JP5750751B2 - 足裏滑り検出装置およびインソール - Google Patents

Description

本発明は、歩行時の履き物内部における足裏の滑りを検出する足裏滑り検出装置およびこの足裏滑り検出装置を備えたインソールに関する。

靴は、足を外傷から保護する機能を備えるとともに、足に適度にフィットすることが求められる。足が靴に適度にフィットしていないと、装着時間が長くなるに従い、足の動きが靴に充分に伝わらず、その結果、エネルギーロスして運動量が疲労として蓄積する。そのうえ、歩行時に足が靴の中で一定の場所にとどまらず、例えば進行方向であるつま先側へ向かって滑ることで、摩擦により足の皮膚と靴とが擦れ合って、靴擦れなどの足の怪我を起こすおそれもある。

そのため、足にフィットした靴を選ぶことはエネルギーロスや足の障害を引き起こすことのない適切な歩行を行ううえで重要である。そこで、靴の中敷きに圧力センサを組み込み、歩行時の足裏の様々な部分に荷重される圧力（足底圧）の分布をリアルタイムで測定することにより、その測定結果から歩行動作を解析して、靴が足にフィットしているか否かを評価することが行われている（例えば、非特許文献１参照）。

細長喜久代他，「靴と足との滑り摩擦計測法」（日本家政学会誌，５０（５）ｐｐ．５０３−５０８，１９９９）

しかしながら、靴が足にフィットするかの評価を行うに際しては、歩行時における靴内部での足の状態（滑りの発生の有無など）を把握する必要があるところ、上記した特許文献１に記載技術のように、歩行時の足底圧の分布を計測するだけでは、足の滑りなど、靴内部における足の状態については把握することができない。そのため、上記した特許文献１に記載技術では、靴が足にフィットしているかどうかを評価するためには不十分である。

本発明は、上記した問題に着目してなされたもので、歩行時の靴内部における足の滑りを計測することが可能な足裏滑り計測装置およびこの足裏滑り検出装置を備えたインソールを提供することを目的とする。

本発明の前記目的は、本発明の前記目的は、足裏の所定領域に接するように履き物またはインソールに固定されるセンサ部を備え、前記センサ部に対する荷重のかかり方により履き物内部における歩行時の足裏の滑りを検出する足裏滑り検出装置であって、前記センサ部は、履き物またはインソールの足の中足骨の骨頭部が当たる位置に固定され、前記センサ部は、基布に複数のパイルが立設されたパイル布帛からなり、前記パイル布帛は、弾性糸からなる芯糸に導電性を有する巻糸を巻き付けてなるカバリング糸を織り成すことにより形成され、前記巻糸は、導電性繊維と非導電性繊維とを混紡することによって、伸縮に応じて電気抵抗値が変化する感圧導電性糸により構成され、前記パイルの変形に伴う前記巻糸の伸縮に基づいた前記パイル布帛の電気抵抗値の変化を計測する計測手段をさらに備える足裏滑り検出装置により達成される。

本発明の好ましい実施態様においては、前記巻糸は、前記芯糸に２重に巻き付けられており、１重目と２重目の巻き方向が逆方向であることを特徴としている。

また、本発明の前記目的は、上述した足裏滑り検出装置を備えたインソールにより達成される。

本発明の足裏滑り検出装置およびインソールによれば、歩行時の靴内部における足の滑りを計測することができる。

本発明の一実施形態に係る足裏滑り検出装置の概略構成図である。 パイル布帛の概略構成図である。 カバリング糸の概略構成図である。 巻糸の内部構成を示す断面図である。 巻糸に作用させる張力（荷重）と電気抵抗値との関係を一例として示す図である。 図５に示す測定に用いた計測回路の構成図である。 巻糸に作用する荷重と巻糸の伸び率の関係を一例として示す図である。 カバリング糸の伸び率と電気抵抗値との関係を一例として示す図である。 パイル布帛を履き物のインソールに取り付けた状態を示す写真である。 パイル布帛の電気抵抗値を計測するのに用いた計測回路の構成図である。 歩行時に計測したパイル布帛の電気抵抗値の計測波形の一部分を示すグラフである。 一歩分のパイル布帛の電気抵抗値の計測波形とフットスイッチの出力波形とを合わせたグラフである。 実験１において計測したパイル布帛の電気抵抗値の計測波形の平均を示すグラフである。 実験２において計測したパイル布帛の電気抵抗値の計測波形の平均を示すグラフである。 図１３に示すグラフと図１４に示すグラフとを合わせたグラフである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る足裏滑り検出装置１の概略構成を示す。図示例の足裏滑り検出装置１は、主要な構成として、人の足裏の所定領域に接するように履き物１０の底面（またはインソール）に取り付けられるセンサ部２と、センサ部２に接続される計測装置３とを備えている。

センサ部２は、弾性を有する芯糸に導電性を有する巻糸を巻き付けてなるカバリング糸４（図３に示す）を織り成すことにより形成されており、図２に示すように、面状の基布２１に複数のパイル２２が立設されたパイル布帛２０により構成されている。

カバリング糸４は、本実施形態では、図３に示すように、ポリウレタンなどの弾性糸からなる芯糸４０に、巻糸４１，４２が２重に巻き付けられており、１重目の巻糸４１の巻き方向に対し、２重目の巻糸４２の巻き方向が逆方向となるように構成されている。カバリング糸４の製法については、従来のダブルカバリング糸と同様である。

巻糸４１，４２は、ステンレスなどの導電性繊維と、ポリエステルなどの非導電性繊維とを混紡することにより得られたものであり、例えば、特開２００３−２０５３８号公報に開示されたものを好ましく用いることができる。このような構成を有する巻糸４１，４２は、張力（荷重）が加わっていない状態では、図４（Ａ）に示すように、導電性繊維４３と非導電性繊維４４とが隙間を介して混在しており、電気は導電性繊維４４ごとに流れるので、電気抵抗値は大きい値となる。これに対して、巻糸４１，４２に張力が作用すると、図４（Ｂ）に示すように、巻糸４１，４２全体が収束するので、導電性繊維４３同士が接触し、導電性繊維４３の密度が高くなることによって電気抵抗値が低くなる。また、巻糸４１，４２に作用する張力が小さくなると、再び導電性繊維４３の密度が低くなって電気抵抗値が高くなる。すなわち、巻糸４１，４２に作用する張力（荷重）の変化に伴い、導電性繊維４３同士が接触してその密度が変化するため電気抵抗値が変化する性質を有している。

本発明に係る足裏滑り検出装置１では、上記構成の巻糸の性質を利用しており、センサ部２を上記構成の巻糸を用いて構成し、歩行時のセンサ部２の電気抵抗値の変化を計測することで、歩行時にセンサ部２にどの程度の大きさの荷重が作用しているかを検出し、この荷重の大きさにより、履き物１０の内部で、足裏の滑りが起きているかどうかを検出している。

つまり、履き物１０が足にフィットしている場合には、足が着地する際、センサ部２には足裏（の所定領域）の踏み付けにより大きな荷重がかかるため、巻糸４１，４２が大きく変形し、その分、電気抵抗値も大きく変化する。これに対して、履き物１０が足にフィットしていない場合には、歩行時に足が着地する際、履き物１０内部で足裏の滑りが生じ、この足裏の滑りによって、センサ部２が受ける荷重が小さくなる。そのため、巻糸４１，４２の変形量は、履き物１０が足にフィットしている場合と比較すると小さくなる。この巻糸４１，４２の変形量の差が、センサ部２の電気抵抗値の変化に表れるため、歩行時のセンサ部２の電気抵抗値の変化を計測することで、足裏の滑りを検出することが可能となっている。

図５は、上記構成の巻糸に作用する張力（荷重）と電気抵抗値の関係を、一例として示す図である。図５では、巻糸は弾性に乏しく、試行ごとに糸が伸びきって不可逆的な変形を起こすため、１試行に１本、計５本の巻糸について実際に測定した結果を示している。巻糸には、混紡率がポリエステル繊維７０％、ステンレス繊維３０％のものを使用し、長さ３００ｍｍの巻糸の先端に重りを吊るしたときの巻糸の抵抗値の変化を、図６に示す計測回路を用いて測定した。図６において、Ｖｃｃは定電圧（５Ｖ）、Ｒ１は金属皮膜抵抗（１ｋΩ）、Ｒｘは測定対象となる巻糸の抵抗であり、ＶｃｃをＲ１およびＲｘで分圧したときの出力電圧Ｖｏｕｔから、Ｒｘの電気抵抗値を算出した。重りには水を使用し、５ｇずつ１５０ｇまで増加させた。また、出力電圧Ｖｏｕｔの計測は、携帯型オシロスコープ（ＺＲ−ＭＤＲ１０、ＯＭＲＯＮ社）を使用して行い、サンプリングレートは２００Ｈｚとした。

図５に示すように、荷重の大きさが約４０ｇ以下の場合には、いずれの巻糸についても、荷重の増加に伴い電気抵抗値は大きく低下していることから、巻糸に作用する張力と電気抵抗値の間に相関関係を有することがわかる。これに対し、荷重の大きさが４０ｇより大きくなると、荷重を増加させても、いずれの巻糸についても電気抵抗値がほとんど変化していないため、電気抵抗値の変化を計測しても巻糸に作用する荷重の大きさが一意的に定まらない。

図７は、巻糸に作用する荷重と巻糸の伸び率の関係を、一例として示す図である。伸び率は、巻糸の自然長を１００％としたときの値で示している。荷重と電気抵抗値との間に良好な相関を有する荷重が４０ｇ以下の条件は、図７に示すように、１％以下の微小な伸び率に相当する。そのため、この巻糸をセンサ部２に用いるためには、より大きな荷重がセンサ部２にかかっても、巻糸が伸び率１％以下で微小変形して、巻糸の電気抵抗値が明確に変化するようにする必要がある。

そこで、本実施形態では、上記性質を有する巻糸４１，４２を、弾性糸からなる芯糸４０に巻き付けてカバリング糸４を構成し（図３参照）、このカバリング糸４によりセンサ部２を構成している。これにより、足裏からの荷重によりカバリング糸４に大きな張力が作用して芯糸４０の伸び率が大きくなった場合でも、これに巻き付けられた巻糸４１，４２の伸び率は相対的に抑制することができる。したがって、カバリング糸４の全体の伸びを、巻糸４１，４２の微小変形として検出することが可能であり、これにより、歩行時にセンサ部２に足裏から大きな荷重がかかっても、センサ部２に作用する荷重の大きさを的確に検出することが可能となっている。

図８は、本実施形態のカバリング糸４について、伸び率と電気抵抗値の関係を一例として示す図である。カバリング糸４の初期長さは１００ｍｍとし、伸び率は２０％まで４％ずつ計測した。電気抵抗値の測定方法は、上述した巻糸単体の場合と同様であり、１本のカバリング糸４に対して３回の試行を行った。

図８に示すように、カバリング糸４の伸び率が２０％に至るまで電気抵抗値は継続的に変化しており、図２および図４に示す巻糸単体の結果と比較して、糸全体でより大きな伸び率の変化を電気抵抗値の変化として検出可能であることがわかる。

また、図８に示すカバリング糸４の結果では、図２に示す巻糸単体の結果と比較して、試行ごとの電気抵抗値のばらつきが小さいことがわかる。これは、カバリング糸４では、巻糸４１（４２）を芯糸４０に巻き付けることで、巻糸４１（４２）同士が接触して導電性繊維４３同士の接点密度が増加することにより、巻糸単体のものと比較して感度（電気的性能）が向上したためであると考えられる。

また、本実施形態では、カバリング糸４は、巻き方向が互いに逆方向である２重の巻糸４１，４２を芯糸４０に巻き付けて構成されているため、トルクの相殺による糸の安定化が得られるとともに、一重目の巻糸４１と二重目の巻糸４２との接触によって、導電性繊維４３同士の接点密度がさらに増加することから、単一（１重）の巻糸を使用する場合に比べて感度が向上する。ただし、芯糸に巻き付ける巻糸は、単一のものであってもよく、この場合も、芯糸に対する巻糸の伸びを抑制することが可能である。

また、芯糸４０に伸縮性を持つ素材を使用したカバリング構造にすることにより、芯糸４０が安定した伸縮性を担うのでヒステリシスを低減することも可能となっている。

本実施形態では、上記構成のカバリング糸１を織り成すことで、図２に示すようなパイル布帛２０を形成し、このパイル布帛２０によりセンサ部２を構成している。パイル布帛２０は、面状の基布２１に複数のパイル２２が立設された形状のものである。

センサ部２をパイル布帛２０により構成することで、歩行時の足裏からの荷重により、パイル布帛２０の各パイル２２が変形し、これに伴い、カバリング糸４が伸縮して、巻糸４１，４２が微小変形を起こす。この巻糸４１，４２の変形量が、パイル布帛２０の電気抵抗値の変化として現れるため、パイル布帛２０の電気抵抗値の変化を計測することで、パイル布帛２０に作用する荷重の大きさを検出でき、その結果、歩行時の足裏の滑りを検出することができる。

また、各パイル２２の変形により、パイル２２同士が接触することによって、巻糸４１，４２の導電性繊維４３同士が接触して接点密度がさらに増加することから、センサ部２としての感度をより向上することができ、試行ごとに計測される電気抵抗値のばらつきを抑制することができる。

パイル布帛２０は、履き物１０の底面やインソールなどに対して縫い付けや埋め込みなどにより装着される。パイル布帛２０の大きさは、例えば約５０×４０（ｍｍ）程度であり、各パイル２２の長さＨは１ｍｍ〜６ｍｍ程度が好ましい。このパイル布帛２０は、履き物１０やインソールに対して、例えば、歩行時の足の踏み込みにより、足裏からの荷重が大きくかかる足の中足骨の骨頭部が当たる位置に取り付けられるのが好ましい。なお、その他にも、足の踵が当たる位置など、足裏が接する領域であれば、任意の箇所に装着することも可能である。

図１に戻って、計測装置３は、本実施形態では、パイル布帛２０の電気抵抗値に応じた出力値を取り出す計測回路３０と、前記出力値を測定する測定機器３１と、前記出力値からパイル布帛２０の電気抵抗値を算出して電気抵抗値の変化を計測するＰＣなどの情報処理装置３２とから構成されている。

次に、図２に示したパイル布帛２０からなるセンサ部２を、実際に履き物のインソール１１（図９に示す）に装着して、履き物内部における足裏の滑りを検出した。パイル布帛２０は、大きさが５０×４０（ｍｍ）、パイル布帛２０の長さが５．５ｍｍのものを使用し、図９に示すように、インソール１１の足の中足骨の骨頭部が当たる位置に取り付けた。パイル布帛２０は金属製のコネクタからなる電極１２，１２を介して図１０に示す計測回路３０に電気的に接続されており、計測回路３０により、歩行時のパイル布帛２０の電気抵抗値を測定した。図１０において、Ｖｃｃは定電圧（５Ｖ）、Ｒ１´は金属皮膜抵抗（２２Ω）、Ｒｙは測定対象となるパイル布帛２０の抵抗である。Ｖｃｃは可変電圧レギュレータ（ナショナルセミコンダクター社製の低ドロップアウト正出力電圧レギュレータ「ＬＭ１０８６」）に接続されており、３．３Ｖの定電圧をＲ１´およびＲｙで分圧したときの出力電圧Ｖｏｕｔ１を計測することにより、Ｒｙの電気抵抗値を算出した。出力電圧Ｖｏｕｔ１の計測は、携帯型オシロスコープ（ＺＲ−ＭＤＲ１０、ＯＭＲＯＮ社）などの測定機器３１を使用して行い、サンプリングレートは２００Ｈｚとした。この出力電圧Ｖｏｕｔ１を、情報処理装置３２に入力して、Ｒｙの電気抵抗値を算出し電気抵抗値の変化を計測した。

上記したパイル布帛２０を取り付けたインソール１１を一般的に市販されている運動シューズの中に敷き、トレッドミル上で被験者による歩行を行い、歩行時のパイル布帛２０の電気抵抗値の変化を計測した。トレッドミルの速度は２ｋｍ／ｈで、３００歩分のデータを計測した。また、運動シューズ内部で足裏が滑る状況と滑らない状況を作るため、裸足で運動シューズを履いた状態での歩行実験（実験１）、および、ナイロン生地のストッキングの上から運動シューズを履いた状態での歩行実験（実験２）の２通りの条件で歩行実験を行った。

なお、運動シューズの踵および爪先には、図示は省略しているが、歩行の解析に必要なトゥーオフ（ＴＯ：爪先の離地）およびヒールコンタクト（ＨＣ：踵の接地）のタイミングを検出するためにフットスイッチを取り付けた。フットスイッチは荷重によってスイッチがＯＮされると、ＯＮしている間３．３Ｖの定電圧が出力されるようになっている（図１０参照）。この出力電圧Ｖｏｕｔ２，Ｖｏｕｔ３の計測は、携帯型オシロスコープ（ＺＲ−ＭＤＲ１０、ＯＭＲＯＮ社）を使用して行い、サンプリングレートは２００Ｈｚとした。

図１１は、計測された３００歩分のパイル布帛２０の電気抵抗値の計測波形（実験２）から、前後５０歩分のデータを除き、カットオフ周波数が０．２Ｈｚのハイパスフィルタを用いて電気抵抗値のドリフトを除去した計測波形の一部を示している。横軸に時間［ｓｅｃ］を、縦軸に抵抗値変化［Ω］を、それぞれ示す。なお、抵抗値変化とは、所定の荷重がパイル布帛２０に加えられたときの電気抵抗値を「０」とした場合の、各電気抵抗値の算出量を示す。

図１２は、ある任意の１歩について、パイル布帛２０の電気抵抗値の計測波形と前記フットスイッチのＯＮ操作により計測された出力電圧とを重ねた結果を示している。なお、図１２において、横軸は時間［ｓｅｃ］を、縦軸の一軸目は抵抗値変化を、縦軸の二軸目はフットスイッチの出力電圧を、それぞれ示している。

前記フットスイッチによるトゥーオフ（ＴＯ）およびヒールコンタクト（ＨＣ）の計測結果によると、パイル布帛２０の電気抵抗値の変化の一つ目の立ち下がり位置がトゥーオフ（ＴＯ）として、二つ目の立ち上がりをヒールコンタクト（ＨＣ）として、それぞれ示された。これにより、トゥーオフ（ＴＯ）からヒールコンタクト（ＨＣ）の間が遊脚期を、ヒールコンタクト（ＨＣ）からトゥーオフ（ＴＯ）の間が立脚期を、それぞれ示すことが分かる。

次に、実験１および実験２のそれぞれの計測波形について、連続した５０歩分のデータを抽出して、各データの時間間隔を揃えて１歩分の時間を１００％とし、１歩ずつ重ねて５０歩分の平均値を算出した。また、抵抗値変化については、最小値を０％、最大値を１００％として正規化した。実験１および実験２のそれぞれについての計測結果を図１３および図１４に示す。また、両実験１，２の計測結果を重ねた結果を図１５に示す。

図１５を参照して、実験１の計測結果と実験２の計測結果とを比較すると、立脚期のヒールコンタクト（ＨＣ）からフットフラット（ＦＦ）までの間において、計測波形が異なる挙動を示すこと、つまり、実験１の計測波形はほぼ直線形状になっているのに対し、実験２の計測波形では内に凹んだなだらかな形状になっていることが分かる。特に、時間域が６７％から８６％の間の領域Ａでは、図１３および図１４に示すように、実験２（ストッキングの上から運動シューズを履いた状態）の計測波形の形状は、実験１（裸足で運動シューズを履いた状態）の計測波形の形状と比べて傾斜がゆるやかになっており、該領域Ａにおける各計測波形の線形近似線を描くと、この線形近似線の傾きα，βが、実験１ではα＝−１．７７、実験２ではβ＝−１．１６であった。この領域Ａでは、線形近似線の傾きが実験１（α）よりも実験２（β）の方が小さく、実験２ではパイル布帛２０（センサ部２）の電気抵抗値の変化が小さくなっていることが分かる。

これにより、歩行時の着地の際には、足の踵が接地（ＨＣ）した後、中足骨に当たる位置の接地を経てフットフラット（ＦＦ）の状態に至るが、実験１では、足の中足骨に当たる位置が接地する際、足裏の滑りが生じず、センサ部２が足裏（足の中足骨に当たる位置）によりしっかりと踏み付けられるために、パイル布帛２０の各パイル２２（巻糸４１，４２）が大きく変形して、パイル布帛２０の電気抵抗値が大きく変化することが確認された。

これに対し、実験２では、足の中足骨に当たる位置が接地する際に、履き物の内部で滑りが起こり、この滑りによってセンサ部２が足裏によりしっかりと踏み付けられないために、センサ部２にかかる荷重が小さくなった結果、パイル布帛２０の各パイル２２の変形量、すなわち、巻糸４１，４２の変形量が小さくなり、パイル布帛２０の電気抵抗値の変化が小さくなることが確認された。

上記の結果から、感圧導電性糸を用いたカバリング糸４を織り成すことにより形成したパイル布帛２０を履き物１０内に組み込み、歩行時のパイル布帛２０の電気抵抗値の変化を計測することにより、履き物１０内部における足裏の滑りを計測することが可能であることが確認された。

本発明の足裏滑り検出装置１では、センサ部２がパイル布帛２０で構成されているために軽量で薄く、履き物１０内の装着箇所を選ばずに用いることが可能である。また、センサ部２の装着箇所を容易に変更することができ、履き物１０内の複数箇所に装着することも可能である。これにより、歩行時の履き物１０内部における足裏の動きをより詳細に解析することができる。本発明の足裏滑り検出装置１は、履き物１０内部における足裏の滑りを計測することが可能であることから、足裏が内部で滑らない履き物、靴下、履き物に用いるインソールなどの開発用途に特に適している。

１ 足裏滑り検出装置
２ センサ部
３ 計測装置
４ カバリング糸
１０ 履き物
１１ インソール
２０ パイル布帛
２１ 基布
２２ パイル
４０ 芯糸
４１，４２ 巻糸
４３ 導電性繊維
４４ 非導電性繊維

Claims (3)

1. 足裏の所定領域に接するように履き物またはインソールに固定されるセンサ部を備え、
   前記センサ部に対する荷重のかかり方により履き物内部における歩行時の足裏の滑りを検出する足裏滑り検出装置であって、
   前記センサ部は、履き物またはインソールの足の中足骨の骨頭部が当たる位置に固定され、
   前記センサ部は、基布に複数のパイルが立設されたパイル布帛からなり、
   前記パイル布帛は、弾性糸からなる芯糸に導電性を有する巻糸を巻き付けてなるカバリング糸を織り成すことにより形成され、
   前記巻糸は、導電性繊維と非導電性繊維とを混紡することによって、伸縮に応じて電気抵抗値が変化する感圧導電性糸により構成され、
   前記パイルの変形に伴う前記巻糸の伸縮に基づいた前記パイル布帛の電気抵抗値の変化を計測する計測手段をさらに備える足裏滑り検出装置。
2. 前記巻糸は、前記芯糸に２重に巻き付けられており、１重目と２重目の巻き方向が逆方向である請求項１に記載の足裏滑り検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の足裏滑り検出装置を備えたインソール。

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