JP6914296B2 - 義足用板バネ - Google Patents

Description

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。

スポーツ競技で用いられる義足として、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が知られている。例えば、特許文献１には、義足用板バネの先端領域に貫通孔を設けることにより軽量化を図り、義足用板バネの振りやすさを向上させた義足用板バネが開示されている。

特許第６４０６７７２号

特許文献１に記載の義足用板バネは、軽量化により振りやすさの向上を図ることができるが、特にスポーツ競技用の義足用板バネでは、さらなる振りやすさの向上が求められている。

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、貫通孔が設けられた従来の義足用板バネにおいて、振りやすさをより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。

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、湾曲板状に形成された湾曲部を備える義足用板バネにおいて、当該義足用板バネには、表裏を貫通する貫通孔が設けられており、前記貫通孔の両側には、山脈状に隆起する整流部が備えられることを特徴とすることを特徴としている。これにより、走行時に義足用板バネの表面が受ける空気を裏面側にスムーズに案内させることができ、走行時の空気抵抗を低減させることが可能となる。

本発明によれば、走行時に義足用板バネに発生する空気抵抗を低減させることができ、走行時の板バネの振りやすさを向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る義足用板バネの側面図である。 本発明の実施の形態１に係る義足用板バネの斜視図である。 図２におけるＡＡ線の断面図である。 実施の形態１の変形例による義足用板バネの貫通孔付近の断面図である。 シミュレーションの結果を示すグラフである。 実施の形態１の変形例による義足用板バネの側面図である。

（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。

図１は、本実施の形態１による義足用板バネ１００の側面図である。図２は、義足用板バネ１００の斜視図である。以下の説明においては、図１に示すように、義足用板バネ１００の直線部１０ａを接地面Ｇに垂直に配置した状態を「基準状態」と定義し、接地面Ｇに水平な方向を「水平方向」と定義し、接地面Ｇに垂直な方向を「垂直方向」と定義する。また、基準状態において、爪先側が位置する方向を「前側」、あるいは「先端側」と呼び、踵側が位置する方向を「後側」、あるいは「後端側」と呼ぶ。また、基準状態の義足用板バネ１００において、前側を向く面を表面とし、後側を向く面を裏面とする。さらに、義足用板バネの前後方向を「ＦＲ方向」と定義し、ＦＲ方向に直交する方向、すなわち義足用板バネの左右方向を「ＬＲ方向」と定義する。

図１、及び図２において、義足用板バネ１００は、板バネ本体１０と、整流部２０とを備える。板バネ本体１０は、図１に示すように、平板状に成型される直線部１０ａと、板バネとして機能する湾曲部１０ｂとより構成される。直線部１０ａと湾曲部１０ｂ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。板バネ本体１０は、基準状態において最も先端側に位置する最先端点Ｐｆと、最も後端側に位置する最後端点Ｐｂとを有しており、最先端点Ｐｆと最後端点Ｐｂとの間の水平方向の長さが、板バネ本体１０の全長Ｌｔとして定義される。

直線部１０ａには、ソケット（図示せず）と義足用板バネ１００とを接続するアダプター（図示せず）が固定される。直線部１０ａ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１０ａ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１０ａ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１０ａを炭素繊維強化樹脂により成型する場合は、８ｍｍ〜１６ｍｍ程度とすることで必要な強度を確保することができる。本実施の形態１による義足用板バネ１００では、直線部１０ａの厚みを１０ｍｍとしている。

湾曲部１０ｂは、接地面Ｇとの接地領域と、反発力を生じさせる撓み領域とが一体的に成型されている。より具体的には、湾曲部１０ｂは、先端側より順に、接地面Ｇとの接地領域をなす下向き湾曲凸状の接地領域と、荷重状態の湾曲部１０ｂと接地面Ｇとの間にクリアランスを与える上向き湾曲凸状のアーチ領域と、撓み領域として反発力を生じさせる半円弧状の踵領域と、より構成される。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。また、後述するように貫通孔１０ｃの形状等に合わせて任意の厚みとすることができる。本実施の形態１による義足用板バネ１００では、湾曲部１０ｂの厚みを１０ｍｍとしている。

図１、及び図２に示すように、板バネ本体１０には、板バネ本体１０の表面と裏面とを貫通する貫通孔１０ｃが設けられている。本実施の形態１による義足用板バネ１００では、貫通孔１０ｃは、板バネ本体１０の先端付近を基点としてＦＲ方向に延びる長孔状に設けられている。具体的には、板バネ本体１０のＬＲ方向の幅が８０ｍｍであるのに対して、貫通孔のＬＲ方向の幅は４０ｍｍであり、貫通孔のＦＲ方向の長さは１４７ｍｍである。貫通孔１０ｃの配置位置、貫通孔１０ｃの形状、大きさ、及び貫通孔１０ｃの数は、義足用板バネ１００に必要な剛性が確保できる限りにおいて、湾曲部１０ｂの厚みや幅を調整することで任意とすることができる。

貫通孔１０ｃのＬＲ方向の両側には、貫通孔１０ｃに沿って板バネ本体１０の表面より山脈状に隆起する整流部２０が設けられている。整流部２０は、走行時に義足用板バネ１００の表面が受ける空気を裏面側に案内させることで、走行時の空気抵抗を低減させるものである。

整流部２０は、ウレタンフォーム材やＥＶＡスポンジなどの軽量なフォーム材により成型され、接着剤等を用いて板バネ本体１０に直接固着される。整流部２０の成型方法はこれに限られず、例えば硬化前の板バネ本体部１０に整流部２０を載置し、板バネ本体１０と整流部２０とを炭素繊維クロスでラッピングしてから板バネ本体部１０を熱硬化させてもよい。かかる方法によれば、板バネ本体１０が撓む際に整流部２０が剥離するのを防止することができる。また、整流部２０は、板バネ本体１０と別体に成型するのではなく、板バネ本体１０の積層時に板バネ本体１０と同一材を追加的に積層することで、板バネ本体１０と整流部２０とを一体的に成型してもよい。

整流部２０が隆起する始点と終点は、ＦＲ方向において貫通孔１０ｃよりも先端側、及び後端側に位置している。つまり、図１に示すように、整流部２０は、板バネ本体１０の側面視において、貫通孔１０ｃが設けられる領域を全域にわたってカバーする範囲に設けられる。本実施の形態１による義足用板バネ１００では、板バネ本体１０の貫通孔１０ｃの周囲領域のうち、貫通孔１０ｃのＬＲ方向の両側に加えて、爪先側の平面領域においても整流部２０を隆起させている。

図３は、図２に示すＡＡ断面図である。図３に示すように、整流部２０は、整流部２０の最下端が、板バネ本体１０の側壁面ｓｗと、貫通孔１０ｃを形成している内壁面ｉｗのそれぞれに連続的につながるように、板バネ本体１０より立ち上がっている。すなわち、整流部２０の底面幅は、貫通孔１０ｃの後端付近を除く両側の略全ての領域において、貫通孔１０ｃの両側における板バネ本体部１０の幅方向の長さと一致しており、貫通孔１０ｃの両側においては、平面状の板バネ本体１０の表面は露出しない。

整流部２０の断面形状は、板バネ本体部１０の上側に頂部が位置する山型や三角形状であればよく、図３に示すような等辺の山型形状の他に、図４に示すように頂部が内壁面ｉｗ側にオフセットした山型形状であってもよい。整流部２０の高さｈは特に上限はないが、整流部２０を設けることによる質量増加を抑制する観点よりは、１０ｍｍ≦ｈ≦２０ｍｍとするのが好ましい。これは、後述するように、整流部２０の高さｈが２０ｍｍ程度であれば、整流部２０による質量の増加を最低限に抑えつつ、十分な整流効果を得ることができることによるものである。

次に、本発明の作用効果を説明する。本発明者は、走行時に義足用板バネ１００が受ける水平方向の反力をシミュレーションで求めることにより、本発明による空気抵抗の低減効果を検証した。シミュレーションの詳細を以下に述べる。

１）シミュレーションモデル
本発明の実施例１として、上述した実施の形態１による板バネ本体１０に、高さ１０ｍｍの整流部２０を固定したモデルを作成した。実施例２として、高さ２０ｍｍの整流部２０を板バネ本体１０に固定したモデルを作成した。実施例３として、高さ３０ｍｍの整流部２０を板バネ本体１０に固定したモデルを作成した。

一方、比較例１として、整流部２０、及び貫通孔１０ｃのいずれも有さない板バネ本体のモデルを作成した。また、比較例２として、貫通孔１０ｃは備えるが整流部２０は備えない板バネ本体のモデルを作成した。実施例１〜３と比較例１〜２は何れも、貫通孔の有無、及び整流部２０の有無以外は、全て同一形状としている。

２）流体解析ソフト及び解析条件
流体解析ソルバーとして、アルテアエンジニアリング株式会社製の有限要素法ベースの汎用コード「ＡｃｕＳｏｌｖｅ２０１８」を用いた。解析は定常状態を仮定して行い、義足を空間 (高さ１２００ｍｍ、 幅７００ｍｍ、 奥行き２５００ｍｍ) 上の前面から５００ｍｍの位置に配置し、２０℃、１気圧における密度１．２０５ｋｇ／ｍ^３の乾燥空気を前面から指定の流速で流した際に義足が受ける水平方向反力Ｆｘ（単位：Ｎ）を求めた。空間格子数は約２３００万要素とした。

解析はＲｅｙｎｏｌｄｓ Ａｖｅｒａｇｅｄ Ｎａｖｉｅｒ‐Ｓｔｏｋｅｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＲＡＮＳ）による定常解析とし、密度非圧縮モデルを用いた。乱流モデルにはＳｐａｌａｒｔ‐Ａｌｌｍａｒａｓ（ＳＡ）を用いた。境界条件として、流入側には一様な流入速度を与え、出口側は自由流出条件とし、側面にはすべり条件を与えた。

解析時の義足用板バネの姿勢は、基準状態にある義足用板バネの直線部１０ａに対して、直線部１０ａが後ろ側に６５°傾いている状態（６５ｄｅｇ）、直線部１０ａが後ろ側に３０°傾いている状態（３０ｄｅｇ）、及び直線部が後ろ側に５°傾いている状態（５ｄｅｇ）の３姿勢とし、かかる３姿勢のそれぞれについて水平方向反力Ｆｘ（単位：Ｎ）を求めた。

上記３姿勢は、義足用板バネの動作解析より求めた義足用板バネの振り角と、振出し速度との関係より決定し、６５ｄｅｇは義足用板バネの振り始めの状態、３０ｄｅｇは義足用板バネの先端部の振出し速度が最も早い状態、５ｄｅｇは義足用板バネの振り終わりの状態、として定義した。

そして、６５ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、及び５ｄｅｇのそれぞれの姿勢時の振出し速度に基づいて、シミュレーションで義足用板バネに流す空気の流速（ｍ／ｓ）を算出した。６５ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、及び５ｄｅｇの姿勢毎に設定した空気の流速を表１に示す。

３）シミュレーション結果
シミュレーションの結果を表２に示す。図５は、表２に示すシミュレーションの結果をグラフ化した図である。

図５を参照して、貫通孔の１０ｃの両側に整流部２０を備える実施例１〜３は、貫通孔１０ｃを有しない比較例１、及び貫通孔１０ｃは有するが整流部２０を有さない比較例２よりも水平方向反力Ｆｘが小さくなっている。これにより、本発明によれば、比較例２〜３と比べて空気抵抗を低減できることが分かる。

また、実施例１〜３の水平方向反力Ｆｘの値を見ると、整流部２０が高くなっても、空気抵抗の低減効果に大きな差は見られない。これより、整流部２０の高さは、２０ｍｍ以下とすれば、整流部２０を設けることによる質量の増加を最小限に抑えながら空気抵抗を低減できることが分かる。

以上のように、本発明による義足用板バネ１００は、板バネ本体１０に貫通孔１０ｃを設け、貫通孔１０ｃに沿うように板バネ本体１０より隆起する整流部２０を設けることとしたので、走行時に貫通孔１０ｃの側面で受ける空気を、貫通孔１０ｃの内側、及び板バネ本体１０の側面側に流すことができる。これにより、走行時に発生する空気抵抗を減少させることができ、走行性能を高めることが可能となる。

なお、本発明による板バネ本体１０の形状は、図１に示す形状に限られず、図６に示すように直線部１０ａが水平方向に延伸する所謂Ｃ字形状の義足用板バネ１１０であってもよい。この場合、基準状態は、アダプターが取り付けられる直線部１０ａを、接地面Ｇに平行にした状態と規定することができる。

１００ 義足用板バネ
１１０ 義足用板バネ
１０ 板バネ本体部
１０ａ 直線部
１０ｂ 湾曲部
１０ｃ 貫通孔
２０ 整流部

Claims (3)

1. 平板状に形成される直線部と、湾曲板状に形成された湾曲部とを備える義足用板バネにおいて、
   前記湾曲部には、先端領域を起点とする長孔状に形成され前記湾曲部の表裏を貫通する貫通孔が設けられており、
   前記貫通孔の周囲領域のうち前記貫通孔の両側、及び爪先側には、山脈状に隆起する整流部が備えられ、
   前記整流部は、当該義足用板バネの側壁面と、前記貫通孔を形成する内壁面のそれぞれに連続的につながるように隆起している、
   ことを特徴とする義足用板バネ。
2. 請求項１に記載の義足用板バネにおいて、
   当該義足用板バネを左右方向に沿って切断した断面において、前記整流部の頂部が前記貫通孔側にオフセットしている、
   ことを特徴とする義足用板バネ。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の義足用板バネにおいて、
   前記整流部は、前記板バネ本体からの高さが２０ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする義足用板バネ。

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