JP6341282B2 - 積層金属板 - Google Patents

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Description

本発明は、積層金属板に関する。
自動車部材、家電の筐体、OA機器部品等の様々な用途において、軽量で、剛性及び強度が高く、かつ、加工性に優れる鋼板が広く求められている。さらに、近年、地球温暖化対策として、COの排出量が厳しく規制されており、特に、輸送体(例えば、自動車、トラック、バス、車両など)の用途においては、COの排出量を削減するために、軽量化のニーズが特に高いだけでなく、剛性、耐衝撃性(衝突安全性)、及び加工性も高い水準で要求される。このような要求に対する解決策として、例えば特許文献1〜3に開示されるように、トラス構造体を金属板で挟んだ積層金属板が提案されている。当該積層金属板は、輸送体の平面および曲面を構成するパネルとして利用できる。トラス構造体は、金属フレームで構成されるトラス(錐体)がマトリックス状に配置されたものであり、力学的に有利な構造骨組である。
具体的には、特許文献1に開示された技術では、四角形または六角形の格子が形成された格子体を格子の対角線にそって順次山折り及び谷折りすることで、トラス構造体を作製する。そして、このトラス構造体の両面を金属板で挟むことで積層金属板を作製する。
特許文献2に開示された技術では、金属線材を用いてトラス構造体を作製し、このトラス構造体の両面を金属板で挟むことで積層金属板を作製する。
特許文献3に開示された技術では、格子状に配置された複数の直線材と、直線材同士の交点に配置され、直線材を回転可能に指示する接点とを含む格子体を用いてトラス構造体を作製する。そして、このトラス構造体を金属板で挟むことで、積層金属板を作製する。
特開2000−120218号公報 特開2013−230593号公報 特開2001−182151号公報
これらの積層金属板は、軽量化の要求は満たすものの、いずれも金属板間にトラス構造体が1つしか配置されていなかったので、積層金属板を折り曲げた場合に、当該折り曲げ部分の強度低下、成形不良、及び外観不良が生じうるという問題があった。具体的には、積層金属板を折り曲げると、一方の金属板、すなわち曲げ外側の金属板は引張変形し、他方の金属板、すなわち曲げ内側の金属板は、圧縮変形する。このとき、トラスは引張変形する金属板を補強することができない。トラスの底面側の頂点間には、引張変形部分を補強する部材がないからである。したがって、引張変形部分が大きく伸びる。すなわち、引張変形側の金属板が局所的に大きく変形する。これにともない、トラスの頭頂点の角度が大きくなる。このため、トラスが潰れる。すなわち、積層金属板の折り曲げ部(角部)が潰れる。この結果、折り曲げ部の強度が急激に低下し(強度低下)、ひいては、折り曲げ部が破断する可能性がある(成形不良)。また、折り曲げ部の板厚が他の部分の板厚と異なり、トラスが潰れているので、外観も不良となる(外観不良)。例えば、当該積層金属板を利用し、自動車のフレームのようなコの字型の部材を成形した場合、積層金属板の折り曲げ部が潰れる恐れがある。折り曲げ部が潰れた場合には、フレームコーナー部の外観不良の問題に加え、フレーム自体の強度低下が生じ、耐衝撃性(衝突安全性)を確保できない可能性もある。即ち、特許文献1〜3に開示された積層金属板は、剛性、耐衝撃性(衝突安全性)、及び加工性が満足できるものではなかった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観を向上することが可能な、新規かつ改良された積層金属板を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置された第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体を備えるコア層と、コア層の一方の表面に設けられ、少なくとも第1のトラス構造体の頂点に接合される第1の金属板と、コア層の他方の表面に設けられ、少なくとも第2のトラス構造体の頂点に接合される第2の金属板と、を備え、第1のトラス構造体は、第2のトラス構造体及び第2の金属板のうち少なくとも一方に接合され、第2のトラス構造体は、第1のトラス構造体及び第1の金属板のうち少なくとも一方に接合され、第1のトラス構造体の頂点は、第1及び第2の金属板に接合され、第2のトラス構造体の頂点は、第1及び第2の金属板に接合され、かつ、第1のトラス構造体の頂点間に配置されることを特徴とする、積層金属板が提供される。
ここで、第2のトラス構造体の頂点は、第1のトラス構造体の頂点間の中心に配置されてもよい。
また、第1の金属板のコア層側の表面、及び第2の金属板のコア層側の表面のうち、少なくとも一方に形成された樹脂層を備えてもよい。
また、樹脂層の総厚さは、コア層の厚さに略一致してもよい。
また、樹脂層は、熱可塑性樹脂で構成されてもよい。
本発明の他の観点によれば、フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置された第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体を備えるコア層と、コア層の一方の表面に設けられ、少なくとも第1のトラス構造体の頂点に接合される第1の金属板と、コア層の他方の表面に設けられ、少なくとも第2のトラス構造体の頂点に接合される第2の金属板と、を備え、第1のトラス構造体は、第2のトラス構造体及び第2の金属板のうち少なくとも一方に接合され、第2のトラス構造体は、第1のトラス構造体及び第1の金属板のうち少なくとも一方に接合され、第1のトラス構造体上に第2のトラス構造体が積層され、かつ、第1のトラス構造体の頂点と第2のトラス構造体の頂点とが接合されていることを特徴とする、積層金属板が提供される。
ここで、第1の金属板のコア層側の表面、第2の金属板のコア層側の表面、及び第1のトラス構造体と第2のトラス構造体との接合部分のうち、少なくとも1つ以上の部分に形成された樹脂層を備えてもよい。
また、樹脂層の総厚さは、コア層の厚さに略一致してもよい。
また、樹脂層は、熱可塑性樹脂で構成されてもよい。
また、フレームは金属で構成されてもよい。
また、第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体のうち、少なくとも一方のトラス構造体は、金属板を成形することで作製されてもよい。
また、第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体のうち、少なくとも一方のトラス構造体は、パンチングメタルを成形することで作製されてもよい。
また、フレームは樹脂で構成されてもよい。
また、第1の金属板に接合される頂点間の距離、及び第2の金属板に接合される頂点間の距離のうち、少なくとも一方は、積層金属板の総厚の0.4倍以上4.0倍以下であってもよい。
また、第1の金属板に接合される頂点間の距離、及び第2の金属板に接合される頂点間の距離のうち、少なくとも一方は、以下の数式(1)の条件を満たしてもよい。
0.57≦w/h≦3.7/α (1)
数式(1)において、wは、第1の金属板に接合される頂点間の距離、または第2の金属板に接合される頂点間の距離を示し、hは、第1の金属板と第2の金属板との距離を示し、αは、曲げ加工時におけるコア層と第1の金属板または第2の金属板との接合角度の変化率を示す。
また、コア層と第1の金属板または第2の金属板との接合角度は、60〜150°であってもよい。
本発明の他の観点によれば、金属フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置されたトラス構造体を備えるコア層と、コア層の一方の表面に設けられ、トラス構造体を構成する第1の頂点に接合される第1の金属板と、コア層の他方の表面に設けられ、トラス構造体を構成する第2の頂点に接合される第2の金属板と、第1の金属板のコア層側の表面、及び第2の金属板のコア層側の表面のうち、少なくとも一方に形成された樹脂層と、を備え、樹脂層は、第1の金属板と第2の金属板との間に充填されていることを特徴とする、積層金属板が提供される。
以上説明したように本発明によれば、トラスの潰れが抑制され、ひいては、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。この結果、本発明の積層金属板は、軽量化のニーズを満足しつつ、剛性、耐衝撃性(衝突安全性)、及び加工性を従来の積層金属板よりも向上させることができる。したがって、本発明の積層金属板は、輸送体などの平面および曲面を構成するパネルに加え、衝突安全性が要求される構造部材にも利用できる。
本発明の第1の実施形態に係る積層金属板を模式的に示す側面図である。 コア層を模式的に示す斜視図である。 コア層を模式的に示す平面図である。 トラスを模式的に示す斜視図である。 トラスの他の例を模式的に示す平面図である。 トラスの他の例を模式的に示す斜視図である。 トラス構造体の他の例を模式的に示す斜視図である。 トラス構造体の製造方法を説明するための平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る積層金属板を模式的に示す側面図である。 本発明の第2の実施形態に係る積層金属板の他の例を模式的に示す側面図である。 本発明の第3の実施形態に係る積層金属板を模式的に示す側面図である。 本発明の第4の実施形態に係る積層金属板を模式的に示す側面図である。 本発明の第5の実施形態に係る積層金属板を模式的に示す側面図である。 従来の積層金属板が有する問題点を説明するための側面図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<1.背景技術の問題点及び実施形態の概要>
本発明者は、従来の積層金属板が有する問題点を精査した結果、第1〜第5の実施形態に係る積層金属板11〜15に想到するに至った。そこで、まず、従来の積層金属板が有する問題点について図14に基づいて説明する。
積層金属板100は、従来の積層金属板の一例である。積層金属板100は、金属板110a、110bと、コア層であるトラス構造体120とを備える。金属板110a、110bは、トラス構造体120の両面に設けられる。トラス構造体120は、金属フレーム122で構成されるトラス(錐体)120aがマトリックス状に配置されたものである。トラス120aは、例えば正四角錐の形状を取りうる。また、この例では、トラス120aの頭頂点121aが金属板110aに接合されており、底面121c側の頂点(以下、各トラスの底面側の頂点を「底頂点」とも称する)121bが金属板110bに接合されている。角度θは、トラス120aと金属板110aとの接合角度を示す。ここで、トラス120aと金属板110aとの接合角度θは、以下の手順で求められる。すなわち、金属板110aとトラス120aとの接合点(ここではトラス120aの頭頂点121a)を通り、かつ金属板110aに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス120aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θとする。
このような積層金属板100を折り曲げることで、金属板110bのうち、あるトラス120aの底面121cが接合される部分(引張変形部分)110cが引張変形し、金属板110aのうち、当該トラス120aの頭頂点121aが接合される部分(圧縮変形部分)が圧縮変形(金属板110aの面方向への圧縮変形)した場合、トラス120aは、引張変形部分110cを十分に補強することができない。トラスの底面120cの頂点121b間には引張変形部分110cを補強する部材がないからである。したがって、金属板110bのうち、引張変形部分110cが大きく伸びる。すなわち、金属板110bが局所的に大きく変形する。これにともない、トラス120aの接合角度θが非常に大きくなる。このため、トラス120aが潰れる。すなわち、積層金属板100の折り曲げ部(角部)が潰れる。この結果、折り曲げ部の強度が低下し(強度低下)、ひいては、折り曲げ部が破断する可能性がある(成形不良)。また、折り曲げ部の板厚が他の部分の板厚と異なり、トラス120aが潰れているので、外観も不良となる(外観不良)。本発明者は、このような問題点を精査した結果、第1〜第5の実施形態に係る積層金属板11〜15に想到するに至った。
例えば、図1及び図11に示すように、第1及び第3の実施形態に係る積層金属板11、13では、第1のトラス構造体40の頂点41は、少なくとも第1の金属板20aに接合され、第2のトラス構造体50の頂点51は、少なくとも第2の金属板20bに接合される。さらに、第1のトラス構造体40は、第2のトラス構造体50及び第2の金属板20bのうち少なくとも一方に接合され、第2のトラス構造体50は、第1のトラス構造体40及び第1の金属板20aのうち少なくとも一方に接合される。したがって、第1の金属板20a、第2の金属板20bの単位面積当たりに接合される頂点の数が従来よりも増大する。これにより、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。
例えば、第1の実施形態では、図1に示すように、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点41、51は第1の金属板20a、第2の金属板20bの両方に接合されているが、第2のトラス構造体50の頂点の位置は第1のトラス構造体40の頂点間に配置される。これにより、第1の金属板20a、及び第2の金属板20bの単位面積当たりに接合される頂点の数が従来よりも増大する。
第3の実施形態では、図11に示すように、第1のトラス構造体40は第1の金属板20aに接合され、第2のトラス構造体50は第2の金属板20bに接合される。そして、コア層30a内で第1のトラス構造体40の頭頂点41aと第2のトラス構造体50の頭頂点51aとが接合されている。したがって、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の大きさが従来のトラス構造体よりも小さくなるので、第1の金属板20a、第2の金属板20bの単位面積当たりに接合される頂点の数が従来よりも増大する。以下、各実施形態を詳細に説明する。
<2.第1の実施形態>
(2−1.積層金属板の全体構成>
まず、図1に基づいて、第1の実施形態に係る積層金属板11の全体構成について説明する。積層金属板11は、コア層30と、コア層30の両面に設けられる金属板20とを備える。なお、本実施形態では、一方の金属板20を第1の金属板20a、他方の金属板20を第2の金属板20bとして区別する場合がある。
(2−2.金属板の構成)
金属板20を構成する金属の種類(材質)は特に制限されない。金属板20の好ましい例は鋼板であるが、他の種類の金属板であっても構わない。すなわち、金属板を構成する金属の例としては、鋼、アルミ、チタン、マグネシウム、銅、ニッケル、及びこれらの合金等が挙げられる。また、鋼板の種類は特に制限されない。本実施形態で使用可能な鋼板としては、例えば、ブリキ、薄錫めっき鋼板、電解クロム酸処理鋼板(ティンフリースチール)、ニッケルめっき鋼板等の缶用鋼板や、溶融亜鉛めっき鋼板、溶融亜鉛−鉄合金めっき鋼板、溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板、溶融アルミニウム−シリコン合金めっき鋼板、溶融鉛−錫合金めっき鋼板等の溶融めっき鋼板や、電気亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛−ニッケルめっき鋼板、電気亜鉛−鉄合金めっき鋼板、電気亜鉛−クロム合金めっき鋼板等の電気めっき鋼板等の表面処理鋼板、冷延鋼板、熱延鋼板、ステンレス鋼板等が挙げられる。また、溶接接合を実施しない場合、鋼板は、塗装鋼板、プリント鋼板、フィルムラミネート鋼板等の表面処理鋼板であってもよい。
また、第1の金属板20a、第2の金属板20bは互いに異なっていてもよい。具体的には、曲げ加工、絞り加工等が必要な用途では、強度が異なる鋼板間にコア層30を積層し、曲率半径が小さく加工の厳しい面に軟鋼を使用し、他方の面には強度確保のため、高張力鋼を使用すること等も可能である。また、金属板20の表面に、密着力や耐食性向上のため、公知の表面処理を施すことも可能である。このような表面処理としては、例えば、クロメート処理(反応型、塗布型、電解)及びノンクロ処理、リン酸塩処理、有機樹脂処理等が挙げられるが、これらには限定されない。また、金属板20の好ましい厚さは、0.2mm〜2.0mmである。金属板20の厚さが0.2mm未満では曲げ加工時に座屈し易い場合がある。一方、金属板20の厚さが2.0mmを超えると軽量化効果が不十分になり易い。軽量化の観点からは、金属板20の厚さは1.0mm以下が好ましい。
さらに、第1の金属板20aの厚さt、第2の金属板20bの厚さtは、軽量効果を損なわなければ、同じでなくてもよく、一方を厚くすることによって、強加工時の表層鋼板の座屈、破断を回避し易くなる。好ましい第1の金属板20a、第2の金属板20bの厚さの比(第2の金属板20bの厚さt/第1の金属板20aの厚さt)は0.8以上1.2以下である。
(2−3.コア層の構成)
コア層30は、図2及び図3に示すように、第1のトラス構造体40と、第2のトラス構造体50とを備える。第1のトラス構造体40は、図2に示すように、フレーム42で構成されるトラス(錐体)40aがマトリックス状に配置されたものである。トラス40aは、図2及び図4に示すように、正四角錐の形状となっている。トラス40aは、5つの頂点41を有する。以下の説明では、これらの頂点41のうち、頭頂点を頭頂点41a、底面側の頂点41を底頂点41bとして区別する場合がある。
フレーム42を構成する材料は特に制限されない。例えば、フレーム42は、金属板20と同様の金属で構成されていてもよく、樹脂で構成されていてもよい。ここで、フレーム42を構成する樹脂は特に制限されないが、例えば熱可塑性樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、汎用樹脂、汎用エンプラ、スーパーエンプラ等が挙げられる。汎用樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルなどが挙げられる。汎用エンプラとしては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエステルなどが挙げられる。また、スーパーエンプラとしては、非晶質ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂などが挙げられる。
樹脂は金属に比べ強度の点で劣る。したがって、積層金属板11が強加工(大きく曲げる等の加工)に使用される場合、フレーム42は金属で構成されることが好ましい。しかし、積層金属板11が折り曲げの不要なパネル材、あるいは軽加工用の部材として使用される場合、フレーム42は金属、樹脂のいずれで構成されてもよい。フレーム42を樹脂で構成することによって、積層金属板11の断熱性、絶縁性が向上し、積層金属板11が軽量化するという効果が期待できる。特に、フレーム42をスーパーエンプラで構成することで、積層金属板11の耐熱性(例えば150℃以上の温度に対する耐熱性)が特に向上する。また、フレーム42を繊維強化樹脂(上記樹脂内にカーボンファイバ、グラスファイバなどの繊維材を含めたもの)で構成することによって、フレーム42の強度を上げることもできる。
なお、樹脂製のトラス構造体を積層金属板11の表面に積層してもよい。この場合、積層金属板11の表面潤滑性、断熱性をさらに向上させることができる。
トラス40aの頭頂点41aは、第1の金属板20aに接合されており、底頂点41bは第2の金属板20bに接合されている。トラス40aと第1の金属板20aとの接合角度θ11は、60〜150°であることが好ましい。接合角度θ11が60〜150°となる場合、積層金属板11がせん断変形及び板厚方向の圧縮変形に強くなるからである。
なお、本実施形態におけるせん断変形は、積層金属板11に平行な方向に力を加えた際に生じるせん断変形を意味し、板厚方向の圧縮変形は、積層金属板11に垂直な方向に力を加えた際に生じる圧縮変形を意味する。本実施形態では、トラス40aのフレーム42が第1の金属板20a及び第2の金属板20bの表面に対して傾斜して接合されているので、せん断変形に対する強度が大きくなる。なお、接合角度θ11が60°未満となる場合、コア層30内に占めるトラス40aの個数が増大するので、積層金属板11の質量が増大する。したがって、軽量化の観点から好ましくない。また、積層金属板11のせん断変形に対する耐性が低下する可能性がある。一方、接合角度θ11が150°を超える場合、積層金属板11が板厚方向の圧縮変形に弱くなる可能性がある。積層金属板11を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θ11を60〜90°とすればよい。また、積層金属板11を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θ11を90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板11はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θ11を150°程度とする場合、積層金属板11は板厚方向の圧縮変形に若干弱くなる可能性があるので、後述する第2の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第1の金属板20aの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強され、ひいては、積層金属板11が板厚方向の圧縮変形に強くなる。
ここで、接合角度θ11は、以下の手順で求められる。すなわち、第1の金属板20aとトラス40aとの接合点(ここではトラス40aの頭頂点41a)を通り、かつ第1の金属板20aに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス40aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θ11とする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θ11の大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θ11は本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。図4に接合角度θ11の例を示した。
さらに、トラス40aと第2の金属板20bとの接合角度θ12は、60〜150°であることが好ましい。その理由は接合角度θ11に関して述べた理由と同様である。積層金属板11を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θ12を60〜90°とすればよい。また、積層金属板11を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θ12を90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板11はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θ12を150°程度とする場合、後述する第2の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第2の金属板20bの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強される。
ここで、接合角度θ12は、以下の手順で求められる。すなわち、第2の金属板20bとトラス40aとの接合点(ここではトラス40aの底頂点41b)を通り、かつ第2の金属板20bに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス40aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θ12とする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θ12の大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θ12は本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。
トラス40aのフレーム42とトラス40aの底面41cとのなす角度θ13は30〜60°程度であることが好ましく、45〜60°程度であることがより好ましい。トラス40aの高さ、すなわち第1のトラス構造体40の高さ(厚さ)は特に制限されないが、積層金属板11の加工性等を考慮すると、1mm以上5mm以下が好ましい。
なお、第1のトラス構造体40を構成するトラスは、図5に示すn角錐型トラス60aであってもよい。n角錐型トラス60は、頭頂点61a、底頂点61b及びフレーム62を備える。n=3となる場合、n角錐型トラスは、図6に示す三角錐型トラス70aとなる。三角錐型トラス70aは頭頂点71a、底頂点71b及びフレーム72を備える。三角錐型トラス70aのフレーム72と底面71cとのなす角度θ14は30〜60°程度であることが好ましく、45〜60°程度であることがより好ましい。n角錐型トラス60についても同様である。図7に、三角錐型トラス70aがマトリックス状に配置されたトラス構造体70を示す。トラス40aの形状としてもっとも好ましいのは図4に示す正四角錐である。
第2のトラス構造体50は、図2に示すように、フレーム52で構成されるトラス(錐体)50aがマトリックス状に配置されたものである。第2のトラス構造体50は、第1のトラス構造体40と同様の構成を有する。すなわち、トラス50aは、図2及び図4に示すように、正四角錐の形状となっている。トラス50aは、5つの頂点51を有する。以下の説明では、これらの頂点51のうち、頭頂点を頭頂点51a、底面側の頂点51を底頂点51bとして区別する場合がある。
フレーム52を構成する材料は特に制限されない。例えば、フレーム52は、フレーム42と同様の材料で構成されてもよい。各材料による効果はフレーム42で述べた効果と同様である。
トラス50aの頭頂点51aは、第1の金属板20aに接合されており、底頂点51bは第2の金属板20bに接合されている。さらに、頭頂点51aは、第1のトラス構造体40の頭頂点41a間に配置される。頭頂点51aは、第1のトラス構造体40の頭頂点41a間の中心に配置されることが好ましい。また、底頂点51bは、第1のトラス構造体40の底頂点41b間に配置される。底頂点51bは、第1のトラス構造体40の底頂点41b間の中心に配置されることが好ましい。
このように、第1の実施形態では、第1のトラス構造体40の頭頂点41a及び第2のトラス構造50の頭頂点51aが第1の金属板20aに接合され、第1のトラス構造体40の底頂点41b及び第2のトラス構造50の底頂点51bが第2の金属板20bに接合される。そして、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20aとの接合点を通る平面(仮想平面)がコア層30の一方の表面を形成する。また、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造50と第2の金属板20bとの接合点を通る平面(仮想平面)がコア層30の他方の表面を形成する。また、コア層30の厚さは、コア層30の表面間距離として規定される。コア層30の厚さは、実質的には、第1のトラス構造体40(または第2のトラス構造体50)の高さに相当する。後述する各実施形態においても、コア層の表面及び厚さは同様に定義される。
トラス50aと第1の金属板20aとの接合角度θ21は、60〜150°であることが好ましい。その理由は接合角度θ11に関して述べた理由と同様である。積層金属板11を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θ21を60〜90°とすればよい。また、積層金属板11を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θ21を90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板11はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θ21を150°程度とする場合、後述する第2の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第1の金属板20aの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強される。
接合角度θ21の求め方は接合角度θ11の求め方と同様である。すなわち、第1の金属板20aとトラス50aとの接合点(ここではトラス50aの頭頂点51a)を通り、かつ第1の金属板20aに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス50aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θ21とする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θ21の大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θ21は本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。図4に接合角度θ21の例を示した。
さらに、トラス50aと第2の金属板20bとの接合角度θ22は、60〜150°であることが好ましい。その理由は接合角度θ11に関して述べた理由と同様である。積層金属板11を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θ22を60〜90°とすればよい。また、積層金属板11を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θ22を90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板11はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θ22を150°程度とする場合、後述する第2の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第2の金属板20bの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強される。
ここで、接合角度θ22は、以下の手順で求められる。すなわち、第2の金属板20bとトラス50aとの接合点(ここではトラス50aの底頂点51b)を通り、かつ第2の金属板20bに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス50aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θ22とする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θ22の大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θ22は本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。
また、図4に示すように、トラス50aのフレーム52とトラス50aの底面とのなす角度θ23は30〜60°程度であることが好ましく、45〜60°程度であることがより好ましい。トラス50aの高さ、すなわち第2のトラス構造体50の高さ(厚さ)は特に制限されないが、積層金属板11の加工性等を考慮すると、1mm以上5mm以下が好ましい。トラス50aは、図5〜図6に示すトラスであってもよい。
このように、第1の実施形態に係る積層金属板11では、第1のトラス構造体40の頂点41間に第2のトラス構造体50の頂点51が配置されるので、第1の金属板20a、第2の金属板20bの単位面積当たりに接触する頂点の数が従来よりも増大する。これにより、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。
より具体的には、図1に示すように、積層金属板11を折り曲げることで、第2の金属板20bのうち、トラス40aの底面が接触する部分(引張変形部分)20cが引張変形し、第1の金属板20aのうち、トラス40aの頭頂点41aが接触する部分(圧縮変形部分)が圧縮変形(第1の金属板20aの面方向への圧縮変形)した場合、引張変形部分20cは、底面41cの底頂点41b間に配置された底頂点51bによって補強される。言い換えれば、引張変形部分が底頂点51bによって分割されるので、局所的な引張変形が抑制される。この結果、接合角度θ11の角度変化が抑制される。すなわち、トラス40aの潰れが抑制される。したがって、積層金属板11の折り曲げ部(角部)の潰れも抑制される。この結果、折り曲げ部の強度が向上し、折り曲げ部の破断が抑制される。また、折り曲げ部の板厚と他の部分の板厚との差も小さくなるので、外観も向上する。したがって、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。
ここで、第1の金属板20aに接合される頭頂点41a、51a間の距離WL1は、積層金属板11の総厚(=h+t+t。ここで、hは第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離である。)の0.4倍以上4.0倍以下であることが好ましく、1.0倍以上1.8倍以下であることがより好ましい。同様に、第2の金属板20bに接合される底頂点41b、51b間の距離WL2は、積層金属板11の総厚の0.4倍以上4.0倍以下であることが好ましく、1.0倍以上1.8倍以下であることがより好ましい。頂点間距離WL1、WL2がこれらの範囲内の値となる場合に、トラス40aの頭頂点41aの角度変化がより大きく抑制される。この結果、折り曲げ部の強度がより向上し、破断がより大きく抑制され、外観もより向上する。
頂点間距離WL1、WL2のうち、少なくとも一方は、以下の数式(1)の条件を満たすことがさらに好ましい。
0.57≦w/h≦3.7/α (1)
数式(1)において、wは、頂点間距離WL1、WL2を示し、hは、第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離を示し、αは、曲げ加工時における接合角度(圧縮変形側の接合角度)の変化率を示す。変化率αは、以下の手順で算出される。すなわち、ある曲率半径で積層金属板11を曲げた際のwの変化量を幾何学計算で算出し、その結果に基づいて、接合角度の変化量を算出する。そして、接合角度の変化量に基づいて、変化率αを算出する。なお、変化率αは、以下の数式(2)で示される。
α=tan(θ’/2)/tan(θ/2) (2)
数式(2)において、θ’は曲げ加工後の接合角度を示し、θは曲げ加工前の接合角度を示す。
例えば、積層金属板11を積層金属板11の総厚さと同等の曲率半径で曲げた場合(いわゆる強加工の場合)、α=1.5となる。また、積層金属板11を積層金属板11の総厚さの2倍程度の曲率半径で曲げた場合、α=1.25となる。また、積層金属板11を折り曲げの不要なパネル材として使用するか、あるいは緩やかに曲げる場合(すなわち、軽加工の場合)、αはほぼ1となる。このように、変化率αは積層金属板11をどのように加工するかによって決定される。ただし、αは1未満になることはない。αが1未満となる場合、圧縮変形側の接合角度が曲げ加工前より小さくなることを意味するが、このような事象は発生し得ないからである。
また、w/hは、tan(θ/2)(θ:θ11〜θ14のうち、圧縮変形側の接合角度)を示す。下限値0.57は、tan(60/2)の値である。すなわち、w/hが0.57未満となる場合、コア層30内に占めるトラス40aの個数が増大するので、積層金属板11の質量が増大する。したがって、軽量化の観点から好ましくない。また、積層金属板11のせん断変形に対する耐性が低下する可能性がある。上限値の3.7は、tan(150/2)の値である。すなわち、上記数式(2)によれば、曲げ加工後の接合角度が150°を超えることは好ましくない。接合角度が150°を超えた場合、板厚方向の圧縮変形に対する耐性が低下する可能性があるからである。
また、コア層30のうち、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点間の部分は、第1の金属板20a、及び第2の金属板20bに直接接合される空隙層部となり、圧縮抵抗が低下する。この結果、積層金属板11の加工時(例えば折り曲げ時)には、コア層30の空隙部分へ第1の金属板20a、第2の金属板20bが陥入する可能性がある。そこで、第1の金属板20a、及び第2の金属板20bの陥入防止の観点から、頂点間距離WL1は、第1の金属板20aの厚さtの30倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましい。同様に、頂点間距離WL2は、第2の金属板20bの厚さtの30倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましい。
コア層30と金属板20とは、接着剤で接合されている。接着剤は特に制限されず、トラス構造体をコア層に用いた積層金属板に使用される接着剤であれば本実施形態でも問題なく使用可能である。ただし、接着剤の耐熱性・耐久性を確保するという観点から、エポキシ樹脂を基材とした構造用接着剤が好ましく、中でも硬化剤が予め混合された一液加熱硬化型接着剤が、ハンドリング性の面からさらに好ましい。また、積層金属板11の溶接性を確保するという観点からは、導電性接着剤が好ましい。この導電性接着剤としては、例えば、上述したような接着剤に、アルミ粉、ニッケル粉や鉄粉等の金属粉を所定量添加したもの等が挙げられる。なお、コア層30と金属板20とは、ブレーズ接合、シーム溶接等によって接合されてもよい。
(2−4.トラス構造体の製造方法)
つぎに、第1のトラス構造体40、及び第2のトラス構造体50の製造方法について説明する。まず、フレーム42、52が金属フレームとなる場合について説明する。図8に示すように、金網200を用意する。金網200は、フレーム201が網状に分布したシート状の部材であり、多数の開口202を有する。図8では開口202は正方形となっているが、開口202の形状は正方形に限られない。また、金網200の種類は特に制限されない。
たとえば、金網200は、金属線材を網状に織り込むことで作製された金網(以下、このような金網を「編込み金網」とも称する)であってもよい。この場合、金属線材がフレーム201となる。なお、金属線材の延性を考慮して金属線材の織り込み方法を選択することが好ましい。例えば、金属線材の延性が低い場合、曲げ加工時に金属線材が破断する可能性がある。そこで、金網の縦線と横線の交点(交差部分)が固定されていない金網を作製することで、交点で金属線材同士のずれ変形が生じ、破断の防止が可能となる。従って、金属線材の延性が低い場合、金属線材同士の交点を溶接止めすることは不適当である場合がある。ただし、この場合、フレーム201同士の交差部分が第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点を構成するので、頂点の強度が低下する。なお、接着剤等の接合材で交点が接合されている場合、曲げ加工時のずれ変形に耐えられる変形能を有する接合材を用いれば、金属線材の破断を防止しつつ、トラス構造体の形状維持が図れるので、好適である。ただし、金網200を山折り、谷折りする際の角度を鋭角にした場合、フレーム201や溶接部分が破断する可能性が依然として高い。
また、金網200は、金属板に多数のパンチング孔を形成することで作製された金網(いわゆるパンチングメタル)であってもよい。この場合、パンチング孔間の金属部分(いわゆる「バー」)がフレーム201となる。また、金網200は、金属板に多数の切り欠きを形成した後、金属板を切り欠きの長さ方向と交差する方向に延伸する(すなわち、切り欠きを拡張する)ことで作製された金網(いわゆるエキスパンドメタル)であってもよい。この場合、拡張された切り欠き間の金属部分がフレーム201となる。金網200がパンチングメタルまたはエキスパンドメタルとなる場合、第1のトラス構造体40、及び第2のトラス構造体50は、金属板を成形することで作製されることになる。
金網200は、上記編込み金網、パンチングメタル、及びエキスパンドメタルのうち、パンチングメタルまたはエキスパンドメタルで構成されることが好ましい。また、金網200は、パンチングメタルで構成されることがさらに好ましい。この理由は以下のとおりである。すなわち、金網200を編込み金網で構成する場合、金網を編みこむ必要が有るので、金網200の製造コスト(原料コスト)が増大する。さらに、フレーム201同士の交差部分が第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点を構成するので、頂点の強度が低下する。頂点を構成するフレーム201同士がずれる可能性があるからである。この問題を解消する方法として、フレーム201同士の交差部分を溶接することが考えられる。しかし、フレーム201同士の交差部分を溶接した場合、金網200を交互に山折り、谷折りする際に、フレーム201や溶接部分が破断する可能性がある。特に、山折り、谷折りの角度を鋭角にした場合、フレーム201や溶接部分が破断する可能性が高い。
この一方で、パンチングメタル及びエキスパンドメタルは、金属板を成形するだけで作製されるので、編込み金網に比べて製造コストが低くなる。また、頂点の強度も確保される。
さらに、金網200をパンチングメタルで構成した場合、金属板を打ちぬく際の孔の構造(形状、厚み、サイズ等)を変えるだけで、様々な形状のパンチングメタルを作製することができる。この結果、様々な形状の第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を低コストで作製することができる。さらに、金網200をパンチングメタルで構成した場合、フレーム201同士の交差部分はフラットになるので、頂点の強度が向上する。この一方で、エキスパンドメタルは、金属板に切り欠きを形成した後に金属板を延伸することで形成される。したがって、フレーム201同士の交差部分に凹凸が形成される。そして、この交差部分は第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点を形成するので、頂点の強度が若干低下する可能性がある。このような凹凸を低減する方法として、エキスパンドメタルをプレスする方法が考えられるが、この方法では、プレスという工程が増えるので製造コストが増大する。さらに、エキスパンドメタルをプレスすることでエキスパンドメタルの凹凸部に加工ひずみが生じる。この結果、トラス成形時に凹凸部分、すなわち第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点41、51を形成する部分が破断する(例えば、頂点41、51またはその近傍に亀裂が入る)恐れがある。そして、亀裂が入ったトラス構造体を用いて積層金属板11を作製した場合、以下の問題が生じうる。すなわち、積層金属板11にせん断力がかかった場合に、応力が亀裂部分に集中し、亀裂部分からトラス構造体のフレームが完全に切断される可能性がある。そこで、エキスパンドメタルを用いて第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製した場合には、第2の実施形態に示されるように、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとの接合点を樹脂層21で保護すればよい。これにより、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の一方または両方に亀裂が入っていても、亀裂部分を樹脂層21内に埋め込むことができる。この場合、積層金属板11にせん断力がかかっても、亀裂部分に応力が集中しにくくなる。この結果、フレーム42、52の切断が抑制される。
ついで、金網200を直線A、B(開口202の対角線を連結した直線)で交互に山折り、谷折りすることで、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製する。この方法によれば、トラス40a、50aが三角錐型、正四角錐型、四角錐型となる第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製可能である。
なお、フレーム42、52が樹脂フレームとなる場合、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の金型を用意し、この金型を用いて第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製すればよい。
(2−5.積層金属板の製造方法)
次いで、第2のトラス構造体50の頂点51が第1のトラス構造体40の頂点41間に配置されるように第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を重ねあわせる。これにより、コア層30を作製する。ついで、コア層30の両面に接着剤を塗工し、コア層30の両面に金属板20を接着する。接着は常温もしくは加熱下で金属板20をコア層30側に加圧することで行われる。これにより、積層金属板11を作製する。
以上により、第1の実施形態によれば、第1のトラス構造体40の頂点41間に第2のトラス構造体50の頂点51が配置されているので、例えばトラス40aの底面41cが接合される部分(引張変形部分)が引張変形される場合に、引張変形部分が第2のトラス構造体50の頂点51によって補強される。したがって、トラス40aの潰れが抑制され、ひいては、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。この結果、本発明の積層金属板は、軽量化のニーズを満足しつつ、剛性、耐衝撃性(衝突安全性)、及び加工性を従来の積層金属板よりも向上させることができる。したがって、本発明の積層金属板は、輸送体などの平面および曲面を構成するパネルに加え、衝突安全性が要求される構造部材にも利用できる。
<3.第2の実施形態>
(3−1.積層金属板の全体構成>
次に、図9及び図10に基づいて、第2実施形態について説明する。第2の実施形態に係る積層金属板12は、第1の実施形態に係る積層金属板11に樹脂層21を追加したものである。
具体的には、第1の金属板20aの表面(コア層30側の表面)と、第2の金属板20bの表面(コア層30側の表面)とのそれぞれに樹脂層21が設けられている。なお、本実施形態では、第1の金属板20a上の樹脂層21を第1の樹脂層21a、第2の金属板20b上の樹脂層21を第2の樹脂層21bとして区別する場合がある。第1の樹脂層21a、第2の樹脂層21bのうち、いずれかは省略されてもよい。
そして、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点は、樹脂層21内にめり込んでおり、第1の金属板20a、及び第2の金属板20bに接合されている。このように、第2の実施形態では、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとの接合点が樹脂層21によって保護されている。
樹脂層21を構成する樹脂の種類は特に制限されないが、加工上の観点等から、熱可塑性樹脂であることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、汎用樹脂、汎用エンプラ、スーパーエンプラ等が挙げられる。汎用樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルなどが挙げられる。汎用エンプラとしては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエステルなどが挙げられる。また、スーパーエンプラとしては、非晶質ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂などが挙げられる。
樹脂層21を上述した熱可塑性樹脂で構成することで、接合点を補強することができる。具体的には、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとの剥離強度を向上させることができる。また、樹脂層21は第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとを接合する接着剤としても機能する。したがって、第2の実施形態では、第1の実施形態で使用した接着剤を不要とすることができる。また、第1の金属板20a及び第2の金属板20bの表面上に樹脂層21を形成するだけで、第1の金属板20a及び第2の金属板20bと第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50とを接合することができる。したがって、積層金属板12の生産性が向上する。
また、樹脂層21を汎用エンプラまたはスーパーエンプラで構成した場合、さらなる補強効果がえられる。具体的には第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頂点の変形を抑制することができる。したがって、積層金属板12を折り曲げた際に、折り曲げ部の強度をさらに向上させることができる。さらに、樹脂層21をスーパーエンプラで構成した場合、積層金属板12の耐熱性(例えば、150℃以上の温度に対する耐熱性)が向上する。なお、樹脂層21を構成する樹脂は発泡体であっても、バルク体であってもよい。
第1の樹脂層21aの厚さta及び第2の樹脂層21bの厚さtaは特に制限されない。ただし、図10に示すように、これらの厚さta、taの総和(すなわち、樹脂層21の総厚さ)を第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)に略一致させてもよい。
樹脂層21の総厚さを第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離に略一致させることで、積層金属板12の板厚方向の圧縮変形に対する強度をさらに向上させることができる。なお、第1の金属板20aと第2の金属板20bとの間を樹脂のみで充填した積層金属板も圧縮変形に対する強度が大きい。しかし、この積層金属板は、せん断変形に対する強度が非常に弱い。第1の金属板20a及び第2の金属板20bと樹脂層との界面は平坦になっているからである。この一方で、第2の実施形態に係る積層金属板12では、第1の金属板20a及び第2の金属板20bと樹脂層との界面には上述した接合点が多数形成されている。さらに、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50のフレーム42、52は、第1の金属板20a及び第2の金属板20bの表面に対して傾斜して接合されている。したがって、積層金属板12は、せん断変形に対する強度も大きい。さらに、第1の金属板20a及び第2の金属板20bが第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50のみならず、樹脂層21で保持されることになる。このため、積層金属板11の切断時に第1の金属板20a及び第2の金属板20bが積層金属板11の厚さ方向に変動しにくい(厚さ方向にめり込みにくい)。
(3−2.積層金属板の製造方法)
積層金属板12は、以下の工程により作製可能である。まず、第1の実施形態と同様の工程によりコア層30を作製する。ついで、第1の金属板20aの表面に樹脂シートを積層することで、第1の金属板20aの表面に第1の樹脂層21aを形成する。同様の工程により、第2の金属板20bの表面に第2の樹脂層21bを形成する。ついで、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを加熱する等により、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを軟化させる。ついで、コア層30と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとを接合する。この際、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50は、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを押しのけて第1の金属板20a及び第2の金属板20bに接触する。その後、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを冷却する等により、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを硬化させる。これにより、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50は、第1の金属板20a及び第2の金属板20bに接合される。すなわち、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bは接着剤として機能する。ただし、接合強度をさらに確保する観点からは、第1の実施形態と同様の方法による接合方法をさらに行ってもよい。
<4.第3の実施形態>
(4−1.積層金属板の全体構成)
次に、図11に基づいて、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態に係る積層金属板13は、第1の実施形態に係る積層金属板11のコア層30をコア層30aに置き換えたものである。
コア層30aは、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50が積層されたものである。第1のトラス構造体40の頭頂点41aは、第2のトラス構造体50の頭頂点51aに接合され、第1のトラス構造体40の底頂点41bは、第1の金属板20aに接合されている。一方、第2のトラス構造体50の底頂点51bは第2の金属板20bに接合されている。第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50同士は上述した接着剤(またはブレーズ接合、シーム溶接等)によって接合されている。なお、図11では第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50は同じ形状であるが、異なる形状であっても良い。
積層金属板13と、従来の積層金属板100とを同じ総厚で比較した場合、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の大きさ(具体的には、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を構成するトラス40a、50aの大きさ)が従来のトラス構造体よりも小さくなる(図11の例では従来の半分になる)。したがって、第1の金属板20a、第2の金属板20bの単位面積当たりに接合される頂点41、51の数が従来よりも大きくなるので、積層金属板11の折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上する。
ここで、トラス40aと第1の金属板20aとの接合角度θは、60〜150°であることが好ましい。その理由は接合角度θ11に関して述べた理由と同様である。積層金属板13を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θを60〜90°とすればよい。また、積層金属板13を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θを90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板13はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θを150°程度とする場合、後述する第4の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第1の金属板20aの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強される。
ここで、接合角度θは、以下の手順で求められる。すなわち、第1の金属板20aとトラス40aとの接合点(ここではトラス40aの底頂点41b)を通り、かつ第1の金属板20aに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス40aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θとする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θの大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θは本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。
また、トラス50aと第2の金属板20bとの接合角度θは、60〜150°であることが好ましい。その理由は接合角度θ11に関して述べた理由と同様である。積層金属板13を特に板厚方向の圧縮変形に強くしたい場合、接合角度θを60〜90°とすればよい。また、積層金属板13を特にせん断変形に強くしたい場合、接合角度θを90°超〜150°とすればよい。この場合、積層金属板13はさらに軽量化されうる。なお、接合角度θを150°程度とする場合、後述する第4の実施の形態で述べられるように、樹脂層21を第2の金属板20bの表面に形成することが好ましい。この場合、接合点が樹脂層21によって補強される。
ここで、接合角度θは、以下の手順で求められる。すなわち、第2の金属板20bとトラス50aとの接合点(ここではトラス50aの底頂点51b)を通り、かつ第2の金属板20bに垂直な断面を定義する。そして、この断面とトラス50aとの交線を特定し、これらの交線と接合点とで規定される角度を接合角度θとする。なお、断面をどのように定義するかによって接合角度θの大きさが変動しうるが、断面をどのように定義した場合であっても、接合角度θは本実施形態に示される条件を満たすことが好ましい。
ここで、第1の金属板20aに接合される底頂点41b間の距離WL1は、積層金属板11の総厚の0.4倍以上4.0倍以下であることが好ましく、1.0倍以上1.8倍以下であることがより好ましい。同様に、第2の金属板20bに接合される底頂点51b間の距離WL2は、積層金属板11の総厚の0.4倍以上4.0以下であることが好ましく、1.0倍以上1.8倍以下であることがより好ましい。頂点間距離WL1、WL2がこれらの範囲内の値となる場合に、積層金属板13の折り曲げ部の強度、成形性、及び外観がより向上する。
さらに、頂点間距離WL1、WL2のうち、少なくとも一方は、上述した数式(1)の条件を満たすことがさらに好ましい。また、第1の金属板20a、第2の金属板20bの陥入防止の観点から、頂点間距離WL1は、第1の金属板20aの厚さtの30倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましい。同様に、頂点間距離WL2は、第2の金属板20bの厚さtの30倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましい。
(4−2.積層金属板の製造方法)
積層金属板13は、以下の工程により作製可能である。まず、第1の実施形態と同様の工程により第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製する。そして、第1のトラス構造体40の頭頂点41aと第2のトラス構造体50の頭頂点51aとを接合することで、コア層30aを作製する。接合の方法は、第1の金属板20a及び第2の金属板20bとコア層30とを接合する方法と同様であれば良い。その後は第1の実施形態と同様の工程を行うことで、積層金属板13を作製する。
<5.第4の実施形態>
(5−1.積層金属板の全体構成>
次に、図12に基づいて、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態に係る積層金属板14は、第3の実施形態に係る積層金属板13に樹脂層21を追加したものである。
具体的には、第1の金属板20aの表面(コア層30側の表面)と、第2の金属板20bの表面(コア層30側の表面)と、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の接合部分とのそれぞれに樹脂層21が設けられている。なお、本実施形態では、第1の金属板20a上の樹脂層21を第1の樹脂層21a、第2の金属板20b上の樹脂層21を第2の樹脂層21b、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の接合部分の樹脂層21を第3の樹脂層21cとして区別する場合がある。第1の樹脂層21a、第2の樹脂層21b、及び第3の樹脂層21cのうち、いずれかは省略されてもよい。
そして、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の底頂点41b、51bは、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21b内にめり込んでおり、第1の金属板20a、及び第2の金属板20bに接合されている。さらに、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頭頂点41a、51aは、第3の樹脂層21c内にめり込んでおり、互いに接合されている。このように、第の実施形態では、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとの接合点が第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bによって保護されている。さらに、第1のトラス構造体40と第2のトラス構造体50との接合点も第3の樹脂層21cによって保護されている。
樹脂層21を構成する樹脂は特に制限されず、第2の実施形態と同様の樹脂で構成されていても良い。この場合、第2の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第1のトラス構造体40と第2のトラス構造体50とを接合するための接着剤が不要になる。さらに、第1のトラス構造体40と第2のトラス構造体50との剥離強度を向上させることができる。また、第1のトラス構造体40の頭頂点41a上に第3の樹脂層21cを形成するだけで、第1のトラス構造体40と第2のトラス構造体50とを接合することができる。したがって、積層金属板14の生産性が向上する。
なお、第1の樹脂層21aの厚さta、第2の樹脂層21bの厚さta、及び第3の樹脂層21cの厚さtaは特に制限されない。ただし、これらの厚さta、ta、taの総和(樹脂層21の総厚さ)は、第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離に略一致させてもよい。樹脂層21の総厚さを第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離に略一致させることで、積層金属板12の板厚方向の圧縮変形に対する強度をさらに向上させることができる。さらに、第1の金属板20a及び第2の金属板20bが第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50のみならず、樹脂層21で保持されることになる。このため、積層金属板15の切断時に第1の金属板20a及び第2の金属板20bが積層金属板15の厚さ方向に変動しにくい(厚さ方向にめり込みにくい)。
(5−2.積層金属板の製造方法)
積層金属板14は、以下の工程により作製可能である。まず、第1の実施形態と同様の工程により第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製する。そして、第1のトラス構造体40の頭頂点41aと第2のトラス構造体50の頭頂点51aとを接合することで、コア層30aを作製する。具体的には、第1のトラス構造体40の頭頂点41a上に樹脂シートを積層する。ついで、加熱などによって樹脂シートを軟化させる。ついで、樹脂シート上から第2のトラス構造体50を第1のトラス構造体40に押し込むことで、第1のトラス構造体40の頭頂点41aと第2のトラス構造体50の頭頂点51aとを接触させる。ついで、樹脂シートを冷却する等により、樹脂シートを硬化させる。これにより、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50は、互いに接合される。また、樹脂シートは第3の樹脂層21cとされる。ただし、接合強度をさらに確保する観点からは、第1の実施形態と同様の方法による接合方法をさらに行ってもよい。その後は、第3の実施形態と同様の工程を行うことで、積層金属板14を作製する。
<6.第5の実施形態>
(6−1.積層金属板の全体構成>
次に、図13に基づいて、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態に係る積層金属板15は、コア層30を第1のトラス構造体40のみで構成し、かつ、第1の金属板20aと第2の金属板20bとの間を樹脂層21で充填したものである。すなわち、第5の実施形態では、第1の金属板20aは、第1のトラス構造体40の頭頂点41a(第1の頂点)に接合され、第2の金属板20bは、第1のトラス構造体40の底頂点41b(第2の頂点)に接合される。また、樹脂層21は、第1の金属板20a及び第2の金属板20bのコア層30側の表面に設けられることになる。
樹脂層21を構成する樹脂は特に制限されず、第2の実施形態と同様の樹脂で構成されていても良い。ただし、樹脂層21の厚さは第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)に略一致する。第5の実施形態では、第1の金属板20aと第2の金属板20bとの間を樹脂のみで充填した積層金属板よりもせん断変形及び板厚方向の圧縮変形に対する強度が大きくなる。ただし、トラス構造体の数が少ない分、せん断変形及び板厚方向の圧縮変形に対する強度は、図10に示す積層金属板12よりも小さい。
さらに、第1の金属板20a及び第2の金属板20bが第1のトラス構造体40のみならず、樹脂層21で保持されている。このため、積層金属板15の切断時に第1の金属板20a及び第2の金属板20bが積層金属板15の厚さ方向に変動しにくい(厚さ方向にめり込みにくい)。
なお、図13の例では、樹脂層21の厚さが第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)に略一致しているが、樹脂層21の厚さは第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)よりも小さくてもよい。この場合、第1の金属板20aの表面、第2の金属板20bの表面のそれぞれ(またはいずれか一方)に樹脂層21が形成され、かつ、樹脂層21の総厚さが第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)よりも小さくなる。
(6−2.積層金属板の製造方法)
積層金属板15は、以下の工程により作製可能である。まず、第1の実施形態と同様の工程により第1のトラス構造体40を作製する。ついで、第1の金属板20aの表面に樹脂シートを積層することで、第1の金属板20aの表面に樹脂層21(第1の樹脂層21a)を形成する。同様の工程により、第2の金属板20bの表面に樹脂層21(第2の樹脂層21b)を形成する。ここで、第1の樹脂層21aと第2の樹脂層21bとの総厚さは第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)に略一致する。なお、第1の金属板20a(または第2の金属板20b)の表面のみに樹脂層21を形成し、この樹脂層21の厚さを第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)に略一致させてもよい。また、樹脂層21の総厚さは第1の金属板20aと第2の金属板20bとの距離(=h)よりも小さくても良い。
ついで、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを加熱する等により、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを軟化させる。ついで、コア層30と第1の金属板20a及び第2の金属板20bとを接合する。この際、第1のトラス構造体40は、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bを押しのけて第1の金属板20a及び第2の金属板20bに接触する。また、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bは一体化し、単一層からなる樹脂層21が形成される。その後、樹脂層21を冷却する等により、樹脂層21を硬化させる。これにより、第1のトラス構造体40は、第1の金属板20a及び第2の金属板20bに接合される。すなわち、第1の樹脂層21a及び第2の樹脂層21bは接着剤として機能する。ただし、接合強度をさらに確保する観点からは、第1の実施形態と同様の方法による接合方法をさらに行ってもよい。以上の工程により、積層金属板15を作製する。
(実施例1)
(積層金属板の作製)
実施例1では、以下の製法により第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を作製した。すなわち、正方形の開口が多数形成されたエキスパンドメタル(材質SPCC(JIS G3141)、フレームの太さ0.8mm)を用意し、このエキスパンドメタルをV字型の溝を付与した金型でプレス成形することで、正四角錐型のトラス40aを1列作製した。そして、エキスパンドメタルを同様の金型で繰り返しプレス成形することで、トラス40aがマトリックス状に配置された第1のトラス構造体40を製造した。同様の工程により第1のトラス構造体40と同じ構造を有する第2のトラス構造体50も作製した。
そして、第2のトラス構造体50の頂点51が第1のトラス構造体40の頂点41間に配置されるように第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を重ねあわせた。具体的には、第2のトラス構造体50の頭頂点51aが第1のトラス構造体40の頭頂点41a間の中心に配置され、第2のトラス構造体50の底頂点51bが第1のトラス構造体40の底頂点41b間の中心に配置されるように、第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を重ねあわせた。これにより、コア層30を作製した。ついで、厚さの異なる複数種類の冷延鋼板(金属板20)を用意し、これらの金属板20を用いて頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.35、0.40、1.0、1.4、1.8、4.0、4.5倍となる複数種類の積層金属板11(実施例)を作製した。なお、金属板20とコア層30とは接着剤(エポキシ系)によって接合した。
なお、各積層金属板11では、第1の金属板20a、第2の金属板20bの厚さを同じとし、頂点間距離WL1、WL2を金属板20(=第1の金属板20a、第2の金属板20b)の厚さの10倍とした。
(折り曲げ試験)
以下の方法で折り曲げ試験を行った。具体的には、支点間距離100mmとし、ポンチ5Rで50mmまで押し込んだ。そして、折り曲げ部のトラスの頭頂点の角度、すなわち接合角度θ11の変化を目視で測定した。この結果、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.40、1.0、1.4、1.8、4.0倍となる場合の接合角度θ11の変化は、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.35、4.5倍となる場合の接合角度θ11の変化よりも小さかった。さらに、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の1.0、1.4、1.8倍となる場合の接合角度θ11の変化は、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.40、4.0倍となる場合の接合角度θ11の変化よりも小さかった。
また、各積層金属板11の折り曲げ部を目視で観察したが、金属板20のコア層30への陥入はほとんど見受けられなかった。
この結果、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.4倍以上4.0倍以下となる場合に、折り曲げ部の強度、成形性、及び外観がより向上することがわかった。さらに、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の1.0倍以上1.8倍以下であることがより好ましいこともわかった。また、頂点間距離WL1、WL2が金属板20の厚さの10倍以下となる場合に、金属板20がコア層30にほとんど陥入しないこともわかった。
次に、比較例1として、コア層30に第1のトラス構造体40のみを用いた積層金属板100(比較例1)を作製した。積層金属板100の頂点間距離WL1、WL2は積層金属板100の総厚の0.40倍であり、金属板20(=第1の金属板20a、第2の金属板20b)の厚さの10倍であった。実施例1と同様の折り曲げ試験を実施した結果、比較例に係る積層金属板100の接合角度θの変化は、いずれも実施例1に係る積層金属板11の接合角度θ11の変化よりも大きく、金属板20がコア層30に陥入することがわかった。以上の結果より、実施例に係る積層金属板11は、比較例に係る積層金属板100よりも折り曲げ部の強度、成形性、及び外観が向上したことがわかった。
(実施例2)
実施例1で作製した第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50の頭頂点41a、51a間を接合することで、実施例2に係るコア層30aを作製した。ついで、厚さの異なる複数種類の冷延鋼板(金属板20)を用意し、これらの金属板20を用いて頂点間距離WL1、WL2が積層金属板13の総厚の0.35、0.40、1.0、1.4、1.8、4.0、4.5倍となる複数種類の積層金属板13(実施例)を作製した。なお、金属板20とコア層30aとの接合、及び第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50同士の接合は実施例1と同様の方法により行った。なお、各積層金属板13では、第1の金属板20a、第2の金属板20bの厚さを同じとし、頂点間距離WL1、WL2を金属板20(=第1の金属板20a、第2の金属板20b)の厚さの10倍とした。
次に、比較例2のコア層として、トラスがトラス40aの2倍の大きさを有するトラス構造体を用意した。その後の工程は実施例2と同様にして比較例2に係る積層金属板100を作製した。積層金属板100の頂点間距離WL1、WL2は積層金属板100の総厚の0.40倍であり、金属板20(=第1の金属板20a、第2の金属板20b)の厚さの10倍であった。そして、積層金属板13、100のそれぞれについて、実施例1と同様の折り曲げ試験を行った。この結果、実施例1と同様の結果が得られた。
(実施例3)
実施例1と同様の製造方法により、頂点間距離WL1、WL2が積層金属板11の総厚の0.40倍であり、金属板20(=第1の金属板20a、第2の金属板20b)の厚さの30倍、35倍である積層金属板11を作製した。そして、実施例1と同様の折り曲げ試験を行い、折り曲げ部を目視で観察した。この結果、頂点間距離WL1、WL2が金属板20の厚さの30倍となる場合、金属板20のコア層30への若干の陥入が見受けられた。また、頂点間距離WL1、WL2が金属板20の厚さの35倍となる場合、金属板20のコア層30へのさらなる陥入が見受けられた。この結果、金属板20の陥入防止の観点から、頂点間距離WL1、WL2は、金属板20の厚さの30倍以下が好ましく、10倍以下がより好ましいことがわかった。実施例2の積層金属板13についても同様の実験を行ったが、同様の結果が得られた。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、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得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、2つの第1のトラス構造体40及び第2のトラス構造体50を用いてコア層30を作製したが、3つ以上のトラス構造体を用いてコア層30を作製してもよい。
10 積層金属板
20 金属板
20a 第1の金属板
20b 第2の金属板
21 樹脂層
21a 第1の樹脂層
21b 第2の樹脂層
21c 第3の樹脂層
30、30a コア層
40 第1のトラス構造体
41 頂点
50 第2のトラス構造体
51 頂点

Claims (17)

  1. フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置された第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体を備えるコア層と、
    前記コア層の一方の表面に設けられ、少なくとも前記第1のトラス構造体の頂点に接合される第1の金属板と、
    前記コア層の他方の表面に設けられ、少なくとも前記第2のトラス構造体の頂点に接合される第2の金属板と、を備え、
    前記第1のトラス構造体は、前記第2のトラス構造体及び前記第2の金属板のうち少なくとも一方に接合され、
    前記第2のトラス構造体は、前記第1のトラス構造体及び前記第1の金属板のうち少なくとも一方に接合され、
    前記第1のトラス構造体の頂点は、前記第1及び第2の金属板に接合され、
    前記第2のトラス構造体の頂点は、前記第1及び第2の金属板に接合され、かつ、前記第1のトラス構造体の頂点間に配置されることを特徴とする、積層金属板。
  2. 前記第2のトラス構造体の頂点は、前記第1のトラス構造体の頂点間の中心に配置されることを特徴とする、請求項記載の積層金属板。
  3. 前記第1の金属板の前記コア層側の表面、及び前記第2の金属板の前記コア層側の表面のうち、少なくとも一方に形成された樹脂層を備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の積層金属板。
  4. 前記樹脂層の総厚さは、前記コア層の厚さに略一致することを特徴とする、請求項記載の積層金属板。
  5. 前記樹脂層は、熱可塑性樹脂で構成されることを特徴とする、請求項3または4に記載の積層金属板。
  6. フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置された第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体を備えるコア層と、
    前記コア層の一方の表面に設けられ、少なくとも前記第1のトラス構造体の頂点に接合される第1の金属板と、
    前記コア層の他方の表面に設けられ、少なくとも前記第2のトラス構造体の頂点に接合される第2の金属板と、を備え、
    前記第1のトラス構造体は、前記第2のトラス構造体及び前記第2の金属板のうち少なくとも一方に接合され、
    前記第2のトラス構造体は、前記第1のトラス構造体及び前記第1の金属板のうち少なくとも一方に接合され、
    前記第1のトラス構造体上に前記第2のトラス構造体が積層され、かつ、前記第1のトラス構造体の頂点と前記第2のトラス構造体の頂点とが接合されていることを特徴とする積層金属板。
  7. 前記第1の金属板の前記コア層側の表面、前記第2の金属板の前記コア層側の表面、及び前記第1のトラス構造体と前記第2のトラス構造体との接合部分のうち、少なくとも1つ以上の部分に形成された樹脂層を備えることを特徴とする、請求項記載の積層金属板。
  8. 前記樹脂層の総厚さは、前記コア層の厚さに略一致することを特徴とする、請求項記載の積層金属板。
  9. 前記樹脂層は、熱可塑性樹脂で構成されることを特徴とする、請求項7または8に記載の積層金属板。
  10. 前記フレームは金属で構成されることを特徴とする、請求項1〜9の何れか1項に記載の積層金属板。
  11. 前記第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体のうち、少なくとも一方のトラス構造体は、金属板を成形することで作製されることを特徴とする、請求項10記載の積層金属板。
  12. 前記第1のトラス構造体及び第2のトラス構造体のうち、少なくとも一方のトラス構造体は、パンチングメタルを成形することで作製されることを特徴とする、請求項11記載の積層金属板。
  13. 前記フレームは樹脂で構成されることを特徴とする、請求項1〜9の何れか1項に記載の積層金属板。
  14. 前記第1の金属板に接合される頂点間の距離、及び前記第2の金属板に接合される頂点間の距離のうち、少なくとも一方は、前記積層金属板の総厚の0.4倍以上4.0倍以下であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載の積層金属板。
  15. 前記第1の金属板に接合される頂点間の距離、及び前記第2の金属板に接合される頂点間の距離のうち、少なくとも一方は、以下の数式(1)の条件を満たすことを特徴とする、請求項1〜14の何れか1項に記載の積層金属板。
    0.57≦w/h≦3.7/α (1)
    前記数式(1)において、
    wは、前記第1の金属板に接合される頂点間の距離、または前記第2の金属板に接合される頂点間の距離を示し、
    hは、前記第1の金属板と前記第2の金属板との距離を示し、
    αは、曲げ加工時における前記コア層と前記第1の金属板または前記第2の金属板との接合角度の変化率を示す。
  16. 前記コア層と前記第1の金属板または前記第2の金属板との接合角度は、60〜150°であることを特徴とする、請求項1〜15のいずれか1項に記載の積層金属板。
  17. 金属フレームで構成されるトラスがマトリックス状に配置されたトラス構造体を備えるコア層と、
    前記コア層の一方の表面に設けられ、前記トラス構造体を構成する第1の頂点に接合される第1の金属板と、
    前記コア層の他方の表面に設けられ、前記トラス構造体を構成する第2の頂点に接合される第2の金属板と、
    前記第1の金属板の前記コア層側の表面、及び前記第2の金属板の前記コア層側の表面のうち、少なくとも一方に形成された樹脂層と、を備え
    前記樹脂層は、前記第1の金属板と前記第2の金属板との間に充填されていることを特徴とする、積層金属板。
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