JP4080206B2 - 防護ヘルメット - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、特許請求項１の特徴部分より前の節による、外部シェルおよび内部シェルを有する防護ヘルメットに関する。
【０００２】
（従来技術）
頭蓋および脳の損傷を防止または軽減するために、様々な状況で防護ヘルメットを使用することが通例である。様々な設計および特徴を有する、数多くの異なるタイプの防護ヘルメットが市販されている。一般的に言えば、このようなヘルメットは、しばしば複合材製の硬質の外部シェルおよびエネルギーを吸収する内部シェルからなる。今日では、とりわけ、ある特定の負荷で脳の重心に生じる恐れのある最大加速度に関する一定の法定要件を満足するように、防護ヘルメットを設計しなければならない。通常は、ヘルメットを装備した実験用頭蓋として知られているものに衝撃面から半径方向の打撃を与える実験を行う。これによって、現代のヘルメットは、頭蓋に対して半径方向の打撃を受ける場合には良好なエネルギーの吸収能力を有するようになったが、他の負荷方向に関しては最適なものではない。ヘルメットが、角加速度をどれだけ減少させるべきかに関する法定要件が存在しないのは、とりわけ、回転損傷のための損傷判定基準が欠落していることによる。
【０００３】
直線加速度（直線的な衝撃）の場合には、頭蓋の骨折および／または脳組織の圧迫や擦傷が生じるのが典型的である。純粋な角加速度（頭蓋の回転中心周りの回転）の例は稀である。加速度の最も一般的なタイプは、回転加速度、すなわち直線加速度と角加速度の組み合わさった加速度である。回転損傷の例には、一方に硬膜下血腫（ＳＨ）、つまり血管の破裂による出血があり、他方に、脳組織での異なる慣性および密度による神経線維の断裂であると要約できる広汎性軸索損傷（ＤＡＩ）がある。持続時間、振幅および増加率のような回転力の特徴によってＳＨまたはＤＡＩ、もしくはこれらの組合せを受ける。一般的に言って、ＳＨは短い継続時間で大きな振幅の場合に生じるが、ＤＡＩは、長く広範囲にわたる加速度負荷の場合に生じる。頭蓋および脳に適切な防護を施すことができるように、これらの現象を考慮に入れることが重要である。
【０００４】
（発明の目的）
本発明の目的は、装着者のために損傷の危険性を軽減する防護ヘルメットを製作することにある。別の目的は、装着者にとって簡便で軽量の弾力性があるヘルメットを製作することにある。他の目的は、製造が容易な防護ヘルメットを製作することにある。
【０００５】
（発明の説明）
効果的な防護ヘルメットは、特許請求項１の特徴記載部分による特徴を有する一実施形態によって得られる。
【０００６】
回転エネルギーを同時吸収する間に、このヘルメットの外部シェルをその内部シェルに対して移動させることができるので、装着者に作用する損傷力を軽減し、したがって損傷の危険性を軽減することができる。
【０００７】
１つまたは複数の比較的薄いスライド層を用いることは、ヘルメットの重さおよび構造的な高さを低い水準に保つことを意味し、それによって装着者の着け心地を向上させ、損傷の危険性をさらに軽減する。
【０００８】
現在では防護用ヘルメットにとって通例になっている特徴を有する内部シェルを防護ヘルメットに用いることによって、半径方向の衝撃および斜め方向の衝撃を良好に吸収する防護ヘルメットが得られ、よって装着者を良好に防護することができる。
【０００９】
他の特色および有利な特徴は、以下の説明および特許請求の範囲から明らかになる。
【００１０】
本発明を図面に示した例示的な実施形態によって以下でさらに詳細に説明する。
【００１１】
（好ましい実施形態の説明）
図１に概略的に示す本発明による防護ヘルメット１は、外部シェル２およびその内部に配置した装着者の頭部に接触するための内部シェル３から構成される。外部シェル２と内部シェル３の間にスライド層４が配置されており、この層によって外部シェル２および内部シェル３間のスライド変位が可能になる。ヘルメットの縁部に、１つまたは複数の連結部材５が配置されており、それが外部シェル２と内部シェル３を相互連結し、エネルギーを吸収することによってそれらの間の相互変位を打ち消す。
【００１２】
外部シェル２は、比較的薄くかつ様々なタイプの衝撃に耐えるように強靭であり、有利なことに、例えば繊維強化プラスチックから作製することができる。内部シェル３は、かなり厚く、頭部に対する衝撃を鈍化または吸収できるはずである。有利なことに、それは、例えば、発泡ポリウレタンまたはポリスチレンから作製することができる。その構造は、以下に示すが、例えば様々な材料からなる幾つかの層を有し、様々に異なり得る。様々な幾つかの材料および実施形態、例えば、オイル、ポリテトラフルオロエチレン、ミクロスフェア（ｍｉｃｒｏ−ｓｐｈｅｒｅ）、空気、ゴム等をスライド層４として用いることができる。有利なことに、このような層はおおよそ０．１〜５ｍｍの厚みを有するが、選択する材料および所望の性能によっては他の厚みも使用可能である。連結部材５としては、例えば、プラスチックまたは金属の変形可能な細片を利用でき、それらを外部シェルおよび内部シェルの中に適切に繋止する。
【００１３】
図２は、二次元の一実施形態における単純化したモデルを用いた、本発明による防護ヘルメット１の機能原理を示し、そこではヘルメット１および頭蓋１０が半円筒形をなし、頭蓋１０は縦軸１１上に取り付けてある。この軸１１からわずかな距離のところに、ヘルメット１が斜め方向の衝撃Ｋを受けたときに、頭蓋１０に伝達される捩れ力およびトルクの測定用センサ１２があり、この衝撃Ｋは、防護ヘルメット１に対する接線力Ｋ_Tおよび半径方向力Ｋ_Rを引き起こす。この特定の状況では、ヘルメットを回転させる接線力Ｋ_Tおよびその作用のみが重要である。
【００１４】
図から分かるように、力Ｋは内部シェル３に対する外部シェル２の変位１３を引き起こし、連結部材５が変形する。
【００１５】
一方では、スライド層として油膜を有する本発明によるヘルメット上で、また他方では、内部シェルに接着剤で固着された外部シェルを有する従来のヘルメット上で実験を何回か行った。何回かの実験の平均値を算出して図４に示してあるが、そこではセンサ１２で測定された力を時間の関数として示す。従来のヘルメットが連続曲線Ａであり、本発明によるヘルメットは破線の曲線Ｂである。
【００１６】
図から分かるように、本発明による一実施形態に関しておおよそ２５％とかなりの改善（より小さい力）を得た。
【００１７】
図１に示す実施形態以外に、防護ヘルメット１の他の幾つかの実施形態も可能である。可能な数例の変形形態が図３に示されている。図３ａでは、内部シェル３が、より硬質の比較的薄い外層３”とより軟質の比較的厚い内層３’から構成されている。図３ｂでは、内部シェル３が図３ａと同様に構成されている。しかし、この場合には、２つのスライド層４があり、それらの層間に１つの中間シェル６がある。これら２つのスライド層４は、所望であれば、それぞれ別様に実施可能であり、かつ異なる材料から作製し得る。例えば、１つの可能性は、外側のスライド層に内側のスライド層よりも小さい摩擦力を持たせることである。最後に、図３ｃでは、外部シェル２を先ほどのものとは別様に実施している。この場合、より硬質の外層２”がより軟質の内層２’を覆っている。様々な層の厚みの比は、分かり易くするために図面では誇張したが、当然ながら必要性と要件に従って適合させることができる。
【００１８】
図５および６は、動的有限要素法（ＦＥ）プログラムによって実施した数値的研究の結果を示す。まず、二次元の幾何学モデルを作成し、実験とうまく合うかによって有効性を検証した。次いで、自動車産業での衝突模擬実験に用いられるＨｙｂｒｉｄ ＩＩＩ（登録商標）ダミーとして知られるものから、うなじおよび頭部に関する三次元モデルを作成した。一方では、従来のヘルメットをその頭部に使用し、他方では、外部シェル、スライド層、内部シェルおよび連結手段を備えた本発明によるヘルメットをその頭部に使用した。連結手段はプラスチックのばね要素を用いてモデル化した。トルクは頭蓋とうなじの間の固定点で計算し（図５参照）、回転加速度は頭蓋の重心で計算した（図６参照）。
【００１９】
図５から分かるように、本発明によるヘルメット（濃い連続曲線Ｂ）に関して、従来のヘルメット（薄い曲線Ａ）と比較すると、頭蓋とうなじの間の固定点周りではおおよそ５０％だけトルクの減少を得た。
【００２０】
それに対応して、本発明によるヘルメット（濃い連続曲線Ｂ）に関して、従来のヘルメット（薄い曲線Ａ）と比較すると、頭蓋の重心ではおおよそ４５％だけ回転加速度の減少が得られることが図６から知ることができる。
【００２１】
本発明による防護ヘルメットが、ヘルメット装着者の損傷のレベルを軽減する大きな可能性を有することがこの研究で分かった。
【００２２】
幾つかの可能な実施形態およびエネルギー吸収連結部材５の配置を図７〜９で示す。
【００２３】
図７によると、内部シェル３は、比較的軟質の材料から作製されており、外部シェル２の下方で内側に曲がった端縁２ａを貫入させることができ、そのとき後者は内部シェル３に対して変位する。内部シェル３の外面には、内部シェル３を剛性化すると共に防護ヘルメットのデザインに寄与する被覆層３ａがある。この実施形態は、必要に応じて様々な方法で修正することができる。
【００２４】
図８に示す実施形態は、図１による実施形態と本質的に対応する。しかし、異なる点は、ヘルメット自体は図３による構成であるが、内部シェル３内に、より硬質の外層３”およびより軟質の内層３’を有することである。この場合、連結部材５をより硬質でより強靭な外層３”中に繋止する。
【００２５】
図９に示す一実施形態では、連結部材５が漸進締め付け接合からなっており、外部シェルが移動すると締め付けが生じて摩擦力が増大するように、外部シェル２の下方部分と内部シェル３のより硬質の外層３”を斜切面にしてある。
【００２６】
上で用いたスライド層という用語は、２つの部分の間に位置し、滑動または別の方法によってこれらの部分間の相互変位を円滑にする層をいう。このスライド層の構造は、材料および設計に関して、広い範囲内で異なり得る。スライド層の数およびそれらの配置も同様に異なり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による防護ヘルメットの概略断面図である。
【図２】 斜め方向の衝撃を受けたときの図１の防護ヘルメットを示す図である。
【図３】 本発明による防護ヘルメットの代替実施形態を示す図である。
【図４】 図２に従って、２つの異なるタイプのヘルメットに対して斜め方向の衝撃を加えた場合の、時間と力の関係を示す図である。
【図５】 ヘルメットを装備した頭蓋に対して斜め方向の衝撃を加えた場合の、数値的検討の結果を示す図である。
【図６】 ヘルメットを装備した頭蓋に対して斜め方向の衝撃を加えた場合の、数値的検討の結果を示す図である。
【図７】 本発明による防護ヘルメットの外部シェルと内部シェルの間の連結の様々な実施形態を示す図である。
【図８】 本発明による防護ヘルメットの外部シェルと内部シェルの間の連結の様々な実施形態を示す図である。
【図９】 本発明による防護ヘルメットの外部シェルと内部シェルの間の連結の様々な実施形態を示す図である。

Claims (12)

1. 防護ヘルメットであって、
   外部シェル（２）とその内側に配置された内部シェル（３）の間に、前記防護ヘルメットの半径方向に対する斜め方向の衝撃の場合に、前記内部シェルに対して前記外部シェルがスライド変位することを可能にするスライド層（４）を有すると共に、前記外部シェルと前記内部シェルとをその縁部において相互連結する連結部材（５）を有する、防護ヘルメットにおいて、
   前記外部シェル（２）が、硬質タイプであり、かつ前記ヘルメットの半径方向で前記内部シェル（３）よりも硬質であること、
   前記連結部材（５）が変形可能なエネルギー吸収連結部材（５）からなり、それによって衝撃エネルギーが前記外部シェルと前記内部シェルの間のスライド変位時に吸収されることを特徴とする防護ヘルメット。
2. 前記外部シェル（２）と前記内部シェル（３）が、前記ヘルメットの縁部で少なくとも１つの連結部材（５）によって相互に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の防護ヘルメット。
3. 前記１つまたは複数の連結部材（５）がプラスチックの変形可能な細片からなることを特徴とする、請求項１から請求項２までに記載の防護ヘルメット。
4. 前記１つまたは複数の連結部材（５）が、前記外部シェル（２）の外側に対接して配置されることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
5. 前記内部シェル（３）の外側（３”）が、前記内部シェル（３’）のうちの残部より硬質の材料から作製されることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
6. 前記スライド層（４）の材料がオイルであることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
7. 前記スライド層（４）の材料がミクロスフェアであることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
8. 前記スライド層（４）の材料がポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
9. 前記１つまたは複数の連結部材（５）が、前記外部シェル（２）中に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
10. 前記１つまたは複数の連結部材（５）が、前記内部シェル（３）中に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
11. 前記内部シェル（３）が、より硬質な外層（３”）とより軟質な内層（３’）から構成され、前記１つまたは複数の連結部材（５）が、前記より硬質の外層（３”）中に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。
12. 前記スライド層（４）が、０．１〜５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の防護ヘルメット。

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