伸縮アームを用いた形状可変立体構造物

この発明は、伸縮アームの伸縮動作に応じて形状を変えることのできる形状可変立体構造物に関するものである。

本件出願と同一の出願人は、先に、特開2014−159070号公報において、2個の剛性部材をX字状に交差させたクロスユニットを線状に複数個連ねて曲線状に伸縮動作を行う伸縮アームを提案した。

特開2014−159070号公報

本願発明者は、伸縮アームをより有効に活用できないかという点について、更なる検討を行った。その過程で、伸縮アームを用いることにより、平面的な形状の面積や立体的な形状を変えることができることを見出した。

本発明の目的は、伸縮アームの伸縮動作に応じて形状を変えることのできる形状可変立体構造物を提供することである。

この発明に従った形状可変立体構造物は、上部枠体と、下部枠体と、縦方向連結部材とを備える。縦方向連結部材は、上部枠体と下部枠体とを平行な関係で離隔して連結する。

上部枠体は、X字状に交差させた2個の剛性部材を中央連結軸を介して回動可能に連結したクロスユニットの複数個と、隣接するクロスユニットの剛性部材の端部同士を回動可能に連結する端部連結部とを有する。上部枠体の端部連結部は、上部枠体の内側に位置する内側端連結軸と、上部枠体の外側に位置する外側端連結軸とを含む。

下部枠体は、X字状に交差させた2個の剛性部材を中央連結軸を介して回動可能に連結したクロスユニットの複数個と、隣接するクロスユニットの剛性部材の端部同士を回動可能に連結する端部連結部とを有する。下部枠体の端部連結部は、下部枠体の内側に位置する内側端連結軸と、下部枠体の外側に位置する外側端連結軸とを含む。

縦方向連結部材は、V字状に屈曲した第1屈曲剛性部材と、逆向きのV字状に屈曲した第2屈曲剛性部材と、第1屈曲剛性部材の屈曲部と第2屈曲剛性部材の屈曲部とを回動可能に連結する屈曲部連結軸とを有する屈曲ユニットを備える。

屈曲ユニットの上方端は、上方に位置する上部枠体に連結され、屈曲ユニットの下方端は、下方に位置する下部枠体に連結されている。

一つの実施形態では、屈曲ユニットの上方端は、対向して位置する上部枠体の2個の内側端連結軸に連結され、屈曲ユニットの下方端は、対向して位置する下部枠体の2個の内側端連結軸に連結されている。

他の実施形態では、屈曲ユニットは、端部同士を回動可能に連結した第1屈曲ユニットおよび第2屈曲ユニットを含む。第1屈曲ユニットの上方端は、上部枠体の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。第2屈曲ユニットの下方端は、下部枠体の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。

上記の実施形態又は他の実施形態では、第1屈曲ユニットの第1及び第2屈曲剛性部材は、屈曲連結軸から上方端に至るまでの長さが、屈曲連結軸から下方端に至るまでの長さよりも短い。また、第2屈曲ユニットの第1及び第2屈曲剛性部材は、屈曲連結軸から下方端に至るまでの長さが、屈曲連結軸から上方端に至るまでの長さよりも短い。

さらに他の実施形態では、屈曲ユニットは、第1屈曲ユニットおよび第2屈曲ユニットを含む。第1屈曲ユニットの上方端は、上部枠体の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。また、第2屈曲ユニットの下方端は、下部枠体の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。縦方向連結部材は、X字状に交差させた2個の剛性部材を中央連結軸を介して回動可能に連結したクロスユニットを備える。縦方向連結部材のクロスユニットの上方端は、第1屈曲ユニットの下方端に連結され、縦方向連結部材のクロスユニットの下方端は、第2屈曲ユニットの上方端に連結されている。

さらに他の実施形態では、上部枠体および下部枠体のそれぞれは、複数のクロスユニットを連ねた伸縮アームの複数個と、隣接する伸縮アームの2つを連動可能に連結する連結機構とを備える。連結機構は、隣接する一方の伸縮アームの内側端連結軸と、他方の伸縮アームの外側端連結軸とを回動可能に連結する屈曲形状の第1折れ曲がり部材と、隣接する一方の伸縮アームの外側端連結軸と、他方の伸縮アームの内側端連結軸とを回動可能に連結する屈曲形状の第2折れ曲がり部材と、第1折れ曲がり部材と第2折れ曲がり部材とをそれらの交差部で回動可能に連結するコーナー部連結軸とを有する。屈曲ユニットの上方端は、上部枠体のコーナー部連結軸の2個に連結され、屈曲ユニットの下方端は、下部枠体のコーナー部連結軸の2個に連結されている。

上記構成の本発明によれば、上部枠体及び下部枠体の面積拡張又は面積縮小動作と、縦方向連結部材の高さ変更動作とが連動するので、結果として立体構造物の形状を変更できる。

四角形枠体の平面図であり、最小面積の状態を示している。

四角形枠体の平面図であり、中間面積の状態を示している。

四角形枠体の平面図であり、最大面積の状態を示している。

本発明の一実施形態に係る形状可変立体構造物の斜視図である。

形状可変立体構造物の斜視図であり、上部枠体の面積が縮小し、下部枠体の面積が拡大している状態を示している。

本発明の他の実施形態に係る形状可変立体構造物の斜視図である。

形状可変立体構造物の斜視図であり、上部枠体の面積が縮小し、下部枠体の面積が拡大している状態を示している。

本発明のさらに他の実施形態に係る形状可変立体構造物の斜視図である。

形状可変立体構造物の斜視図であり、上部枠体及び下部枠体の面積が拡大している状態を示している。

屈曲ユニットの一例を示す斜視図である。

本発明のさらに他の実施形態に係る形状可変立体構造物の斜視図である。

屈曲ユニットの他の例を示す斜視図である。

本発明の実施形態に係る形状可変立体構造物は、上部枠体と、下部枠体と、上部枠体と下部枠体とを平行な関係で離隔して連結する縦方向連結部材とを備える。以下に、図面を参照していくつかの実施形態を説明する。

[図1〜図5に示す実施形態] 図1〜図3は、本発明の一実施形態に係る形状可変立体構造物の構成要素である枠体を示している。上部枠体及び下部枠体は、実質的に同じ構造である。図示する枠体の形状は、多角形の一例として、四角形である。図1は、枠体の外形輪郭線で囲まれる面積が最も小さい状態を示し、図2は中間の大きさの面積になっている状態を示し、図3は最も大きな面積となっている状態を示している。

図1〜図3では、四角形の面積可変枠体を図示して例示的に説明するが、三角形、五角形、六角形等の他の多角形でも基本的な構成及び動作は同じである。

四角形枠体10の構成を主に図2を参照して説明する。

図示するように、四角形の枠体の4辺は、4個の伸縮アームA,B,C,Dによって構成されており、伸縮アームの伸縮動作に応じて辺の長さが変わる。隣接する2つの辺の伸縮動作を連動させるように、隣接する2つの伸縮アームを連動可能に連結する連結機構を備える。この連結機構については、後述する。

各伸縮アームA,B,C,Dは、X字状に交差させた2個の剛性部材11a,11bを、中央連結軸12を介して回動可能に連結した複数のクロスユニット11と、隣接するクロスユニットの端部同士を回動可能に連結する端部連結部とを含む。

図示した実施形態では、端部連結部は、四角形の枠体の内側に位置する内側端連結軸13と、四角形の枠体の外側に位置する外側端連結軸14とを含む。クロスユニット11の構成要素である一つの剛性部材の形状に注目すると、上方から見た平面視において、内側端連結軸13と、中央連結軸12と、外側端連結軸14とを結ぶ仮想線は、直線的に延びる。剛性部材の形状は、平面視において3つの連結軸を結ぶ仮想線が直線的に延びるものであればよく、平面視においてS字状に湾曲した形状またはZ字状に湾曲した形状や、厚み方向において円弧状に湾曲した形状のものであっても差し支えない。

隣接する2つの伸縮アームを連動可能に連結する連結機構は、四角形の枠体のコーナー部において、第1折れ曲がり部材15と、第2折れ曲がり部材16と、コーナー部連結軸17とを含む。第1および第2折れ曲がり部材15,16は共に、V字状に屈曲した形状を有している。コーナー部連結軸17は、第1折れ曲がり部材15と第2折れ曲がり部材16とをそれらの交差部(屈曲点の位置)で回動可能に連結している。

第1折れ曲がり部材15は、隣接する一方の辺の伸縮アームの内側端連結軸13と、他方の辺の伸縮アームの外側端連結軸14とを回動可能に連結している。第2折れ曲がり部材16は、隣接する一方の辺の伸縮アームの外側端連結軸14と、他方の辺の伸縮アームの内側端連結軸13とを連結している。

多角形の形状を崩すことなく相似関係で面積を拡張したり、縮小したりするためには、第1折れ曲がり部材15および第2折れ曲がり部材16の屈曲角度を所定の値にすることが必要である。具体的には、n角形の内角の和をA度とすると、第1および第2折れ曲がり部材15,16の折れ曲がり角度をA/nとすることが必要である。例えば、四角形の枠体であれば、各折れ曲がり部材の折れ曲がり角度を90度にする。正三角形の枠体であれば、各折れ曲がり部材の折れ曲がり角度を60度とする。正五角形の枠体であれば、各折れ曲がり部材の折れ曲がり角度を108度とする。正六角形の枠体であれば、各折れ曲がり部材の折れ曲がり角度を120度とする。

各クロスユニット11の構成要素である各剛性部材11a,11bと、各折れ曲がり部材15,16との長さの関係は、以下の通りである。各剛性部材11a,11bにおいて、中央連結軸12と内側端連結軸13との間隔、および中央連結軸12と外側端連結軸14との間隔をL1とする(図3参照)。各折れ曲がり部材15,16において、コーナー部連結軸17と内側端連結軸13との間隔、およびコーナー部連結軸17と外側端連結軸14との間隔をL2とする。L2/L1の値は、正三角形の枠体の場合、1〜2.16程度であり、四角形の枠体の場合、1〜1.5程度であり、正五角形の場合、1〜1.32程度であり、正六角形の場合、1〜1.23程度である。上記の範囲内でL2/L1の値が大きいほど、枠体面積の変更度合いが大きくなる。

なお、多角形枠体の各辺を構成する伸縮アームは複数のクロスユニット11を伸縮方向に沿って線状に連ねて接続したものであるが、正多角形の枠体を構成する場合には、各辺を構成するクロスユニット11の数は、同じ整数値である。また、各クロスユニット11を構成する各剛性部材の長さは、同じである。

図1に示す最小面積の状態では、各クロスユニット11は折り畳まれた状態であり、伸縮アームA,B,C,Dの長さが最も短くなっている。

図2に示す中間面積の状態では、各クロスユニット11は、2つの剛性部材11a,11bがほぼ直交する位置関係になるまで開いており、伸縮アームA,B,C,Dの長さが中間長さとなっている。

図3に示す最大面積の状態では、各クロスユニット11は全開状態であり、2つの剛性部材11a,11bの内側端連結軸13と外側端連結軸14とが近接して位置している。この状態では、四角形の枠体10の各辺を構成する伸縮アームA,B,C,Dの長さが最大長さとなっている。

図4は、本発明の一実施形態に係る形状可変立体構造物100を示している。図示する形状可変立体構造物は、図1〜図3に示した枠体を上部枠体10及び下部枠体20として備え、さらに上下の枠体10,20を平行な関係で離隔して連結する2個の縦方向連結部材30を備える。

図示した実施形態では、各縦方向連結部材30は、屈曲ユニットによって構成されている。屈曲ユニットは、V字状に屈曲した第1屈曲剛性部材31と、逆向きのV字状に屈曲した第2屈曲剛性部材32と、第1屈曲剛性部材の屈曲部と第2屈曲剛性部材の屈曲部とを回動可能に連結する屈曲部連結軸33とを含む。

図示するように、屈曲ユニット30の上方端は上方に位置する上部枠体10に連結され、屈曲ユニット30の下方端は下方に位置する下部枠体20に連結されている。具体的には、屈曲ユニット30を構成する第1及び第2屈曲剛性部材31,32の上方端は、上部枠体10の2個のコーナー部連結軸17に連結され、第1及び第2屈曲剛性部材31,32の下方端は、下部枠体20の2個のコーナー部連結軸17に連結されている。

図5に示す状態では、上部枠体10の面積が縮小し、下部枠体20の面積が拡大している。上下の枠体10,20の面積変化に連動して、屈曲ユニット30を構成する第1及び第2屈曲剛性部材31,32の上方端の間隔が小さくなり、第1及び第2屈曲剛性部材31,32の下方端の間隔が大きくなっている。屈曲剛性部材は「V字状」の形状を有するものであるが、この「V字状」は正確な「V」形状である必要は無く、ほぼV字状を形成するような湾曲形状ものであっても良い。また、各屈曲剛性部材の形状に注目すると、屈曲連結軸から上方端に至るまでの長さと、屈曲連結軸から下方端に至るまでの長さが同じであっても良いし、異なるものであっても良い。

[図6〜図7に示す実施形態] 図6および図7は、本発明の他の実施形態に係る形状可変立体構造物200を示している。図示する形状可変立体構造物200は、リング形状の上部枠体40と、リング形状の下部枠体50と、上下の枠体40,50を平行な関係で離隔して連結する1個の縦方向連結部材60を備える。

上部枠体40と下部枠体50とは、実質的に同じ構造である。各枠体は、複数個のクロスユニットを円周状に連ねたものである。図示するように、各クロスユニットは、共通の平面上で一方の方向に凸となるように湾曲した第1の剛性部材41と、他方の方向に凸となるように湾曲した第2の剛性部材42とを、X字状に交差させ、その交差部を中央連結軸43を介して回動可能に連結したものである。隣接するクロスユニットの外径側端部を外側連結軸44を介して回動可能に連結するとともに、隣接するクロスユニットの内径側端部を内側連結軸45を介して回動可能に連結することによって、リング状の上部枠体40および下部枠体50を形成する。

図示した実施形態では、縦方向連結部材60は、屈曲ユニットによって構成されている。屈曲ユニット60は、V字状に屈曲した第1屈曲剛性部材61と、逆向きのV字状に屈曲した第2屈曲剛性部材62と、第1屈曲剛性部材の屈曲部と第2屈曲剛性部材の屈曲部とを回動可能に連結する屈曲部連結軸63とを含む。

屈曲ユニット60の上方端は、対向して位置するリング状の上部枠体40の2個の内側端連結軸45に連結される。また、屈曲ユニット60の下方端は、対向して位置するリング状の下部枠体50の2個の内側端連結軸45に連結される。

図6および図7を対比すればわかるように、屈曲ユニット60を構成する2個の剛性部材61,62の上方端の間隔を小さくし、下方端の間隔を大きくすれば、上部枠体40の面積は縮小し、下部枠体50の面積は拡大する。その逆に、図示していないが、2個の剛性部材61,62の上方端の間隔を大きくし、下方端の間隔を小さくすれば、上部枠体40の面積が拡大し、下部枠体50の面積が縮小する。

[図8〜図10に示す実施形態] 図8および図9は、本発明のさらに他の実施形態に係る形状可変立体構造物300を示している。図示する形状可変立体構造物300は、図6および図7に示したものと同様なリング形状の上部枠体40と、リング形状の下部枠体50と、上下の枠体40,50を平行な関係で離隔して連結する2個の縦方向連結部材70を備える。

上部枠体40と下部枠体50とは、実質的に同じ構造である。また、各枠体40,50の構造は、先の実施形態において既に説明した通りである。

図示した実施形態では、各縦方向連結部材70は、端部同士を回動可能に連結した第1屈曲ユニット71および第2屈曲ユニット72を含む。各屈曲ユニット71,72は、V字状に屈曲した第1屈曲剛性部材と、逆向きのV字状に屈曲した第2屈曲剛性部材と、第1屈曲剛性部材の屈曲部と第2屈曲剛性部材の屈曲部とを回動可能に連結する屈曲部連結軸とを含む。

図示するように、第1屈曲ユニット71の上方端は、リング状の上部枠体40の中央連結軸の2個に連結されている。また、第2屈曲ユニット72の下方端は、リング状の下部枠体50の中央連結軸の2個に連結されている。変形例として、第1屈曲ユニットの上方端を、リング状の上部枠体の内側端連結軸の2個または外側端連結軸の2個に連結し、第2屈曲ユニットの下方端を、リング状の下部枠体の内側端連結軸の2個または外側端連結軸の2個に連結するようにしても良い。

図10を参照して、各屈曲ユニットを構成する屈曲剛性部材の形状に注目する。第1屈曲ユニット71を構成する第1屈曲剛性部材71aおよび第2屈曲剛性部材71bは、屈曲連結軸73から上方端に至るまでの長さが、屈曲連結軸73から下方端に至るまでの長さよりも短い。また、第2屈曲ユニット72を構成する第1屈曲剛性部材72aおよび第2屈曲剛性部材72bは、屈曲連結軸74から下方端に至るまでの長さが、屈曲連結軸から上方端に至るまでの長さよりも短い。

図8に示す状態では、第1屈曲ユニット71の第1及び第2屈曲剛性部材の上方端の間隔が小さく、リング状の上部枠体40の面積は縮小状態である。同様に、第2屈曲ユニット72の第1及び第2屈曲剛性部材の下方端の間隔も小さく、リング状の下部枠体50の面積も縮小状態である。

図9に示す状態では、第1屈曲ユニット71の第1及び第2屈曲剛性部材の上方端の間隔が大きく、リング状の上部枠体40の面積は拡大状態である。同様に、第2屈曲ユニット72の第1及び第2屈曲剛性部材の下方端の間隔も大きく、リング状の下部枠体50の面積も拡大状態である。上下の枠体の間隔は、図8に示す状態では相対的に低く、図9に示す状態では相対的に高くなっている。

[図11〜図12に示す実施形態] 図11および図12は、本発明のさらに他の実施形態に係る形状可変立体構造物を示している。図11および図12に示す実施形態と、図8〜図10に示す実施形態とが異なっている点は、縦方向連結部材の構造のみである。したがって、同一の要素に対しては同一の符号を付すことにより詳しい説明を省略する。

図11および図12に示す形状可変立体構造物400の各縦方向連結部材80は、第1屈曲ユニット81と、第2屈曲ユニット82と、クロスユニット83とを備える。第1屈曲ユニット81の上方端は、リング状の上部枠体40の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。第2屈曲ユニット82の下方端は、リング状の下部枠体50の内側端連結軸の2個、外側端連結軸の2個または中央連結軸の2個のいずれかに連結されている。図示した実施形態では、中央連結軸の2個が屈曲ユニットに連結されている。

クロスユニット83は、X字状に交差させた2個の剛性部材を中央連結軸を介して回動可能に連結したものである。クロスユニット83の上方端は、第1屈曲ユニット81の下方端に回動可能に連結され、クロスユニット83の下方端は、第1屈曲ユニット82の上方端に回動可能に連結されている。

図8〜図10に示した実施形態に比べて、図11および図12に示した実施形態によれば、縦方向連結部材80が中間にクロスユニット83を備えているので、上下の枠体の間隔の変化が大きくなる。

以上、図面を参照してこの発明のいくつかの実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変更を加えることが可能である。

形状可変立体構造物は、建築構造物、容器、展示物、パビリオン、遊戯具、組み立て玩具、学習用教材、飾り物、オブジェ、家具、車の荷台、照明器具、ペット等の動物舎、踏み台、ロボットのボディ、水槽、プール、トイレボックス、更衣ボックス、シャワー室、地上建造物、地中建造物、水中建造物、空中建造物、簡易集合住宅(例えば、災害地用)、倉庫、シャワー・キッチン・消防ホース保持装置、野菜工場、テント、動植物園等、多くの用途に有利に利用され得る。

10 四角形枠体(上部枠体)、A,B,C,D 伸縮アーム、11 クロスユニット、12 中央連結軸、13 内側端連結軸、14 外側端連結軸、15 第1折れ曲がり部材、16 第2折れ曲がり部材、17 コーナー部連結軸、20 下部枠体、30 縦方向連結部材、31 第1屈曲剛性部材、32 第2屈曲剛性部材、33 屈曲連結軸、40 上部枠体、41 第1剛性部材、42 第2剛性部材、43 中央連結軸、44 外側端連結軸、45 内側端連結軸、50 下部枠体、60 縦方向連結部材、61 第1屈曲剛性部材、62 第2屈曲剛性部材、63 屈曲部連結軸、70 縦方向連結部材、71 第1屈曲ユニット、71a 第1屈曲剛性部材、71b 第2屈曲剛性部材、72 第2屈曲ユニット、72a 第1屈曲剛性部材、72b 第2屈曲剛性部材、73 屈曲連結軸、74 屈曲連結軸、80 縦方向連結部材、81 第1屈曲ユニット、82 第2屈曲ユニット、83 クロスユニット、100 形状可変立体構造物、200 形状可変立体構造物、300 形状可変立体構造物、400 形状可変立体構造物。