JP6760549B1

JP6760549B1 - 曲面パネル部材

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Publication number: JP6760549B1
Application number: JP2020522087A
Authority: JP
Inventors: 孝博相藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2020-09-23
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Abstract

金属製の曲面パネルと、曲面パネルに接合された、連続繊維を含む複数のＦＲＰの層からなる補強部材と、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有し、複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、曲面パネルの最大主曲率方向を０°方向、および０°方向に直交する方向を９０°方向と定義し、曲面パネルに接合されている補強部材の各ＦＲＰの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、式（１）を満たす、曲面パネル部材。

Description

本発明は、曲率を有するパネルの構造に関する。

曲率を有するパネル（以下、“曲面パネル”）の一例として、自動車のドアアウターパネルやルーフパネル、フード、フェンダー、サイドアウターパネル等の全体として曲面状の金属製パネルがある。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、曲面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、曲面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曲面パネルを補強することが求められる。

曲面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曲面パネル部材が開示されている。特許文献１の曲面パネル部材においては、ＦＲＰシートの形状を適宜変更することによって曲面パネル変形時の復元性能を向上させている。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３には、中空の芯を囲む、ガラス繊維からなる内部層と、ＦＲＰからなる中間層と、ガラス繊維からなる外部層とを備えた構造体が開示されている。特許文献４には、自動車のドアなどにおいて、ＦＲＰ製の補強樹脂層の下に、ＦＲＰ製の補強樹脂層より幅が狭い発泡ポリエチレンなどのビード形成材を設け、そのビード形成材の幅よりも広い補強部材の裾部の下面がパネルに接着されたパネル構造が開示されている。特許文献５には、車両幅方向に対して斜めに延びる、ＦＲＰからなる補強部材を備えた車両用ルーフ構造体が開示されている。特許文献６には、コア材の表側と裏側にそれぞれＦＲＰ層が配置されたサンドイッチ構造のＦＲＰ構造体が開示されている。特許文献７には、凸状の接着加工部を有する炭素繊維一方向材又は炭素繊維クロス織物などの補強部材が主構造材に接着された構造用部材が開示されている。

特開２００１−２５３３７１号公報特開２０１８−０１６１７１号公報特開２００３−２９１２３２号公報特開昭５７−１５１３５７号公報国際公開第２０１４／０３４５８６号特開２００８−２１３４３７号公報特開２００９−１６６４０８号公報

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、別の方法で曲面パネルを補強することが望ましい。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。特許文献３の構造体は、内部層において中空の芯を有することが必須の構造であるため、パネルの補強側の内部空間に制約がある場合などには適用できないなどの問題がある。特許文献４および特許文献５の構造では、パネルの一部しか補強されていないため、張り剛性の向上には限界があり、パネルの全面を補強すると全体の重量が大きくなるという問題がある。特許文献６のＦＲＰ構造体は、コア材が設けられることが必須の構造であるため、パネルの補強側の内部空間に制約がある場合などには適用できないなどの問題がある。特許文献７の構造では、凸状の補強部材が主構造材に貼付けられるため、内部空間の制約がある場合などには適用できないなどの問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、クロス織物を用いずに、張り剛性を向上させることが可能な曲面パネル部材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、曲面パネル部材であって、金属製の少なくとも一部が曲率を有する曲面パネルと、前記曲面パネルの曲率を有する面の片面にのみ接合された、連続繊維を含む複数の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有し、前記複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、前記曲面パネルの曲率を有する面の最大主曲率方向を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、前記曲面パネルに接合されている前記補強部材の各ＦＲＰの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、下記式（１）を満たすことを特徴としている。
５８０×Ｋ≦（Ａ×４＋Ｂ）／（Ｃ＋Ｄ）（１）
Ａ：前記補強部材の板厚中心の外側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｂ：前記補強部材の板厚中心の内側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｃ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記０°方向成分
Ｄ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記９０°方向成分
Ｋ：１／前記０°方向における曲率半径（ｍｍ）

前記複数のＦＲＰの層は、４層以上のＦＲＰの層であってもよい。前記曲面パネルの７０％以上の面積に、前記補強部材が接合されていてもよい。前記補強部材は前記曲面パネルの面全体に接合されていてもよい。前記補強部材の板厚は、前記曲面パネルの板厚の２．０倍以上であってもよい。

前記曲面パネルは、自動車のフードまたはルーフパネルであり、前記補強部材は、前記曲面パネルの下面に接合されていてもよい。前記曲面パネルは、自動車のフェンダー、ドアアウターパネルまたはサイドアウターパネルであり、前記補強部材は、前記曲面パネルの車内側の面に接合されていてもよい。

前記曲面パネルは、４４０ＭＰａ以上の鋼板であってもよい。前記ＦＲＰは、ＣＦＲＰであってもよい。前記ＦＲＰは、ＧＦＲＰであってもよい。

本発明によれば、クロス織物を用いずに、張り剛性を向上させることが可能な曲面パネル部材を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る曲面パネル部材の概略構成を示す斜視図である。図１の曲面パネル部材を裏側から見た斜視図である。自動車の車体構造例を示す図である。本実施形態に係る補強部材の層構造を説明するための図である。繊維方向の０°方向成分および９０°方向成分の算出方法を説明するための図である。繊維方向の０°方向成分および９０°方向成分の算出方法を説明するための図である。本実施形態に係る補強部材の層構造の一例を示す図である。曲面パネルと補強部材の接合例を示す図である。張り剛性を評価するための条件を示す図である。

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。

図１および図２に示されるように本実施形態の曲面パネル部材１は、金属製の曲面パネル２と、曲面パネル２に接合された、連続繊維を含む複数のＦＲＰの層からなる補強部材３で構成されている。金属製の曲面パネル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、曲面パネル２は４４０ＭＰａ以上の鋼板で形成されていることが好ましい。本明細書における“曲面パネル”は、パネル全面が曲面である部材の他、一部に凹凸や平面部を有しつつも全体として曲面状の部材も含まれる。曲面パネル２の一例としては、図３のような自動車のフード、ルーフパネル、フェンダー、ドアアウターパネルまたはサイドアウターパネル等の部品である。また、曲面パネル２は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よい。

なお、曲面パネル２は、平板を加工することで得られるものである。したがって、曲面パネル２が製造された段階で、製品としての形状や素材が特定され、用途も定まる。このため、曲面パネル２の表側の面と裏側の面のうち、製品として使用された際に面外方向からの荷重が入力される頻度が高い方の面を特定することができる。例えば自動車のドアアウターパネルの場合に、表側の面を車外側の面、裏側の面を車内側の面とすると、車内側の面よりも車外側の面の方が、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ドアアウターパネルの車内側の面となる。本明細書では、曲面パネル２の表側の面と裏側の面のうち、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”と称す。本実施形態においては、曲面パネル２の曲面２ａ、２ｂのうち、曲率が小さい側の面である曲面２ａの方を荷重入力側の面として以降の説明を進めるが、曲面パネル２の用途によっては、曲率が大きい側の面である曲面２ｂが荷重入力側の面となることもある。

張り剛性を効果的に向上させる観点からは、補強部材３は、荷重入力側とは反対側の曲面２ｂに接合されることが好ましい。曲面パネル２が例えば自動車のフードまたはルーフパネルの場合、荷重入力側の曲面２ａは曲面パネル２の上面（車外側の面）であることから、補強部材３は曲面パネル２の下面（車内側の面）に接合されていることが好ましい。曲面パネル２が例えば自動車のフェンダー、ドアアウターパネルまたはサイドアウターパネルの場合、荷重入力側の曲面２ａは曲面パネル２の車外側の面であることから、補強部材３は曲面パネル２の車内側の面に接合されることが好ましい。

本実施形態の補強部材３は、曲面パネル２の荷重入力側と反対側の曲面２ｂに接合されている。曲面パネル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。曲面パネル部材１の張り剛性を効果的に向上させる観点においては、補強部材３の板厚、すなわち複数のＦＲＰの層の合計板厚は、曲面パネル２の板厚の２．０倍以上であることが好ましい。補強部材３の板厚は、曲面パネル２の板厚の２．５倍以上であることがより好ましく、３．０倍以上であることがさらに好ましい。補強部材３の板厚の上限は、要求される曲面パネル部材１の張り剛性と重量等の観点から適宜設定されるが、補強部材の板厚は、曲面パネル２の板厚の１０．０倍以下であることが好ましく、７．５倍以下であることがより好ましく、５．０倍以下であることがさらに好ましい。

（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。

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、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（本実施形態では曲面パネル２）との間に接着樹脂層（図示は省略されている）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、熱間圧延鋼板や冷間圧延鋼板であってもよいが、それらの鋼板に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。金属部材の板厚を特に限定する必要はないが、例えば自動車用部材では０．６０〜３．２ｍｍ程度の場合が多い。

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。

（複数のＦＲＰ層）
（各ＦＲＰ層はそれぞれ一つの繊維方向）
（繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰ層の割合が層全体の１５％以上）
図４は補強部材３の層構造を説明するための図である。補強部材３を構成する複数の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有している。ここで、本明細書では、曲面パネル２の最大主曲率方向を“０°方向”と定義し、０°方向が定義された曲面に正対したときの、０°方向に直交する方向を“９０°方向”と定義する。図４に示される例においては、ＦＲＰが６層構造となっており、複数のＦＲＰの層のうち、曲面パネル２の曲面２ｂ寄りの４層においては連続繊維が０°方向に配向されており、残りの２層においては連続繊維が９０°方向に配向されている。なお、本明細書においては、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°方向に配向された層については０°配向層と称し、９０°方向に配向された層については９０°配向層と称す。すなわち、図４に示される補強部材３は、四つの０°配向層３ａと二つの９０°配向層を有している。

なお、「θ°配向層」には、θ±５°に配向された連続繊維からなる配向層も含まれる。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まれる。配向層の繊維方向は、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。補強部材３を構成する層の総数は特に限定されず、曲面パネル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。また、補強部材３のサイズ、ＦＲＰの各層の板厚、および補強部材３の曲面パネル２に対する接合位置等も特に限定されず、曲面パネル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。

ところで、本願の発明者らが、特許文献７の炭素繊維クロス織物などのような、ＦＲＰの一つの層内に２以上の方向の繊維を織り込んだ素材を曲面パネルに貼り付けた部材の張り剛性を評価したところ、張り剛性の向上効果は小さかった。その理由は不明であるが、クロス織物は繊維が波打っていることが影響している可能性が考えられる。本発明は、その評価結果を踏まえ、クロス織物を用いずに一つの繊維方向のＦＲＰの層を積層して張り剛性を向上させることを研究した結果生まれたものである。このため、本発明に係る補強部材は、複数のＦＲＰの層からなり、且つ複数のＦＲＰ層の各々がそれぞれ一つの繊維方向を有している。

本願の発明者らの検討によれば、各々のＦＲＰの層の繊維方向が一つの方向であっても、複数のＦＲＰの層の繊維方向が全て同じ方向（例えば全てのＦＲＰ層の繊維方向が最大主曲率に垂直な方向、つまり全てのＦＲＰ層が９０°配向層）の場合には後述のとおり張り剛性の向上効果が小さいことが判明した。この知見から、発明者らは、張り剛性の向上には、複数のＦＲＰの層の繊維方向を一つに揃えない方がよく、繊維方向の角度差が３０°以上のＦＲＰの層が存在し、且つ、繊維方向の角度差が３０°以上異なるＦＲＰの層の割合がＦＲＰの層全体の１５％以上とすることがよいことを見出した。繊維方向が異なるＦＲＰの層のうち“繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰの層の層全体に占める割合”は、複数の繊維方向の中で基準とする繊維方向によって値が変化するが、本明細書においては、各々の繊維方向を基準とした場合の上記割合をそれぞれ算出し、最も低い割合の値を用いることとする。例えば後述の実施例におけるCASE a11において、９０°方向を基準とした場合の、角度差が３０％以上となるＦＲＰの層の層全体に占める割合は６７％（４層／６層＝０．６７）となり、０°方向を基準とした場合のその割合は３３％（２層／６層＝０．３３）となる。したがって、この場合における最も低い割合の値は３３％であることから、繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰの層の割合は層全体の３３％である。なお、各ＦＲＰの層の厚さとＦＲＰ繊維の密度が略同一の場合は上述した方法で算出するが、各層の厚みや密度が異なる場合は、各層の厚みおよび密度を重みとして該割合を算出する。

ＦＲＰの層の角度差はより大きい方が好ましく、４０°以上、５０°以上または６０°以上であることが好ましい。角度差の上限は、当然ながら９０°である。層全体に占める所定の角度差以上の繊維方向のＦＲＰの層の割合はより大きい方が好ましく、２０％以上、２５％以上または３０％以上であることが好ましい。ただし、その割合の上限は５０％である。

曲面パネル部材１は以上のように構成されている。図１のような曲面パネル２の場合、曲面パネル２の荷重入力側の曲面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、複数のＦＲＰの層のうちの少なくとも一層が他の層と異なる繊維方向を有し、繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰ層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、下記式（１）を満たす補強部材３が接合された曲面パネル部材１であれば、張り剛性が効果的に向上することを見出した。
５８０×Ｋ≦（Ａ×４＋Ｂ）／（Ｃ＋Ｄ）（１）
Ａ：前記補強部材の板厚中心の外側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｂ：前記補強部材の板厚中心の内側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｃ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記０°方向成分
Ｄ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記９０°方向成分
Ｋ：１／前記０°方向における曲率半径（ｍｍ）

（０°方向成分および９０°方向成分の算出方法）
本明細書では、０°方向成分（曲面パネル２の最大主曲率方向に平行な成分）および９０°方向成分（曲面パネル２の最大主曲率方向に対して垂直な方向に平行な成分）の割合を次のように算出することとする。ここでは、曲面パネル２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。図５は、０°方向とのなす角（鋭角）がθ₁となる第１の繊維方向を有するＦＲＰの層を示し、図６は、０°方向とのなす角（鋭角）がθ₂となる第２の繊維方向を有するＦＲＰの層を示している。第１の繊維方向と第２の繊維方向は互いに異なる方向である。本明細書における“０°方向成分”は、ＦＲＰの層の繊維方向について、三角関数を用いて０°方向成分（つまり、ｃｏｓθ_１、またはｃｏｓθ_２）と９０°方向成分（つまり、ｃｏｓ（９０°−θ_１）＝ｓｉｎθ_１、またはｃｏｓ（９０°−θ_２）＝ｓｉｎθ_２）に成分分解することで算出された０°方向成分の絶対値である。また、本明細書における“９０°方向成分”は、ＦＲＰの層の繊維方向について、三角関数を用いて０°方向成分と９０°方向成分に成分分解することで算出された９０°方向成分の絶対値である。

上記式（１）の層全体における０°方向成分（式（１）の“Ｃ”）および層全体における９０°方向成分（式（１）の“Ｄ”）を算出する際には、まず第１の繊維方向を有するＦＲＰの層について、角θ₁を成分分解して０°方向成分と９０°方向成分を算出する。このとき、第１の繊維方向を有する他のＦＲＰの層があれば、その層についても同様に角θ₁を成分分解して０°方向成分と９０°方向成分を算出する。次に、第２の繊維方向を有するＦＲＰの層について、角θ₂を成分分解して０°方向成分と９０°方向成分を算出する。このとき、第２の繊維方向を有する他のＦＲＰの層があれば、その層についても同様に角θ₂を成分分解して０°方向成分と９０°方向成分を算出する。このようにして、各層について０°方向成分と９０°方向成分を算出した後、各層の０°方向成分を合計することで式（１）における層全体の０°方向成分（式（１）の“Ｃ”）が算出される。同様に、各層の９０°方向成分を合計することで式（１）における層全体の９０°方向成分（式（１）の“Ｄ”）が算出される。

例えば図５において角θ₁が３０°である場合には、cos 30°の絶対値が０°方向成分であり、sin 30°の絶対値が９０°方向成分である。すなわち、角θ₁が３０°である場合の第１の繊維方向についての０°方向成分は約０．８６６であり、９０°方向成分は０．５である。また、図６において角θ₂が−６０°である場合には、cos-60°の絶対値が０°方向成分であり、sin-60°の絶対値が９０°方向成分である。すなわち、角θ₂が−６０°である場合の第２の繊維方向についての０°方向成分は０．５であり、９０°方向成分は約０．８６６である。図５および図６において、第１の繊維方向を有する層が４層、第２の繊維方向を有する層が２層である場合には、層全体における０°方向成分は、約４．４６（０．８６６×４＋０．５×２）であり、層全体における９０°方向成分は、約３．７３（０．５×４＋０．８６６×２）である。このようにして０°方向成分の合計値および９０°方向成分の合計値が算出される。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。

また、各ＦＲＰの層の厚さとＦＲＰ繊維の密度が略同一の厚みの場合は上述した方法で算出するが、各層の厚みや密度が異なる場合は、各層の厚みおよび密度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ｘ_k、当該層の厚みをｔ_kとした場合、層全体における０°方向成分の合計値は、ｘ₁×ｔ₁＋・・・＋ｘ_n×ｔ_n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Ｔ_cに対して、曲面パネル２との接合側に位置するＦＲＰの層を“板厚中心Ｔ_Cの内側にある層”と称し、該接合側とは反対側に位置するＦＲＰの層を“板厚中心Ｔ_Cの外側にある層”と称す。例えば図４の補強部材３において、各ＦＲＰの層の板厚が全て等しいとすると、６層あるＦＲＰの層のうちの下側の３層が、補強部材３の板厚中心Ｔ_Cの外側にある層であり、６層あるＦＲＰのうちの上側の３層が補強部材３の板厚中心の内側にある層である。したがって、図４の例の場合、式（１）における、補強部材３の板厚中心の外側にあるＦＲＰの層の０°方向成分（式（１）の“Ａ”）は、６層あるＦＲＰの層のうちの下側の３層の０°方向成分の合計値であり、式（１）における、補強部材３の板厚中心の内側にあるＦＲＰの層の０°方向成分の（式（１）の“Ｂ”）は、６層あるＦＲＰの層のうちの上側の３層の０°方向成分の合計値である。

式（１）の“Ｋ”は、“１”を曲面パネル２の０°方向の曲率半径で除した値であり、最大主曲率に相当する。式（１）の“Ｋ”は、曲面パネル２がどのような形状であるかを示す指標となるため、以降の説明においては、式（１）の“Ｋ”を形状指数Ｋと称す。曲面パネル部材１の張り剛性を向上させるためには、各ＦＲＰの層における繊維方向を規定することが重要であるが、ＦＲＰの繊維方向が曲面パネル部材１の張り剛性に及ぼす影響は、曲面パネル２の形状によっても異なってくる。換言すると、曲面パネル２の形状によって、張り剛性に対するＦＲＰの繊維方向の寄与度が異なってくる。したがって、曲面パネル部材１の張り剛性を向上させるためには、曲面パネル２の形状も考慮した上でＦＲＰの繊維方向を規定することが重要である。

この要求を満たす条件が式（１）である。後述の実施例で示されるように、複数のＦＲＰの層のうちの少なくとも一層が他の層と異なる繊維方向を有し、繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰ層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、式（１）を満たす補強部材３を備えた曲面パネル部材１によれば、張り剛性を向上させることができる。

なお、本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７に示される補強部材３は、曲面パネル２の曲面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、複数のＦＲＰの層のうちの少なくとも一層が他の層と異なる繊維方向を有し、繊維方向の角度差が３０°以上となるＦＲＰ層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、式（１）を満たす補強部材３が曲面パネル２に接合されていることによって曲面パネル部材１の張り剛性を向上させることができる。

また、補強部材３は、曲面パネル２の曲面２ａに接合されていても張り剛性の向上効果が得られるが、補強部材３は、曲面２ａとは反対側の曲面２ｂに接合されることが好ましい。例えば曲面パネル２が自動車のドアアウターパネル、ルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の部品である場合、曲面パネル２の荷重入力側の曲面２ａに面外方向からの荷重Ｆが入力されるため、曲面パネル２の曲面２ｂ側の引張応力が大きくなるが、曲面パネル２の曲面２ｂ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。これにより曲面パネル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８に示されるように曲面パネル２の面全体に接合されていることが好ましい。例えば、曲面パネル２に対して補強部材３が部分的に接合される場合であっても、部分的に張り剛性を向上させることは可能である。しかし、補強部材３が曲面パネル２の面全体に接合されていることにより、曲面パネル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。補強部材３は、曲面パネル２の面全体に接合されない場合であっても、曲面パネル２の面積の７０％以上に接合されていることが好ましい。より好ましくは曲面パネル２の面積の８０％以上であり、さらに好ましくは９０％以上である。

また、式（１）を満たす補強部材３が例えば前述の特許文献１のＦＲＰシートと同形状である場合、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、特許文献１の補剛効果と同等の補剛効果で張り剛性に関する製品仕様を満たすことができる場合には、例えば補強部材３の板厚を薄くして曲面パネル部材１の軽量化を図ることも可能である。このため、補強部材３が曲面パネル２の面全体に接合される場合には、従来のＦＲＰシートがパネル全体に複数接合される場合に比べ、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、本発明の一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。

曲面パネル部材１の張り剛性を図９に示される方法で評価した。詳述すると、曲面パネル２の荷重入力側の曲面２ａとは反対側の曲面２ｂに補強部材３が接合された曲面パネル部材１に対し、曲面パネル２の曲面２ａの中央部にＲ５０の半球状の圧子１０を押し込むことで張り剛性を評価した。張り剛性は、圧子１０を２ｍｍ押し込む際に要した荷重（以下“２ｍｍストローク時荷重”）の大きさによって評価され、２ｍｍストローク時荷重が大きい曲面パネル部材１ほど、張り剛性が高く、変形にしにくい部材である。本評価方法における曲面パネル２は引張強度が５９０ＭＰａの鋼板であり、補強部材３は、ヤング率が１０２ＧＰａのＦＲＰの層を複数有する部材である。

また、曲面パネル２については形状指数Ｋが以下のように異なるものが３種類準備され、各曲面パネル部材について張り剛性を評価した。
（ａ）Ｋ＝０．０００８３（曲率半径：１２００ｍｍ）
（ｂ）Ｋ＝０．００１２５（曲率半径：８００ｍｍ）
（ｃ）Ｋ＝０．００２５０（曲率半径：４００ｍｍ）

張り剛性の評価条件および評価結果は下記表１の通りである。なお、比較例として、曲面パネル単体の場合およびＣＦＲＰが単一繊維方向の場合についても張り剛性を評価した。

表１に示されるように、曲面パネルに補強部材が接合されたCASE
a3〜CASE a20の２ｍｍストローク時荷重は、曲面パネル単体のCASE a1およびCASE a2の２ｍｍストローク時荷重よりも大きくなり、曲面パネルに補強部材が接合されることで張り剛性が向上することがわかる。

CASE a4〜CASE a10の補強部材は、１層あたり０．２０ｍｍのＣＦＲＰが６層重なった構造である。板厚が１．２０ｍｍ（０．２０ｍｍ×６）のＣＦＲＰの重量は、CASE a3の補強部材として使用されている０．７０ｍｍのアルミニウム板と同程度の重量であるが、CASE a4〜CASE a9の２ｍｍストローク時荷重は、CASE a3の２ｍｍストローク荷重よりも小さくなっており、張り剛性が劣っている。一方、２方向または３方向の繊維方向を有するＣＦＲＰが使用されたCASE a12〜a20は、式（１）を満たすことについてはCASE a4〜CASE a9と同様であるが、CASE a12〜a20の２ｍｍストローク時荷重は、CASE a3〜CASE a9に対して大きくなっており、張り剛性が向上している。この結果によれば、複数のＦＲＰの層のうち、少なくとも一つの層が他の層と異なる繊維方向を有し、複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、式（１）を満たす補強部材が曲面パネルに接合されている場合には、曲面パネル部材としての張り剛性が向上することがわかる。特に、CASE a12〜a20においては、軽量化に有利なアルミニウム板を使用したCASE a3よりも張り剛性が向上している。すなわち、発明例であるCASE a12〜a20の曲面パネル部材は、張り剛性の質量効率に優れており、張り剛性と軽量化を高いレベルで両立することができる。

また、CASE a1〜a20に対して形状指数Ｋが異なるCASE b1〜b10およびCASE c1〜c10の結果においても、少なくとも一つの層が他の層と異なる繊維方向を有し、複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、式（１）を満たす場合には、曲面パネル部材の張り剛性が向上することが示されている。特に、発明例であるCASE b5〜b10においては、軽量化に有利なアルミニウム板を使用したCASE b1よりも張り剛性が向上している。また、発明例であるCASE c5, c9，c10においては、軽量化に有利なアルミニウム板を使用したCASE c1よりも張り剛性が向上している。したがって、CASE b5〜b10およびCASE
c5, c9，c10の曲面パネル部材も、前述のCASE a12〜a20と同様に張り剛性の質量効率に優れた構造である。すなわち、本発明に係る曲面パネル部材は、曲面パネルの形状指数Ｋに関わらず、張り剛性と軽量化を高いレベルで両立させることができる部材である。

CASE a13とCASE a20は、補強部材のサイズ（面積）が互いに異なっている。詳述すると、CASE
a13では、CASE A20を除く他の実施例と同様に曲面パネルの面積の１００％の領域に補強部材が接合され、CASE a20では、曲面パネルの面積の８０％の領域に補強部材が接合されている。CASE
a13とCASE a20は、補強部材のサイズ以外の条件が互いに同一の条件下で張り剛性が評価されているが、２ｍｍストローク時荷重は共に高い値であった。本結果によれば、補強部材が曲面パネルの面全体に接合されていない場合であっても、張り剛性の向上効果が十分に得られることがわかる。

上記表１においては、補強部材としてＣＦＲＰを使用する場合の層構造を６層としていたが、４層構造の場合についても図９の方法で張り剛性を評価した。評価結果は下記表２の通りである。

表２に示されるように、４層構造の場合であっても、少なくとも一つの層が他の層と異なる繊維方向を有し、複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、かつ、式（１）を満たす場合には、張り剛性が向上することがわかる。すなわち、本発明に係る張り剛性の向上効果を得る観点においては、複数のＦＲＰの層の総数は特に限定されない。

なお、ＦＲＰからなる部材として、ＦＲＰの一つの層内に２以上の方向の繊維を織り込んだ素材（いわゆるクロス織物）があるが、クロス織物について図９の方法で張り剛性を評価したところ、張り剛性の向上効果は小さかった。

本発明は、自動車のドアアウターパネル、ルーフパネル、フード、フェンダー、またはサイドアウターパネル等の構造として利用することができる。

１曲面パネル部材
２曲面パネル
２ａ曲面パネルの荷重入力側の面
２ｂ曲面パネルの荷重入力側と反対側の面
３補強部材
３ａ０°配向層
３ｂ９０°配向層
３ｃ４５°配向層
３ｄ −４５°配向層
１０圧子
Ｔ_c 補強部材の板厚中心

Claims

金属製の少なくとも一部が曲率を有する曲面パネルと、
前記曲面パネルの曲率を有する面の片面にのみ接合された、連続繊維を含む複数の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有し、
前記複数のＦＲＰの層において、繊維方向の角度差が３０°以上となる層の割合が層全体の１５％以上であり、
前記曲面パネルの曲率を有する面の最大主曲率方向を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、前記曲面パネルに接合されている前記補強部材の各ＦＲＰの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、下記式（１）を満たす、曲面パネル部材。
５８０×Ｋ≦（Ａ×４＋Ｂ）／（Ｃ＋Ｄ）（１）
Ａ：前記補強部材の板厚中心の外側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｂ：前記補強部材の板厚中心の内側にある前記ＦＲＰの層の前記０°方向成分
Ｃ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記０°方向成分
Ｄ：前記複数のＦＲＰの層の層全体における前記９０°方向成分
Ｋ：１／前記０°方向における曲率半径（ｍｍ）
前記複数のＦＲＰの層は、４層以上のＦＲＰの層である、請求項１に記載の曲面パネル部材。
前記曲面パネルの７０％以上の面積に、前記補強部材が接合されている、請求項１に記載の曲面パネル部材。
前記補強部材は、前記曲面パネルの面全体に接合されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記補強部材の板厚は、前記曲面パネルの板厚の２．０倍以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記曲面パネルは、自動車のフードまたはルーフパネルであり、
前記補強部材は、前記曲面パネルの下面に接合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記曲面パネルは、自動車のフェンダー、ドアアウターパネルまたはサイドアウターパネルであり、
前記補強部材は、前記曲面パネルの車内側の面に接合されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記曲面パネルは、４４０ＭＰａ以上の鋼板である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記ＦＲＰは、ＣＦＲＰである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。
前記ＦＲＰは、ＧＦＲＰである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の曲面パネル部材。