JP2019215024A - 構造単位および構造部品 - Google Patents

Abstract

【課題】構造単位および構造部品の大きさに関わらず、容易に熱変形量を調整することができる構造単位および構造部品を提供する。【解決手段】構造部品１００を構成する構造単位１０は、両端に内外結合部３が設けられる、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃと、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの両端の内外結合部３に一体的に接合されるとともに、トラス状に配置される外側構造体２とを備え、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの剛性は外側構造体２の剛性よりも高く、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの線膨張係数と外側構造体２の線膨張係数とは互いに異なる。これにより、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量を、外側構造体２の材料特性に基づく本来の熱変形量から変化させ、調整することができる。【選択図】図２Ａ

Description

この発明は、二種類の構造体を有する構造単位および、複数の構造単位が連結されて形成される構造部品に関する。

従来、構造部品を構成する構造単位は、構造部品の熱変形量を調整するために、複合材料によって形成されることがある。例えば、特許文献１に記載される構造部品は、熱変形を小さくするために、セラミック殻に包まれた金属の構造体を有している。

また、特許文献２に記載される構造部品を構成する構造単位は、二種類の線膨張率が異なる角棒状材料からなるトラス構造を有している。各々の角棒状材料の間の角度は、構造単位の熱膨張率がゼロになるように定められ、事前に熱変形量が調整されている。

特許第４０９５５８４号公報 特開平１−１５４９４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載される構造部品では、構造単位自体の形状を変えることができないため、熱変形量を調整するために材料自体の開発が必要である。

また、特許文献２に記載される構造単位では、角棒状材料の間の角度を調整するために、角棒状材料同士の結合部が回動可能な機構となっている必要がある。このように回動可能な結合部構造は、比較的大型の構造物の構造単位でなくては実現できない。従って、特許文献２に記載される構造単位は、数十ｍｍ程度の比較的小型の大きさの構造部品には用いることができないという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、構造単位および構造部品の大きさに関わらず、容易に熱変形量を調整することができる構造単位および構造部品を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る構造単位は、両端に内外結合部が設けられる、少なくとも１本の内側構造体と、内側構造体の両端の内外結合部に一体的に接合されるとともに、トラス状に配置される外側構造体とを備え、内側構造体の剛性は外側構造体の剛性よりも高く、内側構造体の線膨張係数と外側構造体の線膨張係数とは互いに異なる。

この発明に係る構造単位および構造部品によれば、構造単位および構造部品の大きさに関わらず、容易に熱変形量を調整することができる。

この発明の実施の形態１に係る構造単位が周期的に複数連結されて形成される構造部品の一例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る構造単位を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位の外形を規定する仮想の直方体を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位をＸ方向に周期的に３個連結させた構造を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位をＹ方向に周期的に３個連結させた構造を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位をＺ方向に周期的に３個連結させた構造を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位の外側構造体の変形の一例を示す模式図である。 図２Ａに示す構造単位の外側構造体の変形の一例を示す模式図である。 図２Ａに示す構造単位の別例を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位の向きを変化させた前後の状態を示す斜視図である。 図２Ａに示す構造単位を、向きを交互に異ならせて連結させることにより形成される構造部品の一例を示す模式図およびその部分拡大図である。 この発明の実施の形態２に係る構造単位を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る構造単位を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る構造単位を示す斜視図である。 図１２Ａに示す構造単位を一方向に周期的に３個連結させた構造を示す斜視図である。 図１２Ａに示す構造単位の周期構造によって形成される構造部品の一例を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１〜９を用いて、実施の形態１に係る構造単位１０および構造部品１００について説明する。
図１に示すように、構造部品１００は、構造単位１０が複数連結されて形成される周期構造を有する。
図２Ａに示すように、構造単位１０の各々は、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃと、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの外側に設けられる外側構造体２とを有する。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、各々、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３方向に延びる３本の棒状部材である。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、各々の中心部分５で一体的に接合されている。また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの両端には、外側構造体２に点接合する内外結合部３が設けられる。

図２Ａに示すように、外側構造体２は、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々を底辺とする二等辺三角形Ｔ１の等辺の形状に沿って屈曲する、トラス状の構造となっている。外側構造体２の屈曲部分は外側結合部４を構成する。また、図２Ｂに示すように、構造単位１０の外側結合部４の各々は、仮想の直方体Ｐ１の各々の面上に配置される。外側結合部４の各々は、直方体Ｐ１の面の２本の対角線Ｑ１の交差点、すなわち中心点に重なるように設けられる。図３〜５に示すように、複数の構造単位１０は、各々、６個の外側結合部４を介して、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３方向に順次、周期的に連結される。

内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃはアルミニウム合金ＡｌＳｉ２０により形成され、外側構造体２はチタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖにより形成される。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々は、外側構造体２よりも直径が大きく、剛性が高い。また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々は、外側構造体２よりも線膨張係数が大きい。

以上より、この実施の形態１に係る構造単位１０では、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの剛性は外側構造体２の剛性よりも高い。これにより、温度環境が変化した際、外側構造体２は剛性が高い内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの熱変形に従って変形する。すなわち、外側構造体２は、本来の材料特性に基づく自由変形に拘束が加えられている。また、この実施の形態１に係る構造単位１０では、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃはアルミニウム合金であり、外側構造体２はチタン合金である。従って、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、外側構造体２よりも線膨張係数が大きい。そのため、図６Ａに示すように、温度が上昇した際は、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々が長さ方向に膨張し、その分、内外結合部３は外側に押し広げられる。これにより、トラス状に配置される外側構造体２の外側結合部４は変形量Ｄ１分だけ、構造単位１０の内側に移動し、構造単位１０の外形の大きさが小さくなる。従って、複数の構造単位１０により形成される構造部品１００も熱変形する。この時、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量は、外側構造体２のチタン合金の材料特性に基づく本来の熱変形量よりも小さくなる。

具体的には、図７に示すように、構造単位１０の内外結合部３同士の間隔Ｌ１を２．５ｍｍとし、外側結合部４同士の間隔Ｌ２を３ｍｍとし、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃをアルミニウム合金とし、外側構造体２をチタン合金とする。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの直径は０．３ｍｍであり、外側構造体２の直径は０．２ｍｍである。この場合、構造単位１０の熱変形、すなわち、外側結合部４間の熱変形を、チタン合金の材料特性に基づく本来の熱変形量の５％以下にすることができる。

また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃをチタン合金とし、外側構造体２をアルミニウム合金とした場合、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、外側構造体２よりも線膨張係数が小さくなる。従って、温度が上昇すると、図６Ｂに示すように、外側構造体２の膨張により、外側結合部４は変形量Ｄ２分だけ、構造単位１０の外側に移動する。この時、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量は、外側構造体２のアルミニウム合金の材料特性に基づく本来の熱変形量よりも大きくなる。

すなわち、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの材料と外側構造体２の材料との組み合わせに応じて、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量を容易に調整することができる。また、外側構造体２に対する内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの大きさを変えることでも、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量を容易に調整することができる。

また、図２Ａに示すように、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃと外側構造体２とは、内外結合部３を介して、一体的に接合される。よって、構造単位１０の内外結合部３に複雑な回動機構を設ける必要はない。そのため、構造単位１０および構造部品１００の大きさに関わらず、構造部品１００の熱変形量を調整することが可能になる。従って、３Ｄプリンタを用いて、複数の構造単位１０を連結させ、人工衛星に利用されるような数十ｍｍから数ｍの構造部品１００を製造することができる。

また、外側構造体２は、トラス構造であり、各々の内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃを底辺とする二等辺三角形の等辺の形状に沿って屈曲する。そのため、図２Ａに示すように、外側構造体２は、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの中心部分５と外側結合部４とを結ぶ中心線Ｓに対して、線対称的な形状となっている。これにより、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に対して、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量を均一かつ適切に調整することができる。

また、図２Ａに示すように、構造単位１０は、各々がＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に延びる３本の内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃを備え、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々は互いに直交するとともに、一体的に接合される。これにより、図３〜５に示すように、構造単位１０は、３方向に立体的に連結されるとともに、３方向に対して適切な熱変形量の調整を行うことができる。

さらに、図２Ｂに示すように、構造単位１０の外側結合部４の各々が、仮想の直方体Ｐ１の外形に沿った位置に設けられていることにより、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に対して、構造単位１０の熱変形量を立体的に調整しやすくなる。また、構造単位１０の外側結合部４の位置を定めやすくなる。

また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃおよび外側構造体２の材料を金属にすることにより、長期的に安定した構造単位１０および構造部品１００を得ることができる。
また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃおよび外側構造体２の材料の組み合わせを、アルミニウム合金およびチタン合金とすることにより、軽量で、腐食に強い構造単位１０および構造部品１００を得ることができる。これにより、構造単位１０および構造部品１００は、例えば、長期的に安定した変形特性を求められる人工衛星の部品として使用することができるようになる。

なお、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃおよび外側構造体２の材料の組み合わせは、アルミニウム合金およびチタン合金に限定されず、例えば、アルミニウム合金および鉄ニッケル合金であってもよい。アルミニウム合金は、一般的に入手できる金属材料の中では、最も大きな線膨張係数を有している。一方、鉄ニッケル合金は、一般的に入手できる金属材料の中で、最も小さな線膨張係数を有している。そのため、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量を、外側構造体２の材料特性に基づく本来の熱変形量から大幅に変化させることが可能となる。

また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃおよび外側構造体２の材料は金属に限定されず、樹脂材料であってもよい。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃおよび外側構造体２の材料として樹脂材料を用いることにより、構造単位１０および構造部品１００の熱変形量をさらに大幅に調整することができる。

また、図８に示すような、互いに９０度回転させて向きを異ならせた構造単位１０Ａ，１０Ｂを、図９に示すように、交互に連結させることにより構造部品１０１を形成してもよい。すなわち、隣り合って連結される構造単位１０Ａ，１０Ｂは、互いに向きが異なる。
構造単位１０は、向きによって剛性が異なり、また、３Ｄプリンタの製造方向に起因して、各々の構造単位１０に異方性が生じる可能性がある。そのため、構造部品１０１を形成する構造単位１０の向きを異ならせて連結させることにより、各々の構造単位１０の異方性の影響を最小限にすることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る構造単位２０の構成を図１０に示す。
構造単位２０は、互いに直交し、一体的に接合される２本の内側構造体２１ａ，２１ｂを有する。内側構造体２１ａ，２１ｂは、各々、Ｙ方向およびＺ方向に延びる。内側構造体２１ａ，２１ｂの各々の両端には、外側構造体２２に接合する内外結合部２３が設けられる。外側構造体２２は、４つの内外結合部２３の各々を頂点とする四角錐形状をなし、残る１つの頂点は、隣接する他の構造単位２０に接合する外側結合部２４を構成する。また、同時に、外側構造体２２は、内側構造体２１ａ，２１ｂの各々を底辺とする二等辺三角形Ｔ２の等辺の形状に沿って屈曲する、トラス状の構造となっている。また、構造単位２０は、外側構造体２２の外側結合部２４を介して、Ｘ方向に順次、隣接する他の構造単位２０と連結される。

また、内側構造体２１ａ，２１ｂはアルミニウム合金により形成され、外側構造体２２はチタン合金により形成される。内側構造体２１ａ，２１ｂは、外側構造体２２よりも直径が大きく、剛性が高い。また、内側構造体２１ａ，２１ｂは、外側構造体２２よりも線膨張係数が大きい。

以上より、実施の形態２に係る構造単位２０では、内側構造体２１ａ，２１ｂの剛性は、外側構造体２２の剛性よりも高く、内側構造体２１ａ，２１ｂの線膨張係数と外側構造体２２の線膨張係数とは互いに異なる。そのため、構造単位１０と同様に、内側構造体２１ａ，２１ｂの材料と外側構造体２２の材料との組み合わせ、または内側構造体２１ａ，２１ｂの大きさに応じて、構造単位２０自体の大きさに関わらず、構造単位２０の熱変形量を容易に調整することができる。

また、外側構造体２２は、４つの内外結合部２３の各々を頂点とする四角錐形状をなしているため、構造単位２０の構造がより安定し、構造単位２０自体の剛性も向上する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る構造単位３０の構成を図１１に示す。
構造単位３０の外側構造体３２は、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの各々を底辺とする二等辺三角形Ｔ３の等辺の形状に沿って屈曲する、トラス状の構造となっている。但し、外側構造体３２は、二等辺三角形Ｔ３の等辺が交わる頂点３６よりも内側で屈曲し、屈曲部分は直線的な形状をなし、外側結合部３４を構成している。構造単位３０は、外側構造体３２の外側結合部３４を介して、順次、隣接する他の構造単位３０と連結される。

また、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃはアルミニウム合金により形成され、外側構造体３２はチタン合金により形成される。内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃは、外側構造体３２よりも剛性が高く、線膨張係数が大きい。

以上より、実施の形態３に係る構造単位３０では、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの剛性は、外側構造体３２の剛性よりも高く、内側構造体１ａ，１ｂ，１ｃの線膨張係数と外側構造体３２の線膨張係数とは互いに異なる。そのため、構造単位１０，２０と同様に、構造単位３０自体の大きさに関わらず、構造単位３０の熱変形量を容易に調整することができる。

また、構造単位３０の外側構造体３２の外側結合部３４の位置は、仮想の二等辺三角形Ｔ３の頂点３６よりも内側に配置されている。そのため、各々の構造単位３０の外形が小さくなり、その分、構造単位３０によって形成される構造部品の全体の構造がより均一となり、一般的に構造部品の材料に求められる特性が向上する。具体的には、構造部品の剛性および熱伝導性能が向上し、また、熱変形の動的特性が均一化する。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る構造単位４０の構成を図１２Ａおよび図１３に示す。
図１２Ａに示すように、構造単位４０は、複数の内側構造体４１ａが一体的に接合されて形成された多面体である内側構造部４１を有している。内側構造部４１の多面体は、６つの正方形状の面と、８つの正三角形状の面を有する。また、直線状の棒状部材である内側構造体４１ａ同士の接合部分は、外側構造体４２と接合する内外結合部４３を構成する。また、外側構造体４２は、内側構造部４１の正三角形状の面に対して、内外結合部４３の各々を頂点として三角錐形状をなすように設けられ、残る１つの頂点は、隣接する他の構造単位４０に接合する外側結合部４４を構成する。また、同時に、外側構造体４２は、内側構造体４１ａの各々を底辺とする二等辺三角形Ｔ４の等辺の形状に沿って屈曲する、トラス状の構造となっている。

図１２Ｂに示すように、外側結合部４４は、仮想の直方体Ｐ２の各々の頂点に重なるように設けられる。そのため、構造単位４０を一方向に連結させた形状は、仮想の直方体Ｐ２を任意の方向に並列させた状態となる。これにより、図１３に示すように、構造単位４０は、外側構造体４２の外側結合部４４を介して、３方向に順次、隣接する他の構造単位４０と連結され、構造部品４００を形成する。

また、内側構造体４１ａはアルミニウム合金により形成され、外側構造体４２はチタン合金により形成される。内側構造体４１ａは、外側構造体４２よりも直径が大きく、剛性が高い。また、内側構造体４１ａは、外側構造体４２よりも線膨張係数が大きい。

以上より、実施の形態４に係る構造単位４０では、内側構造体４１ａの剛性は、外側構造体４２の剛性よりも高く、内側構造体４１ａの線膨張係数と外側構造体４２の線膨張係数とは互いに異なる。そのため、構造単位１０，２０，３０と同様に、構造単位４０および構造部品４００の大きさに関わらず、構造単位４０および構造部品４００の熱変形量を容易に調整することができる。

また、外側構造体４２は、３つの内外結合部４３の各々を頂点とする三角錐形状をなしているため、構造単位４０の構造がより安定し、構造単位４０自体の剛性が向上する。また、構造単位４０は４方向に連結されるため、構造部品４００の構造も安定し、高い剛性を得ることができる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，２１ａ，２１ｂ，４１ａ 内側構造体、２，２２，３２，４２ 外側構造体、３，２３，４３ 内外結合部、４，２４，３４，４４ 外側結合部、１０，２０，３０，４０ 構造単位、１００，１０１，４００ 構造部品。

Claims (8)

1. 両端に内外結合部が設けられる、少なくとも１本の内側構造体と、
   前記内側構造体の両端の前記内外結合部に一体的に接合されるとともに、トラス状に配置される外側構造体とを備え、
   前記内側構造体の剛性は前記外側構造体の剛性よりも高く、
   前記内側構造体の線膨張係数と前記外側構造体の線膨張係数とは互いに異なる、構造単位。
2. 前記外側構造体は、各々の前記内側構造体を底辺とする二等辺三角形の等辺の形状に沿って屈曲する屈曲部分を有し、
   前記外側構造体の前記屈曲部分は、隣接する他の構造単位に接合する外側結合部をなす、
   請求項１に記載の構造単位。
3. 前記外側結合部の各々は、仮想の直方体の外形に沿って設けられる、
   請求項２に記載の構造単位。
4. 前記内側構造体は３本設けられ、
   前記内側構造体の各々は、互いに直交する方向に延びるとともに、一体的に接合される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造単位。
5. 前記内側構造体と前記外側構造体とは、いずれか一方がアルミニウム合金により形成され、他方がチタン合金により形成される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造単位。
6. 前記内側構造体と前記外側構造体とは、いずれか一方がアルミニウム合金により形成され、他方が鉄ニッケル合金により形成される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造単位。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造単位が、前記外側構造体を介して複数連結されて形成される、構造部品。
8. 隣り合って連結される前記構造単位は、互いに向きが異なる、
   請求項７に記載の構造部品。

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