JP3456589B2

JP3456589B2 - エネルギー吸収部材

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Publication number: JP3456589B2
Application number: JP11527293A
Authority: JP
Inventors: 研二光安
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JPH06307479A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギー吸収部材に
関し、とくに、樹脂と補強繊維との複合材料からなるエ
ネルギー吸収部材の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、航空機の座席周り等や、自動
車の座席周り、バンパー周り、各種構造部材に、衝撃エ
ネルギーを吸収するエネルギー吸収部材が用いられる
（特開昭６０−１０９６３０号公報、特開昭６２−１７
４３８号公報等）。このエネルギー吸収部材には、衝撃
エネルギーを良好に吸収できる性能の他、一般に軽量、
高剛性であることが要求されることから、樹脂と補強繊
維との複合材料、いわゆる繊維強化プラスチック（以
下、ＦＲＰと言うこともある。）、中でも炭素繊維強化
プラスチック（以下、ＣＦＲＰと言うこともある。）が
適しているとされている。このようなエネルギー吸収部
材においては、エネルギー吸収部材のある部位、たとえ
ば部材端部を起点に、局部破壊を生じさせ、その局部破
壊を利用してエネルギーを吸収するエネルギー吸収メカ
ニズムが考えられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、部材端部は
破壊の起点を生じさせ易い部位ではあるが、エネルギー
吸収部材の端部（両端部）には、他の部品が取り付けら
れたり、部材端部が他の支持体に取り付けられたりする
ことが多い。このような取付構造の場合、部材の端部破
壊を前提とすると、取付構造が著しく制約されてしまう
という問題を生じる。

【０００４】本発明は、このような問題点に着目し、エ
ネルギー吸収部材の端部への部品取付構造および部材端
部の他の支持体への取付構造が格別制約を受けず、しか
も、エネルギー吸収時に、予定された局部破壊が確実か
つ円滑に開始、進行する、信頼性、実用性の高いエネル
ギー吸収部材の実現を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
エネルギー吸収部材は、樹脂と補強繊維との複合材料か
らなり、エネルギー吸収軸方向中央部に、エネルギー吸
収時に圧縮破壊の起点を生じさせるトリガが、厚み方向
の中間部に埋設されていることを特徴とするものからな
る。

【０００６】トリガの材質はとくに限定されないが、こ
のトリガは樹脂と補強繊維との複合材料からなるエネル
ギー吸収部材にエネルギー吸収時に局部破壊の起点を生
じさせるものであるから、少なくとも樹脂よりは硬い材
質を選択する必要があり、金属製のものが好ましい。

【０００７】このトリガは、エネルギー吸収部材のエネ
ルギー吸収軸に沿う方向中央部に埋設される。たとえ
ば、図１に円筒状のエネルギー吸収部材３１を示すよう
に、円筒状に成形されたＦＲＰ（たとえばＣＦＲＰ）３
２からなる部材の、エネルギー吸収軸３３に沿う方向中
央部に、かつ、ＦＲＰ３２の厚み方向の中間部に、金属
製のリング状トリガ３４が埋設される。つまり、リング
状トリガ３４の周囲が、ＦＲＰ３２で埋められている。
トリガ３４の埋設位置は、円筒部材３２の両端部以外の
位置ならば特に限定されず、部材に局部破壊を生じさせ
る位置を、部材長手方向（エネルギー吸収軸３３に沿う
方向）に適切に設定できる。

【０００８】トリガ３４は、断面角形に形成されてお
り、角部を、荷重Ｐ（図２）に対向する方向に向けて配
設されている。ただし、トリガの断面形状は、上記のよ
うな角形のものに限定されず、円形、楕円形、さらには
板状の形状であってもよい。また、トリガの全体形状に
ついても、リング状に限らず、板状、さらには不連続片
としてもよい。トリガの断面形状、全体形状は、後述す
る、エネルギー吸収部材の各種形状に応じて適宜設定で
きる。

【０００９】図１に示したエネルギー吸収部材３１にお
いては、エネルギー吸収軸３３に沿う方向に圧縮の衝撃
エネルギーを吸収する場合、図２に拡大して示すよう
に、大きな圧縮荷重Ｐが加わると、トリガ３４を起点と
して、トリガ上下部の部材が左右に拡開するように局部
破壊する。この上下部の局部破壊部３２ａ、３２ｂは、
トリガ３４を起点として、より正確にはトリガ３４の角
部を起点として生じるものであるから、局部破壊時には
常に一定の位置に、しかも一定の拡開状態にて発生す
る。したがって、局部破壊の位置およびメカニズムが一
定し、予定した位置に確実かつ正確に、エネルギー吸収
のための局部破壊を生じさせることが可能になる。ま
た、この局部破壊は、トリガを起点にして、かつ部材が
左右に拡開されるものであるから、破壊の動作が、極め
て円滑に開始、進行する。

【００１０】また、部材３１の両端部には、基本的に局
部破壊は生じないので、端部に別に部品を取り付けた
り、端部を別の支持体に取り付けたりすることが極めて
容易になる。さらに、端部を、実質的に自由な形状に設
計できるので、上記のような取り付けが一層容易化され
るとともに、周囲の部材等に対する取合関係等の配慮も
しやすくなる。

【００１１】本発明のエネルギー吸収部材を構成する複
合材料における補強繊維の種類としては、特に限定され
ず、たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミ
ド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維など
から選ぶことができる。

【００１２】また、これら補強繊維の配列は、特殊な組
み合わせ配列を行う場合を除き、エネルギー吸収部材の
エネルギー吸収軸に対して、０°±６０°の範囲で行え
ばよい。あまり大きな角度の配列では、圧縮方向に作用
する衝撃エネルギーの吸収に対し、補強繊維が有効に活
用されなくなる。

【００１３】さらに、各補強繊維層は単層であってもよ
いし、積層構成（たとえば±２５°層等を有するもの、
±２５°層および±１５°層等を有するもの）をなすも
のであってもよい。また、補強繊維の形態としては、と
くに限定されず、通常のフィラメントの他、補強繊維の
織物も使用できる。

【００１４】本発明の複合材料のマトリクスとなる樹脂
としては、特に限定されず、たとえば、エポキシ樹脂、
不飽和ポリエステル樹脂、ポリビニルエステル樹脂、フ
ェノール樹脂、グアナミン樹脂、また、ビスマレイミド
・トリアジン樹脂等のポリイミド樹脂、フラン樹脂、ポ
リウレタン樹脂、ポリジアリルフタレート樹脂、さらに
メラニン樹脂やユリア樹脂等のアミノ樹脂等の熱硬化性
樹脂が挙げられる。また、ナイロン６、ナイロン６６、
ナイロン１１、ナイロン６１０、ナイロン６１２などの
ポリアミド、またはこれらポリアミドの共重合ポリアミ
ド、また、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレン
テレフタレートなどのポリエステル、またはこれらポリ
エステルの共重合ポリエステル、さらに、ポリカーボネ
ート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルファイ
ド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエー
テルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエー
テルイミド、ポリオレフィンなど、さらにまた、ポリエ
ステルエラストマー、ポリアミドエラストマーなどに代
表される熱可塑性エラストマー、等が挙げられる。さら
には、上述の範囲を満たす樹脂として、アクリルゴム、
アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴム、シリ
コーンゴム、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム等の
ゴムを用いることもできる。さらには、上記の熱硬化性
樹脂、熱可塑性樹脂、ゴムから選ばれた複数をブレンド
した樹脂を用いることもできる。

【００１５】また、補強繊維が炭素繊維からなる場合に
は、補強繊維の表面の酸素（Ｏ）と炭素（Ｃ）の原子数
比である表面官能基量（Ｏ／Ｃ）が０．０８以上である
ことが好ましい。表面官能基量（Ｏ／Ｃ）が０．０８以
上であると、活性化されたＯによって補強繊維表面の接
着性が高められ、樹脂と補強繊維との接着強度が高めら
れてより破壊しにくくなり、複合材料全体として極めて
高い剛性、エネルギー吸収能力を発揮できる。表面官能
基量（Ｏ／Ｃ）が０．０８未満であると、樹脂と補強繊
維との接着性が不十分となり、エネルギー吸収時に樹脂
と補強繊維との界面で剥離、あるいは破壊が生じやすく
なり、その分エネルギー吸収能力が低下する。

【００１６】また、本発明の複合材料からなるエネルギ
ー吸収部材の形状は、とくに限定されず、筒状、柱状、
板状等、各種形状を採用可能である。代表的な形状、あ
るいは採用可能な形状を図３ないし図１１に例示する。
以下に例示する各種形状のエネルギー吸収部材の、両端
部以外の部分に、局部破壊の起点となるトリガが埋設さ
れる。

【００１７】エネルギー吸収部材の代表的な形状とし
て、まず、筒状形状を挙げることができる。筒状形状と
して最も代表的な形状は、図３に示すような円筒１であ
る。図における矢印方向が、衝撃エネルギーとしての圧
縮荷重作用方向である。さらに、図示は省略するが、角
筒、円錐、角錐、円錐台、角錐台、あるいは、横断面が
楕円の筒、さらには、図４に示すように、フランジ部３
を備えた円筒（又は角筒）等の筒状形状４も採用でき
る。

【００１８】また、筒状形状に限らず、柱状形状でもよ
い。たとえば、円柱、角柱形状を挙げることができる。

【００１９】さらに、板状形状の採用も可能である。た
とえば、波板形状の部材とすれば、座屈に対して強いの
で、エネルギー吸収部材として使用可能となる。また、
図５に示すように、リブ５を有する、たとえば横断面Ｔ
字形の形状６、図６に示すように、横断面コ字状の形状
７とすることもできる。図６に示す横断面コ字状の形状
７では、２点鎖線で示すように蓋部材８を設けることも
できる。さらに、図７に示すように、横断面十字状の形
状９とすることもできる。

【００２０】さらにまた、各種形状の部材を組み合わせ
た構造とすることも可能である。たとえば、図８、図９
に示すように、大きい円筒１０、大きい円錐台１１の中
に、小さい細長形状の円柱１２、１３を入れ、これらを
複合材料で構成することにより、より座屈しにくいエネ
ルギー吸収部材にすることができる。

【００２１】さらに、エネルギー吸収部材は、１個の部
材から構成されるものの他、複数の部材を重ねて、ある
いは組み合わせて構成してもよい。たとえば、図１０、
図１１に示すように、同一あるいは同様の形状の複合材
料からなる部材１４、１５ａ、１５ｂ、１５ｃを縦に積
層してエネルギー吸収部材１６、１７を構成するように
してもよい。図１１の構成にあっては、各部材を中、外
交互に積層してもよい。

【００２２】〔特性の測定方法および効果の評価方法〕
以下に、本発明の説明に用いた特性の測定方法について
説明する。（１）表面官能基量（Ｏ／Ｃ）Ｘ線光電子分光法により、次の手順に従って求めた。先
ず、溶媒でサイジング剤などを除去した炭素繊維（束）
をカットして銅製の試料支持台上に拡げて並べた後、光
電子脱出角度を９０°とし、Ｘ線源としてＭｇＫα１，
２を用い、試料チャンバー中を１×１０^-8Ｔｏｒｒに保
つ。測定時の帯電に伴うピークの補正としてＣ_1Sの主ピ
ークの運動エネルギー値（Ｋ．Ｅ．）を９６９ｅＶに合
わせる。Ｃ_1Sピーク面積をＫ．Ｅ．として９５８〜９７
２ｅＶの範囲で直線のベースラインを引くことにより求
める。Ｏ_1Sピーク面積をＫ．Ｅ．として７１４〜７２６
ｅＶの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め
る。ここで表面官能基量（Ｏ／Ｃ）とは、上記Ｏ_1Sピー
ク面積とＣ_1Sピーク面積の比から、装置固有の感度補正
値を用いて原子数比として算出したものである。なお本
発明者らは、島津製作所（株）製モデルＥＳＣＡ−７５
０を用いてＯ_1Sピーク面積とＣ_1Sピーク面積の比を測定
し、その比を感度補正値２．８５で割ることにより表面
官能基量（Ｏ／Ｃ）を求めた。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のエネルギ
ー吸収部材によるときは、ＦＲＰやＣＦＲＰからなるエ
ネルギー吸収部材のエネルギー吸収軸方向中央部で、厚
み方向の中間部に、エネルギー吸収時の圧縮破壊（局部
破壊）の起点となるトリガを埋設し、局部破壊が生じる
際には確実にこのトリガ埋設部分で所定の破壊が開始、
進行するようにしたので、予定した一定の破壊のメカニ
ズムとすることができるとともに、部材端部における取
付上の制約をなくすことができ、安定して目標とするエ
ネルギー吸収能力を発揮させることができ、各種分野に
好適に使用できる実用性の高いエネルギー吸収部材を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエネルギー吸収部材の縦断面図で
ある。

【図２】図１の部材の拡大部分縦断面図である。

【図３】本発明のエネルギー吸収部材の形状の一例を示
す斜視図である。

【図４】本発明のエネルギー吸収部材の別の形状例を示
す斜視図である。

【図５】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の形状
例を示す斜視図である。

【図６】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の形状
例を示す斜視図である。

【図７】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の形状
例を示す斜視図である。

【図８】本発明のエネルギー吸収部材の別の構造例を示
す斜視図である。

【図９】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の構造
例を示す斜視図である。

【図１０】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の構
造例を示す縦断面図である。

【図１１】本発明のエネルギー吸収部材のさらに別の構
造例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１円筒形状のエネルギー吸収部材３フランジ部４フランジ部を備えた円筒形状のエネルギー吸収部材５リブ６横断面Ｔ字形のエネルギー吸収部材７横断面コ字形のエネルギー吸収部材８蓋部材９横断面十字状のエネルギー吸収部材１０円筒形状のエネルギー吸収部材１１円錐台形状のエネルギー吸収部材１２、１３細長形状の部材１４、１５ａ、１５ｂ、１５ｃエネルギー吸収部材を
構成する部材１６、１７組み合わせ構成のエネルギー吸収部材３１エネルギー吸収部材３２複合材料３２ａ、３２ｂ破壊部分３３エネルギー吸収軸３４トリガ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂と補強繊維との複合材料からなり、
エネルギー吸収軸方向中央部に、エネルギー吸収時に圧
縮破壊の起点を生じさせるトリガが、厚み方向の中間部
に埋設されていることを特徴とするエネルギー吸収部
材。
【請求項２】エネルギー吸収部材が筒状部材からな
り、前記トリガがリング状部材からなる、請求項１のエ
ネルギー吸収部材。
【請求項３】前記補強繊維が、エネルギー吸収軸方向
に対して０°±６０°の範囲内の方向に配列されてい
る、請求項１又は２のエネルギー吸収部材。