(57)【要約】【課題】伸縮性複合セル構造を提供する。【解決手段】三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造において、実質的に部材面内に歪を発生することなく、その実寸からゼロに近くまで広範囲に伸縮が行われ、セルの内部空間を保持および変化を可能とする伸縮性複合セル構造を提供する。【選択図】図６
2012042044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域Ａ１により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像Ａ３を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像Ａ２をＢ１とし、Ｂ１から始めて、前記と同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された仮想の平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上手前に山折りとし、他の辺はこれに適合する折り目とし、シートＡとシートＢを、背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合して形成される多面体形状をＰとし、多面体形状Ｐの筒壁部分を抽出した多面体形状をＱとし、多面体形状Ｑの複数個を前記軸方向に垂直方向の敷詰め配列して形成される複合多面体形状をＲとし、該複合多面体形状Ｒを平面部分は剛性のある面材、稜線はヒンジで実体として構成する構造を特徴とする伸縮性複合セル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造に関するものである。ここにセルとは英語でｃｅｌｌに相当し、小室、細胞、巣屋とよばれる内部空間を意味する。さらに詳細には、実質的に部材面内に歪を発生することなく伸縮が行われ、前記内部空間を保持かつ変化させる伸縮性複合セル構造に関する。
【背景技術】
【０００２】三次元的ブロックを構成する複合セル構造というものは多く知られているが、その代表例は、ハニカム構造であろう。これは六角柱状の管を、隙間なく集積した幾何学的形状を基とし、工学的には多数の薄板を相互に千鳥に接合し、その後開くという過程で製作されるのが一般的である。これらの構造は、もっぱらその形状の状態で、たとえばサンドイッチ構造などに使われるものである。【０００３】仮想的であるが、もしこのような三次元的ブロックを構成する複合セル構造で、その形状を駆動して伸縮変化させ、結果としてその内部空間を変化させることが可能であるならば、その利用は新しい可能性をもたらすであろう。さらにこの伸縮が、その過程において、セル壁面の部材に歪を実質上発生しない、つまり剛体折り紙と呼ばれる変形で行われるならば、駆動力をあまり必要とせずに、大きな変化をもたらすことになる。もし筒の軸方向に歪なしで伸縮できるセル構造の三次元ブロックが存在すれば、これを利用する新規で多様なデバイスが実現可能であろう。しかし現実にはそのような構造が知られていない。ハニカム構造は、筒の軸に直交方向に伸縮することができるが、利用性の高い軸方向には破壊なしに伸縮することは不可能である。【０００４】最近になって、三次元ブロックではないが、筒型の単一セル構造について、伸縮の過程で、部材に歪を実質上発生しない、かつその内部に好ましい利用空間を保持するという目的を達成できる筒型伸縮構造が発明された（特許文献１）。この技術を発展させれば、三次元的ブロックを構成する複合セル構造を創出する可能性が示された。【０００５】
【特許文献１】特許出願２００９−２３９８３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】本発明の課題は、三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造において、実質的に部材面内に歪を発生することなく伸縮が行われ、セルの内部空間を保持かつ変化が可能な伸縮性複合セル構造を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本発明の請求項１に係る伸縮性複合セル構造は、平面上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域Ａ１により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像Ａ３を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像Ａ２をＢ１とし、Ｂ１から始めて、前記と同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された仮想の平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上手前に山折りとし、他の辺はこれに適合する折り目とし、シートＡとシートＢを、背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合して形成される多面体形状をＰとし、多面体形状Ｐの筒壁部分を抽出した多面体形状をＱとし、多面体形状Ｑの複数個を前記軸方向に垂直方向の敷詰め配列して形成される複合多面体形状をＲとし、該複合多面体形状Ｒを平面部分は剛性のある面材、稜線はヒンジで実体として構成する構造を特徴とする伸縮性複合セル構造である。
【発明の効果】
【０００８】本発明に係る三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造の第一の効果は、その三次元形状を大きく変化させることができることにある。その変化量は実物のサイズと同等レベルの大きさであり、またその両極限において理論的にゼロになる。ここに理論的とは面材の厚みをゼロとした場合に相当する。【０００９】第二の効果は、このような大きな変化が、剛体折り紙と呼ばれる折り畳み構造の特性により、折り目を除いて、それを構成する面材には、伸縮の過程で歪なしで経過することである。このことは、伸縮性の材料に頼らざるを得なかった従来の状況を変えて、多様な材質を利用することが可能となった。【００１０】
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】図１（ａ）において、１は左右にのびる平行線、２は帯状の領域、３は等脚台形、３−１は該等脚台形の上底あるいは下底、３−２は該等脚台形の斜辺、３−３は該等脚台形の小さい内角、４は該等脚台形に隣接する奇数番目の平行四辺形、５は複数番目で且つ端部の平行四辺形である。以下、説明の明瞭を優先して、一番目と二番目の平行四辺形で構成される単純なものについて取り扱い、それぞれを４と５にする。また等脚台形には三角形も含まれる。図では、中央部に等脚台形を配し、その左右に二つの平行四辺形４、５を配して、基本領域Ａ１を構成する。該基本領域Ａ１を、下側の平行線１について鏡映して鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作を繰り返して、鏡像群Ａ３、Ａ４、、、、を形成したものの結合をパターンＡとする。【００１２】ついで、図１（ｂ）において、前記Ａ２を基本領域Ｂ１として、下側の平行線１について鏡映して鏡像Ｂ２を形成し、さらに同様の操作を繰り返して、鏡像群Ｂ３、Ｂ４、、、、を形成したものの結合をパターンＢとする。要するに、パターンＢは、パターンＡを一帯状領域だけずらしたものである。【００１３】上記で定義される幾何学的条件で決定される三次元形状の、直感的な理解のため、厚みの無い仮想的な平面シートを用いる。パターンＡ、Ｂをそれぞれ転写したシートＡ、Ｂについて、すべての辺を折り目とすると、意味のある全体形状は折り目の正負（山折りと谷折り）によって、二つがある。今便宜上、等脚台形３の斜辺をすべて山折りと指定することにより、他のすべての折り目の正負、そして三次元形状は自動的に確定する。【００１４】いま、シートＡとシートＢを、鏡像群Ａ１，Ａ２，Ａ３，．．．と鏡像群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，．．．．を対応させて、背面であわせ、折り目を形成すると、図２（ａ）に示すような、多面体Ｐが生成される。その中央部は多面体的な筒状６であり、外部にはひれ状の構造７が形成されている。なお、このひれ状の構造は図１（ａ）で複数番目で端部の平行四辺形５の部分５−１からなり、その外側部分は適宜削除してある。このひれ状の形態を観察すると、シートＡとシートＢがこの部分５−１で背中合わせで接している。【００１５】該多面体Ｐを上下方向に収縮させると、図２（ｂ）の平面図に示されるように完全に平らに畳み込まれる。このとき、理想的にシートの厚さゼロ、折りのヒンジが完全と仮定すると、伸縮にたいする抵抗はなく、シート面内の変形もなく、畳み込まれる。最初の状態は平面、最後の状態も異なる平面となる。【００１６】図２で示された多面体Ｐにおいては、前記のように、ひれ状の構造７の部分が存在している。図３（ａ）、（ｂ）を参照して。そのシートＡとシートＢが接面する部分において、これらの両シートが稜線５−３だけて結合されるように、余分な部分を取り去ると、筒壁部分５−２が残り、これにより単一の筒壁よりなる多面体Ｑ（図４（ａ））が定義される。【００１７】これを詳細に説明すると、図３は、筒壁だけを構成する部分を、図１のパターンＡとＢに対応するパターンＣとＤについて示したものである。容易に観察されるように、図３では、パターンＣおよびＤにおいて、複数番目で且つ端部の平行四辺形５の必要最小限の部分５−２が示されている。そしてその稜線５−３で、平行四辺形４の斜辺４−１と結合され、小角錐状突起７を形成し、その結果シート、Ｃ，Ｄが結合されて、単壁の多面体Ｑが構成される。（図４（ａ））。前記と同様に、生成された構造を縦方向に縮めると、図４（ｂ）で示されるように、完全に平らに畳み込まれる。【００１８】次に図３、４を参照して、単位領域Ｃ１、Ｄ１から構成される要素ＣＤ１三個を図５に示す。注目すべきは、ＣＤ１の中央面の六角形８は対辺が平行で長さが等しい六角形であることだ。ＣＤ１の形状の主要部は、この六角形８から派生される等しい傾斜の壁面で構成されている。視察により、これら三個の等しいＣＤ１は、互いに隙間なく結合することがわかる。さらにこの操作を続けると、厚みのある二次元空間を隙間なく充填する。ただし、これは通常のタイル貼りとは違って、タイルのエッジが、傾斜していることは独特である。理論は省略するが、このような操作でできる敷詰めでは、壁面は常に二重に覆われる。従って、その二分の一が純粋な多面体となるが、本発明では、壁面の多重を含めて区別しない。【００１９】次に、ＣＤ１は多面体Ｑを代表するから、ＣＤ１の空間充填は、多面体Ｑの集合が空間充填であることになり、三次元空間の多面体Ｒが形成される。多面体Ｒに実体（面材とヒンジ）を与えれば三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造Ｒとなる。図６には、多面体Ｒの伸縮過程を示す。その両極限で完全に平面に畳みこまれることが表示されている。完全な極限は平面となり識別困難であるので、図では極限の直前を示す。【００２０】前記の図６では、単一の面材として表現されているが、実体は、単一または複数の面材であってもよいし、あるいは混在してもよい。このことは、ハニカム構造と同様である。
【実施例１】
【００２１】前記のように、三次元的ブロックを構成する伸縮性複合セル構造Ｒの第一の特徴は、その三次元形状を大きく変化させることができることにある。その変化量は実物のサイズと同等レベルの大きさであり、またその両極限において容積は理論的にゼロになる。ここに理論的とは面材の厚みをゼロとした場合に相当する。【００２２】第二の特徴は、このような大きな変化が、剛体折り紙と呼ばれる折り畳み構造の特性により、折り目を除いて、それを構成する面材には、伸縮の過程で歪なしで経過することである。このことは、伸縮性の材料に頼らざるを得なかった従来の状況を変えて、多様な材質を利用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）パターンＡの形状の平面図
【図１】（ｂ）パターンＢの形状の平面図
【図２】（ａ）シートＡ，Ｂによる多面体Ｐの斜視図
【図２】（ｂ）シートＡ，Ｂによる多面体Ｐの収縮時の平面図
【図３】（ａ）パターンＣの形状の平面図
【図３】（ｂ）パターンＤの形状の平面図
【図４】（ａ）シートＣ，Ｄによる多面体Ｑの斜視図
【図４】（ｂ）シートＣ，Ｄによる多面体Ｑの収縮時の平面図
【図５】多面体Ｑの部分による空間充填の説明図
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）伸縮性複合セル構造（多面体Ｒ）の伸縮過程の斜視図
【符号の説明】
【００２４】１          平行線
２          帯状領域
３          等脚台形
３−１      等脚台形の底
３−２      等脚台形の斜辺
３−３      等脚台形の小さい内角
４          中心から奇数番目の平行四辺形
４−１      中心から奇数番目の平行四辺形の斜辺
５          中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形
５−１      中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の接合部分
５−２      中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の必要最小限の部分
５−３      中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の必要最小限の部分と平行四辺形４の稜線の結合線
６          ひれ状突起
７          小角錐状突起
８          六角形
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、、、基本領域（図１（ａ））
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、、、基本領域（図１（ｂ））
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、、  基本領域（図３（ａ））
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、、  基本領域（図３（ｂ））
Ａ          図１（ａ）のパターンとシート
Ｂ          図１（ｂ）のパターンとシート
Ｃ          図３（ａ）のパターンとシート
Ｄ          図３（ｂ）のパターンとシート
ＣＤ１      Ｃ１、Ｄ１から構成される要素
Ｐ          多面体
Ｑ          単壁よりなる多面体
Ｒ          伸縮性複合セル構造（多面体）
【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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