JP6405293B2

JP6405293B2 - 義足用板バネ

Info

Publication number: JP6405293B2
Application number: JP2015158950A
Authority: JP
Inventors: 美文宮田; 大森　一寛; 一寛大森; 憲二郎北; 大輔古川; 学後藤; 篤至浜田
Original assignee: Mizuno Corp; Imasen Engineering Corp
Current assignee: Mizuno Corp; Imasen Engineering Corp
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: JP2017035324A

Description

本発明は、義足用板バネに関する。

従来、板バネを有する義足が知られている。特開２０１１−１８２８８１号公報には、端部が挿入されるソケットと、下腿部および足部を構成する板バネとを有する競技用義肢が開示されている。板バネは、直線状に延びる直線部と直線部に対して前方に湾曲した曲線部とを有している。また、米国特許第５，７６６，２６５号明細書には、板バネとして構成されている前足部と踵部とを有し、これらが取り外し可能に接続されている義足が開示されており、一部が製品化されている。

特開２０１１−１８２８８１号公報米国特許第５，７６６，２６５号明細書

しかしながら、本願発明者らが鋭意研究した結果、従来の競技用義足に用いられる義足用板バネは、着地時に後転（仰向け回転）方向に力を生じさせるために着用者は着地点を乗り越えて行きづらかったり、また、直線部が鉛直方向に対する傾斜角を増していく蹴り出し動作時において水平方向（進行方向）の剛性が低下し、蹴り出し時に進行方向に十分な力を生じさせていないため着用者は十分な推進力を得ることができていなかったりといった課題が確認された。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、着地点を乗り越えて行きやすく、蹴り出し時に十分な推進力を得ることができる義足用板バネを提供することにある。

本発明に係る義足用板バネは、直線部と、直線部と連なり進行方向に延びる曲線部とを備える。曲線部は、直線部を鉛直方向から進行方向の後方に１０度傾けたときに水平面に接する接地点と、接地点よりも前方に位置する前方端部とを含む。接地点は、直線部との距離が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下にある領域と直線部の中心線が延びる方向において重なっている。接地点と前方端部との距離Ｌ２は９０ｍｍ以上である。接地点と前方端部との間に位置する部分の曲率半径は２５０ｍｍ以上である。前記第２部分を前記水平面上に載置しかつ前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記第１部分から見て前記先端部が位置する方向と反対方向に１０度傾けられた状態において、前記第１部分に固定されている剛体中の、前記延在方向に対して垂直な方向における前記第１部分の端部からの距離が１０５ｍｍであって、かつ鉛直方向における前記水平面からの距離が４４０ｍｍである点に対して鉛直方向に荷重が印加されたときに、前記点は前記反対方向に変位しない。

本発明に依れば、着地時に後転（仰向け回転）方向への力の発生が抑制されているため着地点を乗り越えて行きやすく、また、蹴り出し時に十分な推進力を得ることができる義足用板バネを提供することができる。

実施の形態１に係る義足用板バネを説明するための側面図である。実施の形態２に係る義足用板バネを説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネの変形例を説明するための側面図である。実施例における試料２〜４の義足用板バネを説明するための側面図である。実施例における解析モデルを説明するための図である。実施例における境界条件を説明するための図である。実施例において、第１の荷重条件での解析結果（ｙ方向変位量）を示すグラフである。実施例において、第１の荷重条件での解析結果（ｚ方向変位量）を示すグラフである。実施例において、第２の荷重条件での解析結果（変位絶対量）を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、実施の形態１に係る義足用板バネ１０について説明する。図１は、義足用板バネ１０の側面図である。義足用板バネ１０の側面とは、義足用板バネ１０を着用した着用者を側面視したときに確認される面である。図１において、義足用板バネ１０が着用者に着用されたときの進行方向は、たとえば紙面に向かって右方向である。義足用板バネ１０は、着用者の足に接続され固定される第１部分１と、着用者による走行時に地面（たとえば水平面）に接触する接地部分を含む第２部分２とを備える。

第１部分１は平板（直方体）状に設けられている。第１部分１の短手方向（図１の紙面に対し垂直な方向）における幅はたとえば一定である。第１部分１の厚みＷはたとえば一定である。第１部分１は、長手方向（図１中の中心線Ｃが延びる方向、以下単に第１部分１の延在方向という）における一方の端部が第２部分２と接続されている。第１部分１は、着用者の足（下腿または大腿）を収容可能なソケット（図示しない）などを組み付け可能に設けられている。このとき、着用者の荷重線（中心軸線Ａ）は、たとえば第１部分１の延在方向に対して進行方向側に垂直な方向（以下、単に垂直な方向ともいう）における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下であり、かつ当該第１部分１の延在方向に沿って延びるように設定される。なお、着用者の荷重線（中心軸線Ａ）は、着用者の下腿または大腿の中心を通るため、着用者の体格（特に下腿または大腿の太さ）および下腿または大腿に接続されるソケットの寸法に応じて変化するものである。つまり、第１部分１の延在方向に対して進行方向側に垂直な方向における第１部分１と着用者の荷重線（中心軸線Ａ）との距離Ｌ３は、義足用板バネ１０およびソケットなどを含めた義足全体のアライメントに応じて変化するものであり、たとえば義足用板バネ１０とソケットとを組み付ける際に行われる一般的な組み付け調整を行ったときには、９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下の範囲内となる。

第２部分２は、第１部分１の延在方向に対して交差する方向に延びる先端部３と、先端部３よりも後方において先端部３と連なる中間部４と、中間部４と第１部分１とを接続している後方部５とを含む。先端部３は、第１部分１の延在方向に対して交差する方向に延びている。先端部３の一端は、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態（第１部分１の中心線Ｃを鉛直方向に沿って配置した状態）から第１部分１から見て先端部３が位置する方向ＦＷと反対方向ＢＫ（以下、単に反対方向ＢＫという）に１０度傾けたときに水平面に接する接地点Ｇ（以下、単に接地点Ｇという）である。異なる観点から言えば、図１に示されるように、接地点Ｇは、第１部分１を鉛直方向に沿って配置しかつ水平面Ｓ１に接触させた状態において、水平面Ｓ１に対し第１部分１から見て先端部３が位置する方向ＦＷに１０度傾斜した面Ｓ２と第２部分２とが接する点である。先端部３の他端は、接地点Ｇよりも第２部分２の先端側（前方）に位置する前方端点３Ｅである。先端部３は、接地点Ｇから前方端点３Ｅまで延びるように形成されている。

第１部分１の延在方向に対して進行方向側に垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は、たとえば９０ｍｍ以上である。好ましくは、当該距離Ｌ１は１００ｍｍ以上であり、より好ましくは当該距離Ｌ１は１１０ｍｍ以上である。

このとき、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１の中心線Ｃから第２部分２の前方端点３Ｅまでの距離Ｌｆに対する、当該垂直な方向における第２部分２の接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１の比率は４７％以上であり、好ましくは５３％以上である。

先端部３は、曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有している。先端部３は、たとえば、図１に示すような側面視において、接地点Ｇから前方端点３Ｅまでの全体が曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分（進行方向に沿った断面が円弧状の部分）として設けられている。先端部３の曲率中心Ｏは、先端部３よりも鉛直方向の上方に設けられている。なお、先端部３は、その一部が曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分として設けられていてもよい。先端部３において曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分は、少なくとも接地点Ｇから第２部分２の先端側（方向ＦＷ側）に位置する１点（第２部分２中の１点）まで連なるように設けられていればよい。この場合、先端部３において接地点Ｇから当該１点までの間に位置する部分は、先端部３よりも鉛直方向の上方に位置する曲率中心Ｏを有し、かつ曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である。また、先端部３において当該１点から前方端点３Ｅまでの間に位置する部分は、義足用板バネ１０を側面視したときに、上記曲率中心Ｏを中心とした曲率半径Ｒの円の内部に位置するように設けられていればよい。前方端点３Ｅを含む部分は、接地点Ｇを含み曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分と異なる曲率半径および曲率中心を有する部分として設けられていてもよい。たとえば、前方端点３Ｅは、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態において、接地点Ｇを含み曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分（先端部３において接地点Ｇから上記１点までの間に位置する部分）よりも鉛直方向上方に突出するように設けられていてもよい。このような場合、先端部３において接地点Ｇを含み曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分の上記方向ＦＷにおける長さが、上述した距離Ｌ３の条件を満足するように設けられていればよい。

中間部４は、接地点Ｇよりも後方側において先端部３と連なるように設けられている。中間部４は、第２部分２において、接地点Ｇを通って第１部分１の延在方向に延びる線分Ｂと重なる部分から第１部分１の中心線Ｃと重なる部分との間に位置する部分である。つまり、中間部４は、図１に示すような側面視において、接地点Ｇから第１部分１の中心線Ｃと重なる部分まで延びる第２部分２の一部である。中間部４は、第１部分１の延在方向に対して交差する方向に延びるように設けられている。中間部４において接地点Ｇに連なる部分は、先端部３（少なくとも接地点Ｇを含み曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分）と曲率中心および曲率半径Ｒが同一である。すわなち、先端部３および中間部４において接地点Ｇの近傍に位置して互いに連なる部分は、曲率中心Ｏに対して曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分として設けられている。中間部４において中心線Ｃと重なる部分は、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態において、先端部３の前方端点３Ｅよりも鉛直方向上方に位置している。中間部４は、たとえば先端部３よりも大きい曲率半径を有する部分、または第１部分１の延在方向に対して交差する方向に直線状に延びる直線部分を有している。第１部分１の延在方向に対して垂直な方向ＦＷにおける中間部４の長さＬ２（当該垂直な方向における線分Ｂと中心線Ｃとの距離）は、当該垂直な方向ＦＷにおける第１部分１と中心軸線Ａとの距離Ｌ３よりも長くなるように設けられている。異なる観点から言えば、義足用板バネ１０は、接地点Ｇを通って第１部分１の延在方向に延びる線分Ｂが、着用者の荷重線Ａよりも前方に位置するように形成されている。上記方向ＦＷにおける当該荷重線Ａと線分Ｂとの間隔は、たとえば３０ｍｍ以下であり、好ましくは１０ｍｍ以下であり、より好ましくは、０ｍｍである（つまり上記方向ＦＷにおいて当該荷重線Ａと線分Ｂとは重なっていてもよい）。第１部分１の延在方向に対して進行方向側に垂直な方向ＦＷにおける中間部４の長さＬ２は、たとえば上記方向ＦＷにおける接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１よりも長く設けられている。

第２部分２は、第１部分１よりも上記反対方向ＢＫ（後方）に最後方頂点を有する後方部５をさらに含む。後方部５は、中間部４において中心線Ｃと交わる部分よりも後方側において中間部４と連なるように設けられている。さらに、後方部５は、第１部分１よりも後方側において第１部分１と連なるように設けられている。後方部５と第１部分１との境界は、図１に示すような側面視において、後方部５の中心線が第１部分１の中心線Ｃと重なり始める部分である。上記反対方向ＢＫにおける第１部分１の中心線Ｃから後方部５の最後方頂点までの距離Ｌｂは、たとえば５５ｍｍ以上である。このとき、上記垂直な方向ＦＷにおける第１部分１の中心線Ｃから第２部分２の前方端点３Ｅまでの距離Ｌｆに対する、上記反対方向ＢＫにおける第１部分１の中心線Ｃと後方部５の最後方頂点との距離Ｌｂの比率は、４０％以下である。

第２部分２の厚みは、第１部分１の厚みＷ以下となるように設けられている。第２部分２において中間部４および後方部５の厚みは、たとえば第１部分１の厚みＷから一定の割合で連続的に薄くなるように設けられている。また、第２部分２において先端部３の厚みは、たとえば接地点Ｇにおける厚みと一定となるように設けられている。なお、第２部分２において先端部３の厚みは、前方端点３Ｅから一定の割合で連続的に厚くなるように設けられていてもよい。また、先端部３の厚みは、前方端点３Ｅから第１部分１の延在方向に対して交差する方向に所定の距離だけ離れた部分までの厚みが一定であるとともに、当該部分から接地点Ｇまで一定の割合で連続的に厚くなるように設けられていてもよい。一方、第２部分２の幅は、たとえば第１部分１の幅と同等に設けられている。

義足用板バネ１０は、たとえば第１部分１および第２部分２が同一の材料で構成されている。義足用板バネ１０を構成する材料は、たとえば繊維強化樹脂（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）であり、特に、炭素繊維強化樹脂またはガラス繊維強化樹脂等が好適である。

次に、義足用板バネ１０を着用した着用者による走行動作（水平面上での着地から蹴り出しまで）について説明する。まず、着地時において、義足用板バネ１０は、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態から上記反対方向に５度以上１５度以下傾いた状態で水平面に接地される。この着地時における傾斜角θ（図１参照）は、走行速度に応じても変化し、速度が速いときには１５度により近い高角度となり、速度が遅いときには５度により近い低角度となる。つまり、着地時において義足用板バネ１０は、上記接地点Ｇまたは上記接地点Ｇの近傍であって接地点Ｇよりも前方または後方に位置する部分が接地される。

その後、義足用板バネ１０は、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態を経て、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態から前方に１０度以上２０度以下傾いた状態で接地された時に後方へ蹴り出される。この蹴り出し時における傾き角度Φは、走行速度に応じて変化し、速度が速いときには２０度により近い高角度となり、速度が遅いときには１０度により近い低角度となる。義足用板バネ１０において、着地後蹴り出しまでの間に水平面に接地される部分は、先端部３において着地時に設置される部分（傾斜角θが１０度のときは接地点Ｇ）と前方端点３Ｅとの間に位置する部分である。

このとき、義足用板バネ１０は、上記接地点Ｇが、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ当該延在方向に沿って延びる領域と第２部分２とが交わる部分に位置するように設けられている。そのため、上記接地点Ｇの近傍であって接地点Ｇよりも前方または後方に位置する近傍部分が接地された場合であっても、当該近傍部分は、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ当該延在方向に沿って延びる領域と、第２部分２とが交わる部分の近傍に位置している。ここで、着用者の荷重線（中心軸線Ａ）は、上述のように第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ当該延在方向に沿って延びる領域内に配置される。そのため、義足用板バネ１０は、着地時において着用者の荷重線Ａが接地点Ｇを通って第１部分１の延在方向に延びる線分Ｂよりも後方に位置するように設けられているが、当該荷重線Ａと線分Ｂとの間隔が従来の義足用板バネよりも短い。

本発明者らは、鋭意研究の結果、着地時において着用者の荷重線Ａが上記線分Ｂよりも後方に位置する場合には、着用者には着地後に後転（仰向け回転）させる方向に力が付与される（異なる観点から言えば、着地時に義足用板バネ１０に加えられる力の一部が推進力以外の反力として消費される）ため、上記荷重線Ａと線分Ｂとの間隔が長い従来の義足用板バネ（たとえば後述する試料２および試料３）では着地から蹴り出しまでの走行動作を効率的に行うことが困難であることを確認した。また、本発明者らは、実施の形態１に係る義足用板バネ１０および従来の義足用板バネから形状モデルを作成して当該形状モデルに基づいてＣＡＥ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析を行い、義足用板バネ１０が従来の義足用板バネと比べて着地から蹴り出しまでの走行動作を効率的に行い得ることを確認した（詳細は後述する）。

さらに、義足用板バネ１０は、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。また、先端部３は曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有する。そのため、義足用板バネ１０では、先端部３において着地から蹴り出しまでに変形される部分および蹴り出し時に水平面に接地されている部分を従来の義足用板バネ（たとえば後述する試料４）よりもより大きくすることができる。そのため、義足用板バネ１０によれば、たとえば義足用板バネ１０の構成材料を従来の義足用板バネを構成する材料と同等の材料を用いながらも、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態から前方に１０度以上２０度以下傾いた状態における水平方向への剛性の低下を抑制することができる。その結果、義足用板バネ１０によれば、蹴り出し時に十分な推進力を得ることができる。本発明者らは、実施の形態１に係る義足用板バネ１０および従来の義足用板バネから形状モデルを作成して当該形状モデルに基づいてＣＡＥ解析を行った。その結果、義足用板バネ１０が、第１部分１を鉛直方向に沿って配置した状態から前方に１０度以上２０度以下傾いた状態における水平方向への剛性の低下を抑制し得ることを確認した（詳細は後述する）。

（実施の形態２）
次に、図２を参照して、実施の形態２に係る義足用板バネ１１について説明する。義足用板バネ１１は、基本的には実施の形態１に係る義足用板バネ１０と同様の構成を備えるが、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向ＦＷにおける中間部４の長さＬ２（当該垂直な方向における線分Ｂと中心線Ｃとの距離）は、当該垂直な方向ＦＷにおける第１部分１と中心軸線Ａとの距離Ｌ３よりも短くなるように設けられている点で異なる。異なる観点から言えば、義足用板バネ１１は、接地点Ｇを通って第１部分１の延在方向に延びる線分Ｂが、着用者の荷重線Ａよりも後方に位置するように形成されている。

第１部分１の延在方向に対して進行方向側に垂直な方向ＦＷにおける中間部４の長さＬ２に対する、上記方向ＦＷにおける接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１の比率は、１００％以上であり、好ましくは１１０％以上であり、より好ましくは１４０％以上である。

このようにすれば、義足用板バネ１１は接地点Ｇ（線分Ｂ）が着用者の荷重線Ａよりも後方に位置するように設けられているため、着用者には着地後に後転（仰向け回転）させる方向に力が付与されない（異なる観点から言えば、着地時に義足用板バネ１０に加えられる力の一部が推進力以外の反力として消費されない）。そのため、上記荷重線Ａが線分Ｂよりも後方に配置されかつこれらの間隔が長い従来の義足用板バネと比べて、義足用板バネ１１は着地から蹴り出しまでの走行動作を効率的に行うことができる。また、上記荷重線Ａが線分Ｂよりも後方に配置されている義足用板バネ１０と比べても、義足用板バネ１１は着地から蹴り出しまでの走行動作をより効率的に行うことができる。

次に、図３〜図１３を参照して、義足用板バネ１０および義足用板バネ１１の変形例について説明する。

まず、図１および図２に示される義足用板バネ１０，１１の第２部分２は後方部５を含んでいるが、図３〜図５を参照して、義足用板バネ１２，１３，１４における第２部分２は後方部５を含んでいなくてもよい。この場合、中間部４が第１部分１と先端部３とを接続するように設けられている。図３に示されるように、義足用板バネ１２は、中間部４の側面形状が先端部３とは異なる曲率半径を有する曲線状に設けられていてもよく、たとえば先端部３よりも曲率半径が大きい。また、図４に示されるように、義足用板バネ１３は、中間部４が第１部分１の延在方向に対して交差する方向に延びる直線部４ｂを有していてもよい。この場合、中間部４は直線部４ｂのみで構成されていてもよいが、図４に示されるように、中間部４は先端部３と接続されている部分に所定の曲率半径を有する曲線部４ａを有していてもよい。このとき、曲線部４ａの曲率半径は、任意の長さであればよいが、たとえば先端部３の曲率半径と同等に設けられていてもよい。また、図５に示されるように、義足用板バネ１３における中間部４は、第１部分１から見て先端部３が位置する方向（前方）に凸状の曲線部として構成されていてもよい。このようにしても、図３〜図５に示される義足用板バネ１２，１３，１４は、上記延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ上記延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に、接地点Ｇが位置している。また、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。また、先端部３は曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有している。そのため、図３〜図５に示される義足用板バネ１２，１３，１４は、実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネ１０，１１と同様の効果を奏することができる。

また、図１および図２に示される義足用板バネ１０，１１の中間部４は、先端部３よりも大きい曲率半径を有する部分、または第１部分１の延在方向に対して交差する方向に直線状に延びる直線部分を有しているが、図６を参照して義足用板バネ１５の中間部４において下方に位置する面（設置される面）は、側面視したときに先端部３と同一の中心および同一の曲率半径を有していてもよい。このとき先端部３および中間部４の一部の曲率半径は２５０ｍｍ以上である。また、図６に示される義足用板バネ１５は、上記延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ上記延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に、接地点Ｇが位置している。また、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。そのため、図６に示される義足用板バネ１５は、実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネ１０，１１と同様の効果を奏することができる。

また、図７を参照して、第２部分２の中間部４において下方に位置する面（設置される面）は、側面視したときに少なくとも中心の異なる２つの円弧が接続されているように設けられていてもよい。言い換えると、第２部分２は、第２部分２は、中間部４において他の部分よりも第１部分１側に向かって凹んでいる凹部６を有していてもよい。凹部６は、中間部４において接地点Ｇよりも後方に形成されている。また、図８を参照して、第２部分２は、中間部４および後方部５において他の部分よりも第１部分１側に向かって凹んでいる凹部６を有していてもよい。凹部６の側面形状は、中間部４および後方部５に対して第１部分１とは反対側に中心を有する円弧に沿って設けられていてもよい。このようにしても、図７および図８に示される義足用板バネ１６，１７は、上記延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ上記延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に、接地点Ｇが位置している。また、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。また、先端部３は曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有している。そのため、図７または図８に示される義足用板バネ１６，１７は、実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネ１０，１１と同様の効果を奏することができる。先端部３は走行時の体勢の変化に伴って水平面に接地される領域が変化するため、滑らかな走行動作を実現するためには曲率が一定であるのが好ましい。これに対し、中間部４は接地されないため、中間部４は異なる曲率を有する複数部分を含んでいてもよい。

また、図９を参照して、第２部分２は、第１部分１の延在方向に対して交差する方向に直線状に延びる直線部４ｂ，５ｂを有していてもよい。言い換えると、中間部４および後方部５は、それぞれ曲線部４ａ，５ａと直線部４ｂ，５ｂとを有していてもよい。この場合、中間部４および後方部５は、それぞれの直線部４ｂ，５ｂが互いに連なるように設けられていてもよい。この場合、図９に示すような側面視において、中心および曲率半径の異なる２つの円弧状に設けられている曲線部４ａ，５ａは、直線部４ｂ，５ｂを挟んで配置されている。このようにしても、図９に示される義足用板バネ１８は、上記延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ上記延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に、接地点Ｇが位置している。また、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。また、先端部３は曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有している。そのため、図９に示される義足用板バネ１８は、実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネ１０，１１と同様の効果を奏することができる。

また、図１０〜図１３を参照して、第２部分２は、第１部分１よりも前方（第１部分１から見て先端部３が位置する方向）に頂部を有する前方凸部７を含んでいてもよい。前方凸部７は、第１部分１と後方部５との間を接続するように設けられている。この場合、第２部分２は、第１部分１の中心線Ｃに対して前方（進行方向側）に凸状の前方凸部７と後方に凸状の後方部５とが中心線Ｃが延びる方向に連なるように設けられている。そのため、図１０〜図１３に示される義足用板バネ１９，２０，２１，２２は、第２部分２が後方部５に加えて前方凸部７をさらに有しているため、義足用板バネ１０，１１と比べてさらに鉛直方向の変形量を大きくできることが期待される。また、図１１を参照して、第２部分２は前方凸部７を含み、かつ中間部４および後方部５のそれぞれが中間部４および後方部５における他の部分よりも第１部分１側に向かって凹んでいる凹部６ａ，６ｂを有していてもよい。言い換えると、第２部分２は、側面視されたときに少なくとも中心の異なる４つの円弧が接続されているように設けられていてもよい。具体的には、義足用板バネ２０を側面視したときに、第２部分２は、中心が第２部分２に対して第１部分１側に位置する３つの円弧に沿って設けられている中間部４および後方部５と、中心が第１部分１に対して上記反対方向に位置する１つの円弧に沿って設けられている前方凸部７とで構成されていてもよい。また、図１２を参照して、第２部分２は前方凸部７を含み、かつ中間部４および後方部５はそれぞれ曲線部４ａ，５ａと直線部４ｂ，５ｂとを有していてもよい。この場合、中間部４および後方部５は、それぞれの直線部４ｂ，５ｂが互いに連なるように設けられていてもよい。この場合、義足用板バネ２１を側面視したときに、中心および曲率半径の異なる２つの円弧状に設けられている曲線部４ａ，５ａは、直線部４ｂ，５ｂを挟んで配置されている。また、図１３を参照して、第２部分２は、前方凸部７と、義足用板バネ２２を側面視したときに中間部４および後方部５において他の部分よりも第１部分１側に向かって凹んでいる凹部６とを含んでいてもよい。凹部６の側面形状は、中間部４および後方部５に対して第１部分１とは反対側に中心を有する円弧に沿って設けられていてもよい。このようにしても、図１０〜図１３に示される義足用板バネ１９，２０，２１，２２は、上記延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ上記延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に、接地点Ｇが位置している。また、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は９０ｍｍ以上である。また、先端部３は曲率半径Ｒが２５０ｍｍ以上である部分を有している。そのため、図１０〜図１３に示される義足用板バネ１９，２０，２１，２２は、実施の形態１または実施の形態２に係る義足用板バネ１０，１１と同様の効果を奏することができる。

次に、図１４〜図２０を参照して、上述した義足用板バネ１０および従来の義足用板バネについて、本願発明者が行ったＣＡＥ解析結果について説明する。本解析に使用したソフトは、ＰＴＣ社製「ＣｒｅｏＥｌｅｍｅｎｔｓ／ＰｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａ５．０」である。

実施例に係る試料１として図１４（ａ）に示す義足用板バネを、比較例として図１４（ｂ）〜（ｄ）に示す従来の義足用板バネをそれぞれ解析対象とした。なお、図１４（ａ）に示す義足用板バネは、実施の形態１に係る義足用板バネ１０と同様の構成を備え、より具体的には図８に示される義足用板バネ１７に相当するものである。図１４（ｂ）は比較例に係る試料２の義足用板バネの側面図、図１４（ｃ）は比較例に係る試料３の義足用板バネの側面図、図１４（ｄ）は比較例に係る試料４の義足用板バネの側面図である。

図１４（ａ）〜（ｄ）に示される各義足用板バネから形状モデルを作成した。試料１では、実施の形態１に係る義足用板バネ１０に基づいて、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３を１０５ｍｍとしかつ当該延在方向に沿って延びる領域と先端部３とが交わる部分に、傾斜角θが−１０度のときの接地点Ｇが位置するように、形状モデルを作成した。また、試料１〜４に係る形状モデルは、いずれも全高Ｈｔ（図１参照）を５００ｍｍ、幅を６０ｍｍとした。また、試料１〜４に係る形状モデルは、義足用板バネの厚みＷ（図１参照）について、いずれも大きく３つの領域を有するものとした。具体的には、第１の領域は、義足用板バネの延在方向においてその外形に沿った距離が前方端部から２０ｍｍ離れた位置までを含み、義足用板バネの厚みＷ（図１参照）が４．０４ｍｍで一定の領域とした。第２の領域は、義足用板バネの延在方向においてその外形に沿った距離が前方端部から４００ｍｍ以上離れた位置にある部分であり、義足用板バネの厚みＷ（図１参照）が９．０ｍｍで一定の領域とした。第３の領域は、義足用板バネの延在方向においてその外形に沿った距離が前方端部から２０ｍｍ超え４００ｍｍ未満の位置にある部分であり、義足用板バネの厚みＷ（図１参照）が４．０４ｍｍから９．０ｍｍまで一定の割合で変化している領域とした。

また、試料１の形状モデルは、上記垂直な方向における第１部分１の中心線Ｃから第２部分２の前方端点３Ｅまでの距離Ｌｆを２４５ｍｍとし、上記垂直な方向における第１部分１の中心線Ｃと後方部５の頂部との距離Ｌｂを６０ｍｍとした。また、試料１の形状モデルは、上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１を１３５ｍｍとし、先端部３の曲率半径を６００ｍｍとした。

図１４（ａ）に示される試料２の形状モデルは、上記距離Ｌｆが３００ｍｍ、上記距離Ｌｂが０ｍｍである。図１４（ｂ）に示される試料３の形状モデルは、上記距離Ｌｆが２５０ｍｍであり、上記距離Ｌｂが４８ｍｍである。図１４（ｃ）に示される試料４の形状モデルは、上記距離Ｌｆが２１９ｍｍであり、上記距離Ｌｂが５１ｍｍである。また、試料２〜４の形状モデルの接地部の曲率半径は、それぞれ２０２ｍｍ、１７５ｍｍ、１６７ｍｍである。

なお、試料１〜４に係る義足用板バネは、これらの構成材料をＦＲＰとし、積層シェル要素を用いてモデル化した。モデル化において、積層シェル要素の断面情報として各層の厚みを０．１１ｍｍとし、繊維の配向角度を４５度、積層数を１層とした。また、試料１〜４に係る義足用板バネの材料特性を以下のように定義した。試料１〜４に係る義足用板バネの材料特性はいずれも同等とした。具体的には、第１部分（直線部分）を鉛直方向に沿って配置した状態における水平方向の弾性率Ｅ１は、上記第１の領域において９４８１ｋｇｆ／ｍｍ^２、上記第２領域において１１２４４ｋｇｆ／ｍｍ^２、上記第３の領域において第１の領域の弾性率および第２領域の弾性率の間を一定割合で変化するモデルとした。また、試料１〜４に係る義足用板バネについて、第１部分（直線部分）を鉛直方向に沿って配置した状態における鉛直方向の弾性率Ｅ２はいずれも７５８ｋｇｆ／ｍｍ^２とし、せん断弾性率Ｇ１２はいずれも４１０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。また、試料１〜４について、ポアソン比はいずれも０．３３９とした。

図１５に示されるように、本ＣＡＥ解析は、各義足用板バネをその延在方向において複数の領域（３９領域）に分割した解析モデルを作成して行った。さらに図１６を参照して、試料１〜４の解析モデルは、上述のようにモデル化した義足用板バネ１００に対し、その各直線部（第１部分）に当該直線部の延在方向に垂直な方向に延びる剛体３０がねじ４０により固定されたものとした。剛体３０は、義足用板バネ１００の当該直線部の延在方向に垂直な方向における長さ（図１における距離Ｌ３に相当）が１０５ｍｍとした。本ＣＡＥ解析では、義足用板バネ１００とねじ４０により固定されていない側の剛体３０の端部３１において、第１部分（直線部分）の端部から上記垂直な方向において１０５ｍｍ離れており、かつ鉛直方向における水平面５０からの距離が４４０ｍｍである点Ｐを荷重を加える点とした。なお、図１６において義足用板バネ１００はＪ字形状として示しているが、実際に用いた解析モデルは上述した試料１〜４の各形状モデルに基づいている。

図１６を参照して、ＣＡＥ解析における境界条件（荷重条件および拘束条件）について説明する。図１６に示される傾き角度Φは、水平面５０に対し垂直な線分Ｄに対し、各試料の解析モデルにおける直線部と平行な線分Ｅとの成す角度である。ＣＡＥ解析の境界条件は、図１６に示される所定の傾き角度Φが−１０度〜＋２０度の間を１０度刻みで変形された状態の各義足用板バネ１００に対してそれぞれ以下のように定義した。なお、当該傾き角度は、図１６に示されている変形状態のように義足用板バネ１００が図１６中のｙ方向に向かって傾いているときをプラスとし、ｙ方向と反対方向に向かって傾いているときをマイナスとしている。つまり、図１６に示される傾き角度Φがマイナスの状態とは走行動作における着地時の状態を想定したものであり、図１６に示される傾き角度Φがプラスの状態とは走行動作における蹴り出し時の状態を想定したものである。

荷重条件は、水平面５０に垂直なｚ方向に、剛体３０の端部３１の上記点に対し−２００ｋｇｆの荷重を印可（言い換えると、水平面５０に垂直な方向において上方から下方に向かって端部３１の上記点に対し２００ｋｇｆの荷重を印加）する第１の荷重条件と、水平面５０に平行なｙ方向（第１部分（直線部）から見て先端部が位置する方向）に上記端部３１の上記点に対し１０ｋｇｆの荷重を印可する第２の荷重条件の２条件とした。

拘束条件は、荷重条件を上記第１の荷重条件とするときには、義足用板バネ１００を上記傾き角度Φのいずれかを示すように配置した状態において水平面５０に接地される部分が固定部６０により５自由度（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った並進方向の３自由度およびｙ軸、ｚ軸周りの回転方向の２自由度）を完全に拘束され、ｘ軸周りの回転方向の自由度のみをフリーとする条件とした。また、拘束条件は、荷重条件を上記第２の荷重条件とするときには、義足用板バネ１００を上記傾き角度Φのいずれかを示すように配置した状態において水平面５０に接地される部分が固定部６０により６自由度（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿った並進方向の３自由度およびｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの回転方向の３自由度）を完全に拘束される条件とした。すなわち、試料１においては、傾き角度Φが−１０度であるときに固定部６０により固定されている部分は上記接地点Ｇ（図１参照）を含んでいる。

図１７〜図１９にＣＡＥ解析結果を示す。図１７は、義足用板バネ１００に上記第１の荷重条件を与えたときの義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｙ方向の変位量を示す（図１６参照）。図１７の縦軸は義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｙ方向の変位量（単位：ｍｍ）であり、図１７の横軸は図１６に示される傾き角度Φ（単位：°）である。なお、図１７の縦軸においてｙ方向の変位量がプラスの状態は図１６中のｙ方向に向かって変位している状態であり、ｙ方向の変位量がマイナスの状態は図１６中のｙ方向と反対方向に変位している状態である。図１８は、義足用板バネ１００に上記第１の荷重条件を与えたときの義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｚ方向の変位量を示す（図１６参照）。図１８の縦軸は義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｚ方向の変位量（単位：ｍｍ）であり、図１８の横軸は図１６に示される傾き角度Φ（単位：°）である。図１９は、義足用板バネ１００に上記第２の荷重条件を与えたときの義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｙ方向およびｚ方向の変位絶対量を示す（図１６参照）。上記点のｙ方向およびｚ方向の変位絶対量とは、上記点のｙ方向の変位量の２乗とｚ方向の変位量の２乗との和の平方根をいう。図１９の縦軸は義足用板バネ１００に固定された剛体３０の端部３１に位置する上記点のｙ方向およびｚ方向の変位絶対量（単位：ｍｍ）であり、図１９の横軸は図１６に示される傾き角度Φ（単位：°）である。

図１７を参照して、上記第１の荷重条件が与えられたときに、試料１では傾き角度Φが−１０度のときにｙ方向の変位量がプラスの状態となった。これに対し、試料２および試料３では、傾き角度Φが−１０度のときにｙ方向の変位量がマイナスの状態となった。これは、図１６を参照して、試料２および試料３では、傾き角度Φが−１０度のときの接地点がｙ方向において端部３１よりも前方に距離を隔てて配置されているため、接地点に対してｙ方向とは反対方向（後方）に距離を隔てた位置に荷重が印加される。そのため、試料２および試料３に係る義足用板バネ１００に荷重が印加されると、ｙ方向とは反対方向に向かって端部３１が変形する。つまり、試料２および試料３では、着地時に義足用板バネに印加される床反力がｙ方向（前方）に逃げ、着地時に後転（仰向け回転）方向に力を生じさせることが確認された。一方、試料１では、上述のように、傾斜角θが−１０度のときの接地点Ｇが、第１部分１の延在方向に対して垂直な方向における第１部分１からの距離Ｌ３が９０ｍｍ超え１２０ｍｍ以下でかつ当該延在方向に沿って延びる領域と、先端部３とが交わる部分に位置する。そのため、試料１では、傾斜角θが−１０度のときの接地点がｙ方向において端部３１よりも前方に配置されている点で試料２〜４と同様であるが、試料２および試料３と比べてｙ方向における接地点と端部３１との距離が短い。そのため、試料１では、着地時に義足用板バネに印加される床反力がｙ方向（前方）に逃げることが抑制されており、着地時に後転（仰向け回転）方向への力の発生が抑制され得ることが確認された。

図１８を参照して、上記第１の荷重条件が与えられたときに、試料１では、傾き角度Φが−１０度と０度との間および０度から＋２０度との間でｚ方向の変位量の増加量が試料２と比べて大きいことが確認された。試料１は試料２と比べてｚ方向の剛性が高すぎず、高い衝撃吸収性を有している。

図１９を参照して、上記第２の荷重条件が与えられたときに、試料１では傾き角度Φが＋２０度のときの変位絶対量が傾き角度Φが＋１０度のときの変位絶対量よりも小さいことが確認された。同様の傾向は、試料３でも確認されたが、試料２および試料４では傾き角度Φが＋２０度のときの変位絶対量が傾き角度Φが＋１０度のときの変位絶対量よりも大きかった。つまり、試料２および試料４は、ｙ方向（前方）への傾き角度Φが大きくなるとｙ方向における剛性が低下していることが確認され、蹴り出し方向への力が小さいと予想された。これに対し、試料１は、ｙ方向（前方）への傾き角度Φが大きくなってもｙ方向における剛性の低下が抑制されていることが確認され、蹴り出し方向への力が大きいと予想された。図１を参照して、試料１では、上述のように上記垂直な方向における接地点Ｇと前方端点３Ｅとの距離Ｌ１は１３５ｍｍであり、たとえば図１４に示される試料４での１０３ｍｍよりも長い。さらに試料１では、上述のように先端部３の曲率半径Ｒが６００ｍｍであり、たとえば図１４に示される試料４での２００ｍｍよりも大きい。そのため、試料１では、着地時から蹴り出し時までに水平面に接地される部分が試料４よりも大きく、かつ蹴り出し時において水平面に設置されている部分が試料４よりも大きい。そのため、試料１では、試料４と比べてより大きな推進力を得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、走行動作が行われるスポーツやレクリエーション用の義足に用いられる板バネに特に有利に適用される。

１第１部分、２第２部分、３先端部、３Ｅ前方端部、４中間部、４ａ，５ａ曲線部、４ｂ，５ｂ直線部、５後方部、６凹部、６ａ，６ｂ凹部、７前方凸部、１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２義足用板バネ。

Claims

直線状の第１部分と、前記第１部分と連なり、前記第１部分の延在方向に対して交差する方向に延びる先端部を含む第２部分とを備え、
前記先端部は、前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から、前記第１部分から見て前記先端部が位置する方向と反対方向に１０度傾けたときに水平面に接する接地点と、前記接地点よりも前記第２部分の先端側に位置する前方端点とを含み、
前記延在方向に対して垂直な方向における前記第１部分からの距離が９０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下でかつ前記延在方向に沿って延びる領域と、前記先端部とが交わる部分に、前記接地点が位置し、
前記垂直な方向における前記接地点と前記前方端点との距離は９０ｍｍ以上であり、
前記先端部は曲率半径が２５０ｍｍ以上である部分を有し、
前記第２部分を前記水平面上に載置しかつ前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記第１部分から見て前記先端部が位置する方向と反対方向に１０度傾けられた状態において、前記第１部分に固定されている剛体中の、前記延在方向に対して垂直な方向における前記第１部分の端部からの距離が１０５ｍｍであって、かつ鉛直方向における前記水平面からの距離が４４０ｍｍである点に対して鉛直方向に荷重が印加されたときに、前記点は前記反対方向に変位しない、義足用板バネ。
前記垂直な方向における前記接地点と前記前方端点との距離は１１０ｍｍ以上であり、
前記垂直な方向における前記第１部分の中心線から前記第２部分の前記前方端点までの距離に対する、前記垂直な方向における前記第２部分の前記接地点と前記前方端点との距離の比率が、４７％以上である、請求項１に記載の義足用板バネ。
前記第２部分は、前記第１部分よりも前記反対方向に頂部を有する後方凸部を含み、
前記垂直な方向における前記第１部分の前記中心線から前記第２部分の前記前方端点までの距離に対する、前記垂直な方向における前記第１部分の前記中心線と前記頂部との距離の比率が、４０％以下である、請求項２に記載の義足用板バネ。
前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記第１部分から見て前記先端部が位置する方向に１０度傾けられた状態において、前記点に対して鉛直方向に荷重が印加されたときの鉛直方向における前記点の変位量は、前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記先端部が位置する方向に２０度傾けられた状態において、前記点に対して鉛直方向に荷重が印加されたときの鉛直方向における前記点の変位量の２倍以上である、請求項１に記載の義足用板バネ。
前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記第１部分から見て前記先端部が位置する方向に１０度傾けられた状態において、前記点に対して水平方向に荷重が印加されたときの水平方向における前記点の変位量は、前記第１部分を鉛直方向に沿って配置した状態から前記先端部が位置する方向に２０度傾けられた状態において前記点に対して水平方向に荷重が印加されたときの水平方向における前記点の変位量よりも大きい、請求項１または請求項４に記載の義足用板バネ。