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技術 構造体の温度膨張抵抗性を改善する構造的装置

出願人 テールズ
発明者 ニコラ、ギロジル、ポマトオリヴィエ、ダミアーノ
出願日 2008年10月21日 (13年1ヶ月経過) 出願番号 2008-270803
公開日 2009年8月20日 (12年3ヶ月経過) 公開番号 2009-186004
状態 特許登録済
技術分野 飛行船・気球・飛行機 宇宙航行 板の接続 軸(棒・管)立て構造と接着・溶接・溶着による結合
主要キーワード 取付け用具 組立て構造体 膨張抵抗 適用方向 マーキングポイント 機械的荷重 取付け部品 本構造体
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図面 (6)

課題

構造体の温度膨張抵抗性を改善する構造的装置を提供する。

解決手段

構造パネル組立て構造体は、剛性の、基本的に平らパネルと、成形により作られ、パネルに接着される少なくとも1つの一体型取付け部品1とを含み、該取付け部品1が、接着剤を受けることができる窪み7、および窪み7及び少なくとも1つの開口の周りに接着剤を保持するように意図されたリム4を含む、第1の平らな面と、第1の平らな面に固定されたバー2とを備え、取付け部品1及びパネルの材料は複合材であり、そしてバー2は、金属インサート6であって、取付け部品1を成形するときに挿入され、めねじ切りされるように意図された金属インサート6を含む。

概要

背景

現在、宇宙配備されることを目的としている衛星構造体は、そのベースプレートが一般的にカーボン製であるサンドウィッチパネルから成る。これらのパネルを組み立てるため、取付け部品が該パネルを互いに結合し固定するために用いられる。パネルは一般的に積載荷重を受けるために適する、箱型又は壁で仕切られた構造体を製作するために組み立てられる。

例えば、1つの既知の解決策は、カーボンファイバー主材料とする複合パネルが間に挿入され、続いて接着される、2つの平らで平行な面を備えたアルミの取付け部品を用いる。取付け部品は、次に別の取付け部品に例えばねじ留めで取り付けられ得る。

衛星の任務を考慮すると、宇宙における条件はそれらの構造体に大きな温度変化を強いる。一般的に[−50℃、+80℃]の範囲は、大多数静止通信衛星の任務に当てはまると考えられる。

そのような温度変化の場合に構造材膨張し、組み立てられた構造体の接合部、とりわけパネルと取付け部品との間の接着された接合部において抵抗力を生み出す。材料が異なると、膨張係数もまたカーボンに関しては約2×10−6K−1、そしてアルミに関しては約20×10−6K−1と異なり、それは高温及び低温では接着部において大きなせん断力を生じる。

これらの条件下で、−50℃における該構造体の取付け部品のレベルでの強度低下は、アルミとカーボンとの熱膨張係数の差を考慮すると、大気温度における強度の40%近くになり得ると考えられる。

さらに最新の衛星は、様々で多様な任務を伴うますます多目的な衛星であり、衛星構造体のより広範囲の温度を考慮することにつながっている。考慮されるべき温度範囲は、かつてなく広くなっており、構造体破壊の潜在的な危険性は増大している。

実際、取付け部品をパネルに固定するこのタイプの用途に関しては、取付け部品の少なくとも1つの事前機械加工された平らな面が一般にパネルに接着される。取付け部品が2つずつ接合されるとき、パネル同士は互いに固定される。

そのような装置の1つの欠点は、低温及び高温において、異なる膨張係数を有する材料が共に接着されたとき、接着された接合部により基本的に支えられる大きな力にさらされるということである。

1つの科せられるリスクは、広範囲にわたる多くの温度変化によって生じる材料の膨張の結果として、接着された接合部が早過ぎる時期に破壊することである。

これらの条件下で、接合部破壊の危険性を軽減するために取付け部品を強化することは、多くの実施上の問題を伴う。

これらの問題を部分的に解決する1つの方法はチタン構造的取付け金具を使用することである。この際チタンはアルミよりもカーボンにより近い膨張係数を有する。

他方で、この解決策は高価となり、部品の機械加工を困難にし、そして大きな制約である表面処理を必要とするという欠点を有する。

別の知られた解決策は、金属の構造的取付け具を、ベースプレートの重合の際にパネルに熱間接着される積層カーボンブロックに置き換えることである。

この解決策は新たな欠点を有する。特に、とりわけ高温における繊維方向に直角な方向へのカーボンの大きなクリープと、2つのパネル間のねじ留め加工の困難さは、取付け装置及びパネルの製作を複雑にする。その上、この解決策は製作工程における非常に早い段階で詳細なパネル組立仕様を決定することを必須にする。

概要

構造体の温度膨張抵抗性を改善する構造的装置を提供する。構造パネル組立て構造体は、剛性の、基本的に平らなパネルと、成形により作られ、パネルに接着される少なくとも1つの一体型の取付け部品1とを含み、該取付け部品1が、接着剤を受けることができる窪み7、および窪み7及び少なくとも1つの開口の周りに接着剤を保持するように意されたリム4を含む、第1の平らな面と、第1の平らな面に固定されたバー2とを備え、取付け部品1及びパネルの材料は複合材であり、そしてバー2は、金属インサート6であって、取付け部品1を成形するときに挿入され、めねじ切りされるように意された金属インサート6を含む。B

目的

1つの科せられるリスクは、広範囲にわたる多くの温度変化によって生じる材料の膨張の結果として、接着された接合部が早過ぎる時期に破壊することである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

構造パネル組立て構造体であって、剛性の、基本的に平らパネルと、成形により作られ、前記パネルに接着される少なくとも1つの一体型取付け部品とを含み、該取付け部品が、接着剤を受けることができる窪み、および前記窪み及び少なくとも1つの開口の周りに前記接着剤を保持するように意図されたリムを含む、「ブレード」と呼ばれる少なくとも1つの第1の平らな面と、前記第1の平らな面に固定されたバーとを備え、前記取付け部品及び前記パネルの材料が複合材であり、前記バーは、膨張係数が前記取付け部品の材料の膨張係数よりも大きい金属インサートを含み、前記取付け部品を成形するとき、前記金属インサートが金型の中に置かれることを特徴とする構造体

請求項2

前記取付け部品が、熱硬化性樹脂であらかじめ含浸されたカーボンファイバーの塊で作られることを特徴とする、請求項1に記載の構造体。

請求項3

前記金属インサートが、該インサートの抜け出しを防止するフランジを前記バーの内部に備えることを特徴とする、請求項1に記載の構造体。

請求項4

前記金属インサートが2つの実質的に円筒形の部分を備え、より大きな直径の部分が前記フランジであることを特徴とする、請求項3に記載の構造体。

請求項5

前記金属インサートがアルミ製であることを特徴とする、請求項1に記載の構造体。

請求項6

前記金属インサートの軸が、前記取付け部品の前記ブレードの面内にあることを特徴とする、請求項1に記載の構造体。

請求項7

第1のブレードと平行で同じ特性を有する第2のブレードを備え、双方のブレードが前記バーに固定され、2つのブレード間の距離が実質的に前記パネルの厚さに相当し、前記取付け部品がサドルを形成することを特徴とする、請求項1に記載の構造体。

請求項8

前記サドルが各々少なくとも3つの開口を含み、その1つが接着剤を前記ブレードの窪み内へ挿入するために使用されることができ、その他の2つが位置決め用の穴であることを特徴とする、請求項7に記載の構造体。

請求項9

構造パネルの組立て構造体を製作する方法であって、:金属インサートを含む金型の中において、熱硬化性樹脂で含浸されたカーボンファイバーを熱間圧縮する第1ステップであり、このように成形された部分が取付け部品と称され、そして:ブレードと呼ばれる少なくとも1つの第1の平らな面で形成される第1の部分であって、窪みと前記ブレードを貫通する少なくとも1つの穴とを含む第1の部分と、膨張係数が複合材の膨張係数よりも大きい金属インサートを含む、前記第1の平らな面に固定されたバーで形成される第2の部分とを備える、ステップと、前記取付け部品の前記バーをねじ切りするようなやり方で、前記金属インサートをめねじ切りする第2ステップと、前記取付け部品の前記第1の平らな面を、ベースプレートカーボン製である構造パネルに接着する第3ステップとを含むことを特徴とする方法。

請求項10

前記第1ステップが120℃に近い温度で行なわれることを特徴とする、請求項9に記載の構造体を製作する方法。

請求項11

前記第1ステップが、前記取付け部品を前記パネル上に位置決めするための、前記ブレードを貫通する他の2つの穴の、成形による作製を含み、前記パネルがマーキング用のポイントを備え、前記穴が「位置決め用の穴」と称されることを特徴とする、請求項9に記載の構造体を製作する方法。

請求項12

前記金属インサートのめねじ切りの方向が前記ブレードの面内にあり、かつ前記パネルを前記取付け部品へ挿入する方向に平行な軸の上にあることを特徴とする、請求項9に記載の構造体を製作する方法。

請求項13

前記パネルのベースプレート上のマーキングポイントを作製するステップが、前記ベースプレートに穴を機械加工することを含むことを特徴とする、請求項9に記載の構造体を製作する方法。

請求項14

前記第3ステップが、前記ブレードを貫通する前記穴を通じて、少なくとも1つのブレードの前記窪み内へ接着剤を導入することにより行なわれることを特徴とする、請求項9に記載の構造体を製作する方法。

技術分野

0001

本発明は構造的取付け用具としても知られる取付け部品を用いた、カーボンファイバー主材料とする複合材の表面を有する組立てパネル用装置の分野に関する。本発明の装置は、とりわけ限界温度[−50℃、+80℃]が構造体熱膨張を強いる、宇宙利用のための衛星構造体の組立て分野に関する。

背景技術

0002

現在、宇宙に配備されることを目的としている衛星構造体は、そのベースプレートが一般的にカーボン製であるサンドウィッチパネルから成る。これらのパネルを組み立てるため、取付け部品が該パネルを互いに結合し固定するために用いられる。パネルは一般的に積載荷重を受けるために適する、箱型又は壁で仕切られた構造体を製作するために組み立てられる。

0003

例えば、1つの既知の解決策は、カーボンファイバーを主材料とする複合パネルが間に挿入され、続いて接着される、2つの平らで平行な面を備えたアルミの取付け部品を用いる。取付け部品は、次に別の取付け部品に例えばねじ留めで取り付けられ得る。

0004

衛星の任務を考慮すると、宇宙における条件はそれらの構造体に大きな温度変化を強いる。一般的に[−50℃、+80℃]の範囲は、大多数静止通信衛星の任務に当てはまると考えられる。

0005

そのような温度変化の場合に構造材膨張し、組み立てられた構造体の接合部、とりわけパネルと取付け部品との間の接着された接合部において抵抗力を生み出す。材料が異なると、膨張係数もまたカーボンに関しては約2×10−6K−1、そしてアルミに関しては約20×10−6K−1と異なり、それは高温及び低温では接着部において大きなせん断力を生じる。

0006

これらの条件下で、−50℃における該構造体の取付け部品のレベルでの強度低下は、アルミとカーボンとの熱膨張係数の差を考慮すると、大気温度における強度の40%近くになり得ると考えられる。

0007

さらに最新の衛星は、様々で多様な任務を伴うますます多目的な衛星であり、衛星構造体のより広範囲の温度を考慮することにつながっている。考慮されるべき温度範囲は、かつてなく広くなっており、構造体破壊の潜在的な危険性は増大している。

0008

実際、取付け部品をパネルに固定するこのタイプの用途に関しては、取付け部品の少なくとも1つの事前機械加工された平らな面が一般にパネルに接着される。取付け部品が2つずつ接合されるとき、パネル同士は互いに固定される。

0009

そのような装置の1つの欠点は、低温及び高温において、異なる膨張係数を有する材料が共に接着されたとき、接着された接合部により基本的に支えられる大きな力にさらされるということである。

0010

1つの科せられるリスクは、広範囲にわたる多くの温度変化によって生じる材料の膨張の結果として、接着された接合部が早過ぎる時期に破壊することである。

0011

これらの条件下で、接合部破壊の危険性を軽減するために取付け部品を強化することは、多くの実施上の問題を伴う。

0012

これらの問題を部分的に解決する1つの方法はチタンの構造的取付け金具を使用することである。この際チタンはアルミよりもカーボンにより近い膨張係数を有する。

0013

他方で、この解決策は高価となり、部品の機械加工を困難にし、そして大きな制約である表面処理を必要とするという欠点を有する。

0014

別の知られた解決策は、金属の構造的取付け具を、ベースプレートの重合の際にパネルに熱間接着される積層カーボンブロックに置き換えることである。

0015

この解決策は新たな欠点を有する。特に、とりわけ高温における繊維方向に直角な方向へのカーボンの大きなクリープと、2つのパネル間のねじ留め加工の困難さは、取付け装置及びパネルの製作を複雑にする。その上、この解決策は製作工程における非常に早い段階で詳細なパネル組立仕様を決定することを必須にする。

課題を解決するための手段

0016

本発明の1つの目的は、これらの欠点を取り除くことである。本発明の装置はパネルと同じ材料又は類似の材料、特にその膨張係数が小さいカーボンファイバーで成形された取付け部品を提供し、そして該構造体のパネル間に機械的荷重が通過することに耐え得る金属インサートを、成形された部品の中に提供する。この解決策はねじ留めされた組立品製作方法を提供し、そして接着された接合部により支持される荷重を、カーボンファイバー又はカーボンファイバーの塊から成る取付け具内に含まれる、金属インサートに伝える利点を有する。

0017

構造パネル組立て構造体は、
剛性の、基本的に平らなパネルと、
成形により作られ、パネルに接着される少なくとも1つの一体型の取付け部品と
を含み、該取付け部品が、
接着剤を受けることができる窪み、および
窪み及び少なくとも1つの開口の周りに接着剤を保持するように意図されたリム
を含む、「ブレード」と呼ばれる少なくとも1つの第1の平らな面と、
第1の平らな面に固定されたバーと
を備えることが有利である。

0018

構造パネルの組立て構造体は:
取付け部品及びパネルの材料が複合材であり、そして
バーは、膨張係数が取付け部品の材料の膨張係数よりも大きい金属インサートを含み、取付け部品を成形するとき、金属インサートが金型の中に置かれるのが有利である。

0019

取付け部品は、熱硬化性樹脂であらかじめ含浸されたカーボンファイバーの塊で作られることが有利である。

0020

金属インサートは、バーの内側にインサートの抜け出しを防止するフランジを備えることが有利である。

0021

金属インサートは2つの実質的に円筒形の部分を備え、より大きな直径の部分がフランジであることが有利である。

0022

金属インサートはアルミ製であることが有利である。

0023

金属インサートの軸は、取付け部品のブレードの面内にあることが有利である。

0024

本構造体は第1のブレードに平行で同じ特性を有する第2のブレードを備え、双方のブレードはバーに固定され、2つのブレード間の距離は実質的にパネルの厚さに相当し、取付け部品がサドルを形成することが有利である。

0025

ブレードは各々が少なくとも3つの開口を備え、その1つが接着剤をブレードの窪みに挿入するために使用でき、その他の2つが位置決め用の穴であることが有利である。

0026

構造パネル組立て構造体を製作する方法は、
金属インサートを含む金型の中において、熱硬化性樹脂で含浸されたカーボンファイバーを熱間圧縮する第1ステップであって、このように成形された部分が取付け部品と称され、そして:
ブレードと呼ばれる少なくとも1つの第1の平らな面で形成される第1の部分であって、窪みとブレードを貫通する少なくとも1つの穴とを含む第1の部分と、
膨張係数が複合材の膨張係数よりも大きい金属インサートを含む、第1の平らな面に固定されたバーで形成される第2の部分と
を備えるステップと、
取付け部品のバーをねじ切りするようなやり方で、金属インサートをめねじ切りする第2ステップと、
取付け部品の第1の平らな面を、ベースプレートがカーボン製である構造パネルに接着する第3ステップとを含むことが有利である。

0027

第1ステップは120℃に近い温度で行なわれることが有利である。

0028

第1ステップは、取付け部品をパネル上に位置決めするための、ブレードを貫通する他の2つの穴の、成形による作製を含み、パネルがマーキング用のポイントを備えることが有利であり、この穴は「位置決め用の穴」と称される。

0029

金属インサートのめねじ切りの方向はブレードの面内にあり、パネルを取付け部品へ挿入する方向に平行な軸の上にあることが有利である。

0030

パネルのベースプレート上のマーキングポイントを作るステップは、ベースプレート内に穴を機械加工することを含むのが有利である。

0031

第3ステップはブレードを貫通する穴を通じて、少なくとも1つのブレードの窪み内へ接着剤を導入することにより行なわれるのが有利である。

0032

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して与えられる以下の説明に照らして明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の形態

0033

図1Aは取付け部品1により代表される、本発明の基幹的な手段の一実施形態を表わす。これは熱硬化性樹脂であらかじめ含浸されたカーボンファイバーの塊のような複合材において、熱間圧縮により成形される。樹脂は例えばエポキシ樹脂であり得る。このために、金型が取付け部品用に製作される。

0034

本説明の残りの部分において、一体型の取付け部品1の2つの異なる機能部分間の区別がなされる。第1の部分は、取付け部品1を、例えばねじで、他の取付け部品に固定するために使用されるバー2を構成し、そして図1において第2の部分は、その技術用語が「ブレード」である2つの平行な面3、3’から成る。特にそれらブレードは、厚さが実質的にこれら2つの面間の距離に等しい平らなパネルを受ける。

0035

取付け部品は、カーボンベースの材料を軟化させるため120℃に近い温度で成形され、その結果、金型の形状をとることができる。

0036

加熱は約5分間を要する。金型は取付け部品1のブレード3、3’内に穴5、5’を生成するために2つの突起部分を含む。穴5、5’は取付け部品1の内面上へ接着剤を侵入させるために用いられる。

0037

図1Bは取付け部品1の断面図である。本発明は取付け部品1を成形し、成形中に金属インサート6をその中へ挿入する。金属インサート6はアルミ製であり得ることが有利であり、円筒形の第1部分6’及びフランジを形成する第2部分6’’を備え、該2つの部分は共に結合されている。フランジ6’’は軸力を伝達するときにインサートを取付け部品1の中で保持する。

0038

その最終的な用途として、インサートは例えば、ねじを用いて固定されるべき軸方向の取付けを可能にするために、めねじ切りされるように意図される。

0039

好適な実施形態において、フランジ6’’もまた円筒形状であって、円筒形の第1部分6’と同心であり得る。

0040

金属インサートは、該インサート6の円筒形の第1部分6’の軸がブレード3、3’の面内にあり、該インサートの軸が、取付け部品のパネルへの適用方向に平行であるように位置することが有利である。荷重の分布を最適化するために、金属インサートはバーの外側面の中央に置かれ得る。

0041

120℃に近い温度での熱間圧縮による取付け部品の成形の間に、膨張した金属インサートは有利にも冷却の際に、該金属インサートと取付け部品との間に小さな隙間を生み出す。この隙間は、[−50℃、+80℃]の範囲の温度での環境におけるその後の膨張の際に金属インサートの熱膨張により生じる、取付け部品への追加的な力を防止する。

0042

部品1の内側において、ブレード3、3’はそれぞれ窪み7、7’を備える。この窪み7、7’は、パネルがブレード3、3’の間に挿入されて、接着剤がオリフィス5、5’を経由して導入される際に該接着剤を受け止める。

0043

図2は取付け部品1を備える本発明の構造的装置を表わし、パネル21は上部ベースプレート及び下部ベースプレートを含み、接着剤20、20’がオリフィス5、5’を経由して挿入されている。パネル21は取付け部品1の2つのブレード3、3’の間に挿入されている。接着剤はオリフィス5、5’を経由して注入され、窪み7、7’内に溜まる。

0044

次にパネル21は、取付け部品1の面とパネルのベースプレートの面との接着により、部品1内に保持される。

0045

本発明の衛星の構造パネルの一例は、取付け部品1の内面に接着されるように意図された、2枚の外部カーボン・ベースプレートとパネル内側ハニカム構造とを備える。

0046

図3は取付け部品1及びバー2内のインサート6を表わす。最終的に機械加工された状態のインサート6はめねじ切りされて、ねじ31を受けるように適合されたねじ溝30を含む。

0047

この種の装置の主な利点は、パネルのカーボン・ベースプレートと、熱硬化性樹脂で含浸されたカーボンファイバーの塊から成る取付け部品とが類似の膨張係数であることを前提として、接着された接合部にかかる力の低減である。

0048

この種の解決策の1つの利点は、それが取付け部品の形状のおかげ接着プロセス単純化することである。また、接着されるように意図された取付け部品の表面は、接着前に何ら特別の処理を必要としない。さらに、製作費用は取付け部品をチタンで製作することに比べて安い。

0049

別の利点は、成形段階で取付け部品中に置かれかつ保持されるインサートにより支持された軸方向のねじ接続の高い強度である。

0050

図4は、一緒に固定され、二片の軸方向留め具40、41、42、43、44、45を形成する上述の取付け部品によって共に保持されている、5つの構造パネル46、47、48、49、50の組立ての一例を表わす。

0051

この例は、多数枚の構造パネルを組み立てる一例を説明している。

0052

本発明の構造的装置を製作する別の方法は、1つの面だけを持つ、すなわち1つのブレードのみを有する成形部品を製作することである。取付け部品のブレードとパネルのベースプレートとを共に接着する原理は、上述と同様のままである。

0053

別の実施形態は、多数の穴又はオリフィスを含む取付け部品1のブレードを備える。例えば、取付け部品1の成形は、金型が各ブレード内に3つの穴を形成することを可能にする。

0054

この実施形態において、取付け部品1の各ブレードにおける1つの穴は、接着剤を窪みの中へ挿入するためのものであり、その他の2つの穴は、あらかじめパネルに施されたマーキングによって、ブレードをパネル上に位置決めするためのものである。

0055

マーキングは、パネルのベースプレート上のブレード位置が、各ブレード内の2つの穴の中へピンを挿入することによってチェックできるように、穴であることが有利になり得る。

0056

ブレード内及びベースプレート内のそれぞれの穴は、そのとき重ね合わされることが可能であり、取付け部品とパネルとの接着中は円筒形の軸方向インサートにより保持され、例えば後で取り除かれ得る。

0057

本発明の構造体は、この用途の[−50℃、+80℃]範囲には制限されず、これらの限界外の温度、特に−180℃〜+200℃の広範囲の温度において、有利に耐えることができる。

図面の簡単な説明

0058

本発明の取付け部品の一実施形態の三次元視図である。
本発明の取付け部品の一実施形態の断面図である。
取付け部品、パネル、及び接着された接合部の組合せの断面図である。
取付け部品及び、ねじと連係するために適合されたインサートを表わす。
5つの組み立てられたパネル及びそれらを一緒に固定する取付け部品の一例を図式的に表わす。

符号の説明

0059

1取付け部品
2 バー
3ブレード、平行な面
3’ ブレード、平行な面
4、4’リム
5 穴、オリフィス
5’ 穴、オリフィス
6金属インサート
6’円筒形の第1部分
6’’フランジ、フランジを形成する第2部分
7 窪み
7’ 窪み
20接着剤
20’
接着剤
21パネル
30ねじ溝
31 ねじ
40 二片の軸方向留め具
41 二片の軸方向留め具
42 二片の軸方向留め具
43 二片の軸方向留め具
44 二片の軸方向留め具
45 二片の軸方向留め具
46構造パネル
47 構造パネル
48 構造パネル
49 構造パネル
50 構造パネル

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