JP5971773B2 - 面形状可変装置 - Google Patents

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Description

本発明は、物体の面形状の変形（モーフィング）の技術に係り、更に詳細には物体の面形状を変形させるための面形状可変装置に係る。
車両や航空機などの移動体の空力特性を変化させるために、移動体の外形を変化させるための構造が研究されている。例えば、下記の特許文献１には、車両の外板を可撓性のある材料にて形成し、外板に対し車両の内側に配置された機械的な位置調整装置によって外板の形状を変化させるよう構成された面形状可変装置が記載されている。
特開２００４−５１６１８８号公報
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の面形状可変装置においては、変形されるべき外板のような面部材がそれを横切る方向へ移動せしめられることにより変形される。そのため、変形されるべき面部材自体は非常に薄いものであっても、それに隣接する位置に面部材を変位させる機械的な装置が配置されなければならず、機械的な装置は面部材を変形させる方向へ移動可能な部分を有している。よって、従来の面形状可変装置は、それを設置する際に空間上の制約を受け易く、用途は機械的な装置の存在及び作動が許容される用途に限定されるという問題がある。換言すれば、面部材の近傍に機械的な装置が存在し作動することが許容されない用途に従来の面形状可変装置を適用することはできない。
本発明は、従来の面形状可変装置における上述の如き問題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の主要な課題は、帯状要素（ストリップ）の座屈などによる弾性変形現象を利用することにより、従来に比して空間上の制約を受け難く、様々な用途に適用可能な面形状可変装置を提供することである。
〔課題を解決するための手段及び発明の効果〕
上述の主要な課題は、本発明によれば、一つの面に沿って並列的に延在する複数の弾性変形可能な帯状要素を含む板状部材と、少なくとも一部の帯状要素に応力を付与することにより、前記少なくとも一部の帯状要素を含む帯状要素を弾性変形させる変形制御手段と、を有し、前記少なくとも一部の帯状要素の一端は拘束されており、前記変形制御手段は帯状要素の他端を一端に対し変位させるよう構成された面形状可変装置において、前記面形状可変装置は、帯状要素の他端が前記変形制御手段により一端に近づくよう変位せしめられる際に、帯状要素が前記面を横切る所定の方向へ弾性変形するよう案内する変形案内手段を有することを特徴とする面形状可変装置によって達成される。
上記の構成によれば、変形制御手段により、少なくとも一部の帯状要素に応力が付与されることにより、少なくとも一部の帯状要素を含む帯状要素が弾性変形せしめられ、これにより板状部材が弾性変形してその面形状が変化する。よって、変形制御手段は、面を横切る方向へ板状部材を押圧する必要はなく、典型的には一部の帯状要素の延長上に配置されればよい。従って、従来の面形状可変装置に比して板状部材の厚さ方向に見た面形状可変装置の大きさを低減し、面形状可変装置を適用する際の空間上の制約を受け難くし、適用可能な用途の範囲を拡大させることができる。
また、従来の面形状可変装置においては、変形されていた面部材が元の形状に復帰することは、面部材自体の弾性に依存している。そのため、面部材は元の形状に復帰することを可能にする比較的高い弾性を有していなければならず、これに起因して変形前後の形状が面部材の弾性により決定される形状にならざるを得ない。
これに対し、上記の構成によれば、帯状要素に対する応力の付与が解除されれば、帯状要素は元の形状に復帰する。よって、例えば膜部材が帯状要素に接合される場合にも、膜部材自体が高い弾性を有する必要はない。従って、変形前後の形状が面部材の弾性により決定される度合を低減することができる。
また、従来の面形状可変装置においては、面部材に当接して押圧する機械的な装置の押圧部の形状は変化しないので、押圧部が当接する部位及びその近傍における面部材の形状は押圧部の形状により決定され、該部分の形状を押圧部の形状による制約を受けない形状に変化させることができない。
これに対し、上記の構成によれば、変形されるべき帯状部材は機械的な装置の押圧部により変形せしめられる訳ではないので、帯状部材の変形形状が機械的な装置の押圧部の形状によって制約されることを回避することができる。
また、上記の構成によれば、変形制御手段により帯状要素の他端を一端に対し変位させることにより、帯状要素に応力を付与することができ、また一端に対し他端を変位させる方向及び量により板状部材の変形形状や変形量を推定することができる。更に、変形制御手段によって帯状要素の両端に応力が付与される構成の場合に比して、変形制御手段の数を低減することができる。
更に、上記の構成によれば、帯状要素の他端が変形制御手段により一端に近づくよう変位せしめられる際に、変形案内手段によって帯状要素が面を横切る所定の方向へ座屈により弾性変形するよう案内することができる。よって、帯状要素が座屈により弾性変形する際に、所定の方向とは逆の方向へ弾性変形することを効果的に防止することができる。
なお、上記の構成において、「一つの面」は平面に限らず、曲面を含む概念である。また、「一つの面に沿って並列的に延在する」は、複数の帯状要素が完全に一つの面内にて延在することだけでなく、一つの面に対し垂直な方向へ僅かに隔置された状態にて延在することが許容される概念である。更に、「並列的に延在する」は、複数の帯状要素が完全に平行に延在することだけでなく、他に対し僅かに傾斜して延在することが許容される概念である。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記応力は、帯状要素の延在方向に沿う応力、帯状要素の延在方向に垂直で帯状要素の幅方向に沿う応力、帯状要素の延在方向に垂直で帯状要素の幅方向に垂直な方向に沿う応力、帯状要素の延在方向の周りの回転応力、帯状要素の延在方向に垂直で帯状要素の幅方向に沿う方向の周りの回転応力、帯状要素の延在方向に垂直で帯状要素の幅方向に沿う方向に垂直な方向の周りの回転応力、及びこれらの二つ又は三つの応力の組合せの何れかであってよい。
上記の構成によれば、変形制御手段により、少なくとも一部の帯状要素の他端に与えられる応力に応じて帯状要素を弾性変形させ、帯状要素の弾性変形により板状部材を弾性変形させてその面形状を変化させることができる。特に、帯状要素の他端に少なくとも延在方向に沿う圧縮応力が付与される場合には、帯状要素を座屈により面を横切る方向へ弾性変形させ、これにより板状部材の中央部が面を横切る方向へ変位するよう板状部材を弾性的に湾曲変形させることができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記板状部材は、第一の方向に沿って並列的に延在する複数の第一の帯状要素と、前記第一の方向を横切る第二の方向に沿って並列的に延在する複数の第二の帯状要素とを含み、前記第一及び第二の帯状要素は織物状に織られていてよい。
上記の構成によれば、板状部材は互いに横切る方向に延在する第一及び第二の帯状要素を含み、これらの帯状要素は織物状に織られている。従って、帯状要素が第一又は第二の帯状要素のみである場合に比して、板状部材の変形形状を多様化することができ、また板状部材の強度を高くすることができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記変形制御手段は、帯状要素の他端を駆動する駆動手段と、前記駆動手段により駆動される他端の変位量及び前記駆動手段により帯状要素に与えられる応力の少なくとも一方を検出する検出手段とを含んでいてよい。
上記の構成によれば、駆動手段によって帯状要素の他端を駆動することにより、板状部材の変形を可変制御することができる。また、検出手段によって他端の変位量及び帯状要素に与えられる応力の少なくとも一方を検出することにより、板状部材の変形形状や変形量を推定することができるので、板状部材の変形形状や変形量を正確に制御することができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、二つ以上の帯状要素の他端が一つの駆動手段によって一括して駆動されるようになっていてよい。
上記の構成によれば、二つ以上の帯状要素の他端が一つの駆動手段によって一括して駆動されるので、複数の帯状要素の他端がそれぞれ個別の駆動手段によって駆動される場合に比して、駆動手段の数を低減することができる。また、二つ以上の帯状要素の他端に同時に同一の応力を付与し、これにより二つ以上の帯状要素を同時に同一の形状に変形させることができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記駆動手段は圧電体、形状記憶合金及び形状記憶樹脂の少なくとも一つにて構成された部分を含んでいてよい。
上記の構成によれば、駆動手段は、圧電体、形状記憶合金及び形状記憶樹脂の少なくとも一つにて構成された部分の体積、長さ又は形状の変化により、帯状要素の他端を駆動して帯状要素に応力を付与することができる。従って、駆動手段が例えば圧縮空気や高圧油により作動され、高圧供給源や弁装置などを要するピストン-シリンダ式の装置である場合に比して、必要な部品点数を低減し、構造を単純化することができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記面形状可変装置は、帯状要素の他端が一端に対し相対変位することを阻止することにより前記板状部材の形状を保持する形状保持手段を有していてよい。
上記の構成によれば、形状保持手段によって帯状要素の他端が一端に対し相対変位することを阻止することにより、板状部材の形状を保持することができる。よって、変形制御手段により帯状要素に付与される応力が一定に維持されることによってのみ板状部材の形状が保持される場合に比して、板状部材の形状を保持する状況において板状部材の形状が変化することを効果的に防止することができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記少なくとも一部の帯状要素は、温度に応答して少なくとも前記面を横切る方向へ弾性変形する形状記憶合金及び形状記憶樹脂の少なくとも一方にて構成された部分を含み、前記変形制御手段は、帯状要素の温度を制御するようになっていてよい。
上記の構成によれば、変形制御手段によって帯状要素の温度を制御することにより、少なくとも一部の帯状要素を予め設定された方向へ弾性変形させたり、帯状要素の形状を元の形状に戻したりすることができる。また、帯状要素の他端を一端に対し変位させる必要がないので、帯状要素の他端を駆動する駆動手段が必要な構成の場合に比して、面形状可変装置の構造を単純化することができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記板状部材の少なくとも一方の面には、変形可能な膜部材が接合されていてよい。
上記の構成によれば、板状部材に膜部材が接合されていない場合に比して、面形状可変装置の形状が変化する部分の表面の平滑性を向上させることができる。また、膜部材により、気体、液体又は粉粒体が板状部材を横切って通過したり、帯状要素の間に侵入したりすることを阻止することができる。
また、本発明によれば、上記の構成において、互いに積層された複数の前記板状部材と、各板状部材に対応する複数の変形制御手段とを有していてよい。
上記の構成によれば、互いに積層された複数の板状部材をそれぞれの板状部材に対応する変形制御手段によって変形させることができる。よって、板状部材が一つである場合には達成困難な変形形状を達成することができ、また変形させる板状部材の数や組合せを変えることにより、積層された板状部材を種々の形状に変形させることができる。
帯状要素が織物状に織られた板状部材を有する本発明による面形状可変装置の第一の実施形態を示す平面図である。 第一の実施形態の面形状可変装置を示す縦断面図である。 第一の実施形態の板状部材を示す拡大部分平面図である。 第一の実施形態の板状部材の湾曲変形形状の例を、Ｘ方向の縦断面（Ｘ）及びＹ方向の縦断面（Ｙ）にて示す断面図である。 帯状要素が一方向にのみ平行に配列された板状部材を有する本発明による面形状可変装置の第二の実施形態を示す平面図である。 第二の実施形態の板状部材の湾曲変形形状の例を、Ｘ方向の縦断面にて示す断面図である。 三つの板状部材の積層体を有する本発明による面形状可変装置の第三の実施形態を示す縦断面図である。 （Ａ）は、互いに積層される三つの板状部材の弾性変形の形状を分解して示す縦断面図であり、（Ｂ）は、三つの板状部材の積層体の弾性変形の形状を示す縦断面図である。 第三の実施形態において、積層体を構成する板状部材のうち、弾性変形せしめられる板状部材の数や組合せを変えることにより、積層体の弾性変形の形状及び量が様々な形状及び量になることを示す縦断面図である。 変形制御装置の図示を省略して、本発明による面形状可変装置の第四の実施形態を示す平面図である。 本発明による面形状可変装置の第五の実施形態における変形制御装置を示す説明図である。 本発明による面形状可変装置の第六の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の第七の実施形態にかかる面形状可変装置の要部を示す拡大部分縦断面図である。 帯状要素の他端に与えられてよい種々の応力Ｆx〜Ｆz及び回転応力Ｍx〜Ｍzを示す斜視図である。 帯状要素の他端に応力の組合せが与えられる場合に於ける板状部材の変形の例を示す縦断面図である。 帯状要素の他端にＸ方向の圧縮応力Ｆxが与えられる共に、中央部の帯状要素の密度を低下させるＺ方向の周りの回転応力Ｍzが与えられる状況を示す平面図（Ａ）、及び板状部材の湾曲変形を示す縦断面図（Ｂ）である。 フレーム部材の変位案内部による帯状要素の案内方向が所定の方向へ傾斜された修正例を示す拡大部分縦断面図である。 標準状態において板状部材が全体として所定の方向へ僅かに湾曲する他の一つの修正例を示す縦断面図である。 板状部材が極部的に所定の方向へ湾曲した予備変形部を有する更に他の一つの修正例を示す縦断面図である。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１および図２は、それぞれ本発明の第一の実施形態にかかる面形状可変装置１０を示す平面図及び縦断面図である。面形状可変装置１０は、標準状態に於いて平板状をなす板状部材１２と、板状部材の外周部を保持するフレーム部材１４とを有している。図３に示されているように、板状部材１２は、Ｘ方向（第一の方向）に沿って互いに平行に延在する複数の第一の帯状要素１６と、第一の方向に垂直なＹ方向（第二の方向）に沿って互いに平行に延在する複数の第二の帯状要素１８とを含んでいる。フレーム部材１４の大きさや第一の帯状要素１６及び第二の帯状要素１８の数などは、面形状可変装置１０の用途に応じて適宜に設定されてよい。
第一の帯状要素１６及び第二の帯状要素１８は、多数の炭素繊維（図示せず）が帯状要素の長手方向に沿って延在する炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）にて形成され、所要の弾性及び剛性を有している。第一及び第二の帯状要素１６及び１８を形成する炭素繊維強化樹脂は、同一であってもよく、また異なっていてもよい。帯状要素１６及び１８は、それらの長手方向に圧縮応力が付与されると、板状部材１２の平面Ｐに垂直な方向、すなわちＸ方向及びＹ方向に垂直なＺ方向へ座屈により弾性変形し、圧縮応力が解除されると、元の形状に復帰する。帯状要素１６及び１８の寸法は面形状可変装置１０の用途に応じて適宜に設定されてよいが、例えば幅Ｗは５〜数十mmであり、厚さＴは０．０１〜数mmであり、長さＬは数十〜数百mmであってよい。
図３に示されているように、第一及び第二の帯状要素１６及び１８は、互いに距離Ｓだけ隔置された状態にて平織りの織物状に織られており、これにより互いに共働して板状をなしている。距離Ｓは帯状要素の幅Ｗと同程度又はそれよりも小さいことが好ましいが、幅Ｗよりも大きくてもよい。また第一の帯状要素１６同士の間の距離Ｓは、第二の帯状要素１８同士の間の距離Ｓと異なっていてもよい。
なお、第一及び第二の帯状要素１６及び１８の織り方は平織りに限定されるものではなく、帯状要素に応力を付与することによって弾性変形させることができる限り、例えば綾織りのような他の織り方であってもよい。また、板状部材１２は少なくとも部分的に立体的に織られた部分を含んでいてもよい。更に、第一及び第二の帯状要素１６及び１８の交差角、従ってＸ方向及びＹ方向の交差角は９０度であるが、この交差角は９０度以外の角度であってもよい。
第一及び第二の帯状要素１６及び１８の表面は、それらが弾性変形する際の相対変位を許容する程度に平滑である。また、帯状要素１６及び１８の表面は、弾性変形した状況において帯状要素に付与されている圧縮応力が多少変動しても、それらが相対変位を許容しない程度の表面粗さを有している。更に、互いに係合する側における帯状要素１６及び１８の表面性状は、互いに係合する側とは反対の側における表面性状と異なっていてもよい。
板状部材１２を横切って気体、液体又は粉粒体が通過することを阻止すると共に板状部材の表面平滑性を確保し得るよう、板状部材１２の一方の面（図２で見て上面）には変形可能な膜部材２０が接着などの手段によって接合されている。膜部材２０は、可撓性及び弾性を有する任意の材料にて形成されていてよいが、ラテックスシート、ポリウレタンフィルム、ＰＥＥＫフィルムなどであることが好ましい。
第一及び第二の帯状要素１６及び１８が互いに対し、また膜部材に対し比較的容易に相対変位し得るよう、膜部材は、各帯状要素の全面に接合されるのではなく、各帯状要素の互いに隔置された部位にて接合されていていることが好ましい。更に膜部材は、板状部材１２の両面に接合されていてもよい。その場合には、帯状要素の間に粉塵などの異物が侵入する虞れを効果的に低減することができる。
フレーム部材１４は正方形をなしているが、例えば長方形、台形、平行四辺形、円、楕円形のような他の形状であってもよい。第一の実施形態においては、フレーム部材１４は平板部材１４Ａと枠部材１４Ｂ、１４Ｃとを有している。枠部材１４Ｂは平板部材１４Ａに固定され、枠部材１４Ｂ及び１４Ｃは板状部材１２の外周部を挾持する状態にて取り外し可能に互いに固定されている。なお、枠部材１４Ｂ、１４Ｃは、帯状要素の一端側及び他端側にそれぞれ位置する板材であってもよい。
第一及び第二の帯状要素１６及び１８の一端は、例えばビス２２によりフレーム部材１４に固定されている。第一及び第二の帯状要素１６及び１８の他端側の部分は、フレーム部材１４を貫通して延在している。帯状要素がフレーム部材１４を貫通して延在する領域の枠部材１４Ｂ及び１４Ｃは、帯状要素１６及び１８が平面Ｐに沿ってフレーム部材１４に対し相対的に変位し得るよう帯状要素を支持する変位案内部として機能する。
枠部材１４Ｂ内にてその中央には、台座平板２４が配置されており、台座平板２４は平板部材１４Ａに固定されている。板状部材１２が標準状態にあり平板状をなすときには、台座平板２４は板状部材１２に当接する。よって、台座平板２４は、第一及び第二の帯状要素１６及び１８が座屈により弾性変形する際に、板状部材１２が平板部材１４Ａへ向けて湾曲変形するのではなく、平面Ｐに対し平板部材１４Ａより離れるＺ方向へ湾曲変形するよう変形を案内する変形案内手段として機能する。
各第一の帯状要素１６及び第二の帯状要素１８の他端には、それぞれ変形制御装置２６及び２８が取り付けられている。変形制御装置２６及び２８は、対応する帯状要素に延在方向に沿う圧縮応力を付与し圧縮応力を制御することにより、平面Ｐに垂直に図２で見て上方へ帯状要素を弾性変形させ、これにより板状部材１２の湾曲変形を制御する変形制御手段として機能する。図示の第一の実施形態においては、変形制御装置２６及び２８の一部は、それぞれ複数の第一及び第二の帯状要素１６及び１８に一括して圧縮応力を付与するようになっているが、変形制御装置は全ての第一及び第二の帯状要素に個別に設けられていてもよい。
なお、フレーム部材１４に隣接して平行に延在する帯状要素の弾性変形は、フレーム部材により制限されるので、図１に示されているように、フレーム部材１４に隣接して平行に延在する帯状要素には、変形制御装置２６及び２８が設けられていなくてよい。また、フレーム部材１４に隣接する領域においては、フレーム部材平行に延在する帯状要素が省略されてもよい。
第一の実施形態における変形制御装置２６及び２８は、駆動手段として機能するピストン‐シリンダ式のアクチュエータ２６Ａ及び２８Ａと、変位センサ２６Ｂ及び２８Ｂとを有している。第一の帯状要素１６及び第二の帯状要素１８の他端は、それぞれアクチュエータ２６Ａ及び２８Ａのピストンのロッド部の先端に連結され、各アクチュエータ２６Ａ及び２８Ａのシリンダは平板部材１４Ａに固定されている。変位センサ２６Ｂ及び２８Ｂは、アクチュエータのシリンダに対するピストンのロッド部の相対変位量を検出することにより、それぞれ帯状要素１６及び１８の他端の変位量を検出する検出手段として機能する。
アクチュエータ２６Ａ及び２８Ａは空気圧式及び液圧式の何れのピストン‐シリンダ装置であってもよい。アクチュエータ２６Ａ及び２８Ａの伸縮及びそれらの量は、図には示されていない電子制御装置によりピストン‐シリンダ装置のシリンダ室に対する圧縮空気又は高圧油の給排が制御されることによって制御される。電子制御装置は、予め求められている各帯状要素１６及び１８の他端の変位量と板状部材１２の湾曲変形量との関係を記憶しており、他端の変位量に基づいて板状部材１２の湾曲変形量を制御するようになっていてよい。
変形制御装置２６及び２８によってそれぞれ帯状要素１６及び１８に付与される圧縮応力を制御することにより、板状部材１２の湾曲変形の形状を制御することができる。また、変形制御装置によって帯状要素に付与される圧縮応力を維持することにより、板状部材１２の湾曲変形の形状を維持し、圧縮応力を解除することにより、各帯状要素１６及び１８の弾性により板状部材１２を平板状に復帰させることができる。例えば、帯状要素１６及び１８に付与される圧縮応力が、Ｘ方向及びＹ方向の中央において最も高く、中央より離れるにつれて低くなるよう制御されると、図４に示されているように、板状部材１２を一つの山形に変形させることができる。また、帯状要素１６及び１８に付与される圧縮応力の維持及び解除により、それぞれ板状部材１２の山形を維持し消去することができる。
なお、帯状要素の剛性、寸法や膜部材２０の弾性、張力などを部分的に異なるよう設定したり、帯状要素の弾性変形を部分的に制限又は抑制したりすることにより、ある程度の自由度を持って板状部材１２の変形形状を設定することができる。例えば、帯状要素の中央部の剛性を他の領域よりも高くすることにより、弾性変形の山形のピークを低くすると共に、ピーク周辺の変形量を大きくし、これにより弾性変形の形状をなだらかな山形にすることができる。
［第二の実施形態］
図５は、本発明の第二の実施形態にかかる面形状可変装置１０を示す平面図である。この実施形態の面形状可変装置１０も、標準状態に於いて平板状をなす板状部材１２と、板状部材の外周部を保持するフレーム部材１４とを有している。しかし、板状部材１２は、Ｘ方向に沿って互いに平行に延在する複数の第一の帯状要素１６を有しているが、Ｘ方向に垂直なＹ方向に沿って互いに平行に延在する複数の第二の帯状要素１８を含んではいない。板状部材１２の一方の面には変形可能な膜部材２０が接着などの手段によって接合されており、これにより複数の第一の帯状要素１６は互いに他に対しある程度の相対変位が可能であるよう、一体的に接続されている。
板状部材１２のＸ方向の長さはフレーム部材１４の内法寸法よりも大きいが、Ｙ方向の長さはフレーム部材１４の内法寸法よりも小さい。よって、図５に示されているように、板状部材１２のＸ方向の両端部はフレーム部材１４により支持されているが、板状部材１２のＹ方向の両端部はフレーム部材１４により支持されていない。なお、この実施形態においても、板状部材１２のＹ方向の両端部がフレーム部材１４により支持されていてもよい。
また、この第二の実施形態においては、フレーム部材１４に隣接する領域にある帯状要素１６を含むすべての帯状要素１６に、それらの延在方向に沿う圧縮応力を付与し圧縮応力を制御する複数の変形制御装置２６が設けられている。しかし、第一の実施形態における変形制御装置２８に対応する装置は設けられていない。各変形制御装置２６は第一の実施形態の場合と同様にそれぞれ複数の第一の帯状要素１６に圧縮応力を付与するようになっているが、第二の実施形態においては、全ての第一の帯状要素１６に同一の圧縮応力が付与されるようになっている。
よって、第二の実施形態においては、変形制御装置２６により帯状要素１６に付与される圧縮応力を制御することにより、板状部材１２の湾曲変形形状を制御することができる。例えば、図６に示されているように、Ｘ方向に沿う断面形状は山形であり、その断面形状はＹ方向の何れの位置においても同一であるよう、板状部材１２を変形させることができる。
なお、第二の実施形態において、変形制御装置２６により帯状要素１６に付与される圧縮応力がＹ方向に見て異なるよう制御されてもよい。例えば、帯状要素１６に付与される圧縮応力が、Ｘ方向の中央において最も高く、中央より離れるにつれて低くなるよう制御されよい。その場合には、Ｘ方向に沿う断面形状は山形であり、山形の高さがＹ方向の中央より離れるにつれて小さくなるよう、板状部材１２を変形させることができる。
［第三の実施形態］
図７は、変形制御装置の図示を省略して、本発明の第三の実施形態にかかる面形状可変装置１０を示す縦断面図である。この実施形態の面形状可変装置１０は、第一の実施形態の板状部材１２と同様の三つの板状部材１２ａ〜１２ｃがＺ方向に積層された積層体１２Ｓを有している。フレーム部材１４の領域における板状部材１２ａと１２ｂとの間及び板状部材１２ｂと１２ｃとの間には、それぞれ枠部材１４Ｂ及び１４Ｃと同様のスペーサ１４Ｄ及び１４Ｅが介装されている。
図には示されていないが、板状部材１２ａ及び１２ｃの変形制御装置（２６及び２８）は、板状部材に対し第一の実施形態の場合と同一の位置に設けられている。これに対し、板状部材１２ｂの変形制御装置（２６及び２８）は、板状部材に対し第一の実施形態の場合とは反対側の位置に設けられている。
板状部材１２ａ〜１２ｃは、例えば帯状要素の剛性、寸法や膜部材２０の弾性、張力などを部分的に異なるよう設定することにより、例えば図８（Ａ）に示されているように、互いに異なる形状に弾性変形するようになっている。なお、積層体１２Ｓを構成する板状部材の数は、３に限定されるものではなく、面形状可変装置１０の用途に応じて適宜に設定されてよい。
第三の実施形態によれば、積層体１２Ｓの弾性変形の形状は、板状部材１２ａ〜１２ｃの弾性変形の形状により決定されるので、一つの板状部材によっては達成することが困難な形状に積層体１２Ｓを弾性変形させることができる。例えば、板状部材１２ａ〜１２ｃが図８（Ａ）に示されているように弾性変形する場合には、積層体１２Ｓを図８（Ｂ）に示されているような形状に弾性変形させることができる。
また、第三の実施形態によれば、積層体１２Ｓを構成する板状部材のうち、図には示されていない変形制御装置によって弾性変形せしめられる板状部材の数や組合せを変えることにより、積層体の弾性変形の形状及び量を様々な形状及び量に変化させることができる。例えば、板状部材１２ａ及び１２ｂが弾性変形せしめられる場合には、積層体１２Ｓは図９（Ａ）に示されているような形状に変形する。また、板状部材１２ａ及び１２ｃが弾性変形せしめられる場合には、積層体１２Ｓは図９（Ｂ）に示されているような形状に変形する。更に、板状部材１２ｂ及び１２ｃが弾性変形せしめられる場合には、積層体１２Ｓは図９（Ｃ）に示されているような形状に変形する。
［第四の実施形態］
図１０は、変形制御装置の図示を省略して、第二の実施形態の修正例として構成された本発明の第四の実施形態にかかる面形状可変装置１０を示す平面図である。この実施形態の面形状可変装置１０は、第二の実施形態の板状部材１２と同様に構成された第一の帯状要素１６のみを含む板状部材１２ｄと、第二の帯状要素１８のみを含む板状部材１２ｅとが互いに積層された積層体１２Ｔを有している。
図１０には示されていないが、フレーム部材１４の領域における板状部材１２ｄと１２ｅとの間には、枠部材１４Ｂ及び１４Ｃと同様のスペーサが介装されている。また、この実施形態においては、板状部材１２ｄの変形制御装置は、複数の第一の帯状要素１６に互いに異なる圧縮応力を付与し、板状部材１２eの変形制御装置は、複数の第二の帯状要素１８に互いに異なる圧縮応力を付与するようになっている。
第四の実施形態によれば、複数の第一の帯状要素１６に互いに異なる圧縮応力が付与され、複数の第二の帯状要素１８に互いに異なる圧縮応力が付与される。よって、板状部材１２ｄ及び１２ｅは、それぞれＹ方向及びＸ方向に沿う位置によって断面形状が異なるよう弾性変形するので、積層体１２Ｔを、第二の実施形態の場合のような一定断面形状の変形ではなく、第一の実施形態の場合のように変形させることができる。
また、積層体１２Ｔの弾性変形の形状及び量は、板状部材１２ｄ及び１２ｅの弾性変形の形状及び量により決定される。よって、板状部材１２ｄ及び１２ｅの弾性変形を制御することにより、積層体１２Ｔの弾性変形の形状及び量を制御することができる。
更に、この第四の実施形態によれば、複数の帯状要素を織物状に織らなくてもよいので、第一の実施形態の板状部材１２に比して板状部材１２ｄ及び１２ｅの構造を単純化し、その製造コストを低減することができる。
［第五の実施形態］
図１１は、本発明の第五の実施形態にかかる面形状可変装置１０の変形制御装置３０を示す説明図である。変形制御装置３０は、第一ないし第四の実施形態における変形制御装置（２６、２８）に代えて使用されてよいものである。よって、変形制御装置３０以外の面形状可変装置１０の構造は、第一ないし第四の実施形態の何れかの面形状可変装置１０の構造であってよく、またこれらの実施形態の面形状可変装置とは異なるものであってもよい。
この実施形態においては、変形制御装置３０は、変位発生装置３２と変位拡大装置３４とを有している。変位発生装置３２は、油圧式のピストン-シリンダ装置であり、相対的に往復動可能に嵌合するフリーピストン３６とシリンダ３８とを有している。フリーピストン３６及びシリンダ３８により形成される一方のシリンダ室４０Ａには、圧電素子の積層体４２が配置され、他方のシリンダ室４０Ｂはオイル４４にて充填されている。圧電素子の積層体４２は、制御電圧が印加されると、シリンダ３８の長手方向に体積を増大させ、これにより他方のシリンダ室４０Ｂの容積が減少するようフリーピストン３６をシリンダ３８に対し駆動する。
変位拡大装置３４も相対的に往復動可能に嵌合するピストン４６とシリンダ４８とを有する油圧式のピストン-シリンダ装置であるが、その断面積は変位発生装置３２の断面積よりも小さく設定されている。ピストン４６及びシリンダ４８により形成される一方のシリンダ室５０は、連通路５２により変位発生装置３２のシリンダ室４０Ｂと接続されている。ピストン４６のロッド部４６Ｒはシリンダ４８を貫通して延在し、図には示されていないが、ロッド部４６Ｒの先端には連結部材を介して帯状要素の他端が連結されるようになっている。ピストン４６及びシリンダ４８により形成される他方のシリンダ室５４には、ロッド部４６Ｒの周りに巻回された状態で復帰用の圧縮コイルばね５６が弾装されている。
この実施形態によれば、圧電素子の積層体４２に印加される制御電圧を制御することにより、変位拡大装置３４のピストン４６を駆動し、これにより帯状要素に圧縮応力を付与し圧縮応力を制御することができる。
変位発生装置３２の断面積に対する変位拡大装置３４の断面積の比をＲincとすると、ピストン４６の変位量はフリーピストン３６の変位量のＲinc倍になる。よって、この実施形態によれば、例えば変位拡大装置３４のピストン４６が圧電素子の積層体により駆動される場合に比して、帯状要素に付与される圧縮応力の変化範囲を大きくして、板状部材の変形範囲を大きくすることができる。更に、帯状要素に所要の圧縮応力を付与するために必要な圧電素子の積層数を低減することができる。
また、この実施形態によれば、上述の第一ないし第四の実施形態における変形制御装置（２６、２８）のように、ピストン-シリンダ装置に対する圧縮空気や高圧油の給排は不要である。よって、圧縮空気や高圧油の供給源や給排を制御する弁も不要であり、変形制御装置の作動に必要な構成を単純化することができる。
なお、上述の第四の実施形態においては、変位発生装置３２のフリーピストン３６は圧電素子の積層体４２により駆動されるようになっている。しかし、フリーピストン３６は温度変化により形状が変化する形状記憶合金又は形状記憶樹脂により駆動され、形状記憶合金又は形状記憶樹脂の温度の制御によりフリーピストン３６駆動が制御されるよう修正されてもよい。
［第六の実施形態］
図１２は、本発明の第六の実施形態にかかる面形状可変装置１０を示す縦断面図である。この実施形態の面形状可変装置１０においては、帯状要素１６及び１８は形状記憶合金又は形状記憶樹脂にて形成され、通常時には平坦な形態をなしており、これにより板状部材１２は通常時には平板状をなすようになっている。帯状要素１６及び１８は、一端にてフレーム部材１４に固定され、他端にてそれらの長手方向に相対変位可能にフレーム部材１４により支持されている。
図１２には示されていないが、この実施形態の平板部材１４Ａ及び台座平板２４には、帯状要素１６及び１８を加熱してそれらの温度を制御するヒータが内蔵されている。帯状要素１６及び１８は、予め設定された温度以上に加熱されると、それらが記憶している形状に変化し、これにより板状部材１２は図１２において仮想線にて示されているように湾曲した形状に変形する。
なお、平板部材１４Ａ又は台座平板２４には、板状部材１２の温度を検出する温度センサ５８が設けられていてよい。そして、温度センサ５８の検出結果に基づいて図１２には示されていない電子制御装置によってヒータが制御されることにより、板状部材１２の温度、従って板状部材の形状が制御されてよい。よって、ヒータを内蔵する台座平板２４及び温度センサ５８は、電子制御装置と共働して帯状要素１６、１８の温度を制御する温度制御装置６０を構成している。温度制御装置は他の構成であってもよい。
この実施形態によれば、帯状要素１６及び１８の記憶形状の設定によって板状部材１２の変形後の形状を設定することができる。従って、帯状要素１６及び１８の記憶形状の設定により、板状部材１２を様々な形状に変形させることができ、他の実施形態の場合に比して、板状部材１２の変形形状の自由度を高くすることができる。
この実施形態によれば、帯状要素１６及び１８の温度を制御することにより、板状部材１２の形状を平板状と湾曲した形状との間で変化させることができる。よって、帯状要素の他端を一端に対し変位させる駆動装置を省略することができるので、他の実施形態の場合よりも面形状可変装置の構造を単純化することができる。
なお、上述の第六の実施形態においては、帯状要素１６及び１８の全体が形状記憶合金又は形状記憶樹脂にて形成されているが、形状記憶合金又は形状記憶樹脂にて形成された帯状要素の表面が耐熱樹脂などにてコーティングされていてもよい。帯状要素は、形状記憶合金又は形状記憶樹脂にて形成された層と耐熱樹脂などの層とが一体に接合されたラミネート構造を有していてもよい。
また、上述の第二又は第四の実施形態の帯状要素（１６及び１８）の少なくとも一部が、この第六の実施形態又は上述の修正例と同様に、形状記憶合金又は形状記憶樹脂にて形成されてもよい。
［第七の実施形態］
図１３は、本発明の第七の実施形態にかかる面形状可変装置１０の要部を示す拡大部分縦断面図である。この実施形態の面形状可変装置１０においては、フレーム部材１４の枠部材１４Ｃの四つの角部の上方には、押圧板６２が配置されており、押圧板６２は平板部材１４Ａと一体的に連結されている。押圧板６２と枠部材１４Ｃとの間には圧電素子の積層体６４が介装されている。圧電素子の積層体６４は、制御電圧が印加されていない通常時には枠部材１４Ｃを枠部材１４Ｂに対し押圧せず、それらの枠部材が帯状要素１６、１８の変位を案内することを許容する。これに対し、圧電素子の積層体６４は、制御電圧が印加されると、枠部材１４Ｃを枠部材１４Ｂに対し押圧し、これにより帯状要素１６、１８が枠部材１４Ｂ及び１４Ｃに対し相対的に変位することを阻止する。
よって、押圧板６２及び圧電素子の積層体６４は、フレーム部材１４と共働して、板状部材１２の形状を保持する際に帯状要素１６、１８の他端が一端に対し相対変位することを阻止することにより板状部材１２の形状を保持する形状保持装置６６を形成している。なお、形状保持装置６６は、必要に応じて帯状要素１６、１８の他端が一端に対し相対変位することを阻止することにより板状部材１２の形状を保持することができる限り、任意の構造を有していてよい。
この実施形態によれば、形状保持装置６６を作動させることにより、帯状要素１６、１８の他端が一端に対し相対変位することを阻止することができる。よって、変形制御装置２６，２８により帯状要素１６、１８の一端に与えられる応力が維持されることによってのみ板状部材１２の形状が保持される場合に比して、板状部材の形状の保持時に板状部材の形状が変化することを効果的に防止することができる。
以上の説明から解るように、上述の各実施形態によれば、変形制御装置（２６、２８）により、帯状要素（１６、１８）に延在方向に沿う応力が付与され、これにより帯状要素が座屈により面を横切る方向へ弾性変形せしめられる。よって、変形制御手段は帯状要素の延長上に配置されればよいので、従来の面形状可変装置に比して空間上の制約を受け難くし、適用可能な用途の範囲を拡大させることができる。
また、帯状要素に対する応力の付与が解除されれば、帯状要素は元の形状に復帰する。よって、例えば膜部材（２０）が帯状要素に接合されることにより板状部材が形成される場合にも、膜部材自体が高い弾性を有する必要はない。従って、変形前後の形状が膜部材の弾性により決定される度合を低減することができる。
また、変形されるべき帯状部材は、それに機械的な装置の押圧部が当接して押圧されることにより変形せしめられる訳ではないので、帯状部材の変形形状が機械的な装置の押圧部の形状に制約されることを回避することができる。
また、板状部材１２の少なくとも一方の面には、変形可能な膜部材２０が接合されている。従って、板状部材１２に膜部材２０が接合されていない場合に比して、面形状可変装置１０の形状が変化する部分の表面の平滑性を向上させることができる。また、膜部材により、気体、液体又は粉粒体が板状部材を横切って通過したり、帯状要素の間に侵入したりすることを阻止することができる。
また、上述の第二又は第四の実施形態以外の実施形態によれば、板状部材１２は互いに横切る方向に延在する第一及び第二の帯状要素１６及び１８を含み、これらの帯状要素が織物状に織られている。従って、帯状要素が第一又は第二の帯状要素のみである第二の実施形態の場合に比して、板状部材の変形形状を多様化することができ、また板状部材の強度を高くすることができる。
以上においては、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
上述の各実施形態においては、帯状要素（１６、１８）の他端にはそれらの延在方向であるＸ方向の応力しか与えられないようになっている。しかし、図１４に示されているように、帯状要素の他端に与えられる応力は、Ｘ方向の応力Ｆx、Ｙ方向の応力Ｆy、Ｚ方向の応力Ｆz、Ｘ方向の周りの回転応力（モーメント）Ｍx、Ｙ方向の周りの回転応力Ｍy、Ｚ方向の周りの回転応力Ｍz、及びこれらの二つ又は三つの応力の組合せの何れかであってよい。
帯状要素の他端に応力の組合せが与えられる場合にも、組合せの応力の種類、それらの方向や大きさに基づいて板状部材１２の変形形状を推定し制御することができる。なお、組合せの応力は、帯状要素に座屈変形が発生するよう、Ｘ方向の圧縮応力Ｆxと他の二つ又は三つの応力との組合せであることが好ましい。
例えば、Ｘ方向の圧縮応力Ｆx及びＹ方向の周りの回転応力Ｍyが帯状要素の他端に与えられる場合には、板状部材１２は図１５（Ａ）に示されているように湾曲変形する。また、Ｘ方向の圧縮応力Ｆx及びＸ方向の周りの回転応力Ｍxが帯状要素の他端に与えられる場合には、板状部材１２は図１５（Ｂ）に示されているように湾曲変形すると共に厚さが変化する。更に、Ｘ方向の圧縮応力Ｆx及びＺ方向の応力Ｆzが帯状要素の他端に与えられる場合には、板状部材１２は図１５（Ｃ）に示されているように湾曲変形する。
また、図１６（Ａ）に示されているように、帯状要素１６、１８の他端にＸ方向の圧縮応力Ｆxが与えられる共に、中央部の帯状要素の密度を低下させるＺ方向の周りの回転応力Ｍzが帯状要素の他端に与えられる場合には、板状部材１２は図１６（Ｂ）に示されているように中央部の湾曲度合が小さくなるよう湾曲変形する。
また、上述の各実施形態においては、帯状要素（１６、１８）の一端は固定されている。しかし、帯状要素の一端がＸ方向に変位しないよう拘束された状態にて、帯状要素の一端にＸ方向の周りの回転応力Ｍx、Ｙ方向の周りの回転応力Ｍy、Ｚ方向の周りの回転応力Ｍzの何れかが与えられてもよい。例えば、Ｘ方向の圧縮応力Ｆx及びＹ方向の周りの回転応力Ｍyが帯状要素の他端に与えられると共に、Ｙ方向の周りの逆方向の回転応力Ｍyが帯状要素の一端に与えられる場合には、板状部材１２は図１５（Ｄ）に示されているように湾曲変形する。
また、上述の各実施形態においては、第一及び第二の帯状要素１６及び１８の寸法はそれらの全長に亘り一定であるが、厚さや幅が領域によって他の領域の値とは異なっていてもよい。例えば、第一及び第二の帯状要素１６及び１８が互いに交差する部分において、それらの厚さが他の領域よりも小さくされていてもよい。
また、上述の各実施形態においては、フレーム部材１４は平板部材１４Ａを有しているが、平板部材１４Ａは省略されてもよい。その場合には、帯状要素にＸ方向の圧縮応力が付与されることにより板状部材１２が所定のＺ方向へ弾性変形するよう、図１７に示されているように、フレーム部材１４の変位案内部による帯状要素の案内方向が所定の方向へ傾斜されていてよい。また、図１８に示されているように、標準状態において板状部材１２が全体として所定のＺ方向へ僅かに湾曲していてもよく、また図１９に示されているように、板状部材１２が局部的に所定のＺ方向へ湾曲した予備変形部１２Ｚを有していてもよい。
図１７ないし図１９に示された何れの構造も、帯状要素にＸ方向の圧縮応力が付与される際に、帯状要素が所定のＺ方向への弾性変形するよう案内する変形案内手段として機能する。よって、上述の各実施形態における台座平板２４は不要である。なお、ばね、弾性を有するひもや帯材などにて板状部材１２又は帯状要素の少なくとも一部を所定のＺ方向へ付勢することにより、変形案内手段の機能が達成されてもよい。
また、上述の各実施形態においては、板状部材１２は標準状態においては平板状をなし、帯状要素にＸ方向の圧縮応力が付与されると所定のＺ方向へ湾曲変形するようになっている。しかし、板状部材１２は標準状態において湾曲しており、帯状要素に圧縮応力又は引張り応力が付与されることにより、平板状になったり湾曲度合が変化したりするようになっていてもよい。
また、上述の第一ないし第五の実施形態においては、検出手段は、帯状要素の他端の変位量を検出するようになっているが、変形制御装置により帯状要素に与えられる圧縮応力を検出する荷重センサなどであってもよい。
また、上述の各実施形態においては、変形制御装置により圧縮応力が帯状要素に与えられ、板状部材１２が変形せしめられる際にも帯状要素は加振されない。しかし、特に板状部材１２の変形状態の維持が良好に行われるよう、帯状要素の表面の摩擦係数が比較的高く設定される場合には、板状部材１２の変形開始時及び変形解除時に帯状要素の間の相対変位が容易に行われるよう、板状部材１２が加振されるよう修正されてもよい。
また、帯状要素を形成する樹脂などの材料は、温度が高いほど硬度が低下するので、温度が高いほど帯状要素の剛性や弾性が低下し、帯状要素同士が当接して相対変位する際の摩擦係数が低下する。よって、図には示されていないが、例えば第六の実施形態の温度制御装置と６０と同様の温度制御装置によって帯状要素の温度が制御されることにより、帯状要素の剛性、弾性、摩擦係数などが変化され、これにより板状部材１２の変形容易性、形状保持性、帯状要素同士の摩擦による振動減衰性能などが制御されるように修正されてもよい。
また、上述の各実施形態においては、変形制御装置（２６、２８）によって全ての帯状要素の他端に応力が付与されているが、他端に応力が付与されない帯状要素が存在し、それらの帯状要素が他端に応力が付与される帯状要素の変形によって従動的に変形せしめられるようになっていてもよい。
また、上述の第一の実施形態においては、全ての第一の帯状要素１６の一端がフレーム部材１４の同一の側に設定され、変形制御装置２６がフレーム部材１４の反対の側に設置されている。同様に、全ての第二の帯状要素１８の一端がフレーム部材１４の同一の側に設定され、変形制御装置２８がフレーム部材１４の反対の側に設置されている。しかし、例えば隣接する第一の帯状要素１６が交互に逆向きに配設され、隣接する第二の帯状要素１８が交互に逆向きに配設され、これにより変形制御装置２６及び２８がそれぞれフレーム部材１４の両側に設置されてもよい。
また、上述の第五の実施形態においては、変位発生装置３２のフリーピストン３６の変位量が変位拡大装置３４によって拡大されるようになっている。しかし、変位発生装置の変位は、例えば四節リンク式のトグル機構のような他の変位拡大機構により拡大されてもよい。
１０…面形状可変装置、１２…板状部材、１４…フレーム部材、１６…第一の帯状要素、１８…第二の帯状要素、２０…膜部材、２６，２８…変形制御装置、３０…変形制御装置、３２…変位発生装置、３４…変位拡大装置、４２…圧電素子の積層体、５８…温度センサ、６０…温度制御装置、６６…形状保持装置

Claims (10)

  1. 一つの面に沿って並列的に延在する複数の弾性変形可能な帯状要素を含む板状部材と、少なくとも一部の帯状要素に応力を付与することにより、前記少なくとも一部の帯状要素を含む帯状要素を弾性変形させる変形制御手段と、を有し、前記少なくとも一部の帯状要素の一端は拘束されており、前記変形制御手段は帯状要素の他端を一端に対し変位させるよう構成された面形状可変装置において、
    前記面形状可変装置は、帯状要素の他端が前記変形制御手段により一端に近づくよう変位せしめられる際に、帯状要素が前記面を横切る所定の方向へ弾性変形するよう案内する変形案内手段を有することを特徴とする面形状可変装置。
  2. 請求項１に記載の面形状可変装置において、前記応力は、帯状要素の延在方向に沿う応力、帯状要素の延在方向に垂直な方向に沿う応力、帯状要素の延在方向の周りの回転応力、帯状要素の延在方向に垂直な方向の周りの回転応力、及びこれらの二つ又は三つの応力の組合せの何れかであることを特徴とする面形状可変装置。
  3. 請求項１又は２に記載の面形状可変装置において、前記板状部材は、第一の方向に沿って並列的に延在する複数の第一の帯状要素と、前記第一の方向を横切る第二の方向に沿って並列的に延在する複数の第二の帯状要素とを含み、前記第一及び第二の帯状要素は織物状に織られていることを特徴とする面形状可変装置。
  4. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の面形状可変装置において、前記変形制御手段は、帯状要素の他端を駆動する駆動手段と、前記駆動手段により駆動される他端の変位量及び前記駆動手段により帯状要素に与えられる応力の少なくとも一方を検出する検出手段とを含んでいることを特徴とする面形状可変装置。
  5. 請求項４に記載の面形状可変装置において、前記駆動手段は一つで二つ以上の帯状要素の他端を一括して駆動することを特徴とする面形状可変装置。
  6. 請求項４又は５に記載の面形状可変装置において、前記駆動手段は圧電体、形状記憶合金及び形状記憶樹脂の少なくとも一つにて構成された部分を含んでいることを特徴とする面形状可変装置。
  7. 請求項１乃至６の何れか一つに記載の面形状可変装置において、前記面形状可変装置は、帯状要素の他端が一端に対し相対変位することを阻止することにより前記板状部材の形状を保持する形状保持手段を有することを特徴とする面形状可変装置。
  8. 請求項１乃至３の何れか一つに記載の面形状可変装置において、前記少なくとも一部の帯状要素は、温度に応答して少なくとも前記面を横切る方向へ弾性変形する形状記憶合金及び形状記憶樹脂の少なくとも一方にて構成された部分を含み、前記変形制御手段は、帯状要素の温度を制御することを特徴とする面形状可変装置。
  9. 請求項１乃至８の何れか一つに記載の面形状可変装置において、前記板状部材の少なくとも一方の面には、変形可能な膜部材が接合されていることを特徴とする面形状可変装置。
  10. 請求項１乃至９の何れか一つに記載の面形状可変装置において、互いに積層された複数の前記板状部材と、各板状部材に対応する複数の変形制御手段とを有することを特徴とする面形状可変装置。
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