JP6754820B2 - 打撃/衝突による振動数の調整及び緩和 - Google Patents
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Description
本明細書に記載する図面は、選択した実施形態及び全てではない実行可能な実施態様を例示する目的のみのためであり、本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
冒頭において予期しているであろうが、本発明は、多岐にわたる用途にその有用性が見出される。その用途としては、例えば、車両の装甲、個人用の防護服、打撃保護材、衝突防御材、ベスト、ヘルメット、身体用ガード(胸部保護材、すね部保護材、臀部保護材、肋骨保護材、肘部保護材、膝部保護材、ランニングシューズを含む)、射撃訓練場の防護材、建築用保護材、用具及びデバイスの梱包材などが挙げられるが、これらに限定されない。本教示が、あらゆる打撃及び/又は衝突状況に適用可能であることを理解されたい。
ヘッドヘルスの方針
頭部が衝突波又は打撃波などの衝撃力を受ける際、脳に損傷をもたらし得る事象には2つの要因が存在する。第1の要因は、直接伝播する力(頭部の加速度に直接的に対応する)である。第2の要因は、伝播する衝撃波(頭部における速度の絶対変化量(変化率ではない)に対応する)である。一般的には認識されていないが、長期にわたる衝撃波がもたらす損傷は最大力に依存している一方で、短期の衝撃波がもたらす損傷は衝撃波の規模に依存していることが、70年以上前から知られている。ヘルメットの設計で力を制限するためには、弾性インピーダンスミスマッチを利用して力を低減させることが可能であり、またエネルギー散逸を利用して衝撃波を低減させることも可能である。本発明における設計方針は、偶発的な様式ではなく意図的な様式で、その両方を明確に目指しているという点で独特である。
技術的手法は、弾性固体及び粘弾性固体を用いて、衝撃波を最適に緩和する複合材料を設計するための方針である。「ブラスト/インパクト フリークエンシー チューニング アンド ミティゲーション(Blast/Impact Frequency Tuning and Mitigation)」と題されている、PCT出願通し番号PCT/US2014/065658を更に参照されたい(参照として本明細書に援用する)。
MITIGATIUM及び現行ヘルメット設計に対して衝突試験を実施し、MITIGATIUMが、現行ヘルメットよりも有意に小さな最大加速度を示すと結論付けた。衝突荷重及び応力波伝播に関する本発明のコンピュータモデルを実証するために、これらの試験結果をコンピュータ解析と比較した。更に、頭蓋骨/脳の装置にかぶせたMITIGATIUMヘルメット設計及び現行ヘルメット設計に対して、1次元及び2次元コンピュータ解析を実施したところ、MITIGATIUMはエネルギー散逸特性を示した。本発明の結果は、MITIGATIUMヘルメットが、頭蓋骨そして脳へと伝播した圧力及び衝撃波を低減させ、MITIGATIUMが更に、現行ヘルメット設計と比較して、脳内部における並進加速度及び回転加速度を低減させることを示している。
MITIGATIUM試作品の試験サンプルを以下の要領で作製した。層1、PE(McMaster Carr)(2.4mm厚)、層2、ビニルニトリル(Grainger)(12.7mm厚)、層3、ポリウレタン(PU、McMaster Carr、実際には4.1mmのPU層を3層重ね合わせている)(14.3mm厚)、層4、柔軟で「快適な」発泡体(McMaster Carr)(12.7mm厚)。MITIGATIUM試験サンプルの全体寸法は、305mm x 305mm x 42mm[「MITIGATIUM、未接着」]であった。現行ヘルメットの設計に基づいた試験サンプルもまた作製した。それは、PC層(McMaster Carr)(3.2mm厚)、ビニル層(Grainger)(25.4mm厚)、及び柔軟な発泡体層(McMaster Carr)(12.7mm厚)で構成され、その全体寸法は、305mm x 305mm x 41mm[「現行、未接着」]であった。それぞれの試験サンプルタイプの複製セットを作製し、スプレー式接着剤(3M、Super 77)を用いて、これらの層を互いに接着させた[「MITIGATIUM、接着」及び「現行、接着」]。円筒状の鋼製圧子(2.8kg、直径7.5cm、長さ7.5cm、McMater Carr)を用いて、それぞれの試験サンプルに衝突させた。クイックリリースを用いて72cmの高さ(20J)から圧子を落下させ、圧子の時間に対する位置を、ハイスピードデジタルビデオカメラ(Optotrak Certus)を用いて400画像/秒の速度で撮影した。それぞれのサンプルタイプに対して、5回試験を実施した。
試験に使用した試験サンプル及び圧子と同一の形状を用いて、試験における圧子衝突手順をコンピュータ上で再現した。層の機械的特性及び材料特性を表2に示す。シミュレーションでは、サンプルにおける全ての層が接着されていると仮定したが(摩擦接触特性を規定することを避けるため)、接着層は存在せず、第1の層における結合点が第2の層における結合点と結合している。それゆえ、本試験における接着剤層の機械的特性による影響については、これらコンピュータシミュレーションでは行っていない。市販の有限要素パッケージであるABAQUS Explicitをシミュレーションに用いた。コンピュータモデルによる形状を図5に示す。本試験に従い、2.8kgの圧子を72cmの高さから落下させた際の速度に相当する、3.7m/秒の初速を圧子に与えた。更に、79,000kg/m2s2の体積力(密度 x 重力)を圧子に加え、引力を考慮に入れた。これらの解析で測定した圧子の最大加速度は、MIGATIUM(接着)が550m/s2で、現行(接着)が700m/s2であった。コンピュータ結果は、表1に示す最大加速度における試験平均値の10%以内であった。これらの結果は試験測定値を再現しており、それはつまり、MITIGATIUMが現行ヘルメットの設計よりも更に力を減衰させたことを示している。これらコンピュータ結果により、力及び衝撃波の緩和特性を予測して損傷の予防的対応を行うための、伝播についての様々なヘルメット設計における衝突応答、本発明のMITIGATIUM実施形態における衝突応答、又は、現行ヘルメット設計に対する最適な実施形態における衝突応答についての調査を可能とするだけの合理的な確信が得られる。
衝撃波が弾性材料層及び粘弾性材料層(現行のフットボール用ヘルメットに用いられる材料層など)を伝播する仕組みを解析し、衝突エネルギーを最適に散逸させることが可能な層を備えた新規のスポーツヘルメット用に、MITIGATIUMの設計を開発した。本発明の結果は、現行ヘルメット設計が、衝突によりヘルメット外面へと付与された過剰圧力と比較して、ヘルメット内側の頭蓋骨へと伝播した過剰圧力を一桁低減させるが、伝播した衝撃波には影響を及ぼさないことを示している。
衝突荷重の2次元有限要素解析を用いて、MITIGATIUMヘルメット設計を現行のスポーツ用ヘルメットと比較した。市販の有限要素パッケージであるABAQUS Explicitを再度シミュレーションに用いた。有限要素モデルに用いた形状を、図6A及び図6Bに示す。これらシミュレーションでは、頭部を、外周部及び内部領域からなる2要素系モデルとし、外周部を頭蓋骨に近い性質を有する材料、また内部領域を脳に近い性質を有する材料とした。現行のフットボール用ヘルメット設計に相当するモデルは、図6Aに示すように、ABSプラスチックの外層(4mm)、硬質発泡体の第2層(23mm)、及び、「快適な」発泡体の内層(9mm)を有している。図6BのMITIGATIUMヘルメットは、現行ヘルメットと同一の重量及び容積を有するように選択した。外側シェル層(4mm)はポリエチレン、第2層(20.5mm)はスチレン系の弾性発泡体、そして、第3層(2.5mm)はウレタン系の粘弾性材料である。このヘルメットにおいては、第4層は必須ではない。なぜなら、ヘルメット着用者にとって快適な発泡体は重要であり、それを含めて現行ヘルメットのサイズ及び重量に合わせているからである。実際に、MITIGATIUMヘルメットを、現行ヘルメットよりも極めて薄くかつ軽量に設計することができる。運動量移動を低減させる防護具の効果は質量に依存するため、等しい質量設計を選択することにより応答を標準化させる。ヘルメットモデルに対して、図6Cに示す、形状及び持続時間の斜め衝突圧力荷重を実施した。頭蓋骨に伝播した最大圧力及び衝撃波を測定した。脳の領域全体にわたる直線加速度及び回転加速度を検出し、最大値を比較のために記録した。結果を表3及び図7A〜図7Cに示す。表に示すとおり、外層の選択は、任意の衝突荷重によりヘルメットに付与される圧力、衝撃波、及び、衝突の持続時間に影響する。最後の2列では、2つのヘルメット設計において頭蓋骨へと伝播した圧力及び衝撃波を比較しているが、これらは、現行ヘルメット設計において伝播した値へと標準化させている。MITIGATIUMヘルメットは、1%未満の圧力を伝播し、また、現行ヘルメットが伝播した衝撃波の31%を伝播している。衝撃波伝播の完全な影響について考察しているのは、このタイプの形状(頭部とヘルメットとの間に相互作用がある)においてのみであることを理解することが重要である。塊状の硬質プレートへと伝播した衝撃波について考察するのではなく、最終的には、このタイプの形状で実証を行う必要がある。
(1)打撃又は衝突を緩和するための調整及び緩和機構であって、前記調整及び緩和機構は、
前記打撃又は衝突から生じた応力波を1つ又は複数の特定の調整振動数へと調整するように選択された音響インピーダンスを有する調整層アセンブリと、
前記1つ又は複数の特定の調整振動数の少なくとも1つと一致する限界減衰振動数を有する粘弾性材料でできた散逸層アセンブリと
を備え、前記散逸層アセンブリは前記第2の層に近接している、前記調整及び緩和機構。
(2)前記調整層アセンブリは2層以上の個別の層を備える、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(3)前記散逸層アセンブリは2層以上の個別の層を備える、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(4)前記散逸層アセンブリの前記2層以上の個別の層における第1の層は、前記特定の調整振動数における第1の振動数を散逸させるように構成され、前記散逸層アセンブリの前記2層以上の個別の層における第2の層は、前記特定の調整振動数における第2の振動数を散逸させるように構成され、前記第2の特定の調整振動数は前記第1の特定の調整振動数とは異なる、(3)に記載された調整及び緩和機構。
(5)前記散逸層アセンブリの前記2層以上の個別の層における第1の層は、前記特定の調整振動数における第1の振動数を散逸させるように構成され、前記散逸層アセンブリの前記2層以上の個別の層における第2の層は、前記特定の調整振動数における第2の振動数を散逸させるように構成され、前記第2の特定の調整振動数は前記第1の特定の調整振動数と同一である、(3)に記載された調整及び緩和機構。
(6)前記打撃又は衝突から生じた応力波を材料特性を利用して前記1つ又は複数の特定の調整振動数へと調整するように、前記調整層アセンブリの特性が選択される、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(7)前記材料特性は、厚さ、材料の種類、及び接着の種類からなる群から選択される、(6)に記載された調整及び緩和機構。
(8)前記調整層アセンブリは、前記1つ又は複数の特定の調整振動数を前記散逸層アセンブリへ伝播させるように選択され、それにより、前記1つ又は複数の特定の調整振動数は、前記散逸層アセンブリにおいて散逸されるようになっている、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(9)前記調整層アセンブリは、前記1つ又は複数の特定の調整振動数を前記散逸層アセンブリへと伝播させるように選択され、それにより、前記1つ又は複数の特定の調整振動数は、前記散逸層アセンブリにおいて粘弾性的に散逸されるようになっている、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(10)前記散逸層アセンブリは、前記1つ又は複数の特定の調整振動数における複数のサイクルを粘弾性的に散逸させるのに十分な材料でできている、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(11)前記散逸層アセンブリの厚さは、前記1つ又は複数の特定の調整振動数を有する応力波が前記散逸層アセンブリに伝播する間に実質的に減衰するのに十分厚い、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(12)前記調整層アセンブリは前記調整層アセンブリに接合されている、(1)に記載された調整及び緩和機構。
(13)
前記調整層アセンブリは弾性材料でできている、(1)に記載された調整及び緩和機構。
Claims (11)
- 打撃又は衝突を緩和する方法であって、該方法は、
前記打撃又は衝突から生じた応力波を1つ又は複数の特定の調整振動数へと調整するように弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップであって、該特定の調整振動数は、前記粘弾性散逸層の限界減衰振動数に一致し、前記弾性層および前記粘弾性散逸層の密度および厚さが、前記粘弾性散逸層の非緩和弾性率、緩和弾性率および限界振動数に適合するように、前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップと、
前記粘弾性散逸層を前記弾性層に近接して配置するステップと
を含む、方法。 - 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、1つ又は複数の特定の調整振動数の複数のサイクルの運動エネルギーの少なくとも80%を粘弾性的に散逸させるように前記弾性層および粘弾性散逸層を選択する、請求項1に記載された方法。
- 前記弾性層は2層以上の個別の層を備える、請求項1に記載された方法。
- 前記粘弾性散逸層は2層以上の個別の層を備える、請求項1に記載された方法。
- 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、前記粘弾性散逸層の2層以上の個別の層のうちの第1の層を、第1の特定の調整振動数を散逸させるように選択し、前記粘弾性散逸層の2層以上の個別の層のうちの第2の層を、前記第1の特定の調整振動数とは異なる第2の特定の調整振動数を散逸させるように選択する、請求項4に記載された方法。
- 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、前記粘弾性散逸層の2層以上の個別の層のうちの第1の層を、第1の特定の調整振動数を散逸させるように選択し、前記粘弾性散逸層の2層以上の個別の層のうちの第2の層を、前記第1の特定の調整振動数と同一である第2の特定の調整振動数を散逸させるように選択する、請求項4に記載された方法。
- 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、前記打撃又は衝突から生じた応力波を前記1つ又は複数の特定の調整振動数へと調整するように前記弾性層および粘弾性散逸層を選択し、前記1つ又は複数の特定の調整振動数は、材料特性を利用して前記粘弾性散逸層の限界減衰振動数に一致する、請求項1に記載された方法。
- 前記材料特性は、厚さ、材料の種類、及び接着の種類からなる群から選択される、請求項7に記載された方法。
- 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、前記1つ又は複数の特定の調整振動数を前記粘弾性散逸層へ伝播させるように選択され、それにより、前記1つ又は複数の特定の調整振動数は、前記粘弾性散逸層において散逸されるように前記弾性層および粘弾性散逸層を選択する、請求項1に記載された方法。
- 前記弾性層および粘弾性散逸層を選択するステップが、前記粘弾性散逸層の厚さは、前記1つ又は複数の特定の調整振動数を有する応力波が前記粘弾性散逸層を伝播する間に実質的に減衰するのに十分厚く、前記弾性層および粘弾性散逸層を選択する、請求項1に記載された方法。
- 前記粘弾性散逸層を前記弾性層に近接して配置するステップが、前記粘弾性散逸層を前記弾性層に接合するステップを含む、請求項1に記載された方法。
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