JPH01500403A - 義足 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、人口足ないし義足に関する。さらに詳しくは、本発明は、補助的な撓 み板を使用することにより優れたエネルギー蓄積能力を備えた義足に関する。さ らに詳細に言うと、本発明は、エネルギー蓄積能力を備えることにより装着者が 自然で滑らかな動きをできる軽量の義足に関する。さらに詳細には、本発明は、 改良されたキールばね構造を備えた義足、および軽量で使用が簡単でありしかも 頑丈なサッチ（Ｓ、Ａ、Ｃ，Ｈ）義足の製造方法に関する。

当該分野において多くのタイプの義足が周知となっているが、その何れも構造、 美観、重量、エネルギーの蓄積等に関する問題を抱えており、足の特徴を変えて しまうという問題もある。初期に設計された義足の１つに、皮革製のヒンジを義 足のボールにかけ渡し、ヒンジ上部の■形溝に天然ゴムを配置したものがある。

使用時にはゴム部材が圧縮されてエネルギーを蓄積し、これを利用して装着者が 次の一歩を踏み出せるように構成されている。その後の義足でも、ばねおよびエ ネルギー吸収材として作用するいろいろいな弾性材料が利用されている。

従って、義足にエネルギー蓄積能力をもたせることが肢切断者に有利となるとい う概念は新しいものではない。

今日では、このような装置は不十分であるとされている。

膝中心部から最も遠い個所に義足の重みがかかると大きなモーメントを生じ、そ の結果膝周辺に強い応力がかかると共に脚全体に大きな衝撃が加わるからである 。また、上記のような装置は、肢切断者に対して十分なエネルギー蓄積能力を与 えられない上、美容上でも容認し難いものである。

別の義足が１９６０年頃に紹介されており、これは木製の内部キール（舟底形足 部）の周囲を軟質発泡プラスチックで取囲んだものである。プラスチックは、限 られた曲げ抵抗性を持たせる程度の密度を有しているため、ある程度のエネルギ ー蓄積性が生じている。その後の装置では、この設計に改良を施し、均質な固体 プラスチックブロックからキールを彫刻して作ることにより、軟質発泡プラスチ ックにかかる応力を緩和し、エネルギー蓄積能力をいくらかでも大きくする試み が成されている。

しかし、このような解決策も、義足が重いことや、軟質発泡ウレタンの破損事故 可能性のために完全に満足できるものとはなっていない。米国特許第４．１７７ ．５２５号に開示されている義足の構造は、成形プラスチック材料から形成した 剛性キールを備え、プラスチック製キールの下表面に近い部分に金属製補強帯を 埋設したものである。

キールは、キールに対して成形されて足の外表面を形成する典型的な軟質発泡プ ラスチック材料で取囲まれている。この装置は、商業的には容認し得るものであ ることが証明されているものの、技術面では、非常に優れたエネルギー蓄積能力 を持たせ、また該装置を軽量かつ頑丈で寿命の長いものとする材料を選択するこ とにより該義足に改良を加えるという課題が残っている。

米国特許第３，４８４．８７１号並びに第３，７８６．５６９号には、義足に板 ばねを使用する概念が示されている。この義足は、好適には木製の非弾性芯を備 え、これが実質的に足の高さ全体に亘って伸びている。前方芯部は主要芯の前方 に延びて上向きにずらせた平坦なばね座を受容しており、このばね座がゲージ、 幅及び長さの等しい１対のばね板を重ね合せて構成された平坦な弾性板ばねを受 容する。好適にはテフロンの商標名で呼ばれる材料から成る軟質プラスチックラ イナをばね板の間に介在させる。

ばね板の強度と板厚については、歩行時に装着者の体重が義足のボールより前に 移動する際などに足が曲げられた時に、ばねが義足ボールの周りで屈曲し、その 弾性を維持して、−歩毎に装着者の体重がかからなくなったときにつま先を元の 位置へ戻せるように選択される。ナイロンの商標名で呼ばれる材料のような保護 ウェブ材料を下側のばね板と足裏の間に取付けて摩耗を少なくすると共に、足を 弾性被覆材で取囲んでいる。

従って、この技術分野においては、優れた歩行性および走行性を示す材料から成 り、そのように構成された軽量なサッチ義足を提供することが目標となっている 。この意味で、本発明は改良されたキール構造、キールの材料、改良されたばね 構造、ばねの材料、ばねの製造方法に特に注意を払って成されたものである。

既知の義足では、足のエネルギー移送性を改良するという課題が残されている。

従って、本発明の主な目的は、複合材料から構成され、使用者の要求を満たすに 足るエネルギー蓄積能力を有する改良されたばね構造を利用することである。

本発明の他の目的は、強固かつ軽量で剛性の圧縮成形複合キールを備えた上記の 形式の軽量義足を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、ばね板として繊維強化した炭素複合材料積層体を利 用した上記の形式の義足を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、−次炭素複合材料撓み板と補助炭素複合材料撓み板 とを備えることにより、エネルギーの蓄積性および放出性を向上すると共に軽量 化した義足を提供することにある。

本発明の上記各目的及び他の目的は、添付図面を参照しての以下の発明の詳細な 説明から明らかとなろう。

発明の概要 上記の目的を達成し、また先行技術における諸問題を克服すると共に、軽量構造 の義足のエネルギー蓄積能力および放出能力を改善するために、本発明の一側面 による義足は、軽量かつ剛性の圧縮成形複合キールを含んで成る。キールは、衝 撃抵抗が強く、圧縮永久歪がほとんどなく、しかも破断抵抗を有するアラミツド 繊維強化の商標名ナイロンのような熱可塑性材料から形成される。

また、キールは底板と一対の側壁とから構成されており９、側壁は相互に対向し て上方に延びて前方および後方に開口する中空チャネルを形成しており、チャネ ル内に軽量材料を収容し、チャネル上部が側壁に固着された上板によって閉塞さ れる。

一次撓み板は、キールの前方下部に固着された繊維強化熱硬化性炭素の多層積層 体で構成される。−次撓み板とキールとの間に補助撓み板が介挿されており、そ の前部が足の湾曲領域近辺で上向きに曲げられている。黒鉛もしくは炭素複合材 料は金属製ばねに比較して相当に高いエネルギー蓄積能力および放出能力を提供 する。炭素薄板ばねは、相対的に縦横に配向した繊維を用いて製造することによ り、前方へ延びる短かい薄板ばねが応力に耐えながら大きな屈撓を受けられるよ うにするのが望ましい。縦横に繊維を配向することにより撓み板を製造する方法 も、本発明の重要な特徴の１つである。

補助ばね部材は、キールに固着したプラスチック材料から形成してもよいし、あ るいはキールと一体的に同一の材料で形成してもよい。

ばね構造体は保護カバーで取囲むのが好適である。保護カバーはケブラー（Ｋｅ ｙｌａｒ）の商標名で呼ばれる材料で構成するのが好適であり、その周囲にウレ タン発泡体などの低密度の軟質熱可塑性材料を成形して美しい足の外観を与える 。足の踵部の下方には中程度の密度の軟質ウレタン発泡体の楔形部材を配設する 。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、同様に以下の説明から明らかになるで あろう。

図面の概要 第１図は本発明による改良された義足の各部を示す側断面図である。

第２図は第１図の義足の下部に沿って切取った平面図であり、−次撓み板と補助 撓み板を示している。

第３図も第２図と同様の平面図であり、撓み板に固着したキールを示している。

第４図も第２図および第３図と同様の平面図であり、撓み板を取囲んでいる保護 カバーを示し、ている。

第５図は本発明によるキール構造体の分解斜視図である。

第６図は積層形ばね構造体を示す側面図である。

第７図は繊維強化複合黒鉛材料から成る撓み板の製造段階を示すブロック線図で ある。

好適な実施態様の詳細な説明 第１〜４図において、本発明による義足は全体とじて参照番号１０で示されてい る。義足１０は剛性の圧縮成形複合キール１２を含み、キール１２の下部壁の下 表面１８に一次炭素撓み板１４が固定部材１６によって固着されている。補助複 合撓み板２０は、−次撓み板１４とキール１２の下表面１８との間に介挿されて 、キール１２の表面１８に同様の方法で固着されている。中密度軟質発泡ウレタ ン製楔形部材２２は、固定部材１６より後方でキール１２の下表面１８の下に配 設されている。キールおよびばね構造体の周囲には低密度軟質発泡ウレタン部材 ２４が設けられており、さらにこれを囲んで外観が美しく本物の皮膚とほとんど 変わらないプラスチックから成る足形の被覆材２５が設けられている。

キール１２は横方向に延びる下部壁３０を含んでおり、この下部壁３０が前記の 下表面１８を構成していると共に、前方伸長部分３１と中間の上方伸長部分３２ と後方伸長部分３３とを有している。上方伸長部分３２の後方方向での傾斜角度 は、前方伸長部分３１の傾斜角度と後方伸長部分３３の傾斜角度の中間位である 。

キール１２はさらに、垂直方向に延びる一対の対向壁３５．３６を含んでいる。

これらの壁は間隔をあけて配設されて、その前後で開口した中空チャネル、すな わちち軽量発泡材料３７をその中に収容する受容部を形成している。壁３５と３ ６は、その上面３５ａ、３６ａにおいて、人口肢構造体への連結部を受容する開 口部４９を備えた上板３８によって接合されている。従って、成形の際に壁３５ ．３６と底板３０とは一体構造体として提供され、上板３８により閉塞された不 規則形状の箱形受容器を形成する。好適には、上部部材３８は、その相対する縁 部に一対の対向する凹所４１，４２を間隔をあけて設け、側壁３５．３６の上表 面に設けた上方に延びる突出部３９．４０とかみ合うようにする。

側壁３５．３６の外側には、固定部材１６を確実にしっかりと受容するための一 対の対向するボス５９が成形されている。上板３８には、金属製インサート４９ を備えた下向きに延びるボス４８を設け、補綴具のねじ切り部材を受容するよう にするのが望ましい。

好ましくは、キ・−ル１２は、アラミツド繊維強化ナイロン熱可塑性材料から製 造される。これらの材料は概して衝撃抵抗に優れ、圧縮永久歪がほとんどない上 、軽量であるため義足の重量を大幅に低減することができる。

この材料をキール１２に用い、また上記中空構造部を採用することによって、キ ールが軽量になり、膝の軸を中心として生まれるモーメントが小さくなり、従っ て歩行時または走行時に義足をのばしたときにかかる衝撃を相当小さくすること ができる。このように構造設計することにより、木製キールを備える義足と比較 してキール１２の破断抵抗性を高くすることができる。この熱可塑性材料はまた 、圧縮永久歪が極めて小さく、吸水性が非常に低いため、木および均質プラスチ ックの両方から製造したキールによくあるように、その取付は個所において義足 が残りの部分の義肢や補綴具から緩んでくるといった問題を無くす助けとなる。

第６図から最もよく分かるように、−次撓み板１４は一対の繊維強化薄形炭素撓 み板１４ａ、１．４ｂから成り、撓み板１４ａ、１４ｂは固定具１６の周りに相 互に摺動可能である。熱硬化性炭素強化多層ばね１４をキール１２に取付けるこ とで大きな利点を得ることができる。中でも、この材料は、周知の義足に比較す ると、軟質発泡プラスチックシェルおよび他の必要耐力特性を分担する他の材料 の両方の機械的機能に代るものである。このような設計により、他の設計に比較 してエネルギー蓄積特性が相当大きくなるが、材料が軽量で体積も小さくて済み 、ばね板のまとまりを設計に合わせることができるため、枝切断者は健康者の歩 行により近い歩行を行なえるようになる。

ばね構造体の全体を黒鉛もしくは炭素複合材料から構成した場合、従来の熱処理 鋼に比較して相当優れた利点を示す。ビームアナロジ−によると、１本のビーム は端から端まで通る無数の細い繊維から構成されたものとみなすことができる。

このように各端部で支持されているビームは、ビームの中心付近に重量を加えて ビームを下方へ撓ませた場合、適度に変形することになる。ビームの外表面、す なわちビームの上下フランジ上の繊維は上からの圧縮が最大であるため最も大き な応力を受けるのに対し、ビームの下面または底面の繊維は最大の引張力を受け る。すなわち、ビームの下フランジの最下部にある繊維が最も大きな引張荷重を 受けるため、この部分の繊維の強度によってビームの最大強度が決定されること になる。黒鉛複合繊維の引張強度が約２５０．０００ｐｓｉであるのに対し、鋼 の引張強度は約８０，０ＯＯｐｓｆである。この差は、鋼製ビームに比較して本 発明のビームはほぼ３倍の荷重をかけても永久変形や破断を生じないことを意味 している。また、黒鉛複合材料の体積比重量は鋼のそれに比べてかなり小さい。

鋼の密度が０．　２８２１ｂｓ／ｒｒｒであるのに対し、黒鉛複合材料の密度は 約０．　０５８！ｂｓ／ｒｒｒである。従って、黒鉛複合材料の体積比重量は鋼 の約２０％にすぎない。そのため、同じ重量の材料を用いた場合では、黒鉛製ビ ームの撓み抵抗は鋼製ビームの約１５倍大きくなり、逆に両者の撓み抵抗を同じ とした場合では、黒鉛製ビームは鋼製ビームの約１／１５の重量で済む。その上 、弾性率についても黒鉛複合材料と鋼ではほぼ同じである。

前記したように、一方向プレプレグ黒鉛材料の層を複数層重ねてばねが形成され る。一方向プレプレグ黒鉛材料はエポキシと着脱自在の裏張りを設けたものが市 販されている。複合材料は、周知の方法で硬化される。このような材料から成る ストリップを、前述のように繊維方向を配向させて積層する。

複合黒鉛薄板ばねは、第７図に概略的に示したように繊維を縦横に通して製造す るのが好適である。横に走る繊維が一部でもあると、複合材料が横方向にも相当 の強度をもつようになる。この構成では複合薄板ばね１４の重量が多少増加する が、それでもかなり軽量である。義足１０にエネルギーを蓄積するために必要な 黒鉛もしくは炭素ばねの重量は約８０グラムであり、義足全体で４８０グラムに なる。これに対し、鋼製ばねで同じ効果を達成しようとするとその重量はほぼ５ ８０グラムになり、義足全体で１０８０グラムに達する。これは現在市販されて いるサッチ義足の重量のほぼ２倍であるため、使用者が義足を選択する際に重量 が非常に重要な要素となると言える。

補助撓み板２０も同じ材料で形成するのが好適である。

第７図に示したように、積層体に縦方向以外の方向での強度を持たせるためには 一定数の横方向繊維が必要である。矢印７０で示すように縦方向を零度とした場 合、複合材料は一般に矢印７２．７４で示すように９０度および４５度に繊維を 順次配向しながら多重層に積層して形成するのが普通である。重量をむやみに増 加せずに複合材料に十分な強度をもたせるためには、ごくわずかな繊維構成でよ い。好適には４０％の繊維を零度方向に向け、４０％の繊維を矢印６５で示すよ うな３０度の方向、２０％の繊維を９０度の方向に向けるとよい。

補助複合撓み板２０は、−次撓み板１４の対応部分と接触して比較的平坦に延び る第１部分６０を有している。

補助複合撓み板２０の終端部を義足の自然の湾曲領域付近に配置し、上向きに延 びる円弧状部分６２とするのが好適である。補助撓み板は上述のように繊維強化 黒鉛もしくは炭素から成る別個の部品として形成するのが望ましいが、選択的に プラスチック材料で形成して補助的なばね作用を与えるようにすることもできる 。あるいはまた、補助撓み板をキールと同じ材料または異なる材料でキールと一 体的に形成してもよい。

本発明は、上記以外の特定の形態においても本発明の精神および本質的特徴から 逸脱することな〈実施できる。

従って、上に挙げた実施態様はあらゆる意味で説明的なものに過ぎず、限定的な ものでないとみなされるべきである。また、本発明の範囲は、以上の説明によっ てではなく、請求の範囲によって示されるものであり、従って請求の範囲と同等 の意味および範囲に相当する変更は全て本発明の中に包含されるものである。

Ｆｌに、　／ Ｆｌ６．２　Ｆｌに　３ ／’／６６ ＦＩＧ、　７ 国際調査報告

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．空洞を構成するように形成された剛性圧縮成形複合キールから成り、下部壁 と、該下部壁に接合されかつ上方向に延びてその間に軽量材料を受容するための 空洞を構成している一対の対向側壁と、義足を補綴部に固着するための手段を含 んでいると共に上記対向側壁に固着されかつその間に延在している上部分とを有 し、前記義足の装着者に対し十分な圧縮強さと横方向強さを保証するように構成 されている剛性キール部と、前記義足の下表面に固着されており、装着者によっ て義足が屈曲される時にエネルギーの吸収および放出を行なうばね手段と、 前記キール部およびばね手段を囲んで足の形状に設けられている被覆材とを含ん で成る義足。
2. ２．前記キールがアラミッド繊維強化プラスチック材料から形成されている請求 項１に記載の義足。
3. ３．前記キールの空洞を発泡プラスチック材料で充填して成る請求項１に記載の 義足。
4. ４．前記キールの各側壁が上方伸長部材を含んでおり、また前記上部分が、前記 上方伸長部材とかみ合うように対応して設けられた凹所を含む被覆板である請求 項１に記載の義足。
5. ５．前記キールの下部壁が、前方に延びる第１部分と、前記ばね手段を固定する ための上方へ延びる第２中間部分と、前記ばね手段の後方まで後向きに延びて前 記義足の踵部を構成している第３部分とを含んでいる請求項１に記載の義足。
6. ６．前記キールの前記第３部分の下に、中密度の軟質発泡プラスチック材料から 成る楔形部材が設けられている請求項５に記載の義足。
7. ７．前記ばね手段が、一次撓み板と、該一次撓み板と前記キールの下部壁との間 に介挿された補助撓み板とを含んでいる請求項１に記載の義足。
8. ８．前記補助撓み板が、前記義足の屈曲時に第２ばねとして作用する前方へ延び る上向き部分を含んでいる請求項７に記載の義足。
9. ９．前記一次撓み板が、前記キールに固着されてそこから前方へ前記キールのつ ま先部分まで延びる撓み板を少なくとも１対含んでおり、前記撓み板が相互に相 対的に摺動可能である請求項７に記載の義足。
10. １０．前記一次撓み板が複合炭素繊維材料から形成されている請求項７に記載の 義足。
11. １１．前記一次撓み板および補助撓み板のいずれも複合炭素繊維材料から形成さ れている請求項７に記載の義足。
12. １２．前記一次撓み板および補助撓み板の周りに、前記撓み板と前記被覆材との 間に介在するように設けられて前記被覆材の摩耗を防止する耐摩耗材料をさらに 含んで成る、請求項９に記載の義足。
13. １３．装着者の補綴具に固着されるように構成されており、下表面を有するキー ルと、 該キールの下表面に固着されてそこから前方へ延びており、装着者の運動時にエ ネルギーの吸収および放出を行なうばね手段とを含んで成り、前記ばね手段が炭 素繊維材料の複合積層体から成る一次撓み板を含んでいる義足。
14. １４．前記複合炭素繊維材料の繊維が、前記ばねに縦方向および横方向の強度を 与えるべく縦方向と横方向に配向されている請求項１３に記載の義足。
15. １５．前記ばね手段が、前記一次撓み板の長手方向の中間部の前記義足の湾曲点 付近に上方伸長部分を有する複合積層体から成る補助撓み板をさらに含んでおり 、前記義足の屈曲時にエネルギーの吸収および放出を助けるように構成されてい る請求項１３に記載の義足。
16. １６．前記補助複合撓み板が炭素繊維積層材料から形成されている請求項１５に 記載の義足。
17. １７．プラスチック被覆材と、中間軟質プラスチック材料と、ばね部材を支持す る剛性キールとを含んで成る形式の義足において、前記ばね部材と前記キールと の間に介挿された補助ばね部材を含み、該ばね部材が前記義足の湾曲点付近に上 方伸長部分を有して装着者の運動時にエネルギーの吸収および放出を助けるよう に構成されていることを特徴とする義足。
18. １８．前記補助複合撓み板が炭素繊維材料から形成されている請求項１６に記載 の義足。
19. １９．前記一次撓み板が炭素繊維材料から形成されている請求項１７に記載の義 足。
20. ２０．義足のばね部材として使用する積層体の製造方法であって、 繊維を直線方向に配向した繊維強化炭素材料を準備する段階と、 複数の繊維材料を所定のパターンに従って縦方向および横方向に積層して縦方向 および横方向の強さを備えた積層体を形成する段階と、 前記積層体をばね形状に形成する段階とを含んで成る方法。
21. ２１．前記所定のパターンが、前記繊維の約４０％を基準軸に関して零度の縦方 向に配向し、前記繊維の約４０％を前記軸に関して約３０度の斜め方向に配向し 、前記繊維の約２０％を前記軸に直角に配向するパターンから成る請求項２０に 記載の義足。