JP2011137282A - 人体保護装置の形成方法及び人体保護装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置の衝撃エネルギー吸収能力を犠牲にすることなく快適性が改良されるヘルメット、肘パット等の人体保護装置を提供する。
【解決手段】第1の材料の内部コア及び第2の材料の外部コアからなるチューブ22の溶融温度より低い溶融温度を有する接着剤を使用して、第1の材料を前記第2の材料に接合するステップを備え、第1の材料の溶融温度で軟化状態にある第1の材料及び第2の材料を選択するステップを含むことができる。
【選択図】図5
【解決手段】第1の材料の内部コア及び第2の材料の外部コアからなるチューブ22の溶融温度より低い溶融温度を有する接着剤を使用して、第1の材料を前記第2の材料に接合するステップを備え、第1の材料の溶融温度で軟化状態にある第1の材料及び第2の材料を選択するステップを含むことができる。
【選択図】図5
Description
本発明は、人体保護装置に関係する。本発明は、特に、安全ヘルメット、肘パッド、膝パッド、肩パッドなどのような比較的大きな曲率を有する装置で使用されるエネルギー吸収材と、この材料を形成する方法とに関係するがそれに限定されない。
多くの人体保護装置は、装置の曲率半径ρの逆数として定義される大きな曲率κを有する。安全ヘルメットのような装置は、恒久的に湾曲した形状を必要とする。肘、膝及び肩のパッドのようなその他の装置は、人体の動きに応じて湾曲した形状を伸縮自在にとるよう十分にしなやかであることが必要である。適切な材料及び形成方法がこれらの装置のため使用されなければならない。
安全ヘルメットは、従来から、頑丈なプラスチック材料からなる実質的に回転楕円型の外板と、硬質発泡体のような弾性材料からなる内板とを備える。剛性外板は、衝撃荷重を、衝撃荷重によって加えられたエネルギーを吸収する内板へより均等に伝達する。ヘルメットは、雌金型内に、又は、雄金型の周りに形成され、材料は長円型の形状を形成するためにかなりの曲率が与えられる。さらに、外板と内板は金型へ別々に挿入されなければならない。そうしなければ、曲げ加工中に、二つの材料の間の接合が、(圧縮される)内板に対する(伸張される)外板の所要の滑りを妨げるか、又は、内面及び外面に高い平面応力を生じるであろう。
ヘルメットの総重量を減少させることが望ましい。さらに、ヘルメットを形成する方法は、典型的に、複雑であり、かつ、費用のかかる傾向があるハンドレイアップを伴う。内板及び外板をワンピース材として金型内に挿入可能であることは有利である。
種々の断面形状をもち、軸方向に荷重を受ける支柱が、車両、路側備品などの構造的な耐衝撃性を改良するため以前より使用されている。これらの既知のシステムの支柱は、典型的に接続されず、独立して機能する。支柱を形成する材料とは無関係に、全体座屈故障モード(又は、支柱全体の故障につながる局部故障)は、衝撃エネルギーを効率的に吸収しないので回避されるべきである。
金属支柱は、衝撃エネルギーを効率的に吸収する複数の局部座屈及び折り曲げ故障モードを示すことが望ましい。プラスチック支柱及び複合材支柱は、衝撃エネルギーを効率よく吸収するいくらかの個数の故障モードを有するが、これらのモードのすべては、典型的に、支柱の一端の進行性圧壊を伴う。
プラスチック支柱及び複合材支柱の性能及び故障モードは、使用される材料、幾何学的性質(形状及び厚さ)、複合材中の繊維配置、トリガーの使用、及び、荷重条件を含むいくらかの個数の異なるパラメータの複合相互作用に依存する。しかし、これらのパラメータを慎重に選択することにより、金属相当物より優れた安全装置が得られる。
使用される材料とは無関係に、荷重と平行に配置された独立した支柱のアレイは、一般に、エネルギー吸収性能を増大し、安全装置の安定性を改良することがわかっている。支柱は、徐々に曲げられるか、又は、圧壊されるので、比較的一定レベルのエネルギー吸収を生ずる傾向がある。軸方向に荷重を受ける円錐体は、粉砕状況においてはしばしばより望ましいエネルギー吸収のより直線的な増加率を生じることがわかっている。しかし、支柱は独立しているので、局部荷重は、加えられた荷重の軸からオフセットした軸を有する支柱の望ましくない全体故障を引き起こす可能性がある。同様に、支柱は独立しているので、支柱は荷重中の不安定性を回避するために比較的厚くなるように形成される。
低剛性を有するコア材料によって分離された2枚の頑丈な外板からなるサンドイッチパネルは、建築部材や、道路車両及び航空機用の構造パネルのように多くの用途で使用されている。よく用いられるコアは、ハニカム構造、すなわち、各セルが六角形の断面を有するセルのアレイにより構成される。しかし、これらのセル、又は、その他の断面をもつセルは、各側壁が近傍セルと共有されるので、支柱それぞれが接続されているものとは考えられない。あるセルが局部故障又は不安定性を起こすならば、これは近傍セルに影響を与えるであろう。
各縦部材の軸は内板及び外板の面と垂直であり、各縦部材の各端は典型的に各板に接合される。したがって、ハニカム構造は、外板の一方の面に衝突する荷重と平行に配列されたセルのアレイに相当する。
国際公開公報第94/00031号は、ハニカムサンドイッチ構造を含む安全ヘルメットを開示する。一般に、ハンドレイアップ法が使用される。欧州特許第0881064号は、同様にハニカムサンドイッチ構造を有する保護エレメントを開示する。この文献は、エレメントがヘルメットを含む広範囲の保護装身具内に組み込まれることを記載している。
米国特許第3877076号はチューブのアレイを有するヘルメットを開示する。各チューブは、間隔をあけられ、他のチューブから独立している。
米国特許第4534068号は間隔をあけられたチューブのアレイをさらに開示する。局部壊滅的故障について記載されている。
ハニカム構造は、比較的小さな曲率だけをもつフラットパネル又は構造体を含む用途に適する。しかし、材料が大きな曲率を有する物に使用されるときに問題が生じる。
ハニカム構造の各六角形セルは、n・60°の回転対称角度を有する。したがって、セルは90°の角度に関する回転対称性を有さない。よって、セルは直交異方性ではなく、すなわち、セルは、第1の角度で加えられた荷重に対して、第1の角度から90°が加えられた第2の角度で加えられた荷重とは異なる応答を有する。ヘルメットを形成するとき、材料は回転楕円形状を形成するため二つの直交軸に関して金型の周りで曲げられる。したがって、六角形構造は、希望の曲率を実現しようとするときに困難を生じる可能性がある。
さらに、六角形構造は、軸に関する正曲率が直交軸に関する負曲率を生じ(鞍の形状がこの現象を説明する)、本質的にアンチクラスティックである。このこともまた形成プロセスにおける困難の原因となる。
さらに、大きな曲率に弾性変形しなければならないパッドのような装置にハニカム構造を使用することには欠点がある。これらの欠点は構造体の比較的硬質な性質を含む。六角形エレメントは、それぞれが縦方向エッジ毎に堅く固定された6つの平板であると考えられる。このようなエレメントと、これらのエレメントから生産される構造体が比較的不撓性であることは理論的かつ経験的に知られている。このような材料から生産されるパッドはこわばった感触があり、あまり快適ではない傾向がある。装置のエネルギー吸収能力を犠牲にすることなく快適性が改良されることが望ましい。
本発明の第1の態様によれば、エネルギー吸収セルのアレイを備え、各セルがチューブを備え、実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁と近接又は隣接する側壁を有し、実質的に各チューブは荷重がチューブの軸と平行に加えられるときにチューブの向きが実質的に維持されるように構成される、ユーザが装着する人体保護装置が提供される。
用語「チューブ」は、規則的又は不規則的な幾何学的性質を有する中空構造体を表すため使用される。好ましくは、チューブは筒体又は錐体構造を有し、より好ましくは、円筒又は円錐構造を有する。筒体チューブ状アレイは、結果として、実質的に等方性があり、実質的にアンチクラスティックではない材料になる。
好ましくは、人体保護装置は安全ヘルメットを構成する。代替的に、人体保護装置は安全パッドを構成する。
好ましくは、実質的に各チューブは少なくとも1つの他のチューブの側壁と接する側壁を有する。好ましくは、実質的に各チューブは少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する。
好ましくは、実質的に各チューブは接着剤によって少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する。好ましくは、実質的に各チューブは、実質的にチューブの長さに沿って少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する。
代替的に、実質的に各チューブは少なくとも1つの他のチューブの側壁に溶接又は融合された側壁を有する。
1つ以上のチューブは第1の材料を含む内部コアと第2の材料を含む外部コアとを備える。好ましくは、第1の材料と第2の材料のそれぞれはポリマーである。好ましくは、第2の材料は第1の材料より低い溶融温度を有する。好ましくは、第1の材料はポリエーテルイミドを含む。好ましくは、第2の材料は、ポリエーテルイミドとポリエチレンテレフタレートの混合物を含む。
好ましくは、実質的に各チューブは少なくとも3つの他のチューブに近接又は隣接する。好ましくは、実質的に各チューブは6つの他のチューブに近接又は隣接する。
好ましくは、各チューブは2〜8mmの直径を有する。好ましくは、各チューブは約6mmの直径を有する。
好ましくは、各チューブの側壁の厚さは0.5mm未満である。好ましくは、各チューブの側壁の厚さは0.1〜0.3mmである。
好ましくは、各チューブの長さは50mm未満である。好ましくは、各チューブの長さは30〜40mmである。
好ましくは、エネルギー吸収セルのアレイは一体材料として設けられる。好ましくは、一体材料は、大きな曲率を有するか、又は、大きな曲率に変形可能である。
好ましくは、一体材料は、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、又は、ポリフェニルスルホンを含む。好ましくは、一体材料は、Tubus Honeycoms(商標)を含む。
本発明の第2の態様によれば、エネルギー吸収セルのアレイを有する第1の材料を含み、各セルがチューブを備え、実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁に近接又は隣接する側壁を有し、各チューブは実質的に荷重がチューブの軸と平行に加えられるときにチューブの向きが実質的に維持されるように構成される、ユーザによって装着される人体保護装置のライナーが提供される。
好ましくは、人体保護装置は安全ヘルメットを構成する。代替的に、人体保護装置は安全パッドを構成する。
本発明の第3の態様によれば、接着剤を使用して第2の材料に接合された第1の材料を含み、接着剤が第1の材料及び第2の材料の溶融温度より低い溶融温度を有する、人体保護装置が提供される。
好ましくは、人体保護装置は安全ヘルメットを構成する。代替的に、人体保護装置は安全パッドを構成する。
好ましくは、第1の材料及び第2の材料は接着剤の溶融温度において軟化状態にある。これは、溶融接合が第1の材料と第2の材料との間の相対運動を可能にさせるので、接着剤の溶融温度におけるヘルメットの熱成形を可能にさせる。
好ましくは、第1の材料は、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、又は、ポリフェニルスルホン材料のうちの一つである。
好ましくは、第2の材料は、ポリエーテルイミドのようなプラスチック材である。好ましくは、第2の材料は繊維強化プラスチック材である。好ましくは、繊維はガラス又はカーボンから作られる。
好ましくは、接着剤は熱可塑性物質である。好ましくは、接着剤はポリエステルベースの材料である。
好ましくは、接着剤の溶融温度は180℃未満である。好ましくは、接着剤の溶融温度は120℃〜140℃である。
好ましくは、人体保護装置は形成中に155℃〜160℃まで加熱される。
好ましくは、人体保護装置は第3の材料をさらに含み、第1の材料が第2の材料と第3の材料に挟まれる。好ましくは、第1の材料は接着剤を使用して第3の材料に接合される。
好ましくは、第1の材料は、各セルがチューブを含むエネルギー吸収セルのアレイを有する。
本発明の第4の態様によれば、第1の材料及び第2の材料の溶融温度より低い溶融温度を有する接着剤を使用して第1の材料を第2の材料に接合するステップを含む、人体保護装置を形成する方法が提供される。
好ましくは、人体保護装置は安全ヘルメットを構成する。代替的に、人体保護装置は安全パッドを構成する。
好ましくは、上記方法は、第1の材料の溶融温度で軟化状態にある第1の材料及び第2の材料を選択するステップを含む。
好ましくは、上記方法は、形成中に155℃〜160℃まで人体保護装置を加熱するステップを含む。
好ましくは、上記方法は、接着剤を使用して第1の材料を第3の材料に接合するステップを含む。
好ましくは、第1の材料は、各セルがチューブを備えるエネルギー吸収セルのアレイを有する。
本発明の実施形態は、一実施例としてのみ、添付図面を参照して次に説明される。
図1〜3を参照すると、安全ヘルメット10の形で人体保護装置が示されている。ヘルメット10は、第2の材料、すなわち、外板30と、第3の材料、すなわち、内板50とによって間に挟まれた第1の材料、すなわち、コア20を含むパネル12を使用して形成される。外板30及び内板50のそれぞれは、接着剤40を使用してコアに接合される。
図3は湾曲した状態におけるサンドイッチパネル12を示す。このような状態では、材料は、中立軸14における(パネル12の主面に関して)ゼロ応力の状態から、外板30の外面における最大引張応力の状態及び内板50の内面における最大圧縮応力の状態まで線形に変化する。これらの引張応力及び圧縮応力はそれぞれ引張歪み及び圧縮歪みの原因となる。したがって、外板30とコア20の間、及び、内板50とコア20との間には、接着剤40によって妨げられない限り、滑りが存在する。
従来のコア構造は、図4に示されたハニカム、すなわち、六角形配置である。各六角形セル60は、60°、120°などの、すなわち、nを整数として、n×60°の回転対称角度62、64を有する。したがって、セルは90°の回転対称角度を有さないので、材料全体は直交異方性がない。さらに、材料はアンチクラスティックである。
さらに、ハニカムセル60は、各セル60の6つの側壁のそれぞれが近傍セルと共有されるので、支柱それぞれが接続されているとは考えられない。
図5は本発明によるコア材料20のセルのアレイを示す。各セルはチューブ22を備える。チューブ22は、隣接するチューブ間のギャップが最小化されるように、密接にパックされたアレイとして配置される。各チューブは6mmの直径と、0.1〜0.3mmの厚さと、約35mmの長さとを有する。これにより、100〜350の縦横比(長さと径の比)と、20〜60のアスペクト比(径と厚さの比)とが得られる。これらの値は従来技術の配置より1桁又は2桁大きいということが理解されるはずである。
これらの幾何学的な値の使用、特に、小さな厚さが使用されることの結果として、ポリマー材料がチューブに使用されるときであっても、希望の進行性座屈故障モードがもたらされる。チューブが隣接したチューブに接続され、かつ、隣接したチューブによって支持されるので、全体座屈故障モードの原因となり得る不安定性は回避される。チューブの周りで円周に沿って離された6つの他のチューブに接続されていることは、チューブの軸に垂直なあるあらゆる方向での支持を提供する。したがって、(典型的に加えられた荷重の軸と平行である)各チューブの向きは、加えられた荷重によって引き起こされる進行性局部座屈の間、実質的に維持される。
チューブは接着剤を使用して一つに接合されることがある。別の適切な方法は、同時に押出成形された第1の材料の内部コア及び第2の材料の外部コアからチューブを形成することである。第2の材料は第1の材料より低い溶融温度を有するように選択される。典型的に、摂氏15度と20度との間の差が使用される。形成中に、チューブは、第1の材料の溶解温度と第2の材料の溶融温度との間の温度まで加熱される。これはチューブの側壁を一つに溶接又は融合させる。この方法は、形状のより容易な形成を可能にさせ、形成中により優れた一貫性を与える。
チューブが僅かな量の変形に続いて接触するように非常に近接している限り、チューブは、互いに支持を提供するため接続されること、さらには接することが必要とされないことが理解されるべきである。
本発明による装置は、従来技術の装置に対する著しい改良である80%を超えるエネルギー吸収効率を提供することが経験的に知られている。
各チューブ22は無限の回転対称角度を有するので、全体的なチューブ状アレイは、結果として、実質的に等方性があり、かつ、アンチクラスティックではない材料になる。それにもかかわらず、チューブは、円形以外の断面をもつことが可能であり、各チューブが他のチューブの側壁に近接した側壁を有するならば、依然として優れたエネルギー吸収を提供する。
図6は湾曲した状態のチューブ状アレイを示す。上記のように、中立軸14における平面応力及び平面歪みはゼロであるので、各チューブ22は図7aに示されるように円形の形状を維持する。内面24において、チューブ22は湾曲の方向に圧縮され、この位置におけるチューブの外形が図7bに誇張された形式に示されている。外面26において、チューブは湾曲の方向に伸張され、この位置におけるチューブの外形が図7cに示されている。
チューブ22の圧縮及び伸張にもかかわらず、チューブ22の外形は、材料20の厚さの至るところで平均化されたとき、中立軸14で見出される外形と同じくらいであることに注意すべきである。さらに、直交軸に関する湾曲が存在するならば、これは直交方向における圧縮及び伸張の原因となる傾向があり、チューブ22の直径は内面24で縮小され、外面26で拡大されるが、厚さの至るところにおける点でチューブ22の外形を中立軸14において見出される外形と同じくらいにさせる傾向がある。チューブは、実質的に、構造体のエネルギー吸収能力を一層改良する錐体である。
ヘルメットは適切な熱成形プロセスを使用して形成される。図8に示されるように、サンドイッチパネル12は、ヒーター70を使用して、接着剤40の溶融温度を上回る155℃〜160℃の温度まで加熱される。
サンドイッチパネル12は、次に、図9に示されるような金型へ移される。金型の雄型72は典型的にゴム接触面を有し、雌型74は典型的にアルミニウムから作られる。金型は大気温度の状態であり、パネル12の移動は迅速に、好ましくは、パネル12の冷却を最小限に抑えるために6秒未満に行われるべきである。雄型72は、その後に、パネル12が金型の形状になるように、雌型74へ向かって進められる。
パネル12は接着剤の溶融温度より高く加熱されているので、滑りが外板30とコア20との間、及び、内板50とコア20との間で起きる。50℃を下回る温度までのパネル12の冷却は、パネルが湾曲した外形をとり、接着剤が板30と50のそれぞれをコア20にもう一度接合することを保証する。金型の両方の型が今度は離される。湾曲したパネル12は図10に示されている。
種々の変更及び改良が本発明の範囲を逸脱することなくなされる。たとえば、アレイのチューブは円錐状であり、任意の円錐角を有する。
Claims (38)
- ユーザが装着する人体保護装置であって、
エネルギー吸収セルのアレイを備え、
各セルがチューブを含み、
実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁と近接又は隣接する側壁を有し、
実質的に各チューブが、前記チューブの軸と平行に荷重が加えられるときに前記チューブの向きが実質的に維持されるように構成される、人体保護装置。 - 前記チューブが筒体又は錐体構造を有する、請求項1に記載の人体保護装置。
- 安全ヘルメットを構成する、請求項1又は2に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁と接する側壁を有する、請求項1〜3の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する、請求項1〜4の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが接着剤によって少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する、請求項5に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが、実質的に前記チューブの長さに沿って少なくとも1つの他のチューブの側壁に接続された側壁を有する、請求項5又は6に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁に溶接又は融合された側壁を有する、請求項5に記載の人体保護装置。
- 1つ以上のチューブが第1の材料を含む内部コアと第2の材料を含む外部コアとを備える、請求項8に記載の人体保護装置。
- 前記第2の材料が前記第1の材料より低い溶融温度を有する、請求項9に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが少なくとも3つの他のチューブに近接又は隣接する、請求項1〜10の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 実質的に各チューブが6つの他のチューブに近接又は隣接する、請求項1〜10の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブが2〜8mmの直径を有する、請求項1〜12の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブが約6mmの直径を有する、請求項1〜12の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブの前記側壁の厚さが0.5mm未満である、請求項1〜14の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブの前記側壁の厚さが0.1〜0.3mmである、請求項1〜14の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブの長さが50mm未満である、請求項1〜16の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 各チューブの長さが30〜40mmである、請求項1〜16の何れか一項に記載の人体保護装置。
- 前記エネルギー吸収セルのアレイが一体材料として設けられる、請求項1〜18の何れか一項に記載の人体保護装置。
- ユーザによって装着される人体保護装置のライナーであって、
エネルギー吸収セルのアレイを有する第1の材料を含み、各セルがチューブを備え、実質的に各チューブが少なくとも1つの他のチューブの側壁に近接又は隣接する側壁を有し、各チューブは実質的に荷重が前記チューブの軸と平行に加えられるときに前記チューブの向きが実質的に維持されるように構成される、ライナー。 - 前記人体保護装置が安全ヘルメットを構成する、請求項20に記載のライナー。
- 本発明の第3の態様により提供される人体保護装置であって、
接着剤を使用して第2の材料に接合された第1の材料を含み、前記接着剤が前記第1の材料及び前記第2の材料の溶融温度より低い溶融温度を有する、人体保護装置。 - 前記第1の材料及び前記第2の材料が前記接着剤の前記溶融温度において軟化状態にある、請求項22に記載の人体保護装置。
- 前記第1の材料が、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、又は、ポリフェニルスルホン材料のうちの一つである、請求項22又は23に記載の人体保護装置。
- 前記第2の材料がプラスチック材である、請求項22〜24のいずれか一項に記載の人体保護装置。
- 前記第2の材料が繊維強化プラスチック材である、請求項25に記載の人体保護装置。
- 前記接着剤が熱可塑性物質である、請求項22〜26のいずれか一項に記載の人体保護装置。
- 前記接着剤がポリエステルベースの材料である、請求項27に記載の人体保護装置。
- 前記接着剤の溶融温度が180℃未満である、請求項22〜28のいずれか一項に記載の人体保護装置。
- 前記接着剤の溶融温度が120℃〜140℃である、請求項29に記載の人体保護装置。
- 形成中に155℃〜160℃まで加熱される、請求項30に記載の人体保護装置。
- 第3の材料をさらに含み、前記第1の材料が前記第2の材料と前記第3の材料に挟まれ、前記第1の材料が前記接着剤を使用して前記第3の材料に接合される、請求項22〜31のいずれか一項に記載の人体保護装置。
- 前記第1の材料がエネルギー吸収セルのアレイを有し、各セルがチューブを含む、請求項22〜32のいずれか一項に記載の人体保護装置。
- 人体保護装置を形成する方法であって、
第1の材料及び第2の材料の溶融温度より低い溶融温度を有する接着剤を使用して、前記第1の材料を前記第2の材料に接合するステップを備える方法。 - 前記第1の材料の前記溶融温度で軟化状態にある前記第1の材料及び前記第2の材料を選択するステップを含む、請求項34に記載の方法。
- 形成中に155℃〜160℃まで前記人体保護装置を加熱するステップを含む、請求項34又は35に記載の方法。
- 前記接着剤を使用して前記第1の材料を第3の材料に接合するステップを含む、請求項34〜36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の材料がエネルギー吸収セルのアレイを有し、各セルがチューブを含む、請求項34〜37のいずれか一項に記載の方法。
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