JP2012233583A - 新規なエネルギ吸収体 - Google Patents

Abstract

【課題】費用対効果がより高くてより効果的なエネルギ吸収体の提供。
【解決手段】エネルギ吸収アセンブリは、一つ又はそれ以上のγ構造体１００を有する。γ構造体は、基部１２’と、該基部内に画成された複数の凹部１６’とを有する。凹部１６’は、関連する基部１２’から伸びる、少なくとも一つの壁部２０’を有する。凹部１６’のうちの少なくともいくつかは、その壁部が、衝撃力の主要入射成分と実質的に平行となるような向きに構成されている。壁部２０’はつぶれる。複合アセンブリは、所定距離にわたってエネルギ吸収作用を最大化するために、該アセンブリに衝突する物体を減速させる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、衝突する物体を減速させるエネルギ吸収体に関する。

従来、様々な用途において、機械的エネルギを吸収する多数の装置が開示されている。例としては、輸送コンテナで使用される保護梱包、緩衝ヘルメット、バンパーや車載用コンポーネントが挙げられる。理想的には、最も有効なエネルギ吸収体は、衝突する物体が上記吸収体の衝突面を変位させる長さにわたって、一定の抵抗力を働かせて該衝突する物体を減速させる。最も有効な曲線は、傾きが一定で０である。例えば、エラストマ固形体は、往々にしてバネとして作用するが、この場合には力−たわみ曲線は本質的に所定の傾斜を有する直線となる。多くの発泡材は同様の力−たわみ曲線を示すが、該曲線は一般的に一定の傾斜を有するものではない。

「自動車用熱成形プラスチック製エネルギ吸収体」と題された米国特許第３，９３３，３８７号は、互いに結合しかつ支持するプラスチック製積層シートから伸びている同一の頭部が平坦になったピラミッドを構成するエネルギ吸収媒体に関する（同特許明細書中、第１カラム、７〜９行目、及び第３カラム、２０〜２２行目）。該明細書は、エネルギを吸収する吸収体を形成するために、複数のシートを互いに近接して積み重ねることを教示している。各シートのピラミッド体は、対向するシートに構成された四辺形に突出しており、また各ピラミッド体の縁部は、周囲の４つのピラミッド体の対応する縁部と接触している（同特許明細書中、第３カラム、３２〜３６行目）。

「エネルギ吸収構造体」と題され、所有権者が同じの米国特許第５，７００，５４５号は、たわむ長さにわたってほぼ一定の抵抗力を呈し、該抵抗力が正確に一定の場合には、エネルギを吸収する上で、理論的に最も有効になるエネルギ吸収装置を開示している。この特許の開示は、参照により本願明細書に組み込まれる。エネルギは、ストランド（ｓｔｒａｎｄ）を構成する材料間に開口を有して、相互接続されたストランド材料から構成された格子によって吸収されるため、変形時には、該ストランド材料は少なくとも部分的に合体し、該開口は、少なくとも部分的に閉じる。

所有権者が同じの米国特許第６，０１７，０８４号は、ほぼ全ての金属製構造体が、実質的に衝突面内にあるような方向に構成されているストランド（ｓｔｒａｎｄ）構造体を開示している。金属製ストランドの帯状体は、衝突を受ける部材によって結合されている。これにより、アセンブリのコスト及び重量が低減される。

所有権者が同じの米国特許第６，１９９，９４２号は、基部および／または該基部内に形成された凹部の構造体内で、金属製ストランドを組み合わせて溝の中に構成する構造を記載している。いずれかまたはどちらの構造も、衝撃からの保護を可能にする。

自動車環境におけるこれら及びその他のエネルギ吸収部材は、乗車人を保護するために使用され、また、車内における頭部損傷保護のための規格（連邦自動車安全基準第２０１条（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｍｏｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｓａｆｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ ２０１）を満たすために様々な用途において使用できるがこの規格は参照により本明細書に組み込まれる。上記規格は、車内コンポーネントを、時速１５マイルで衝突するときの１０ｌｂｍの頭部保護試験によってテストしなければならないことを要求している。ＨＩＣ（ｄ）（ｈｅａｄ ｉｎｊｕｒｙ ｃｒｉｔｅｒｉａ（ｄｕｍｍｙ））（頭部損傷基準値）の測定値は、ＦＭＶＳＳ ２０１に記載された公式に従って計算される。ＨＩＣ（ｄ）の値は、１０００を越えてはならない。

米国特許第５７３１６０２号明細書 米国特許第４６３１２２１号明細書

従来の技術には、比較的高コストなこと、及びそれほど有効でないアプローチに由来する未解決の製造上の問題がある。射出成形、反応型成形、押出し成形、ブロー成形、ハニカム構造及び金属ストランドの製造は、比較的コストが高い。さらに、成形技術によっては非常に薄い壁厚を成形するのは困難なことがある。

これら及び関連するアプローチの見地から、より軽量で、可能な限り短い衝突距離でより大きな衝撃エネルギを吸収できるものであって、有利な経済的条件で製造できるものに対する要望がある。

また、特許文献１及び特許文献２に開示のエネルギ吸収部材は、いずれもエネルギー吸収部材の内部に内包された流体が外部からの衝撃を受けて小さな空隙を介して外部に移動するときに生ずる減衰力に依存するものであり、従って、エネルギー吸収体の構造が必然的に複雑になり、製造コストも大きくなる傾向にある。

本発明の目的は、費用対効果がより高くてより効果的なエネルギ吸収体を提供することである。

本発明は、本願明細書中で「γ」（ｇａｍｍａ）及び「δ」（ｄｅｌｔａ）と称する、挿入構造体からなる複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリを含む。該γ構造体は、基部と、該基部内に画成された凹部とを有する。該凹部は、基部から伸びる壁部を有する。該壁部は、変形の後でスプリングのように元に戻ることを可能にするために、一部塑性的に、かつ一部弾力的に潰れることがある。γ構造体は、所有権者が同じの米国特許第６，１９９，９４２号に記載された第２の構造体と同様である。

上記δ構造体は、上記γ構造体と作用的に連結されるように配置する。該δ構造体は、交差してセルを画成する、相互接続されたストランドから構成される格子を有する。該セルのいくつかは、衝撃力と実質的に平行な平面内に向くように構成されている。γ構造体と同様に、上記セルはエネルギーを吸収するときには、一部塑性的に、かつ一部弾力的に潰れる。δ構造体によるエネルギ吸収作用は、所定の距離にわたって最大化される。

まず図１から図３について説明すると、基部１２と、該基部に関連し、アセンブリが変形できるように少なくとも一つのエネルギ吸収モジュール１４とが示されている。図１から図３は、本願明細書中で「γ」構造１１と称するものを示している（図１０から図１２）。各エネルギ吸収モジュール１４は、上記基部に画成され、また上記基部と一体化している、複数の凹部１６を有する。上記凹部のうちの少なくともいくつかは、実質的に平坦、またはドーム状の床部１８を有し、少なくとも一つの壁部が該床部から基部へ伸びている。床部１８と上記少なくとも一つの壁部との間には、中間セグメント２２が挿入されている。該中間セグメントは、平均半径Ｒを有し、あるいは、円形でなくてもよい（本願明細書中では「曲線をなす」という）。モジュール式エネルギ吸収アセンブリ１０は、多くの用途において、裏返し状態でも十分に機能することは明白である。

上記凹部のうちの少なくともいくつかは、その床部が、衝撃力の主要入射成分２４（図３）と実質的に直交するような方向に構成されている。１つの凹部を取って見ると、その壁部は、衝撃力の主要入射成分に対して角度αをなして傾斜している。角度αは、該壁部により所定の距離にわたってエネルギ吸収作用を最大化するために、０から４５度の間の範囲になるように選定される。上記壁部は、エネルギ吸収時に、少なくとも一部がつぶれ、また、凹部のうちの少なくともいくつかは、少なくとも一部が圧縮され、または破壊される場合がある。隣り同士の凹部によって提供される相互の支持から生ずる調和した方法で、アセンブリは、該アセンブリに対して衝撃力を持って衝突する物体を減速させるように機能する。壁部がつぶれた場合には、一部の該変形は弾性的に生じ、それにより、初期の変形の後で、少なくとも部分的にはスプリングのように元に戻ること（以下、「スプリングバック」）を可能にする。

即ち、本発明は、凹部が形成されたシート材を包含する。該シートは、凹部が形成された後も連続している。好ましくは、凹部は、基部及び該凹部が形成される元となる基部及びシートと一体化している。熱成形が製造法方として選択された場合、壁部の厚さは、基部に近い方を所定の凹部の床部に近い方よりも小さくすることができることが認識されよう。

引き続き図３について説明すると、γ構造体の凹部１８は、距離Ｓだけ離間している仮想中心線Ｃを有する。図３の実施形態に示す凹部の平均の深さをＤで示す。符号ｄは、隣り合った凹部と連通する溝２６の平均深さを示す。また、凹部は、基部又は基底面１２で測定される凹部の直径を示す符号Ｗで特徴づけられる。図示のように、基部は、符号Ｔで示される厚さを有する。他のデザイン上の変数は、壁部２０と溝２６との結合部を特徴づける半径ｒ（図３）である。

図１から図３においては、壁部２０が所定の凹部の床部１８によって結合されていると共に、隣り合った凹部の壁部が、基部１２又は溝２６によって結合されていることに注意されたい。

引き続き図３について説明すると、線２４は衝撃力の主要入射成分を示し、これに対して、壁部２０が角度αで傾斜する（ただし、αは１から４５度の範囲にある）。作用時には、壁部は、少なくとも部分的につぶれる（あるいは、破壊により構造的一体性を失う）。凹部のうちのいくつか又は全ては、エネルギ吸収作用時に、一部的に弾性的に圧縮されることで、衝突する物体を減速させる。

好適な実施形態においては、少なくとも一つの壁部は、通常、円錐台を構成するように形成され、また、中間部分は、約０．５ｍｍの平均半径Ｒを有する。

衝撃試験は、良好な結果を示したが、この場合、ＤとＷの比は、約０．５から０．３の間であり、ＷとＳの比は、約０．２から０．７の間である。凹部が、深さＤと側部の厚さＴの比が約４から２０の間で特徴づけられる場合も、良好な結果が得られた。特定の用途におけるエネルギ吸収作用に応じて、溝ｄの深さは、凹部の深さＤまで可能である。

様々な用途において、所定の形状の凹部の場合に、凹部間の間隔Ｓが、特定の変形特性に影響を及ぼすことが実験により示されている。好ましくは、凹部のうちの少なくともいくつかの仮想中心Ｃが、衝突物体の方向から見た場合に、正三角形の頂点にある。

次に図４、５について説明すると、溝ではなく、構造補強リブが凹部のうちの少なくともいくつかを結合している本発明のγ構造体の別の実施形態が示されている。

好適な実施形態においては、凹部は、種々の深さｄ（図３）及び形状を有する溝２６によって結合されている。一般に、溝２６は、その深さｄが基部１２の下に構成された床部１８の深さＤよりも小さくなるように形成されている。

次に、図６、７について説明すると、本発明のγ構造体の第２の別の実施形態が示されている。この実施形態においては、モジュール式エネルギ吸収アセンブリは、互いに角度βで傾斜している２つ又はそれ以上のモジュール３０、３２を備える。モジュール３２において、凹部２０’は、（モジュール３０、３２に関連する）軸Ｃ’−Ｃ’と軸Ｃ−Ｃとが平行であるように、基部１２に対して直交して伸びる仮想線Ｃ’−Ｃ’によって特徴づけられる。図６、７を見ると、角度βが本質的に交差面の勾配を規定していることが認識されよう。しかし、実際には、交差するモジュール３０、３２の基部は、湾曲線又は結合線に沿って連続的に交差しなくてもよく、それよりも、曲線をなす交差セグメント（図示せず）によって結合することができる。モジュール３２が、モジュール３０の基部１２の一部を折り曲げることによって軸Ｃ’−Ｃ’が軸Ｃ−Ｃに対して傾斜するように形成することができるということも認識できる。

上記凹部は、円錐台、楕円体の一部、双曲面の一部あるいは同様の構造として形成することができ、また、所定のエネルギ吸収モジュール内に前記構造が混じり合った状態で構成することができる。別法として、凹部のうちの少なくともいくつかは、カップ、円錐形、円錐台状体、多面体、四面体、プリズム、平行六面体として形成される。

引き続き図７について説明すると、（左側の）第１のモジュールにおいて、角度αは、代表的な凹部の中心線Ｃに対する壁部２０の傾斜角度を示す。第２のモジュールにおいて、角度γは、衝撃力２４’の主要入射成分の方向に対する壁部２０’の傾斜を示す。

本開示の観点から、凹部の深さＤ、溝の深さｄ、凹部間の間隔Ｓ、壁部の傾斜α、γ、モジュール間の勾配β及び凹部の形状の適切な組合せにより、開示したモジュール式エネルギ吸収アセンブリのエネルギ吸収特性を、特定の用途の要求に合わせるように構成することができることは明らかである。

次に、図８、９について説明すると、本発明のγ構造体の別の実施形態が示されているが、この場合にはモジュール式エネルギ吸収アセンブリ１０が、基部１２の全域で不規則な中心線の間の距離を含む間隔で配置された凹部を含む。図９においては、凹部の深さが、符号Ｄ’、Ｄ’’、Ｄ’’’などで示されている。凹部間の間隔は、符号Ｓ’、Ｓ’’、Ｓ’’’などで示されている。カスタマイズされた傾斜角度は、符号α’、α’’で示されている。

さらに別の実施形態では、ワイヤ、チューブ等を収容することができるように、かつ上記アセンブリの側に一つ又はそれ以上の流体導管を設けることができるように、基部内にほぼ画成された一つ又はそれ以上のトラフ（ｔｒｏｕｇｈ）又はキャッチ（止め具）（図示せず）の形成を包含する。

ＦＭＶＳＳ ２０１の式に従って算出されたＨＩＣ（ｄ）の値が１０００を越えないことを義務づける量的な容認基準については先立って説明してきた。以下の表は、開示した発明のＨＩＣ（ｄ）の値と競合製品が示す値とを比較したものである。

エネルギ吸収アセンブリを取付ける基盤又は構造の外形の突然の変化に対応できるように、隣り合うエネルギ吸収モジュールの間に一つ又はそれ以上の折り曲げ線を形成することについては上述した。このようにする目的は、エネルギ吸収モジュールの仮想中心線を衝撃応答面に対して実質的に垂直に指向させるためである。衝突環境により、それらの軸は、基部（基底面）に沿って、あるいは、凹部及び／又はリブを結合する仮想線に沿って伸びる。

本発明に開示した実施形態を製造する一つの好適な方法は、熱可塑性シートから始まる熱成形プロセスを用いることである。多くの種類の熱可塑性樹脂を、様々なサイズ及び厚さで用いることができる。開示した熱可塑性プロセスにおいて使用する適切な材料としては、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アセテート、ポリカーボネート、ポリスチレン、（低密度又は高密度の）ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）が挙げられる。その他の適当な材料としては、条件に合った凝固範囲及び軟化特性を有する熱可塑性樹脂が挙げられる。

シートの厚さＴは、熱成形プロセス工程及びそれによって形成されるモジュール式エネルギ吸収アセンブリだけでなく、製造コストにも著しく影響を及ぼす。一般に、軽く、薄い厚さの合成樹脂を使用した場合、本願明細書に開示したタイプのアセンブリを製造するときには、要求される材料はより少なくなる。逆に、重い材料を使用すると、より多くの材料が必要となりコストが増加する。他の条件が同じならば、本願明細書に記載した設計要素の適切な選択により、特定の作用環境の要求に合わせたエネルギ吸収アセンブリを製造すると共に、製造コストを下げることができる。

熱成形は、壁部の厚さの比較的薄いγ構造体の形成を可能にする。射出成形等の他の方法によって薄い壁部を形成するには、加熱されたときの比較的高い流動性（以下、メルト・フロー）熱い金型（以下、ホット・モールド）、長い凝固時間等を有するポリマーを使用することになり製造コストを上昇させる。

従来の熱成形技術の有用な概要は、Ｊ．Ｆｌｏｒｉａｎの「Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｏｒｍｉｎｇ」第２版の２〜５章で見ることができるが、これは参照により本願明細書に組み込まれる。

好適な実施形態においては、複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリは、一つ又はそれ以上のγ構造体１００（図１０）を含む。γ構造体のうちの少なくとも一つは、基部１２’を有する。基部１２’には、複数の凹部１６’が画成されている。凹部１６’のうちの少なくともいくつかは、対応する基部１２’から伸びる、一つ又はそれ以上の壁部２０’を有する。凹部１６’のうちのいくつか又は全ては、開口部（図示せず）を画成したりまたは画成しない床部１８’を有する。

図１１、１２に最も良く示されているように一つまたはそれ以上のδ構造体２００が、γ構造体１００のうちの少なくともいくつかと作用するように係合して配置されている。一つの実施形態においては、γ構造体２００のうちの少なくともいくつかは、相互接続されたストランドからなる格子２１０を有する。該ストランド（ｓｔｒａｎｄ）は、複数のセル２２０を画成するように交差する。該セルのうちの少なくともいくつかは、所定の距離にわたってエネルギ吸収作用を最大化するために、各セルの面が衝撃力Ｆ（図１０）と実質的に平行になるように指向されている。上記格子は、部分的に可塑的につぶれ、また部分的に弾性的に復元する。セル２２０のうちの少なくともいくつかは、エネルギ吸収時に部分的に閉じる。

互いに間に挟まれるγ構造体とδ構造体の多数の組合せが、開示した複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリのエネルギ吸収特性を得るのに有効であることが認識されよう。例えば、積み重ねの組合せとしては、一つまたはそれ以上のγ構造体を一つまたはそれ以上のδ構造体と互いに挟んだもの、γ構造体のみのもの、あるいはδ構造体のみのものが挙げられる。

したがって、開示した複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリは、単一の構造を用いたものよりも、より有効なエネルギ吸収体を提供する。

いくつかの実施形態においては、δ構造体は、所有権者が同じの米国特許第６，１９９，９４２号に記載された第１の構造に似ている。開示した発明の範囲に含まれる別の実施形態においては、セルの格子は、凹凸状、螺旋状、ジグザグ状（所有権者が同じの米国特許第６，１９９，９４２号に記載（図１））、あるいは、有効なエネルギ吸収作用という目的を達成するのに適したその他の形態に形成することができる。

一つの実施形態においては、複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリは、γ構造体とδ構造体との間に挟まれている音響緩衝部３００を有する。

別の実施形態においては、突出部３１０（図１０）が、γ構造体１００の一つまたはそれ以上の基部から伸びている。各突出部３１０は、γ構造及びδ構造体のうちの少なくともいくつかの間に挟まれており、騒音を低減し、かつクッションの役割を実現するように機能する。別法として、一つまたはそれ以上の突出部３１０は、γ構造体１００と、複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリが作用的に係合する支持構造又は基盤（図示せず）との間に挟まれている。

引き続き図１３から図１５について説明すると、一つ又はそれ以上のγ構造体１００は、隣り合ったγ構造体の基部１２’が互いに近接して並列されるように積み重ねることができることが認識されよう。図１３は部分断面図であり、２つのγ構造体の隣接する基部１２’が互いに作用し合うように係合して配置され、かつ関連する床部１８’が離間している。

図１４は、入れ子状に重なったγ構造体の断面図であり、隣接するγ構造体の床部１８’が近接して並列しており、また関連する基部１２’も近接して並列している。

状況に応じて、モジュール式エネルギ吸収アセンブリは、図１５に示すように、γ構造体の床部１８’の上面が、隣接する、裏返されたγ構造体の床部１８’の上面と近接して並列するように積み重ねられた、一つ又はそれ以上のγ構造体によって構成することができる。

本発明のさらに別の実施形態においては、凹部のうちの少なくともいくつかには、少なくとも部分的に、空気以外の同質又は異質の媒質が充填されている。例えば、凹部のうちのいくつかには、少なくとも部分的に、ペレットが充填されている。好ましくは、このようなペレット又はビーズは、樹脂、又はガラス、あるいはその他のセラミックスで形成することができる。凹部のうちのいくつかに少なくとも部分的に充填される媒質のその他の実例としては、リブ又は溝、発泡体、及びその他の流体等が挙げられる。このような構造は、つぶれるときの動きを有利になるように変化させると共に、複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリの構造を補強することにもなる。

別の実施形態においては、上記流体は、凹部内に収容される袋の中の空気も含まれる。別法として、凹部自体が流体を含むように構成してもよい。

上述したように、図１３から図１５は、積み重ねられた円錐体の別の形態を示す。一連の実験においては、総高約４０ｍｍの吸収体の種々の形態の性能を調べた。第一の目的は、２つの積み重ねられた２０ｍｍの実例の様々な積み重ね方の相対的衝撃性能を決定することであった。図１３に、その一つの積み重ね方を示す。該実施形態は、平面を見たときに円錐体が直列又はずれた状態で、一列に配置されている。（図１４の実施例と同様の）４０ｍｍのサンドイッチ状の実施例の性能と、（図４の実施例と同様の）４０ｍｍの高さの円錐体の実施例の性能を比較した。図１５に示すように、γ構造体の床部の上面が、隣接する、裏返されたγ構造体の床部の上面と近接して並列されるように、２つのγ構造体が積み重ねられた状態で、２つのγ構造体の性能を観察した。

それぞれの形状の性能を評価するために、時速１５マイルで衝突する制限付きの頭部保護試験での落下塔試験によって、頭部損傷基準値（ＨＩＣ（ｄ））を判定した。その結果、円錐体を互いに反対向きに向き合わせた２つの積み重ねた２０ｍｍの高さの実施例（図１３）が最高の性能であることを示した。サンドイッチ状の実施例（図１４）は良好に機能したが、性能は最高ではなかった。

この実験や、他の実験で判ったことは、ＨＩＣ（ｄ）を最適化するためには、特に、構造体は、円錐体が互いに反対向きに積み重ねられ、かつ略等しい厚さを有していなければならないことが示された。

本発明の実施形態を図示及び説明してきたが、それらの実施形態が、本発明の可能な全ての構成を図示及び説明するものではない。本願明細書で用いた用語は、限定のためのものではなく、説明のための用語であり、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能であることを理解されたい。

本発明に従って製造されたモジュール式エネルギ吸収アセンブリの部 分斜視図である。 図１の底面図である。 図２の線３−３に沿った、図２に示された本発明の断面図である。 開示した発明の別の実施形態の部分斜視図である。 図４の線５−５に沿った、図４に示された実施形態の断面図である。 開示した発明の第２の別の実施形態の部分斜視図である。 図６の実施形態の線７−７に沿った断面図である。 開示した発明の第３の別の実施形態の部分斜視図である。 図８に示された実施形態の線９−９に沿った断面図である。 挿入されたγ構造体及びδ構造体を含む複合モジュール式エネルギ吸収アセンブリの端面図である。 図１０の上面図である。 図１１の底面図である。 ２つのγ構造体の隣り合った基部が互いに作用的に連結され、かつ対応する床部が離間している、本発明の別の実施形態の部分断面図である。 隣り同士のγ構造体の床部が近接して並列し、かつ対応する基部が近接して並列している、入れ子状に重ねられたγ構造体の部分断面図である。 隣り同士のγ構造体の床部が近接して並列している、さらに別の実施形態の部分断面図である。

Claims (1)

1. 一対のγ構造体であって、
   該一対のγ構造体の少なくとも一つが、基部と、前記基部内に画成された複数の凹部であって、該複数の凹部のうちの少なくともいくつかが、床部と、該基部と該床部との間に延在する少なくとも一つの壁部を有することを特徴とし、
   前記複数の凹部のうちの少なくともいくつかが、その壁部が衝撃力の主要入射成分に対して角度αの傾斜を有するように配向されており、前記αが０から２０度の間であることを特徴とする一対のγ構造体
   を備えるエネルギ吸収体。

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