緩衝装置
【課題】段階的に折り畳まれるエネルギ吸収構造体（ＭＦＭ）１を備えた緩衝装置Ａにおいて、衝撃荷重を受けた際にその構造要素にスナップスルー現象が生じることに起因する耐荷重の変動や局所衝撃の繰り返しを効果的に緩和して、緩衝性能を改善する。
【解決手段】ＭＦＭ１と並んで衝撃荷重Ｆを受けるように空気圧シリンダ３０からなる減衰機構３を設けて、その流体室３２から押し出される空気の絞り抵抗によって減衰力を発生させるとともに、スナップスルー現象が起きて一時的に変形速度が高くなったときには空気ばねとして機能させ、ばね力によって荷重を受け止めることにより、ＭＦＭ１における耐荷重の変動や繰り返し発生する局所衝撃を効果的に緩和することができる。
【解決手段】ＭＦＭ１と並んで衝撃荷重Ｆを受けるように空気圧シリンダ３０からなる減衰機構３を設けて、その流体室３２から押し出される空気の絞り抵抗によって減衰力を発生させるとともに、スナップスルー現象が起きて一時的に変形速度が高くなったときには空気ばねとして機能させ、ばね力によって荷重を受け止めることにより、ＭＦＭ１における耐荷重の変動や繰り返し発生する局所衝撃を効果的に緩和することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの衝撃荷重を緩和して構造物等を保護する緩衝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば海上掘削デッキや洋上風力発電設備等の重要な建造物には、嵐の時の漂流物や船舶等の万一の衝突に備えて、その衝撃を緩和するための装置が備えられている。また、自動車・高速鉄道車両やヘリコプターのような高速移動体には、衝突の際の衝撃から乗員を保護するために同様の緩衝装置を備えたものがある。
【０００３】
そのような緩衝装置には、保護対象である主構造物等への衝撃をできるだけ小さく抑えながら、許容される変形量の範囲内で所要のエネルギ吸収を行うことが求められており、そのためには衝撃を受けて初期には比較的容易に、即ち比較的小さな荷重で変形する一方で、変形量の増大に連れて耐荷重性が高まり、大きなエネルギの衝撃も吸収できるようなプログレッシブな特性を有することが望ましい。
【０００４】
この点につき本願の発明者は、複数のトラス要素をパンタグラフ状に組み合わせるとともに、それらに適切な初期不整を与えることによって、衝撃荷重を受けたときにトラス要素が所定の順序で潰れるように変形し、エネルギを分散吸収して段階的に衝撃を減衰させながら、耐荷重が増大するようにしたエネルギ吸収構造体（Multi Folding Micro-structure:以下、ＭＦＭという）を提案している（非特許文献１）。
【０００５】
このＭＦＭは、衝撃荷重の方向に複数のトラス要素を互い違いに積み重ねたものであり、本発明の実施形態に係る図３を流用して説明すると、同図(a)に示す９段のトラス要素２，…のうち、例えば上凸の５段にそれぞれ脆弱部を設ける等の初期不整を設定しておき、図の上方からの衝撃荷重Ｆを受けたときにそれらの脆弱部が座屈等することによって、同図(b)〜(e)のように上方から順に折り畳まれるようにしている。すなわち、衝撃のエネルギをリバウンドさせないよう或る限界まで蓄積できるトラス要素を用い、耐荷重と変形量との積で吸収させることによって、安全に衝撃を緩和できる方法である。
【０００６】
また、そうして複数のトラス要素２，…が予め設定された順序で変形し、ＭＦＭが折り畳まれるようにすると、その全体の耐荷重を図４のように段階的に高くすることができる。すなわち、ＭＦＭは、衝撃荷重による変形の初期には耐荷重が低く、容易に折り畳まれて変形するので、比較的小さなエネルギの衝撃荷重に対しては保護対象への伝達力を小さく抑えることができる一方で、変形量の増大に伴い耐荷重性が上昇し、比較的大きなエネルギ吸収能を示すようになるのである。
【０００７】
ところで、そうしてＭＦＭが折り畳まれる過程で個々のトラス要素にはスナップスルー現象が生じる。すなわち、変形量と荷重との関係を例示する図６のグラフを流用して説明すると、前記のように衝撃荷重を受けたＭＦＭにおいて何れかのトラス要素がスナップスルー座屈を起こすまでは、変形量の増大に伴い応力（荷重）が上昇するが、極限点Ｌに達して座屈等が起きると一気に変形が進んで、釣合点Ｂまで飛び移る（スナップスルー）という現象が起きるのである。尚、同図に実線、破線及び仮想線でそれぞれ示すグラフＣ，Ｄ，Ｖは、後述するが、荷重ではなく変形量を漸増させたときの変形量と荷重との関係を示している。
【０００８】
スナップスルー現象は、前記のような脆弱部が設けられていなくても、トラス要素の軸部材が或る程度以上の柔軟性を有するものであれば起こり得る。そして、スナップスルー現象が起きると、その都度（即ち前記の極限点Ｌにおいて）、荷重の上昇が頭打ちになることから、衝撃荷重を分散させて緩衝しながら、ＭＦＭ全体の耐荷重を段階的に増大させることができ、その各段階において保護対象に伝わる力を確実に所定以下に抑えることができる。
【非特許文献１】Journal of Sound and Vibration 308(2007)591-598，www.sciencedirect.com ，エルセビア・ジャパン株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記のスナップスルー現象において極限点Ｌから釣合点Ｂまで飛び移るとき、換言すれば、前記図３(b)〜(e)のようにＭＦＭの何れかのトラス要素が座屈等してその下の段のトラス要素に折り重なるときには、耐荷重の変動によって部材同士が衝突し、局所的に小さな衝撃が発生するようになる。すなわち、前記図６の実線等のグラフから分かるように、極限点Ｌから釣合点Ｂまでの間ではトラス要素の耐荷重が一時的に急低下するとともに、これに伴い変形速度が急上昇し、釣合点Ｂに飛び移った瞬間には衝撃が発生するのである。
【００１０】
つまり、ＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体が変形して衝撃のエネルギを吸収するときには、その構造要素（トラス要素）においてそれぞれスナップスルー現象が起きることに起因して、図４に破線で示すように耐荷重が変動し、同図に仮想線で模式的に示すように局所的な衝撃が繰り返し発生することになり、これが人体等にとって危険な作用や不快なものとなる虞れがある。また、そのような局所衝撃の繰り返しは保護対象によっては不測のダメージを与える虞れもあり、従来のものには緩衝装置として改善の余地が残されていると言える。
【００１１】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、前記従来例のＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体を備えた緩衝装置において、衝撃荷重を受けて変形する構造要素のスナップスルー現象に起因する局所衝撃の繰り返しを緩和し、もって緩衝性能のさらなる改善を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく本発明は、エネルギ吸収構造体と並んで衝撃荷重を受けるように流体減衰機構を設けて、スナップスルー現象による耐荷重の変動や繰り返される局所衝撃を適切に緩和するようにしたものである。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明に係る緩衝装置は、まず、外力により変形してエネルギを吸収するとともに、その変形過程でスナップスルー現象を生じる複数の構造要素からなり、それら複数の構造要素が所定の順序で変形することによって段階的に衝撃を減衰させつつ、耐荷重が増大するエネルギ吸収構造体を備えている。そして、このエネルギ吸収構造体と並んで流体減衰機構が設けられ、それらが同期して衝撃荷重を受けるように連結機構により連結されており、そうして衝撃荷重を受けて容積の減少する流体減衰機構の流体室から流体が絞り通路を通って流出する際に、その絞り抵抗によって適切な大きさの減衰力を発生するようになっている。
【００１４】
前記構成の緩衝装置に衝撃荷重が入力すると、まず、エネルギ吸収構造体において上述した従来例のＭＦＭと同様に、複数の構造要素が所定の順序でそれぞれ変形して衝撃のエネルギを吸収するとともに、エネルギ吸収構造体全体としての耐荷重が段階的に増大してゆく。また、そうして個々の構造要素が変形する過程ではスナップスルー現象が発生し、上述したように耐荷重が変動して局所的な衝撃が繰り返し発生することになるが、この局所衝撃は、並設されている流体減衰機構によって適切に緩和することができる。
【００１５】
すなわち、流体減衰機構においては前記のように衝撃荷重を受けて容積の減少する流体室から流体が押し出されて、絞り通路の流通抵抗により減衰力を発生することになるが、一般的にその減衰力の大きさは絞り通路における流れの速さに依存し、スナップスルー現象によって一時的に変形速度が高くなるときには相対的に大きな減衰力が発生するので、エネルギ吸収構造体における耐荷重の一時的な低下を補い、その直後の局所衝撃を効果的に緩和することが可能になる。
【００１６】
つまり、前記の構成によると、従来のＭＦＭと同様に構造要素のスナップスルー現象を利用して、エネルギ吸収構造体の耐荷重性を段階的に高めることができるとともに、そのスナップスルー現象に起因する耐荷重の変動或いは変形（速度）の抑制作用や局所衝撃の繰り返しを並設の流体減衰機構によって効果的に緩和することができ、従来よりも緩衝性能を改善できるものである。
【００１７】
好ましいのは前記流体減衰機構の流体室を気体室とすることであり（請求項２）、こうすれば、前記のようにスナップスルー現象が起きて変形速度が高くなると、これにより圧縮される気体室内の圧力が一時的に高くなって、荷重を受け止める気体ばねとして機能するようになるから、気体ばねの非線形特性とも相俟って耐荷重の一時的な低下を適切に補完することが可能になり、局所衝撃をより効果的に緩和することができる。
【００１８】
尚、流体減衰機構の流体室を液室とすることも勿論、可能であり、こうした場合は前記気体ばねとしての機能は得られないものの、緩衝装置全体の耐荷重性を高める上では有利な構造となる。
【００１９】
前記エネルギ吸収構造体の構造要素としては例えばハニカム（多孔質材料）やトラスが考えられるが、トラス要素を用いればシンプルな構造で耐荷重等の設定が比較的容易に行える（請求項３）。トラス要素は、金属製の軸部材等を組み合わせて構成したり、金属や樹脂材の一体成形によって構成することができる。また、トラス要素は、衝撃荷重の入力方向に並べるだけでもよいが、その方向と交差する方向にも並べて設ければ、即ち２次元的な広がりをもった配置としたり、３次元構造にしたりすれば、エネルギ吸収能がより高くなる（請求項４）。
【００２０】
特にトラス要素を軸部材で構成する場合、それに比較的大きな柔軟性を与えるために、コイルばねやシリンダを用いることが考えられる。好ましいのはシリンダを用い、少なくとも圧縮の軸力に対して抗力を発生させることである（請求項５）。こうすれば、外部からの衝撃荷重を受けてエネルギ吸収構造体が変形するときには、シリンダが軸方向に圧縮されて一旦、トラス要素が潰れ変形した後に、それが裏返しになってシリンダが伸張する際にスナップスルー現象が発生する。
【００２１】
よって、シリンダの抗力の設定によってトラス要素のエネルギ吸収能やスナップスルー現象の極限点等を容易に設定することができる。また、初期不整も与えやすいので、トラス要素の変形の順序も容易且つ安定的に設定できる。さらに、シリンダをその伸縮両側で抗力を発生するものとすれば、エネルギ吸収能を高めることもできる。
【００２２】
その上さらにそれらシリンダの端部を、それぞれ、衝撃荷重の入力方向に延びるガイド部材に摺動可能に且つ回動可能に取り付ける構造とすれば（請求項６）、シリンダの伸縮によるトラス要素の変形をより正確に且つ安定的に設定することができる。また、エネルギ吸収構造体が一度、衝撃のエネルギを吸収して変形した後に、逆向きの力を加えて元の状態に復元することができ、繰り返し使用が可能になる。
【００２３】
その場合には流体減衰機構の気体室を空気室とし、絞り通路を大気開放するのが特に好ましい。こうすれば、前記のようにエネルギ吸収構造体を復元することによって自動的に流体減衰機構の空気室に大気が充填されるようになるから、繰り返し使用が容易に行えるようになる。
【００２４】
また、流体減衰機構の絞り通路に可変バルブを配設し、衝撃荷重の大きさを検出するためのセンサと、このセンサからの信号に基づいて前記可変バルブにより絞りの度合いを変更する制御手段とを備えれば（請求項７）、外部からの衝撃荷重の大きさに応じて、きめ細かく減衰力を調整することができるから、緩衝性能をさらに一層、改善することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように本発明に係る緩衝装置によると、ＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体において発生する構造要素のスナップスルー現象を利用して、衝撃荷重の分散緩衝を図りつつ耐荷重性を段階的に高めることができ、これにより、保護対象への衝撃をできるだけ小さく抑えながら所要のエネルギ吸収能を確保することができる。一方でスナップスルー現象に起因する耐荷重の変動や局所衝撃の繰り返しは並設の流体減衰機構によって効果的に緩和されるから、緩衝性能のさらなる改善が図られる。
【００２６】
特に流体減衰機構の流体室を気体室とすれば、前記構造要素のスナップスルーの都度、気体ばねとして機能する流体減衰機構が一時的に荷重を受け止めるようになるから、耐荷重の変動や局所衝撃をより効果的に緩和することができる。
【００２７】
また、構造要素であるトラス要素の軸部材をシリンダによって構成すれば、初期不整を与えやすく、トラス要素の変形の順序を容易且つ安定的に設定できるとともに、エネルギ吸収能を高めたり、繰り返し使用することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２９】
図１には本発明に係る緩衝装置Ａの概略構成を示し、これは例えば図２に示すようにヘリコプターＨの脚部ｈ１，ｈ１，…にそれぞれ取り付けられて、緊急着陸（ハードランディング）等の衝撃から乗員を保護するために用いられる。緩衝装置Ａの用途としては他にも例えば車両やガードレール等への適用、或いは重要な建造物の保護等に用いることが考えられる。
【００３０】
図１の左側に配置されているのは、同図の上方から入力する衝撃荷重Ｆを受けて、その構造要素である９個のトラス要素２，２，…が所定の順序で折り畳まれることにより、衝撃のエネルギを吸収する構造体１（ＭＦＭ）である。ＭＦＭ１の右側に並んで設けられているのは所謂空気圧シリンダ３０からなる減衰機構３であって、衝撃荷重Ｆを受けてピストン３１が下降すると、容積の減少する空気室３２から空気が押し出されて、絞り通路３３から大気中に放出されるようになっている。
【００３１】
ＭＦＭ１と減衰機構３とは、それぞれ入力ロッド４，５を介して共通の荷重受け部材６に連繋されており、そこから衝撃荷重を受け入れるようになっている。すなわち、この例では入力ロッド４，５及び荷重受け部材６によって、ＭＦＭ１と減衰機構３とが同期して衝撃荷重を受けるように連結する連結機構が構成されている。前記のようにヘリコプターＨの脚部ｈ１に取り付ける場合には、図１の上下を反転させて荷重受け部材６を脚部ｈ１に結合すればよい。或いは、荷重受け部材６は省略して、入力ロッド４，５，を直接的に脚部ｈ１に取り付けることもできる。
【００３２】
図の例ではＭＦＭ１は、概ね同じ大きさのトラス要素２，２，…を衝撃荷重の方向（図の上下方向）に互い違いに、即ちパンタグラフ状に積み重ねた構造であり、各トラス要素２はそれぞれ２本のシリンダ２０，２０を組み合わせてなる。シリンダ２０は、一例として伸び側及び縮み側の両側でオイルの流動による抵抗力を発生する油圧ダンパからなり、その内部には高圧のガスが封入されて伸び側に付勢力を発生するようになっている。
【００３３】
それら２本１組のシリンダ２０，２０の一方の端部（図の左右方向について内方の端部）同士は、頑丈なヒンジ２１によって互いに回動可能に連結されている。また、各シリンダ２０他方の端部（外方の端部）はそれぞれ上下方向のガイドレール７，７に摺動可能に且つ回動可能に取り付けられている。一例として、ガイドレール７にはスライダ（図示せず）を装着し、このスライダにヒンジ２２を介してシリンダ２０の端部を取り付ければよい。スライダ若しくはヒンジ２２は上下に隣り合うシリンダ２０，２０同士で共用することができる。
【００３４】
前記９個のトラス要素２，２，…のうち、上から順に１，３，５，７，９番目のもの、即ち上凸のものは、同２，４，６，８番目の下凸のものに比べてシリンダ２０のガス圧による付勢力が弱めに設定されており、その中では１番、３番、５番、７番、９番の順に付勢力が徐々に強くなっている。これは、トラス要素２，２，…の変形順を設定するための初期不整であり、この結果としてＭＦＭ１は、図３(a)〜(e)に示すように、衝撃荷重Ｆを受けると上方から順にトラス要素２が潰れて折り畳まれるようになる。
【００３５】
尚、そのような初期不整は、ガス圧による付勢力ではなくてオイルの流動抵抗の大きさによっても設定することができるし、或いは初期状態でのシリンダの長さや位置を僅かに変更することによっても設定可能である。
【００３６】
そうして複数のトラス要素２，２，…が予め設定された順序で変形し、ＭＦＭ１が上方から徐々に折り畳まれてゆくことで、エネルギを分散吸収して段階的に衝撃を減衰させることができるとともに、その耐荷重が例えば図４に実線のグラフで示すように段階的に増大するようになる。すなわち、まず図３(a)〜(b)のように最上段のトラス要素２が潰れ変形して畳まれる過程でスナップスルー現象を生じて、荷重の上昇が一旦、頭打ちになる。続いて同様に上から３段目のトラス要素２が畳まれ（同図(c)）、同５段目、７段目のトラス要素２がそれぞれ畳まれてゆき（同図(d)，(e)）、それらの各段階でそれぞれ頭打ちになりながら段階的に衝撃エネルギが消費され、且つ耐荷重が増大してゆくのである。
【００３７】
そのように個々のトラス要素において発生するスナップスルー現象について詳しくは、本願の発明者は、図５(a)に示すような３段重ねのトラス要素の変形について研究を重ね、その特性を上述の非特許文献１において説明している。すなわち、まず前記のようなトラス要素のモデルについて変位を強制的に漸増させると（変位制御）、同図(a)〜(c)に示すように最上段のトラス要素が潰れ変形した後に裏返しになって、その軸部材が伸張するようになる。
【００３８】
そのとき、上下方向の変形量と荷重との関係を表す図６のグラフ上では、前記のように最上段のトラス要素が潰れて裏返るときに極限点Ｌに達して荷重が減少に転じることになるが、極限点Ｌでは力の釣り合い状態が不安定になり、そこから先は実線Ｃ、破線Ｄ及び仮想線Ｖでそれぞれ示すように変形の経路が複数に分岐している。これらの何れの経路に進むかは初期不整の与え方によって決まり、仮に初期不整が存在しないとすれば、図に仮想線のグラフＶで示すような変形経路（理想的な経路）に進むようになる。
【００３９】
また、この実施形態と同様に最上段のトラス要素が最初に潰れるようにしておけば、図に実線のグラフＣで示すように一時的に変形量が減少する経路に進むようになり、反対に最下段のトラス要素が最初に潰れるようにしておけば、一例を破線のグラフＤで示すように前記グラフＶ，Ｃの中間の経路に進むようになる。
【００４０】
そして、それらのグラフＣ，Ｄ，Ｖに示すように、極限点Ｌから先では変形量の増大に伴い荷重が一時的に急低下することから、トラス要素に加える荷重を漸増させてゆくと、前記グラフにおいて極限点Ｌから略真横に飛び移る（スナップスルー）という現象が起きる。すなわち、前記変位制御の場合と同様にトラス要素の変形に伴い軸部材が圧縮されて応力が上昇し（図５(a)〜(b)参照）、極限点Ｌに達して裏返ると（同図(c)参照）、そのまま一気に変形が進んで安定な釣合点Ｂ（同図(e)）に飛び移るものである。
【００４１】
斯くして、この実施形態のＭＦＭ１が衝撃荷重を受けて折り畳まれるときには、トラス要素２，…が所定の順序で潰れて、シリンダ２０，…の伸縮により衝撃のエネルギが吸収されるとともに、それら各トラス要素２，…の変形過程でそれぞれスナップスルー現象が起きて、その都度、荷重の上昇が頭打ちになる。こうして全体としてみれば、図４に実線で示すように段階的に増大するＭＦＭ１の耐荷重を、その各段階において確実に所定値以下に抑えることができ、保護対象に伝わる力を十分に小さくすることができる。
【００４２】
但し、詳細に見れば、前記のようにスナップスルー現象を生じて上段のトラス要素２が裏返ると、耐荷重が一時的に急低下して一気に変形が進み、そのトラス要素２が下の段のトラス要素２に折り重なるときに両者が衝突して、局所的な衝撃が発生する。すなわち、図４に破線で示すように耐荷重が変動して、トラス要素２，２同士が衝突することにより、図には模式的に仮想線で示すように繰り返し局所衝撃が発生するのである。そして、このような荷重変動や局所衝撃の繰り返しがヘリコプターＨの機体（この例の保護対象）に伝わることによる不具合を防止すべく、緩衝装置Ａには前記の荷重変動や局所衝撃に対してもクッション的な効果が期待され，特にキャビン内の人体への衝撃力を緩和させる役割を担うことが求められる。
【００４３】
これに対し、この実施形態の緩衝装置Ａでは、ＭＦＭ１に並設した減衰機構３によって適切に減衰力を発生させて、前記耐荷重の変動や局所衝撃を効果的に緩和することができる。すなわち、前記の如く衝撃荷重Ｆが入力して、ＭＦＭ１が最上段のトラス要素２から順に折り畳まれるときには、共用の荷重受け部材６から入力ロッド５を介して衝撃荷重Ｆを受けるピストン３１が下降し、容積の減少する空気室３２内の圧力が上昇するとともに、そこから押し出されて絞り通路３３を流通する空気の流通抵抗によって減衰力が発生する。
【００４４】
詳しくは、まず、何れかのトラス要素２においてスナップスルー現象が起きるまでは、ＭＦＭ１の全てのトラス要素２，…においてシリンダ２０，…がそれぞれ圧縮されて、エネルギを吸収しながら荷重を受け止めるようになり、ＭＦＭ１全体の変形速度が相対的に低くなるので、これに同期して下降する減衰機構３のピストン３１の下降速度も相対的に低くなり、これにより空気室３２から押し出される空気が絞り通路３３から放出される際に比較的小さな減衰力が発生するのみとなる。
【００４５】
一方で、何れかのトラス要素２においてスナップスルー現象が起きて一気に変形が進むときには、減衰機構３のピストン３１の下降速度も急上昇し、これにより空気室３２内の空気が圧縮されて一時的に荷重を受け止める空気ばねとして機能するようになる。この際、空気ばねの非線形特性とも相俟って大きなばね力を発生させることができるので、これによりスナップスルーに伴うＭＦＭ１の耐荷重の変動を軽減し、その直後の衝突に起因する局所的な衝撃も効果的に緩和することができる。
【００４６】
尚、減衰機構３の絞り通路３３には絞り量可変のバルブ３４が介設されており、ＭＦＭ１のトラス要素２，２，…の各段階における耐荷重、前記空気室３２の容積、想定される衝撃荷重Ｆの大きさ等々に応じて、予め最適な減衰力、復元力及びばね力が得られるように絞り度合を調整することができる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係る緩衝装置Ａによると、ＭＦＭ１を構成する複数のトラス要素２，…がそれぞれ潰れ変形する過程で生じるスナップスルー現象を利用して、衝撃を段階的に減衰させつつＭＦＭ１の耐荷重を段階的に増大させることにより、その各段階において保護対象への伝達力を確実に所定以下に抑制することができる。よって、比較的小さなエネルギの衝撃に対しては、それを吸収しつつ保護対象への伝達力を非常に小さくできる一方で、大きなエネルギの衝撃に対しては耐荷重がかなり大きくなって、許容される変形量の範囲内で所要のエネルギ吸収能を発揮するようになる。
【００４８】
また、前記トラス要素２，２，…のスナップスルー現象に起因する荷重変動や局所衝撃の繰り返しについては、前記したように、スナップスルー現象によるＭＦＭ１の変形速度の変化に応じて、減衰機構３により適切な減衰力を発生させることにより、すなわち、スナップスルーによって変形速度が急上昇したときに、より大きな減衰力を発生させることによって極めて効果的に緩和することができるので、キャビン内の人体への衝撃力も緩和させる役割を担うことになる。
【００４９】
さらに、この実施形態ではトラス要素２，２，…の軸部材として油圧ダンパのようなシリンダ２０を用いているので、トラス要素２，２，…の剛性、強度や変形の際のエネルギ吸収能を容易且つ安定的に設定することができ、スナップスルーの際の極限点Ｌ等の設定、即ち初期不整も与えやすい。しかも、シリンダ２０は伸縮両側で抗力を発生するので、その両側でエネルギを吸収するようになり、ＭＦＭ１全体のエネルギ吸収能を高める上で有利になる。
【００５０】
また、この実施形態ではシリンダ２０の外方の端部をガイドレール７によってガイドして、横方向への変位を規制しているので、該シリンダ２０の伸縮によるトラス要素２の変形をより正確に且つ安定的に設定することができる。この実施形態ではシリンダ２０の内方の端部はガイドしていないが、ヒンジ２１をガイドするように別のガイドレールを付加してもよい。
【００５１】
そうしてシリンダ２０によってトラス要素２を構成しているため、この実施形態のＭＦＭ１は、上述の如く衝撃荷重Ｆを受けて変形した後に、ガイドレール７，７同士の間隔を少し広げて、衝撃荷重Ｆとは逆向きの力を加えれば、容易に元の状態にセットすることができ、繰り返し使用が可能である。
【００５２】
特にこの実施形態では減衰機構３が空気圧シリンダ３０によって構成されており、その空気室３２が絞り通路３３を介して大気開放されているので、前記のようにＭＦＭ１を復元すれば自動的に減衰機構３の空気室３２にも大気が充填されることになり、別途、ガスや液体の充填作業を行う必要もない。
【００５３】
−他の実施形態−
尚、本発明に係る緩衝装置の構造は、前記実施形態のものに限定されることなく、例えば減衰機構３を空気圧シリンダでなく液圧シリンダによって構成することもできる。こうすれば、装置全体の耐荷重性を高める上で有利になる。
【００５４】
また、ＭＦＭ１は、前記したように左右対称なトラス要素２，…をパンタグラフ状に組み合わせたものに限らず、例えば図７に示すように、シリンダ２０，…を千鳥状に並べた構造としてもよいし、図８(a)に模式的に示すように、トラス要素２，…を上下方向だけでなく左右方向（衝撃荷重の入力方向と交差する方向）にも並べて、２次元的な広がりをもった構造とすることもできる。
【００５５】
そうして２次元的な広がりをもった構造とすれば、保護対象へ伝わる衝撃を大きくすることなく、また、衝撃荷重方向の変形量も大きくすることなく、エネルギ吸収能を高めることができる。図の例では、最初に衝撃荷重Ｆの入力する上段中央部のトラス要素２が潰れ変形し、その後に上段の左右２つ、中段の２つ及び下段の１つの計５つのトラス要素２，…が変形するようになる。このため、全体として耐荷重は、同図(b)に示すように２段階に立ち上がり、特に２段目は周りのトラス配置構成から耐荷重が増大するので，復元力を期待する場合には有効な方法となると考えられる。
【００５６】
或いは、前記のようにトラス要素２，２，…を２次元的に並べた構造でなくてもよく、例えば図９に示すような３次元的（立体的）な格子構造（図の例では面心立方格子）とすることも可能であり、この場合にも保護対象へ伝わる衝撃や変形量を大きくすることなく、エネルギ吸収能を高めることができる。
【００５７】
さらに、図１に示すようにＭＦＭ１と減衰機構３とを横に並べて配置する必要もなく、例えばＭＦＭ１の立体構造内に減衰機構３を配置してもよい。その場合に減衰機構３は、複数の気体ばねを数珠繋ぎにして構成することもできる。
【００５８】
さらにまた、ＭＦＭ１のトラス要素２の軸部材を、シリンダ２０ではなく例えばコイルばねによって構成することもでき、或いは比較的柔軟性の高い金属製線材によって構成することもできる。こうした場合、初期不整を与えるためには、例えばコイルばねや線材の太さや長さを異ならせればよい。
【００５９】
また、複数のトラス要素２を金属や樹脂材等の一体成形によって構成することもでき、さらにはトラスではなくハニカム構造体とすることもできる。このときは、ハニカム構造体自体がＭＦＭの役割・機能を負担するのみならず、その壁部にハニカム室に連通する小さな孔を設けることで、減衰機構の役割・機能を兼ね備えるようにすることも可能である。さらに、それらに限らず、例えば球体のような種々の構造要素を積層してＭＦＭを構成することも可能である。
【００６０】
加えて、緩衝装置Ａには、入力する衝撃荷重Ｆの大きさ等を検出するために例えば加速度センサ等を備え、このセンサからの信号に基づいてコントローラにより可変バルブ３４の絞り度合いを制御することもできる。こうすれば、衝撃荷重Ｆの大きさに応じて、きめ細かく減衰力を調整することができ、緩衝性能をより一層、改善できる可能性がある。
【００６１】
また、そうして衝撃荷重Ｆの大きさを検出し、これに対応する制御を行うのであれば、ＭＦＭ１の軸部材であるシリンダ２０も、単なる油圧ダンパではなく可変ダンパ等を用いて、それが発生する力を前記衝撃荷重Ｆの大きさに応じて変化させるようにしてもよい。その場合、例えばダンパのオイルに微細な磁性粒子を分散させて、その減衰特性を電磁力により制御するようにした所謂ＭＲＦダンパ等が好適である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上、説明したように本発明の緩衝装置は、保護対象への衝撃をできるだけ小さく抑えながら所要のエネルギ吸収能を確保できるものであり、重要な構造物や高速移動体に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態に係る緩衝装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】同装置をヘリコプターに適用する例を示す説明図である。
【図３】衝撃荷重を受けたＭＦＭの折り畳まれる様子を示す説明図である。
【図４】ＭＦＭの変形に伴い耐荷重が変動しつつ段階的に増大する様子を示す説明図である。
【図５】トラス要素の変形過程で生じるスナップスルー現象の説明図である。
【図６】同変形過程における変形量と荷重との関係を示すグラフ図である。
【図７】ＭＦＭの変形例に係る図１相当図である。
【図８】(a)は、２次元的な広がりをもったトラス構造配置の一例を示す模式図であり、(b)はその場合の図４相当図である。
【図９】トラス要素の３次元的（立体的）な格子構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
Ａ 緩衝装置
１ ＭＦＭ（エネルギ吸収構造体）
２ トラス要素（構造要素）
２０ シリンダ（軸部材）
２１，２２ ヒンジ
３ 減衰機構（流体減衰機構）
３０ 空気圧シリンダ
３１ ピストン
３２ 空気室
３３ 絞り通路
３４ 可変バルブ
４，５ 入力ロッド（連結機構）
６ 荷重受け部材（連結機構）
７ ガイドレール（ガイド部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの衝撃荷重を緩和して構造物等を保護する緩衝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば海上掘削デッキや洋上風力発電設備等の重要な建造物には、嵐の時の漂流物や船舶等の万一の衝突に備えて、その衝撃を緩和するための装置が備えられている。また、自動車・高速鉄道車両やヘリコプターのような高速移動体には、衝突の際の衝撃から乗員を保護するために同様の緩衝装置を備えたものがある。
【０００３】
そのような緩衝装置には、保護対象である主構造物等への衝撃をできるだけ小さく抑えながら、許容される変形量の範囲内で所要のエネルギ吸収を行うことが求められており、そのためには衝撃を受けて初期には比較的容易に、即ち比較的小さな荷重で変形する一方で、変形量の増大に連れて耐荷重性が高まり、大きなエネルギの衝撃も吸収できるようなプログレッシブな特性を有することが望ましい。
【０００４】
この点につき本願の発明者は、複数のトラス要素をパンタグラフ状に組み合わせるとともに、それらに適切な初期不整を与えることによって、衝撃荷重を受けたときにトラス要素が所定の順序で潰れるように変形し、エネルギを分散吸収して段階的に衝撃を減衰させながら、耐荷重が増大するようにしたエネルギ吸収構造体（Multi Folding Micro-structure:以下、ＭＦＭという）を提案している（非特許文献１）。
【０００５】
このＭＦＭは、衝撃荷重の方向に複数のトラス要素を互い違いに積み重ねたものであり、本発明の実施形態に係る図３を流用して説明すると、同図(a)に示す９段のトラス要素２，…のうち、例えば上凸の５段にそれぞれ脆弱部を設ける等の初期不整を設定しておき、図の上方からの衝撃荷重Ｆを受けたときにそれらの脆弱部が座屈等することによって、同図(b)〜(e)のように上方から順に折り畳まれるようにしている。すなわち、衝撃のエネルギをリバウンドさせないよう或る限界まで蓄積できるトラス要素を用い、耐荷重と変形量との積で吸収させることによって、安全に衝撃を緩和できる方法である。
【０００６】
また、そうして複数のトラス要素２，…が予め設定された順序で変形し、ＭＦＭが折り畳まれるようにすると、その全体の耐荷重を図４のように段階的に高くすることができる。すなわち、ＭＦＭは、衝撃荷重による変形の初期には耐荷重が低く、容易に折り畳まれて変形するので、比較的小さなエネルギの衝撃荷重に対しては保護対象への伝達力を小さく抑えることができる一方で、変形量の増大に伴い耐荷重性が上昇し、比較的大きなエネルギ吸収能を示すようになるのである。
【０００７】
ところで、そうしてＭＦＭが折り畳まれる過程で個々のトラス要素にはスナップスルー現象が生じる。すなわち、変形量と荷重との関係を例示する図６のグラフを流用して説明すると、前記のように衝撃荷重を受けたＭＦＭにおいて何れかのトラス要素がスナップスルー座屈を起こすまでは、変形量の増大に伴い応力（荷重）が上昇するが、極限点Ｌに達して座屈等が起きると一気に変形が進んで、釣合点Ｂまで飛び移る（スナップスルー）という現象が起きるのである。尚、同図に実線、破線及び仮想線でそれぞれ示すグラフＣ，Ｄ，Ｖは、後述するが、荷重ではなく変形量を漸増させたときの変形量と荷重との関係を示している。
【０００８】
スナップスルー現象は、前記のような脆弱部が設けられていなくても、トラス要素の軸部材が或る程度以上の柔軟性を有するものであれば起こり得る。そして、スナップスルー現象が起きると、その都度（即ち前記の極限点Ｌにおいて）、荷重の上昇が頭打ちになることから、衝撃荷重を分散させて緩衝しながら、ＭＦＭ全体の耐荷重を段階的に増大させることができ、その各段階において保護対象に伝わる力を確実に所定以下に抑えることができる。
【非特許文献１】Journal of Sound and Vibration 308(2007)591-598，www.sciencedirect.com ，エルセビア・ジャパン株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記のスナップスルー現象において極限点Ｌから釣合点Ｂまで飛び移るとき、換言すれば、前記図３(b)〜(e)のようにＭＦＭの何れかのトラス要素が座屈等してその下の段のトラス要素に折り重なるときには、耐荷重の変動によって部材同士が衝突し、局所的に小さな衝撃が発生するようになる。すなわち、前記図６の実線等のグラフから分かるように、極限点Ｌから釣合点Ｂまでの間ではトラス要素の耐荷重が一時的に急低下するとともに、これに伴い変形速度が急上昇し、釣合点Ｂに飛び移った瞬間には衝撃が発生するのである。
【００１０】
つまり、ＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体が変形して衝撃のエネルギを吸収するときには、その構造要素（トラス要素）においてそれぞれスナップスルー現象が起きることに起因して、図４に破線で示すように耐荷重が変動し、同図に仮想線で模式的に示すように局所的な衝撃が繰り返し発生することになり、これが人体等にとって危険な作用や不快なものとなる虞れがある。また、そのような局所衝撃の繰り返しは保護対象によっては不測のダメージを与える虞れもあり、従来のものには緩衝装置として改善の余地が残されていると言える。
【００１１】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、前記従来例のＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体を備えた緩衝装置において、衝撃荷重を受けて変形する構造要素のスナップスルー現象に起因する局所衝撃の繰り返しを緩和し、もって緩衝性能のさらなる改善を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく本発明は、エネルギ吸収構造体と並んで衝撃荷重を受けるように流体減衰機構を設けて、スナップスルー現象による耐荷重の変動や繰り返される局所衝撃を適切に緩和するようにしたものである。
【００１３】
すなわち、請求項１の発明に係る緩衝装置は、まず、外力により変形してエネルギを吸収するとともに、その変形過程でスナップスルー現象を生じる複数の構造要素からなり、それら複数の構造要素が所定の順序で変形することによって段階的に衝撃を減衰させつつ、耐荷重が増大するエネルギ吸収構造体を備えている。そして、このエネルギ吸収構造体と並んで流体減衰機構が設けられ、それらが同期して衝撃荷重を受けるように連結機構により連結されており、そうして衝撃荷重を受けて容積の減少する流体減衰機構の流体室から流体が絞り通路を通って流出する際に、その絞り抵抗によって適切な大きさの減衰力を発生するようになっている。
【００１４】
前記構成の緩衝装置に衝撃荷重が入力すると、まず、エネルギ吸収構造体において上述した従来例のＭＦＭと同様に、複数の構造要素が所定の順序でそれぞれ変形して衝撃のエネルギを吸収するとともに、エネルギ吸収構造体全体としての耐荷重が段階的に増大してゆく。また、そうして個々の構造要素が変形する過程ではスナップスルー現象が発生し、上述したように耐荷重が変動して局所的な衝撃が繰り返し発生することになるが、この局所衝撃は、並設されている流体減衰機構によって適切に緩和することができる。
【００１５】
すなわち、流体減衰機構においては前記のように衝撃荷重を受けて容積の減少する流体室から流体が押し出されて、絞り通路の流通抵抗により減衰力を発生することになるが、一般的にその減衰力の大きさは絞り通路における流れの速さに依存し、スナップスルー現象によって一時的に変形速度が高くなるときには相対的に大きな減衰力が発生するので、エネルギ吸収構造体における耐荷重の一時的な低下を補い、その直後の局所衝撃を効果的に緩和することが可能になる。
【００１６】
つまり、前記の構成によると、従来のＭＦＭと同様に構造要素のスナップスルー現象を利用して、エネルギ吸収構造体の耐荷重性を段階的に高めることができるとともに、そのスナップスルー現象に起因する耐荷重の変動或いは変形（速度）の抑制作用や局所衝撃の繰り返しを並設の流体減衰機構によって効果的に緩和することができ、従来よりも緩衝性能を改善できるものである。
【００１７】
好ましいのは前記流体減衰機構の流体室を気体室とすることであり（請求項２）、こうすれば、前記のようにスナップスルー現象が起きて変形速度が高くなると、これにより圧縮される気体室内の圧力が一時的に高くなって、荷重を受け止める気体ばねとして機能するようになるから、気体ばねの非線形特性とも相俟って耐荷重の一時的な低下を適切に補完することが可能になり、局所衝撃をより効果的に緩和することができる。
【００１８】
尚、流体減衰機構の流体室を液室とすることも勿論、可能であり、こうした場合は前記気体ばねとしての機能は得られないものの、緩衝装置全体の耐荷重性を高める上では有利な構造となる。
【００１９】
前記エネルギ吸収構造体の構造要素としては例えばハニカム（多孔質材料）やトラスが考えられるが、トラス要素を用いればシンプルな構造で耐荷重等の設定が比較的容易に行える（請求項３）。トラス要素は、金属製の軸部材等を組み合わせて構成したり、金属や樹脂材の一体成形によって構成することができる。また、トラス要素は、衝撃荷重の入力方向に並べるだけでもよいが、その方向と交差する方向にも並べて設ければ、即ち２次元的な広がりをもった配置としたり、３次元構造にしたりすれば、エネルギ吸収能がより高くなる（請求項４）。
【００２０】
特にトラス要素を軸部材で構成する場合、それに比較的大きな柔軟性を与えるために、コイルばねやシリンダを用いることが考えられる。好ましいのはシリンダを用い、少なくとも圧縮の軸力に対して抗力を発生させることである（請求項５）。こうすれば、外部からの衝撃荷重を受けてエネルギ吸収構造体が変形するときには、シリンダが軸方向に圧縮されて一旦、トラス要素が潰れ変形した後に、それが裏返しになってシリンダが伸張する際にスナップスルー現象が発生する。
【００２１】
よって、シリンダの抗力の設定によってトラス要素のエネルギ吸収能やスナップスルー現象の極限点等を容易に設定することができる。また、初期不整も与えやすいので、トラス要素の変形の順序も容易且つ安定的に設定できる。さらに、シリンダをその伸縮両側で抗力を発生するものとすれば、エネルギ吸収能を高めることもできる。
【００２２】
その上さらにそれらシリンダの端部を、それぞれ、衝撃荷重の入力方向に延びるガイド部材に摺動可能に且つ回動可能に取り付ける構造とすれば（請求項６）、シリンダの伸縮によるトラス要素の変形をより正確に且つ安定的に設定することができる。また、エネルギ吸収構造体が一度、衝撃のエネルギを吸収して変形した後に、逆向きの力を加えて元の状態に復元することができ、繰り返し使用が可能になる。
【００２３】
その場合には流体減衰機構の気体室を空気室とし、絞り通路を大気開放するのが特に好ましい。こうすれば、前記のようにエネルギ吸収構造体を復元することによって自動的に流体減衰機構の空気室に大気が充填されるようになるから、繰り返し使用が容易に行えるようになる。
【００２４】
また、流体減衰機構の絞り通路に可変バルブを配設し、衝撃荷重の大きさを検出するためのセンサと、このセンサからの信号に基づいて前記可変バルブにより絞りの度合いを変更する制御手段とを備えれば（請求項７）、外部からの衝撃荷重の大きさに応じて、きめ細かく減衰力を調整することができるから、緩衝性能をさらに一層、改善することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように本発明に係る緩衝装置によると、ＭＦＭのようなエネルギ吸収構造体において発生する構造要素のスナップスルー現象を利用して、衝撃荷重の分散緩衝を図りつつ耐荷重性を段階的に高めることができ、これにより、保護対象への衝撃をできるだけ小さく抑えながら所要のエネルギ吸収能を確保することができる。一方でスナップスルー現象に起因する耐荷重の変動や局所衝撃の繰り返しは並設の流体減衰機構によって効果的に緩和されるから、緩衝性能のさらなる改善が図られる。
【００２６】
特に流体減衰機構の流体室を気体室とすれば、前記構造要素のスナップスルーの都度、気体ばねとして機能する流体減衰機構が一時的に荷重を受け止めるようになるから、耐荷重の変動や局所衝撃をより効果的に緩和することができる。
【００２７】
また、構造要素であるトラス要素の軸部材をシリンダによって構成すれば、初期不整を与えやすく、トラス要素の変形の順序を容易且つ安定的に設定できるとともに、エネルギ吸収能を高めたり、繰り返し使用することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２９】
図１には本発明に係る緩衝装置Ａの概略構成を示し、これは例えば図２に示すようにヘリコプターＨの脚部ｈ１，ｈ１，…にそれぞれ取り付けられて、緊急着陸（ハードランディング）等の衝撃から乗員を保護するために用いられる。緩衝装置Ａの用途としては他にも例えば車両やガードレール等への適用、或いは重要な建造物の保護等に用いることが考えられる。
【００３０】
図１の左側に配置されているのは、同図の上方から入力する衝撃荷重Ｆを受けて、その構造要素である９個のトラス要素２，２，…が所定の順序で折り畳まれることにより、衝撃のエネルギを吸収する構造体１（ＭＦＭ）である。ＭＦＭ１の右側に並んで設けられているのは所謂空気圧シリンダ３０からなる減衰機構３であって、衝撃荷重Ｆを受けてピストン３１が下降すると、容積の減少する空気室３２から空気が押し出されて、絞り通路３３から大気中に放出されるようになっている。
【００３１】
ＭＦＭ１と減衰機構３とは、それぞれ入力ロッド４，５を介して共通の荷重受け部材６に連繋されており、そこから衝撃荷重を受け入れるようになっている。すなわち、この例では入力ロッド４，５及び荷重受け部材６によって、ＭＦＭ１と減衰機構３とが同期して衝撃荷重を受けるように連結する連結機構が構成されている。前記のようにヘリコプターＨの脚部ｈ１に取り付ける場合には、図１の上下を反転させて荷重受け部材６を脚部ｈ１に結合すればよい。或いは、荷重受け部材６は省略して、入力ロッド４，５，を直接的に脚部ｈ１に取り付けることもできる。
【００３２】
図の例ではＭＦＭ１は、概ね同じ大きさのトラス要素２，２，…を衝撃荷重の方向（図の上下方向）に互い違いに、即ちパンタグラフ状に積み重ねた構造であり、各トラス要素２はそれぞれ２本のシリンダ２０，２０を組み合わせてなる。シリンダ２０は、一例として伸び側及び縮み側の両側でオイルの流動による抵抗力を発生する油圧ダンパからなり、その内部には高圧のガスが封入されて伸び側に付勢力を発生するようになっている。
【００３３】
それら２本１組のシリンダ２０，２０の一方の端部（図の左右方向について内方の端部）同士は、頑丈なヒンジ２１によって互いに回動可能に連結されている。また、各シリンダ２０他方の端部（外方の端部）はそれぞれ上下方向のガイドレール７，７に摺動可能に且つ回動可能に取り付けられている。一例として、ガイドレール７にはスライダ（図示せず）を装着し、このスライダにヒンジ２２を介してシリンダ２０の端部を取り付ければよい。スライダ若しくはヒンジ２２は上下に隣り合うシリンダ２０，２０同士で共用することができる。
【００３４】
前記９個のトラス要素２，２，…のうち、上から順に１，３，５，７，９番目のもの、即ち上凸のものは、同２，４，６，８番目の下凸のものに比べてシリンダ２０のガス圧による付勢力が弱めに設定されており、その中では１番、３番、５番、７番、９番の順に付勢力が徐々に強くなっている。これは、トラス要素２，２，…の変形順を設定するための初期不整であり、この結果としてＭＦＭ１は、図３(a)〜(e)に示すように、衝撃荷重Ｆを受けると上方から順にトラス要素２が潰れて折り畳まれるようになる。
【００３５】
尚、そのような初期不整は、ガス圧による付勢力ではなくてオイルの流動抵抗の大きさによっても設定することができるし、或いは初期状態でのシリンダの長さや位置を僅かに変更することによっても設定可能である。
【００３６】
そうして複数のトラス要素２，２，…が予め設定された順序で変形し、ＭＦＭ１が上方から徐々に折り畳まれてゆくことで、エネルギを分散吸収して段階的に衝撃を減衰させることができるとともに、その耐荷重が例えば図４に実線のグラフで示すように段階的に増大するようになる。すなわち、まず図３(a)〜(b)のように最上段のトラス要素２が潰れ変形して畳まれる過程でスナップスルー現象を生じて、荷重の上昇が一旦、頭打ちになる。続いて同様に上から３段目のトラス要素２が畳まれ（同図(c)）、同５段目、７段目のトラス要素２がそれぞれ畳まれてゆき（同図(d)，(e)）、それらの各段階でそれぞれ頭打ちになりながら段階的に衝撃エネルギが消費され、且つ耐荷重が増大してゆくのである。
【００３７】
そのように個々のトラス要素において発生するスナップスルー現象について詳しくは、本願の発明者は、図５(a)に示すような３段重ねのトラス要素の変形について研究を重ね、その特性を上述の非特許文献１において説明している。すなわち、まず前記のようなトラス要素のモデルについて変位を強制的に漸増させると（変位制御）、同図(a)〜(c)に示すように最上段のトラス要素が潰れ変形した後に裏返しになって、その軸部材が伸張するようになる。
【００３８】
そのとき、上下方向の変形量と荷重との関係を表す図６のグラフ上では、前記のように最上段のトラス要素が潰れて裏返るときに極限点Ｌに達して荷重が減少に転じることになるが、極限点Ｌでは力の釣り合い状態が不安定になり、そこから先は実線Ｃ、破線Ｄ及び仮想線Ｖでそれぞれ示すように変形の経路が複数に分岐している。これらの何れの経路に進むかは初期不整の与え方によって決まり、仮に初期不整が存在しないとすれば、図に仮想線のグラフＶで示すような変形経路（理想的な経路）に進むようになる。
【００３９】
また、この実施形態と同様に最上段のトラス要素が最初に潰れるようにしておけば、図に実線のグラフＣで示すように一時的に変形量が減少する経路に進むようになり、反対に最下段のトラス要素が最初に潰れるようにしておけば、一例を破線のグラフＤで示すように前記グラフＶ，Ｃの中間の経路に進むようになる。
【００４０】
そして、それらのグラフＣ，Ｄ，Ｖに示すように、極限点Ｌから先では変形量の増大に伴い荷重が一時的に急低下することから、トラス要素に加える荷重を漸増させてゆくと、前記グラフにおいて極限点Ｌから略真横に飛び移る（スナップスルー）という現象が起きる。すなわち、前記変位制御の場合と同様にトラス要素の変形に伴い軸部材が圧縮されて応力が上昇し（図５(a)〜(b)参照）、極限点Ｌに達して裏返ると（同図(c)参照）、そのまま一気に変形が進んで安定な釣合点Ｂ（同図(e)）に飛び移るものである。
【００４１】
斯くして、この実施形態のＭＦＭ１が衝撃荷重を受けて折り畳まれるときには、トラス要素２，…が所定の順序で潰れて、シリンダ２０，…の伸縮により衝撃のエネルギが吸収されるとともに、それら各トラス要素２，…の変形過程でそれぞれスナップスルー現象が起きて、その都度、荷重の上昇が頭打ちになる。こうして全体としてみれば、図４に実線で示すように段階的に増大するＭＦＭ１の耐荷重を、その各段階において確実に所定値以下に抑えることができ、保護対象に伝わる力を十分に小さくすることができる。
【００４２】
但し、詳細に見れば、前記のようにスナップスルー現象を生じて上段のトラス要素２が裏返ると、耐荷重が一時的に急低下して一気に変形が進み、そのトラス要素２が下の段のトラス要素２に折り重なるときに両者が衝突して、局所的な衝撃が発生する。すなわち、図４に破線で示すように耐荷重が変動して、トラス要素２，２同士が衝突することにより、図には模式的に仮想線で示すように繰り返し局所衝撃が発生するのである。そして、このような荷重変動や局所衝撃の繰り返しがヘリコプターＨの機体（この例の保護対象）に伝わることによる不具合を防止すべく、緩衝装置Ａには前記の荷重変動や局所衝撃に対してもクッション的な効果が期待され，特にキャビン内の人体への衝撃力を緩和させる役割を担うことが求められる。
【００４３】
これに対し、この実施形態の緩衝装置Ａでは、ＭＦＭ１に並設した減衰機構３によって適切に減衰力を発生させて、前記耐荷重の変動や局所衝撃を効果的に緩和することができる。すなわち、前記の如く衝撃荷重Ｆが入力して、ＭＦＭ１が最上段のトラス要素２から順に折り畳まれるときには、共用の荷重受け部材６から入力ロッド５を介して衝撃荷重Ｆを受けるピストン３１が下降し、容積の減少する空気室３２内の圧力が上昇するとともに、そこから押し出されて絞り通路３３を流通する空気の流通抵抗によって減衰力が発生する。
【００４４】
詳しくは、まず、何れかのトラス要素２においてスナップスルー現象が起きるまでは、ＭＦＭ１の全てのトラス要素２，…においてシリンダ２０，…がそれぞれ圧縮されて、エネルギを吸収しながら荷重を受け止めるようになり、ＭＦＭ１全体の変形速度が相対的に低くなるので、これに同期して下降する減衰機構３のピストン３１の下降速度も相対的に低くなり、これにより空気室３２から押し出される空気が絞り通路３３から放出される際に比較的小さな減衰力が発生するのみとなる。
【００４５】
一方で、何れかのトラス要素２においてスナップスルー現象が起きて一気に変形が進むときには、減衰機構３のピストン３１の下降速度も急上昇し、これにより空気室３２内の空気が圧縮されて一時的に荷重を受け止める空気ばねとして機能するようになる。この際、空気ばねの非線形特性とも相俟って大きなばね力を発生させることができるので、これによりスナップスルーに伴うＭＦＭ１の耐荷重の変動を軽減し、その直後の衝突に起因する局所的な衝撃も効果的に緩和することができる。
【００４６】
尚、減衰機構３の絞り通路３３には絞り量可変のバルブ３４が介設されており、ＭＦＭ１のトラス要素２，２，…の各段階における耐荷重、前記空気室３２の容積、想定される衝撃荷重Ｆの大きさ等々に応じて、予め最適な減衰力、復元力及びばね力が得られるように絞り度合を調整することができる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係る緩衝装置Ａによると、ＭＦＭ１を構成する複数のトラス要素２，…がそれぞれ潰れ変形する過程で生じるスナップスルー現象を利用して、衝撃を段階的に減衰させつつＭＦＭ１の耐荷重を段階的に増大させることにより、その各段階において保護対象への伝達力を確実に所定以下に抑制することができる。よって、比較的小さなエネルギの衝撃に対しては、それを吸収しつつ保護対象への伝達力を非常に小さくできる一方で、大きなエネルギの衝撃に対しては耐荷重がかなり大きくなって、許容される変形量の範囲内で所要のエネルギ吸収能を発揮するようになる。
【００４８】
また、前記トラス要素２，２，…のスナップスルー現象に起因する荷重変動や局所衝撃の繰り返しについては、前記したように、スナップスルー現象によるＭＦＭ１の変形速度の変化に応じて、減衰機構３により適切な減衰力を発生させることにより、すなわち、スナップスルーによって変形速度が急上昇したときに、より大きな減衰力を発生させることによって極めて効果的に緩和することができるので、キャビン内の人体への衝撃力も緩和させる役割を担うことになる。
【００４９】
さらに、この実施形態ではトラス要素２，２，…の軸部材として油圧ダンパのようなシリンダ２０を用いているので、トラス要素２，２，…の剛性、強度や変形の際のエネルギ吸収能を容易且つ安定的に設定することができ、スナップスルーの際の極限点Ｌ等の設定、即ち初期不整も与えやすい。しかも、シリンダ２０は伸縮両側で抗力を発生するので、その両側でエネルギを吸収するようになり、ＭＦＭ１全体のエネルギ吸収能を高める上で有利になる。
【００５０】
また、この実施形態ではシリンダ２０の外方の端部をガイドレール７によってガイドして、横方向への変位を規制しているので、該シリンダ２０の伸縮によるトラス要素２の変形をより正確に且つ安定的に設定することができる。この実施形態ではシリンダ２０の内方の端部はガイドしていないが、ヒンジ２１をガイドするように別のガイドレールを付加してもよい。
【００５１】
そうしてシリンダ２０によってトラス要素２を構成しているため、この実施形態のＭＦＭ１は、上述の如く衝撃荷重Ｆを受けて変形した後に、ガイドレール７，７同士の間隔を少し広げて、衝撃荷重Ｆとは逆向きの力を加えれば、容易に元の状態にセットすることができ、繰り返し使用が可能である。
【００５２】
特にこの実施形態では減衰機構３が空気圧シリンダ３０によって構成されており、その空気室３２が絞り通路３３を介して大気開放されているので、前記のようにＭＦＭ１を復元すれば自動的に減衰機構３の空気室３２にも大気が充填されることになり、別途、ガスや液体の充填作業を行う必要もない。
【００５３】
−他の実施形態−
尚、本発明に係る緩衝装置の構造は、前記実施形態のものに限定されることなく、例えば減衰機構３を空気圧シリンダでなく液圧シリンダによって構成することもできる。こうすれば、装置全体の耐荷重性を高める上で有利になる。
【００５４】
また、ＭＦＭ１は、前記したように左右対称なトラス要素２，…をパンタグラフ状に組み合わせたものに限らず、例えば図７に示すように、シリンダ２０，…を千鳥状に並べた構造としてもよいし、図８(a)に模式的に示すように、トラス要素２，…を上下方向だけでなく左右方向（衝撃荷重の入力方向と交差する方向）にも並べて、２次元的な広がりをもった構造とすることもできる。
【００５５】
そうして２次元的な広がりをもった構造とすれば、保護対象へ伝わる衝撃を大きくすることなく、また、衝撃荷重方向の変形量も大きくすることなく、エネルギ吸収能を高めることができる。図の例では、最初に衝撃荷重Ｆの入力する上段中央部のトラス要素２が潰れ変形し、その後に上段の左右２つ、中段の２つ及び下段の１つの計５つのトラス要素２，…が変形するようになる。このため、全体として耐荷重は、同図(b)に示すように２段階に立ち上がり、特に２段目は周りのトラス配置構成から耐荷重が増大するので，復元力を期待する場合には有効な方法となると考えられる。
【００５６】
或いは、前記のようにトラス要素２，２，…を２次元的に並べた構造でなくてもよく、例えば図９に示すような３次元的（立体的）な格子構造（図の例では面心立方格子）とすることも可能であり、この場合にも保護対象へ伝わる衝撃や変形量を大きくすることなく、エネルギ吸収能を高めることができる。
【００５７】
さらに、図１に示すようにＭＦＭ１と減衰機構３とを横に並べて配置する必要もなく、例えばＭＦＭ１の立体構造内に減衰機構３を配置してもよい。その場合に減衰機構３は、複数の気体ばねを数珠繋ぎにして構成することもできる。
【００５８】
さらにまた、ＭＦＭ１のトラス要素２の軸部材を、シリンダ２０ではなく例えばコイルばねによって構成することもでき、或いは比較的柔軟性の高い金属製線材によって構成することもできる。こうした場合、初期不整を与えるためには、例えばコイルばねや線材の太さや長さを異ならせればよい。
【００５９】
また、複数のトラス要素２を金属や樹脂材等の一体成形によって構成することもでき、さらにはトラスではなくハニカム構造体とすることもできる。このときは、ハニカム構造体自体がＭＦＭの役割・機能を負担するのみならず、その壁部にハニカム室に連通する小さな孔を設けることで、減衰機構の役割・機能を兼ね備えるようにすることも可能である。さらに、それらに限らず、例えば球体のような種々の構造要素を積層してＭＦＭを構成することも可能である。
【００６０】
加えて、緩衝装置Ａには、入力する衝撃荷重Ｆの大きさ等を検出するために例えば加速度センサ等を備え、このセンサからの信号に基づいてコントローラにより可変バルブ３４の絞り度合いを制御することもできる。こうすれば、衝撃荷重Ｆの大きさに応じて、きめ細かく減衰力を調整することができ、緩衝性能をより一層、改善できる可能性がある。
【００６１】
また、そうして衝撃荷重Ｆの大きさを検出し、これに対応する制御を行うのであれば、ＭＦＭ１の軸部材であるシリンダ２０も、単なる油圧ダンパではなく可変ダンパ等を用いて、それが発生する力を前記衝撃荷重Ｆの大きさに応じて変化させるようにしてもよい。その場合、例えばダンパのオイルに微細な磁性粒子を分散させて、その減衰特性を電磁力により制御するようにした所謂ＭＲＦダンパ等が好適である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上、説明したように本発明の緩衝装置は、保護対象への衝撃をできるだけ小さく抑えながら所要のエネルギ吸収能を確保できるものであり、重要な構造物や高速移動体に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態に係る緩衝装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】同装置をヘリコプターに適用する例を示す説明図である。
【図３】衝撃荷重を受けたＭＦＭの折り畳まれる様子を示す説明図である。
【図４】ＭＦＭの変形に伴い耐荷重が変動しつつ段階的に増大する様子を示す説明図である。
【図５】トラス要素の変形過程で生じるスナップスルー現象の説明図である。
【図６】同変形過程における変形量と荷重との関係を示すグラフ図である。
【図７】ＭＦＭの変形例に係る図１相当図である。
【図８】(a)は、２次元的な広がりをもったトラス構造配置の一例を示す模式図であり、(b)はその場合の図４相当図である。
【図９】トラス要素の３次元的（立体的）な格子構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
Ａ 緩衝装置
１ ＭＦＭ（エネルギ吸収構造体）
２ トラス要素（構造要素）
２０ シリンダ（軸部材）
２１，２２ ヒンジ
３ 減衰機構（流体減衰機構）
３０ 空気圧シリンダ
３１ ピストン
３２ 空気室
３３ 絞り通路
３４ 可変バルブ
４，５ 入力ロッド（連結機構）
６ 荷重受け部材（連結機構）
７ ガイドレール（ガイド部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの衝撃荷重を緩和するための緩衝装置であって、
外力により変形してエネルギを吸収するとともに、その変形過程でスナップスルー現象を生じる複数の構造要素からなり、それら複数の構造要素が所定の順序で変形することによって段階的に衝撃を減衰させつつ、耐荷重が増大するように構成されたエネルギ吸収構造体と、
前記エネルギ吸収構造体と並んで衝撃荷重を受けるように設けられ、その衝撃荷重を受けて容積が減少する流体室と、この流体室から流体が絞り抵抗を受けつつ流出する絞り通路と、を有する流体減衰機構と、
前記エネルギ吸収構造体及び流体減衰機構を、それらが同期して衝撃荷重を受けるように連結する連結機構と、
を備えることを特徴とする緩衝装置。
【請求項２】
流体減衰機構は気体室を有する、請求項１に記載の緩衝装置。
【請求項３】
エネルギ吸収構造体は構造要素としてトラス要素を有する、請求項１又は２のいずれかに記載の緩衝装置。
【請求項４】
複数のトラス要素が、衝撃荷重の入力方向及びこの方向と交差する方向の双方向に並設されている、請求項３に記載の緩衝装置。
【請求項５】
トラス要素の軸部材は、少なくとも圧縮の軸力に対して抗力を発生するシリンダからなる、請求項３又は４のいずれかに記載の緩衝装置。
【請求項６】
シリンダの端部が、衝撃荷重の入力方向に延びるガイド部材に摺動可能に且つ回動可能に取り付けられている、請求項５に記載の緩衝装置。
【請求項７】
流体減衰機構の絞り通路には可変バルブが配設され、
衝撃荷重の大きさを検出するためのセンサと、
前記センサからの信号に基づいて前記可変バルブにより絞りの度合いを変更する制御手段と、を備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の緩衝装置。
【請求項１】
外部からの衝撃荷重を緩和するための緩衝装置であって、
外力により変形してエネルギを吸収するとともに、その変形過程でスナップスルー現象を生じる複数の構造要素からなり、それら複数の構造要素が所定の順序で変形することによって段階的に衝撃を減衰させつつ、耐荷重が増大するように構成されたエネルギ吸収構造体と、
前記エネルギ吸収構造体と並んで衝撃荷重を受けるように設けられ、その衝撃荷重を受けて容積が減少する流体室と、この流体室から流体が絞り抵抗を受けつつ流出する絞り通路と、を有する流体減衰機構と、
前記エネルギ吸収構造体及び流体減衰機構を、それらが同期して衝撃荷重を受けるように連結する連結機構と、
を備えることを特徴とする緩衝装置。
【請求項２】
流体減衰機構は気体室を有する、請求項１に記載の緩衝装置。
【請求項３】
エネルギ吸収構造体は構造要素としてトラス要素を有する、請求項１又は２のいずれかに記載の緩衝装置。
【請求項４】
複数のトラス要素が、衝撃荷重の入力方向及びこの方向と交差する方向の双方向に並設されている、請求項３に記載の緩衝装置。
【請求項５】
トラス要素の軸部材は、少なくとも圧縮の軸力に対して抗力を発生するシリンダからなる、請求項３又は４のいずれかに記載の緩衝装置。
【請求項６】
シリンダの端部が、衝撃荷重の入力方向に延びるガイド部材に摺動可能に且つ回動可能に取り付けられている、請求項５に記載の緩衝装置。
【請求項７】
流体減衰機構の絞り通路には可変バルブが配設され、
衝撃荷重の大きさを検出するためのセンサと、
前記センサからの信号に基づいて前記可変バルブにより絞りの度合いを変更する制御手段と、を備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の緩衝装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１８０３４９（Ｐ２００９−１８０３４９Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１８８４（Ｐ２００８−２１８８４）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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