JP2003320425A - 衝撃エネルギー吸収体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全方向からの衝撃エネルギーを効率よく吸収
できる、空隙率が高く、変形能に優れ、しかも、強度の
強い疑似中空金属球の構造及びその積層構造等を提供す
る。 【解決手段】 特殊形状をした金型内において、金属管
材を液圧加工変形させることにより、疑似中空金属球が
連続した線状の構成要素を形成し、それを平面上に最適
配置し、次いで、それを最適に積層することにより得ら
れる、著しく高強度で、高い衝撃エネルギー吸収性能を
有する衝撃エネルギー吸収体、及びその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製多孔質要素
構成体からなる衝撃エネルギー吸収体に関するものであ
り、更に詳しくは、金属製の衝撃吸収用多孔質要素構成
体、特に、好適な衝撃吸収特性を発揮させることが可能
な空隙率の高い多孔質要素構成体を作製する際に適用さ
れる、中空球状材料の製造方法、衝撃吸収用多孔質要素
構成体、及びこれらを構造要素とする衝撃エネルギー吸
収体に関するものである。本発明は、軽量、かつ高強度
の金属製の衝撃エネルギー吸収体を効率よく、低コスト
で製造する方法、及びその吸収体を提供するものとして
有用である。

【０００２】

【従来の技術】従来、衝撃の吸収に用いる衝撃エネルギ
ー吸収体は、所定の空間に中空の要素構成体を充填し、
その構造の有する変形特性により衝撃エネルギーを吸収
させるように設計される場合が多い。例えば、ハニカム
パネルのような金属製構造体がその好例である。しか
し、こうした構造では、特定の方向では大きな衝撃吸収
特性が得られるものの、その方向がわずかでもずれる
と、極めて小さな衝撃吸収特性しか得られないという欠
点があった。

【０００３】一方、大きな力がかからない状態で、軽
量、かつ安価な材料を用いて一定の衝撃吸収性を確保し
たい場合には、例えば、軟質の樹脂や発泡性樹脂等がそ
のような目的に使用されていることも多い。しかし、こ
の種の材料を用いる場合、樹脂に特有の変形能の小ささ
や、変形応力の低さから、十分な衝撃エネルギーの吸収
が行われないという欠点があった。そこで、この種の衝
撃吸収用材料を金属製多孔質要素構成体とすることが考
えられる。すなわち、これは、所定の空間に、例えば、
中空の球材、円柱材、角柱材、積層材、中空箱材等の金
属製構成要素を充填するものである。この際、それらの
充填率と構成される強度の点から、中空の球材が最も望
ましいことが判っている。

【０００４】このように、衝撃吸収用材料を金属製多孔
質要素構成体とした場合、金属材料が有する最適な変形
応力と、その靱性に由来する変形能の大きさから、極め
て大きな衝撃エネルギー吸収性能が実現できる上に、リ
サイクル性に優れているために、環境に対する負荷が小
さくてすむという利点が得られる。また、衝撃吸収用材
料を、このような多孔質要素構成体とすることで、金属
材料を用いながらこれを極めて軽量化することができる
という利点がある。

【０００５】以上、金属の多孔質要素構成体を衝撃吸収
用材料に用いた場合の利点を説明したが、この種の金属
の多孔質要素構成体は、その多孔質構造に由来して、以
下のような各種用途に用いることができる。すなわち、
この種の多孔質構造体は、その多孔質構造に由来して、
熱伝導率が低く、従って、低い熱伝導率が求められるよ
うな用途の材料として、あるいは、また、その多孔質構
造に由来して、弾性率が低減されるため、振動の抑制が
求められるような用途の材料や、その他の材料として、
好適に用いることができる。

【０００６】ところで、この種の金属の多孔質要素構成
体、すなわち、中空の金属球あるいは擬似金属球の製造
方法として、従来、以下のような方法が知られている。
すなわち、第１の方法は、発泡ポリウレタンのような易
燃焼性の球形高分子材料の周囲に、金属スラリーをまぶ
し、乾燥した後、高分子材料を焼失すると同時に金属を
焼結させて、球状の中空金属を作製する方法である。

【０００７】また、第２の方法は、発泡ポリウレタンの
ような易燃焼性の球形高分子材料の周囲に、メッキや溶
融金属のスプレーによって金属皮膜を形成し、その後、
高分子材料を焼失させることによって、球状の中空金属
を作製する方法である。また、第３の方法は、半球状の
金属を板材からプレス等で成形し、二つの半球を溶接、
ロウ付け、かしめ等で接合して、中空の金属球とする方
法である。

【０００８】しかしながら、上記第１の方法、すなわ
ち、金属スラリーを用いる方法の場合は、金属膜を高分
子材料の燃焼ガスが通る必要があり、また、スラリーか
ら焼結するため、金属膜が極めて多孔質となり、強度が
著しく低いものしか作製することができない上に、プロ
セスが複雑となり、製造コストがかなり高いものとなる
という問題がある。

【０００９】一方、第２の方法、すなわち、メッキやス
プレーを用いる方法の場合は、作製できる中空金属構造
体がニッケルや低融点金属等に限定されてしまう上、生
産性が低く、第１の方法と同様に、高分子材料の燃焼ガ
スを外部に出す必要があるため、皮膜にガスが透過した
穴が局所的に発生し、 一様な金属皮膜を取得することは
難しいという問題がある。

【００１０】また、第３の方法、すなわち、それぞれの
球体を機械加工で製造する方法の場合は、緻密で高強度
の皮膜が作れるものの、その生産性は極めて低く、衝撃
吸収材として使用するような安価な球体ないし擬似球体
を多数必要とする場合には不適当であるという問題があ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このような状況の中
で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術
の諸問題を抜本的に解決することが可能な新しい衝撃エ
ネルギー吸収体を開発することを目標として鋭意研究を
進める過程で、金属管に球状の膨らみを有する擬似金属
球を連続して形成させることにより得られる１次元のエ
ネルギー吸収体を構成要素とする新しい衝撃エネルギー
吸収体を使用することで所期の目的を達成し得ることを
見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、高強度
で、優れた衝撃エネルギー吸収特性を有する金属多孔質
要素構成体からなる衝撃エネルギー吸収体を、効率よ
く、低コストで製造することを実現化する衝撃エネルギ
ー吸収体の新規製造方法を提供することを目的とするも
のである。また、本発明は、上記方法によって作製され
た、新規衝撃エネルギー吸収体を提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明は、以下の技術的手段から構成される。 （１）形状が等しい多数の半球状の窪みが連続する上型
と、これに対向して同形の半球状の窪みが連続する下型
の間で、金属管に内圧を加えることにより金属管に球状
の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させること
を特徴とする、１次元のエネルギー吸収体の製造方法。 （２）前記（１）に記載の方法により製造される１次元
のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平面上に
多数配置することを特徴とする２次元の衝撃エネルギー
吸収体の構成方法。 （３）隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球
の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占めるように
することを特徴とする前記（２）に記載の衝撃エネルギ
ー吸収体の構成方法。 （４）隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球
の中心が、それぞれ正三角形の頂点の位置を占めるよう
にすることを特徴とする前記（２）に記載の衝撃エネル
ギー吸収体の構成方法。 （５）前記（２）から（４）のいずれかに記載の方法に
より構成される衝撃エネルギー構造要素を、各擬似金属
球体の直上に次の構造要素の擬似金属球が置かれるよう
に積層することを特徴とする、衝撃エネルギー吸収体の
積層方法。 （６）前記（２）から（４）のいずれかに記載の方法に
より構成される衝撃エネルギー構造要素を、３つあるい
は４つの擬似金属球で作られる谷間に次の構造要素の擬
似金属球が置かれるように積層することを特徴とする、
衝撃エネルギー吸収体の積層方法。 （７）前記金属管材が、アルミニウム、マグネシウム、
チタニウム、鉄、ニッケル、銅の何れかの単体若しくは
合金であることを特徴とする前記（１）から（６）のい
ずれかに記載の方法。 （８）形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５
０ｍｍの範囲にある前記（１）から（７）のいずれかに
記載の方法。 （９）形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍな
いし１ｍｍの範囲にある前記（１）から（８）のいずれ
かに記載の方法。 （１０）前記（１）に記載の方法により得られる、金属
管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成さ
せたことを特徴とする１次元のエネルギー吸収体。 （１１）前記（２）から（９）のいずれかに記載の方法
により得られる、金属管に球状の膨らみを有する擬似金
属球を連続して形成させた１次元のエネルギー吸収体を
多数配置したことを特徴とする衝撃エネルギー吸収体。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明について更に詳細に
説明する。本発明の高強度多孔質体及びその製造方法
は、上記のような課題を解決するために案出されたもの
である。すなわち、本発明の第１の態様は、基礎となる
金属管材を成形して、１次元のエネルギー吸収体を製造
する方法に関するものであり、形状が等しい半球状の窪
みが直線上に連続した上型と、これに対向して同様に多
数の窪みが直線上に連続した下型の間で、金属管に内圧
を加えることにより球状の膨らみを有する擬似金属球を
連続して形成することにより衝撃変形量を大きくしたエ
ネルギー吸収体を製造することを特徴とする。

【００１４】本発明の他の態様は、上記方法において形
成した線状の１次元エネルギー吸収体を、その軸を平行
に平面上に配置し、平面状の衝撃エネルギー吸収体を形
成することを特徴とする。本発明では、好適には、上記
方法において、隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬
似金属球の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占め
るように配置する。また、本発明では、好適には、上記
方法において、隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬
似金属球の中心が、それぞれ正三角形の頂点とすること
で定まる位置を占めるように配置する。

【００１５】本発明の他の態様は、上記方法において構
成される平面状の構造要素において、立体的な衝撃吸収
体を構成するためにそれらを積層することに係るもので
あり、各擬似金属球体の直上に次の構造要素の擬似金属
球が置かれるように積層することを特徴とする。本発明
の他の態様は、上記方法において構成される平面状の構
造要素において、立体的な衝撃吸収体を構成するために
積層することに係るものであり、３つあるいは４つの擬
似金属球で作られる谷間に次の構造要素の擬似金属球が
置かれるように積層することを特徴とする。

【００１６】本発明は、上記方法において、前記金属板
材が、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、鉄、
ニッケル、銅の何れかの単体若しくは合金であることを
特徴とする。また、本発明は、上記方法において、形成
される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範
囲にあることを特徴とする。本発明は、上記方法におい
て、形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍない
し１ｍｍの範囲にあることを特徴とする。本発明は、上
記方法により得られる、金属管に球状の膨らみを有する
擬似金属球を連続して形成させたことを特徴とする１次
元のエネルギー吸収体、及び金属管に球状の膨らみを有
する擬似金属球を連続して形成させた１次元のエネルギ
ー吸収体を多数配置した衝撃エネルギー吸収体を提供す
ることを特徴とする。

【００１７】本発明の製造方法では、まず、線上に擬似
中空金属球がならぶ構成要素を形成し、それを平面上に
効果的に配置し、更に、それを効果的に積層することに
より、効率性及び経済性の高い高機能性衝撃エネルギー
吸収体の製造技術を実現する。すなわち、まず、金属管
材を、図１の（ア）に模式的に断面図を示しているよう
な上型と下型の間で、ガス圧ないし液圧成形方法によ
り、ガス圧ないし液圧を金属管内に加えることにより、
図１の（イ）、（ウ）に示されるように、金属管に球状
の膨らみを有する擬似金属球を連続して作製する。この
際、金属管は一端を閉じてもよいし、両端から圧力を加
えてもよい。本発明では、金属管材をＳＫＤ鋼製上型及
び下型内で所定の温度において、油圧を負荷して成形す
る方法が好適なものとして例示されるが、これらに制限
されるものではない。

【００１８】本発明は、ガス圧ないし液圧成形方法の具
体的な手段及び条件は特に制限されるものではなく、金
属管材の材質及び種類等に応じて適宜の構成が採用され
る。金属管材の成形の際には、スプリングバックがある
ため、除圧後の形状が球状となるよう、型の寸法を設定
することが効果的である。また加工力が不足する場合に
は、加工温度を高くすることが効果的である。ガス圧な
いし液圧成形された管材は、その軸を平行にして並べる
ことにより、平面状の衝撃エネルギー吸収体が構成され
る。この際、擬似金属球の平面上の配置は、図２の
（ア）に模式的に示すような正方形状の配置ないし図２
の（イ）に模式的に示すような正三角形状の配置が望ま
しいが、これらに制限されるものではなく、適宜の形状
に配置することができる。

【００１９】次に、図面に基づいて本発明を具体的に説
明する。図２ないし図４に、本発明の実施形態の一例を
示す。本発明の構成要素は、それが使用される部位、負
荷応力、負荷エネルギー供給速度、吸収すべきエネルギ
ー量等によって大幅に変化するものであり、それらに応
じて任意に設計することができる。そのために、図示し
た例は、それをわかりやすく単純化したものであり、実
際の形状を直接反映したものではない。

【００２０】すなわち、構成要素のサイズ、形状、球の
数は、使用目的、使用条件等により大幅に変化するもの
であり、これらに応じて適宜変更することができる。ま
た、構成要素の積層方法についても同様であるが、一例
として、このようにして作製した衝撃吸収体の構成要素
を積層して、衝撃吸収体とする方法を以下に記載する。

【００２１】衝撃吸収を行う疑似球体が平面上に正方形
状に並んだ場合においては、図３の（ア）に示すよう
に、各擬似金属球の直上に次の構造要素の擬似金属球を
置く単純立方状か、図３の（イ）に示すように４つの擬
似金属球で作られる谷間に次の構造要素の擬似金属球を
置く体心立方状に配置することが望ましい。

【００２２】一方、平面上に正三角形状に並んだ場合に
おいては、図３の（ア）に示すように、各擬似金属球の
直上に次の構造要素の擬似金属球を置くか、図３の
（イ）に示すように、３つの擬似金属球で作られる谷間
に次の構造要素の擬似金属球を置く面心立方状ないし稠
密六方状に配置することが望ましい。

【００２３】本発明においては、上記金属板材として、
例えば、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、
鉄、ニッケル、銅の何れかの単体若しくは合金を好適に
用いることができる。特に、衝撃吸収用材料として用い
る場合には、その軽量性と材料価格からアルミニウム板
材を好適に使用可能であるが、これらに制限されるもの
ではない。

【００２４】本発明においては、また、形成される擬似
金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範囲にあるも
のを好適に用いることができる。本発明においては、ま
た、形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍない
し１ｍｍの範囲にあるものを好適に用いることができ
る。しかし、これらに制限されるものではない。

【００２５】本発明で作製される中空金属球充填型金属
製多孔質構造体は、他の方法で作製した中空金属球充填
型金属製多孔質材料に比べて、中空球の形状がそろい、
かつその充填方法を極めてよく制御できるために、変形
能が大きく、かつ強度も高強度化できる上に、製造コス
トを著しく低減できため、衝撃吸収用材料として特に好
適なものである。

【００２６】

【作用】本発明の衝撃エネルギー吸収体の製造方法は、
形状が等しい多数の半球状の窪みが連続する上型と、こ
れに対向して同形の半球状の窪みが連続する下型の間
で、金属管に内圧を加えることにより金属管に球状の膨
らみを有する擬似金属球を連続して形成することで１次
元のエネルギー吸収体を製造すること、このエネルギー
吸収体を配置及び積層することにより衝撃エネルギー吸
収体を製造すること、を特徴としている。すなわち、本
発明の方法では、まず、擬似中空金属球が連続した線状
の構成要素を形成することにより１次元のエネルギー吸
収体を製造し、次いで、それを最適に配置及び積層する
ことにより高い衝撃エネルギー吸収特性を有する衝撃エ
ネルギー吸収体を作製する。本発明は、上記構成要素の
擬似金属球のサイズ、形状、球の数、及びそれらの充填
方式を任意に調整することにより、使用目的、使用条件
等に多角的に対応した多様な変形性能及び強度を有する
多品種の衝撃エネルギー吸収体を任意に作製することを
可能とする。それにより、本発明では、衝撃エネルギー
吸収材料として、任意の衝撃吸収特性と任意の形態を有
する金属多孔質要素構成体を高効率、かつ低コストで生
産することが可能であり、本発明は、簡便、かつ低コス
トに衝撃エネルギー吸収体を生産する方法及びその製品
を提供するものとして、広汎な技術分野で多角的に利用
することを可能とする。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の実施例を以下に詳述するが、
本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるもので
はない。 実施例 （１）衝撃エネルギー吸収体の製造 外径５ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの１０００系アルミニウム
合金管を使用し、直線上に外径１０ｍｍの擬似球体が１
０個並ぶようなＳＫＤ鋼製上型及び下型内で、約２００
℃の温度において、約５気圧の油圧を負荷することによ
り、図１の（イ）に示すような構造体を作製した。

【００２８】この液圧成形加工で得られた成形体１０本
を、その軸を平行に、かつ擬似金属球がそれぞれ平面状
で正方形を形成するように配置し、更に、こうした層を
１０層積層してエネルギー吸収体とし、これを内径１０
０ｍｍ×１００ｍｍ、肉厚１ｍｍ、高さ１２０ｍｍの矩
形断面容器内に収納して、衝撃吸収材とした。

【００２９】（２）衝撃吸収特性 この衝撃吸収体に対して、２０ｍ／秒の速度で５０％変
形をするまで衝撃エネルギーを加えた結果、約６ＭＪ／
ｍ³ のエネルギー吸収が実現できた。これは、通常の中
空体充填型衝撃エネルギー吸収体で得られ得る衝撃エネ
ルギー吸収量、２〜３ＭＪ／ｍ³ に比してきわめて大き
い。

【００３０】このように、本発明によれば、従来の方法
に比べて、高強度、かつ高吸収エネルギー衝撃吸収体が
得られる。以上、本発明の実施例を詳述したが、これは
あくまで本発明の好適な一例を示したものであり、本発
明は、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加
えた態様で実施可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は、衝撃エ
ネルギー吸収体の製造方法及びその構造体に係るもので
あり、本発明により、１）金属製多孔質要素構成体から
なる衝撃エネルギー吸収体を効率よく、低コストで製造
できる新しい衝撃エネルギー吸収体の製造方法を提供す
ることができる、２）上記方法により作製した、軽量、
かつ高強度で、変形能が大きく、全方向からの衝撃エネ
ルギーを効率よく吸収できる優れた衝撃吸収特性を有す
る擬似金属球を構成要素とする衝撃エネルギー吸収体を
提供することができる、３）本発明の衝撃エネルギー吸
収体は、各種の衝撃エネルギー吸収用部材として有用で
ある、４）特に、低い熱伝導率や振動の抑制が求められ
る用途の材料として有用である、５）極めて大きな衝撃
エネルギー吸収性能とリサイクル性に優れた材料を提供
することができる、６）中空球の形状の均一化が容易で
あり、それにより、その充填方法を高精度に制御するこ
とができる、等の格別の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の管材の加工方法、及び疑似中空金属球
の部分構造を示す説明図である。

【図２】本発明の衝撃エネルギー吸収体の要素の平面上
における最適配置を模式的に示す説明図である。

【図３】本発明の衝撃エネルギー吸収体構造要素を積層
する方法を示す模式図である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 形状が等しい多数の半球状の窪みが連続
   する上型と、これに対向して同形の半球状の窪みが連続
   する下型の間で、金属管に内圧を加えることにより金属
   管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成さ
   せることを特徴とする、１次元のエネルギー吸収体の製
   造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法により製造される
   １次元のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平
   面上に多数配置することを特徴とする２次元の衝撃エネ
   ルギー吸収体の構成方法。
3. 【請求項３】 隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬
   似金属球の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占め
   るようにすることを特徴とする請求項２に記載の衝撃エ
   ネルギー吸収体の構成方法。
4. 【請求項４】 隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬
   似金属球の中心が、それぞれ正三角形の頂点の位置を占
   めるようにすることを特徴とする請求項２に記載の衝撃
   エネルギー吸収体の構成方法。
5. 【請求項５】 請求項２から４のいずれかに記載の方法
   により構成される衝撃エネルギー構造要素を、各擬似金
   属球体の直上に次の構造要素の擬似金属球が置かれるよ
   うに積層することを特徴とする、衝撃エネルギー吸収体
   の積層方法。
6. 【請求項６】 請求項２から４のいずれかに記載の方法
   により構成される衝撃エネルギー構造要素を、３つある
   いは４つの擬似金属球で作られる谷間に次の構造要素の
   擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とす
   る、衝撃エネルギー吸収体の積層方法。
7. 【請求項７】 前記金属管材が、アルミニウム、マグネ
   シウム、チタニウム、鉄、ニッケル、銅の何れかの単体
   若しくは合金であることを特徴とする請求項１から６の
   いずれかに記載の方法。
8. 【請求項８】 形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍ
   ないし５０ｍｍの範囲にある請求項１から７のいずれか
   に記載の方法。
9. 【請求項９】 形成される擬似金属球の厚さが、０．０
   ５ｍｍないし１ｍｍの範囲にある請求項１から８のいず
   れかに記載の方法。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の方法により得られ
    る、金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続し
    て形成させたことを特徴とする１次元のエネルギー吸収
    体。
11. 【請求項１１】 請求項２から９のいずれかに記載の方
    法により得られる、金属管に球状の膨らみを有する擬似
    金属球を連続して形成させた１次元のエネルギー吸収体
    を多数配置したことを特徴とする衝撃エネルギー吸収
    体。