JP2014015183A - 伸展構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】構造体としても機械的な強度を確保でき、しかも真直性を確保し得る伸展構造物を提供する。
【解決手段】中空断面構造の筒状のブーム本体を備えた伸展構造物において、ブーム本体は、一対の弾力性を有する長尺体であって長手方向に対して直交方向断面形状が湾曲した形状のブーム材と、この一対のブーム材の湾曲方向両側縁が当接するように組み合わさった状態でブーム材の外周を被覆する繊維組織構造の中空の被覆体と、を具備し、中空被覆体とブーム材との接触面及びブーム材同士の接触面が長手方向に摺動可能となっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば、人工衛星や探査機のアンテナや太陽電池パネルのように宇宙空間で展開させて使用する伸展構造物に関する。。

従来の伸展構造物としては、たとえば、特許文献１に記載のようなＳＴＥＭ（Ｓｔｏｒａｂｌｅ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｅｘｔｅｎｄｉｂｌｅ Ｍｅｍｂｅｒ）と呼ばれる構造物が知られている。
この伸展構造物は、弾力性を有する長尺の伸展材と、伸展材を巻き取って収納する収納部と、を有し、伸展材の先端が収納部から一次元的に伸展し、伸展した伸展部が中空筒構造となるように構成されている。

この特許文献１では、一枚の長尺伸展材の横断面形状（伸展方向に対して直交方向の断面）を予め円形となるように成形し、これを平らに弾性変形させた状態で収納部に巻き取り、先端部を引き出すことにより、横断面形状を円形に弾性復帰させ、伸展部を中空筒構造とするものであった（ユニ−ステム（Uni-STEM）構造）。

特開２００６−１３０９８８号公報

しかしながら、この伸展構造物は伸展部が筒状断面となっているとはいっても、伸展材の側辺が単に重なり合うだけの開断面構造なので、曲げ剛性／強度、ねじり剛性／強度、圧縮座屈剛性／強度が低い。

一方、伸展材を、中空筒構造の伸展部を２つ割りとするように２つの分割伸展材によって構成し、２つの分割伸展材を固定手段によって結合して閉断面構造とするいわゆるバイ−ステム（Ｂｉ−ＳＴＥＭ）構造の伸展構造物も検討されている。
バイ−ステム構造にすれば、ユニ−ステム構造に比較して、曲げ剛性／強度、ねじり剛性／強度、圧縮座屈剛性／強度は高くなるものの、閉断面構造のものを、そのまま巻取り収納することは困難である。

そこで、巻取りを可能とする方法として、分割伸展材をフィルムで被覆して結合したフィルム被覆のバイ−ステムの伸展構造物が考えられる。
しかし、フィルム被覆のバイ−ステム構造の伸展構造物をリールに巻取り収納しようとすると、以下の様な不具合を生じる。
巻取り収納する過程において周差を許容できず、分割伸展材等に永久変形を生じてしまったり、リールへの巻取りの過程で、フィルムが破れやすく所定の構造特性を保てなくなる問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、構造体として機械的な剛性／強度を確保でき、しかも巻取り収納可能で、かつ自動伸展可能な伸展構造物を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、中空断面構造の筒状のブーム本体を備えた伸展構造物において、
ブーム本体は、一対の弾力性を有する長尺体であって長手方向に対して直交方向断面形状が湾曲した形状のブーム材と、この一対のブーム材の湾曲方向両側縁が当接するように組み合わさった状態でブーム材の外周を被覆する繊維組織構造の中空の被覆体と、を具備し、中空被覆体とブーム材との接触面及びブーム材同士の接触面が長手方向に摺動可能となっていることを特徴とする。
各ブーム材の長手直交断面形状は、円弧形状に湾曲した形状とすることができる。
ブーム材は、弾力性のある材料で、たとえば、金属材、複合材料、プラスチック等を用いることができる。
ブーム本体が一つのノードに対して放射状に複数設けられ、前記一つのノードに巻き取り可能に構成することができる。
ブーム本体は、複数のノード間に架け渡され、各ノードに巻き取り可能に構成することもできる。
また、伸縮機構を、ブーム本体の伸展によって伸縮させる構成とすることもできる。

本発明の伸展構造物によれば、中空被覆体の中でブーム材が組み合わさって閉断面構造となるので、曲げ剛性／強度、ねじり剛性／強度、圧縮座屈剛性／強度を大きくすることができる。
また、２つのブーム材の側縁部同士が摺動可能で、繊維組織構造の被覆体にて被覆しているので、繊維組織の柔軟性により適度な摺動性を保つことができ、巻き取った周差を許容し、ブーム本体が傷まない無理のない綺麗な巻き取りが可能になるり、さらに、ブーム本体の弾力性によって巻き取った状態からの自己伸展力を有し、外力によらず自動的に伸展可能となる。
さらに、伸展した際の反りはブーム材の側縁部間の滑りによって吸収されるので、伸展したブーム本体の高精度の真直性を得ることができる。
また、巻き取り収納する場合、各ブーム材の湾曲形状が直線的にフラットとなり、巻き取り径が小さくなって収納性がよい。

また、ブーム材の横断面方向の曲率も、ユニ-ステムやバイ-ステム構造に比べて小さくできるので、材料のヘタリを可及的に小さく抑えることができ、また、エッジにかかる負担も小さい。
特に、被覆体として組み紐組織を用いていれば、適度な締め付け力と柔軟性を有すると同時に、被覆耐久性が高い。
また、ブーム本体を一つのノードに対して放射状に複数設けたり、複数のノード間に架け渡ような構成とすることにより、容易に二次元的な展開構造を作ることができ、さらに、これらを組み合せることにより、三次元的な構造物を作ることができる。

図１は本発明の実施の形態に係る伸展構造物の一例を示すもので、（Ａ）は伸展形態の概略斜視図、（Ｂ）は概略分解斜視図、(Ｃ)は伸展構造物のロール状の収納形態を示す斜視図、（Ｄ）は被覆体の組紐組織の一例を示す図、(Ｅ)は伸展構造物の伸展状態の断面図、（Ｆ）は伸展構造物の収納状態の断面図である。 図２（Ａ）は図１の伸展構造物の巻き取り状態、（Ｂ）は自己伸展状態を示す概略説明図、（Ｃ）、（Ｄ）は巻取具の具体的な形態例を示す図である。 図３（Ａ）はブーム材の他の形態例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のブーム材を組み合せた状態を示す図である。 図４は図１の伸展構造物を複数のノード間に架け渡す形態例を示すもので、（Ａ）は伸展構造物を２つのノード間に架け渡した形態を示す図、（Ｂ）は（Ａ）の巻取り形態を示す図、（Ｃ）は（Ｂ）の巻取り時の周長差吸収の説明図、（Ｄ）は伸展構造物を３つのノード間に架け渡した形態を示す図、（Ｅ）は（Ｄ）の巻取り形態を示す図、（Ｆ）は伸展構造物を４つのノード間に架け渡した形態を示す図、（Ｇ）は（Ｆ）の巻取り形態を示す図、 図５（Ａ）は図１の伸展構造物を６つのノード間に架け渡した形態を示す図、（Ｂ）は伸展構造物を４つのノード間に架け渡した他の形態例を示す図、（Ｃ）は７つのノード間に架け渡した形態を示す図である。 図６（Ａ）〜（Ｆ）は図１の伸展構造物が一つのノードから放射状に延びる形態例を示す図、図６（Ｇ）はノードとして用いることができる巻取具の一構成例を示す図である。 図７（Ａ），（Ｂ）は、図１の伸展構造物を使用した立体構造物の例を示す図である。 図８は、図１の伸展構造物を伸縮機構に組み込んだ構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る伸展構造物を示す図である。
すなわち、この伸展構造物は、中空断面構造の筒状のブーム本体１を備えている。
ブーム本体１は、一対の弾力性を有する長尺体であって長手方向に対して直交方向断面形状が湾曲形状のブーム材３，３と、この一対のブーム材３，３の湾曲方向両端縁が摺動自在に当接するように組み合わさった状態でブーム材の外周を被覆する繊維組織構造の中空の被覆体５と、を具備する。

各ブーム材３の長手直交断面形状は、円弧形状に湾曲した形状であり、曲率半径は同一である。この実施の形態では、円弧形状の周方向両端縁部同士が当接した状態でブーム材の幅方向及び長手方向に対して直交方向の厚みがブーム材の幅よりも小さい、中空の扁平な紡錘断面形状となる。被覆体５によって被覆するので、中空断面での周長が、ブーム材を幅方向に延ばすように圧潰した状態での周長が等しくなるように、一対のブーム材は同一形状となっている。もっとも、被覆体５は繊維組織なので、中空断面と圧潰した状態とで周長差が多少のあっても吸収可能である。

図３は、ブーム材３の断面形状の他の形態例を示している。この例では、断面を釣鐘形状としたもので、円弧状の中央湾曲部３１の両側縁に、変曲点３３を介して逆側に湾曲する側縁傾斜部３２と、を備えている。
このようにすれば、単に円弧形状としている場合に比較して、変曲点３３付近が立ち上がっているので、曲げ剛性、ねじり剛性、圧縮強度に強い構成となっている。ただし、あまり剛性が高くなると巻取りができなくなるので、弾性変形により圧潰して巻取りが可能で、しかも伸展した閉断面構造ではある程度の剛性を保持できる構成とする必要がある。この例では、変曲点３３を隔てて側縁傾斜部３２と中央湾曲部３１の両端部は曲率半径Ｒ２，Ｒ３は、互いに同一で湾曲方向が異なる形状で、中央湾曲部３１の曲率半径Ｒ１は、Ｒ２，Ｒ３の、ほぼ４倍の比率となるように設定されている。
互いに重ねた状態では、図３（Ｂ）に示すように、側縁傾斜部３２が摺動自在に接触するので、接触部が面接触となるので、滑りが良い。側縁傾斜部３２が外側に凹状に湾曲しているので、被覆体５との間には隙間が生じ、被覆体５の周長が若干短くなるが、被覆体５の変形により、周長差は吸収される。
ブーム材３の材料としては、金属、複合材料、プラスチック等、弾力性を有する種々の材料を使用可能である。

金属材としては、ばね用ステンレス鋼帯（たとえば、ＳＵＳ３０１，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ６３２等）、ベリリウム銅合金等を用いることができる。
複合材料としては、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどを用いることができる。
プラスチックとしては、ポリカーボネイト樹脂、PETやPBTなどポリエステル系樹脂、PEEKやPPSなどのエンジニアリングプラスチック、ポリイミド系などの耐熱性樹脂等を用い
ることができる。

中空の被覆体５は、組紐構造の繊維基材によって構成されている。
繊維性基材としては、図１（Ｄ）に示すような丸打ち組の組紐組織構造が使用されている。丸組組織としては、たとえば、縦軸に対して互いに逆方向に交差する多数本の組糸５ａ、５ａを交互に絡ませたバイアス構成である。縦糸が入っていてもよい。
もっとも、繊維性基材は、組紐組織に限定されるものではなく、組織が自由に変形できる繊維編み物組織、織物組織、網組織等も適用可能である。
基材繊維については、ポリエステル系繊維、フッ素系繊維、アラミド系繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、金属系繊維、金属めっきを施した各種繊維を利用可能である。アンテナ等に用いる場合は、導電性の繊維を使用することもできる。

図１(Ｃ)は、巻き取りリールに巻き取られたブーム本体１の巻き取り形態を示している。このブーム本体１は、自由状態では中空断面で剛性のある構成でありながら、ブーム材の幅方向及び長手方向に対して直交方向には、組み合わさったブーム材３，３が弾性変形して屈曲可能となっていることが特徴である。
この巻き取形態では、図１(Ｆ）に示すように、ブーム材３の幅方向の湾曲が直線的に
なって、ブーム材３，３同士が重なった状態で曲がり、さらにその外層に被覆体５が存在する４層構成となる。この４層構成の状態で巻き取られるので、それぞれの層の周長差が生じるが、ブーム材３，３と被覆体５の接触部、さらにブーム材３，３同士の接触部は互いに周方向に滑って周長差が吸収され、被覆体５自体については、組み紐組織が自由に変形して伸縮するので、その伸縮によって周長差が吸収され、自由に巻き取ることができ、巻径を可及的に小さくすることが可能となる。さらに、ブーム本体1の弾力性によって巻
き取った状態からの自己伸展力を有し、外力によらず自動的に伸展可能である。
特に、本実施の形態では、被覆体５として組み紐組織を用いているので、適度な締め付け力と柔軟性を有すると同時に、被覆耐久性が高い。

図２は、本実施の形態の伸展構造物の自己伸展状態を示している。
図２(Ａ)は収納形態を示し、図示例では、巻取具１０の巻取り軸１２にブーム本体１が巻き取られた状態である。ブーム本体１の巻取り部１Ｒは、弾性力によって巻取具１０の内周に沿って収納される。

図２（Ｂ）は伸展形態を示している。
この例では、巻取り軸１２をフリーにすることによって、ブーム材３，３が弾性復元力（自己伸展力）によって真直状態に巻き戻され、ブーム本体１が巻取具１０から直線状に伸びて伸展形態となる。
伸展形態となる過程で、ブーム材３、３と被覆体５の接触部、ブーム材３，３同士の接触部が滑り、また、被覆体５自体もブーム材３，３の湾曲形状に倣って自由に変形するので、ブーム本体１が反ること無く、スムースに伸展形態に移る。
図２（Ｃ）、（Ｄ）は、巻取具のより具体的な形態を示している。
この巻取具は、ケース１６内に円形の収納部１４が形成され、収納部１４から引出し口１８を通じてブーム本体１が引き出される。巻取り軸１２に、ブーム本体１の一端がねじ等の固定具１５によって固定されている。

次に、本発明の伸展構造物の応用例について説明する。
図４は、ブーム本体１は、複数のノードＮ間に架け渡され、各ノードＮに巻き取り可能に構成したものである。各ノードＮには、不図示の巻取り具が設けられる。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、２つのノードＮ，Ｎ間に一つのブーム本体１の各端部を巻き取り可能としたものである。特に、各ノードＮ，Ｎに逆向きに巻き取ることによって、図４（Ｃ）に示すように、周長差Ｘ、Ｘを互いに相殺することができる。

図４（Ｄ）は、三角形の各角部に位置する３つのノードＮ，Ｎ，Ｎ間に、３つのブーム本体１，１，１を掛け渡し、各ノードＮ，Ｎ，Ｎに巻き取り可能としたもので、対向するノードＮ，Ｎに対して逆向きに巻き取ることで、周長差を吸収することができる。
図４（Ｆ）、（Ｇ）は、四角形の各角部に位置する４つのノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ間に、四角形の４辺に対応するように、４つのブーム本体１，１，１，１を掛け渡し、各ノードＮ、Ｎ，Ｎ，Ｎに巻き取り可能としたもので、対向するノードＮ，Ｎに対して逆向きに巻き取ることで、周長差を吸収している。

図５（Ａ）は、六角形の各角部に位置する６つのノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ間に、六角形の６辺に対応するように６つのブーム本体１，１，１，１，１，１を掛け渡し、各ノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎに巻き取り可能としたもので、対向するノードに対して逆向きに巻き取ることで、周長差を吸収することができる。
図５（Ｂ）は、四角形の各角部に位置する４つのノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ間に、四角形の４辺に対応するように、４つのブーム本体１，１，１，１を掛け渡すと共に、一つの対角線上のノードＮ，Ｎ間に対角状にケーブル５０を掛け渡すようにしたものである。ケーブル５０はブーム本体１と共にノードＮに巻取り可能である。

図５（Ｃ）は、六角形の各角部に位置する６つのノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ間に、六角形の６辺に対応するように６つのブーム本体１，１，１，１，１，１を掛け渡すと共に、中心に一つのノードＮを配し、中心のノードＮと各角部のノードＮ，Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ、Ｎ間に、さらに６つのブーム本体１，１，１，１，１，１を掛け渡すようにしたものである。
このように構成することにより、2次元的な構造を、コンパクトに巻き取り収納するこ
とができる。これらの構成は、あくまでも一例であり、六角形以上の多角形にしてもよいし、種々の形態に適用可能である。

図６は、複数のブーム本体１が一つのノードＮに対して放射状に設けられたもので、一つのノードＮに重ねて巻き取り可能に構成したものである。
図６（Ａ）、（Ｂ）は、２つのブーム本体１，１の一端を、一つのノードＮに対して取り付けたもの、図６（Ｃ）、（Ｄ）は、４つのブーム本体１，１，１，１の一端を、一つのノードＮに対して取り付けた例、図６（Ｅ）、（Ｆ）は、６つのブーム本体１，１，１，１，１，１の一端を一つのノードＮに対して取り付けた例である。
いずれも、一つのノードに対して、複数本のブーム本体を同一方向に重ねて巻き取ることができ、コンパクトに収納することが可能である。

図６（Ｇ）は、図４乃至図６において、一つのノードＮに複数のブーム本体１，・・・を巻取る場合の巻取具３０の一例である。
この巻取具３０は、ケース３２内部に設けられた巻取り軸３４を中心とする円周上に、複数、図示例では６つの引き出しガイド３６が所定間隔で等配されると共に、引き出しガイド３６間を結んで六角形となるように内周ガイド板３８が配置された構成で、１本から６本までの巻取り具３０として利用可能となっている。

図示例では、２本のブーム本体１，１を巻取り可能としたもので、不図示の一つの引き出しガイドと、隣合う二つの内周ガイド板を取り外した構成である。各ブーム本体１，１
の固定端は巻取り軸３４外周に対して接線方向に接した状態で固定され、同一方向、図示例では反時計回り方向が巻取り方向となるように設定されている。このようにすれば、２本のブーム本体１，１を重ねて巻取り可能である。
1本のブーム本体１を巻取り場合には、１つの引き出しガイド３６を取り外せばよく、
３本のブーム本体１を巻取る場合には、２つの引き出しガイド３６、３つの内周ガイド板３８を取り外せばよい。隣合せのブーム本体１だけでなく、ブーム本体１の引き出し方向に応じて、内周ガイド板３８を適宜取り外せば、共通の巻取具３０を用いてノードを構成することができる。図示例では、６つまのでノードとしているが、数は任意に拡張可能である。

図４乃至図６には、本発明の伸展構造物で二次元的な構造物の構築する例を示したが、図７に示すように、伸展構造物を三次元的に配置して、立体的な構造物を構築することもできる。
図７（Ａ）は、本発明の伸展構造物のブーム本体１をビームとして、三角錘形状のフレーム構造とした例、図７（Ｂ）は六角柱形状のフレーム構造を構成した例である。これらの構造を一つの単位として、さらに組み合せて大きな構造を構築することも可能である。図７（Ｂ）の例では、六角柱の側面に側面対角ケーブル５１を、六角柱の上下面に上下面対角ケーブル５２を架設したものである。ケーブルは、図５（Ｂ）で説明した通り、ブーム本体１と共にノードに巻取ることができる。

図８は、本実施の形態の伸展構造物の応用例を示している。
この応用例は、伸縮機構を構成するテレスコピックロッド２０に、上記伸展構造物のブーム本体１を取付けたものである。

図８（Ａ）の例では、テレスコピックロッド２０は、中空のベースロッド２２に対して、少なくとも一つの伸縮ロッド２４が直線的に伸縮自在に組み付けられた構成となっている。ベースロッド２２側に巻取収納部２５が設けられ、伸縮ロッド２４の先端にループガイド２６が設けられている。

ブーム本体１は巻取り収納部１０に巻き取られており、巻取り収納部１０から引き出されたブーム本体１が、直線的に伸縮ロッド２４の先端部まで延び、ループガイド２６でループ状に折り返され、先端部がベースロッド２２に固定されている。ループガイド２６で折り返されたループ部Ｌは、巻取り部と同様にフラットに変形している。
このようにすれば、ブーム本体１が自己伸展すると、ループガイド２６で折り返されたループ部Ｌの位置が、伸張量の半分だけ先に進んで伸縮ロッド２４を伸張させる。
ブーム本体１を巻き取ると、ブーム本体１の引き出し量が短くなり、ループ部Ｌの位置が収縮量の半分だけベースロッド２２側に後退し、伸縮ロッド２４がベースロッド２２側に収縮していく。

図８（Ｂ）の例は、図８（Ａ）の構成を逆に使用するもので、巻取り収納部１０を無くして自由端とし、テレスコピックロッド２０の伸縮ロッド２４側を移動させることにより、ブーム本体の自由端を伸展させるようにしたものである。

なお、本発明の伸展構造物の収納形態は巻き取り形態だけでなく、ジグザグ形状に収納する形態でもよく、種々の収納形態とすることができる。
なお、本発明の伸展構造物は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

１ ブーム本体 、１Ｒ 巻き取り形態
３ ブーム材
３１ 中央湾曲部、３２ 傾斜端縁部、３３ 変曲点
５ 被覆体、 ５ａ 組糸
１０ 巻取具
１２ 巻取り軸、１４ 収納部、１５ 固定具、１６ ケース、１８ 引出し口
２０ テレスコピックロッド
２２ ベースロッド、２４ 伸縮ロッド、２６ ループガイド

Claims (8)

1. 中空断面構造の筒状のブーム本体を備えた伸展構造物において、
   ブーム本体は、一対の弾力性を有する長尺体であって長手方向に対して直交方向断面形状が湾曲した形状のブーム材と、この一対のブーム材の湾曲方向両側縁が当接するように組み合わさった状態でブーム材の外周を被覆する繊維組織構造の中空の被覆体と、を具備し、中空の被覆体とブーム材との接触面及びブーム材同士の接触面が長手方向に摺動可能となっていることを特徴とする伸展構造物。
2. 被覆体の繊維組織構造は丸打ち組の組紐組織である請求項１に記載の伸展構造物。
3. 各ブーム材の長手直交断面形状は、円弧形状に湾曲した形状となっている請求項１に記載の伸展構造物。
4. ブーム材は、薄肉の金属材である請求項１に記載の伸展構造物。
5. ブーム材は、繊維性の基材で強化した複合材である請求項１に記載の伸展構造物。
6. ブーム本体は一つのノードに対して放射状に複数設けられ、巻き取り可能に構成されている請求項１乃至５のいずれかの項に記載の伸展構造物。
7. ブーム本体は、複数のノード間に架け渡され、各ノードに巻き取り可能に構成されている請求項１乃至５のいずれかの項に記載の伸展構造物。
8. 伸縮機構を、ブーム本体の伸展によって伸縮させる構成となっている請求項１乃至５のいずれかの項に記載に記載の伸展構造物。

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