(57)【要約】【課題】強度がより一層向上したメタマテリアル複合体を提供する。【解決手段】メタマテリアル複合体Ｍは、三次元格子状をなす複数の力学的メタマテリアル１００を多重に有し、複数の力学的メタマテリアル１００が、互いに同一の姿勢で、かつ、互いに非接触に独立して組み合わされて構成されている。これにより、単一の力学的メタマテリアルが持つ特性を維持しつつ、強度を向上させたメタマテリアル複合体Ｍを得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元格子状をなす複数の力学的メタマテリアルを多重に有し、
一の前記力学的メタマテリアルは、他の前記力学的メタマテリアルに対して所定の方向にずらして配置され、かつ互いに非接触に組み合わされて構成されているメタマテリアル複合体。
【請求項２】
前記力学的メタマテリアルは、
第一材料からなり格子板状に延びるとともに互いに間隔をあけて積層された複数のベース板と、第二材料からなり互いに隣り合うベース板同士を接続する複数の梁を有しており、
前記第一材料の線膨張係数は、前記第二材料の線膨張係数より大きく、
前記複数の力学的メタマテリアルは、
前記ベース板同士が平行に配置されており、
一の前記力学的メタマテリアルの前記ベース板の格子板状の孔部分を、他の前記力学的メタマテリアルの前記梁が貫通している請求項１に記載のメタマテリアル複合体。
【請求項３】
前記ベース板は、該ベース板を貫通する複数の孔が形成されることで格子状をなし、前記複数の梁は、前記ベース板同士を接続する三次元トラス構造をなしている請求項２に記載のメタマテリアル複合体。
【請求項４】
前記力学的メタマテリアルは、第一方向に収縮させた際に該第一方向に交差する基準平面上の寸法が収縮するユニットセルを同一の姿勢で複数結合した構造をなしている請求項１に記載のメタマテリアル複合体。
【請求項５】
前記力学的メタマテリアルは、
前記軸線方向、及び該軸線方向に直交する面方向に連続的に配列された複数のユニットセルを有し、
各前記ユニットセルは、
前記軸線方向に延びるとともに、該軸線方向に間隔をあけて配置された一対の棒状部と、
該一対の棒状部同士の間を接続するとともに、前記軸線方向に延びる第一部材、及び該第一部材の前記軸線方向における両端部と前記棒状部の端部とを接続する一対の第二部材を有する複数の収縮部と、
を有し、
前記棒状部同士の間の間隔は、前記軸線方向における前記第一部材の寸法よりも小さい請求項４に記載のメタマテリアル複合体。
【請求項６】
温度変化に曝されているとともに、請求項１から５のいずれか一項に記載のメタマテリアル複合体で形成された部材を備える回転機械。
【請求項７】
パウダーベッド方式の３Ｄプリンタを用いて、請求項１から５のいずれか一項に記載のメタマテリアル複合体を形成するメタマテリアル複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタマテリアル複合体、回転機械及びメタマテリアル複合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタマテリアルと呼ばれる材料に関する研究に注目が集まっている。メタマテリアルとは、従来の材料では実現できなかった性質を有する材料である。メタマテリアルとしては、例えば負の屈折率を有する光学的メタマテリアルがこれまでに実現されてきた。一方で、３Ｄプリンタの実用化に伴って、力学的メタマテリアルと呼ばれる材料も実用化されつつある。力学的メタマテリアルとして、負のポアソン比を有するものや、負又はゼロの熱膨張率を有するものが特に注目されている。
【０００３】
力学的メタマテリアルの具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された熱膨張材料は、負の熱膨張を示す金属酸化物からなる八面体配位子又は四面体配位子の隙間に、第三の元素が配置される。これにより、配位子が回転することによる金属酸化物分子間のズレが抑制され、負の熱膨張が抑制される。その結果、全体として熱膨張をゼロにできるとされている。
【０００４】
ここで、上記のような構成の他に、梁や板材などの部材を周期的に接続することによって力学的メタマテリアルを形成する技術も知られている。具体的には、厚さ方向に間隔をあけて配列された複数の板材の間に、これら板材同士を接続する梁を設けることで、中実の材料では発現が難しい特性を有する力学的メタマテリアルを得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１７３３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の構造を有するメタマテリアルでは、梁同士の間や板材同士の間に空間が形成されている。これにより、このメタマテリアルは実質的に中空となっている。したがって、中実の材料に比べて強度が劣る場合が多い。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、強度がより一層向上したメタマテリアル複合体、回転機械及びメタマテリアル複合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るメタマテリアル複合体は、三次元格子状をなす複数の力学的メタマテリアルを多重に有し、一の前記力学的メタマテリアルは、他の前記力学的メタマテリアルに対して所定の方向にずらして配置され、かつ互いに非接触に組み合わされて構成されている。
【０００９】
上記構成によれば、複数の力学的メタマテリアルが互いに独立した状態で非接触に組み合わされていることから、単一の力学的メタマテリアルのみの場合に比べて、メタマテリアル複合体の密度を上げることができる。これにより、メタマテリアル複合体の強度を向上させることができる。さらに、複数の力学的メタマテリアルは、所定の方向にずらして配置されていることから、単一の力学的メタマテリアルで生じる熱変形の方向性を維持することができる。加えて、複数の力学的メタマテリアルを多重に有することから、その一部が損傷を受けた場合であっても、他の部分が補完することで、メタマテリアル複合体としての特性を維持することができる。
【００１０】
上記のメタマテリアル複合体では、前記力学的メタマテリアルは、第一材料からなり格子板状に延びるとともに互いに間隔をあけて積層された複数のベース板と、第二材料からなり互いに隣り合うベース板同士を接続する複数の梁を有しており、前記第一材料の線膨張係数は、前記第二材料の線膨張係数より大きく、前記複数の力学的メタマテリアルは、前記ベース板同士が平行に配置されており、一の前記力学的メタマテリアルの前記ベース板の格子板状の孔部分を、他の前記力学的メタマテリアルの前記梁が貫通していてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、それぞれの力学的メタマテリアルが格子状のベース板と、これらベース板同士を接続する梁とによって構成されている。さらに、ベース板を形成する第一材料の線膨張係数は、梁を形成する第二材料の線膨張係数よりも大きく設定されている。これにより、熱が加わった場合、ベース板は梁よりも大きく熱変形する。その結果、力学的メタマテリアル全体としては、ベース板の広がる方向に熱変形が生じる一方で、梁がベース板に向かって倒れることでベース板の積層方向には熱変形が抑制される。したがって、このように積層方向における線膨張係数が前記第二材料より小さい値、ゼロ又は負となる力学的メタマテリアルを形成することができる。発現する線膨張係数は第一材料及び第二材料の線膨張係数、角度、剛性や両者の接合方法によって調整できる。さらに、メタマテリアル複合体は、複数の力学的メタマテリアルを多重に組み合わせて形成されていることから、上記の特性を発現させつつ、より一層の強度向上を実現することができる。
【００１２】
上記のメタマテリアル複合体では、前記ベース板は、該ベース板を貫通する複数の孔が形成されることで格子状をなし、前記複数の梁は、前記ベース板同士を接続する三次元トラス構造をなしていてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、複数の梁によって三次元トラス構造が形成される。ここで、三次元トラス構造とは、複数の梁によって形成された四角錐を連続的に組み合わせた構造を指す。三次元トラス構造では、外力が加わった場合、それぞれの梁には自身の延びる方向における圧縮又は引っ張りのみが作用することが知られている。したがって、このように構成された力学的メタマテリアルでは、ベース板に熱膨張が生じた場合に梁に生じる力の方向が梁の軸方向に限定されていることから、発現する線膨張係数をより容易に調節することができる。具体的には、ベース板や梁の太さ（延びる方向における断面積）を変えることで、力学的メタマテリアルの線膨張係数を容易に変更することができる。これにより、メタマテリアル複合体の特性を高い自由度のもとで決定することができる。
【００１４】
上記のメタマテリアル複合体では、前記力学的メタマテリアルは、第一方向に収縮させた際に該第一方向に交差する基準平面上の寸法が収縮するユニットセルを同一の姿勢で複数結合した構造をなしていてもよい。
【００１５】
上記構成によれば、ユニットセルを特定の第一方向に収縮させた際に、この第一方向に交差する基準平面上の寸法も収縮する。力学的メタマテリアルは、このようなユニットセルを同一の姿勢で複数結合した構造を有している。したがって、力学的メタマテリアルマテリアル全体としては、負のポアソン比を呈する。さらに、メタマテリアル複合体は、複数の力学的メタマテリアルを多重に組み合わせて形成されていることから、上記の特性を発現させつつ、より一層の強度向上を実現することができる。
【００１６】
上記のメタマテリアル複合体では、前記力学的メタマテリアルは、前記軸線方向、及び該軸線方向に直交する面方向に連続的に配列された複数のユニットセルを有し、各前記ユニットセルは、前記軸線方向に延びるとともに、該軸線方向に間隔をあけて配置された一対の棒状部と、該一対の棒状部同士の間を接続するとともに、前記軸線方向に延びる第一部材、及び該第一部材の前記軸線方向における両端部と前記棒状部の端部とを接続する一対の第二部材を有する複数の収縮部と、を有し、前記棒状部同士の間の間隔は、前記軸線方向における前記第一部材の寸法よりも小さくてもよい。
【００１７】
上記構成によれば、力学的メタマテリアルは、軸線方向の両側から荷重が加えられた場合、以下のような挙動を示す。まず、外力によって各ユニットセルにおける一対の棒状部同士が互いに近付く方向に変位する。つまり、各ユニットセルが軸線方向に収縮する。この時、棒状部に接続された複数の収縮部では、各第一部材が内側に向かって互いに近付くように撓みを生じる。即ち、このユニットセルは、軸線方向に収縮した際に、この軸線方向に交差（直交）する方向にも収縮する。これにより、従来の材料では発現が難しい負のポアソン比を有する材料を実現することができる。
【００１８】
本発明の一態様に係る回転機械は、温度変化に曝されているとともに、上記いずれか一の態様に係るメタマテリアル複合体で形成された部材を備える。
【００１９】
上記構成によれば、例えばガスタービンや蒸気タービンを含む回転機械において、高温の作動流体による温度変化に曝されている部材が、メタマテリアル複合体で形成されている。メタマテリアル複合体は、温度変化による熱膨張を伴わず、かつ比較的に大きな荷重に抗し得る。したがって、より安定的に運転することが可能な回転機械を実現することができる。
【００２０】
本発明の一態様に係るメタマテリアル複合体の製造方法は、パウダーベッド方式の３Ｄプリンタを用いて、上記いずれか一の態様に係るメタマテリアル複合体を形成する。
【００２１】
この方法によれば、複数の力学的メタマテリアルが組み合わさった状態のメタマテリアル複合体を３Ｄプリンタによって容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、力学的メタマテリアル単独に対して、強度がより一層向上したメタマテリアル複合体、回転機械及びメタマテリアル複合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るメタマテリアル複合体の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る力学的メタマテリアルの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る力学的メタマテリアルの挙動を説明する説明図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るメタマテリアル複合体の要部を示す模式図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係るメタマテリアル複合体の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る力学的メタマテリアルのユニットセルの構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る力学的メタマテリアルの構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第三実施形態に係る緩衝材の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係るメタマテリアル複合体Ｍは、それぞれ三次元の格子状をなす複数の力学的メタマテリアル１００を有している。より具体的には、このメタマテリアル複合体Ｍでは、複数の力学的メタマテリアル１００が、互いに同一の姿勢で、かつ、互いに非接触の状態で組み合わされている。また、これら力学的メタマテリアル１００は、互いに独立している。言い換えると、これら力学的メタマテリアル１００は、互いに接続されていない。
【００２５】
それぞれの力学的メタマテリアル１００の構成について、図２を参照して説明する。力学的メタマテリアル１００は、板状に形成されるとともに、厚さ方向に間隔をあけて互いに平行に配列された複数のベース板１と、これらベース板１同士を互いに梁２１で接続する三次元梁構造２と、を備えている。ベース板１を形成する第一材料の線膨張係数は、三次元梁構造２を形成する第二材料の線膨張係数に対して相対的に大きい。なお、これら第一材料、及び第二材料は、線膨張係数の異なる材料である。第一材料、及び第二材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４１０）や、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ、Ｎｉ基合金（インコネル６００、７１８）、高クロム鋼（９Ｃｒ、１２Ｃｒ）、２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ材等から選択された材料が適宜用いられる。より具体的には、第一材料としてＳＵＳ３０４を用い、第二材料としてこのＳＵＳ３０４よりも線膨張係数が小さいＳＵＳ４１０を用いることが考えられる。また、第一材料としてＳＵＳ３０４を用い、第二材料としてＴｉ６Ａｌ４Ｖを用いることも可能である。この他、アルミ合金、銅、カーボンスチールや非金属材料を第一材料、又は第二材料として用いることも可能である。複数のベース板１は、延在領域の全体にわたって等間隔をあけて互いに対向している。
【００２６】
ベース板１は、複数（４つ）の梁２１が接続されることで第一支持点３１を形成する支持部４１と、面内方向において互いに隣接する複数の支持部４１を接続する接続部４２と、を有している。これにより、ベース板１には、複数（４つ）の第一支持点３１を頂点とする四角形の孔（ベース板孔部６）が形成されている。即ち、ベース板１は、各第一支持点３１同士を接続する格子状をなしている。
【００２７】
三次元梁構造２は、互いに交差する方向に延びる複数の梁２１を有している。それぞれの梁２１は棒状をなしている。この三次元梁構造２では、４つの梁２１が、互いに対向する一対のベース板１のうち、一方側のベース板１の表面に格子状に配列された複数の支持点の一つ（第一支持点３１）と、他方側のベース板１の表面に格子状に配列された４つの支持点（第二支持点３２）とをそれぞれ接続している。
【００２８】
ベース板１に直交する方向から見て、第一支持点３１と第二支持点３２とは、位置が互いに重ならないような位置にそれぞれ配列されるとともに、互いに等間隔をあけて格子状に配列されている。即ち、上記４つの梁２１は、１つの第一支持点３１を頂点とするとともに、４つの第二支持点３２によってベース板１上に形成される四角形を底面とする四角錐を形成している。複数の梁２１は、互いに同一の長さを有している。
【００２９】
上記のような三次元梁構造２が、ベース板１を挟んで積層方向に鏡像対称となるように配置されている。言い換えれば、ベース板１の一方側の面における１つの第一支持点３１の反対側（ベース板１の他方側の面上）には、他の第一支持点３１が位置している。図１と図２の例では、これらベース板１、及び三次元梁構造２が、４層にわたって積層されている構成を示している。
【００３０】
次に、上記の力学的メタマテリアル１００の挙動について、図３を参照して説明する。図３では、一対のベース板１と、これらベース板１同士の間に設けられた１層の三次元梁構造２のみを代表的に示している。力学的メタマテリアル１００に熱が加えられた場合、ベース板１、及び三次元梁構造２は、以下のような挙動を示す。まず、ベース板１は、自身の延在する面方向（図３中の矢印Ｄａ方向）に膨張する（ベース板１ａ）。したがって、上述の第一支持点３１同士の間隔が広がる。ここで、梁２１の線膨張係数が、ベース板１の線膨張係数よりも小さいことから、ベース板１の熱膨張量に比べて、梁２１の熱膨張量は小さくなっている。これにより、上述の第一支持点３１同士の間隔が広がり（第一支持点３１ａ）、一対の梁２１はベース板１の膨張する方向へ引っ張られる（梁２１ａ）。その結果、一方側のベース板１に対して、他方側のベース板１が近付く方向（図３中の矢印Ｄｂ方向）に変位する。このように、ベース板１の広がる面方向（Ｄａ方向）に膨張が生じる一方で、面方向に直交する厚さ方向（積層方向；Ｄｂ方向）では熱膨張が抑制される（積層方向における線膨張係数が梁２１より小さい値、ゼロ又は負）。
【００３１】
他方で、上記のような力学的メタマテリアル１００とは異なる、一様な材料で形成された中実の板材に熱を加えた場合、面方向と厚さ方向に材料固有の熱膨張が生じる。即ち、上記の力学的メタマテリアル１００では、従来発現が難しい特性を実現することができる。
【００３２】
上記のような力学的メタマテリアル１００が、図４のような状態で互いに複数組み合わせられている。同図に示すように、一つの力学的メタマテリアル１００におけるベース板１の孔部分（上記のベース板孔部６）を、他の力学的メタマテリアル１００の梁２１が貫通している。具体的には、図４の例では、３つの力学的メタマテリアル１００のうち、積層方向における最も一方側に位置する第一力学的メタマテリアル１００Ａと、この第一力学的メタマテリアル１００Ａの積層方向他方側に位置する第二力学的メタマテリアル１００Ｂと、この第二力学的メタマテリアル１００Ｂのさらに他方側に位置する第三力学的メタマテリアル１００Ｃとを代表的に示している。
【００３３】
第一力学的メタマテリアル１００Ａは、一対の第一ベース板１Ａと、複数の第一梁２１Ａとを有している。第二力学的メタマテリアル１００Ｂは、一対の第二ベース板１Ｂと、複数の第二梁２１Ｂとを有している。第三力学的メタマテリアル１００Ｃは、一対の第三ベース板１Ｃと、複数の第三梁２１Ｃとを有している。第一梁２１Ａは、第二ベース板１Ｂに形成された第二ベース板孔部６Ｂ、及び他方の第三ベース板１Ｃに形成された第三ベース板孔部６Ｃを貫通するようにして一方の第一ベース板１Ａから他方の第一ベース板１Ａまで延びている。第二梁２１Ｂは、第三ベース板１Ｃに形成された第三ベース板孔部６Ｃ、及び他方の第一ベース板１Ａに形成された第一ベース板孔部６Ａを貫通するようにして一方の第二ベース板１Ｂから他方の第二ベース板１Ｂまで延びている。第三梁２１Ｃは、第一ベース板１Ａに形成された第一ベース板孔部６Ａ、及び第二ベース板１Ｂに形成された第二ベース板孔部６Ｂを貫通するようにして一方の第三ベース板１Ｃから他方の第三ベース板１Ｃまで延びている。つまり、これら第一力学的メタマテリアル１００Ａ、第二力学的メタマテリアル１００Ｂ、及び第三力学的メタマテリアル１００Ｃは、それぞれの第一ベース板１Ａ、第二ベース他板１Ｂ、及び第三ベース板１Ｃが互いに平行となるような姿勢（上述の「同一の姿勢」）で配置されている。さらに言い換えれば、これら第一力学的メタマテリアル１００Ａ、第二力学的メタマテリアル１００Ｂ、及び第三力学的メタマテリアル１００Ｃは、互いに所定の方向にずれた状態で組み合わされている。
【００３４】
このような構成のメタマテリアル複合体Ｍを得るに当たっては、３Ｄプリンタによる立体造形を用いることが望ましい。特に、パウダーベッド方式の３Ｄプリンタが好適に用いられる。
【００３５】
なお、上記のメタマテリアル複合体Ｍは、例えば蒸気タービンやガスタービンを含む回転機械における一部の部材に好適に適用できる。蒸気タービンやガスタービンの一部の部材は、高温高圧の作動流体に常態的に曝されている。また、一部の部材は比較的に大きな荷重を負担している場合もある。この種の部材をメタマテリアル複合体Ｍによって構成することによって、熱膨張や、荷重に基づく変形・座屈等を抑制することができる。
【００３６】
上記のメタマテリアル複合体Ｍによれば、複数の力学的メタマテリアル１００が互いに独立した状態で非接触に組み合わされていることから、単一の力学的メタマテリアル１００のみの場合に比べて、メタマテリアル複合体Ｍの強度を向上させることができる。さらに、複数の力学的メタマテリアル１００は、所定の方向にずれた状態で配置されていることから、単一の力学的メタマテリアル１００で生じる熱変形の方向性を維持することができる。加えて、複数の力学的メタマテリアル１００を多重に有することから、その一部が損傷を受けた場合であっても、他の部分が補完することで、メタマテリアル複合体Ｍとしての特性を維持することができる。即ち、上記のようにメタマテリアル複合体Ｍを回転機械の部材に適用した場合には、たとえ損傷が発生した場合であっても、急速に損傷が拡大することがないため、回転機械を長期にわたってより安定的に運用することができる。
【００３７】
さらに、上記の構成によれば、それぞれの力学的メタマテリアル１００が格子板状のベース板１と、これらベース板１同士を接続する梁２１とによって構成されている。ベース板１を形成する第一材料の線膨張係数は、梁２１を形成する第二材料の線膨張係数よりも大きく設定されている。これにより、熱が加わった場合、ベース板１は梁よりも大きく熱変形する。その結果、力学的メタマテリアル１００全体としては、ベース板１の広がる方向に熱変形が生じる一方で、ベース板１の積層方向には熱変形が抑制される。したがって、このように積層方向における線膨張係数が梁２１より小さい値、ゼロ又は負となる力学的メタマテリアル１００を形成することができる。さらに、メタマテリアル複合体Ｍは、力学的メタマテリアル１００を複数組み合わせて形成されていることから、上記の特性を発現させつつ、より一層の強度向上を実現することができる。
【００３８】
加えて、上記構成によれば、複数の梁２１によって三次元トラス構造２が形成される。ここで、三次元トラス構造２とは、複数の梁２１によって形成された四角錐を連続的に組み合わせた構造を指す。三次元トラス構造２では、外力が加わった場合、それぞれの梁２１には自身の延びる方向における圧縮又は引っ張りのみが作用することが知られている。したがって、このように構成された力学的メタマテリアル１００では、ベース板１に熱膨張が生じた場合に梁２１に生じる力の方向が梁２１の軸方向に限定されていることから、発現する線膨張係数をより容易に調節することができる。具体的には、ベース板１や梁２１の太さ（延びる方向における断面積）を変えることで、力学的メタマテリアル１００の線膨張係数を容易に変更することができる。これにより、メタマテリアル複合体Ｍの特性を高い自由度のもとで決定することができる。
【００３９】
以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の方法や構成に種々の変更・改修を施すことが可能である。例えば、上記の実施形態では、力学的メタマテリアル１００がそれぞれ四角錐を有する構造で形成し例について説明した。しかしながら、力学的メタマテリアル１００の構成は上記に限定されず、互いに非接触の状態で重ね合わせ複数が存在できれば、力学的メタマテリアル１００として用いることが可能である。他の例として、三角錐を有する構造で形成することや、第一材料及び第二材料の配置を変えてベース板の積層方向だけではなく面方向の線膨張係数を同時に小さくすることも可能である。さらに、力学的メタマテリアル１００として、トポロジー最適化により導出されたメタマテリアルを用いることも可能である。また、本実施形態で述べる熱膨張や第二実施形態で述べる負のポアソン比以外の特性を発現する力学的メタマテリアルを多重化することも可能である。この例として、ゼロや極めて低いせん断弾性率を発現するＰｅｎｔａ−Ｍｏｄｅの力学的メタマテリアルや高い比強度に発現するマイクロラティス構造を多重化し、メタマテリアル複合体とすることも可能である。
【００４０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５から図７を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成や工程については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態に係るメタマテリアル複合体Ｍ´では、力学的メタマテリアル２００の構成が上記第一実施形態とは異なっている。
【００４１】
このメタマテリアル複合体Ｍ´は、それぞれ三次元の格子状をなす複数の力学的メタマテリアル２００を有している。より具体的には、このメタマテリアル複合体Ｍ´では、複数の力学的メタマテリアル２００が、互いに同一の姿勢で、かつ、互いに非接触の状態で組み合わされている。また、これら力学的メタマテリアル２００は、互いに独立している。言い換えると、これら力学的メタマテリアル２００は、互いに接続されていない。
【００４２】
それぞれの力学的メタマテリアル２００は、図６に示すユニットセルＵを複数有している。各ユニットセルＵは、第一方向Ｄ１に延びるとともに、当該第一方向Ｄ１に間隔をあけて配置された一対の棒状部６１と、これら棒状部６１同士の間を接続する４つの収縮部６２と、を有している。一対の棒状部６１は、互いに同一の方向（上記の第一方向Ｄ１）に延びる直線状に配置されている。４つの収縮部６２は、一対の棒状部６１の互いに対向する端部同士を接続している。
【００４３】
４つの収縮部６２は、上記の第一方向Ｄ１回りに９０°ずつの間隔をあけて設けられている。各収縮部６２は、第一方向Ｄ１に延びる第一部材６２Ａと、第一部材６２Ａの第一方向Ｄ１における両端部ｔ２と上記の棒状部６１の端部ｔ１とを接続する一対の第二部材６２Ｂと、を有している。各第二部材６２Ｂは、第一部材６２Ａの延びる方向（即ち、第一方向Ｄ１）に対して、９０°よりも小さな角度をなす方向に延びている。したがって、第一部材６２Ａの第一方向Ｄ１における寸法は、一対の棒状部６１の端部ｔ１同士の間の間隔よりも大きくなっている。
【００４４】
図７に示すように、上記の構成を有するユニットセルＵが、第一方向Ｄ１、及び第一方向Ｄ１に直交する面方向に、同一の姿勢（即ち、各ユニットセルＵの棒状部６１が互いに同一の方向に延びるような姿勢）で連続的に接続されることで、力学的メタマテリアル２００が形成されている。即ち、この力学的メタマテリアル２００は、第一方向Ｄ１に積層されるとともに、この積層方向に直交する方向に連続して接続された複数のユニットセルＵを有している。
【００４５】
メタマテリアル複合体Ｍ´に対して、第一方向Ｄ１の両側から外力を加えた場合、以下のような挙動を示す。まず、外力によって各ユニットセルＵにおける一対の棒状部６１同士が互いに近付く方向に変位する。つまり、各ユニットセルＵが第一方向Ｄ１に収縮する。この時、棒状部６１に接続された４つの収縮部６２では、図６中の鎖線矢印で示すように、各第一部材６２Ａが内側に向かって互いに近付くように撓みを生じる。即ち、このユニットセルＵは、第一方向Ｄ１に収縮した際に、この第一方向Ｄ１に交差（直交）する面（基準平面Ｓ）上における寸法も小さくなる。これにより、従来の材料では発現の難しい負のポアソン比を有する材料を実現することができる。なお、この時、第二部材６２Ｂでは、棒状部６１に対する角度が小さくなる方向に曲げが生じている。
【００４６】
以上、説明したように、上記の構成によれば、ユニットセルＵを特定の第一方向Ｄ１に収縮させた際に、この第一方向Ｄ１に交差する基準平面Ｓ上の寸法も収縮する。力学的メタマテリアル２００は、このようなユニットセルＵを同一の姿勢で複数結合した構造を有している。したがって、力学的マテリアル２００全体としては、負のポアソン比を呈する。さらに、メタマテリアル複合体Ｍ´は、複数の力学的メタマテリアル２００を多重に組み合わせて形成されていることから、上記の特性を発現させつつ、より一層の強度向上を実現することができる。
【００４７】
以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、力学的メタマテリアル２００の構成は上記に限定されず、互いに非接触の状態で重ね合わせ複数が存在できれば、力学的メタマテリアル１００として用いることが可能である。さらに、力学的メタマテリアル２００として、トポロジー最適化により導出されたメタマテリアルを用いることも可能である。
【００４８】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、上記各実施形態で説明したメタマテリアル複合体Ｍ（Ｍ´）を、緩衝材３００に適用した例について説明する。
【００４９】
緩衝材３００は、一対の基台３０１と、基台３０１同士の間に充填された緩衝材本体３０２と、を備えている。一対の基台３０１は、互いに対向するように配置された板状をなしている。緩衝材本体３０２は、上述のメタマテリアル複合体Ｍ（Ｍ´）によって一体に形成されている。基台３０１は、メタマテリアル複合体Ｍ（Ｍ´）における力学的メタマテリアル１００（２００）の積層方向に直交する面方向に広がっている。したがって、一対の基台３０１は、この積層方向に間隔をあけて対向している。
【００５０】
さらに、緩衝材本体３０２の積層方向における両端部ｔ３は、基台３０１の内面３０１Ａにそれぞれ固定されている。詳しくは図示しないが、緩衝材本体３０２を構成するメタマテリアル複合体Ｍ（Ｍ´）に含まれる各力学的メタマテリアル１００（２００）が、互いに独立した状態で、基台３０１の内面３０１Ａにそれぞれ接続されている。したがって、例えば基台３０１を通じて緩衝材本体３０２に外力が加わった場合、各力学的メタマテリアル１００（２００）は、互いに独立した状態でこの外力を受け止める。
【００５１】
上記のような緩衝材３００によれば、外力が加わった場合、複数の力学的メタマテリアル１００（２００）において、多数の微細な損傷が生じる。これにより、例えば単一の力学的メタマテリアル１００（２００）を用いて緩衝材３００を形成した場合に比べて、外力による衝撃荷重の変動を小さく抑えることができる。その結果、緩衝材３００によって保護対象物を効果的に保護することができる。
【００５２】
以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、力学的メタマテリアル１００（２００）の構成は上記に限定されず、互いに非接触の状態で重ね合わせ複数が存在できれば、力学的メタマテリアル１００（２００）として用いることが可能である。他の例として、単一の力学的メタマテリアルとして緩衝材として利用されるマイクロラティス構造を力学的メタマテリアル１００（２００）として用いることも可能である。さらに、力学的メタマテリアル１００（２００）として、トポロジー最適化により導出されたメタマテリアルを用いることも可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｍ，Ｍ´…メタマテリアル複合体
１００，２００…力学的メタマテリアル
３００…緩衝材
３０１…基台
３０１Ａ…内面
３０２…緩衝材本体
１，１ａ…ベース板
２…三次元梁構造又は三次元トラス構造
６…ベース板孔部
６１…棒状部
６２…収縮部
６２Ａ…第一部材
６２Ｂ…第二部材
２１，２１ａ…梁
３１，３１ａ…第一支持点
３２，３２ａ…第二支持点
４１…支持部
４２…接続部
Ｄ１…第一方向
Ｓ…基準平面
ｔ１，ｔ２，ｔ３…端部
Ｕ…ユニットセル
Ｄａ，Ｄｂ…方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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