(57)【要約】【課題】  曲げや鋳造などの加工工程及び組立工程を必要としないヒンジ構造を備える構造体、その製造方法及びそれを用いた移動体を提供する。【解決手段】  端部に、上側側面と下側側面を備える凹部が設けられ、該凹部の上側側面と下側側面との間に回転軸部が設けられた第１の部材と、端部に、内側に筒状の空隙を有し、上側端面と下側端面を有する円筒状部を備える第２の部材とを備え、前記第２の部材の筒状の空隙に前記第１の部材の回転軸部が嵌り合って、前記第１の部材と前記第２の部材とが回動可能とされた構造体であって、前記第２の部材の円筒状部の下側端面はスロープ構造を有し、前記下側端面の水平面に対する傾斜角度は４５°以上である。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部に、上側側面と下側側面を備える凹部が設けられ、該凹部の上側側面と下側側面との間に回転軸部が設けられた第１の部材と、
端部に、内側に筒状の空隙を有し、上側端面と下側端面を有する円筒状部を備える第２の部材とを備え、
前記第２の部材の筒状の空隙に前記第１の部材の回転軸部が嵌り合って、前記第１の部材と前記第２の部材とが回動可能とされた構造体であって、
前記第２の部材の円筒状部の下側端面はスロープ構造を有し、前記下側端面の水平面に対する傾斜角度は４５°以上であることを特徴とする構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体において、
前記第１の部材の凹部の、上側側面と回転軸部との間にスロープ構造の上側接続部を備え、該上側接続部の水平面に対する傾斜角度が４５°以上であることを特徴とする構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の構造体において、
前記第１の部材の凹部の、下側側面と回転軸部との間にスロープ構造の下側接続部を備え、該下側接続部の水平面に対する傾斜角度を、前記円筒状部の下側端面の傾斜角度と同じ角度としたことを特徴とする構造体。
【請求項４】
請求項２に記載の構造体において、
前記第２の部材の円筒状部の上側端面はスロープ構造を備え、前記上側端面の水平面に対する傾斜角度を、前記上側接続部の傾斜角度と同じ角度としたことを特徴とする構造体。
【請求項５】
請求項１に記載の構造体において、
前記第１の部材の回転軸部は、上下方向の中心部において、湾曲した或いはテーパ状の径小部を備え、
前記第２の部材の円筒状部の空隙は、前記回転軸部に対応して、上下方向の中心部において、湾曲した或いはテーパ状の径小部を備えることを特徴とする構造体。
【請求項６】
請求項１に記載の構造体において、
前記第１の部材の回転軸部は、上下方向の中心部において、三角形状或いは半球状の凸部を備え、
前記第２の部材の円筒状部の空隙は、前記回転軸部の三角形状或いは半球状の凸部に対応して、上下方向の中心部において、三角形状或いは半球状の凹部を備えることを特徴とする構造体。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の構造体において、
第１の部材および第２の部材は積層造形されたことを特徴とする構造体。
【請求項８】
端部に、上側側面と下側側面を備える凹部が設けられ、該凹部の上側側面と下側側面との間に回転軸部が設けられた第１の部材と、
端部に、内側に筒状の空隙を有し、上側端面と下側端面を有する円筒状部を備える第２の部材とを備え、
前記第２の部材の筒状の空隙に前記第１の部材の回転軸部が嵌り合って、前記第１の部材と前記第２の部材とが回動可能とされた構造体の製造方法であって、
３Ｄプリンタを用いて、前記第１の部材と前記第２の部材を同時に造形し、
前記第２の部材の円筒状部の下側端面は、前記下側端面の水平面に対する傾斜角度を４５°以上に積層造形し、
前記第１の部材の凹部の、上側側面と回転軸部との間の上側接続部は、水平面に対する傾斜角度を４５°以上に積層造形することを特徴とする構造体の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の構造体の製造方法において、
前記第１の部材および前記第２の部材を粉末積層法で造形することを特徴とする構造体の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の構造体の製造方法において、
前記第１の部材および前記第２の部材の素材として、金属材料、樹脂、セラミックス、またはこれらの複合体を用いることを特徴とする構造体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜７の何れか１項に記載の構造体を可動部に用いた移動体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の移動体において、
前記構造体は窓部またはドア部に用いられることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒンジ構造を備える構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙、発電などのインフラ分野で、３Ｄプリンタを活用した部品製造が行われ始めている。３Ｄプリンタを製造に用いることで、複雑形状部品の製造、複数組立て部品の一体製造、構造軽量化、部品調達の内製化などがメリットとなる。特に複数組立て部品の一体製造は、従来において複数部品を組み合わせて製造することが多かったのに対して、一括して製造することにより、部品内での精度配分、組立て等が不要になり、製造時間の大幅な短縮に繋がる。これらの３Ｄプリンタのメリットを活用するには、従来の部品構造とは異なる、３Ｄプリンタで製造可能な構造への転換が有効である。
【０００３】
また一方で、ヒンジ構造は、扉、窓をはじめ、可動のための基本構造として多く用いられている。ヒンジ構造体は、所定の形状に切断された金属板の端部に、曲げ加工または鋳造によって軸が通る円筒形状を形成し、円筒形状が異なる２つの構造体を軸を介して一体化して、軸端部を円筒形状の内径よりも大きく加工することで製造される。または、凹部を持つ構造体と、凹部の内径より小さい径である凸部を持つ構造体を組み合わせることによって製造される。
【０００４】
例えば、特表２０１５−２２４７３４号公報（特許文献１）には、「軸支持部を有した複数の羽根板を備え、互いに端面を対向して並設した軸支持部の間にわたってヒンジ軸を配設することにより、ヒンジ軸を中心として複数の羽根板を相対的に回転可能に支持したヒンジ装置において、互いに並設した軸支持部の間にカラー部材を介在させるとともに、カラー部材において軸支持部の端面に対向する部位に貫通孔によって油溜めを設けた。」ヒンジ装置に関する技術が開示されている（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１５−２２４７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のヒンジ装置は、３点の部品を組み合わせることでヒンジ装置を構成するものであり、組立工程を要する。
【０００７】
本発明の目的は、曲げや鋳造などの加工工程及び組立工程を必要としないヒンジ構造を備える構造体、その製造方法及びそれを用いた移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための、本発明の「構造体」の一例を挙げるならば、端部に、上側側面と下側側面を備える凹部が設けられ、該凹部の上側側面と下側側面との間に回転軸部が設けられた第１の部材と、端部に、内側に筒状の空隙を有し、上側端面と下側端面を有する円筒状部を備える第２の部材とを備え、前記第２の部材の筒状の空隙に前記第１の部材の回転軸部が嵌り合って、前記第１の部材と前記第２の部材とが回動可能とされた構造体であって、
前記第２の部材の円筒状部の下側端面はスロープ構造を有し、前記下側端面の水平面に対する傾斜角度は４５°以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の「構造体の製造方法」の一例を挙げるならば、端部に、上側側面と下側側面を備える凹部が設けられ、該凹部の上側側面と下側側面との間に回転軸部が設けられた第１の部材と、端部に、内側に筒状の空隙を有し、上側端面と下側端面を有する円筒状部を備える第２の部材とを備え、前記第２の部材の筒状の空隙に前記第１の部材の回転軸部が嵌り合って、前記第１の部材と前記第２の部材とが回動可能とされた構造体の製造方法であって、
３Ｄプリンタを用いて、前記第１の部材と前記第２の部材を同時に造形し、
前記第２の部材の円筒状部の下側端面は、前記下側端面の水平面に対する傾斜角度を４５°以上に積層造形し、
前記第１の部材の凹部の、上側側面と回転軸部との間の上側接続部は、水平面に対する傾斜角度を４５°以上に積層造形することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、シームレスで、積層造形法以外の曲げや鋳造などの加工工程及び組立工程を必要としないヒンジ構造を備える構造体、その製造方法及びそれを用いた移動体を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】実施例１に係る構造体を示す図である。
【図１Ｂ】実施例１に係る構造体を示す図である。
【図２】従来のヒンジ構造を備える構造体を示す図である。
【図３】粉末積層法による３Ｄプリンタを示す図である。
【図４】実施例２の構造体の製造方法のフローを示す図である。
【図５Ａ】実施例３のヒンジ構造を有する鉄道車両を示す図である。
【図５Ｂ】鉄道車両に用いるヒンジ構造体の一例を示す斜視図である。
【図６】構造体の変形例を示す図である。
【図７】構造体の変形例を示す図である。
【図８】構造体の変形例を示す図である。
【図９】構造体の変形例を示す図である。
【図１０】構造体の変形例を示す図である。
【図１１】構造体の変形例を示す図である。
【図１２】ヒンジ構造を用いた構造物の開閉を示す図である。
【図１３】ヒンジ構造を用いた構造物の開閉を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態を説明する前に、従来の一般的なヒンジ構造体を説明する。図２に、一般的なヒンジ構造体の正面図を示す。図は、ヒンジ構造体を開いた状態の図である。ヒンジ構造体１０は、第１の部材（羽板板）１と第２の部材（羽根板）２を組み合わせて構成されている。第１の部材１の端部には、上側側面４と下側側面５を備える凹部３が設けられ、凹部３の上側側面４と下側側面５との間には回転軸部６が設けられている。第２の部材２の端部には、内側に筒状の空隙を有する円筒状部７が設けられており、円筒状部７は、上側端面８と下側端面９を備えている。そして、第２の部材２の円筒状部７の空隙に、第１の部材の回転軸部６を嵌り合わすことにより、第１の部材１と第２の部材２を回動可能とし、ヒンジ構造体１０を構成する。
【００１３】
図２に示される一般的なヒンジ構造体を、３Ｄプリンタを用いた粉末積層法で製造しようとする。図のオーバーハング部で示されるように、図２のヒンジ構造体は、第１の部材の凹部３の上側側面４と、第２の部材の円筒状部７の下側端面９にオーバーハング部を有するため、３Ｄプリンタを用いた製造が困難である。
【００１４】
本発明は、３Ｄプリンタを用いることにより、曲げや鋳造などの加工工程及び組立工程を必要としないヒンジ構造を備える構造体、その製造方法及びそれを用いた移動体を提供するものである。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。
【実施例１】
【００１６】
図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の実施例１に係るヒンジ構造体を示す。図１Ａは、ヒンジ構造体の正面図、右側から見た側面図および上側から見た上面図を併せて記載したものである。図に示すように、第１の部材（羽板板）１と第２の部材（羽根板）２を組み合わせて構成されている。第１の部材１の端部には、凹部３が設けられ、凹部３の上側側面と下側側面との間には回転軸部６が取り付けられている。第２の部材２の端部には、内側に筒状の空隙を有する円筒状部７が形成されており、円筒状部７は、上側端面８と下側端面９を備えている。そして、第２の部材２の円筒状部７の空隙に、第１の部材の回転軸部６を嵌り合わすことにより、第１の部材１と第２の部材２を回動可能とし、ヒンジ構造体１０を構成する。
【００１７】
第２の部材の円筒状部７の上側端面８および下側端面９にはスロープ構造が形成されている。また、第１の部材１には、凹部３の上側側面および下側側面と回転軸部６との間に接続部１１，１２が形成され、この接続部１１，１２にスロープ構造が形成されている。ここで、スロープ構造とは、水平面に対して傾斜した面を備えることであり、図１Ａに示すように、円筒状部７の上側端面がθ１、下側端面がθ３の角度を有しており、また、凹部の上側側面に連なる上側接続部１１がθ２、凹部の下側側面に連なる下側接続部１２がθ４の角度を有している。なお、第１の部材および第２の部材の素材としては、例えば金属材料、樹脂、セラミックス、またはこれらの複合体が挙げられる。また、粉末積層法の場合は、ステンレス、鉄、チタン、アルミ、それらの合金などの金属材料を用いる。
【００１８】
図２に示すような一般的なヒンジ構造を積層造形で形成する場合、ヒンジ構造体をどのような向きに配置しても、独立部と称する「積層された部分以外から積層造形が開始される部分」が生ずる。例えば、金属を用いた粉末積層法の場合、粉末上から積層造形が開始されると、次層の粉末を堆積するときにローラー等が粉末上の焼成物と衝突して焼成物の位置がずれたり、衝突の衝撃で装置が停止ししたりすることで、造形が円滑に進行しないことがある。
【００１９】
積層造形を行う場合、積層造形時にこのような独立部を生じない構造とすることが必要である。ヒンジ構造を造形する場合、軸の方向に対して鉛直または鉛直から水平方向へ傾けた配置で造形することができる。好ましくは鉛直方向が望ましい。
【００２０】
本実施例において、独立部が生じないように、第２の部材２の円筒状部７の下側端面の傾斜角度θ３を水平面に対して４５°以上とする。また、第１の部材１の上側の接続部１１の傾斜角度θ２を水平面に対して４５°以上とする。なお、第１の部材１の下側の接続部１２は水平としても良いが、傾斜角度θ４を持たせても良い。下側接続部１２の傾斜角度θ４を円筒状部７の下側端面の傾斜角度θ３と同じ角度にすることにより、ガタを減らすことができる。また、第２の部材２の円筒状部７の上側端面は水平としても良いが、傾斜角度θ１を持たせても良い。円筒状部７の上側端面８の傾斜角度θ１を上側接続部１１の傾斜角度θ２と同じ角度にすることにより、ガタを減らすことができる。３Ｄプリンタを用いた積層造形を行うためには、円筒状部７の下側端面の傾斜角度θ３と上側接続部１１の傾斜角度θ２は４５°以上とすることが必要である。そして、積層造形により、円筒状部７をシームレスな構造とすることができ、継ぎ目がないため、変形を少なくすることができる。
【００２１】
本実施例のヒンジ構造体との対比のために、比較例を示す。
図２は、比較例のヒンジ構造の可動部を示す図である。スロープ構造は備えておらず、一般的なヒンジ構造を積層造形で形成した場合を想定している。この場合には、第２の部材２の円筒状部７の下側端面９、および第１の部材１の凹部３の上側側面４にオーバーハング部を生じ、造形の途中で独立部が生ずるために、ヒンジ構造を造形することは困難である。粉末積層法による造形を行った場合、金属粉末を敷き詰めるときにローラーによって粉末上に形成された焼成体の位置がずれてしまい、装置が停止し、それ以上の造形ができない。
【００２２】
実施例１のヒンジ構造体とすることで、３Ｄプリンタを用いた粉末積層法による造形を行うことができ、シームレスで、曲げや鋳造などの加工工程および組立工程を必要としないヒンジ構造体を得ることができる。
【実施例２】
【００２３】
次に、実施例２に係るヒンジ構造体の製造方法について説明する。
本発明のヒンジ構造を作製するための積層造形方法は、一般的な造形法が適用できる。望ましくは、粉末積層法が好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２４】
図３に示すように、粉末積層法による３Ｄプリンタは、造形用の粉末及び造形物３８を配置するパートカートリッジを上昇・下降させる造形部ピストン３７、材料粉末３２を供給するフィードカートリッジを上昇・下降させる供給ピストン３３、材料粉末３２を新たに供給するローラー３１、パウダーベッド及び材料供給部を過熱するヒータ、パウダーベッドの表面の一部をレーザ光３６で選択的に加熱するレーザ照射装置３４が主な構成となっている。なお、レーザ照射装置３４はレーザ制御装置３５で制御される。
【００２５】
造形は、粉末を薄く敷く工程と敷き詰めた粉末にレーザ光または電子線ビームを照射して粉末どうしを溶融接合する工程を繰り返すことで３次元的に造形を進める。図４に、造形物の完成までのフローを示す。先ず、供給ピストン３３を上昇させる（Ｓ４０１）。次に、ローラー３１により材料粉末３２を造形部へ移動させる（Ｓ４０２）。次に、レーザ光３６を照射して材料粉末３２を焼結する（Ｓ４０３）。次に、造形部ピストン３７を下降して、材料粉末を供給可能とする（Ｓ４０４）。Ｓ４０１〜Ｓ４０４を繰り返すことにより、造形物（ヒンジ）を積層構成していく。積層が終了すると、造形物が完成する（Ｓ４０５）。
【００２６】
本実施例のヒンジ構造体の製造方法においては、特に第２の部材２の円筒状部７の下側端面９の傾斜角度θ３を水平面に対して４５°以上として積層造形し、また、第１の部材１の上側接続部１１の傾斜角度θ２を４５°以上として積層造形することにより、３Ｄプリンタを用いた造形を行うことができ、シームレスで、曲げや鋳造などの加工工程および組立工程を必要としないヒンジ構造体を得ることができる。
【実施例３】
【００２７】
図５Ａは、本発明のヒンジ構造体を可動部に用いる鉄道車両の側面図である。鉄道車両５１は、パンタグラフ５６、窓部５４、運転席窓部５５、ドア部５３に可動する構造を備えており、図に示すように、窓、ドアなどの可動部にヒンジ構造体が用いられている。図５Ｂに、鉄道車両に用いられるヒンジ構造体の一例の斜視図を示す。鉄道車両では、特殊な形状のヒンジが使用されており、従来の曲げ加工で製造するには、熟練が必要である。
【００２８】
上記において説明したヒンジ構造について、以下に具体的に説明する。
３Ｄプリンタは、ダイレクトメタル  プロダクション３Ｄプリンター  ＰｒｏＸＴＭ２００（３Ｄシステムズ社製）を用い、造形用粉末としてはステンレス粉末を用いた。
図１に示す形状の３ＤＣＡＤを作成し、３Ｄプリンタに合致したファイル形式に変換することで造形を行った。造形の方向は、ヒンジの長手方向が鉛直になる方向とした。
【００２９】
上記工程によって得られたヒンジについて、図１２に示すようにヒンジを取り付け、図１２と図１３になるように開閉を繰り返すことにより、可動性を評価した。
【００３０】
また、実施例３で作製したヒンジを、図５Ａに示す鉄道車両の運転席の収納扉に用いた。このときの取り付けも、図１２になるように行なった。この鉄道車両を、通常の走行車両として社内の実験設備で３か月間使用した。３か月間使用した後の運転席窓について、窓の動きを評価した。窓の動きは、初期装着時と変わりなかった。
【００３１】
本実施例によれば、本発明のヒンジ構造を鉄道車両の窓部、ドア部などの可動部に用いることにより、耐久性が高い鉄道車両を提供することができる。
また、図に示すヒンジ構造を用いた窓部、ドア部などの可動部を自動車に搭載することにより、耐久性が高い自動車を提供することができる。
上記の鉄道車両や自動車を代表とする移動体のみならず、移動体の一種として、建設機械やエレベータにも適用可能である。本明細書においては、上記したように車輪等を動作させ自走する手段またはワイヤー等を用いることで駆動する手段を有することで装置自体が移動するものを移動体という。
【変形例】
【００３２】
図６乃至図１１に、実施例１の構造体の変形例を示す。
図６は、第１の部材の回転軸部６を、上下方向の中央部において径小となる湾曲した形状とし、第２の部材の円筒状部７の空隙を、回転軸部６の形状に合わせて、湾曲した径小部を有する形状としたものである。
図7は、第１の部材の回転軸部６を、上下方向の中央部において径小となるテーパ状の形状とし、第２の部材の円筒状部７の空隙を、回転軸部６の形状に合わせて、テーパ状の径小部を有する形状としたものである。
図６，７の構造体は、図１に示される構造体に比べて、回動時のガタを減らすことができる。
【００３３】
図８は、第１の部材の回転軸部６の上下方向の中央部に三角状の凸部２１を設け、第２の部材の円筒状部７の空隙に、三角状の凸部２１の形状に対応させて、三角状の凹部を設けたものである。
図９は、第１の部材の回転軸部６の上下方向の中央部に半球状の凸部２２を設け、第２の部材の円筒状部７の空隙に、半球状の凸部２２の形状に対応させて、半球状の凹部を設けたものである。
図８，９の構造体は、三角状或いは半球状の凸部および対応する凹部により上下方向の移動が規制されて、回動時のガタを減らすことができる。
【００３４】
図１０は、第１の部材の回転軸部６の上下方向の中央部に三角状の凸部２３を複数設け、第２の部材の円筒状部７の空隙に、三角状の凸部２３に対応させて、三角状の凹部を複数設けたものである。
図１１は、第１の部材の回転軸部６の上下方向の中央部に半球状の凸部２４を複数設け、第２の部材の円筒状部７の空隙に、半球状の凸部２４の形状に対応させて、半球状の凹部を複数設けたものである。
図１０，１１の構造体は、図８，９に示される構造体に比べて、回動時のガタをさらに減らすことができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…第１の部材、２…第２の部材、３…凹部、４…上側側面、５…下側側面、６…回転軸部、７…円筒状部、８…上側端面、９…下側端面、１０…ヒンジ構造体、１１…上側接続部、１２…下側接続部、
２１…三角形状の凸部、２２…半球状の凸部、２３…複数の三角形状の凸部、２４…複数の半球状の凸部、
３１…ローラー、３２…材料粉末、３３…供給ピストン、３４…レーザ照射装置、３５…レーザ制御装置、３６…レーザ光、３７…造形部ピストン、３８…造形物（ヒンジ）、
５１…鉄道車両、５３…ドア部、５４…窓部、５５…運転席窓、５６…パンタグラフ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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