(57)【要約】【課題】コンパクトで廉価に製造することができ、かつ安定した抵抗特性が得られる衝撃力緩衝装置を提供する。【解決手段】力の緩衝方向に沿って配置した外力受部と固定部との間に緩衝部を挿み、衝撃力を吸収するようにした衝撃力緩衝装置であって、上記緩衝部６は、力の緩衝方向に表裏各面を向けて配置した緩衝材８と、少なくともこの緩衝材の表裏両面のうち一面へ一方端部を対峙させた、力の緩衝方向に平行な突入棒１２とを具備し、これら緩衝材８及び突入棒１２の一方を、上記外力受部４に連動させるとともに、他方を、固定部１６と連係して制動させることで、外力受部４に衝撃力が加わったときに、上記突入棒１２が上記緩衝材８の表面又は裏面の一部へ衝き当たるように設け、上記緩衝材８は、上記衝き当て箇所の陥没により突入棒を貫入させることが可能な材料で形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力の緩衝方向に沿って配置した外力受部と固定部との間に緩衝部を挿み、衝撃力を吸収することで衝突時の最大加速度の絶対値を下げる衝撃力緩衝装置であって、
上記緩衝部６は、力の緩衝方向に表裏各面を向けて配置した緩衝材８と、少なくともこの緩衝材の表裏両面のうち一面へ一方端部を対峙させた、力の緩衝方向に平行な突入棒１２とを具備し、
これら緩衝材８及び突入棒１２の一方を、上記外力受部４に連動させるとともに、他方を、固定部１６と連係して制動させることで、外力受部４に衝撃力が加わったときに、上記突入棒１２が上記緩衝材８の表面又は裏面の一部へ衝き当たるように設け、
上記緩衝材８は、上記衝き当て箇所の陥没により突入棒を貫入させることが可能な材料で形成したことを特徴とする、衝撃力緩衝装置。
【請求項２】
上記緩衝材８を、少なくとも突入棒１２の径よりも小さな孔を含む有孔材料又はセル構造体で形成するとともに、
かつ上記突入棒の衝き当てにより、緩衝材８全体で割れることなく、衝き当て箇所が局所的に圧潰するように設けたことを特徴とする、請求項１記載の衝撃力緩衝装置。
【請求項３】
上記緩衝材８は、衝突速度が５〜１２０ｋｍ／時での衝撃圧力強度が２〜６０ＭＰａであることを特徴とする、請求項２記載の衝撃力緩衝装置。
【請求項４】
上記緩衝材８への貫入用の突入棒１２の先部を、先端に向かって細くなるテーパ状としたことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の衝撃力緩衝装置。
【請求項５】
上記突入棒として、緩衝材８の少なくとも表裏何れか片側に複数の平行な突入棒を配置し、外力受部４に衝撃力が加わったときに、緩衝材８の片側からその内部へ上記複数の突入棒１２が貫入する様に設けたことを特徴とする、請求項１から請求項４の何れかに記載の衝撃力緩衝装置。
【請求項６】
上記緩衝部６は、力の緩衝方向に垂直な板状の緩衝材８とこの緩衝材の表面乃至裏面の一部に対して直角に対峙させた突出棒部分とからなる緩衝ユニット１０を、上記緩衝方向に連ねて緩衝方向に移動可能に設けてなり、
一連の緩衝ユニットのうち最初のユニットの緩衝材８又は突入棒部分を上記外力受部４に、また最後のユニットの緩衝材８又は突入棒部分を固定部１６にそれぞれ連結し、
衝撃が外力受部４から各緩衝ユニット１０を経て固定部１６へ伝播していくときに、各衝撃ユニットにおいて固定部１６側の隣接ユニットから反力を得て、緩衝材８内へ突入棒１２を貫入させるようにしたことを特徴とする、請求項１乃至請求項５記載の衝撃力緩衝装置。
【請求項７】
上記緩衝ユニット１０を、緩衝材８と、緩衝材８の表面側及び裏面側の双方にそれぞれ配置した複数本の突入棒部分とで形成し、力の緩衝方向から見て表面側の突入棒及び裏面側の突入棒の各横断面が重なり合わないように異なる軸上に突入棒１２を配置したことを特徴とする、請求項６記載の衝撃力緩衝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃力緩衝装置、特に車両（自動車又は鉄道車両）と交通路との間の衝突緩衝装置、或いは車両内部の内装材と乗員の体との間の緩衝器に関する。
【０００２】
もっとも、これ以外の用途として、本発明の装置は、エレベーターの落下事故の際の緩衝装置や、地震の際の建物と基礎との間の緩衝設備など各種の衝撃緩衝手段として用いることができる。
【背景技術】
【０００３】
従来、建築物や交通機関の様々な箇所において、事故や災害の被害を最小限にするために衝撃を吸収するための緩衝手段が施されている。
【０００４】
例えば交通事故での車両の乗員の保護のため、高速道路の分離帯の端部に、発泡ポリスチレンやアルミニウムハニカム体で形成する複数の緩衝体とウェート（慣性質量体）とを、繰り返し道路方向に長く並置してなり、車両の衝突により緩衝体が押し潰されてエネルギーを吸収するものが知られている（特許文献１、特許文献２）。また、道路方向に長い緩衝装置のケースをゴム板で形成し、そのゴムの弾性力でエネルギーを吸収するものも知られている（特許文献３）。
また車両に搭載する緩衝装置として、ハニカムコアの内部に弾性材を充填してなり、バンパーなどに用いられるものが知られている（特許文献４）。更にパンチ板の孔内へ先部を接着させた棒体が、接着部の切断により孔奥部へめり込むように設けた緩衝器を、自動車の屋根を支える柱（ピラー）に埋め込むことも行われている（特許文献５）。
【特許文献１】特開2003−64629号
【特許文献２】特開2000−274472号
【特許文献３】特開2001−200513号
【特許文献４】実開平７−49095号
【特許文献５】特開2005−219558号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜２のように、発泡ポリスチレンやアルミニウムハニカム体のような低強度で変形性能の大きい材料を車両衝突用の緩衝体に使用したときには、人体への入力加速度を小さくすることができるが、その反面、緩衝体を単純に圧縮する方式であるので、その変形量はもとの長さの７０％以上にもなる。それに見合った潰れ代を確保するために、装置全体が長く大きくなり、コンパクト化が困難である。また、素材をハニカム構造に形成すると製造コストが高くなる。
【０００６】
他方、特許文献５のように衝撃により接着部が切れて栓体が孔にめりこむようにすると、衝突初期の加速度が過剰に大きくなり、逆に特許文献３〜４のように弾性材を用いたときにはその弾性力が変形率に依存するため、それぞれ安定した変形抵抗を維持できない。
【０００７】
本発明は、コンパクトで廉価に製造することができ、かつ安定した抵抗特性が得られる衝撃力緩衝装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第1の手段は、
力の緩衝方向に沿って配置した外力受部と固定部との間に緩衝部を挿み、衝撃力を吸収することで衝突時の最大加速度の絶対値を下げる衝撃力緩衝装置であって、
上記緩衝部６は、力の緩衝方向に表裏各面を向けて配置した緩衝材８と、少なくともこの緩衝材の表裏両面のうち一面へ一方端部を対峙させた、力の緩衝方向に平行な突入棒１２とを具備し、
これら緩衝材８及び突入棒１２の一方を、上記外力受部４に連動させるとともに、他方を、固定部１６と連係して制動させることで、外力受部４に衝撃力が加わったときに、上記突入棒１２が上記緩衝材８の表面又は裏面の一部へ衝き当たるように設け、
上記緩衝材８は、上記衝き当て箇所の陥没により突入棒を貫入させることが可能な材料で形成している。
【０００９】
本手段では、衝突時の最大加速度の絶対値を下げると同時に最大加速度までの到達時間を長くできる緩衝装置を提案している。そのために、緩衝材の一部へ突入棒を対峙させ、衝撃に緩衝材内へ突入棒を貫入させることで衝突のエネルギーを吸収するようにしている。図６には発泡体などの緩衝体の全体を単純に圧縮させる方式と、突入棒を貫入させる方式とで、変形量に対する応力の変化を示している。前者では、衝突初期の応力の立ち上がりが大きく、また変形量が一定値を超えると圧縮限界に達して応力が急増する。後者の場合には、突入棒が緩衝材を局所的に剪断・圧潰させる方式であり、突入棒の先端面の大きさを適当に設計すれば、その素材をかき分けるように貫入するから、貫入行程の全体を通してなだらかな抵抗特性が得られる。従って人が利用する輸送機関や施設の緩衝手段として利用したときに、人体への影響を小さくすることができる。
【００１０】
「緩衝材」は、突入棒の貫入により運動エネルギーを吸収する機能を有する。「貫入」とは、貫通することを含むが、突入棒の先端が緩衝棒の反対側から突出しない場合も含む。緩衝材は、急激な変形に対する十分な強さを有するものとする。具体的な強度は用途に応じて設定するが、車両衝突緩衝用であれば、２〜６０ＭＰａ程度（より好ましくは４〜３０ＭＰａ程度）の強度があることが望ましい。また、緩衝材の材質としては、突入棒を衝き当てることで、その箇所が陥没し、突入棒の貫入により緩衝材全体として割れたり、ひびが入ったりすることのない局所破壊可能な性質とする。例えば金属セル構造体、又は細孔を有するモルタル材、あるいはバルサ、ヤナギ、ブナなどのセル構造を有する種々の木質材料が該当する。図１７はひのきの断面の拡大図であるが、中空のセル構造が表れている。尚、「金属セル構造体」とは、空隙率が７０％程度以上の金属材料をいう。
【００１１】
「突入棒」は、少なくとも緩衝材よりも硬質に形成され、緩衝材に貫入する機能を有する。突入棒の素材として好適なのは、鉄（鋼）やＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などである。単に硬質であるだけではなく、貫入の途中で座屈したり折れたりしない程度の靱性（粘り強さ）を備え、かつ慣性が小さいように中空化するなど軽量化に配慮されていることが望まれる。尚、本明細書において「棒」とは上記貫入の機能を備え、一定の突入長を有するものであれば足りる。
【００１２】
突入棒の形状は、その棒の全長に亘って緩衝材にスムーズに貫入することが出来るように設計すればよく、例えば丸棒や角棒の他に任意の断面形状（例えば十字形）の棒状体であっても構わない。また端面が平坦で直径も一定の普通の直棒であっても良いが、後述のように棒の全体又は先端部周面に、先細のテーパを付しても良い。更に中実のピンであっても良いが、先端開放のパイプ形状としても良い。後で述べる如く端面が平らな中実棒→テーパを有する中実棒→中空棒の順序で衝突時の初期加速度は低減されるが、それとともにエネルギーの吸収量も少なくなるので、用途に応じて適切な構造を選択すればよい。例えば自動車道の分離帯に設置する緩衝装置の場合には、乗員の安全と吸収すべきエネルギー量との双方を考慮して、テーパ付の中実棒を用いることが適当であるが、貨物専用の無人エレベーターの落下防止装置などでは、端面フラットの中実棒を用いれば足りる。
【００１３】
突入棒の本数、突入長さ及び径は、緩衝しようとする衝撃力の大きさに応じて設計する。径及び突入長さが同じ適数の突入棒を一つの緩衝材に突入させたときの抵抗力（及び吸収エネルギー）は、本数に比例して増加すると考えられる。その根拠は、実験によれば緩衝時の突入棒が通過した結果形成される変形部位が、変形に垂直な方向では限定され、その他の領域にほとんど波及していないからである。従って突入棒一本当たりの抵抗を実験で求めておけば、所要の抵抗値から必要な突入棒の本数を概算することができ、設計上で便利である。突入棒の径（又は断面積）は、緩衝材の強度に応じて、緩衝材内への貫入によって突入棒が折れたり、曲がったりしない程度に大きく、また緩衝材の一部へ滑らかに刺さる程度に小さく設ける。尚、突入棒の直径はセルサイズより大きいことが望ましい。何故ならば単にセル壁の破断のみで突入が進むのではなく、突入の進行に応じてセル構造が連続的に潰れることが好ましいからである。
【００１４】
第２の手段は、第1の手段を有し、かつ
上記緩衝材８を、少なくとも突入棒１２の径よりも小さな孔を含む有孔材料又はセル構造体で形成するとともに、
かつ上記突入棒の衝き当てにより、緩衝材８全体で割れることなく、衝き当て箇所が局所的に圧潰するように設けている。
【００１５】
本手段では、緩衝材を有孔材料又はセル構造体とすることで突入棒で、局所的に圧潰させることができるようにしている。即ち、孔以外の材料部分又は構造体のうちセル壁部分が破壊されることで、衝き当て箇所のみを押し潰すことができる。セル構造体は、オープンセル又はクローズドセルの何れでも良いが、クローズドセルの方が大きな抵抗が得られる。
【００１６】
第３の手段は、第２の手段を有し、かつ上記緩衝材８は、衝突速度が５〜１２０ｋｍ／時での衝撃圧力強度が２〜６０ＭＰａである。
【００１７】
本手段では、衝撃圧力強度を大きくすることで、緩衝材の嵩を少なくし、緩衝装置をコンパクト化することを提案している。例えばＡｌ−３．０（重量％）Ｍｇ−１．４（重量％）Ｃａ−１．４（重量％）Ｔｉ（＋不可避の不純物）の組成の合金を用いることで少なくとも１０〜３０ＭＰａの強度が得られる。下記の表にこの組成の強度と公知の緩衝材の強度との比較を示しており、強度が大きいほどエネルギー吸収量も大となる。本発明では突入棒の突き刺しによる緩衝材の局部破壊によって抵抗力を得るので、緩衝材の各部分が大きな変形抵抗を有することが重要である。更に強度を３０〜６０ＭＰａに上げるためには、各合金元素を高濃度にするか、あるいはより単純には空隙率を下げればよい。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
第４の手段は、第1の手段から第３の手段の何れかを有し、かつ
上記緩衝材８への貫入用の突入棒１２の先部を、先端に向かって細くなるテーパ状としている。
【００２０】
本手段では、突入棒をテーパ状にすることで緩衝材８への貫入過程での初期加速度の上昇を防止し、最大加速度までの到達時間を長く制御できるようにしている。図６には、先端部がテーパ状の突入棒と、先端面平坦な突入棒との間で加速度の特性を実験した結果が記載されており、実際に加速度が低減していることが判る。この実験については後で後述する。尚、テーパ状の突入棒には、先端部のみを先細のテーパ状端部とした形状のほかに、根元から先端までを徐々に先細に形成した形状も含まれる。また、突入棒を丸棒又は角棒状とする場合には、テーパ状の先端部を錐（円錐乃至角錐）又は錐台状に形成すればよいが、例えば左右に扁平な帯板状の棒とする場合には、テーパ状の先端部を左右側方から見て楔形に形成しても良い。そのテーパ角（突入棒と垂直な面とテーパ面とがなす角）は、緩衝装置の用途に応じて設計する。衝突速度が小さいときには、テーパ角をより小さくすることができる。
【００２１】
尚、一般に錐形状の先端部は、錐台形のものに比べて突き刺さり易く、初期衝撃力の低減に効果がある。しかし鋭利過ぎると、接触するセル壁を容易に破断・貫通するため、緩衝装置としての強度の低下を招く可能性がある。またそれら錐形・錐台形のテーパの大小はセルのかき分け方の激しさを決定づける。変形抵抗はそれらの相互作用で決まるものであり、各作用のバランスをとることが必要である。
【００２２】
第５の手段は、第1の手段から第４の手段の何れかを有し、かつ
上記突入棒として、緩衝材８の少なくとも表裏何れか片側に複数の平行な突入棒を配置し、外力受部４に衝撃力が加わったときに、緩衝材８の片側からその内部へ上記複数の突入棒１２が貫入する様に設けている。
【００２３】
本発明では緩衝材への突入棒の貫入により安定した変形抵抗を得ているが、一本の突入棒から得られる抵抗力は、同じ種類の緩衝体を全体として圧縮する場合に比べると小さい。そこで本手段では、突入棒の数を調整することで適当な緩衝性能が得られるようにしている。これらの突入棒は、各棒から伝達される衝撃力の総和が各緩衝材の重心付近を通るように配置することが望ましい。
【００２４】
ここで突入棒を配置する密度について言及する。隣り合う2本の突入棒がそれぞれセルをかき分けて進むときには、その進路にあるセルは完全に押し潰され空隙のない状態（緻密な状態）となる。そのとき２本の突入棒の間では、各棒側からの緻密化したセルが、両棒間のセル構造を更に押し潰すこととなる。数式を用いて説明すると、このときの緻密化歪みは、εｐ＝１−1.4×（ρ＊／ρｓ）で与えられる。ここでρ＊はセル構造体の密度、ρｓは同じ組成のバルク材の密度であり、（ρ＊／ρｓ）はセルの相対密度（同じ組成のバルク材とセル構造との密度の比）である。（ρ＊／ρｓ）＝０．２〜０．３とすると、εｐ＝０．７２〜０．５８となる。即ち、押込み棒２０φの半径分１０ｍｍの領域にあるセルは、７．２〜５．８ｍｍ変形した後に緻密化するので、残りの２．８ｍｍ〜４．２ｍｍ分のセルは棒の輪郭から押し出されることとなる。この現象が隣接する棒の両サイドから起こるため、今回使用したセルであれば、５．６〜８．４ｍｍのクリアランスＡC があればよいということになる。これを式で表すと、ＡC＝ｒ×（１−εｐ）×２である。但し、ｒは棒の半径である。また１−εｐを圧縮限界ひずみという。
【００２５】
第６の手段は、第1の手段から第５の手段の何れかを有し、かつ
上記緩衝部６は、力の緩衝方向に垂直な板状の緩衝材８とこの緩衝材の表面乃至裏面の一部に対して直角に対峙させた突出棒部分とからなる緩衝ユニット１０を、上記緩衝方向に連ねて緩衝方向に移動可能に設けてなり、
一連の緩衝ユニットのうち最初のユニットの緩衝材８又は突入棒部分を上記外力受部４に、また最後のユニットの緩衝材８又は突入棒部分を固定部１６にそれぞれ連結し、
衝撃が外力受部４から各緩衝ユニット１０を経て固定部１６へ伝播していくときに、各衝撃ユニットにおいて固定部１６側の隣接ユニットから反力を得て、緩衝材８内へ突入棒１２を貫入させるようにしている。
【００２６】
本手段では、複数の緩衝ユニットを連ねることで、より大きな衝撃を吸収できるようにしている。各緩衝ユニットにおいて、緩衝材は表裏両面のうち一面側からのみ突入棒が貫入されるように形成しても良く、また、後述の如く両面側から突入棒が貫入されるように設けても良い。この明細書において、緩衝ユニットとは、各緩衝材毎に力の緩衝・吸収を行う機構の一単位を指しており、少なくとも緩衝体自体とこの緩衝体に貫入する突入棒部分とで形成している。ここで突入棒ではなく、突入棒部分と言うのは、一本の突入棒の一半部と他半部とが別の緩衝ユニットの一部であるという場合を想定しているためである。これに関しては後述する。
【００２７】
第７の手段は、第６の手段を有し、かつ
上記緩衝ユニット１０を、緩衝材８と、緩衝材８の表面側及び裏面側の双方にそれぞれ配置した複数本の突入棒部分とで形成し、力の緩衝方向から見て表面側の突入棒及び裏面側の突入棒の各横断面が重なり合わないように異なる軸上に突入棒１２を配置している。
【００２８】
本手段では、緩衝材の両側から突入棒を突き入れるようにして、緩衝装置を簡素でコンパクトな構造としている。即ち、緩衝材の両側から突入棒を貫入する場合には、一枚の緩衝材毎に貫入できる突入棒の本数が多くなり、エネルギー吸収量が多くなるので少ない緩衝ユニットで所要量の衝撃を緩衝できる。もちろん緩衝材の片面側からでも多数の突入棒を貫入させることができないわけではないが、突入棒相互の隙間を過度に小さくなると、既述緩衝材の単純圧縮方式に近づき、衝突初期の加速度が大となる。
【発明の効果】
【００２９】
第１の手段に係る発明によれば次の効果を奏する。
○突入棒１２が緩衝材の一部に突き刺さり、その材料をかき分けながら貫入するから、その貫入行程の全範囲で安定した変形抵抗を維持することができ、例えば車両衝突緩衝装置として使用したときに乗員の身体へのショックが小さくなる。
○ハニカム構造体を緩衝材として用いたものに比べて廉価に製造することができる。
【００３０】
第２の手段に係る発明によれば、緩衝材８を有孔材料又はセル構造体により局所的な圧潰が容易に形成したから、突入棒１２の貫入により緩衝材８全体が割れて、この破壊の前後で変形抵抗が不等になることを防止することができる。
【００３１】
第３の手段に係る発明によれば、高強度で変形性能に優れる材料を用いることにより、エネルギー吸収特性が向上し、緩衝材８の嵩が減らされるため、コンパクト化できる。
【００３２】
第４の手段に係る発明によれば、緩衝材８への貫入用の突入棒１２の端部を先細のテーパ状端部としたから、緩衝材８への貫入過程での初期加速度の上昇を抑制することができる。
【００３３】
第５の手段に係る発明によれば、突入棒の数を調整することで適当な緩衝性能が得られるとともに、突入棒の位置を調整することで、衝撃力を緩衝材全体に分配し、緩衝材が一気に割れることを防止できる。
【００３４】
第６の手段に係る発明によれば、緩衝ユニットを複数設けたから大きな衝撃を吸収することができる。
【００３５】
第７の手段に係る発明によれば、次の効果を奏する。
○緩衝材８の両側から突入棒１２を貫入することで、多数の突入棒を一つの緩衝材内に突入させ、多くのエネルギーを吸収できるので全体として装置をコンパクト化できる。
○緩衝材８の表裏両側からそれぞれ適数の突入棒を突き入れるから、片面のみから同じ数の突入棒を突入させたときに比べて、突入面側での緩衝材部分の圧縮応力の増大が小さく、従って衝突初期の加速度の上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１から図１１は、本発明に係る衝撃力緩衝装置の第１の実施形態を示している。
【００３７】
まず、この衝撃力緩衝装置の構成のうち、従来公知の部分を説明すると、この装置は、支持台２と外力受部４と緩衝部６と固定部１６とカバー１８で形成している。支持台２は自動車道の路面のうち分岐部付近に、道路の向きに沿って長く延設している。そして自動車が接近する側から順に、その外力受部４と緩衝部６と固定部１６とを、支持台の上に載置している。少なくとも外力受部４と緩衝部７とは支持台２上に、車両の衝突によりスライド可能に形成している。またカバー１８は、自動車の衝突により圧潰可能に形成する。
【００３８】
本発明において、受板である外力受部４と、固定板である固定部１６とは、それぞれ鋼板のような靱性のある材料で形成されており、各鋼板から対向方向へ、鋼製の第１の突入棒１２Ａを一体的に多数突設している。各突入棒の突出長は同じであり、かつそれら突入棒の先端部は、テーパ状端部１４に形成している。
【００３９】
更に外力受部４と固定部１６との間には、厚板状の緩衝材８が等間隔で複数並置されている。最も外側の緩衝材の外面には、前述の外力受部４及び固定部１６から突出した突入棒１２を近接させている。また各緩衝材の間には、上記第１の突入棒１２Ａの２倍程度の長さの鋼製の第２の突入棒１２Ｂを架設している。図示例では、この突入棒の両端部をテーパ状端部１４に形成するとともに、各緩衝材に穿設した凹部にこれらの端部を嵌合させているが、その構造は適宜変更することができる。
【００４０】
図２において、図中、最も左側の緩衝材８と第１突入棒１２Ａと第２突入棒１２Ｂの左半部とは、一つの緩衝ユニット１０を形成しており、同様に、最も右側の緩衝材８と第１突入棒１２Ａと第２突入棒の右半部とは、他の緩衝ユニット１０を形成している。更に、内側の緩衝材とその左側の突入棒１２Ｂの右半部とその右側の突入棒１２Ｂの左半部とは、緩衝ユニットを構成している。そしてこれら緩衝ユニットを連ねることで緩衝部６を形成している。
【００４１】
図示例では、第１の突入棒１２Ａは縦横に受板及び固定板の対向面に植設させており、第２の突入棒１２Ｂも、同様に縦横に配列している。更に図３に示す如く各突入棒１２は緩衝材内に貫入させたときに相互に衝突しないように互い違いに配置されている。
【００４２】
各緩衝材８は、自動車の衝突による衝撃で上記突入棒１２Ａ、１２Ｂが貫入可能な強度のＡｌ−Ｍｇ系合金セル構造体で形成している。
【００４３】
上記構成において、図３において、自動車が外力受部４に衝突すると、この外力受部とともに第１突入棒１２Ａが同図左側の緩衝材８の表面（図左面）へ動き、他方、この緩衝材８の裏面には第２の突入棒１２Ｂが当たっているので、この突入棒（或いは隣の緩衝材）からの反力を得て、当該緩衝材８の表面乃至裏面にそれぞれ突入棒１２が貫入する。同様に他の緩衝材８にもそれぞれ突入棒が順次貫入していき、図４のように圧縮された状態となる。
【００４４】
図６は、前述のセル構造体からなる緩衝材に先端テーパ状の突入棒が突き刺さる本発明の方式と単純圧縮の方式とで、変形量と応力との関係を示すものである。単純圧縮方式では、緩衝材全体を圧縮するので衝突初期に大きな応力が生ずるが、テーパ状の突入棒が貫入する場合には、なめらかに刺さるので初期応力が小さい。また単純圧縮方式では、緩衝材全部が押し潰されると比較的早い段階で圧縮限界を迎えて応力が急増するが、本発明の場合には、構成物質をかき分けるように進むので長い範囲に亘って安定してコンスタントな応力を維持できる。尚、同図で圧縮した素材は、前述のＡｌ−３．０（重量％）Ｍｇ−１．４（重量％）Ｃａ−１．４（重量％）Ｔｉ合金である。
【００４５】
図７は、前述のＡｌ−Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系セル構造体と、通常のＡｌ−Ｃａ−Ｔｉ系セル構造体とについて、圧縮試験をした結果を示している。この結果によれば、前者の方が、エネルギー吸収量が約１０倍程度大きい。なお、この実験は、本発明のようなスパイク方式ではなく、単純圧縮方式（いわゆる一軸圧縮試験）により、ひずみ速度10−3ｓ−１で実施した結果を示した。既知の報告例から、衝撃変形速度（例えば20〜60km／時）では、静的速度の1.0〜2.0倍の応力となる。
【００４６】
図８は、突入棒を緩衝材に貫入させるときに平坦な端部の形状とテーパ状の端部とで衝撃荷重の測定実験をした結果を示している。試験体の一方は直径20mmで平坦な端面のもの、他方は、直径20ｍｍで90°のテーパを介して先端面の径２ｍｍの形状である。実験装置としては図９に示すように突入棒を試験体に打ち込むものを用いた。なお、非接触変位形を用いて計測した突入直前の速度は、重量０．８５ｋｇの棒を用いた場合、５７ｋｍ／時であった。図１０は、衝撃加圧した後の２つの試験体の断面をスケッチしたものである。これによれば、平坦な端部を突き刺したときには、その端面に押されたセル部分が潰れているのに対して（同図(a)）、テーパ状の端部を突き刺したときには、端部付近のセルの大きさはその外方と余り変わらない（同図(b)）。従ってテーパ状端部を有する突入棒はセル構造体をかき分けるように貫入されることが判る。また、この実験により、平坦な端部のものでは最大荷重が８．８ｋＮであるのに対して、テーパ状端部のものでは６．０６ｋＮである。同じ条件で与えた衝撃荷重に対し、セル構造が潰れることにより到達する最大荷重を３割程度低くすることが出来ると同時に、最大荷重に到達するまでに要する時間を４倍程度長くすることが可能となり、衝突安全に対応するエネルギー吸収の観点から有効であることがわかる。
【００４７】
もっとも本発明の構成要件として端部をテーパ状とすることが必須という訳ではない。乗客以外の輸送手段であれば、２０Ｇという基準は絶対条件ではないし、突入棒の径を最初から小さくすることができれば、その基準をクリアできる可能性がある。ただ自動車衝撃緩衝用の場合には、その径で所要の強度を確保するのが簡単でないというだけである。
【００４８】
図１１は、第１の実施形態の変形例である。この例は、複数の突入棒１２を板材（連結板）２０の一面に接続して連ねたものである。その構造は、外力受部である右板の一面から突入棒を突出した構造と同じである。
【００４９】
［実施例］
車両重量が１５００ｋｇの自動車が５５ｋｍ／ｈで衝突して衝撃加速度２０Ｇ以下に抑える場合の構成について設計する。
【００５０】
緩衝材としては、前述のＡｌ−Ｍｇ−Ｃａ−Ｔｉ系セル構造体であって横６００ｍｍ，縦４００ｍｍ、厚さ２００ｍｍのものを４枚用いる。
【００５１】
受板及び固定板も横６００ｍｍ，縦４００ｍｍのものを用いる。各板の内面には４×６＝２４本の突入棒を付設する。各突入棒の長さは１６０ｍｍであり、太さは２０ｍｍ、先端部に９０°のテーパを付し、その先端面の径を２ｍｍとしている。また、緩衝材の間のピンの長さは３２０mm以上である。各緩衝材の間にも同様の数の突入棒を配置する。また装置の力の緩衝方向は２１００ｍｍ程度とすれば足りる。尚、従来のアルミニウムハニカムを用いたときには、同様の性能を持たせるために３０００ｍｍ程度の長さが必要であり、それに比べて装置をコンパクト化することができる。尚、この具体例において、重さ１５００ｋｇの車が、時速５５ｋｍで走行中のときの運動エネルギー（１７５ｋＪ）を、８層の緩衝部で吸収することから、一層あたりの吸収エネルギー（２１．９ｋＪ）が算出される。一層あたりに必要なピンの数は、緩衝材にピンが刺さる深さ、すなわち変形量と吸収される荷重の関係（図８）から導かれる一箇所あたりの吸収エネルギーで除して決定した。なお、上記の方法により、４８本の先端部９０°テーパ・突入棒を用いた場合に生ずる最大加速度は１９．８Ｇであり、同じ配置で先端部を平らな突入棒を用いた場合の最大加速度２８．７Ｇに対して、安全基準を満足していることがわかる。
【００５２】
図１２は、本発明の第２の実施形態を示している。この実施形態では、本発明の衝撃緩衝装置を自動車内のセーフティボードＢの支持構造に組み込んでいる。即ちセーフティボードの縁部に外力受部４である受板、この受板から突出した複数の突入棒、１枚の緩衝材８を介して、固定部１６である固定板に連結したものである。この固定板は、自動車の内面の適所に連結すれば良い。緩衝材８の素材としては、脳が損傷を受けない加速度を保証するソフトな物を用いる具体的には、プラトー応力（降伏後に表れる定常状態の応力）の低い材料、例えば高分子材料が好適である。また、金属セル構造体を用いるときには、単純に気孔率を例えば９５％程度に高くしたものを用いると良い。尚、図示例では、セーフティボードＢと外力受部４との間に、更に衝撃を弱めるために弾性板２２を介在させており、更に緩衝装置の外側を柔軟なフード２４で覆っている。
【００５３】
図１３から図１７は、本発明の第３実施形態を示している。この実施形態では、緩衝材８として木質材料を使用したものである。特に杉、ひのきなどの針葉樹が好適である。針葉樹は、繊維が長く緻密でかつ柔らかいからである。図１７は木材を繊維方向と直角に横断した面であり、同図において木材の繊維は、紙面に垂直に延びている。また図１３及び図１４では繊維を細線で表している。木質材料の利点は、アルミ合金セル構造体と同等かそれ以上の強度を有しながら、アルミ合金セル構造体に比べてコストが圧倒的に安いこと、間伐材等の廃材を利用することができ、資源の有効利用に資すること、自然素材であるため環境に優しいことなどである。他方、木材は繊維で形成されているため、突入棒１２を差し込むことで裂けてしまう可能性がある。これを防止するために、金属セル構造体に用いるものに比べて先端が鋭角なものを用いるとよい。図示例では直径２０ｍｍ、先端面の径が２ｍｍ、先端の角度が６０度のものを用いている。突入棒１２は、図１３に示す如く繊維の方向に突入するようにしてもよく、また、図１４に示す如く繊維に直交する方向に突入するようにしてもよい。以下、その根拠となる実験データを示す。
【００５４】
図１５は、緩衝材８を木材として静的圧縮実験を行った結果を示している。木材の繊維に対して直角方向に圧縮変形させた場合と、繊維方向と平行な方向に圧縮変形させた場合についてそれぞれ実験を行った。その結果次のことが判った。第１に、繊維方向及び繊維直交方向の何れでも圧縮ひずみ0.6付近まで安定したプラトー領域がある。これは木材もセル構造体だからである。第２に、木材の繊維方向の強度は大きく、アルミ合金セル構造体と大差がないが、繊維直交方向の強度は小さい。これは、木材が材質異方性を有することを示している。
【００５５】
もっとも本願発明の如く複数の突入棒１２で木製緩衝材を突き刺すときには、図１６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように繊維直交方向と繊維方向とで得られる性能差が極めて少ないという注目すべき効果が得られる。なお、同図（Ｃ）は対比するためにとった、図８に示すアルミ合金セル構造体のデータである。本発明の如く緩衝材８を複数の突入棒１２で串刺しにする方式では、棒の貫入による変形と径方向の拡幅変形を同時に導入することが可能なためであると考えられる。何れの場合にも荷重の急激な立ち上がりを抑制することができ、また上記アルミ合金セル構造体とほぼ同等かさらに良い性能を得ることができる。また、同様の理由で、突入棒１２が繊維方向に対して斜めに突入しても同等の効果が得られる。
【００５６】
木材（木質材料）としては、圧縮加工していない生の木が含まれることは言うまでもないが、圧縮加工した木でもよく、さらにはウッドチップを樹脂で固めたものや、パーティクルボード等も候補に入る。樹脂で固めたもの及びパーティクルボードの  利点は、繊維方向の違いによる木の材質異方性がランダム配向により均質化することであり、また局所破壊性（素材全体への割れの伝播しにくさ）も良好である。ただし、若干強度が高すぎる場合には、串刺し方式の串の先端形状、先端角度や材質を適切に調整することが必要である。
【００５７】
木材で形成した緩衝材８には防水加工又は防腐処理を施すか、或いは木製緩衝材を内蔵する装置全体を防水処理することが望ましい。
【００５８】
上記構成において、図１３のように突入棒１２を木材の繊維を平行な向きとした実施例では、同図（Ａ）の状態から外力が作用すると、同図（Ｂ）の如く突入棒１２は木材の繊維を掻き分けかつ押し潰しながら緩衝体８内に突入する。また図１４のように突入棒を木材の繊維と直交する向きとした実施例では、同図（Ａ）の状態から外力が作用すると、同図（Ｂ）の如く突入棒１２は木材の繊維を切断しかつ押し潰しながら緩衝体８内に突入する。ひのきのように柔らかい素材では、突入棒１２を繊維方向と直交方向に突入された場合でも、繊維方向に突入させた場合と近い荷重が得られる。特に突入初期の荷重はほぼ同じになっている。
【００５９】
また、突入棒１２を木材の繊維方向に突入させた場合と、金属セル構造体に突入させた場合とを比較すると、突入初期の荷重はほぼ同程度であるが、その後の荷重の最大値は木材の方が大きい。従ってこの実験例では木材の繊維方向に突入棒を突入させた方がトータルとして大きな運動量を受け止めることができることが判る。
【００６０】
なお、上記各実施形態は本発明の好適な一例に過ぎないものであり、本発明の本質に反しない限り、そこに挙げた数値・材質その他の具体的な事項によってなんら発明の範囲が限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第1の実施形態に係る衝撃力緩衝装置の全体構成図である。
【図２】図１の装置の縦断面である。
【図３】図１の装置の横断面である。
【図４】図１の装置の圧縮後の横断面である。
【図５】図１の装置の設置例を示す図である。
【図６】図１の装置と同様の方式と単純圧縮方式とでの衝突加速度実験の結果を表すグラフである。
【図７】図１の装置の緩衝材と比較品との静的圧縮実験の結果を表すグラフである。
【図８】図１の装置の突入棒の端部の形状を変えて衝撃実験をした結果を示すグラフである。
【図９】図８の試験に使用する装置の構成例である。
【図１０】図９の実験装置を使用して衝撃を加えた試験体の状態を示す図である。
【図１１】図１の装置の変形例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る衝撃力緩衝装置の全体構成図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態の第１例として、木質繊維と平行方向へ貫入させる方式を示している。
【図１４】同実施形態の第２例として、木質繊維と直交方向へ貫入させる方式を示している。
【図１５】同実施形態の裏づけとなる圧縮実験の結果を示している。
【図１６】同実施形態の裏づけとなる衝撃実験の結果を示している。
【図１７】木材のセル構造体の顕微鏡写真のトレースである。
【符号の説明】
【００６２】
２…支持台  ４…外力受部  ６…緩衝部  ８…緩衝材  １０…緩衝ユニット
１２…突入棒  １４…テーパ状端部  １６…固定部  １８…カバー
２０…連結板  ２２…弾性板
【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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