TWI773017B - 鞋用中底 - Google Patents

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穆巴希爾 阿里
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Abstract

一種鞋用中底，其具備以積層製造形成的結構，該鞋用中底包括：一底墊、一上墊以及一吸震緩衝層。底墊整體具備人體足掌輪廓的外形，且包括複數個受力區，每個受力區承受一足掌下壓的部分壓力。上墊的整體外形與該底墊相同且與該底墊相對設置。吸震緩衝層設於該底墊及該上墊之間且包含複數個承壓單體群，每個承壓單體群對應於各個受力區設置且包括複數個承壓單體，每一承壓單體的兩端分別抵接於該底墊與該上墊且可於縱向產生彈性變形。其中，該等承壓單體群具有相同或不同的機械性質，使該等承壓單體群承受相同或不同的壓力。

Description

鞋用中底
本發明係關於一種鞋用中底，特別是有關於一種以積層製造(additive manufacturing)技術來製造出以多種不同物理特性的螺旋彈簧構造形態且根據受壓負載形成特定區域分布配置，以應用於各種狀態下做為緩衝之鞋用中底。
運動鞋一般來說是由鞋底Sole)和鞋面(upper)所組成。鞋底由內至外主要可以分為三部分，主要包含內底(insole)、中底(midsole)以及外底(outsole)。通常，內底由非常柔軟的材料製成，其為腳提供舒適性，並且提供使用者在跑步及行走期間的緩衝和穩定性，進而而保護使用者腳踝、膝蓋和腰部免受嚴重傷害中底的重要特性是在於穩定性、衝擊能量吸收和能量釋放。傳統的中底是通過壓縮射出成形的製程製成的，材料是乙烯醋酸乙烯酯(ethylenevinylacetate，EVA）。鞋的外底在行走或跑步期間與地面相互作用，因此必須具有一定程度的堅硬度、耐磨性、並且能夠提供牽引力。
有關各種鞋底設計和製造技術過去大多是以壓縮射出成型製程技術進行製作，但是考量到鞋底的製作牽涉到不同使用者的腳型尺寸、及走路形態等人因因素，壓縮射出成型製程無法即時針對不同使用者進行鞋底尺寸的調整，也不易進行小批量的客制化生產，因此將利用積層製造的三維列印技術來進行有關鞋底設計及製作的技術逐漸應運而生，特別是三維列印技術具有高精準度及可變動性，相當適合應用於鞋類產品並進行客制化製作。
現有的鞋中底為了增加吸震的效果會設置多個彈簧狀的緩衝減振元件，如美國專利US7600330、本國專利I666995及M311288。但是由於在行走或跑步時，足掌各部分對鞋中底所施加的力不同。圖1顯示人類行走跑步時足部所承受的壓力之力學分布圖，顏色愈深表示所承受的壓力愈大。如圖1所示，顏色較深的區域主要分布於腳掌與腳跟之間的位置，其他則是顏色較淺的區域。但是現有的具有彈簧狀的緩衝減振元件的鞋中底，由於每個緩衝減振元件的尺寸及機械性質均相同，因此無法針對足掌各部位的不同施力而達到均勻減震的效果，容易造成足掌的不適甚至導致受傷。
是以，如何改善上述問題並且可以改良先前技術之各項缺點，並且還能夠具有優異的機械穩定性及舒適度的鞋用中底，申請人有鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本發明以解決習知技藝的缺點。
有鑑於此習知技藝的缺點，本發明人等經由精心檢討各種解決方案及努力研究的結果，終於完成一種能夠解決先前技藝缺陷的本發明之鞋用中底。 亦即，本發明的目的在於提供一種鞋用中底，其係由積層製造形成，本發明的鞋用中底係針對足掌各部分不同的施力對應地設置具有不同機械性質的承壓單體群，藉此本發明的鞋用中底可針對足掌各部分不同的施力產生平均的減震效果，增加使用者的舒適度且避免運動傷害。
根據本發明有關的一實施例，本發明的鞋用中底包括一底墊、一上墊以及一吸震緩衝層。底墊整體具備人體足掌輪廓的外形，且包括複數個受力區，每個受力區承受一足掌下壓的部分壓力。上墊的整體外形與該底墊相同且與該底墊相對設置。吸震緩衝層設於該底墊及該上墊之間且包含複數個承壓單體群，每個承壓單體群對應於各個受力區設置且包括複數個承壓單體，每一承壓單體的兩端分別抵接於該底墊與該上墊且可於縱向產生彈性變形。該等承壓單體群具有相同或不同的機械性質，使該等承壓單體群承受相同或不同的壓力。
本發明的鞋用中底藉由在吸震緩衝層中設置多個承壓單體群，多個承壓單體群分別設置在底墊上多個不同的受力區，這些受力區承受足掌不同部位對鞋用中底施加的壓力。 對應於各受力區的各承壓單體群可以是具有相同或相異的機械性質，這些相同或相異的機械性質可以是由具有不同機械特徵的承壓單體構成，其以較高的強度重量比以增強機械性質，例如力承受能力、可撓性以及穩定性等。 藉此，本發明的鞋用中底可以對應於足掌各部位不同的施力提供平均的減震效果，增加使用者穿著時的舒適度並且避免運動傷害。
為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制。
又，關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚呈現，以下實施例所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」等，僅是參考附加圖示的方向。
再者，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的元件標號。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的”第一”、”第二”等用語僅用以命名元件(element)的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
請參閱圖2、圖3及圖5，彼等列舉了一些本發明的鞋用中底的一實施例。本發明的鞋用中底包括一底墊10、一吸震緩衝層20以及一上墊30。如圖1的足底所承受的力學分布所示，顯示足底也施加相反的作用力於鞋用中底。因此，可以將鞋用中底分成若干個能夠承受不同受力的受力區，並針對各受力區分別設置具有不同機械性質的吸震緩衝基材。
足掌受力的分布會隨著受測者的年齡與體重而有不同的數值，圖1所示的足掌受力分布是以27歲，體重58公斤，身高168公分的人員進行測試所得。 在本實施例中，其根據圖1所示的足底不同受力的各部分將鞋用中底分成五個區域。可以將底墊10分成如圖2所示的五個區域，即包括足趾受力區A1、足前部受力區A2、第一足中部受力區A3、第二足中部受力區A4及足後部受力區A5。足趾受力區A1為配置以對應足趾部分的不規則形狀區域；足前部受力區A2為配置以對應足部之前足鄰近第一側邊11(足掌內側)的不規則形狀區域；第一足中部受力區A3為配置以對應足部之前足鄰近第二側邊12(足掌外側)的不規則形狀區域；第二足中部受力區A4為配置以對應足部之中足部分的不規則形狀區域，即足弓的部分。足後部受力區A5為配置以對應足部之後足部分的不規則形狀區域，即靠近足跟的部分。 特別是這五個受力區的面積具有以下的關係式： A4 ＞ A3 ＞ A2 ≧ A5 ＞ A1 又，在各受力區A1、A2、A3、A4、A5所承受的力符合以下關係式： F2 ＞ F5 ＞ F1 ＞ F3 ＞ F4 式中，F1表示該足趾受力區承受的力， F2表示該足前部受力區承受的力， F3表示該第一足中部受力區承受的力， F4表示該第二足中部受力區承受的力， F5表示該足後部受力區承受的力。
從圖1及實驗所得的數據，足趾受力區A1的受力為360N，足前部受力區A2的受力為620N，第一足中部受力區A3的受力為340N，第二足中部受力區A4的受力為300N，足後部受力區A5的受力為450N。
如圖3所示，吸震緩衝層20設置在底墊10與上墊30之間且可對應於上述底墊10的五個受力區A1、A2、A3、A4、A5設置。 在本實施例中，吸震緩衝層20包括複數個承壓單體群。每個承壓單體群分別包括複數個承壓單體200。在本實施例中，承壓單體200為螺旋形彈簧狀的元件，每個承壓單體200的兩端分別連接於底墊10與上墊30而可以在垂直於底墊10及上墊30的方向上產生彈性形變，藉此產生緩衝及吸震的優異效果。
又，如上所述，每個受力區設置承壓單體200的數量可以是根據五個受力區A1、A2、A3、A4、A5的面積、受力大小來配置。 舉例來說，例如，在一實施例中，各受力區設置的承壓單體200的數量較佳者為可以符合以下的關係式： N4 ＞ N3 ＞ N2 ＞ N5 ＞ N1 (式中，N1為設置在足趾受力區A1的承壓單體的數量； N2為設置在足前部受力區A2的承壓單體的數量； N3為設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的數量； N4為設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的數量； N5為設置在足後部受力區A5的承壓單體的數量。)
在本實施例中，N1為4個，N2為8個，N3為12個，N4為22個，N5為7個。足趾受力區A1的每個承壓單體的受力為90N，足前部受力區A2的每個承壓單體的受力為77N，第一足中部受力區A3的每個承壓單體的受力為28N，第二足中部受力區A4的每個承壓單體的受力為13.5N，足後部受力區A5的每個承壓單體的受力為64N。 各受力區A1、A2、A3、A4、A5的承壓單體的數量、總受力以及各承壓單體的受力如以下表1所示： 表1
受力區 承壓單體的數量 總受力(N) 各承壓單體的受力(N)
A1 4 360 90
A2 8 620 77
A3 12 340 28
A4 22 300 13.5
A5 7 450 64
為了改善各承壓單體群21~25的機械性質並使其最佳化，以達到較佳的強度重量比，各承壓單體200可以使用不同型態的螺旋形彈簧元件。在本實施例中，承壓單體200可以是仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)210(如圖4a所示)、仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)220(如圖4b所示)、仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體) 230(如圖4c所示)。 又，各受力區A1、A2、A3、A4、A5的承壓單體群21~25可以是全部使用同一種型態的螺旋彈簧元件，或者也可以是使用由這三種螺旋形彈簧元件中之兩種或三種的混合種類來設置。
為了達到希望的機械性質，承壓單體200的仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)、仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)及仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)的結構參數可以做適當的設計。根據虎克定律，彈簧的受力為彈性係數乘以彈簧的形變量，即F=kΔx，彈簧的機械性質係反應於彈簧的彈性係數中。 根據本發明，非線性彈簧的彈性係數具有以下的關係式：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
在式中，D為螺旋彈簧的平均直徑(mm)， G為剛性模數(MPa)， N為有效圈數， d為線徑(mm)， DC表示最大平均直徑與最小平均直徑的關係式， Dmax為最大平均直徑， Dmin為最小平均直徑。
因此，只要調整螺旋彈簧的平均直徑、選擇適當的材質、增減有效圈數以及調整線徑就可以得到希望的機械性質，也就是使螺旋形彈簧元件的承壓單體200產生適當的機械性質。在本實施例中，承壓單體200可以是如圖4a所示之仿常態螺旋彈簧狀單體、如圖4b所示之仿桶狀螺旋彈簧狀單體、如圖4c所示之仿錐狀螺旋彈簧狀單體。
在本發明的一實施例中，可以用來做為承壓單體200的仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)可以是具有：線徑SN WD，其範圍為2.5mm~4.2mm；螺距SN SD，其範圍為8mm~14mm；平均直徑SN AD，其範圍為14mm~18mm；有效圈數SN EN，其範圍為3~8；自由長度SN FL，其範圍為16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為75g~85g。
在本發明的一實施例中，可以用來做為承壓單體200的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)具有：線徑SB WD，其範圍為2.7mm~4.8mm；螺距SB SD，其範圍為7mm~13mm；最小平均直徑SB ADS，其範圍為10mm~14mm；最大平均直徑SB ADX，其範圍為14mm~18mm；有效圈數SB EN，其範圍為4~10；自由長度SB FL，其範圍16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為90g~100g。
在本發明的一實施例中，可以用來做為承壓單體200的仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)具有：線徑SC WD，其範圍為2.8mm~4.8mm；螺距SC SD，其範圍為6mm~13mm；最小平均直徑SC SDS，其範圍為6mm~10mm；最大平均直徑SC SDX，其範圍為14mm~18mm；有效圈數SC EN，其範圍為4~10；自由長度SC FL，其範圍為16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為85g~95g。
如上所述，由於對應於五個受力區A1、A2、A3、A4、A5需要設置具有不同機械性質的承壓單體200。
舉例來說，例如，該等承壓單體群的每個該承壓單體均為具有相等線徑、相等螺距、及相等有效圈數之仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)，而且在承壓單體200為仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)210的情況下，較佳者為該等承壓單體的線徑符合以下的關係式： SN WD5= SN WD2= SN WD1= SN WD3=SB WD4(式中，SN WD1表示設置在足趾受力區A1的承壓單體的線徑， SN WD2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的線徑， SN WD3表示設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的線徑， SN WD4表示設置在第二足中部受力區A3的承壓單體的線徑， SN WD5表示設置在足後部受力區A4的承壓單體的線徑。)
又，較佳者為該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式： SN OD5= SNO D2= SN OD1＞ SN OD3= SN OD4(式中，SN OD1表示設置在足趾受力區A1的承壓單體的平均直徑， SN OD2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的平均直徑， SN OD3表示設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的平均直徑， SN OD4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的平均直徑， SN OD5表示設置在足後部受力區A5的承壓單體的平均直徑。)
又，較佳者為該等承壓單體的螺距符合以下的關係式： SN SD1= SN SD2= SN SD3= SN SD4= SN SD5(式中，SN SD1表示設置在足趾受力區A1的承壓單體的螺距， SN SD2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的螺距， SN SD3表示設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的螺距， SN SD4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的螺距， SN SD5表示設置在足後部受力區A5的承壓單體的螺距。)
又，較佳者為該等承壓單體的有效圈數符合以下的關係式： SN EN1= SN EN2= SN EN3= SN EN4= SN EN5(式中，SN EN1表示設置在足趾受力區A1的承壓單體的有效圈數， SN EN2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的有效圈數， SN EN3表示設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的有效圈數， SN EN4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的有效圈數， SN EN5表示設置在足後部受力區A5的承壓單體的有效圈數。)
此外，在本發明的另一實施例中，在五個受力區A1、A2、A3、A4、A5可以是設置至少兩種形式的仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)。例如，較佳者為在受力區A1、A2、A5分別設置具有較小張力或較大剛性的SN單體以承受高應力；另一方面，在受力區A3、A4分別設置具有較大張力或較小剛性的SN單體以承受低應力。
另外，設置於受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)的結構參數，例如，線徑、平均直徑、螺距及有效圈數可以使用由PTC所提供三維塑形參數軟體(PTC, 2011. 3D CAD Software | Creo 網路文件. https://www.ptc.com/en/products/cad/creo)而求得。
在本實施例中，表2為五個受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)210的各結構參數的一測試例。 表2
受力區 線徑(mm) 平均直徑(mm) 螺距(mm) 有效圈數
A1 2.8 15 11 3
A2 2.8 15 11 3
A3 2.8 13 11 3
A4 2.8 13 11 3
A5 2.8 15 11 3
因此，應用仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)210的實施例分成兩種不同機械性質的單體在，在足趾受力區A1、足前部受力區A2及足後部受力區A5使用具有相同機械性質的單體，其具有較小的彈性係數，其平均直徑較大第一足中部受力區A3及第二足中部受力區A4也使用具有相同機械性質的單體，平均直徑較小，因此具有較大的彈性係數。
在本發明的另一實施例中，在五個受力區A1、A2、A3、A4、A5可以是設置具有相同結構的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)。例如，在承壓單體200為仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)220的情況下，該等承壓單體的線徑符合以下的關係式： SB WD5＞ SB WD2＞ SB WD1＞ SB WD3＞ SB WD4(式中，SB WD1表示設足趾受力區A1的該承壓單體的線徑， SB WD2表示設置在足前部受力區A2的該承壓單體的線徑， SB WD3表示設置在該第一足中部受力區A3的該承壓單體的線徑， SB WD4表示設置在該第二足中部受力區A4的該承壓單體的線徑， SB WD5表示設置在該足後部受力區A5的該承壓單體的線徑。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式： SB OD5= SBO D2= SB OD1＞ SB OD3= SB OD4(式中，SB OD1表示設置在該足趾受力區A1的承壓單體的平均直徑， SB OD2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的平均直徑， SB OD3表示設置在第一足中部受力區A3的該承壓單體的平均直徑， SB OD4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的平均直徑， SB OD5表示設置在足後部受力區A5的該承壓單體的平均直徑。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的螺距符合以下的關係式： SB SD1= SB SD2= SB SD3= SB SD4= SB SD5(式中，SB SD1表示設置在該足趾受力區A1的該承壓單體的螺距， SB SD2表示設置在該足前部受力區A2的該承壓單體的螺距， SB SD3表示設置在該第一足中部受力區A3的該承壓單體的螺距， SB SD4表示設置在該第二足中部受力區A4的該承壓單體的螺距， SB SD5表示設置在該足後部受力區A5的該承壓單體的螺距。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的有效圈數符合以下的關係式： SB EN1= SB EN2= SB EN3= SB EN4= SB EN5， (式中，SB EN1表示設置在足趾受力區A1的承壓單體的有效圈數， SB EN2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的有效圈數， SB EN3表示設置在第一足中部受力區A3的承壓單體的有效圈數， SB EN4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的有效圈數， SB EN5表示設置在足後部受力區A5的承壓單體的有效圈數。)
此外，在本發明的另一實施例中，在五個受力區A1、A2、A3、A4、A5可以是設置至少兩種形式的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)。例如，較佳者為在受力區A1、A2、A5分別設置具有較小張力或較大剛性的SB單體以承受高應力；另一方面，在受力區A3、A4分別設置具有較大張力或較小剛性的SB單體以承受低應力。
另外，設置於受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)的結構參數，例如，線徑、平均直徑、螺距及有效圈數可以使用由PTC所提供三維塑形參數軟體(PTC, 2011. 3D CAD Software | Creo 網路文件. https://www.ptc.com/en/products/cad/creo)而求得。
在本實施例中，表3為五個受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)220的各結構參數的一測試例。 表3
受力區 線徑(mm) 平均直徑(mm) 螺距(mm) 有效圈數
A1 4.25 15 11 3
A2 4.3 15 11 3
A3 3 13 11 3
A4 2.9 13 11 3
A5 4.6 15 11 3
藉由使用不同線徑的仿桶狀螺旋彈簧狀單體，使受力區A1、A2、A3、A4、A5的承壓單體具有不同的彈性係數。
又，在本發明的一實施例中，在承壓單體200為仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)230的情況下，該等承壓單體的線徑符合以下的關係式： SC WD5＞ SC WD2＞ SC WD1＞ SC WD3＞ SC WD4(式中，SC WD1表示設足趾受力區A1的該承壓單體的線徑， SC WD2表示設置在足前部受力區A2的該承壓單體的線徑， SC WD3表示設置在該第一足中部受力區A3的該承壓單體的線徑， SC WD4表示設置在該第二足中部受力區A4的該承壓單體的線徑， SC WD5表示設置在該足後部受力區A5的該承壓單體的線徑。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式： SC OD5= SCO D2= SC OD1＞ SC OD3= SC OD4(式中，SC OD1表示設置在該足趾受力區A1的承壓單體的平均直徑， SC OD2表示設置在足前部受力區A2的承壓單體的平均直徑， SC OD3表示設置在第一足中部受力區A3的該承壓單體的平均直徑， SC OD4表示設置在第二足中部受力區A4的承壓單體的平均直徑， SC OD5表示設置在足後部受力區A5的該承壓單體的平均直徑。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的螺距符合以下的關係式： SC SD1= SC SD2= SC SD3= SC SD4= SC SD5(式中，SC SD1表示設置在該足趾受力區A1的該承壓單體的螺距， SC SD2表示設置在該足前部受力區A2的該承壓單體的螺距， SC SD3表示設置在該第一足中部受力區A3的該承壓單體的螺距， SC SD4表示設置在該第二足中部受力區A4的該承壓單體的螺距， SC SD5表示設置在該足後部受力區A5的該承壓單體的螺距。)
又，在本發明的一實施例中，該等承壓單體的有效圈數符合以下的關係式： SC EN1= SC EN2= SC EN3= SC EN4= SC EN5(式中，SC EN1表示設置在該足趾受力區A1的該承壓單體的有效圈數， SC EN2表示設置在該足前部受力區A2的該承壓單體的有效圈數， SC EN3表示設置在該第一足中部受力區A3的該承壓單體的有效圈數， SC EN4表示設置在該第二足中部受力區A4的該承壓單體的有效圈數， SC EN5表示設置在該足後部受力區A5的該承壓單體的有效圈數。)
此外，在本發明的另一實施例中，在五個受力區A1、A2、A3、A4、A5可以是設置至少兩種形式的仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)。例如，較佳者為在受力區A1、A2、A5分別設置具有較小張力或較大剛性的SC單體以承受高應力；另一方面，在受力區A3、A4分別設置具有較大張力或較小剛性的SC單體以承受低應力。
另外，設置於受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)的結構參數，例如，線徑、平均直徑、螺距及有效圈數可以使用由PTC所提供三維塑形參數軟體(PTC, 2011. 3D CAD Software | Creo 網路文件. https://www.ptc.com/en/products/cad/creo)而求得。
在本實施例中，表3為五個受力區A1、A2、A3、A4、A5的仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)230的各結構參數的一測試例。 表4
受力區 線徑(mm) 平均直徑(mm) 螺距(mm) 有效圈數
足趾受力區A1 4.25 15 11 3
足前部受力區A2 4.3 15 11 3
第一足中部受力區A3 3 13 11 3
第二足中部受力區A4 2.9 13 11 3
足後部受力區A5 4.6 15 11 3
藉由使用不同線徑的仿桶狀螺旋彈簧狀單體，使受力區A1、A2、A3、A4、A5的承壓單體具有不同的彈性係數。
底墊10、吸震緩衝層20以及上墊30可用積層製造的方式，其材質可以選用耐綸(nylon)，其在相對較薄的連接處可以具有較佳的強度。而且積層製造可以用較低的成本製造出較複雜的結構，例如本發明的仿桶狀螺旋彈簧狀單體或仿錐狀螺旋彈簧狀單體的結構，如果使用傳統工藝需花費較高的製作成本。
另外，為了絕緣，振動和衝擊能阻尼等之目的，較佳者為在鞋中底使用輕質材料或超輕質材料的填充材料，用以支撐彈簧結構以免彎曲和變形。又，也可以在減震層20中填充一填充物以覆蓋承壓單元21~25。又，輕質材料最佳為使用於SN單元，SB單元或SC單元內部或之中的彈簧之間，以減輕彈性結構的不穩定性。因此，在鞋中底的壓縮和膨脹過程中，經由通孔可以吸入和呼出空氣。
優選地，輕質材料可以是多孔材料，例如，海綿、海綿狀材料。 超輕材料的密度最好小於10 mg / cm 3，例如，石墨烯氣凝膠（ρ0.16 mg / cm 3）、二氧化矽氣凝膠（密度ρ≥1 mg / cm 3）、金屬泡沫（ρ≥10 mg / cm 3）、 形狀記憶聚合物泡沫（ρ≥18 mg / cm 3）、以及聚氨酯泡沫（PUF）（ρ≥40 mg / cm 3）。
另外，為了研究具有相同高度、體積分數和質量但具有不同形狀的各種彈簧的載荷-撓度曲線的機械性能，可以對一些實驗進行了單軸壓縮和載荷-卸載測試、以及有限元素分析（FEA）。進行研究以研究從每個彈簧上移去施加的載荷後的承載能力，撓度，能量吸收和能量損失。
根據本發明之一實驗結果，它顯示了具有相同高度，體積分數和質量但形狀可變的各種彈簧的載荷－撓度曲線。 這表明螺旋彈簧的承重能力受每個樣品的形狀和質量分布的顯著影響。 特別地，與彈簧的均勻直徑相比，具有錐形形狀的螺旋彈簧具有最大的承載能力。
舉例來說，例如，在本發明一實施例中，較佳為使用如下表5中所示的各種不同尺寸的螺旋彈簧。 表5
設計參數 彈簧 1 彈簧 2 彈簧 3 彈簧 4 彈簧 5 彈簧 6
彈簧名稱 簡易螺旋彈簧 雙螺距螺旋彈簧 三螺距螺旋彈簧 三螺距三線徑螺旋彈簧 仿桶狀 彈簧 錐狀彈簧
彈簧形狀
Figure 02_image007
Figure 02_image009
Figure 02_image011
Figure 02_image013
Figure 02_image015
Figure 02_image017
螺距(mm) 9 9 11 10 11 13 10 11 13 9 7
線距. (mm) 2.6 2.7 2.93 2 3 4 2.95 3.08
平均螺距. (mm) 16 16 16 16 12 16 8 16
質量(grams) 17.98 17.29 17.43 17.64 18.0 17.51
如表5所示，彈簧6的線徑最大，一端的螺距最小，平均直徑也較小。因此，質量分布增加了線徑。可以確定的是，線徑對螺旋彈簧的能量吸收性能影響最大。因此，彈簧6的最大承重值也可以通過分析計算得到證明。彈簧5的負載能力比彈簧6少43.85％。兩端的平均直徑較小；因此，通過減小平均直徑節省的質量用於增強線徑，從而增加了螺旋彈簧的整體承載能力。
因此，可以使用至少兩種不同類型的可變尺寸螺旋彈簧來設計根據本發明的鞋中底。中底的每個區域的設計參數值根據腳壓力分布而變化。例如，在本發明之一實施例中，對於承壓單體200為仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)220的情況以及承壓單體200為仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)230的情況，分別將底墊10、吸震緩衝層20以及上墊30形成的鞋用中底以有限元素分析法(FEA)進行電腦數值模擬，以求得各受力區A1、A2、A3、A4、A5的受力與變形量的關係。又，在相同的變形量下，足趾受力區A1、足前部受力區A2及足後部受力區A5可承受較大的力，第一足中部受力區A3及第二足中部受力區A4則承受較小的力。
又，在本發明之一實施例中，較佳者為對於每個不同尺寸的螺旋彈簧設計五個不同的螺旋彈簧，並且將其插入到實心中底中，以便將其轉換成重量輕得多，具有優異的能量吸收（緩衝）以及能量返回的彈簧結構的中底。
具體而言，可以將中底製成為定制設計的不同尺寸螺旋彈簧，以根據腳的壓力分布而布置在不同的區域，例如，足趾受力區A1、足前部受力區A2、第一足中部受力區A3、第二足中部受力區A4、以及足後部受力區A5。
又，在本發明之一實施例中，在承壓單元200可以是SB單元或SC單元的情況下，設置在足趾受力區A1、足前部受力區A2、第一足中部受力區A3、第二足中部受力區A4、以及足後部受力區A5的彈簧之數量分別較佳為大於2但小於30。舉例來說，例如，可以是配置如表六所示的數量。 表六
受力區 彈簧數量  (N) 受力總和 (N) 每一彈簧受力 (N)
A1 4 360 90
A2 8 620 77
A3 12 340 28
A4 22 300 13.5
A5 7 450 64
如表6所示，在足趾受力區A1中，彈簧的數量可以在2到10的範圍內。在足前部受力區A2中，彈簧的數量可以在5到15的範圍內。 在第一足中部受力區A3中，彈簧的數量可以在5到20的範圍內。在第二足中部受力區A4中，彈簧的數量可以在10到50的範圍內。在足後部受力區A5中，彈簧的數量可以在2到15之間。
另外，每個彈簧的高度都可以是根據鞋底夾層的波動高度來進行設計，以承受表6所述的期望力。優選地，每個彈簧均設計成具有表6所述的期望力。
舉例來說，例如，如表6所示，在足趾受力區A1中，每個彈簧優選地被設計成能夠承受在50N至150N的範圍內的力（N）。在足前部受力區A2中，每個彈簧是彈簧。 優選地，彈簧被設計成能夠承受在35 N至120 N範圍內的力（N）。在第一足中部受力區A3中，每個彈簧都優選地被設計成能夠承受在10 N範圍內的力（N）。 優選地，在第二足中部受力區A4中，每個彈簧被設計為能夠承受在50N至40N範圍內的力（N）。在足後部受力區A5中，每個彈簧優選地被設計為 能夠承受20 N至100 N範圍內的力（N）。此外，參考圖5，它是鞋中底的示意性側視圖，示出了在各種條件下的壓縮測試期間在承受壓縮之前和之後在不同區域的不同尺寸的輪廓。表5為區域B1、B2、B3、B4及B5的在試驗前後的高度及變化率。區域B1對應於足趾受力區A1的前端，區域B2對應於足前部受力區A2和第一足中部受力區A3，區域B3對應於第二足中部受力區A4、B4對應於足後部受力區A5，區域B5對應於足後部受力區A5的邊緣。 表5
鞋用中底類型 區域 試驗前(mm) 試驗後(mm) 變化率%
 SN單體 B1 (A1) 27 27 0.00
B2 (A2) 22 20 9.09
B3 (A3) 35 33 5.71
B4 (A4) 31.5 26.5 15.87
B5 (A5) 34.5 26.5 15.07
SB單體 B1 (A1) 27 25 7.41
B2 (A2) 22 20 9.09
B3 (A3) 35 34.9 0.29
B4 (A4) 31.5 29.5 6.35
B5 (A5) 34.5 34.2 0.87
SB單體 B1 (A1) 27 25.5 5.56
B2 (A2) 22 20.5 6.82
B3 (A3) 35 31.8 9.14
B4 (A4) 31.5 30.5 3.17
B5 (A5) 34.5 34.2 0.87
如表7所示，可以知道：仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)構成的中底的高度差在0.00〜15.87％的範圍內，由仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)構成的中底的高度差為在0.29〜9.09％的範圍內，由仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)構成的中底的高度差在0.87〜9.14％的範圍內。因此，具仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)230的變形量最少，具仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)220其次，仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)210的變形量最大。
又，如圖5所示，各受力區所設置之該承壓單體的自由長度符合以下的關係式： FL4＞FL5＞FL1＞FL2=FL3 式中，FL1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的自由長度， FL2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的自由長度， FL3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的自由長度， FL4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的自由長度， FL5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的自由長度。
此外，揭示了與由SB單體組成的中底和/或由SC單體組成的中底相比，由SN單體組成的中底在高度上具有最大的撓曲。 另外，還揭示出，由SB單體構成的中底的高度偏移大於由SC單體構成的中底的高度偏移。
總體而言，與由SB單體構成的中底（24％）和由SC單體構成的中底（25％）相比之下，由SN單體構成的中底（45％）的高度差是比較高的。
綜上所述，根據本發明，鞋中底的重量是實心中底的一半，然而，卻具有經改善的性能，例如高能量吸收、高能量返回、可接受的剛度、高壓縮距離等。
另外，為了使吸震緩衝層20的結構保持穩定，可以在上墊30與底墊10之間填充一填充材，填充材是以輕質的多孔性材料形成。
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明之申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:底墊 11:第一側邊 12:第二側邊 20:吸震緩衝層 21、22、23、24、25:承壓單體群 30:上墊 A1:足趾受力區 A2:足前部受力區 A3:第一足中部受力區 A4:第二足中部受力區 A5:足後部受力區 200:承壓單體 210:仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體) 220:仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體) 230:仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體) SN WD、SB WD、SC WD:線徑 SN SD、SB SD、SC SD:螺距 SN AD、SB AD、SC AD:平均直徑 SN FL、SB FL、SC FL:自由長度 B1、B2、B3、B4、B5:區域
圖1為人類在行走跑步時足底所承受壓力之力學分布圖。 圖2為本發明之鞋用中底的一實施例的立體圖。 圖3為圖2的鞋用中底之平面示意圖。 圖4a係顯示本發明之一實施態樣的承壓單體之結構的示意圖。 圖4b係顯示本發明之另一實施態樣的承壓單體之結構的示意圖。 圖4c係顯示本發明之又一實施態樣的承壓單體之結構的示意圖。 圖5係顯示本發明之鞋用中底結構的側面結構的示意圖。
10:底墊
11:第一側邊
12:第二側邊
20:吸震緩衝層
A1:足趾受力區
A2:足前部受力區
A3:第一足中部受力區
A4:第二足中部受力區
A5:足後部受力區
200:承壓單體

Claims (11)

  1. 一種鞋用中底，其具備以積層製造形成的結構，該鞋用中底包括：一底墊，其整體具備人體足掌輪廓的外形，且包括複數個受力區，每個受力區承受一足掌下壓的部分壓力；一上墊，其整體外形與該底墊相同且與該底墊相對設置；以及一吸震緩衝層，設於該底墊及該上墊之間且包含複數個承壓單體群，每個承壓單體群對應於各個受力區設置且包括複數個承壓單體，每一承壓單體的兩端分別抵接於該底墊與該上墊且可於縱向產生彈性變形；其中，該等承壓單體群具有相同或不同的機械性質，使該等承壓單體群承受相同或不同的壓力；以及每個該承壓單體群的該等承壓單體為仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)、仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)、仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)或任兩種以上的組合。
  2. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該複數個受力區包括：足趾受力區，對應足部之足趾；足前部受力區，對應於鄰近足內側的足掌；第一足中部受力區，對應於鄰近足外側的足掌；第二足中部受力區，對應於足弓；以及足後部受力區，對應於鄰近足跟的足掌；其中各受力區承受的力符合以下關係式：F2>F5>F1>F3>F4式中，F1表示該足趾受力區承受的力，F2表示該足前部受力區承受的力，F3表示該第一足中部受力區承受的力， F4表示該第二足中部受力區承受的力，F5表示該足後部受力區承受的力。
  3. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)具有：線徑SNWD，其範圍為2.5mm~4.2mm；螺距SNSD，其範圍為8mm~14mm；平均直徑SNAD，其範圍為14mm~18mm；有效圈數SNEN，其範圍為3~8；自由長度SNFL，其範圍為16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為75g~85g。
  4. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)具有：線徑SBWD，其範圍為2.7mm~4.8mm；螺距SBSD，其範圍為7mm~13mm；最小平均直徑SBADS，其範圍為10mm~14mm；最大平均直徑SBADX，其範圍為14mm~18mm；有效圈數SBEN，其範圍為4~10；自由長度SBFL，其範圍16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為90g~100g。
  5. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)具有：線徑SCWD，其範圍為2.8mm~4.8mm；螺距SCSD，其範圍為6mm~13mm；最小平均直徑SCSDS，其範圍為6mm~10mm；最大平均直徑SCSDX，其範圍為14mm~18mm； 有效圈數SCEN，其範圍為4~10；自由長度SCFL，其範圍為16mm~36mm；以及質量(M)，其範圍為85g~95g。
  6. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該等承壓單體群的每個該承壓單體均為具有相等線徑、相等螺距、及相等有效圈數之仿常態螺旋彈簧狀單體(SN單體)，而且該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式：SNOD5=SNOD2=SNOD1>SNOD3=SNOD4式中，SNOD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的平均直徑，SNOD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的平均直徑，SNOD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SNOD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SNOD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的平均直徑。
  7. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該等承壓單體群的每個該承壓單體均為具有相等有效圈數之仿桶狀螺旋彈簧狀單體(SB單體)，而且該等承壓單體的線徑符合以下的關係式：SBWD5>SBWD2>SBWD1>SBWD3>SBWD4式中，SBWD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的線徑，SBWD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的線徑，SBWD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的線徑，SBWD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的線徑，SBWD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的線徑；該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式：SBOD5=SBOD2=SBOD1>SBOD3=SBOD4式中，SBOD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的平均直徑， SBOD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的平均直徑，SBOD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SBOD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SBOD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的平均直徑；該等承壓單體的螺距符合以下的關係式：SBSD1=SBSD2=SBSD3=SBSD4=SBSD5式中，SBSD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的螺距，SBSD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的螺距，SBSD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的螺距，SBSD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的螺距，SBSD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的螺距。
  8. 如請求項1所述之鞋用中底，其中該等承壓單體群的每個該承壓單體均為具有相等螺距、相等有效圈數之仿錐狀螺旋彈簧狀單體(SC單體)，而且該等承壓單體的線徑符合以下的關係式：SCWD5>SCWD2>SCWD1>SCWD3>SCWD4式中，SCWD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的線徑，SCWD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的線徑，SCWD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的線徑，SCWD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的線徑，SCWD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的線徑；該等承壓單體的平均直徑符合以下的關係式：SCOD5=SCOD2=SCOD1>SCOD3=SCOD4，式中，SCOD1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的平均直徑， SCOD2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的平均直徑，SCOD3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SCOD4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的平均直徑，SCOD5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的平均直徑。
  9. 如請求項6、7、或8所述之鞋用中底，其中各受力區所設置之該承壓單體的數量，符合以下的關係式：N4>N3>N2>N5>N1式中，N1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的數量，N2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的數量，N3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的數量，N4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的數量，N5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的數量。
  10. 如請求項6、7、或8所述之鞋用中底，其中各受力區所設置之該承壓單體的自由長度符合以下的關係式：FL4>FL5>FL1>FL2=FL3式中，FL1表示設置在該足趾受力區的該承壓單體的自由長度，FL2表示設置在該足前部受力區的該承壓單體的自由長度，FL3表示設置在該第一足中部受力區的該承壓單體的自由長度，FL4表示設置在該第二足中部受力區的該承壓單體的自由長度，FL5表示設置在該足後部受力區的該承壓單體的自由長度。
  11. 如請求項1所述之鞋用中底，其更包括一填充材，填充於該吸震緩衝層內用以包覆該等成壓單體，該填充材為多孔性材質。
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