JP2003513212A - 衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体 - Google Patents

衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体に関する。このエネルギー吸収体は、複数のハニカム状の室（２）を備えた成形部品（４）を含んで成る。前記室は、実質上同一方向に配向され、しかも互いに隣接するように配列されている。更に、本発明のエネルギー吸収体は、成形部品が押出成形されたポリカーボネートから製造されていることと、ハニカム状の室が押出成形方向に延びていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体に関する。
【０００２】 自動車両の開発分野のみならず、他の分野においても、パッシブ・セイフティ
ーは徐々に中心的研究主題となってきている。これと関連して、エネルギー吸収
力を有する構造物および材料は、特に重大な関心事である。自動車産業では、例
えば、ポリウレタン（ＰＵ）またはエラストマー変性ポリプロピレン（ＥＰＰ）
から成る発泡体が用いられている。これらの材料は、ほぼ理想的な特性を特徴と
し、それにより、力が初期に急増した後、エネルギーの吸収中に一定の力による
水平な安定期が生じ、それが経時的に推移し続ける。この過程において吸収され
る仕事は、力−ずれ曲線による面積で定義される。この面積は、できるだけ大き
くなければならない。当該分野の状況から公知の種々の発泡体は、前記エネルギ
ー吸収力に関して事実上厳密にこの理想を処理している。
【０００３】 しかし、前記エネルギー吸収体を用いると、生じる加速が非常に高いため、交
通事故や他の事故の場合、人の衝撃においては上回ることが許されない限界値を
超えるという問題が生じる。例えば、頭部衝撃の場合、加速度８０ｇは、３分以
内の時間だけ超過するのが許される。
【０００４】 自動車の場合、側面部品構造物(side-member structures)の塑性変形が、エネ
ルギー吸収のもう一つ例として引用されることがある。この場合、側面部品構造
物の金属は、ある定義された荷重の下で、構造物が崩壊して（すなわち、締付け
て）、内部にめり込むまで圧縮される。この場合に、金属は、塑性変形され、結
果として高いエネルギーを吸収する。
【０００５】 従来、エネルギー吸収体に用いられている材料は、高いエネルギー吸収能をも
たらすが、アルミニウムのような軽金属を用いた場合でも、エネルギー吸収体の
重量は僅かではない。減量は、自動車産業では特に重要な役割をすることから、
高いエネルギー吸収力を有する極めて軽量の材料についての研究が集中的に続け
られている。
【０００６】 更に減量は、当該分野の状況では、固体材料の形態を取るよりも、むしろ選択
的な方向で特に高いエネルギー吸収力を示すように製造されたキャビティ(cavit
y)構造−例えば、サンドイッチ構造−のエネルギー吸収体によって達成される。
このため、キャビティ構造は、実質上同一方向に整列されかつ互いに隣接して配
置された複数のハニカム状の室(honeycomb chambers)を含んで成る。しかし、こ
の場合も、金属や軽金属を使用すると、特定の重量以下にできない。
【０００７】 従って、本発明の基礎にある技術的な問題は、非常に小さな重量と高いエネル
ギー吸収力を共に示すエネルギー吸収体を明記することである。
【０００８】 本発明に拠れば、成形品が、ハニカム状の室を押出成形方向に延ばして、押出
成形されたポリカーボネートから製造されることが分かった。軽金属と比べると
、ポリカーボネートは、非常に軽量な材料であって、本質的に非常に弾力がある
。加えてポリカーボネートは、高い衝撃耐性があることから、力が急に加わると
破壊せずに弾力的に変形し、しかも好ましいことに融解する。そのため、本発明
に拠れば、前記作用が、エネルギー吸収材料としてのポリカーボネートにより保
証され、それと同時にエネルギー吸収体の非常に小さな重量が得られる。
【０００９】 成形品の製造において、ポリカーボネートは、用いられる押出成形用具に依存
して、横に並べて配置された複数のハニカム状の室が押出成形方向に形成される
ように押出成形される。２つの隣接して配置されたハニカム状の各室は、それぞ
れの共有の壁(common wall)で互いに分離されている。成形品の寸法とガース(gi
rth)に依存して、製造過程では、ハニカム状の室を有する押出成形されたポリカ
ーボネート層が数枚製造され、それらは押出成形後、材料クロ−ジャーにより互
いに結合される。結果として形成されるブロックから、対応する複数のハニカム
状室を含む個別のシートが−例えば、熱線の助けにより−分離され得る。室の長
さは、ブロックから分離されたシートの厚さと一致する。
【００１０】 ハニカム状の室は、多角形の断面を有し、好ましくは四角形または六角形のい
ずれである。好ましい態様では、ハニカム状の室の外径は、１〜６ｍｍの範囲内
にあり、前記範囲限界は、特有の場合に超えることもあり得る。ハニカム状の室
の寸法の小さな大きさのために、後者はキャピラリーとして表されることもある
。
【００１１】 さらに、ハニカム状の室は、５０μｍ〜４００μｍの範囲内の壁厚を有する。
これは、ハニカム状の室の壁厚と寸法との比が非常に小さくなり、そのことが更
なる減量に関する根拠として役立つ。
【００１２】 その結果、成形品の密度は、例えば、３０ｋｇ／ｍ３〜５０ｋｇ／ｍ３の範囲
内にある。これは、軽金属から作成されたエネルギー吸収体と比較して明らかに
低い値を表す。
【００１３】 上述のように、シートは、例えば数枚の押出されたハニカム状の室層から構成
されるブロックから切り出されるので、シートに適したハニカム状の室は、実質
上予め決定された長さを有している。そこで、この種の成形品は、ハニカム状の
シートと呼ばれることもある。
【００１４】 従って、エネルギー吸収体の成形品の平坦な構造も可能である。
【００１５】 平坦な構造の成形品以外に、後者は、エネルギー吸収体と共に、湾曲した表面
を表すために、湾曲した形状を有していてもよい。従って、成形品は、成形品の
厚さに依存して、その接合部に小さな半径が確立され得る表面にも適応できる。
あらゆる場合に、ハニカム状の室は、描かれる表面それぞれの局率に関連して、
実質上放射線状に延びている。そのため、湾曲した内面の場合でも、衝撃保護は
有効に保証され得る。
【００１６】 成形品の別の構造において、ハニカム状の室の開口部を含む少なくとも一つの
端面は、実質上仕切られた層(closed layers)を与えている。前記の仕切られた
層は、好ましくは各端面と材料クロージャーにより結合されており、その結果、
平坦なまたは湾曲した表面に関連した成形品を形作るために供する以外に、成形
品を安定させるにも役立つ。この層は、シートまたはフィルムの形態であっても
よく、そして同様に、ポリカーボネートまたは別の合成材料から製造されてもよ
い。また、前記層は、ファブリックの形態をとることも可能である。前記層は、
好ましくは、衝撃が生じたときに裂けないために、前記成形品と同様に弾力性の
ある構造でなければならない。さらに、前記層は、加わる力を比較的多数のハニ
カム状の室に分配するのにも役立つ。というのも、衝撃は、層を用いない場合に
は、実際に当たるハニカム状の室によって吸収されるのみならず、実際の衝撃点
を取り巻く範囲に配置されたハニカム状の室によっても吸収されるためである。
【００１７】 特に好ましい態様では、成形品は、乗物、特に自動車の内面に配置され、その
結果として、乗物のたいてい剛直な内面が保護される。従って、占有者の衝撃の
場合には、特に頭部が確実に保護される。これに関する内面としては、ルーフ構
造やダッシュボードおよびルーフの内側にも必要とされる支柱(pillars)が考え
られる。
【００１８】 さらに、前述の成形品は、乗物のバンパーの少なくとも一部を形成してもよい
。極端に軽量の構造のために、乗物においてかなりの重量軽減が結果として達成
され得る。
【００１９】 乗物としては、自動車両、特に自動車、並びに列車車両および航空機がいずれ
も挙げられる。エネルギー吸収力以外に、材料の低い可燃性も必要であるため、
ポリカーボネートを用いると、ポリカーボネートが自己消火性材料であって、そ
れにより、低い燃焼能力の火炎分類に分類されるという別の利点が生じる。ポリ
カーボネートの可燃性は、エネルギー吸収体として、特に乗物内部に用いられる
ポリメチルメタクリレートまたはポリスチレン等の他の材料の可燃性よりも低い
。
【００２０】 もう一つの好ましい応用において、前記成形品は、建築物の壁に配置されても
よい。それにより、自動車工学におけるその使用に加えて、エネルギー吸収体は
、例えば、スポーツ中に壁に偶然当たった人に対して衝撃保護を実現するために
、スポーツ競技場(a sports arenas)または運動場で用いられ得る。これに関連
して、スポーツ開催地または体育館(a sports hall)の床の振動を制する目的の
ためのエネルギー吸収体の使用も考えられる。
【００２１】 半透明のために、ポリカーボネートは、特定の光学特性を示さなければならな
い構造部品用の材料として上手く用いられる。例えば、ポリカーボネートは、半
透明であることが指定されるスクリーンや窓に用いられる。他方、この要求は、
エネルギー吸収体の場合には存在しないので、製造欠陥のために、半透明ではな
いが少なくとも部分的に変色して、黒色または着色された着色(pigments)を表す
ポリカーボネート不良材料も、有利な形態で使用され得る。従って、透明な成形
品の製造には用いることができない不良材料が、エネルギー吸収体の製造には使
用できる。
【００２２】 本発明は、態様に基づいて、以降の記載により、添付の図面を参照して、詳細
に解明される。図面において、 図１は、本発明のエネルギー吸収体の第１の態様を透視画法で表し、 図２は、本発明のエネルギー吸収体の第２の態様を透視画法で表し、 図３は、図１のエネルギー吸収体の断面を表し、 図４は、図２のエネルギー吸収体であって、湾曲した輪郭を有する場合の断面を
表し、および 図５は、頭部−衝撃実験の力−ずれ図を表す。
【００２３】 図１は、複数のハニカム状の室2を含んで成る成形品4を有する、本発明のエネ
ルギー吸収体の第１の態様を表す。ハニカム状の室2は、実質上同じ方向に整列
され、しかも互いに隣接して配置されている。２個の隣接して配置されたハニカ
ム状の各室2は共有の壁3を有しているため、図１に示すハニカム状の構造が生じ
る。本発明によれば、成形品4は、ポリカーボネートから、押出成形方向に延び
るハニカム状の室2を含めて押出成形されている。
【００２４】 生産技術に関して、任意に多数のハニカム状の室2は、互いの上に押出成形で
きない。そのため、例えば、互いの上に配置された５列のハニカム状の室2を含
む複数の層が平行押出成形により製造される。その後、前記層を、図１に示す成
形品4の断面を得るために、互いに結合する。その結果形成されるストランドか
ら、個別のシート4が切り出されることにより、図１に表される形状が現われる
。個別のハニカム状の室2の開口部は、本発明の態様では四角形であり、ハニカ
ム状の室2は、描かれたシート4の全幅、すなわち図１の右から左に亙って延びて
いる。成形品4の高いエネルギー吸収力は、特にハニカム状の室2の長尺方向で得
られる。成形品の非常に小さな壁厚や低い全体的な密度にものかかわらず、高い
エネルギー吸収力が生じる。他方で、ハニカム状の室2の長尺方向に対して直角
な角度では、図１に示すエネルギー吸収体は、僅かな攻撃に対するエネルギーを
吸収できるのみである。そのため、ハニカム状の室2は、それぞれの状況におい
て、エネルギーの吸収方向に対して平行に整列されているように配置されていな
ければならない。
【００２５】 ハニカム状の室2は、一般には、多角形の断面を有しているが、本件では四角
形である。ハニカム状の室2の外径は、１ｍｍ〜６ｍｍの範囲、好ましくは２ｍ
ｍ〜５ｍｍ、特に好ましくは３．５ｍｍ〜４．５ｍｍである。正確な外径は、エ
ネルギー吸収体の特別な要求に順応させるようにそれぞれの状況で調節される。
【００２６】 さらに、ハニカム状の室2は、50μｍ〜400μｍ、好ましくは100μｍ〜350ｍｍ
、特に好ましくは150μｍ〜300μｍの範囲内の壁厚を有している。壁厚は、ハニ
カム状の室2の外径の機能として調節されるので、安定性、エネルギー吸収力お
よび出きるだけ小さな重量の点で、最適条件が生じる。
【００２７】 前述のハニカム状の室2の外径および壁厚からは、成形品が30ｋｇ／ｍ３〜50
ｋｇ／ｍ３、好ましくは35ｋｇ／ｍ３〜45ｋｇ／ｍ３、特に好ましくは37ｋｇ／
ｍ３〜43ｋｇ／ｍ３の範囲内の密度を有するものと解される。このような非常に
小さな密度にもかかわらず、所望の高いエネルギー吸収が、ハニカム構造とポリ
カーボネートの弾性によって得られる。
【００２８】 ハニカム状の室2の形状と配列は、図３にも認められる。図３は、図１に示す
エネルギー吸収体の断面を表している。
【００２９】 図１および３で表わされかつハニカム状のシートとしても設計され得る成形品
4は、実質上平面に広がる表面を有する。従って、この成形品4は、平坦な表面の
裏打ち(lining)に適している。
【００３０】 他方、図４は、湾曲に関連して実質上放射状に延びているハニカム状の室2を
有する、湾曲した外観のハニカム状のシート4を示している。この構造では、成
形品4は、特に乗物の湾曲した表面の裏打ちにも使用できる。
【００３１】 図２には、本発明の別の態様のエネルギー吸収体が表されている。ここで、ハ
ニカム状の室2から成る成形品4は、ハニカム状の室2の開口部を包含する端面6で
実質上仕切られた層8を与えている。前記層8は、それぞれの端面6と結合されて
、フィルムの形態をとっている。本発明の態様では、前記層8は、ポリカーボネ
ートから、すなわち、成形品4自体と同じ材料から製造されている。一方で、前
記層8は、成形品4の形状、すなわち、例えば図２に示す平坦な形状または図４に
示す湾曲した形状を安定化させるのに役立つ。そのため、成形品4の厚みに依存
して、小さな半径が得られ、その結果、例えば自動車両の内側などの適当に湾曲
した表面をエネルギー吸収体で被覆することができる。
【００３２】 加えて、前記層8は、前記層8を用いない場合よりも多数のハニカム状の室に衝
撃エネルギーを分配させるのにも役立つ。このことは、以降に頭部−衝撃実験に
基づいて示されるように、衝撃の結果生じる加速度に影響を及ぼす。
【００３３】 頭部−衝撃実験では、人の頭部の形状や重量をある程度模造した球形のセグメ
ントを、特定の高さからエネルギー吸収体へ自由落下させる。球形のセグメント
が当たると、生じる反発力と加速度が、エネルギー吸収体内のずれの関数として
記録される。対応する力−ずれ図を図５に示す。
【００３４】 落下試験は、質量ｍ＝4,533ｇおよび落下高さｈ＝２ｍにより、奇形でない全
体の高さが25ｍｍのエネルギー吸収体を用いて行った。図５から分かるように、
エネルギー吸収体の成形品は約17ｍｍまでへこみ、力の増加は、主として線形で
あった。球形のセグメントがエネルギー吸収体によって完全に減速された後、力
は急速に低下したが（測定曲線の右手側参照）、球形セグメントのずれは約12.5
ｍｍに戻った。このことは、エネルギー吸収体の成形品が恒久的に塑性変形した
ことを表している。これは、ポリカーボネートの弾性変形が、エネルギーの吸収
限界値まで起こり得るためである。前記限界値を超えると、その後、運動エネル
ギーの熱エネルギーへの大きな変換が生じ、その結果として、融点から始まって
、ハニカム状の室材料が融解し、そして恒久的な塑性変形が生じる。ここで重要
なことは、ポリカーボネートの材料は融解するが粉砕しないということであり、
その結果として、本発明のエネルギー吸収体の場合が安全面で有利である。
【００３５】 前述の頭部−衝撃実験は、被覆層を有しない図１のエネルギー吸収体と、被覆
層を有する図２のエネルギー吸収体の両方を用いて行った。この試験では、前記
層が成形体の全体構造に安定化効果をもたらすことが分かった。両面被覆された
成形品の場合、加速度ａは約150ｇ生じたが、非被覆の成形品では、加速度ａは
約90ｇを示しただけであった。この事実は、吸収されたエネルギーの絶対値のみ
ならず、この状況の加速度のレベルがエネルギー吸収体には重要であるという理
由から、特に意義深い。従って、頭部の衝撃の場合、例えば、80ｇ以上の加速度
ａは、３分以内の時間だけ生じることが許容される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のエネルギー吸収体の第１の態様を透視画法で表す。
【図２】 本発明のエネルギー吸収体の第２の態様を透視画法で表す。
【図３】 図１のエネルギー吸収体の断面を表す。
【図４】 湾曲した輪郭を有する場合の図２のエネルギー吸収体の断面を表
す。
【図５】 頭部−衝撃実験の力−ずれ図を表す。
【符号の説明】
２…ハニカム状の室、３…共有の壁、４…成形体、６…端面、８…仕切られた層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のハニカム状の室(2)を含んで成る成形品(4)を有し、該
    ハニカム状の室(2)が実質上同じ方向に整列され、そして該ハニカム状の室(2)が
    互いに隣接して配列された、衝撃エネルギーを吸収するためのエネルギー吸収体
    であって、前記成形品(4)が、押出成形されたポリカーボネートから製造され、
    ハニカム状の室(2)が押出成形方向に延びる製造されることを特徴とするエネル
    ギー吸収体。
  2. 【請求項２】 ハニカム状の室(2)が、エネルギーの吸収方向に平行して整
    列されている請求項１記載のエネルギー吸収体。
  3. 【請求項３】 ハニカム状の室(2)が、多角形の断面を有する請求項１また
    は２記載のエネルギー吸収体。
  4. 【請求項４】 断面が四角形または六角形である請求項３記載のエネルギー
    吸収体。
  5. 【請求項５】 ハニカム状の室(2)の外径が、１ｍｍ〜６ｍｍ、好ましくは
    ２ｍｍ〜５ｍｍ、特に好ましくは３．５ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲内である請求項
    １〜４のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  6. 【請求項６】 ハニカム状の室(2)が、５０μｍ〜４００μｍ、好ましくは
    １００μｍ〜３５０μｍ、特に好ましくは１５０μｍ〜３００μｍの範囲内の壁
    厚を有する請求項１〜５のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  7. 【請求項７】 成形品(4)が、３０ｋｇ／ｍ３〜５０ｋｇ／ｍ３、好ましく
    は３５ｋｇ／ｍ３〜４５ｋｇ／ｍ３、特に好ましくは３７ｋｇ／ｍ３〜４３ｋｇ
    ／ｍ３の範囲内の密度を有する請求項１〜６のいずれかに記載のエネルギー吸収
    体。
  8. 【請求項８】 ハニカム状の室(2)が予め決められた長さを実質上有する請
    求項１〜７のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  9. 【請求項９】 成形品(4)がハニカム状のシートの形態をとる請求項８記載
    のエネルギー吸収体。
  10. 【請求項１０】 成形品(4)の表面が実質上平面に延びている請求項９記載
    のエネルギー吸収体。
  11. 【請求項１１】 成形品(4)が湾曲した形状を有し、そのハニカム状の室(2)
    がそれぞれの湾曲と関連して実質上放射線状に延びている請求項８または９記載
    のエネルギー吸収体。
  12. 【請求項１２】 ハニカム状の室(2)の開口部を包含するハニカム状のシー
    トの少なくとも１つの端面(6)が、実質上仕切られた層(8)を提供する請求項８〜
    １１のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  13. 【請求項１３】 該層(8)が材料クロージャーにより前記端面(6)と結合され
    ている請求項１２記載のエネルギー吸収体。
  14. 【請求項１４】 該層(8)が、シートまたはフィルムの形態をとる請求項１
    ２または１３記載のエネルギー吸収体。
  15. 【請求項１５】 該層(8)が、ポリカーボネートからまたは別の合成材料か
    ら製造される請求項１２〜１４のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  16. 【請求項１６】 該層(8)がファブリックから製造される請求項１２〜１５
    のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  17. 【請求項１７】 成形品(4)が、乗物、特に自動車両の内面に配置される請
    求項１〜１６のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  18. 【請求項１８】 成形品(4)が、乗物のショック吸収体の少なくとも一部を
    形成する請求項１７記載のエネルギー吸収体。
  19. 【請求項１９】 成形品(4)が、建築物、特にスポーツ競技場または運動場
    内の壁に配置される請求項１〜１６のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
  20. 【請求項２０】 成形品(4)が、変色したポリカーボネートから少なくとも
    部分的に製造される請求項１〜１９のいずれかに記載のエネルギー吸収体。
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