(57)【要約】様々な構造用途に用いられる多安定構造部材（１０）が開示される。部材（１０）はシート形態を有している。第１の構成（例えば開放した構成）においては、蓄積弾性応力の第１の分布が少なくとも２つの補強波形構造（１２）と釣り合わされている。第２の構成（例えば巻付け構成）においては、これらの波形構造（１２）が変形され、第２の構成における部材の形状により釣り合わされた蓄積弾性応力の第２の異なる分布を得られるようになっている。第１および第２の構成は安定的であるが、可逆的に相互の切換えが可能である。第１の構成と第２の構成との間の変形をもたらすためには外力が必要である。この部材は、金属シートの適切な塑性変形により形成されてもよい。そのような多安定構造部材（１０）の形成方法、複数の多安定部材を有する多安定構造体および多安定アセンブリ（３）も開示される。【選択図】図２
2009541618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート形態を有し、
蓄積弾性応力の第１の分布が少なくとも２つの補強波形構造と釣り合わされている第１の構成と、
前記波形構造を変形させて、第２の構成にある部材の形状により釣り合わされた蓄積弾性応力の第２の異なる分布を得られるようにした第２の構成と、
を有する、多安定構造部材において、
前記第１および第２の構成は安定的であるが、可逆的に相互の切換えが可能であって、前記第１の構成と前記第２の構成との間の変形をもたらすためには外力が必要であることを特徴とする多安定構造部材。
【請求項２】
第１の構成にある構造部材を横断して配列された少なくとも４つの補強波形構造が存する、請求項１に記載の多安定構造部材。
【請求項３】
波形構造が滑らかな波形構造である、請求項１または請求項２に記載の多安定構造部材。
【請求項４】
波形構造の振幅が、波形構造が第１の構成に十分な剛性を与えるが波形構造をなお変形させて部材に安定的な第２の構成をとらせることができるように制御される、請求項１から３のいずれか１つに記載の多安定構造部材。
【請求項５】
第１の構成が平坦化された構成である、請求項１から４のいずれか１つに記載の多安定構造部材。
【請求項６】
平坦化された構成において、波形構造が実質的に直線状の長手方向形状をとる、請求項５に記載の多安定構造部材。
【請求項７】
平坦化された構成において、波形構造の尖端が実質的に相互に同じ平面内に位置する、請求項５または請求項６に記載の多安定構造部材。
【請求項８】
第２の構成が管状または巻付けられた構成である、請求項１から７のいずれか１つに記載の多安定構造部材。
【請求項９】
シートが金属シートである、請求項１から８のいずれか１つに記載の多安定構造部材。
【請求項１０】
１以上の単安定領域と、
請求項１から９のいずれか１つに記載の、１以上、選択的に一体状の、多安定構造部材と、を有する多安定構造体。
【請求項１１】
多安定構造部材を形成する方法であって、
シート部材を塑性変形させて少なくとも２つの補強波形構造を形成し第１の構成を補強するステップと、
前記シート部材を第２の構成に向けて塑性変形させることにより前記波形構造を弾性変形させ、第２の構成と釣り合わされた弾性応力の第２の分布をシート部材内に形成するステップと、
選択的に、第２の構成にあるシート部材に力を加え、シート部材が、蓄積弾性応力の第１の分布が前記波形構造と釣り合わされた第１の構成をとるようにするステップと、
を含む方法。
【請求項１２】
多安定構造部材を形成する方法であって、
シート部材を第２の構成に向けて塑性変形させるステップと、
前記シート部材を第１の構成に向け弾性変形させ、さらに前記シート部材を塑性変形させて少なくとも２つの補強波形構造を形成し前記第１の構成を補強することにより、前記波形構造と釣り合わされた蓄積弾性応力の第１の分布を形成するステップと、
選択的に、第１の構成にあるシート部材に力を加えて前記波形構造を弾性変形させ、第２の構成と釣り合わされた弾性応力の第２の分布をシート部材内に形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
波形構造が順次作製される、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
シートを波形構造に、波形構造の長さに沿って漸進的に同時に塑性変形させることにより、波形構造が作製される、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
部材を第２の構成から第１の構成に戻した後に、再び波形構造を形成する付加的ステップをさらに含む、請求項１１から１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
付加的ステップにおいて、ゼロでない量の塑性変形がシートに加えられることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
相互に固定された請求項１から９のいずれか１つによる複数の多安定構造部材を有する多安定構造アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多安定構造部材および多安定構造部材の形成方法に関する。より詳細には、本発明は、双安定構造部材、特に一方の安定構成が平面的構成である構造部材に関するものであるが、それらに限られない。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第９７／３５７０６号は、２つの状態の間で構成可能な伸長部材を開示している。第１の状態は、部材がコイル軸を形成するように巻かれたコイルである。第２の状態は、部材が管状構造として、コイル軸に垂直な軸に沿って伸展する伸展状態である。第１の状態から伸展すると、部材は自動的に第２の状態となる。この文書における伸長部材は繊維強化複合材料であり、複合基材における繊維の位置および配向、および繊維と基材との弾性係数の違いにより、部材の特別な双安定特性が得られる。
【０００３】
国際公開第９９／６２８１１号は、国際公開第９７／３５７０６号の技術の発展形態を開示しており、そこでは伸展状態において弓形の（管状ではない）断面形状をとる２個または３個のコイル巻き可能な部材が提供される。コイル巻き可能部材はそれらの縁部において接合され、荷重に対する構造的支持を協働して行なうようになっている。特許文献１と同様、これら部材は繊維強化複合材料で形成される。
【０００４】
国際公開第９９／６２８１２号は、国際公開第９７／３５７０６号の技術のさらなる発展形態を開示しており、そこでは部材が弾性を有する１以上の突出フィンを表面上に有しており、前記フィンは、部材がコイル巻き状態にあるときは、ある構成をとり、部材が伸展状態にあるときは、別の構成をとるものである。相対的に緊密なコイル巻きを可能とするため、部材が伸展状態とコイル巻き状態との間で構成されるとき、フィンが変形する。しかし、フィンそれ自体は、部材をいずれかの状態に構成するための運動量を供給しない。
【０００５】
米国特許第５，６２８，０６９号明細書は、手袋の指の曲がりを助けるために設けられた双安定ばね要素を有する手袋を開示している。このばね要素は（人間の指の寸法程度の）伸長形であり、その第一の（閉じた）状態では伸長方向において弓形の形状を有するとともに横断方向において実質的に直線状となり、第二の状態では伸長方向において直線状、かつ横断方向において弓形となる。また、このばね要素は伸長方向に形成された２つの折り目を有しており、これらの折り目は、第２の状態にある要素を、外部の影響がない場合の第１の状態への再構成に抗して安定させるものである。
【０００６】
代表的には、温度変化により２つの異なる形状間で可逆的に構成可能となるような、ある構造体へ形成可能な形状記憶合金が知られている。そのような材料は、代表的に、永久的、回復不可能な変形ではない、形状変化に適応するよう、結晶学的なマルテンサイト相変態に依存している。しかし、そのような材料は、温度作動範囲が非常に限られており、その効果も非常に特殊な合金組成にのみ見られるものであり、代表的には温度変化により誘発されるものである。さらに、形状記憶合金装置に関する「記憶された」形状の設定には、複雑かつ度重なる機械的作業が必要である。
【０００７】
Ｋ・セッフェンは、「再構成可能な構造に関する双安定概念」（第４５回ＡＩＡＡ構造、構造動力学および構造材会議、カリフォルニア州パームスプリングス、２００４年４月１９〜２２日、２００４−１５２６、この内容の全ては、この言及によって本文に編入される）において、薄いシート状の双安定金属構造体の構造を論じている。この文書では、薄い金属シートに形成された浅い双安定ドーム配列の効果が述べられている。これら双安定ドームは、シート平面を通して押し込まれることにより逆向きの位置にロック固定されることが可能であり、この変形は可逆的である。著者は、ドームの異なる配列および配向を用いて、異なる形状の組合せが可能であることを示している。これらの構造体は、時効硬化ベリリウム銅（ＣｕＢｅ）の薄いシート（０．１２５ｍｍ）を、２枚の厚い鋼保持プレートの間に締結することにより作製される。各保持プレートは、ドリル孔の高密度六角形配列を有しており、これらの孔は、プレートを締結する際に正確に整列される。プレート孔と同じ直径の鋼製ロッドに丸型端部が設けられ、この鋼製ロッドが穿孔工具として用いられる。穿孔深さを前もって調整するため、ロッドの同じ端部付近にはロック固定可能なナットがねじ留めされる。ハンマーまたははずみプレスを用いて、前もって調整された深さまでロッドを押し込むことが可能であり、すべての孔が逐次的に両側から穿孔された後に、保持プレートが取り外される。ドームの幅は８．５ｍｍであり、隣接するドームの縁部は２ｍｍ離間している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第９７／３５７０６号
【特許文献２】国際公開第９９／６２８１１号
【特許文献３】国際公開第９９／６２８１２号
【特許文献４】米国特許第５，６２８，０６９号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「再構成可能な構造に関する双安定概念」（第４５回ＡＩＡＡ構造、構造動力学および構造材会議、カリフォルニア州パームスプリングス、２００４年４月１９〜２２日、２００４−１５２６）
【非特許文献２】「機械的記憶合金：変形工学構造開発のための新材料」（スクリプタ・マテリアリア（２００６年）第５５巻第４号４１１〜４１４ページ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
Ｋ・セッフェンは、「機械的記憶合金：変形工学構造開発のための新材料」（スクリプタ・マテリアリア（２００６年）第５５巻第４号４１１〜４１４ページ、この内容の全ては、この言及によって本文に編入される）において、双安定座屈ドーム配列の有限要素解析について述べている。各ドーム（またはディンプル）は、隣接および除かれた、他のドームと、複雑な様態で相互作用する。薄いシートにおけるドームの正方格子配列は、シートに関して実質的な平面形状を実現可能であるが、これはドームを交互に確実に反転させることによってのみ可能である。このように、シート部材に必要とされる安定構成の１つが平坦である場合、これはドームを交互に反転位置に押し込むことによってのみ実現可能であるが、これは煩わしい作業である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者は、多くの安定構成のうち１つを、確実に、かつ相対的に小さい干渉力のみで、採用可能な双安定（またはより一般的には多安定）構造部材を、形成可能であることを認識するに至った。
【００１２】
第１の好適な態様において、本発明は多安定構造部材を提供するものであり、この部材は、シート形態を有し、蓄積弾性応力の第１の分布が少なくとも２つの補強波形構造と釣り合わされている第１の構成と、前記波形構造を変形させて、第２の構成にある部材の形状により釣り合わされた蓄積弾性応力の第２の異なる分布を得られるようにした第２の構成と、を有し、前記第１および第２の構成は安定的であるが、可逆的に相互の切換えが可能であって、前記第１の構成と前記第２の構成との間の変形をもたらすためには外力が必要である。
【００１３】
このように、蓄積弾性応力と各構成における部材の形状との釣り合いにより、各構成がエネルギーの事項に関して極小となり、これにより各構成は機械的に安定化する。一方の構成における部材に外部変形力を加えることにより、特に、その力が他方の構成の形状へ向かう方向にある場合、外部変形力がしきい値より大きければ、部材は他方の構成に変形する。
【００１４】
第２の好適な態様において、本発明は多安定構造部材を形成する方法を提供するものであり、この方法は、シート部材を塑性変形させて少なくとも２つの補強波形構造を形成し第１の構成を補強するステップと、前記シート部材を第２の構成に向けて塑性変形させることにより前記波形構造を弾性変形させ、第２の構成と釣り合わされた弾性応力の第２の分布をシート部材内に形成するステップと、選択的に、第２の構成にあるシート部材に力を加え、シート部材が、蓄積弾性応力の第１の分布が前記波形構造と釣り合わされた第１の構成をとるようにするステップと、を含む。
【００１５】
第２の態様のステップを異なる順序で実施してもよいことは、当業者にとって明らかであろう。
【００１６】
したがって、第３の好適な態様において、本発明は多安定構造部材を形成する方法を提供するものであり、この方法は、シート部材を第２の構成に向けて塑性変形させるステップと、前記シート部材を第１の構成に向け弾性変形させ、さらに前記シート部材を塑性変形させて少なくとも２つの補強波形構造を形成し前記第１の構成を補強することにより、前記波形構造と釣り合わされた蓄積弾性応力の第１の分布を形成するステップと、選択的に、第１の構成にあるシート部材に力を加えて前記波形構造を弾性変形させ、第２の構成と釣り合わされた弾性応力の第２の分布をシート部材内に形成するステップと、を含む。
【００１７】
好適かつ／または選択的な特徴を以下に述べる。これらは情況が許す限り、単独でも、または本発明の態様とのいかなる組合せでも適用可能である。
【００１８】
好ましくは、構造部材は、第１の構成において２つより多くの補強波形構造を有する。例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１４、１６、１８、２０またはそれより多くの補強波形構造が存してもよい。波形構造は、代表的に同じ方向に整列されているが、波形構造を相互に小さな角度をつけて形成し、ある軌跡、例えば構造部材から外れた概念上の軌跡から半径方向に突出させることも可能である。付加的または代替的に、波形構造のうち２つ以上が重なり合ってもよい。波形構造の一部またはすべてが、シート部材の全長に沿って延びることが好ましいが、必要不可欠ではない。波形構造の一部またはすべてが、シート部材の全長に沿って延びていない場合、波形部分が、蝶番部を形成してもよい。
【００１９】
シート材料の波形構造は、代表的に、シート材料の初期平面からのシート材料の塑性変形であって、シートに沿った長手方向に延びる変形の結果形成される。代表的に、波形構造は連続しており（必ずしもそうでなくても良いが）、かつシートの長手方向端部まで延びている。複数の波形構造は、代表的に並べて形成され、これら複数の波形構造に「波長」を提供している。この波長（または波形間隔）は、代表的に波形構造を通じて（長手方向を横切る方向に）均一であるが、不均一な波形間隔も考えられる。さらに、波形構造の振幅（深さ）は、長手方向と横断方向の双方において均一であることが好ましいが、波形構造の振幅を横断方向において変化させることも考えられる。
【００２０】
波形構造を形成すると、波形構造の長さと平行でない曲げ軸の周りにシートを曲げようとする、シートの変形に抗して、シート部材が補強される。この補強原理は、シートの初期平面から外れたシートに補強支持を行なうものなので、良好に理解される。
【００２１】
波形構造は、横断方向において角を有する形態（例えば一連の鋭い尖端および谷部）をとってもよいが、例えば正弦波またはほぼ正弦波状、または半円形またはほぼ半円形など滑らかな波形構造であることが好ましい。
【００２２】
波形構造を順次作製し、横断方向において各波形構造（最初のもの以外）を前の波形構造の後に形成するようにしてもよい。これは、各波形構造を、独立して、注意深く、かつ他の場所での波形構造の同時形成による影響を受けずに、形成可能であり、さもないとシートの側方への伸びによる望ましくない付加応力が生じてしまうので、好ましいことである。代替的に、波形構造は同時に作製してもよい。この場合、波形構造は、波形構造の形成によるシートの横方向収縮を許容しながら、すべての波形構造をシートの長手方向に同時に延伸させることにより形成される。これは適切な形状のローラの横方向配列を用いて実施可能である。代替的に、波形構造の振幅を漸増させるため、長手方向に並んだ横方向ローラを用いて、波形構造を形成することも可能である。
【００２３】
好ましくは、波形構造の振幅（すなわち平面からの深さ）は、波形構造が第１の構成に十分な剛性を与えるが、波形構造をなお変形させて部材に安定的な第２の構成をとらせることができるように、制御される。波形構造の振幅は、シート部材の厚さの少なくとも２倍（好ましくは少なくとも３倍）であってもよい。これは、波形構造が第１の構成を適切に補強できるようにするためである。波形構造の振幅は、シート部材の厚さの少なくとも５倍（より好ましくは少なくとも１０倍）であってもよい。一般に、シート部材の面積が増大するにつれて、第１の構成を補強するため波形構造の振幅も増大させることが望ましい。
【００２４】
理解されるように、シート部材の材料特性は、第１および第２の構成において使用可能な形状の限界を決定する上で重要である。というのは、第１の構成と第２の構成との間の移行は、実質的に恒久的な塑性変形なしに起きるべきであり、さもないと製品の耐用寿命が限られてしまうからである。したがって、シート部材の最大応力は、材料の耐力を超えるべきでない。波形構造が曲率半径ｒｃｏｒｒを有する場合、構造部材の第１の構成に関して以下の不等式が満たされるべきである。
【００２５】
【数１】
2009541618.tif 000003
【００２６】
式中、ｔはシート厚、Ｅは弾性係数、ＹＳは耐力である。
【００２７】
同様に、第２の構成が巻付け構成である場合、巻付け形状の曲率半径ｒｒｏｌｌは以下の不等式を満たすべきである。
【００２８】
【数２】
2009541618.tif 000004
【００２９】
したがって、第１の構成を緊密な波形構造で形成し、かつ／または第２の構成を緊密な巻付け形状で形成することが望ましい場合、耐力が高く弾性係数が低い（すなわち降伏ひずみが高い）材料を使用することが好ましい。さらに、構造部材は薄肉であるべきであり、（薄肉にもかかわらず強度を保持できるよう）代表的には硬質材料が必要である。
【００３０】
好ましくは、第１の構成における蓄積弾性応力は材料の耐力より低い。さらに、好ましくは、第２の構成における蓄積弾性応力も材料の耐力より低い。上記不等式１および２による曲率半径が満たされている場合、構造体の双安定に必要な最小蓄積弾性応力は、代表的に耐力より低いと考えられる。
【００３１】
好ましくは、シート部材の厚さは、２ｍｍ以下、より好ましくは１．５ｍｍ以下、１ｍｍ以下、０．８ｍｍ以下、０．６ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、または０．２ｍｍ以下である。
【００３２】
好適な構造部材は、さまざまな寸法スケールで形成されることができる。例えば、マイクロスケール装置も好適である。シート部材の厚さは、０．５ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下または０．１ｍｍ以下であってもよい。例えば、シート部材の厚さは、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下、２０μｍ以下または１０μｍ以下であってもよい。状況により、シート部材の厚さは、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、２μｍ以下または１μｍ以下であってもよい。
【００３３】
別の実施形態では、シート部材は上記範囲よりも相当に厚くてもよい。例えば、シート部材の厚さは１ないし５ｍｍの範囲にあってもよい。
【００３４】
好ましくは、シート部材に使用される材料の弾性係数は、少なくとも５０ＧＰａ、より好ましくは少なくとも７０ＧＰａである。
【００３５】
好ましくは、シート部材に使用される材料の耐力は、少なくとも４００ＭＰａ、より好ましくは少なくとも６００ＭＰａである。
【００３６】
好ましくは、第２の構成に関して実現可能なｒｒｏｌｌの値は５０ｍｍ以下である。実施形態によっては、２０ｍｍまでのｒｒｏｌｌの値も可能である。他の実施形態（特に薄いシート材料を用いた実施形態）では、ｒｒｏｌｌはより小さくてもよく、例えば２０ｍｍ以下、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、２ｍｍ以下または１ｍｍ以下であってもよい。ｒｒｏｌｌは実施形態によってはさらに小さくてもよく、例えば、８００μｍ以下、６００μｍ以下、４００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以下、８０μｍ以下、６０μｍ以下、４０μｍ以下、３０μｍ以下または２０μｍ以下であってもよい。
【００３７】
実施形態によっては、ｒｒｏｌｌは上記範囲より大きくてもよい。例えば（特に、より厚いシート材料に関して）、ｒｒｏｌｌは５ｃｍ以上、１０ｃｍ以上、１５ｃｍ以上または２０ｃｍ以上であってもよい。
【００３８】
多安定構造部材は、第３の安定した構成を有することも可能である。これは、第１の構成と類似の（同一でない）構成であってもよい。しかし、多安定構造部材は、安定的な構成を２つのみ有し、双安定構造部材であることが好ましい。
【００３９】
好ましくは、第１の構成は平坦化された構成である。この構成では、波形構造は実質的に直線状の長手方向形状をとることが好ましい。例えば、平坦化された構成におけるある波形構造の尖端は、好ましくは実質的な直線に沿って位置する。さらに、好ましくは、波形構造の尖端は、実質的に相互に同じ平面内に位置する。当然ながら、この平面は、波形形成前のシートの初期平面と同じではない。さらに、部材は横断方向において振幅が異なる波形構造を有してもよいので、尖端は相互に正確に同じ平面内に位置する必要はない。
【００４０】
好ましくは、第２の構成は管状の構成である。この構成では、部材は、第１の構成の波形構造の長手方向とは異なる方向に、軸周りに巻き付けられ（または部分的に巻き付けられ）る。最も好ましくは、管形の軸は、波形構造の長手方向に対し実質的に垂直である。
【００４１】
第２の構成において、可能な巻き数には特別な制限はない。蝶番の配設などの用途に関しては、１巻き未満（例えば０．０１〜０．３巻き、またはおよそ４分の１巻きまたは２分の１巻きまで）が好適である。第２の構成が格納構成であることを要する用途では、１、２、３、４、５またはそれを上回る巻き数であってもよい。
【００４２】
多安定構造部材の作製中に、第３の構成を形成してもよい。とりわけ、シートを第２の構成に変形させる前に波形構造を作製する場合、結果として得られる第１の構成は、理想的な平坦化された構成にある程度の捩れが加わっているかもしれない。その場合、第１の構成と同様であるが、異なる（例えば反対の）向きの捩れを有する、対応する第３の構成が存してもよい。好ましくは、構造部材の作製には、波形構造を再び形成する付加的なステップが含まれ、好ましくは何らかの量の塑性変形が含まれる。実際、これには、当初の波形形成ステップと同様の押圧または巻付けステップ、好ましくは、すでに形成された波形構造を正確に上重ねすること、またはすでに形成された波形構造の振幅を増大させること、が必要となる。この付加的なステップの重要な効果は、第１の構成を平坦化された構成に矯正し、第３の構成を除くと双安定構造要素が得られるということである。
【００４３】
好ましくは、このシートは金属シートであり、例えば金属合金から形成される。好適な材料は、銅−ベリリウム合金およびステンレス鋼またはバネ鋼などの鋼材であるが、本発明は、これよりも広範に適用される。最も好適なのは、高い引張強度（弾性限度）を有し、この限界を超えて加工自在な材料である。また、この材料は、高い耐疲労性と高い耐クリープ性とを（特に室温または他の動作温度において）有するべきである。
【００４４】
好適な材料は等方性であるが、材料が等方性である必要はない。例えば、異なる材料のシートを接着して上記のような波形構造を付加することにより、適切な複合シート構造を形成してもよい。異なる材料での形成に加えて、またはそれに代えて、接着したシートに、異なる制御されたプレストレスを行なってもよい。また、例えば、シート材料に厚さの変化をつけるようなエッチングにより、シート材料に不均質性を導入することも可能である。
【００４５】
構造部材は、第１の構成と第２の構成との間で再構成可能であるが、好ましくは単一のシートである。
【００４６】
構造部材は、それ自体で、より大きな構造体の構成部分を形成してもよい。例えば、非多安定な１以上の領域を有する一体構造の一部を形成してもよい。そのような構造体は、例えば、１以上の多安定な領域によって接合されたシートパネルであってもよい。第１の構成と第２の構成との間で多安定領域を作動させることにより、複雑な分離した蝶番および他の結合部の必要なしに、構造体全体の展開構成および格納構成を実現することが可能である。
【００４７】
第１の構成と第２の構成との間の再構成が（形状記憶合金および超弾性合金における可逆的形状変化をもたらすために必要であるような）結晶相変態に依存していないことは、本明細書に述べられている。代わりに、これら安定的な形状の間での再構成には、異なる構成にあるシートの、異なる全体形状によりもたらされる剛性に対して、釣り合わされた蓄積弾性応力を、シート材料内に実現することが必要である。このため、本発明では、適切な材料は結晶相変態を示す必要がないので、上記限定された形状記憶合金よりも材料適用範囲がはるかに広範である。さらに、材料に内包される残留応力は、従来の機械的作業により与える必要はないかもしれない。適切な残留応力を、他の方法により材料に蓄積させることも可能である。
【００４８】
本発明は、管状の（巻付け）構成と可逆的に相互の切換えが可能な、平坦化された構成を有することから利益を得る、構造および装置に特別な適用可能性を有する。例えば、平坦化された構成が展開（使用）のためであり、管状の構成が格納または運搬のためであってもよい。ある特別な用途は、コンピュータおよび／または娯楽装置用の可撓式ディスプレイである。
【００４９】
第４の好適な態様において、本発明は、第１の態様による少なくとも２つの多安定構造部材を備える多安定構造アセンブリを提供する。
【００５０】
好ましくは、これら多安定構造部材は少なくとも部分的に相互に重なり合い、１以上の接点によって相互に装着される。この装着は、溶接、ボルト締め、にかわ付けなどの適切な固定手段によることができる。
【００５１】
好ましくは、構造アセンブリは、第１の構成にある構造部材に対応する第１の構成を有する。同様に、構造アセンブリは、好ましくは、第２の構成にある構造部材に対応する第２の構成を有する。
【００５２】
各構造部材の第１の構成において、好ましくは、構造部材の波形構造は、実質的に位置合せされている。このように、構造部材間の接点は、隣接する構造部材の接合した波形構造に沿って存するように、配置可能である。構造部材の相互装着は、これらの接点または接線において固定を行なうことにより、実現可能である。
【００５３】
このように構造部材のアセンブリを用いる利点は、アセンブリの剛性を個々の構造部材の剛性よりも有意に大きくできるという点である。アセンブリを第２の構成に巻き付ける場合、アセンブリの厚さは個々のシートの厚さよりも有意に大きいので、アセンブリの長さが制限されやすいということが分かっている。したがって、第２の構成の巻付け軸と平行な方向で計測した第１の構成にあるアセンブリの幅は、好ましくは、波形構造の長さ以上である。より好ましくは、この幅は、長さの少なくとも５倍または少なくとも１０倍である。このように、アセンブリの第２の構成は、伸長した管状の構成をとることができ、この構成は荷重を受ける用途に関したものであり、第１の構成は格納構成である。アセンブリを、第１の構成のまま、第２の構成の巻付け方向に垂直な方向に巻き付けられた状態で、格納することも可能である。アセンブリの深さは、第１の構成において、幅の少なくとも４分の１が好適であり、好ましくは、第１の構成にあるアセンブリの幅の少なくとも２分の１、最も好ましくは概ね同じである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の構成にある、本発明のある実施形態による構造部材の概略図を示す。
【図２】第１の構成と第２の構成との間で移行状態にある、図１の構造部材の概略図を示す。
【図３】第２の構成にある、図１の構造部材の概略図を示す。
【図４】選択的な第３の構成にある、図１の構造部材の概略図を示す。
【図５】選択的な別の第３の構成にある、図１の構造部材の概略図を示す。
【図６】本発明のある実施形態による、構造アセンブリの概略図を示す。
【図７】本発明のある実施形態による、試作品構造アセンブリの図面を示す。
【図８】本発明のある実施形態による、試作品構造アセンブリの図面を示す。
【図９】本発明のある実施形態による、試作品構造アセンブリの図面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明の好適な実施形態を、附属図面を参照して例示により説明する。
【００５６】
図１は、第１の構成にある構造部材１０を示している。構造部材１０は、長手方向に延びる波形構造１２を有している。波形構造は、構造部材の全長にわたって延びているが、波形構造は、部材の長さの一部にのみ形成されることも、または断続的に形成されることも可能であると考えられる。また、波形構造は、構造部材の横方向全幅にわたって形成されている。
【００５７】
第１の構成は、波形構造自体が実質的に線状、すなわち各々が実質的な直線をなす背稜部を有しているので、波形構造の存在にも関わらず、「平坦化された」構成であると見なされる。各波形構造に関する実質的な直線は、実質的に同じ平面内に存することが好ましいが、必要不可欠ではない。このように、第１の構成を用いて、ディスプレイ画面などの構成可能な装置に、平面状の基板または骨組を提供することができる。
【００５８】
この構造部材は、例えば以下の例で述べるような材料特性を有する材料、代表的には、金属材料、の平面シートを用い、シートを塑性変形させること（すなわち降伏応力より大きい応力を加えること）によりシート幅を横断してシートに波形構造を連続して形成することにより、形成される。各波形構造は、変形した材料の波形として１個の波形構造を形成するように、第１の山形ツールを対応する形状の谷形ツール内に収容したプレスの単純な配置を用いて形成され、波形のうちある部分ではシート材料の初期平面から上向きに、波形の他の部分ではシート材料の初期平面から下向きに、変形されている。概略的に、シート幅を横断する横方向に連続して数回のそのようなプレス操作を行なった結果を図１に示す。
【００５９】
シートを塑性変形させて波形構造を形成する際、波形プレスの押圧を解除すると、材料の弾性回復が生じる。にもかかわらず、重要な塑性変形は残留する（図１に示す通り）。波形構造の効果は周知であり、結果として得られる構造の剛性（ここでは図１に矢印Ａで示す方向の曲げに対する抵抗）が、同じ材料の当初の平坦シートの剛性より、有意に大きいという点にある。この剛性増大の多くは、波形構造の工学的補強効果によるものである。
【００６０】
この手順の次の段階は、波形シートを第２の構成に塑性変形させることである。ここでは、波形シートを、所望の直径の心軸に巻き付けることにより、変形させる。この変形は、波形構造によりもたらされる剛性の増大を大きく上回る曲げ応力に応じたものとなる。その結果、構造部材は、第２の構成に対応する巻付け（または部分的巻付け）構成をとる。
【００６１】
やはり変形後には、部材に何らかの弾性回復が生じるであろう。波形構造は、この構成においては消失する（ただし、精密に検査すると波形構造の何らかの残存が認知可能な場合がある）。しかし、この変形の結果、部材内には複雑な蓄積弾性応力（これらは「膜応力」である）の分布が生じ、その正確な配置は、部材に関する機械的加工の来歴に強く依存する。
【００６２】
この蓄積弾性応力の分布を、蓄積弾性応力の第２の分布と呼ぶこととする。この分布により、第２の構成にある構造体は、第１の構成（平坦化された波形シート）に向けて付勢される。しかし、第２の構成にある構造部材の形状は、第１の構成への変形に抗する補強を行なうものである。したがって、この構造体は、第２の構成において安定的であるが、（例えば手による）適切な付加応力の印加により、第１の構成に変化させることができる。このように、そうすることが非常に好ましい場合、構造部材を開放して第１の構成に戻し、部材の波形構造を再現することができる。波形構造が再現すると、それにより構造体が再び補強される。これは、構造体を再び第２の構成に向けて付勢する蓄積弾性応力の（第２の分布とは異なる）第１の分布が存在しているので、必要なことである。これは、波形構造により与えられる補強によって防止されるが、構造体は、（例えば手による）付加応力の印加により、第２の構成に巻き戻されることができる。このように、構造体は双安定である。
【００６３】
多くの場合、さまざまな材料に関して、上記の手順が、図１に示す平坦化された波形の第１の構成を常にもたらすものでないことが分かっている。代わりに、構造部材の全体形状を、概念上の円筒の壁部の一部分をなすものと見なすことができるが波形構造が円筒の主軸とは平行にならない、（図４および５に異なる「向き」で示される）第３の構成が、形成される。概略的に、部材は、付加応力の印加により、図４および５に示す「向き」の間で、構成されることが可能である。多くの用途に関して、そのような第３の構成は、望ましいものでない。
【００６４】
発明者は、部材を第２の構成に塑性変形させ、さらに第１の構成に戻した後に、上記第１の波形操作と同様の波形操作を行ない、各波形構造を再び初期と同じ方向に押圧することにより、構造部材がそのような第３の構成を有する傾向を確実に除くことができることを見出した。実際、これにより、初期に形成された波形構造が再現される。一般的に、この工程で付加的な波形構造は形成されない。この機械的処理の効果は、少量の塑性変形を生じさせることにある。その結果、部材は、第１の構成において、（図１に示すように）平坦化され、第３の構成は現われない。この再現波形工程の効果は、蓄積弾性応力の第１の分布を微調整し、蓄積弾性応力の第１の分布に対する波形構造の釣り合いをとって安定的な平坦化された波形形状をもたらすことにあると考えられる。
【００６５】
図２は、第１の構成と第２の構成との間で移行状態にある、図１の構造部材の概略図である。これは、部材の端部１４に、第２の構成の局所的形状をとらせる、（例えば手による）外部印加応力により、生じる。部材のこの部分においては、蓄積弾性応力の第１の分布と付加的な外部印加応力との組合せは、波形構造の補強効果に十分打ち勝つことができ、部材は局所的に第２の構成に素早く移行して、波形構造は、図２に示すように、局所的な第１の構成と第２の構成との間の移行領域１８まで、実質的に消失する。実施形態によっては、図２に示す構造体は、第１の構成と第２の構成との間の途中にある形状に、構造部材を変形させ、部材が外部印加応力なしに事実上無限にその形状に残留可能であるという点で、準安定的である。しかし、多くの実施形態に関して、図２に示す形状は、単に一時的なものであり、部材は、第１の構成に復帰するか、外部印加応力なしに第２の構成に完全に変化するか、のいずれかである。部材の挙動は、代表的に、第２の構成に対する第１の構成への部材による選択（またはその逆）に依存し、これは、蓄積弾性応力の第１および第２の分布と、波形構造の補強効果と、第２の構成の全体的形状と、に依存している。これらの特性は、以下に述べる例を始めとして、シート厚、波形構造の深さ、波形構造の数、および第２の構成における巻き数、の適切な選択により、調整可能である。
【００６６】
図３は、第２の構成にある、図１の部材の概略図である。図から分かるように、ここで波形構造は視認不可能である。この第２の構成において、部材の巻付け形状の巻き数は、１未満であるが、２分の１よりは大きい。
【００６７】
図６は、本発明のある実施形態による、多安定構造アセンブリ３０の概略部分展開図である。このアセンブリは、５枚の多安定構造部材３２，３４，３６，３８、４０で形成される。付加的な多安定部材４２は、明瞭化のため独立して図示されている。この実施形態では、各多安定部材は、安定的で平坦化された第１の構成と安定的で巻付け状態の第２の構成とを有する、波形シートであるという点で、第１実施形態の多安定部材１０と同様である。各部材は、部材に沿って伸長方向に延びる波形構造５２を有している。アセンブリにおいて、隣接する部材の波形構造は、位相がずれるように配置され、ある部材の上向き波形構造の上部表面が、下向き波形構造の下部表面と接触するようになっている。部材は、図６に破線４４で示すように、波形構造における接触線が形成されるように、位置決めされる。これらの接触線において、隣接する部材は互いに固定される。これは、ボルト締め、溶接、はんだ付け、蝋付け、にかわ付けなどの適切な固定手段によることができる。接続部の連続的な継目を提供する固定構成（例えば溶接）が、強度のためには好ましい。このように、アセンブリは、部材がそれらの第１の構成をとる第１の構成と、部材がそれらの第２の構成をとる第２の構成と、を有する。数枚の部材を配設することで、中立軸から離れた材料を配設することにより工学的剛性に対し大きな寄与が行なわれるので、少なくとも第１の構成の剛性は、各部材の剛性よりも有意に高くなる。
【００６８】
第２の管状の構成が展開された構成となり、第１の構成が格納構成となるように、アセンブリを使用することが好ましい。このアセンブリは、例えば、アンテナ（例えば宇宙船用）または臨時の足場、ポール、管を展開させるために、用いられてもよい。
【００６９】
図７から９は、本発明のある実施形態による、試作品アセンブリの写真を示す。このアセンブリは、各々が以下で説明されるような銅−ベリリウム合金で形成されている、３枚の波形部材から形成される。この試作品では、部材は、ナットおよびボルトの配列を用いて相互に固定され、接点が容易に視認できるようになっている。
【００７０】
図７では、アセンブリは、第１の構成で、手に保持された状態で示されている。アセンブリは、この構成において、上記で説明した理由により大きな剛性を有する。
【００７１】
図８では、アセンブリは、第１の構成と第２の構成との間の移行状態で示されている。外力がない場合、アセンブリはこの構成に残留することができる。
【００７２】
図９では、アセンブリは、完全に第２の構成で示されている。
【実施例１】
【００７３】
厚さ０．１２５ｍｍの平坦な銅−ベリリウムシート（Ｂｅ  １．８〜２．０重量％、Ｃｏ＋Ｎｉ  ０．２重量％、残量Ｃｕ、米国ニュージャージー州フェアフィールド（Ｆａｉｒｆｉｅｌｄ）のブラッシュ・ウェルマンからアロイ２５として入手可能）を、３１５℃で３時間、時効硬化させた。この結果得られたシートの耐力は、約１２００ＭＰａ、弾性係数は１３０ＧＰａであった。波形構造を、深さ２〜５ｍｍ、幅１０〜２０ｍｍで、上記のように形成した。次に、シートを円筒状心軸に巻き付けて変形させ、曲率半径ｒｒｏｌｌが７ｍｍの巻付け第２構成を得た。次に、部材を開放して第１の構成に戻し、波形工程を繰り返した。その結果、第２の構成に容易に変形可能な安定的な平坦化された第１の構成、またはその逆の構成、が得られた。
【実施例２】
【００７４】
平坦なシム鋼シートを用いて、ＢＳ１４４９とし、ハードテンパーで常温圧延した。組成は、炭素０．１２％、マンガン０．６％、硫黄０．０５％、リン０．０５％、残量が鉄である（すべての百分率は重量百分率）。シート厚は０．１ｍｍであった。第２の構成のｒｒｏｌｌが３０ｍｍであることを除いて、例１で説明したのと同様の工程を実施した。
【実施例３】
【００７５】
銅１．２％、マグネシウム２．１％、クロム０．１８％、亜鉛５．１％、残量のアルミニウム（すべての百分率は重量百分率）を含有する、航空機の構造で用いられる代表的なアルミ合金（アロイ７０７５）のシートを用いた。シート厚は１ｍｍであった。Ｔ６硬度に対して、この材料の耐力は５０３ＭＰａ、弾性係数は７１ＧＰａであった。第２の構成のｒｒｏｌｌが７０ｍｍであることを除いて、例１で説明したのと同様の工程を実施した。
【実施例４】
【００７６】
厚さ０．３１ｍｍのチタン合金Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌのシートを用いた。焼きなまし状態で、この材料の耐力は９６５ＭＰａ、弾性係数は８２ＧＰａであった。第２の構成のｒｒｏｌｌが１３ｍｍであることを除いて、例１で説明したのと同様の工程を実施した。
【００７７】
（構造部材に関して提案される用途）
元来、主要な構造的可能性は、平坦化された状態に由来する一方、湾曲した状態はコンパクトな格納を容易にするものと考えられた（我々はこれをモードＩと呼ぶ）。考慮すれば、用途の側では逆の特徴を利用しようとする、すなわち、湾曲した状態が主要な荷重状態であり、平坦化された状態が副次的（モードII）なもの、または実際、双方の状態が構造的に促進的である（モードIII）ことが明らかである。さらに、機能性は、構成の間の座屈自己推進的な移行に由来することがある（モードIV）。このように、４つのモードの動作が、潜在的な利益が得られる用途として認められる。以下の、装置の暫定的一覧は、使用の領域を強調することを目的とするものである。この一覧は、当業者にとって明らかなように、非網羅的である。
【００７８】
土木工学（建築／輸送インフラストラクチャ）
・熱および光の条件を制御するためのブラインド（屋内）および可変的ファサード（屋外）（モードIII）
・屋外店舗用日よけ（モードＩ）
・格納式スタジアム屋根（モードIII）
・臨時パーティション（モードＩ）
・出口／脱出シュート（モードＩ）
・安全ホールカバー（モードＩ）
・臨時車両用橋梁（モードＩ）
・輸送／商品流通用伸縮式ローディングベイ（モードＩ）
【００７９】
航空宇宙／機械工学
・ボート、陸上車両および航空機の、変形空気／流体力学表面（モードIII）
・宇宙船用展開形ソーラパネルブランケット（モードＩ）
・コンバーチブル式自動車ルーフ（モードIII）
・再構成可能な包装（モードIII）
【００８０】
電子工学
・携帯メディア装置用可撓式ディスプレイサポート（モードＩ）
・巻込みクワーティキーボードおよび音楽シンセサイザーキーボード（モードＩ）
【００８１】
マルチメディアサポート
・携帯ディスプレイ／プロジェクタ／ホワイトボード（モードＩ）
・折りたたみ式机／テーブル／椅子（モードII）
【００８２】
レジャー
・屋外活動用個人歩行橋（モードＩ）
・折りたたみ式キャンピングテーブル（モードＩ）
・就寝用巻取り構成補剛「運搬式マット」（モードＩ）
・折りたたみサーフボードおよびウォーターライロ（モードＩ）
・スポーツウェア用フレキシブル装甲（モードIII）
・ノベルティ玩具（モードIII）
・芸術用装置／動く彫刻（モードＩ、II、III、IV）
【００８３】
双安定蝶番
・ブックスプライン（モードIII）
・眼鏡脚部蝶番（モードIII）
【００８４】
急速作動容器
・動物に害のないトラップ（モードIV）
・平坦から円筒状に組立てるスーツケース（モードII）
・軽量ごみ容器、上記と同様（モードII）
【００８５】
その他
・スナップ動作により過大な荷重を緩和する機械的ヒューズ（モードIV）
【００８６】
以上の実施形態は、例示として説明したものである。これらの実施形態の変型、さらなる実施形態およびその変型は、当業者が本開示を閲読した場合に明らかであり、本発明の範囲内にある。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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2009541618.tif 000015