JP3878973B2 - 展開型骨組構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば宇宙基地を構成する各種構造物や、宇宙空間に構築されるアンテナシステムの鏡面支持構造物等に用いるのに好適する展開型骨組構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙開発の分野においては、宇宙基地構想の開発が進められている。この宇宙基地構想にあっては、その宇宙基地の骨格や、アンテナの支持構造体を含む各種の展開型骨組構造体を、予め地上において組立てた後、折畳み収容して宇宙空間まで輸送し、宇宙空間で展開させる方法が考えられ、開発されている。このような展開型骨組構造体は、骨組部材を立方体（四角柱）形状や三角柱形状等の多角柱形状のトラス構造等の骨組構造に組合わせて、その端部間を回動自在に結合して折畳み展開自在な骨組体を形成して、この骨組体を複数個組合わせて所望の形状に形成する方法が考えられている。
【０００３】
例えば、展開型骨組構造体としては、骨組部材を立方体状に骨組結合して、その四辺形状の面の対角線上に駆動手段、例えば伸縮自在な伸縮部材（あるいは中間部が折れ曲り自在な折れ曲り部材）を架設して配置し、この伸縮部材（あるいは折れ曲り部材）を駆動制御することにより、複数の骨組体を折畳み展開する骨組構造がある。
【０００４】
しかしながら、上記展開型骨組構造体では、いずれの骨組構造のものも、その折畳み展開を行うための折畳み展開駆動手段として、伸縮部材（あるいは折れ曲り部材）等の構成部材を多数、備えなければならないことにより、その構成が非常に複雑となるために、その折畳み展開動作の信頼性が劣るうえ、その剛性が低く、大形化を図るのが困難であるという問題を有する。
【０００５】
そこで、骨組構造の剛性の安定化を図ると、その構成部品を増加させなければならないために、大形化の促進を図ると、その重量が非常に重くなるという問題を有する。
【０００６】
係る展開型骨組構造体の問題は、最近の通信の多様化により宇宙開発の分野で研究されている１６ｍを越える大型のアンテナ反射鏡を構築する場合、重大な課題となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の展開型骨組構造体では、構成が複雑で、折畳み展開動作の信頼性が劣ると共に、剛性が低いうえ、重量が重いために、大形化の促進が困難であるという問題を有する。
【０００８】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、剛性の向上を図ったうえで、軽量化の促進を図り得、且つ動作制御の信頼性の向上を実現し得るようにした展開型骨組構造体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、骨組部材を四角形以上の偶数角形形状に組合わされて端部が回動自在に結合されたリング状の環状体と、この環状体を、２個所定の間隔に対向配置して相互の結合部間にそれぞれ連結棒を架設して、これら各連結棒の端部が前記結合部に回動自在に結合された略偶数角柱形状の骨組体と、この骨組体の環状体の略中心に前記連結棒に略平行に配置される中心棒と、前記環状体の結合部間に架設された連結棒の一つおきに対応して設けられるものであって、該連結棒の一端と前記中心棒の一端、及び該連結棒の他端と前記中心棒の他端との間に架設されて端部が回動自在に結合された複数の第１のリブ部材と、前記連結棒のうち前記第１のリブ部材が架設されていない他に対応して設けられるものであって、前記連結棒の一端と前記中心棒の一端との間に架設されて、一端が連結棒に対して回動自在に結合され、他端が中心棒に対して軸方向に移動自在に支持される複数の第２のリブ部材と、前記第１のリブ部材が架設されていない他の連結棒の他端と前記中心棒の他端との間に張架され、一端が前記連結棒に支持され、他端が前記中心棒に支持される複数のケーブル部材と、前記第２のリブ部材の他端を前記中心棒の軸方向に移動制御して前記中心棒を中心として、前記骨組体を折り畳み展開する駆動手段とを備えて展開型骨組構造体を構成した。
【００１０】
上記構成によれば、多角柱形状の骨組体の結合部と中心棒との間に第１及び第２のリブ部材とケーブル部材を架設して各一端を結合部に骨組結合して、該第１のリブ部材及びケーブル部材の各他端を中心棒に骨組結合し、第２のリブ材の他端を中心棒に対して軸方向に移動自在に取付けて、第２のリブ材の他端を中心棒に対して移動制御することにより、骨組体、第１及び第２のリブ部材、ケーブル部材が、その結合部を回動中心として回動されて中心棒を中心に連結棒が山、谷、山、谷状に剪断変形して略円筒状に折畳み収容され、第２のリブ部材を中心棒に対して反転移動させると、骨組体が中心棒を中心とする多角柱形状に展開される。
【００１１】
これにより、骨組部材、連結棒、中心棒、第１及び第２のリブ部材の中間部を折曲させたり、伸張させたりすることなく、折畳み及び展開が可能となり、軽量化を確保したうえで、高剛性化が図れるため、大形化の促進が可能となり、しかも、信頼性の高い折畳み展開動作が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１はこの発明の一実施の形態に係る展開型骨組構造体を構成するモジュール１０を示すもので、例えば１９個が組合わされて例えば１６ｍ以上の開口径を有するアンテナ支持構造物が構成される（図２参照，１モジュールのみを斜線で示す）。この場合、モジュール１０の一方面には、周知のアンテナ鏡面を構成するアンテナメッシュ５０が、例えば張設ケーブル及び支持ポスト等で構成されるメッシュ支持機構６０を介して張設される。
【００１３】
上記モジュール１０は、図３に示すようにリング状の第１及び第２の環状体１１，１２が所定の間隔に対向されて配置され、互いの頂点間に２種類の連結棒１３，１４が選択的に架設されて該連結棒１３，１４の端部が頂点に骨組結合されて多角錐台形状、例えば略六角錐台形状の骨組体１５が形成される。
【００１４】
即ち、リング状の第１及び第２の環状体１１，１２は、例えば長さ寸法の異なる２種類、６本のパイプ状の骨組部材１１ａ，１２ａがそれぞれ六角形形状に組合わされて異径状形成される。そして、この第１及び第２の環状体１１，１２は、その各端部が、例えば長さ寸法の異なる２種類、６本のパイプ状の連結棒１３，１４が交互に架設されて、各骨組部材１１ａ，１２ａの端部が連結棒１３，１４の両端に放射状に形成されるヒンジ１３ａ，１４ａ（図４参照）に軸方向に回動自在に結合されて略六角錐台形状の骨組体１５が骨組結合される。
【００１５】
上記第１及び第２の環状体１１，１２は、例えば図５に示すように鏡面形状に対応して、骨組部材１１ａ，１２ａの長さ寸法をｌ，Ｌ（ｌ＜Ｌ）として、略四辺形状の側面を構成する連結棒１３，１４の長さ寸法をＨ，ｈ（ｈ＜Ｈ）とすると、
ｌ＋Ｈ＝Ｌ＋ｈ
の関係を満足するように設定される。これにより、第１及び第２の環状体１１，１２の一方が、所望の曲率を有したアンテナ鏡面を構成することが可能となる。言い換えると、骨組体１５は、２種類の骨組部材１３，１４で骨組結合した第１及び第２の環状体１１，１２を、連結棒１３，１４の長さ寸法がＨ，ｈの２種類のものを３本づつ用いて所定の間隔に骨組結合して形成される。
【００１６】
そして、この骨組体１５には、第１及び第２の環状体１１，１２の中心に対応して、例えばパイプ状の中心棒１６が連結棒に略平行に配置されて、中心棒１６と第１及び第２の環状体１１，１２の結合部との間のうち一つおきに第１のリブ部材１７が放射状に架設される。第１のリブ部材１７は、一端が上記連結棒１４のヒンジ部１４ａ（図４参照）に軸方向に回動自在に結合され、その他端が中心棒１６の両端にヒンジ部（図においては、図の都合上、図示せず）にそれぞれ軸方向に回動自在に結合される。
【００１７】
また、骨組体１５の第１の環状体１１の結合部と中心棒１６の一端との間であって、第１のリブ部材１７の間には、第２のリブ部材１８が放射状に架設されて、その一端が連結棒１３のヒンジ部１３ａ（図４参照）に対して同様に軸方向に回動自在に結合される。この第２のリブ部材１８の他端は、後述する中心棒１６に接離自在に配設される接離部材１９のヒンジ部１９ａに軸方向（矢印Ａ，Ｂ方向）に回動自在に結合される（図６参照）。
【００１８】
そして、この第２のリブ部材１８に対応して骨組体１５の第２の環状体１２の：結合部（連結棒１３のヒンジ部１３ａ）と中心棒１６の他端のヒンジ部（図においては、図の都合上、図示せず）との間には、テンションケーブル２０が張架されて結合される。このテンションケーブル２０は、一定の張力を矢印Ｃ方向（折畳み方向）に付勢する図示しないばね構造を有する。このばね構造としては、例えばテンションケーブル２０の基端部にコイルばねが配設される。
【００１９】
上記接離部材１９には、図６に示すように展開駆動用の駆動ケーブル２１の一端が取付けられる（図７参照）。この駆動ケーブル２０は、中間部が中心棒１６に移動自在に挿通されて、その他端が巻取機構２２に巻取自在に装着される。
【００２０】
巻取機構２２は、ケーブル巻取部２２ａが駆動モータ２２ｂを介して回転自在に設けられ、そのケーブル巻取部２２ａには、上記駆動ケーブル２１の他端が巻き掛けられる。これにより、巻取機構２２は、図示しない制御部を介して図７に示すように駆動ケーブル２１を矢印Ａ方向に送り出されて、接離部材１９を中心棒１６に対して最も矢印Ａ方向に移動させて、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５が各結合部を回転支点としていわゆる剪断変形して中心棒１６を中心して連結棒１３，１４が図５（ｂ）に示すように山、谷、山、谷状に略円筒状に折畳み収容されるのを許容する。
【００２１】
また、巻取機構２２は、そのケーブル巻取部２２ａで駆動ケーブル２１を巻き取り、接離部材１９を中心棒１６に対して最も矢印Ｂ方向に移動させて、折畳み収容された第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５を、各結合部を回動支点として反転させて略六角錐台形状に展開させる（図３参照）。この第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５の展開時には、そのテンションケーブル２０の矢印Ｃ方向の張力の作用により、駆動ケーブル２１及び巻取機構２２と協働して信頼性の高い安定した展開動作が実現される。
【００２２】
ここで、上記第１及び第２のリブ部材１７，１８を含む骨組体１５には、例えばワイヤケーブル２３が、トラス構造に張架されてそれぞれ結合部に結合する （図３参照、図中では、破線で示す）。このワイヤケーブル２３により、第１及び第２のリブ部材１７，１８の結合された骨組体１５は、その展開状態における剛性が高められる。
【００２３】
上記構成において、折畳み収納状態では、駆動ケーブル２１が巻取機構２２により送り出されて、その接離部材１９が中心棒１６に対して最も矢印Ａ方向に移動される。ここで、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５は、各結合部を回動支点として回動されて連結棒１３が矢印Ｂ方向に移動され、連結棒１４が矢印Ａ方向に移動されて谷、山、谷、山、谷、山状に移動され、中心棒１６を中心として剪断変形されて略円筒状に折畳み収容される（図８（ａ）参照）。このように略円筒状に折畳み収納されることで、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５は、所望の剛性が確保され、この折畳み状態で、例えば宇宙航行体に収容され、宇宙空間に輸送される。
【００２４】
そして、折畳み収納状態から展開させる場合には、先ず、巻取機構２２が駆動されて、駆動ケーブル２１が巻き取られる。すると、接離部材１９が矢印Ｂ方向に摺動されて、中心棒１６の一端に移動される（図８（ｂ），（ｃ）参照）。この際、テンションケーブル２０は、その張力により接離部材１９の移動に伴って連結棒１３、第２のリブ部材１８を介して骨組体全体に付与される展開力を規制する。
【００２５】
ここで、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を含む骨組体１５は、所望の展開力が付与されて、第１及び第２の骨組部材１１ａ，１２ａ、連結棒１３，１４、第１及び第２のリブ部材１７，１８が各結合部を回動支点として反転されて略略六角錐台形状に展開される（図１、図３及び図８（ｄ）参照）。これにより、骨組体１５の第１の環状体１１にメッシュ支持機構６０を介して張設されてアンテナメッシュ５０が所定の鏡面形状に展張され、所望のアンテナ鏡面が構築される。
【００２６】
このように、上記展開型骨組構造体は、略六角錐台形状の骨組体１５の結合部と中心棒１６との間に第１及び第２のリブ部材１７，１８とテンションケーブル２０を架設して骨組結合し、該第１のリブ部材１７及びテンションケーブルの各他端を中心棒１６に骨組結合して、第２のリブ部材１７の他端を接離部材１９を介して中心棒１６に対して軸方向に接離自在に設け、接離部材１９を中心棒１６に対して接離制御すると、骨組体１５、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０が、その結合部を回動中心として回動されて中心棒１６を中心に山、谷、山、谷状に剪断変形して略円筒状に折畳み収容され、第２のリブ部材１８を中心棒１６に対して反転させて接制御すると、骨組体１５が中心棒１６を中心とする略六角錐台形状に展開されるように構成した。
【００２７】
これによれば、骨組体１５、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０とが中心棒１６を中心として、剪断変形して全体が折畳み展開され、しかも、骨組体１５、中心棒１６、第１及び第２のリブ部材１７，１８の中間部を折曲させたり、伸張させたりすることなく、折畳み及び展開を可能に構成したことにより、最小限の構成部品で高剛性化が図れて、容易に軽量化の促進が図れ、且つ安定した折畳み展開動作が実現される。この結果、最近の宇宙開発の分野で要請されている大形化を図ったうえで、信頼性の高い安定した折畳み展開動作が実現される。
【００２８】
また、これによれば、略六角錐台形状の骨組体１５の中心に配置した中心棒１６を中心として、全体が折畳み展開されることにより、アンテナシステムを構築する場合、アンテナ鏡面を構成するアンテナメッシュ５０の中心部を支持するメッシュ支持機構６０を備えることができるため、アンテナ鏡面の高精度な調整が容易に実現できるという効果を有する。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、略六角錐台形状の骨組構造に形成した場合で説明したが、これに限ることなく、四角柱以上の偶数角柱以上の多角柱形状の骨組構造に形成することが可能であり、いずれの角柱形状の骨組構造においても同様の効果が期待される。この場合には、同様の環状体を２個用いて多角柱形状の骨組体を構成することとなる。
【００３０】
また、上記実施の形態では、駆動ケーブル２１及び巻取機構２２を用いて接離部材１９を巻取駆動して折畳み状態から展開状態に設定するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、ばね機構等各種の展開駆動手段を用いて構成することが可能である。
【００３１】
例えば、ばね機構を用いて折畳み展開駆動を行うように構成する場合には、ばね機構により展開方向に付勢力が付与されるように構成して、その折畳み状態において、付与される展開力を規制するロック手段を設け、このロック手段のロック解除に連動して、ばね機構が第２のリブ部材１８に展開力を付与して骨組体１５を展開させるように構成される。
【００３２】
そして、上記実施の形態では、折畳み状態において、接離部材１９を中心棒１６より駆動ケーブル２１を介して離間させて、折畳み収納を実現するように構成したが、これに限ることなく、中心棒１６の軸方向に伸縮部材等を介して伸縮自在に組付けて、中心棒に対して伸縮制御させて折畳み展開を実現するように構成することも可能である。
【００３３】
さらに、上記実施の形態では、骨組体１５、中心棒１６、第１及び第２のリブ部材１７，１８、テンションケーブル２０を用いて骨組構造を形成して、これら骨組体１５、中心棒１６、第１及び第２のリブ部材１７，１８の結合部間にワイヤケーブル２３をトラス構造に架設するように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、ワイヤケーブル２３に代えて図示しない梁材をトラス構造に骨組結合したり、あるいはこれらワイヤケーブル２３、梁材（図示せず）の双方を用いたり、あるいはワイヤケーブル２３、梁材（図示せず）のいずれも結合しなかったり、各種の骨組構造に適用可能である。
【００３４】
また、さらに、上記実施の形態では、アンテナシステムを構成するアンテナ反射鏡の支持構造に適用した場合で説明したが、これに限ることなく、適用範囲としては、宇宙基地の骨格を含む各種の構造物や、地上に構築する各種の建築物に適用することも可能である。
よって、この発明は上記実施例に限ることなく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、剛性の向上を図ったうえで、軽量化の促進を図り得、且つ動作制御の信頼性の向上を実現し得るようにした展開型骨組構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る展開型骨組構造体を示した図。
【図２】この発明の一実施の形態に係る展開型骨組構造体を適用したアンテナ支持構造物を示した図。
【図３】図１の骨組構造を取出して示した図。
【図４】図１の連結棒を取出して示した図。
【図５】図１の骨組体の第１及び第２の環状体と連結棒との結合関係を説明するために示した図。
【図６】図１の巻取機構を取出して示した図。
【図７】図３の展開途中を示した図。
【図８】図３の折畳み展開動作を示した図。
【符号の説明】
１０…モジュール。
５０…メッシュアンテナ。
６０…メッシュ支持機構。
１１，１２…第１及び第２の環状体。
１１ａ，１２ａ…骨組部材。
１３，１４…連結棒。
１３ａ，１４ａ…ヒンジ部。
１５…骨組体。
１６…中心棒。
１７，１８…第１及び第２のリブ部材。
１９…摺動部材。
２０…テンションケーブル。
２１…駆動ケーブル。
２２…巻取機構。
２２ａ…ケーブル巻取部。
２２ｂ…駆動モータ。
２３…ワイヤケーブル。

Claims (8)

1. 骨組部材を四角形以上の偶数角形形状に組合わされて端部が回動自在に結合されたリング状の環状体と、
   この環状体を、２個所定の間隔に対向配置して相互の結合部間にそれぞれ連結棒を架設して、これら各連結棒の端部が前記結合部に回動自在に結合された略偶数角柱形状の骨組体と、
   この骨組体の環状体の略中心に前記連結棒に対して略平行に配置される中心棒と、
   前記環状体の結合部間に架設された連結棒の一つおきに対応して設けられるものであって、該連結棒の一端と前記中心棒の一端、及び該連結棒の他端と前記中心棒の他端との間に架設されて端部が回動自在に結合された複数の第１のリブ部材と、
   前記連結棒のうち前記第１のリブ部材が架設されていない他に対応して設けられるものであって、前記連結棒の一端と前記中心棒の一端との間に架設されて、一端が連結棒に対して回動自在に結合され、他端が中心棒に対して軸方向に移動自在に支持される複数の第２のリブ部材と、
   前記第１のリブ部材が架設されていない他の連結棒の他端と前記中心棒の他端との間に張架され、一端が前記連結棒に支持され、他端が前記中心棒に支持される複数のケーブル部材と、
   前記第２のリブ部材の他端を前記中心棒の軸方向に移動制御して前記中心棒を中心として、前記骨組体、第１及び第２のリブ部材を折り畳み展開する駆動手段と
   を具備した展開型骨組構造体。
2. 前記骨組体は、長さ寸法の異なる骨組部材で形成した２種類の環状体と、長さ寸法の異なる２種類の連結棒を骨組結合して四角錐台以上の偶数角錐台形状に形成されることを特徴とする請求項１記載の展開型骨組構造体。
3. 前記骨組体は、骨組部材と連結棒で形成される四辺形形状の頂点を結ぶ対角線を挟んだ両側に位置する骨組部材及び連結棒の長さ寸法の和が同一長に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の展開型骨組構造体。
4. 前記ケーブル部材は、折畳み方向に張力を有するテンションケーブルで形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の展開型骨組構造体。
5. 前記駆動手段は、前記第２のリブ部材に結合される駆動ケーブルと、この駆動ケーブルの基端を巻取自在に支持する巻取機構とを備えてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の展開型骨組構造体。
6. 前記駆動ケーブルは、送り出された状態で、折畳みを実現し、巻取った状態で、展開を実現することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の展開型骨組構造体。
7. 前記骨組体、第１及び第２のリブ部材、ケーブル部材の結合部間にワイヤケーブルをトラス構造に架設したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の展開型骨組構造体。
8. 前記骨組体の一方の環状体上にアンテナ鏡面を構成するメッシュ材が張設されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の展開型骨組構造体。

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