JP2020085234A - 衝撃吸収構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】段差部に生じる荷重を低減できる衝撃吸収構造体を提供すること。【解決手段】衝撃吸収構造体２０の繊維構造体２１は、荷重方向Ｚに延びる経糸２８ａを有する複数の経糸層２８、及び経糸２８ａに直交する緯糸２７ａを有する緯糸層２７を備えるとともに、複数の緯糸層２７と経糸層２８を積層方向Ｘに結合する層間結合糸２６を備える筒状である。繊維構造体２１は、先端部２３寄りに比べて基端部２４寄りの積層方向Ｘの厚さを厚くした段差部２５を備える。繊維構造体２１は、段差部２５の第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３を含む一部に脆弱部２９を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、衝撃吸収構造体に関する。

例えば、バンパと車体のサイドメンバとの間には、衝撃吸収構造体が配置されており、この衝撃吸収構造体は、車両がパンパ側から過大な衝撃荷重を受けた場合に、破壊することにより衝撃エネルギーを吸収する。衝撃吸収構造体は、荷重が加わる方向の先端から荷重方向に沿った所定位置に至るまでの範囲では、荷重に対する強度を小さくし、荷重によって破壊されやすくしている。また、荷重が加わる方向に沿って、厚さを大きくした段差部を設けることで、荷重に対する強度を徐々に大きくし、運転席側へ過大な荷重が加わらないようにしている。このような衝撃吸収構造体としては、繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させて構成された繊維強化複合材が知られている。

例えば、特許文献１の衝撃吸収構造体において、繊維構造体は、シート状の繊維層を複数積み重ねて構成されている。また、特許文献１に開示の繊維構造体は、先端部では、シート状の繊維層を複数積み重ねて一様な厚さとするとともに、基端部側ほど、シート状の繊維層の端部を階段状にずらして積み重ねることで、厚さを異ならせている。

米国特許第６４０６０８８号明細書

ところが、段差部を有する衝撃吸収構造体においては、衝撃荷重が加わったとき、厚さが急激に変化している段差部では、急激に荷重が増大して好ましくない。
本発明の目的は、段差部に生じる荷重を低減できる衝撃吸収構造体を提供することにある。

上記問題点を解決するための衝撃吸収構造体は、繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて構成され、衝撃荷重を受けた際の衝撃エネルギーを吸収する衝撃吸収構造体であって、前記繊維構造体は、荷重が加わる方向に延びる荷重方向糸から構成される繊維層を含む複数の繊維層を備え、前記繊維構造体において、前記荷重が加わる方向を荷重方向とし、当該荷重方向に直交する方向を前記複数の繊維層の積層方向とすると、前記繊維構造体は、先端部寄りに比べて基端部寄りの前記積層方向の厚さを厚くした段差部を備え、前記段差部の始点を含む一部に、前記始点よりも前記先端部寄りの部位と比べて強度を弱くした脆弱部を備えることを要旨とする。

これによれば、衝撃吸収構造体に対し、荷重方向の先端部から衝撃荷重が加わったときに、脆弱部により、段差部の始点を含む一部に生じる荷重を低減させることができるとともに、段差部で荷重が急激に増大することを抑制できる。

また、衝撃吸収構造体について、前記繊維構造体は、複数の前記繊維層を前記積層方向に結合する層間結合糸を備え、前記脆弱部は、前記始点よりも前記先端部寄りの部位と比べて前記層間結合糸による層間結合強度を弱くして形成されていてもよい。

これによれば、繊維構造体を構成する層間結合糸を制御することで、段差部の始点を含む一部に生じる荷重を低減させることができるとともに、段差部で荷重が急激に増大することを抑制できる。よって、層間結合糸を用いて繊維構造体を製造する過程で、段差部での荷重の急激な増大を抑制できる繊維構造体を形成できる。

また、衝撃吸収構造体について、前記脆弱部は、単位面積当たりの前記層間結合糸の繊維本数をその他の部位に比べて少なくして形成されていてもよい。
これによれば、段差部において層間結合糸が積層方向に貫通する位置は、織機によって容易に調節できるため、脆弱部を備えた衝撃吸収構造体を容易に製造できる。

また、衝撃吸収構造体について、前記脆弱部は、当該脆弱部を貫通する前記層間結合糸の強度を、その他の部位を貫通する前記層間結合糸の強度に比べて弱くして形成されていてもよい。

これによれば、層間結合糸の変更は、織機によって容易に調節できるため、脆弱部を備えた衝撃吸収構造体を容易に製造できる。
また、衝撃吸収構造体について、前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、前記脆弱部は、当該脆弱部を構成する前記交差糸の強度を、前記始点よりも前記先端部寄りの部位の前記交差糸の強度に比べて弱くして形成されていてもよい。

これによれば、脆弱部を形成する際に交差糸の強度を弱くするために交差糸を変更することになるが、このような糸の変更は織機によって容易に調節できるため、脆弱部を備えた衝撃吸収構造体を容易に製造できる。

また、衝撃吸収構造体について、前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、単位面積当たりの前記荷重方向糸の本数に対する前記交差糸の本数の比率を配向比率とした場合、前記脆弱部は、当該脆弱部における前記配向比率を、前記始点よりも前記先端部寄りの部位の前記配向比率に比べて小さくして形成されていてもよい。

これによれば、荷重方向糸と交差糸の配向比率を調節することにより、脆弱部を構成する糸の本数が調節されるため、脆弱部の強度を機械的に調節できる。
また、衝撃吸収構造体について、前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、前記脆弱部は、前記荷重方向糸を前記荷重方向に蛇行させて形成されていてもよい。

これによれば、荷重方向糸を蛇行させることにより、荷重方向糸が受けることのできる衝撃荷重の大きさが小さくなる。よって、荷重方向糸を制御することにより、脆弱部を形成できる。

本発明によれば、段差部に生じる荷重を低減できる。

車両の概略構成図。 衝撃吸収構造体を示す斜視図。 第１の実施形態の繊維構造体を模式的に示す図。 第２の実施形態の繊維構造体を模式的に示す図。 第３の実施形態の衝撃吸収構造体を模式的に示す断面図。 第３の実施形態の繊維構造体を模式的に示す図。 （ａ）は第１筒部の第２部位を形成した状態を模式的に示す図、（ｂ）は第１筒部に前駆体を形成した状態を模式的に示す図、（ｃ）は、経糸を切断した状態を模式的に示す図。 （ａ）は第２筒部に前駆体を形成した状態を模式的に示す図、（ｂ）は経糸を切断した状態を模式的に示す図。 第４の実施形態の繊維構造体を模式的に示す図。 別例の繊維構造体を模式的に示す図。

（第１の実施形態）
以下、衝撃吸収構造体を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。

図１に示すように、車両において、左右両側に設けられたサイドメンバ１１の前端部同士の間にはクロスメンバ１２が車幅方向に連結するように設けられている。サイドメンバ１１の前端部には衝撃吸収構造体２０がバンパ１３を支持するように設けられている。

図２又は図３に示すように、衝撃吸収構造体２０は繊維強化複合材製である。衝撃吸収構造体２０は、複数の段差部を有する四角筒状の繊維構造体２１にマトリックス材料の一例であるマトリックス樹脂としての熱硬化性樹脂１９を含浸させて構成されたものである。衝撃吸収構造体２０は、筒体の軸方向に沿って過大な衝撃荷重を受けた場合に、破壊することにより衝撃エネルギーを吸収する。以下、衝撃吸収構造体２０に対し荷重が加わる方向（筒体の軸線方向）を荷重方向Ｚとする。なお、熱硬化性樹脂１９としては、例えば、エポキシ樹脂が使用される。

また、繊維構造体２１は、非連続強化繊維によって製造されている。非連続強化繊維としては、有機繊維又は無機繊維を使用してもよいし、異なる種類の有機繊維、異なる種類の無機繊維、又は有機繊維と無機繊維を混繊した混繊繊維を使用してもよい。有機繊維としては、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。

繊維構造体２１は、荷重方向Ｚの両端部のうち、荷重が最初に加わる四角枠状の端面に第１端面２１ａを有し、第１端面２１ａと反対側の端面に四角枠状の第２端面２１ｂを有する。繊維構造体２１は、第１端面２１ａを有する四角筒状の先端部２３と、第２端面２１ｂを有する四角筒状の基端部２４と、荷重方向Ｚにおける先端部２３と基端部２４との間に位置する四角筒状の段差部２５とを有する。本実施形態では、段差部２５は３段であり、段差部２５は、繊維構造体２１の先端部２３寄りに比べて、基端部２４寄りの積層方向Ｘの厚さを厚くした部分である。先端部２３は、衝撃荷重を受けた際に破壊の起点となる部位である。基端部２４は、荷重方向Ｚにおいて、先端部２３よりも第２端面２１ｂ寄りに位置し、衝撃荷重を受けた際に、破壊の進行を抑制する部位である。

図３に示すように、繊維構造体２１は、繊維層としての経糸層２８と緯糸層２７とを複数有する。繊維構造体２１において、経糸層２８と緯糸層２７が積み重なる方向を積層方向Ｘとする。繊維構造体２１は、複数の緯糸層２７及び複数の経糸層２８それぞれが四角筒状に成形されている。緯糸層２７は、複数本の緯糸２７ａから構成され、経糸層２８は、複数本の経糸２８ａから構成されている。また、繊維構造体２１は、複数の緯糸層２７と複数の経糸層２８とを積層方向Ｘに結合する層間結合糸２６を有する。本実施形態では、経糸層２８を構成する各経糸２８ａは、荷重方向Ｚに延びる荷重方向糸である。また、積層方向Ｘは、荷重方向Ｚに直交する方向である。一方、緯糸層２７を構成する各緯糸２７ａは、荷重方向Ｚに交差する方向のうち、直交する方向に延びる。緯糸２７ａは、荷重方向糸に交差する交差糸を構成する。そして、複数の緯糸層２７及び経糸層２８は、荷重方向Ｚに延びる中心軸線Ｌに対し直交する方向に積層されている。

先端部２３における緯糸層２７及び経糸層２８の積層枚数は、基端部２４及び段差部２５よりも少なく、繊維構造体２１の中で最も積層枚数が少ない。また、繊維構造体２１の中で基端部２４が最も積層枚数が多い。段差部２５における緯糸層２７及び経糸層２８の積層枚数は、先端部２３から基端部２４に向けて３段階に分けて増加している。

繊維構造体２１は、先端部２３より一段階厚い部位に第１板厚部２５１を有し、第１板厚部２５１より一段階厚い部位に第２板厚部２５２を有する。第２板厚部２５２における繊維層の積層枚数は、第１板厚部２５１における繊維層の積層枚数より多く、第２板厚部２５２は第１板厚部２５１より厚い。

繊維構造体２１は、第２板厚部２５２より一段階厚い部位に第３板厚部２５３を有する。第３板厚部２５３における繊維層の積層枚数は、第２板厚部２５２における繊維層の積層枚数より多く、第３板厚部２５３は第２板厚部２５２より厚い。基端部２４は、第３板厚部２５３より一段階厚い部位である。基端部２４における繊維層の積層枚数は、第３板厚部２５３における繊維層の積層枚数より多く、基端部２４は第３板厚部２５３より厚い。

第１板厚部２５１を形成するために増やした繊維層の枚数と、第２板厚部２５２を形成するために増やした繊維層の枚数と、第３板厚部２５３を形成するために増やした繊維層の枚数と、基端部２４を形成するために増やした繊維層の枚数は全て同じである。また、荷重方向Ｚに沿って並んだ緯糸２７ａの本数は、第１〜第３板厚部２５１〜２５３で同じであり、荷重方向Ｚに沿った第１〜第３板厚部２５１〜２５３の寸法は同じである。

繊維構造体２１は、先端部２３の外面と第１板厚部２５１の外面とを繋ぐ第１段差面Ｄ１を備え、第１板厚部２５１の外面と第２板厚部２５２の外面とを繋ぐ第２段差面Ｄ２を備える。繊維構造体２１は、第２板厚部２５２の外面と第３板厚部２５３の外面とを繋ぐ第３段差面Ｄ３を備え、第３板厚部２５３の外面と基端部２４の外面とを繋ぐ第４段差面Ｄ４を備える。積層方向Ｘに沿った第１〜第４段差面Ｄ１〜Ｄ４の寸法は同じである。

また、繊維構造体２１は、第１段差面Ｄ１と第１板厚部２５１の外面とが交わる箇所に第１交差部Ｋ１を備え、第２段差面Ｄ２と第２板厚部２５２の外面とが交わる箇所に第２交差部Ｋ２を備える。繊維構造体２１は、第３段差面Ｄ３と第３板厚部２５３の外面とが交わる箇所に第３交差部Ｋ３を備え、第４段差面Ｄ４と基端部２４の外面とが交わる箇所に第４交差部Ｋ４を備える。第１〜第４交差部Ｋ１〜Ｋ４は、繊維構造体２１の中心軸線Ｌを中心とした四角環状である。また、第１〜第４交差部Ｋ１〜Ｋ４は、繊維構造体２１の外面と各段差面Ｄ１〜Ｄ４との交差部のうち、積層方向Ｘの外側に位置する交差部である。そして、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３は、第１〜第３板厚部２５１〜２５３の段差が始まる始点となっている。

先端部２３、基端部２４及び段差部２５は、それぞれ層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合されている。層間結合糸２６は、緯糸層２７及び経糸層２８を積層方向Ｘに貫通し、かつ積層方向Ｘの最も外側及び内側の緯糸２７ａに沿って折り返されている。層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される緯糸層２７及び経糸層２８の枚数は、先端部２３が最も少なく、基端部２４が最も多い。段差部２５において、層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される緯糸層２７及び経糸層２８の枚数は、段差が増えるごとに増えている。

先端部２３及び基端部２４において、層間結合糸２６は、積層方向Ｘの最も外側の緯糸２７ａに沿って折り返された後、先端部２３及び基端部２４を積層方向Ｘに貫通する。層間結合糸２６は、積層方向Ｘの最も内側の緯糸２７ａのうち、積層方向Ｘの外側で折り返された緯糸２７ａに荷重方向Ｚに隣り合う緯糸２７ａの列に存在する緯糸２７ａに沿って折り返されている。このため、先端部２３及び基端部２４では、層間結合糸２６は、荷重方向Ｚに並ぶ緯糸２７ａの１本おきに折り返されている。なお、緯糸２７ａが延びる方向については、層間結合糸２６は一定間隔おきに設けられている。このため、層間結合糸２６によって発現される強度は緯糸２７ａの延びる方向へは一定である。

段差部２５において、層間結合糸２６は、積層方向Ｘの最も外側の緯糸２７ａのうち、荷重方向Ｚにおいて第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３に隣り合う緯糸２７ａに係止するとともに荷重方向Ｚに緯糸２７ａを複数本飛ばした位置にある緯糸２７ａに沿って折り返されている。そして、層間結合糸２６は、第１〜第３板厚部２５１〜２５３を積層方向Ｘに貫通する。

層間結合糸２６は、積層方向Ｘの最も内側の緯糸２７ａのうち、積層方向Ｘの外側で折り返された緯糸２７ａに対し、荷重方向Ｚに隣り合う緯糸２７ａの列に存在する緯糸２７ａに沿って折り返されている。そして、層間結合糸２６は、荷重方向Ｚに隣り合う段差面付近では、荷重方向Ｚに並ぶ緯糸２７ａの１本おきに折り返されている。なお、緯糸２７ａが延びる方向については、層間結合糸２６は一定間隔おきに設けられている。このため、層間結合糸２６による層間結合強度は緯糸２７ａの延びる方向へは一定である。なお、層間結合糸２６は、繊維構造体２１を織機によって製造する際に、織機によって先端部２３、基端部２４及び段差部２５の所定の位置に打ち込まれる。

したがって、第１〜第３板厚部２５１〜２５３において、その始点となる第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３を含む一部においては、単位面積当たりに存在する層間結合糸２６の本数が、荷重方向Ｚに沿った先端部２３寄りの部位よりも少なくなっている。繊維構造体２１は、層間結合糸２６の本数が少なくなった部位に脆弱部２９を備える。脆弱部２９は、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３よりも先端部２３寄りの部位と比べて強度を弱くした部位である。なお、脆弱部２９同士の間で単位面積当たりの層間結合糸２６の本数は同じである。

荷重方向Ｚへの一定長さ内に存在する層間結合糸２６の本数を見た場合、第１板厚部２５１の脆弱部２９に存在する層間結合糸２６の本数と、先端部２３における第１段差面Ｄ１寄りの部位に存在する層間結合糸２６の本数とでは、脆弱部２９の方が少なくなっている。また、荷重方向Ｚへの一定長さ内に存在する層間結合糸２６の本数を見た場合、第２板厚部２５２の脆弱部２９に存在する層間結合糸２６の本数と、第１板厚部２５１における第２段差面Ｄ２寄りの部位に存在する層間結合糸２６の本数とでは、脆弱部２９の方が少なくなっている。さらに、荷重方向Ｚへの一定長さ内に存在する層間結合糸２６の本数を見た場合、第３板厚部２５３の脆弱部２９に存在する層間結合糸２６の本数と、第２板厚部２５２における第３段差面Ｄ３寄りの部位に存在する層間結合糸２６の本数とでは、脆弱部２９の方が少なくなっている。

脆弱部２９以外の部位のように、荷重方向Ｚに並ぶ緯糸２７ａの１本おきに層間結合糸２６が折り返され、荷重方向Ｚに隣り合う緯糸２７ａ同士の間に層間結合糸２６が存在する場合と比べると、脆弱部２９では、荷重方向Ｚに沿って存在する層間結合糸２６の本数が少なくなっている。

積層方向Ｘに層間結合糸２６が延びることにより、層間結合糸２６は荷重方向Ｚに対する強度を持ち、衝撃荷重が加わったとき、層間結合糸２６は強度を発現させることになる。そして、荷重方向Ｚに並ぶ層間結合糸２６の本数が多いほど、層間結合糸２６によって発現される荷重方向Ｚへの強度が高まり、荷重方向Ｚに並ぶ層間結合糸２６の本数が少ないほど層間結合糸２６によって発現される荷重方向Ｚへの強度が弱まる。したがって、第１〜第３板厚部２５１〜２５３においては、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近の脆弱部２９において、層間結合糸２６の本数を少なくして、層間結合糸２６による層間結合強度を弱くし、脆弱部２９以外の部位よりも荷重方向Ｚへの強度を弱めている。

なお、層間結合糸２６、緯糸２７ａ及び経糸２８ａは全て同種の材質製の繊維束（マルチフィラメント）で構成されている。この実施形態では、層間結合糸２６、緯糸２７ａ及び経糸２８ａには炭素繊維からなる繊維束が使用されている。炭素繊維束は細い繊維が数百〜数万本束ねられて１本の繊維束が構成されており、要求性能に適した繊維の本数の繊維束が選択される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）車両の前方から衝撃荷重が加わった場合、バンパ１３を介して衝撃吸収構造体２０に衝撃荷重が加わる。衝撃吸収構造体２０は、先端部２３及び段差部２５に局部破壊を生じさせて衝撃エネルギーを吸収する。その後、基端部２４で破壊の進行を抑制する。衝撃吸収構造体２０の繊維構造体２１において、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３を含む一部に脆弱部２９を設けた。そして、脆弱部２９に存在する層間結合糸２６の本数を、脆弱部２９よりも荷重方向Ｚに沿った先端部２３寄りの部位に存在する層間結合糸２６の本数より少なくした。このため、衝撃吸収構造体２０に対して先端部２３側から荷重が加わったときに第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近に生じる荷重を低減させ、ひいては、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近で荷重が急激に増大することを抑制できる。

（２）脆弱部２９は、脆弱部２９を積層方向Ｘに貫通する層間結合糸２６の本数を、脆弱部２９以外の部位よりも減らすことで構成されている。層間結合糸２６を貫通させる位置は、織機によって容易に調節でき、脆弱部２９を容易に製造できる。したがって、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近で荷重が急激に増大することを抑制した構成を織機で簡単に製造することができる。

（３）層間結合糸２６は、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３に隣り合う緯糸２７ａに沿って折り返され、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３に沿って延びる。このため、脆弱部２９において、層間結合糸２６の本数を減らしながらも、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近で緯糸層２７及び経糸層２８がばらけることを抑制できる。

（第２の実施形態）
次に、衝撃吸収構造体を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第２の実施形態では、層間結合糸２６は、荷重方向Ｚにおいて第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近において、荷重方向Ｚに緯糸２７ａを複数本飛ばすことなく、荷重方向Ｚに並ぶ緯糸２７ａの１本おきに折り返されている。このため、第２の実施形態では、層間結合糸２６の本数を減らすことによる脆弱部２９の形成はない。

その一方で、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３に対し荷重方向Ｚの基端部２４寄りで隣り合う緯糸２７ａを脆弱部用緯糸２７ｂとし、その他の緯糸２７ａをそのまま緯糸２７ａとする。そして、脆弱部用緯糸２７ｂの強度を緯糸２７ａの強度より弱くすることで脆弱部２９を形成している。

この実施形態では、緯糸２７ａ、経糸２８ａ及び層間結合糸２６を炭素繊維の繊維束としている。そして、脆弱部用緯糸２７ｂの炭素繊維の種類を、その他の緯糸２７ａの炭素繊維よりも強度の低い種類にしている。又は、脆弱部用緯糸２７ｂを、炭素繊維よりも強度の低いナイロン製とし、緯糸２７ａを炭素繊維製としてもよい。

従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１−１）、（１−３）に記載の効果と同様の効果を得ることができる。
（２−１）脆弱部２９を構成する脆弱部用緯糸２７ｂの強度を、その他の部位を構成する緯糸２７ａの強度より弱くした。緯糸２７ａと脆弱部用緯糸２７ｂの変更は織機によって容易に調節できるため、脆弱部２９を備えた衝撃吸収構造体２０を容易に製造できる。

（第３の実施形態）
次に、衝撃吸収構造体を具体化した第３の実施形態を図５〜図８にしたがって説明する。なお、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

図５に示すように、衝撃吸収構造体２０の繊維構造体３０は、四角筒状の第１筒部３１と、第１筒部３１の外周面に積み重ねられた四角筒状の第２筒部３２と、を備える。繊維構造体３０は、第２筒部３２の外周面に積み重ねられた四角筒状の第３筒部３３と、第３筒部３３の外周面に積み重ねられた四角筒状の第４筒部３４と、第４筒部３４の外周面に積み重ねられた四角筒状の第５筒部３５と、を備える。そして、第１筒部３１における荷重方向Ｚの一端面によって第１端面３０ａが構成されている。第１〜第５筒部３１〜３５における荷重方向Ｚの他端面によって第２端面３０ｂが構成されている。

繊維構造体３０において、第２筒部３２における荷重方向Ｚの一端面は、第１筒部３１における荷重方向Ｚの一端面より第２端面３０ｂ寄りにずれている。繊維構造体３０において、第３筒部３３における荷重方向Ｚの一端面は、第２筒部３２における荷重方向Ｚの一端面より、第２端面３０ｂ寄りにずれている。繊維構造体３０において、第４筒部３４における荷重方向Ｚの一端面は、第３筒部３３における荷重方向Ｚの一端面より、第２端面３０ｂ寄りにずれている。繊維構造体３０において、第５筒部３５における荷重方向Ｚの一端面は、第４筒部３４における荷重方向Ｚの一端面より、第２端面３０ｂ寄りにずれている。

第１筒部３１の第１端面３０ａ寄りの部位によって先端部４１が構成されている。第２筒部３２における第１端面３０ａ寄りの端面により第１段差面Ｄ１が構成されている。第２筒部３２における第１端面３０ａ寄りの端面と周面との交差部によって第１交差部Ｋ１が構成されている。第３筒部３３における第１端面３０ａ寄りの端面により第２段差面Ｄ２が構成されている。第３筒部３３における第１端面３０ａ寄りの端面と周面との交差部によって第２交差部Ｋ２が構成されている。第４筒部３４における第１端面３０ａ寄りの端面により第３段差面Ｄ３が構成されている。第４筒部３４における第１端面３０ａ寄りの端面と周面との交差部によって第３交差部Ｋ３が構成されている。第５筒部３５における第１端面３０ａ寄りの端面により第４段差面Ｄ４が構成されている。第５筒部３５における第１端面３０ａ寄りの端面と周面との交差部によって第４交差部Ｋ４が構成されている。

繊維構造体３０において、第１板厚部２５１は、第１筒部３１と第２筒部３２が重なる部分によって構成され、第２板厚部２５２は、第１筒部３１と第２筒部３２と第３筒部３３が重なる部分によって構成されている。また、第３板厚部２５３は、第１筒部３１と第２筒部３２と第３筒部３３と第４筒部３４が重なる部分によって構成され、基端部４２は、第１筒部３１と第２筒部３２と第３筒部３３と第４筒部３４と第５筒部３５が重なる部分によって構成されている。

繊維構造体３０は、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３を含む一部に脆弱部４０を備える。ここで、単位面積当たりの経糸２８ａの本数に対する緯糸２７ａの本数の比率を配向比率とする。脆弱部４０は、当該脆弱部４０の配向比率を、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３よりも先端部４１寄りの部位の配向比率に比べて小さくして形成されている。

図６に示すように、脆弱部４０において、単位面積当たりの経糸２８ａの本数と緯糸２７ａの本数の比率を１：２とし、配向比率を０．５としている。脆弱部４０以外の経糸２８ａの本数と緯糸２７ａの本数の比率を２：１とし、配向比率を２としている。

図５に示すように、第１〜第４筒部３１〜３４は、緯糸２７ａ及び経糸２８ａの本数を調整することで配向比率０．５となる第１部位３６と、配向比率２となる第２部位３７とを備える。

第１筒部３１は、繊維構造体３０の先端部４１を構成する部分に第２部位３７を備える。第１筒部３１は、第１板厚部２５１を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第１筒部３１は、第２板厚部２５２を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第１筒部３１は、第３板厚部２５３を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第１筒部３１において、第３板厚部２５３を構成する第２部位３７は、繊維構造体３０の基端部４２も構成する。

第２筒部３２は、第１板厚部２５１を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第２筒部３２は、第２板厚部２５２を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第２筒部３２は、第３板厚部２５３を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第２筒部３２において、第３板厚部２５３を構成する第２部位３７は、繊維構造体３０の基端部４２も構成する。

第３筒部３３は、第２板厚部２５２を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第３筒部３３は、第３板厚部２５３を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第３筒部３３において、第３板厚部２５３を構成する第２部位３７は、繊維構造体３０の基端部４２も構成する。

第４筒部３４は、第３板厚部２５３を構成する部分のうち、脆弱部４０を構成する部分に第１部位３６を備え、脆弱部４０以外の部位を構成する部分に第２部位３７を備える。第４筒部３４において、第３板厚部２５３を構成する第２部位３７は、繊維構造体３０の基端部４２も構成する。第５筒部３５は全体が第２部位３７によって形成されている。

第１板厚部２５１の脆弱部４０は、第１筒部３１の第１部位３６と第２筒部３２の第１部位３６とから構成され、第１板厚部２５１の脆弱部４０以外の部位は、第１筒部３１の第２部位３７と、第２筒部３２の第２部位３７とから構成されている。

第２板厚部２５２の脆弱部４０は、第１〜第３筒部３１〜３３の第１部位３６から構成され、第２板厚部２５２の脆弱部４０以外の部位は、第１〜第３筒部３１〜３３の第２部位３７から構成されている。第３板厚部２５３の脆弱部４０は、第１〜第４筒部３１〜３４の第１部位３６から構成され、第３板厚部２５３の脆弱部４０以外の部位は、第１〜第４筒部３１〜３４の第２部位３７から構成されている。

次に、脆弱部４０の製造方法を第１板厚部２５１の脆弱部４０の製造方法に具体化して説明する。
まず、第１筒部３１を製造する。

図７（ａ）に示すように、積層方向Ｘに８層の経糸層２８を製造するとともに、積層方向Ｘの両端の経糸層２８の外側それぞれに１層の緯糸層２７を緯入れする。また、経糸層２８のうち、積層方向Ｘの両端から３層目の経糸層２８と４層目の経糸層２８との間それぞれに１層の緯糸層２７を緯入れする。すると、８層の経糸層２８と４層の緯糸層２７が形成され、配向比率２の第２部位３７が製織される。なお、８層の経糸層２８と４層の緯糸層２７は層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される。

次に、第２部位３７に連続して第１部位３６を形成する。
図７（ｂ）に示すように、第２部位３７を形成する８層の経糸層２８のうち、積層方向Ｘ両端から２層目の経糸層２８と、それら経糸層２８よりも積層方向Ｘの内側で隣り合う経糸層２８との間それぞれに、１層の緯糸層２７を緯入れする。また、第２部位３７を形成する８層の経糸層２８のうち、積層方向Ｘの両端から３層目の経糸層２８と、それら経糸層２８よりも積層方向Ｘの内側で隣り合う４層目の経糸層２８との間それぞれに２層の緯糸層２７を緯入れする。また、積層方向Ｘの両端から４層目の経糸層２８同士の間に２層の緯糸層２７を緯入れする。すると、８層の緯糸層２７と８層の経糸層２８が製織され、第１部位３６の前駆体３６ａが形成される。なお、８層の緯糸層２７と８層の経糸層２８は層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される。

続いて、図７（ｃ）に示すように、上記と同様の方法で、第１部位３６の前駆体３６ａに連続して第２部位３７を形成する。その第２部位３７に連続して、上記と同様の方法で図示しない第１部位３６の前駆体３６ａ、第２部位３７、第１部位３６の前駆体３６ａ及び第２部位３７を製織する。すると、第１筒部３１の全体が構成される。次に、各前駆体３６ａにおいて、図７（ｃ）の２点鎖線に示すように、積層方向Ｘ両端の経糸層２８及び、両端から１層目の経糸層２８について、第１部位３６の前駆体を形成する経糸２８ａを切除する。すると、４つの経糸層２８と８つの緯糸層２７が形成され、第１部位３６の前駆体３６ａから、第１部位３６が形成される。

次に、第２筒部３２を製造する。
図８（ａ）に示すように、積層方向Ｘに８層の経糸層２８を製造する。８層の経糸層２８のうち、積層方向Ｘ両端から２層目の経糸層２８と、それら経糸層２８よりも積層方向Ｘの内側で隣り合う３層目の経糸層２８との間それぞれに、１層の緯糸層２７を緯入れする。

また、８層の経糸層２８のうち、積層方向Ｘの両端から３層目の経糸層２８と、それら経糸層２８よりも積層方向Ｘの内側で隣り合う４層目の経糸層２８との間それぞれに２層の緯糸層２７を緯入れする。積層方向Ｘの両端から４層目の経糸層２８同士の間に２層の緯糸層２７を緯入れする。すると、８層の緯糸層２７が形成され、第１部位３６の前駆体３６ａが形成される。なお、８層の緯糸層２７は層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される。

続いて、第１部位３６の前駆体３６ａに連続して第２部位３７を形成する。
図８（ｂ）に示すように、第１部位３６の前駆体３６ａを形成する８層の経糸層２８のうち、積層方向Ｘ両端の経糸層２８それぞれの外側に１層の緯糸層２７を緯入れする。また、積層方向Ｘの両端から３層目の経糸層２８と、それら経糸層２８よりも積層方向Ｘの内側で隣り合う４層目の経糸層２８との間それぞれに１層の緯糸層２７を緯入れする。すると、４層の緯糸層２７が形成され、８層の経糸層２８と４層の緯糸層２７からなる第２部位３７が製織される。なお、４つの緯糸層２７は層間結合糸２６によって積層方向Ｘに結合される。

その後、上記と同様の方法で第１部位３６の前駆体３６ａ、第２部位３７、第１部位３６の前駆体３６ａ、及び第２部位３７を形成する。次に、各前駆体３６ａにおいて、積層方向Ｘの両端から２層の経糸層２８それぞれについて、前駆体３６ａを形成している経糸２８ａを切除する。すると、４層の経糸層２８と８層の緯糸層２７が形成され、前駆体３６ａから第１部位３６が形成される。

図６に示すように、第１板厚部２５１を形成するには、第１筒部３１の一端寄りの第２部位３７を余して、その第２部位３７に連続する第１部位３６に、第２筒部３２の一端寄りの第１部位３６を積み重ねる。同時に、第１筒部３１の第２部位３７と第２筒部３２の第２部位３７を積み重ねる。すると、先端部４１が形成されるとともに第１板厚部２５１が形成される。

そして、先端部４１は、第１筒部３１の第２部位３７によって形成されている。先端部４１は、８層の経糸層２８と４層の緯糸層２７によって形成されている。よって、先端部４１は配向比率２である。第１板厚部２５１の脆弱部４０は、第１筒部３１の第１部位３６と、第２筒部３２の第１部位３６とから形成され、８層の経糸層２８と、１６層の緯糸層２７によって形成されている。よって、第１板厚部２５１の脆弱部４０は配向比率０．５である。

なお、第１板厚部２５１の脆弱部４０以外の部位は、第１筒部３１の第２部位３７と第２筒部３２の第２部位３７によって形成され、１６層の経糸層２８と８層の緯糸層２７によって形成されている。よって、第１板厚部２５１の脆弱部４０以外の部位は配向比率２である。

なお、第２板厚部２５２、第３板厚部２５３、及び基端部２４は上記のように形成された第３筒部３３、第４筒部３４及び第５筒部３５を積み重ねて形成されている。第３筒部３３、第４筒部３４及び第５筒部３５において、第１部位３６及び第２部位３７の製織方法は上記と同じであるため、詳細な説明を省略する。

従って、第３の実施形態によれば、第１の実施形態の（１−１）、（１−３）に記載の効果と同様の効果を得ることができる。
（３−１）第１〜第３板厚部２５１〜２５３において、脆弱部４０の配向比率をその他の部位の配向比率より小さくした。このため、緯糸２７ａと経糸２８ａの本数を調節することで、脆弱部４０を形成できる。よって、脆弱部４０を備えた衝撃吸収構造体２０を容易に製造できる。

また、緯糸２７ａと経糸２８ａの配向比率を調節することにより、脆弱部４０を構成する糸の本数が調節されるため、脆弱部４０の強度を機械的に調節できる。
（第４の実施形態）
次に、衝撃吸収構造体を具体化した第４の実施形態を図９にしたがって説明する。なお、第４の実施形態は、第１の実施形態と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

第１〜第３板厚部２５１〜２５３の脆弱部２９では、経糸２８ａは、荷重方向Ｚに並ぶ緯糸２７ａに交互に係合している。このため、脆弱部２９では荷重方向Ｚに沿って経糸２８ａが蛇行している。第１〜第３板厚部２５１〜２５３の脆弱部２９以外の部位では、経糸２８ａは荷重方向Ｚに直進性を持って延びている。

従って、第４の実施形態によれば、第１の実施形態の（１−１）、（１−３）に記載の効果と同様の効果を得ることができる。
（４−１）第１〜第３板厚部２５１〜２５３の脆弱部２９では、荷重方向Ｚに沿って経糸２８ａが蛇行している。荷重方向糸としての経糸２８ａが蛇行することに伴い、経糸２８ａによる荷重に対する強度が、蛇行しない場合に比べて低下する。このため、衝撃吸収構造体２０に対して先端部２３側から荷重が加わったときに第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近に生じる荷重を低減させ、ひいては、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近で荷重が急激に増大することを抑制できる。

なお、本実施形態は以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 第１の実施形態において、先端部２３、基端部２４、及び段差部２５それぞれについて、単位面積当たりに存在する層間結合糸２６の本数が全て同じになるように、繊維構造体２１を製造した後、脆弱部２９を形成する部分に存在する層間結合糸２６を切除して脆弱部２９を製造してもよい。

○ 第１の実施形態において、先端部２３、基端部２４、及び段差部２５それぞれについて、単位面積当たりに存在する層間結合糸２６の本数が全て同じになるように繊維構造体２１を製造するが、脆弱部２９を形成する部分に存在する層間結合糸２６の種類を、その他の層間結合糸２６の種類と異ならせて脆弱部２９を製造してもよい。この場合、図１０に示すように、層間結合糸２６は、緯糸２７ａの一部として構成される糸によって形成される。そして、脆弱部２９に存在する層間結合糸２６は、その他の部位に存在する層間結合糸２６よりも強度が弱い繊維束で形成されており、例えば、緯糸２７ａよりも細い繊維束であったり、ナイロン製の繊維束である。これによれば、層間結合糸２６の変更は、織機によって容易に調節できるため、脆弱部２９を備えた衝撃吸収構造体２０を容易に製造できる。

○ 第１の実施形態において、先端部２３、基端部２４、及び段差部２５それぞれについて、単位面積当たりに存在する層間結合糸２６の本数が全て同じになるように繊維構造体２１を製造するが、脆弱部２９を形成する部分に存在する層間結合糸２６の繊維本数を、その他の部位の層間結合糸２６の繊維本数に比べて少なくして脆弱部２９を製造してもよい。

この場合、繊維本数が異なることから、荷重方向Ｚに連続的に層間結合糸２６を挿入できないため、荷重方向Ｚの途中で挿入する層間結合糸２６の種類を変えていく。
○ 第１の実施形態において、第１〜第３板厚部２５１〜２５３において、脆弱部２９同士の間で単位面積当たりの層間結合糸２６の本数を同じにしたが、脆弱部２９同士の間で単位面積当たりの層間結合糸２６の本数を異ならせてもよい。例えば、荷重方向Ｚに沿った段差部２５の厚さの増加割合が大きいほど、脆弱部２９における層間結合糸２６の本数を少なくしてもよい。

○ 第１の実施形態において、脆弱部２９に存在する層間結合糸２６の本数を、脆弱部２９よりも荷重方向Ｚに沿った先端部２３寄りの部位に存在する層間結合糸２６の本数より少なくしつつ、脆弱部２９に存在する層間結合糸２６を、その他の部位に存在する層間結合糸２６よりも強度が弱い繊維束で形成してもよい。

○ 各実施形態において、緯糸２７ａを撚糸とし、脆弱部２９，４０を構成する緯糸２７ａの撚り数を、第１〜第３交差部Ｋ１〜Ｋ３よりも先端部２３，４１寄りの部位を構成する緯糸２７ａの撚り数と比べて小さくしてもよい。

緯糸２７ａを構成する撚糸は、撚り数が一定の値までは、撚り数が大きくなるほど、伸び率が大きくなる。緯糸２７ａの伸び率が大きいほど、衝撃荷重が加わった際の繊維構造体２１，３０の割けを抑制しやすくなる。そして、繊維構造体２１，３０の割けが抑制されるほど、衝撃荷重に対する強度が高まる。よって、脆弱部２９，４０を構成する緯糸２７ａの撚り数を小さくすることで、先端部２３，４１から衝撃荷重が加わったときに、脆弱部２９，４０により、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近に生じる荷重を低減させ、ひいては、第１〜第３段差面Ｄ１〜Ｄ３付近で荷重が急激に増大することを抑制できる。

○ 第３の実施形態において、配向比率を異ならせるための方法は、第１部位３６及び第２部位３７を有する第１〜第５筒部３１〜３５を積み重ねて形成する方法以外であってもよい。織機で繊維構造体３０を製造する際、緯入れする緯糸層２７の数を調節しつつ、経糸層２８の数を調節して繊維構造体３０を形成してもよい。

○ 各実施形態では、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂１９を用いたが、その他の種類の樹脂を用いてもよい。
○ 各実施形態において、マトリックス材料はマトリックス樹脂以外にもセラミックでもよい。

○ 各実施形態において、積層する繊維層の数は任意に変更してもよい。
○ 各実施形態において、繊維構造体２１，３０の形状は筒状でなくてもよく、荷重方向Ｚに荷重方向糸が延びる柱状や板状であってもよい。

○ 各実施形態において、繊維構造体２１，３０の形状は四角筒状でなくてもよく、円筒状や三角筒状であってもよい。

Ｘ…積層方向、Ｚ…荷重方向、Ｄ１〜Ｄ４…第１〜第４段差面、Ｋ１〜Ｋ３…第１〜第３交差部、１９…マトリックス材料の一例であるマトリックス樹脂としての熱硬化性樹脂、２０…衝撃吸収構造体、２１，３０…繊維構造体、２３…先端部，４１、２４，４２…基端部、２５…段差部、２６…層間結合糸、２７…繊維層としての緯糸層、２７ａ…交差糸としての緯糸、２８…繊維層としての経糸層、２８ａ…荷重方向糸としての経糸、２９…脆弱部。

Claims (7)

1. 繊維構造体にマトリックス材料を含浸させて構成され、衝撃荷重を受けた際の衝撃エネルギーを吸収する衝撃吸収構造体であって、
   前記繊維構造体は、荷重が加わる方向に延びる荷重方向糸から構成される繊維層を含む複数の繊維層を備え、
   前記繊維構造体において、前記荷重が加わる方向を荷重方向とし、当該荷重方向に直交する方向を前記複数の繊維層の積層方向とすると、
   前記繊維構造体は、先端部寄りに比べて基端部寄りの前記積層方向の厚さを厚くした段差部を備え、
   前記段差部の始点を含む一部に、前記始点よりも前記先端部寄りの部位と比べて強度を弱くした脆弱部を備えることを特徴とする衝撃吸収構造体。
2. 前記繊維構造体は、複数の前記繊維層を前記積層方向に結合する層間結合糸を備え、前記脆弱部は、前記始点よりも前記先端部寄りの部位と比べて前記層間結合糸による層間結合強度を弱くして形成されている請求項１に記載の衝撃吸収構造体。
3. 前記脆弱部は、単位面積当たりの前記層間結合糸の繊維本数をその他の部位に比べて少なくして形成されている請求項２に記載の衝撃吸収構造体。
4. 前記脆弱部は、当該脆弱部を貫通する前記層間結合糸の強度を、その他の部位を貫通する前記層間結合糸の強度に比べて弱くして形成されている請求項２又は請求項３に記載の衝撃吸収構造体。
5. 前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、前記脆弱部は、当該脆弱部を構成する前記交差糸の強度を、前記始点よりも前記先端部寄りの部位の前記交差糸の強度に比べて弱くして形成されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の衝撃吸収構造体。
6. 前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、単位面積当たりの前記荷重方向糸の本数に対する前記交差糸の本数の比率を配向比率とした場合、前記脆弱部は、当該脆弱部における前記配向比率を、前記始点よりも前記先端部寄りの部位の前記配向比率に比べて小さくして形成されている請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載の衝撃吸収構造体。
7. 前記繊維層は、前記荷重方向糸から構成される繊維層、及び前記荷重方向糸に交差する交差糸から構成される繊維層を含み、前記脆弱部は、前記荷重方向糸を前記荷重方向に蛇行させて形成されている請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載の衝撃吸収構造体。