義足用エアシリンダ装置の内圧を確保する方法および装置

【課題】空気ばね作用を生ずべき室の内圧を有効に確保する。
【解決手段】義足用エアシリンダ装置１１０の作動時、クッション室８３が負圧傾向になる。この発明では、その負圧と外気圧（大気圧）との差圧を利用し、クッション室８３に差圧分の外気を導入する。そのため、クッション室８３に対し、逆止弁９５付きの新たな通路８５を設ける。また、静止時の内圧を大気圧にするため、クッション室８３に対し洩れ通路を設けるのが好ましい。洩れ通路として、たとえば、ピストンロッド周りのダストシール１１６の通気性を利用することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大腿側の部材と下腿側の部材とがひざの部分で屈曲可能な義足の動きを補助する義足用エアシリンダ装置において、ピストンが区画する室の内圧を有効に確保するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
大腿義足の一つとして、ひざの伸展および屈曲を伴う義足がある。この義足は、大腿側の部材と下腿側の部材とが相対的に揺動する動きをする。そのような義足の動きを自然の歩容に近づけるため、大腿側、下腿側の両部材間に補助装置を連結する。一般的な補助装置は、油圧あるいはエアを用いるシリンダ装置である。
【０００３】
油圧シリンダ装置の作動流体であるオイルが非圧縮性であるのに対し、エアシリンダ装置の作動流体である空気は圧縮性である。それらの特性の違いから、各シリンダ装置には、互いに異なる利点がある。ここで問題とするエアシリンダ装置は、油圧シリンダ装置に比べて軽量であり、しかもまた、歩行に適した機能を発揮する。すなわち、エアシリンダ装置は、空気の圧縮に伴う圧縮エネルギー（つまり、空気ばね作用）により、ひざの伸展の最終段階で伸展に抗する緩衝力（以下、この緩衝力をクッション力とも言う）を生じ、また、ひざが最大に屈曲した後、伸展に移る際に反発力を生じ、伸展を有効に助勢する。
【０００４】
このようなエアシリンダ装置の利点は、ひざの伸展および屈曲を伴う義足のいろいろなタイプのものに生かすことができる。たとえば、ひざの屈曲の角度が変わっても回転中心が一定の単軸の義足（特許文献１、特許文献３の図４）、ひざの屈曲の角度に応じて回転中心が変化する多軸の義足（特許文献２、特許文献３の図１）、さらには、屈曲状態を完全にロックする義足（特許文献１、特許文献３の図４）のほか、屈曲可能な状態に柔軟にロックする義足（いわゆるイールディング義足であり、特許文献４を参照）など広範囲に適用することができる。
【特許文献１】特開平９−５５１号公報
【特許文献２】特許平１１−２８５５０８号公報
【特許文献３】特開２００１−１３７２６８号公報
【特許文献４】特開２００４−１６７１０６号公報
【０００５】
また、ここで問題とするエアシリンダ装置は、内部のピストンが静止する非作動時には、作動流体である空気の圧力が大気圧である（そこで、大気圧タイプと言うことができる）。その点、義足用のエアシリンダ装置の中には、作動流体である空気を大気圧を超える圧縮状態で内部に封入した加圧タイプのものも知られている（特許文献５）。そのような加圧タイプのものと比べると、静止時の内圧を大気圧に設定したエアシリンダ装置は、空気洩れの心配がなく、しかも、耐圧性にこだわる必要がないので、装置の設計上、非常に有利である。
【特許文献５】米国特許第５，９０４，７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者等は、大気圧タイプの義足用エアシリンダ装置の機能向上を図るため、歩行速度を大きく変化させたとき、前記した伸展に抗する緩衝力や伸展に移る際の反発力に何か不都合が生じないかについて繰り返しテストを行い検討した。その結果、次のような発見をした。すなわち、それらの緩衝力や反発力は、歩行速度が比較的に小さい段階では有効に働くが、歩行速度が大きくなり、たとえば小走りするような速度になると、ねらいとする空気ばね作用が得られなくなる傾向があることを見出した。
【０００７】
そして、その問題をさらに追求したところ、ピストンが区画する各室間を空気がうまく循環しなくなることに起因していることが判明した。さらに言えば、各室間の空気の循環あるいは流通がピストンの速い動きに追随することができなくなり、空気ばね作用を生ずべき室中の空気濃度が低くなる（あるいは、負圧になる）事態を生じるのである。そのため、有効な空気ばね作用を得ることができず、義足装着者が歩行するとき、たとえば踵の接地時の衝撃が大きくなり、歩行に違和感を生じてしまう。
【０００８】
そこで、この発明は、そのような負圧になる事態を防ぎ、空気ばね作用を生ずべき室の内圧を有効に確保することができる技術を提供することを目的とする。
また、この発明は、既存のエアシリンダ装置に容易に適用することができる技術を提供することを他の目的とする。
この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、大気圧タイプの義足用エアシリンダ装置を前提とする。このタイプの装置では、内部のピストンが静止する非作動時、作動流体である空気の圧力は大気圧である。ピストンが作動し、シリンダ本体の内部の室の容積が変化するとき、空気は、圧縮状態あるいは非圧縮状態になる。圧縮状態の空気は、空気ばねとなり、その空気ばね作用が前記した緩衝力や反発力を生じる。
【００１０】
一方、非圧縮状態の空気は、通常、大気圧付近にある、と考えられる。その考えは、歩行速度が一般的な範囲内（たとえば、ゆっくりと歩く段階から少し足を速めて歩く段階までの範囲）では妥当である。しかし、小走りするような走る段階になると、室の内圧が負圧になる。この発明では、その現象に着目し、内部の負圧と外部の大気圧との差圧を積極的に利用し、負圧の室に外気を導入する。それによって、所定の内圧を確保し、歩行速度を速めた場合でも有効な空気ばね作用を生じるようにする。別にいうと、この発明は、義足装着者の歩行時の動きを活用して、空気ばね作用を補助するという考え方を採る。
【００１１】
負圧−大気圧の差圧に応じて外気を導入するため、この発明では、空気ばね作用を生じる室に対し、逆止弁付き通路を設ける。その通路は、シリンダ本体の内外を連絡する通路であり、外は外気に通じ内は空気ばね作用を生じる室に通じる。また、逆止弁は、外から内への流れを許し、内から外への逆の流れを禁止する。そのような逆止弁は、通路の途中に配置することができる。
【００１２】
また、静止時の内圧を大気圧にするため、空気ばね作用を生じる室に対し洩れ通路を設けるのが好ましい。ピストンの非作動時に、余分な空気をその洩れ通路を通してシリンダ本体の外部に逃がし、静止時の内圧を常に大気圧にするためからである。洩れ通路としては、シリンダ本体に加工した孔を利用することもできるが、ピストンロッド周りのシールとしてダストシール（つまり、エアタイトにするほどのシール力はないが、ダストをシールことができるシール）を用い、そのダストシールの通気性を利用することもできる。勿論、洩れ通路は、逆止弁付き通路を通る流れ抵抗よりも大きな流れ抵抗をもつ。
【００１３】
なお、流れ抵抗の小さい逆止弁付き通路には、異物の侵入を防止する手段を設けるのが良い。異物防止手段としては、フィルタあるいは入り組んだ迂回通路などを利用することができる。好ましくは、内部に錯綜した多数の小通路をもつフィルタ部材、たとえば、通路内に圧縮状態で詰め込んだ合成ゴムを用い、異物を除去することに加え、外気を吸入する際の吸入音を低減するようにすると良い。
【００１４】
この発明は、義足用エアシリンダ装置に広く適用することができるが、特には、シリンダヘッド側あるいはシリンダボトム側のいずれかにクッション室をもつものに適用することによって、その利点を有効に生かすことができる。換言すれば、この発明は、作動に伴ってシリンダ本体の内部に負圧を生じるものに適用することができるが、その負圧がより大きい場合に特に有効である。
【実施例】
【００１５】
図１は、この発明を適用した大腿義足の一例である。大腿義足５００は、大腿側の部材であるプラスチック製のソケット５２０と、下腿側の部材であるフレーム５４０とを備える。フレーム５４０は、カーボンファイバー等からなり、その下端に足部５６０を支持する。フレーム５４０とソケット５２０とは、ひざ部分に位置する一本のピン（つまり、単軸）５３０によって結合され、そのピン５３０を中心に屈曲可能である。
【００１６】
そのような大腿義足５００は、フレーム５４０の後側にエアシリンダ装置１０を携えている。そのエアシリンダ装置１０が、フレーム５４０とソケット５２０とがピン５３０を中心に揺動（つまり、屈曲および伸展）することを補助する。エアシリンダ装置１０の上部支持点５５０は、ピン５３０の後方のソケット５２０の下端に位置し、また、もう一つの下部支持点５７０は、フレーム５４０の長手方向中頃に位置する。大腿義足５００の屈曲、伸展に伴って、エアシリンダ装置１０のシリンダ長（つまり、上部支持点５５０と下部支持点５７０との間の距離）が変化する。そして、シリンダ長の変化は、内部の空気を圧縮状態あるいは非圧縮状態にし、圧縮状態の空気が空気ばね作用を生じ、大腿義足５００のひざの伸展および屈曲を補助する。
【伸展の最終段階における内圧の確保】
【００１７】
図２は、この発明の第１の適用例であり、シリンダヘッド側にクッション室を含むエアシリンダ装置の断面構造図を示す。エアシリンダ装置１１０は、アルミニューム合金あるいはエンジニアリングプラスチックからなる筒型のシリンダ本体１１２を備える。シリンダ本体１１２は、内部の径が一様なシリンダチューブ１１２ｃと、シリンダチューブ１１２ｃの各端部に位置し、それらの各端部を閉じるヘッド部１１２ｈおよびボトム部１１２ｂとを含む。シリンダ本体１１２の内部にピストン等の部品を組み込むため、ヘッド部１１２ｈおよびボトム部１１２ｂの少なくとも一方、一般にはヘッド部１１２ｈがシリンダチューブ１１２ｃから分離可能になっている。ヘッド部１１２ｈは、通常、シリンダチューブ１１２ｃに対してねじ結合される。
【００１８】
そのようなシリンダ本体１１２の内部にピストン１１３がはまり合っている。ピストン１１３は、外周にシールリング１１３ｓを保持し、ヘッド側の第１室（伸展側の室）８１とボトム側の第２室（屈曲側の室）８２とに密に区画する。ピストン１１３は、シリンダチューブ１１２ｃの軸線方向に移動可能であり、移動に伴って各室８１，８２の容積を変化させる。
【００１９】
内部のピストン１１３からピストンロッド１１４が延びる。ピストンロッド１１４は、ピストン１１３を支持する大径な部分１１４０と、その大径な部分１１４０の一端から延びる小径なロッド部１１４１とを含む。小径なロッド部１１４１は、ヘッド部１１２ｈの中心孔１１２０を貫通し、シリンダ本体１１２の外部に延びる。外部に延びる小径なロッド部１１４１の端部にラグ１１４２がある。このラグ１１４２は、ピストンロッド１１４をソケット５２０側に連結するための部材であり、上部支持点５５０を構成する部分である。
【００２０】
ここで、中心孔１１２０の部分に位置し、小径なロッド部１１４１の周りをシールするシールリング１１６はダストシールである。すでに述べたように、ダストシールは、完全なエアタイトにするだけのシール機能はないが、大気圧タイプのエアシリンダ装置１１０では、ダストを遮断するだけのシール力で充分である。
【００２１】
それに対し、シリンダヘッド部１１２ｈのクッション室８３の開口部をシールするシールリング１１８は、ダストシールよりも充分なシール力をもつ。クッション室８３は、ピストン１１３がはまり合うシリンダ本体１１２の内側の孔より小さく、中心孔１１２０よりも大きな中径な孔である。その中径な孔は、ピストンロッド１１４の大径な部分１１４０がはまり合う大きさである。中径な孔の中にピストンロッド１１４の大径な部分１１４０が入り込み、内部の空気が圧縮状態になることにより、クッション室８３は空気ばね作用を生じる。
【００２２】
図３は、エアシリンダ装置１１０に対応する回路図である。図２に加えて図３をも参照しながら、エアシリンダ装置１１０がもつ流れ通路を明らかにする。まず、ピストン１１３が区画する第１室８１と第２室８２との間は、二つの通路で連絡する。一つは、伸展時に第１室８１側から第２室８２側に空気を流す伸展時の通路１０１である。その通路１０１は、ピストンロッド１１４およびピストン１１３の部分に位置する。通路１０１は、ピストンロッド１１４の大径な部分１１４０の中心を貫き、その一端はピストン１１３を貫いて第２室８２に開口し、他端は小径なロッド部１１４１を径方向に横断するようにして第１室８１に開口している。通路１０１には逆止弁９１があり、第１室８１側から第２室８２側に向かう流れを許し、反対方向への流れを禁止する。逆止弁９１は、弁体としてのボール９１ａ、ボール９１ａに閉じる力を与える弁ばね９１ｂ、および弁ばね９１ｂの一端を支えるねじ部材９１ｃを備える。
【００２３】
第１室８１と第２室８２との間を連絡するもう一つの通路は、屈曲時に第２室８２側から第１室８１側に空気を流す屈曲時の通路１０２である。屈曲時の通路１０２は、伸展時の通路１０１とは反対方向の空気の流れを許し、その反対方向の流れを禁止する。通路１０２は、シリンダチューブ１１２ｃの側壁の中をヘッド側からボトム側へと延びている。その通路１０２は、ヘッド側ではシリンダヘッド部１１２ｈの端面近くの開口１０２ａを通して第１室８１に連絡し、ボトム側では、シリンダボトム部１１２ｂに収納した逆止弁９２および可変絞りバルブ１４０を通して第２室８２に連絡している。可変絞りバルブ１４０は、ステッピングモータ１５０によって弁開度を変える可変バルブである。ステッピングモータ１５０は、歩行速度に応じて可変絞りバルブ１４０の弁開度を電気的に調整する。
【００２４】
次に、クッション室８３に関連する通路に注目する。ピストンロッド１１４の大径な部分１１４０がクッション室８３を閉じるとき、そのクッション室８３と第１室８１（正確には、ピストン１１３および大径な部分１１４０が区画する第１室８１）とを連絡する通路８４がある。通路８４にはクッションバルブ１６０がある。クッションバルブ１６０は調整ねじを含む針弁であり、その絞り度合いをシリンダ本体１１２の外部から調整可能である。クッションバルブ１６０の絞り度合いを調整することにより、クッション特性を変えることができる。
【００２５】
この発明では、クッション室８３に対し逆止弁付きの新しい通路８５を設けている。新しい通路８５は、一端がクッション室８３の開口部近くに開口し、他端はシリンダヘッド部１１２ｈの端面から外部に連絡する。その通路８５には、逆止弁９５、およびフィルタ９７を配置する。逆止弁９５は、外からクッション室８３の内への流れを許し、内から外への逆の流れを禁止する。そのような逆止弁９５は、前記した他の逆止弁９１，９２と同様のボール弁である。フィルタ９７は、逆止弁９５よりも外側の開口側に位置し、逆止弁９５側への異物の侵入を防止する。フィルタ９７として、軟質発泡ウレタンフォームをたとえば１／１０程度に圧縮した形態で詰め込むようにするのが良い。軟質発泡ウレタンフォームは、発泡サイズが小さく、異物に対して充分な気密性をもつし、撥水性があり、義足装着者の汗や汚れなどに対して耐性がある。また、圧縮した形態にし、フィルタ内部に錯綜した微細な通路をもたせることにより、外気導入に伴う吸入音を有効に低減することができる。
【００２６】
さて、エアシリンダ装置１１０は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、大腿義足５００が伸展段階から屈曲し始めると、通路１０２を通して第２室８２から第１室８１へと空気が流れる。歩行速度が大きくなると、クッション室８３および第１室８１側が負圧傾向になる。それに応じ、その負圧と大気圧の差分の空気が新しい通路８５を通してクッション室８３および第１室８１側に流入する。
【００２７】
また、エアシリンダ装置１１０は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、大腿義足５００が屈曲段階から伸展し始めると、通路１０１を通して第１室８１から第２室８２へと空気が流れる。歩行速度が大きい場合、前記した外部からの空気の流入により、その流入した分だけクッション室８３および第１室８１側の空気が余分になる。そのため、伸展の終わり段階において、クッション室８３は充分な空気ばね作用を生じる。と同時に、ダストシール１１６は、シール能力を超える分の空気を流出する。なお、ダストシール１１６の部分に洩れ通路があることにより、エアシリンダ装置１１０の内圧は、ピストン１１３の静止時に大気圧に戻るので、流入した空気が歩行特性に悪影響を与えることがない。。
【００２８】
図６は、エアシリンダ装置１１０について、大腿義足５００の伸展時におけるクッション特性を示している。新たな通路８５をもたない場合、クッションバルブ１６０の調整により特性ｓ、ｍおよびｗのようにクッション力を制御することができるが、歩行速度が大きく変化するとき、すべての範囲で適切には対応することができない。たとえば、歩行速度が遅い（小さい）ときに適切に調整すると、歩行速度が大きい場合に充分なクッション力を得ることができない。それに対し、新たな通路８５をもつ場合、特性ｘが示すように、中間の設定によって、歩行速度の大小広範囲にわたるほぼ全域で適切なクッション力を得ることができる。しかも、外気を導入することから内圧が高まり、最大のクッション力も高まり、伸展最終段階の衝撃（ターミナルインパクト）を有効に防止することができる。
【屈曲の最終段階における内圧の確保】
【００２９】
図７は、この発明の第２の適用例であり、ステッピングモータによる電気的な制御をなくし、シリンダボトム側にクッション室を設けたエアシリンダ装置の断面構造図を示す。すべてを機械的な構成としたエアシリンダ装置２１０も、全体的には前記したエアシリンダ装置１１０と多くの部分を共通にしている。そこで、同様の部分に同一の符号を付け、それらの説明を省略する。
【００３０】
対応する回路図を示す図８をも参照しながら、このエアシリンダ装置２１０の特徴を明らかにしよう。エアシリンダ装置２１０では、シリンダボトム側にクッション室２８３を設け、そのクッション室２８３に対して逆止弁付きの新たな通路２８５を設けている。クッション室２８３は、屈曲後に続く伸展段階で有効な反発力を得るための室である。そのため、クッション室２８３には、二つの絞りバルブ２１４０，２１６０が関係する。第１の絞りバルブ２１４０は、伸展時の通路１０１に介在するバルブである。また、もう一つの第２の絞りバルブ２１６０は、クッションバルブ１６０に相当するバルブである。有効なクッション力を発生させるため、第２の絞りバルブ２１６０の絞り量を第１の絞りバルブ２１４０の絞り量よりも大きく設定することが必要である。
【００３１】
図９は、横軸に歩行サイクル、縦軸に圧力をそれぞれ取り、エアシリンダ装置２１０の作動特性を示している。ピストン１１３に隣り合うロッド部分１１４０’がクッション室２８３に突入すると、下腿側の第２の室８２が二分される。それにより、ロッド部分１１４０’の周りの室は、第２の絞りバルブ２１６０によって閉じられ、特性ｐのように圧力を上昇する。それに対し、クッション室２８３の圧力は、特性ｑのように負圧になる傾向がある。しかし、エアシリンダ装置２１０には、逆止弁付きの新たな通路２８５があるため、その通路２８５を通して負圧と大気圧との差圧分だけの外気がクッション室２８３に導入される。そのため、通路２８５がない場合のような負圧化する傾向が抑制され、特性ｒのようにクッション室２８３は大気圧相当の圧力を維持する。したがって、屈曲から伸展に移る際、ピストン１１３は有効な反発力を受け、エアシリンダ装置２１０は伸展を効果的に補助することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明を適用した大腿義足の一例である。
【図２】この発明の第１の適用例であり、シリンダヘッド側にクッション室を含むエアシリンダ装置の断面構造図を示す。
【図３】図２のエアシリンダ装置に対応する回路図である。
【図４Ａ】図２のエアシリンダ装置の屈曲当初の作動状態を示す図である。
【図４Ｂ】図２のエアシリンダ装置の屈曲終盤の作動状態を示す図である。
【図５Ａ】図２のエアシリンダ装置の伸展当初の作動状態を示す図である。
【図５Ｂ】図２のエアシリンダ装置の伸展終盤の作動状態を示す図である。
【図６】図２のエアシリンダ装置の伸展時におけるクッション特性を示す図である。
【図７】この発明の第２の適用例であり、シリンダボトム側にクッション室を含むエアシリンダ装置の断面構造図を示す。
【図８】図７のエアシリンダ装置に対応する回路図である。
【図９】図７のエアシリンダ装置の作動特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
５００大腿義足
５２０ソケット（大腿側の部材）
５４０フレーム（下腿側の部材）
１０，１１０，２１０エアシリンダ装置
８１第１室（伸展側の室）
８２第２室（屈曲側の室）
８３，２８３クッション室
８５，２８５新しい通路
９５逆止弁
９７フィルタ
１０１伸展時の通路
１０２屈曲時の通路
１１２シリンダ本体
１１３ピストン
１１６シールリング（ダストシール）
１４０可変絞りバルブ
１６０クッションバルブ
２１４０第１の絞りバルブ
２１６０第２の絞りバルブ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿側の部材と下腿側の部材とがひざの部分で屈曲可能な義足の動きを補助するためのエアシリンダ装置であって、
内部空間をもつシリンダ本体と、そのシリンダ本体の内部空間を少なくとも２つの室に区画するピストンと、それらの各室の中に入り、各室間を循環可能な空気であり、前記ピストンの作動に伴って各室の容積を変化させ、それによって圧縮状態あるいは非圧縮状態になる空気とを備え、
その空気は、前記ピストンの非作動時には大気圧であり、前記ピストンの作動時、前記圧縮状態の空気が生じる空気ばね作用によって、前記義足のひざの伸展および屈曲を補助するものにおいて、
その中の空気が空気ばね作用を生じる室に対し、前記シリンダ本体の外部と連絡する逆止弁付き通路を設け、
その空気ばね作用を生じる室が容積を変化する際、その室の中が負圧になることを利用し、前記通路を通して前記シリンダ本体の内部の室に外気を吸入することを特徴とする、義足用エアシリンダ装置の内圧を確保する方法。
【請求項２】
前記中の空気が空気ばね作用を生じる室は、前記ピストンの非作動時に中の圧力を大気圧にするための洩れ通路を通して前記シリンダ本体の外部と連絡している、請求項１の方法。
【請求項３】
前記空気ばね作用を生じる室は、前記シリンダ本体のシリンダヘッド側のクッション室である、請求項１の方法。
【請求項４】
前記空気ばね作用を生じる室は、前記シリンダ本体のシリンダボトム側のクッション室である、請求項１の方法。
【請求項５】
前記請求項１の方法を実施するためのエアシリンダ装置であって、前記逆止弁付き通路が、前記シリンダ本体の外から内への流れを許し、内から外への流れを禁止する逆止弁と、その逆止弁よりも外側に位置し、外から内へと異物が侵入することを防止する異物防止手段を携える、義足用エアシリンダ装置。

【図１】