(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納・展開型枠組み構造物において、
端部同志が連結され、ジグザグ状に折畳まれた複数の外枠材と、
隣接する前記外枠材の端部同志を角度可変に接続する複数のヒンジと、
展開軸と、
前記外枠材が折畳まれた状態において前記展開軸から近い位置にある複数の前記ヒンジと前記展開軸との間に設けられ、一端部が前記展開軸に角度可変に取り付けられ、他端部がそれぞれの前記展開軸から近い位置にある複数の前記ヒンジに角度可変に取り付けられた複数の支持材と、
前記外枠材が折畳まれた状態において前記展開軸から遠い位置にある複数の前記ヒンジと、前記展開軸との間に設けられた複数のワイヤーと、
前記展開軸から前記ワイヤーに張力を加えて、前記展開軸に遠い位置にある複数の前記ヒンジと、前記展開軸との間の距離を調整する展開制御機構と、
を備えたことを特徴とする枠組み構造物。
【請求項２】
前記収納・展開型枠組み構造物において、隣接する２本の前記外枠材と、隣接する２本の前記支持材とで四辺形を形成し、隣接する２つの四辺形が１本の前記支持材により形成される辺を共有する請求項１に記載の枠組み構造物。
【請求項３】
前記枠組み構造物が完全に展開した状態では、前記展開軸に取り付けられた複数の前記支持材のうち、最も外側の２本の前記支持材は、辺同志が連結されて１本の支持材として作用する請求項１に記載の枠組み構造物。
【請求項４】
前記外枠材は６本であり、前記支持材は４本であり、前記外枠材と前記支持材の長さはほぼ同一である請求項１に記載の枠組み構造物。
【請求項５】
前記ヒンジは、前記枠組み構造物を展開する方向に付勢するバネを有する請求項１に記載の枠組み構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池パネル等に適用可能な平らな平面を形成する枠組み構造物の外周を構成する外枠材を折り畳んでコンパクトに収納し、かつ、枠組み構造物の頂点を結んだワイヤーを巻き取ることにより、棒状に折り畳んだ状態から平面状の枠組み構造を形成することを特徴とする収納・展開型枠組み構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面或いは曲面を形成する枠組み構造物は、人工衛星などの太陽電池パネルや大型アンテナとして広く利用されている。これらの例として、太陽電池パネル、大型アンテナ等がある。太陽電池パネルは、ロケット搭載時には複数の平板をヒンジで連結して屏風のように折り畳んで収納し、軌道上で運用する時にはヒンジに設けられたバネ等を用いてこれらの平板がさらに広い平面を成すように展開する。大型アンテナは、傘のように折り畳まれたフレーム構造体を軌道上で展開して、お碗状の曲面を形成する。しかし、これらは重量軽減のため、通常、きわめて柔軟な構造物となる。特に、大きな開口面積を必要とする太陽電池パネルの形成においては、例えば帆船の帆のように進展したマストに膜状の太陽電池セルを張ったような太陽電池構造体があり、これらは開口面積が増大するに伴い柔軟化する傾向にある。
【０００３】
無重量の宇宙環境では、地球上の構造物の場合よりも、その柔軟化は大幅に許容される。例えば、従来の規模の人工衛星であれば、これらの構造物に加えられる加速度も極めて小さいこともあり、構造物の固有振動数が１００分の数Ｈｚであっても、宇宙構造体としては十分に成立することが多い。
【０００４】
しかしながら、構造物の大型化は固有振動数のさらなる低下と加速度による構造物の大きな変形を伴う。このため、構造物のアクティブな姿勢制御や軌道変換が困難となり、最早、宇宙構造体として成立しなくなる。簡単な例として棒材の剛性について考えてみると、そのたわみはその長さの３乗に比例して増加する。従って、構造体の剛性低下を可能な限り抑えてその開口面積を増加させるには、構造体を長くするだけでなくその横幅も広げるような形状とするのが望ましい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の太陽電池パネルのような構造物は、折畳んだ構造物を一方向に細長く展開するものが多かった。大型化への対応を考慮するならば、太陽電池パネル等の構造物も細長く展開するだけではなく、縦と横に均等に展開できるような収納・展開型構造物が望まれる。しかし、このような展開が容易であり、かつ、これをコンパクトに折り畳むことの可能な構造物がなかった。展開した状態で、外枠の形状が例えば正六角形になるフレーム構造物は、軽量の構造材で大きな面積を形成することが可能である。
【０００６】
本発明は、棒の束のように折り畳んだ状態から、２次元に展開して広げることが可能な枠組み構造物を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、収納・展開型枠組み構造物において、複数の外枠材を備え、この外枠材の端部は、隣接する外枠材の一端部に連結され、ジグザグ状に配置される。複数のヒンジが設けられ、それぞれのヒンジは１本の外枠材の一端部と、隣接する外枠材の一端部とを角度可変に接続する。
また、展開軸が設けられる。
外枠材が折畳まれた状態において、展開軸から近い位置にある複数のヒンジと展開軸との間に、それぞれ支持材が設けられ、支持材の一端部は前記展開軸に角度可変に取り付けられ、支持材の他端部はそれぞれの前記ヒンジに角度可変に取り付けられる。
外枠材が折畳まれた状態において、展開軸から遠い位置にある複数のヒンジと、展開軸との間にそれぞれワイヤーが設けられる。展開軸からワイヤーに張力を加えて、展開軸に遠い位置にある複数のヒンジと、展開軸との間の距離を調整する展開制御機構が設けられる。
【０００８】
この発明により、枠組み構造物は３個の四辺形構造物が、頂点をなす展開軸で連結され、支持材と外枠材が、棒状に収納された状態から、展開軸を軸として扇状に展開する連結展開機構を形成することができる。また、連結構造物をまず棒状の束のように折り畳んだ状態で収納して輸送し、次にこれを枠組み構造物に展開することが可能となる。また、連結構造物の平行四辺形の対角線に沿って張られた３本のワイヤーをこれらの長さが辺の長さと同じになるように巻き取り、展開制御機構を用いて先端の辺同士を連結することにより、棒状に収納された四辺形構造物を枠組み構造物に展開することが可能となる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の収納・展開型枠組み構造物の構成において、隣接する２本の外枠材と、隣接する２本の支持材とで四辺形を形成し、隣接する２つの四辺形が１本の支持材により形成される辺を共有する枠組み構造物である。
この構造により、連結構造物の構成を簡単にするだけでなく、枠組み構造物の形成において、外枠を形成する構造材の形状・機能とこれを支持する構造材の形状・機能を別々のものとすることが容易になる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１に記載の枠組み構造物において、完全に展開した状態では、展開軸に取り付けられた複数の前記支持材のうち、最も外側の２本の支持材は、辺同志が連結されて１本の支持材として作用する枠組み構造物である。
この構造により、展開した状態で固定される枠組み構造物を得ることが出来る。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１に記載の枠組み構造物において、外枠材は６本であり、支持材は４本であり、外枠材と支持材の長さはほぼ同一である枠組み構造物である。
この構造により、展開した状態で正六角形の枠組み構造物を得ることが出来る。これにより、展開して構成される構造体の形状が均一なものとなり、構造重量の軽量化、構造強度の均一化、構造体の再利用化などに有効である。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１に記載の枠組み構造物において、ヒンジは、前記枠組み構造物を展開する方向に付勢するバネを有する枠組み構造物である。
この構造により、折畳まれた状態から、展開するのが容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を示す。
図１は、本発明による収納・展開型枠組み構造物の構成方法により、連結構造物が展開を開始する前における形態を示したものであり、図２は、連結構造物の展開初期における形態を示したものである。
【００１４】
図３は展開中間時、図４は展開後半、図５は展開完了時の構造物の形態を示すものである。本発明の一実施の形態である収納・展開型枠組み構造物の構成方法を説明するには図２が簡便であるため、以下主として図２を参照して説明する。各図において、同一の部品又は部分は同一の番号で示す。
【００１５】
この実施の形態は、枠組み構造物が、展開した状態において正六角形を形成する場合である。外枠（主構造材の一部）を成す構造材は６本あり、これらを端から順に外枠材１１、外枠材１２、外枠材１３、外枠材１４、外枠材１５、外枠材１６とする。展開前は、外枠材の端部同士がヒンジを介して直列に連結されてジグザグ状に折り畳まれている。簡単のため、これらは同等の外枠構造材からななることとする。
【００１６】
そして、２つの隣接する外枠材はヒンジにより結合される。即ち、外枠材１１と外枠材１２とを連結する機構としてヒンジ２１を備えている。同様に、外枠材１２と外枠材１３とを連結する機構としてヒンジ２２を、外枠材１３と外枠材１４とを連結する機構としてヒンジ２３を、外枠材１４と外枠材１５とを連結する機構としてヒンジ２４を、外枠材１５と外枠材１６とを連結する機構としてヒンジ２５を備えている。
【００１７】
ヒンジ２１は、ヒンジ片２１ａ，２１ｂと、軸部２１ｃとを備え、軸部２１ｃを中心にしてヒンジ片２１ａと２１ｂの角度を変えることが出来る。ヒンジ片２１ａは、外枠材１１の一方の端部に固定され、ヒンジ片２１ｂは、外枠材１２の一方の端部に固定されている。ヒンジ片２１ａと２１ｂの角度を変えることにより、外枠材１１と１２の間の角度を変えることが出来るようになっている。
他のヒンジ２２，２３，２４，２５もヒンジ２１と同様に、２つのヒンジ片と１つの軸部とを備え、隣接する２つの外枠材を連結し、ヒンジの軸部において２つのヒンジ片の間の角度を変えることが出来るようになっている。
【００１８】
外枠材１１のヒンジ２１と反対側の端部に副ヒンジ４１が固定されている。副ヒンジ４１は、ヒンジ片２１ａと同じ形状のヒンジ片４１ａと軸部４１ｃとからなり、軸部４１ｃに後述する支持材３１を取付けることが出来、軸部で支持材３１との角度を変えることが出来るようになっている。同様に、外枠材１６のヒンジ２５と反対側の端部に副ヒンジ４２が固定され、ここに支持材３４が取付けられている。副ヒンジ４１と４２とは、図５の完全に展開した状態では、隣接して配置され、２つの副ヒンジ４１と４２で、１つのヒンジ２１とほぼ同じ形状となり、６角形の１つの頂点を成すようになっている。
【００１９】
外枠材１１の端部に取り付けられた副ヒンジ４１と展開軸６０との間に、外枠材とほぼ同じ長さの支持材３１（主構造材の一部）が設けられ、支持材３１は、軸部により副ヒンジ４１との間で角度を変えることが出来、また展開軸６０を中心にして角度を変えることが出来るように取り付けられている。
また、外枠材１６の端部の副ヒンジ４２と展開軸６０との間に外枠材とほぼ同じ長さの支持材３４が設けられ、同様に角度を変えることが出来るようになっている。
外枠材と支持材とは、主構造材であり、後述するように菱形の形状を形成する。
【００２０】
また、ヒンジ２２と展開軸６０との間に外枠材とほぼ同じ長さの支持材３２が設けられ、支持材３２は、ヒンジ２２の軸部２２ｃで角度を変えることが出来、また展開軸６０を中心として角度を変えることが出来るように取り付けられている。
同様に、ヒンジ２４と展開軸６０との間に外枠材とほぼ同じ長さの支持材３３が設けられる。このように、支持材３１，３２，３３，３４は、展開軸６０を中心にしてそれぞれ角度を変えることが出来るように取り付けられている。
支持材３２と３３の断面は正方形であり、支持材３１と３４の断面は、この正方形を２つに分割した形状であり、図５に示す展開完了時に、支持材３１と３４が合わさり、支持材３２の断面と同じ正方形の断面形状になるようになっている。支持材３１と３４を公知の手段により固定する固定部（図示せず）を設けることも出来る。
【００２１】
さらに、ヒンジ２１と展開軸６０との間に、ワイヤー５１が設けられ、ワイヤー５１は展開軸６０で巻き取ることが出来るようになっている。同様に、ヒンジ２３と展開軸６０との間にワイヤー５２が設けられ、ヒンジ２５と展開軸６０との間にワイヤー５３が設けられ、それぞれ展開軸６０で巻き取ることが出来るようになっている。
【００２２】
展開軸６０は、支持材３１，３２，３３，３４が展開軸６０を中心にして角度を変えられるように取付けられている連結展開機構を備える。また、展開軸６０にはワイヤー５１，５２，５３の一方の端部が取付けられ、これらのワイヤー５１，５２，５３を各ワイヤー長が等しい状態で巻き取ることが出来る展開制御機構を備える。
【００２３】
図７に、ヒンジ２１部分の拡大図を示す。２つのヒンジ片２１ａ，２１ｂは、軸部２１ｃで角度を変えることが出来る。軸部２１ｃには、ワイヤー５１の一端が固定されている。ヒンジ２１が展開していくときのヒンジ片２１ａ，２１ｂの間の角度が変化していく様子を模式的に示す。図７の（ａ）は、図１の棒状に収納されているときのヒンジ片のなす角度を表し、（ｂ）は図２の展開途中におけるヒンジ片のなすの角度を表し、（ｃ）は図５の完全に展開した状態でのヒンジ片のなすの角度を表す。２つのヒンジ片２１ａ，２１ｂのθで表す角度は、６０°であり、図５の完全に展開した状態では、２つのθで表す角度が、合わさって、１２０°の角度をなし、この位置でヒンジの角度の移動は停止し、外枠材が正６角形を形成するようになっている。
ヒンジ２３と２５は、ヒンジ２１と同様である。
【００２４】
図８に、ヒンジ２２部分の拡大図を示す。ヒンジ２２は、ヒンジ２１とは構造が異なり、θで表す部分に、軸部２２ｃが設けらえれている。軸部２２ｃには、支持材３２の一方の端部が、角度を変えられるように取り付けられている。ヒンジ２２が展開していくときのヒンジ片２２ａ，２２ｂの間の角度が変化していく様子を模式的に示す。図８の（ａ）は、図１の棒状に収納されているときのヒンジ片のなす角度を表し、（ｂ）は図２の展開途中におけるヒンジ片のなすの角度を表し、（ｃ）は図４の展開途中におけるヒンジ片のなすの角度を表し、（ｄ）は図５の完全に展開した状態でのヒンジ片のなすの角度を表す。２つのヒンジ片２２ａ，２２ｂのθで表す角度は、６０°であり、図５の完全に展開した状態では、２つのθで表す角度が、合わさって、１２０°の角度をなし、この位置でヒンジの角度の移動は停止し、外枠材が正６角形を形成するようになっている。
ヒンジ２４は、ヒンジ２２と同様である。
【００２５】
展開の初期の図１から図２の状態に展開していくときには、ワイヤーにより引張るだけでは十分に展開できない。従って、各ヒンジには、バネ（図示せず）が設けられている。ヒンジ２１に設けられたバネは、ヒンジ２１を図７の（ａ）で表す状態から、（ｃ）で表す状態へ角度を変えるように付勢する力をかける。また、ヒンジ２２に設けられたバネは、ヒンジ２２を図８の（ａ）で表す状態から、（ｄ）で表す状態へ角度を変えるように付勢する力をかける。図１から図２への展開はヒンジに設けられたバネの作用と、展開軸６０でワイヤー５１，５２，５３を巻き取る作用とによって行う。
【００２６】
枠組み構造物を展開するには、ヒンジに設けられたバネの力と、展開軸６０からワイヤー５１，５２，５３を引張る力により、図１に示す収納した状態から、図２、３、４に示す状態を経て、図５に示す正六角形平板の状態に展開される。即ち、外枠材１１〜１６は、折畳まれた状態から、ヒンジで角度を変え、次第にジグザグ状に開いていく。支持材１，２，３，４は、展開軸６０を中心にして、次第に支持材の間の角度を広げていく。このとき、隣接する支持材の間の成す角度が等しい状態で、広がっていく。図２〜４に示す中間状態では、外枠材１１，１２と支持材３１，３２とで菱形Ａが形成される。同様に、外枠材１３，１４と支持材３２，３３とで菱形Ｂが形成され、外枠材１５，１６と支持材３３，３４とで菱形Ｃが形成される。菱形Ａと菱形Ｂとは、支持材３２を共有する。菱形Ｂと菱形Ｃとは、支持材３３を共有する。
図５の最終状態まで展開されると、３本のワイヤー５１，５２，５３のワイヤー長が全て概ね支持材３１〜３４の長さと等しくなる。支持材３１と３４は、合わさって、１つの支持材のように作用し、副ヒンジ４１と４２は、合わさり、ヒンジと同様の形状となり、構造物の６画形の１つの頂点を形成する。副ヒンジ４１と４２を公知の手段により固定する（図示せず）ことが出来る。
【００２７】
またこの例では、外枠材１１，１２，１３，１４，１５，１６に膜状の太陽電池セルを収納する収納器材７１，７２，７３，７４，７５，７６が装着されている。連結構造物の展開過程の後半で、副ワイヤー８１，８２，８３，８４，８５，８６により、太陽電池セル膜９１，９２，９３，９４，９５，９６を引き出すことが出来るようになっている。
この例では、副ワイヤー８１，８２は、ワイヤー５１に接続され、ワイヤー５１を引っ張るときに、同時に副ワイヤー８１，８２を引張るようになっている。他の副ワイヤーも同様である。しかし、副ワイヤー８１，８２をワイヤー５１に接続せずに、ワイヤー５１とは独立に、展開軸６０により引張るようにすることも出来る。
【００２８】
図６は、収納・展開型枠組み構造物の収納性をさらに高めるための収納方法を示す図であり、支持材をヒンジと支持材の連結点で折り畳むことができるようになっている。この連結点で連結構造物を折り畳むことにより、長さを概ね図１に示す長さの半分にすることができ、ロケットのフェアリングへの収納に都合がよい。
【００２９】
本実施の形態は、六角形として記載したが、本発明の枠組み構造物は、六角形に限定されない。四角形等の他の画数でも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施の形態において説明したように、本発明によれば、例えば外枠が正多角形を成す平板上の構造物は、これを構成する辺を束ねた状態に折り畳むことが可能である。また、構造物を形成する四辺形の対角線を結ぶワイヤーを引っ張ることにより、容易に正多角形に展開することが可能である。このような構造物は、人工衛星や宇宙ステーションの太陽電池パネル、アンテナ構体、放熱板、太陽光などの遮蔽体として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による収納・展開型枠組み構造物を示す概略図であり、枠組み構造物が棒状に収納されている状態を示す。
【図２】枠組み構造物が概ね２５％展開した初期の状態を示したものである。
【図３】枠組み構造物が概ね５０％展開した中間の状態を示したものである。
【図４】枠組み構造物が概ね７５％展開した後半の状態を示したものである。
【図５】枠組み構造物が完全に展開した最終の状態を示したものである。
【図６】棒状に収納された枠組み構造物をさらに折り畳んで収納性を高めた状態を示したものである。
【図７】枠組み構造物の展開軸から遠い位置にあるヒンジ部の拡大図である。
【図８】枠組み構造物の展開軸から近い位置にあるヒンジ部の拡大図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，１４，１５，１６  外枠材
２１，２２，２３，２４，２５  ヒンジ
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ  ヒンジ片
２１ｃ，２２ｃ，２３ｃ，２４ｃ，２５ｃ  軸部
３１，３２，３３，３４  支持材
４１，４２  副ヒンジ
４１ｃ，４２ｃ  軸部
５１，５２，５３  ワイヤー
６０  展開軸
７１，７２，７３，７４，７５，７６  収納器材
８１，８２，８３，８４，８５，８６  副ワイヤー
９１，９２，９３，９４，９５，９６  太陽電池セル膜
【図１】
0003567163.tif 000002
【図２】
0003567163.tif 000003
【図３】
0003567163.tif 000004
【図４】
0003567163.tif 000005
【図５】
0003567163.tif 000006
【図６】
0003567163.tif 000007
【図７】
0003567163.tif 000008
【図８】
0003567163.tif 000009