JP7154590B2 - 身体防護装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成３０年１０月２５日、一般社団法人日本フルードパワーシステム学会・一般社団法人日本機械学会共催、平成３０年秋季フルードパワーシステム講演会にて発表。

特許法第３０条第２項適用 平成３０年１０月２５日、一般社団法人日本フルードパワーシステム学会発行の平成３０年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集、ｐｐ．７６－７８にて発表。

本発明は、身体を防護するための装置に関する。

従来、オートバイの搭乗者や高所作業員などの身体を防護することを目的とした着用式エアバッグが提案されている（例えば、特許文献１、２）。

しかしながら、従来の着用式エアバッグは、１回限りの使用を前提としており、繰り返し使用できないという問題や、鋭利な物体の衝突による衝撃力を十分に吸収しきれないという問題があった。

特開平９－６６７８９号公報 特開２００３－３１２５６９号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、何度でも繰り返し使用することができ、且つ、鋭利な物体の衝突による衝撃力を好適に吸収することができる身体防護装置を提供することを目的とする。

本発明者は、何度でも繰り返し使用することができ、且つ、鋭利な物体の衝突による衝撃力を好適に吸収することができる身体防護装置の構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、１以上の防護ユニットと圧縮気体タンクとを含む身体防護装置であって、前記防護ユニットは、前記圧縮気体タンクに接続されるエアバッグと、前記圧縮気体タンクに接続されるエジェクタと、前記エアバッグを被覆する外殻部と、を含み、前記外殻部は、シート状の支持体の表面に間隔を空けて緩く固定される複数の板状片と、前記複数の板状片の間の間隔を塞ぐように前記支持体の裏面に間隔を空けて緩く固定される複数の板状片と、前記複数の板状片を密閉封入し、前記エジェクタの負圧側に接続される袋体とを含む身体防護装置が提供される。

上述したように、本発明によれば、何度でも繰り返し使用することができ、且つ、鋭利な物体の衝突による衝撃力を好適に吸収することができる身体防護装置が提供される。

本実施形態の身体防護装置の装置構成を示す図。 本実施形態の防護ユニットの機能構成を示す図。 本実施形態の防護ユニットの構造を説明するための図。 本実施形態の防護ユニットにおける気体のフローを説明するための図。 本実施形態の防護ユニットの状態遷移を説明するための図。 本実施形態の防護ユニット状態遷移を説明するための図。 別の実施形態の防護ユニットの構造を説明するための図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態である身体防護装置１００の装置構成を示す。図１に示すように、本実施形態の身体防護装置１００は、１以上の防護ユニット１０と、圧縮気体タンク４０と、制御ユニット５０とを含んで構成され、制御ユニット５０は、マイコン５２と、センサ５３と、リセットスイッチ５４とを含んで構成される。

図２は、図１に示す防護ユニット１０の機能構成を示す。図２に示すように、防護ユニット１０は、エアバッグ２６と、外殻部２０と、エジェクタ１２と、電磁弁１４と、電磁弁１６と、逆止弁１５と、逃し弁１８とを含んで構成される。

以下、図１および図２を適宜参照しながら、本実施形態の身体防護装置１００の構成要素について説明する。

圧縮気体タンク４０は、各防護ユニット１０に供給するための圧縮気体を貯蔵するタンクである。圧縮気体タンク４０に貯蔵される気体は、好ましくは、空気である。圧縮気体タンク４０は、配管を介して防護ユニット１０内の電磁弁１４（通常時閉鎖型の２方向電磁弁）に接続されており、電磁弁１４の出口側の配管が二股に分岐し、一方がエアバッグ２６に接続され、他方がエジェクタ１２に接続されている。

エアバッグ２６は、外部からの衝撃を吸収するための袋体であり、電磁弁１４を介して圧縮気体タンク４０から圧縮気体の供給を受けて急速に膨張する。エアバッグ２６は、逃し弁１８に接続されており、受けた衝撃の大きさに応じて逃し弁１８から気体を外部に排出することで、入力された衝撃エネルギーを気体の運動エネルギーに変換して吸収する。なお、本実施形態のエアバッグ２６は、複雑な折り畳み構造を有しておらず、排気するだけで簡単に元の状態に戻るような単純な構造を有している。

エジェクタ１２は、電磁弁１４を介して圧縮気体タンク４０から圧縮気体の供給を受けて負圧を発生させる真空発生器である。

外殻部２０は、外部からの衝撃を吸収するとともに、膨張時のエアバッグ２６を隙間なく被覆するための構造体であり、衝撃力の入力方向から見てエアバッグ２６の手前に配置される。外殻部２０は、逆止弁１５が設けられた配管を介してエジェクタ１２の負圧側（真空発生部）に接続されるとともに、電磁弁１６（通常時開放型の２方向電磁弁）が設けられた配管を介してエアバッグ２６に接続される。

センサ５３は、ユーザの転倒、落下等の危険を検知するためのセンサである。センサ５３は、ユーザの危険を検知するという目的に適うものであれば、どのようなセンサであってもよく、３軸加速度センサ、ジャイロセンサ、光学センサ、画像センサ、あるいは、これらのセンサの組み合わせであってもよい。

リセットスイッチ５４は、身体防護装置１００の動作状態を解除するためのスイッチである。リセットスイッチ５４は、メカニカル・スイッチであってもよく、ソフトウェア・スイッチであってもよい。

マイコン５２は、防護ユニット１０が備える２つの電磁弁１４、１６の開閉を制御する制御手段である。本実施形態では、上述したセンサ５３のセンサ出力およびリセットスイッチ５４のスイッチ信号がマイコン５２に入力されるようになっており、マイコン５２は、これらの入力に基づいて電磁弁の開閉を制御する制御信号を生成し、電磁弁１４、１６に出力する。

なお、別の実施形態では、圧縮気体を節約するために、防護ユニット１０のエジェクタ１２の排気口とエアバッグ２６を配管によって接続して、エジェクタ１２から排出される気体がエアバッグ２６に導入されるように構成してもよい。

以上、本実施形態の身体防護装置１００の構成要素について説明してきたが、続いて、上述した防護ユニット１０の具体的な構造について説明する。

図３（ａ）は、本実施形態の防護ユニット１０の断面を模式的に示す。なお、図３（ａ）においては、説明の便宜上、外殻部２０とエアバッグ２６のみを示し、その余の構成要素については図示を省略している（以下、図５においても同様）。

図３（ａ）に示すように、防護ユニット１０において、外殻部２０とエアバッグ２６は、衝撃力の入力方向から見て、外殻部２０がエアバッグ２６の手前に配置される形で袋体２８の中に収容されている。

外殻部２０は、シート状の支持体２４と、支持体２４の表面に間隔を空けて配設される複数の板状片２２と、支持体２４の裏面に間隔を空けて配設される複数の板状片２３と、これらの要素を密閉封入する形で収容する高気密性の袋体２５とから構成されており、この袋体２５が逆止弁１５を介してエジェクタ１２の負圧側（吸込口）に接続されている。

ここで、支持体２４は、柔軟性に優れた材料で形成されていることが好ましく、そのような材料として、布地、合成樹脂シート、シリコンゴムなど例示することができる。一方、板状片２２，２３は、耐衝撃性に優れ、且つ、軽い材料で形成されていることが好ましく、そのような材料として、チタンやアルミニウムなどの軽金属、炭素繊維強化プラスチック、カイデックス材などを例示することができる。

図３（ｂ）は、支持体２４の表裏に固定される板状片２２，２３の位置関係の理解を助けるために、板状片２２と、支持体２４と、板状片２３とを衝撃力の入力方向に展開した斜視図である。図３（ｂ）に示すように、外殻部２０においては、支持体２４の表面上に、複数の板状片２２が、支持体２４の裏面上の複数の板状片２３の間に形成された間隔を塞ぐように位置決め固定されている。別の言い方をすれば、外殻部２０においては、支持体２４の裏面上に、複数の板状片２３が、支持体２４の表面上の複数の板状片２２の間に形成された間隔を塞ぐように位置決め固定されている。つまり、本実施形態では、支持体２４の表面上の板状片２２と裏面上の板状片２３とが、部分的に重なる形で、支持体２４に固定されることにより、衝撃力の入力方向から見て、外殻部２０に隙間が生じないようになっている。

加えて、図３（ａ）に拡大して示すように、各板状片２２は、隣接する他の板状片２２との間隔が維持されるように、支持体２４の表面に対して適切な固定子２７を介して緩く固定されており、各板状片２３は、隣接する他の板状片２３との間隔が維持されるように、支持体２４の裏面に対して適切な固定子２７を介して緩く固定されている。本実施形態では、板状片２２，２３が支持体２４の表裏に緩く固定されることにより、外殻部２０が適度な柔軟性を持つようになっている。

なお、支持体２４の表裏に固定される板状片２２，２３の形状は、図３（ｂ）に示す形状に限定されるものではなく、四角形、三角形など、任意の形状を採用することができる。また、板状片２２，２３の形状は、完全な平板状である必要はなく、湾曲したものであってもよい。また、複数の板状片２２，２３の全てが同じ形状を有している必要はなく、異なる形状の組み合わせであってもよい。

また、支持体２４の表裏に固定される板状片２２，２３が重なる領域の比率（オーバーラップ率）が上がるほど、動作時における外殻部２０の剛性が高くなるが、その一方で、平常時における柔軟性が低くなるので、このことを考慮にいれて、適切なオーバーラップ率を設定することが好ましい。

以上、防護ユニット１０の具体的な構造について説明してきたが、続いて、防護ユニット１０の状態遷移について説明する。

まず、平常時における防護ユニット１０の状態を説明する。

図４（ａ）は、平常時における防護ユニット１０内の気体のフローを示す。平常時においては、通常時閉鎖型の電磁弁１４は閉鎖されるため、エジェクタ１２は、作動せず、エアバッグ２６は、しぼんだ状態に維持される。また、平常時においては、通常時開放型の電磁弁１６は開放されるため、外殻部２０（袋体２５）は、逆止弁１５およびエジェクタ１２を介して大気に開放され、エアバッグ２６は、電磁弁１６、外殻部２０（袋体２５）、逆止弁１５およびエジェクタ１２を介して大気に開放される。

図５（ａ）は、平常時の防護ユニット１０の断面を模式的に示す。図５（ａ）に示すように、平常時においては、エアバッグ２６の厚みが最小となり、外殻部２０（袋体２５）は、適度な柔軟性を持つ。その結果、防護ユニット１０は、図６（ａ）に示すように、ユーザの身体の形状に追従し、ユーザの動きを妨げない。

次に、身体防護装置１００の動作時における防護ユニット１０の状態を説明する。

図４（ｂ）は、動作時における防護ユニット１０内の気体のフローを示す。センサ５３からの入力に基づいてマイコン５２がユーザの危険を検知すると、マイコン５２が制御信号を電磁弁１４，１６に出力する。電磁弁１６は、マイコン５２から入力される制御信号に応答して閉鎖され、その結果、エアバッグ２６と外殻部２０（袋体２５）が密閉状態となる。

一方、電磁弁１４は、マイコン５２から入力される制御信号に応答して、所定時間にわたって開放された後、再び閉鎖される。ここで、電磁弁１４の開放時間は、エアバッグ２６の容量、外殻部２０（袋体２５）の容量およびエジェクタ１２の能力に応じて適切な時間が設定される。

電磁弁１４が開放されている間、圧縮気体タンク４０から圧縮気体がエアバッグ２６とエジェクタ１２に対して同時に供給される。その結果、エアバッグ２６が急速に膨張すると同時に、エジェクタ１２の負圧側に接続された外殻部２０の袋体２５から気体が急速に排気されて、その内部が真空状態となる。そして、袋体２５の真空状態は、電磁弁１４が閉鎖された後も維持される。

図５（ｂ）は、動作時の防護ユニット１０の断面を模式的に示す。図５（ｂ）に示すように、動作時においては、エアバッグ２６が急速に膨張する。その結果、図６（ｂ）に示すように、膨張したエアバッグ２６によって、ユーザの身体と外殻部２０の間にクリアランスが形成される。一方で、図５（ｂ）に示すように、動作時においては、袋体２５が急速に収縮する。これに伴って、真空状態の袋体２５の中に封入された複数の板状片２２と複数の板状片２３が一体化することにより、外殻部２０全体が固化する。

このとき、外殻部２０は、衝撃力の入力方向から見た隙間のない一枚の板（弾性体）として振る舞い、外部から入力された衝撃力を受けて弾性変形することによって、その衝撃エネルギーを弾性ひずみエネルギーに変換して吸収する。また、一体化した状態の板状片２２と板状片２３が摩擦抵抗に抗して支持体２４の面方向にずれることによって、入力される衝撃エネルギーを熱エネルギー（摩擦熱）に変換して吸収する。

一方、外殻部２０で吸収しきれなかった衝撃力は、支持体２４の面方向に分散されてエアバッグ２６に入力される。これを受けて、エアバッグ２６は、内包する気体の圧縮性を利用して瞬間的な衝撃力を一時的に蓄積し、その直後に膨張する気体を逃し弁１８から外部に排出することによって、その衝撃エネルギーを気体の運動エネルギーに変換して吸収する。

以上、身体防護装置１００の動作時における防護ユニット１０の状態について説明したが、本実施形態では、リセットスイッチ５４をＯＮすることにより、防護ユニット１０を平常時の状態に戻すことができる。本実施形態では、リセットスイッチ５４のＯＮに応答して、マイコン５２が制御信号を電磁弁１６に出力し、これを受けて、電磁弁１６が開放されるようになっている、電磁弁１６の開放により、エアバッグ２６と外殻部２０（袋体２５）は、再び、大気開放され、その結果、エアバッグ２６は気体を排気して元のしぼんだ状態に戻り、外殻部２０は、真空状態を解除されて、元の柔軟性を取り戻す。

以上、説明したように、本実施形態によれば、動作時において、防護ユニット１０の外殻部２０が瞬時に固化して一枚の板のように振る舞うことにより、その下に配置されるエアバッグ２６の衝撃吸収機能と相まって、鋭利な物体の衝突による衝撃力を好適に分散・吸収することが可能となる。

また、本実施形態の防護ユニット１０のエアバッグ２６は、膨張後に簡単に元の状態に戻すことができるようになっているため、圧縮気体タンク４０に圧縮気体が残存する限りにおいて、何度でも繰り返し使用することができる。

本実施形態の身体防護装置１００は、山岳救助や地震・土砂災害の救助活動に適用されることが期待される。このような救助活動の現場は、多くの場合、足場が不安定であり、万が一転倒した場合には、身体が岩や瓦礫といった鋭利な物体に衝突して大怪我となる虞があるが、本実施形態の身体防護装置１００を救助者に装着させることで、そのような事態を未然に防止することが可能となる。

なお、本実施形態の身体防護装置１００の装着にあたっては、圧縮気体タンク４０と制御ユニット５０を適切な方法でユーザに携帯させるとともに、ユーザの身体の防護すべき箇所（肩、肘、膝、腰、背中など）に対して、防護ユニット１０を適切な方法で配設する必要がある。その具体的な方法としては、圧縮気体タンク４０と制御ユニット５０を収容した専用のウエストバックと、身体の防護すべき箇所に専用ポケットが設けられた着衣（ジャケット、ベスト、ズボン、ヘッドギアなど）をユーザに着用させた上で、その専用ポケットに防護ユニット１０を収容する、といった方法が考えられる。

続いて、本発明の上述した防護ユニットの別の実施形態について説明する。

図７は、別の実施形態の防護ユニット６０を示す。図７（ａ）は、防護ユニット６０の外殻部７０を側面から見た図であり、図７（ｂ）は、防護ユニット６０のＡ－Ａ断面を示す。

防護ユニット６０は、その防護対象として、肘や膝といった身体の屈曲部を想定するものであり、防護ユニット６０の外殻部７０は、図７（ａ）に示すように、５つの板状片７０ａ～７０ｅと、これらの要素を密閉封入する形で収容する高気密性の袋体７４とから構成されており、各板状片は、図７（ｂ）に示すように、半円弧状の断面を有する湾曲した形状を備えている。なお、外殻部７０とエアバッグ７６が、衝撃力の入力方向から見て、外殻部７０がエアバッグ７６の手前に配置される形で袋体７４の中に収容され、この袋体７４が図示しないエジェクタの負圧側に接続される点は、上述した防護ユニット１０と同様である。

ここで、５つの板状片７０ａ～７０ｅには、それぞれ、スリット７２ａ～７２ｅが形成されており、５つの板状片７０ａ～７０ｅは、スリット７２ａ～７２ｅと固定子７３ｆ、７３ｇ、７３ｈ、７３ｉを介して緩く連結されている。具体的には、スリット７２ａとスリット７２ｂを貫通する固定子７３ｆによって、板状片７０ａと板状片７０ｂとが、部分的に重なる形で、緩く連結され、スリット７２ｂとスリット７２ｃを貫通する固定子７３ｇによって、板状片７０ｂと板状片７０ｃとが、部分的に重なる形で、緩く連結され、スリット７２ｃとスリット７２ｄを貫通する固定子７３ｈによって、板状片７０ｃと板状片７０ｄとが、部分的に重なる形で、緩く連結され、スリット７２ｄとスリット７２ｅを貫通する固定子７３ｉによって、板状片７０ｄと板状片７０ｅとが、部分的に重なる形で、緩く連結されている。上述した態様で連結されることにより、５つの板状片７０ａ～７０ｅの連結体である外殻部７０は、屈曲自在となっており、且つ、衝撃力の入力方向から見て、外殻部７０に隙間が生じないようになっている。

平常時において、エアバッグ７６の厚みは最小となり、外殻部７０は、屈曲自在の状態を維持する。一方で、動作時においては、エアバッグ７６が急速に膨張する一方で、袋体７４が急速に収縮することによって、袋体７４の中に封入された５つの板状片７０ａ～７０ｅが一体化し、外殻部７０全体が固化する。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、圧縮気体をエアバッグ２６とエジェクタ１２に同時に供給する機構によって、エアバッグ２６の膨張と外殻部２０の排気（固化）を同期させる構成について説明したが、別の実施形態では、エジェクタ１２の代わりに同等の機能を果たす別の排気手段（例えば、電動の排気ポンプ）を外殻部２０に設けるようにしてもよい。その場合、マイコン５２は、電磁弁１４、１６に制御信号を出力するのと同じタイミングで、当該排気手段の駆動信号を出力することによって、エアバッグ２６の膨張と外殻部２０の排気（固化）を同期させる。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…防護ユニット、１２…エジェクタ、１４…電磁弁、１５…逆止弁、１６…電磁弁、１８…逃し弁、２０…外殻部、２２…板状片、２３…板状片、２４…支持体、２５…袋体、２６…エアバッグ、２７…固定子、２８…袋体、４０…圧縮気体タンク、５０…制御ユニット、５２…マイコン、５３…センサ、５４…リセットスイッチ、６０…防護ユニット、７０…外殻部、７０ａ～７０ｅ…板状片、７２ａ～７２ｅ…スリット、７３ｆ～７３ｉ…固定子、７４…袋体、７６…エアバッグ、１００…身体防護装置

Claims (5)

1. １以上の防護ユニットと圧縮気体タンクとを含む身体防護装置であって、
   前記防護ユニットは、
   前記圧縮気体タンクに接続されるエアバッグと、
   前記圧縮気体タンクに接続されるエジェクタと、
   前記エアバッグを被覆する外殻部と、
   を含み、
   前記外殻部は、
   シート状の支持体の表面に間隔を空けて緩く固定される複数の板状片と、
   前記複数の板状片の間の間隔を塞ぐように前記支持体の裏面に間隔を空けて緩く固定される複数の板状片と、
   前記複数の板状片を密閉封入し、前記エジェクタの負圧側に接続される袋体と
   を含む身体防護装置。
2. 前記圧縮気体タンクと前記エアバッグおよび前記エジェクタとを接続する配管に設けられる通常時閉鎖型の第１の電磁弁と、
   前記エアバッグと前記外殻部とを接続する配管に設けられる通常時開放型の第２の電磁弁と、
   前記第１および第２の電磁弁の開閉を制御する制御手段とを備える、
   請求項１に記載の身体防護装置。
3. ユーザの危険を検知するためのセンサを備え、
   前記制御手段は、
   前記センサからの入力に基づいて、前記第２の電磁弁を閉に制御するとともに、前記第１の電磁弁を所定時間にわたって開に制御する、
   請求項２に記載の身体防護装置。
4. 動作状態を解除するためのリセットスイッチを備え、
   前記制御手段は、
   前記リセットスイッチからの入力に基づいて、前記第２の電磁弁を開に制御して、前記エアバッグと前記外殻部を大気開放する、
   請求項３に記載の身体防護装置。
5. １以上の防護ユニットと圧縮気体タンクとを含む身体防護装置であって、
   前記防護ユニットは、
   前記圧縮気体タンクに接続されるエアバッグと、
   前記圧縮気体タンクに接続されるエジェクタと、
   前記エアバッグを被覆する外殻部と、
   を含み、
   前記外殻部は、
   部分的に重なる形で緩く連結された複数の板状片と、
   前記複数の板状片を密閉封入し、前記エジェクタの負圧側に接続される袋体と
   を含む身体防護装置。

Images