JP4456146B2 - 人形体の関節部材、それを用いる人形体 - Google Patents

Description

本発明は、人形体の関節部材、それを用いる人形体に関する。

従来、ロボット模型玩具などの人形体においては、人間の関節の動きを再現するために様々な工夫が施されている。例えば、胴部と両腕部との連結部（肩関節部）や胴部と両脚部の連結部（股関節部）あるいは肘や膝の関節部が自在に回転できるように球形の連結部材が用いられ、この連結部材によって肩、股、肘あるいは膝の関節部により自由度の高い動きが付与されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６-３２７８４１号公報

一般に、このような精巧な人形体は、使用者が自分の気に入ったポーズとなるように肘や膝などの関節部を屈曲させた後に、長期間鑑賞できるようにサイドボードなどの室内用展示棚に人形体を入れて保存されている。そのため、人形体には、使用者が決めたポーズに肘や膝を曲げた状態のままでその姿勢を長時間保持することが要求されていた。また、人形体の肘や膝の動きが人間の動きに類似して動くことも望まれていた。

そこで、従来の人形体では、使用者の気に入ったポーズとなるように肘や膝などを屈曲できかつ使用者が気に入ったポーズで肘や膝を屈曲させたまま長期間保持できるように、かつ、屈曲、伸長を繰り返しても球状の連結部が磨耗しないように、球状の連結部を弾性変形しやすい軟質合成樹脂で形成していた。そして、球状の連結部（関節部）に嵌合する腕部や脚部の凹部に、球状の連結部を圧縮しながら嵌合し、軟質合成樹脂の弾力性を利用して使用者の決めたポーズに肘や膝を屈曲させたまま保持していた。

このように、従来の球状の連結部には、使用者の気に入ったポーズとなるように肘や膝を自在に屈曲させる機能と、使用者の気に入ったポーズに肘や膝を屈曲させたまま長期間保持する機能の相反する２つの機能が要求されていた。しかしながら、軟質合成樹脂で形成された球状の連結部を使用する場合、人形体を使用者の気に入ったポーズに長時間保持しようとすると、ポーズによっては肘や膝が屈曲状態に耐えられず、肘が望む位置より徐々に下がったり膝が望む位置より徐々に曲がりすぎる問題を生じる場合があった。とくに上腕部、下腕部、大腿部が重い場合にこの傾向が顕著であった。

本発明は、上記説明した従来技術の問題点を解決することを出発点としてなされたものである。その目的は、使用者の気に入ったポーズとなるように人形体の関節部を任意の屈曲状態に屈曲させるとともに、そのポーズを長期間保持することができる人形体の関節部材、それを用いる人形体を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の人形体の関節部材は、以下の構成を有する。すなわち、人形体の関節部材であって、第１部材と、前記第１部材に回転可能に連結される第２部材と、前記第１部材に回転可能に接続されるピストンと、前記第２部材に回転可能に接続され、前記ピストンを前記ピストンの往復移動を可能に収容する、片端部が閉じられているシリンダと、を有し、前記ピストンと前記シリンダとは弾性率が異なる弾性材料で製造されていることを特徴とする。

ここで例えば、前記ピストンの先端部が前記シリンダの内径と略等しい外径を有し、前記ピストンの先端部以外の前記シリンダに収容可能な部分が前記シリンダの内径よりも小さい外径を有することが好ましい。

ここで例えば、前記弾性材料が合成樹脂であることが好ましい。

ここで例えば、前記ピストンはＡＢＳ樹脂で形成され前記シリンダはポリエチレン樹脂で形成されている、または前記ピストンはポリエチレン樹脂で形成され前記シリンダはＡＢＳ樹脂で形成されていることが好ましい。

また、本発明の人形体は、関節部が上記に記載の関節部材を使用して形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、使用者の気に入ったポーズとなるように人形体の関節部を任意の屈曲状態に屈曲させるとともに、そのポーズを長期間保持することができる関節部材、その関節部材を用いる人形体を提供することができる。

以下に、必要に応じて添付図面を参照しながら本発明の一実施形態の人形体の関節部材およびそれを用いる人形体について詳細に説明する。

最初に、本明細書で肘や膝などの関節部で使用される関節部材の説明に使用する「伸長状態」と「屈曲状態」について定義する。例えば、膝の「伸長状態」とは、膝を伸ばした状態、すなわち、大腿部と脚部が略一直線上になる状態を指すものとする。また、膝の「屈曲状態」とは、膝を任意の角度に曲げた状態で大腿部と脚部とが略一直線上にない状態を指すものとする。また関節部材には、関節部材を任意の「屈曲状態」に移動したのちその状態で保持するための保持部材が使用されている。この保持部材は、片端部が閉じられている中空の円筒状のシリンダと、シリンダの内側にはまりこむ円筒状のピストンとから構成されている。なお本明細書では、ピストンの先端部をピストンヘッドと呼び、ピストンヘッドの外径より細い部分をピストンロッドと呼ぶことにする。

＜第１の実施形態＞
［関節部材の特徴］
本実施形態の人形体の関節部材は、人形体の膝や肘などの関節部の動作が人間の動きに近くなるよう伸ばしたり曲げたりできるとともに、人形体の関節部を曲げたままの状態で長期間保持することができる点が特徴である。そのため、本実施形態の関節部材は、人形体の関節部を任意の角度に曲げるために第１部材と第１部材に回転可能に連結される第２部材とを使用し、さらに人形体の関節部を任意の角度に曲げたままの状態で保持するために保持部材を使用している。保持部材は、片端部が閉じられている中空円筒状のシリンダとシリンダの内側にはまりこむ円筒状のピストンとで構成されている。保持部材をシリンダとピストンとで構成としたのは、以下の２つの理由による。

第１の理由は、シリンダ内でのピストンの位置の違いを利用して関節部材の機械的な「伸長状態」と「屈曲状態」とを再現するためである。関節部材の「伸長状態」とは、ピストンがシリンダの入口付近にあって、ピストンとシリンダの側壁および底壁とで作る閉空間（シリンダ内空間）が大きな容積を有する状態に相当し、関節部材が最も曲がった「屈曲状態」とはピストンがシリンダの底壁付近にあって、シリンダ内空間の容積がほとんど無い状態である。関節部材を「伸長状態」から最も曲がった「屈曲状態」にすると、ピストンは、閉空間（シリンダ内空間）がほとんど無くなるまでシリンダの奥に向かって移動する。

第２の理由は「屈曲状態」にあるピストンをそのまま放置しても本実施形態の保持部材では、ピストンがシリンダ内を移動して「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストンの移動を阻止する移動阻止力（摩擦力、大気圧、圧縮応力）がピストンに働くため、この移動阻止力によってピストンが「屈曲状態」に長期間安定して保持されるためである。すなわち、ピストンが「屈曲状態」から「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストンにはピストンの移動を阻止するように移動阻止力として摩擦力、大気圧が働く。ここで、ピストンに大気圧が移動阻止力として働くのは、ピストンがシリンダ内を移動して「伸長状態」に戻ろうとするとピストンとシリンダ内空間の体積が増加しようとするため、シリンダ内空間の圧力が大気圧（外圧）より低くなるためである。また、ピストンの外径がシリンダの内径がよりも少し大きい場合には、ピストンの移動阻止力として圧縮応力を更に加えることもできる。ここで、圧縮応力について説明すると、本実施形態のピストンとシリンダは異なる弾性率を有する弾性材料、例えば合成樹脂で作られている。具体的にはピストンは弾性変形しにくいＡＢＳ樹脂で作られ、シリンダはピストンに比べて弾性変形しやすいＰＥ樹脂で作られている（ピストンをＰＥ樹脂でシリンダをＡＢＳ樹脂で作っても良い）。そのため、ピストンの外径がシリンダの内径より少し大きいとピストンがシリンダ内を移動しようとすると圧縮変形したシリンダからピストンに対してピストンの移動を阻止するように圧縮応力が働く。

このように、本実施形態の関節部材では、「屈曲状態」（関節部を曲げたままの状態）にあるピストンをそのまま放置してもピストンがシリンダ内を移動して「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストンの移動を阻止する移動阻止力（摩擦力、大気圧、必要に応じて圧縮応力）がピストンに働くため、この移動阻止力によってピストンの移動が阻止される。そのため本実施形態の関節部材は、長期間にわたり「屈曲状態」を安定して保持することができる。

次に、本実施形態の保持部材（ピストンとシリンダ）を用いる関節部材およびその関節部材を用いる人形体について詳しく説明する。

＜人形体の外観構成：図１＞
図１は本実施形態の保持部材を用いる関節部材を使用した人形体１００の外観構成を示す斜視図である。同図において、１０１は頭部、１０２は胸部、１０３は腰部、１０４は上腕部、１０５は下腕部、１０６は大腿部、１０７は脚部である。

人形体１００において、本実施形態の関節部の保持部材を用いる関節部材は様々な関節部で使用されている。例えば、大腿部１０６と脚部１０７を接続する膝の関節部分、上腕部１０４と下腕部１０５を接続する肘の関節部分で使用されている。その他にも本実施形態の関節部材は、例えば、腰部１０３と大腿部１０６を接続する股関節部分あるいは胸部１０２と上腕部１０４を接続する肩関節部分などでも使用することができる。

以下の説明では、本実施形態の関節部材として膝の関節部分で使用する関節部材を例に説明するが、以下の説明は、例えば、肘の関節部分、肩関節および股関節部分などの他の部分の関節部にも適用することができる。

＜関節部材：図２〜図４＞
図２は本実施形態の人形体１００の膝の関節部で使用する関節部材５０の一例を示す外観図である。図２では、膝が伸びた「伸長状態」の場合の第１部材３０と第２部材４０の配置を示している。膝の関節部材５０は、第１部材３０と第２部材４０とから構成され、第１部材３０および第２部材４０はそれぞれ大腿部と脚部または脚部と大腿部に接続される。なお第１部材３０には第１部材３０と第２部材４０とを回転可能に連結する連結部（図３の回転軸３１）が配置され、第１部材３０と第２部材４０の内部にはピストンとシリンダからなる保持部材１０（図３参照）が配置されている。

図３は、図２の関節部材５０の上部ハウジングを取り外した関節部材５０の内部構造を示す図である。図３に示すように、第１部材３０と第２部材４０とは連結部である回転軸３１によって回転可能に連結されている。第１部材３０と第２部材４０には保持部材１０のピストン１４とシリンダ１２を固定する固定部がそれぞれ配置され、保持部材１０は各固定部によって第１部材３０と第２部材４０に固定されている。本実施形態の関節部材５０では第１部材３０が第２部材４０に対して回転軸３１を軸として回転することにより、膝が伸びた「伸長状態」から膝を曲げた「屈曲状態」に変更することができる。また、保持部材１０は第１部材３０が第２部材４０に対して回転軸３１を軸として回転するときに、第１部材３０の回転運動に連動してピストン１４がシリンダ１２内を往復移動する。そのため、保持部材１０は、第１部材３０が第２部材４０に対して回転運動する動きに連動するシリンダ内の直線的な往復移動により、膝を伸ばした「伸長状態」から膝を曲げた「屈曲状態」に変更することができる。

さらに、本実施形態の保持部材１０は、「屈曲状態」にあるピストンをそのまま放置したときにピストンがシリンダ内を移動して「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストンの移動を阻止する移動阻止力（摩擦力、大気圧など）がピストンに働く。そのため、この移動阻止力によってピストンを「屈曲状態」に長期間安定して保持することができる。以下、本実施形態の関節部材５０で用いられる保持部材１０の動作について詳しく説明する。

まず、図３を用いて、保持部材１０の構成について説明する。保持部材１０は、ピストン１４とシリンダ１２とから構成され、ピストン１４は第１部材３０に、シリンダ１２は第２部材４０にそれぞれ回転可能に固定されている。

次に、シリンダ１２内のピストン１４の位置の違いを利用して、保持部材１０が膝の「伸長状態」を「屈曲状態」に変更することができる点について詳しく説明する。図３は保持部材１０が膝の「伸長状態」を示すときの関節部材５０中の第１部材３０と第２部材４０の配置を示す図である。同図において、第１部材３０には、回転軸３１、ピストン係合部３２（図４参照）、ハウジング固定部３３、３４などが配置されている。回転軸３１は第１部材３０と第２部材４０を連結し、第１部材３０を第２部材４０に対して回転して「伸長状態」から「屈曲状態」に変更するための回転軸である。ピストン係合部３２は、保持部材１０のピストン１４を回転可能に固定する中空の円筒形状であり、図３にはその形状は示されていないが、中空円筒形状のハウジング固定部３３、３４と類似する形状であり高さのみが異なるものである。

一方、第２部材４０には、シリンダ係合部４１（図４参照）、ハウジング固定部４２、４３などが配置されている。シリンダ係合部４１は、保持部材１０のシリンダ１２を回転可能に固定する中空の円筒形状であり、図３にはその形状は示されていないが、中空円筒形状のハウジング固定部４２、４３と高さのみが異なるものである。

図３に示されるように、保持部材１０が膝の「伸長状態」を示すときは、関節部材５０中の第１部材３０と第２部材４０とは略直線上に配置されている。この時の保持部材１０のピストン１４とシリンダ１２の位置の関係は、ピストン１４のピストンヘッド（図７参照）がシリンダ１２の入口付近に挿入され、ピストン１４の軸部分がシリンダ１２の外に置かれた状態である。

次に、図４を用いて保持部材１０が膝の「屈曲状態」を示すときの関節部材５０の第１部材３０と第２部材４０の配置について説明する。図４は、使用者が図３に示すような第１部材３０と第２部材４０とが略直線上に配置された「伸長状態」にある関節部材５０に図４の矢印に示すような方向の外力Ｆを与え、第１部材３０を第２部材４０に対して回転軸３１を軸として回転させて「屈曲状態」にしたときの第１部材３０と第２部材４０の配置を示している。すなわち、図３に示す「伸長状態」から図４に示す外力Ｆが第１部材３０に与えられると、第１部材３０は回転軸３１を軸として第２部材４０に対して回転して図４に示す「屈曲状態」の位置（最も曲がった状態）に移動する。なお図４に示す最も曲がった状態の「屈曲状態」の位置は一例であり、使用者が加える外力の大きさを調節することにより任意の「屈曲状態」に移動することができる。

図４に示す最も曲がった「屈曲状態」では、保持部材１０のピストン１４はシリンダ１２の内部の最も奥までに挿入された状態となっている。つまり、外力Ｆが第１部材３０に図４の矢印の方向にかかると、外力Ｆによって第１部材３０は回転軸３１を軸として第２部材４０に対して回転し、それと同時に外力Ｆが保持部材１０のピストン１４に伝達され、ピストン１４にはシリンダ１４の内部方向にピストン１４を移動させる外力Ｆが作用する。その結果、ピストン１４は、加えられた外力Ｆによってシリンダの奥に向かって移動し、ピストン１４とシリンダ１２の距離が縮まり、図４に示すようにピストン１４とシリンダ１２の位置が変化する。

このように、本実施形態の関節部材５０では、第１部材３０は第２部材４０に対して回転可能に連結され、保持部材１０のピストン１４とシリンダ１２とは、第１部材３０と第２部材４０にそれぞれ回転可能に固定される。そして、第１部材３０に外力Ｆを与えると、第１部材３０は第２部材４０に対して任意の角度に回転されると共にピストン１４がその回転範囲をシリンダ１２の往復移動できる範囲の長さに制限することで、関節部材５０の動きを人間の関節の動きに近い動きとなるように制御することができる。

なお、本実施形態の関節部材５０は、上記説明したように「伸長状態」にある関節部材５０に外力を加えて「屈曲状態」に容易に変更することができるとともに、「屈曲状態」のままで長期間放置しても長期間にわたり「屈曲状態」を安定して保持することができる。これは、保持部材１０が片端部を閉じた中空円筒状のシリンダ１２で形成され、シリンダ１２の側壁の内径と略等しい外径を持つ円筒状のピストン１４がシリンダ１２内を移動するときにシリンダ内に密閉空間が形成され、かつピストン１４がシリンダと弾性率の異なる弾性材料で作られているためである。そのため、「屈曲状態」で放置されたピストン１４がシリンダ１２内を移動して「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストン１４には移動を阻止する移動阻止力として摩擦力、大気圧、圧縮応力がピストン１４に働くため、この移動阻止力によって長期間にわたり「屈曲状態」を安定して保持することができる。なお摩擦力、大気圧による移動阻止力の説明は、図７〜図９を用いて詳細に説明するのでここでの説明は省略する。

＜関節部材の各部材に使用する素材＞
次に、上記説明した関節部材５０の製造方法について説明する。なお、下記の説明では、本実施形態の説明に必要な部分についてのみ説明し、本実施形態の説明に不要な部分の説明や公知技術についての説明は省略する。

まず、関節部材５０の第１部材３０、第２部材４０および保持部材１０の製造に適した素材について説明する。

関節部材５０を構成する第１部材３０や第２部材４０は、玩具の製造に使用可能な公知の合成樹脂を用いて製造することができる。合成樹脂の一例を示せば、ポリスチレン樹脂であるが、ポリスチレン樹脂に限ることなく、玩具の製造に使用可能な合成樹脂であればどのような合成樹脂を用いて製造することができる。

保持部材１０のピストン１４やシリンダ１２は、弾性変形可能な弾性材料のうち、弾性率の異なる弾性材料をピストン１４とシリンダ１２に用いて作製する必要がある。弾性材料の一例を示せば、合成樹脂であり、ピストン１４に用いる合成樹脂としてシリンダ１２に用いる合成樹脂よりも弾性変形しにくい高弾性の合成樹脂を用い、シリンダ１２に用いる合成樹脂として弾性変形しやすい低弾性の合成樹脂を用いて作製することが好ましい。ただし、ピストン１４とシリンダ１２とは弾性率の異なる弾性材料を用いて作製すればよく、ピストン１４に用いる合成樹脂をシリンダ１２に用いる合成樹脂よりも弾性変形しやすいようにすることも可能である。

ピストン１４に用いる合成樹脂がシリンダ１２に用いる合成樹脂よりも弾性変形しにくい合成樹脂の組み合わせの例として、例えば、ピストン１４を弾性変形し難いＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）で作製し、シリンダ１２を弾性変形しやすいＰＥ樹脂（ポリエチレン樹脂）で作製する例があげられる。ただし、この組み合わせは一例であり、上記の条件を満たすものであればどのような合成樹脂の組み合わせを使用しても良い。

また、ピストン１４に用いる合成樹脂がシリンダ１２に用いる合成樹脂よりも弾性変形しやすい合成樹脂の組み合わせの例として、例えば、ピストン１４を弾性変形しやすいＰＥ樹脂で作製し、シリンダ１２を弾性変形しにくいＡＢＳ樹脂で作製する例があげられる。

上記説明したように、本実施形態の保持部材１０では、例えばシリンダ１２がピストン１４に比べて弾性変形しやすいような弾性率の異なる合成樹脂などの弾性材料を用いて作製する必要がある。その理由の１つは、本実施形態の関節部材５０が「伸長状態」から外力Ｆを与えて「屈曲状態」に移動させようとするとき、ピストンがシリンダの中を移動可能とするためである。この点について以下説明する。

本実施形態の保持部材１０では、「屈曲状態」で関節部材５０を長期間保持する移動阻止力として摩擦力を利用するために、ピストン１４をシリンダ１２と密着させながらシリンダ１２の内部方向へ移動可能とする必要がある。そのためにピストン１４の先端部であるピストンヘッドの外径をシリンダ１２の内径と略同じにしてある。このため、ピストン１４がシリンダ１２の側壁に接しながらシリンダ１２の内を移動しようとすると、ピストン１４の移動方向と逆の方向にピストン１４の移動を阻止するような摩擦力を作用させることができる。すなわち、本実施形態のピストン１４では、ピストンヘッドの外径とシリンダ１２の内径とを略同じ径としてピストンヘッドをシリンダ１２に接触させることによりその界面に摩擦力を発生させかつ摩擦力以上の外力がかかったときにのみピストンが移動させることができるようになっている。

しかしながら、ピストン１４がシリンダ１２内を一直線上に移動せず少し直線上からずれて移動する場合には、ピストン１４の移動方向でピストン１４と接触するシリンダ１２の側壁がピストン１４の移動を阻止してピストンの移動が阻止されるおそれがある。また、ピストンヘッドの外径とシリンダ１２の内径とを略同じ径として成形するが、生産上の誤差が生じることは避けられない。そこで、本実施形態の保持部材１０では、たとえば、シリンダ１２をピストン１４よりも弾性変形しやすい材料を用いて作製している。そのため、ピストン１４の移動方向にシリンダ１２が接触してシリンダ１２の側壁がピストン１４の移動を阻止しようとする場合、ピストン１４にかかった外力により接触部分のシリンダ１２が弾性変形するためピストン１４の移動を可能にすることができる。また、生産上の誤差により、ピストンヘッドの外径がシリンダ１２の内径よりも大きくなったとしても、シリンダ１２が弾性変形できるため、シリンダ１２にピストン１４をはめることができないということがない。例えば、シリンダ１２をＰＥ樹脂で作製し、ピストン１４をＰＥ樹脂より弾性変形しにくいＡＢＳ樹脂で作製することで、ピストン１４のシリンダ１２内への移動を容易にすることができる。

このように、本実施形態の保持部材１０では、ピストン１４をシリンダ１２と異なる弾性率を有する弾性材料、例えばシリンダ１２がピストン１４に比べて弾性変形しやすい材料で作製している。その結果、本実施形態の保持部材１０では、ピストン１４をシリンダ１２上で移動させるとき、ピストン１４がシリンダ１２の直線上から少しずれて移動する場合や、ピストン１４とシリンダ１２の寸法に生産上の誤差が生じている場合でもシリンダ１２が弾性変形してピストン１４のシリンダ１２内での移動を容易にすることができる。そのため、本実施形態の保持部材１０は、外力をかけることで「伸長状態」から「屈曲状態」に変更することができる。なお上記説明は、ピストン１４の外径がシリンダ１２の内径よりも少し大きい場合にも適用される。

＜関節部材の製造方法：図５＞
次に、関節部材５０の製造方法について説明する。図２と図３に一例を示す関節部材５０は、まず、第１部材３０、第２部材４０および保持部材１０（ピストン１４とシリンダ１２）に適した素材を選択する。各部材に適した素材は、上記説明した素材の中から関節部材５０と人形体１００の大きさを加味して選択する。

次に、選択した素材を用いて第１部材３０、第２部材４０およびピストン１４とシリンダ１２を成形技術で成形するために図２や図３に示す形状に成形するための金型を設計し製造する。そして、選択した各素材と製造した金型を用いて、射出成形技術や鋳込み成形技術などの公知の成形技術を用いてそれぞれの部材を成形する。最後に、成形技術を用いて作製した各部材を組み合わせることにより図２に示す関節部材５０が完成する。

図５は、上記説明した成形技術を用いて作製された第１部材３０、第２部材４０、ピストン１４およびシリンダ１２から関節部材５０の組立方法を説明する図である。なお、図５の（ａ）は、ピストンの挿入位置を表示するためピストンとシリンダの上半分を取り除いた図である。まず、図５の（ａ）に示すように、ピストン１４をシリンダ１２の予め決められた位置まで挿入して「伸長状態」の保持部材１０を組み立てる。

次に、第２部材４０を第１部材３０の回転軸３１に回転可能に連結し、次に、第１部材３０と第２部材４０とを図５の（ｂ）に示すように略直線上の位置に配置して「伸長状態」にする。次に、図５の（ａ）に示す「伸長状態」に配置した保持部材１０を図５の（ｂ）に示すように第１部材３０と第２部材４０に取り付ける。すなわち、第１部材３０のピストン係合部３２にピストン１４のピストン突起部１７−２を挿入して回転可能に接続し、第２部材４０のシリンダ係合部４１にシリンダ１２のシリンダ突起部１８−２を挿入して回転可能に接続する。このようにして、保持部材１０を第１部材３０と第２部材４０とに連結する。最後に第１部材３０と第２部材４０にそれぞれハウジング部を取り付けることにより図２に示す関節部材５０が完成する。なお、図５の（ｂ）は図３を斜めから見た図に相当するので、図５より図３の「伸長状態」における第１部材３０、第２部材４０、保持部材１０の接続関係を別の角度から把握することができる。

なお、図５の（ｂ）に示す配置状態（「伸長状態」）の関節部材５０を最大角度まで曲げて「屈曲状態」とした状態を図６に示す。図６は図４を斜めから見た図に相当するので、図６より図４の「屈曲状態」における第１部材３０、第２部材４０、保持部材１０の接続関係を別の角度からすることができる。

＜摩擦力と、大気圧を利用した保持部材の保持方法：図７〜９＞
次に、図７〜９を用いて関節部５０を「伸長状態」から「屈曲状態」に移動した後で、本実施形態の保持部材１０が移動阻止力として摩擦力と大気圧を利用して、「屈曲状態」のままで長期間安定して関節部５０を保持することができる理由について説明する。

まず、図７を用いて保持部材１０の詳細な構成について説明する。図７は、図３で説明した関節部材５０が「伸長状態」の場合の保持部材１０のピストン１４とシリンダ１２の配置構成を示す断面図である。

図７に示すようにピストン１４は、円柱状の先端部であるピストンヘッド１３、ピストンヘッドより外径の小さい外径を有するピストンロッド１６、ピストン基部１５、ピストン１４を第１部材３０に回転可能に接続するピストン突起部１７−１、１７−２から構成されている。ピストン１４を構成する各部分は、例えば、ＡＢＳ樹脂を用いて射出成形により一体成形で作製される。

一方、シリンダ１２は、片端部が底壁１１によって閉じられた中空の円筒状の側壁１９を有し、シリンダ１２を第２部材に回転可能に固定するシリンダ突起部１８−１、１８−２を備えている。シリンダ１２を構成する各部分は、例えば、ＰＥ樹脂を用いて射出成形により一体成形で作製される。また、ピストンヘッド１３の外径は、シリンダ１２の側壁１９と略等しい径を有し、シリンダ１２の側壁１９と底壁１１とピストンヘッド１５によってシリンダ１２の内部には閉空間、すなわちシリンダ内部が形成される。また、ピストンロッド１６の外径は、ピストンヘッド１３の外径、すなわち、シリンダ１２の側壁１９の径よりも小さくなっているため、ピストンロッド１６とシリンダ１２の側壁１９の間には隙間２０が形成されている。このことにより、ピストン１４とシリンダ１２とが接触する面に過剰な摩擦力が生じて、保持部材１０の保持力が強くなりすぎて、関節部材５０の「伸長状態」から「屈曲状態」に変更できなくなってしまわないように調節されている。すなわち、ピストン１４上における、ピストンヘッド１３の部分とピストンロッド１６の部分の比率を変更することにより、ピストン１４とシリンダ１２の間に生じる摩擦力を調節している。

次に、図７〜図９を用いて、本実施形態の保持部材１０を「伸長状態」から「屈曲状態」に移動した後、「屈曲状態」で関節部材５０を長期間安定して保持することができる理由について説明する。なお、以下の説明では、ピストンヘッド１３の外径がシリンダ１２の側壁１９の内径と略等しく、ピストンヘッド１３がＡＢＳ樹脂で作製され、シリンダ１２がピストンヘッド１３より弾性変形しやすいＰＥ樹脂で作製された保持部材１０を例に用いて説明する。

図７は、保持部材１０が「伸長状態」の場合のピストン１４とピストンヘッド１３の位置関係を示している。一方、図８は、「伸長状態」にある保持部材１０に外力Ｆが加えられてピストンヘッド１３が最終的にシリンダ１２の底壁１１の近くまで移動した状態（関節部材５０が最大曲がった「屈曲状態」）の場合のピストン１４とピストンヘッド１３の位置関係を示している。

まず、図７を用いて保持部材１０の「伸長状態」について説明すると、「伸長状態」ではピストンヘッド１３はシリンダ１２の入り口付近に配置される。このときシリンダ１２の側壁１９と底壁１１とピストンヘッド１５によってシリンダ１２の内部に形成されるシリンダ内部容積Ｖ₁に圧力Ｐ₁（Ｐ₁は大気圧）の空気があるとする。図の位置は、ピストンヘッド１３が再現良く安定してシリンダ１２内を往復移動可能な位置であり、図の位置よりピストンヘッド１３をシリンダ１２の入り口付近に近づいて配置するとピストンヘッド１３の往復移動の安定性が低下するので好ましくない。また、図の位置よりピストンヘッド１３をシリンダ１２の底壁１１側に近づけるとピストンヘッド１３の移動距離が減り、関節部５０の曲がる角度が低下するので好ましくない。

また、図８は、「伸長状態」にある保持部材１０に外力Ｆを加えるとピストンヘッド１３がシリンダ１２の底壁１１に向かって移動し、最終的にピストンヘッド１３がシリンダ１２の底壁１１の近くまで移動した時（最大に屈曲させた状態）のピストンヘッド１３と底壁１１との位置関係を示している。このときのシリンダ１２の側壁１９と底壁１１とピストンヘッド１５によってシリンダ１２の内部に形成されるシリンダ内部容積をＶ₂、圧力をＰ₂とする。図の位置は、保持部材１０を最大に屈曲させた状態の位置である。この位置を図の位置よりシリンダ１２の入り口付近に近づいて配置するとピストンヘッド１３の移動距離が減るため好ましくない。

一方、図９は、保持部材１０を図８で最大に屈曲させた状態にした後で放置した場合に、ピストンの移動を阻止する移動阻止力（摩擦力、大気圧、圧縮応力）がピストンヘッド１３に働いて、ピストンヘッド１３がこの移動阻止力によって移動できず、図８に示す最大に屈曲させた状態に保持されてピストンヘッド１３を最大に屈曲させた状態に長期間安定して保持できる点について説明する説明図である。図９は、図８に示す最大に屈曲させた状態から図９に示す位置に変化しようとするときのピストンヘッド１３と底壁１１との位置関係を示している。このときのシリンダ１２の側壁１９と底壁１１とピストンヘッド１５によってシリンダ１２の内部に形成されるシリンダ内部容積をＶ₃、圧力をＰ₃とする。

次に、図７〜図８を用いて、外力Ｆをかけてピストンヘッド１３をシリンダ１２の入口部から底壁１１に近づけるように移動させるときの動作について説明する。

図７に示すように、シリンダ内部容積Ｖ₁、圧力Ｐ₁（大気圧）の「伸長状態」にある保持部材１０に外力Ｆを加えて、図８に示すように、容積Ｖ₂、圧力Ｐ₂の最大の屈曲状態まで保持部材１０を移動しようとすると、図７に示すようにシリンダ１２と接触するピストンヘッド１３の表面に摩擦力Ｒ₁がピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力として働く。そのため、摩擦力Ｒ₁が外力Ｆより大きいとピストンヘッド１３の移動は阻止される。

しかしながら、外力Ｆが摩擦力Ｒ₁より大きい場合には、ピストンヘッド１３は摩擦力Ｒ₁に打ち勝って底壁１１に近づく方向に移動する。すると、シリンダ内部容積はＶ₁からＶ₂に減少し、シリンダ内部の圧力は、Ｖ₁／Ｖ₂倍に増加する（例えば、Ｖ₁／Ｖ₂＝１０、Ｐ₁＝１気圧とすると、シリンダ内部の圧力Ｐ₂は１０気圧となる）。このようにシリンダ内部の圧力が増加すると、ピストン１４とシリンダ１２はそれぞれ圧縮応力を受けて圧縮変形する。このとき、ピストン１４に比べて変形しやすい材料で作られているシリンダ１２は大きく圧縮変形する。そのため、外力によりピストンヘッド１３が底壁１１に向かって移動し、シリンダ内部の容積が減少しそれに伴ってシリンダ内部の空気の圧力が増加しシリンダ内部の高圧の空気はピストン１４とシリンダ１２の隙間２０から大気中に放出される。その結果、図８に示すように、容積Ｖ₂の最大の屈曲状態まで保持部材１０を移動した場合でも大部分の空気は大気中に放出されシリンダ内部の容積Ｖ₂の空気圧力Ｐ₂は大気圧に近い圧力に保持される。

一方、図９は、保持部材１０を図８で最大に屈曲させた状態にした後で外力Ｆを除去しした後でそのまま放置した場合、ピストンヘッド１３が図８に示す状態容積Ｖ₂から図９に示す位置（容積Ｖ₃）に移動しようとするときにピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力を説明する図である。

図９に示すように、最大の屈曲状態での容積をＶ₂とし、そのときの圧力Ｐ₂は大気圧に近い圧力とする。このとき、保持部材１０を図８の状態から図９の状態（Ｖ₃、Ｐ₃）に移動しようとすると、摩擦力Ｒ₂がピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力として働く。

さらに、シリンダ内部容積はＶ₂からＶ₃に増加するため、シリンダ内部の圧力は、Ｖ₂／Ｖ₃倍に減少する（例えば、Ｖ₂／Ｖ₃＝０．１Ｐ₂＝１気圧とすると、シリンダ内部の圧力はＰ₃＝０．１気圧となる）。このようにシリンダ内部の圧力が減少すると、ピストンヘッド１３にはシリンダ内部の圧力より大きい大気圧がピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力として働く。この結果、ピストンヘッド１３には摩擦力Ｒ₁と大気圧とがピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力として働くためピストンヘッド１３の移動が阻止される。

なお、図７に示す本実施形態の保持部材１０において大気圧がピストンヘッド１３の移動を阻止する移動阻止力として働くことを確認するため、図７の保持部材１０と、図７の保持部材１０の底壁１１のみを除去した比較例の保持部材を作製した。そして本実施形態の保持部材１０と比較例の保持部材に外力を与えて「伸長状態」から「屈曲状態」にするためピストンをシリンダ内を移動させた後、「屈曲状態」のピストンに対してピストンがシリンダの入口方向に移動するように外力（図７の外力と反対方向）を与えてピストンの移動開始時の外力の大きさを比較した。その結果、本実施形態の保持部材１０の移動開始時の外力は比較例の保持部材の移動開始時の外力よりも大きいことがわかった。このことから、本実施形態の保持部材１０では上記説明した大気圧がピストンの移動を阻止する移動阻止力として効果的に作用することが確認できた。

このように、本実施形態の保持部材１０は、「屈曲状態」にあるピストンをそのまま放置しても「屈曲状態」のピストンがシリンダ内を移動して「伸長状態」に戻ろうとすると、ピストンの移動を阻止する移動阻止力として摩擦力、大気圧、圧縮応力がピストンに働くため、この移動阻止力によってピストンの移動が阻止される。そのため本実施形態の関節部材は、長期間にわたり「屈曲状態」（膝や肘等を曲げたままの状態）を安定して保持することができる。

本発明の関節部材を用いた人形体の一例を示す外観構成を示す斜視図である。 本発明の関節部材の外観を示す正面図である。 本発明の関節部材の「伸長状態」における内部構造を示す略正面図である。 本発明の関節部材の最大の「屈曲状態」における内部構造を示す略正面図である。 本発明の関節部材の組立方法を説明する図である。 本発明の関節部材の最大の「屈曲状態」における内部構造を示す斜視図である。 本発明の関節部の保持部材の「伸長状態」における内部構造を示す断面図である。 本発明の関節部の保持部材の最大の「屈曲状態」における内部構造を示す断面図である。 本発明の関節部の保持部材が最大の「屈曲状態」から「伸長状態」に戻ろうとするときの内部構造を説明する図である。

符号の説明

１０ 保持部材
１１ 底壁
１２ シリンダ
１３ ピストンヘッド
１４ ピストン
１５ ピストン基部
１６ ピストンロッド
１７−１ ピストン突起部
１７−２ ピストン突起部
１８−１ シリンダ突起部
１８−２ シリンダ突起部
１９ 側壁
２０ 隙間
３０ 第１部材
３１ 第１部材の回転軸
３２ ピストン係合部
３３ 固定部
４０ 第２部材
４１ シリンダ係合部
４２ 固定部
１００ 人形体

Claims (5)

1. 人形体の関節部材であって、
   第１部材と、
   前記第１部材に回転可能に連結される第２部材と、
   前記第１部材に回転可能に接続されるピストンと、
   前記第２部材に回転可能に接続され、前記ピストンを前記ピストンの往復移動を可能に収容する、片端部が閉じられているシリンダと、
   を有し、
   前記ピストンと前記シリンダとは弾性率が異なる弾性材料で製造されていることを特徴とする人形体の関節部材。
2. 前記ピストンの先端部が前記シリンダの内径と略等しい外径を有し、
   前記ピストンの先端部以外の前記シリンダに収容可能な部分が前記シリンダの内径よりも小さい外径を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の人形体の関節部材。
3. 前記弾性材料が合成樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の人形体の関節部材。
4. 前記ピストンはＡＢＳ樹脂で形成され前記シリンダはポリエチレン樹脂で形成されている、または前記ピストンはポリエチレン樹脂で形成され前記シリンダはＡＢＳ樹脂で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の人形体の関節部材。
5. 関節部が請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の関節部材を使用して形成されていることを特徴とする人形体。

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