒体が挙げられる（磁気記録媒体には、磁気テープが含まれる）。磁気記録媒体においては、その高容量化のために、基材の厚さを２マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下程度に薄くすることが求められている。このように基材が薄いと、計算上、基材が大変形を伴って振動しやすくなるため、前述した従来の同時連成解析装置における計算では、解が発散して安定な解を得ることができないという問題があった。そのため、高容量の磁気記録媒体の製造に必要な解析装置を提供することは困難であった。
【００１８】
基材７が振動して解が発散する場合の解析結果の例を以下に示す。図１３（ａ）ないし図１３（ｃ）は、従来の同時連成解析装置９０によって解析される流体８の流動状態と流体８が塗布される基材７の構造変形とを説明するための図である。これらの図１３（ａ）ないし図１３（ｃ）には、図１０に示す解析モデルの計算結果の例が示されている。時刻ｔ＝５．０ミリ秒（ｍｓ）（図１３（ａ））においては、基材７が振動する。そして、時刻１４．２ミリ秒（ｍｓ）（図１３（ｂ））においては、基材７は、剛体６の位置を通り越して振動するという計算結果となる。次に、時刻１５．５ミリ秒（ｍｓ）（図１３（ｃ））においては、解が発散している。そのため、安定解を得ることができない。また、解析過程で、基材７が剛体６を貫通してしまい、解析結果は、現実的でない解析結果となる。
【００１９】
本発明の目的は、基材が薄くて大変形を伴う場合においても、基材を表す基材要素の振動を抑えて安定的に解を得ることができる連成解析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明にかかる連成解析装置は、剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析装置であって、前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定部と、前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定部と、前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定部と、前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定部と、前記剛体要素設定部によって入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定部によって入力された前記基材要素と、前記流体要素設定部によって入力された前記流体要素と、前記接触条件設定部によって入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析部とを具備する。
【００２１】
また、本発明にかかる連成解析プログラムは、剛体に形成されたスリットを通って基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する処理をコンピュータに実行させる連成解析プログラムであって、前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定処理と、前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定処理と、前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定処理と、前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定処理と、前記剛体要素設定処理によって入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定処理によって入力された前記基材要素と、前記流体要素設定処理によって入力された前記流体要素と、前記接触条件設定処理によって入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析処理をコンピュータに実行させる。
【００２２】
また、本発明にかかる連成解析方法は、剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析方法であって、前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定ステップと、前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定ステップと、前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定ステップと、前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との間に基材の変位の上限を表す上限面を定義し、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないように接触条件を入力する接触条件設定ステップと、前記剛体要素設定ステップで入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定ステップで入力された前記基材要素と、前記流体要素設定ステップで入力された前記流体要素と、前記接触条件設定ステップで入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析ステップとを有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基材が薄くて大変形を伴う場合においても、基材を表す基材要素の振動を抑えて安定的に解を得ることができる連成解析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
剛体要素とは、解析対象である剛体を、コンピュータで扱えるように表したデータである。剛体要素には、例えば、剛体の位置、形状、密度を表すデータ等が含まれる。
【００２５】
基材要素とは、解析対象である基材を、コンピュータで扱えるように表したデータである。基材要素には、例えば、基材の形状を表すデータ、基材の弾性率を表すデータ、基材の位置を表すデータ、基材の速度を表すデータ、基材の張力を表すデータ、基材の密度を表すデータ、基材のポアソン比を表すデータ等が含まれる。
【００２６】
流体要素とは、解析対象である流体を、コンピュータで扱えるように表したデータである。流体要素には、例えば、流体の流量を表すデータ、流体の物性（例えば粘度特性、密度、表面張力、接触角等）を表すデータ、流体の圧力分布を表すデータ、流体の速度を表すデータ、流体の流路を表すデータ等が含まれる。
【００２７】
本実施の形態にかかる連成解析装置においては、剛体要素設定部によって設定された剛体要素（例えばダイを表すデータ）と、基材要素設定部によって設定された基材要素（例えば可撓性支持体を表すデータ）と、流体要素設定部によって設定された流体要素（例えば塗料を表すデータ）と、接触条件設定部によって設定された接触条件（例えば、ダイと可撓性支持体が接触するという条件を表すデータ）とに基づいて、連成解析部が、流体の流動状態と基材の構造変形とを連成解析する。連成解析部が、接触条件設定部によって設定された接触条件を用いて解析を行うので、解析過程において、基材要素で表される基材が、計算上で振動することを抑制することができ、流体が流れる経路を確保することができる。その結果、剛体に形成されたスリットを通って基材に塗布されるために基材へ向かって押し出される流体の流動状態と流体が塗布される基材の構造変形とを安定に解析することができる。
【００２８】
前記接触条件設定部は、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定することが好ましい。
【００２９】
塗布厚みとは、基材に流体を塗布することによって得られる塗膜の厚みである。
【００３０】
前記基材の厚みは、５０マイクロメートル以下になっていることが好ましい。
【００３１】
前記基材の弾性率は、４００キログラム毎平方ミリメートル以上２０００キログラム毎平方ミリメートル以下になっていることが好ましい。
【００３２】
前記基材は、フィルムを含んでいることが好ましい。
【００３３】
前記基材は、ポリエステルフィルムを含んでいることが好ましい。
【００３４】
前記流体は、磁性塗料を含んでいることが好ましい。
【００３５】
前記流体は、前記基材に湿潤状態において５０マイクロメートル以下の厚みで均一に塗布されることが好ましい。
【００３６】
前記流体は、自由表面を形成し、前記連成解析部は、前記流体の自由表面をＶＯＦ（Ｖｏｌｕｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ）法によって解析することが好ましい。
【００３７】
前記基材は、前記剛体に沿って搬送されており、前記流体は、前記搬送される基材に向かって押し出されることが好ましい。
【００３８】
本実施の形態にかかる連成解析プログラムは、剛体に形成されたスリットを通って基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する処理をコンピュータに実行させる連成解析プログラムであって、前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定処理と、前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定処理と、前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定処理と、前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との接触条件を入力する接触条件設定処理と、前記剛体要素設定処理によって入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定処理によって入力された前記基材要素と、前記流体要素設定処理によって設定された前記流体要素と、前記接触条件設定処理によって設定された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析処理をコンピュータに実行させる。
【００３９】
本実施の形態にかかる連成解析プログラムにおいて、前記接触条件設定処理は、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定することが好ましい。
【００４０】
本実施の形態にかかる連成解析方法は、剛体に形成されたスリットを通って可撓性の基材に塗布されるために前記基材へ向かって押し出される流体の流動状態と前記流体が塗布される前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析方法であって、前記剛体を表す剛体要素を入力する剛体要素設定ステップと、前記基材を表す基材要素を入力する基材要素設定ステップと、前記流体を表す流体要素を入力する流体要素設定ステップと、前記剛体要素が表す剛体と前記基材要素が表す基材との接触条件を入力する接触条件設定ステップと、前記剛体要素設定ステップで入力された前記剛体要素と、前記基材要素設定ステップで入力された前記基材要素と、前記流体要素設定ステップで入力された前記流体要素と、前記接触条件設定ステップで入力された前記接触条件とに基づいて、前記流体の流動状態と前記基材の構造変形とを連成解析する連成解析ステップとを有する。
【００４１】
本実施の形態にかかる連成解析方法において、前記接触条件設定ステップは、前記基材に塗布すべき前記流体の塗布厚みの１０％以上２００％以下の高さを有する流路が、前記基材と前記剛体との間に形成されるように前記接触条件を設定することが好ましい。
【００４２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００４３】
図２は、本実施の形態にかかる連成解析装置が解析するモデルの構成の一例を示す図である。図２に示すモデルは、単層スロットコーティングを行うための塗膜製造装置のモデルである。図２に示すように、単層スロットコーティングにおいては、流体８が、剛体６に形成されたスリット６ａを通って、基材７へ向かって押し出される。基材７は、Ａ１で示される方向に搬送されている。基材７へ向かって押し出された流体８は、Ａ２で示される方向に流動し、基材７に塗布される。
【００４４】
図１は本実施の形態にかかる連成解析装置１００の構成を示すブロック図である。連成解析装置１００は、剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５、接触条件設定部１、記憶部１４、連成解析部２を備えている。連成解析部２は、接触解析部２１、構造解析部２２、流体解析部２３、インターフェース２４を含んでいる。
【００４５】
ここで、図３は、剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５および接触条件設定部１が設定した剛体要素、基材要素、流体要素、接触条件によって表される剛体、基材、流体および上限面の構成を示す図である。剛体要素設定部３は、剛体要素を入力し、記憶部１４に保存する。剛体要素は、剛体６を表すデータである。基材要素設定部４は、基材要素を入力し、記憶部１４に保存する。基材要素は、基材７を表すデータである。流体要素設定部５は、流体要素を入力し、記憶部１４に保存する。流体要素は、流体８を表すデータである。接触条件設定部１は、剛体６と基材７の接触条件１０００を入力し、記憶部１４に保存する。接触条件１０００は、後に詳述するが、例えば、上限面９等を表すデータである。
【００４６】
剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５または接触条件設定部１は、例えば、剛体要素、基材要素、流体要素または接触条件がテキストデータで書き込まれたファイルを入力し、記憶部１４に保存することで設定を行う。また、設計者が、マウスやキーボード等の入力デバイスを用いて、剛体要素、基材要素、流体要素または接触条件を直接入力するためのＧＵＩが、連成解析装置１００ＧＵＩに備えられることが好ましい。
【００４７】
構造解析部２２は、記憶部１４に保存された基材要素、剛体要素に基づいて、基材７の構造解析を行う。構造解析において、接触解析部２１が、接触条件を基に接触解析を行い、接触解析結果が構造解析に利用される。接触解析は、構造解析の一部の機能として提供されている。流体解析部２３は、記憶部１４に保存された基材要素、剛体要素、流体要素に基づいて、流体解析を行う。
【００４８】
構造解析部２２による構造解析結果は、インターフェース２４により流体解析部２３に渡され、流体解析部２３は、渡された構造解析結果を用いて、流体解析を行う。また、流体解析部２３による流体解析結果は、同じくインターフェース２４により、構造解析部２２へ渡される。構造解析部２２は、渡された流体解析結果を用いて、構造解析を行う。
【００４９】
連成解析装置１００は、例えば、ＥＷＳ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｗｏｒｋ  Ｓｔａｔｉｏｎ）およびＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等（以下、ＰＣ等と言う）によって構成することができる。剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５、接触条件設定部１、連成解析部２の機能は、ＰＣ等のＣＰＵが所定のプログラムを実行することで実現できる。また、記憶部１４には、ＰＣ等に内蔵されているハードディスク、ＲＡＭ等の記憶媒体の他、フレキシブルディスク、メモリカード等の可搬型記憶媒体や、ネットワーク上にある記憶装置内の記憶媒体等を用いることができる。
【００５０】
上記の剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５、接触条件設定部１および連成解析部２の機能を実現するための連成解析プログラムを、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体から、あるいは通信回線を介したダウンロード等により、任意のＰＣ等へインストールすることによって、連成解析装置１００を構築することもできる。
【００５１】
なお、連成解析装置１００の構成は、本実施の形態に限られるものではない。例えば、連成解析装置１００は、１つのＰＣ等で構成される必要はなく、複数のＰＣ等に機能を分散させてもよい。一例として、剛体要素設定部３、基材要素設定部４、流体要素設定部５、接触条件設定部１、記憶部１４の少なくとも１つを、連成解析部２が設けられているＰＣ等に接続された別のＰＣ等に設けることができる。
【００５２】
次に、本実施の形態における連成解析装置１００の動作について、図１、図３および図４を参照しながら説明する。図４は、連成解析装置１００の動作を示すフローチャートである。
【００５３】
大きな処理の流れとして、まず、剛体要素、基材要素、流体要素、接触条件、時刻初期値が設定される（Ｓ１〜Ｓ５）。Ｓ１〜Ｓ５の設定処理の後、連成解析部２によって、連成解析処理が行われる（Ｓ６〜Ｓ１０）。
【００５４】
設定処理においては、剛体要素設定部２が剛体要素を設定する（Ｓ１）。剛体要素は、前述のとおり、剛体６を表すデータであり、例えば，剛体６の位置、形状、密度等を表すデータが含まれる。剛体６の形状を表すデータは、有限要素法、有限体積法または差分法などの数値解析の対象となるため、例えば、複数の節点で表される微小要素の集合とすることができる。剛体６は、例えば、単層スロットコーティングにおけるスリット６ａを有するスロットコーティングダイをモデル化したものである。
【００５５】
基材要素設定部４は、基材要素を設定する（Ｓ２）。基材要素は、前述のとおり、基材７を表すデータであり、例えば、基材７の形状を表すデータ、基材７の弾性率を表すデータ、基材７の位置を表すデータ、基材７の速度を表すデータ、基材７の張力を表すデータ、基材７の密度を表すデータ、基材７のポアソン比を表すデータ等が含まれる。基材７の形状を表すデータは、有限要素法、有限体積法または差分法などの数値解析の対象となるため、例えば、複数の節点で表される微小要素の集合とすることができる。それぞれの微小要素について、位置、速度、張力等を表すデータを設定することができる。以下、設定される基材要素について、好ましい例を説明する。
【００５６】
基材要素が表す基材７の厚みは、例えば２マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下に設定することが好ましい。本実施の形態では、基材要素設定部４が設定する基材７の厚みの上限及び下限については特に制限は無いが、基材７の厚みが２マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の場合に、計算過程において、基材７の剛性が低い故の基材７の振動の発生を抑制し、安定解を得るという効果が最も顕著に現れる。基材７の厚みが２マイクロメートル未満になると、安定解を得るまでの計算に長時間を要する。基材７の厚みが５０マイクロメートルを越える場合は従来の解析装置でも解析が可能となる場合がある。
【００５７】
基材要素が表す基材７は、可撓性支持体であることが好ましい。可撓性支持体に塗布する場合は、塗布方式としてスロットコーティングが好ましい。スロットコーティングの場合は、剛体要素が表す剛体６にスリット６ａが形成され、スロットコーティングダイとなるように設定される。
【００５８】
基材要素が表す基材７としての可撓性支持体は、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、芳香族ポリアミド等であることが好ましい。
【００５９】
基材要素が表す基材７の弾性率は、例えば、可撓性支持体に塗膜を形成する場合において可撓性支持体の弾性率の範囲である４００キログラム毎平方ミリメートル以上２０００キログラム毎平方ミリメートル以下のものに設定することが好ましい。本実施の形態では、基材要素設定部４が設定する基材７の弾性率の上限及び下限について特に制限は無いが、基材７の弾性率が４００キログラム毎平方ミリメートル以上２０００キログラム毎平方ミリメートル以下の場合に、計算過程において、基材７の剛性が低い故の基材７の振動の発生を抑制し、安定解を得るという効果が最も顕著に現れる。基材７の弾性率が４００キログラム毎平方ミリメートル未満になると、安定解を得るまでの計算に長時間を要する。基材７の弾性率が２０００キログラム毎平方ミリメートルを越えると従来の解析装置でも解析が可能となる場合がある。
【００６０】
基材要素が表す基材７は、剛体６に沿って搬送されるように設定されることが好ましい。
【００６１】
流体要素設定部５は、流体８を表す流体要素を設定する（Ｓ３）。流体要素は、前述のとおり、流体８を表すデータであり、例えば、流体８の流量、速度、物性（例えば、密度、粘度特性、表面張力、接触角等）、圧力分布、流路等を表すデータが含まれる。例えば、流体８の流路を表すデータは、有限要素法、有限体積法または差分法などの数値解析の対象となるため、例えば、複数の節点で表される微小要素の集合とすることができる。
【００６２】
流体要素が表す流体８は、自由表面を形成するように設定されることが好ましい。
【００６３】
本実施の形態では、流体要素が表す流体８の物性値（例えば粘度特性）について制限は無い。流体要素設定部５で設定される流体８の物性値の差異により、連成解析装置１００で得られる解析結果が異なる。例えば、流体８の自由表面２５の位置が異なる。そのため、設計者は、様々な値を流体８の物性値に設定して、連成解析装置１００で解析を行い、その解析結果から流体８の物性値の設計指針を得ることができる。
【００６４】
流体要素が表す流体８は、湿潤状態において０．０１マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下の厚みで、基材７に均一に塗布されるように設定されることが好ましい。解析の入力値（流体要素）としての塗布厚みＷｔについて制限は無いが、一般的には、可撓性支持体に塗膜を形成する場合において、湿潤状態での塗布厚みは０．０１マイクロメートル以上５０マイクロメートル以下程度である。
【００６５】
基材要素が表す基材７は、剛体６に沿って搬送されており、流体要素が表す流体８は、搬送される基材７に向かって押し出されるように設定されることが好ましい。可撓性支持体にスロットコーティングする場合は、搬送されている可撓性支持体に、固定されたスロットコーティングダイから塗料を吐出し、塗膜を形成する方式が一般的である。
【００６６】
次に、接触条件設定部１は、接触条件１０００を設定する（Ｓ４）。接触条件１０００は、剛体要素で表される剛体６と基材要素で表される基材７との間に定義された基材７の変位の上限を表す上限面を含み、前記基材が前記上限面より前記剛体側へ変位しないような接触条件を表すデータである。接触条件設定部１は、例えば、基材７の変位の上限を表す上限面９に関するデータを、接触条件１０００として設定する。接触条件１０００は、例えば、基材７が接触する上限面９の位置を表すデータ、上限面９と基材７のどの部分が接触するのかを表すデータ、基材７と上限面９が接触した際の摩擦係数を表すデータ等が含まれる。この様な接触条件を設定しない場合、解析過程において、計算上、基材７が剛体６を貫通してしまい現実的でない解析となる。
【００６７】
また、上限面９を剛体６の下側の面として、剛体６と基材７とが接触するような接触条件を設定することができる。図５は剛体６と基材７とが接触するような接触条件を表す図である。図５に示す接触条件１００１では、基材７上側面と剛体６下側面が接触するように接触面１９が設定される。すなわち、剛体６下側面に接触面１９が定義される。
【００６８】
また、剛体６下側面を接触面１９とする場合、剛体要素を流体解析用と構造解析用とで２つ用意し、構造解析用の剛体要素で表される剛体の下側面の位置を変えて接触面１９の位置を調節することができる。
【００６９】
図６は、接触するであろうと予想される面の定義例を説明するための図である。図６で示す例では、節点Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４で囲まれた面要素３００１（例えば、基材７に含まれる面要素）と、節点Ｎ５、Ｎ６、Ｎ７、Ｎ８で囲まれた面要素３００２（例えば、剛体６に含まれる面要素）とが接触するように、接触条件設定部１が接触条件を定義する。
【００７０】
また、図５に示すように、接触するであろう面要素３００１、３００２を接触ペアとして定義する方法の他に、例えば、シェルとしての基材要素７と、ソリッドとしての剛体要素６を接触ペアとして定義しておく方法もある。この場合、基材要素７のどの部分と剛体要素６のどの部分が接触するかは、接触解析において自動的に判断される。このような自動判断機能を持つソフトウエアは市販されている。
【００７１】
接触条件設定部１は、基材７と剛体６との間に、基材７に塗布すべき流体８の塗布厚みＷｔの１０％以上２００％以下の高さＨを有する流路が形成されるように接触条件１０００を設定することが好ましい。流体８の塗布厚みＷｔの１０％未満の高さＨを有する流路が形成されるような接触条件の場合は、流路が狭くなることにより基材７が振動してしまい、安定な解を得ることができない可能性が高い。流体８の塗布厚みＷｔの２００％より高い流路が形成されるような接触条件の場合は、流体８の流量が流路に対して不足することになり、安定な解を得ることができない可能性が高い。
【００７２】
次に、連成解析部２は、時刻の初期設定を行う（Ｓ５）。例えば、タイムカウンタ（ｔ＿ｃｎｔ）を０に設定することで時刻の初期設定を行う。タイムカウンタは、時刻を表すパラメータである。例えば、タイムカウンタの単位を１ｍｓとすると、タイムカウンタが１増える毎に１ｍｓ経過するとこととなる。なお、タイムカウンタの単位は、解析の目的に応じて変化させることができる。
【００７３】
以上が設定処理である。設定処理においてＳ１〜Ｓ５の順番は、必ずしも、図４に示す順番である必要はない。また、設定されるデータは、上記のデータに限られず、必要に応じて、さらにデータを設定することができる。例えば、流体８、基材７または剛体６の温度分布を表すデータ等を設定して、以下の解析に用いることができる。
【００７４】
次に、連成解析処理が行われる（Ｓ６〜Ｓ１０）。まず、連成解析部２は、ｔ＿ｃｎｔ＝１に設定し（Ｓ６）、例えば、初期状態から１ｍｓ後の状態について流体解析（Ｓ７）、構造解析（Ｓ８）、接触解析（Ｓ９）を行う。
【００７５】
流体解析部２３は、有限要素法、差分法、有限体積法等の数値解析を用いて、初期状態から１ｍｓ後の流体８について流体解析を行う（Ｓ７）。流体解析は、記憶部１４に記憶された基材要素、剛体要素、流体要素を基にして行われる。なお、流体解析において、上限面９は無視してもよい。流体解析によって、初期状態から１ｍｓ後の流体８の位置、速度、荷重（圧力）、自由表面形状等が得られる。流体解析で得られた結果のうち、流体８と基材７との境界２６における、位置、速度、荷重（圧力）等のデータは、インターフェース２４を通じて、構造解析部２２へ送られる。
【００７６】
なお、流体解析部２は、流体８の自由表面をＶＯＦ法によって解析することが好ましい。スロットコーティングの場合は、塗料と空気の界面位置（自由表面位置）を求めることが重要であるが、ＶＯＦ法以外では界面位置を解析することは困難である。
【００７７】
構造解析部２２は、有限要素法、差分法、有限体積法等の数値解析を用いて、初期状態から１ｍｓ後の基材７の構造解析を行う（Ｓ８）。構造解析は、記憶部１４に記憶された基材要素、剛体要素を基にして行われる。また、流体解析部２３からインターフェース２４を通じて送られてきたデータ（流体８と基材７との境界２６における、位置、速度、荷重（圧力）等のデータ）も構造解析に利用される。
【００７８】
接触解析部２１は、記憶部１４に記憶された接触条件を基に接触解析を行う（Ｓ９）。本実施の形態における接触解析とは、接触条件で定義された上限面９と基材要素によって表される基材７が接触する様子を解析するものである。接触解析の解析結果としては、例えば、接触位置、接触力等が得られる。接触解析部２１は、接触解析結果を構造解析結果に反映させる。接触解析は、構造解析の一部分の機能として提供される。
【００７９】
接触解析を行うことによって、構造解析において、基板７の動きが制限され（振動抑制）、塗料の流路が確保される。
【００８０】
接触解析を伴う構造解析によって、初期状態から１ｍｓ後の基材７および剛体６の位置、速度、荷重（圧力）等が得られる。構造解析で得られた結果のうち、流体８と基材７との境界２６における、位置、速度、荷重（圧力）等のデータは、インターフェース２４を通じて、流体解析部２３へ送られる。流体解析部２３に送られたデータは、次の時刻（ｔ＿ｃｎｔ＝２）における流体解析（Ｓ７）に用いられる。
【００８１】
連成解析部２は、解析処理を終了するか否かの判断を行う（Ｓ１０）。終了と判断された場合は、処理は終了する。終了しないと判断された場合は、次の時刻（ｔ＿ｃｎｔ＝２）が設定され（Ｓ６）、初期状態から２ｍｓ後について、流体解析（Ｓ７）、構造解析（Ｓ８）、接触解析（Ｓ９）が行われる。このようにして、終了判断がされるまで、Ｓ６〜Ｓ９の処理が繰り返される。
【００８２】
終了判断において、連成解析部２は、例えば、解が収束した場合または十分な時間が経過した場合等は、終了と判断することができる。解が収束する場合は、例えば、基材７の振動が小さくなり、流体８の塗布厚みＷｔが略一定になる場合等である。
【００８３】
なお、本実施の形態においては、流体解析（Ｓ７）の後に、構造解析（Ｓ８）を行っているが、必ずしも、この順番で処理を行う必要はない。構造解析の後に、流体解析を行うこともできる。
【００８４】
また、終了判断（Ｓ１０）は、必ずしも接触解析（Ｓ９）の後で行われる必要はない。例えば、流体解析（Ｓ７）の後に行われてもよいし、流体解析（Ｓ７）の後と構造解析（Ｓ８）の後の両方で行われてもよい。
【００８５】
また、流体解析部２３と構造解析部２２は、インターフェース２４を介してデータのやり取りをしているが、必ずしもインターフェース２４を介してデータをやり取りする必要はない。例えば、流体解析部２３は、記憶部１４に、流体解析結果を記録し、構造解析部２２がその流体解析結果を記憶部１４から読み出すことでデータを受け取ることができる。構造解析部２２が流体解析部２３へデータを渡す場合も同様にできる。
【００８６】
次に解析結果の例を説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、図５に示す接触条件１００１、すなわち基材７上側面と剛体６下側面が接触するように接触面１９を設定した条件での解析結果例を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）では、連成解析装置１００によって解析される流体８の流動状態と流体８が塗布される基材７の構造変形とが表示されている。
【００８７】
剛体６の下側面に接触条件が設定されているので、計算上、基材７は、剛体６の下側面より上に変位することはなく、時刻ｔ＝５．０ミリ秒（ｍｓ）を経て（図７（ａ））、時刻ｔ＝１５．０ミリ秒（ｍｓ）まで安定な計算が維持されている（図７（ｂ））。
【００８８】
次に、別の解析結果の例を説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）は、図３に示すように、剛体６と基材７の間に上限面９を設定した場合の解析結果の例である。
【００８９】
時刻ｔ＝５．０ミリ秒（ｍｓ）を経過して（図８（ａ））、時刻ｔ＝１５．０ミリ秒（ｍｓ）まで安定な計算が維持されている（図８（ｂ））。このように、接触条件設定部１によって設定された接触条件１０００に基づいて、流体８の流動状態と基材７の構造変形とを同時に連成解析すると、計算上、基材７が振動することを防止することができ、さらに、剛体６と基材７の間に流体８が通る流路が常に確保される。その結果、基材７の構造解析および流体８が基材７に転移する流体解析を安定的に実施することができる。
【００９０】
以上のように、本実施の形態にかかる連成解析装置１００は、剛体要素設定部３によって設定された剛体要素と、基材要素設定部４によって設定された基材要素と、流体要素設定部５によって設定された流体要素と、接触条件設定部１によって設定された接触条件とに基づいて、流体８の流動状態と基材７の構造変形とを連成解析する。このため、接触条件設定部１によって設定された接触条件によって、解析過程において基材７が振動することを防止することができ、流体８が流れる経路を確保することができる。その結果、剛体６に形成されたスリット６ａを通って基材７に塗布されるために基材７へ向かって押し出される流体８の流動状態と、流体８が塗布される基材７の構造変形とを安定に解析することができる。
【００９１】
本実施の形態にかかる連成解析装置１００の解析結果から、最適塗布条件の指針が得られる。例えば、図９に示すように、ビード２５が、上流側へ後退する解析結果が得られたとする。この場合、この解析で設定された塗布条件（例えば、スリット６ａの形状、塗料（流体８）の物性値（例えば、粘度特性））は、最適ではないと判断される。そこで、設計者は、スリット６ａの形状、塗料（流体８）の物性値等を調整して、様々な塗布条件を設定して連成解析装置１００で解析を行うことで、ビード２５が後退しない解析結果が得られる塗布条件を見出すことができる。
【００９２】
このように、本実施の形態にかかる連成解析装置１００は、可撓性の基材に塗膜を形成する塗膜製造装置の設計や、塗膜製造の条件を検討する際に利用できる。可撓性の基材に塗膜を形成することによって製造される製品として、磁気テープ等の磁気記録媒体の他、例えば、プラズマディスプレイや、液晶モニタに用いられる電磁波遮断フィルム、電磁波反射防止フィルム、近赤外線遮断フィルム等も同様に挙げられる。これらを製造するための塗膜製造装置の設計や、塗膜製造の条件を検討する際に、本実施の形態にかかる連成解析装置１００が利用できる。
【００９３】
なお、本実施の形態では、単層ダイスロットコーティングの解析例を示したが、同様に複層ダイスロットコーティングの塗料流動解析にも本発明は適用できる。すなわち、本発明により複層ダイスロットコーティングについても塗料流動解析を安定的に実施できる。
【００９４】
また、本実施の形態では、非定常解析（陽解析）で解析する例を示したが、定常解析（静解析）で解析することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、例えば、可撓性の基材に流体を塗布することによって塗膜を形成する塗膜製造装置の設計や、塗膜工程、基材の搬送系における最適条件を検討する際に有用な解析システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】連成解析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】連成解析装置が解析するモデルの構成の一例を示す図である。
【図３】剛体要素、基材要素、流体要素および接触条件が表す剛体、基材、流体および上限面の構成を示す図である
【図４】連成解析装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】図３に示す接触条件とは別の接触条件を示す図である。
【図６】接触するであろうと予想される面の定義例を説明するための図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、図５に示す接触条件によって解析される流体の流動状態と基材の構造変形とを説明するための図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、図３に示す接触条件によって解析される流体の流動状態と基材７の構造変形とを説明するための図である。
【図９】連成解析装置の解析結果において、ビードの後退を示す図である。
【図１０】従来の同時連成解析装置が解析するモデルの構成の一例を示す図である。
【図１１】従来の同時連成解析装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】従来の同時連成解析装置における処理の流れを表したフローチャートである。
【図１３】（ａ）ないし（ｃ）は、従来の同時連成解析装置によって解析される流体の流動状態と基材７の構造変形とを説明するための図である。
【符号の説明】
【００９７】
１  接触条件設定部
２  連成解析部
３  剛体要素設定部
４  基材要素設定部
５  流体要素設定部
６  剛体
６ａ  スリット
７  基材
８  流体
９  上限面
１４  記憶部
１９  接触面
２１  接触解析部
２２  構造変形解析部
２３  流体解析部
２４  インターフェース
２５  ビード
２６  境界
１００  連成解析装置
１０００  接触条件
１００１  接触条件
【図１】
2005131636.tif 000003
【図２】
2005131636.tif 000004
【図３】
2005131636.tif 000005
【図４】
2005131636.tif 000006
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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