JP2012505108A - 足保護機能を備えた車両及び航空機用座席の衝撃吸収機構 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車事故、ヘリコプタ及び飛行機の破砕事故、及び爆発等で遭遇するような衝撃時の加速度を最小限にするための方法及び装置である。好ましい実施形態は、与えられた衝撃負荷閾値に基づいて所望の変形長さにわたって塑性変形するように設計された螺旋バネ状の部材（１００）の形態をとる。好ましくは、バネ状部材は、衝撃下で平坦になる機械リンク機構に設置され、予測可能な方法で変形される。このシステムの動作特性（即ち、応力歪み曲線、従って保護すべきシステムの変形長さ、衝撃負荷閾値、及び許容負荷範囲）は、装置の寸法及び取り付け構造を変化させることで制御できる。

Description

本発明は、自動車事故、飛行機墜落事故、爆発等で遭遇するような衝撃時における加速度を最小限にするための方法及び装置に関する。

自動車衝突、並びに採鉱及び簡易爆発物による爆発等の状況において、負傷する主因は過激に受ける衝撃であり、人間の身体は、継続する時間にわたって受ける加速度に対し耐え得る限界を有している（加速度の関数としての負傷度を重力（ｙ軸）対時間（ｘ軸）で示した特性図である図９参照、［エイバンド・Ａ 他、（１９５９年）］）。受ける最大の衝撃を低減させるためには、初速から終速へと変化する際に身体が移動する距離を大きくするか、又はその際に加速度を受ける時間を長くする必要がある。例えば、自動車が剛性の壁に正面衝突する場合、乗員の身体は、特定の距離内で自動車の初速からゼロ速度までの速度変化を受けることとなる。その際に受ける加速度は、初速と距離とによって決まる。距離を長くすることができれば、加速度が低減される。留意すべきは、最適に設計されたエネルギ吸収要素若しくは乗員の運動量を増大する装置又はその両方を用いることで、乗客は許容できる最大の又はそれ以下の衝撃を受けるであろう点にある。乗員を車両のシートに結合する理想的なエネルギ吸収装置は、最小の移動後に、許容できる最大の又はそれ以下の応力のレベルに達し、これを乗員に伝達する。与えられる応力のレベルにかかわらず、このレベル又はそれ以下の応力を伝達する。従来から知られている解決策は、弾性変形性、塑性変形性若しくは破壊性を有する異なったタイプの金属部品、金属及び／又は複合材料による折畳み可能なバーマウント又はコラム、破砕可能なハニカム構造等々を用いた衝撃吸収シートである。いくつかの実現可能な解決策として、当初のシートと組み込み式の統合吸収機構とを含む全システムが提案されている。

例えば、特許文献１には、破断ダイアフラムに並設された従来のショックアブソーバからなるエネルギ吸収装置が開示されている。

特許文献２には、掘削穴にいわゆるパーフォレーションガンと共に使用するよう設計されたシングルイベントエネルギ吸収装置が開示されている。このエネルギ吸収装置は、ある量を越える応力が印加された際に弾性的に変形して機械的エネルギを吸収するよう設計されている。バネとは異なり、こうした装置で吸収される機械的エネルギは熱として放出され、蓄積されない。このようなエネルギ吸収装置は、例えば、自動車事故での衝撃を吸収するよう設計されたシステムで有用である。

特許文献３には、長ストロークの塑性変形を起こし、これによりエネルギ吸収を行うように構成したコイル装置が開示されている。この装置は、装置寸法に比して大きな変形、例えば、装置の長さの２０倍の変形、が可能となっている。この装置は、ある大きさより大きい応力が印加された際に伸張する平面コイル素子から構成されている。

特許文献４には、部分的に液体を満たした球形の貯液槽を複数連続して相互接続した衝撃吸収パッドが開示されている。この装置は、１つの球形槽から隣り合う球形槽に流体を強制的に通すことであるレベルの衝撃を吸収し、このレベルより大きい衝撃については球形槽を破裂させることによって衝撃を吸収するよう設計されている。

特許文献５には、応力対ひずみ曲線が例えば骨折させない平坦な応力レベルを示すように塑性変形で衝撃を吸収する、前後に交互に形成された突起が開示されている。

特許文献６には、弾性変形及び塑性変形をいくらか組み合わせて衝撃を吸収する、「ガンマ」構造及び「デルタ」構造とを交互に配置した装置が開示されている。

米国特許第４２０４６５９号明細書 米国特許第５１３１４７０号明細書 米国特許第４７９１２４３号明細書 米国特許第５５６４５３５号明細書 米国特許第６５４７２８０号明細書 米国特許第６６８２１２８号明細書

特許文献１によって提供される応力歪み特性は、特性曲線における最初に高いピーク部を、これに続いて低い谷部を、さらに続いて一定の中間エネルギレベルの水平域を含むものである（特許文献１の第１欄第５３行）。実際、この特性は、理想的なエネルギ吸収装置が速やかに最大許容応力に達し有効移動全体においてこのレベルを維持するごときの、次善最適特性である。さらに、この設計構造は、従来のショックアブソーバ及び付属部品に依存しており、その用途に対して必要以上に複雑な設計構造である。

特許文献２に記載されているエネルギ吸収装置は、いずれも圧縮エネルギを吸収するように構成された、螺旋状に巻かれたシリンダ又はハニカム状マトリックスの形態となっている。本発明の目的は、張力エネルギを吸収することにより、圧縮エネルギのみを吸収する装置とは異なる構成を提供することにある。

また、特許文献２に記載の吸収装置は、パラメータの異なる素子を作製することによってのみ変えることのできる固定された応力歪み特性を提供する。本発明の目的は、装置本体に単一の切り込みを導入することで定まるパラメータを備えたユニットを提供することにある。これによって、単一形態のユニットを大量生産でき、しかも、必要に応じて特定の用途向けの特注生産が可能となる。

特許文献３に記載されている装置は、コイルの平面厚、コイルの１巻回の厚さ、及びコイルの外径等のパラメータが異なる素子を作製することによってのみ変えることのできる固定された応力歪み特性を提供するものである。この装置について記載されている用途、即ち、１つの送電塔の倒壊が隣の送電塔を引き倒すことを防止するように複数の送電塔を接続する用途には、正確な応力歪み特性はさほど重要ではなく、高い変形性能が主に要求される。衝突や爆発時に人間の身体を保護するための装置では、人体がある最大応力までしか無傷で耐えられないため、正確な応力歪み曲線を把握することが最も重要であることは明らかである。同一の反力が供給されている間の移動距離を大きくするためには、コイルの巻回長さを長くする必要がある。これは、装置の外径を増大させ、この外径の増大は装置の容積を増大させる。容積、高さ及び／又は重量が制限されている用途には、特許文献３に記載されている装置は、容積及び重量を増大させずに移動距離を大きくできる装置に比して不利である。送電塔の歪緩和を目的とする上述の用途では、装置の容積及び重量はさほど重要ではないが、航空機や自動車では、この種の装置の許容重量及び容積は制限される。

特許文献４に開示されている装置の応力歪み曲線の同調性には限度があり、その衝撃吸収パッドが提供できる最大応力が球形槽内の液体の粘度に依存すると考えた場合、これは、通常、固形材料によって得られるものより、はるかにに低い範囲内の値となる。例えば、特許文献４の図４に示されている力−速度曲線から、最大許容力の直下の平坦な値に急速に接近する理想特性は達成できていないことは明らかである。この襲撃吸収パッドは、圧縮エネルギを吸収するものであり、張力吸収部材が必要な用途には利用することができない。さらに、特許文献４に開示されている装置は、その平面的特質により最大許容移動距離が制限され、受ける加速度を低減できる度合いが制限される。

特許文献５に記載されている装置における応力歪み曲線の同調性には限界があり、応力歪み特性を変えられるように、異なるシート材料又は突起密度で作製する必要がある。また、この特許文献５に記載されている装置は、圧縮エネルギを吸収するようになっており、張力部材が必要な用途には利用できない。さらに、特許文献５に開示されている装置は、その平面的特質により最大許容移動距離が制限され、受ける加速度を低減できる度合いが制限される。

特許文献６に記載されている装置における応力歪み曲線の同調性には限界があり、応力歪み特性を変えられるように、異なるシート材料、凹部の深さ、溝の深さ、凹部間の間隔、壁面の勾配、モジュール間の間隔、及び／又は凹部形状で作製する必要がある。また、この特許文献６に記載されている装置は、圧縮エネルギを吸収するようになっており、張力部材が必要な用途には利用できない。

従って本発明の目的は、初期サイズに対して大きな変形比を提供可能であり、大量生産可能な装置に単一の切り込みを導入することで最適な安全性能を得るに必要な応力歪み特性に調整することが可能な、張力エネルギを吸収する単一形態のエネルギ吸収装置への長年にわたる切実な要求を達成することにある。

本発明によれば、
（ａ）その軸に沿った所定の閾値応力より大きい応力に反応して塑性変形を起こす螺旋状リボンを形成してなり、この軸に沿った螺旋状切り込みを有するシリンダと、
（ｂ）螺旋状リボンの両端部に設けられた取り付け手段と、
を備えており、
螺旋状リボンの力−変位曲線が、最終変位まで変位するために印加される力の平坦域に特徴付けられており、さらに、弾性領域長さに対する塑性領域長さの比率が大きいエネルギ吸収機構が提供される。

本発明の一態様によれば、力−変位曲線の弾性領域長さに対する塑性領域長さの比率が約４〜７０の範囲にある上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、シリンダの材料が、金属、カーボンファイバ、複合材料、プラスチック、及びエラストマからなる群から選択された材料である上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、断面が、矩形、正方形、楕円形、三角形、及び円形からなる群から選択された形状である上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、取り付け手段が、螺旋状シリンダの端部に形成した孔、ネジ、及び圧力クランプからなる群から選択された手段、又はこの技術分野で公知のあらゆる接続手段である上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明によれば、さらに、着座乗員を縦方向の衝撃から保護するための装置であって、
（ａ）縦方向の衝撃を機械リンク機構の縦方向の収縮及び水平方向の伸張に変換するように構成された機械リンク機構と、
（ｂ）水平方向の伸張を受ける機械リンク機構の複数の箇所を接続する１つ又はそれ以上の螺旋状リボンと、
（ｃ）機械リンク機構の頂部を車両の座席に取り付ける取り付け手段と、
（ｄ）機械リンク機構の底部を車両の車体に取り付ける取り付け手段と、
を備えており、
衝撃が機械リンク機構の縦方向の収縮及び水平方向の伸張となり、１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の塑性変形を起こさせる応力が螺旋状リボンに印加されるエネルギ吸収機構が提供される。

本発明の一態様によれば、機械リンク機構が、４−バーリンク、６−バーリンク、８−バーリンク、及び１０−バーリンクからなる群から選択される機構である上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、機械リンク部材と連結しており、システムがこの衝撃に反応した際に乗員の足部を床から持ち上げるように構成された足部保護機構をさらに備えており、これによって大腿骨盤軸回りに足部を押し上げ、縦方向の加速度の発生時に床との接触を回避させる上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、取り付け手段が、車両の側壁、車両の天井、及び車両の床から選ばれる１箇所において、機械リンク機構を車両の車体に取り付けるように構成されている上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、発泡体、スポンジ、ゴム、エラストマ、金属発泡体、ポリウレタン、シリコン、及びポリマからなる群から選ばれた材料で製作された衝撃吸収座席クッションをさらに備えている上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、保護ヘッドレスト、複合座席シェル、折畳み可能ヘッドレスト、折畳み可能座席、及びゴムダンパからなる群から選ばれた要素をさらに備えている上述のエネルギ吸収機構が提供される。

本発明によれば、さらにまた、衝撃に起因する本体の加速度を最小限にするための方法であって、
（ａ）シリンダを供給するステップと、
（ｂ）シリンダに螺旋通路に沿って切り込みを入れ、このシリンダを、螺旋状リボンの軸に沿った所定の閾値応力より大きい応力に反応して塑性変形を起こすと共に螺旋状リボンの力−変位曲線が最終変位まで変位するために印加される力の急激な傾斜部に続く長い平坦領域に特徴付けられている螺旋状リボンに形成するステップと、
（ｃ）螺旋状リボンの両端部に取り付け手段を設けるステップと、
（ｄ）螺旋状リボンの長さ及び螺旋度を変化させることにより塑性変形の最終変位を制御するステップと、
（ｅ）螺旋状リボンの断面及び材料を変化させることにより所定の閾値応力を制御するステップと、
（ｆ）上述の衝撃を受ける本体と取り付け手段によってこの衝撃から保護すべき身体との間に螺旋状リボンを介装することにより、衝撃により伝搬される応力を制限するステップと、
を備えている方法が提供される。

本発明によれば、さらに、着座乗員を衝撃から保護するための方法であって、
（ａ）縦方向の衝撃を機械リンクの縦方向の収縮及び水平方向の伸張に変換するように構成された機械リンクを供給し、
（ｂ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを供給するステップと、
（ｃ）相対的な水平方向の伸張を受ける機械リンクの複数の箇所を１つ又はそれ以上の螺旋状リボンに接続するステップと、
（ｄ）機械リンクの上部を車両の座席に取り付ける上部取り付け手段を供給するステップと、
（ｅ）機械リンクを上部取り付け手段を用いて車両の座席に取り付けるステップと、
（ｆ）機械リンクを車両の車体に取り付ける下部取り付け手段を供給するステップと、
（ｇ）機械リンクを下部取り付け手段を用いて車両の車体に取り付けるステップと、
（ｈ）機械リンクの縦方向の収縮及び水平方向の伸張により衝撃を吸収するステップと、
を備えており、
上部取り付け手段に伝搬される衝撃の力が１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの力−変位曲線によって決定され、１つ又はそれ以上の螺旋状リボンは、１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の塑性変形を受ける方法が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、取り付け手段を、螺旋状シリンダの端部に形成した孔、ネジ、及び圧力クランプからなる群から選択する上述の方法が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、螺旋状切り込みの両端部に形成した孔及び／又は螺旋状切り込みの両端部に設けた高剛性の補助旋回部材により、螺旋状切り込みの両端部の歪を緩和する上述の方法が提供される。

本発明のさらなる態様によれば、機械リンク部材と連結されており、機械リンク部材が縦方向の圧縮を受けたときに乗員の足部を床から持ち上げ、これによって大腿骨盤軸回りに足部を押し上げるように構成した足部保護機構をさらに組み込む上述の方法が提供される。

本発明によれば、さらに、着座乗員を水平方向の衝撃から保護するための方法であって、
（ａ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを供給するステップと、
（ｂ）水平方向の衝撃を１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの伸張に変換するように構成した機構を供給するステップと、
（ｃ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを車両の座席に取り付ける前部取り付け手段を供給するステップと、
（ｄ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを前部取り付け手段を用いて車両の座席に取り付けるステップと、
（ｅ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの後部を車両の車体に取り付ける後部取り付け手段を供給するステップと、
（ｆ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを後部取り付け手段を用いて車両の車体に取り付けるステップと、
（ｇ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの水平方向の伸張により衝撃を吸収するステップと、
を備えており、
車両の座席に伝搬される衝撃の力が１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの力−変位曲線によって決定され、１つ又はそれ以上の螺旋状リボンは、１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の塑性変形を受ける方法が提供される。

本発明は、種々の修正及び変更形態が可能であり、添付の図面によりその一例として以下に詳細に説明する特定の実施形態が示されている。しかしながら、本発明は、ここで開示する特定の形態のみに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の技術思想と権利範囲を逸脱しない範囲内であらゆる修正形態、均等物、変更形態を包含するものである。

本発明のエネルギ吸収部品の２つの実施形態のうち、変化する断面を有する螺旋状のサンプルの実施形態を示す斜視図である。 本発明のエネルギ吸収部品の２つの実施形態のうち、変化する断面を有する螺旋状のサンプルの実施形態を示す断面図である。 本発明のエネルギ吸収部品の２つの実施形態のうち、均一な断面を有する螺旋状のサンプルの実施形態を示す側面図である。 本発明のエネルギ吸収部品の２つの実施形態のうち、均一な断面を有する螺旋状のサンプルの実施形態を示す断面図である。 本発明のエネルギ吸収部品の２つの実施形態のうち、均一な断面を有する螺旋状のサンプルの実施形態を示す写真図である。 本発明のエネルギ吸収部品の一実施形態において、充分な応力をかけて極限移動量に達した後の応力場を示しており、（Ａ）は写真図、（Ｂ）はシミュレーション図（応力の単位はＭＰａ）である。 本発明のエネルギ吸収部品の一実施形態における力（ｙ軸、ニュートン）対移動量（ｘ軸、ｍｍ）の例を示すグラフである。 標準的な４バー機構に装備された際に、平均体重を有する乗客の身体耐久性グラフに基づく許容パラメータの範囲内の出力加速度をもたらすための、エネルギ吸収部品の必要力対要求される移動量の例を示すグラフである。 図３及び図４Ａの曲線を比較のために重畳させたグラフである。 所望の加速度と実加速度とを比較のために重畳させたグラフである。 座席支持部に装着され、見やすくするために天板を外して表した本発明のエネルギ吸収部品の構成例を概略的に示す平面図である。 所定の設計値を超える急激な加速度を受ける前の座席支持部に装着された本発明のエネルギ吸収部品の構成例を概略的に示す等角図である。 所定の設計値を超える急激な加速度を受けた後の座席支持部に装着された本発明のエネルギ吸収部品の構成例を概略的に示す等角図である。 作動する際に乗員の足が持ち上がるように設計された足部保護機構を備え、本発明のエネルギ吸収機構を組み込んだ車両及び／又は航空機の座席の衝撃を与える前後を示しており、（Ａ）は衝撃を与える前の等角図、（Ｂ）は衝撃を与える前の側面図、（Ｃ）は衝撃を与えた後の側面図である。 本発明のエネルギ吸収素子を組み込んだ車両及び／又は航空機の座席を長さ方向に抑制する水平の実施形態を概略的に示しており、（Ａ）は背面図、（Ｂ）は衝撃を与える前の側面図、（Ｃ）は衝撃を与えた後の側面図である。 補助バンパーを取り付けた、本発明のエネルギ吸収素子を組み込んだ車両及び／又は航空機の座席のさらなる実施形態を概略的に示す説明図である。 対象者が重傷、軽傷又は無傷を被る際の加速度及び持続時間の範囲を示す人体の負傷グラフである［エイバンドＡ他（１９５９年）］。 車両側に取り付けるように構成された、本発明のエネルギ吸収素子を組み込んだ車両の座席のさらなる実施形態を概略的に示す説明図である。 脛骨への軸方向の力の関数として足／足首の骨折の危険性を示すグラフである。 ＤＲＩ指数を規定するために用いる力学モデルを示す説明図である。 本発明の一実施形態を示しており、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は等角図である。 本発明の床取り付け構造の詳細を示す図である。 本発明の壁取り付け構造の詳細を示す図である。 衝撃及び激突事象に対応する本発明のエネルギ吸収素子の入出力加速度を示すグラフである。 複数衝撃事象に対応する本発明のエネルギ吸収素子の入出力加速度を示すグラフである。 異なる重量に対する異なる所望の負荷−変位曲線を示すグラフである。 従来の可変負荷エネルギ吸収素子の実負荷−変位曲線を示すグラフである。 本発明の実際の質的な力−変位曲線と異なる重量に対する異なる所望の力−変位曲線とを示すグラフである。 ｙ軸の加速度（Ｇ）に対するｘ軸の振動周波数（Ｈｚ）で表した本発明の振動分析結果を示すグラフである。 本発明のエネルギ吸収システムを用いた減衰現象を時系列で示す写真図である。 装備可能な足支持部材を備えた、本発明の床取り付け型の実施形態におけるエネルギ吸収システムを示す側面図である。 折畳み式座席及び背もたれを備えた、本発明の壁取り付け型の実施形態を示す側面図である。

対象物が衝撃を受けると、その対象物は、人間にとっては傷害となるか又は致命傷となるような大きい加速度を受ける。受ける加速度は、初速及び終速間の差と加速度の発生する移動距離とに応じたものとなる。

ａ＝Δｖ^２／２ｄ （式１）
ここで、Δｖは速度変化、ｄは加速度の発生する移動距離、ａは受ける加速度である。与えられるΔｖ（車が走行速度から速度ゼロとなる衝突時のように、多くの場合に制御不可能）に関して、ｄが大きくなると、受ける加速度は減少する。従って、車の乗員が車体内で移動する度合を可能な限り大きくすれば、受ける加速度によって負傷するレベルを軽減できる。同様に、衝撃対象のエネルギを小さくできれば、衝撃速度は低下し、Δｖが低減する。地雷による負傷を最小限にするための座席においては、得られる移動距離ｄが制限される。よって、いくらかの初速及び終速が与えられた場合、距離ｄを移動する加速度は、要求される移動距離とシステムの容積とを最小限にするために、損傷を受けない許容最大レベルとすべきである。この方法でシステムを設計することで、傷害をもたらす急激な加速度が、装置が移動距離の終端に達したときに発生する可能性を低減できる。

スタンレー・デジャルディン著の「ヘリコプタの耐衝撃性座席用エネルギ吸収システムの進化」には次の記述がある。耐衝撃性座席のエネルギ吸収装置は、改良と洗練によるいくつかの世代を経て進化してきた。第一世代は、各ストロークにおいて一定負荷を提供する固定負荷エネルギ吸収装置（ＦＬＥＡ）であった。第二世代は、高効率を達成するよう開発された２つの独立したタイプからなっていた。１つは、装置の限界負荷を個別の乗員の体重に合わせて変化させ、体重に関係なく全ての乗員に等しい保護効果をもたらすように開発された「可変負荷エネルギ吸収装置（ＶＬＥＡ）」であった。他の１つは、座席のストローク効率を高め、特に少ないストロークで使用できるよう開発された「固定特性エネルギ吸収装置」（ＦＰＥＡ）であった。このタイプは、ヘリコプタのキャビンに占める必要スペースが小さくて済むため、特に民事用ヘリコプタの操縦者には魅力的であった。第三世代は、第二世代の２つのタイプにおける全ての望ましい特徴を組み合わせて試行した「改良型エネルギ吸収装置（ＡＥＡ）」であった。つまり、「可変負荷エネルギ吸収装置」の長所と「固定特性エネルギ吸収装置」の長所とを組み合わせたものであった。これは、さらに、計量機能及び調節機能を自動的に働かせることによって、装置を適切な乗員体重に設定する際の人的エラー発生の可能性を排除している。これは概念的に、乗員体重に関係なく、全ての乗員を最適に保護できる究極のエネルギ吸収システムである。

特殊な座席システムに適用するという構想でより詳細な生産可能設計の努力が果たされるまで、少なくとも当面はこうした装置を使用しないとむしろ複雑となる。費用対効果上で効果が得られることが保証できこの複雑性が低減された場合、このようなタイプの耐衝撃性座席によって実現できる最高の保護効果が提供できるであろう。

本発明の目的は、前述した概念の、簡素化した設計のＡＥＡを提供することにある。この種の装置の究極の目的は、着座乗員を負傷させる危険の度合いを可能な限り低減させることにある。

図９において、損傷レベルを加速度（ｙ軸（Ｇ））と期間（ｘ軸（秒））との関数として表している。同図より、負傷がある期間に受ける、ある最小加速度の結果であることが分かる。加速度が充分に小さく及び／又は期間が充分に短く、図９における「負傷域」のない状態では、負傷を回避することができる。これは代表的なグラフであり他の研究によれば種々の領域においても明らかとなるであろうことが、この技術分野に精通している者にとっては、理解できるであろう。表１（ＡＩＳ、１９９０年）に示すように、負傷の程度を定量的に評価するために、「簡易負傷指数（ＡＩＳ）」が作成されている。

この指数の使用例として、ＮＡＴＯ研究技術機関（ＲＴＯ）のＨＦＭ−０９０タスクグループ２５の最終報告書には、ＡＩＳ指数２＋（ＡＩＳ指数２又はそれ以上）において危険度１０％の負傷が装甲車（ＡＶ）の機雷爆発テストでの合否基準として許容されると決められてきたと記載されている。図１１は、２５歳、４５歳及び６５歳の対象者の足／足首負傷危険曲線を示している（ヨガナンダン・Ｎ 他、「人間の足／足首複合系の動的軸方向許容度」、文献番号９６２４２６、自動車技術協会、米国ペンシルベニア州ウォーレンデール、１９９６年）。図１１の曲線によれば、２５歳、４５歳及び６５歳の対象者の（上述のごとく規定した意味での）最大許容力は、それぞれ、危険度１０％の足／足首骨折（ＡＩＳ２＋）を表す７．０、５．４及び３．８ｋＮである。軍用車両内の大部分の人間（推定年齢２０〜４５歳）を保護するために、５．４ｋＮの最終合否値（対象４５歳）がＴＧ−２５によって選択されている。

負傷軽減を研究するために有用な他の定量測定法として、動的応答指標（ＤＲＩ）と呼ばれるものがある。この指標は図１２に示した物理的システムに基づくものである。このシステムは、バネ定数ｋのバネと定数ｃの流体緩衝器とによって基体に接続された質量ｍを備えている。

ＤＲＩは、さらに、負傷の許容レベルを定量化するために用いられる。例えば、上述したＮＡＴＯタスクグループは、１７．７の最大ＤＲＩ（ＡＩＳ指数２又はそれ以上の１０％の危険度に対応）について述べている。

以下に説明する発明の１つの目的は、新規なエネルギ吸収シートに基づいた負傷軽減システム及び方法を提供することにある。

本発明の好適な実施形態は、図１Ａ〜図１Ｅに示すように、バネと同様の形状をしたコイル部材からなる。保持孔１０１は部材１００を装着するために使用される。図１Ａ及び図１Ｂの実施形態では、変化する断面１０３が採用されている。

部材１００は、引っ張り応力用に使用するために設計されており、充分に大きい力がかかると塑性変形するように構成されている。（ここでの「塑性」領域とは、物体が元の形態に通常は戻るバネのような「弾性」領域とは対照的に、その後の収縮を生じることなく変形を起こす応力の領域を称している。）この応力レベルが一致又は超過した場合は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、この部材に変形が起こる。この変形は、螺旋状切り込み１０５に沿った装置の「巻きほどき（unwinding）」でなされる。装置によってもたらされた捩れを解放すると共に螺旋状切り込みの端部における応力の集中を軽減するために、本実施形態では、歪緩和スロット１０２（図１Ａ及び図１Ｃ）を用いている。応力の集中を軽減する構造については、この技術分野において自明の技術である。さらに、エネルギ吸収部材の回転を止めるか又は所定程度まで回転させて、装置の力−移動量曲線を制御できるようにすることも本発明の範囲である。エネルギ吸収素子に印加した力が所定の閾値より大きくなった場合のみ、塑性変形の領域に到達することに注意すべきである。印加した力がこの閾値を越えると、装置は、閾値力のみをシステムの他の保護する部分に伝達する。この閾値力は、装置の断面積を変化させるか、又は、壁の厚さが決まっている場合は螺旋状切り込み１０５のピッチを変化させることによって一定にすることができる。装置を大量生産した後であっても螺旋状切り込み１０５を設けることができるので、エネルギ吸収素子を大量生産した後に、必要に応じて変化するべき最終的な移動距離及び閾値反応力等の装置のパラメータを設定することができる。従来技術を越えた本発明の他の効果は、このシステムの残りの部分を再使用可能なことにある。エネルギ吸収装置だけが塑性変形を受ける部分であり、この装置は交換することができる。

図３を参照すれば、本発明のエネルギ吸収素子の力−移動量曲線の別の形態も理解できるはずである。弾性領域３０１において、装置は、印加される力と移動量とが線形特性を示すバネのような形態で機能し、印加される力が除去されると素子が元の形態に復帰する。（素子が少し移動した後に）急速に達する塑性領域３０２において、素子に印加可能な力は、概ね一定に維持され、エネルギ吸収部材の変形が継続すると僅かにのみ上昇する。最終領域３０３において、力は、継続する変位と共に益々急速に増大する。短い弾性領域及び許容移動量の最大長を持続させる塑性領域の特性はこのシステムにとって望ましい。これは、ほとんど移動量のないこの方法は、印加される力に対して反応することなく「浪費」されるためである。しかも、ほぼ全移動量が、図４（Ｂ）のグラフに示すように、設計理論上で計算される、ほぼ正確な要求される反応力を提供する。このグラフは、明らかに特定の実施形態に適応しており、他のグラフは異なる状況（壁や床等の異なる装着位置、異なる所望の加速度範囲、及びその他）に適応している。グラフの水平域領域には、理論的に可能なかぎり多くの衝撃エネルギを吸収しながら負傷を招くことなく衝撃力を伝達する望ましい効果があり、装置が移動量の終端に達すると、負傷をもたらす急激な加速度の可能性が低減する。衝撃エネルギが充分に吸収されなければ、この急激な加速度が生じ、それが原因で、最大許容加速度がこの量を超過することなく伝達される。当業者であれば明らかであるが、図３に示した関係は、単純な金属ロッド、バネ又はその他で得られる力−変位曲線から非自明でありかつ定量的に異なっている。また当然ながら、最大移動量を含む曲線の正確な形状と塑性領域における印加力の値との双方は、エネルギ吸収装置の長さ、螺旋状切り込みのピッチ、断面サイズ及び形状、材料、取り付け方法、並びにエネルギ吸収素子を設置する機械システムの設計を変えることで容易に調整できる。

エネルギ吸収部品は、特定材料に限定するものではないが、低炭素鋼、ステンレス鋼、複合材料等々の塑性変形可能な材料より形成される。エネルギ吸収部品の好適な実施形態は、所望の衝撃負荷閾値に基づいて、所望の変形長さにわたって塑性変形できるように設計された螺旋バネ状の形態をとる。装置の動作特性（即ち、応力歪み曲線、従って、保護すべきシステムの変形長さ衝撃負荷閾値及び許容負荷範囲）は、下記のパラメータによって制御可能である。

１．素子の断面形状及び厚み
２．巻回ピッチ（長さ当りの巻回数）
３．長さ
４．材質

本発明の１つ又はそれ以上のエネルギ吸収部品を備えた装置は、使用するエネルギ吸収部品の数と、１つ又はそれ以上のエネルギ吸収部品が組み込まれたシステムの機械設計とを変更することによって調整も可能である。

本発明の効果は、既製の元の車両座席への追加部品として装着可能なことにある。また、いくつかの異なるタイプの座席及び車両に適応するよう製作でき、さらに、上述したように、異なる衝撃負荷作用を簡単に用意することができる。装置パラメータは、基台の構造及び重量、床からの有効空隙、並びに予想される最大の必要量サイズ等々を含むいくつかの因子の影響を受ける。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ及び図６に示すような４バー機構に設けた際に、座席及び乗員に関して所望の力−変位曲線を生成するために必要なエネルギ吸収素子の力−変位曲線が、図４Ａに示されている。図４Ａに示した所望の反応曲線と実際の（測定した）反応曲線との比較が図４Ｂに示されている。実際の反応曲線は、理論的に望ましい曲線にかなり近いことが分かる。これは、シミュレーションによって究明できたように、装置の正しい動作を証明している。

正しい動作の「本物の」証明を得るために、装置を実際の衝撃に晒してテストする必要がある。対象となる装置を試験システムに設置し、所定の負荷で装置に衝撃を与える。試験システムは、入出力加速度を測定し記録する。実際の衝撃下における装置の正しい動作が、図４Ｃに示す試験測定曲線に明確に現れている。ここで、測定された入力加速度４０１（例えば、車体が受ける加速度）と測定された出力加速度４０２（座席及び乗員が受ける加速度）とを時間当たりで示し、参考のために、時間当たりの設計出力加速度４０３も示している。ｙ軸は加速度（Ｇ)であり、ｘ軸は時間（秒）である。同図から分かるように、車両が受ける非常に大きい加速度（正弦波の半周期、０．００５秒の期間で約２０５Ｇ）が一桁を超えて低減して４ミリ秒間に約２２Ｇという負傷を受けないレベルの加速度となり、これに続いて０．０３秒間に安定した１７Ｇの加速度（同様に、加速度及び期間の組み合わせ条件も負傷を受けないレベル）まで降下した。また、このシステムは、商用利用されている有限要素法コードを用いた入念なシミュレーションによって確立されている設計値にかなり近い特性を発揮することが明らかになった。図示したシステムの特定の実施形態においては、乗員体重が１１６ポンド〜２４０ポンドの範囲まで有効であり、この体重範囲は全人口の９０％を超えた（５パーセンタイルを超える女性から９５パーセンタイル未満の男性）人口を含んでいる。

図３、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃの力-変位曲線に現れている繊細な効果について以下説明する。例えば図３の部分３０２のように、曲線の「水平」部分においては僅かな上昇が見られる。これは、以下の方法によって異なる体重の乗員に適応するために、このシステムの反応性を調整する効果を有している。体重の重い人と軽い人とが同じ減衰装置上に座ると、異なった作用が生じる。公称体重が１０５ｋｇ（２３ポンド、乗員及び装置の合計）の対象用に設計したシステムの例について考察する。システムの減衰作用が、１００ｍｍの反応移動距離全体にわたって、１０５ｋｇの乗員に１７Ｇの加速度を与えたとする。前述の式１から算出できるように、同じ座席で最終重量（乗員及び装置）が１２８ｋｇに達する体重の重い人は、例えば、移動距離１２１ｍｍで１４Ｇの加速度を受け、体重の軽い人は移動距離８５ｍｍで２０Ｇの加速度を受けた。システムのこの性能を別の方法で説明すると、動的な力に応じて動的反応が変化し、実際には、体重の重い乗員及び軽い乗員の両方がこのシステムによって良好に保護される。一般に、このシステムを体重の重い乗員用に設計すると、軽い乗員はかなり大きく加速され、このシステムを体重の軽い乗員用に設計すると、重い乗員は充分に加速されず最終速度に達する前に移動量範囲を飛び出してしまい、結果として、移動量範囲の終端で急激な衝撃（衝突）を受けるため、この種のシステムの性能は決して明白なものものではないか、又は自然発生的なものではない。

このように、体重のより重い乗員だけが移動距離の終端に到達するので、移動距離が長いほどシステムは多少剛性を強くなっている。これら体重のより重い乗員は、その速度が最終速度に達するためには、運動量の大きな変化を受けねばならない。このため、移動距離の終端において体重のより重い乗客に大きい力を与えることは、重い乗客と軽い乗客との根本的な移動距離の差を少なくする効果をもたらし、本質的に、同一のシステムで重い乗客及び軽い乗客の両方により良好に適合する。負荷形態の変化は、実際、技術文献で公知であり、可変負荷エネルギ吸収装置（ＶＬＥＡ）と参照される。このようなシステムは、通常、特定の乗員の体重に合わせて事前に又は自動的に調整されるようになっており、本発明による装置に比べて著しく複雑な構成となる。一方、固定負荷エネルギ吸収装置（ＦＬＥＡ）は、このような制御を行わないため、上述したごとき問題が生じない。即ち、軽い乗員の体重範囲に適しており、その範囲外の体重の乗員には不適となる。実際に、本発明では、移動距離に応じて負荷が大きくなる図３のような負荷特性とすることにより、機械的な複雑さを最小限にした改良型エネルギ吸収装置（ＡＥＡ）を提供している。

このシステムの他の有用な態様においては、エネルギ吸収素子の塑性変形により反発を最小限にできる（例えば、バネを用いた場合のように収縮・伸張後には初期状態に戻るものとは異なる）。反発エネルギは、このエネルギ吸収素子の、通常はＳ字状であるさらなる歪曲により吸収される。あらゆる反発力による付加的な加速度が乗員の危険性を高めるため、これは極めて有用な特性である。因みに、本発明のエネルギ吸収装置は、装置が最大限に伸張した後でも、より少ない伸張位置に押し戻す作用に抵抗する傾向があるため、システムの余力によってあらゆる反発作用を吸収する性質を有している。実際には、Ｓ字状に屈曲することにより、圧縮作用に対してある程度抵抗すると共にシステムの反発力を吸収する。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃを参照する。これらの図には、座席基部の構成要素としてエネルギ吸収素子の実施形態が示されている。図５Ａは天板を外した平面図である。図５Ｂ及び図５Ｃはシステム全体の斜視図である。座席基部５００は、座席板５０１上の座席（図示なし）を支持しており、床板５０２を用いて床に取り付けられる。装置の動きが縦方向の範囲を有することにより、乗員の受ける加速度を車両の受ける加速度より小さくすることができる。座席のこの縦方向の変位は、望ましくは４バー機構５０３を用いた本発明のエネルギ吸収素子５０４の線形運動に変換される。エネルギ吸収部品は、機構の先軸５０５に一体化されるか、又はシステムに負荷がかけられた際に互いに離間する機構の任意の２点間に並設される。上述したように、エネルギ吸収部品は、危険衝撃閾値に基づいて強制的に塑性軸変形させられる。

側方からの負荷に対処した好ましい実施形態においては、少なくとも２つの折畳み式機構に非平行に一体化されたエネルギ吸収部品が装着されている（図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃ）。他の実施形態においては、この技術分野で周知の多方向負荷に耐えるよう設計した機構構造と一体化されたただ１つのエネルギ吸収部品が適用される。

座席機構を車両の床に底板５０２若しくは補助金具（図示なし）を介して直接固定されるか、又は例えば側壁等の基台上の好ましい位置に接続される。この実施形態は、軍隊や航空機において受ける衝撃（航空機の着陸事故や機雷による縦方向の衝撃）では車両の床が最大の負荷を受けるので、軍隊及び航空機へ適用される衝突保護機構としては一般的なものである。車両の側面は、衝撃を弱め車両の残りの部分に伝わる勢いを低減するよう動作する車両の床のエネルギ吸収効果によって、より小さな負荷を受ける。従って、エネルギ伝搬の観点から見ると、座席を衝撃点から可能な限り離れた、車両の側壁又は天井に取り付けることが有利である。これに対して、実際の設置の観点から見ると、座席は車両の床に取り付けることが有利である。当業者にとって、本発明がこのような設置の選択肢を全て包含していることは自明である。特に、本発明による多大なエネルギ吸収効果によれば、許容できる程度の加速度を座席に着いている乗員に伝達しつつ、座席を床に設置することが可能である。床に設置可能な本発明の装置の利点は、人間工学基準に基づき通常の座席を床で使用するのと同じ容積の使用で良い点にある。

座席機構の一実施形態においては、足部保護装置６００（図６（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）参照）を備えている。この足部保護装置は足部を置くように構成されており、図６（Ｃ）に示すように座席保護装置６０１が付勢された場合（閾値以上の加速度を受けた場合）、足部を床から浮き上がらせる。好ましくは、乗員の身体に伝達される衝撃波を最小限にするために、足支持軸が座席機構の上部に連結される。従来技術（例えば、米国特許第６２６７４４０号明細書）に記載されているいくつかの例とは異なり、本発明の好適な実施形態における足部保護機構は、脛部を前方に伸張させるというより大腿骨盤の軸回りに足部を押し上げる自然運動をもたらす。最も一般的な車両では座席の前方の空間が制限されているので、これは望ましい構成である。足及び下肢の骨折／骨粉砕等の多くの地雷による損傷は、移動中（及び衝撃中）に、乗員の足が車両の床上に置かれていることが原因となるので、本発明のシステムは多くの重篤なこの種の損傷を劇的に減らす効果がある。

爆発は、ある範囲の振動及び衝撃波を座席及びエネルギ吸収機構にもたらす。高周波の振動や衝撃波を弱めるためには、必須ではないが、この技術分野では公知の吸収エラストマ（通常は機械エネルギを熱に変換する素子）を介して機械部分の結合部及び接続部を分離することが好ましい。本発明のエネルギ吸収部品は、また、水平衝撃（縦又は横方向の衝撃）を受けた際にこのエネルギ吸収部品を取り込みながら座席を水平方向に移動可能とする水平機構内に設置することによって、主に水平衝撃に対する保護に使用することができる。図７は、支持レール７０２を用いて水平運動を抑えるこの種の適用例を示している。エネルギ吸収部品７０１は２つの支持バー間に取り付けられ、各々は水平方向の運動のみを受け入れ、これに直交する方向の運動を抑える。長手方向の衝撃が一方の支持バーを付勢しエネルギ吸収部品を他方の支持バー方向に引っ張る。これは、本発明のエネルギ吸収部品を使用した実施形態例である。同様のエネルギ吸収部品を種々に改変実施できることは当業者にとって自明である。

ここで説明した又は公知の補助機構を使用してこの種のエネルギ吸収部品を適切な方向に配設することによって、あらゆる方向の運動抑制効果を実現できる。適用負荷の安全な範囲を広げるために、弾性バンパー８０１を図８（Ａ）及び（Ｂ）に示したように設置することができる。これらバンパーは、機構の動作に必須のものではない。これらバンパーは、移動範囲の終端のみで動作し、負荷−変位特性曲線の最終段階を修正し、移動量の関数として負荷をさらに増大させる。これは、さもなければ移動量の終端において受けとるものであり、例えば２つの金属部材が最終的に接触し、劇的に増大する負荷を伝達して実質的に加速度を著しく高める「発作的な動き（jerk）」を最小限にする傾向にある。

図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、車両の側壁に座席を取り付けた本発明の一実施形態を示している。装置は、ネジ、ボルト、クランプ、又は当業者に自明の他の方法を用いて、取り付け点１００３に取り付けられている。図１０（Ａ）は衝撃を受ける前の装置を背面から見た図、図１０（Ｂ）は衝撃を受ける前の装置を側面から見た図を示している。取り付け点１００４は、本発明のエネルギ吸収素子１００１を介して装置を座席に取り付けている。図１０（Ｃ）の側面図と図１０（Ｄ）の背面図に示したように、取り付け金具１００２は、エネルギ吸収素子１００１が伸張した時に座席が縦方向に摺動できるようにしている。

この壁取り付けの実施形態においては、取り付け金具１００２によって保持されるロッドにある程度の「撓み」を持たせ、心立てするために、取り付け金具１００２内に自動調心ベアリングを組み込むことが有効である。印加される力が完全な張力でない場合にも螺旋自体が伸張できるので、壁取り付けシステムの最適な実施形態はこの分野で公知のあらゆる種類の自動調心基部に組み込まれるべきである。この種の取り付け金具を用いる他の利点は、構造が簡単であり、精巧なベアリング又は基部構造が不要であり、しかも安価なことにある。この技術は、種々の方法で実施することができる。即ち、ゴム、シリコン、皿バネ及びその他を含むあらゆる種類の可撓性部品がこのような取り付け金具に適している。

本発明による座席システムの設計上の利点として次の事項を挙げることができる、
・構造が簡単（内部構造又は可動部を有しない単一のエネルギ吸収素子を使用）、
・低価格、
・種々の座席及び車両への拡張機能、
・軽量、
・取り付け時間及び作業の最小化（他用途への転用可能）、
・双方向抑制効果（初期ピーク及び反発の両方）、
・集積化された足部保護機構、
・多方向保護機能（水平及び縦方向両方の衝撃抑制可能）。

本発明のエネルギ吸収装置の簡易性を、例えば、衝撃吸収システムによく用いられるピストン及びシリンダシステムと比較する。ピストン及びシリンダは設計上最適な性能を得るために同軸に維持されなければならないが、爆発又はその他の強烈な加速度を受けるとピストン及びシリンダは同軸性を失い、減衰効果が低減するか又は全く喪失してしまう。これに対して、本発明のエネルギ吸収素子は「位置合わせ不良」にはなり得ない。本発明のエネルギ吸収素子は、その長手軸に非平行ないかなる応力（例えばせん断応力）も素子の変形によりほとんど吸収され、いかなる場合も、装置のエネルギ吸収能力及び加速度制限性能を損なうことはない。

さらに本発明によれば、車両の乗員が着座する座席は、車両の動き（悪路走行、タイヤのバランス不良等々の原因による）から生じる振動を低減するある程度の緩衝作用を有している。例えば、図６の要素６０１のような４バー機構は、弾性保持部材（絶縁ゴム等）の使用によるある程度の「撓み」を有している。僅かな加速度については無視し改善しない他の多くの大衝撃用システムの場合とは異なり、本発明におけるこの撓みは悪路走行によって生じるような小さい加速度を吸収する性能を有している。

図１３は本発明の床取り付けタイプの実施形態を示している。図１３の（Ａ）は装置の正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は等角図である。この座席は、小さい振幅の加速度及び振動をさらに吸収するある程度の緩衝作用を持つ発泡体１３０１を備えている。

図１４は床取り付け機構全体を示しており、床取り付け板１４０１、座席取り付け板１４０３、及びエネルギ吸収部材１４０２が示されている。ゴムストッパ１４０４は、装置が移動範囲の終端に達する場合に働くように設けられている。ゴムストッパ１４０４は、装置が移動するにつれて徐々に反発力を増大させ、装置が移動範囲の終端に極限速度で達するかそれを超える可能性（例えば、上板及び底板間の金属接触や反発力の突然の増大）を低減している。

図１５は、壁取り付け機構をさらに詳細に示している。壁取り付け板１５０１及び１５０３は、装置を車両に壁面に取り付ける。座席取り付け板１５０５は座席を所定の位置に保持する。エネルギ吸収部材１５０２はこれら２つの取り付け点を連結している。壁取り付け板１５０１及び１５０３はエネルギ吸収部材１５０２が伸張する際にシリンダ１５０４上を摺動可能である。図１５（Ｃ)に示すように、せん断ピン１５０６が負荷−移動特性に初期スパイクを供給するために利用できる。加速度に短いが高振幅のスパイクをもたらすことにより、他の方法では行えなかった、著しく大きな入力運動量を吸収することができ、しかも持続時間が充分に短かければ（例えば図９を参照して判断できる）、着座乗員に対する負傷リスクを容認できるほど小さくすることができる。

図１６のグラフは、「２回の衝撃」の想定例におけるシステムの反応を示している。最初のピーク１６０１は爆発による加速度であり、第２のピーク１６０２は強烈な叩きつけ（slam-down）（即ち、車両が地雷の爆風に煽られた後に地面に叩きつけられた状況）を示している。同図から分かるように、最初の最大加速度は、５．５ミリ秒の間に約４００Ｇに達し、ＤＲＩレベル１６０３は１７．７の許容限界をはるかに下回っている。

図１７のグラフは「多回の衝撃」の想定例の場合である。このテストは自由落下タワーで実施された。最初のピークは２１０Ｇが５．５ミリ秒間であり、続くピーク１７０２は８０〜１００Ｇであった。これから分かるように、ＤＲＩレベル１７０１はかなり低い。

衝撃吸収システムを設計する主たる課題の１つは、種々の乗員体重への対応を可能にすることである。異なる体重の乗員には、システムから異なる反応が必要であることは当然である。体重の軽い乗員は小さいストロークで大きい加速度を受け、体重の重い乗員は長いストロークで小さい加速度を受けることも知られている。これについては、３つの互いに異なる体重の乗員について所望の負荷（ｙ軸）に対する変位（ｘ軸）を表す、図１８Ａの代表的な負荷−変位曲線に示されている。より重い乗員が衝撃減衰システムによってより軽い乗員より大きい力で駆動されることが望ましい。より重い乗員のより大きい質量によって大きい力が相殺され、重い乗員及び軽い乗員に対して同じ加速度をもたらすこととなる。このような結果を実現するために、弾性範囲に沿った変位と共に変化する、図１８Ｂに示すような負荷−変位曲線が提供される。ここでは、負荷は、最初のピーク１８０１の後に最初の平坦値１８０２となる。ある量の変位の後、負荷は、第２の高い値１８０３に増加する。高振幅の短い加速度が存続し（図９参照）、衝撃エネルギをある程度吸収するため、最初のピークが有効である。

最近の改良システムでは、図１８Ｂのような可変負荷−ストローク特性をシステムが備えるように設計することでこの要求に対応するようにしている。このようなシステムは、ストローク開始時においては小さい力、終端においては大きい力であることが特徴である。一般に「改良型ＥＡ」と称されるこのようなシステムは、構造がかなり複雑であり、製造コストが高い。このような可変力曲線を得るために、システムは、通常、異なるストローク／力特性を各々が有するいくつかのサブシステムからなる複雑な機構を備えている。このようなシステムの複雑さは明らかに大きな欠点である。

本発明の改良型システムは、既述した単体のエネルギ吸収素子に基づいている。この装置のコイル状又はバネ状の構造と用いる材料の変形特性との必然的効果として、ストロークに応じて負荷が増大する。従って、このシステムは、体重に関係なく広い範囲の乗員に許容可能な加速度を供給する。

このシステムは単一の構成要素に基づくため、高い信頼性と反復可能性を享受できる。環境条件もこのシステムの性能に影響を及ぼすことはなく、埃、泥、油等々にも左右されない。このシステムは常に設計通りに、かつ製造時の性能で稼働する。
２つ又はそれ以上の部品の相互作用を利用した他のシステムは、通常、摩擦力若しくは粘性力に影響され、さらには、環境温度、泥、砂若しくは油等の侵入、高温ガス等のように、システムに障害、熱損又は爆発若しくは他の原因による衝撃を受ける前若しくは受けている際に異変をもたらすような環境条件に必然的に影響される。

本発明の負荷−変位曲線は上述した動作性能のタイプを示している。図１９は本発明のエネルギ吸収素子の負荷−変位曲線（別名、力-移動量曲線）を示している。本発明のシステムが提案する反発力１９０１は、移動範囲の最初で約４５００Ｎ（初期弾性変形）であり、約１７５ｍｍ移動した後に約６５００Ｎに徐々に増大する。この変化は、突然ではなく、「発作的な動き（jerk）」（ｄ^３ｚ／ｄｔ^３）のない徐々の変化である。システムのパラメータ（断面積、長さ、ピッチ、材料）を変化させることにより、広範囲な負荷−変位曲線を実現できることに注目すべきである。

図２０は振動分析結果を示している。同図において、ｘ軸は振動周波数（Ｈｚ又は１／秒）、ｙ軸は振動振幅（Ｇ（対数））である。入力加速度２００２については、大部分の周波数範囲において伝搬加速度２００１の場合よりかなり大きく、約１００Ｈｚ〜約５００Ｈｚの周波数範囲から、伝搬加速度については１０〜１００倍ほど減衰している。この振動の減衰は、システムが備えられている「撓み」の度合に基づくものであり、他の衝撃保護システムでは特別に設定しない限りは通常は得られないものである。このような振動の減衰は、乗員が連続的な振動で疲労し神経を擦り減らす、陸上車又は戦闘用ヘリコプタ等の他の乗り物による悪路（イラクの田園地帯等）の長時間移動に有用である。このような解析を振動の種々の軸について実施し、同様な結果が全ての方向について得られた。

装置を座席支持機構に上述したように取り付けることで、本発明による渦巻状又は螺旋状の部材が伸張後に張力だけでなく圧縮力にも抗するため、この装置は他のシステムで自然に見られるような反発作用を防止し、これによって、機構が跳ね返るのを防いでいる。実際の装置の一例を図２１（Ａ）〜（Ｄ）に示している。衝撃時の変形を見やすくするために白いライン２１０１を本発明の螺旋部材の上に重ねて表している。同図（Ａ）は衝撃前のシステムを示している。同図（Ｂ）は初期衝撃を受け、エネルギ吸収素子が最大伸張状態になっているシステムを示している。同図（Ｃ）はエネルギ吸収素子が反発により直線状態から若干Ｓ字状に湾曲した形状に変形した反発後のシステムを示している。同図（Ｄ）はエネルギ吸収素子のその後の形状を示している。初期伸張状態から完全に伸張した状態に（（Ａ）から（Ｂ）に）素子が変形した際に、エネルギを吸収し伝搬加速度を抑え、さらに、エネルギ吸収素子が反発して（（Ｂ）から（Ｃ）〜（Ｄ）に）変形し、同様にエネルギを吸収して伝搬する反発加速度を抑える。本発明の螺旋部材は何度もこの作用を繰り返すことができる。

さらに本発明によれば、乗員が足を床から持ち上げる足載せ台が提供される。縦方向の爆発によって床が足部を突き上げることにより足及び下肢を骨折又は粉砕する非致死性の様々な負傷が起きることが知られている。単純に足先を床から離すことで、このような負傷をかなり回避することができる。本発明のシステムは、図２２に示すような収縮機構２２０１によってさらなる保護を行うことができる。同図（Ａ）に示すように、この収縮機構２２０１は常時は伸張している。衝撃時、収縮機構２２０１は、同図（Ｂ）に示すように引っ込み、起こりうる床の変形又は破裂から足を持ち上げて離間させる。このような姿勢は、足及び足部に与える縦方向衝撃への最適な対処についてのＮＡＴＯの研究（ＮＡＴＯ研究技術機関（ＲＴＯ）のＨＦＭ−９０タスクグループ２５の最終報告）により明らかにされている。

さらに、座席が折り畳み可能である構成も本発明の範囲に含まれる。図２３（Ａ）及び（Ｂ）はこのような折り畳み可能な構成を示している。ヘッドレストはその展開位置２３０１から折り畳み位置２３０３へと折り畳み可能であり、着座部はその直立位置２３０２から展開位置２３０４へと折り畳み可能である。

本発明によれば、また、危険な縦衝撃エネルギ及び横衝撃エネルギを、所定の衝撃負荷閾値内で反応するように設計された、固体部品の塑性変形に変換することが提供される。

本発明によれば、さらに、乗員が車両とは別個に加速度を受けることを可能とするために、動きの最小安全範囲が提供される。

本発明によれば、またさらに、乗員に伝わる加速度を安全限界内に制限するように垂直加速度及び水平加速度の両方を減衰させる実施形態が提供される。

本発明によれば、さらに、システムが衝撃に反応した際に乗員の足を床から浮かせ、大腿骨盤軸回りに足部を持ち上げる足部保護機構の他の実施形態が提供される。

本発明によれば、またさらに、正面衝突のような主に水平衝撃に対処できる吸収部品を設けた他の実施形態が提供される。

このシステムのテスト（米国陸軍研究所（ミシガン州連邦研究所）、イスラエル・ミリタリー・インダストリーズ等で実施）により、本発明のシステムの実施形態は、ＮＡＴＯ研究技術機関（ＲＴＯ）のＨＦＭ−０９０タスクグループ２５の性能基準、即ち、最大ＤＲＩ１７．７に適合した。

本発明の実施形態のほとんどにおいて、実際の性能は、下表に示すように、厳密に必要とされる性能より良好であった。

Claims (23)

1. （ａ）その軸に沿った所定の閾値応力より大きい応力に反応して塑性変形を起こす螺旋状リボンを形成してなり、前記軸に沿った螺旋状切り込みを有するシリンダと、
   （ｂ）前記螺旋状リボンの両端部に設けられた取り付け手段と、
   を備えており、
   前記螺旋状リボンの力−変位曲線が、エネルギ吸収機構の長さ、径、厚さ、切り込みサイズ、切り込み螺旋度、及び材料によって決まる所定の形態で特徴付けられているエネルギ吸収機構。
2. 前記力−変位曲線の弾性領域長さに対する塑性領域長さの比率が約４〜７０の範囲にある請求項１に記載のエネルギ吸収機構。
3. 前記シリンダの材料が、金属、カーボンファイバ、複合材料、プラスチック、及びエラストマからなる群から選択された材料である請求項１に記載のエネルギ吸収機構。
4. 前記断面が、矩形、正方形、楕円形、三角形、及び円形からなる群から選択された形状である請求項１に記載のエネルギ吸収機構。
5. 前記取り付け手段が、前記螺旋状シリンダの端部に形成した孔、ネジ、及び圧力クランプからなる群から選択された手段である請求項１に記載のエネルギ吸収機構。
6. 前記螺旋状切り込みの両端部に形成した孔と、前記螺旋状切り込みの両端部に設けた高剛性の補助旋回部材とからなる群から選択され、前記螺旋状切り込みの両端部に設けられた歪緩和部材をさらに備えている請求項１に記載のエネルギ吸収機構。
7. 着座乗員を縦方向の衝撃から保護するための装置であって、
   （ａ）張力を受けた際に塑性変形するように構成された１つ又はそれ以上の螺旋状リボンと、
   （ｂ）前記縦方向の衝撃からの運動量を前記螺旋状リボンの張力に変換するように構成された機械リンク機構と、
   （ｃ）前記機械リンク機構の第１の領域を車両の座席に取り付ける取り付け手段と、
   （ｄ）前記機械リンク機構の第２の領域を車両の車体に取り付ける取り付け手段と、
   を備えており、
   前記衝撃からの運動量により、前記螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の塑性変形を起こさせる張力を、前記螺旋状リボンに発生させる装置。
8. 前記機械リンク機構が、４−バーリンク、６−バーリンク、８−バーリンク、及び１０−バーリンクからなる群から選択される機構である請求項７に記載の装置。
9. 前記機械リンク部材と連結しており、システムが前記衝撃に反応した際に乗員の足部を床から持ち上げるように構成された足部保護機構をさらに備えており、これによって大腿骨盤軸回りに前記足部を押し上げ、縦方向の加速度の発生時に床との接触を回避させるようにした請求項７に記載の装置。
10. 前記取り付け手段が、前記車両の側壁、前記車両の天井、及び前記車両の床から選ばれる１箇所において、前記機械リンク機構を前記車両の車体に取り付けるように構成されている請求項７に記載の装置。
11. 発泡体、スポンジ、ゴム、エラストマ、金属発泡体、ポリウレタン、シリコン、及びポリマからなる群から選ばれた材料で製作された衝撃吸収座席クッションをさらに備えている請求項７に記載の装置。
12. 保護ヘッドレスト、複合座席シェル、折畳み可能ヘッドレスト、折畳み可能座席、及びゴムダンパからなる群から選ばれた要素をさらに備えている請求項７に記載の装置。
13. 収容する身体に印加される衝撃に起因する収容された本体の加速度を最小限にするための方法であって、
    （ａ）シリンダを供給するステップと、
    （ｂ）前記シリンダに螺旋通路に沿って切り込みを入れ、該シリンダを、螺旋状リボンの軸に沿った所定の閾値応力より大きい応力に反応して塑性変形を起こすと共に該螺旋状リボンの力−変位曲線が最終変位まで変位するために印加される力の平坦域に特徴付けられている当該螺旋状リボンに形成するステップと、
    （ｃ）前記螺旋状リボンの両端部に取り付け手段を設けるステップと、
    （ｄ）前記螺旋状リボンの長さ及び螺旋度を変化させることにより前記塑性変形の最終変位を制御するステップと、
    （ｅ）前記螺旋状リボンの断面及び材料を変化させることにより前記所定の閾値応力を制御するステップと、
    （ｆ）前記収容する身体と前記収容された本体との間に前記取り付け手段によって前記螺旋状リボンを介装することにより、前記収容された本体への衝撃により伝搬される応力を制限するステップと、
    を備えている方法。
14. 前記シリンダの材料を、金属、カーボンファイバ、複合材料、プラスチック、及びエラストマからなる群から選択する請求項１３に記載の方法。
15. 前記断面を、矩形、正方形、楕円形、三角形、及び円形からなる群から選択する請求項１３に記載の方法。
16. 前記取り付け手段を、前記螺旋状シリンダの端部に形成した孔、ネジ、及び圧力クランプからなる群から選択する請求項１３に記載の方法。
17. 前記螺旋状切り込みの両端部に形成した孔と、前記螺旋状切り込みの両端部に設けた高剛性の補助旋回部材とからなる群から選択される手段により、前記螺旋状切り込みの両端部の歪を緩和する請求項１３に記載の方法。
18. 着座乗員を衝撃から保護するための方法であって、
    （ａ）複数の螺旋状リボンを供給するステップと、
    （ｂ）前記衝撃からの運動量を前記複数の螺旋状リボンの張力に変換するように構成した複数の機械リンク機構を供給するステップと、
    （ｃ）前記機械リンク機構を車両の座席に取り付ける第１の取り付け手段を供給するステップと、
    （ｄ）前記機械リンク機構を前記第１の取り付け手段を用いて前記車両の座席に取り付けるステップと、
    （ｅ）前記機械リンク機構を車両の車体に取り付ける第２の取り付け手段を供給するステップと、
    （ｆ）前記機械リンク機構を前記第２の取り付け手段を用いて前記車両の車体に取り付けるステップと、
    （ｇ）前記複数の螺旋状リボンの張力による該複数の螺旋状リボンの機械的変形により衝撃運動量を吸収するステップと、
    を備えており、
    前記複数の螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の前記機械的変形を前記複数の螺旋状リボンが受け、前記着座乗員に伝搬される衝撃力が前記複数の螺旋状リボンの力−変位曲線によって決定される方法。
19. 前記機械リンク部材と連結されており、前記機械リンク部材が縦方向の圧縮を受けたときに乗員の足部を床から持ち上げ、これによって大腿骨盤軸回りに前記足部を押し上げるように構成した足部保護機構をさらに組み込む請求項１８に記載の方法。
20. 前記取り付け手段によって、前記機械リンク機構を前記車両の側壁、前記車両の天井、及び前記車両の床から選ばれる１箇所において、前記機械リンク機構を前記車両の車体に取り付ける請求項１８に記載の方法。
21. 発泡体、スポンジ、ゴム、エラストマ、金属発泡体、ポリウレタン、シリコン、及びポリマからなる群から選ばれた材料で製作された衝撃吸収座席クッションをさらに設ける請求項１８に記載の方法。
22. 保護ヘッドレスト、複合座席シェル、折畳み可能ヘッドレスト、折畳み可能座席、及びゴムダンパからなる群から選ばれた要素をさらに設ける請求項１８に記載の方法。
23. 着座乗員を衝撃から保護するための方法であって、
    （ａ）１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを供給するステップと、
    （ｂ）前記衝撃を前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの伸張に変換するように構成した機構を供給するステップと、
    （ｃ）前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを車両の座席に取り付ける前部取り付け手段を供給するステップと、
    （ｄ）前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを前記前部取り付け手段を用いて前記車両の座席に取り付けるステップと、
    （ｅ）前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの後部を車両の車体に取り付ける後部取り付け手段を供給するステップと、
    （ｆ）前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンを前記後部取り付け手段を用いて前記車両の車体に取り付けるステップと、
    （ｇ）前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの伸張により衝撃を吸収するステップと、
    を備えており、
    前記車両の座席に伝搬される前記衝撃の力が前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの力−変位曲線によって決定され、前記１つ又はそれ以上の螺旋状リボンは、該１つ又はそれ以上の螺旋状リボンの長さ、ピッチ、断面、及び材料によって調整可能な応力レベルで、ある程度の塑性変形を受ける方法。

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