JP5907150B2 - 車両ルーフ構造および車両、ならびに車両ルーフユニットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池を有する車両ルーフ構造およびそのような車両ルーフ構造を備えた車両、ならびに太陽電池を有する車両ルーフユニットの製造方法に関する。

特開平１１−１５７３４２号公報（特許文献１）に開示されているように、太陽電池を搭載したルーフを有する車両が知られている。車両のルーフは、雪国での積雪や洗車機による圧力など、外部環境から様々な衝撃を受ける。外部から衝撃を受けてルーフが大きく変形すると、太陽電池が故障して適切に発電しなくなることがある。このため、太陽電池を備える車両のルーフには、一般的に、比較的高い強度・剛性と高い透明性を有するガラス板がルーフパネルの外表面構成部材として用いられている。

特開平０６−００５９０１号公報（特許文献２）には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）に太陽電池をインサートした太陽電池モジュールを、全体的に曲面をもたせるとともにその周囲を折り曲げることで剛性を高めることが記載されている。

特開平１１−１５７３４２号公報 特開平０６−００５９０１号公報

ところで、ガラスの比重は約２．５であり、太陽電池を支持可能な所定の強度・剛性を有する車両ルーフ構造を実現するためには、ルーフ全体の重量が重くなりやすい。ルーフの重量の増加は、燃費を低下させたり、走行時の車両の安定性を低下させたりする。そこで、ガラス板に替えて、ガラスよりも比重の小さい透明樹脂からなる樹脂パネルをルーフパネルの外表面構成部材に用いることが考えられている。

しかしながら、太陽電池を支持可能なルーフパネルにおけるガラス板と同等の厚みの樹脂パネルを用いた場合、重量は軽くなるものの、太陽電池を支持するのに必要なルーフパネルの強度・剛性が不足してしまうという問題が発生する。また、樹脂パネルの強度・剛性を、太陽電池を支持可能なルーフパネルにおけるガラス板と同等にしようとすると、樹脂パネルの厚みが厚くなり、かえってルーフの単位面積あたりの重量が大きくなってしまうという問題が発生する。

本発明は、上記のような実情に鑑みて為されたものであって、軽量化を図ることが可能な車両ルーフ構造および車両、ならびに車両ルーフユニットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に基づく車両ルーフ構造は、面状に並べられた複数の太陽電池セルを含む太陽電池ユニットと、透明性を有する樹脂から形成され、上記太陽電池ユニットを上方側から覆うように配置された板状のルーフパネルと、金属製の部材から形成され、上記太陽電池ユニットを下方側から支持し、車両の前後方向およびまたは車幅方向に延在するように配置された複数のリインフォースと、を備え、複数の上記リインフォースおよび複数の上記太陽電池セルを平面視したとき、複数の上記リインフォースは複数の上記太陽電池セルに重ならないように配置されている。

透明樹脂から形成されたルーフパネルのみでは剛性が不足したり重量が大きくなったりしてしまうところ、上記の構成によれば、透明樹脂から形成されたルーフパネルと複数のリインフォースとにより、所定の剛性を実現できるとともに、軽量化を図ることが可能となる。

好ましくは、上記樹脂は、ポリカーボネートである。好ましくは、複数の上記リインフォースは、車幅方向に延在しており、且つ車両の前後方向に間隔を空けて並んでいる。好ましくは、上記太陽電池ユニットは、複数の上記太陽電池セルを封止し且つ複数の上記太陽電池セルを上記ルーフパネルに接着する透明熱可塑性樹脂をさらに含む。

本発明に基づく車両は、本発明に基づく上記の車両ルーフ構造を備える。
車両ルーフユニットの製造方法は、透明性を有する樹脂から形成された板状のルーフパネルを準備する工程と、上記ルーフパネル上に透明性を有する熱可塑性樹脂から形成された第１シート材を配置する工程と、上記第１シート材の上に複数の太陽電池セルを面状に並べる工程と、複数の上記太陽電池セルを覆うように、熱可塑性樹脂から形成された第２シート材を配置する工程と、上記第２シート材を覆うようにフィルムを配置する工程と、上記第１シート材および上記第２シート材を、上記フィルムと上記ルーフパネルとの間で真空加熱することにより、複数の上記太陽電池セルを封止する工程と、金属製の部材から形成された複数のリインフォースと上記フィルムとを互いに固定する工程と、を備える。

本発明によれば、軽量化を図ることが可能な車両ルーフ構造および車両、ならびに車両ルーフユニットの製造方法を得ることができる。

実施の形態における車両を示す斜視図である。 実施の形態における車両のルーフを模式的に示す部分平面図である。 実施の形態における車両に備えられる車両ルーフ構造を模式的に示す斜視図である。 図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。 実施の形態における車両ルーフユニットの製造方法の第１工程を示す断面図である。 実施の形態における車両ルーフユニットの製造方法の第２工程を示す断面図である。 実施の形態の変形例における車両ルーフ構造に用いられるリインフォースを示す斜視図である。

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。個数および量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数およびその量などに限定されない。同一の部品および相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図１は、実施の形態における車両１０を示す斜視図である。図中の矢印Ｌは車両左方向を示し、矢印Ｒは車両右方向を示す。矢印ＬＲで示される方向は車幅方向である。矢印Ｆは車両前進方向を示し、矢印Ｂは車両後退方向を示す。矢印ＦＢで示される方向は車両の前後方向である。これらについては、後述する図２〜図４においても共通している。

図１に示すように、車両１０は、ルーフ１に設けられた車両ルーフ構造２を備えている。図２は、車両１０のルーフ１を模式的に示す部分平面図である。図２に示すように、車両のルーフ１は、左右に配置されたルーフサイドレール６間に取り付けられた車両ルーフ構造２を備えている。

図３は、車両ルーフ構造２を模式的に示す斜視図である。図４は、図２中のＩＶ−ＩＶ線に沿った矢視断面図である。図２〜図４に示すように、車両ルーフ構造２は、太陽電池ユニット３、ルーフパネル４、および複数のリインフォース５を備えている。太陽電池ユニット３は、複数の太陽電池セル３Ｃと、封止樹脂３Ｒ（図４）と、封止樹脂３Ｒの下面側に設けられたフィルム３Ｆ（図４）とを含んでいる。

複数の太陽電池セル３Ｃは、間隔を空けて面状に並べられ、互いに直並列接続されて電池を構成している。本実施の形態では、複数の太陽電池セル３Ｃは行列状に並べられている。太陽電池セル３Ｃの各々は、シリコン系の結晶を含んでおり、過度な曲げ荷重を受けた場合に故障しやすいという特徴を有している。太陽電池ユニット３に含まれる太陽電池セル３Ｃの大きさ、形状、数、ならびに隣り合う太陽電池セル３Ｃ間の間隔は、車両ルーフ構造２のルーフパネル４内において、太陽電池セル３Ｃの搭載密度ができるだけ高くなるように構成されている。隣り合う太陽電池セル３Ｃの間の間隔は、太陽電池セル３Ｃの配線スペースや封止樹脂の熱伸縮吸収しろなど、諸条件によりその必要最小距離が設定される。

封止樹脂３Ｒは、発電素子である太陽電池セル３Ｃや配線などのモジュール内部部材を被覆して、水分浸入や衝撃から内部部材を保護するものである。封止樹脂３Ｒとしては、ＥＶＡ（エチレン酢酸共重合体）やＰＶＢ（ポリビニルブチラノール）やシリコーン樹脂などの公知の封止樹脂材料が使用される。封止樹脂３Ｒは、複数の太陽電池セル３Ｃを封止し、複数の太陽電池セル３Ｃをルーフパネル４の下面に接着している（図４参照）。また、封止樹脂３Ｒのルーフパネル４と反対側にはフィルム３Ｆが設けられており、ルーフパネル４と太陽電池セル３Ｃを内包する封止樹脂３Ｒとフィルム３Ｆとは、一体化されたユニットを構成している。

ルーフパネル４は車両１０のルーフ１において上面の一部を構成する部材であり、板状の形状を有している。図３においては、便宜上のためルーフパネル４は一点鎖線を用いて模式的に図示している。ルーフパネル４の上面は、車両の外表面を構成しており外部に露出している。また、ルーフパネル４は、その下面にて太陽電池ユニット３を上方側から覆っている。本実施の形態では、ルーフパネル４として、透明性を有する樹脂パネルが使用されている。ルーフパネル４を構成する樹脂材料としては、たとえばポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂やＰＥＴ樹脂や塩化ビニル樹脂などがあり、使用環境に合わせて適宜選択される。太陽光は、ルーフパネル４を通過して太陽電池ユニット３の各太陽電池セル３Ｃに到達する。また、樹脂製のルーフパネル４の外表面にはハードコートなどがコーティングされており、耐傷つき性が高められている。

リインフォース５は、棒状に延びる形状を有し、太陽電池ユニット３の下に設けられる。リインフォース５は、太陽電池ユニット３を下方側（車室側）から支持している。リインフォース５は、鉄等の金属製の部材から形成され、その形状は角筒状（略ロの字の断面形状）を有している（図３参照）。各リインフォース５は、車幅方向に延在しており、車両の前後方向に間隔Ｐ（図２）を空けて平行に並んでいる。間隔Ｐは、たとえば３００ｍｍである。リインフォース５および太陽電池セル３Ｃを平面視したとき、リインフォース５は太陽電池セル３Ｃに重ならないように配置されていることが好ましい。

図４を参照して、太陽電池ユニット３、ルーフパネル４およびリインフォース５を車両１０（図１）のルーフサイドレール６に固定するためには、ブラケット７および締結具８が用いられる。ルーフサイドレール６は、サイメンアウタ６Ｔおよびレールインナ６Ｓを含み、車幅方向両側縁部において車両の前後方向に延びている。

ブラケット７のうちのルーフサイドレール６の側の端部は、レールインナ６Ｓに締結具８を用いて固定され、ブラケット７のうちのリインフォース５の側の端部は、リインフォース５に他の締結具８を用いて固定される。リインフォース５は、車両左側のブラケット７と車両右側のブラケット７（図示せず）を介して左右両側のルーフサイドレール６に橋渡し状に両端支持される。なお、ブラケット７は必ずしも必要ではなく、リインフォース５をルーフサイドレール６に直接取り付ける構成であってもよい。ルーフパネル４とルーフサイドレール６との間に形成される隙間は、ウレタン系の接着剤９により埋められる。

（作用および効果）
冒頭で述べたとおり、ガラスは、一般的な樹脂に比べてヤング率（剛性）が高く、ルーフに作用する外部荷重から太陽電池を保護するのに適している。しかしながら、ガラスの比重は約２．５であるため、所定の剛性を有する車両ルーフ構造を実現するためには、ルーフ全体の重量が重くなりやすい。

冒頭で述べた特開平０６−００５９０１号公報（特許文献２）は、全体を曲面とし、かつ、端部を折り曲げ加工したＦＲＰに太陽電池をインサートした太陽電池モジュールを開示している。しかしながら、自動車のルーフは空力性能やデザインに応じてその形状が決まるため、設計条件によっては十分な強度が得られるとは限らない。これに対して本実施の形態では、透明樹脂から形成されたルーフパネル４と複数のリインフォース５とにより、所定の剛性を実現できるとともに、軽量化を図ることが可能となっている。

リインフォース５の材質に鉄を採用し、ルーフパネル４の材質にポリカーボネート（ＰＣ）を採用したとする。鉄（ＳＳ４００）の比重は７．８６ｇ／ｃｍ^３であり、ＰＣの比重は１．２３ｇ／ｃｍ^３である。鉄（ＳＳ４００）のヤング率は１９２．０８ＧＰａであり、ＰＣのヤング率は２．４５ＧＰａである。鉄（ＳＳ４００）の引っ張り強度は４００ＭＰａであり、ＰＣの引っ張り強度は１０４ＭＰａである。ヤング率／比重の値を比較すると、鉄は２４．４であり、ＰＣは２である。すなわち、単位重さあたりの剛性は、鉄はＰＣに比べて約１０倍高い。

このことからも、ルーフパネル４の板厚を厚くすることによって剛性を上げることに比べて、ルーフパネル４の板厚をあまり厚くせずリインフォース５を採用して剛性を上げることの方が全体の重量を軽くすることが可能であることがわかる。たとえば、ＰＣだけで板厚４ｍｍのガラスと同等な剛性を得るためには、ＰＣは約１５ｍｍの板厚が必要であるのに対して、ＰＣおよびリインフォース５の組合せによれば、ＰＣの板厚は３．６ｍｍまで下げられるとともに、全体の重量も小さくできる。リインフォース５による重量の増加分を考慮したとしても、全体の重量を軽くすることが可能であると言える。太陽電池の大面積化を考えた場合には、車両ルーフ構造の大面積化に伴ってルーフ全体の重量も増加する。本実施の形態で説明した樹脂製のルーフパネル４およびリインフォース５の組合せによれば、重量の増加の程度はガラス製のパネルを用いる場合に比べて小さくできる。したがって本実施の形態における構成は、太陽電池の大面積化を考えた場合にはガラス製のパネルを用いる場合に比べてたいへん有利であると言える。

上述のとおり、本実施の形態の太陽電池セル３Ｃは、ＥＶＡ（Ethylene Vinyl Acetate）などの透明熱可塑性樹脂により封止されている。特開平０６−００５９０１号公報（特許文献２）では、太陽電池を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の中にインサート成形している。ＥＶＡで封止する方法は、ＦＲＰ内に太陽電池を封入する方法に比べて処理工程にかかる時間を短くすることができ、生産性を向上させることができる。

（製造方法）
上述のとおり、太陽電池ユニット３、ルーフパネル４およびリインフォース５は、車両ルーフユニットとして予め一体化された状態で、ブラケット７に固定されることができる。以下、このような車両ルーフユニットの製造方法について説明する。

図５を参照して、まず、ルーフパネル４、第１シート材３Ｒ１、太陽電池セル３Ｃ、第２シート材３Ｒ２、フィルム３Ｆ、およびリインフォース５が準備される。ルーフパネル４は、板状の形状を有し、透明性を有する樹脂（たとえばポリカーボネート）から形成された部材である。ルーフパネル４の大きさおよび形状は、車両１０（図１）のうちのルーフパネル４が設けられる部分の大きさおよび形状に対応している。

ルーフパネル４上に第１シート材３Ｒ１を配置する（矢印ＡＲ１）。第１シート材３Ｒ１は、透明性を有する熱可塑性樹脂（たとえばＥＶＡ）から形成された部材である。次に、第１シート材３Ｒ１上に複数の太陽電池セル３Ｃを面状に並べ（矢印ＡＲ２）、複数の太陽電池セル３Ｃを覆うように第２シート材３Ｒ２を配置する（矢印ＡＲ３）。第２シート材３Ｒ２は、第１シート材３Ｒ１と同様な熱可塑性樹脂（たとえばＥＶＡ）から形成された部材である。その後、第２シート材３Ｒ２を覆うようにフィルム３Ｆを配置する（矢印ＡＲ４）。

図６を参照して、次に、第１シート材３Ｒ１および第２シート材３Ｒ２を、フィルム３Ｆとルーフパネル４との間において真空加熱する。第１シート材３Ｒ１および第２シート材３Ｒ２は溶融する。真空加熱を解除することにより、第１シート材３Ｒ１および第２シート材３Ｒ２は固化し、封止樹脂（図４中の封止樹脂３Ｒを参照）を形成する。複数の太陽電池セル３Ｃは封止され、封止樹脂によりルーフパネル４に接着される。最後に、リインフォース５とフィルム３Ｆとを接着などにより互いに固定する（矢印ＡＲ５）。以上により、太陽電池ユニット３、ルーフパネル４およびリインフォース５は、車両ルーフユニットとして一体化される。

（変形例）
上述のリインフォース５は、略ロ字形状の断面形状を有している。図７に示すリインフォース５Ａのように、断面形状がハット型の鋼材を用いる場合であっても、上記と同様の作用および効果を得ることができる。リインフォースの断面形状は、必要な剛性に応じて、最適な断面二次モーメントを有する形状に決定されることが好ましい。即ち、リインフォース５は断面コ字形状であってもよい。

上述のリインフォース５は、車幅方向に延在するように配置されている。リインフォース５は、車両の前後方向に延在するように配置されていてもよいし、車幅方向に延在するものと車両の前後方向に延在するものとの双方が組み合わされていてもよい。

以上、本発明に基づいた実施の形態および変形例について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ルーフ、２ 車両ルーフ構造、３ 太陽電池ユニット、３Ｃ 太陽電池セル、３Ｆ フィルム、３Ｒ１ 第１シート材、３Ｒ２ 第２シート材、３Ｒ 封止樹脂、４ ルーフパネル、５，５Ａ リインフォース、６ ルーフサイドレール、６Ｓ レールインナ、６Ｔ サイメンアウタ、７ ブラケット、８ 締結具、９ 接着剤、１０ 車両。

Claims (6)

1. 面状に並べられた複数の太陽電池セルを含む太陽電池ユニットと、
   透明性を有する樹脂から形成され、前記太陽電池ユニットを上方側から覆うように配置された板状のルーフパネルと、
   金属製の部材から形成され、前記太陽電池ユニットを下方側から支持し、車両の前後方向およびまたは車幅方向に延在するように配置された複数のリインフォースと、を備え、
   複数の前記リインフォースおよび複数の前記太陽電池セルを平面視したとき、複数の前記リインフォースは複数の前記太陽電池セルに重ならないように配置されている、
   車両ルーフ構造。
2. 前記樹脂は、ポリカーボネートである、
   請求項１に記載の車両ルーフ構造。
3. 複数の前記リインフォースは、車幅方向に延在しており、且つ車両の前後方向に間隔を空けて並んでいる、
   請求項１または２に記載の車両ルーフ構造。
4. 前記太陽電池ユニットは、複数の前記太陽電池セルを封止し且つ複数の前記太陽電池セルを前記ルーフパネルに接着する透明熱可塑性樹脂をさらに含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の車両ルーフ構造。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車両ルーフ構造を備える、
   車両。
6. 透明性を有する樹脂から形成された板状のルーフパネルを準備する工程と、
   前記ルーフパネル上に透明性を有する熱可塑性樹脂から形成された第１シート材を配置する工程と、
   前記第１シート材の上に複数の太陽電池セルを面状に並べる工程と、
   複数の前記太陽電池セルを覆うように、熱可塑性樹脂から形成された第２シート材を配置する工程と、
   前記第２シート材を覆うようにフィルムを配置する工程と、
   前記第１シート材および前記第２シート材を、前記フィルムと前記ルーフパネルとの間で真空加熱することにより、複数の前記太陽電池セルを封止する工程と、
   金属製の部材から形成された複数のリインフォースと前記フィルムとを互いに固定する工程と、を備える、
   車両ルーフユニットの製造方法。

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