(57)【要約】【課題】従来の筒状の衝撃エネルギー吸収体に比べ、衝撃エネルギー吸収性・生産性に優れ、なお且つ軽量な、少なくとも２層構造の管状部を有した衝撃エネルギー吸収体およびその製造方法を提供する。【解決手段】互いに連通している少なくとも２重の中空部を有する金型を用い、繊維強化樹脂組成物を、一方の中空部に設けられたゲートから注入して該一方の中空部内に充填するとともに、他方の中空部と連通している部分を通過させて該他方の中空部に充填することにより、一方の管状部（Ａ）においては、強化繊維が軸方向に配向し、他方の管状部（Ｂ）においては、強化繊維が周方向に配向した衝撃エネルギー吸収体を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化樹脂組成物からなる少なくとも２層構造の管状部を有し、内側の管状部と外側の管状部とが一部分で繋がっており、一方の管状部（Ａ）においては強化繊維が管状部の軸方向に配向し、他方の管状部（Ｂ）においては強化繊維が管状部の周方向へ配向していることを特徴とする衝撃エネルギー吸収体。
【請求項２】
強化繊維が軸方向へ配向している管状部（Ａ）の軸方向高さＬ１が、強化繊維が周方向へ配向している管状部（Ｂ）の軸方向高さＬ２に比べて、高いことを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【請求項３】
内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して局所的に設けられており、かつ、板状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【請求項４】
前記内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に垂直に設けられており、該部分の厚みｔ４が管状部（Ｂ）の肉厚ｔ３よりも小さいことを特徴とする、請求項３に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【請求項５】
内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して局所的に設けられており、かつ、棒状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【請求項６】
内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して一方の管状部の全幅で設けられており、かつ、板状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法であって、互いに連通している少なくとも２層の中空部を有する金型を用い、繊維強化樹脂組成物を、一方の中空部に設けられたゲートから注入して該一方の中空部内に充填するとともに、他方の中空部と連通している部分を通過させて該他方の中空部に充填することを特徴とする衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
【請求項８】
前記少なくとも２層の中空部の軸方向高さが互いに異なり、高さが高いほうの中空部の軸方向端部に前記ゲートが設けられた金型を用いることを特徴とする、請求項７に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
【請求項９】
前記少なくとも２層の中空部の軸方向高さが互いに異なり、高さが低いほうの中空部の周面に前記ゲートが設けられた金型を用いることを特徴とする、請求項７に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂組成物からなる少なくとも２層構造の管状部を有する衝撃エネルギー吸収体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船や電車、自動車外板部材など、耐衝撃性を必要とする部材には金属部材が用いられるケースがほとんどであったが、重量が重い、加工が困難などの点から樹脂材料への置き換えが検討されてきた。また、樹脂は使い方によって、鉄に比べて衝撃エネルギーを、より効率的に吸収することも可能であるため、近年では自動車外板部材や自動車構造部材などへの採用が増加している。特に近年では、自動車の歩行者保護性能が法規化されつつあり、自動車外板部材への樹脂の適用はさらに加速するものと考えられる。
【０００３】
衝撃エネルギーを吸収する樹脂部品としては、筒状リブが知られており、たとえば特許文献１に、樹脂部材とその後方に設置された筒状リブによって衝撃吸収性能を向上させたバンパが記載されている。また、特許文献２には、筒状リブの応用として、樹脂分子の配向あるいは繊維の配向方向によって衝撃エネルギー吸収特性が異なることを利用し、配向方向を制御することによって衝撃エネルギーを効率良く吸収する方法も提案されている。しかし、これら特許文献１、２に記載の衝撃エネルギー吸収体では、限られたスペース内で多量の衝撃エネルギーを吸収するという点で課題が残る。また、特許文献２に記載の吸収体は、樹脂分子の配向あるいは繊維の配向方向を制御することによって、衝撃エネルギーを効率良く吸収できる。しかし、中空円筒の軸方向に対する樹脂分子の配向あるいは繊維の配向角度は最大でも８０°と記載されているため、実際の成形品における主配向角度は４５°前後になると考えられる。より衝撃エネルギー吸収量を多くするには、主配向角度を９０°とするのが望ましい。
【０００４】
そこで、特許文献３には、限られたスペース内で多量の衝撃エネルギーをスムーズに吸収するために、筒状リブを組み合わせることが提案されている。具体的には、圧潰時にＦＲＰ製筒状中空体と金属製筒状中空体の間の微少間隙が零になることによって、ＦＲＰ製筒状中空体と金属製筒状中空体間に相互干渉が生じ、衝撃エネルギーを吸収することができる。しかしながら、この特許文献３に記載の吸収体は、ＦＲＰ製の筒状中空体と金属製の筒状中空体とをそれぞれ用意する必要があるうえに、金属製の筒状中空体を用いるため上記したような金属を用いることに起因する問題があるものであった。また、仮にその金属製の筒状中空体を樹脂製の筒状中空体に変更するとしても、あらかじめ樹脂製の中空体をいくつか製造する工程と、それらを組み合わせる工程の２つの工程が必要となり、生産性の点で課題が残るものである。
【特許文献１】特開平９−２４０３９３号公報
【特許文献２】特許第３２６６５４９号公報
【特許文献３】特開平９−６０６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来の筒状の衝撃エネルギー吸収体に比べ、衝撃エネルギー吸収性・生産性に優れ、なお且つ軽量な、少なくとも２層構造の管状部を有した衝撃エネルギー吸収体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、以下のいずれかの構成を有する。
（１）繊維強化樹脂組成物からなる少なくとも２層構造の管状部を有し、内側の管状部と外側の管状部とが一部分で繋がっており、一方の管状部（Ａ）においては強化繊維が管状部の軸方向に配向し、他方の管状部（Ｂ）においては強化繊維が管状部の周方向へ配向していることを特徴とする衝撃エネルギー吸収体。
（２）強化繊維が軸方向へ配向している管状部（Ａ）の軸方向高さＬ１が、強化繊維が周方向へ配向している管状部（Ｂ）の軸方向高さＬ２に比べて、高いことを特徴とする前記（１）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
（３）内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して局所的に設けられており、かつ、板状であることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
（４）前記内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に垂直に設けられており、該部分の厚みｔ４が管状部（Ｂ）の肉厚ｔ３よりも小さいことを特徴とする、前記（３）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
（５）内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して局所的に設けられており、かつ、棒状であることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
（６）内側の管状部と外側の管状部とが繋がっている部分は、管状部の軸方向に関して一方の管状部の全幅で設けられており、かつ、板状であることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
（７）前記（１）〜（６）のいずれかに記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法であって、互いに連通している少なくとも２層の中空部を有する金型を用い、繊維強化樹脂組成物を、一方の中空部に設けられたゲートから注入して該一方の中空部内に充填するとともに、他方の中空部と連通している部分を通過させて該他方の中空部に充填することを特徴とする衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（８）前記少なくとも２層の中空部の軸方向高さが互いに異なり、高さが高いほうの中空部の軸方向端部に前記ゲートが設けられた金型を用いることを特徴とする、前記（７）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（９）前記少なくとも２層の中空部の軸方向高さが互いに異なり、高さが低いほうの中空部の周面に前記ゲートが設けられた金型を用いることを特徴とする、前記（７）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
【０００７】
なお、本発明において管状部とは、中実部材ではなく、中空部を有するものをいい、断面形状は限定されるものではない。すなわち、断面形状は、円だけでなく、楕円や、三角形、四角形などの多角形、さらにはそれらの角が丸くなっているようなものをも含む。
【０００８】
本発明において、強化繊維が管状部の軸方向へ配向しているとは、管状部の軸方向を０°とした時、管状部表面から見える強化繊維の主配向角度が−１０〜＋１０°であることを言い、強化繊維が管状部の周方向へ配向しているとは、管状部の軸方向を０°とした時、管状部表面から見える強化繊維の主配向角度が８０〜１００°であることを言う。また、強化繊維の主配向角度とは、管状部表面から見える繊維の配向角度のバラツキの中で、最も分布が多い角度のことを言う。
【０００９】
強化繊維の主配向角度の測定は、まず、成形品から試験片を取り出し、この試験片をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で写真撮影する。そして、撮影した写真から画像処理によって繊維の配向方向を計測し、各繊維の配向角度から分布を評価し、最も本数が多い角度を主配向角度とする。なお、試験片は、たとえば成形品の表面から１ｍｍの周面に並行な面に切りこみを入れ、取得する。
【００１０】
また、上述したように本発明における強化繊維の主配向角度は成形品の表面にて判断する。これは、成形品表面が、管状部全体の厚みの違いの影響をうけずに、成形方法を変更することで繊維を所望の向きに配向させることができ、その結果、剛性や強度を変化させることができるという点で、管状部の特性を代表する部分といえるからである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、以下に説明するとおり、従来の筒状の衝撃エネルギー吸収体に比べ、衝撃エネルギー吸収性・生産性に優れ、なお且つ軽量な、少なくとも２層構造の管状部を有した衝撃エネルギー吸収体およびその製造方法を提供することができる。
【００１２】
そして、本発明においては、互いに連通している少なくとも２層の中空部を有する金型を用い、繊維強化樹脂組成物を、一方の中空部に設けられたゲートから注入して該一方の中空部内に充填するとともに、他方の中空部と連通している部分を通過させて該他方の中空部に充填することにより、衝撃エネルギー吸収体を製造することができる。これにより、一方の管状部（Ａ）においては、強化繊維を軸方向に配向させることができ、他方の管状部（Ｂ）においては、強化繊維を周方向に配向させることができる。すなわち、強化繊維が軸方向に配向した管状部（Ａ）と、強化繊維が周方向に配向した管状部（Ｂ）を生産性良く一度に製造することができる。
【００１３】
得られた衝撃エネルギー吸収体は、強化繊維が軸方向に配向した管状部（Ａ）と、強化繊維が周方向に配向した管状部（Ｂ）とが層状に配置されているので、効果的に衝撃エネルギーを吸収することができる。すなわち、強化繊維が軸方向に配向した管状部（Ａ）の座屈変形を、強化繊維が周方向に配向した管状部（Ｂ）が抑制するため、衝撃エネルギー吸収性に優れた衝撃エネルギー吸収体といえる。また、かかる衝撃エネルギー吸収体は、樹脂組成物単体で成形されているため、軽量化という点でも優れたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について図および表を参照しながら説明する。
【００１５】
なお、本発明の繊維強化樹脂組成物を構成する樹脂は特に限定されないが、好ましくは熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂を使用することで、溶融成形が可能となり、生産性を向上させることができる。好ましい熱可塑性樹脂の例としては、ポリプロピレン、スチレン、ナイロン、ポリエステル、ポリカーボネイト、ポリアセタールなどが挙げられ、これらはポリマーアロイとして使用することもできる。
【００１６】
上記樹脂と混合される強化繊維としてはたとえばガラス繊維や炭素繊維が挙げられる。
【００１７】
樹脂組成物には、難燃剤、着色剤、耐候剤などの添加剤を加えて用いることもでき、樹脂部品の成形方法は射出成形によって成形されることが望ましい。
【００１８】
本発明の衝撃エネルギー吸収体の用途は特に限定されないが、自動車部品に使われる場合、衝突物に対して管状部の軸が垂直になるように衝撃エネルギー吸収体を設置する。また、これらは実際に試作、試験を行うことによって衝撃エネルギー吸収性能を確認することも可能であるが、コンピューターシミュレーションによる仮想的な試験結果に基づいて最適な形状を決定する方法が好ましく用いられる。
【００１９】
図１〜６は、本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体を示す図であり、それぞれにおいて、（ａ）が斜視図、（ｂ）が繊維配向を示す断面模式図である。
【００２０】
図１において、衝撃エネルギー吸収体は、強化繊維が軸方向へ配向された円管１０（管状部Ａ）と、この円管１０とは異なる径を有する、強化繊維が周方向へ配向された円管１１（管状部Ｂ）とを有し、これら円管１０、１１は同心円上に配置されるとともに、一部で繋がっている。円管１０、１１を繋ぐ部分１２は、管状部の軸方向に関して円管１１の全幅で設けられており、かつ、板状１２である。
【００２１】
この形態の衝撃エネルギー吸収体は、互いに連通している少なくとも２層の中空部を有する金型を用いて成形することができ、具体的には、上記のような構成の繊維強化樹脂組成物を、一方の中空部に設けられたゲートから注入して該一方の中空部内に充填するとともに、他方の中空部と連通している部分を通過させて該他方の中空部に充填することで得ることができる。
【００２２】
図１において、繊維強化樹脂組成物は、円管１０の軸方向端部に設けられたゲート１４から充填され、他端に向かって流動することによって、強化繊維が軸方向へ配向する。この時、円管１０と円管１１とを繋いでいる板状の部分１２の厚みｔ２に比べて、円管１０の肉厚ｔ１が厚いため、先に円管１０を形成する金型の中空部に繊維強化樹脂組成物が充填される。その後、繊維強化樹脂組成物は、円管１０と円管１１とを繋ぐ板状の部分１２を経由して円管１１を形成する金型の中空部に到達し、円管１１の周方向に流動することで強化繊維が周方向へ配向される。
【００２３】
衝撃エネルギー吸収体において、強化繊維が軸方向へ配向された円管１０（管状部Ａ）の高さＬ１は、強化繊維が周方向へ配向された円管１１（管状部Ｂ）の高さＬ２よりも高いことが好ましいが、どちらが外側に配置されていてもよい。従って、図１に示す態様は、円管１０（管状部Ａ）が内側に配置されているが、図２に示すように、円管１０（管状部Ａ）が外側に配置されていてもよい。なお、図２において、その他の点については図１と同様であるように説明を省略する。
【００２４】
続いて、図３に別の実施形態を示す。この図に示す形態は、円管１０と円管１１が繋がっている部分１３が複数に分割されて棒状になっている態様である。なお、図３において、その他の点については図１と同様であるように説明を省略する。
【００２５】
また、図４は、円管１０、１１を繋ぐ部分１２が、管状部の軸方向に関して局所的に設けられており、かつ、管状部の軸方向に対して垂直な板状１２である態様を示すとともに成形する際、繊維強化樹脂組成物が円管１１の周面に設けられたゲート１５から注入される態様を示している。円管１１の周面に設けられたゲート１５から注入される繊維強化樹脂組成物が、まず、円管１１を形成する金型の中空部を周方向へ流動しながら充填することで、強化繊維が周方向へ配向される。この時、円管１１と円管１０が繋がった部分１２の厚さｔ４に比べて、円管１１の肉厚ｔ３が厚いため、先に円管１１を形成する金型の中空部が充填される。続いて、繊維強化樹脂組成物は、板状の、円管１０、１１を繋ぐ部分１２を経由して、円管１０を形成する金型の中空部に到達し、円管の軸方向へ流動しながら該中空部を充填することで、強化繊維が軸方向へ配向される。
【００２６】
本実施形態では、円管１０、１１を繋ぐ板状の部分１２が円管１０、１１の軸方向中央部に設けられているが、この部分１２が、円管１０、１１の軸方向端部に設けられていても、それ以外の箇所に設けられていてもよい。また、図５に示すように、円管１１と円管１０を繋ぐ部分１３が周方向に分割されて棒状になっていてもよい。なお、図５に示す態様は、この点以外は図４と同様であるので説明を省略する。
【００２７】
さらに本発明において、管状部は、上述したような円管に限られず、図６に示すような、断面形状が四角形の管状部２０、２１であっても、その他楕円、三角形、五角形などの多角形、さらにはそれらの角が丸くなっているような管状部であってもあってもよい。
【００２８】
また、本発明において、管状部は、少なくとも２層構造であればよく、３層構造もしくはそれ以上の層を有する構造であってもよい。その場合、管状部（Ａ）と管状部（Ｂ）とが交互に設けられていることが好ましい
【実施例】
【００２９】
以下に実施例・比較例を示すが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００３０】
実施例・比較例において、エネルギー吸収性能は図７に示すように評価した。すなわち、図７は衝突試験の模式図であり、３０はインパクター、３１は衝撃エネルギー吸収体３２の支持板であり、衝撃エネルギー吸収体３２を固定するものである。この試験では、インパクター３０が衝撃エネルギー吸収体３２に衝突する際に、インパクター３０の変位とインパクター３０と衝撃エネルギー吸収体３２の間に発生する反力を測定する。この荷重（反力）−変位線図の履歴面積が衝撃エネルギー吸収体のエネルギー吸収量になる。
【００３１】
なお、インパクター３０は質量１００ｋｇの板（６０ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍｍ）とし、衝突時のスピードが１０ｍ／ｓｅｃとなるよう、衝撃エネルギー吸収体の軸方向に衝突させた。試験はバラツキが生じるため、Ｎ数は５回とし、エネルギー吸収量は５回の算術平均で評価した。
【００３２】
また、表１に示すように、管状部の軸方向を０°方向、周方向を９０°とした時、繊維の主配向角度は、実施例１の内側管状部で０°、外側管状部で９０°、比較例１で内側・外側管状部ともに０°、比較例２で内側・外側管状部ともに９０°、比較例３で内側管状部０°、外側管状部４５°とした。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
（実施例１）
図１、表１に示す衝撃エネルギー吸収体を作製し、図７のように対衝撃特性を評価した。なお、樹脂組成物には、東レ株式会社製ガラス繊維強化ナイロン６６樹脂“アミラン”ＣＭ３００１Ｇ３０を使用し、射出成形により成形した。内側の管状部は高さＬ１＝４３ｍｍ、肉厚ｔ１＝１．５ｍｍ、外径２２．５ｍｍ、外側の管状部は高さＬ２＝４０ｍｍ、肉厚１．５ｍｍ、外径２７．５ｍｍ、内側の管状部と外側の管状部が繋がっている部分は、高さＬ３＝４０ｍｍ、肉厚ｔ２＝０．５ｍｍとした。また、該衝撃エネルギー吸収体を概ね潰した状態となる、インパクターが３５ｍｍ変位した時のエネルギー吸収量を評価した。
【００３５】
本発明の評価結果を図８、表２に示す。評価の結果、吸収体は、強化繊維が軸方向に配向した内側の管状部の座屈変形を、強化繊維が周方向に配向した外側の管状部が抑制する変形モードとなった。また、インパクター変位が３５ｍｍの時、衝撃エネルギー吸収体が吸収するエネルギー量は３２７８．９Ｊとなった。
【００３６】
（比較例１）
表１に示すように、内側・外側管状部ともに繊維の主配向角度を０°とした以外は実施例１と同様にし、対衝撃特性を評価した。
評価の結果、衝撃エネルギー吸収体には軸方向に亀裂が入り、割れる結果となった。また、インパクター変位が３５ｍｍの時、衝撃エネルギー吸収体が吸収したエネルギー量は実施例よりも小さい２８１７．５Ｊとなった。二つの管状体の繊維の主配向方向が０°方向であることから、衝突当初はインパクターと衝撃エネルギー吸収体の間に発生する反力が大きく、効率良くエネルギーを吸収することができたものの、軸方向に亀裂が入り、割れることによって、最終的なエネルギー吸収効果は小さくなったと考えられる。実施例１とのこの差は、特に自動車のバンパ内で使用する場合など、複数の衝撃エネルギー吸収体を使用するときに、総合的に大きな差となるものである。
【００３７】
（比較例２）
表１に示すように、内側・外側管状部ともに繊維の主配向角度を９０°とした以外は実施例１と同様にし、対衝撃特性を評価した。
【００３８】
評価の結果、内側・外側管状部ともに周方向に亀裂が入り、割れる結果となった。また、繊維が軸方向に向いていないため、インパクターと衝撃エネルギー吸収体の間に発生する反力が小さく、インパクター変位が３５ｍｍの時、衝撃エネルギー吸収体が吸収するエネルギー量は１２４６．２Ｊとなった。
【００３９】
（比較例３）
表１に示すように、内側管状部の繊維の主配向角度を０°、外側管状部の繊維の主配向角度を４５°とした以外は実施例１と同様にして、対衝撃特性を評価した。
【００４０】
評価の結果、変形モードは実施例とほぼ同様となったが、実施例１に比べると、外側管状部の繊維の主配向角度が４５°であるため、衝撃エネルギー吸収体がインパクターに対して傾く現象が見られた。この影響により、インパクター変位が３５ｍｍの時、衝撃エネルギー吸収体が吸収するエネルギー量は実施例よりも小さい２１９３．２Ｊとなった。
【００４１】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図５】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図６】本発明の一実施形態を示す衝撃エネルギー吸収体の斜視図と断面模式図である。
【図７】衝撃試験の模式図である。
【図８】実施例、比較例における衝突試験結果のグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１０：円管（強化繊維が軸方向に配向した管状部（Ａ））
１１：円管（強化繊維が周方向に配向した管状部（Ｂ））
１２：円管１０、１１を繋ぐ部分
１３：円管１０、１１を繋ぐ部分
１４：管状体の軸方向端部に設けられたゲート
１５：管状体の周面に設けられたゲート
１７：強化繊維
２０：四角形の管状部（強化繊維が軸方向に配向した管状部（Ａ））
２１：四角形の管状部（強化繊維が周方向に配向した管状部（Ｂ））
２２：四角形の管状部２０、２１を繋ぐ部分
２４：管状体の軸方向端部に設けられたゲート
３０：インパクター
３１：支持板
３２：衝撃エネルギー吸収体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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