(57)【要約】【解決手段】衝突試験装置（２０）は、非圧縮性液体より形成され、衝撃特性を測定しようとする試料（２４）がその間に配置される入力部材（２２）および出力部材（２３）を含む。圧縮波が入力部材（２２）に入力され、試料（２４）を通って出力部材（２３）に伝搬する。適切な検出器（３３，３４）が入力圧縮波、出力圧縮波および試料（２４）から反射した入力圧縮波のいずれかの部分を検出する。
2004506877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定しようとする試験片をその間に配置できる入力部材および出力部材と、前記入力部材は入力圧縮波を受け取りこれを試料に伝搬するように適応されており、前記出力部材は前記試料から出力圧縮波を受け取るように適応されており、さらに、入力圧縮波、出力圧縮波および前記試料から反射した前記入力圧縮波のいずれかの部分を検出するための検出手段とを含み、前記入力部材および出力部材は非圧縮性液体を含む、衝突試験装置。
【請求項２】
液体の密度が試料のそれと１オーダー未満の差異であり、それぞれの密度の間の関係が以下の式、
2004506877.tif 000016
（ここで、
ρは密度、Ｃは弾性波速度、Ａは断面積である）
によって定義される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
液体は、ρＬＩＱ≒ρＳＡＭＰＬＥかつＣＬＩＱ≒ＣＳＡＭＰＬＥであることにより以下の式がその関係を定義するように選択される、請求項２記載の装置。
2004506877.tif 000017
【請求項４】
前記入力部材および出力部材は、その端が前記試料と接触しており、試料のそれとほぼ等しい密度を有するように適応されている、中空円筒形部材を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
端の適応がそれぞれの入力部材および出力部材の端を閉鎖するクロージャ部材を含む、請求項４記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つの歪みゲージが、試験中に前記各部材の周方向変形εＣＩＲＣＵＭＦ．を測定するために入力部材および出力部材の各々に隣接して取り付けられ、それにより各部材における圧力が以下の式、
2004506877.tif 000018
（ここで、Ｒは部材半径、Ｅは部材材料の弾性率、Ｔはそれぞれの部材の圧力パルス振幅ＰＲまたはＰＴに正比例する部材肉厚である）に従って計算され得る、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
圧力パルスの振幅は入力部材および出力部材と接して配置された圧力変換器によって測定される、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
入力部材および出力部材の直径Ｄは部材の長さより少なくとも１０倍小さく、それにより、試料の応力σＳＴ、εＳＴおよび歪み速度ε＾ＳＴが、入力部材における入射圧力パルスＰＩおよび反射圧力パルスＰＲおよび、出力部材における伝達圧力パルスＰＴの測定値にもとづき、以下の式、
2004506877.tif 000019
2004506877.tif 000020
2004506877.tif 000021
2004506877.tif 000022
（ここで、
σＳＴは軟組織における応力、
εＳＴは軟組織の歪み、
ε＾ＳＴは軟組織の歪み速度、
ＡＬＩＱＵＩＤは組織カラムの断面積、
ＡＳＴは組織試験片の断面積、
ｔは時間、
ＣＬＩＱは液体における波の速度、
ＬＳＴは軟組織試験片のゲージ長、
ＶＲは反射圧力パルスＰＲと相関する液体粒子速度である）
に従って計算され得る、請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
装置はさらに、前記試料と前記入力部材との間に間挿された衝撃緩和材料を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
入力圧縮波は膨張性衝撃緩和装置の膨張によって入力部材において発生する、請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
図面の図２、３、４または５に関して実質的に記載された装置。
【請求項１２】
その特性を測定しようとする試料を、各々が非圧縮性液体を含む入力部材および出力部材の間に間挿することと、入力部材において入力圧縮波が生じ試料に伝搬されるように構成することと、入力圧縮波、出力部材におけるいずれかの出力圧縮波、および試料から反射した入力圧縮波のいずれかの部分を検出することとを含む、材料の衝撃特性を試験する方法。
【請求項１３】
前記試料と前記入力部材と間に衝撃緩和材料を間挿する工程をさらに含む、請求項１２を記載の方法。
【請求項１４】
前記入力部材において入力圧縮波が生じるように構成する工程は、膨張性衝撃緩和装置の膨張によって実行される、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
図面の図２、３、４または５に関して実質的に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝突試験装置、より詳細には、衝突に際して構造車両部品による人体部分の衝撃特性を試験するための当該装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるホプキンソン棒の修正物により形成された衝突試験装置を用いて車両衝突時の人体部分の衝撃特性を測定することが提起されている。ホプキンソン棒は、衝撃荷重下の材料の機械的性質を測定するための公知の装置である。
【０００３】
そうした装置は通常、衝撃棒に衝突する発射体を含む。入力棒との発射体の衝突は、入力棒によって伝搬する圧縮入射パルスεＩを入力棒において発生させる。測定しようとする試験片を入力棒と出力棒との間に配置し、入射パルスεＩが入力棒と試験片との間の界面に到達すると、入射パルスの一部は反射され（εＲ）、他の部分εＴは試験片中に伝搬し、試験片を変形させて、さらに出力棒に伝搬する。入力棒および出力棒に歪みゲージをそれぞれ配置することによって、εＴと同様に、εＩおよびεＲが測定できる。εＩ、εＲおよびεＴの測定は、以下の一軸弾性波伝搬理論の適用によって試験片の機械的性質（応力σ、歪みε、歪み速度ε＾）の計算を可能にする。
【０００４】
2004506877.tif 000003
式中、
Ｅ：棒の弾性率
ＡＯ：棒の断面積
ＡＳ：試験片の断面積
【０００５】
2004506877.tif 000004
式中、
ＣＯ：棒における弾性波速度
ＬＳ：試験片ゲージ長
ｔ：時間
【０００６】
2004506877.tif 000005
【０００７】
しかし、一軸弾性波伝搬理論は、入力棒および出力棒の断面が試験片の断面より大きく、試験片が破断まで変形した時に各棒が弾性を保持したままでいなければならない場合に、正しく使用できるにすぎない。さらに、入力棒および出力棒の直径はεＩの波長よりはるかに小さくなければならない。また、入力棒および出力棒と試験片との間に大きな機械インピーダンスの不整合が存在してはならない。従って、棒の機械インピーダンスＺ＝ρＢＡＲ＊ｃＢＡＲ＊ＡＢＡＲは試験片の機械インピーダンスｚＳＰＥＣ＝ρＳＰＥＣ＊ｃＳＰＥＣ＊ＡＳＰＥＣより大きいオーダーであることはできない。
ここで、
ρは材料の密度、
Ａは断面積、
Ｃは音速である。
【０００８】
実際、機械インピーダンスの不整合が１オーダーより大きい場合、入力棒と試験片との間の界面にはεＩのほとんど全反射が存在し、εＴは出力棒において正確さを伴って記録され得ないほど小さくなるであろう。
【０００９】
機械インピーダンスの不整合の帰結はこれまで、このようにして形成された衝突試験装置の適用を、鋼、コンクリートまたは中密度（３〜４ｇ／ｍｍ２）複合材料の試験片の試験に実際上制限してきた。特に、この形式の装置は、人間の軟組織または、そのような組織を模した軟質材料または物体の衝撃特性を測定するために使用され得なかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、修正ホプキンソン棒システムを軟組織または他の軟質材料の衝撃特性を測定するために使用することができ、上述のインピーダンス不整合と関係する問題が排除される、衝突試験装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
それゆえ、本発明の第１の態様によれば、測定しようとする試験片をその間に配置できる入力部材および出力部材と、前記入力部材は入力圧縮波を受け取りこれを試料に伝搬するように適応されており、前記出力部材は前記試料から出力圧縮波を受け取るように適応されており、さらに、入力圧縮波、出力圧縮波および前記試料から反射した前記入力圧縮波のいずれかの部分を検出するための検出手段とを含み、前記入力部材および出力部材は非圧縮性液体を含む、衝突試験装置が提供される。
【００１２】
この装置により、機械インピーダンス不整合が入力部材および出力部材の非圧縮性液体の使用によって１オーダー未満に低減されるので、人体組織または他の軟質材料の衝撃特性を測定できる衝突試験装置を提供することが可能である。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、その特性を測定しようとする試料を、各々が非圧縮性液体を含む入力部材および出力部材の間に間挿することと、入力部材において入力圧縮波が生じ試料に伝搬されるように構成することと、入力圧縮波、出力部材におけるいずれかの出力圧縮波および試料から反射した入力圧縮波のいずれかの部分を検出することとを含む、材料の衝撃特性を試験する方法が提供される。
【００１４】
以下に本発明を添付図面に関して例示としてのみ説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ここで図面を参照すれば、図１には、ホプキンソン棒構成を採り入れている公知の形式の衝突試験装置１０が示されている。
【００１６】
装置１０は、発射体１２を入力棒１３に高速で発射するガス銃１１を含む。入力棒１３は出力棒１４と連結されており、その特性を測定しようとする試験片１６が入力棒１３および出力棒１４それぞれの間に挟まれている。
【００１７】
使用時、発射体１２は入力棒１３に高速で発射され、衝突すると入力棒１３において圧縮波εＩを生じ、それは入力棒１３に沿って入力棒１３と試験片１６との間の界面１７に進行する。前述の通り、この界面１７において、波の一部は、試験片の変形および、棒１３と試験片１６との間のインピーダンス不整合に依存して反射され（εＲ）、そして残りの部分εＴは試験片１６に伝達され試験片１６を変形させる。伝達された波εＴはその後、試験片１６を出て、出力棒１４に伝達される。εＩ、εＲおよびεＴは、入力棒１３および出力棒１４にそれぞれ取り付けられた歪みゲージ（図示せず）を用いて適宜に測定され、歪みゲージによって測定された値から、本明細書の導入部の段落に記載した式を用いて、試験片の衝撃特性を計算することができる。
【００１８】
この構成による問題は、例えば人体組織または他の軟質材料による場合のように、入力棒１３または出力棒１４の機械インピーダンスとの不整合の大きさが１より大きい機械インピーダンスの差異がある試験片の特性を測定するために使用できないことである。εＲが１００％に向かう傾向があり、εＴがほとんど０になり、結果的にεＴの測定値における低い正確さ、従って試験片の強さの測定値における低い正確さとなるからである。
【００１９】
本発明に従った装置２０の第１の実施形態が図２に示されている。
【００２０】
装置２０は、試験片２４によって液体出力部材２３と連結されている液体入力部材２２に延長するプレストレスト荷重部材２１を含む。
【００２１】
プレストレスト荷重部材２１は、プランジャ部材２６およびプランジャ板２７によって形成されたプランジャ装置を含む。プランジャ部材２６には脆弱領域２８が設けられている。脆弱領域２８は、縮小直径の部分または、領域２８の区域における引張強さの低減をもたらすあらゆる他の適切な構成を含み得る。プランジャ部材２６は、プランジャ板２７が液体入力部材２２内に設けられ、プランジャ部材が張力装置（図示せず）との接続に適応されるように、入力クロージャ３１の開口２９を通って液体入力部材２２の一端に延長する。
【００２２】
入力クロージャ３１は、地面に堅固に接続されており、プランジャが張力装置による張力下に置かれた時に液体のプランジャ板９７を支持するように作動する。
【００２３】
液体入力部材２２は、非圧縮性液体を収容し、好ましくは鋼またはアルミニウムで形成される中空円筒形部材３２を含む。入力部材２２の一端は、プランジャ装置が延長する入力クロージャ３１によって閉鎖されている。少なくとも１つの圧電変換器３３が、中空円筒形部材３２の壁を貫通し、液体の圧力変化を測定するためにその内部に延長しており、変換器は、部材２２の反対端から入力クロージャ３１までの適切な距離に配置されている。また、少なくとも１つの歪みゲージ３４も同様に入力部材２２の反対端から適切な距離で中空円筒形部材３２の壁に備わっており、歪みゲージ３４は、中の液体の圧力変化による液体入力部材２２の周囲壁の変形を測定するために作動する。入力部材２２と試験片２４との間の界面からの圧電変換器３３または歪みゲージ３４の距離は、入射パルスおよび反射パルスを別個に記録するために十分でなければならない（例えば０．５ｍ）。液体入力部材２２の反対端は軟質膜の形式のシール３６によって閉鎖されている。
【００２４】
液体出力部材２３は、入力部材２２と概ね類似であり、入力部材に最も近いその端２３も軟質膜の形式のシール３８によって閉鎖されており、他方の端は出力クロージャ３９によって閉鎖されている。同様に、少なくとも１つの圧電変換器４１および少なくとも１つの歪みゲージ４２が、液体入力棒２２に関して上述したことと類似の態様で出力部材２３と試験片２４との間の界面から同距離で一端に隣接して設けられている。
【００２５】
入力部材および出力部材２２、２３に備えられる非圧縮性液体は、入力部材２２と出力部材２３との間の機械インピーダンスの差異が、その特性を測定しようとする試験片２４に関して以下の通り定義されるように選択される。
【００２６】
2004506877.tif 000006
ここで、
ＡＬｉは入力端の出力部材の液体の断面積、
ρＬｉは入力部材または出力部材の液体密度、
ＣＬｉは液体中の音速、
Ａｓｐｅｃ、ρｓｐｅｃ、Ｃｓｐｅｃは試験片に関する同じ値である。
【００２７】
通常、以下の変形によってその答えを得ることが単純であろう。
【００２８】
2004506877.tif 000007
【００２９】
使用の際、その特性を測定しようとする軟質試験片２４は、入力部材２２および出力部材２３の間に置かれ、入力部材および出力部材２２、２３の端をそれぞれ閉鎖する柔軟シール３６および３８の間で保持される。プレストレスト荷重部材２１は、プランジャ部材２６が脆弱領域２８の区域において破断するまでいずれかの適切な方法で引張られる。これは、プランジャ部材２６に蓄えられた弾性位置エネルギーを解放させ、部材２６が入力部材２２に向けて駆動されると、プランジャ板２７が中空入力部材２２内で移動し入力部材２２の液体に縦方向圧縮波パルスＰＩの発生を生じさせることになる。圧縮パルスは、シール３６を通過して軟質試料２４にぶつかるまで入力部材２２を伝搬する。圧縮パルスが軟質試料２４にぶつかると、試験片２４の変形により、圧縮波の一部は反射され（ＰＲ）、別の部分ＰＴは軟質試料２４に伝達されて試料を変形させる。伝達された部分ＰＴは試料２４を通過して出力部材２３に移る。さらに、入力部材および出力部材２２、２３における非圧縮性液体の使用により、縦方向圧縮波パルスの発生による入力部材および出力部材での圧力変化がそれぞれの部材２２、２３の壁に同じ値で伝達されることになる。これは、入力部材および出力部材２２、２３の歪みゲージ３４、４１が、液体での入射圧力パルスＰＩ、ＰＲおよびＰＴによってそれぞれ生じる入力部材および出力部材２２、２３の壁の周方向変形εＣＩ、εＣＲおよびεＣＴを時間の関数として記録することができ、その結果、圧力値ＰＩ、ＰＲおよびＰＴを計算できることを意味する。
【００３０】
実際、各部材の液体内部の圧力Ｐは、歪みゲージが以下に従って測定する、部材の壁の周方向変形と関係する。
【００３１】
2004506877.tif 000008
ここで、
Ｐ：液体における圧力
Ｒ：中空円筒形部材の半径
Ｅ：中空円筒形部材材料の弾性率
Ｄ：中空円筒形部材の壁厚
【００３２】
従って、ＰＩ、ＰＲおよびＰＴの値は以下の関係式から計算できる。
【００３３】
2004506877.tif 000009
ここで、
εＣＩはＰＩによって生じた中空円筒形部材の周方向変形である。
【００３４】
2004506877.tif 000010
ここで、
εＣＲはＰＲによって誘起された中空円筒形部材の周方向変形である。
【００３５】
2004506877.tif 000011
ここで、
εＣＴはＰＴによって誘起された中空円筒形部材の周方向変形である。
【００３６】
値ＰＩ、ＰＲおよびＰＴ、すなわち液体圧力は、代替的または補助的に、入力部材および出力部材２２、２３にそれぞれ取り付けられた圧電素子３３、４１によって直接測定することもできる。
【００３７】
値ＰＩ、ＰＲおよびＰＴが時間の関数として計算されるか、または直接に測定されると、衝撃によってそれに生じた応力、歪みおよび歪み速度といった軟質試料の機械的性質は、以下の式を用いて計算することができる。
【００３８】
2004506877.tif 000012
2004506877.tif 000013
2004506877.tif 000014
2004506877.tif 000015
ここで、
σＳＴ：軟組織の応力、
εＳＴ：軟組織の歪み、
ε＾ＳＴ：軟組織の歪み速度、
ＡＬＩＱＵＩＤ：組織カラムの断面積、
ＡＳＴ：組織試験片の断面積、
ｔ：時間、
ＣＬＩＱ：液体における波の速度、
ＬＳＴ：軟組織試験片のゲージ長、
ＶＲ：反射圧力パルスＰＲと相関する液体粒子速度である。
【００３９】
値σＳＴ、εＳＴおよびε＾ＳＴ（ｔ）は、衝撃に際して軟質試料がどのように反応するかを指示する値である。
【００４０】
入力部材および出力部材２２、２３の間に人間の軟組織試料２４を置くことが可能であるはずであり、その組織の特性が本発明の装置を用いて直接に測定できることが予想される。これは、機械インピーダンスの不整合がＰＩ、ＰＲおよびＰＴの記録を不可能にする結果とさせるので、固体の入力部材および出力部材を使用する既存の装置ではできないであろう。
【００４１】
軟組織試料の特性を直接に測定する代替例として、図３に示すように、自動車構造部品４３を入力部材および出力部材２２、２３の間の試料２４と接触して配置することができ、この構成を用いて、その構造部品の組織への衝突の傷害結果を定量化することが可能である。また、図４に示す通り、人体組織試料２４が被る傷害の低減に対する衝撃エネルギー吸収材料４４の効果を、自動車部品４３と組織試料２４との間に材料を置くことによって調べることができる。
【００４２】
さらに別の代替として、図５に示すように、プレストレスト荷重棒を使用するのではなく、液体入力部材２２の前面で間接的に自動車エアバッグ装置４６を作動させることも可能である。エアバッグ装置４６の作動は、プレストレスト荷重棒の使用によって生じるものと類似の態様で圧縮パルスの、従って、上述のように測定される入射圧縮波ＰＩ、反射圧縮波ＰＲおよび伝達圧力波ＰＴの発生をもたらすはずである。従って、人体組織試料２４への圧縮波パルスの効果を測定することができる。
【００４３】
当然ながら、本発明は例示としてのみ記載されている上述の実施形態の詳細に制限されるように意図されていないことを理解しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ホプキンソン棒を利用する公知の形式の衝突試験装置の略図である。
【図２】
本発明による衝突試験装置の第１の実施形態を概略形式で示す。
【図３】
本発明による衝突試験装置の第２の実施形態を概略形式で示す。
【図４】
本発明による衝突試験装置の第３の実施形態を概略形式で示す。
【図５】
本発明による衝突試験装置の第４の実施形態を概略形式で示す。
【図１】
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【図２】
2004506877.tif 000024
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際公開パンフレット】
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2004506877.tif 000029
2004506877.tif 000030
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2004506877.tif 000034
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2004506877.tif 000044
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2004506877.tif 000047
2004506877.tif 000048
2004506877.tif 000049
2004506877.tif 000050
2004506877.tif 000051
【国際調査報告】
2004506877.tif 000052
2004506877.tif 000053
2004506877.tif 000054