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技術 少なくとも2つの部品、特に航空機用の部品をクランプし、2つの部品の縁部間での摩擦攪拌接合により形成される溶接線で部品同士を接続するための装置

出願人 エアバスオペレーションズゲーエムベーハー
発明者 ロワッサーダニエラ
出願日 2005年12月22日 (13年7ヶ月経過) 出願番号 2007-547371
公開日 2008年7月10日 (11年0ヶ月経過) 公開番号 2008-523997
状態 拒絶査定
技術分野 圧接、拡散接合 航空機用地上設備 処理全般、補助装置、継手、開先形状 圧接、拡散接合 飛行船・気球・飛行機
主要キーワード 制御調整装置 未加工部品 各保持装置 クランプ接続 クランプ作用 クランプジョー 航空機用部品 多関節型アーム
関連する未来課題
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この項目の情報は公開日時点(2008年7月10日)のものです。
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図面 (2)

課題・解決手段

航空機用部品等の部品17、18をクランプし、縁部20、21同士の摩擦攪拌接合により形成される溶接線22で接続する装置に関し、部品を支持要素6〜16に載置し、溶接基材3を溶接線22下に配置する。溶接基材3の両側に保持装置4、5を有し、部品のクランプ用に負圧をかける。よって部品を摩擦攪拌接合による接続時に迅速かつ簡易にクランプできる。保持装置や溶接基材等の少数部品の交換だけで、各種形状や寸法の部品に対し、簡単かつ柔軟に装置を適合させる。同一の装置で各種部品、特に単曲面や複曲面をもつ部品をクランプできる。装置の使用は板状の未加工部品に限定されず、製造前の複雑な個別部品、例えば機体シェル等をクランプして接合できる。本装置により摩擦攪拌接合の駆動速度を速くできるが、これは保持装置や橋台2に伝熱性の低い材料を用いることで、継ぎ目の形成領域19からの放熱が最小限に抑えられるからである。

概要

背景

摩擦攪拌接合のために複数の部品クランプする既知の装置は、一般に大掛かりな水平橋台を備えており、この上に溶接対象である部品が支持される。これらの部品は溶接工程中、大型のクランプ部材により、機械的にクランプされる。このクランプ部材は、摩擦攪拌接合中に発生する大きな機械力に基づき、かなり安定に設計する必要がある。かかるクランプ部材は、ねじ込みクランプジョー又は油圧駆動可能なクランプジョーによって実現できる。

いずれの場合も、第1に建設費が高額となる。また、機械クランプでは機械加工対象である部品寸法が制限され、その理由は、溶接基材上での継ぎ目の形成領域において部品を最も効果的に押さえ付けるために、クランプ部材を外部から導入して継ぎ目の形成領域に極力近づける必要があることによる。従って、非常に大規模で複雑な部品、例えば航空構造物における機体シェルは、部品をクランプする既知の装置を用いた摩擦攪拌接合では接続できない。

そして、摩擦攪拌接合によって接続する部品のクランプは、非常に時間がかかる。

さらに、摩擦攪拌接合のために部品をクランプする既知の装置の大掛かりな設計では、継ぎ目の形成領域から多量の放熱を必要とし、よって、多くの場合、駆動速度を遅くしなければならない。

最後に、これらの既知の装置は、異なる部品形状、特に様々な単曲面又は複曲面の部品に対して、簡単な方法で適合させることができない。また、部品形状毎に専用のクランプ装置を用意しなければならず、これによって保管にかかる出費及び費用が大幅に増える。

また、平坦真空クランプテーブルが知られており、これにより処理対象とされる部品のクランプに費やす時間が短縮される。このような真空クランプテーブルもまた同様に大掛かりな構成をもち、継ぎ目の形成領域からの熱放散が多くなるという問題を提起する。

さらに、平坦な真空クランプテーブルは、各種の部品形状に対して簡単に適合させることができない。

以上に示す不都合のために、摩擦攪拌接合用に部品をクランプする装置についての既知の実施形態が適するのは、現行の非常に柔軟な製造プロセスにおいて費用効果及び効率の高さが関与する場合に限られる。

概要

航空機用部品等の部品17、18をクランプし、縁部20、21同士の摩擦攪拌接合により形成される溶接線22で接続する装置に関し、部品を支持要素6〜16に載置し、溶接基材3を溶接線22下に配置する。溶接基材3の両側に保持装置4、5を有し、部品のクランプ用に負圧をかける。よって部品を摩擦攪拌接合による接続時に迅速かつ簡易にクランプできる。保持装置や溶接基材等の少数部品の交換だけで、各種形状や寸法の部品に対し、簡単かつ柔軟に装置を適合させる。同一の装置で各種部品、特に単曲面や複曲面をもつ部品をクランプできる。装置の使用は板状の未加工部品に限定されず、製造前の複雑な個別部品、例えば機体シェル等をクランプして接合できる。本装置により摩擦攪拌接合の駆動速度を速くできるが、これは保持装置や橋台2に伝熱性の低い材料を用いることで、継ぎ目の形成領域19からの放熱が最小限に抑えられるからである。

目的

本発明の目的は、摩擦攪拌接合のために部品をクランプする装置について既知の実施形態が有する不具合を実質的に回避することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

少なくとも2つの部品(17、18)、特に航空機用部品(17、18)をクランプし、2つの部品の縁部(20、21)間の摩擦攪拌接合により形成される溶接線(22)で部品(17、18)を接続するための装置であって、各部品(17、18)は複数の支持要素(6乃至16)によって載置され、前記溶接線(22)の下に溶接基材(3)が配置されており、溶接基材(3)は両側に、複数の溝部を有する保持装置(4、5)をそれぞれ少なくとも1つ有するとともに、前記部品(17、18)をクランプするために、前記溝部が負圧をかけられるようにした装置。

請求項2

前記保持装置(4、5)は橋台(2)に対して取り外し可能に取り付けられる、請求項1に記載の装置。

請求項3

前記保持装置(4、5)の表面形状が、前記部品(17、18)の表面形状及び/又は前記部品(17、18)の寸法に合わせて形成される、請求項1又は2に記載の装置。

請求項4

前記保持装置(4、5)の幅(32、33)は、特に前記部品(17、18)についての材料の様々な厚さに適合される、請求項1から3のいずれか1項に記載の装置。

請求項5

前記溶接基材(4)は基本的に継ぎ目の形成領域(19)における溶接線(22)の直下に配置され、かつ交換可能に形成される、請求項1から4のいずれか1項に記載の装置。

請求項6

前記溶接基材(3)と前記保持装置(4、5)が支持面(26)を形成する、請求項1から5のいずれか1項に記載の装置。

請求項7

前記部品(17、18)は、少なくとも1つの加圧装置、特に加圧ローラ(31)により、継ぎ目の形成領域(19)における前記溶接基材(3)に押圧される、請求項1から6のいずれか1項に記載の装置。

請求項8

前記支持要素(6乃至16)は、前記部品(17、18)についての様々な表面形状及び/又は寸法に合わせて移動可能に形成される、請求項1から7のいずれか1項に記載の装置。

請求項9

前記支持要素(6乃至16)は、前記部品(17、18)を固定するための接続要素、特に吸引カップ(27乃至30)を有する、請求項1から8のいずれか1項に記載の装置。

請求項10

前記保持装置(4、5)及び/又は橋台(2)が断熱材料からなる、請求項1から9のいずれか1項に記載の装置。

請求項11

前記保持装置(4、5)及び/又は橋台(2)の領域において、少なくとも1つの位置決め装置(34、35)が、前記溶接基材(3)及び/又は前記保持装置(4、5)上に前記部品(17、18)を導入し及び/又はその方向を定めるために配置される、請求項1から10のいずれか1項に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、少なくとも2つの部品、特に航空機用の部品をクランプし、2つの部品の縁部間での摩擦攪拌接合により形成される溶接線で部品同士を接続するための装置に関するものであり、各部品は多数の支持要素に載置され、溶接線の下に溶接基材が配置される。

背景技術

0002

摩擦攪拌接合のために複数の部品をクランプする既知の装置は、一般に大掛かりな水平橋台を備えており、この上に溶接対象である部品が支持される。これらの部品は溶接工程中、大型のクランプ部材により、機械的にクランプされる。このクランプ部材は、摩擦攪拌接合中に発生する大きな機械力に基づき、かなり安定に設計する必要がある。かかるクランプ部材は、ねじ込みクランプジョー又は油圧駆動可能なクランプジョーによって実現できる。

0003

いずれの場合も、第1に建設費が高額となる。また、機械クランプでは機械加工対象である部品寸法が制限され、その理由は、溶接基材上での継ぎ目の形成領域において部品を最も効果的に押さえ付けるために、クランプ部材を外部から導入して継ぎ目の形成領域に極力近づける必要があることによる。従って、非常に大規模で複雑な部品、例えば航空構造物における機体シェルは、部品をクランプする既知の装置を用いた摩擦攪拌接合では接続できない。

0004

そして、摩擦攪拌接合によって接続する部品のクランプは、非常に時間がかかる。

0005

さらに、摩擦攪拌接合のために部品をクランプする既知の装置の大掛かりな設計では、継ぎ目の形成領域から多量の放熱を必要とし、よって、多くの場合、駆動速度を遅くしなければならない。

0006

最後に、これらの既知の装置は、異なる部品形状、特に様々な単曲面又は複曲面の部品に対して、簡単な方法で適合させることができない。また、部品形状毎に専用のクランプ装置を用意しなければならず、これによって保管にかかる出費及び費用が大幅に増える。

0007

また、平坦真空クランプテーブルが知られており、これにより処理対象とされる部品のクランプに費やす時間が短縮される。このような真空クランプテーブルもまた同様に大掛かりな構成をもち、継ぎ目の形成領域からの熱放散が多くなるという問題を提起する。

0008

さらに、平坦な真空クランプテーブルは、各種の部品形状に対して簡単に適合させることができない。

0009

以上に示す不都合のために、摩擦攪拌接合用に部品をクランプする装置についての既知の実施形態が適するのは、現行の非常に柔軟な製造プロセスにおいて費用効果及び効率の高さが関与する場合に限られる。

発明が解決しようとする課題

0010

本発明の目的は、摩擦攪拌接合のために部品をクランプする装置について既知の実施形態が有する不具合を実質的に回避することにある。

課題を解決するための手段

0011

この目的は、請求項1の特徴を有する装置によって達成される。

0012

溶接基材は、両側にそれぞれ少なくとも1つの保持装置、つまり部品をクランプするために負圧をかけられる装置を有するため、面上で摩擦攪拌接合を用いて接続される部品は、負圧を加えることにより、簡単な方法でしっかりとクランプできる。また本発明の装置は、同じ装置を用いて異なる単曲面又は複曲面の部品を様々にクランプすることができ、これにより、基本的に、保持装置及び/又は溶接基材だけを各種の部品形状に対してそれぞれに適合させればよいことになる。

0013

本発明の装置の有利な別の実施形態では、保持装置が橋台に対して取り外し可能に取り付けられることを考慮する。これにより、例えば、既存の保持装置についての迅速かつ簡単な交換を、各種の部品形状及び/又は部品寸法に対して行える。また、橋台によって、基盤との耐荷重性の接続が生み出され、該基盤上に本発明の装置全体が置かれる。

0014

別の有利な実施形態では、保持装置の表面形状を部品の表面形状及び/又は部品の寸法に合わせて形成することを考慮する。

0015

本実施形態により、各種の形状及び/又は寸法をもった部品をしっかりとクランプすることが可能となる。特に、本発明の装置を用いることで、単曲面及び/又は複曲面の部品を摩擦攪拌接合のためにしっかりと固定することができ、そのために保持装置と、必要であれば溶接基材のみを交換するだけでよい。

0016

本装置の別の有利な実施形態によれば、保持装置の幅が、特に部品についての様々な材料の厚さに適合される。

0017

本実施形態により、本発明の装置について、多数の異なる部品、特に様々な厚さをもつ材料の部品に対して柔軟に適合させることができる。この点に関して、保持装置の幅は、例えば、溶接する部品の材料が厚いほど広くなり、その目的は摩擦攪拌接合工程中に十分な接触圧を得ることにある。その理由は、材料の厚さが増加すると、摩擦攪拌接合工程で生じる力が増加するからである。また、各保持装置は、必要であれば単曲面及び/又は複曲面の部品に対して個別に適合させることができる。

0018

別の有利な実施形態の特徴によれば、溶接基材は、基本的に継ぎ目の形成領域における溶接線の直下に配置され、交換可能に形成される。

0019

このように、磨耗し易い溶接基材を簡単に交換することが可能となる。また、溶接対象の部品はほぼ左右対称に支持され、これによって溶接線の質が向上することになる。さらに、必要であれば、例えば様々な部品形状に対して異なる溶接基材により、継ぎ目の形成領域における部品の形状設計を詳細に調整することができる。溶接基材について、好ましくは金属材料から形成されるが、これは摩擦攪拌接合領域において十分な耐久性又は耐摩耗性が得られるようにするためである。

0020

別の有利な実施形態によれば、溶接基材と保持装置が支持面を形成する。このように、摩擦攪拌接合によって接続される部品は、本発明の装置上に極力平坦に配置することができ、その結果、摩擦攪拌接合によって良質で寸法精度の高い溶接線がもたらされる。溶接基材及び保持装置は、本明細書中では、仮想的な、基本的に突き抜けの支持面を形成する。

0021

本発明の装置の別の実施形態によれば、部品は、少なくとも1つの加圧装置、特に加圧ローラにより、継ぎ目の形成領域における溶接基材に押圧される。このように、摩擦攪拌接合中、継ぎ目の形成領域における部品についてさらに改善された位置決めが得られる。

0022

別の有利な実施形態によれば、複数の支持要素は、部品の様々な表面形状及び/又は寸法に合わせて移動可能に形成される。

0023

このように、様々な形状及び/又は寸法をもった部品を柔軟に受け入れることができる。好ましくは、複数の支持要素が保持装置の両側に配置されることで、大サイズの部品をもしっかりと載置できる。そのため、支持要素は、ほぼ垂直方向に移動可能に形成される。また支持要素はさらに、平面内で位置決め可能とすることができる。

0024

本発明の別の実施形態によれば、支持要素は、部品を固定するための接続要素、特に吸引カップを有する。これらの実施形態の変形例により、例えば機体シェル等の大型部品の場合でも、しっかりとした保持が可能になる。吸引カップの代わりに、別の接続要素、例えばクランプ等を用いることもできる。別の有利な実施形態によれば、保持装置及び/又は橋台が断熱材料で形成される。

0025

このように、摩擦攪拌接合工程中での、継ぎ目の形成領域又は溶接線における熱は、装置の一部にしか伝わらず、よって、摩擦攪拌接合ツールの駆動速度/動作速度を大きくすることが保証される。

0026

本発明の別の好適な実施形態によれば、保持装置及び/又は橋台の領域において、少なくとも1つの位置決め装置が、溶接基材及び/又は保持装置上に部品を導入し及び/又はその方向を定めるために配置される。

0027

本実施形態により、装置上で溶接する部品の自動的な位置決めが少なくとも部分的に可能となる。この位置決め装置は、例えば端部に吸引カップを有する多関節型アームとして構成できる。この多関節型アームは、アクチュエータ、例えば特に油圧ピストン電動装置等で駆動することができる。また、多関節型アームは、空間内での実際の位置、つまり空間内での部品の位置を検出するセンサを備えてもよい。多関節型アームの制御については、例えば適切な制御調整装置で行われる。この制御調整装置を用いて、摩擦攪拌接合ツール及び保持装置の制御を同時に行える。

発明を実施するための最良の形態

0028

図1は、2つの部品をクランプするための本発明の装置について例示的な一実施形態を示す斜視図であり、これらの部品は摩擦攪拌接合によって互いに接続される。

0029

本発明に係る装置は特に、基盤1、橋台2、溶接基材3、そして保持装置4、5を含む。橋台の両側には、多数の支持要素が配置される。これらの支持要素については、互いに均等な間隔でマトリクス状に配置することが好ましい。図1では、見易いように、半数の支持要素6〜16だけを示している。

0030

第1部品17及び第2部品18は、保持装置4、5及び支持要素6乃至16の上に置かれている。これらの部品は板状とされ、また機体シェルの構成部分のような複雑な部品とすることもできる。

0031

部品17、18は、部品の縁部20、21に沿う継ぎ目の形成領域19において溶接線22により接続される。溶接線22は、適切な摩擦攪拌接合ツール23を用いて周知の方法により摩擦攪拌接合で形成され、該ツールは工具搬送機24に配置される。工具搬送機24は、例えば具体的には図示しないコンピュータ制御門型ロボットによって、溶接線22を形成する部品の縁部20、21に沿って矢印25の方向にガイドされる。

0032

摩擦攪拌接合により相当大きな機械力が発生するため、部品17、18は、本発明の装置により固定、つまりクランプすることを要する。継ぎ目の形成領域19は、固定されずに溶接基材3上に位置する。保持装置4、5は、部品17、18に対向する上面に、具体的に図示していない複数の溝部を有し、これらは負圧をかけられる。これらの溝部については、保持装置4、5の上面において格子状に加工することができ、あるいは他の方法及びタイプにて適用できる。あるいは、マトリクス状に穴を保持装置4、5の上面に形成することもでき、その目的は、部品17、18と保持装置4、5との間に負圧を生成できるようにすることにある。保持装置4、5の縁領域には、さらに密閉用ストリップが配置され、これは部品17、18と保持装置4、5との間の負圧を維持するためである。部品17、18と保持装置4、5との間に負圧が存在する結果、部品17、18は周囲の気圧によって、大きな押圧力をもって保持装置4、5に押し付けられる。一般的に大サイズの部品17、18では、比較的大きな押圧力が生じ、これにより部品17、18は摩擦攪拌接合ツール23の速い駆動速度/動作速度でもずれることがない。

0033

保持装置4、5は、例えばねじ接続、クランプ接続ロック機構等によって橋台2に取り外し可能に接続され、これは、クランプする部品17、18の形状及び/又は寸法に応じて保持装置4、5を簡単に交換できるようにするためである。また、橋台2も同様に基盤1に対して取り外し可能に付設されており、これは、様々な部品に関してさらに高い柔軟性を得るためである。

0034

保持装置4、5の動作を補助するために、特に大サイズの部品17、18では、装置がさらに支持要素6乃至16を有する。これらの支持要素6乃至16は、それぞれ互いに独立して、黒い両向き矢印の方向、つまりz方向に動くことができる。このように、本発明の装置を用いて、寸法及び/又は形状の異なる部品を確実かつ堅固にクランプできる。また、支持要素6乃至16は、x方向及びy方向に移動可能となるように形成できる。

0035

溶接基材3、及び保持装置4、5の上面は、ある幅の突き抜けの支持面又は接触面26を形成し、この上で、部品17、18が部品の縁部20、21の両側に置かれる。このような仮想の接触面26は、マトリクス状に配置した支持要素6乃至16の形で両側に続く。全支持要素6乃至16の支持作用を向上させるために、これらはその端部に、例えば吸引カップ27乃至30の形態で接続要素をもつ。このように、支持要素6乃至16や、図示しない別の支持要素は全て、吸引カップを具備するが、図1では図示しない吸引カップに対して、吸引カップ27乃至30だけを示している。なお、これに関して留意すべきは、装置の十分なクランプ効果を得るための支持要素について、必ずしも吸引カップを備える必要がないことである。保持装置4、5によって負圧が生み出す押圧力は大抵の場合、摩擦攪拌接合工程における確実な固定にとって十分である。

0036

保持装置4、5のクランプ作用をさらに向上させるために、工具搬送機24は加圧ローラ31を有することができる。この加圧ローラ31により、部品の縁部20、21は、摩擦攪拌接合ツール23が継ぎ目の形成領域19において部品17、18を溶接する直前に、溶接基材3上に再びしっかりと押し付けられる。なお、加圧ローラ31は、継ぎ目の形成領域19における部品の縁部20、21の領域で、十分な押圧力を得るために必須とされるものではない。

0037

部品17、18をクランプするための既述の特徴によって、摩擦攪拌工程中での部品17、18のスライドが不可能であるため、部品17、18は最高の寸法精度で摩擦攪拌接合により接続できる。

0038

部品17、18の材料の厚さが大きいほど、保持装置4、5の幅32、33を大きくする必要が生じるが、その目的は、負圧の発生により十分に大きな押圧力を得ることにある。

0039

部品17、18が図1に示す形状設計から外れており、これらを本発明による装置を用いてクランプすることが必要な場合には、少なくとも保持装置4、5を交換し、その部品の形状設計に合った保持装置に置き換える必要がある。用意する各々の保持装置の上面及び幅を対応させた設計とすることで、本発明の装置を、最小限の費用でもって各種の幾何学的寸法をもった多数の異なる部品に適合させることができる。特に、対応して形成される保持装置を交換するだけで、複雑な、単曲面及び/又は複曲面をもつ部品を、確実かつ堅固にクランプできる。また、特定の部品についてその部品形状及び/又は寸法への適合のために、特別な橋台及び特別な溶接基材を用意する必要もある。そして、部品の外側領域では、いわゆる「支持要素の作業場(field)」、つまりマトリクス状に配置され、かつ複数の異なる部品形状及び/又は寸法に対して適合可能な複数の支持要素により形成される領域によって、固定が行われる。

0040

しかしながら、本発明によれば、製造プロセスにおいて生じる各部品形状に対して、全くの個別的なクランプ装置を用意する必要はもはやなく、これにより、実質的なコスト及び時間の削減がもたらされる。

0041

橋台2の両側には位置決め装置34、35がさらに配置され、これらを用いて、配置した部品17、18の精細な位置決めが溶接基材3に関して可能である。これについて図1では、位置決め装置34、35を2つのみ示している。別の位置決め装置は、部品17、18の効率的な位置決めを実現するために、x方向に沿って橋台2の両側に配置され、好ましくは互いに均等な間隔をもってそれぞれ位置する。位置決め装置34、35はそれぞれに接続要素、例えば部品17、18に対して解除可能に付着される吸引カップ36、37を有する。これらの吸引カップ36、37はまた、位置決め装置における特に図示しない別の接続要素をも表わしている。

0042

橋台2、基盤1、及び保持装置4、5は、金属材料、例えばアルミニウム合金スチール等で形成される。上記の材料選択から外れる場合、少なくとも保持装置4、5は、例えば適切なセラミック材料及び/又はプラスチック材料等、最小限の熱を伝達する材料で形成することができる。このように、継ぎ目の形成領域19からの放熱量が減少することで、摩擦攪拌接合ツール23により、溶接線の品質が同じままで、さらに高速作業速度を実現できる。

0043

部品17、18はさらに、継ぎ目の形成領域19に小さな逃げ部38、39を有し、これらは摩擦攪拌接合工程が終了した後で分離される。これらの逃げ部は、小さな板状の延長部分の形態で実現され、図1の例に示す通りである。このように、溶接線22は常に、部品17、18の前端又は後端へと充分に延びている。これに対して、摩擦攪拌接合ツール23が仮に部品の前端又は後端までガイドされたとしたら、溶接線22がこれらの端部領域では充分に形成されないであろう。

図面の簡単な説明

0044

部品の縁部に沿って部品の摩擦攪拌接合中に部品をクランプする、本発明の装置を示す斜視図である。

符号の説明

0045

1基盤
2橋台
3溶接基材
4保持装置
5 保持装置
6支持要素
7 支持要素
8 支持要素
9 支持要素
10 支持要素
11 支持要素
12 支持要素
13 支持要素
14 支持要素
15 支持要素
16 支持要素
17 第1部品
18 第2部品
19継ぎ目の形成領域
20 部品の縁部
21 部品の縁部
22溶接線
23摩擦攪拌接合ツール
24工具搬送機
25 矢印
26支持面
27吸引カップ
28 吸引カップ
29 吸引カップ
30 吸引カップ
31加圧ローラ
32 幅
33 幅
34位置決め装置
35 位置決め装置
36 吸引カップ
37 吸引カップ
38逃げ部
39 逃げ部

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