(57)【要約】【課題】  異なる複数の衝突の形態に対して車体フレームを常に適正に変形させることが可能な能動型補強部材およびこれを用いた車体フレームの補強構造の提供。【解決手段】  シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子３１に、シート状をなし駆動時に面内方向に縮む第２の圧電素子３２をその縮み方向を第１の圧電素子３１の伸び方向に沿わせて重ね合わせるとともに、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第３の圧電素子３３をその伸び方向を第１の圧電素子３１の伸び方向とは９０度異ならせて第２の圧電素子３２の第１の圧電素子３１とは反対側に重ね合わせてなる。【選択図】        図４
2005162031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子に、シート状をなし駆動時に面内方向に縮む第２の圧電素子をその縮み方向を前記第１の圧電素子の伸び方向に沿わせて重ね合わせるとともに、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第３の圧電素子をその伸び方向を前記第１の圧電素子の伸び方向とは９０度異ならせて前記第２の圧電素子の前記第１の圧電素子とは反対側に重ね合わせてなることを特徴とする能動型補強部材。
【請求項２】
シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子に、シート状をなし駆動時に面内方向に縮む第２の圧電素子をその縮み方向を前記第１の圧電素子の伸び方向に沿わせて重ね合わせるとともに、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第３の圧電素子をその伸び方向を前記第１の圧電素子の伸び方向とは９０度異ならせて前記第２の圧電素子の前記第１の圧電素子とは反対側に重ね合わせてなる能動型補強部材を、屈曲部を含む車体フレームの前記屈曲部の内角側に、前記第１の圧電素子の伸び方向および前記第２の圧電素子の縮み方向を前記屈曲部の屈曲中心線に沿わせて前記第３の圧電素子において接合させてなることを特徴とする車体フレームの補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動型補強部材およびこれを用いた車体フレームの補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロントフレームの先端部にビードと呼ばれる凹みを設けることで、フロントフレームに圧縮荷重が導入された場合にフロントフレームが凹みから座屈するように座屈を制御する技術が開示されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−１６５１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように車体フレームに凹みを設けるという座屈制御は、変形荷重特性が一仕様のみになってしまうことになり、異なる複数の衝突の形態に対して車体フレームを常に適正に変形させることができないという問題があった。
【０００４】
したがって、本発明は、異なる複数の衝突の形態に対して車体フレームを常に適正に変形させることが可能な能動型補強部材およびこれを用いた車体フレームの補強構造の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子（例えば実施形態における第１圧電素子３１）に、シート状をなし駆動時に面内方向に縮む第２の圧電素子（例えば実施形態における第２圧電素子３２）をその縮み方向を前記第１の圧電素子の伸び方向に沿わせて重ね合わせるとともに、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第３の圧電素子（例えば実施形態における第３圧電素子３３）をその伸び方向を前記第１の圧電素子の伸び方向とは９０度異ならせて前記第２の圧電素子の前記第１の圧電素子とは反対側に重ね合わせてなることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に係る発明は、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子（例えば実施形態における第１圧電素子３１）に、シート状をなし駆動時に面内方向に縮む第２の圧電素子（例えば実施形態における第２圧電素子３２）をその縮み方向を前記第１の圧電素子の伸び方向に沿わせて重ね合わせるとともに、シート状をなし駆動時に面内方向に伸びる第３の圧電素子（例えば実施形態における第３圧電素子３３）をその伸び方向を前記第１の圧電素子の伸び方向とは９０度異ならせて前記第２の圧電素子の前記第１の圧電素子とは反対側に重ね合わせてなる能動型補強部材（例えば実施形態における圧電素子アクチュエータ３０）を、屈曲部（例えば実施形態における先端側屈曲部２１，基端側屈曲部２２）を含む車体フレーム（例えば実施形態におけるフロントサイドフレーム１１）の前記屈曲部の内角側に、前記第１の圧電素子の伸び方向および前記第２の圧電素子の縮み方向を前記屈曲部の屈曲中心線に沿わせて前記第３の圧電素子において接合させてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
屈曲部を有する車体フレームが屈曲部から折れを生じる場合には、屈曲部の内角側の面が凹むように変形しつつ内角を小さくする方向に屈曲することになるが、本発明によれば、駆動時に面内方向に伸びる第１の圧電素子、駆動時に面内方向に縮むとともにその縮み方向を第１の圧電素子の伸び方向に沿わせた第２の圧電素子および駆動時に面内方向に伸びるとともにその伸び方向を第１の圧電素子の伸び方向と９０度異ならせた第３の圧電素子を重ね合わせてなる能動型補強部材を、屈曲部の内角側に、第１の圧電素子の伸び方向および第２の圧電素子の縮み方向を屈曲部の屈曲中心線に沿わせて第３の圧電素子において接合させる。そして、衝突時に、第１の圧電素子、第２の圧電素子および第３の圧電素子を駆動すると、第１の圧電素子および第２の圧電素子の重ね合わせによってこれら全体が屈曲部の内角側の面を凸状とする方向に変形しようとして荷重を発生させる。それとともに、第３の圧電素子が屈曲部の内角を大きくする方向に伸びようとして荷重を発生させる。この第３の圧電素子の伸びようとする荷重によって生じる直交方向の縮もうとする方向の荷重は、第１の圧電素子および第２の圧電素子の屈曲部の内角側の面を凸状とする方向の荷重をさらに増大させる。その結果、能動型補強部材が、屈曲部における折れの発生を抑止して車体フレームを圧壊座屈させることになる。逆に衝突時にこれら第１の圧電素子、第２の圧電素子および第３の圧電素子を駆動しなければ、屈曲部で折れを発生させることができる。したがって、座屈を生じさせた方が好ましい衝突の形態および折れを発生させた方が好ましい衝突の形態の異なる複数の衝突の形態に対して車体フレームを常に適正に変形させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の一実施形態を図面を参照して以下に説明する。
図１は車両１０の車体前部を示すもので、車体前部には車体骨格部材であるフロントサイドフレーム（車体フレーム）１１が車体前後方向に沿う状態で車幅方向に離間して一対設けられている。これらフロントサイドフレーム１１は、先端側が、車幅方向に沿うフロントバンパビーム１２に連結されており、基端側が、車幅方向に沿うダッシュボードロアクロスメンバ１３と交差して、車体前後方向に沿うフロアフレーム１４にそれぞれ連結されている。
【０００９】
フロントサイドフレーム１１は、鋼材からなるもので、図２および図３に概略的に示すように、四つの板部１６〜１９が枠状に連結されることで長さ方向に直交する断面がほぼ矩形の閉断面形状をなしている。
【００１０】
また、フロントサイドフレーム１１は、中間位置の先端側に、一側に鈍角をなして屈曲する先端側屈曲部（屈曲部）２１が形成され、中間位置の先端側屈曲部２１よりも基端側に、逆側に鈍角をなして屈曲する基端側屈曲部（屈曲部）２２が形成されている。その結果、フロントサイドフレーム１１は、先端側屈曲部２１よりも先端側の先端側フレーム部２４と、先端側屈曲部２１と基端側屈曲部２２との間の中間フレーム部２５と、基端側屈曲部２２よりも基端側の基端側フレーム部２６とで構成される。先端側フレーム部２４と基端側フレーム部２６とは平行をなしている。
【００１１】
そして、各フロントサイドフレーム１１の先端側屈曲部２１の内角側を構成する板部１６の先端側屈曲部２１の位置と、基端側屈曲部２２の内角側を構成する板部１８の基端側屈曲部２２の位置とにそれぞれ圧電素子アクチュエータ（能動型補強部材）３０が設けられている。
【００１２】
圧電素子アクチュエータ３０は、図４に示すように、シート状をなし駆動時に面内方向に伸縮可能な第１圧電素子（第１の圧電素子）３１と、シート状をなし駆動時に面内方向に伸縮可能な第２圧電素子（第２の圧電素子）３２と、シート状をなし駆動時に面内方向に伸縮可能な第３圧電素子（第３の圧電素子）３３とがこの順番に重ね合わせられ互いに全面的に貼り付けられて構成されている。ここで、第１圧電素子３１と第２圧電素子３２とは伸縮方向を互いに沿わせて図４に示すＺ軸に沿う方向としており、第３圧電素子３３はこれら第１圧電素子３１および第２圧電素子３２に対し伸縮方向を９０度異ならせて図４に示すＸ軸に沿う方向としている。
【００１３】
各圧電素子３１〜３３には、図５に示すように、それぞれが櫛歯状をなして互いに入り込み合う電極３６および電極３７が設けられている。各圧電素子３１〜３３は、一方の電極３６をプラスとし他方の電極３７をマイナスとして電圧を印加すると、一方向において伸びつつこの伸び方向に荷重を発生させ、逆に、前記一方の電極３６をマイナスとし前記他方の電極３７をプラスとして電圧を印加すると、一方向において縮みつつこの縮み方向に荷重を発生させる。
【００１４】
そして、一方の圧電素子アクチュエータ３０は、図６に示すように、フロントサイドフレーム１１の先端側屈曲部２１の内角側を構成する板部１６の先端側屈曲部２１の位置に、第１圧電素子３１および第２圧電素子３２の伸縮方向を先端側屈曲部２１の屈曲中心線に沿わせて第３圧電素子３３において全面的に貼付されている。ここで、圧電素子アクチュエータ３０は板部１６における先端側屈曲部２１の屈曲の中央位置をフロントサイドフレーム１１の延在方向において前後に越えるように配置されている。
【００１５】
同様に、他方の圧電素子アクチュエータ３０は、フロントサイドフレーム１１の基端側屈曲部２２の内角側を構成する板部１８の基端側屈曲部２２の位置に、第１圧電素子３１および第２圧電素子３２の伸縮方向を基端側屈曲部２２の屈曲中心線に沿わせて第３圧電素子３３において全面的に貼付されている。ここで、圧電素子アクチュエータ３０は板部１８における基端側屈曲部２２の屈曲の中央位置をフロントサイドフレーム１１の延在方向において前後に越えるように配置されている。
【００１６】
これら圧電素子アクチュエータ３０は、すべて図１に示すコントローラ（制御手段）３９に接続されており、このコントローラ３９で電極３６，３７に印加される電圧、つまり圧電素子アクチュエータ３０の荷重が制御される。コントローラ３９には、例えば車体前方の障害物を検出するレーダ４０と、衝突開始初期に衝突形態および衝突の激しさを検出する圧電フィルムセンサ４１とが接続されている。
【００１７】
ここで、コントローラ３９は、荷重を発生させるため圧電素子アクチュエータ３０を駆動する場合には、第１圧電素子３１を図４におけるＺ軸に沿って伸びる方向（図４における矢印Ｚ１方向）に変形させこの方向に荷重を発生させるように駆動し、また第２圧電素子３２を図４におけるＺ軸に沿って縮む方向（図４における矢印Ｚ２方向）に変形させこの方向に荷重を発生させるように駆動し、さらに第３圧電素子３３を図４におけるＸ軸に沿って伸びる方向（図４における矢印Ｘ１方向）に変形させこの方向に荷重を発生させるように駆動する。
【００１８】
以上の結果、圧電素子アクチュエータ３０は、図６に示すように、駆動時に面内方向に伸びる第１圧電素子３１に、前記駆動時に面内方向に縮む第２圧電素子３２をその縮み方向（図６における矢印Ｚ２方向）を第１圧電素子３１の伸び方向（図６における矢印Ｚ１方向）に沿わせて重ね合わせるとともに、前記駆動時に面内方向に伸びる第３圧電素子３３をその伸び方向（図６における矢印Ｘ１方向）を第１圧電素子３１の伸び方向とは９０度異ならせて第２圧電素子３２の第１圧電素子３１とは反対側に重ね合わせて構成されている。そして、このような圧電素子アクチュエータ３０が、各フロントサイドフレーム１１の先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側に、第１圧電素子３１の伸び方向および第２圧電素子３２の縮み方向を先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の屈曲中心線に沿わせて第３圧電素子３３において接合させられている。
【００１９】
ここで、圧電素子アクチュエータ３０をフロントサイドフレーム１１に取り付ける前の状態で、その第１圧電素子３１、第２圧電素子３２および第３圧電素子３３を上記のように駆動すると、第１圧電素子３１が伸び第２圧電素子３２が縮むことによって図４におけるＹ軸方向においてこれら全体が第３圧電素子３３に対し反対側に凸に湾曲するように変形する（いわゆるバイモルフ型アクチュエータと同じ。図４矢印Ｍ参照）。これにより、図４に示すＸ軸周りに曲げモーメントを発生させることが可能となる。それとともに、第３圧電素子３３が伸び、これにより、図４に示すＸ軸方向の荷重を発生可能となる（図４矢印Ｘ２参照）。この第３圧電素子３３の伸びにより第３圧電素子３３は直交方向に縮むことになり、この縮みが上記した第１圧電素子３１および第２圧電素子３２の全体の第３圧電素子３３に対し反対側に凸の湾曲を促進する。
【００２０】
これに対し、圧電素子アクチュエータ３０が第３圧電素子３３において貼り付けられるフロントサイドフレーム１１の先端側屈曲部２１の内角側は、図７に二点鎖線で示すように、衝突荷重入力時には板部１６が凹状をなすように面外方向に変形しようとし、しかも全体として内角を小さくする方向に変形しようと板部１６の表面に圧縮応力を生じさせて折れを促すことになる。このような先端側屈曲部２１の変形力に抗するように圧電素子アクチュエータ３０は変形しようとして荷重を発生させるのである。板部１８を凹状に変形させようとする基端側屈曲部２２についても同様である。
【００２１】
フロントサイドフレーム１１には、図２に示すように、その先端側から基端側まで延在方向に沿って設けられて座屈進行位置を検出可能なセンサ（検出手段）４２が設けられている。このセンサ４２は、図示は略すが例えばフロントサイドフレーム１１の延在方向に直列に並べられた多数圧電素子または歪みゲージ等のセンサ素子からなっており、コントローラ３９は、センサ素子で変形が検出された位置まで座屈が進行していると判定する。センサ４２は先端側屈曲部２１の内角側を通るようにフロントサイドフレーム１１に設けられている。そして、コントローラ３９は、このセンサ４２の検出結果に基づいて圧電素子アクチュエータ３０の荷重を制御する。
【００２２】
具体的に、コントローラ３９は、レーダ４０の検出データに基づき前方障害物との衝突の有無を予測し、さらに、圧電フィルムセンサ４１によって、衝突開始初期に衝突形態および衝突の激しさを判定する。そして、例えば衝突形態がフラットバリア衝突であると判定した場合は、先端側屈曲部２１に設けられた圧電素子アクチュエータ３０および基端側屈曲部２２に設けられた圧電素子アクチュエータ３０を駆動する。すると、衝突の荷重が先端側フレーム部２４の先端側から入力されても、先端側屈曲部２１の内角側で圧電素子アクチュエータ３０が踏ん張ること、および基端側屈曲部２２の内角側で圧電素子アクチュエータ３０が踏ん張ることでこれら先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２から発生するフロントサイドフレーム１１の折れを抑止する。
【００２３】
つまり、上記のようにフロントサイドフレーム１１が先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２から折れを生じる場合には、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側の面が凹むように変形しつつ内角を小さくする方向に屈曲することになるが、これら先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側に、それぞれ圧電素子アクチュエータ３０が接合されているため、各圧電素子アクチュエータ３０の第１圧電素子３１、第２圧電素子３２および第３圧電素子３３を同時に駆動すると、第１圧電素子３１および第２圧電素子３２の重ね合わせによってこれら全体が先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側の面を凸状とする方向に変形しようとして荷重を発生させ、第３圧電素子３３が先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角を大きくする方向に変形しようとして荷重を発生させる。この第３圧電素子３３の伸びようとする荷重によって第３圧電素子３３に生じる直交方向の縮もうとする方向の荷重は、第１圧電素子３１および第２圧電素子３２の全体の先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側の面を凸状とする方向の荷重をさらに増大させる。その結果、各圧電素子アクチュエータ３０が、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側の面が凹むように面外方向に変形しようとするのに抗した曲げモーメントを発生させ、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の内角側の面の圧縮応力に抗した引っ張り荷重を発生させて、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２における折れの発生を抑止し、その結果、フロントサイドフレーム１１は折れを生じることなく、先端側フレーム部２４の先端側から圧壊座屈が発生する。
【００２４】
コントローラ３９はセンサ４２の検出結果から座屈の進行位置を把握しており、座屈進行位置が先端側屈曲部２１に至ったことが検出されると、基端側屈曲部２２の圧電素子アクチュエータ３０への電圧の印加は継続したまま、先端側屈曲部２１の圧電素子アクチュエータ３０への電圧の印加を停止させる。すると、中間フレーム部２５に先端側から良好に座屈が進行する。
【００２５】
続いて、コントローラ３９はセンサ４２の検出結果から座屈進行位置が、基端側屈曲部２２に至ったことが検出されると、基端側屈曲部２２の圧電素子アクチュエータ３０への電圧の印加を停止させる。すると、基端フレーム部２６に先端側から良好に座屈が進行する。
【００２６】
このようにコントローラ３９が各圧電素子アクチュエータ３０を制御することで、フロントサイドフレーム１１の先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２からの折れを防ぎ、圧壊座屈モードで変形させることができて、エネルギ吸収効率を向上させることができる。
【００２７】
一方、コントローラ３９は、例えば衝突形態がオフセット衝突であると判定した場合、衝突側のフレームは、上記「００２３」に記すように、折れを防ぐようにし、非衝突側のフレームでは、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２の圧電素子アクチュエータ３０に電圧を印加せず、荷重を発生させない。すると、衝突の荷重が先端側フレーム部２４の先端側から入力されると、先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２からそれぞれの内角を小さくするようにフロントサイドフレーム１１に折れが発生する。そして、そのままフロントサイドフレーム１１をＺ字型の折れモードで変形させることができ、オフセット衝突時に、非衝突側のフレームも折れることでエネルギ吸収させることが可能となる。
【００２８】
以上の結果、本実施形態によれば、座屈を生じさせた方が好ましい衝突の形態および折れを発生させた方が好ましい衝突の形態の異なる複数の衝突の形態に対してフロントサイドフレーム１１を常に適正に変形させることができる。
【００２９】
しかも、センサ４２でフロントサイドフレーム１１の座屈進行位置を検出し、その検出結果つまり座屈進行位置に応じて圧電素子アクチュエータ３０の荷重の発生を制御することができるため、フロントサイドフレーム１１の変形をより詳細に制御することができ、圧壊座屈モードにおいてフロントサイドフレーム１１を確実に圧壊座屈させることができる。
【００３０】
加えて、スティフナ等を設けることなくフロントサイドフレーム１１の折れを防ぐことができるため、車体重量を低減することができる。
【００３１】
なお、衝突時に先端側屈曲部２１および基端側屈曲部２２で折れを発生させる場合に圧電素子アクチュエータ３０の第１圧電素子３１、第２圧電素子３２および第３圧電素子３３にそれぞれ上記とは逆方向の電圧を印加して折れを促進させても良い。
【００３２】
また、衝突発生時には、常にフロントサイドフレーム１１を圧壊座屈モードで変形させるように圧電素子アクチュエータ３０を駆動しても良い。
【００３３】
加えて、フロントサイドフレーム１１ではなく、車体後部で車体前後方向に沿うリヤフレーム等、他の車体フレームにも上記を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態が適用された車両の車体前部を概略的に示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態が適用されたフロントサイドフレームを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態が適用されたフロントサイドフレームの断面図であって、（ａ）は図２におけるＡ１−Ａ１線に沿うものであり、（ｂ）は図２におけるＡ２−Ａ２線に沿うもの図である。
【図４】本発明の一実施形態の圧電素子アクチュエータを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態の圧電素子アクチュエータを構成する圧電素子を示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態が適用されたフロントサイドフレームの部分拡大斜視図である。
【図７】フロントサイドフレームの先端側屈曲部および基端側屈曲部における変形状態を二点鎖線で示す側断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  フロントサイドフレーム（車体フレーム）
２１  先端側屈曲部（屈曲部）
２２  基端側屈曲部（屈曲部）
３０  圧電素子アクチュエータ（能動型補強部材）
３１  第１圧電素子（第１の圧電素子）
３２  第２圧電素子（第２の圧電素子）
３３  第３圧電素子（第３の圧電素子）
３９  コントローラ（制御手段）
４２  センサ（検出手段）
【図１】
2005162031.tif 000003
【図２】
2005162031.tif 000004
【図３】
2005162031.tif 000005
【図４】
2005162031.tif 000006
【図５】
2005162031.tif 000007
【図６】
2005162031.tif 000008
【図７】
2005162031.tif 000009