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(a)Flexion-extension patterns
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(b)Tîbial axis load patterns
100
(b)Tibial axis load pa口erns
膝関節シミュレータで用いる腔骨軸荷重と屈曲伸展運動
刈3-2
条件として表現する.
3 ・ 1 ・ 2 実験方法
全ての運動条件で一周期を2.0sとし， 1周期日は， 屈曲伸展運動を行いな がら腔骨軸荷重を徐々に上昇させ， 2周期日より目標の運動を行い30周期
まで摩擦トルクと分離度の測定を行った. 以後， 摩擦係数や分離度は， 実 験開始後25周期日の値を使用した. 試験片は， 図3-3に示すように， 大
腿側は円筒型(SUS316製) ， 腔骨側は平板型(UHMWPEと導電性シリ
Femoral component Ø60
ぱ3
UHMWPE
lïbial component
刻3-3 人工膝関節試験片
-32-( S-30) を 全て30mm2/sのシリコーン油
潤滑液は，
を用いた.
コーンゴム製) 使用した.
結果及び考察 3
3
歩行運動条件下の摩擦特性 3 3
図3-4に歩行運動条件下の摩擦トルクとその摩擦トルクから得られた 完全分離電圧100mV) を示す.
摩擦係数及び分離度(並列抵抗: R = 510 Q，
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歩行運動時の摩擦特性 図3-4
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これより導電性シリコーンゴムを使用した場合(b)は， UHMWPEを使用 した場合(a)よりも低い摩擦トルクを示している. またそのときの分離度は(e) より， 全位相でほぼlである. したがって， 30mm2/s程度の粘度の潤滑液を 使用すると， 軟質材を有する人工膝関節の場合は， 歩行条件下ではソフト EHL作用により， かなりの流体潤滑膜が形成され， UHMWPEよりも 優れた潤滑性能を有すると思われる.
なお， 導電性シリコーンゴムでは， 60%前後の位相で摩擦トルクはあまり 大きくないものの 摩擦係数の大きな上昇が見られる. 一方， U HMW P E (c)では， 摩擦係数の急激な上昇は荷重低下時のこの位相において見られ ない. これは， 導電性シリコーンゴムの場合， 変形回復が遅れ， 広領域で 薄膜状態が持続するため低荷重下で大きな摩擦係数を示したものだと考え られるが， 摩擦力自体は小さいので， この影響は少ない.
このように， 歩行状態では特に過酷な条件の立脚期において軟質材の優 位性が認められたので， 以後は軟質材を用いた場合に限定して結果と考察 を述べる.
3 ・ 1 ・ 3 ・ 2 一定荷重条件下の摩擦特性
刈3-5に一定荷重条件下の摩擦係数を示す. 速度が遅く荷重が低い条 件(a)30-0.55kNでは， 摩擦係数の最大値が， 約0.05とやや高めの値を示してい る. これに対し， 荷重が2倍である条件(b)30-1.1 kNでは， 摩擦係数は， さら に0.2近くまで上昇し 非常に高い値を示している. 一方， 速度が2倍の条
件((c)60-0.55kN， (d)60・1.1kN)では， どちらの荷重条件でも摩擦係数は， 非 常に低い値を示し， かなり流体潤滑に近い状態だと考えられる. この一定 荷重の条件下では， 変動荷重下におけるようなスクイーズ効果(則， (紛)をあ
-34-((a)
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100
:
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(d) 60・1.1kN)
20 40 60 80
Percent of cycle
100 0
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(c) 60-0.55k川
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20 40 60 80
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一定荷重下の摩擦挙動 刈3-5
くさび効果による潤滑作用が主体であるため， 速度が速 まり期待できず，
速度が遅い小振幅で低荷重条件下ではあまり摩擦は大 い大振幅の場合や，
小振幅で高荷重条件下では流体潤滑膜の形成が十分 高摩擦を生じるものと考えられる.
きくならないものの，
にはなされないため，
作動条件の摩擦係数への影響 3
3 3
速度， 荷重と 図3-6に速度 ・ 荷重条件による摩擦係数の違いを示す.
その平均荷重である図3- 5の一定荷重条件 もに低い(a)(30-A)の条件では，
荷重が低い このことより
(a)30-0.55kNよりやや低めの摩擦状態となった.
過大な接触を防ぐ程度の潤 速度が遅くともくさび作用により，
条件では，
非常に高い摩 その平均荷重は同じであ 一定荷重では，
擦係数を示した図3-5 -(b)30-1.1kNと比較して，
滑膜が形成されていると考えられる. 一方，
ドでの若干の摩擦係数の トロークエン
る図3 -- 6 --(b)30-Bの条件では， ス
図3--6 --(a)30-Aと 低摩擦状態を維持しており，
昇が見られるものの，
高い荷重域で運 動する条件(c)30-Cで、
位相 次に，