特許 6406771 義足用板バネ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6406771

(24)【登録日】2018年9月28日

(45)【発行日】2018年10月17日

(54)【発明の名称】義足用板バネ

(51)【国際特許分類】

   A61F 2/66 20060101AFI20181004BHJP

【ＦＩ】

   A61F2/66

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-65119(P2017-65119)

(22)【出願日】2017年3月29日

【審査請求日】2018年3月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005935

【氏名又は名称】美津濃株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】390005751

【氏名又は名称】株式会社今仙技術研究所

(72)【発明者】

【氏名】宮田 美文

(72)【発明者】

【氏名】大森 一寛

(72)【発明者】

【氏名】島名 孝次

(72)【発明者】

【氏名】酒井 隆太

(72)【発明者】

【氏名】板花 俊希

(72)【発明者】

【氏名】後藤 学

(72)【発明者】

【氏名】浜田 篤至

(72)【発明者】

【氏名】大塚 滋

【審査官】 寺澤 忠司

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１５７１９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 意匠登録第１５６４９０８（ＪＰ，Ｓ）

【文献】 意匠登録第１５６４６２７（ＪＰ，Ｓ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２６８０９２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ａ６１Ｆ ２／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アダプターが取り付けられる直線部と湾曲部とを備える義足用板バネにおいて、
前記湾曲部は、後側に向けて突出する踵部を備え、
前記直線部の延伸方向を基準として定める足長方向に直行する方向において、前記踵部において最も後側に突出する最凸点の高さＨｂが１６０ｍｍ≦Ｈｂを満たし、
前記直線部の延伸方向を基準として定める足長方向における前記最凸点と前記湾曲部の前側の最先端点との間の長さＬｔがＬｔ≦２９５ｍｍの関係を満たす、
ことを特徴とする義足用板バネ。

【請求項2】

請求項１に記載の義足用板バネにおいて、
想定される膝関節回りの慣性モーメントが、０．６５×１０^８ｇ・ｍｍ^２以下である、
ことを特徴とする義足用板バネ。

【請求項3】

請求項１または２のいずれかに記載の義足用板バネにおいて、
前記高さＨｂ、前記長さＬｔ、及び当該義足用板バネの板厚ｔが、
０．０５０≦（Ｈｂ／Ｌｔ）／ｔの関係を満たす、
ことを特徴とする義足用板バネ。

【請求項4】

請求項１に記載の義足用板バネにおいて、
前記湾曲部は、前記踵部より延伸する上向きに湾曲するアーチ部を備える、
ことを特徴とする義足用板バネ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、競技用の義足に装着する義足用板バネに関する。

【背景技術】

【0002】

スポーツ競技で用いられる義足の分野においては、繊維強化樹脂で成型された板バネ部材を足部として用いる競技用の義足用板バネが知られている。例えば、非特許文献１には、Ｃ字型の湾曲部を有する義足用板バネが開示されている。このような義足用板バネの使用者は、板バネの湾曲領域を撓ませて反発力を生じさせ、この反発力を利用して進行方向への推進力を得ている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】パシフィックサプライ株式会社 オズール義肢部品 総合カタログ（日本語版）２０１５‐２０１６、１６９頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の義足用板バネは、主に撓み特性に着目して湾曲部の形状設計がなされている。しかしながら、撓み特性に加えて走行時の義足用板バネの振りやすさをも考慮して形状設計がなされた義足用板バネは知られていない。

【0005】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、撓み特性を高めると共に、膝下の回転性を高めて振りやすさを向上させることのできる義足用板バネを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明による義足用板バネは、アダプターが取り付けられる直線部と湾曲部とを備える義足用板バネにおいて、前記湾曲部は、後側に向けて突出する踵部を備え、前記直線部の延伸方向を基準として定める足長方向に直行する方向において、前記踵部において最も後側に突出する最凸点の高さＨｂが１６０ｍｍ≦Ｈｂを満たし、前記直線部の延伸方向を基準として定める足長方向における前記最凸点と前記湾曲部の前側の最先端点との間の長さＬｔがＬｔ≦２９５ｍｍの関係を満たすことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、義足用板バネを義足に装着した際に、良好な撓み性能が得られるとともに、膝関節回りの慣性モーメントを低くすることができる。これにより、膝下の回転性を高めることができ、走行時の板バネの振り易さを向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施の形態１に係る義足用板バネの側面図である。

【図2】本実施の形態１に係る義足用板バネのＥＩ分布を説明するための図である。

【図3】本実施の形態１に係る義足用板バネの変形例を示す図である。

【図4】本発明の踵部の配置位置を説明するための図である。

【図5】本発明にて想定される膝関節の位置を説明するための図である。

【図6】本発明にて想定される膝継ぎ手の回転軸の位置を説明するための図である。

【図7】本発明の実施例１に係る義足用板バネの側面図である。

【図8】本発明の実施例２に係る義足用板バネの側面図である。

【図9】比較例１に係る義足用板バネの側面図である。

【図10】比較例２に係る義足用板バネの側面図である。

【図11】比較例３に係る義足用板バネの側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（実施の形態１）
以下、本実施の形態１に係る義足用板バネについて図を用いて説明する。

【0010】

図１は、本実施の形態１による義足用板バネ１０の左側面図である。なお、以下の説明においては、義足用板バネ１０の直線部１１を接地面Ｇに垂直に配置した状態を「基準状態」と呼び、接地面Ｇに水平な方向を「水平方向」、接地面Ｇに垂直な方向を「垂直方向」とそれぞれ定義する。また、基準状態において、爪先側が位置する方向を「前側」と呼び、踵側が位置する方向を「後側」と呼ぶ。

【0011】

図１において、義足用板バネ１０は、板状に成型される直線部１１と、板バネとして機能する湾曲部１２とよりなる。直線部１１と湾曲部１２は、炭素繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂などの繊維強化樹脂により一体的に成型される。
直線部１１には、ソケット（図示せず）と義足用板バネ１０とを接続するアダプター（図示せず）が固定される。直線部１１の垂直方向の長さは、個人の体型に応じてアダプターの固定位置を調整し得る長さであればよく、例えば２００ｍｍ程度とすることができる。直線部１１の幅は、８０ｍｍ程度とすることで、アダプターを安定的に固定させることができる。直線部１１の厚みは使用者の体重や材料に応じて設計を変更すればよく、例えば直線部１１を炭素繊維強化樹脂により成型する場合は、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度とすることで必要な強度を確保することができる。

【0012】

湾曲部１２は、接地面Ｇとの接地領域をなす接地部１２ａと、荷重状態の湾曲部１２と接地面Ｇとの間にクリアランスを与えるアーチ部１２ｂと、撓み領域として反発力を生じさせる踵部１２ｃとより構成される。接地部１２ａ、アーチ部１２ｂ、及び踵部１２ｃは一体的に成型されており、本実施の形態１では、それぞれの境界を、義足用板バネ１０の後側面上における変曲点や曲率の変化点により定義する。湾曲部１２の厚みは、直線部１１の厚みと同じでもよく、あるいは直線部１１の厚みから漸減させてもよい。
以下、接地部１２ａ、アーチ部１２ｂ、及び踵部１２ｃの詳細な構成を説明する。

【0013】

接地部１２ａは、接地面Ｇとの接地領域であり、その形状は、接地面Ｇに向けて凸状に湾曲する円弧形状とするのが好適である。接地部１２ａは、基準状態において最先端に位置する先端点Ｐｆから、下向き凸の湾曲方向が変化する変曲点Ｐ１までの範囲として定義される。接地部１２ａの水平方向の長さは、基準状態において６０〜１００ｍｍ程度とするのが好ましい。接地部１２ａを円弧形状とする場合は、例えば曲率半径２００ｍｍ〜２５０ｍｍ程の単一曲率の円弧とすることができる。また、複数曲率の円弧を組み合わせた複合円弧形状としてもよい。

【0014】

アーチ部１２ｂは、荷重状態の湾曲部１２が接地部１２ａのみで接地面Ｇにコンタクトし続けるよう、湾曲部１２と接地面Ｇとの間にクリアランスを与える領域である。アーチ部１２ｂは、直線状か、もしくは上側に向けて凸状に湾曲する湾曲形状とすることができる。本実施の形態１では、上側に向けて凸状に湾曲する湾曲形状としており、その範囲は、変曲点Ｐ１から、上向き凸の湾曲方向が変化する変曲点Ｐ２までの領域として定義される。アーチ部１２ｂを円弧形状とする場合は、例えば曲率半径１５０ｍｍ以上の単一曲率の円弧形状とすることができる。また、複数曲率の円弧を組み合わせた複合円弧としてもよい。アーチ部１２ｂの水平方向の長さは、荷重状態において接地面Ｇとの間に十分なクリアランスを確保するという観点より、全長Ｌｔの４０％〜７０％とするのが好ましく、全長Ｌｔの５０％〜６０％の範囲とするのがより好ましい。

【0015】

アーチ部１２ｂは、曲げ剛性の観点よりは以下の条件を満たすことが好ましい。図２は、接地部１２ａ、及びアーチ部１２ｂにおける曲げ剛性ＥＩの測定ポイントを示す図である。図２において、アーチ部１２ｂの水平方向における中間点をＰ５、点Ｐ５と変曲点Ｐ１との中間点をＰ６、接地部１２ａの水平方向における中央部をＰ７とする。Ｐ５，Ｐ６，Ｐ１，Ｐ７における曲げ剛性ＥＩを、それぞれＥＩ_１，ＥＩ_２，ＥＩ_３，ＥＩ_４とした場合に、ＥＩ_１〜ＥＩ_４は下記（１）〜（３）を満たしている。
ＥＩ_１≦ＥＩ_２・・・（１）
ＥＩ_２≦ＥＩ_３・・・（２）
ＥＩ_２≦ＥＩ_４・・・（３）
上記（１）〜（３）の条件によれば、接地部１２ａの曲げ剛性をアーチ部１２ｂの曲げ剛性よりも高くしているので、荷重状態においても接地部１２ａによる接地状態を維持することができる。また、アーチ部１２ｂにおいては、アーチの立ち上がり面（Ｐ１−Ｐ６間）の剛性を、アーチ部１２ｂの中央Ｐ５よりも高くしているので、荷重状態においてアーチ部１２ｂ全体が潰れるのを抑えることができ、湾曲部１２と接地面Ｇとの間にクリアランスを確保することができる。そして、アーチ部１２ｂの中央Ｐ５よりも後側の領域を撓ませ易くすることで、踵部１２ｃを含む湾曲部１２の後側を十分に撓ますことができ、必要な反発力を得ることができる。

【0016】

次に再び図１を参照して、踵部１２ｃは、義足用板バネ１０の反発力を生じさせる撓み領域として機能する。踵部１２ｃの範囲は、アーチ部１２ｂの後側端となる変曲点Ｐ２から、直線部１１の下側端となる変曲点Ｐ４までの領域として定義される。踵部１２ｃは、後側に向けて突出する円弧状領域１２ｃ_１を少なくとも有しており、円弧状領域１２ｃ_１には、基準状態において最も後側に位置する最凸点Ｐｂが含まれる。円弧状領域１２ｃ_１は、例えば、曲率半径４０ｍｍ〜８０ｍｍ程の円弧とすることができる。また、複数曲率の円弧を組み合わせた複合円弧としてもよい。

【0017】

円弧状領域１２ｃ_１は、接続領域１２ｃ_２を介して直線部１１に接続され、円弧状領域１２ｃ_１と接続領域１２ｃ_２との境界は変曲点Ｐ３として定義される。なお、接続領域１２ｃ_２の形状は、図１に示す二次曲線形状の他に、図３に示すように前側に突出する湾曲形状としてもよい。また、接続領域１２ｃ_２を介することなく直線部１１から円弧状領域１２ｃ_１を直接突出させてもよい。

【0018】

次に、義足用板バネ１０における踵部１２ｃの具体的な配置位置を、図４を用いて説明する。図４は、基準状態における先端点Ｐｆ、最凸点Ｐｂ、及び変曲点Ｐ１〜Ｐ４をそれぞれ示している。

【0019】

基準状態において、最先端点Ｐｆと最凸点Ｐｂとの水平距離を全長Ｌｔと定義し、接地面Ｇから最凸点Ｐｂまでの高さをＨｂと定義した場合に、踵部１２ｃは、２６０ｍｍ≦Ｌｔ≦３１０ｍｍ、且つ１５０ｍｍ≦Ｈｂとなるように配置される。踵部１２ｃの形状、すなわち円弧状領域１２ｃ_１や接続領域１２ｃ_２の形状は、Ｌｔ、及びＨｂが上記の範囲を満たす限りにおいて任意の形状とすることができる。

【0020】

また、全長Ｌｔ、最凸点Ｐの高さＨｂ、及び義足用板バネ１０の厚みｔは、０．０５０≦（Ｈｂ／Ｌｔ）／ｔの関係を満たしている。なお、義足用板バネ１０の厚みｔが一定でない場合は、湾曲部１２の中で最も薄い箇所の厚みをｔとすればよい。

【0021】

踵部１２ｃを上記の範囲とする理由は以下の通りである。本発明者は、義足用板バネの膝関節周りの慣性モーメントを低下させることにより、義足用板バネの振り易さを向上させることができる点に着目した。膝関節周りの慣性モーメントは、下腿切断者であれば、図５に示すように、想定される膝関節ＫＪから義足用板バネ１０の重心ＣＧまでの距離と、義足用板バネ１０の質量とにより決まる。大腿切断者であれば、図６に示すように、想定される膝継ぎ手の回転軸ＲＡから義足用板バネ１０の重心ＣＧまでの距離と、義足用板バネ１０の質量とにより決まる。
なお、本発明においては、想定される膝関節ＫＪの位置、あるいは膝継ぎ手の回転軸ＲＡの位置は、義足用板バネ１０を基準状態から１３°後方に傾けた状態において、爪先側の先端部から７０ｍｍ後方の位置に仮想軸ＡＸを接地面Ｇに垂直に立て、当該仮想軸ＡＸの接地面Ｇより４４０ｍｍ上側としている。

【0022】

膝関節周りの慣性モーメントを低下させるにあたり、図４において、最先端点Ｐｆから変曲点Ｐ２までの形状、すなわち接地部１２ａとアーチ部１２ｂの形状を一定形状とし、最凸点Ｐｂの水平方向の位置を変化させて踵部１２ｃの張り出し量を変化させる場合を考える。踵部１２ｃを後方に張り出していく場合、全長Ｌｔが３１０ｍｍより長くなると、義足用板バネ１０の質量が増加し、且つレバーアーム長が長くなる。そのため必要な剛性も増え板厚ｔも増大する。この結果、振りやすさに影響が出る程に膝関節周りの慣性モーメントが大きくなる。一方、踵部１２ｃの張り出しを短くしていく場合、全長Ｌｔが２６０ｍｍより短くなると、義足用板バネ１０の撓み量が少なくなり十分な反発力が得られない。このため、全長Ｌｔが２６０ｍｍ〜３１０ｍｍとなるように最凸点Ｐｂを水平方向に配置するのが好適である。

【0023】

また、最先端点Ｐｆから変曲点Ｐ２までの形状を一定形状とし、最凸点Ｐｂの垂直方向の位置を変化させる場合を考える。最凸点Ｐｂの高さＨｂが１５０ｍｍより短くなると、想定される膝関節ＫＪと義足用板バネ１０の重心ＣＧとの距離が長くなり、振りやすさに影響が出る程に慣性モーメントが大きくなる。このため、最凸点Ｐｂの高さＨｂは１５０ｍｍ以上になるよう、最凸点Ｐｂを垂直方向に配置するのが好ましい。

【0024】

さらに、接地点よりも後ろ側の長さは、板バネのバネ定数に線形的に対応するため、目標とするバネ状数を達成しようとする場合、全長Ｌｔが長くなると必要な板厚が増大し質量が重くなる。このため、全長Ｌｔに対する最凸点高さＨｂの比率（Ｈｂ／Ｌｔ）と共に、板厚tに対する（Ｈｂ／Ｌｔ）の比率を高めることが望ましく、後述するように発明者が複数の義足用板バネでシミュレーションを行った結果、０．０５０≦（Ｈｂ／Ｌｔ）／ｔとするのが好ましい。

【0025】

次に、以上のように構成される義足用板バネ１０の作用効果を説明する。
本発明の効果を検証するため、本発明に係る義足用板バネ（実施例１〜２）と、従来の義足用板バネ（比較例１〜３）とをシミュレーションにより作成した。シミュレーションは、ソリッドワークス社の「ＳＯＬＩＤ ＷＯＲＫＳ ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ」を用いた。図７、及び図８は、本発明の実施例１〜２に係る義足用板バネの側面形状をそれぞれ示す図である。また、図９ないし図１１は、比較例１〜３に係る義足用板バネの側面形状をそれぞれ示している。実施例１〜２、及び比較例１〜３に係る義足用板バネの、全長Ｌｔ、最凸点Ｐｂの高さＨｂ、板厚ｔ、重さｍ、慣性モーメントＭＯＩ、及び（Ｈｂ／Ｌｔ）／ｔの値を表１に示す。

【0026】

【表1】

【0027】

なお、実施例１〜２と、比較例１〜３とでバネ状数を一定とするために、比較例２〜３の板厚ｔは、実施例１〜２の板厚ｔを比較例２〜３の接地点より後方部の長さに基づいて補正した値とした。また慣性モーメントＭＯＩは以下の条件で算出した。すなわち、各義足用板バネを基準状態から爪先側に回転させていき、基準状態の先端から７０ｍｍ後方の点から垂直方向に伸ばした軸線と義足用板バネの直線部との水平距離が、接地面Ｇから３５０ｍｍ上方の位置において１００ｍｍになった状態を、各義足用板バネの固定位置とした。そして、この固定位置において、各義足用板バネを、図６に示す回転軸ＲＡを回転中心として回転させた。

【0028】

表１に示すように、実施例１〜２はいずれも、最凸点Ｐｂの高さＨｂが１５０ｍｍ以上であり、全長Ｌｔは３１０ｍｍ以下である。一方、比較例１は、全長Ｌｔは実施例１〜２と同じだが、最凸点Ｐｂの高さＨｂは実施例１〜２に比べて低い。比較例１の慣性モーメントＭＯＩは、実施例１〜２に比べてやや高く、重さｍは実施例１〜２に比べてやや重い。
比較例２は、最凸点Ｐｂの高さＨｂは実施例１〜２に比べて高いが、全長Ｌｔは実施例１〜２に比べて長い。比較例３は、最凸点Ｐｂの高さＨｂは実施例２よりも高いが、全長Ｌｔは実施例１〜２に比べて長い。比較例２〜３の慣性モーメントＭＯＩは、実施例１〜２に比べて高く、重さｍは、実施例１〜２に比べて重い。

【0029】

次に、以上のように作成した実施例１〜２、及び比較例１〜３の義足用板バネの振り易さを検証した。振りやすさの検証は以下の通りに行った。まず、大腿用義足を使用する陸上競技者の甲が、比較例１の義足用板バネを使用して実走した時に得られた各種実データと、当該実データに基づいて算出した算出値とを、マスターデータとして求めた。

【0030】

具体的には、義足用板バネを振出した時の膝継ぎ手の伸展角度Ａｎｇ、振出し時の平均伸展角速度Ｖｅｌ、及び膝継ぎ手の最大屈曲から最大伸展までの時間（以下「振出し時間」という。）ｔｓを測定した。次に、得られた平均伸展角速度Ｖｅｌと、比較例１の慣性モーメントＭＯＩとに基づいて角運動量Ｌを算出した。

【0031】

また、甲の実走データより、義足用板バネの蹴り出し歩幅ｓｌｓと、健側の蹴り出し歩幅ｓｌｈとをそれぞれ測定し、双方の値を用いて、１００ｍを走行した時の歩数（以下「１００ｍ歩数」という。）ｓｔ１００と、１００ｍの走行中に義足用板バネを振出す回数（以下「１００ｍ板バネ振出し回数」という。）ｓｎ１００とを算出した。以上のように得られたデータをマスターデータとした。マスターデータの値を表２に示す。

【0032】

【表2】

【0033】

そして、甲が、実施例１〜２、及び比較例１〜３の義足用板バネを使用した場合に、マスターデータと同程度膝継ぎ手を伸展させ、同程度の角運動量を発揮していると仮定し、実施例１〜２、及び比較例１〜３のそれぞれについて、慣性モーメントＭＯＩの値に基づいて振出し平均伸展角速度Ｖｅｌを求め、求めた平均伸展角速度Ｖｅｌに基づいて振出し時間ｔｓを算出した。さらに、算出した振出し時間ｔｓと、マスターデータとして算出した１００ｍ板バネ振出し回数ｓｎ１００とより、１００ｍを走行した場合の振出し時間（以下「１００ｍ換算ｔｓ」という。）ｔｓ１００を、実施例１〜２、及び比較例１〜３のそれぞれについて算出した。

【0034】

表３に、実施例１〜２、及び比較例１〜３の、平均伸展角速度Ｖｅｌ、振出し時間ｔｓ、及び１００ｍ換算ｔｓ＿ｔｓ１００を示す。

【0035】

【表3】

【0036】

表３に示す振出し時間ｔｓより、実施例１〜２は、比較例１〜３に比べて、１回当たりの膝の伸展において膝下部分を早く振れていることが分かる。また、１００ｍの走行に換算した１００ｍ換算ｔｓ＿ｔｓ１００の比較においては、実施例１〜２と比較例２〜３との差は顕著に表れていることがわかる。さらに、振出し時間ｔｓの比較で最も差が少ない実施例２と比較例１との対比においても、実際の競技での使用を想定した場合は、１００ｍ換算ｔｓ＿ｔｓ１００の値で有意な差を生じており、本発明の十分な効果を見出すことができる。

【符号の説明】

【0037】

１０ 義足用板バネ
１１ 直線部
１２ 湾曲部
１２ａ 接地部
１２ｂ アーチ部
１２ｃ 踵部
１２ｃ_１ 円弧状領域
１２ｃ_２ 接続領域

【要約】

【課題】膝関節周りの慣性モーメントを低下させることで、膝下の回転性を高めることができ、走行時の板バネの振り易さを向上させることができる義足用板バネを提供する。
【解決手段】湾曲部を備える義足用板バネにおいて、前記湾曲部は、後側に向けて突出する踵部を備え、前記踵部において最も後側に突出する最凸点の高さＨｂが１５０ｍｍ≦Ｈｂを満たし、前記最凸点と前記湾曲部の前側の最先端点との間の長さＬｔがＬｔ≦３１０ｍｍの関係を満たす、ことを特徴とする。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】