JP2002220096A

JP2002220096A - 収納・展開型枠組み構造物

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Publication number: JP2002220096A
Application number: JP2001020153A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamawaki; 功次山脇
Original assignee: National Space Development Agency of Japan
Current assignee: National Space Development Agency of Japan
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-06
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP3567163B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】棒状に折り畳んだ状態から、平面状の枠組み
構造を形成する収納・展開型枠組み構造物。【解決手段】複数の外枠材１１〜１６の端部は、ヒン
ジ２１〜２５により隣接する外枠材１１〜１６に連結さ
れ、ジグザグ状に配置される。展開軸が設けられる。展
開軸から近い位置にある複数のヒンジ２１〜２５と展開
軸との間に、それぞれ支持材が設けられ、支持材３１〜
３４の一端部は前記展開軸に角度可変に取り付けられ、
支持材３１〜３４の他端部はそれぞれの前記ヒンジに角
度可変に取り付けられる。展開軸から遠い位置にある複
数のヒンジと、展開軸との間にそれぞれワイヤー５１〜
５３が設けられる。展開軸からワイヤー５１〜５３に張
力を加えて、展開軸に遠い位置にある複数のヒンジ２１
〜２５と、展開軸との間の距離を調整する展開制御機構
が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、太陽電池パネル
等に適用可能な平らな平面を形成する枠組み構造物の外
周を構成する外枠材を折り畳んでコンパクトに収納し、
かつ、枠組み構造物の頂点を結んだワイヤーを巻き取る
ことにより、棒状に折り畳んだ状態から平面状の枠組み
構造を形成することを特徴とする収納・展開型枠組み構
造物に関する。

【０００２】

【従来の技術】平面或いは曲面を形成する枠組み構造物
は、人工衛星などの太陽電池パネルや大型アンテナとし
て広く利用されている。これらの例として、太陽電池パ
ネル、大型アンテナ等がある。太陽電池パネルは、ロケ
ット搭載時には複数の平板をヒンジで連結して屏風のよ
うに折り畳んで収納し、軌道上で運用する時にはヒンジ
に設けられたバネ等を用いてこれらの平板がさらに広い
平面を成すように展開する。大型アンテナは、傘のよう
に折り畳まれたフレーム構造体を軌道上で展開して、お
碗状の曲面を形成する。しかし、これらは重量軽減のた
め、通常、きわめて柔軟な構造物となる。特に、大きな
開口面積を必要とする太陽電池パネルの形成において
は、例えば帆船の帆のように進展したマストに膜状の太
陽電池セルを張ったような太陽電池構造体があり、これ
らは開口面積が増大するに伴い柔軟化する傾向にある。

【０００３】無重量の宇宙環境では、地球上の構造物の
場合よりも、その柔軟化は大幅に許容される。例えば、
従来の規模の人工衛星であれば、これらの構造物に加え
られる加速度も極めて小さいこともあり、構造物の固有
振動数が１００分の数Ｈｚであっても、宇宙構造体とし
ては十分に成立することが多い。

【０００４】しかしながら、構造物の大型化は固有振動
数のさらなる低下と加速度による構造物の大きな変形を
伴う。このため、構造物のアクティブな姿勢制御や軌道
変換が困難となり、最早、宇宙構造体として成立しなく
なる。簡単な例として棒材の剛性について考えてみる
と、そのたわみはその長さの３乗に比例して増加する。
従って、構造体の剛性低下を可能な限り抑えてその開口
面積を増加させるには、構造体を長くするだけでなくそ
の横幅も広げるような形状とするのが望ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽電池パネル
のような構造物は、折畳んだ構造物を一方向に細長く展
開するものが多かった。大型化への対応を考慮するなら
ば、太陽電池パネル等の構造物も細長く展開するだけで
はなく、縦と横に均等に展開できるような収納・展開型
構造物が望まれる。しかし、このような展開が容易であ
り、かつ、これをコンパクトに折り畳むことの可能な構
造物がなかった。展開した状態で、外枠の形状が例えば
正六角形になるフレーム構造物は、軽量の構造材で大き
な面積を形成することが可能である。

【０００６】本発明は、棒の束のように折り畳んだ状態
から、２次元に展開して広げることが可能な枠組み構造
物を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
収納・展開型枠組み構造物において、複数の外枠材を備
え、この外枠材の端部は、隣接する外枠材の一端部に連
結され、ジグザグ状に配置される。複数のヒンジが設け
られ、それぞれのヒンジは１本の外枠材の一端部と、隣
接する外枠材の一端部とを角度可変に接続する。また、
展開軸が設けられる。外枠材が折畳まれた状態におい
て、展開軸から近い位置にある複数のヒンジと展開軸と
の間に、それぞれ支持材が設けられ、支持材の一端部は
前記展開軸に角度可変に取り付けられ、支持材の他端部
はそれぞれの前記ヒンジに角度可変に取り付けられる。
外枠材が折畳まれた状態において、展開軸から遠い位置
にある複数のヒンジと、展開軸との間にそれぞれワイヤ
ーが設けられる。展開軸からワイヤーに張力を加えて、
展開軸に遠い位置にある複数のヒンジと、展開軸との間
の距離を調整する展開制御機構が設けられる。

【０００８】この発明により、枠組み構造物は３個の四
辺形構造物が、頂点をなす展開軸で連結され、支持材と
外枠材が、棒状に収納された状態から、展開軸を軸とし
て扇状に展開する連結展開機構を形成することができ
る。また、連結構造物をまず棒状の束のように折り畳ん
だ状態で収納して輸送し、次にこれを枠組み構造物に展
開することが可能となる。また、連結構造物の平行四辺
形の対角線に沿って張られた３本のワイヤーをこれらの
長さが辺の長さと同じになるように巻き取り、展開制御
機構を用いて先端の辺同士を連結することにより、棒状
に収納された四辺形構造物を枠組み構造物に展開するこ
とが可能となる。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の収
納・展開型枠組み構造物の構成において、隣接する２本
の外枠材と、隣接する２本の支持材とで四辺形を形成
し、隣接する２つの四辺形が１本の支持材により形成さ
れる辺を共有する枠組み構造物である。この構造によ
り、連結構造物の構成を簡単にするだけでなく、枠組み
構造物の形成において、外枠を形成する構造材の形状・
機能とこれを支持する構造材の形状・機能を別々のもの
とすることが容易になる。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１に記載の枠組
み構造物において、完全に展開した状態では、展開軸に
取り付けられた複数の前記支持材のうち、最も外側の２
本の支持材は、辺同志が連結されて１本の支持材として
作用する枠組み構造物である。この構造により、展開し
た状態で固定される枠組み構造物を得ることが出来る。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１に記載の枠組
み構造物において、外枠材は６本であり、支持材は４本
であり、外枠材と支持材の長さはほぼ同一である枠組み
構造物である。この構造により、展開した状態で正六角
形の枠組み構造物を得ることが出来る。これにより、展
開して構成される構造体の形状が均一なものとなり、構
造重量の軽量化、構造強度の均一化、構造体の再利用化
などに有効である。

【００１２】請求項５の発明は、請求項１に記載の枠組
み構造物において、ヒンジは、前記枠組み構造物を展開
する方向に付勢するバネを有する枠組み構造物である。
この構造により、折畳まれた状態から、展開するのが容
易となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を示す。図１は、本発明による収納・展開型枠組
み構造物の構成方法により、連結構造物が展開を開始す
る前における形態を示したものであり、図２は、連結構
造物の展開初期における形態を示したものである。

【００１４】図３は展開中間時、図４は展開後半、図５
は展開完了時の構造物の形態を示すものである。本発明
の一実施の形態である収納・展開型枠組み構造物の構成
方法を説明するには図２が簡便であるため、以下主とし
て図２を参照して説明する。各図において、同一の部品
又は部分は同一の番号で示す。

【００１５】この実施の形態は、枠組み構造物が、展開
した状態において正六角形を形成する場合である。外枠
（主構造材の一部）を成す構造材は６本あり、これらを
端から順に外枠材11、外枠材12、外枠材13、外枠材14、
外枠材15、外枠材16とする。展開前は、外枠材の端部同
士がヒンジを介して直列に連結されてジグザグ状に折り
畳まれている。簡単のため、これらは同等の外枠構造材
からななることとする。

【００１６】そして、２つの隣接する外枠材はヒンジに
より結合される。即ち、外枠材11と外枠材12とを連結す
る機構としてヒンジ21を備えている。同様に、外枠材12
と外枠材13とを連結する機構としてヒンジ22を、外枠材
13と外枠材14とを連結する機構としてヒンジ23を、外枠
材14と外枠材15とを連結する機構としてヒンジ24を、外
枠材15と外枠材16とを連結する機構としてヒンジ25を備
えている。

【００１７】ヒンジ21は、ヒンジ片21a,21bと、軸部21c
とを備え、軸部21cを中心にしてヒンジ片21aと21bの角
度を変えることが出来る。ヒンジ片21aは、外枠材11の
一方の端部に固定され、ヒンジ片21bは、外枠材12の一
方の端部に固定されている。ヒンジ片21aと21bの角度を
変えることにより、外枠材11と12の間の角度を変えるこ
とが出来るようになっている。他のヒンジ22,23,24,25
もヒンジ21と同様に、２つのヒンジ片と1つの軸部とを
備え、隣接する２つの外枠材を連結し、ヒンジの軸部に
おいて２つのヒンジ片の間の角度を変えることが出来る
ようになっている。

【００１８】外枠材11のヒンジ21と反対側の端部に副ヒ
ンジ41が固定されている。副ヒンジ41は、ヒンジ片21a
と同じ形状のヒンジ片41aと軸部41cとからなり、軸部41
cに後述する支持材31を取付けることが出来、軸部で支
持材31との角度を変えることが出来るようになってい
る。同様に、外枠材16のヒンジ25と反対側の端部に副ヒ
ンジ42が固定され、ここに支持材34が取付けられてい
る。副ヒンジ41と42とは、図５の完全に展開した状態で
は、隣接して配置され、２つの副ヒンジ41と42で、１つ
のヒンジ21とほぼ同じ形状となり、６角形の１つの頂点
を成すようになっている。

【００１９】外枠材11の端部に取り付けられた副ヒンジ
41と展開軸60との間に、外枠材とほぼ同じ長さの支持材
31（主構造材の一部）が設けられ、支持材31は、軸部に
より副ヒンジ41との間で角度を変えることが出来、また
展開軸60を中心にして角度を変えることが出来るように
取り付けられている。また、外枠材16の端部の副ヒンジ
42と展開軸60との間に外枠材とほぼ同じ長さの支持材34
が設けられ、同様に角度を変えることが出来るようにな
っている。外枠材と支持材とは、主構造材であり、後述
するように菱形の形状を形成する。

【００２０】また、ヒンジ22と展開軸60との間に外枠材
とほぼ同じ長さの支持材32が設けられ、支持材32は、ヒ
ンジ22の軸部22cで角度を変えることが出来、また展開
軸60を中心として角度を変えることが出来るように取り
付けられている。同様に、ヒンジ24と展開軸60との間に
外枠材とほぼ同じ長さの支持材33が設けられる。このよ
うに、支持材31,32,33,34は、展開軸60を中心にしてそ
れぞれ角度を変えることが出来るように取り付けられて
いる。支持材32と33の断面は正方形であり、支持材31と
34の断面は、この正方形を２つに分割した形状であり、
図５に示す展開完了時に、支持材31と34が合わさり、支
持材32の断面と同じ正方形の断面形状になるようになっ
ている。支持材31と34を公知の手段により固定する固定
部（図示せず）を設けることも出来る。

【００２１】さらに、ヒンジ21と展開軸60との間に、ワ
イヤー51が設けられ、ワイヤー51は展開軸60で巻き取る
ことが出来るようになっている。同様に、ヒンジ23と展
開軸60との間にワイヤー52が設けられ、ヒンジ25と展開
軸60との間にワイヤー53が設けられ、それぞれ展開軸60
で巻き取ることが出来るようになっている。

【００２２】展開軸60は、支持材31,32,33,34が展開軸6
0を中心にして角度を変えられるように取付けられてい
る連結展開機構を備える。また、展開軸60にはワイヤー
51,52,53の一方の端部が取付けられ、これらのワイヤー
51,52,53を各ワイヤー長が等しい状態で巻き取ることが
出来る展開制御機構を備える。

【００２３】図７に、ヒンジ21部分の拡大図を示す。２
つのヒンジ片21a,21bは、軸部21cで角度を変えることが
出来る。軸部21cには、ワイヤー51の一端が固定されて
いる。ヒンジ21が展開していくときのヒンジ片21a,21b
の間の角度が変化していく様子を模式的に示す。図７の
(a)は、図１の棒状に収納されているときのヒンジ片の
なす角度を表し、(b)は図２の展開途中におけるヒンジ
片のなすの角度を表し、(c)は図５の完全に展開した状
態でのヒンジ片のなすの角度を表す。２つのヒンジ片21
a,21bのθで表す角度は、60°であり、図５の完全に展
開した状態では、２つのθで表す角度が、合わさって、
120°の角度をなし、この位置でヒンジの角度の移動は
停止し、外枠材が正６角形を形成するようになってい
る。ヒンジ23と25は、ヒンジ21と同様である。

【００２４】図８に、ヒンジ22部分の拡大図を示す。ヒ
ンジ22は、ヒンジ21とは構造が異なり、θで表す部分
に、軸部22cが設けらえれている。軸部22cには、支持材
32の一方の端部が、角度を変えられるように取り付けら
れている。ヒンジ22が展開していくときのヒンジ片22a,
22bの間の角度が変化していく様子を模式的に示す。図
８の(a)は、図１の棒状に収納されているときのヒンジ
片のなす角度を表し、(b)は図２の展開途中におけるヒ
ンジ片のなすの角度を表し、(c)は図４の展開途中にお
けるヒンジ片のなすの角度を表し、(d)は図５の完全に
展開した状態でのヒンジ片のなすの角度を表す。２つの
ヒンジ片22a,22bのθで表す角度は、60°であり、図５
の完全に展開した状態では、２つのθで表す角度が、合
わさって、120°の角度をなし、この位置でヒンジの角
度の移動は停止し、外枠材が正６角形を形成するように
なっている。ヒンジ24は、ヒンジ22と同様である。

【００２５】展開の初期の図１から図２の状態に展開し
ていくときには、ワイヤーにより引張るだけでは十分に
展開できない。従って、各ヒンジには、バネ（図示せ
ず）が設けられている。ヒンジ21に設けられたバネは、
ヒンジ21を図７の(a)で表す状態から、(c)で表す状態へ
角度を変えるように付勢する力をかける。また、ヒンジ
22に設けられたバネは、ヒンジ22を図８の(a)で表す状
態から、(d)で表す状態へ角度を変えるように付勢する
力をかける。図１から図２への展開はヒンジに設けられ
たバネの作用と、展開軸60でワイヤー51,52,53を巻き取
る作用とによって行う。

【００２６】枠組み構造物を展開するには、ヒンジに設
けられたバネの力と、展開軸60からワイヤー51,52,53を
引張る力により、図１に示す収納した状態から、図２、
３、４に示す状態を経て、図５に示す正六角形平板の状
態に展開される。即ち、外枠材11〜16は、折畳まれた状
態から、ヒンジで角度を変え、次第にジグザグ状に開い
ていく。支持材1,2,3,4は、展開軸60を中心にして、次
第に支持材の間の角度を広げていく。このとき、隣接す
る支持材の間の成す角度が等しい状態で、広がってい
く。図２〜４に示す中間状態では、外枠材11,12と支持
材31,32とで菱形Ａが形成される。同様に、外枠材13,14
と支持材32,33とで菱形Ｂが形成され、外枠材15,16と支
持材33,34とで菱形Ｃが形成される。菱形Ａと菱形Ｂと
は、支持材32を共有する。菱形Ｂと菱形Ｃとは、支持材
33を共有する。図５の最終状態まで展開されると、３本
のワイヤー51,52,53のワイヤー長が全て概ね支持材31〜
34の長さと等しくなる。支持材31と34は、合わさって、
１つの支持材のように作用し、副ヒンジ41と42は、合わ
さり、ヒンジと同様の形状となり、構造物の６画形の１
つの頂点を形成する。副ヒンジ41と42を公知の手段によ
り固定する（図示せず）ことが出来る。

【００２７】またこの例では、外枠材11,12,13,14,15,1
6に膜状の太陽電池セルを収納する収納器材71,72,73,7
4,75,76が装着されている。連結構造物の展開過程の後
半で、副ワイヤー81,82,83,84,85,86により、太陽電池
セル膜91,92,93,94,95,96を引き出すことが出来るよう
になっている。この例では、副ワイヤー81,82は、ワイ
ヤー51に接続され、ワイヤー51を引っ張るときに、同時
に副ワイヤー81,82を引張るようになっている。他の副
ワイヤーも同様である。しかし、副ワイヤー81,82をワ
イヤー51に接続せずに、ワイヤー51とは独立に、展開軸
60により引張るようにすることも出来る。

【００２８】図６は、収納・展開型枠組み構造物の収納
性をさらに高めるための収納方法を示す図であり、支持
材をヒンジと支持材の連結点で折り畳むことができるよ
うになっている。この連結点で連結構造物を折り畳むこ
とにより、長さを概ね図１に示す長さの半分にすること
ができ、ロケットのフェアリングへの収納に都合がよ
い。

【００２９】本実施の形態は、六角形として記載した
が、本発明の枠組み構造物は、六角形に限定されない。
四角形等の他の画数でも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上、実施の形態において説明したよう
に、本発明によれば、例えば外枠が正多角形を成す平板
上の構造物は、これを構成する辺を束ねた状態に折り畳
むことが可能である。また、構造物を形成する四辺形の
対角線を結ぶワイヤーを引っ張ることにより、容易に正
多角形に展開することが可能である。このような構造物
は、人工衛星や宇宙ステーションの太陽電池パネル、ア
ンテナ構体、放熱板、太陽光などの遮蔽体として利用可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による収納・展開型枠組み構造
物を示す概略図であり、枠組み構造物が棒状に収納され
ている状態を示す。

【図２】枠組み構造物が概ね２５％展開した初期の状態
を示したものである。

【図３】枠組み構造物が概ね５０％展開した中間の状態
を示したものである。

【図４】枠組み構造物が概ね７５％展開した後半の状態
を示したものである。

【図５】枠組み構造物が完全に展開した最終の状態を示
したものである。

【図６】棒状に収納された枠組み構造物をさらに折り畳
んで収納性を高めた状態を示したものである。

【図７】枠組み構造物の展開軸から遠い位置にあるヒン
ジ部の拡大図である。

【図８】枠組み構造物の展開軸から近い位置にあるヒン
ジ部の拡大図である。

【符号の説明】

11,12,13,14,15,16 外枠材 21,22,23,24,25 ヒンジ 21a,21b,22a,22b,23a,23b,24a,24b,25a,25b ヒンジ片 21c,22c,23c,24c,25c 軸部 31,32,33,34 支持材 41,42 副ヒンジ 41c,42c 軸部 51,52,53 ワイヤー 60 展開軸 71,72,73,74,75,76 収納器材 81,82,83,84,85,86 副ワイヤー 91,92,93,94,95,96 太陽電池セル膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】収納・展開型枠組み構造物において、端部同志が連結され、ジグザグ状に折畳まれた複数の外
枠材と、隣接する前記外枠材の端部同志を角度可変に接続する複
数のヒンジと、展開軸と、前記外枠材が折畳まれた状態において前記展開軸から近
い位置にある複数の前記ヒンジと前記展開軸との間に設
けられ、一端部が前記展開軸に角度可変に取り付けら
れ、他端部がそれぞれの前記ヒンジに角度可変に取り付
けられた複数の支持材と、前記外枠材が折畳まれた状態において前記展開軸から遠
い位置にある複数の前記ヒンジと、前記展開軸との間に
設けられた複数のワイヤーと、前記展開軸から前記ワイヤーに張力を加えて、前記展開
軸に遠い位置にある複数の前記ヒンジと、前記展開軸と
の間の距離を調整する展開制御機構と、を備えたことを
特徴とする枠組み構造物。
【請求項２】前記収納・展開型枠組み構造物におい
て、隣接する２本の前記外枠材と、隣接する２本の前記
支持材とで四辺形を形成し、隣接する２つの四辺形が１
本の前記支持材により形成される辺を共有する請求項１
に記載の枠組み構造物。
【請求項３】前記枠組み構造物が完全に展開した状態
では、前記展開軸に取り付けられた複数の前記支持材の
うち、最も外側の２本の前記支持材は、辺同志が連結さ
れて１本の支持材として作用する請求項１に記載の枠組
み構造物。
【請求項４】前記外枠材は６本であり、前記支持材は
４本であり、前記外枠材と前記支持材の長さはほぼ同一
である請求項１に記載の枠組み構造物。
【請求項５】前記ヒンジは、前記枠組み構造物を展開
する方向に付勢するバネを有する請求項１に記載の枠組
み構造物。