特開 2024-120476 構造体、および、ラティス構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024120476

(43)【公開日】2024-09-05

(54)【発明の名称】構造体、および、ラティス構造体

(51)【国際特許分類】

   F16F 1/02 20060101AFI20240829BHJP

【ＦＩ】

F16F1/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023027297

(22)【出願日】2023-02-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100195659

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 祐介

(72)【発明者】

【氏名】笹川 崇

【テーマコード（参考）】

3J059

【Ｆターム（参考）】

3J059AA01

3J059BA33

3J059BB04

3J059BD01

3J059EA20

(57)【要約】

【課題】荷重を緩和する緩和能を向上させた構造体を提供する。
【解決手段】構造体であって、構造体を内包する直方体状の空間において、少なくとも空間の頂点の各々から空間内の一点まで伸びた複数の支柱部を有し、空間を画定している面のうち荷重を受ける面である荷重受面の側から空間を見たとき、支柱部の中心軸の一部は、中心軸に含まれる頂点と一点とを接続する直線に重なっていない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

構造体であって、
前記構造体を内包する直方体状の空間において、少なくとも前記空間の頂点の各々から前記空間内の一点まで伸びた複数の支柱部を有し、
前記空間を画定している面のうち荷重を受ける面である荷重受面の側から前記空間を見たとき、前記支柱部の中心軸の一部は、前記中心軸に含まれる前記頂点と前記一点とを接続する直線に重なっていない、構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の構造体であって、
前記荷重受面の側から前記空間を見たとき、各々の前記中心軸の一部は、前記荷重受面に含まれる他の前記頂点と前記一点とを接続する直線に重なっている、構造体。

【請求項3】

ラティス構造体であって、
請求項１または請求項２に記載の構造体を少なくとも１つの方向に沿って連続的に配列した構造を有し、
前記構造のうち隣り合う前記構造体において、前記頂点を共有している前記支柱部同士は接続されている、ラティス構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、構造体、および、ラティス構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、荷重を緩和する種々の構造体が知られている。例えば、非特許文献１には、湾曲した支柱部を有する格子構造が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Long Bai, Yue Xu, Xiaohong Chen, Liming Xin, Junfang Zhang, Kun Li, Yuanxi Sun, Improved mechanical properties and energy absorption of Ti6Al4V laser powder bed fusion lattice structures using curving lattice struts, MATERIALS & DESIGN Volume 211,2021

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した格子構造において、支柱部の直径を短くすることで弾性率を小さくすることができる。しかし支柱部の直径の作成精度にも限界があることから、支柱部の直径を短くすることによって弾性率を小さくするのにも限界があった。そのため、荷重を緩和する技術には、なお改善の余地があった。

【0005】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、荷重を緩和する緩和能を向上させた構造体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0007】

（１）本発明の一形態によれば、構造体が提供される。この構造体は、前記構造体を内包する直方体状の空間において、少なくとも前記空間の頂点の各々から前記空間内の一点まで伸びた複数の支柱部を有し、前記空間を画定している面のうち荷重を受ける面である荷重受面の側から前記空間を見たとき、前記支柱部の中心軸の一部は、前記中心軸に含まれる前記頂点と前記一点とを接続する直線に重なっていない。

【0008】

この構成によれば、荷重受面の側から空間を見たとき、支柱部の中心軸の一部は、この中心軸に含まれる頂点と空間内の一点とを接続する直線に重なっていない。このため、荷重受面の側から空間を見たときに支柱部の中心軸全体が当該直線に重なっている形態と比べて、空間内において支柱部を長く設けることができる。その結果、構造体の弾性率を小さくできることから、荷重を緩和する緩和能を向上させた構造体を提供することができる。また、この構成によれば、支柱部を長く設けることによって緩和能を向上していることから、緩和能を高めるために材質の異なる複数の材料を組み合わせる必要がなく、単一の材料から緩和能を向上させた構造体を作成することができる。その結果、構造体の製造コストを低減しつつ、構造体のリサイクル性も向上することができる。

【0009】

（２）上記形態の構造体において、前記荷重受面の側から前記空間を見たとき、各々の前記中心軸の一部は、前記荷重受面に含まれる他の前記頂点と前記一点とを接続する直線に重なっていてもよい。
この構成によれば、荷重受面の側から空間を見たとき、支柱部の中心軸の一部は荷重受面に含まれる他の頂点と空間内の一点とを接続する直線に重なっている。このため、空間内の一点に向かって伸びる支柱部の一部が当該直線に重なるよう伸びていることから、空間内において支柱部をより一層長く設けることができる。その結果、荷重を緩和する緩和能をより一層向上させた構造体を提供することができる。

【0010】

（３）また、本発明の別の一形態によれば、ラティス構造体が提供される。このラティス構造体は、上記形態に記載の構造体を少なくとも１つの方向に沿って連続的に配列した構造を有し、前記構造のうち隣り合う前記構造体において、前記頂点を共有している前記支柱部同士は接続されていてもよい。
この構成によれば、頂点を共有している支柱部を介して構造体の各々が接続されている。このため、構造体の配列方向に荷重受面の向いている方向が含まれている場合、単体の構造体と比べて、荷重を緩和する緩和能をより一層向上させたラティス構造体を提供することができる。また、構造体の配列方向に荷重受面の向いている方向と直交する方向が含まれている場合、単体の構造体と比べて、荷重受面の面積が拡大したラティス構造体を提供することができる。

【0011】

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、上記形態の構造体や上記形態のラティス構造体を用いた靴、梱包材、シート材、上記形態の構造体や上記形態のラティス構造体を製造する製造方法、ならびに、その製造方法を実施する製造装置などの形態で実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態としての構造体の構成を例示した説明図である。

【図2】構造体の設計過程を説明する説明図である。

【図3】構造体の設計過程を説明する説明図である。

【図4】構造体の設計過程を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としての構造体１の構成を例示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。Ｘ軸は構造体１の幅方向に対応し、Ｙ軸は構造体１の奥行方向に対応し、Ｚ軸は構造体１の高さ方向に対応する。構造体１は、図１の白抜き矢印で示されるように、Ｚ軸方向に沿って加えられる荷重を緩和する構造体である。構造体１は、支柱部Ｓ１～Ｓ８を有する。

【0014】

空間ＳＰは、構造体１を内包する直方体状（本実施形態では、立方体状）の空間である。すなわち、空間ＳＰは、支柱部Ｓ１～Ｓ８を内包している。また、空間ＳＰは、直方体の８つの頂点として、頂点Ｖ１～Ｖ８を有する。なお、図示の都合上、頂点Ｖ１～Ｖ８のうち頂点Ｖ５のみ図１に図示していない（図２～図４には頂点Ｖ５を図示）。

【0015】

支柱部Ｓ１～Ｓ８は、少なくとも頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰの中心Ｏまで伸びている。すなわち、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、少なくとも中心Ｏおよびその近傍において互いに連結している。本実施形態では、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びている部分の他に、頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰを画定している面に沿って隣の頂点に向かって伸びている部分が含まれている（例えば、支柱部Ｓ６では頂点Ｖ６から隣の頂点Ｖ７に向かって伸びている部分、支柱部Ｓ７では頂点Ｖ７から隣の頂点Ｖ８に向かって伸びている部分）。支柱部Ｓ１～Ｓ８の各々のうち空間ＳＰを画定している面と接していない部分の横断面は、円形である。

【0016】

荷重受面ＬＤは、空間ＳＰを画定している面のうち荷重を受ける面である。荷重受面ＬＤは、頂点Ｖ１～Ｖ４によって画定されている面である。なお、図示していないが、頂点Ｖ５～Ｖ８によって画定されている面も荷重受面にあたる。

【0017】

図２～図４は、構造体１の設計過程を説明する説明図である。支柱部Ｓ１～Ｓ８（構造体１）は、３Ｄプリンタによって作成される。このとき３Ｄプリンタが参照するデータは、ＮＵＲＢＳ曲線を用いて支柱部Ｓ１～Ｓ８の中心軸Ｘ１～Ｘ８を設計したのち（図２～図４にて説明）、その中心軸Ｘ１～Ｘ８の直径の値を設定することによって作成される。

【0018】

図２（Ａ）には、図１と同じ視点から見た空間ＳＰが示されている。図２（Ｂ）には、荷重受面ＬＤの側から見た空間ＳＰが示されている。図２（Ｂ）において、頂点Ｖ１～Ｖ４によって画定されている面（荷重受面ＬＤ）の内側に、頂点Ｖ５～Ｖ８によって画定されている面が見えている。中心軸Ｘ１は、支柱部Ｓ１のうち頂点Ｖ１から中心Ｏまで伸びている部分の中心軸にあたる。図２に示す制御点Ｃは、中心軸Ｘ１の形状を制御する点である。構造体１の設計者は、空間ＳＰ内において、制御点Ｃの移動に応じて変化する中心軸Ｘ１の形状を調整することによって、中心軸Ｘ１の形状を設計する。すなわち、中心軸Ｘ１は、湾曲形状であり、頂点Ｖ１から制御点Ｃを経由して中心Ｏまで伸びている。

【0019】

図２（Ｂ）に示すように、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たとき、中心軸Ｘ１の一部は、中心Ｏと頂点Ｖ１（中心軸Ｘ１に含まれる頂点）とを接続する直線Ｌ１に重なっていない。詳細には、中心軸Ｘ１は、頂点Ｖ１および中心Ｏを除いて、直線Ｌ１に重なっていない。また、図２（Ｂ）に示すように、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たとき、中心軸Ｘ１の一部は、荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点Ｖ４と中心Ｏとを接続する直線Ｌ４に重なっている。詳細には、中心軸Ｘ１は、頂点Ｖ１から伸びて直線Ｌ４と重なったのち制御点Ｃを経由して中心Ｏに到っている。ここでいう他の頂点とは、対象となっている中心軸（図２では中心軸Ｘ１）に含まれる頂点（図２ではＶ１）と同じ荷重受面（図２では荷重受面ＬＤ）を画定している頂点のうち隣に位置する頂点（図２では頂点Ｖ２もしくは頂点Ｖ４）のことである。

【0020】

図３（Ａ）（Ｂ）には、中心軸Ｘ１に加えて、中心軸Ｘ２～Ｘ４が示されている。中心軸Ｘ２～Ｘ４は、支柱部Ｓ２～Ｓ４のうち頂点Ｖ２～Ｖ４から中心Ｏまで伸びている部分の中心軸にあたる。中心軸Ｘ２～Ｘ４の各々は、中心軸Ｘ１と同じ曲がり具合で頂点Ｖ２～Ｖ４の各々から中心Ｏまで伸びている。すなわち、中心軸Ｘ２～Ｘ４の形状は、中心軸Ｘ１の形状と同じであることから、中心軸Ｘ１の形状に基づいて決定される。

【0021】

図４（Ａ）（Ｂ）には、中心軸Ｘ１～Ｘ４に加えて、中心軸Ｘ５～Ｘ８が示されている。中心軸Ｘ５～Ｘ８は、支柱部Ｓ５～Ｓ８のうち頂点Ｖ５～Ｖ８から中心Ｏまで伸びている部分の中心軸にあたる。中心軸Ｘ５～Ｘ８の各々は、中心軸Ｘ１と同じ曲がり具合で頂点Ｖ５～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びている。すなわち、中心軸Ｘ５～Ｘ８の形状は、中心軸Ｘ１の形状と同じであることから、中心軸Ｘ１の形状に基づいて決定される。このように、中心軸Ｘ１～Ｘ８の設計は、制御点Ｃの移動による中心軸Ｘ１の形状調整を経て中心軸Ｘ１の形状を決定（図２参照）したのち、頂点Ｖ２～Ｖ８と中心Ｏとの間に中心軸Ｘ１と同じ曲がり具合で中心軸Ｘ２～Ｘ８を配置すること（図３，４参照）によって行われる。そして、これら中心軸Ｘ１～Ｘ８の直径の値を設定することで、中心軸Ｘ１～Ｘ８は拡径されて支柱部Ｓ１～Ｓ８のうち頂点Ｖ１～Ｖ８から中心Ｏまで伸びている部分となる。詳細には、拡径された中心軸Ｘ１～Ｘ８のうち空間ＳＰよりも内側に配置された部分が、支柱部Ｓ１～Ｓ８のうち頂点Ｖ１～Ｖ８から中心Ｏまで伸びている部分となる。なお、当該部分には、拡径された中心軸Ｘ１～Ｘ８のうち空間ＳＰよりも外側に配置された部分は含まれていないが、当該部分における中心軸は、依然として直径の値を設定する基準となった中心軸Ｘ１～Ｘ８であることとする。この後、支柱部Ｓ１～Ｓ８のうち頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰを画定している面に沿って隣の頂点に向かって伸びている部分（図１参照）が設計される。こうして作成された支柱部Ｓ１～Ｓ８（構造体１）を示すデータを用いて、実際の構造体１が３Ｄプリンタによって作成される。

【0022】

以上説明した第１実施形態の構造体１によれば、図２（Ｂ）に示すように、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たとき、中心軸Ｘ１の一部は、中心Ｏと頂点Ｖ１とを接続する直線Ｌ１に重なっていない。また、中心軸Ｘ２～Ｘ８は、中心軸Ｘ１と同じ曲がり具合で頂点Ｖ２～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びていることから、中心軸Ｘ１と同様に、中心軸Ｘ２～Ｘ８の各々の一部は、中心Ｏと頂点Ｖ２～Ｖ８とを接続する直線の各々に重なっていない。このため、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たときに中心軸Ｘ１全体が直線Ｌ１に重なっている（且つ、中心軸Ｘ２～Ｘ８の全体が中心Ｏと頂点Ｖ２～Ｖ８とを接続する直線の各々に重なっている）形態と比べて、空間ＳＰ内において支柱部Ｓ１～Ｓ８を長く設けることができる。その結果、構造体１の弾性率を小さくできることから、荷重を緩和する緩和能を向上させた構造体１を提供することができる。また、第１実施形態の構造体１によれば、支柱部Ｓ１～Ｓ８を長く設けることによって緩和能を向上していることから、緩和能を高めるために材質の異なる複数の材料を組み合わせる必要がなく、単一の材料から緩和能を向上させた構造体１を作成することができる。その結果、構造体１の製造コストを低減しつつ、構造体１のリサイクル性も向上することができる。

【0023】

また、第１実施形態の構造体１では、図２（Ｂ）に示すように、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たとき、中心軸Ｘ１の一部は荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点Ｖ４と中心Ｏとを接続する直線Ｌ４に重なっている。また、中心軸Ｘ２～Ｘ８は、中心軸Ｘ１と同じ曲がり具合で頂点Ｖ２～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びていることから、中心軸Ｘ１と同様に、中心軸Ｘ２～Ｘ８の各々の一部は、荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点と中心Ｏとを接続する直線に重なっている（例えば、中心軸Ｘ２の一部は、他の頂点Ｖ１と中心Ｏとを接続する直線に重なっており、中心軸Ｘ３の一部は、他の頂点Ｖ２と中心Ｏとを接続する直線に重なっており、中心軸Ｘ６の一部は、他の頂点Ｖ５と中心Ｏとを接続する直線に重なっている。）。このため、空間ＳＰの中心Ｏに向かって伸びる支柱部Ｓ１～Ｓ８の一部が他の頂点と中心Ｏとを接続する直線に重なるよう伸びていることから、空間ＳＰ内において支柱部Ｓ１～Ｓ８をより一層長く設けることができる。その結果、荷重を緩和する緩和能をより一層向上させた構造体１を提供することができる。

【0024】

＜第２実施形態＞
第２実施形態のラティス構造体は、第１実施形態の構造体１をＸＹＺ軸の３方向に沿って連続的に配列した構造を有する。また、当該構造のうち隣り合う構造体１において、頂点を共有している支柱部同士は接続されている。例えば、図１の構造体１と、その＋Ｚ軸方向側に隣接して配置された別の構造体１において（構造体１の荷重受面ＬＤと別の構造体１における頂点Ｖ５～Ｖ８によって画定されている面とが面全体同士で重なるように配置された構造体１と別の構造体１において）、構造体１における支柱部Ｓ３の頂点Ｖ３と別の構造体１における支柱部Ｓ７の頂点Ｖ７とは重なることから、構造体１における支柱部Ｓ３と別の構造体１における支柱部Ｓ７とは、頂点を共有している支柱部同士にあたる。このように、第２実施形態のラティス構造体では、構造体１が有する支柱部Ｓ１～Ｓ８の各々は、空間ＳＰを画定している面に沿った部分において、隣接する別の構造体１の支柱部Ｓ１～Ｓ８のうち頂点を共有している支柱部と接続している。

【0025】

以上のような第２実施形態のラティス構造体によれば、頂点を共有している支柱部を介して構造体１の各々が接続されている。このため、構造体１の配列方向に荷重受面ＬＤの向いている方向（図１ではＺ軸方向）が含まれている場合、単体の構造体１と比べて、荷重を緩和する緩和能をより一層向上させたラティス構造体を提供することができる。また、構造体１の配列方向に荷重受面ＬＤの向いている方向と直交する方向（図１ではＸ軸方向もしくはＹ軸方向）が含まれている場合、単体の構造体１と比べて、荷重受面ＬＤの面積が拡大したラティス構造体を提供することができる。

【0026】

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0027】

［変形例１］
上記実施形態では、空間ＳＰは、構造体１を内包する立方体状の空間であったが、これに限られない。空間ＳＰは、直方体状の空間である限り、Ｘ軸方向に沿った辺、Ｙ軸方向に沿った辺およびＺ軸方向に沿った辺の各々が同じ長さでなく、異なる長さであってもよい。

【0028】

［変形例２］
上記実施形態では、支柱部Ｓ１～Ｓ８の各々のうち空間ＳＰを画定している面と接していない部分の横断面は円形であったが、これに限られない。支柱部Ｓ１～Ｓ８の各々のうち空間ＳＰを画定している面と接していない部分の横断面は、正方形、長方形、台形、ひし形、三角形等であってもよい。

【0029】

［変形例３］
上記実施形態では、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びている部分の他に、頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰを画定している面に沿って隣の頂点に向かって伸びている部分が含まれていたが、これに限られない。例えば、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から中心Ｏまで伸びている部分のみであってもよい。

【0030】

［変形例４］
上記実施形態では、中心軸Ｘ１～Ｘ８の各々の一部は、中心Ｏと頂点Ｖ１～Ｖ８とを接続する直線の各々に重なっておらず、且つ、荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点と中心Ｏとを接続する直線に重なっていたが、これに限られない。例えば、中心軸Ｘ１～Ｘ８の各々の一部は、中心Ｏと頂点Ｖ１～Ｖ８とを接続する直線の各々に重なっておらず、且つ、荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点と中心Ｏとを接続する直線に重なっていなくてもよい。

【0031】

［変形例５］
上記実施形態では、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、少なくとも頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰの中心Ｏまで伸びていたが、これに限られない。例えば、支柱部Ｓ１～Ｓ８は、少なくとも頂点Ｖ１～Ｖ８の各々から空間ＳＰ内の一点まで伸びていればよく、その一点は中心Ｏとは異なる位置の点であってもよい。このような形態においても、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たときに中心軸Ｘ１～Ｘ８の一部が当該一点と頂点Ｖ１～Ｖ８とを接続する直線の各々に重なっていない限り、空間ＳＰ内において支柱部Ｓ１～Ｓ８を長く設けることができる。また、荷重受面ＬＤの側から空間ＳＰを見たときに中心軸Ｘ１～Ｘ８の各々の一部が荷重受面ＬＤに含まれる他の頂点と当該一点とを接続する直線に重なっている限り、空間ＳＰ内において支柱部Ｓ１～Ｓ８をより一層長く設けることができる。

【0032】

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

【符号の説明】

【0033】

１…構造体
ＬＤ…荷重受面
Ｏ…中心
Ｓ１～Ｓ８…支柱部
ＳＰ…空間
Ｖ１～Ｖ８…頂点
Ｘ１～Ｘ８…中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】