JP2022103254A - フラットパネル構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】張り剛性を向上させることが可能な新たなフラットパネル構造を提供する。【解決手段】周囲が構造部材４に拘束された金属製のフラットパネル２と、フラットパネル２に接合され、連続繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である、複数のＦＲＰの層からなる補強部材３とを備え、複数のＦＲＰの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、複数のＦＲＰの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を示し、フラットパネル２の短手方向を０°方向、および０°方向に直交する方向を９０°方向と定義し、フラットパネル２に接合されている補強部材３の各層の繊維方向について、三角関数を用いて０°方向成分及び９０°方向成分をそれぞれ算出した場合において、複数のＦＲＰの層全体に含まれる連続繊維の繊維方向の両成分のうち０°方向成分が４０％以上となる、フラットパネル構造１を構成する。【選択図】図１
Description
本発明は、フラットパネル構造に関する。
フラットパネルとは、例えば自動車のフロアパネル等の全体として平面状の金属製パネルである。自動車開発においては燃費向上を目的とした軽量化のため、フラットパネルの素材として使用される例えば鋼板の薄肉化が進められている。一方、鋼板の薄肉化は、フラットパネルの張り剛性を低下させることから、十分な張り剛性を確保するためにはフラットパネルを補強することが求められる。
パネルを補強する構造として、特許文献１には、金属板にＦＲＰ（繊維強化樹脂）シートが貼付されたパネル構造が開示されている。特許文献１のパネル構造においては、ＦＲＰシートの形状を適宜変更することによってパネル変形時の復元性能を向上させている。また、特許文献２には、パネル面積の１～３０％の範囲にＣＦＲＰを接着し、パネルの中心を押した時の荷重を、ＣＦＲＰを接着した側のパネルの縁部に分散させることが開示されている。
特許文献１には様々なＦＲＰシートの形状が開示されているが、補強効果を得るためにＦＲＰシートに形状を付与することは、ＦＲＰシートの製造工程を顕著に増加させ、生産性の低下を招く。したがって、別の方法でフラットパネルを補強することが望ましい。また、特許文献２ではパネルの中心を押した場合の荷重を分散させるのみであり、張り剛性の根本的な向上は困難である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、張り剛性を向上させることが可能な新たなフラットパネル構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の一態様は、フラットパネル構造であって、周囲が構造部材に拘束された金属製のフラットパネルと、前記フラットパネルに接合され、連続繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である、複数のＦＲＰの層からなる補強部材とを備え、前記複数のＦＲＰの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、前記複数のＦＲＰの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を示し、前記フラットパネルの短手方向を０°方向、および前記０°方向に直交する方向を９０°方向と定義し、前記フラットパネルに接合されている前記補強部材の各層の繊維方向について、三角関数を用いて０°方向成分及び９０°方向成分をそれぞれ算出した場合において、前記複数のＦＲＰの層全体に含まれる前記連続繊維の繊維方向の両成分のうち前記０°方向成分が４０％以上であることを特徴としている。
なお、本発明に係る“構造部材”は、フラットパネルへの面外方向からの入力荷重に対して変形しにくい剛性の高い部材であり、例えば自動車のサイドシルやクロスメンバー等の部材である。また、本発明に係る“フラットパネル”には、パネル全面が平坦なパネルの他、例えば自動車のフロアパネルのように、一部に凹凸が形成されていても全体として平坦な略フラット状のパネルも含まれる。
本発明によれば、張り剛性を向上させることが可能な新たなフラットパネル構造を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜第１の実施形態：単一繊維方向＞
図１および図２に示すように第１の実施形態のフラットパネル構造１は、金属製のフラットパネル２と、フラットパネル２に接合された、ＣＦＲＰからなる補強部材３を備えている。金属製のフラットパネル２の素材は特に限定されないが、例えば鋼板やアルミニウム合金板、マグネシウム合金板等が用いられる。張り剛性および耐デント性向上の観点においては、フラットパネル２は４４０ＭＰａ以上の鋼板で形成されていることが好ましい。フラットパネル２は、例えば図３のような自動車のフロアパネル等の部品であるが、自動車部品に限定されず、その他のパネル状の部材であっても良い。
図１および図２に示すように第１の実施形態のフラットパネル構造１は、金属製のフラットパネル２と、フラットパネル２に接合された、ＣＦＲＰからなる補強部材３を備えている。金属製のフラットパネル２の素材は特に限定されないが、例えば鋼板やアルミニウム合金板、マグネシウム合金板等が用いられる。張り剛性および耐デント性向上の観点においては、フラットパネル２は４４０ＭＰａ以上の鋼板で形成されていることが好ましい。フラットパネル２は、例えば図３のような自動車のフロアパネル等の部品であるが、自動車部品に限定されず、その他のパネル状の部材であっても良い。
図４に示すようにフラットパネル２は略矩形状であり、周囲に配置された構造部材４に接合されている。ここで、本明細書では、図４の紙面縦方向に延びる構造部材４を第１の構造部材４ａ、４ｂと称し、図４の紙面横方向に延びる構造部材４を第２の構造部材４ｃ、４ｄと称す。第１の構造部材４ａ、４ｂと第２の構造部材４ｃ、４ｄは互いに垂直な方向に延び、第１の構造部材４ａ、４ｂと第２の構造部材４ｃ、４ｄは互いに接合されている。図４に示す例では第１の構造部材４ａ、４ｂは第２の構造部材４ｃ、４ｄよりも長い。フラットパネル２は、対向する一対の第１の構造部材４ａ、４ｂと、対向する一対の第２の構造部材４ｃ、４ｄに接合されることで拘束された状態にあるが、本明細書では、各構造部材４ａ～４ｄで拘束されたフラットパネル２の短手方向を“０°方向”と定義し、長手方向を“９０°方向”と定義する。
また、図５に示すように、対向する一対の第２の構造部材４ｃ、４ｄの間にさらに別の第２の構造部材４ｅが設けられる場合、本明細書ではフラットパネル構造１が並んで配置されているとみなす。すなわち、第１の構造部材４ｆ、４ｇと第２の構造部材４ｃ、４ｅで囲まれるフラットパネル２を備えるフラットパネル構造１と、第１の構造部材４ｈ、４ｉと第２の構造部材４ｄ、４ｅで囲まれるフラットパネル２を備えるフラットパネル構造１が並んで配置されているとみなす。したがって、構造部材４で拘束されたフラットパネル２の短手方向は図５の紙面縦方向となり、長手方向は図５の紙面横方向となる。すなわち、図５に示す例では、紙面縦方向が０°方向であり、紙面横方向が９０°方向である。このように、０°方向を定義する際には、構造部材４で囲まれる最小領域のフラットパネル２を基準として０°方向を定義する。
なお、構造部材４にフラットパネル２が接合された状態であるフラットパネル構造１においては、通常、フラットパネル構造１としての用途が定まる。このため、フラットパネル構造１が組み込まれた製品の使用時において、フラットパネル２の二平面２ａ、２ｂのうち、面外方向からの荷重が入力される頻度が高い側の面を特定することができる。例えば自動車のフロアパネルの場合、フラットパネル２の下面側よりも上面側の方が、面外方向からの荷重が入力される頻度が高い。すなわち、図１に示す例においては、透過線で示される補強部材３が接合されている側がフロアパネルの下面となる。本明細書では、フラットパネル２の二平面２ａ、２ｂのうち、上記のような面外方向からの荷重が入力される頻度の高い側の面を“荷重入力側の面２ａ”と称す。
第１の実施形態の補強部材３は、フラットパネル２の荷重入力側の面２ａと反対側の面２ｂに接合されている。フラットパネル２に対する補強部材３の接合方法は特に限定されないが、例えば接着剤を用いて接合される。
（補強部材の例）
補強部材（ＦＲＰ部材とも称する）に用いられ得るＦＲＰは、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に含有され、複合化された強化繊維材料からなる、繊維強化樹脂を意味する。
補強部材（ＦＲＰ部材とも称する）に用いられ得るＦＲＰは、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に含有され、複合化された強化繊維材料からなる、繊維強化樹脂を意味する。
強化繊維材料としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維を用いることができる。他にも、強化繊維材料として、ボロン繊維、シリコンカーバイド繊維、アラミド繊維等を用いることができる。ＦＲＰ部材に用いられるＦＲＰにおいて、強化繊維材料の基材となる強化繊維基材としては、例えば、連続繊維を使用したクロス材、一方向強化繊維基材（ＵＤ材）等を使用することができる。これらの強化繊維基材は、強化繊維材料の配向性の必要に応じて、適宜選択され得る。
ＣＦＲＰは、強化繊維材料として炭素繊維を用いたＦＲＰである。炭素繊維としては、例えば、ＰＡＮ系またはピッチ系のものが使用できる。ＣＦＲＰの炭素繊維は弾性率が高いピッチ系炭素繊維であることが好ましい。ピッチ系炭素繊維の補強部材３によれば、より高い反力を得ることができ、張り剛性を向上させることができる。
ＧＦＲＰは、強化繊維材料としてガラス繊維を用いたＦＲＰである。炭素繊維よりも機械的特性に劣るが、金属部材の電蝕を抑制することができる。
ＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも使用することができる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、並びにビニルエステル樹脂等があげられる。熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）およびその酸変性物、ナイロン６およびナイロン６６等のポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタラートおよびポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、塩化ビニル、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、並びにフェノキシ樹脂等があげられる。なお、マトリックス樹脂は、複数種類の樹脂材料により形成されていてもよい。
金属部材への適用を考慮すると、加工性、生産性の観点から、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。さらに、マトリックス樹脂としてフェノキシ樹脂を用いることで、強化繊維材料の密度を高くすることができる。また、フェノキシ樹脂は熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂と分子構造が酷似しているためエポキシ樹脂と同程度の耐熱性を有する。また、硬化成分をさらに添加することにより、高温環境への適用も可能となる。硬化成分を添加する場合、その添加量は、強化繊維材料への含浸性、ＦＲＰの脆性、タクトタイムおよび加工性等とを考慮し、適宜決めればよい。
＜接着樹脂層＞
補強部材がＦＲＰ部材等により形成される場合、ＦＲＰ部材と金属部材（上記実施形態ではフラットパネル２）との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。
補強部材がＦＲＰ部材等により形成される場合、ＦＲＰ部材と金属部材（上記実施形態ではフラットパネル２）との間に接着樹脂層が設けられ、該接着樹脂層によりＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。
接着樹脂層を形成する接着樹脂組成物の種類は特に限定されない。例えば、接着樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれかであってもよい。熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂の種類は特に限定されない。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィンおよびその酸変性物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタラートやポリブチレンテレフタラート等の熱可塑性芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルおよびその変性物、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、ポリアリレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、並びにポリエーテルケトンケトン等から選ばれる１種以上を使用することができる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、およびウレタン樹脂から選ばれる１種以上を使用することができる。
接着樹脂組成物は、ＦＲＰ部材を構成するマトリックス樹脂の特性、補強部材の特性または金属部材の特性に応じて適宜選択され得る。例えば、接着樹脂層として極性のある官能基を有する樹脂や酸変性などを施された樹脂を用いることで、接着性が向上する。
このように、上述した接着樹脂層を用いてＦＲＰ部材を金属部材に接着させることにより、ＦＲＰ部材と金属部材との密着性を向上させることができる。そうすると、金属部材に対し荷重が入力された際の、ＦＲＰ部材の変形追従性を向上させることができる。この場合、金属部材の変形体に対するＦＲＰ部材の効果をより確実に発揮させることが可能となる。
なお、接着樹脂層を形成するために用いられる接着樹脂組成物の形態は、例えば、粉体、ワニス等の液体、フィルム等の固体とすることができる。
また、接着樹脂組成物に架橋硬化性樹脂および架橋剤を配合して、架橋性接着樹脂組成物を形成してもよい。これにより接着樹脂組成物の耐熱性が向上するため、高温環境下での適用が可能となる。架橋硬化性樹脂として、例えば２官能性以上のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂を用いることができる。また、架橋剤として、アミンや酸無水物等を用いることができる。また、接着樹脂組成物には、その接着性や物性を損なわない範囲において、各種ゴム、無機フィラー、溶剤等その他添加物が配合されてもよい。
ＦＲＰ部材の金属部材への複合化は、種々の方法により実現される。例えば、ＦＲＰ部材となるＦＲＰまたはその前駆体であるＦＲＰ成形用プリプレグと、金属部材とを、上述した接着樹脂組成物で接着し、該接着樹脂組成物を固化（または硬化）させることで得られる。この場合、例えば、加熱圧着を行うことにより、ＦＲＰ部材と金属部材とを複合化させることができる。
上述したＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグの金属部材への接着は、部品の成形前、成形中または成形後に行われ得る。例えば、被加工材である金属材料を金属部材に成形した後に、ＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグを該金属部材に接着しても良い。また、被加工材にＦＲＰまたはＦＲＰ成形用プリプレグを加熱圧着により接着した後に、ＦＲＰ部材が接着された該被加工材を成形して複合化された金属部材を得てもよい。ＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、ＦＲＰ部材が接着された部分について曲げ加工等の成形を行うことも可能である。また、ＦＲＰ部材のマトリクス樹脂が熱可塑樹脂である場合、加熱圧着工程と成形工程とが一体となった複合一括成形が行われてもよい。
なお、ＦＲＰ部材と金属部材との接合方法は、上述した接着樹脂層による接着に限られない。例えば、ＦＲＰ部材と金属部材とは、機械的に接合されてもよい。より具体的には、ＦＲＰ部材と金属部材のそれぞれ対応する位置に締結用の孔が形成され、これらがボルトやリベット等の締結手段により当該孔を介して締結されることにより、ＦＲＰ部材と金属部材とが接合されていてもよい。他にも公知の接合手段によってＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。また、複数の接合手段により複合的にＦＲＰ部材と金属部材とが接合されてもよい。例えば、接着樹脂層による接着と、締結手段による締結とが複合的に用いられてもよい。
＜金属部材およびその表面処理＞
本発明に係る金属部材は、めっきされていてもよい。これにより、耐食性が向上する。特に、金属部材が鋼材である場合は、より好適である。めっきの種類は特に限定されず、公知のめっきを用いることができる。例えば、めっき鋼板（鋼材）として、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融合金化亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Ｚｎ－Ｎｉ系合金めっき鋼板等が用いられ得る。
本発明に係る金属部材は、めっきされていてもよい。これにより、耐食性が向上する。特に、金属部材が鋼材である場合は、より好適である。めっきの種類は特に限定されず、公知のめっきを用いることができる。例えば、めっき鋼板（鋼材）として、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融合金化亜鉛めっき鋼板、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系合金めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板、電気Ｚｎ－Ｎｉ系合金めっき鋼板等が用いられ得る。
また、金属部材は、表面に化成処理とよばれる皮膜が被覆されていてもよい。これにより、耐食性がより向上する。化成処理として、一般に公知の化成処理を用いることができる。例えば、化成処理として、りん酸亜鉛処理、クロメート処理、クロメートフリー処理等を用いることができる。また、上記皮膜は、公知の樹脂皮膜であってもよい。
また、金属部材は、一般に公知の塗装が施されているものであってもよい。これにより、耐食性がより向上する。塗装として、公知の樹脂を用いることができる。例えば、塗装として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂またはふっ素系樹脂等を主樹脂としたものを用いることができる。また、塗装には、必要に応じて、一般に公知の顔料が添加されていてもよい。また、塗装は、顔料が添加されていないクリヤー塗装であってもよい。かかる塗装は、ＦＲＰ部材を複合化する前に予め金属部材に施されていてもよいし、ＦＲＰ部材を複合化した後に金属部材に施されてもよい。また、予め金属部材に塗装が施されたのちにＦＲＰ部材が複合化され、さらにその後塗装が施されてもよい。塗装に用いられる塗料は、溶剤系塗料、水系塗料または紛体塗料等であってもよい。塗装の施工方法として、一般に公知の方法が適用され得る。例えば、塗装の施工方法として、電着塗装、スプレー塗装、静電塗装または浸漬塗装等が用いられ得る。電着塗装は、金属部材の端面や隙間部を被覆するのに適しているため、塗装後の耐食性に優れる。また、塗装前に金属部材の表面にりん酸亜鉛処理やジルコニア処理等の一般に公知の化成処理を施すことにより、塗膜密着性が向上する。
図６は補強部材３の層構造を説明するための図である。図６に示すフラットパネル構造１においては、補強部材３はＣＦＲＰの６層構造となっており、補強部材３の各層の連続繊維は０°方向に配向されている。本明細書では、連続繊維が一の特定の方向に配向された層のことを“配向層”と称す。例えば繊維が０°方向（フラットパネル２の短手方向）に配向された層は、０°配向層と称す。すなわち、図６に示す補強部材３は、０°配向層３ａを６層有している。なお、補強部材３を構成する層の総数は特に限定されず、フラットパネル２の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。本実施形態においては、補強部材３は単一のＣＦＲＰの層により構成されていてもよい。また、補強部材３のサイズや各層の板厚、フラットパネル２に対する接合位置等も特に限定されず、フラットパネル２の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。
フラットパネル構造１は以上のように構成されている。図１のようなフラットパネル２の場合、フラットパネル２の荷重入力側の面２ａに面外方向からの荷重Ｆが入力されると、荷重入力位置の周囲に略円形状の歪が生じる。本発明者は、そのような場合において、フラットパネル２に接合される補強部材３の繊維が９０°方向に配向されるよりも０°方向に配向された方が、張り剛性が向上することを見出した。すなわち、各層が９０°配向層で構成された補強部材３よりも、各層が０°配向層３ａで構成された補強部材３の方がフラットパネル構造１の張り剛性を向上させることができる。図６に示すフラットパネル構造１では補強部材３の全ての層が０°配向層３ａであるため、フラットパネル構造１の張り剛性を効果的に向上させることができる。
補強部材３の連続繊維の繊維方向は、図６に示す例のように必ずしも０°方向と一致している必要はなく、繊維方向が単一方向の場合には－１５°～１５°方向に配向されていれば良い。この場合でも、フラットパネル構造１の張り剛性を十分に向上させることが可能である。効果的にフラットパネル構造１の張り剛性を向上させる観点においては、繊維方向は－１５°～１５°方向の範囲内において、０°方向寄りに配向されていることがより好ましい。配向層３ａにおける繊維方向は、繊維強化樹脂部材をマイクロフォーカスＸ線ＣＴ（X-ray Computed Tomography）を用いて観察、解析を行うことにより同定できる。０°方向に対する繊維方向は、配向層３ａにおける繊維方向と、該配向層３ａを含む補強部材３のフラットパネル２との接合状態におけるフラットパネル２に対する相対的な方向関係と、から得られる。
＜第２の実施形態：複数繊維方向＞
第１の実施形態では、補強部材３の各層の繊維方向が単一方向であったが、第２の実施形態では、補強部材３が２種類以上の配向層を有している。すなわち、第２の実施形態に係る補強部材３は、補強部材３を構成する複数のＣＦＲＰの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、複数のＣＦＲＰの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を有する構成である。図７に示すフラットパネル構造１の場合、補強部材３は、０°配向層３ａと、９０°配向層３ｂとが混在した６層構造となっている。補強部材３は、フラットパネル２の面２ｂ寄りの４層が０°配向層３ａであり、残りの２層が９０°配向層３ｂである。なお、第２の実施形態のフラットパネル構造１は、補強部材３が２種類以上の配向層を有していること以外、第１の実施形態のフラットパネル構造１と同様の構成である。なお本実施形態では、「θ°配向層」とは、θ±５°に配向された連続繊維を含む配向層も含まれる。例えば、「０°配向層」は、連続繊維の繊維方向が厳密に０°方向を示しているＦＲＰの配向層だけではなく、０°方向に対して－５°～５°に配向されている連続繊維を含む配向層も含むことを意味する。
第１の実施形態では、補強部材３の各層の繊維方向が単一方向であったが、第２の実施形態では、補強部材３が２種類以上の配向層を有している。すなわち、第２の実施形態に係る補強部材３は、補強部材３を構成する複数のＣＦＲＰの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、複数のＣＦＲＰの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を有する構成である。図７に示すフラットパネル構造１の場合、補強部材３は、０°配向層３ａと、９０°配向層３ｂとが混在した６層構造となっている。補強部材３は、フラットパネル２の面２ｂ寄りの４層が０°配向層３ａであり、残りの２層が９０°配向層３ｂである。なお、第２の実施形態のフラットパネル構造１は、補強部材３が２種類以上の配向層を有していること以外、第１の実施形態のフラットパネル構造１と同様の構成である。なお本実施形態では、「θ°配向層」とは、θ±５°に配向された連続繊維を含む配向層も含まれる。例えば、「０°配向層」は、連続繊維の繊維方向が厳密に０°方向を示しているＦＲＰの配向層だけではなく、０°方向に対して－５°～５°に配向されている連続繊維を含む配向層も含むことを意味する。
第１の実施形態で説明したように、補強部材３は、０°配向層３ａをより多く含むことが好ましいが、第２の実施形態のように０°配向層３ａに加え、０°配向層３ａ以外の配向層を有していることがさらに好ましい。前述のようにフラットパネル２の荷重入力側の面２ａに面外方向からの荷重Ｆが入力されると、荷重入力位置の周囲に略円形状の歪が生じるが、第２の実施形態のように０°配向層３ａ以外の配向層が設けられることにより、０°配向層３ａだけでは抑えることができない歪を抑えることが可能となる。これにより、フラットパネル構造１の張り剛性をさらに向上させることができる。なお、補強部材３の連続繊維の繊維方向は０°方向と９０°方向に限定されず、例えば±４５°方向や±６０°方向であっても良い。どのような繊維方向を組み合わせるかについては、フラットパネル２の形状や要求される張り剛性等に応じて適宜変更される。
補強部材３が２種類以上の配向層を有している場合においても、補強部材３の層全体における０°方向成分の割合は４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。これにより、フラットパネル構造１の張り剛性を効果的に向上させることができる。例えば、０°配向層である割合がＦＲＰの層の全体に対して４０％以上であってもよい。具体的には、図７で示したように、ＦＲＰの層が６層である場合、４層が０°配向層３ａであることにより、０°配向層である割合がＦＲＰ層の全体に対して６６％以上となっている。このような場合、フラットパネル構造１の張り剛性を効果的に向上させることができる。
（０°方向成分の割合の算出方法）
本明細書では、０°方向成分（フラットパネルの短手方向に平行な成分）の割合を次のように算出することとする。ここでは、フラットパネルに接合されている補強部材を構成するＦＲＰの層全体において、２種類の繊維方向が含まれている例を示す。まず、図８のような０°方向とのなす角（鋭角）θ1を有する第１の繊維方向と、０°方向とのなす角（鋭角）θ2を有する第２の繊維方向のそれぞれについて、三角関数を用いて０°方向成分と９０°方向成分に分解し、１層あたりの０°方向成分の値の絶対値と、１層あたりの９０°方向成分の値の絶対値を算出する。次に、各層の０°方向成分を合計することで層全体における０°方向成分の値を算出する。同様に、各層の９０°方向成分を合計することで層全体における９０°方向成分の値を算出する。そして、ここで算出された層全体における０°方向成分の値と９０°方向成分の値とをさらに合計し、当該合計値に対する層全体における０°方向成分の割合を算出する。
本明細書では、０°方向成分（フラットパネルの短手方向に平行な成分）の割合を次のように算出することとする。ここでは、フラットパネルに接合されている補強部材を構成するＦＲＰの層全体において、２種類の繊維方向が含まれている例を示す。まず、図８のような０°方向とのなす角（鋭角）θ1を有する第１の繊維方向と、０°方向とのなす角（鋭角）θ2を有する第２の繊維方向のそれぞれについて、三角関数を用いて０°方向成分と９０°方向成分に分解し、１層あたりの０°方向成分の値の絶対値と、１層あたりの９０°方向成分の値の絶対値を算出する。次に、各層の０°方向成分を合計することで層全体における０°方向成分の値を算出する。同様に、各層の９０°方向成分を合計することで層全体における９０°方向成分の値を算出する。そして、ここで算出された層全体における０°方向成分の値と９０°方向成分の値とをさらに合計し、当該合計値に対する層全体における０°方向成分の割合を算出する。
例えば角θ1が３０°である場合には、cos30°が０°方向成分であり、sin 30°が９０°方向成分である。すなわち、１層あたりの０°方向成分は約０．８６６であり、１層あたりの９０°方向成分は０．５である。補強部材３が６層構造の場合、層全体における０°方向成分は５．２であり、９０°方向成分は３．０である。層全体の０°方向成分の値である５．２は、層全体の０°方向成分と９０°方向成分の合計値である８．２の約６３％であり、これが補強部材３の層全体における０°方向成分の割合である。なお、繊維方向が０°方向である場合の０°方向成分の値はcos 0°、すなわち１であり、９０°方向成分の値はsin 0°、すなわち０である。また、繊維方向が９０°方向である場合の０°方向成分の値はcos 90°、すなわち０であり、９０°方向成分の値はsin 90°、すなわち１である。
なお、ＦＲＰの各層が略同一の厚みにより形成されている場合は上述した方法で算出するが、各層の厚みが異なる場合は、各層の厚みを重みとして該割合を算出する。例えば、ｎ層のＦＲＰのうち、接合側からｋ番目の層の０°方向成分の値をｘk、当該層の厚みをｔkとした場合、層全体における０°方向成分の合計値は、ｘ1×ｔ1＋・・・＋ｘn×ｔnとなる。９０°方向成分の合計値も同様に得られる。
本明細書では、補強部材３の板厚（すなわち、各層の合計板厚）の中心（中立面）に対し、当該補強部材３の、フラットパネル２との接合側に位置する部分を“曲げ内側部”と称し、該接合側の反対側に位置する部分を“曲げ外側部”と称す。なお、ここでいう「曲げ内側部」「曲げ外側部」は、実際にフラットパネル構造１を曲げた結果定義されるものではなく、あくまで補強部材３の中立面を基準に幾何的に定義されるものである。図９に示す補強部材３においては、フラットパネル２との接合側と反対側の面２ｂ寄りの５層が９０°配向層３ｂであり、残りの１層は０°配向層３ａである。すなわち、図９に示す例では、曲げ内側部が３つの９０°配向層３ｂを有し、曲げ外側部は２つの９０°配向層３ｂと、１つの０°配向層３ａを有している。
図９に示すフラットパネル構造１においては層全体に対する０°配向層３ａが少ないものの、フラットパネル構造１の中立面から曲げ外側に０°配向層３ａが含まれている。すなわち、引張応力が大きくなる曲げ外側部に０°配向層３ａが配置されていることにより、層全体に対する０°配向層３ａの割合が小さくても効果的にフラットパネル構造１の張り剛性を向上させることができる。張り剛性向上の観点からは、曲げ外側部に含まれる層全体における０°方向成分の割合が３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側部の０°方向成分の割合が３０％以上であり、かつ、補強部材３の層全体における０°方向成分の割合が４０％以上、好ましくは５０％以上との条件を満たすことで、張り剛性をさらに向上させることができる。
なお、第２の実施形態の説明では、繊維方向が２方向であったが、３方向以上であっても良い。例えば図１０に示す補強部材３は、フラットパネル２の面２ｂから順に９０°配向層３ｂ、４５°配向層３ｃ、－４５°配向層３ｄ、０°配向層３ａ、９０°配向層３ｂ、０°配向層３ａを有している。このような場合でも、補強部材３に０°方向成分が含まれているためにフラットパネル構造１の張り剛性を向上させることができる。また、前述のように、張り剛性向上の観点からは、曲げ外側部に含まれる層全体における０°方向成分の割合が３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側部の０°方向成分の割合が３０％以上、好ましくは５０％以上、かつ、補強部材３の層全体における０°方向成分の割合が４０％以上、好ましくは５０％以上との条件を満たすことで、張り剛性をさらに向上させることができる。
第１～第２の実施形態の説明は以上の通りである。なお、補強部材３はフラットパネル２の主な荷重入力が想定される側の面２ａに接合されていても、張り剛性の向上効果は得られるが、上記実施形態のように補強部材３は、面２ａとは反対側の面２ｂに接合されることが好ましい。例えばフラットパネル２が自動車のフロアパネル等の部品である場合、フラットパネル２の上面に面外方向からの荷重Ｆが入力されるため、フラットパネル２のより下面側で引張応力が大きくなるが、フラットパネル２の下面に補強部材３が接合されていれば、引張応力の発生部を効果的に補強することができる。これによりフラットパネル２の張り剛性の向上の効果がより得られやすくなる。
また、補強部材３は、図１１に示すようにフラットパネル２の面全体に接合されていることが好ましい。例えば、フラットパネル２に対して補強部材３を部分的に接合する場合であっても、部分的に張り剛性を向上させることは可能であるが、補強部材がフラットパネル２の面全体に接合されていることにより、フラットパネル２のどの位置に荷重が入力されても補強部材３による補剛効果を得ることが可能となる。
加えて、上記第１～第２の実施形態のような０°方向への配向に着目して得られた補強部材３は、例えば前述の特許文献１のＦＲＰシートと同形状の場合であっても、発揮される補剛効果は特許文献１のＦＲＰシートに対して大きくなる。すなわち、製品仕様によって特許文献１の補剛効果と同等の補剛効果が得られれば十分である場合には、例えば、補強部材３の板厚を薄くしてフラットパネル構造１の軽量化を図ることも可能である。このため、例えば上記第１～第２の実施形態のような補強部材３をフラットパネル２の面全体に接合する場合には、従来のＦＲＰシートをパネル全体にわたって複数接合する場合に比べ、パネル部材の軽量化を図ると共に十分な張り剛性を確保することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
＜評価結果（Ａ）：単一繊維方向＞
本発明に係るフラットパネル構造１の張り剛性を図１２に示す方法で評価した。 本評価方法では、フラットパネル２の、荷重入力側と反対側の面全体に６層構造の補強部材３が接合されている。また、フラットパネル２の周囲は拘束された状態となっている。また、下記表１のように繊維配向が異なる条件で張り剛性の評価を実施した。また、比較例として、補強部材３が接合されていない条件における張り剛性の評価も実施した。補強部材３はＣＦＲＰからなり、補強部材３の厚さは１層あたり０．２ｍｍの計１．２ｍｍであり、ヤング率は１０２ＧＰａである。鋼板の板厚は０．４ｍｍであり、引張強度は５９０ＭＰａである。
本発明に係るフラットパネル構造１の張り剛性を図１２に示す方法で評価した。 本評価方法では、フラットパネル２の、荷重入力側と反対側の面全体に６層構造の補強部材３が接合されている。また、フラットパネル２の周囲は拘束された状態となっている。また、下記表１のように繊維配向が異なる条件で張り剛性の評価を実施した。また、比較例として、補強部材３が接合されていない条件における張り剛性の評価も実施した。補強部材３はＣＦＲＰからなり、補強部材３の厚さは１層あたり０．２ｍｍの計１．２ｍｍであり、ヤング率は１０２ＧＰａである。鋼板の板厚は０．４ｍｍであり、引張強度は５９０ＭＰａである。
図１２に示すようにフラットパネル２の荷重入力側の面２ａの中央部にＲ５０の半球状の圧子１０を押し込むことで実施された。そして、圧子１０を２ｍｍ押し込むために要した荷重を各条件で比較した。この荷重値が高いほど、フラットパネル２が変形しにくい、すなわちフラットパネル構造１としての張り剛性に優れている。
図１３はCASE 2～CASE 8の評価結果を示すグラフである。図１３に示すように、繊維方向が０°方向の場合の荷重値は、９０°方向の場合の１．５倍以上であった。本評価結果を考慮すると、繊維方向が－１５°～１５°方向に配向されている場合には効果的にフラットパネル構造の張り剛性を向上させることができる。
＜評価結果（Ｂ）：複数繊維方向＞
次に、２種類以上の配向層を有する場合において、上記評価結果（Ａ）と同一の荷重入力条件で張り剛性の評価を実施した。各条件の繊維配向は下記表２の通りである。
次に、２種類以上の配向層を有する場合において、上記評価結果（Ａ）と同一の荷重入力条件で張り剛性の評価を実施した。各条件の繊維配向は下記表２の通りである。
図１４は、CASE 9～CASE 11の評価結果を示すグラフである。CASE 9～CASE 11の条件では、補強部材の６層のうち、０°配向層と９０°配向層の割合がそれぞれ異なっているが、比較例であるCASE9は、層全体の０°方向成分の割合が３３％と低く、０°配向層のみを有するCASE
2に対して張り剛性が低下した。層全体の０°方向成分の割合が５０％以上となる本発明例であるCASE 10およびCASE 11においては、０°配向層のみを有するCASE 2に対して張り剛性が向上した。本結果に鑑みると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、繊維方向が異なる複数の層を有し、層全体における０°方向成分の割合が４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。
2に対して張り剛性が低下した。層全体の０°方向成分の割合が５０％以上となる本発明例であるCASE 10およびCASE 11においては、０°配向層のみを有するCASE 2に対して張り剛性が向上した。本結果に鑑みると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、繊維方向が異なる複数の層を有し、層全体における０°方向成分の割合が４０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。
図１５は、CASE 12およびCASE 13の評価結果を示すグラフである。CASE 12およびCASE 13の条件では、９０°配向層に対する０°配向層の割合が少ない。一方で、CASE
12およびCASE 13の条件では、補強部材の板厚中心よりも曲げ外側の層に０°配向層が位置しており、曲げ外側の層における０°方向成分の割合が３０％以上となっている。図１５に示すように、CASE 12およびCASE 13においては、CASE 2に対してさらに張り剛性を向上させることができる。本結果を考慮すると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、２種類以上の配向層を有し、補強部材の板厚中心よりも曲げ外側の層における０°方向成分の割合が曲げ外側の層の３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側の層に含まれる０°方向成分の割合が曲げ外側の層の３０％以上であり、かつ、層全体の０°方向成分の割合が４０％以上であれば、さらに張り剛性を向上させられると推察される。
12およびCASE 13の条件では、補強部材の板厚中心よりも曲げ外側の層に０°配向層が位置しており、曲げ外側の層における０°方向成分の割合が３０％以上となっている。図１５に示すように、CASE 12およびCASE 13においては、CASE 2に対してさらに張り剛性を向上させることができる。本結果を考慮すると、張り剛性を効果的に向上させるためには、補強部材が、２種類以上の配向層を有し、補強部材の板厚中心よりも曲げ外側の層における０°方向成分の割合が曲げ外側の層の３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがさらに好ましい。また、曲げ外側の層に含まれる０°方向成分の割合が曲げ外側の層の３０％以上であり、かつ、層全体の０°方向成分の割合が４０％以上であれば、さらに張り剛性を向上させられると推察される。
図１６は、CASE 14およびCASE 15の評価結果を示すグラフである。CASE 14およびCASE 15の条件は、０°配向層および９０°配向層以外の配向層を含む。前述した三角関数を用いる方法で、０°方向とのなす角から、それぞれ０°方向成分を算出した結果、CASE 14及びCASE 15は、層全体における０°方向成分が４０％以上であり、かつ曲げ外側の層における０°方向成分の割合が３０％以上である。図１６に示すように、いずれの条件においても、CASE 2に対して張り剛性が向上している。本結果を考慮すると、０°配向層および９０°配向層以外の配向層を含む場合であっても、層全体における０°方向成分が４０％以上である、もしくは曲げ外側の層における０°方向成分の割合が３０％以上であれば、張り剛性を効果的に向上させることができる。
本発明は、自動車のフロアパネル等の構造として利用することができる。
１ フラットパネル構造
２ フラットパネル
２ａ フラットパネルの荷重入力側の面
２ｂ フラットパネルの荷重入力側と反対側の面
３ 補強部材
３ａ ０°配向層
３ｂ ９０°配向層
３ｃ ４５°配向層
３ｄ －４５°配向層
４ 構造部材
４ａ、４ｂ、４ｆ～４ｉ 第１の構造部材
４ｃ～４ｅ 第２の構造部材
１０ 圧子
Ｃ 補強部材の板厚中心
２ フラットパネル
２ａ フラットパネルの荷重入力側の面
２ｂ フラットパネルの荷重入力側と反対側の面
３ 補強部材
３ａ ０°配向層
３ｂ ９０°配向層
３ｃ ４５°配向層
３ｄ －４５°配向層
４ 構造部材
４ａ、４ｂ、４ｆ～４ｉ 第１の構造部材
４ｃ～４ｅ 第２の構造部材
１０ 圧子
Ｃ 補強部材の板厚中心
Claims (8)
- 周囲が構造部材に拘束された金属製のフラットパネルと、
前記フラットパネルに接合され、連続繊維を含み、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂である、複数のＦＲＰの層からなる補強部材とを備え、
前記複数のＦＲＰの層の各々はそれぞれ一の繊維方向からなり、
前記複数のＦＲＰの層のうち少なくとも一つの層は他の層とは異なる繊維方向を示し、
前記フラットパネルの短手方向を０°方向、および前記０°方向に直交する方向を９０°方向と定義し、前記フラットパネルに接合されている前記補強部材の各層の繊維方向について、三角関数を用いて０°方向成分及び９０°方向成分をそれぞれ算出した場合において、前記複数のＦＲＰの層全体に含まれる前記連続繊維の繊維方向の両成分のうち前記０°方向成分が４０％以上である、フラットパネル構造。 - 前記補強部材のＦＲＰの層全体のうち、前記０°方向に対して５°以内に配向されている連続繊維を含む前記ＦＲＰの層の割合が４０％以上である、請求項１に記載のフラットパネル構造。
- 前記補強部材の板厚中心に対し、該補強部材の前記フラットパネルとの接合側と反対側となる部分に含まれる層の前記０°方向成分の割合が３０％以上である、請求項１または２に記載のフラットパネル構造。
- 前記フラットパネルはフロアパネルであり、
前記補強部材は、前記フロアパネルの下面に接合されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のフラットパネル構造。 - 前記補強部材は前記フラットパネルの面全体に接合されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のフラットパネル構造。
- 前記フラットパネルは、４４０ＭＰａ以上の鋼板である、請求項１～５のいずれか一項に記載のフラットパネル構造。
- 前記ＦＲＰは、ＣＦＲＰである、請求項１～６のいずれか一項に記載のフラットパネル構造。
- 前記ＦＲＰは、ＧＦＲＰである、請求項１～６のいずれか一項に記載のフラットパネル構造。
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