(57)【要約】      （修正有）【課題】ブレーキの遊びを僅少に抑える構造で、かつ乗る人が完全に着座するまで前後移動を確実に阻止するブレーキ効果を安定して維持する安全性に優れた自動ブレーキ付車椅子を提供する。【解決手段】車椅子の座面内にＬ型の補助座面２０１の両側に吊支持牽引用の一対の長尺体２０２の各一端部を連結して補助座面２０１を所定量回動可能にし、バネ付勢したブレーキ操作レバー２０３の操作端部に各長尺体２０２の他端部を連結し、各ブレーキ操作レバー２０３の軸装着部にカム部材２０６をブレーキ操作レバーと併回動可能に設け、車椅子本体１００の両側部に一対のブレーキプレート２０５−１、２０５−２の一端部を同一に軸装着してＶ型に形成し内角部にカム部材２０６を位置させバネ機構２０５−３とカム部材２０６により角拡縮してブレーキプレート２０５−１、２０５−２の開放端部を駆動車輪の外周部に当接するＶ型ブレーキプレート２０５を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車椅子の座面内にＬ型の補助座面をその前端部を中心に回動可能に収容し、前記補助座面の両側に吊支持牽引用の一対の長尺体の各一端部を連結して補助座面を所定量回動可能にし、車椅子本体の両側部各々に軸装着すると共にバネ付勢したブレーキ操作レバーを設け、ブレーキ操作レバーの操作端部に前記各長尺体の他端部を連結し、前記各ブレーキ操作レバーの軸装着部にカム部材をブレーキ操作レバーと併回動可能に設け、車椅子本体の両側部に一対のブレーキプレートの一端部を同一に軸装着してＶ型に形成し内角部に前記カム部材を位置させバネ機構と前記カム部材により角拡縮してブレーキプレートの開放端部を駆動車輪の外周部に当接しブレーキ作用とその解除動作をするＶ型ブレーキプレートを設けたことを特徴とする自動ブレーキ付車椅子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗る人が完全に着座するまで前後移動を確実に阻止するブレーキ効果を安定して維持する安全性に優れた自動ブレーキ付車椅子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特に高齢者が車椅子から離れる際には、車椅子に一々手動でブレーキを掛ける必要があった。何故なら、一旦ベッドに上がった後再びベッドから車椅子に移乗しようとする際、車椅子にブレーキを掛け忘れていると、ベッドから車椅子に体重を移そうとして車椅子に手を掛けた途端、車椅子が動き出す。このために身体がバランスを失い転倒し、頭部打撲や四肢や脊推骨、骨盤骨などを骨折する事故が起こるからである。しかもこうした事故は、国内は言うに及ばず全世界の老人福祉施設で跡を絶たない。このような事故は、直接生命を危険にさらす可能性があることは勿論、そうでなくとも老人の日常生活動作を著しく阻害し、所謂寝たきりになるきっかけとなり、本人はもとより家族にとっても深刻な事態を招来するのみならず、近年上昇を続けている医療費の更なる上昇に拍車をかけ、医療経済を破綻させる原因の一つとなっている。
【０００３】
従ってこの事故を根絶するには、使用者が車椅子を離れる際に車椅子にブレーキを掛けることが必須である。しかし、これまでのように、車椅子に一々手動でブレーキを掛ける方式では、運動麻痺があってブレーキ掛けが不完全であったり、認知症の傾向があってブレーキの掛け忘れが頻繁に起こったりしているのが現状であり、これらが事故に直結している。これを未然に防ぐために介護職員が見回ってブレーキを掛け歩いても、介護職員が立ち去ったすぐその後に車椅子を使用して、またブレーキを掛け忘れる人が出て来て事故に繋がるというようないたちごっこが繰り返されるに過ぎず、根本的な解決には程遠いのもまた現状である。
【０００４】
これらの現状を解決し、この種の事故を１００％防ぎかつ介護職員の負担を軽減させる手段として、使用者が立ち上がって車椅子から離れた途端に自動的に車椅子にブレーキが掛かる機能を車椅子に賦与する必要がある。
【０００５】
従来、かかる課題を解決しようとした自動ブレーキ付車椅子として、例えば次のようなものが一般的に紹介されている。
これは、後輪のスポークに噛み合うように切込みを入れた金属板のストッパーを有し、車椅子の座面シートの中央部の下には、ストッパーを作動させる検出器が装着されている。そこで、使用者が車椅子から立ち上がると座面シートが上がり、検出器の信号によってストッパーの切り込みが後輪のスポークに噛み合って後輪を固定し、これによってブレーキが掛かる。また使用者が座ってその体重が座面シートに掛かって該座面シートが下がると、検出器の信号によってストッパーが後輪のスポークより離れてブレーキが解除されるようになっている。
【０００６】
上記従来技術は、車椅子から立ち上がった場合、ストッパーの位置がスポークに対向した位置に無い時には、次のスポークがストッパーの位置に来るまでの間遊びとなり、後輪が回転し車椅子が不安定となり危険であり前記問題が残る。
【０００７】
また後輪のスポークにストッパーが噛み合うことによりブレーキが掛かるので、細い金属棒であるスポークに大きな力が集中することになる。このため、繰り返し使用によりスポークが折損し易く、耐久性に問題がある。その上、使用者が半身麻痺などで瞬間的に車椅子に倒れ込んだりして、全体重を瞬間的に車椅子にかける場面がよく見られ、この時スポークとストッパーとの噛み合わせ部分に瞬間的に多大な力が加わり、スポーク又はストッパーが折損して外れ車椅子が急に動き出す危険がある。
【０００８】
また使用者が車椅子に乗るために、身体が不安定な状態で座面シートに手をついて体重を掛けると、まだ使用者が車椅子に乗っていないにもかかわらず、検出器が作動してブレーキが解除されて車椅子が動き出し、使用者が転倒する危険性があった。
【０００９】
その他の例として、特許文献１では使用者が立ち上がるにつれバネ支持の座面が上昇しこの上昇駆動力により、くの字アームを回動させブレーキ操作ワイヤを引っ張り駆動車輪のブレーキドラムに設けたブレーキシューを締めてブレーキを掛け、座面シートに使用者が乗り荷重が掛ると座面が下降しこの下降駆動力により、くの字アームを逆回動させブレーキ操作ワイヤを緩め駆動車輪の軸ドラムに設けたブレーキシューを緩めてブレーキを解除する技術が紹介されている。
また特許文献２では使用者が立ち上がるにつれ座面の支持リンクアームがバネ駆動力により座面を上昇させると共に、ブレーキシューをスプリングに抗してブレーキディスクに当接させてブレーキを掛け、座面シートに使用者が乗り荷重が掛ると座面が下降しこの下降駆動力により、ブレーキディスクからブレーキシューを離間しブレーキを解除する技術が紹介されている。
この特許文献１及び特許文献２の何れの技術も座面の上昇移動と下降移動において、ブレーキドラム又はブレーキディスクとブレーキシューとの作動距離に遊びがあり、この遊び時間中は駆動車輪が微走する不安定な状態での乗り降りとなり前記したスポークストッパーと同様に安全性に欠ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平7-232646号公報
【特許文献２】特開2003-153961号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、ブレーキ遊びが超微小で安定しており、前進・後進共に同時ブレーキとその解除を可能にした極めて安全性に優れた自動ブレーキ付車椅子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の特徴とする技術条件は次の(1)の通りである。
(1)、車椅子の座面内にＬ型の補助座面をその前端部を中心に回動可能に収容し、前記補助座面の両側に吊支持牽引用の一対の長尺体の各一端部を連結して補助座面を所定量回動可能にし、車椅子本体の両側部各々に軸装着すると共にバネ付勢したブレーキ操作レバーを設け、ブレーキ操作レバーの操作端部に前記各長尺体の他端部を連結し、前記各ブレーキ操作レバーの軸装着部にカム部材をブレーキ操作レバーと併回動可能に設け、車椅子本体の両側部に一対のブレーキプレートの一端部を同一に軸装着してＶ型に形成し内角部に前記カム部材を位置させバネ機構と前記カム部材により角拡縮してブレーキプレートの開放端部を駆動車輪の外周部に当接しブレーキ作用とその解除動作をするＶ型ブレーキプレートを設けたことを特徴とする自動ブレーキ付車椅子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の自動ブレーキ付車椅子は、前記構成により、ブレーキ遊びが超微小で安定しており、前進・後進共に同時ブレーキとその解除を可能にした極めて安全性に優れた自動ブレーキ付車椅子である。
即ち、本発明の自動ブレーキ付車椅子は、乗るときは、利用者の腰が補助座面に掛かり始める当初から体重を安定して掛けれる状態にまで移行する間は、補助座面が前傾状態となってブレーキを作動させず、全体重が補助座面に掛り補助座面が下降し始めて本座面に達する瞬時の間に駆動輪へのブレーキを完全に解除し、一方降りるときは、体重を補助座面から所定量外すと補助座面が上昇して瞬時に駆動輪のブレーキを掛ける自動ブレーキ機構を付設したものである。
また折りたたみ式の車椅子に本発明を適用する場合は、補助座面の前端部の回動軸部及び両側部と吊支持牽引用の一対の長尺体との連結手段を、図１に示す着脱式回動用のフックや着脱式バックルのように、差し込み式や嵌め込み式のロックバックル、マジックテープ式着脱ベルト、簡易フック等々の適宜な着脱機構を採用することにより、当該車椅子を折りたたむ前に、本座面から補助座面を簡単に取り外すことができる便利さがある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の車椅子の鳥瞰図であり、利用者がまだ乗る前でブレーキが掛っている状態である。
【図２】図１のＶ型ブレーキプレート205とその近傍構成を拡大して示す側面図である。
【図３】図１のＶ型ブレーキプレート205のブレーキ解除した状態とその近傍構成を拡大して示す側面図である。
【図４】図１から図３に示す実施例の一部を変更した例を示す部分説明図である。
【図５】本発明におけるブレーキ機構の論理を示す力学的モデルを示す説明図である。
【図６】ブレーキプレートの傾斜角θに対するブレ−キトルクＴの計算値と実施値の変化を示すグラフである。
【図７】タイヤの線形ばね定数Ｋの測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための装置の要部について図１と図２と共にその意義と作用等について説明する。
【実施例】
【００１６】
本例の自動ブレーキ付車椅子は、ハンドルフレームf1、側部上フレームf2、補助車輪取る付け用フレームf3、前部フレームf4、後部フレームf5、底部フレームf6等を組み合わせた車椅子本体100の両側後部フレームf5に装着した各一対の駆動車輪101と底部フレームf6の前両側に設けた補助車輪102と側部上フレームf2に取り付けた固定肘掛103と、Ｌ型の固定座面（固定座席とも言う）104と前部フレームf4に設けた足掛け105とを装備すると共に次の自動ブレーキ機構を搭載したものである。
自動ブレーキ機構は、固定座面104内に昇降可能に設けたＬ型の補助座面（補助座席とも言う）201と、車椅子本体100の底部フレームf6の両側部各々に取り付けた固定プレート207に設けた回転軸208を支点として回動可能に設けたブレーキ操作レバー203と、ブレーキ操作レバー203を操作する長尺体202と、バネ機構204と、一対のブレーキプレート205-1,205-2の他端部を開放し一端部を軸着してＶ型に形成し拡縮用のバネ機構205-3を付設のＶ型ブレーキプレート205と、Ｖ型ブレーキプレート205の拡縮用のカム部材206とからなる。
【００１７】
前記補助座面201は、固定座面104内にあって車椅子利用者が直接腰掛けるものであり当該利用者の腰掛とその解除動作を自動ブレーキ機構のブレーキ作動・解除の動力源とするものである。補助座面201の先端部は固定座面104の先端部と布を介して接合されている。接合部を中心にわずかな角度であるが補助座面201は回動する。補助座面201はその両側部の中央部に長尺体202の一端部を吊り接続されており，利用者による座面への負荷がない場合は、補助座面201は長尺体202から吊り上げられることで固定座面104と補助座面201との間に楔形の隙間が生じる。すなわち補助座面201はその先端部を中心として長尺体202により吊り上げられた状態である傾斜状態から、利用者の体重が補助座面201に作用すれば補助座面201と固定座面104とが完全接触する水平状態との間を矢印のように回動する。
【００１８】
前記長尺体202は、固定座面104に隣設した固定肘掛103の中央部に当たる側部上フレームf2に摺動可能に跨り係合配置しその一端を前記の如く補助座面201の両側部に吊り連結し他端を前記ブレーキ操作レバー203の一端に連結する。
【００１９】
前記各ブレーキ操作レバー203は、一端部を前記の如くブレーキ操作レバー203の一端に連結すると共に車椅子本体100の下方部に廻したバネ機構204に連結し、又は図４に示すようにプレート207の下部に接続したバネ機構204に連結し、他端部を車椅子本体100の底部フレームf6の両側部に固定したプレート207に取り付けた回転軸208で軸装着し、回転軸208にカム部材206を併回動可能に固定してある。この構成によりブレーキ操作レバー203は、利用者が腰かけた補助座面201の下降作動により長尺体202の吊り上げ牽引力でバネ機構204に抗して軸装着部を中心に上回動しカム部材206を正回転（図２においては時計回り）させる、また利用者が補助座面201から離れようとする際はバネ機構204の収縮力により補助座面201の戻り上昇作動と共に下回動しカム部材206を逆回転（図２においては反時計回り）させる。
【００２０】
前記Ｖ型ブレーキプレート205は、回転軸着部を好ましくは駆動車輪101の半径の延長線上に位置させてプレート207に装着し、ブレーキプレート205-1,205-2を前記直径延長線を挟んで等角度で拡縮可能に配置し、且つブレーキプレート205-1,205-2間の内角部に前記カム部材206を位置させバネ機構205-3と前記カム部材206の正逆回転により角拡縮してブレーキプレート205-1,205-2の開放端部を駆動車輪101の外周部に当接ブレーキ作用とその解除動作をする。
【００２１】
前記カム部材206は、二枚の羽根206-1,206-2を所定回転角度を置いて固定し、ブレーキ操作レバー203の回転により併動回転し前記Ｖ型ブレーキプレート205の各ブレーキプレート205-1,205-2を二枚の羽根206-1,206-2の正回転で押し広げＶ角度を拡張させてそのプレート先端を駆動車輪の外周部から離間させてブレーキ解除し、またこの二枚の羽根206-1,206-2の逆回転でブレーキプレート205-1,205-2の押し広げを解除してバネ機構205-3の収縮力によりＶ角度を縮小させてプレート先端を駆動車輪の外周部に当接させブレーキをかける。
【００２２】
前記構成により、本例の自動ブレーキ付車椅子は、図１に示すように，利用者が補助座面201の座面に着座すると体重により補助座面201が下がるように回転する．
すると補助座面201とブレーキ操作レバー203に一端部を連結している長尺体202が，ブレーキ操作レバー203をバネ機構204に抗して引き上げる．
その結果，ブレーキ操作レバー203の回転軸に溶接固定した二枚の羽根が回転することで図３のように羽根が一対のブレーキプレート205-1,205-2を内角側から外角側に押し広げ，プレート先端をタイヤの外周部から離間しブレ−キを解除する．
一方，体重が座面に作用しない場合，図３のようにブレーキ操作レバー203の下に取り付けたバネ機構204の収縮力によりブレーキ操作レバーの一端部は引き下げられて回動する．
そのような状態では，ブレーキ操作レバー203の回転軸に溶接固定したカム部材206の二枚羽根206-1,206-2と一対のブレーキプレート205-1,205-2の内面とは離間して接触することはない．
その結果，図３に示すように，一対のブレーキプレート205-1,205-2同士を連結した拡縮用のバネ機構205-3の収縮力によりブレーキプレート205-1,205-2の先端部と駆動車輪101の外周面部は軽く接触する．そのような状態で車椅子を動かそうとすれば駆動車輪101は回転しようとするが摩擦のためにブレーキプレート205-1,205-2は駆動車輪101に巻き込まれようとする．しかしながら駆動車輪101の弾性力のためブレーキプレート205-1,205-2を巻き込むには駆動車輪101に大きなトルクが必要となり，それがブレ−キの作用をする．すなわち車椅子を動かす力はブレ−キトルクに変換されるため，外部エネルギ−は必要としない．
また補助座面201は上記のようにその両側中央部は長尺体202により吊支持され、先端部は固定座面と接合されているため、腰掛け前は傾斜した状態にある。このため、利用者が補助座面201に腰かける当初は座面201の先端部に臀部が徐々に当って前傾状態になるのでこの不安定な状態では長尺体202に十分な牽引力が作用しないためにブレーキは解除されない。この前傾状態を経て利用者が深く着座することでようやくブレーキは解除される。その時利用者は既にブレーキを解除しても安全な状態が確保されている。
【００２３】
而して、このブレーキ機構の論理を示す力学的モデルを図５に示し、これに基くブレーキトルクＴの理論は以下通りである。
図５に示す力学的モデルにおいて、摩擦により半径rのV型のブレーキプレート205-1、205-2が，半径Rの駆動車輪101のタイヤ（wheel）に接して巻き込まれることで，この接点にブレ−キトルクＴが発生する．V型のブレーキプレート205-1、205-2の巻き込まれによるタイヤの半径方向変位をδとすると図５より，数１となる。
【００２４】
【数１】
2012081243.tif 000003
角度φは、駆動車輪101の回転中心OWとブレーキプレートの回転軸着部Oとを結ぶ長さLの線と，回転中心OWとブレーキプレートとタイヤとの接触点とを結ぶ長さ（R-δ）の線とのなす角度である。
数１より角度φを消去し，δについて解けば，数２となる。
【００２５】
【数２】
2012081243.tif 000004
V型のブレーキプレート205-1、205-2からタイヤに作用する力をP’とすると，タイヤの中心OWに関するP’によるトルクＴは，数３となり、
【００２６】
【数３】
2012081243.tif 000005
i，jをそれぞれｘ，ｙ軸方向の単位ベクトルとすると，ブレーキプレートとタイヤとの上記接点におけるタイヤに対する単位法線ベクトルnは，数４となる。
【００２７】
【数４】
2012081243.tif 000006
一方，V型のブレーキプレート205-1、205-2がタイヤから受ける力Pは，数５となる。
【００２８】
【数５】
2012081243.tif 000007
タイヤの回転中心OWを起点とする位置ベクトルＲ-δは，数６であるので， 
【００２９】
【数６】
2012081243.tif 000008
これに数５と数６を代入すると，数７となる。
【００３０】
【数７】
2012081243.tif 000009
接触力P’の半径方向成分Ｎ1＝Ｐ1cosζが，タイヤをδだけ変形させる力になる．簡単のためタイヤの半径方向の線形ばね定数Kを仮定すると数７は，数８となる。
【００３１】
【数８】
2012081243.tif 000010
ここで摩擦角は不明なため数８は計算できない．そこでV型のブレーキプレート205-1、205-2に作用する力の釣合を考える．ブレーキプレートの回転軸着部O（原点）を起点とするタイヤとの接点への位置ベクトルrは，数９となる。
【００３２】
【数９】
2012081243.tif 000011
V型のブレーキプレート205-1、205-2に回転軸着部Oから距離rsの位置に取り付けたバネ機構205-3（リタ−ンスプリング）による収縮復元力をqとすると，数１０となり、
【００３３】
【数１０】
2012081243.tif 000012
V型のブレーキプレート205-1、205-2に作用するO点回りのモ−メントＭは，数４に注意すると，数１１となり、
【００３４】
【数１１】
2012081243.tif 000013
V型のブレーキプレート205-1、205-2がタイヤに食い込むためには，M＞０でなければならない．数１１より，数１２となる．
【００３５】
【数１２】
2012081243.tif 000014
数１２よりqの大きい程，あるいはφ，θの小さいほど，摩擦角ζは小さくなる．q=0であれば，θ+φ＜ζであれば良い．数１２を計算するためPの初期値P0を知る必要がある．そのためM=0として数１２を解くと，数１３となる．
【００３６】
【数１３】
2012081243.tif 000015
実験により摩擦係数μを決定できれば，数８よりブレ−キトルクＴが計算できる．数８のP’を，δとタイヤのばね定数Kの関数にする．数１４であることに注意すると，数８は数１５となる。
【００３７】
【数１４】
2012081243.tif 000016
【００３８】
【数１５】
2012081243.tif 000017
ここでは摩擦係数μと摩擦角ζの関係；μ＝tanζを利用した．数１５よりブレ−キトルクＴはばね定数Kと摩擦係数μに比例することが分る．数１５のδに数２を代入すれば，θの関数になる．また，数１及び数２を利用するとφもθの関数になる．
【００３９】
【数１６】
2012081243.tif 000018
実験より求めたタイヤ空気圧450kPaにおけるばね定数Ｋ=21.5 N/mmと，仮定した摩擦係数を用い，数１５より求めたV型のブレーキプレート205-1、205-2の傾斜角θに対するブレ−キトルクＴの計算値と実測値を図６に示す．摩擦係数の大きいほどブレ−キトルクは大きくなり，θが小さくなる(V型のブレーキプレート205-1、205-2がタイヤに巻き込まれる)ほどブレ−キトルクの増加することが分る．
【００４０】
＜実験及び結果は次の通りであった＞
1.ばね定数Ｋの評価
最初に数８を導出する際に仮定した，タイヤの線形ばね定数Ｋを評価した．万能試験機を利用して内圧450 kPaのタイヤを上下からV型のブレーキプレート205-1、205-2に類似した鋼鈑で圧縮荷重（縦軸）を与えた．変形は上下対称であるので，クロスヘッドの変位の半分を変位δ（横軸）とした．測定結果を圧縮荷重（縦軸）と変位δ（横軸）との関係で図７に示す．測定結果は図７に示すようにほぼ線形であり，仮定は合理的であることが分る．
2.ブレ−キトルクＴの測定
タイヤとV型のブレーキプレート205-1、205-2を接触させた状態で車椅子のフレ−ムを台座に載せ，タイヤを浮かせる．つぎに半径235ｍｍのハンドリムにばね秤のフックをかけ，接線方向に引いてタイヤにトルクを与えた．トルクの増大とともに回転半径86mmのV型のブレーキプレート205-1、205-2はタイヤに巻き込まれることで角度θは変化する．測定したV型のブレーキプレート205-1、205-2の傾斜角θとトルクＴを図６に２点プロットしている．図６より測定値は摩擦係数μ=0.4と0.5のほぼ中間となり，ゴムの摩擦係数は一般に大きいことを考慮すると理論式は妥当であると思われる．
3.まとめ
発明した自動ブレーキ機構は自己締結機構の一種であり，タイヤに作用するトルクを利用して，それに釣合うブレ−キトルクを発生させる．発生するブレ−キトルクはタイヤのばね定数と摩擦係数に比例することが分った．そのためタイヤの空気圧が適切であることが必要である． 
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の自動ブレーキ付車椅子は、安定した乗り降り状態が確保されているときにブレーキとその解除が適確になされる優れた作用効果を有するため、車椅子製造産業及び車椅子利用の介護福祉事業所等において、大いに活用され貢献すること多大なものがある。
【符号の説明】
【００４２】
f1：ハンドルフレーム
f2：側部上フレーム
f3：補助車輪取り付け用フレーム
f4：前部フレーム
f5：後部フレーム
f6：底部フレーム
100：車椅子本体
101：駆動車輪
102：補助車輪
103：固定肘掛
104：固定座面（固定座席とも言う）
105：足掛け
201：補助座面（ブレーキ操作用の補助座席とも言う）
207：固定プレート
208：回転軸
203：ブレーキ操作レバー
202：長尺体
204：バネ機構
205：Ｖ型ブレーキプレート
205-1,205-2：ブレーキプレート
205-3：バネ機構
206：カム部材
【図１】
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【図２】
2012081243.tif 000020
【図３】
2012081243.tif 000021
【図４】
2012081243.tif 000022
【図５】
2012081243.tif 000023
【図６】
2012081243.tif 000024
【図７】
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