JP3971724B2 - 二次元展開パネルユニット - Google Patents
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Description
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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 (10)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 請求項1〜9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。
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