(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の対偶と、これら２つの対偶を連結する連結手段を有し、両対偶が互いに反発するように磁石を各対偶の関節面側にそれぞれ設け、
伸展した状態（伸展位）から屈曲した状態（屈曲位）になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、
一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、
他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにした
ことを特徴とする人工関節機構。
【請求項２】
請求項１に記載の人工関節機構において、少なくとも一方の対偶に設ける磁石を電磁石としたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項３】
請求項１に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間に衝撃吸収パットを介在させたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項４】
請求項２に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間に衝撃吸収パットを介在させたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項５】
請求項２に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲方向に対して直交する方向に適宜離間した位置に圧力センサを介在させたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項６】
請求項４に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲方向に対して直交する方向に適宜離間した位置に圧力センサを介在させたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項７】
請求項１に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項８】
請求項２に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項９】
請求項３に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項１０】
請求項４に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項１１】
請求項５に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【請求項１２】
請求項６に記載の人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶との為す角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたことを特徴とする人工関節機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規な人工関節機構に関する。詳しくは、特に膝関節に好適で、人体の動作に近い動作をすることが可能であり、ロボット、義足等における人工関節機構として好適なものを提供する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりロボット、義足等における関節として、一方の対偶にオイルレス軸受、他方の対偶に軸を設けて、両者の回転自在な結合により構成したもの、或いは一方の対偶に硬い平滑凸面、他方の対偶に軟らかい平滑凹面を設けて両者の組合わせにより構成したものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、人体に近い動作を目的とするロボット、義足等を軸と軸受とにより構成すると、関節より上の部分（ロボット本体、人体等）の重量を軸と軸受とで支えなければならず、軸又は軸受の耐久性に問題があった。特に、膝関節の場合においては、立脚初期の接地時にはその衝撃が大きく、これに耐え得る軸と軸受の構造にするには、軸及び軸受の大型化、重量化が避けられなかった。
【０００４】
また、硬い平滑凸面と軟らかい平滑凹面との組合わせによる関節にあっては、接触面（関節面）における摩擦が問題で、両者の磨耗を防ぐための滑液を接触面に供給することが難しかった。かかる磨耗は、両対偶を形成する部材を削ることになり、例えば、人体に義体として用いた場合においては、その磨耗粉はガン細胞の誘発を促すという問題も生じる。
【０００５】
そこで、本発明は上記した欠点を解消し、人間の関節に近い動作を可能にし、また、重力方向の衝撃に強く、耐久性を向上させることができ、また、対偶における磨耗などの問題が生じない人工関節機構を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明人工関節機構は、一対の対偶と、これら２つの対偶を連結する連結手段を有し、両対偶が互いに反発するように磁石を各対偶の関節面側にそれぞれ設け、伸展した状態（伸展位）から屈曲した状態（屈曲位）になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたものである。
【０００７】
従って、本発明人工関節機構にあっては、対偶間に常に磁石の反発力による間隙が生じ、人工関節機構にかかる衝撃を上記間隙により吸収することができ、また、両対偶間のそれぞれの関節面が接触していないため、関節を屈曲させても両対偶が磨耗することはなく、更に、従来の関節軸のように、衝撃を受け止める構成部材がないため、耐久性に優れた人工関節機構を提供することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明人工関節機構の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【０００９】
図１乃至図４は本発明人工関節機構の基本的構成を示すものである。
【００１０】
人工関節機構１は、上部対偶２と、下部対偶３と、上部対偶２の関節面に埋めこまれた上部磁石４と、下部対偶３の関節面に埋めこまれた下部磁石５と、上部対偶２と下部対偶３とを結合する連結手段６、６を備える。
【００１１】
そして、上部対偶２は上部骨体７の下端部に形成され、また、下部対偶３は下部骨体８の上端に形成されている。
【００１２】
上部対偶２は、上部骨体７にその下端に一体に形成され、その形状は上部骨体７の直径より大きな円柱状を為し、上部骨体７の軸方向に対して直交する向きで、かつ、互いの外周面の前端が一致するように形成されている（図１参照）。
【００１３】
下部対偶２は、その上面が上記上部対偶２を底面側から見た形状とほぼ同じで、かつ、ほぼ平滑な面に形成されている。
【００１４】
上部対偶２の左右方向のほぼ中央部には、永久磁石からなる上部磁石４が埋設されている。上部磁石４は側方から見て半円を呈し、例えば、その外周面側がＮ極、中心側がＳ極に着磁されている（図１、図３参照）。尚、外周面側をＮ極、中心側をＳ極にするには、径方向に着磁された小磁石４ａ、４ａ、・・・を多数配列するようにすると良い（図４参照）。
【００１５】
下部対偶３の左右方向におけるほぼ中央部には、上記上部対偶２の上部磁石４に対向するように、永久磁石からなる下部磁石５が埋設されている。下部磁石５はその上側がＮ極、下側がＳ極に着磁されており、従って、この人工関節機構１が伸展位から屈曲位まで変化するすべての状態において、上部対偶２と下部対偶３とは、両者の間に反発力が作用し、それぞれ互いに離間する方向に付勢される。
【００１６】
上部対偶２と下部対偶３とを結合する連結手段６は、その一端が上部骨体７の側面に結合し、他端が下部骨体８の側面に結合されており、これにより、両対偶２と３とが離間するのが阻止されている。かかる連結手段６は、引張方向へ伸長しない部材で構成されており、上部磁石４と下部磁石５との反発力により、伸びないようになっていることが好ましい。
【００１７】
そして、人工関節機構１は、伸展位（図１参照）から中心角でほぼ９０度屈曲する（図３参照）ようになっており、そのすべての状態において、上部対偶２と下部対偶３とが、互いに反発して、両者間に間隙９が形成される。
【００１８】
また、人工関節機構１に衝撃がかかった時は、その衝撃が上部磁石４と下部磁石５との反発力に抗して働くため、上部対偶２と下部対偶３との間の間隙９がその衝撃を吸収することになる。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明人工関節機構の詳細を図５乃至図２０に示した第１の実施例に従って説明する。
【００２０】
尚、第１の実施例は、本発明を人工膝関節機構に適用したものである。
【００２１】
人工膝関節機構１０は、一種の蝶番関節であって、人体における大腿骨の下端側関節頭に相当する上部対偶１１と、人体における脛骨の上端側関節窩に相当する下部対偶１２と、上部対偶１１の下端面（関節面）に埋めこまれた上部磁石１３、１３と、下部対偶１２の上端面（関節面）に埋めこまれた下部磁石１４と、上部対偶１１と下部対偶１２との間であって左側部及び右側部の両部に介在され、人体における半月板に相当する衝撃吸収パット１５、１５と、上部対偶１１と下部対偶１２とを結合し、人体における十字靱帯に相当する連結手段１６、１６を備える（図５参照）。尚、図５は、連結手段１６、１６を省略して示し、伸展位の人工膝関節機構１０を上下に分解して後方から見た斜視図である。
【００２２】
そして、上部対偶１１は上部骨体１７の下端部に形成され、また、下部対偶１２は下部骨体１８の上端に形成されている。
【００２３】
上部対偶１１は、チタン（Ｔｉ）合金、コバルト（Ｃｏ）合金、超高分子ポリエチレン、或いはアルミナ（酸化アルミニウム）等で形成され、その形状は、人体における大腿骨の下端側関節頭とほぼ同じに形成されている。即ち、上部対偶１１は、上部骨体１７よりも太く、かつ、伸展位において左右に分かれて下方及び後方に突出する２つの瘤状の突部１１ａ、１１ｂが形成されており、これにより、両突部１１ａと１１ｂとの間に下方及び後方に開口する溝部１１ｃが形成されている。
【００２４】
突部１１ａ、１１ｂのうち外側の突部（人体における外（腓）側顆）１１ａの方が、内側の突部（人体における内（脛）側顆）１１ｂよりやや大きく形成され、また、突部１１ａ、１１ｂの関節面は球面でなく、関節面の前部及び後部において曲率半径ｒ１、ｒ１が小さく、中央部では曲率半径ｒ２が大きくなっている（図６参照）。
【００２５】
下部対偶は上記上部対偶１１と同様に、チタン（Ｔｉ）合金、コバルト（Ｃｏ）合金、超高分子ポリエチレン、或いはアルミナ（酸化アルミニウム）等で形成され、その形状は、人体における脛骨の上端側関節窩とほぼ同じに形成されている。即ち、下部対偶１２は、その上端面が上記上部対偶１１を底面側から見た大きさとほぼ同じ大きさに形成されており、上記外側突部１１ａに対応した部分（人体における外（腓）側顆）の関節面（以下、「外側関節面」という。）１２ａはやや凹面になっており、また、上記内側突部１１ｂに対応した部分（人体における内（脛）側顆）の関節面（以下、「内側関節面」という。）１２ｂはほぼ平面になっていて、外側関節面１２ａと内側関節面１２ｂとの間の部分（以下、「関節窩中央部」という。）１２ｃが上記上部対偶１１の溝部１１ｃに対向するようになっている。
【００２６】
上部磁石１３、１３は、上部対偶１１の２つの突部１１ａ、１１ｂに各別に埋設されており、その形状はほぼ同じなので、一方についてのみ説明する。
【００２７】
上部磁石１３は、やや厚肉の円盤を中心角でほぼ９０度の部分を切り欠いて中心角がほぼ２７０度の扇形に形成された基礎材１９に、多数の小磁石２０、２０、・・・を埋め込んで構成されている（図９、図１０参照）。具体的には、両端が異極に着磁された棒状の小磁石２０、２０、・・・を、基礎材１９の外周面上に、中心角でほぼ３０度間隔で、かつ、厚さ方向に直線上に配列し、すべての小磁石２０、２０、・・・の外周面側の磁極が同極、例えば、Ｎ極になるように配設されている。尚、各小磁石２０、２０、・・・による磁場については、後述する。
【００２８】
小磁石２０の基礎材１９への取り付けは、基礎材１９に有底穴を形成し、その有底穴内に小磁石２０を嵌合して、接着剤により固定する。尚、小磁石２０に螺溝を形成し、上記有底穴に対して小磁石２０を螺合するようにしても良い。
【００２９】
そして、このような上部磁石１３は、人工膝関節機構１０が伸展位の場合に、上記基礎材１９が、側方から見て前方上部に扇形の切り欠かれた部分が位置するように上部対偶１１の突部１１ａ及び１１ｂの左右方向におけるほぼ中央部にそれぞれ埋設されている。
【００３０】
尚、基礎材１９は、上部対偶１１と同じ材質により構成されており、基礎材１９が上部対偶１１に埋設された状態で、上部対偶１１の表面に、例えば、ハイドロオキシアパタイト（ＨＡｐ）によるコーティングが施されている。
【００３１】
下部磁石１４は、下部対偶１２の外側関節面１２ａ、内側関節面１２ｂ及び関節窩中央部１２ｃにそのほぼ全面に多数の小磁石２１、２１、・・・が埋設されて構成されている。具体的には、上記上部磁石１３と同様に、両端が異極に着磁された棒状の小磁石２１が下部対偶１２の外側関節面１２ａ、内側関節面１２ｂ及び関節窩中央部１２ｃのそれぞれのほぼ全面に形成された有底穴に固着されており、各小磁石２１、２１、・・・は、その上部が、例えば、Ｎ極になるように取り付けられている。
【００３２】
従って、当該人工膝関節機構１０が、伸展位であるか又は屈曲位であるかに関わらず、上部磁石１３、１３と下部磁石１４との対向する磁極が同極であり、よって、上部対偶１１と下部対偶１２とは、常に、反発するようになっている。
【００３３】
尚、各小磁石２１、２１、・・・による磁場については、後述する。また、上記上部磁石１３における小磁石２０、２０、・・・の説明で述べたように、小磁石２１を下部対偶１２に螺合によって取り付けるようにしても良い。
【００３４】
また、小磁石２１、２１、・・・が取り付けられた下部対偶１２の表面には、上部対偶１１と同様に、例えば、ハイドロオキシアパタイト（ＨＡｐ）によるコーティングが施されている。
【００３５】
このような上部対偶１１、下部対偶１２は、例えば、その主材料となるチタン合金で、最終形状よりも一回り小さな形状のものを鋳造により成形し、これに各磁石１３、１３又は１４を埋設して、その後、ハイドロオキシアパタイトによるコーティングを施して、ＮＣ旋盤によりＮＣ切削して最終形状に加工される。
【００３６】
そして、上部磁石１３、１３及び下部磁石１４のそれぞれの磁場は、以下に示すようになっており、各小磁石２０、２０、・・・、２１、２１、・・・が、上記各磁場を形成するように配置又は着磁されている。
【００３７】
即ち、上部磁石１３、１３の磁場は、正面から見て、左右両端部の磁力強度が最も小さく、中央に行くに従い大きくなり、上部磁石１３、１３のそれぞれの中央において最も大きく、また、上部磁石１３と１３との間において磁力強度がやや小さくなるようになっている（図９参照）。また、上部磁石１３を側方から見た場合の磁場は、上部対偶１１が伸展位において前端に位置する小磁石２０が最も磁力強度が小さく、図１０において、周方向に反時計回り方向に行くに従い磁力強度が大きくなるようになっており、これにより、上部対偶１１が伸展位から屈曲位になるに従い、下部磁石１４の小磁石２１、２１、・・・に対向する小磁石２０、２０、・・・の磁力強度が大きくなるようになっている（図１０、図１１、図１２参照）。
【００３８】
一方、下部磁石１４の磁場は、正面から見て、左右両端部の磁力強度が最も大きく、中央に行くに従い小さくなり、外側関節面１２ａと内側関節面１２ｂとのそれぞれの中央において最も小さく、また、関節窩中央部１２ｃにおける磁力強度がやや大きくなるようになっている。また、下部磁石１４を側方から見た場合の磁場は、前端部に位置する小磁石２１、２１、・・・が最も磁力強度が大きく、後方へ行くに従い磁力強度が小さくなるようになっている（図１０、図１１、図１２参照）。
【００３９】
尚、各磁石１３、１４において、磁力強度を変化させるには、各小磁石２０、２０、・・・、２１、２１、・・・のそれぞれの磁力強度を変えるようにすれば良い。また、同じ磁力の小磁石２０、２０、・・、２１、２１、・・・を、各対偶１１、１２に埋設する場合に、その埋設する深さを調整することによって磁力強度を変えることができる。
【００４０】
これにより、上部対偶１１と下部対偶１２とを正面から見ると、互いの磁場において、磁力強度の大きい部位と小さい部位とが対向し合い、これが左右方向にずれようとすると、反発力が生じるため、両対偶１１、１２は、互いの中心がほぼ一致するように位置される。尚、両磁石１３、１４による反発力は、正面から見て側方に行くに従い大きくなるようにしても良い。このようにすると、後述する衝撃吸収パット１５、１５にかかる荷重の分散作用を補完することができる。
【００４１】
また、上部対偶１１と下部対偶１２とを側面から見ると、上部対偶１１が伸展位から屈曲位に移行するに従い、下部対偶１２に対向する上部磁石１３、１３の磁力強度が大きくなるようになっているが、これは、後述するように、上部対偶１１が伸展位から屈曲位に移行するに従い、後方に偏倚するようになっており、上部対偶１１が屈曲しながら後方へ偏倚した場合において、下部磁石１４の磁力強度との関係で、偏倚の過程においてその反発力が一定になるようになっている。
【００４２】
これにより、当該人工膝関節１０を人体の義足として適用した場合であって、人体に残存した各種靱帯を用いる場合には、これら靱帯に過度の引張力がかかることがなく、残存靱帯の損傷（伸び）を防止することができる。
【００４３】
そして、当該人工膝関節機構１が屈曲する場合において、上部対偶１１が伸展位から屈曲位に移行するに従い、後方に偏倚するようになっている。かかる偏倚は、主に、以下に示す連結手段１６の構成によるものである。
【００４４】
連結手段１６は、人体における十字靱帯に相当するもので、前十字体２２ａと後十字体２２ｂとから成り、前十字体２２ａは、上部対偶１１の溝部１１ｃ内の後端部と下部対偶１２の関節窩中央部１２ｃの前端部とを連結するように設けられ、また、後十字体２２ｂは、上部対偶１１の溝部１１ｃの前後方向におけるほぼ中央部と下部対偶１２の関節窩中央部１２ｃの後端部とを連結するように設けられている（図１３参照）。尚、図１３は、前十字体２２ａ、後十字体２２ｂを解りやすくするために、上部対偶１１と下部対偶１２とを上下に離間して、前十字体２２ａ、後十字体２２ｂを誇張して示した。
【００４５】
これにより、図１４乃至図１６に示すように、伸展位から屈曲位に移行するに従い、上部対偶１１は後方に偏倚することになり、人体における大腿骨の下側関節頭の動作に近い動作を実現することができる。
【００４６】
また、このような前十字体２２ａ及び後十字体２２ｂは、引張方向へ伸長しない部材、例えば、医療用糸により構成されている。尚、ロボットに当該人工膝関節機構１０を用いる場合には、前十字体２２ａ、後十字体２２ｂをリンク機構で構成しても良い。かかる場合、リンク機構を構成するのに軸部材及び軸受部材等が必要になるが、上記上部磁石１３、１３及び下部磁石１４による反発力が両対偶１１と１２との間に常に働いているため、軸部材及び軸受部材に過度の負担がかかることがない。
【００４７】
尚、人体における膝関節は、十字靱帯の他に、側副靱帯、大腿四頭筋、膝蓋靱帯等を有し、当該人工関節機構１０の動作を、人体の膝関節の動作により近くするためには、上記各靱帯、筋等と同様の構成を備えることが好ましい。
【００４８】
衝撃吸収パット１５は、上方から見てほぼＣ字状を呈し、その両端間の距離が上記両対偶１１、１２の前後方向の大きさとほぼ同じに形成され、また、中央部の左右方向の幅が、下部対偶１２の左側又は右側の上部磁石１３に対向する部分と下部対偶１２の左端部又は右端部との間の間隔とほぼ同じか又はやや小さく、また、衝撃吸収パット１５の断面形状はくさび状に形成されている（図１７、図１８参照）。
【００４９】
そして、このような衝撃吸収パット１５、１５は上部対偶１１と下部対偶１２との間であって、その左側部及び右側部に介在せしめられる。具体的には、衝撃吸収パット１５、１５が、下部対偶１２の上面にその上側関節面１２ａ及び下側関節面１２ｂを各別に囲うように配置され、該衝撃吸収パット１５、１５の上面に、上部対偶１１の突部１１ａ及び１１ｂのそれぞれの下端部よりやや前側、後側及び外側に寄った部分が接触するように配設される。
【００５０】
これにより、上部対偶１１は下部対偶１２の上面に２つの衝撃吸収パット１５、１５を介して載置され、また、上記上部磁石１３、１３及び下部磁石１４との反発力が上部対偶１１と下部対偶１２との間に作用するようになっている。
【００５１】
従って、上部対偶１１に衝撃がかかると、該衝撃が衝撃吸収パット１５、１５及び上部磁石１３、１３と下部磁石１４との反発力により、吸収される。
【００５２】
かかる衝撃吸収パット１５は、人体における半月板に相当し、シリコンなどの弾性部材からなる外殻体２３に、ヒアルロン酸ナトリウム又は生理食塩水などの流体２４とシリコンなどのゲル物質２５とが封入されている（図１７参照）。尚、外殻体２３内には流体２４とゲル物質２５とを封入する方が好ましいが、そのいずれか一方のみを封入しても良い。
【００５３】
特に、本発明人工関節機構を義足に適用して人体に装着する場合には、上記ゲル物質２５を流体２４と共に、外殻体２３に封入した方が好ましいが、本発明人工関節機構をロボットにおける膝関節に適用する場合には流体２４だけを外殻体２３に封入すれば足りる。尚、ロボットに適用する場合には、流体２４に人体に害があるとされている流体シリコンを用いても良い。
【００５４】
しかして、伸展位の状態、特に、歩行開始時における立脚時において、人工膝関節１０に大きな衝撃がかかるが、この衝撃を上部対偶１１と下部対偶１２とにそれぞれ埋設した上記両磁石１３、１４による反発力及び上記衝撃吸収パット１５、１５により吸収する。
【００５５】
また、伸展位から屈曲位までの変位においては、前十字体２２ａ、後十字体２２ｂにより、上部対偶１１が後方へ偏倚することになり、人体における膝関節と同様な動きを実現する。
【００５６】
更に、伸展位から屈曲位までの変位の間、上部対偶１１が回転しながら後方へ偏倚しても、上部磁石１３、１３と下部磁石１４とによる反発力がほぼ一定であるため、安定した上部対偶１１の動きを実現することができる。
【００５７】
尚、当該人工膝関節機構１０を人工皮膚で覆い、上部対偶１１と下部対偶１２との間に滑液を充填することにより、更に、対偶１１、１２間の動きがスムーズになる。
【００５８】
図１９及び図２０に示すものは、衝撃吸収パットの変形例１５Ａである。
【００５９】
かかる衝撃吸収パット１５Ａは、その外殻体２３の側部に、多数のスリット状の小孔１５ａ、１５ａ、・・・が形成されていて、外殻体２３の内部と外部とが連通され、また、外殻体２３内にはゲル物質２５のみが収められている。
【００６０】
このような衝撃吸収パット１５Ａは、人工膝関節機構１０を人工皮膚で覆い、上部対偶１１と下部対偶１２との間に人体にもともとある滑液を充填した場合に、用いると良い。
【００６１】
衝撃吸収パット１５Ａを、上部対偶１１と下部対偶１２との間に配置すると、衝撃吸収パット１５Ａは上記人体にもともとある滑液内に位置され、これにより、該滑液が外殻体２３の上記小孔１５ａ、１５ａ、・・・を通してその内部に侵入し、従って、外殻体２３内に収められたゲル物質２５は支障なく滑らかに動くことができる。
【００６２】
このような衝撃吸収パット１５Ａにあっては、滑液として人体にもともとあるものを用いるため、人工的な流体を用い場合に比べ、他の人体の一部に与える影響はない。
【００６３】
尚、上記小孔１５ａ、１５ａ、・・・を外殻体２３の側部に形成したのは、外殻体２３の上面や下面のように、上部対偶１１及び下部対偶１２やゲル物質２５に接触する部位に小孔１５ａ、１５ａ、・・・を形成しておくと、当該衝撃吸収パット１５Ａに荷重がかかった状態で衝撃吸収パット１５Ａが上部対偶１１と下部対偶１２との間において移動したときに、小孔１５ａ、１５ａ、・・・と上部対偶１１及び下部対偶１２やゲル物質２５とが擦れてしまい、両対偶１１、１２やゲル物質２５及び外殻体２３の耐擦傷性が劣ってしまったり、或いは滑液の流通が悪くなってしまったりすること等の理由による。
【００６４】
図２１乃至図２８は本発明人工関節機構の第２の実施例を示すものである。
【００６５】
この第２の実施例が前記第１の実施例と比較して相違する点は、磁石に電磁石を用いたこと、左右のバランスを取れること及び膝関節の逆折れ防止手段を設けたことであるので、図面には要部のみを示し、また、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第１の実施例に係る人工関節機構における同様の部分に付した符号と同じ符号を付することによりその説明を省略する。
【００６６】
第２の実施例にかかる人工膝関節１０Ａの上部対偶２６に埋設された上部磁石２７は各小磁石２８、２８、・・・の磁力が均一で、また、その基礎材１９に埋設される深さも一定になっており、従って、上部磁石２７は伸展位から屈曲位まで変化する間、下部対偶２９に対向した側において一定の磁場を形成する（図２１、図２２参照）。
【００６７】
下部対偶２９に埋設された下部磁石３０の各小磁石３１は電磁石であり、以下のように、伸展位から屈曲位まで変化する間、所定の磁場を形成するように制御される。
【００６８】
即ち、下部磁石３０が形成する磁場は、側面から見て、伸展位において全体としてほぼ中央部の磁力強度が弱い凹状を呈しており（図２３、図２４、図２５参照）、この磁力強度の弱い部分が伸展位から屈曲位になるに従い後方に移行するようになっている。
【００６９】
これにより、上部磁石２７が、下部磁石３０の磁力の弱い部分に位置されて、該磁石強度の弱い部分が屈曲が進むにつれて後方に移行し、よって、伸展位から屈曲位に移行して行くに従い、上部対偶２６が後方へ偏倚することになる。これは、十字体２２ａ、２２ｂにより為される上部対偶２６の後方への偏倚を補うことになり、よりスムーズな偏倚が行われる。
【００７０】
尚、この実施例では、下部磁石３０のみを電磁石としたが、上部磁石２７のみを電磁石とすることも、また、上部磁石２７、下部磁石３０の双方を電磁石とすることもできる。
【００７１】
衝撃吸収パット１５と下部対偶２９の上面との間の左右両端部には、圧力センサ３２、３２が介在されており（図２１、図２２参照）、これら圧力センサ３２、３２により検出された圧力の差が信号として、上記下部磁石３０の各小磁石３１、３１、・・・に出力され、左右の荷重バランスを取り、リザルタントフォースを改善することができる。
【００７２】
即ち、例えば、下部対偶２９の左側の圧力センサ３２が右側の圧力センサに比べてより多くの圧力を検出したときは、左側の下部磁石３０の各小磁石３１、３１、・・・により多くの電流を流し、磁力強度を上げて上部対偶２６への反発力を増大する。これにより、下部対偶２９にかかる荷重が左右にアンバランスであっても、上部対偶２６の左右のバランスを保つことができる。
【００７３】
尚、かかる圧力センサ３２には、本出願人による平成９年１２月８日の出願（特願平９−３３６８０８号）にかかる発明（感覚情報取得装置）を適用することができ、また、既知の各種圧力センサを適用することができる。
【００７４】
上部対偶２６の前方には、人体における膝蓋骨に相当する蓋体３３が設けられ、また、該蓋体３３の下方であって、下部対偶２９の前方には逆折れ防止部材３４が設けられており、これら蓋体３３、逆折れ防止部材３４は人工靱帯３５の内側面に取り付けされており、また、人工靱帯３５の上端は上部対偶２６に、その下端は下部対偶２９にそれぞれ連結されている（図２６、図２７、図２８参照）。
【００７５】
これにより、屈曲位において、上部対偶２６の前方に蓋体３３が位置され、人体における膝関節を屈曲した場合と同様な外形を呈し（図２８参照）、より人体に近似した人工膝関節機構１０Ａにすることができる。
【００７６】
また、逆折れ防止部材３４の後部には、電磁石３６が埋設されていると共に、該電磁石３６に対向する下部対偶２９の部分には磁性体３７が埋設されている。そして、逆折れ防止部材３４の電磁石３６は、伸展位において励磁するように制御されており、これにより、当該人工膝関節機構１０Ａは、逆に折れることはない（図２７参照）。
【００７７】
膝関節の逆折れは、膝関節から下側の脚を前方に振り出した場合に、その勢いにより起ることがあるが、当該人工膝関節機構１０Ａによれば、逆折れ防止部材３４の電磁石３６を励磁することで、該電磁石３６が下部対偶２９の前端部に埋設した磁性体３７に吸着され、これが上部対偶２６と下部対偶２９の前端間における側方から見た断面が三角状の空隙３８に位置し、これにより、上部対偶２６が逆折れしそうになっても、下部対偶２９との間に位置して来た逆折れ防止部材３４が邪魔をして、逆折れが防止される。
【００７８】
尚、この実施例において、逆折れ防止部材３４の電磁石３６が下部対偶２９に設けた磁性体３７に吸着されるようにしたが、上部対偶２６に同様の磁性体を設けるようにしても良い。
【００７９】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明人工関節機構は、一対の対偶と、これら２つの対偶を連結する連結手段を有し、両対偶が互いに反発するように磁石を各対偶の関節面側にそれぞれ設け、伸展した状態（伸展位）から屈曲した状態（屈曲位）になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたことを特徴とする。
【００８０】
従って、本発明人工関節機構にあっては、対偶間に磁力の反発力よる間隙ができ、該反発力により衝撃を吸収することができ、また、両対偶が接触していないため、両対偶の関節面において、磨耗がなく、更に、従来のように、関節軸を設ける必要がないので、耐久性に優れる。
【００８１】
尚、本発明人工関節機構は、上記実施の形態及び各実施例で示したような１軸性関節に限らず、２軸性関節或いは多軸性関節ににも適用することができる。
【００８２】
また、伸展位から屈曲位に変化するに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、連結手段を構成したので、より人体の関節に近い動きを実現することができる。
【００８３】
また、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い、弱くなるようにしたので、他方の対偶の屈曲方向への偏倚をスムーズにすることができ、より人体の動きに近い動作を可能にする。
【００８４】
また、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い、一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの変化の間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたので、伸展位であるか又は屈曲位であるかに関わらず、対偶間の間隔を一定にすることができ、例えば、人体に義体として用いた場合にその人体に残存した靱帯に過度の負荷をかけることがない。
【００８５】
請求項２に記載した発明にあっては、少なくとも一方の対偶に設ける磁石を電磁石としたので、対偶間の間隙を制御することができ、他方の対偶の屈曲方向への偏倚をスムーズに行わせることができ、より人体の関節の動きに近い動作を可能にすることができる。
【００８６】
請求項３及び請求項４に記載した発明にあっては、一方の対偶と他方の対偶との間に衝撃吸収パットを介在させるようにしたので、急激な衝撃があっても、かかる衝撃を衝撃吸収パットにより吸収することができ、対偶を破損してしまうことがない。
【００８７】
請求項５及び請求項６に記載した発明にあっては、少なくとも一方の磁石に電磁石を用いた人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲方向に対して直交する方向に適宜離間した位置に圧力センサを介在させるようにしたので、かかる圧力センサで検出した圧力差を信号として電磁石を制御することにより、両対偶間の屈曲方向に対して直交する方向に離間した位置の反発力を調整することができ、対偶にかかる荷重がアンバランスであっても、一方の対偶に対する他方の対偶にバランスを保ち、リザルタントフォースを改善することができる。
【００８８】
請求項７乃至請求項１２に記載した発明にあっては、一方対偶と他方対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶とのなす角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたので、伸展位において、他方の対偶が逆折れしそうになっても、一方の対偶との間の逆折れ防止部材が邪魔をすることになり、当該人工関節機構の逆折れを防止することができる。
【００８９】
尚、上記した実施の形態及び各実施例においては、本発明人工関節機構を、膝関節に適用したものについて説明したが、本発明は、これに限らず、肘関節、指関節等の各種関節に適用することができる。
【００９０】
また、上記した実施の形態及び各実施例において示した各部の形状乃至構造は、何れも本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２乃至図４と共に、本発明に係る人工関節機構の基本構成を概念的に示すものであり、本図は伸展位にある人工関節機構を示す側面図である。
【図２】伸展位にある人工関節機構を示す正面図である。
【図３】屈曲位にある人工関節機構を示す側面図である。
【図４】上部磁石の別の例を示す側面図である。
【図５】図６乃至図２０と共に、本発明に係る人工関節機構を人工膝関節機構に適用した第１の実施例を示すものであり、本図は人工膝関節機構を上下に分離して示す分解斜視図である。
【図６】上部対偶の関節面を説明するための側面図である。
【図７】上部磁石を拡大して示す正面図である。
【図８】上部磁石を拡大して示す側面図である。
【図９】上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す正面図である。
【図１０】伸展位において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図１１】９０度屈曲した状態において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図１２】ほぼ１５０度屈曲した屈曲位において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図１３】十字体を誇張するために、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す後方から見た分解斜視図である。
【図１４】図１５及び図１６と共に、上部対偶の動きを示すものであり、本図は伸展位における側面図である。
【図１５】９０度屈曲した状態を示す側面図である。
【図１６】１５０度屈曲した屈曲位の側面図である。
【図１７】衝撃吸収パットを水平方向に切断した状態を上方から見た平面図である。
【図１８】屈曲方向に直交する方向に切断した状態を示す垂直断面図である。
【図１９】図２０と共に、衝撃吸収パットの変形例を拡大して示すもので、本図は平面図である。
【図２０】側面図である。
【図２１】図２２乃至図２８と共に、本発明に係る人工関節機構を人工膝関節機構に適用した第２の実施例を示すものであり、本図は衝撃吸収パットを水平方向に切断した状態を上方から見た平面図である。
【図２２】屈曲方向に直交する方向に切断した状態を示す垂直断面図である。
【図２３】伸展位において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図２４】９０度屈曲した状態において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図２５】ほぼ１５０度屈曲した屈曲位において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図２６】図２７及び図２８と共に、蓋体及び逆折れ防止部材の動きを示すものであり、本図は伸展位よりやや屈曲した状態の側面図である。
【図２７】逆折れ防止部材が上部対偶と下部対偶との間に介在して、上部対偶の逆折れを防止した状態を示す側面図である。
【図２８】屈曲位の側面図である。
【符号の説明】
１…人工関節機構、２…上部対偶、３…下部対偶、４…上部磁石、５…下部磁石、６…連結手段、１０…人工膝関節機構、１１…上部対偶、１２…下部対偶、１３…上部磁石、１４…下部磁石、１５…衝撃吸収パット、１６…連結手段、１０Ａ…人工膝関節機構、２６…上部対偶、２７…上部磁石、２８…小磁石、２９…下部対偶、３０…下部磁石、３１…小磁石、３２…圧力センサ、３４…逆折れ防止部材、３６…電磁石、３７…磁性体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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