JP2023059843A - ヘルメット - Google Patents

Abstract

【課題】走行時における空気抵抗の軽減を図ることができるヘルメット（自転車やバイク向けのヘルメット）を提供する。【解決手段】本発明のヘルメット１は、頭部を覆って保護する帽体２と、帽体２の内部に取り付けられて外部からの衝撃を吸収して頭部を保護する衝撃吸収部材３とを有するヘルメットであって、帽体２の前部側に設けられ且つ帽体２及び衝撃吸収部材３を外部から内部に向けて貫通するように形成された前貫通孔１１と、帽体２の後部側に設けられ且つ帽体２及び衝撃吸収部材３を外部から内部に向けて貫通するように形成された後貫通孔１２と、前貫通孔１１と後貫通孔１２とを連通状につなぐトンネル部１３を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、頭部を保護するヘルメットに関する技術であり、特に自転車やバイク（原動機を搭載した二輪車）などに搭乗する際に、搭乗者が装着するのに好適とされるヘルメットに関する。

従来、自転車、特にスポーツ用自転車（ロードバイクやマウンテンバイク、以下、まとめてロードバイクと呼ぶ）に搭乗する際には、搭乗者はヘルメットをかぶることが多い。この理由としては、通常の自転車（俗に言うママチャリ）に比して、ロードバイクは軽量で高速走行が可能となっており、転倒した際、搭乗者に対する衝撃やダメージは大きなものとなるからである。特に搭乗者の頭部へのダメージは、大きな事故につながるため避けるべきものである。

上記の理由により、ロードバイクに搭乗する際は、搭乗者がヘルメットを装着することはスタンダードなものとなっている。ロードバイク向けのヘルメットは非常に軽量であり、肉厚の薄いシェルの内側に衝撃吸収ライナーが装着されてなる帽体であり、加えて、帽体の複数箇所に貫通孔が開けられたものとなっている。搭乗者はこのような構成のヘルメットを頭部に装着している。

前述のごとく、ロードバイク用のヘルメットでは、必要とされる強度を保持し得る範囲内で、複数箇所に厚み方向を向いた貫通孔を設けるようにしている。この貫通孔は、ヘルメットの軽量化を目的するとともに、通気性を良好にし、搭乗者の頭部を冷却する作用を発現するものとされている。

例えば、特許文献１にはロードバイクに好適なヘルメットが開示されており、このヘルメットは、外殻とこの外殻に結合された内層と有し、前部装着場所はヘルメットの前側部分にて、内層の内面から内方にオフセットしており、後部装着場所はヘルメットの後部部分にて内面から内方にオフセットしており、着用者の頭部と内面との間に隙間が形成され、この隙間を空気が流れるようになっている内部通気システムが備えられたものとなっている。

特開２０１７－１５０１２６号公報

近年、ツール・ド・フランスなどに代表されるロードバイクを用いた自転車競技は非常に盛んなものとなってきている。このような自転車競技においては、走行スピードも高速になり、坂道を下る際には６０ｋｍ／ｈ以上の速度が出るようになっている。そのような高速走行を可能とするため、ロードバイク自体の軽量化、空力特性の向上はもとより、ヘルメットの空力特性、特に高速走行時の空気抵抗軽減は、早急に望まれるものとなっている。

しかしながら、ヘルメットにおける空気抵抗軽減の技術は、帽体の形状を流線型や錘体型にするといった域をでず、新たな技術が開発されるに至ってはいない。特許文献１に開示された技術も空気抵抗の軽減に資するものとはなっていない。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、走行時における空気抵抗の軽減を図ることができるヘルメット（自転車やバイク向けのヘルメット）を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。

本発明にかかるヘルメットは、頭部を覆って保護する帽体と、前記帽体の内部に取り付けられて外部からの衝撃を吸収して前記頭部を保護する衝撃吸収部材と、前記帽体及び衝撃吸収部材を外部から内部に向けて貫通するように設けられた貫通孔と、を有するヘルメットであって、前記帽体の前部側に設けられ、且つ前記帽体及び衝撃吸収部材を外部から内部に向けて貫通するように形成された前貫通孔と、前記帽体の後部側に設けられ、且つ前記帽体及び衝撃吸収部材を外部から内部に向けて貫通するように形成された後貫通孔と、前記前貫通孔と後貫通孔とを連通状につなぐトンネル部と、を有することを特徴とする。

好ましくは、前記前貫通孔と後貫通孔とトンネル部により、前方から流れてくる空気を後方へ吐出させることができる流路が形成されているとよい。

好ましくは、前面から見た前記帽体の底部から頂部までの高さをＨとし前記帽体の底部から前貫通孔の中心部の位置までの高さをｈとした際に、ｈ／Ｈが０．５４以上０．６以下とされているとよい。

好ましくは、前記前貫通孔の前面投影面積をＳＦとし前記帽体の前面投影面積をＳＴとした際に、ＳＦ／ＳＴが０．０２２以下（ＳＦ／ＳＴ＝０は除く）とされているとよい。

好ましくは、前記前貫通孔の前面投影面積をＳＦとし前記後貫通孔の後面投影面積をＳＲとした際に、ＳＲ／ＳＦが０．６以上とされているとよい。

好ましくは、前記帽体の天頂部であって前記衝撃吸収部材の内壁面には、前後方向に沿って下方開口状の溝条部が形成されており、この溝条部の下方開口を板状部材で覆うことで、前記トンネル部が形成されているとよい。

本発明のヘルメットによれば、走行時における空気抵抗の軽減を確実に図ることができる。

本発明のヘルメットの外観斜視図である。 本発明のヘルメットの前方斜視図である。 本発明のヘルメットの後方斜視図である。 本発明のヘルメットの内部を下方から見た図である。 本発明のヘルメットを垂直面で切断した断面斜視図である。 本発明のヘルメットを垂直面で切断した断面斜視図であり、使用態様時の空気の流れを示した図である。 本発明のヘルメットにおける空気の流れを解析した状況を示した一例図である。 前貫通孔の上下位置を変化させた場合におけるヘルメットの空気抵抗Ｆｘの変化を示したグラフである。 前貫通孔の面積ＳＦを変化させた場合におけるヘルメットの空気抵抗Ｆｘの変化を示したグラフである。 「後貫通孔の面積ＳＲ／前貫通孔の面積ＳＦ」を変化させた場合におけるヘルメットの空気抵抗の変化を示したグラフである。

以下、本発明にかかるヘルメットの実施形態を、図を参照して説明する。

なお、以下に説明する実施形態においては、スポーツ用自転車（ロードバイクやマウンテンバイク、以下、まとめてロードバイクと呼ぶ）に搭乗する際に使用するヘルメット１を例示する。このヘルメット１は原動機を搭載した二輪車（バイク）などに搭乗する際に用いても何ら問題はない。ヘルメット１の前後方向について、図２などに図示しており、これはヘルメット１を着用した使用者から見た方向と一致する。

図１に示すように、本発明のヘルメット１は、頭部に対してずれなく被ることができる大きさを有するものである。具体的には、本発明のヘルメット１は、頭部を覆って保護する帽体２と、帽体２の内部に取り付けられ、外部からの衝撃を吸収して頭部を保護する衝撃吸収部材３と、頭部の顎に掛けて締めることで、衝撃吸収部材３が装着された帽体２（ヘルメット１）を頭部に安定して着用する紐体４とを有する。

帽体２は、頭部の大きさよりやや大きい椀型の筐体を有し、帽体２は、空力特性を考慮し流線型乃至は錐体型であり、少なくとも搭乗者の前頭部及び後頭部を覆う部材である。帽体２は、シェルと呼ばれる硬質の材質で構成されており、例えば、ＰＣ樹脂などのプラスチックなどで構成されている。帽体２の前部や側部、頂部には、貫通孔５が設けられている。この貫通孔５は、前方から流れてくる風をヘルメット１内に流入させ通気性を高め、頭部の冷却や蒸れ防止を実現する。

帽体２の下端側の内壁面には、紐体４が取り付けられている。紐体４の取り付け部分は、帽体２内の左側の内壁面に一つ設けられ、帽体２内の右側の内壁面に一つ設けられ、帽体２内の後側の内壁面に一つ設けられている。

衝撃吸収部材３は、帽体２の内側にずれなく固定されている。衝撃吸収部材３は、頭部をずれなく覆うことができる大きさの部材である。衝撃吸収部材３の内壁面には、頭部との容易な接触を実現するために、クッション体などが全面乃至は一部に設けられている。衝撃吸収部材３は、外部からの衝撃を吸収して頭部を保護する材料で形成されており、例えば、発泡スチロールで形成されている。

衝撃吸収部材３は、例えば、ロードバイクで走行中に転倒して路面などから帽体２へ衝撃が加わったとき、変形することで衝撃を吸収して頭部を保護する。この衝撃吸収部材３と帽体２により、頭部が確実に保護される。

紐体４は、顎に掛けて締めることでヘルメット１（衝撃吸収部材３及び帽体２）を搭乗者の頭部に安定して着用する部材である。すなわち、紐体４は、着用時に顎に掛けることで、ヘルメット１が搭乗者の頭部から脱落することを防ぐ部材である。

紐体４は、顎に掛けるため、可撓性を備える材料で形成されている。紐体４は、例えば、ナイロンやポリエステルなどで形成されていることが多い。紐体４は、帽体２の内壁面において、吊下された状態で３箇所に取り付けられている。

詳しくは、紐体４は、帽体２の内壁面の右前側と右後側のそれぞれに、吊下された状態で取り付けられている。その右前側の顎紐４ａと、右後側の顎紐４ｂは、まとめられていて、その先端に締結部材（バックル６）の一方側が取り付けられている。

また、紐体４は、帽体２の内壁面の左前側と左後側のそれぞれに、吊下された状態で取り付けられている。その左前側の顎紐４ｃと、左後側の顎紐４ｄは、まとめられていて、その先端にバックル６の他方側が取り付けられている。バックル６は、紐体４の長さを調整することができ、使用者の頭部に合うように、紐体４の長さを調整するものである。

さて、本発明のヘルメット１は、ヘルメット１の前部に形成された前貫通孔１１と、後部に形成された後貫通孔１２とがヘルメット１内部において連通していることに大きな特徴がある。この前貫通孔１１と後貫通孔１２とが連通することで構成されるトンネル部１３により、前貫通孔１１から入った空気をスムーズに後貫通孔１２に流し、ヘルメット１に対する空気抵抗を下げ、ヘルメット１の空力特性を大幅に向上させるものとしている。

具体的には、図２の如く、ヘルメット１の前部であって頭頂部に近い側には、ヘルメット１の外部から内部に向けて貫通状に形成された前貫通孔１１が設けられている。この前貫通孔１１の形は様々なものが考えられるが、本実施形態では、前面視で略五角形を有し、開口部が略前方を向く貫通孔とされている。

同様に、図３の如く、ヘルメット１の後部であって頭頂部に近い側には、ヘルメット１の外部から内部に向けて貫通状に形成された後貫通孔１２が設けられている。この後貫通孔１２の形は様々なものが考えられるが、本実施形態では、後面視で略楕円形を有し、開口部が略後方を向く貫通孔とされている。

一方、図５に示すように、ヘルメット１（衝撃吸収部材３）の頂部の内壁部には、前後方向を向く凹状の溝部７（下方開口状の溝条部７）が形成されている。この溝部７は前後方向に延びる条状であり、その幅は前貫通孔１１や後貫通孔１２の幅方向の大きさと略同じか小さいものとされている。前貫通孔１１から後貫通孔１２に至るまでの間に幅が小さくなるものとされているが、同じ幅であってもよいし、逆に前貫通孔１１から後貫通孔１２に至るまでの間に幅が大きくなるものとされていてもよい。この溝部７により前貫通孔１１と後貫通孔１２とが連通するようになっている。

溝部７と搭乗者の頭部とが接触することを防ぐとともに、溝部７がトンネル状になるために、溝部７を下方から覆う隔壁体（インナーシェル１４）が嵌め込まれている。このインナーシェル１４はプラスチックなどで形成された薄板部材であり、嵌め込まれた後は、衝撃吸収部材３の内壁面と面一となる。このインナーシェル１４により、溝部７が暗渠のような形態となり、この溝部７と前貫通孔１１と後貫通孔１２とでヘルメット１の前部と後部とを連通するトンネル部１３が構成されることになる。

なお、前貫通孔１１と後貫通孔１２とは、上方が開口とされた樋形状を呈するインナーシェル１４で繋がるようになっていてもよい。インナーシェル１４の開口部分がヘルメット１の天頂内壁部を向くような形で衝撃吸収部材３の頂部の内壁部に取り付けられる。このインナーシェル１４により、前貫通孔１１と後貫通孔１２とが連通するトンネル（トンネル部１３）が構成される。

ロードバイクの走行中において搭乗者は前傾姿勢となるため、図６に示すように、ヘルメット１は前に傾いた状態となり、前貫通孔１１が略前方を向く状況となる。この状況下においてヘルメット１の前方から流れてくる空気は、前貫通孔１１からインナーシェル１４内、言い換えれば、溝部７の内部に流入し、後貫通孔１２から吐出することになる。このように短絡的に形成された流路を空気が流れることで、ヘルメット１の空気抵抗が低減し、空力特性が向上するものとなる（図６の空気の流れＦ）。インナーシェル１４の入口から出口に至るまでの断面形状や断面積は、様々なものが考えられ、入口の断面積は広く、インナーシェル１４の中途部における断面積は小さく、インナーシェル１４の出口の断面積は入口よりも狭いものとなっている構成が考えられるが、この構成に限定されるものではない。

かかる構成（特に溝部７の幅変化）とすることで、インナーシェル１４内に流入した空気の流れはベンチュリー効果や整流効果などにより増速され、後貫通孔１２から高速で吐出することになり、ヘルメット１に対する空気抵抗が著しく低減することになるとも考えられる。

ヘルメット１にトンネル（空気のショートカット流路）を形成することで、ヘルメット１の空力特性が向上することは、実物大モデルを用いた風洞実験やコンピュータシミュレーションによる実験を通じ、出願人は確認している。

なお、ヘルメット１内の蒸れや暑さ防止のため、ヘルメット１外部の空気をより積極的にヘルメット１内に導入したい場合は、インナーシェル１４をヘルメット１から外すことも有効である。そのため、インナーシェル１４はヘルメット１に対して着脱自在に構成されているとよい。また、インナーシェル１４の一箇所又は複数箇所にスリット孔などを形成することで、トンネルによる空気のパスを実現しつつも、スリット孔を介しヘルメット１内に空気を導入でき、搭乗者の頭部の暑さ防止、蒸れ防止を実現することが可能となる。

以上述べたように、本発明のヘルメット１は、頭部を覆って保護する帽体２と、帽体２の内部に取り付けられ、外部からの衝撃を吸収して頭部を保護する衝撃吸収部材３と、帽体２及び衝撃吸収部材３を外部から内部に向けて貫通するように設けられた貫通孔５と、を有するものであって、前部側に設けられた前貫通孔１１と後部側に設けられた後貫通孔１２とを連通状につなぐトンネル部１３が設けられる構成を有することで、前方からの風がこのトンネル部１３内を通過することで、ヘルメット１に対する走行時の空気抵抗の軽減を確実に図ることが可能となる。

以上述べたヘルメット１に関し、出願人はコンピュータシミュレーションを通じて、走行時の空気抵抗Ｆｘの軽減を確実に図ることができることを明らかにしている。以下、コンピュータシミュレーションの結果について、詳細に述べる。

図７は、本発明のヘルメット１における空気の流れを解析した状況を示した一例図である。今回のコンピュータシミュレーションに用いたソフトは、MSC Software scFLOWであり、解析手法としては、Detached Eddy Simulation(DES)を用いている。図７の右図にある解析結果例は、ヘルメット１に加わる抵抗値Ｆｘ（Ｎ）の分布を示したものであり、計算開始後、流速のばらつきが収束した後の状況を等値線図で示したものである。図７の左図は、今回のコンピュータシミュレーションにおける解析モデル（ヘルメット横断面）を示したものである。具体的には、自転車に搭乗する人間の頭を模したモデルに、本発明のヘルメット１を被せた様子を示してる。

図７の左図にあるように、前貫通孔１１から空気が侵入し、トンネル部１３を通過して、後貫通孔１２からヘルメット１の後方へ略水平状態で空気が流出していることがわかる。なお、ロードバイク等のスポーツタイプの自転車に乗る使用者は、通常の自転車より「前傾姿勢」を取ることは周知の事項であり、そのため、使用者の頭（言い換えれば、ヘルメット１）が前方に傾斜するものとなっている。

ロードバイクに搭乗する者の姿勢は、その時の状態により様々（あるときはより深く前傾し、あるときは体を起こした姿勢）ではあるが、多くの場合、搭乗者の頭の中心線を通る線が、鉛直線に対して前方２５°に傾いてるということが明らかになっている。そのため、コンピュータシミュレーションにおいても、搭乗者の頭は前方２５°に傾斜しているものとする。

出願人はコンピュータシミュレーションを数々の条件下で実施し、図８～図１０に示すような結果を知見するに至った。

図８は、前貫通孔１１の取り付けをどの位置にすることで、最適な結果（走行時の空気抵抗Ｆｘの軽減）が得られるかをシミュレーションし得られた結果をグラフにしたものである。図８の右図は前貫通孔１１を形成した位置を模式的に示したものである。図８右図におけるＨは、前面から見た帽体２（言い換えれば、ヘルメット１）の底部から頂部までの高さを示したものであり、ｈは、帽体２の底部から前貫通孔１１の中心部の位置を示したものである。なお、前貫通孔１１の開口面積（矩形面積）は帽体２の前面投影面積の１．５７％としている。

図８左図のグラフであるが、横軸はｈ／Ｈを示しており、縦軸は走行時にヘルメット１に加わる空気抵抗Ｆｘ（以降、空気抵抗Ｆｘと呼ぶこともある）を示している。この図から明らかなように、空気抵抗Ｆｘは下に凸の形をとるようなグラフ形状を取り、ｈ／Ｈが０．５７近傍で最小のＦｘ値をとることがわかる。本発明のヘルメット１は、前貫通孔１１、後貫通孔１２、両孔を繋ぐトンネル部１３を有する構成を備え、その構成のため、空気抵抗Ｆｘを著しく低減できるといった作用効果を奏するものである。そのため、比較例としては、前貫通孔１１、後貫通孔１２、両孔を繋ぐトンネル部１３を有さない従来のヘルメット（孔なしヘルメットと呼ぶこともある）における空気抵抗Ｆｘ を基準とすることにした。

孔なしヘルメットにおける空気抵抗Ｆｘよりも小さな空気抵抗となる値を、図８左図のグラフから鑑みるに、ｈ／Ｈが０．５４以上０．６以下であればよいことを、出願人は確認している。ｈ／Ｈが０．５４以上０．６以下であればヘルメット１の前方から来た空気は前貫通孔１１からトンネル部１３内に侵入し、後貫通孔１２から略水平に抜け出て、ヘルメット１自体にかかる空気抵抗Ｆｘが減少する。

次に、図９は前貫通孔１１の大きさをどのような値にした際に、ヘルメット１にかかる空気抵抗Ｆｘが最も小さくなるかを検証した結果を示したものである。帽体２を前方から見た際の前面投影面積をＳＴとし、前貫通孔１１の前面投影面積をＳＦとした場合、ＳＦ／ＳＴとＦｘとの関係を図９左図は示している。

図９左図によれば、ＳＦ／ＳＴが０．０２５辺りから空気抵抗Ｆｘが大きくなっていることがわかる。

孔なしヘルメットにおける空気抵抗よりも小さな空気抵抗Ｆｘとなる値を、図９左図のグラフから鑑みるに、ＳＦ／ＳＴが０．０２２以下（ＳＦ／ＳＴ＝０は除く）であればよいことを、出願人は確認している。ＳＦ／ＳＴが０．０２２以下であればヘルメット１の前方から来た空気は前貫通孔１１からトンネル部１３内に侵入し、後貫通孔１２から略水平に抜け出て、ヘルメット１自体にかかる空気抵抗Ｆｘが減少する。

次に図１０について説明する。図１０は、前貫通孔１１の大きさ（面積ＳＦ）と後貫通孔１２の大きさ（面積ＳＲ）の比率を変化させた際、ヘルメット１に加わる空気抵抗Ｆｘがどのように変化するかを様々な条件下でシミュレーションした結果である。図１０左図からわかるように、ＳＲ／ＳＦがほぼ０．５を超えると、急激に空気抵抗Ｆｘ小さくなることが知見される。比較例となる孔なしヘルメットを基準として考えた場合、 ＳＲ／ＳＦが０．６以上、すなわち前貫通孔１１の面積ＳＦの０．６倍以上の面積ＳＲを持つ後貫通孔１２を備えるヘルメット１であれば、本願発明の作用効果を十分に発揮できることが明らかとなった。この傾向は、コンピュータシミュレーションの結果を踏まえれば、ＳＲ／ＳＦがほぼ１．７まで続くことになる。

以上まとめれば、本発明のヘルメット１は、頭部を覆って保護する帽体２と、帽体２の内部に取り付けられ、外部からの衝撃を吸収して頭部を保護する衝撃吸収部材３と、帽体２及び衝撃吸収部材３を外部から内部に向けて貫通するように設けられた貫通孔５と、を有するものであって、前部側に設けられた前貫通孔１１と後部側に設けられた後貫通孔１２とを連通状につなぐトンネル部１３が設けられる構成を有することで、前方からの風がこのトンネル部１３内を通過することで、ヘルメット１に対する走行時の空気抵抗の軽減を確実に図ることが可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示されていない事項、例えば、作動条件や操作条件、構成物の寸法、重量などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ ヘルメット
２ 帽体
３ 衝撃吸収部材
４ 紐体
４ａ 顎紐（右前側）
４ｂ 顎紐（右後側）
４ｃ 顎紐（左前側）
４ｄ 顎紐（左後側）
５ 貫通孔
６ 締結部材
７ 溝部
１１ 前貫通孔
１２ 後貫通孔
１３ トンネル部
１４ インナーシェル
Ｆ 空気の流れ

Claims (6)

1. 頭部を覆って保護する帽体と、前記帽体の内部に取り付けられて外部からの衝撃を吸収して前記頭部を保護する衝撃吸収部材と、を有するヘルメットであって、
   前記帽体の前部側に設けられ、且つ前記帽体及び衝撃吸収部材を外部から内部に向けて貫通するように形成された前貫通孔と、
   前記帽体の後部側に設けられ、且つ前記帽体及び衝撃吸収部材を外部から内部に向けて貫通するように形成された後貫通孔と、
   前記前貫通孔と後貫通孔とを連通状につなぐトンネル部と、を有する
   ことを特徴とするヘルメット。
2. 前記前貫通孔と後貫通孔とトンネル部により、前方から流れてくる空気を後方へ吐出させることができる流路が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘルメット。
3. 前面から見た前記帽体の底部から頂部までの高さをＨとし前記帽体の底部から前貫通孔の中心部の位置までの高さをｈとした際に、ｈ／Ｈが０．５４以上０．６以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のヘルメット。
4. 前記前貫通孔の前面投影面積をＳＦとし前記帽体の前面投影面積をＳＴとした際に、ＳＦ／ＳＴが０．０２２以下（ＳＦ／ＳＴ＝０は除く）とされていることを特徴とする請求項１に記載のヘルメット。
5. 前記前貫通孔の前面投影面積をＳＦとし前記後貫通孔の後面投影面積をＳＲとした際に、ＳＲ／ＳＦが０．６以上とされていることを特徴とする請求項１に記載のヘルメット。
6. 前記帽体の天頂部であって前記衝撃吸収部材の内壁面には、前後方向に沿って下方開口状の溝条部が形成されており、この溝条部の下方開口を板状部材で覆うことで、前記トンネル部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のヘルメット。

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