JP4505372B2 - パネル体用金属製補強材とその製造方法及びそれを用いたパネル体 - Google Patents

Description

本発明は、建造物のドアや仕切り壁、デスク等の家具や搬送機械等の二重壁構造の構造物に用いられ、隙間を有して配置される一対の面材を有するパネル体（以下パネル体と呼ぶ）の中の内部の金属製補強材とその補強材を用いたパネル体に関するものである。

従来、住宅やビル等の建築物の仕切り壁やドア、また、デスク等の家具や搬送機械等には、面材を一定間隔で並行に配置したパネル体が広く採用されている。これらのパネル体の面材の多くは鋼製だが、パネル体の軽量化強度の為、面材同士を支える補強材には、例えば特許文献１などに記載されているように、ダンボールやボール紙をハニカム状にした補強材（ハニカム状補強材）を介装する方法が一般に採用されている。
これらダンボールやボール紙を用いたハニカム状補強材は、防火性を高めるために水酸化アルミニウムを付着させる化学処理等が施されている。しかし、住宅やビル等の建築物が老朽化して建て替えやリフォームを行う場合、使用済のドアや仕切り壁等の鋼製のパネル体をリサイクルして資源化するためには、金属とダンボールやボール紙を分離する必要があり、解体に多大の手間を要し、処理コストが高くなる等の問題がある。
この対策として、特許文献２に記載されているように、熱可塑性樹脂フイルムを両面にラミネートした金属板を折り曲げて複数の波板を製造し、この波板の端部を重ねたハニカム状補強材を一対の鋼板の間に介装して玄関ドアを製造することにより、玄関ドアの耐久性を向上し、リフォームを行う際の解体の手間を少なくして処理コストを低減することが行われている。
更に、特許文献３に記載されているように、金属箔に接着剤を所定間隔をおいて塗布し、この接着剤の塗布する位置を半ピッチずつずらして積層した金属箔のブロックを展張させてハニカム状とした補強材を用い、リフォームを容易にすることが提案されている。
しかしながら、特許文献２に記載された方法では、金属板を細断して折り曲げ加工を施すため、製造工程が複雑になり、製造コストも高くなる。更に、金属板を折り曲げ加工したものを使用するため、一対の鋼板の間に装着できる高精度の寸法を有するハニカム状補強材を製造するのが難しく、その結果、パネル体に使用する際、切削や研磨等の二次加工を要する。
また、特許文献３に記載されたハニカム状補強材では、ハニカム状補強材をドアや仕切り壁等の補強に使用するには、金属箔の積層工程及び積層した金属箔のブロックを展張させる等の二次加工を要し、前記した特許文献２に記載された方法と同様に、製造工程が複雑化し、製造コストが高くなり、パネル体に使用する際に切削や研磨等の二次加工を要する等の問題がある。
そこで、低コストで簡易な構造の金属製補強材を用いたパネル体として、特許文献４や、特許文献５のように、パネル体そのものに凸部を付与し、これを補強材とする方法が提唱されている。
また、より簡便な補強材として、特許文献６のように閉ループ状にした金属製の円環状補強材を用いる方法や、特許文献７のようにフープ状金属帯を加工する方法、特許文献８のように屈曲させた帯板材を切り込みを介して縦横に接合する方法などが開示されている。

特開平１１−７０６０３号公報 特開平７−２７９３０６号公報 特開平５−２４１３８号公報 特開平９−１４１７６９号公報 特開平２００３−２３１１９４号公報 特開２００３−１１９９５３号公報 実開平４−１１０８２４号公報 実開平４−１１０８２３号公報

パネル体の面材の剛性は、補強材を内装しない場合、一般的にパネルの縁部から最も離れたパネル中央部で最も弱くなる。従って、補強材の配置としては、パネル体のセンター部周辺ではより高い剛性で支え、パネル体縁部周辺では相対的に低い剛性で支える、と言うように、局所ごとに求められる剛性に応じた最適な補強を可能とする方法が望ましい。しかしながら上述の特許文献１〜５に示されたような従来の方法では、パネル内で局部的に補強材の剛性を調整し、パネル体全体の強度調整を行なうことは難しい。
一方、特許文献６〜８に示す方法を用いれば、パネル体の部位に応じて補強材を選択することが可能であるが、これらに開示された補強材は、補強材同士を隣接ないし連結することで面上の位置を固定する前提のため、補強材の密度を下げて、面材を単独支持せねばならぬ場合、面材と補強材との接合強度不足のため、脱落や破損が起こりやすいという構造上の欠点があった。
かかる補強材の面材との接合強度を確保する方法としては、補強材の端面にフランジを付与し、フランジ面と面材とを接着剤で接着もしくは溶接により接合する方法が一般に考えられる。しかしながら、パネル体にねじれ応力が加わった場合、接着フランジ部の接着部に局部的に応力が集中すると、パネル体面材と補強材との間の接着力が経時劣化するという問題が起こりやすい。特に、特許文献７や特許文献８のようにフープ状金属帯から補強材を形成する場合には、補強材の継ぎ目部とその他の部位でのねじれ剛性が異なる為、ねじれ応力が付与された時、フランジ接合部へ局部応力集中が起こり、接着部の劣化に結びつくという問題点があり、安定した密着性と補強材の剛性を両立させることが難しかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、パネル体の面材を局部的に単独支持でき、しかもパネル面材との接着安定性に優れた軽量で剛性の高い低コスト製造可能な補強材を提供すると共に、その補強材のパネル体への装着配置や形状の最適化により、パネル体の剛性と軽量化の両立を可能とするこまかい剛性調整を簡単に行なうことを可能とする手段を提案し、安価な軽量かつ高剛性のパネル体を提供することを目的とする。

これらの課題を解決するために、発明者らは、接着フランジを有する金属製閉ループ型補強材がパネル体に適用された時に受ける応力と接合部への応力集中の状況を応力解析と膨大な形状変更試験により詳細解析を繰り返した。その結果、両面のフランジと補強材胴部が継ぎ目のない一体構造となった補強材が、接合部への応力集中緩和に効果的であるのみならず、補強材の接着安定性と剛性そのものを高め、しかも簡易な成形で製造可能であることを知見した。しかも絞り加工によるフランジと胴部の一体成形によりその形状を実現することで低コストで量産できるのみならず、フランジ配置、フランジの定量的なディメンジョンを最適化することで、所定の性能を満足する条件を見出した。
ここで、その本発明の要旨は、以下のとおりである。
（１） 隙間を有して配置される一対の面材を有するパネル体に用いられ、前記面材の間に装着される金属製補強材であって、その補強材の胴部の形状が閉ループ状であり、かつ該補強材を前記面材の双方に接着させるためのフランジが前記胴部の前記各面材に対峙する側に付与され、かつ前記胴部、及び前記フランジと前記胴部の間に継ぎ目がないことを特徴とするパネル体用金属製補強材。
（２） （１）に記載する金属製補強材において、前記面材の一方に接触するフランジが前記胴部に対し外側に配置され、かつ前記面材の他方に接触するフランジが前記胴部に対し内側に配置されていることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
（３） （１）及び（２）に記載する金属製補強材において、材料が鉄を母材金属とするものであることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
（４） （１）〜（３）に記載する金属製補強材において、材料が母材金属の表面に化成処理を施したものであることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
（５） （１）〜（４）に記載する金属製補強材において、前記フランジの幅Ｌ（ｍｍ）が、前記胴部の直径Ｄ（ｍｍ）に対し、下記式の関係にあることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
０．０２Ｄ≦Ｌ
（６） （１）〜（５）に記載する金属製補強材において、前記胴部の形状が円環状であることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
（７） （１）〜（６）に記載する金属製補強材において、前記フランジの表面積Ａが、前記フランジの平面投影面積Ｂに対し、下記式の関係にあることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
Ｂ／Ａ≦０．９
（８） （１）〜（７）に記載する金属製補強材の製造方法として、材料の金属薄板をカップ状に絞り加工した後、このカップの上部と底部を折り曲げ及び／又は切除によりフランジ形状にすることを特徴とするパネル体用金属製補強材の製造方法。
（９） （１）〜（７）に記載する金属製補強材の製造方法として、材料の金属薄板をカップ状に絞り加工し、続いてこのカップの底部の中心側のフランジとしての余剰部を除去し、かつ前記カップの上部を前記胴部に対し外向きもしくは内向きに折り曲げ、余剰部を除去してフランジ形状にすることを特徴とするパネル体用金属製補強材の製造方法。
（１０） （１）〜（７）に記載する金属製補強材を用いたことを特徴とするパネル体。
（１１） （１０）に記載するパネル体において、前記補強材の円周長、前記補強材の材料の板厚、及び材料の機械特性のいずれか１又は２以上が異なる複数種類の補強材を同一のパネル体内に用いたことを特徴とするパネル体。
（１２） （１０）及び（１１）に記載するパネル体において、前記フランジと前記面材の間の接着樹脂層厚みが２０μｍ以上であることを特徴とするパネル体。
（１３） （１２）に記載するパネル体において、前記フランジと前記面材の間の接着樹脂層厚みが２μｍ以下の部分の面積比率が２０％未満であることを特徴とするパネル体。

本発明によれば、軽量でかつ剛性の高いパネル体を安価に実現するパネル内の局部補強用部材とその製造法を提供することができる。

以下、本発明の詳細につき述べる。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るパネル体用金属製補強材（以下、単に補強材ともいう）１０は、隙間を有して配置される一対の面材を有するパネル体１４（図５参照）に用いられる補強材で、その胴部１１の形状が閉ループ状であり、かつ補強材１０を面材の双方に接着させるためのフランジ（以後、接着フランジ１２、１３と称する）が胴部１１の各々の面材に対峙する側に付与されており、かつ胴部１１、及び接着フランジ１２、１３と胴部１１の間に継ぎ目がないことを要件とする。この場合、胴部、及びフランジと胴部が継ぎ目のない一体物の金属で成形されていないと、接合部で補強材の剛性が不均一になりパネル体にねじり剛性が働いた時、フランジ部に応力集中が発生する。この応力のために接着が剥離しやすくなり、長期に繰り返し応力を受けた場合、補強材の脱落等のトラブルが起こりやすくなる。

また、２つのフランジの配置は、補強材の胴部に対し相対配置として、図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）にそれぞれ示す３種があり、そのいずれも本発明に含まれる。特に、図１（Ａ）に示す本実施の形態の補強材１０の胴部１１に対し、一方の面材に接触する接着フランジ１２と他方の面材に接触する接着フランジ１３とが反対方向、即ち、それぞれ外側と内側に配置に配置されていることが望ましい。これに対して、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、フランジが胴部に対し同一方向に配置された場合、パネル体の面材から圧縮応力を受け、補強材胴部が座屈限界に近づいた時、フランジの配置された方向と反対方向に凸に胴部が座屈する場合の座屈抵抗が低く、補強材の圧縮強度が低下する。

また、補強材の材質は母材金属が鉄であることが望ましい。鉄製品であれば、常温ではどんな成分の鉄でも、ある一定の高いヤング率を確保でき、剛性が安定する。特にその鋼成分やその鋼機械特性を規定するものではないが、ブリキ、Ｎｉメッキ鋼板、亜鉛鉄板、ステンレス鋼板、窒素添加鋼板が一般に使用できる。
また、補強材の表面には化成処理を施すことが望ましい。特に補強材と面材を接着樹脂層で接合する場合にその効果が明確となる。化成処理の方法やタイミングについては特に規定するものではないが、燐酸処理、クロム酸処理、燐酸フェノール処理等の適用効果が高い。

また、補強材のフランジ幅Ｌ（ｍｍ）と補強材の胴部の直径Ｄ（ｍｍ）との関係が、
０．０２Ｄ≦Ｌ
であることが望ましい。Ｌが０．０２Ｄ未満の場合、補強材の剛性に対し、フランジ幅が狭すぎてフランジ部への応力集中が高くなり、接着部が剥離しやすくなる。Ｌが補強材の直径Ｄに対し大きくなることについては特に規定しないが、０．４Ｄを超えると、フランジアップによる接着力の向上や補強材の剛性向上の効果は飽和し、質量上昇の弊害が顕在化する。
また、補強材の閉ループ形状は角形状のものや不均一な閉ループ形状でも構わないが、円環形状のものを採用することが望ましい。その理由は他形状に比べ、加工が容易であると共に、補強材剛性の異方性が低く、あらゆる方向からの曲げ応力に対し安定した強度を有するからである。

本発明の一実施の形態に係るパネル体用金属製補強材の製造方法としては、材料の金属薄板をカップ状に絞り加工した後、カップの上部と底部を、胴部となる部分にたいして外側又は内側に折り曲げる、及び／又は、余剰部を切除することにより、それぞれフランジ形状にすることで、容易に製造することができる。
特に、材料となる金属薄板を絞り成形してフランジ付きカップを成形し、カップの底部のセンター部を余剰部として円形に打ち抜くことで、面材との接合に用いるフランジを形成でき、かつそのフランジ強度や胴部強度が単独支持に耐え得るに十分な、一体物の形状を簡単に製造することができる。このような製造方法は製缶において周知の方法であり、他のエキスパント法やしごき加工法にくらべ、設備的にも簡易であり低コストの製造が可能である。

また、フランジとパネル体の面材（パネル）との間の接着樹脂層の平均膜厚が２０μｍ以上であることが望ましい。接着樹脂層厚みが２０μｍ未満の場合は、接着樹脂層部分のクッション効果が弱まり、リング（補強材）変形時のひずみの吸収効果が低減し、密着力の長期安定性を確保しにくくなることがあるからである。

また、フランジとパネル体の面材（パネル）の間の接着樹脂層厚みが２μｍ以下の部分の比率が２０％未満であることが望ましい。接着樹脂層厚みが２μｍ以下の部分の面積比率が２０％以上となると、接着樹脂部のクッション効果がリングとパネルの接着部分の中で不均一となり、リングやパネルの変形時に、応力が接着部の一部に集中して剥離の起点となる可能性があるからである。
また、フランジ部分の表面積Ａがフランジ部分の平面投影面積Ｂに対し、下記式の関係にあることが望ましい。
Ｂ／Ａ≦０．９
これは、例えば図２〜図４の各（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、フランジ部分に筋状の変形やポンチによる凹凸、ビード加工などを施すことにより実現できる。この場合、加えられる変形の方向に関わらず、Ｂ／Ａ≦０．９とすることで、フランジ部分の接着面積をパネルの接着面積よりも広く確保でき、接着力を高めることができる。Ｂ／Ａ＞０．９の場合はリングのフランジ接着面積の拡大の効果が不十分となり、密着力は相対的に低くなる。

次に、本発明の一実施の形態に係る金属製補強材を用いたパネル体１４について述べる。図５に示すように、補強材はパネル体１４に求められる剛性に仕上げるために、パネル体１４の面上（一対の面材の間）に任意に配置することができる。また補強材の配置には、ロボットアーム等を用いて自動化することも可能である。
ここで本実施の形態に係るパネル体１４の補強材は、接着樹脂層により一対の面体（面材）に貼り付けられる。溶接により接合しても良いが、両方の面材と接合することは工程上難しく、片側の面体のみとの接合では強度の面で劣り、また防振の面からも好ましくない。また補強材の充填により位置を固定する方法では、本発明の目的である、軽量化と補強部位への重点配置が行えない。
なお、補強材は実質的に均等に、又は、強度の弱いところに局部的に配置され、各補強材のフランジ径（ａ）の面積（πａ² ／４）の総計を、面材の面積に対して５〜３０％とするのがよい。

次に、接着樹脂層について述べる。接着剤樹脂層として用いる樹脂は特に限定するものではないが、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれでも使用できる。また、熱可塑性樹脂を用いる場合は、使用される温度以上のガラス転移点を有する樹脂を選定することが望ましい。熱硬化性樹脂の代表的なものはユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂の代表的なものはポリエステル樹脂、ナイロン等のポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂等が挙げられる。
また、補強材の円周長、もしくは補強材の材料の板厚もしくは機械特性のうち、少なくともひとつが異なる複数種類の補強材を用いることにより、補強部品の剛性やパネル体の面材の保持性能を任意に調節することが可能である。それに加え、補強材の配置密度を自由に調整してもよい。
これにより、パネル体の面材に局部的に高いパネル面保持強度を求められる場合にも、最小限の補強材の使用により簡易に必要強度を有するパネル体を得ることができる。

（実施例１）
大きさ３００ｍｍ×６００ｍｍ、板厚０．６ｍｍの２枚の面材に、図１のタイプ（Ａ）、（Ｂ）で、表１に示すサイズの補強材を、図５に示すように配置したパネル体を作成した。また、比較例として、補強材を用いないパネル体、及び特許文献１の例に従い紙ハニカムの補強材を配置したパネル体を作成した。それぞれのパネルについて、質量と強度を測定した。ここで強度は、パネル体の中央部に１００ｋｇの荷重を加えたときのたわみ量で評価した。結果を表１に示す。実施例１の構成を用いることで、質量の増加を低減しつつ高い強度を得ることができた。

（実施例２）
図１〜図４のタイプ（Ａ）に示す補強材を、表１のタイプ（Ａ）と同じ寸法で作成した。このときの凹凸の高さはほぼ０．５ｍｍとした。この補強材各１個を、大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ、板厚０．６ｍｍの２枚の面材のほぼ中央に、エポキシ系樹脂で接着した。接着後の樹脂接着層厚みはほぼ２０μｍに調節した。
このパネル体を、面材の平面に垂直方向に引っ張り、剥離したときの最大荷重を測定し、図１の補強材の最大荷重を１として、各面材の接着力を評価した。なおフランジ部の表面積は、外向きのフランジを代表とした。結果を表２に示す。図２〜図４のような加工をフランジ部に施すことで、接着強度をさらに向上させることができた。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係るパネル体用金属製補強材の説明図、（Ｂ）、（Ｃ）は接着フランジの配置状態を変えた補強材の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、フランジの表面に波加工を施したパネル体用金属製補強材の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、フランジの表面に輪形加工を施したパネル体用金属製補強材の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、フランジの表面に凸加工を施したパネル体用金属製補強材の説明図である。 本発明の一実施の形態に係るパネル体の説明図である。

符号の説明

１０：パネル体用金属製補強材、１１：胴部、１２、１３：接着フランジ、１４：パネル体

Claims (13)

1. 隙間を有して配置される一対の面材を有するパネル体に用いられ、前記面材の間に装着される金属製補強材であって、
   その補強材の胴部の形状が閉ループ状であり、かつ該補強材を前記面材の双方に接着させるためのフランジが前記胴部の前記各面材に対峙する側に付与され、かつ前記胴部、及び前記フランジと前記胴部の間に継ぎ目がないことを特徴とするパネル体用金属製補強材。
2. 請求項１記載の金属製補強材において、前記面材の一方に接触するフランジが前記胴部に対し外側に配置され、かつ前記面材の他方に接触するフランジが前記胴部に対し内側に配置されていることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載の金属製補強材において、材料が鉄を母材金属とするものであることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属製補強材において、材料が母材金属の表面に化成処理を施したものであることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属製補強材において、前記フランジの幅Ｌ（ｍｍ）が、前記胴部の直径Ｄ（ｍｍ）に対し、下記式の関係にあることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
   ０．０２Ｄ≦Ｌ
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属製補強材において、前記胴部の形状が円環状であることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属製補強材において、前記フランジの表面積Ａが、前記フランジの平面投影面積Ｂに対し、下記式の関係にあることを特徴とするパネル体用金属製補強材。
   Ｂ／Ａ≦０．９
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属製補強材の製造方法として、材料の金属薄板をカップ状に絞り加工した後、このカップの上部と底部を折り曲げ及び／又は切除によりフランジ形状にすることを特徴とするパネル体用金属製補強材の製造方法。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属製補強材の製造方法として、材料の金属薄板をカップ状に絞り加工し、続いてこのカップの底部の中心側のフランジとしての余剰部を除去し、かつ前記カップの上部を前記胴部に対し外向きもしくは内向きに折り曲げ、余剰部を除去してフランジ形状にすることを特徴とするパネル体用金属製補強材の製造方法。
10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属製補強材を用いたことを特徴とするパネル体。
11. 請求項１０記載のパネル体において、前記補強材の円周長、前記補強材の材料の板厚、及び材料の機械特性のいずれか１又は２以上が異なる複数種類の補強材を同一のパネル体内に用いたことを特徴とするパネル体。
12. 請求項１０及び１１のいずれか１項に記載のパネル体において、前記フランジと前記面材の間の接着樹脂層厚みが２０μｍ以上であることを特徴とするパネル体。
13. 請求項１２記載のパネル体において、前記フランジと前記面材の間の接着樹脂層厚みが２μｍ以下の部分の面積比率が２０％未満であることを特徴とするパネル体。

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