JP2014527600A - コイル状態及び伸展状態に変形可能な部材及び方法 - Google Patents

Abstract

コイル状態（１１）及び伸展状態（１２）に変形可能な伸展可能部材（１０）を提供する。伸展可能部材（１０）は、弾性的にバイアスが付与されてスリットチューブ状となり得る第１部材であって、該スリットチューブが該スリットにおいて開口して扁平断面にて開状態となり得るものとされた第１部材（１４）と；第１部材（１４）の異なる円周箇所に各々接触する第１接触部及び第２接触部を有する少なくとも一つの第２部材（１５）と；を具備し、伸展状態において、第１部材（１４）がスリットチューブ状とされ、第２部材（１５）の弾性によって、該第２部材（１５）の少なくとも一部が第１部材（１４）のスリットに向かって変位して、該第１部材（１４）にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与し、コイル状態において、第１部材（１４）が開状態とされ、第２部材（１５）が第１部材（１４）の扁平断面と一致するように、第１部材（１４）と第２部材（１５）とがともに捲回可能とされている。対応する方法についても提供される。

Description

本発明は、コイル状態及び伸展状態に変形可能とされた伸展部材、コイル状態及び伸展状態に変形可能とされた伸展部材の製造方法、伸展部材の伸展方法、並びに、導管の提供方法に関する。

スリットチューブ状の伸展部材（Slit Tubular Extendible Members (STEMs)）（或いは、アンテナ伸展部材（Storable Tubular Extendible Members））は、弾性材からなるストリップを備えるものであり、重なり合う又は重なり合わない曲線部とされて全体又は部分的にチューブ状構造とされ、貯蔵・輸送のため或いは直線方向への動作手段としてチューブ軸に対して実質的に垂直となる軸に捲回され得るものである。当該部材は本質的にはカーペンターメタルテープメジャーの発展型である。当該テープメジャーにおいて特徴的な微小な湾曲を増大させると、より大きな角度の範囲が定められて、より完全なチューブ状となる。当該部材は、一般的に、ステンレス鋼又はベリリウム銅の薄いリボン材から製造される。このような部材について、以下、「simple STEMs」という。

STEMsの他の種類については、“Iqbal K., Pellegrino S. and Daton-Lovett A. J. (1998) (Deployable Composite Slit Tubes” Proceedings of the IUTAMIASS Symposium on Deplyable Structures, Cambridge, UK, 6-9 September)に開示されている。双安定リールドコンポジット(Bistable Reeled Composites (BRCs))として当業者に知られるこれらSTEMsは、主要湾曲部が直線状とされる場合に自然とコイル状とされるように設計された工学定数、特にSTEMsの構成材料のポアソン比及び等方性、を有する点において他の種類のものとは異なる。これらは、通常、伸展状態及びコイル状態の双方において安定となるように設計されており、貯蔵・輸送等のためにコイル状態にて拘束する必要がない。これらは、半径−曲率に対する厚さの比が極めて大きく、ねじれ剛性が極めて増大した状態で製造され得る点で、“simple”STEMsに対して大きな利点がある。simple STEMsとは異なり、BRCsの工学定数を部分的にコントロールすることにより、simple STEMのように直線状に伸展できることに加え、断面において円状でも円滑湾曲状でもなく、且つ、伸展して簡略又は複雑な湾曲部材となり得るSTEMsを製造できる。図１にそのようなものの典型例を示す。

STEMSは、上記スリット構造を採る結果として、オイラーチューブと比較してねじれ剛性及び曲げ剛性に欠点がある。当該曲げ剛性の欠如は、伸展時の部材の側部を重ね合わせることで解消可能である。ある程度の重なりがあれば伸展構造は慣性的に維持される（Rimrott F. P. J. (1995) “Stem Shells” Peter E Glockner, Fetschrift, Calgary, Canada）。しかしながら、当該スキームでは捲回時の最大張力が増大するという欠点があり、半径−曲率に対する実施可能厚さを減少させ、部材の寿命を縮めることとなる。この欠点は、BRCsにおいて特に顕著となる。というのも、これらは半径−曲率に対して大きな厚みを有するのが通常であり、捲回時に最大張力が高くなるためである。また、当該スキームでは捲回時の部材の幅が増大することにもなる。この点で、当該部材の利点であるパック体積比に対する伸展時体積が減少してしまうという欠点となる。

しかしながら、このような重ね合わせは、STEMsのねじれ剛性の欠如に対しては何ら効果がない。当該ねじれ剛性の欠如を補うべく、数々の機構が考案されている。最もよく知られたものに、伸展と連動可能とされたSTEM端部の柵状機構（castellation）がある。或いは、STEMの表面に孔を設けるとともに、伸展と連動してSTEMの一端から突出するタブを用いるものもある。前者の機構にあっては、STEMにおける慣性的なバランスをとるために必要な広範な重ね合わせができない。後者の機構にあっては、重ね合わせは実質的に可能ではあるものの、前者及び後者ともに部材を複雑化し、応力集中が生じる結果、部材の寿命を縮めることとなる。また、これらは連動のための誘導機構を必要とし、機構全体としてサイズ及び重量を増加させ、さらなる不具合を生じさせる虞がある。

ジッパー機構については、ねじれ剛性が低いためうまく機能しない。当該機構は端部間の相対的な軸方向滑りを小さくし、二次的な故障モードを引き起こす。

DLR（German Aerospace Centre）により、ねじれ剛性が増大された捲回可能部材についてさらなる試みがなされている。図２Ａに示されるように、当該形態にあっては、部材１００は伸展時にレンズ状の横断面を有している。部材１００は当該形態において安定であり、当該形態において残留応力はない。図２Ｂに示されるように、部材１００を平坦状とすることで捲回可能である。部材１００とするにあたり、二つの半レンズ状の部材１０１、１０２はカーボンファイバー強化樹脂により形成される。これら部材１０１、１０２の対向する端部１０３は同一平面とされる。端部１０３が互いに隣接するように部材１０１、１０２を背中合わせで設け、互いに接着１０４して当該部材を形成する。当該部材の欠点は、レンズ形状が基本的にはオイラーチューブ状部材ほどの強度がない点である。当該構造体は、軸方向応力／張力に対して高い耐性を要求されることがないスペース探査の用途において展開されてきた。当該構造の他の欠点は、捲回時の部材の残留応力が大きい点である。部材１０１、１０２の経路長差が座屈変形を生じさせやすく、部材の寿命を縮めることとなる。

本発明の第１の態様は、コイル状態及び伸展状態に変形可能な伸展可能部材であって、弾性的にバイアスが付与されてスリットチューブ状となり得るシート部分を備えており、且つ、該スリットチューブがスリットにおいて開口して扁平断面にて開状態となり得るものとされた第１部材と；第１部材の異なる円周箇所に各々接触する第１接触部及び第２接触部を有する少なくとも一つの第２部材と；を具備し、伸展状態において、第１部材がスリットチューブ状とされ、第２部材の弾性によって、第２部材の少なくとも一部が第１部材のスリットに向かって変位して、第１部材にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与し、コイル状態において、第１部材が開状態とされ、第２部材が第１部材の扁平断面と一致するように、第１部材と第２部材とがともに捲回可能とされている、伸展可能部材である。

長手方向に沿ってスリットが伸び、当該スリットを形成する両端部が互いに相対的に変位可能とされていることから、通常のスリットチューブは極めて弱い。本発明では、第２部材を用いて第１部材にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与することによってこの問題に対応しており、より高強度なSTEMとすることができる。第１部材及び第２部材は、伸展可能部材が捲回可能であるように配置されており、その利点は、部材収容時によりコンパクトにすることができること等である。第２部材と第１部材との接続部が異なる円周状の箇所（第１部材がチューブ形状とされている場合）にあること、及び、第２部材のうちの一部又は全てがスリットに向かって変位することで、第２部材が第１部材の側部間のブリッジとして機能し、好ましくはスリットに近い位置に架けられ、これにより第１部材が固定され、ねじれ剛性及び軸方向剛性が付与される。第２部材は、好ましくは弾性的にバイアスが付与されて湾曲形状とされ、第１部材をチューブ状とした場合においてスリットに向かって変位するようにされたものである。

上記第１部材と第２部材との接続は第２部材の全長に亘るものであることが好ましく、また、第２部材の二つの端部においてなされたものであることが好ましい。

一実施態様において第１部材は断面において滑らかな曲線状、すなわち、外周（スリットを除く）の曲線部において不連続部を有さないものであり、好ましい形態の一つとして、当該曲線部において屈曲部を有さないものが挙げられる。例えば、チューブは、概して円状、長円状、楕円状、卵形状、或いは、カルトゥシュ形状のような一部に扁平部を有するような形状であってよい。チューブは少なくとも１８０°の角度範囲を定めるようなものとされていることが好ましく、より好ましくは少なくとも２７０°である。好ましい形態において、スリット部分が相対的に小さな角度範囲を定めるようなものとされ、チューブがほぼ閉じられるようにされ、例えば、チューブが３３０°〜３６０°の角度範囲を定めるようなものとされる。好ましい形態の一つとして、チューブが３６０°超の角度範囲を定めるようなものとされていてもよく、この場合、スリットとなる第１部材の端部は互いに重なり合うものとされる。

原則、ほぼすべての角度範囲が第１部材によって定められる。どのような角度を採用しようとも、伸展・捲回の際、第２部材が第１部材よりも伸縮する必要があるため、第１部材が第２部材よりも軸方向に沿って強固であることが好ましい。また、第１部材が等方性であり、ねじれ剛性を決定する係数であり強固な構造を形成するための係数である、４５°方向係数よりも実質的に大きな軸方向係数を有することが好ましい。

好ましくは、第１部材の端部が接続部を越えて円周方向に伸びるように、第１部材の内側において第２部材が接続される。

第１部材及び第２部材は、概して「薄く」、第１部材に係るコイルの隙間に第２部材が配置されるようにして、より容易に捲回され得るものとされる。通常、部材の伸展方向に伸びる第１部材の端部同士は、重なり合うか、隙間が設けられるかされ、チューブにスリットを形成する。当該端部同士は直線状且つ平行であることが好ましい。第２部材の第１部材への接続部同士は、互いに平行で、伸展方向において第２部材に沿って伸びていることが好ましい。

当該部材は、コイル状態及び伸展状態に可逆的に変形可能とされることが好ましい。

一実施態様において、伸展部材はコイル状態から伸展状態へと徐々に変形可能とされる。これにより、部材をコイル状態から所望の長さへと徐々に伸展することができる。

一実施態様において、第１部材の幅と、第１接触部及び第２接触部の間の第２部材の幅と、が同一である。これにより、第１部材及び第２部材を互いに平らに配置し易くなるとともに、捲回し易くなる。

一実施態様において、第２部材は第１部材の内側表面に接続されている。

一実施態様において、第２部材の少なくとも一部は、伸展状態時に、余剰の軸力を実質的に有しておらず、且つ、第１部材よりも大きな軸方向圧縮力を有しており、捲回によって生じる経路差に起因する歪みに対して破損することなく耐え得るものとされている。

一実施態様において、第２部材の少なくとも一部は、コイル状態時に、残留軸力を実質的に有しておらず、且つ、前記第１部材よりも大きな軸方向弾性力を有しており、伸展によって生じる経路差に起因する歪みに対して破損することなく耐え得るものとされている。

一実施態様において、第２部材の少なくとも一部が、伸展状態及びコイル状態の間の曲率半径を有した状態において、余剰の軸力を実質的に有しておらず、第２部材が大きな軸方向圧縮力及び／又は大きな軸方向弾性力を有している。

一実施態様において、伸展状態において、第２部材が接触部を介して第１部材に合力を付与しており、伸展可能部材が折れ曲がることがなく、伸展可能部材に作用するモーメントが平衡を保たれるように、接触部が第１部材の慣性軸上又は慣性軸に近接するように配置されている。

仮に負荷、例えば、伸展時の引張荷重がかけられた状態で接続され、且つ、伸展されたSTEMの慣性中心に接続部がない場合（大きな重なりを有さない限り、スリットによって、STEMの幾何学軸上ではなくなると解される）、張力によってSTEMは曲線状となると言える。STEMの幾何学中心ではなく慣性中心へと接続位置を変動させることで、当該張力のバランスをとることができ、STEMの軸方向に沿って合計モーメントが作用することがない。それゆえ、STEMは真っ直ぐとなる。

一実施態様において、伸展状態において、第２部材が接触部を介して第１部材に合力を付与しており、合計モーメントの作用によって伸展可能部材が予め決定された曲げ状態となるように接触部がスリットチューブの慣性軸からオフセットされている。

接続位置を慣性中心から意図的に遠ざけることで、慣性中心に対して一方側或いは他方側に合計引張荷重を付与しつつSTEMを伸展させることができ、伸展時に湾曲状とすることができる。圧縮荷重の場合は、接続箇所は反対方向に変位する。

一実施態様において、第２部材を複数備え、複数の該第２部材が第１部材の長手方向に沿った複数の区域にて連結されている。第２部材の当該区域の間に形成される隙間によって、第２部材にかかる合計負荷が、当該隙間内で緩和され、コイル状態とした場合に第２部材の座屈変形が防止される。ただし、チューブにねじれ剛性及び軸方向剛性を付与するためには、第２部材に係る当該区域を十分に長いものとする必要がある。これについては、チューブの形状や用途にある程度依存する。好ましい形態において、当該区域の長さは、少なくとも第１部材の最大径とし、より好ましくは第１部材の最大径の少なくとも２倍とする。好ましい形態において、当該区域の長さは、少なくとも、最もきつく捲回された場合における部材の３６０°長さとする。

一実施態様において、第２部材の長手方向に沿って、第２部材が相対的に大きな軸方向弾性力を有する部分と相対的に小さな軸方向弾性力を有する部分とを有している。小さな軸方向弾性力を有する部分によって、座屈変形なく、第２部材にかかる荷重を当該部分に分散させることができる一方で、第２部材のより剛性の高い部分によって、第１部材の引き締めが可能となる。

一実施態様において、第２部材は自然とコイル状とされる。これは、第２部材を座屈変形させることなく第１部材及び第２部材を一体で捲回するための他の手法を与えるものである。

一実施態様において、第１部材は、チューブ状の伸展状態である第１安定状態と、コイル状態である第２安定状態との双方にて安定な状態とされている。これにより、伸展可能部材がコイル状態及び伸展状態において安定となり、コイル状態にある部材における残留エネルギーが小さくなり、コイル状態を保つために必要となる力も減少或いは除去される。

一実施態様において、第２部材は伸展状態及びコイル状態の双方にて安定な状態とされている。双安定な第２部材によっても、コイル部材における残留エネルギーを小さくすることが可能である。

一実施態様において、第１部材及び第２部材の間の一又は全ての接触部において、ヒンジ或いは弾性部分を有する。通常、ヒンジの柔軟性が増大するほど、第１部材と第２部材との間において曲率半径が小さくなる。これは伸展時において第２部材を第１部材に近接して配置したい場合に好適な態様であって、部材に高いねじれ剛性を付与することができる。ただし、この形態にあってはヒンジ部分により大きな負荷がかかる。それゆえ、所望に応じて、曲率半径を大きくして当該負荷を減少させ、部材の動作寿命を延ばすようにしてもよい。

一実施態様において、第２部材及び第１部材の間の一又は全ての接触が、第２部材に別々又は一体に形成された弾性部分によるものである。

本発明の第２の態様は、コイル状態及び伸展状態に変形可能な伸展可能部材の製造方法であって、
弾性を有する少なくとも一つの第２部材を、第１部材の異なる円周箇所である第１箇所及び第２箇所へと接続する工程を備え、
第１部材は、弾性的にバイアスが付与されてスリットチューブ状となり得るシート部分を備え、スリットチューブがスリットにおいて開口して扁平断面にて開状態となり得るものであり、
伸展状態において、第１部材がスリットチューブ状とされ、第２部材の弾性によって、第２部材の少なくとも一部が第１部材のスリットに向かって変位して、第１部材にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与し、
コイル状態において、第１部材が開状態とされ、第２部材が第１部材の扁平断面と一致するように、第１部材と第２部材とがともに捲回可能とされる、製造方法である。

一実施態様において、第１部材及び第２部材の間の隙間部分は、部材の長手方向の少なくとも一部又は全てにおいてシールされており、シールされた隙間部分へと流体圧力が供給される開口部を有する。

本発明の第３の態様は、上記の伸展可能部材を伸展する方法であって、開口部に流体圧力を供給して、シールされた隙間部分へと流体を侵入させることで伸展可能部材を伸展させる工程を備える、方法である。

これにより、第１部材と第２部材との間の隙間部分に流体により圧力を加えることによって、例えば気体又は液体を開口部に供給することによって、簡易且つ使い勝手のよい部材伸展法が提供される。シールされた隙間部分が「ポケット」を形成し、流体圧力によってチューブ状へと「膨張」させることができ、部材を伸展させることができる。

好ましくは、第１部材及び第２部材の間の隙間部分は、部材の長手方向の少なくとも一部又は全てにおいてシールされており、第１開口部及び第２開口部が長手方向の異なる箇所に設けられている。

本発明の第４の態様は、導管を提供する方法であって、材料が第１開口部と第２開口部との間に導通されることによって、第１開口部と第２開口部との間に導管が形成されるように上記の伸展可能部材を伸展する工程を備える、方法である。

これにより、使い勝手のよい材料供給方法が提供される。当該材料は基本的にはいかなる流体であってもよく、すなわち、加圧により第１開口部に供給される液体又は気体、或いは、微粒子材料といった流動可能材料、或いは、その他適切な材料であってもよい。

本願において、「一例としては」或いは「好ましくは」などと記載される特徴については、本発明に係る形態とともに他の一以上の特徴と組み合わされ得るものとして解釈しなければならない。

添付の図面を参照しつつ、本発明に係る実施態様の一例について説明する。

コイル状態とされた伸展可能部材の一例を示す。 従来の伸展可能部材における伸展部分の断面を示す。 従来の伸展可能部材におけるコイル部分の断面を示す。 実施形態に係る本発明の伸展可能部材の一例を示す。 実施形態に係る本発明の伸展可能部材の一例について、その伸展部分の断面を示す。 実施形態に係る本発明の伸展可能部材の一例について、そのコイル部分の断面を示す。 伸展可能部材における座屈変形の生じ方の一例を示す。 実施形態に係る本発明の部材の他の例について、その伸展部分の断面を示す。 実施形態に係る本発明の部材の他の例について、その伸展部分の断面を示す。

図３に、本発明の一実施形態に係る伸展可能部材１０の一例を示す。伸展可能部材１０は、コイル部１１、伸展部１２及び遷移部１３を有しており、遷移部１３において当該部材１０はコイル状態１１から伸展状態１２へと遷移している。当該部材１０は、第１部材１４を備えており、当該第１部材１４はその長さ方向に沿って連続的又は断続的に１以上の第２部材１５と連結されている。

第１部材１４は、スリットチューブを形成するために弾性的にバイアス付与されたシート材を備えてなるものである。伸展された部材は、長さ方向に沿って軸方向に伸びるスリットを備えたチューブ状となっており、これにより、第１部材をスリットにおいて広げて平坦状とし、捲回することが可能となる。

第１部材１４は、例えば、金属シート或いは複合構造からなり得る。好ましくは、耐損傷性の観点から、第１部材１４は丈夫で弾力のあるシートからなる。好ましい態様において、第１部材は双安定材料からなり、伸展状態及びコイル状態において安定なものとされ、少ない力で部材１０をコイル状態に保つことができる。

本実施形態にあっては、図４Ａに最も明確に示されているように、伸展状態における第１部材１４の断面がほぼ円形状とされ、第１部材１４の端部１６同士が接触しない、すなわち断面において隙間を有するものとされている。ただし、当業者は、本開示事項に基づき、第１部材１４を断面において円形状ではない形状としてもよく、完全な円形状といったような、端部が閉じた断面形状、或いは、部材角度範囲が３６０°を超えるような、端部が重なり合った断面形状、を有するものとしてもよい。

第１部材１４をねじれ方向に強化するために、当該第１部材１４の２つの側部に、何らかの形で、１以上の第２部材１５が連結され、部材を「閉じて」、一の中空部材が形成される。以下に一例を示す。

図４Ａ及び４Ｂの断面図に最も明確に示されているように、一又は各々の第２部材１５は、円周上の２つの接続箇所１７（断面視）にて、第１部材１４に接続されている。第２部材１５は、弾性的に湾曲した部分を有している。第２部材１５は、２つのヒンジ機構１７によって第１部材１４へと取り付けられており、これにより、第２部材１５は、第１部材１４の軸方向に沿って、当該第１部材１４に対して相対的に位置決めされ得る。部材１０が伸展した場合、第１部材１４はスリットチューブを形成し、第２部材１５は当該スリット、第１部材１４の曲面に向かって変位する。これにより、第２部材１５は第１部材１４のスリットを「架橋」して、「一の中空部材」を形成する。伸展されていない時は、第１部材１４はスリットにて広げられて平坦とされ、ヒンジ１７によって第２部材１５は第１部材１４に沿って平坦とされて、第１部材１４とともに捲回された状態となる。

第２部材１５が伸展時に第１部材１４においてスリットに向かって変位し、捲回時に第１部材に沿って平坦となるように、第１部材と第２部材との間を柔軟に結合してもよい。上述の通り、ヒンジ機構１７又はそれに替わる柔軟な片を用いることができる。これにより、第２部材１５は第１部材１４に対して位置決めされ、第２部材１５が第１部材１４の開口部に近接するような小さな曲率半径が得られる。これにより、部材１０に良好なねじれ剛性を付与できる。ただし、このような配置はヒンジ部分に大きな応力・負荷をかける虞があり、部材１０の動作寿命を短縮する虞がある。ヒンジ機構１７又は柔軟な片は、第２部材と一体に形成されていてもよいし、別個に設けられてもよい。

図４Ａ及び４Ｂにもどって、ヒンジ部１７は、第１部材１４の内側表面のうち、第１部材１４上の約１８０°離れた位置であってスリットから等距離の位置にある。部材１０が広げられて容易に平坦状とされるようにするためには、平坦とされた時の第２部材１５のヒンジ１７間距離は、平坦とされた時の第１部材１４上のヒンジ間距離とほぼ同一とする。当該距離は図４ＢにＤ１として示される。ヒンジ部１７を越えて伸びる第１部材１４の部分の長さはＤ２及びＤ３である。本実施形態においてはＤ２＝Ｄ３である。ただし、下記により詳細に説明するように、ヒンジ部分の位置は所望に応じて変化させることができる。

図７に伸展可能部材１０の他の実施態様を示す。当該実施態様では図４Ａ及び４Ｂに係る態様とは、第２部材１５の配置が異なっている。図７に示す例にあっては、第２部材１５が、第１部材１４の端部１６近傍に取り付けられている。また、第１部材１４の接続部間距離（Ｄ１）と第２部材１５の接続部間距離とが等しいものとされており、捲回時、第２部材１５が第１部材１４に沿って平坦とされ得る。第２部材の曲線部１５ａをスリットへと変位させるために、第２部材１５は曲線部１５ａとヒンジ１７との間に、曲線部１５ａとは反対方向に湾曲し得るような柔軟な部分１５ｂを有している。この部分は曲率半径が大きいため、曲線部１５ａが第１部材１４に近接することはない。しかしながら、これはヒンジ部分及び柔軟な部分１５ｂに作用する応力・負荷がより小さくなることを意味し、部材１０の寿命を延長することができる。実際には、所望に応じて、ヒンジ１７を完全に省略することができ、柔軟な部分１５ｂのみを採用して曲線部１５ａを変位させ得るようにしてもよい。この構成によれば、第１部材の端部に第２部材の端部を接着或いは固定することで構造を簡略化することができ、スリット近傍の第１部材１４の端部を強化することもできる。

伸展可能部材１の構造に関して重要なことは、伸展可能部材１０が第１部材１４と第２部材１５との間の経路差なしで、すなわち、損傷或いは伸展可能部材１０の寿命を縮めるような部材１４、１５の座屈変形の原因となる経路差なしで捲回できることである。図５に、座屈変形の生じ方の典型例を示す。図５は内部部材２０１と外部部材２０２とを備える部材２００のコイル部の長軸方向断面を示しており、内部部材２０１の曲率半径（ｒ１）が外部部材２０２の曲率半径（ｒ２）よりも小さくなり、経路の短さを相殺するために内部部材２０１が座屈変形させられる結果となる。座屈変形の防止とともに、伸展可能部材の曲げ物性及び／又はねじれ物性に実質的に寄与するように、部材２００はフープ曲げ、又はフープねじれ、又はこれら双方に対して十分に高い係数を示す必要がある。

以下、座屈変形に係る問題に対応し得る形態について例示する。

座屈変形に対応する一つの方法として、連続する第２部材１５を、部材１０の捲回時及び／又は伸展時において経路差を打ち消し得る十分に小さな軸方向剛性／係数を有するように設計することが挙げられる。すなわち、第２部材１５は、相対的に大きな軸方向のねじれ及びフープ係数を有しつつ、相対的に小さな軸方向圧縮率を有するとともに大きな軸方向圧縮破断歪みを有するか、或いは、小さな軸方向引張係数を有するとともに大きな軸方向圧縮破断歪みを有するか、或いは、その両方を有する（以下に説明する因子により適宜選択する）ように物性設計された材料からなる。「破断歪み」は、破断に至るまでに材料が受け得る、当初長さ／幅に係る百分率としての歪み量である。

設計に際しては、当該材料は高い等方性を有する。例えば、分子量若しくは結晶構造の結果としてこれら特性を示す材料を用いることにより、又は、例えば、繊維を交差模様状に配置したような、強化繊維の位置及び配向によって当該等方性を生じさせる繊維強化複合材料（Fibre Reinforced Composites: FRPs）を用いることによって、第２部材１５にそのような特性を付与し得る。或いは、交差模様状に打ち抜かれた金属シートを用いてもよい。これら手法それ自体については公知であり、ここでは詳述はしない。そういった等方性材を得るその他の方法であっても、第２部材の製造に適用でき、本願にて説明する伸展可能部材１０の生産に用いるのに適用できると言える。

座屈変形に対応するその他の方法としては、相対的に大きな軸方向係数及び小さな軸方向破断歪みを有する部分を、相対的に小さな軸方向係数及び大きな軸方向破断歪みを有する部分に組み入れて、相対的に小さな軸方向係数及び大きな軸方向破断歪みを有する部分において部材１４、１５間の経路差に由来する累積歪みを緩和可能とするといったように、第２部材１５の軸長さ方向に沿って断続的に特性が変化するように設計された材料によって、連続する第２部材１５を構成することが挙げられる。これにより、経路差によって座屈変形させることなしに伸展可能部材１０を捲回することができる。このような結果を得るために、種々の好適な手段を採用し得る。そのような手段としては、特に限定されるものではないが、第２部材１５の厚さを断続的に変化させること；FRPにより第２部材１５を構成する場合は強化繊維層について断続的に変化させること；軸方向圧縮特性若しくは軸方向引張特性若しくはその両方が異なる２以上の部材を結合して連続的な第２部材１５を得ること；又はこれらの組み合わせ；或いはその他適切な手段が含まれる。

座屈変形に対応するさらにその他の手段としては、第１部材１４の軸方向に沿って隙間をあけて複数の第２部材１５を配置することが挙げられる。これにより、当該隙間において経路差に由来する累積歪みを緩和することができ、経路差によって座屈変形を生じさせることなく伸展可能部材１０を捲回することができる。ただし、最適なねじれ剛性効果を維持するために、所定長の伸展可能部材に対する第２部材１５の長さを適切なものとする必要がある。

所望に応じて、上記の３つの手法を組み合わせてもよい。例えば、第１の場合及び第２の場合にて示したような特性を有する第２部材を複数の領域に設けるものとしてもよい。

一又は複数の第２部材１５は、種々の方法で第１部材に取り付けることができる。

第１の方法は、伸展可能部材が伸展状態において実質的に残留応力がない場合に採用可能である。これは、例えば、伸展状態又は真っ直ぐな状態で二つの部材１４、１５を取り付けることによって達成できる。この場合、捲回可能なように、第２部材１５の軸方向圧縮率を設計しなければならない。言い換えれば、第２部材１５は経路の短縮化を座屈変形なしに相殺可能とするのに十分な軸方向圧縮性を備えつつ、捲回の際、第１部材１４に追従するものとされる。

第２の方法は、伸展可能部材がコイル状態において第１部材１４の略径方向に実質的に残留応力がない場合に採用可能である。これは、部材１４、１５を接合させながらそれらを捲回する又は一部折り曲げることによって達成できる。この場合、捲回可能なように、第２部材の軸方向引張係数を設計しなければならない。言い換えれば、第２部材１５は、増加する経路長さを座屈変形なしに相殺するのに十分な軸方向「弾性」を備えつつ、伸展の際、第１部材１４に追従するものとされる。好ましくは、伸展可能部材１０は、コイル状態において長さ方向に沿ったある位置、すなわちコイル状態とされた場合に大きく屈曲することで応力が最大となり得るような半径の小さな部分、において残留応力がないものとされる。より好ましくは、伸展可能部材１０は、長さ方向に沿って第２部材１５の材質を最適化することにより、ほぼ全長若しくは全長において残留応力がないものとされる（下記にて詳述する。）。

第３の方法は、伸展可能部材１０が真っ直ぐな伸展した状態（上記ケース１）とコイル状態（上記ケース２）との間の曲率半径にある場合に採用可能である。これについても、部材１４、１５を接合させながらそれらを一部折り曲げることによって達成できる。この場合、捲回可能なように、第２部材１５の軸方向圧縮率、軸方向圧縮破断歪み、軸方向引張係数、及び軸方向引張破断歪みを設計しなければならず、第２部材１５は、座屈変形なしに経路差について相殺するのに十分な軸方向「弾性」を備えつつ、伸展の際、第１部材１４に追従するものとされる。

コイル状態にある第１部材１４の半径については、コイルサイズの増大にともない変化すると言える。それゆえ、捲回時にSTEMが自然に形成する曲率半径にて接合を実施した場合（すなわち、上述の第２の接合方法を用いた場合）、当初歪みがなかったとしても、捲回数の増加に伴い、STEMは軸方向及び接合歪みを増大させると考えられる。第１部材１４についてもコイルサイズの増大とともにその曲率半径を増大させることがキーとなる。したがって、接合歪みは、コイルサイズに応じて増大するものの、自然状態の第２の半径（natural secondary radius）に対してコイルが極めて大きくなるまでは最小に留められる。上述の第１の方法の場合も同様であるが、感覚としては逆となる。第３の方法は第１の方法と第２の方法との中間であり、すなわち、中立点が最小のコイル状態と伸展状態との間にあると考えられる。

ヤードグッズとされたわけでなく、コイル長さが分かっている場合は、コイルの半径が接続箇所において変化し得る。例えば、コイル状態において全ての箇所について接合歪みをゼロとする（若しくは、±を維持する、若しくは所望に応じた他の方法により変化させる）。

長さ方向に沿った第２部材１５の軸方向圧縮／引張剛性を変化させることも考えられる。この方法においては、半径が変化するにつれて（局所的な曲率が増大するにつれて経路差は減少する）局所歪みが調和するように圧縮性／伸展性の度合いを変化させることができる。

第２及び第３の方法を採用する場合は、部材１０が伸展状態にあるとき、第２部材１５上の合力は引張力であり、第１部材１４上の合力は圧縮力となる。これにより、第１及び第２部材１４、１５の間の接続部、例えばヒンジ機構１７に「負荷」がかかり、すなわち、接続部に作用する合力が存在する。これにより、部材の自然曲げ軸（又は慣性軸）周りに接合が生じ、当該接合は伸展時に部材１０を曲げる傾向にある。多くの適用例において、伸展された部材１０が真っ直ぐであることが望ましいと考えられる。したがって、伸展時において、部材１０の曲げに関しての、接合の影響を制御し得ることが望ましい。このため、ヒンジ１７は、第１部材１４の自然に曲がりやすい湾曲軸上となるように又はこれに近接するように位置決めされ、真っ直ぐで慣性的にバランスのとれた伸展可能部材１０とすることができる。

図６に、円形の断面形状を有する部材１０の一例を示す。チューブにスリットのない完全な円形の断面形状にあっては、自然に湾曲し易い湾曲軸は、当該円形の中心を通る幾何学軸１８とほぼ一致するものと考えられる。しかしながら、チューブにおけるスリットの存在により、チューブのその部分が弱められ、当該スリットからさらに遠くに、自然に湾曲し易い湾曲軸１９（又は慣性軸）が生じる。ヒンジ１７を介して作用する引張力及び圧縮力の合力が部材１０を屈曲させる接合を生じさせないように、接続部１７は、第１部材の幾何学軸１８から、スリットから遠ざかる方向にオフセットされており、湾曲軸１９上、又はこれに近接するものとされている。

或いは、応用例の一つに、湾曲／アーチ状とされた伸展可能部材１０を意図的に作り出したものでもよい。これは、所望に応じて、部材１０に係る特定の材料特性が付与された部材を湾曲させるのに必要な接合を意図的に作り出すような適切な箇所に、ヒンジ部１７を位置決めすることによって達成することができる。

したがって、ヒンジ部１７の位置を適切なものとすることで、部材１０に作用する合力について再びバランスをとることができ、伸展時の部材１０の形状を制御することができる。

第１部材１４とともに捲回可能とするための第２部材１５の設計方法の他の例として、自然にコイル状態となるような第２部材１５とする、すなわち、本来の状態が曲げられた状態にある第２部材１５とすることが挙げられる。これにより、自然と捲回しやすくなり、圧縮下で第１部材に向かって第２部材がフォースアウトされやすくなって、拘束力として働くその存在によって座屈変形が防がれる。これにより、第１部材から離れて自然に湾曲する材料にて、わずかに異なる手段によって、引張／圧縮動作に変更した場合と同じ結果が得られる。

例えば、いわゆるリストスラッパー（wrist slapper）デバイスで用いられるような、金属又は予め応力付与された第２部材１５を用いることができる。これらは、自然にコイル状になる金属ストリップであって、折り目がつけられて又はそうでなければ部材の中央にそって形成されて、断面形状において局部集中された「Ｖ」形状とされたものを備えている。この折り目は、真っ直ぐな形状へと伸展された場合に、金属ストリップに「一触即発」の安定性を付与する（すなわち、極めて少しの力でリストスラッパーが捲回される）。複合材を用いた部材としてもよい。これにより、第２部材の自然捲回半径が十分にタイトな状態であれば、接合による軸方向の応力の問題を生じさせずに一体捲回及び双安定可能となる。第２部材の軸方向剛性については、大きく、且つ、そもそも付与されている湾曲によって部材が曲がり得るものとしたい。この課題を解決し得る数学的解決法がある。

座屈変形なく第１部材１４とともに第２部材を捲回する方法の他の例として、第２部材１５を双安定とする、すなわち、負のポアソン係数を有するものとすることが挙げられる。全ての双安定な捲回可能部材において利用されるものと同じ力であることから、負のポアソン係数を有する材料により第１部材１４とともに自動的に一体捲回される第２部材１５を得ることができる。負のポアソン係数を有する材料であれば、第１部材の軸に沿って広げられて捲回されたときに、凸面及び凹面が逆向きとされて自然に捲回されると言える。正のポアソン係数を有する材料にあっては、凸面及び凹面が、かえって維持されてしまう。

図７の例においては、２つの柔軟な部分１５ｂが、第１部材１４の曲率半径と同じようにして曲率半径を有している。これは、双安定であるための第１条件をそれらの形状が満たせば、第１部材１４及び第２部材１５が自然と一体捲回されることを意味する。双安定となる形状とするための種々の手法（例えば、材料を構成する複数の層において強化繊維を配向させる等）それ自体については公知であり、ここでは詳述しない。

STEM材が、第１の湾曲軸に沿って平坦に広げられた場合に第１の湾曲軸に対して所定角度で第２の湾曲を生じさせるのに十分な合計ポアソン比を有するものであれば；また、第２の湾曲が形成される一方で、当初の湾曲軸に沿った座屈変形を防止するのに十分な剛性でもってSTEMが湾曲するために、この第２の湾曲が十分大きなものであれば、これらの状況が当てはまる。材料の等方性について操作して、これらの影響をさらに修正してもよい。例えば、第２の湾曲軸に沿った圧縮について剛性を有する材料は、第２の湾曲を形成するものと言え、当該第２の軸に沿って材料が圧縮できないことでポアソン由来の力が増幅されるため、当該第２の湾曲は、第１の湾曲軸に沿った圧縮及び／又は曲げについて剛性を有する同様の合計ポアソン比を有するものよりも小さくなると言える。どの場合でも当てはまるというわけではないが、ほとんどの双安定性部材について、最適構造は、STEMの表面に向かって最も大きなポアソン比を有する材料とし、一又は双方について、材料平面の中立となる曲げ軸に向かって、より小さなポアソン比及びより大きな軸方向剛性を備える材料とする。これにより、伸展状態のSTEMの全体的な剛性を確保する一方で、ポアソン比による影響を最大化して捲回及び／又は実際の双安定を容易とするとともに、局所曲げ剛性を最小化できる。

伸展可能部材の製造にあたって考慮すべき重要なことは、ある手段によって、二つの間の重なり合う領域において、第１部材の内側面と第２部材の外側面とを、可逆的又は不可逆的に、連続的又は断続的に、接合することである。そのような接合によれば、第１部材１４のスリット端部の外側への湾曲開始を遅らせることで、伸展可能部材の性能をさらに向上させることができる。そのような手段としては、特に限定されるものではないが、ベルクロ（商標）、接着剤、溶接法、リベット、ねじ留め、ボルト締め、ステッチ、ピン留め、或いは、当該目的に好適と思われるその他手段を用いることが含まれる。

ある実施形態においては、伸展時に第１部材１４の端部を、可逆的又は不可逆的に、連続的又は断続的に、接合してもよい。そのような接合によれば、第１部材１４のスリット端部の外側への湾曲開始を遅らせることで、伸展可能部材の性能をさらに向上させることができる。そのような手段としては、特に限定されるものではないが、バックル、ベルクロが固定されたストラップ、ジッパー、粘着テープ、機械的なラッチ、或いは、当該目的に好適と思われるその他手段を用いることが含まれる。

本発明は、多くの実施形態が実現されるものである。これらは、簡略なSTEMやBRC或いはこれらの組み合わせを活用し得るもので、多くの変形品を活用した広範な種々の材料から得られるものである。実例により本発明の一例について、その製造手段とともに説明する。

好ましい実施形態において、双安定コイラブルコンポジット（bistable coilable composite, BRC）が第１部材１４に用いられる。これは、当業者にとっての通常の方法によって、自然にコイル状となる半径が、所望の最終捲回半径の伸展可能部材１０が得られるように第２部材１５の合計圧縮率と結びつけられるような因子によって生成される、伸展可能部材１０に係る、所望の捲回半径よりも小さくなるようにして製造することができる。湾曲された第２部材１５は、その外部半径が第１部材１４の内部半径と等しく、平坦とした場合のその幅が第１部材１４の内周の半分であって、繊維がフープ内に軸方向に対して±４５°の角度にて配置されている繊維強化樹脂により得られるものであり、部材の軸方向引張及び圧縮率を小さくでき、軸方向圧縮破断歪みを大きくでき、フープ及びねじれ荷重面についての係数を相対的に大きくできる。柔軟性のある膜、或いは、複数の膜、或いは、ストリップ、或いは、複数の織布ストリップが、第２部材１５の表面に、当該第２部材１５の端部に沿ってフラップを残すようにして、接着される。これらフラップが軸方向に沿って第１部材１４の内表面に取り付けられて、伸展可能部材１０が形成される。

本願発明は、貯蔵・輸送のためにコンパクト化され得る構造体が必要な場合や、大きく拡張して直線的に作動する手段が必要な場合等のいずれにおいても役に立つと言える。本発明の適用例としては、特に限定されるものではないが、ロボットアームの提供、アンテナ、カメラ、センサ、その他装置用のマスト、建物や橋といった一次的又は永続的な構造、或いは、本願発明に係る特性が必要とされるその他の用途が含まれる。

伸展可能部材１０は、伸展可能部材を伸展させるための従来の手段のいずれによって伸展してもよい。例えば、自動的に部材を捲回及び／又は捲出する手段を用いてもよいし、手動で伸展させてもよい。

一実施形態において、第１部材と第２部材との間の空間についてシールしてもよい。これにより、加圧流体すなわち気体又は液体を、当該空間への開口部を介して、第１、第２部材１４、１５の間に形成される当該空間内に供給することで、部材を伸展させることができる。部材は、流体の導入が容易となるように、当該開口部に固定されたバルブ或いはその他の好適な機械的取付部を有していてもよい。これは、部材１０を伸展するための実用的な手段となる。

部材１４、１５の間を、長さ方向の異なる箇所に開口部を有するシールされた空間とすることで、種々の用途へと適用可能性のある導管とすることができる。これは、例えば、開口部間で気体、流体又はその他の材料を流通させる場合に使用可能である。当該部材は、材料導入を容易とするために、開口部にバルブ或いはその他適切な機械的取付部が固定されていてもよい。一実施形態において、本願発明は、捲回可能且つ伸展可能な導管或いはパイプとすることができる。

本願発明の実施形態について、図示した実施例を参照しつつ説明したが、本願発明の記載範囲内において、当該実施例に対して種々の変形、修正がなされ得るものと解されるべきである。

Claims (21)

1. コイル状態及び伸展状態に変形可能な伸展可能部材であって、
   弾性的にバイアスが付与されてスリットチューブ状となり得るシート部分を備え、該スリットチューブが該スリットにおいて開口して扁平断面にて開状態となり得るものとされた第１部材と；
   前記第１部材の異なる円周箇所に各々接触する第１接触部及び第２接触部を有する少なくとも一つの第２部材と；
   を具備し、
   前記伸展状態において、前記第１部材が前記スリットチューブ状とされ、前記第２部材の弾性によって、該第２部材の少なくとも一部が前記第１部材の前記スリットに向かって変位して、該第１部材にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与し、
   前記コイル状態において、前記第１部材が前記開状態とされ、前記第２部材が前記第１部材の前記扁平断面と一致するように、前記第１部材と前記第２部材とがともに捲回可能とされている、
   伸展可能部材。
2. 前記コイル状態から前記伸展状態へと徐々に変形可能である、請求項１に記載の伸展可能部材。
3. 前記第１部材の幅と、前記第１接触部及び前記第２接触部の間の前記第２部材の幅と、が同一である、請求項１又は２に記載の伸展可能部材。
4. 前記第２部材が前記第１部材の内側表面と接触している、請求項１〜３のいずれかに記載の伸展可能部材。
5. 前記第２部材の少なくとも一部が、伸展状態時に、余剰の軸力を実質的に有しておらず、且つ、前記第１部材よりも大きな軸方向圧縮力を有しており、捲回によって生じる経路差に起因する歪みに対して破損することなく耐え得るものとされている、請求項１〜４のいずれかに記載の伸展可能部材。
6. 前記第２部材の少なくとも一部が、コイル状態時に、残留軸力を実質的に有しておらず、且つ、前記第１部材よりも大きな軸方向弾性力を有しており、伸展によって生じる経路差に起因する歪みに対して破損することなく耐え得るものとされている、請求項１〜４のいずれかに記載の伸展可能部材。
7. 前記第２部材の少なくとも一部が、前記伸展状態及び前記コイル状態の間の曲率半径を有した状態において、余剰の軸力を実質的に有しておらず、前記第２部材が大きな軸方向圧縮力及び／又は大きな軸方向弾性力を有している、請求項１〜４のいずれかに記載の伸展可能部材。
8. 前記伸展状態において、前記第２部材が前記接触部を介して前記第１部材に合力を付与しており、前記伸展可能部材が折れ曲がることがなく該伸展可能部材に作用するモーメントが平衡を保たれるように前記接触部が前記第１部材の慣性軸上又は慣性軸に近接するように配置されている、請求項６又は７に記載の伸展可能部材。
9. 前記伸展状態において、前記第２部材が前記接触部を介して前記第１部材に合力を付与しており、合計モーメントの作用によって前記伸展可能部材が予め決定された曲げ状態となるように前記接触部が前記スリットチューブの慣性軸からオフセットされている、請求項６又は７に記載の伸展可能部材。
10. 前記第２部材を複数備え、複数の該第２部材が前記第１部材の長手方向に沿った複数の区域にて連結されている、請求項１〜９のいずれかに記載の伸展可能部材。
11. 前記第２部材の長手方向に沿って、該第２部材が相対的に大きな軸方向弾性力を有する部分と相対的に小さな軸方向弾性力を有する部分とを有している、請求項１〜１０のいずれかに記載の伸展可能部材。
12. 前記第２部材が自然とコイル状とされる、請求項１〜１１のいずれかに記載の伸展可能部材。
13. 前記第１部材が、チューブ状の伸展状態である第１状態と、コイル状態である第２状態との双方にて安定な状態とされている、請求項１〜１２のいずれかに記載の伸展可能部材。
14. 前記第２部材が前記伸展状態及び前記コイル状態の双方にて安定な状態とされている、請求項１〜１３のいずれかに記載の伸展可能部材。
15. 前記第１部材及び前記第２部材の間の一又は全ての接触部において、ヒンジ或いは弾性部分を有する、請求項１〜１４のいずれかに記載の伸展可能部材。
16. 前記第２部材及び前記第１部材の間の一又は全ての接触が、前記第２部材に別々又は一体に形成された弾性部分によるものである、請求項１〜１５のいずれかに記載の伸展可能部材。
17. 前記第１部材及び前記第２部材の間の隙間部分は、部材の長手方向の少なくとも一部又は全てにおいてシールされており、シールされた該隙間部分へと流体圧力が供給される開口部を有する、請求項１〜１６のいずれかに記載の伸展可能部材。
18. 前記第１部材及び前記第２部材の間の隙間部分は、部材の長手方向の少なくとも一部又は全てにおいてシールされており、第１開口部及び第２開口部が長手方向の異なる箇所に設けられている、請求項１〜１７のいずれかに記載の伸展可能部材。
19. コイル状態及び伸展状態に変形可能な伸展可能部材の製造方法であって、
    弾性を有する少なくとも一つの第２部材を、第１部材の異なる円周箇所である第１箇所及び第２箇所へと接続する工程を備え、
    前記第１部材は、弾性的にバイアスが付与されてスリットチューブ状となり得るシート部分を備えており、該スリットチューブが該スリットにおいて開口して扁平断面にて開状態となり得るものであり、
    前記伸展状態において、前記第１部材が前記スリットチューブ状とされ、前記第２部材の弾性によって、該第２部材の少なくとも一部が前記第１部材の前記スリットに向かって変位して、該第１部材にねじれ剛性及び軸方向剛性を付与し、
    前記コイル状態において、前記第１部材が前記開状態とされ、前記第２部材が前記第１部材の前記扁平断面と一致するように、前記第１部材と前記第２部材とがともに捲回可能とされる、
    製造方法。
20. 請求項１７に記載の伸展可能部材を伸展する方法であって、前記開口部に流体圧力を供給して、シールされた隙間部分へと流体を侵入させることで該伸展可能部材を伸展させる工程を備える、方法。
21. 導管を提供する方法であって、
    材料が第１開口部と第２開口部との間に導通されることによって、第１開口部と第２開口部との間に導管が形成されるように、請求項１８に記載の伸展可能部材を伸展する工程を備える、方法。

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