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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6209618
(24)【登録日】2017年9月15日
(45)【発行日】2017年10月4日
(54)【発明の名称】剛性自由度を有する折畳可能な管状構造
(51)【国際特許分類】
F16S 1/00 20060101AFI20170925BHJP
【ＦＩ】
F16S1/00
【請求項の数】5
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2015-545635(P2015-545635)
(86)(22)【出願日】2013年5月11日
(65)【公表番号】特表2016-505776(P2016-505776A)
(43)【公表日】2016年2月25日
(86)【国際出願番号】CN2013075521
(87)【国際公開番号】WO2014086132
(87)【国際公開日】20140612
【審査請求日】2015年6月16日
(31)【優先権主張番号】201210528507.5
(32)【優先日】2012年12月5日
(33)【優先権主張国】CN
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】505245449
【氏名又は名称】天津大学
【氏名又は名称原語表記】Ｔｉａｎ Ｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100105050
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲田 公一
(72)【発明者】
【氏名】陳▲えん▼
(72)【発明者】
【氏名】劉思聡
(72)【発明者】
【氏名】李建民
(72)【発明者】
【氏名】王昆峰
(72)【発明者】
【氏名】繁富香織
【審査官】
金高 敏康
(56)【参考文献】
【文献】
特開平１１−２２３２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−０６８３２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第０３５２４２８８（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ１６Ｓ １／００ − １／１４，
３／００ − ３／０８，
５／００
Ｂ６４Ｇ １／２２ − １／６８
Ｂ６４Ｆ １／３０５
Ｅ０４Ｂ １／３４３ − １／３４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つの剛性自由度を有する折畳可能な管状構造であって、その特徴は複数の単層の環状セルが頭尾連結で構成される管状構造であり、各単層の環状セルが2N個の側面を有する角柱体であり、隣接の二つの2N個の側面を有する角柱体が、頭尾連結で形成される交わり面に位置する2N角形の交線を共通的に備えるように連結されることにより構成され、前記2N個の側面を有する角柱体のそれぞれが2N個の剛性平面四角形セルに構成され、隣接の二つの前記単層の環状セルは、四つの平面四角形セルしか一つの頂点に交わらないことで形成される球面機構を2N個備え、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸を有する線対称2N角形又は中心対称平面2N角形であり、前記2N個の側面を有する角柱体のそれぞれは、全ての稜線が互いに平行であり、前記管状構造において頭尾連結の稜線が同一な平面にあり、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸しか有しない線対称2N角形である場合、前記管状構造において端点を共有する頭尾連結の稜線がある平面がいずれも対称軸に垂直し、前記Nは1よりも大きい整数であり、前記管状構造の折畳と展開の過程において、前記平面四角形セルが変形しない、折畳可能な管状構造。
【請求項2】
前記管状構造は直管構造であり、前記平面四角形セルは平行四辺形であることを特徴とする請求項1に記載の折畳可能な管状構造。
【請求項3】
前記直管構造は、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形が一つの対称軸を有する琴形又は凹琴形、中心対称四角形、一つの対称軸を有する線対称六角形又は凹六角形、中心対称六角形、線対称八角形又は中心対称八角形が含まれることを特徴とする請求項2に記載の折畳可能な管状構造。
【請求項4】
前記管状構造は曲がり軸線を有する曲がり管構造であることを特徴とする請求項1に記載の折畳可能な管状構造。
【請求項5】
前記曲がり管構造の平面四角形セルはすべて台形又は一部が台形であることを特徴とする請求項4に記載の折畳可能な管状構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、折畳可能な構造に関し、特に剛性自由度を有する折畳可能な管状構造に関する。
【背景技術】
【0002】
平面セルからなる展開・折畳可能な管状構造は、例えば、宇宙空間ステーションにおける大型な部材、乃至月面ベースの建築、あるいは人体血管、消化道などのステント、或いは板で構成される部屋の代わりに重大な自然災害後の大中小型の臨時居所など、多種の用途に適用される。このような管状構造は展開されることにより、指定の容積を備える空間が構築される。そして、このような管状構造は、折り畳んで荷造ることにより、自体の体積を最小限まで圧縮できるため、保存と輸送が容易である。近年、Hoberman（US4780344、US4981732、US5234727）、GuestとPellegrino、Sogame（US6233880B1）とFuruya、及びNojimaなどの研究員がそれぞれ提案されている異なる形態の折畳可能の管状構造は、上記展開・折畳機能を備えるが、これらの構造の展開・折畳機能は、使用される材料の弾塑性の大きい変形に依存するため、その展開・折畳の過程を精確に制御することが困難であるため、用途が限られている。それに、従来の折畳管状構造は、構造を構成するセルの変形により、形状全体も変化するため、通常使い捨ての構造として使用されている。
【発明の概要】
【0003】
本発明は、従来技術の不足を克服し、構造の展開・折畳過程を精確に制御することができ、構造の展開・折畳過程の複雑さを低減し、繰り返し使用可能な剛性自由度を有する折畳可能な管状構造を提供することを目的とする。
【0004】
本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造は、複数の単層の環状セルが頭尾連結で構成される管状構造であり、各単層の環状セルが2N個の側面を有する角柱体であり、隣接の二つの2N個の側面を有する角柱体が、頭尾連結で形成される交わり面に位置する2N角形の交線を共通的に備えるように連結されてなり、前記2N個の側面を有する角柱体はそれぞれ2N個の剛性平面四角形セルからなり、隣接の二つの前記単層の環状セルは、四つの平面四角形セルしか一つの頂点に交わらないことで形成される球面機構を2N個備え、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸を有する線対称2N角形又は中心対称平面2N角形であり、前記2N個の側面を有する角柱体のそれぞれは、稜線が互いに平行であり、前記管状構造において頭尾連結の稜線が同一平面にあり、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸しか有しない線対称2N角形である場合、前記管状構造において頭尾連結の稜線がある平面がいずれも対称軸に垂直し、前記Nは1より大きい整数である。
【0005】
本発明の構造は、以下の利点を備える：変形しない平面セルと、隣接の二つの平面セルの連結線を回転ペアの回転中心との結合で構成される折畳可能な管状構造は、構造の折畳と展開過程を精確に制御することを実現できる。それに、本構造は剛性自由度を一つしか有しない機構であるため、構造の展開及び折畳の複雑度をさらに低減し、従来の構造よりも確実であり、かつ繰り替えし使用することができる。
【0006】
本発明に記載の管状構造は、設計方法が簡単であり、組立てが便利である。体積が非常に小さい状態まで折り畳むことができるため、構造の保存と輸送がとても便利である。一定の形状や大きさに限られない本管状構造は、異なる用途の構造を構築するニーズにも満足できる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】図1は、本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造の第1の実施形態であって、四角柱単層セルからなる折畳可能な管状構造が展開状態にある模示図であり、この構造において隣接の2層の交線は、一つの対称軸を有する線対称の四角形、即ち琴形（2組の隣辺がそれぞれ等しい四角形）である。
【図9】図9は、本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造の第2種の実施形態であって、四角柱単層セルからなる折畳可能な管状構造が展開される状態にある模示図であり、当該構造において隣接の2層の交線は、対称中心が四角形の対角線の交差点にある中心対称の四角形である。
【図13】図13は、本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造の第3種の実施形態であって、六角柱単層からなる折畳可能な管状構造が展開される状態にある模示図であり、当該構造において隣接の2層の交線は、一つの対称軸を有する線対称の六角形である。
【図21】図21は、本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造の第4種の実施形態であって、六角柱単層からなる折畳可能な管状構造が展開される状態にある模示図であり、当該構造において隣接の2層の交線は、対称中心が六角形の対角線の交差点にある中心対称の六角形である。
【図25】図25は、本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造の第6種の実施形態であって、八角柱単層からなる折畳可能な管状構造が展開される状態にある模示図であり、当該構造において隣接の2層の交線は、一つの対称軸を有する線対称の八角形である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
図中、1- 四角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は一つの対称軸を有する線対称の四角形であり、
2- 四角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は中心対称の四角形であり、
3- 六角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は一つの対称軸を有する線対称の六角形であり、
4- 六角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は中心対称の六角形であり、
5- 八角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は一つの対称軸を有する線対称の八角形であり、
6- 八角柱単層からなる折畳可能な管状構造であって、隣接の2層の交線は中心対称の八角形であり、
7- 交線の夾角が対応的に同一である単層セルからなる折畳可能な曲がり管であり、
8- 任意の単層セルからなる折畳可能な曲がり管であり、
9- 六角柱単層セルからなる折畳可能な曲がり管の構造実例であり、
i1- 構造iの展開状態（i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9）であり、
i2- 構造iの完全な折畳状態（i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9）であり、
i3- 構造iを構成する環状構造であって、二つの隣接の単層環状セルに構成される（i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9）であり、
i4- 環状構造i3が凹折畳状態にある（i＝1,3）であり、
i5- 凹折畳状態にある構造iの展開状態（i＝1,3）であり、
i6- 凹折畳状態にある構造iの折畳状態（i＝1,3）であり、
iX- 構造iにおける四つの平面セルの交差点であって、球面機構の中心を示し、同時に環状構造における隣接の2層の交線の頂点にもあり（X＝A,B,C,D,E,F,G,H）、
iXj- 構造iにおける頂点Xに交わる交線jであって、環状構造における隣接の2層の交線の辺線（j＝1,2,3,4）であり、環状構造の外側から見れば、四つの交線が頂点iXの回りに逆時計に番号付けられ、
iXj(j+1)- 構造iにおける頂点Xに交わる交線jと交線j+1の夾角である。
【0009】
以下、図面と具体的な実施例で本発明を詳しく説明する。
【0010】
本発明の剛性自由度を有する折畳可能な管状構造は、複数の単層の環状セルが頭尾連結で形成される管状構造であり、各単層の環状セルが2N個の側面を有する角柱体であり、隣接の二つの2N個の側面を有する角柱体が、頭尾連結で形成される交わり面に位置する2N角形の交線を共通的に備えるように構成され、前記2N個の側面を有する角柱体のそれぞれが2N個の剛性平面四角形セルからなり、隣接の二つの前記単層の環状セルは、四つの平面四角形セルしか一つの頂点に交わらないことで形成される球面機構を2N個備え、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸を有する線対称2N角形又は中心対称平面2N角形であり、前記2N個の側面を有する角柱体のそれぞれは、稜線が互いに平行であり、前記管状構造において頭尾連結の稜線が同一な平面にあり、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形は、一つの対称軸しか有しない線対称2N角形である場合、前記管状構造の頭尾連結の稜線がある平面がいずれも対称軸に垂直し、前記Nは1よりも大きい整数である。
【0011】
前記管状構造は直管構造であることが可能で、前記平面四角形セルは平行四角形である。前記直管構造は、隣接の二つの前記単層の環状セルが交わり面に形成される2N角形が一つの対称軸を有する琴形又は凹琴形、中心対称四角形、一つの対称軸を有する線対称六角形又は凹六角形、中心対称六角形、線対称八角形又は中心対称八角形が含まれる。
【0012】
前記管状構造は曲がり管軸線を有する曲がり管構造である。前記曲がり管構造の平面四角形セルはすべて台形又は一部が台形である。
【0013】
本発明の構造では、隣接の平面四角形セルの交線が一つの回転ペアの回転中心軸に相当し、それに四つの交線しか同一な頂点に交わらなく、一つの球面4R（リンク）機構に相当し、一つの剛性自由度を有する。前記四つの平面四角形セルしか一つの頂点に交わらない連結形態により、隣接の2層の環状セルの折畳・展開運動が剛性自由度を一つしか有しないことを確保し、さらに、構成された管状構造が一つの剛性自由度を有することを確保する。前記管状構造は軸方向に展開・折畳と同時に半径方向にもの展開・折畳が発生する。前記管状構造の完全なる展開状態は、構造中のある基本的な組合せが最大展開の時に達する。前記管状構造の完全なる折畳状態は、平面四角形セルと隣接のセルが面接触の時に達する。
【0014】
以下、図面ごとに本発明を詳しく説明する。
【0015】
図1は、本発明の四角柱単層からなる剛性自由度を有する折畳可能な管状構造1が展開される状態11の模示図であり、図2は、構造1が完全に折り畳まれた状態12の模示図である。図3は、図1に示す構造を構成する隣接の2層の環状セル13の模示図である。図3の隣接の2層の単層環状セルは、二つの四角柱が、同一な平面にある交線を共通的に備えるように連結され、前記四角柱がそれぞれ四つの剛性的な平行四角形セルから構成される。隣接の二つの前記単層環状セルは、四つの平面四角形セルしか一つの頂点（それぞれ1A,1B,1C,1D）に交わらないことで構成された球面機構である。隣接の二つの前記単層環状セル雅交わり面に形成される多角形は、図3に示す琴形1A1B1C1Dであり、図4に示すように対角線1A1Cと重なり合う対称軸を有する。
【0016】
四角柱単層毎の四つの稜線は、図3に示すように稜線1A1、1B3、1C1と1D3が互いに平行である。同時に、平行関係を満足する上、頭尾連結の各グループの稜線が同一な平面に位置され、かつ当該平面が対称軸1A1Cに垂直すべきである。例えば、図3において二つの稜線がある平面1A11A3（図示されないが、1A3がその一層の単層の稜線である）、1B31B1、1C11C3及び1D31D1がいずれも対称軸1A1Cに垂直する。図において、1A2、1A4、1B4、1B2、1C2、1C4、1D4がそれぞれ図3で見える二つの四角柱の稜線である。
【0017】
図5と図6に示すように、環状構造14は、図3に示す環状構造13の頂点1Cが頂点1Aへ近寄る運動過程における形態であり、環状構造13が完全展開状態まで展開された後、断面が凹琴形を有する折畳状態14になる。図7と図8は、凹折畳状態にある折畳可能な管状構造1の展開状態15と完全なる折畳状態16をそれぞれ示す。比較すると、図8に示す完全的な折畳状態16は、図2に示す完全的な折畳状態12よりもさらに構造の占用するスペースを減らすことができる。
【0018】
図9は、四角柱単層からなる折畳可能な管状構造2の展開状態21を示す。図10、図11と図12は、構造2の完全的な折畳状態22、構造2を構成する環状構造23及び環状構造23の上面図をそれぞれ示す。図11に示すように、環状構造23は、図3に示す環状構造13と同様に、隣接の二つの四角柱が、同一な平面にある交線を共通的に備えるように連結されることで構成される。前記四角柱のそれぞれの稜線が平行であり、図面のように上層の四角柱単層における稜線2A1、2B3、2C1及び2D3が平行であり、下層の四角柱単層における稜線2A3、2B1、2C3及び2D1が平行である。頭尾連結の各グループの稜線が同様に同一な平面に位置される。異なるのは、隣接の二つの四角柱の交線は、図12に示す中心対称四角形2A2B2C2Dであり、その対称中心が図12に示す対角線2A2Cと2B2Dの交点である。
【0019】
図13に示すように、本発明の六角柱単層からなる折畳可能な管状構造3が展開状態31にある。図14、図15と図16は、構造3の完全的な折畳状態32、構造3を構成する環状構造33及び環状構造33の上面図をそれぞれ示す。図15に示すように、環状構造33は、隣接の二つの六角柱が接続されることで構成され、交線が線対称の六角形3A3B3C3D3E3Fであり、対称軸が図16に示すように頂点3Aと3Dを通っている。各六角柱の六本の稜線が互いに平行であり、つまり図15に示すように、稜線3A1、3B3、3C1、3D3、3E1及び3F3が平行であることと同時に、稜線3A3、3B1、3C3、3D1、3E3及び3F1が平行である（番号が図示されていない）。図13に示す管状構造31において頭尾連結の各グループの稜線が同一な平面に位置され、かつ当該平面が隣接の六角柱の交線の対称軸に垂直する。
【0020】
図17に示すように、図15に示す環状構造33が凹折畳状態34にある。図18、図19と図20は、環状構造34の上面図、環状構造34による管状構造の展開状態35及び完全的な折畳状態36をそれぞれ示す。
【0021】
図21は、本発明の六角柱単層からなる折畳可能な管状構造4の展開状態41を示す。図22、図23と図24は、管状構造4の完全的な折畳状態41、構造4を構成する環状構造43及び環状構造43の上面図をそれぞれ示す。構造3と異なるのは、図23に示すように、環状構造43を構成する隣接の六角柱の交線が、中心対称六角形4A4B4C4D4E4Fであり、その対称中心が図24に示す対角線4A4D、4B4Eと4C4Fの交点である。環状構造43の六角柱の稜線がそれぞれ平行であり、それと共に、4A3、4B1、4C3、4D1、4E3と4F1が平行である（番号が図示されない）。管状構造41における各頂点の連結する稜線が同一な平面に位置すべきである。構造4は、機能的にも完全的な展開状態及び凹又は凸の折畳状態を同様に有する。
【0022】
図25、図26、図27と図28は、本発明の八角柱単層からなる折畳可能な管状構造5が展開状態51にあること、完全的な折畳状態52にあること、構造5を構成する環状構造53及び環状構造53の上面図をそれぞれ示す。図27に示すように、隣接の八角柱セルの交線は、図28に示す頂点5A、5Eを通る対称軸を備える八角形5A5B5C5D5E5F5G5Hである。各八角柱の八本の稜線が互いに平行であり、つまり稜線5A1、5B3、5C1、5D3、5E1、5F3、5G3及び5H3が互いに平行である。前記の一つの対称軸断面を備える構造と同様に、構造51において頭尾連結の各グループの稜線が同一な平面に位置され、かつ当該平面が隣接の八角柱の交線の対称軸に垂直する。構造5は、機能的にも完全的な展開状態及び凹又は凸の折畳状態を同様に有する。
【0023】
図29、図30、図31と図32は、本発明の八角柱単層からなる折畳可能な管状構造6が展開状態61にあること、完全的な折畳状態62にあること、構造6を構成する環状構造63及び環状構造63の上面図をそれぞれ示す。構造6は、構造5と同様に同一な展開・折畳機能を備え、各単層における稜線の平行条件及び連結する稜線の共面条件も同一である。稜線6A1、6B3、6C1、6D3、6E1、6F3、6G3及び6H3が互いに平行である。構造5と異なるのは、図31と図32に示すように、構造63における隣接の二つの八角柱単層の交線6A6B6C6D6E6F6G6Hが中心対称であり、その対称中心が対角線6A6E、6B6F、6C6G及び6D6Hの交点である。構造6は、機能的にも完全的な展開状態及び凹又は凸の折畳状態を同様に有する。
【0024】
四角柱、六角柱及び八角柱単層からなる折畳可能な管状構造から、2N角柱単層からなる折畳可能な管状構造を導き出すことができ、相応的な展開・折畳機能、各単層における稜線の平行条件及び連結する稜線の共面条件を有する。隣接の2N角柱の交線が一つの対称軸を有する場合、頭尾結合の各グループの稜線が位置する面が同様に当該対称軸に垂直すべきである。
【0025】
図33から図41までに例を挙げて四角柱単層からなる曲がり管構造の具体的実施例により、折畳可能な曲がり管構造の構築構造を説明する。これらの曲がり管の構築構造は同様に六角柱、八角柱乃至2N角柱単層からなる折畳可能な曲がり管構造の構築に適用可能である。
【0026】
図33と図34は、交線の夾角が対応的に同一である単層セルから構成される折畳可能な曲がり管構造7の展開状態71及び完全的な折畳状態72を示す。73は本構造を構成する環状構造である。図35、図36と図37が示すのは、構築構造7の過程であって、上から順序に前の構造ベースにさらに一つの単層を追加する。曲がり管構造7の単層セルは、四つの平面台形が連結し、管状構造になる。構造7の各単層は、前の単層をベースに構築されるものであり、ほかの単層とは必ずしも同一ものとは限らない。単層構築の規則は、下記通りである。1）構築される単層の交線の夾角と対応の前の単層の夾角は同一である。例えば図36において7B23=7B12、7C12=7C23、7C41=7C34、7D34=7C41。前の単層の稜線7A3（図示されず）、7B1、7C3と7D1が互いに平行であるため、その単層の稜線7A1、7B3、7C1と7D3も互いに平行である。7B2と7D4が隣接の二つの角柱の交わり面における交線である。2）構築される単層と前の単層の交線が常に線対称又は中心対称の平面2N角形である。図35のように断面7A7B7C7Dが線対称四角形である。3）単層を構築する際に、稜線が、それと連結する前の単層の稜線と同一な平面に位置すべきであり、隣接の2層の交線が一つの対称軸しか有しない線対称2N角形である場合、これらの平面が対称軸に垂直すべきである。
【0027】
図38、図39、図40と図41は、任意の単層セルからなる折畳可能な曲がり管構造8の正面図、左面図、上面図及び構造外観模示図をそれぞれ示す。構造7と類似し、構造8も単層追加により構築されるものであり、その構築構造は、下記条件を満足すべきである。1）各単層セルと前の単層セルの交線は線対称又は中心対称の平面2N角形である。図41のように示す線対称四角形8A8B8C8Dである。2）各単層セルにおける稜線が互いに平行である。3）管状構造全体における頭尾連結の各グループの稜線が同一な平面に位置され、隣接の2層セルの交線が一つの対称軸しか有しない2N角形である場合、これらの平面が対称軸に垂直すべきである。構造8は構造7と異なる点は、構造8における各単層の交線の夾角が隣接の2層の対応的な夾角と等しくない点であり、そのため、構造8は常に隣接の平面セルが面接触という完全的な折畳状態になれず、通常、折畳可能な範囲が最小の単層しか、完全的な折畳又は完全的な展開状態にならない。曲がり管構造7と比べると、構造8のほうが構築の制限条件が最も少ないため、折畳可能な曲がり管構造の一般的な状況である。構造8の構築規則は、本発明の上記すべての折畳可能な直管構造を構築する規則も含まれる。
【0029】
なお、1）構造においてすべての平面四角形が平行四角形である場合、構築された2N角柱を単層とする管状構造は、例えば構造1,2,3,4,5,6のように展開・折畳可能な直管構造である；2）構造において一部又はすべての平面四角形が台形である場合、構築された2N角柱を単層とする管状構造は、例えば構造7,8,9のように展開・折畳可能な曲がり管構造である。そのため、直管構造は、曲がり管構造の特例であり、両方はいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【0030】
以上、本発明及びその実施形態を説明したが、当該説明に限定されるものではなく、図面は好適な実施例の模式図にすぎず、実際の構造はそれに限定されるものではない。したがって、当業者は上記示唆を受けて本発明の要旨の範囲内で、異なる材料の平面四角形セルで本発明の構造を構築することや、ほかの形態の連結組合方式または創造的な設計を経ずに本発明と類似する構造方式及び実施例を採用することは、本発明の技術的範囲に含まれる。