JP2007176328A - Ｆｒｐ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた軽量性を達成することができる構造を有するＦＲＰ構造体を提供する。
【解決手段】表板を形成するアウターとアウターの内側に位置するインナーから構成されており、前記インナーが前記アウター裏面に接する第１の面と、アウターと一定の距離を置いて配置された第２の面と、第１の面と第２の面をつなぐ第３の面のから構成され、前記インナーの第２の面が、格子形状を形成する箇所を有し、前記第１の面は、アウター外縁部は全周に渡って、アウター内部では少なくとも一部が、接合されていることを特徴とするＦＲＰ構造体
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂（以下、ＦＲＰ）を用いた構造体に関し、必要な剛性と強度を持ち、かつ構造体としての軽量性を持ち、更に衝撃吸収性能を兼ね備えることができる構造に関する。

近年、建築物、輸送機器や情報機器等のあらゆる構造体において、剛性や強度の他にも軽量であることが強く求められるようになってきた。特に輸送機器においては、軽量化によって大幅なエネルギー消費量の低減が見込まれることから、剛性や強度と共に軽量性を達成することが、大きな技術開発の課題となっている。

また、輸送機器分野の中でも特に自動車においては、更なる要件として衝突安全性能が求められる傾向にあり、この性能を獲得するために、種々研究開発がなされている。

衝突安全性能について、特に衝撃的な外力が加わった際の乗員側の安全性能と共に、近年になって注目を浴びているのが歩行者と自動車が衝突した際の、歩行者保護機能である。自動車が歩行者に衝突した際には、歩行者は、自動車の前部やフード等に対し、脚や頭部に衝撃荷重を受けることになるが、とくに死亡事故の低減には、頭部へのダメージを低減することが不可欠であることが知られている。したがって、とくに頭部にダメージを与えやすいフードに対しては、衝突事故時にも極力衝撃カを吸収でき、頭部へのダメージを小さく抑えることが求められている。

この頭部へのダメージの低減に関しては、フードの衝撃緩和性能として規制値が規格化されつつあり、とくに、頭部が受ける加速度とその持続時間で計算される頭部傷害値（ＨＩＣ）を所定のレベル以下に抑えることが必要であると言われている。

フードの衝撃緩和性能の向上に当たっては、衝突事故時等にフードが変形して衝撃を緩和する特性が求められる一方で、フードが内部側（つまり、エンジンルーム側）に変形する際、内部の剛体搭載物や剛体の車体等に当接し突っかい棒のようになって頭部等に過大な衝撃を与えることを防止するために、フードの変形量をあるレベル以下に抑えることもまた必要である。つまり、歩行者保護の観点からは、フードが望ましい形態で変形し高い衝撃緩和性能を発揮できる特性と共に、フードの変形量をあるレベル以下に抑えることも必要である。

これら諸性能を達成する方法として、近年、主に軽量化を目的として炭素繊維を用いたＦＲＰ製の自動車用フードが開発されており、主として必要な部分の強度や剛性を向上することを目的とした各種の構造が提案されているが（例えば、特許文献１）が、歩行者頭部保護等の衝撃吸収特性の向上については、技術的な開示はなされていない。

歩行者頭部保護等の衝撃吸収性能の向上に関しては、他にも多くの構造が提案されているが（例えば、特許文献２）、これら提案は衝撃吸収特性を主な要件とし、軽量性等への配慮については、必ずしも十分とは言えない。このように、軽量性と衝撃吸収特性を両立するようなＦＲＰ構造体の提案はこれまで無かった。

他にも、歩行者頭部保護を目的として衝撃吸収特性の獲得を狙った提案としては、アルミ等の金属材料を用いた自動車用フードの提案がなされている（例えば、特許文献３）。しかしながら金属製のフードにおいては、線膨張係数の差等が要因となり、アウターとインナーの応力を伝達するような構造的な接合を接着材に頼ることが出来ず、また溶接などでは外板表面に溶接恨が発生してしまうことから、接合方法が限定されており、一般的にはアウター外縁部をヘミング曲げし、弾性的な接着材を充填することによりインナーと接合する固定に限定されている。金属製自動車用フードにおいて、アウター外周部以外とインナーが弾性接着材によって固定されている場合があるが、接着剤の剛性が低く、構造体全体の剛性を担うような応力伝達の役目は果たされておらず、アウターとインナーのバタツキ防止や位置固定等の機能を果たしている物である。したがって、構造体全体としてはアウターとインナーの合わせ梁構造となっており、合わせ梁構造にて必要な剛性や強度を満足するために、アウターまたはインナーもしくはその両方が比較的厚くなる傾向にあり、結果として重量が嵩むものとなっている。
特開 ２００３−１４６２５２号公報 特開 ２００５−２１２２５５号公報 特開 ２００５−７５１７４号公報

そこで本発明の課題は、構造体に要求される剛性・強度等の構造要件と共に、軽量性、衝撃吸収特性を満たすことができるＦＲＰ構造体、および、これを用いた自動車用外板、フードを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に関わるＦＲＰ構造体は、以下の構成からなる。すなわち
（１） 表板を形成するアウターとアウターの内側に位置するインナーから構成されており、前記インナーが前記アウター裏面に接する第１の面と、アウターと一定の距離を置いて配置された第２の面と、第１の面と第２の面をつなぐ第３の面のから構成され、前記インナーの第２の面が、格子形状を形成する箇所を有し、前記第１の面は、アウター外縁部は全周に渡って、アウター内部では少なくとも一部が、接合されていることを特徴とするＦＲＰ構造体。

（２） 前記アウター内部において前記インナーの第１の面の面積の半分以上が、前記アウター裏面に接合されていることを特徴とする前記（１）に記載のＦＲＰ構造体。

（３） 前記アウターが芯材と、芯材を挟むように配置された繊維強化樹脂層からなる表裏スキン層で構成されたサンドイッチ構造を有することを特徴とする前記（１）〜（２）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。

（４） 前記インナーの第２の面が形成する格子形状が六角形のハニカム形状であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。

（５） 前記インナー第１の面が円形状をなす箇所を有することを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。

（６） 前記インナーの第１の面が形成する円形状が面心格子状に配置されていることを特徴とする前記（５）に記載のＦＲＰ構造体。

（７） 前記インナーの断面形状が、開断面形状であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。

（８） 前記インナーの断面形状がハット形断面であることを特徴とする前記（７）に記載のＦＲＰ構造体。

（９） 前記インナーの第１の面が肉抜き形状箇所を有することを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。

（１０） 前記（１）〜（９）のいずれかに記載のＦＲＰ構造体を用いたことを特徴とする自動車用外板。

（１１） 前記（１０）に記載の自動車用外板を適用したことを特徴とする自動車用フード。

本発明に係わるＦＲＰ構造体によれば、構造上、適正にインナーが配置され、アウターとインナーが強固に接合されることから、剛性・強度の他にも、構造体としての更なる軽量性が得られ、格子形状の最適配置により、良好な衝撃吸収特性が獲得できる。また必要に応じてアウターとインナーの接合面積を変更することにより、これら特性を調整することが可能である。

また、本構造体の構成はアウターがサンドイッチ構成となるときにも有用であり、サンドイッチ構造の持つ高い剛性をインナーによって更にエリア毎に最適化し、また強化することが出来る。

またこれら格子形状は六角のハニカム形状とすると、構造体としての剛性、強度の適正化が最もはかられ、結果として良好な軽量化、衝撃吸収性能が達成される。更により好ましくは、接合範囲の選択や、必要に応じて、インナーに肉抜き形状を設けることにより、より軽量化を実現し、衝撃吸収性能を向上させることができる。

また本構造体を自動車用外販や、特に自動車用フードに適用することにより、製品としての剛性、強度、軽量性が実現し、接合範囲や、ハニカム形状等の格子形状の選択によってフードエリアによる、他部品とのすき間、必要や剛性および強度といった設計の最適化や、歩行者頭部保護性能の最適化をはかることが出来る。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１、２，３、４は、本発明の一実施態様に関わるＦＲＰ構造体を示している。図１は表板を形成するアウター１とアウター１の内側に位置するインナー２の分解斜視図、図２はアウター１とインナー２を接合したＦＲＰ構造体６の斜視図を示しており、図３は図２における左右中央断面０Ｙの断面図、図４は図２における前後中央断面０Ｘの断面図を表したものである。

アウター１は、構造体全体に渡って広がり外殻を形成する面部材であり、デザインや用途に応じて、必要な曲面もしくは平面、またはこれらを組み合わせた面形状に形成されている。 インナー２は、アウター１の裏面に接する第１の面３と、アウター１と一定の距離を置いて配置された第２の面４と、第１の面３と第２の面４をつなぐ第３の面５から構成されており、第２の面４の一部は格子形状を有している。このインナー２はスティフナ構造として、構造体の全体剛性を分担しており、また第２の面４の格子形状の配置適正化により構造体面内での局所剛性も担うものである。

本実施態様におけるアウター１とインナー２は接着剤によって接合されており、アウター１の裏側外周部とそれに接するインナー２の第１の面３は外周接合層７によって全て接着されている。またアウター１の裏側内部とそれに接するインナー２の第１の面３は少なくとも一部が内部接合層８によって接合され、アウター１とインナー２で強固な閉断面形状を構成する。これにより、構造体として剛性、強度が適正化され、結果、最も効率の良い構造となることからより軽量化が得られる。

アウター１とインナー２の第１の面３は接合のために接しているが、実際の部品の反りや組み立て精度や、接合する場所と範囲を選択できるようにする事等のために、厳密に一致している必要はない。隙間としては０ｍｍから５ｍｍ程度離れていてもよく、望ましくは０．５ｍｍから３ｍｍ程度とするのが好ましい。接着剤を使用する場合には、このアウター１の裏側と第１の面３の領域に接着材を充填することで接合構造を構成することができ、またアウター１と第１の面３との間に適切な隙間を設けることで、構造体の変形時にアウター１と第１の面３が接してしまうことや、振動等で繰り返し衝突することによる部材の損傷、打音発生等が抑制される。また、この様な損傷や打音の現象を防ぐために、例えば金属製自動車用フードで用いられているような、比較的柔らかく、せん断応力を伝える能力が小さい接着剤もしくは充填材をアウター１と第１の面３の間に用いても良いし、発泡樹脂等からなるインシュレーターを挿入することで、同様な防止効果を設けても良い。

アウター１とインナー２の接合構成は、接着剤による接合、リベット接合、接着剤を併用したリベット接合等が選択肢として挙げられるが、その他にもインサートナットをアウター１もしくはインナー２にインサート成形してボルト締結する構成や、ボルトをアウター１もしくはインナー２に接着し、ナットで締結しても良いし、アウター１とインナー２に締結用穴を設けてボルト・ナット締結としても良い。いずれの場合も必要となる剛性や外観品位、耐環境性などを考慮して選択することができる。中でも、接着剤による接合が好ましく、例えばネオプレン−フェノリック、ビニル−フェノリック、ニトリル−エポキシ、エポキシ−フェノリック、ナイロン−エポキシ、変性エポキシ、ポリウレタン、アクリル、シリコーン、ポリサルファイド、弾性エポキシ、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリベンズイミタゾール、セメント系、低融点ガラス、アルカリ金属シソケート、ホスフェート、エチレン酢酸ビニル、エチレンエチルアクリレート等の構造接着剤もしくは弾性接着剤と呼ばれる物によりアウターとインナーの間の応力伝達がなされる構成がより好ましい。

また、第２の面４が格子形状を形成する箇所を設けることにより、構造体全体に渡って強度と剛性の均一化が はかられ、優れた衝撃吸収特性が獲得できる。また、必要に応じ、格子形状の大きさや配置ピッチを適正化することにより、構造体に必要とされる剛性、衝撃吸収特性等をより適正化することも可能である。本特性を得るための格子形状としては第２の面の高さが１０ｍｍから１００ｍｍが好ましく、より望ましくは２５ｍｍから６０ｍｍがより好ましい。第２の面の幅は１０ｍｍから１５０ｍｍが好ましく、より望ましくは２５ｍｍから１００ｍｍがより好ましい。格子形状のピッチは３０ｍｍから５００ｍｍが好ましく、より望ましくは５０ｍｍから２５０ｍｍがより望ましい。この結果、例えば自動車用外板や、自動車用フードとして本構造体を適用した場合に、必要な構造特性を最低限の重量で達成することができ、優れた構造部品とすることができる。また前述の様に、格子構造が構造体の面に渡って適切に配置されることにより、衝撃吸収特性に優れ、特にフードに用いた場合には、歩行者頭部保護機能において、頭部がフードに衝突した場合のエネルギーを、格子形状で効率良く受け止めることが出来、良好な性能を得ることができる。

接合範囲または場所の選択に関し、図５の０Ｙ方向の構造体断面図に示したように、アウター１の外周部以外とインナー２の第１の面３を接合する場所は、必要な剛性、強度、重量、衝撃吸収特性を勘案し、全て接合するのでは無く、必要な部位を選択することができる。全く接合しない場合では、アウターとインナーは合わせ梁の機能しか有さなくなるので、より望ましくは、アウター１とインナー２の第１の面３が接している面積の半分以上が接合されていることがより好ましい。

アウターに関して、アウターはＦＲＰの単板構造の他にも、図６に挙げられるようなＦＲＰスキン板９の間に例えば発泡樹脂からなるコア材１０が介在されたサンドイッチ構造に構成されることも可能である。サンドイッチ構造を採用する場合のコア材としては、弾性体や発泡材、ハニカム材の使用が可能である。軽量化のためにはとくに発泡材を用いることが好ましいが好ましい。発泡材の材質としては、例えば、ポリウレタンやアクリル、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノールなどの高分子材料のフオーム材などが使用できるが、特にこれらに限定されるものではない。ハニカム材としては、例えばアルミニウム合金、紙、アラミドペーパー等を使用することができるが、これらに特に限定されるものではない。図６のようなサンドイッチ構造体においても、同じように軽量化等の効果を得ることができるが、単板構造を用いてインナーを望ましいスティフナ形状としてアウターと接合することにより、所望の剛性を確保できる場合には、単板構造に構成することがより好ましい。

また、インナーに望ましい剛性、強度や軽量性を持たせるためには、図２に示したように、インナーを開断面とし、さらに望ましくは断面形状をハット形状に形成することが好ましい。他にも例えば長方形型、台形型、三角形等の閉断面形状が考えられるが、重量が嵩む場合が多く、また構造の中空化等で製作難度も高くなってしまうため、コストが高くなることが多い。

開断面形状としては図７に示すような、前述のハット形（ａ）の他、Ｉ字形（ｂ）、Ｃ字形（ｃ）、Ｌ字形（ｄ）、ハット壁あき型（ｅ）、ハット分離形（ｆ）等がある。断面剛性、接着面積、成形性等を考慮するとハット形断面が剛性と重量のバランスがよく、より好ましい。但し、例えば本ＦＲＰ構造体を自動車用外板に適用した場合、他部品とのクリアランスの問題や、必要とされる剛性・強度が十分ある場合には、ハット形断面以外の形を採用し、他の性能要件を満たすように構成しても良い。

またインナー２を更に軽量化するために、肉抜き部１０１を設けることが可能である。図８に示したように、特に、自動車用フードとして、本構造体のインナー２に肉抜き部１０１を設ける際にはφ５ｍｍ〜１５０ｍｍ程度、好ましくはφ５０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度の肉抜き部とすることで、良好な軽量性と共に、必要な局所剛性を維持することができる。

本発明に係わる強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維などの無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維、ＰＢＯ繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。重量あたりの剛性、強度の面からは、特に炭素繊維が好ましい。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熟硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフイン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熟可塑性樹脂も使用可能である。これら強化繊維とマトリックス樹脂とからなるＦＲＰは、単層構成とすることも可能であるが、望ましい特性（とくに、特定の方向に対する望ましい曲げ剛性やねじり剛性）を発現させるために、積層横成とすることが好ましい。また、ＦＲＰの機械特性は、上記のような強化繊維、マトリックス樹脂の選択や組み合わせ、強化繊維の配向や体積含有率、積層構成等により適宜設定できる。

図９は、本発明の別の実施態様に係わるＦＲＰ構造体を示している。同様にアウター１１とインナー１２によりＦＲＰ構造体が構成され、インナー１２は、アウター１１の裏面に接する第１の面１３と、アウター１と一定の距離を置いて配置された第２の面１４と、第１の面１３と第２の面１４をつなぐ第３の面１５から構成されており、第２の面１４の一部は格子形状を有している。本実施態様においては、インナーの第２の面１４の格子形状が六角ハニカム形状に配置されている。六角形のハニカム形状とすることで、格子形状の中でも、より少ない材料でより高い剛性が得られ、また面方向により均一な剛性、強度を得ることができることから、より好ましい剛性、強度、軽量性の他、より好ましい衝撃吸収特性が得られる。よって、構造体全体としても剛性、強度がより少ない重量で得られ、より好ましい衝撃吸収特性が得られる。したがって、例えばこれを自動車用外板部材や、自動車用フードに適用した場合には、部品として必要とされる剛性、強度を満たした状態で、より軽量とすることができ、特に歩行者頭部保護等の衝突エネルギーを吸収する必要のある場合には、ハニカム形状によって効率良く、性能を発揮することができる。

また図１０は本発明の更に別の実施態様に係わるＦＲＰ構造体を示している。同様にアウター３１とインナー３２によりＦＲＰ構造体が構成され、インナー３２は、アウター３１の裏面に接する第１の面３３と、アウター３１と一定の距離を置いて配置された第２の面３４と、第１の面３３と第２の面３４をつなぐ第３の面３５から構成されており、第２の面３４の一部は格子形状を有している。本実施態様においては、インナー３２の第１の面３３が円形状をなしている。この様な場合には、特に自動車用フードで要求される歩行者頭部保護に関して、頭部が接触する位置のインナーが円形状となることから衝撃が緩和されて好適である。これら円形状は格子状に配置されていても良いが、より望ましくは図１０に示したように、面心格子状に配置すると、密で均一な格子配分、しいてはインナー剛性配分が達成され、剛性や強度の他、衝撃吸収特性もより向上することから、より好ましい。

本発明の一実施態様に係るＦＲＰ構造体の分解斜視図である。 本発明の一実施態様に係るＦＲＰ構造体の斜視図である。 図１のＦＲＰ構造体の０Ｘ断面図である。 図１のＦＲＰ構造体の０Ｙ断面図である。 本発明の係わる接合部分または範囲の模式図である。 本発明に係わるアウターがサンドイッチ構成の場合の模式図である。 本発明に係わるインナーのスティフナ形状の例示の模式図である。 本発明に係わる肉抜き形状の模式図である。 本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ構造体の分解斜視図である。 本発明の更に別の実施態様に係るＦＲＰ構造体の分解斜視図である。

符号の説明

１、１１、３１アウター
２、１２、３２インナー
３、１３、３３ インナーのアウター裏面の接する第１の面
４、１４、３４ インナーのアウターと一定の距離を置いて設置された面
５、１５、３５ 第１の面と第２の面をつなぐ第３の面
６、ＦＲＰ構造体
７、外周接合層
８、内部接合層
９、ＦＲＰスキン板
１０、コア材
１０１、肉抜き部

Claims (11)

1. 表板を形成するアウターとアウターの内側に位置するインナーから構成されており、前記インナーが前記アウター裏面に接する第１の面と、アウターと一定の距離を置いて配置された第２の面と、第１の面と第２の面をつなぐ第３の面から構成され、前記インナーの第２の面が、格子形状を形成する箇所を有し、前記第１の面は、アウター外縁部は全周に渡って、アウター内部では少なくとも一部が、接合されていることを特徴とするＦＲＰ構造体。
2. 前記アウター内部において前記インナーの第１の面の面積の半分以上が、前記アウター裏面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
3. 前記アウターが芯材と、芯材を挟むように配置された繊維強化樹脂層からなる表裏スキン層で構成されたサンドイッチ構造を有することを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。
4. 前記インナーの第２の面が形成する格子形状が六角形のハニカム形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。
5. 前記インナー第１の面が円形状をなす箇所を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。
6. 前記インナーの第１の面が形成する円形状が面心格子状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のＦＲＰ構造体。
7. 前記インナーの断面形状が、開断面形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。
8. 前記インナーの断面形状がハット形断面であることを特徴とする請求項７に記載のＦＲＰ構造体。
9. 前記インナーの第１の面が肉抜き形状箇所を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＦＲＰ構造体。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のＦＲＰ構造体を用いたことを特徴とする自動車用外板。
11. 請求項１０に記載の自動車用外板を適用したことを特徴とする自動車用フード。

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