JP2005059735A - 二次元展開パネルユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】
一方向に力を加えることにより折り畳むことができ、折り畳んだ状態から、一方向に力を加えることで二次元的に展開でき、展開後は比較的安定な形状となる構造物（二次元展開パネルユニット）を提供すること。また、宇宙空間などにおいて、容易に展開・安定化し、太陽エネルギーなどを用いて発電することのできる宇宙構造物を提供すること。
【解決手段】
展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニットと、前記展開・安定化ユニットを取り付けたシザーズ構造体と、前記展開・安定化ユニットに取り付けたパネルを含む基本ユニットを複数具備する、二次元展開パネルユニット、そのような二次元展開パネルユニットを用いた宇宙構造体など。
【選択図】図５

Description

本発明は、二次元的に展開し、安定化する二次元展開安定化ユニットなどに関する。
現在、社会に供給されている電力の多くは化石燃料に依存している。しかし、化石燃料は有限であり、いずれ底が尽きることが指摘されて久しい。また、その化石燃料の燃焼に伴う二酸化炭素の放出も地球温暖化問題にとって深刻な原因となっている。このような発電における問題を一挙に解決するような提案が、1968年アメリカのDr. Peter Glaserによってなされた。それは太陽発電衛星（Solar Power Satellite：SPS）である。これは、宇宙空間に巨大な太陽電池パネルを構築し、得られた電気エネルギーをマイクロ波の形で地球に送電するという構想である。地上ではなく、宇宙に構築する理由は大きく二つある。一つは広大な空間を利用できること、もう一つは太陽エネルギーを有効に利用できること、すなわち地上のように大気による吸収や気候・日照時間に左右されずに太陽光を受けられることである。巨大な太陽電池パネルにより、二酸化炭素を放出せずに効率のよい電力供給が行なえる。しかしながら、いかにして宇宙空間に巨大な太陽電池パネルを構築するかが問題である。他にも、マイクロ波の地上環境への影響を考慮した送受電技術の問題などがある。これまで、アメリカのNASAや日本の宇宙科学研究所がそれぞれ設計し、様々な提案をしているが、今のところ実現されていない。
太陽発電衛星は、スケールで分類すると、数kmから数十kmのオーダの大型宇宙構造物である。このような大型宇宙構造物を実現するには多くの課題がある。それらは、宇宙環境に依存した問題や、輸送・建設に関する問題である。宇宙環境に依存した問題では、地面がない微小重力空間であることによる振動問題、真空による有機材料の腐食問題、電磁波による材料劣化の問題、温度差の影響、隕石・宇宙ゴミとの衝突問題などがある。なお、本来はこのような宇宙環境の特徴を利用するために宇宙構造物が作られる。例えば、微小重力空間を利用した材料製造実験、位置環境を利用した通信・放送衛星、電磁波環境を利用した科学観測・気象衛星、資源・エネルギーを利用する月面基地や太陽発電衛星の構想などが挙げられる。
大型宇宙構造物の輸送・建設問題において、主に次のような課題がある。まず、輸送システムには積み荷の重量・容積制限があるうえ、一回のミッションに莫大なコストがかかる。それゆえ、一回でできるだけたくさん輸送するために、構造物の小型化・軽量化が求められている[松崎雄嗣：宇宙構造物，日本機会学会誌，Vol.97，No.910，pp.26〜28，1994]。同時に製造コストも削減するため、構造部材をモジュール化することも要求される。一方、宇宙に構造物を建設するのは地上の場合と異なり、地面がないため、人はもとより建設機器の作動が困難である。それゆえ、構造物を自動化された組み立て型や展開型にすることが求められる。特に展開型の場合、展開前後で構造を容易に安定化する必要がある[名取通弘：宇宙構造物工学の概要, 土木学会論文集第，410号／I-12，pp.1〜16，1989]。
展開型の構造は、収納効率、展開方式、展開の信頼性、ヒンジの数、展開後の構造精度などによりそのよしあしが評価される。収納効率は地上からの輸送回数を直接左右する。展開に際しては宇宙飛行士の補助作業をなるべく減じることや、確実な展開への高い信頼性が要求される。ヒンジなどの展開のためのメカニズムの数は、構造物全体の精度や重量あるいは製造コストなどの観点から、なるべく少ないことが望まれる。展開型宇宙構造物へのこれらの要求は互いに相いれない点が多く、ミッション要求に応じたさまざまな検討が必要である。太陽発電衛星は、巨大な膜面の構造物である。この場合、輸送時に小さく畳み込み、宇宙で展開することが要求されると考えられる。
以下に、これまで提案された構造物を紹介する。（1）太陽発電衛星 リファレンスシステム [21世紀の発電―宇宙発電システム，電気学会誌，Vol.111, No.6, 1991]
アメリカのエネルギー省（DOE）とNASAは、1968年のDr. Peter Glaserの太陽発電衛星の構想に関心を持ち、1977年から1980年にかけてリファレンスシステムと称するSPSの本格的な研究を行なった。これは、地上約36000km静止軌道に5km×10kmの巨大な太陽電池パネルを広げ、地上の10km×13kmのレクテナ（受電部分）に電力を送電しようとするものである。これは、総発電量300GWを得る構想である。
SPS2000 [宇宙科学研究所：宇宙科学研究所研究報告 特集 第43号 太陽発電衛星SPS2000研究成果報告，2001年3月]
我が国においても、1980年以降、太陽発電衛星のデモンストレーションモデルの概念検討、マイクロ波送受電アンテナの技術研究、マイクロ波と電離層の相互作用実験、マイクロ波が地上環境に及ぼす影響の調査などが行なわれている。文部省宇宙科学研究所に組織されている太陽発電衛星ワーキンググループでも、SPS2000と名付けられた太陽発電衛星モデルの設計研究を、大学、国公立、民間の研究者の共同研究により実施している。1990年に地球環境問題への政府の対応としてまとめられた「地球再生計画」では、宇宙太陽発電は、核融合とともに次世代を担う革新的エネルギー技術として位置付けられている。SPS2000は、各辺約300mの三角柱形状で、赤道軌道高度11000kmに投入され、10MW規模の発電を行なうものである。
（2）二次元展開［宇宙科学研究所：宇宙科学研究所報告 特集 第36号，pp.40〜59，1997年3月（非特許文献１），石村康生：宇宙構造物における自律分散概念に関する研究，東京大学大学院工学系研究科 博士論文，2000（非特許文献２），三浦公亮：展開宇宙構造物の発想，日本機械学会誌，第90巻，第828号，pp.1394〜1400，1987，11月（非特許文献３）］
膜面を畳み込むときは、通常カーテンを畳むように帯状の平面を短冊状に折り畳む。これをシングルアコーディオン折りといい、シングルアコーディオン折により折り畳まれた平面を展開することを一次元展開という。さらに、この短冊を帯状の平面の幅方向にもアコーディオン的に折り畳むことができるとすれば、二次元的な広がりをもつ平面を小さく折り畳むことが可能になる。この概念を一般的に二次元展開という。図１にダブルアコーディオン折の概念を示す（宇宙科学研究所：宇宙科学研究所報告 特集 第36号，pp.40〜59，1997年3月（非特許文献１）より）。図1（a）が通常の折の展開図で、実線が山折り、点線が谷折りのラインを示す。短冊の厚みが増すとこのような折り方はできなくなり、少なくとも直線状の折れ線はジグザグ状になる（図1（b））。この場合、平面は合同な平行四辺形により構成されていると考えることになる。これが「三浦折り」として知られている平面の折り畳みの概念である。一点に4本の折れ線が集まって平面が完全に折りこまれる場合を考えると、折れ線により分割されてできる、相対する角度は補角をなす（図1（c））。そこで、図1（d）にあるような平行四辺形を組合せた要素の繰り返しからなっている平面も容易に二次元的に折り畳めることになる。ダブルアコーディオン折の一例を図1（e）に示す。この場合は、両方向の折れ線とも同じジグザグ状になっている。このような平面の折り畳みの概念はダブルアコーディオン折りと呼ばれている（図２）。なお、図２（ａ）は、収納時、図２（ｂ）は展開途中、図２（ｃ）は展開時の構造物を表し、図２（ｄ）は、展開時の１モジュール部分を表す。図２（ｄ）のα,β（1モジュールの隣り合う角）が、それぞれ90°に近づくにつれて、幾何学的に展開挙動はよりはっきりと縦方向の展開段階と横方向の展開段階に分かれていく[石村康生：宇宙構造物における自律分散概念に関する研究，東京大学大学院工学系研究科 博士論文，2000（非特許文献２）]。
（3）飛び移り現象を利用した構造物の安定化
例えば、オーロラ観測衛星EXOS-Dに搭載されているコイラブル・ロンジロン・マストと呼ばれる伸展マストがある。その特徴は、３本のロンジロン（縦ばり）がコイル状に収納されることである（図３）。図３（ａ）は、展開時、図３（ｂ）は、収納時、図３（ｃ）は、展開途中のものを表す。また、図３中、１はセンタケーブル、２はダイヤゴナルワイヤ、３はスペーサ、４はロンジロンを表す。これは、まっすぐに伸展したマストをケーブルによって縮める方向に引っ張ると自動的にコイル状に畳み込まれ、またケーブルを緩めるとまっすぐに伸びる。そこには一見コイル状に巻くための何の外力も働いていない。これと類似した自然現象がある。それは、ゴム動力の模型飛行機のようにゴムひもを巻いたときに見られる。ゴムひものはしを巻いていくと、ゴムひもはだんだんかたくねじられていって、そのほとんど極度と思われるところにくると、突然こぶが一つできる。それでもなお巻き続けると、ほぼ一回巻くごとに一つのこぶができるようにしてこぶが増える。こぶの出来方は離散的であって、決して連続的でなく、また半こぶのようなものは生じない。こぶというのはひとつの輪（コイル）であり、従ってこの現象はねじりのモードから曲げ（つまりコイル）のモードへの飛び移り現象である。
コイラブル・ロンジロン・マストの挙動をこの現象と関連付けてみる。細いロンジロンが圧縮を受けるとき、荷重がある限界値に到達すると、ゴムひもの現象のように、変形が圧縮のモードよりトランジェントな状態を経て曲げのモード（コイル）に飛び移り、そしてこれが離散的に続き、結局コイル状に畳み込まれるというストーリーが想定される。問題は、いかに弾性不安定現象を完全にコントロール下において、次から次へと飛び移りを起こさせるかである。その巧妙な仕掛けが、図３のように３本のロンジロンをたがいに弾性的に結合することであり、これにより構造としての安定を得るわけである。
宇宙科学研究所：宇宙科学研究所報告 特集 第36号，pp.40〜59，1997年3月 石村康生：宇宙構造物における自律分散概念に関する研究，東京大学大学院工学系研究科 博士論文，2000 三浦公亮：展開宇宙構造物の発想，日本機械学会誌，第90巻，第828号，pp.1394〜1400，1987，11月
本発明は、一方向に力を加えることにより折り畳むことのできる構造物（二次元展開パネルユニット）を提供することを目的とする。
また、本発明は、折り畳んだ状態から、一方向に力を加えることで二次元的に展開でき、展開後は比較的安定な形状となる構造物（二次元展開パネルユニット）を提供することを目的とする。
また、本発明は、宇宙空間などにおいて、容易に展開・安定化し、太陽エネルギーなどを用いて発電することのできる宇宙構造物を提供することを目的とする。
（１）上記の課題を解決するため、本発明の二次元展開パネルユニットは、展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニット（６）と、前記展開・安定化ユニットを取り付けられ、前記展開・安定化ユニットをその内部に含むシザーズ構造体（７）と、前記展開・安定化ユニットに取り付けられたパネル（８）を含む基本ユニット（９）を複数具備する、二次元展開パネルユニットであって、前記展開・安定化ユニットは、伸縮可能な伸縮手段（１０）と、前記伸縮手段の一端に取り付けられた第１のアーム（１１）、及び第２のアーム（１２）と、前記伸縮手段の残りの端に取り付けられた第３のアーム（１３）、及び第４のアーム（１４）とを含み、前記第１のアームと前記第３のアームとは第１のアーム連結手段（１５）により連結されており、前記第２のアームと、前記第４のアームとは第２のアーム連結手段（１６）により連結されており、前記シザーズ構造体は、形状が変化し得る平行四辺形を構成する第１の線材（２１）、第２の線材（２２）、第３の線材（２３）、及び第４の線材（２４）を含み、前記第１の線材と前記第４の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第２の線材と前記第３の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第１の線材と前記第３の線材とは、各線材を回転可能に連結する第１の回転連結手段（２５）により回転可能に連結され、前記第１の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第１のアーム連結手段に取り付けられ、前記第２の線材と前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第２の回転連結手段（２６）により回転可能に連結され、前記第２の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第２のアーム連結手段に取り付けられ、前記第１の線材と、前記第２の線材とは、各線材を回転可能に連結する第３の回転連結手段（２７）により回転可能に連結され、前記第３の線材と、前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第４の回転連結手段（２８）により回転可能に連結され、前記パネル（８）は、展開・安定化ユニットの第１のアーム、及び第２のアームのいずれか又は両方に取り付けられている。本発明の二次元展開パネルユニットは、このような構成をとるため、一方向に力を加えることにより折り畳むことのできる構造物を提供できる。また、本発明の二次元展開パネルユニットは、このような構成をとるため、折り畳んだ状態から、一方向に力を加えることで二次元的に展開でき、展開後は比較的安定な形状となる。本発明の二次元展開パネルユニットは、折り畳んだ状態においても安定な形状である。すなわち、本発明の二次元展開パネルユニットは、折り畳んだ状態、及び展開した状態を維持することができる。したがって、例えば、本発明の二次元展開パネルユニットを宇宙構造物として用いる場合、スペースシャトル内では安定に折り畳まれたままであり、そして宇宙空間においては、展開し続けることができる。なお、展開・安定化ユニットのアーム連結手段が回転連結手段を兼ねていても良い。この場合、アーム連結手段は、例えば、ピボットのように機能する。
（２）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、前記第１のアーム連結手段、及び前記第２のアーム連結手段のいずれか又は両方が、他の基本ユニットのアーム連結手段を兼ね、さらに、前記第１の回転連結手段、及び前記第２の回転連結手段のいずれか又は両方が、他の基本ユニットの回転連結手段を兼ねる構造を繰り返すことにより前記基本ユニットが前記展開・安定化ユニットの伸縮手段と垂直方向に複数連結されている。本発明の二次元展開パネルユニットは、このような構成をとることにより、パネルの厚さを無視すれば、ある方向に無限に延長することができる。
（３）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、前記基本ユニット連結機構は、前記第２の回転連結手段を基本ユニット連結機構内の回転連結手段とし、前記基本ユニット連結機構内の前記第２の回転連結手段から伸びる第５の線材（３１）、及び第６の線材（３２）を有し、前記第５の線材（３１）と、前記基本ユニット内の第２の線材とは、同一直線上にあり、前記第６の線材（３２）と、前記基本ユニット内の第４の線材とは、同一直線上にあり、前記第５の線材（３１）は、基本ユニット連結機構内の第５の回転連結手段（３３）を回転軸とするように第７の線材（３４）と回転可能に連結されており、前記第６の線材（３２）は、基本ユニット連結機構内の第６の回転連結手段（３５）を回転軸とするように第８の線材（３６）と回転可能に連結されており、前記基本ユニット連結機構内の第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす面は、略直交し、第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす角と第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす角は同じであり、前記第７の線材（３４）及び第１０の線材（３９）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第７の回転連結手段（３７）を回転軸とするように、第８の線材（３６）と第９の線材（３８）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第９の線材（３８）は、基本ユニット連結機構内の第８の回転連結手段（４０）を回転軸とするように、第１１の線材（４１）と回転可能に連結されており、前記第１０の線材（３９）は、基本ユニット連結機構内の第９の回転連結手段（４２）を回転軸とするように、第１２の線材（４３）と回転可能に連結されており、第９の線材、第１０の線材、第１１の線材、及び第１２の線材は平行四辺形を構成し、前記基本ユニット連結機構内の第１１の線材（４１）及び第１２の線材（４３）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１０の回転連結手段（４４）を回転軸とするように、基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第１３の線材（４５）は、基本ユニット連結機構内の第１１の回転連結手段（４７）を回転軸とするように第１５の線材（４８）と回転可能に連結されており、前記第１４の線材（４６）は、基本ユニット連結機構内の第１２の回転連結手段（４９）を回転軸とするように第１６の線材（５０）と回転可能に連結されており、前記基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす面は、略直交し、第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす角と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす角は同じであり、前記第１６の線材（５０）及び基本ユニット内の第１７の線材（５１）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１３の回転連結手段（５２）を回転軸とするように、第１５の線材（４８）と基本ユニット内の第１８の線材（５３）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第１３の回転連結手段（５２）は、基本ユニット内の回転連結手段をかねている。このような構成をとることで、この基本ユニット連結機構を介して、その両側に延在する基本パネルユニット群からなる二次元展開パネルユニットを得ることができる。すなわち、基本ユニット連結機構の一方の基本ユニット群に加えられた力は、基本ユニット連結機構を伝わり、もう一方の基本ユニット群に加えられるので、ある部分にある力を加えることで、二次元展開パネルユニットを、展開させたり、折り畳んだりすることができる。
（４）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、前記基本ユニット連結機構は、基本ユニットから連続したシザーズ構造体を含む。このような構成をとることにより、本発明の二次元展開パネルユニットは、基本ユニット連結機構を介して、縦、及び横方向に基本ユニットを無限に連結することができることとなる。
（５）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、
前記基本ユニット連結機構は、基本ユニットから連続したシザーズ構造体、及び前記基本ユニット連結機構内のシザーズ構造体と直交するシザーズ構造体を含む
（６）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、パネルの形状が略正方形である。パネルの形状が、正方形であれば、展開時の面積を最大にすることができ、また設計も容易だからである。
（７）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、パネルが、略正方形の枠材と、前記枠材の枠内に設けられた集光手段とを含み、前記集光手段に太陽光により発電できるものである。このような構成を採用する本発明の二次元展開パネルユニットは、宇宙空間において、パネルを展開し、太陽光により発電できる。すなわち、このような構成を採用する本発明の二次元展開パネルは、宇宙構造物として利用される。
（８）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、パネルが、基盤材と、前記基盤材の上下の面にそれぞれ貼付された太陽電池セルとを含み、太陽光により発電することのできるものである。このような構成を採用する本発明の二次元展開パネルユニットは、宇宙空間において、パネルを展開し、太陽光により発電できる。すなわち、このような構成を採用する本発明の二次元展開パネルは、宇宙構造物として利用される。
（９）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、複数のパネルを有し、二次元展開パネルユニットが展開した際に、前記複数のパネル上にそれぞれ描かれた絵が一枚の図柄を構成するものである。このような二次元展開パネルユニットは、収納時には、二次元展開パネルユニット全体に、どのような図柄が書かれているか予想できない。しかしながら、わずかな力を二次元展開パネルユニットに加えることで、勢いよくパネルが展開する。そこで、このような二次元展開パネルを受け取った者は、その図柄の変化に驚き、またどのような図柄が記載されているかワクワクする。このような構成を採用する本発明の二次元展開パネルユニットは、本などの付録や、手紙の代わりなどとして用いることができる。
（１０）本発明の二次元展開パネルユニットの別の実施態様としては、伸縮手段を含まないもの、または展開安定化ユニットのいずれかひとつ以上に伸縮手段を有し、全ての展開安定化ユニットに伸縮手段を含まないものが挙げられる。このような二次元展開パネルユニットでは、展開・及び収縮後における安定性が少なくなるが、展開・及び収縮を行うことができるので、パネルユニットがより簡便なものとなる。
（１１）本発明の二次元展開パネルユニットは、好ましくは、二次元展開パネルユニットに負荷を与えるアクチュエータを具備する。アクチュエータが二次元展開パネルユニットに負荷を与えることにより二次元展開パネルユニットが展開するので、例えば、通信手段により、アクチュエータを作動させれば、利用者と離れた位置にある二次元展開パネルシステムを展開・収納できることとなる。このようは発明は、特に二次元展開パネルユニットが、宇宙空間に置かれた際に、地上からの指令により、二次元展開パネルユニットを展開・収納できることとなる。
（１２）本発明の二次元展開ユニットは、展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニット（６）と、前記展開・安定化ユニットを取り付けられ、前記展開・安定化ユニットをその内部に含むシザーズ構造体（７）とを含む基本ユニット（９）を複数具備する、二次元展開ユニットであって、前記展開・安定化ユニットは、任意手段としての伸縮可能な伸縮手段（１０）と、前記伸縮手段の一端に取り付けられた第１のアーム（１１）、及び第２のアーム（１２）と、前記伸縮手段の残りの端に取り付けられた第３のアーム（１３）、及び第４のアーム（１４）とを含み、前記第１のアームと前記第３のアームとは第１のアーム連結手段（１５）により連結されており、前記第２のアームと、前記第４のアームとは第２のアーム連結手段（１６）により連結されており、前記シザーズ構造体は、形状が変化し得る平行四辺形を構成する第１の線材（２１）、第２の線材（２２）、第３の線材（２３）、及び第４の線材（２４）を含み、前記第１の線材と前記第４の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第２の線材と前記第３の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第１の線材と前記第３の線材とは、各線材を回転可能に連結する第１の回転連結手段（２５）により回転可能に連結され、前記第１の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第１のアーム連結手段に取り付けられ、前記第２の線材と前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第２の回転連結手段（２６）により回転可能に連結され、前記第２の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第２のアーム連結手段に取り付けられ、前記第１の線材と、前記第２の線材とは、各線材を回転可能に連結する第３の回転連結手段（２７）により回転可能に連結され、前記第３の線材と、前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第４の回転連結手段（２８）により回転可能に連結される。この二次元展開ユニットは、先に説明した二次元展開パネルユニットの骨格部分である。以下の説明では特に説明しないが、本発明の二次元展開パネルユニットからパネルを除いたものとして、その構成、作用が理解される。本発明の二次元展開ユニットは、先に説明した二次元展開パネルユニットと同様に、折り畳み時、及び展開時とも安定であり、所定以上の力を加えると、折り畳みと展開を行う。
本発明によれば、一方向に力を加えることにより折り畳むことのできる構造物を提供することができる。
また、本発明によれば、折り畳んだ状態を維持することができ、折り畳んだ状態から、一方向に力を加えることで二次元的に展開でき、展開後は比較的安定な形状となり、展開状態を維持できる構造物を提供することができる。
また、本発明によれば、宇宙空間などにおいて、容易に展開・安定化し、太陽エネルギーなどを用いて発電することのできる宇宙構造物を提供することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図４に、本発明の二次元展開パネルユニットの例を示す。図４に示されるように、本発明の二次元展開パネルユニット５は、展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニット６と、前記展開・安定化ユニットを取り付け、前記展開・安定化ユニットをその内部に含むシザーズ構造体７と、前記展開・安定化ユニットに取り付けられたパネル８を含む基本ユニット９（図の点線内）を複数具備する。
（1）展開・安定化ユニット
図５に、展開・安定化ユニットの概略図を示す。本発明の展開・安定化ユニットは、その一部にパネルが取り付けられ、展開や折り畳みが可能な部位である。図５に示されるように、展開・安定化ユニットは、伸縮可能な伸縮手段１０と、前記伸縮手段の一端に取り付けられた第１のアーム１１、及び第２のアーム１２と、前記伸縮手段の残りの端に取り付けられた第３のアーム１３、及び第４のアーム１４とを含み、第１のアームと第３のアームとは第１のアーム連結手段１５により連結されており、第２のアームと、第４のアームとは第２のアーム連結手段１６により連結されている。以下、本発明の展開・安定化ユニットを説明するために必要な本発明の回転機構について、まず説明する。
伸縮手段は、その両端にアームが連結され、伸縮可能な線材である。伸縮手段を、以下、伸縮線ともいう。伸縮手段は、伸縮可能なものであれば特に限定されることはなく、公知の伸縮可能な線体を用いることができる。このような、伸縮手段としては、ゴム製のひもなどが挙げられる。伸縮手段は、特に本発明の二次元展開パネルが展開後、及び折り畳み後において安定に維持されることに寄与する。したがって、伸縮手段がなくとも、本発明の二次元展開パネルを展開、及び折り畳みできるので、この伸縮手段がないものは本発明の別の実施態様である。なお、伸縮手段は、後述のアームと連結される。連結方法は、アーム（１１）及びアーム（１２）の連結部分に孔が空いており、その孔に伸縮手段が通されているもの、両アームにバネなどの弾性体が溶接されているものなどが挙げられる。
アームは、先に説明した伸縮手段の両端に、二つずつ連結される剛体である。それぞれのアームの形状は、好ましくは、図５に示されるように回転軸を構成する第一の直線部と、当該第一の直線部に連結される胴体部と、当該胴体部の一端に連結され、回転軸を構成し、前記第一の直線部と同じ長さを有する第二の直線部とからなる。複数のアームは、好ましくは、それぞれが同じ形状かつ、同じ素材からなるものである。回転軸は例えば、ベアリング機構などによって、回転可能とされる。
アーム連結手段は、アームを連結するための手段である。アーム連結手段は、例えば、前記アームの端部に連結される直線部からなる部材である。アーム、及びアーム連結手段は、一体として成形されても良いし、例えば溶接などによって一体とされても良い。
（回転機構）
通常、シザーズ機構などに見られる自由度1の回転機構には、図６(ａ)のようなモデルのものが用いられる。すなわち、回転軸１７と棒１８のなす角度をαとしたときに、そのαが90°のモデルである。この回転機構を用いて、図６(ｂ)のように棒(A)（X軸上）を(A')（Z軸上）まで回転させると、棒はXZ平面内を動く。また、この時、回転角度φは90°である。なお、回転軸に対して、この向きの回転を正とする。
しかし、棒(A)を(A')まで回転移動できる軸は無数に存在する。棒(A)を(A')まで回転移動できる軸は、棒(A)と(A')の鏡面内にあり、かつ原点Oを通る。この無数の回転軸を、鏡面内で原点O周りに回る角θで表現する。
これらをふまえ、本発明では、例えば、図７に示される回転機構を用いる。図７は、本発明の回転機構を説明する図である。本発明の回転機構の回転軸は、図７に示されるように立方体（Ｘ軸上の負方向、及びＺ軸上の負方向、Ｙ軸上の正方向に３辺がある立方体）の対角線上にある。このとき、θ≒54.7°、α≒125.3°である。本発明の回転機構により棒１８が、(A)から(A')までの回転する挙動を図８に示す。図7中、１７は回転軸、１８は棒、１９は固定軸を表す。固定軸は位置を変えずに回転する。図８に棒の軌跡を示す。図８から、棒の軌跡は、円錐を描きながらXZ平面内からはみ出すことがわかる。この回転は３回で元の位置に戻るため、φ=120°である。本発明における飛び移り現象を利用した安定化は、この挙動を利用している。
（展開・安定化ユニット）
回転機構をもとに、展開・安定化ユニットについて説明する。図９に、回転機構を利用した展開・安定化ユニットの構成を示す。図９（ａ）は、先に説明した回転機構である。図９（ｂ）は、回転機構を２つ、全体が回転対称になるようにつないだものである。図９（ｂ）は、展開・安定化ユニットのアームを構成する。なお、図９（ｂ）中、中間部の空白は省略記号である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）で示されるものをYZ平面に関して鏡映コピーしてつないだものである。図９（ｄ）は、図９（ｃ）で示されるものをXZ平面に関して鏡映コピーし、新たな線材（アーム連結手段）でつないだものである。この図９（ｄ）で示されるものが展開・安定化ユニット（図５と同図）である。
ここで、図９（ｂ）から図９（ｄ）について補足する。図１０は、図９（ｂ）すなわちアームについて補足説明するための図である。図１０（ａ）に、図９（ｂ）で示されるもの（アーム）の角度構成を示す。図１０(ｂ)は、アームが移動する様子を示す図である。図１０（ｂ）に示されるように、アームを、図１０（ｂ）の(1)から(4)まで円錐を描きながら動かすことが可能である。
図１１は、図９（ｃ）について補足説明するための図である。よって、図９（ｃ）に記載されたものを半分に折り曲げる際、図１１の(1)から(4)のように、はみ出すような挙動をとる。
図１２は、図９（ｄ）の展開・安定化ユニットについて補足説明するための図である。図１２に示されるように展開・安定化ユニットを半分に折り曲げる際、中間部を連結する線が伸びる（これを伸縮線と呼ぶことにする。ただし、θ=0°の時は、伸縮線は伸びない。この伸縮線は、本発明の伸縮手段として機能する。）。逆に、この伸縮線が伸びることから、展開・安定化ユニットを半分に折り曲げるには力が必要であることがわかる。
（展開・安定化ユニットの寸法の決定方法）
図１３に、展開・安定化ユニットの概略図を示す。展開・安定化ユニットの各構成の寸法は容易に求めることができる。すなわち、図１３に示されるパラメータX、Y、Zに数値を入れることにより、展開・安定化ユニットの寸法を求めることができる。図１３中の、展開・安定化ユニット の大きさであるA（縦の長さ）、B（横の長さ）は、これらの値から、A=2X+4Z、B=Y+4Zにより求めることができる。例えば、X=1.00m、Y=0.02m、Z=0.01m、A=2.04m、B=0.06mがあげられる。これを基本として、例えば、これらを１／１０〜１０倍にしてもよく、１／５〜５倍としてもよく、１／２〜２倍としてもよい。
図１４は、展開・安定化ユニットの省略図である。以下、本明細書において、図１４に示される展開・安定化ユニットを用いて説明する。
（パネルをとりつけた展開・安定化ユニット）
図１５に、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの構成を示す。図１５（ａ）は、展開・安定化ユニット６とパネル８の位置関係を示す図であり、図１５（ｂ）は、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの省略図である。図１５のように展開・安定化ユニットの半分の部分にX軸対称に２枚のパネルを取り付ける。このパネルをとりつけた展開・安定化ユニットを半分に折り曲げれば、２枚のパネルは１枚の大きさに重なる。
ここで、本発明において、パネルとしては、公知のパネルを用いることができる。パネルの形状としては、特に限定されるものではなく、正方形、長方形、平行四辺形などの四角形、三角形、六角形、円形など公知の形状を採用することができ、好ましくは四角形であり、より好ましくは正方形、又は長方形である。正方形又は長方形であれば設計が容易だからである。パネルの形状が、正方形や長方形以外の場合であっても、本発明の展開・安定化ユニットのアームにパネルを連結することで、二次元的に展開・安定化可能な二次元展開パネルユニットを得ることができる。
本発明の二次元展開パネルユニットを宇宙空間において用いられる太陽発電システムに用いる場合は、パネルの形状が正方形、又は長方形であることが好ましい。このような形状であれば、展開時に隙間のない二次元展開パネルユニットを得ることができ、発電効率を向上できるからである。
パネルは、略正方形の枠材と、前記枠材の枠内に設けられた集光手段とを含み、前記集光手段に太陽光が照射されることにより発電できるものが好ましい。集光手段としては、太陽発電に用いられる公知の集光手段が挙げられる。また、パネルとして、基盤材と、基盤材の上下の面にそれぞれ貼付された太陽電池セルとを含むものを用いるものは、本発明の別の実施態様である。これらのような構成をとるパネルは、宇宙空間において効率的に太陽エネルギーを集めることができる。
また、二次元展開パネルユニットが、複数のパネルを有し、前記二次元展開パネルユニットが展開した際に、複数のパネル上にそれぞれ描かれた絵が一枚の図柄を構成するものであることは本発明の好ましい別の実施態様である。このような二次元展開パネルユニットであれば、収縮時にはどのような図柄が記載されているか予見できない。しかし、わずかな力を加えることで、パネルユニットが展開し、安定化した際に、パネル全体に描かれた図柄が展開することになる。
以下、(1)展開・安定化ユニット、及び(2)パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの畳み込み・展開挙動を説明する。これらの挙動を解析する手法として、NASTRANによる非線形静解析（弧長増分法）を用いた。
解析にあっては、以下の条件を設定した。すなわち、部材条件として、展開・安定化ユニットとパネルの全ての線に、外径0.0217m（21.7mm）、厚さ0.0020m（2.0mm）の鋼管を用いることとした。材料は、ヤング係数2.1×1011N/m2、ポアソン比0.3とした。ただし、伸縮線１４を構成する材は、ヤング係数1.0×105N/m2、ポアソン比0.3とした。このヤング係数は、あくまで例としての数値である。これらの線材要素は、軸周りに回転する節点以外は、全て剛接合とした。
図１６は、展開・安定化ユニットのシミュレーションにおける荷重Pと拘束条件を示す図である。この負荷と拘束条件とは、パネルを取り付けた場合も同様とした。図１６において、図中の○は、Z方向変位とY軸周りの回転を拘束している部分（ローラー）を表す。これは、畳み込みの経路を図１２のように1つに定めるためである。なお、これ以降の全てのシミュレーションでも、両端の軸周りの回転を拘束して回転機構の相対関係を常に保持する。なお、第一のアーム連結手段１５は完全に拘束した。
初期回転（初期不整）として、全ての回転機構にφ=0.5°を与えた。これは、φが負の方向に回らないようにするためである。実際には、回転ストッパーがあることを想定した。
以下、展開・安定化ユニットの展開挙動を示す。図１７に、展開・安定化ユニットの荷重Pと拘束の概観を改めて示す。図１７に示されるように、展開・安定化ユニットは、Ｘ軸上に設置し、その長軸方向から２Ｐずつの負荷を与えた。
図１８は、展開・安定化ユニットのＺ方向（図１７）の荷重Pと変位の関係を示す図である。図１９は、展開・安定化ユニットのＹ方向（図１７）の荷重Pと変位の関係を示す図である。この荷重・変位曲線上に参照番号が書いてある。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図２０に示す。
（パネルをとりつけた展開・安定化ユニット）
ここでは、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの展開挙動（図２１中のＡで現されるパネルの角の地点）を示す。荷重Pと拘束条件は、展開・安定化ユニットの場合と同様である。図２１に、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重Pと拘束の概観を示す。なお、展開・安定化ユニットの荷重を加えたと反対側を拘束した。
図２２に、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重PとZ方向変位の関係を示す。図２３に、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重Pとパネルの角A（図２１）のY方向変位との関係を示す。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図２４に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
（マスト）
以下に展開・安定化ユニットを用いたマストを説明する。このマストは、パネルの二次元展開に応用されるものである。
（直線マスト（1 展開・安定化ユニット））
図２５に直線マストの構成を示す。直線マストは、展開・安定化ユニットの両端を回転軸にしてシザーズ機構を構成したものである。なお、シザーズ機構（シザーズ構造体）とは、４本の線材と、各線材を回転可能に連結する回転軸などの回転連結手段により連結される構造体などを意味するものであり。シザーズ機構は、はさみに見られる機構であり、バタフライ機構などとも呼ばれることもあるものである。このシザーズ機構を取り付けるのは、二次元展開や拡張のためである。逆に、シザーズ機構に展開・安定化ユニットを取り付けたともみなせる。この場合、シザーズ機構は自由に開閉せず、構造の仕組み自体で安定化されているといえる。なぜなら、展開・安定化ユニットを折り曲げるために力が必要だからである。図２５に示されるように、例えば、シザーズ機構は、展開・安定化ユニットのアーム連結手段を回転軸（回転連結手段）とした、はさみのような構造をとる。
（シザーズ構造体）
図２５に示されるように、シザーズ構造体は、形状が変化し得る平行四辺形を構成する第１、第２、第３、及び第４の線材（２１〜２４）を含み、前記第１の線材と前記第４の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第２の線材と前記第３の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、前記第１の線材と前記第３の線材とは、各線材を回転可能に連結する第１の回転連結手段（２５）により回転可能に連結され、前記第１の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第１のアーム連結手段に取り付けられ、前記第２の線材と前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第２の回転連結手段（２６）により回転可能に連結され、前記第２の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第２のアーム連結手段に取り付けられ、前記第１の線材と、前記第２の線材とは、各線材を回転可能に連結する第３の回転連結手段（２７）により回転可能に連結され、前記第３の線材と、前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第４の回転連結手段（２８）により回転可能に連結される。
線材は、ある程度の強度をもつ線状の部材である。このような線材の形状としては、シザーズ（はさみ状のもの）を構成しうるものであれば特に限定されるものでなく、中空管上、円柱状、四角柱状、六角柱状など略直線状をとりうる様々な形状を採用できる。線材の材質としては、ある程度の剛性を持つものであれば、特に限定されるものではなく、その用途に応じて適宜ふさわしい材質のものを選ぶことができる。線材の材質として、木、鋼、アルミニウム、鉄、ニッケル、金、銀、銅、亜鉛、トタン、ブリキ、セラミックス、炭素繊維、これらの複合物などがあげられる。
回転連結手段は、２つの交差する線材を、回転可能に保持する手段である。回転連結手段としては、線材の連結部分に設けられたピボットなどが挙げられる。例えば、２つの線材が交差する部分に孔をあけ、その孔を貫通する芯材と、その芯材から線材が抜けることを防止するために、２つの線材を挟むように設けられた２つの頭部とを含むものが挙げられる。なお、後述の図７６のように、回転連結手段は、シザーズ構造体の回転軸とは別に設けられ、展開・安定化ユニット（F.S.Unit）の回転軸を一定方向に移動させるものであっても良い。また、展開・安定化ユニットのアーム連結手段が回転連結手段を兼ねていても良い。この場合、アーム連結手段は、例えば、ピボットのように機能するものが挙げられる。
（２つの展開・安定化ユニットを含む直線マスト（2 展開・安定化ユニット））
先に説明した、直線マスト（1 展開・安定化ユニット）をもとに、これを長く拡張していくことを考える。図２６に、２個の展開・安定化ユニットを用いた直線マストを示す。
２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの考え方を説明する。まず、展開・安定化ユニットを2つ用意する。次に、これらの辺を共有して回転軸を1つにする。あとは直線マスト（1 展開・安定化ユニット）と同じである。同様に繰り返せば、さらに長く拡張することができる。図２６（ｂ）は、図２６（ａ）の○で表される軸を回転軸として、３つのシザーズ機構（２つの平行四辺形からなるシザーズ構造体）を構成した、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストを示す図である。
（展開挙動）
以下、（1）直線マスト（1 展開・安定化ユニット）、（2）直線マスト（2 展開・安定化ユニット）、（3）直線マスト（4 展開・安定化ユニット）の展開挙動を示す。（3）直線マスト（4 展開・安定化ユニット）は、（２）の直線マストを２つつなげて延長することにより得ることができる。
（解析条件の追加）
ここで新たに導入されるシザーズ機構の部材（線材）には、解析例として、外径0.0427m（42.7mm）、厚さ0.0028m（2.8mm）の鋼管を用いた。材料は、ヤング係数2.1×1011N/m2、ポアソン比0.3である。その他は、すべて先に説明したものと同じとした。また、シザーズ機構の寸法は図２７に示すとおりとした。すなわち、展開・安定化ユニット部分を２．０４mとし、シザーズ機構を構成する部材の長さを２．１０mとし、シザーズ機構の幅を０．５mとした。
まず、直線マスト（1 展開・安定化ユニット）（Straight Mast（1 展開・安定化ユニット））の展開挙動を示す。図２８に、解析における荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○は、ローラーで、回転軸の端に取り付けてある。すなわち、ローラーは、Ｚ軸方向の変位と、Ｙ軸方向の回転を拘束する。Ｐは加重を表す。これ以降も同様である。
図２９に、直線マスト（1 展開・安定化ユニット）の荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部（伸縮手段）の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図３０に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
次に、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マスト（2 展開・安定化ユニット）（Straight Mast（2 展開・安定化ユニット））の展開挙動を示す。図３１に、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの荷重Ｐと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図３２に、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの荷重Pと変位の関係を示す。図３２中の変位は、各展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図３３に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
次に、4つの展開・安定化ユニットからなる直線マスト（4 展開・安定化ユニット）の展開挙動を示す。図３４に、４つの展開・安定化ユニットからなる直線マストの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図３５に、４つの展開・安定化ユニットからなる直線マストの荷重Pと変位の関係を示す。図３５の変位は、展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図３６に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
（二次元展開パネルユニットI）
以下に、マストにパネルを取り付け、面積を２方向に２分の1ずつ折り畳む、すなわち、一方向の力で面積を４分の１にすることができる基本ユニット（二次元展開パネルユニットI（2D-Panel UnitI））を説明する。
図３７に、二次元展開パネルユニットIの構成を示す。パネルの取り付け方は、先に説明したパネルを取り付けた展開・安定化ユニットと同様である。また、２つの展開・安定化ユニットのつなぎ方はマストと同じである。このマストを畳み込めば、４枚のパネルは1枚の大きさに重なり、面積が４分の１になる。図３７（ａ）は、展開・安定化ユニットへのパネルの取り付け方を説明するための図である。なお、パネルは一辺の長さが展開・安定化ユニットの長さと同一程度とする正方形である。図３７（ｂ）は、図３７（ａ）の○で示されるアーム連結手段を回転軸（回転手段）としてシザーズ構造体を構成した図である。この展開挙動を解析により示す。
以下に、二次元展開パネルユニットIの展開挙動を示す。図３８に、二次元展開パネルユニットIの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図３９に、二次元展開パネルユニットIの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図４０に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
二次元展開パネルユニットIは、そのシザーズ方向（X方向）に拡張できる。ここでは、X方向に並進コピーして2倍に拡張したものの展開挙動を示す。各ユニットのつなぎ方は、マストのときと同様である。図４１に、２つの二次元展開パネルユニットIが合わさったユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図４２に、２つの二次元展開パネルユニットIが合わさったユニットの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部４５の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図４３に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
図４０から、展開時に4つだったパネルが1つの大きさになり、図４３からは、展開時に8つだったパネルが1つの大きさになることが確認された。一般に、展開時にX軸方向にパネルがｎ個並んでいるとすれば、畳み込んだ時の面積は１／２ｎになる。理論的には無限に拡張することができる。また、展開時に飛び移り現象が生じるマストにより、バラバラのパネルが一体で同様の挙動を示すことも確認できた。
（二次元展開パネルユニットII）
以下、２方向への拡張が可能である二次元展開パネルユニットIIを説明する。図４４に、二次元展開パネルユニットIIの構成を示す。二次元展開パネルユニットIIは、以下のように考えることができる。まず、二次元展開パネルユニットIを２つ用意し、一方をシザーズの方向を軸に180度回転して裏返す。そして、それらを並べて新たなシザーズ機構で結ぶ。このようにすれば、二次元展開パネルユニットIIを得ることができる。二次元展開パネルユニットIIでは、隣り合うユニットのパネルが展開時にぶつからない。二次元展開パネルユニットIIでは２方向の拡張が可能である。このような二次元展開パネルユニットの拡張には、基本ユニット連結機構を用いる。
上記のような拡張をするための基本ユニット連結機構としては、図４４、図４５（ａ）に示されるように、前記第２の回転連結手段を基本ユニット連結機構内の回転連結手段とし、前記基本ユニット連結機構内の前記第２の回転連結手段から伸びる第５の線材（３１）、及び第６の線材（３２）を有し、前記第５の線材（３１）と、前記基本ユニット内の第２の線材とは、同一直線上にあり、前記第６の線材（３２）と、前記基本ユニット内の第４の線材とは、同一直線上にあり、前記第５の線材（３１）は、基本ユニット連結機構内の第５の回転連結手段（３３）を回転軸とするように第７の線材（３４）と回転可能に連結されており、前記第６の線材（３２）は、基本ユニット連結機構内の第６の回転連結手段（３５）を回転軸とするように第８の線材（３６）と回転可能に連結されており、
前記基本ユニット連結機構内の第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす面は、略直交し、第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす角と第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす角は同じであり、前記第７の線材（３４）及び第１０の線材（３９）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第７の回転連結手段（３７）を回転軸とするように、第８の線材（３６）と第９の線材（３８）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第９の線材（３８）は、基本ユニット連結機構内の第８の回転連結手段（４０）を回転軸とするように、第１１の線材（４１）と回転可能に連結されており、前記第１０の線材（３９）は、基本ユニット連結機構内の第９の回転連結手段（４２）を回転軸とするように、第１２の線材（４３）と回転可能に連結されており、第９の線材、第１０の線材、第１１の線材、及び第１２の線材は平行四辺形を構成し、前記基本ユニット連結機構内の第１１の線材（４１）及び第１２の線材（４３）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１０の回転連結手段（４４）を回転軸とするように、基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第１３の線材（４５）は、基本ユニット連結機構内の第１１の回転連結手段（４７）を回転軸とするように第１５の線材（４８）と回転可能に連結されており、前記第１４の線材（４６）は、基本ユニット連結機構内の第１２の回転連結手段（４９）を回転軸とするように第１６の線材（５０）と回転可能に連結されており、前記基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす面は、略直交し、第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす角と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす角は同じであり、前記第１６の線材（５０）及び基本ユニット内の第１７の線材（５１）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１３の回転連結手段（５２）を回転軸とするように、第１５の線材（４８）と基本ユニット内の第１８の線材（５３）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、前記第１３の回転連結手段（５２）は、基本ユニット内の回転連結手段をかねているものが挙げられる。すなわち、シザーズ構造体を、横方向に延長させる機構を利用して、二次元展開パネルユニットの拡張を図ることができる。
ここで、二次元展開パネルユニットII（2D-Panel UnitII）の展開挙動を示す。図４５に、二次元展開パネルユニットIIの荷重Pと主な拘束条件を示す。図４５（ａ）は、二次元展開パネルユニットの連結の様子を現す図であり、図４５（ｂ）は、荷重Pと主な拘束条件を示す図である。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図４６に、二次元展開パネルユニットIIの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部４５の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図４７、図４８、図４９、図５０に示す。図４７は、二次元展開パネルユニットIIの展開挙動図であり、図４８は、二次元展開パネルユニットIIのＸ軸方向の展開挙動図であり、図４９は、二次元展開パネルユニットIIのＹ軸方向の展開挙動図であり、図５０は、二次元展開パネルユニットIIのＺ軸方向の展開挙動図である。図４６中、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
二次元展開パネルユニットIIを拡張するに際、基本的に次の３パターンが考えられる。すなわち、（１）拡張その１： X軸の負の方向への並進コピー、（２）拡張その２： X軸の正の方向への鏡映コピー（Y軸方向のシザーズ機構が軸）、（３）拡張その３： Y軸方向への並進コピーである。以下、これら3つのパターンの畳み込み・展開挙動を示す。
（（1）二次元展開パネルユニットII―拡張その1）
二次元展開パネルユニットII―拡張その1（X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニット）の展開挙動を示す。図５１に、X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図５２に、X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部４５の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図５３に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
（（2）二次元展開パネルユニットII―拡張その2）
ここでは、二次元展開パネルユニットII―拡張その2（X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニット）の展開挙動を示す。図５４に、X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。このような二次元展開パネルユニットの拡張には、基本ユニット連結機構を用いる。
上記のような拡張をするための基本ユニット連結機構としては、図５４に示されるように、基本ユニットから連続したシザーズ構造体、及び前記基本ユニット連結機構内のシザーズ構造体と直交するシザーズ構造体を含むものが挙げられる。すなわち、その内部に展開・安定化ユニットを含まないシザーズを用いて、展開・安定化ユニットを連結することにより、二次元展開パネルユニットを拡張できる。
図５５に、X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図５６に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
（（3）二次元展開パネルユニットII―拡張その3）
ここでは、二次元展開パネルユニットII―拡張その3（Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニット）の展開挙動を示す。図５７に、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す。ただし、図中の○はローラーで、回転軸の端に取り付けてある。
図５８に、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図５９、図６０、図６１、図６２に示す。図５９は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの展開挙動図であり、図６０は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＸ軸方向の展開挙動図であり、図６１は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＹ軸方向の展開挙動図であり、図６２は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＺ軸方向の展開挙動図である。図５８中、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
図６３に、先に説明した二次元展開パネルユニットIIの拡張3パターンを全て組み合わせたユニットを示す。これを畳み込めば、図５６に示されるように4つのパネルの大きさになる。このユニットの拡張パターンを全て利用すれば、理想的には展開時に無限大の面積をパネルで覆い尽くすことができる。それは、畳み込めば4つのパネルの大きさになると考えられる。また、展開時に飛び移り現象が生じるマストにより、バラバラのパネルが一体で同様の挙動を示す。なお、展開時に平行移動しないパネルが互いにぶつからない。以上から、本発明によれば、平面に敷き詰められた無数の正方形パネルを、一方向に押すだけで全て重ねることができることがわかる。
（展開・安定化ユニットの変形例）
以下、展開・安定化ユニットの変形例について説明する。展開・安定化ユニットを、パネルの二次元展開を考慮せず、マストのみに適用する場合、θ≠0°、180°であればよい。そこで、このθを変化させることにより、伸長材の伸び具合を調節することができる。同時に、その伸長材のヤング係数も変えれば、展開時の荷重Pの大きさも変わる。つまり、θと伸縮線のヤング係数を主なパラメータとして、展開時の荷重Pを決めることができる。したがって、展開・安定化ユニットとして、様々な形状のものを用いることができる。
ここでは、先に説明したθ≒54.7°の展開・安定化ユニットではなく、θ≒34.7°の展開・安定化ユニットを例（変形展開・安定化ユニット）として示す。その他の条件は、先に説明したと同様である。図６４に変形展開・安定化ユニットの荷重ＰとＺ方向の変位を示す。図６５に、変形展開・安定化ユニットの荷重Pと変位の関係を示す。これらの変位は、それぞれ中間部のZ方向変位とY方向変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図６６に示す。
以下に、展開・安定化ユニットが、曲線のシザーズ機構にも適用できることを説明する。ここでは、展開・安定化ユニット（θ=54.7°）を1つだけ用いた円弧マストを例として示す。図６７に、曲線のシザーズ機構のモデル例と荷重Pを示す。
図６８に、曲線のシザーズ機構のモデル例の荷重Pと変位の関係を示す。この変位は、展開・安定化ユニットの中間部の鉛直変位である。この荷重・変位曲線上に１〜１０まで参照番号が書いてある。各番号において、どのような形状になっているかを展開挙動図である図６９に示す。なお、１〜２が畳み込みに必要な力で、２〜１０までは飛び移り自動畳み込みされる。また、１０〜８は展開に必要な力であり、８〜１まで同様の飛び移り自動展開ができると考えられる。
図７０に、円弧シザーズの形状を求めるための概略図を示す。図７０（ａ）は、円弧シザーズの概略図を示す。図７０（ｂ）は、円弧シザーズの角度を示す図である。円弧シザーズの形状は、図７０（ｂ）に示されるように決定すればよい。すなわち、展開・安定化ユニット間の角度βを決める。次にγを決めて、シザーズのプロポーションを決定する。そして、図の寸法C、Dは、展開・安定化ユニットの半分の長さLより求めることができる。すなわち、Ｃ＝Ｌ×ｔａｎ（β＋γ）、Ｄ＝Ｌ×ｔａｎ（γ）である。
図７１に、この３つの展開・安定化ユニットを用いた円弧シザーズにパネルを取り付けたものを示す。このものも、畳み込むことができる。
（パネルの厚みの考慮法）
以下に、特にパネルが厚い場合の取り扱いを説明する。図７２は、Ｘ方向にｎ枚のパネルが並ぶユニットを表す図である。
畳み込んだ形状がより小さいことを最優先させれば、n枚のパネルは図７３のように重なることが望ましい。パネルの厚みをtとすれば、このときのトータルの厚みはn×tである。図７４は、ｎ枚のパネルを展開・安定化ユニットに取り付ける様子を示す図である。すなわち、展開・安定化ユニットにパネルを取り付ける際に、ｔずつずらした位置にパネルを取り付けることで、折り畳んだ時に図７３のようにまとめることができる。ここで、このように畳み込むには、展開時に図７４のように取り付けられていなければならない。
また、畳み込んだ状態の厚みn×tを考慮するには、シザーズ (Y)を図７５に示すようにする。すなわち、ジョイントに十分な長さをもたせて、厚さn×tのパネルをはさむことができる様にする。
（展開・安定化ユニットの拘束方法）
図７６に直線マストの場合の展開・安定化ユニットの拘束方法の例（シザーズ構造体の連結部分）を、図７７に円弧マストの展開・安定化ユニットの拘束方法の例（シザーズ構造体の連結部分）を示す。本質的には、展開・安定化ユニットの両端の回転機構が、展開中もその相対関係を保持すればよい。この例は、軸方向のみに伸縮する機構をもつ部材に展開・安定化ユニットの端を固定する方法である。軸方向のみに伸縮する機構とは、例えば、パイプのなかにパイプが入っていて伸び縮みするような1自由度の機構のことである。また、この伸縮部材の両端は、Y軸回りに回転できるようにしておく。するとこの部材は、展開中に図７６のように伸びるが、シザーズの軸方向（X軸）とは常に直角が保たれる。それゆえ、展開・安定化ユニットの両端の回転機構は、展開中もその相対関係が保持される。
以下では、剛体運動を仮定して、展開挙動を定式化する。図７８（ａ）に、参照する原点Oと節点A（ｐ，０，０）、B（ｐ，ｐ，０）、C（０、ｐ、０）を図示する。この4つの節点の展開中の座標がわかれば、対称性を考慮して、全ての点の挙動を把握することができる。ただし、図７８（ｂ）に、パネルとシザーズの節点Ｄを示す。図７８（ｂ）において、回転軸の大きさは微小として無視した。
パネルの3節点A、B、Cの挙動を定式化するにあたり、式（１）で表されるオイラーの回転公式[日本ロボット学会監修・杉本浩一著：ロボットマニピュレータの運動学，培風館，1997など]を用いた。
Figure 2005059735
ここに、式（１）中、ｅは、回転軸方向の単位ベクトル、Ｖは、回転前のベクトル、Ｖ’は回転後のベクトル、φは、回転角を表す。図７８（ａ）において、回転軸ｅ＝（１，−１，１）周りに、任意の位置ベクトルＶ＝（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を回転させたとき、その回転後の位置ベクトルＶ’はφの関数として次の式（２）のように表される。
Figure 2005059735
ここで、節点A、B、Cについて、回転後の位置を具体的に示せば、(3)〜(5)式のようになる。
Figure 2005059735
図７９は、Ｙ方向から見た図７８のシザーズ構造を示す図である。節点Dの回転後の点については、図７９に示すように、シザーズ部材の半分の長さSを不変量として、式(6)、及び式(7)のように表される。
Figure 2005059735
ｐ＝１としたときの(3)〜(5)式のグラフを、成分別に、図８０、図８１、図８２に示す。すなわち、図８０は、ｐ＝１としたときのＡ’の値と、φとの関係を表す図である。図８１は、ｐ＝１としたときのＢ’の値と、φとの関係を表す図である。図８２は、ｐ＝１としたときのＣ’の値と、φとの関係を表す図である。これらは、回転による節点A、B、Cの座標の変化を表している。横軸は回転角度φで、図７８の挙動の場合はφ=0〜120°である。なお、適宜、最大値について触れてある。
図８０から、Ａｙ’の最大値を与えるφは、６０度であり、このときＡｙ’は、１／３の値となる。図８１からＢｙ’の最大値を与えるφは、３０度であり、このときＢｙ’は、２／（√３）すなわち、およそ１．１５４７の値となる。Ｂｚ’の最大値を与えるφは、９０度であり、このときＢｚ’は、２／（√３）すなわち、およそ１．１５４７の値となる。図８２からＣｚ’の最大値を与えるφは、６０度であり、このときＣｚ’は、１／３の値となる。
図８３は、パネル1が、畳み込み時に、シザーズ(1)とシザーズ(2)の間に収まることを幾何学的に検証するための図である。図８３に示すパネル1が、畳み込み時に、シザーズ(1)とシザーズ(2)の間に必ず収まっていることを幾何学的に検証する。また、このことがいえれば、パネル1とパネル2は、シザーズ(2)をまたいでぶつかることはないことがわかる。図８４は、図８３のパネル１の回転挙動を説明するための図である。検証にあたっては、上記の定式化をふまえ、図８３のパネル1を図８４に示されるように一辺がｐの正方形とした。
上記の定式化に従えば、展開による点AのX方向変位はＡ’ｘ、点BのY方向変位はＢ’ｙである。ここで、シザーズ(1)とシザーズ(2)の間隔をＳ’ｙとし、Ｓ’ｙとＢ’ｙの差を調べる。
ところが、Ｓ’ｙとＡ’ｘとの間には式（９）で表される関係がある。
Figure 2005059735
従って、Ｓ’ｙとＢ’ｙの差が式（１０）により表される。
Figure 2005059735
図８５は、式（１０）の値とφとの関係を表すグラフである。式(10)は、図８５に示すように、φが０以上１２０度未満のときに正、φが１０度のときに0になる。つまり、点Aは、完全に畳み込まれるまでは、必ずシザーズ(1)と(2)の間に存在するといえる。最もY方向変位の大きい点Aについてこのことがいえれば、パネル全体についても当てはまる。
（二次元展開パネルシステム）
以下、本発明の二次元展開パネルシステムを説明する。この二次元展開パネルシステムは、二次元展開パネルユニットに負荷を与えるアクチュエータを具備し、アクチュエータが二次元展開パネルユニットに負荷を与えることにより二次元展開パネルユニットが展開する。
この二次元展開パネルシステムが、宇宙空間において太陽エネルギーを集める、宇宙構造体として用いられる場合などには、例えば所定のプログラムを記憶した記憶装置と、そのプログラムをメモリにロードしてＣＰＵで実行する処理装置と、地上との通信を行なうための通信システム、通信アンテナとを含む。そして、地上の通信指令部は、アクチュエータを遠隔操作することにより、宇宙空間にある二次元展開パネルシステムを展開し、又は収納することができる。
宇宙空間にある二次元展開パネルシステムを動作させるには、例えば以下のようにすればよい。すなわち、まず、地上の通信指令部は、遠隔操作システムの入力手段に二次元展開パネルを展開せよとの指令を入力する。または、所定の信号により半自動的に展開指令が発生するようにしても良い。この展開指令は、地上の通信システムにより、パルス変調される。パレス変調された展開指令は、地上の通信アンテナより、伝搬波に乗せられ、宇宙空間に送信される。宇宙空間に送信された伝搬波は、宇宙空間にある二次元展開パネルシステムの通信アンテナにより受信される。宇宙空間にある二次元展開パネルシステムの通信アンテナにより受信された伝搬波に乗ったパルス変調された展開指令は、変換回路により復調される。変換回路により復調された展開指令は、処理装置に送られる。処理装置では、記憶装置から二次元展開パネルシステムを展開するプログラムを読み出し、メモリにロードする。アクチュエータは、このロードされたプログラムにしたがって、二次元展開パネルに負荷を与える。アクチュエータにより負荷を与えられた二次元展開パネルは、宇宙空間で展開し、展開した状態で安定化する。
展開した二次元展開パネルをしまう場合も同様である。すなわち、地上からの指令に基づき、二次元展開パネルをしまうためのプログラムがロードされる。そして、先のアクチュエータと同一、または別のアクチュエータが、展開した二次元展開パネルの少なくとも一部に負荷を与える。これによりパネルが折り畳まれ、小さな状態に戻る。
本発明の二次元展開パネルユニットは、一方向への力を加えることにより展開し、展開後は安定化する。また、展開後は、一方向へ力を加えることにより収納できる。したがって、持ち運び可能なパネルとして利用できる。
また、本発明の二次元展開パネルユニットは、宇宙空間において太陽光により発電する宇宙構造物として用いることができる。
また、本発明の二次元展開パネルユニットは、折り畳まれたときにはパネル全体に書かれている事柄がわからず、展開して初めてパネルに記載されていることがわかるので、本の付録や、地図、手紙の代わりなどとして用いることができる。
本発明の二次元展開パネルシステムは、地上からの信号により展開・折り畳み可能な宇宙構造物などとして利用できる。
本発明の、二次元展開ユニットは、上記のような二元展開パネルの骨組みなどとして利用することが可能である。
図１は、ダブルアコーディオン折の概念を示す図である。図1（a）は、通常の折の展開図である。図1（b）は、短冊の厚みが増した場合のダブルアコーディオン折展開図である。図1（c）は、「三浦折り」の展開図である。図1（d）は、平行四辺形を組合せた折り目からなる折り方の展開図である。図1（e）は、ダブルアコーディオン折の一例である。 図２は、ダブルアコーディオン折りの折順を説明するための図である。図２（ａ）は、収納時、図２（ｂ）は展開途中、図２（ｃ）は展開時の構造物を表し、図２（ｄ）は、展開時の１モジュール部分を表す。 図３は、コイラブル・ロンジロン・マストを示す図である。図３（ａ）は、展開時、図３（ｂ）は、収納時、図３（ｃ）は、展開途中のものを示す。 図４は、本発明の二次元展開パネルユニットの例を示す概略図である。 図５は、展開・安定化ユニットの概略図である。 図６は、回転機構を説明するための図である。図６(ａ)は、回転機構のモデルを表し、図６（ｂ）は、回転の様子を表す。 図７は、本発明の回転機構を説明する図である。 図８は、本発明の回転機構により棒が、(A)から(A')までの回転する挙動を示す図である。 図９は、回転機構から展開・安定化ユニットの構成を示す図である。図９（ａ）は、回転機構を示す。図９（ｂ）は、回転機構を２つ全体が回転対称になるようにつないだものを示す。図９（ｃ）は、図９（ｂ）で示されるものをYZ平面に関して鏡映コピーしてつないだものを示す。図９（ｄ）は、図９（ｃ）で示されるものをXZ平面に関して鏡映コピーし、新たな線でつないだ展開・安定化ユニットを示す。 図１０は、図９（ｂ）について補足説明するための図である。図１０（ａ）に、図９（ｂ）で示されるものの角度構成を示す。図１０(ｂ)は、図９（ｂ）が移動する様子を示す図である。 図１１は、図９（ｃ）について補足説明するための図である。 図１２は、図９（ｄ）の展開・安定化ユニットについて補足説明するための図である。 図１３は、展開・安定化ユニットの概略図である。 図１４は、展開・安定化ユニットの省略図である。 図１５は、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの構成を示す概略図である。図１５（ａ）は、展開・安定化ユニット１５とパネル１６の位置関係を示す図であり、図１５（ｂ）は、パネル１６をとりつけた展開・安定化ユニットの省略図である。 図１６は、展開・安定化ユニットのシミュレーションにおける荷重Pと拘束条件を示す図である。 図１７は、展開・安定化ユニットの荷重Pと拘束の概観を示す図である。 図１８は、展開・安定化ユニットのＺ方向（図１７）の荷重Pと変位の関係を示す図である。 図１９は、展開・安定化ユニットのＹ方向（図１７）の荷重Pと変位の関係を示す図である。 図２０は、図１７の展開・安定化ユニットの展開挙動図である。 図２１は、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重Pと拘束の概観を示す図である。 図２２は、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重PとZ方向変位の関係を示す図である。 図２３は、パネルをとりつけた展開・安定化ユニットの荷重Pとパネルの角A（図２１）のY方向変位との関係を示す図である。 図２４は、図２１のパネルをとりつけた展開・安定化ユニットの展開挙動図である。 図２５は、直線マストの構成を示す概略図である。図２５（a）はシザーズ構造体を支える展開・安定化ユニットを表す。図２５（b）は、直線マストを構成するシザーズ構造体（シザーズ機構）の構成を表す図である。この例では、図２５（a）中の○で示したアーム連結手段が、シザーズ構造体の回転連結手段として機能している。 図２６は、２個の展開・安定化ユニットを用いた直線マストを示す概略図である。図２６（a）は、２個の連結された展開・安定化ユニットを表す。図２６（b）は、図２６（a）の展開・安定化ユニットに取り付けられたシザーズ構造体を表す図である。 図２７は、解析におけるシザーズ機構の寸法を示す図である。 図２８は、解析における荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図２９は、直線マスト（1 展開・安定化ユニット）の荷重Pと変位の関係を示す図である。 図３０は、直線マストの展開挙動図である。 図３１は、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの荷重Ｐと主な拘束条件を示す図である。 図３２は、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図３３は、２つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの展開挙動図である。 図３４は、４つの展開・安定化ユニットからなる直線マストの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図３５は、４つの展開・安定化ユニットからなる直線マストの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図３６は、４つの展開・安定化ユニットを含む直線マストの展開挙動図である。 図３７は、二次元展開パネルユニットIの構成を示す概略図である。図３７（ａ）は、展開・安定化ユニットへのパネルの取り付け方を説明するための図である。図３７（ｂ）は、図３７（ａ）の○で示されるアーム連結手段を回転軸（回転手段）としてシザーズ構造体を構成した図である。 図３８は、二次元展開パネルユニットIの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図３９は、二次元展開パネルユニットIの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図４０は、二次元展開パネルユニットIの展開挙動図である。 図４１は、２つの二次元展開パネルユニットIが合わさったユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図４２は、２つの二次元展開パネルユニットIが合わさったユニットの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図４３は、２つの二次元展開パネルユニットIが合わさったユニットの展開挙動図である。 図４４は、二次元展開パネルユニットIIの構成を示す図である。 図４５は、二次元展開パネルユニットIIの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。図４５（a）は、二次元展開パネルユニットIIの概略図を表し、図４５（b）は荷重Pと主な拘束条件を示す。 図４６は、二次元展開パネルユニットIIの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図４７は、二次元展開パネルユニットIIの展開挙動図である。 図４８は、二次元展開パネルユニットIIのＸ軸方向の展開挙動図である。 図４９は、二次元展開パネルユニットIIのＹ軸方向の展開挙動図である。 図５０は、二次元展開パネルユニットIIのＺ軸方向の展開挙動図である。 図５１は、X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図５２は、X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図５３は、X軸の負の方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの展開挙動図である。 図５４は、X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図５５は、X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図５６は、X軸の正の方向へ鏡映コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの展開挙動図である。 図５７は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと主な拘束条件を示す図である。 図５８は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図５９は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットの展開挙動図である。 図６０は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＸ軸方向の展開挙動図である。 図６１は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＹ軸方向の展開挙動図である。 図６２は、Ｙ軸方向へ並進コピーした二次元展開パネルユニットIIからなるユニットのＺ軸方向の展開挙動図である。 図６３は、先に説明した二次元展開パネルユニットIIの拡張3パターンを全て組み合わせたユニットを示す図である。 図６４は、変形展開・安定化ユニットの荷重ＰとＺ方向の変位を示す図である。 図６５は、変形展開・安定化ユニットの荷重Pと変位の関係を示す図である。 図６６は、変形展開・安定化ユニットの展開挙動図である。 図６７は、曲線のシザーズ機構のモデル例と荷重Pを示す図である。 図６８は、曲線のシザーズ機構のモデル例の荷重Pと変位の関係を示す図である。 図６９は、曲線のシザーズ機構のモデル例の展開挙動図である。 図７０に、円弧シザーズの形状を求めるための概略図を示す。図７０（ａ）は、円弧シザーズの概略図を示す。図７０（ｂ）は、円弧シザーズの角度を示す図である。 図７１は、この３つの展開・安定化ユニットを用いた円弧シザーズにパネルを取り付けたものを示す図である。 図７２は、Ｘ方向にｎ枚のパネルが並ぶユニットを表す図である。 図７３は、ｎ枚のパネルが重なったユニットを表す図である。 図７４は、ｎ枚のパネルを展開・安定化ユニットに取り付ける様子を示す図である。 図７５は、パネルの厚みを考慮したシザーズ構造体の例を表す図である。図７５（a）は、シザーズ構造体の概略を示す図であり、図７５（b）は、パネルが合わさった様子を示す図である。 図７６は、直線マストの展開・安定化ユニットの拘束方法の例を示す図である。 図７７は、円弧マストの展開・安定化ユニットの拘束方法の例を示す図である。 図７８は、剛体運動を仮定して展開挙動を定式化するための図である。図７７（ａ）は、参照する原点Oと節点A（ｐ，０，０）、B（ｐ，ｐ，０）、C（０、ｐ、０）を示す図である。図７７（ｂ）は、パネルとシザーズの節点Ｄを示す図である。 図７９は、Ｙ方向から見た図７８のシザーズ構造を示す図である。 図８０は、ｐ＝１としたときのＡ’の値と、φとの関係を表す図である。図８０（a）はＡ’ｘの値、図８０（b）はＡ’ｙの値、図８０（c）はＡ’ｚの値を表す。 図８１は、ｐ＝１としたときのＢ’の値と、φとの関係を表す図である。図８１（a）はＢ’ｘの値、図８１（b）はＢ’ｙの値、図８１（c）はＢ’ｚの値を表す。 図８２は、ｐ＝１としたときのＣ’の値と、φとの関係を表す図である。図８２（a）はＣ’ｘの値、図８２（b）はＣ’ｙの値、図８２（c）はＣ’ｚの値を表す。 図８３は、パネルが、畳み込み時に、シザーズ(1)とシザーズ(2)の間に収まることを幾何学的に検証するための図である。 図８４は、図８３のパネル１の回転挙動を説明するための図である。 図８５は、式（１０）の値とφとの関係を表すグラフである。
符号の説明
１ センタケーブル
２ ダイヤゴナルワイヤ
３ スペーサ
４ ロンジロン
５ 二次元展開パネルユニット
６ 展開・安定化ユニット
７ シザーズ構造体
８ パネル
９ 基本ユニット
１０ 伸縮手段
１１ 第１のアーム
１２ 第２のアーム
１３ 第３のアーム
１４ 第４のアーム
１５ 第１のアーム連結手段
１６ 第２のアーム連結手段
１７ 回転軸
１８ 棒
１９ 固定軸
２１ 第１の線材
２２ 第２の線材
２３ 第３の線材
２４ 第４の線材
２５ 第１の回転連結手段
２６ 第２の回転連結手段
２７ 第３の回転連結手段
２８ 第４の回転連結手段
３１ 第５の線材
３２ 第６の線材
３３ 第５の回転連結手段
３４ 第７の線材
３５ 第６の回転連結手段
３６ 第８の線材
３７ 第７の回転連結手段
３８ 第９の線材
３９ 第１０の線材
４０ 第８の回転連結手段
４１ 第１１の線材
４２ 第９の回転連結手段
４３ 第１２の線材
４４ 第１０の回転連結手段
４５ 第１３の線材
４６ 第１４の線材
４７ 第１１の回転連結手段
４８ 第１５の線材
４９ 第１２の回転連結手段
５０ 第１６の線材
５１ 第１７の線材
５２ 第１３の回転連結手段
５３ 第１８の線材

Claims (12)

  1. 展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニット（６）と、前記展開・安定化ユニットを取り付けられ、前記展開・安定化ユニットをその内部に含むシザーズ構造体（７）と、前記展開・安定化ユニットに取り付けられたパネル（８）を含む基本ユニット（９）を複数具備する、二次元展開パネルユニットであって、
    前記展開・安定化ユニットは、
    伸縮可能な伸縮手段（１０）と、
    前記伸縮手段の一端に取り付けられた第１のアーム（１１）、及び第２のアーム（１２）と、
    前記伸縮手段の残りの端に取り付けられた第３のアーム（１３）、及び第４のアーム（１４）とを含み、
    前記第１のアームと前記第３のアームとは第１のアーム連結手段（１５）により連結されており、
    前記第２のアームと、前記第４のアームとは第２のアーム連結手段（１６）により連結されており、
    前記シザーズ構造体は、
    形状が変化し得る平行四辺形を構成する第１の線材（２１）、第２の線材（２２）、第３の線材（２３）、及び第４の線材（２４）を含み、
    前記第１の線材と前記第４の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、
    前記第２の線材と前記第３の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、
    前記第１の線材と前記第３の線材とは、各線材を回転可能に連結する第１の回転連結手段（２５）により回転可能に連結され、
    前記第１の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第１のアーム連結手段に取り付けられ、
    前記第２の線材と前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第２の回転連結手段（２６）により回転可能に連結され、
    前記第２の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第２のアーム連結手段に取り付けられ、
    前記第１の線材と、前記第２の線材とは、各線材を回転可能に連結する第３の回転連結手段（２７）により回転可能に連結され、
    前記第３の線材と、前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第４の回転連結手段（２８）により回転可能に連結され、
    前記パネル（８）は、
    展開・安定化ユニットの第１のアーム、及び第２のアームのいずれか又は両方に取り付けられている二次元展開パネルユニット。
  2. 前記第１のアーム連結手段、及び前記第２のアーム連結手段のいずれか又は両方が、他の基本ユニットのアーム連結手段を兼ね、
    さらに、前記第１の回転連結手段、及び前記第２の回転連結手段のいずれか又は両方が、他の基本ユニットの回転連結手段を兼ねる構造を繰り返すことにより
    前記基本ユニットが前記展開・安定化ユニットの伸縮手段と垂直方向に複数連結されている、
    請求項１に記載の二次元展開パネルユニット。
  3. 基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、
    前記基本ユニット連結機構は、
    前記第２の回転連結手段を基本ユニット連結機構内の回転連結手段とし、
    前記基本ユニット連結機構内の前記第２の回転連結手段から伸びる第５の線材（３１）、及び第６の線材（３２）を有し、
    前記第５の線材（３１）と、前記基本ユニット内の第２の線材とは、同一直線上にあり、
    前記第６の線材（３２）と、前記基本ユニット内の第４の線材とは、同一直線上にあり、
    前記第５の線材（３１）は、基本ユニット連結機構内の第５の回転連結手段（３３）を回転軸とするように第７の線材（３４）と回転可能に連結されており、
    前記第６の線材（３２）は、基本ユニット連結機構内の第６の回転連結手段（３５）を回転軸とするように第８の線材（３６）と回転可能に連結されており、
    前記基本ユニット連結機構内の第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす面は、略直交し、
    第５の線材（３１）及び第６の線材（３２）がなす角と第７の線材（３４）及び第８の線材（３６）がなす角は同じであり、
    前記第７の線材（３４）及び第１０の線材（３９）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第７の回転連結手段（３７）を回転軸とするように、第８の線材（３６）と第９の線材（３８）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、
    前記第９の線材（３８）は、基本ユニット連結機構内の第８の回転連結手段（４０）を回転軸とするように、第１１の線材（４１）と回転可能に連結されており、
    前記第１０の線材（３９）は、基本ユニット連結機構内の第９の回転連結手段（４２）を回転軸とするように、第１２の線材（４３）と回転可能に連結されており、
    第９の線材、第１０の線材、第１１の線材、及び第１２の線材は平行四辺形を構成し、
    前記基本ユニット連結機構内の第１１の線材（４１）及び第１２の線材（４３）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１０の回転連結手段（４４）を回転軸とするように、基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、
    前記第１３の線材（４５）は、基本ユニット連結機構内の第１１の回転連結手段（４７）を回転軸とするように第１５の線材（４８）と回転可能に連結されており、
    前記第１４の線材（４６）は、基本ユニット連結機構内の第１２の回転連結手段（４９）を回転軸とするように第１６の線材（５０）と回転可能に連結されており、
    前記基本ユニット連結機構内の第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす面と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす面は、略直交し、
    第１３の線材（４５）及び第１４の線材（４６）がなす角と、前記基本ユニット連結機構内の第１５の線材（４８）及び第１６の線材（５０）がなす角は同じであり、
    前記第１６の線材（５０）及び基本ユニット内の第１７の線材（５１）からなる直線部分は、基本ユニット連結機構内の第１３の回転連結手段（５２）を回転軸とするように、第１５の線材（４８）と基本ユニット内の第１８の線材（５３）からなる直線部分と、回転可能に連結されており、
    前記第１３の回転連結手段（５２）は、基本ユニット内の回転連結手段をかねている
    請求項１に記載の二次元展開パネルユニット。
  4. 基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、
    前記基本ユニット連結機構は、基本ユニットから連続したシザーズ構造体を含む請求項１に記載の二次元展開パネルユニット。
  5. 基本ユニット連結機構を介して、複数の基本ユニットが展開・安定化可能に連結された二次元展開パネルユニットであって、
    前記基本ユニット連結機構は、基本ユニットから連続したシザーズ構造体、及び前記基本ユニット連結機構内のシザーズ構造体と直交するシザーズ構造体を含む請求項１に記載の二次元展開パネルユニット。
  6. 前記パネルが略正方形である請求項１〜５のいずれかに記載の二次元展開パネルユニット。
  7. 前記パネルは、
    略正方形の枠材と、
    前記枠材の枠内に設けられた集光手段とを含み、
    前記集光手段に太陽光により発電できるものである、
    請求項１〜６のいずれかに記載の二次元展開パネルユニット。
  8. 前記パネルは、
    基盤材と、
    前記基盤材の上下の面にそれぞれ貼付された太陽電池セルとを含み、
    太陽光により発電することのできるものである、
    請求項１〜６のいずれかに記載の二次元展開パネルユニット。
  9. 前記二次元展開パネルユニットは、複数のパネルを有し、
    前記二次元展開パネルユニットが展開した際に、前記複数のパネル上にそれぞれ描かれた絵が一枚の図柄を構成するものである、
    請求項１〜６のいずれかに記載の二次元展開パネルユニット。
  10. 請求項１に記載の二次元展開パネルユニットにおいて、
    前記伸縮手段（１０）を含まない、
    二次元展開パネルユニット。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の二次元展開パネルユニットを含む二次元展開パネルシステムであって、
    前記二次元展開パネルユニットに負荷を与えるアクチュエータを具備し、
    前記アクチュエータが前記二次元展開パネルユニットに負荷を与えることにより二次元展開パネルユニットが展開する二次元展開パネルシステム。
  12. 展開や折り畳みが可能な展開・安定化ユニット（６）と、前記展開・安定化ユニットを取り付けられ、前記展開・安定化ユニットをその内部に含むシザーズ構造体（７）とを含む基本ユニット（９）を複数具備する、二次元展開ユニットであって、
    前記展開・安定化ユニットは、
    伸縮可能な伸縮手段（１０）と、
    前記伸縮手段の一端に取り付けられた第１のアーム（１１）、及び第２のアーム（１２）と、
    前記伸縮手段の残りの端に取り付けられた第３のアーム（１３）、及び第４のアーム（１４）とを含み、
    前記第１のアームと前記第３のアームとは第１のアーム連結手段（１５）により連結されており、
    前記第２のアームと、前記第４のアームとは第２のアーム連結手段（１６）により連結されており、
    前記シザーズ構造体は、
    形状が変化し得る平行四辺形を構成する第１の線材（２１）、第２の線材（２２）、第３の線材（２３）、及び第４の線材（２４）を含み、
    前記第１の線材と前記第４の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、
    前記第２の線材と前記第３の線材は、シザーズ構造体が形成する平行四辺形の対辺をなし、
    前記第１の線材と前記第３の線材とは、各線材を回転可能に連結する第１の回転連結手段（２５）により回転可能に連結され、
    前記第１の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第１のアーム連結手段に取り付けられ、
    前記第２の線材と前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第２の回転連結手段（２６）により回転可能に連結され、
    前記第２の回転連結手段は、前記展開・安定化ユニットの第２のアーム連結手段に取り付けられ、
    前記第１の線材と、前記第２の線材とは、各線材を回転可能に連結する第３の回転連結手段（２７）により回転可能に連結され、
    前記第３の線材と、前記第４の線材とは、各線材を回転可能に連結する第４の回転連結手段（２８）により回転可能に連結される二次元展開ユニット。
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