JP2011225164A - 衝撃吸収材及び衝撃吸収材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料費や製造工数の増加を抑制しつつ、衝突初期における衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制する。
【解決手段】硬質ポリウレタンフォームからなる立体構造とされた衝撃吸収材であって、衝突体１２の衝突時の衝撃を受ける衝突面１４と、該衝突体１２の衝突方向において衝突面１４の反対側に位置する底面１６と、衝突面１４と底面１６とを連結する側面１８と、を有し、該側面１８には、衝突方向と交差する方向に延在する溝２０が形成されている。衝突体１２の衝突面１４への衝突時に、側面１８に、溝２０を起点とする比較的小さな割れ７８を発生させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、衝撃吸収材に係り、特に車両の衝突時等に車室内の乗員の体に加えられる衝撃エネルギーを吸収し、該乗員の傷害値を低減するための衝撃吸収材及び衝撃吸収材の製造方法に関する。

従来、車両の衝突時等において、乗員の体が車室の内装材（インストルメントパネル、ドアトリム、天井等）に衝突した際の衝撃を吸収して該乗員を保護するために、車室の内装材と車体との間に、衝撃吸収材を設けることが行われている。

この衝撃吸収材として、硬質ポリウレタンフォーム製のものが開示されている（特許文献１参照）。この衝撃吸収材は、硬質ポリウレタンフォームと、サポータ層とが一体とされたものであり、硬質ポリウレタンフォームが割れた場合でも、サポータ層によって硬質ポリウレタンフォームが繋がってバラバラにならない。この結果、硬質ポリウレタンフォームが衝突初期において飛散せず所定の場所に位置するため、設計通り、エネルギー吸収特性が十分に発揮されるようになっている。

特開２００７−２２１４６号公報

しかしながら、上記した従来例では、サポータ層を設けることによる材料費や製造工数の増加が発生するため、この点において改良が求められている。

本発明は、上記事実を考慮して、材料費や製造工数の増加を抑制しつつ、衝突初期における衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制することを目的とする。

請求項１の発明は、硬質ポリウレタンフォームからなる立体構造とされた衝撃吸収材であって、衝突体の衝突時の衝撃を受ける衝突面と、前記衝突体の衝突方向において前記衝突面の反対側に位置する底面と、前記衝突面と前記底面とを連結する側面と、を有し、該側面には、前記衝突方向と交差する方向に延在する溝が形成されている。

請求項１に記載の衝撃吸収材では、衝突面への衝突体の衝突方向と交差する方向に延在する溝が、側面に形成されているので、該衝突体の衝突時に、該溝を有しない従来構造と比較して小さな割れ（破壊）が、該溝を起点として側面に発生する。このような比較的小さな割れを発生させることで、材料費や製造工数の増加を抑制しつつ、衝突体が衝突面に衝突した際の衝突初期における、衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の衝撃吸収材において、前記衝突面は、前記底面より小さく、該衝突面の真上から見て、該衝突面の輪郭が前記底面の輪郭の内側にある。

請求項２に記載の衝撃吸収材では、衝突面が底面より小さく、該衝突面の真上から見て、該衝突面の輪郭が底面の輪郭の内側にあるため、衝撃吸収材の高さ方向に対して斜め方向から衝撃が加わった場合にも、衝突初期から衝突末期まで、衝撃吸収材が、衝突面から底面に向かって軸圧縮変形する。このため、衝突初期から衝突末期まで、衝撃エネルギーを安定して吸収することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の衝撃吸収材において、前記溝は、断面円弧形状に形成され、該溝の曲率半径は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

ここで、溝の曲率半径の下限値を０．５ｍｍとしたのは、これを下回ると、衝突体の衝突面への衝突時における、比較的小さな割れの発生箇所が少なくなり、衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制することが難しくなる懸念があるからである。また溝の曲率半径の上限を５ｍｍとしたのは、これを上回ると、衝撃吸収材の体積が減少して、吸収可能な衝突エネルギーが少なくなる懸念があるからである。

請求項３に記載の衝撃吸収材では、このように溝の断面形状及び寸法を設定することにより、衝突体が衝突面に衝突した際の衝突初期における、衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制しつつ、より多くの衝突エネルギーを吸収することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の衝撃吸収材において、前記溝は、前記衝突面から前記底面までの前記側面に３本以上形成されている。

請求項４に記載の衝撃吸収材では、溝の本数を適切に設定しているので、側面に比較的小さな割れを適度に発生させることができる。このため、衝突初期における衝撃吸収材の大きな割れや飛散を、より一層抑制することができる。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の衝撃吸収材の製造方法であって、離型フィルムを予め真空成形して、前記衝突面、前記側面及び前記溝に対応する形状を有する凹部を形成しておき、前記離型フィルムの前記凹部を下型内に設置し、前記下型に上型を接合することで前記離型フィルムの前記凹部と前記上型との間にキャビティを形成し、該キャビティ内に硬質ポリウレタンの発泡原料を注入し、発泡及び膨張させ、該膨張が終了してから前記上型を開き、成形品となった前記衝撃吸収材を前記離型フィルムから剥離させて取り出す衝撃吸収材の製造方法である。

衝撃吸収材の側面に溝を設けるために、該溝に対応する凸状の稜線状突起を金型に直接設けた場合、いわゆるアンダーカット形状となり得るため、該金型内で発泡成形された衝撃吸収材を脱型しようとする際に引っ掛かりが生じて、脱型することができない。またこれを無理に脱型しようとすると、成形された衝撃吸収材の側面が崩れることが懸念される。

その点、請求項５に記載の衝撃吸収材の製造方法では、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の衝撃吸収材を製造するに際し、離型フィルムの凹部と上型との間に形成されるキャビティ内で硬質ポリウレタンの発泡原料を発泡及び膨張させるので、衝撃吸収材の側面に溝を設けることでアンダーカット形状となっていても、比較的柔軟な離型フィルムが変形することで該衝撃吸収材を容易に脱型することができる。このため、脱型時における衝撃吸収材の側面の崩れを抑制することができる。また、様々な溝形状の形成が容易である。

以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の衝撃吸収材によれば、材料費や製造工数の増加を抑制しつつ、衝突初期における衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制することができる、という優れた効果が得られる。

請求項２に記載の衝撃吸収材によれば、衝突初期から衝突末期まで、衝撃エネルギーを安定して吸収することができる、という優れた効果が得られる。

請求項３に記載の衝撃吸収材によれば、衝突体が衝突面に衝突した際の衝突初期における、衝撃吸収材の大きな割れや飛散を抑制しつつ、より多くの衝突エネルギーを吸収することができる、という優れた効果が得られる。

請求項４に記載の衝撃吸収材によれば、衝突初期における衝撃吸収材の大きな割れや飛散を、より一層抑制することができる、という優れた効果が得られる。

請求項５に記載の衝撃吸収材の製造方法によれば、脱型時における衝撃吸収材の側面の崩れを抑制することができる、という優れた効果が得られる。

衝撃吸収材を示す斜視図である。 溝を示す拡大側面図である。 衝撃吸収材の製造に用いる金型において、離型フィルムを用いて衝撃吸収材を成形している状態を示す断面図である。 離型フィルムの凹部を示す斜視図である。 図３において、発泡成形した衝撃吸収材を離型フィルムから取り出した状態を示す断面図である。 車両のインストルメントパネル内に設けられた衝撃吸収材と、着座乗員との位置関係を示す断面図である。 衝突体が衝撃吸収材の衝突面に衝突し、該衝撃吸収材の側面に、溝を起点とした小さな割れが生じた状態を示す断面図である。 側面に溝を有する本発明の実施例と、該溝を有しない従来例についての、衝撃吸収材の軸圧縮変形時の変位と荷重との関係を比較して示す線図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。図１において、本実施の形態に係る衝撃吸収材１０は、硬質ポリウレタンフォームからなる立体構造とされている。この衝撃吸収材１０は、衝突面１４と、底面１６と、側面１８とを有している。硬質ポリウレタンフォームは、ポリヒドロキシ化合物とポリイソシアネート化合物とを主成分とし、これらを発泡・膨張させることで成形される。なお、本実施形態では、衝突体１２（図７）の衝突方向をＨとし、該衝突方向と交差する方向を幅方向Ｗとして考える。

衝突面１４は、衝突体１２において、衝突時の衝撃を受ける、例えば矩形の面である。底面１６は、衝突体１２（図７）の衝突方向において衝突面１４の反対側に位置する、例えば矩形の面である。衝突面１４は、底面１６より小さく、該衝突面１４の真上から見て、該衝突面１４の輪郭が底面１６の輪郭の内側にあるように設定されている。

側面１８は、衝突面１４と底面１６とを連結しており、例えば２対、即ち４面設けられている。この側面１８には、衝突方向と交差する例えば幅方向Ｗに延在する溝２０が形成されている。図２に示されるように、この溝２０は、曲率半径Ｒが０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の断面円弧形状に形成されている。ここで、溝２０の曲率半径の下限値を０．５ｍｍとしたのは、これを下回ると、衝突体１２の衝突面１４への衝突時における、比較的小さな割れの発生箇所が少なくなり、衝撃吸収材１０の大きな割れや飛散を抑制することが難しくなるからである。また溝２０の曲率半径Ｒの上限を５ｍｍとしたのは、これを上回ると、衝撃吸収材１０の体積が減少して、吸収可能な衝突エネルギーが少なくなるからである。

また溝２０は、衝突面１４から底面１６までの側面１８の全面にわたって、複数本形成されている。図１に示される例では、５本の溝２０が等間隔に形成されている。また溝２０は、側面１８の例えば全周にわたって連続的に形成されている。ここで、衝突面１４から底面１６までの側面１８の全面における溝２０の本数を３本以上としたのは、２本以下では衝突体１２の衝突面１４への衝突時における比較的小さな割れの発生箇所が少なくなり、衝撃吸収材１０の大きな割れや飛散を抑制することが難しくなるからである。

なお、溝２０の本数は、３本／ｃｍ以下とすることが望ましい。これを上回ると、成形性が阻害されるからである。衝撃吸収材１０に要求される性能に応じて、衝突面１４寄りに形成される溝２０の本数を、底面１６寄りに形成される溝２０の本数より多くしたり、逆に少なくしたりする等、溝２０の配置を不等間隔としてもよい。

また衝撃吸収材１０の全体形状は、図示されるような四角錘台形に限られるものではなく、円錐台形や円筒形等であってもよい。従って、衝突面１４及び底面１６は矩形に限られず、矩形以外の多角形の他、円形や楕円形であってもよい。また側面１８も平面に限られず、曲面であってもよい。幅方向に互いに反対側に位置する側面１８が複数対ある場合には、少なくとも一対の側面１８に溝２０を形成することが、効率的にエネルギー吸収する観点から好ましい。

（衝撃吸収材の製造方法）
図４において、本実施形態に係る衝撃吸収材の製造方法では、離型フィルムの一例たるポリプロピレンのフィルム４６を予め真空成形して、衝突面１４に対応する形状３４と、該衝撃吸収材１０の側面１８に対応する形状３８と、溝２０に対応する形状４０（稜線状の凸部）とを有する凹部４８を形成しておく。ポリプロピレンは、硬質ポリウレタンフォームや金型２２に対する離型性に優れ、かつ繰り返し使用できるので、フィルム４６の材料として好適である。真空成形法は公知の方法を採用し得る。本実施形態の場合、ポリプロピレンのフィルム４６を１８０〜２００℃、１５〜２０秒間程度加熱したものを真空成形することが好ましい。

このフィルム４６の厚さは、０．３〜１．０ｍｍ、特に０．３〜０．６ｍｍであることが好適である。０．３ｍｍよりも薄いと十分な強度が維持できず、成形時にフィルム４６が破損する場合がある。一方、１．０ｍｍよりも厚くなると、製品寸法誤差が大きくなり、金型２２を大きめに作らざるを得ない問題が生じ、脱型時のフィルム４６の変形が起こり難くなり、また、成形品の形状によって複雑なものはフィルム４６と硬質ポリウレタンとが分離し難くなる場合が起きる。

本製造方法では、図３に示されるように、フィルム４６の凹部４８を下型２４内に設置し、下型２４に上型２８を接合することでフィルム４６の凹部４８と上型２８との間にキャビティ５６を形成する。下型２４は、硬質ポリウレタンの発泡時にフィルム４６の変形を抑制するように凹部４８を支持可能な形状であればよい。この下型２４の底部には、箱状の空気室３０が設けられている。この空気室３０には、圧力調整バルブ３２を介装するエアー管３６の一端が接続され、該エアー管３６の他端は圧縮空気導入・吸引装置５２と連結されている。この空気室３０と下型２４内とは、複数のエアー連通孔（空気穴）４４によって連通している。

衝撃吸収材１０を製造する際には、図３に示されるように、キャビティ５６内に硬質ポリウレタンの発泡原料（図示せず）を注入し、発泡及び膨張させる。発泡原料の膨張が終了してから、図５に示されるように、上型２８を開き、圧縮空気導入・吸引装置５２から空気室３０内に圧縮空気を供給し、該空気室３０からエアー連通孔４４を通じて下型２４内に矢印Ａ方向に圧縮空気を供給する。フィルム４６が該圧縮空気の圧力により矢印Ｂ方向に押し出されて反転することで、成形品となった衝撃吸収材１０が該フィルム４６から剥離して脱型される。

脱型後、圧縮空気導入・吸引装置５２により下型２４内の空気を吸引することで、フィルム４６の凹部４８が下型２４内に再配置される。従って、１つのフィルム４６を繰り返し用いて、衝撃吸収材１０を次々と製造することができる。

衝撃吸収材１０の側面１８に溝２０を設けるために、該溝２０に対応する凸状の稜線状突起（図示せず）を金型２２の下型２４に直接設けた場合、いわゆるアンダーカット形状となるため、該金型２２内で発泡成形された衝撃吸収材１０を脱型しようとする際に引っ掛かりが生じて脱型することができない。またこれを無理に脱型しようとすると、成形された衝撃吸収材１０の側面１８が崩れることが懸念される。

その点、本製造方法では、衝撃吸収材１０を製造するに際し、ポリプロピレンのフィルム４６の凹部４８と上型２８との間に形成されるキャビティ５６内で硬質ポリウレタンの発泡原料（図示せず）を発泡及び膨張させるので、衝撃吸収材１０の側面１８に溝２０を設けることでアンダーカット形状となっていても、比較的柔軟なフィルム４６が変形することで該衝撃吸収材１０を容易に脱型することができる。このため、脱型時における衝撃吸収材１０の側面１８の崩れを抑制することができる。また必ずしも金型２２の下型２４に溝２０に対応する形状４０を形成しておく必要がないので、金型２２の加工コストを低減することができる。

なお、成形品となった衝撃吸収材１０の脱型時にフィルム４６が反転するので、衝撃吸収材１０の側面１８に対応する形状３８に、型抜き性を高めるための抜き勾配を設けないようにしてもよい。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図６において、本実施形態に係る衝撃吸収材１０は、例えば車両６０の座席６２に着座した乗員６４の膝部６６に対応して、該膝部６６の車両前方に位置するインストルメントパネル６８の内側（車室内側と反対側）に配置される。

具体的には、インストルメントパネル６８は、車室７０に設けられた座席６２の車両前方に配設されている。インストルメントパネル６８内には、インパネリインフォースメント７２が設けられている。このインパネリインフォースメント７２は、例えば高張力鋼を用いた高強度かつ高剛性のパイプ状部材とされており、車体の左右の取付け部（図示せず）に夫々固定され、車幅方向に沿って配置されている。

インパネリインフォースメント７２には、ブラケット７４が、例えば溶接により固定されている。このブラケット７４は、例えば高張力鋼を用いた高強度かつ高剛性の棒材等により構成されている。またブラケット７４は、インパネリインフォースメント７２から、インストルメントパネル６８のうち乗員６４の膝部６６の車両前方に位置する部位に向けて延びている。なお、この膝部６６が衝突するインストルメントパネル６８の部位は、衝突実験用のダミー人形を基準にして定められる。

ブラケット７４の後端には、例えば高張力鋼を用いた高強度かつ高剛性の取付け板７６が接合されている。この取付け板７６は、ブラケット７４の延在方向に対して例えば垂直に接合されている。衝撃吸収材１０は、該取付け板７６の車両後方面に接着等により取り付けられている。そして衝撃吸収材１０の衝突面１４は、インストルメントパネル６８の内面に当接又は近接して配置されている。

従って、車両６０が前面衝突し、座席６２に着座している乗員６４が、二点鎖線で示されるように慣性により車両前方に移動して、該乗員６４の膝部６６がインストルメントパネル６８に衝突すると、該インストルメントパネル６８を介して衝撃吸収材１０の衝突面１４に衝突荷重（衝撃）が入力される。

図７は、上記した膝部６６及びインストルメントパネル６８を衝突体１２として一般化し、該衝突体１２が衝撃吸収材１０の衝突面１４に衝突し、溝２０に小さな割れ７８が生じた状態を示す断面図である。このように、衝撃吸収材１０の側面１８には、複数本の溝２０が形成されているので、衝突体１２の衝突面１４への衝突時に、該側面１８の溝２０を起点として、該溝２０を有しない従来構造と比較して小さな割れ７８（破壊）が発生する。

このような比較的小さな割れを発生させることで、材料費や製造工数の増加を抑制しつつ、衝突体１２が衝突面１４に衝突した際の衝突初期における、衝撃吸収材１０の大きな割れや飛散を抑制できる。そして該衝撃吸収材１０が高さ方向Ｈに軸圧縮変形することで、より多くの衝突エネルギーを吸収して、乗員６４の傷害値を低減することができる。また、図１において、溝２０の本数を適切に設定すると共に、図２において、該溝２０の断面形状を適切に設定しているので、割れ７８をより適度に安定して発生させると共に、該割れ７８が過大となることを抑制できる。

更に衝撃吸収材１０では、衝突面１４が底面１６より小さく、該衝突面１４の真上から見て、該衝突面１４の輪郭が底面１６の輪郭の内側にあるため、衝撃吸収材１０の高さ方向Ｈに対して斜め方向から衝撃が加わった場合にも、衝突初期から衝突末期まで、衝撃吸収材１０が、衝突面１４から底面１６に向かって、より安定的に軸圧縮変形する。このため、衝突初期から衝突末期まで、衝撃エネルギーを安定して吸収することができる。

なお、図７では、衝撃吸収材１０が乗員６４の膝部６６に対応してインストルメントパネル６８内に配設されるものとしたが、衝撃吸収材１０の用途は膝部６６用には限られず、乗員６４の頭部８０の保護用として、車両６０のルーフ８２内に設けたり、側面衝突を考慮して、サイドドア等の車両側部内に設けたりすることも可能である。

（試験例）
衝撃吸収材について、直径２００ｍｍ（半径１００ｍｍ）、高さが１４０ｍｍのアルミニウムの半円柱体を衝突体として用い、該衝突体の外周面を衝撃吸収材の衝突面に対して、６．０ｍ／ｓの速度で衝突させ、軸圧縮変形した際の変位と荷重の関係を測定した。衝撃吸収材における衝突面及び底面の形状は何れも矩形であり、衝撃吸収材の幅方向において互いに反対側に位置する側面は２対となっている。衝撃吸収材において、衝突面の面積は１３０ｃｍ²（１１４ｍｍ×１１４ｍｍ）、底面の面積は１４４ｃｍ²（１２０ｍｍ×１２０ｍｍ）、衝突方向の高さ（衝突面から底面までの距離）は７０ｍｍ、溝の曲率半径は１ｍｍ、溝の本数は６本である。

図８は、衝撃吸収材の幅方向に沿った溝（横溝）を側面に設けたものを本発明の実施例とし、側面に溝を有しないものを従来例とし、側面視で衝撃吸収材の高さ方向に沿った溝（縦溝）を側面に設けたものを比較例として、衝撃吸収材の軸圧縮変形時の変位と荷重との関係を比較した線図である。各々の線と横軸とで囲まれた領域の面積が、衝突エネルギーの吸収量を意味している。実施例及び比較例において、溝は、２対の側面、即ちすべての側面（４面）に形成されている。また比較例における溝の本数及び断面形状は、実施例と同じである。従来例、比較例及び実施例は、底面と衝突面の面積、及び両者の位置関係が同じで、略同一体積である。

この図によれば、比較例と従来例との間にあまり差がないのに対し、実施例では、変位が約０．０２〜０．０６ｍの範囲において、従来例及び比較例を上回る荷重が生じている。従って、実施例では、軸圧縮変形の過程において、従来例及び比較例よりも高い荷重を維持して、衝突エネルギーを効率的に吸収できることがわかる。

１０ 衝撃吸収材
１２ 衝突体
１４ 衝突面
１６ 底面
１８ 側面
２０ 溝
２２ 金型
２４ 下型
２８ 上型
３４ 衝突面に対応する形状
３８ 側面に対応する形状
４０ 溝に対応する形状
４６ フィルム（離型フィルム）
４８ 凹部
５６ キャビティ

Claims (5)

1. 硬質ポリウレタンフォームからなる立体構造とされた衝撃吸収材であって、
   衝突体の衝突時の衝撃を受ける衝突面と、
   前記衝突体の衝突方向において前記衝突面の反対側に位置する底面と、
   前記衝突面と前記底面とを連結する側面と、を有し、
   該側面には、前記衝突方向と交差する方向に延在する溝が形成されている衝撃吸収材。
2. 前記衝突面は、前記底面より小さく、該衝突面の真上から見て、該衝突面の輪郭が前記底面の輪郭の内側にある請求項１に記載の衝撃吸収材。
3. 前記溝は、断面円弧形状に形成され、
   該溝の曲率半径は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の衝撃吸収材。
4. 前記溝は、前記衝突面から前記底面までの前記側面に３本以上形成されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の衝撃吸収材。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の衝撃吸収材の製造方法であって、
   離型フィルムを予め真空成形して、前記衝突面、前記側面及び前記溝に対応する形状を有する凹部を形成しておき、
   前記離型フィルムの前記凹部を下型内に設置し、前記下型に上型を接合することで前記離型フィルムの前記凹部と前記上型との間にキャビティを形成し、
   該キャビティ内に硬質ポリウレタンの発泡原料を注入し、発泡及び膨張させ、
   該膨張が終了してから前記上型を開き、成形品となった前記衝撃吸収材を前記離型フィルムから剥離させて取り出す衝撃吸収材の製造方法。

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