小型飛翔装置
【課題】実際のトンボに近いサイズとし、且つトンボに類似した羽ばたき周波数で飛行することが可能な小型飛翔装置を提供すること。
【解決手段】前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることで、トンボに類似した羽ばたき周波数での飛行を可能としている。
【解決手段】前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることで、トンボに類似した羽ばたき周波数での飛行を可能としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昆虫、特にトンボのように羽体で飛行する小型の飛翔装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鳥や昆虫は羽を羽ばたいて空を自由に飛行する。特にホバリンリング、急旋回、急上昇などの飛行を自由に行なうことができるトンボの飛行能力は際だって優れている。この優れた飛行能力を小型の飛翔装置で実現できれば、ヘリコブタや飛行機より優れた飛翔装置が実現できると考えられている。
【０００３】
トンボの中でも、国内最大のトンボであるオニヤンマは、翼長１０ｃｍ、全長１２ｃｍ、自重１ｇで、観測より翅を約３０Hz（羽ばたき周波数：１秒間に羽ばたく回数）程度で羽ばたかせて飛翔する。そこで、オニヤンマと全く同じようにホバリング、急旋回、急上昇など繰り返しての飛翔を実現するには形状、寸法、羽ばたき方などをそっくりにして総重量を１ｇに近づけた羽ばたき飛翔装置が考えられる。
【０００４】
羽ばたきする小型の飛翔装置はいくつか開発されている。たとえば、Ｎｅｕｒｏｓ社製の「サイバード」、株式会社シー・シー・ピー社製の「メカトンボ」等が有名であるが、いずれも羽の面積が大きく、羽ばたき周波数は１０Ｈｚ前後で大きい鳥の飛行に近く、トンボ、ハチのように高い周波数で羽ばたいて飛行するものは実現していない。前記飛翔装置で実現しているものは、モータにギアを付けて減速し、クランク機構で羽を上下に揺動可能にさせるものである。しかし、この方法では２０Hｚ以上の高い周波数で羽ばたきさせることは困難である。
【０００５】
高い周波数の羽ばたきを実現する方法として、従来、ピエゾ型振動子に翼を取り付けて共振させる方法が知られている（非特許文献１）。しかし、この方法で小型の飛翔装置の翼を羽ばたかすには数キロＶ以上の駆動電圧が必要であり実用的ではない。
【０００６】
発泡ポリプロピレンの翼板に1本の弾性棒材を取り付け、弾性棒材を強制振動させることで６０〜９０Ｈｚの高い振動数の羽ばたき運動を得ることが知られている（特許文献１）。また、振動モータに羽を取り付けて共振振動させることが知られている（特許文献２）。
しかし、上述の特許文献１において開示される羽ばたき飛行機においては羽ばたき周波数は６０〜９０Hzと実際のトンボよりはるかに高い周波数である。また、特許文献２おいて開示されている羽ばたき飛行機は、大きさが実際のトンボの２倍に対し、重量は２０ｇと遥かに重くなり、実際のトンボのような飛行は困難と考えられる。
【０００７】
また、本件出願人も以前に小型の飛翔装置を提案している（特許文献３、４）。これらの飛翔装置では、各羽体を固定した支持軸部によって上下方向に揺動させて羽ばたかせると共に、前記各羽体に対して２種類の連結アームを連結して当該支持軸部を中心に捻り動作を行わせていた。しかし、これらの飛翔装置では、羽体が所定のフラッピング角度を得るためには、羽体の支持軸部を同じ角度まで揺動させる必要があり、上下方向に動く連結アームのストロークが大きくなるため、駆動系への負荷も大きかった。さらに、羽体にフェザリングを行うためには、前記の上下方向への大きなストロークに合せてフェザリングさせるための同じストロークの大きなフェザリング用のリンク機構が必要であった。したがって、構造的に羽ばたき周波数を大きくすることは難しかった。
また、前記のように支持軸部の駆動のみで羽体のフラッピング運動及びフェザリング運動の全てを行うと、各部を動かすために消費する電力が大きくなってしまい、飛行時間が制限されたり、電源を大型にすると飛翔装置自体も大型にする必要がある等の点で検討の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５４７１４号公報
【特許文献２】特開２００８−８１０９４号公報
【特許文献３】特開２００９−１９０６５１号公報
【特許文献４】特開２００９−２４０５０１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「圧電モバイル素子を用いた羽ばたき機構の開発」信州大学繊維学部 児島、小西 第4回日本生体医学工学甲信越シンポジウム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記のような事情に鑑み、実際のトンボに近いサイズとし、且つトンボに類似した羽ばたき周波数で飛行することが可能な小型の飛翔装置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】
【００１１】
本発明に係る小型飛翔装置は、
前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、
前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、
前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、
前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることを特徴とする。
【００１２】
前記傾動機構には、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けることができる。
【００１３】
前記角度規制手段は、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る小型飛翔装置によれば、弾性板材を介して羽体の基端側と支持部とを連結したことから、弾性板材がたわむ分だけ、フラッピング及びフェザリングのための支持部の揺動角度を小さくすることができ、支持部の揺動に必要なストロークが小さくなる分、駆動系への負荷を減らすことができる。
また、前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、前記羽体の基端側を、弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けることで、フラッピング運動にあわせてフェザリング運動を自律的に羽体に行わせることができ、従来の飛翔装置にあったストロークの大きなフェザリング円リンク機構を省略でき、その分、駆動部への負荷を減らすことができる。
以上の構成により、小型モータでも２５〜３５Ｈｚという羽ばたき周波数を達成することが可能となる。
【００１５】
本発明に係る小型飛翔装置は、前記傾動機構に、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けることで、フラッピング運動とフェザリング運動とを連動させた場合に、２５〜３５Ｈｚという羽ばたき回転数でも十分な揚力を得ることができ、実物のトンボのように飛翔することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る小型飛翔装置では、前記角度規制手段が、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有することで、フェザリング運動時の羽体の角度を適当に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、小型飛翔装置１の全体構成の概略を示す図である。
【図２】図２は、小型飛翔装置１の頭部と胸部付近の内部構造を横方向から見た場合の概略説明図である。
【図３】図３は、小型飛翔装置１の内部構造を前方向から見た場合の概略説明図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち上がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略説明図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち下がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略説明図である。
【図６】図６は、第１の態様の傾動機構の概略説明図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１の態様の傾動機構の傾動の様子を示す概略説明図である。
【図８】図８は、第２の態様の傾動機構の概略説明図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第２の態様の傾動機構の傾動の様子を示す概略説明図であり、図９（ｃ）は、第２の態様の傾動機構を備えた飛翔装置を前方向から見た概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る小型の飛翔装置１の全体構成の概略を示す図である。
なお、以下の説明では、昆虫型の飛翔装置として、トンボ型の飛翔装置について説明するが他の昆虫の形状を模してもよい。例えば、蜂、虻、蝶、蛾、蝉などの形状を模した羽ばたき動作をする飛翔装置であってもよい。
【００２０】
図１は、前後に長い支持本体２に、上下揺動可能に支持される左右の４枚の羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを前後方向に２対設けてなる小型飛翔装置１を示している。
前記羽体の数については、支持本体２の長さに応じて、１対でもよいし、３対以上にしてもよい。
【００２１】
前記支持本体２は、図１に示すように、成虫のトンボを模した外形を有しており、頭部、胸部、尾部を有する。前記胸部は１本の支持軸６で構成し、全ての羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを揺動支持軸７によって支持している。なお、前記支持軸６は、２本にて構成してもよい。２本の支持軸については、前記特許文献３、４に記載の構造を採用すればよい。
【００２２】
前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、図１に示すように、前記支持本体２に対して前後左右に配置されているが、いずれも昆虫のトンボの翅と略同じ形状で、かつ板状をしている。この羽体としては、例えば、厚さ１０００μｍ以下のＳｉ又はＳｉ化合物のシリコン基板よりなり、昆虫の翅を模した外形を有するとともに、表面をエッチング処理して前記昆虫の翅脈を模した凹凸模様を形成してなる翼体を用いることが好ましい。この翼体は、実際の昆虫の翅の形状や翅脈を模しており、飛翔玩具として飛翔するという楽しみ以外にも、飛翔していない状態でも昆虫としてのリアルな形状を鑑賞して楽しむことができる。前記羽体としては、前記特許文献４に記載の翼体が好適に使用される。
【００２３】
本発明では、前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、その基端側で弾性板材４を介して支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄにそれぞれ連結されている。支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとは、前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを支持する部材である。
【００２４】
本発明では、支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが前記支持本体２の長軸方向に対して上下に揺動して、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄをフラッピング運動させる揺動機構が設けられている。
【００２５】
前記揺動機構は、図２に示すように、上下方向の動力を前記羽体３に伝達するための揺動支持軸７と、駆動モータ８と、該駆動モータ８によって回転する回転体９と、該回転体９と前記揺動支持軸７とを連結する連結アーム１０とから構成される。
【００２６】
前記揺動支持軸７は、図２、図３に示すように、その一端側が前記支持軸６に軸支され、上下揺動可能に構成されている。また、前記揺動支持軸７と連結アーム１０とは、ピン１４によって軸支されている。
【００２７】
前記駆動モータ８には図２に示すように、ギア１１が設けられ、当該ギア１１を介して回転体９を回転させる。前記回転体９には、前記ギア１１を介して回転する回転ギア１２と、前記支持本体２の軸方向に略沿った回転軸芯に対して位相が約９０°ずつずれたクランク部１３が設けられている。クランク部１３の適当な位置には前記連結アーム１０が軸支されており、このクランク部１３が前記回転軸芯を中心に回動すると、クランク部１３と連結アーム１０との軸支部分の位置が上下に移動するのにあわせて、前記連結アーム１０が軸支した前記揺動支持軸７が上下方向に揺動する。なお、クランク部１３の構造及び連結アーム１０とクランク部１３の軸支する位置については、前記支持体５の揺動角度が所望の範囲になるように調整すればよい。また、クランク部１３の具体的な構成については、前記特許文献３に準じて設定すればよい。
【００２８】
また、本発明に係る小型飛翔装置１の前記揺動機構では、揺動支持軸７を上下方向に揺動させればよいため、前記揺動支持軸７を軸支する連結アーム１０は１本でよく、特許文献３、４に記載の飛翔装置のように、揺動支持軸自体を前後方向に揺動させる構造に比べて簡潔であり、駆動に係る電力も抑えることができる。
【００２９】
また、本発明に係る小型飛翔装置１は、図２に示すように、前記支持本体２、前記回転体９、前記駆動モータ８とともに駆動モータ８に電力を供給する電池１５や、駆動モータ８等を制御するための電子回路基板１６が、トンボの形状を模した胸部１７に収納されている。
電池１５は、図２に示すように、前記回転体９の下方に配置させているが、飛翔装置１全体の重心等を考慮すれば他の位置に配置させてもよい。また、電子回路基板１６も同様に他の位置に配置してもよい。なお、図２の図面では、電力線や信号線の記載を省略している。前記胸部１７の下面側には、胸部１７を支持する脚部１８が３対設けられている。また、前記支持軸６とクランク部１３とは、それぞれの後方端側で支持板１９により軸支されている。
【００３０】
本発明では、前記弾性板材４を介して羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとを連結する点に一つの特徴がある。このような構成を採用することで、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを上下方向にフラッピング運動させた際に、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと連結して固定されていない弾性板材４部分が慣性によりたわんで屈曲することで、支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの上下運動よりも羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの上下運動の角度が大きくなり、揚力を得やすい構成となっている。
【００３１】
例えば、図４（ａ）、（ｂ）に小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち上がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略図を示す。なお、本発明では後述のように支持部５ａ，５ｂは前後に傾動するが、図面では、羽体３ａ、３ｂの動きをわかり易くするために、支持部５ａ，５ｂは揺動支持軸７に固定された状態の動きを示す。
図４（ａ）は羽体３ａ、３ｂを上方向に限界まで動かした場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ１を示す。このフラッピング角度θ１は、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度に等しい。
一方、図４（ｂ）は羽体３ａ、３ｂを上方向に２５〜３５Ｈｚの速度で揺動させた場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ２を示す。図に示すように、上方向に弾性板材４がたわんで屈曲することで角度θ２は角度θ１に比べて大きくなる。
【００３２】
また、図５（ａ）、（ｂ）に小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち下がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略図を示す。図面では、羽体３ａ、３ｂの動きをわかり易くするために、支持部５ａ，５ｂは揺動支持軸７に固定された状態の動きを示す。
図５（ａ）は羽体３ａ、３ｂを下方向に限界まで動かした場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ３を示す。このフラッピング角度θ３は、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度に等しい。
一方、図５（ｂ）は羽体３ａ、３ｂを下方向に２５〜３５Ｈｚの速度で揺動させた場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ４を示す。図に示すように、下方向に弾性板材４がたわんで屈曲することで角度θ４は角度θ３に比べて大きくなる。
【００３３】
以上のように、本発明に係る小型飛翔装置１では、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度以上に羽体３ａ、３ｂを上下にフラッピングさせることができるため、支持体５ａ、５ｂのフラッピング角度が小さくても、羽体３ａ、３ｂが十分な揚力が得られることから、前記支持体５ａ、５ｂの羽ばたき回転数を２５〜３５Ｈｚとしても飛翔することが可能になる。
なお、前記羽ばたき回転数で飛翔するには、本発明に係る小型飛翔装置１では、弾性板材４の素材の種類にもよるが、θ１＋θ３を２０〜４０°の範囲に調整することで、θ２＋θ４を８０〜９０°にすることができる。また、弾性板材４の素材としては、弾性を有する素材であればよく、特に限定はないが、例えば、塩化ビニル等の合成樹脂、カーボンシート等が挙げられる。なお、弾性板材４の厚みについては、前記羽体３がフラッピング運動およびフェザリング運動することが可能なようにたわむことができる程度の厚みであればよい。また、弾性板材４の大きさも、前記羽体３と前記支持体５とを連結させることができ、また、前後に配置された羽体３ａ、３ｃ又は羽体３ｂ、３ｄ同士のフラッピング運動やフェザリング運動を妨げないように配置されていればよい。
【００３４】
また、本発明に係る小型飛翔装置１では、前記羽体３の支持部５を前後に傾動可能に支持し、前記羽体３を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなる点にも一つの特徴がある。
【００３５】
前記傾動機構では、前記支持部５が支持本体２の軸方向に対して前後方向に傾動可能な状態であり、かつその傾動は、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制するための角度規制手段が設けられている。このような傾動機構としては、支持部５の構成により以下の２つの態様が挙げられる。
【００３６】
（第１の態様の傾動機構）
第１の態様の傾動機構は、図６に示すように、前記弾性板材４を固定する台部材２０と、前記台部材２０の両端に前記揺動支持軸７を挿通する一対の軸受け部材２１とを備えており、前記揺動支持軸７を中心に回動可能な、断面略コ状の支持部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（以下、５ａ等と略す）を有する。なお、図１〜５も第１の態様の傾動機構を備えた構造を記載した図面である。
また、前記軸受け部材２１の間に挿通された揺動支持軸７部分には、前記揺動支持軸７の軸方向に対して垂直方向にピン１４が挿通されて、前記揺動支持軸７と前記連結アーム１０が連結されている。
【００３７】
前記支持部５ａ等では、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制するための角度規制手段として、前記連結アーム１０とピン１４とが作用する。
具体的には、前記支持部５ａ等は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように傾動する。なお、図７（ａ）は前記支持部５ａ等の台部材２０が支持本体２の軸方向と略平行の位置にある図である。
前記支持部５ａ等は、前記揺動支持軸７を中心にして前方向に回動すると、図７（ｂ）に示すように、前記連結アーム１０の上端部と台部材２０の下面とが接当してその動きが当止される。
また、前記支持部５ａ等は、前記揺動支持軸７を中心にして後方向に回動すると、図７（ｃ）に示すように、前記ピン１４と台部材２０の端部とが接当してその動きが当止される。
【００３８】
前記のような前記支持部５ａ等の傾動角度としては、前方向の角度については、０〜３０°、後ろ方向の角度については最大で４５〜６０°まで、それぞれ回動できるように設定していればよい。
【００３９】
前記のような傾動機構では、前記揺動機構により揺動支持軸７の上下動で生じるフラッピング運動の慣性力と連動することで、羽体３にフェザリング運動を生じさせることができる。
【００４０】
例えば、図７（ａ）の状態の羽体３のフラッピング運動による立ち上がり時に、前記羽体３は、空気の抵抗を受けて、図７（ｃ）に示すように、支持部５ａ等が傾動して、ピン１４が第１の接当部として作用してその傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により弾性板材４が図４（ｂ）に示すように上方向だけでなく後方向にもたわんで曲がることで、前記羽体３の位置が前記支持本体２の軸方向に対して鋭角ないし略垂直となる位置にまで達する。
次いで、フラッピング運動による立ち下がり時には、前記羽体３は、弾性板材４が有する形状を元に戻す力と下方向の慣性力により、図７（ｂ）に示すように支持部５ａ等が立ち上がり時と反対方向に傾動し、連結フレーム１０の上端部が第２の接当部として作用してその傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により弾性板体４が図５（ｂ）に示すように下方向だけでなく前方向にたわんで曲がる。ただし、フラッピング運動の立ち上がり時の羽体３の位置が前記支持体２の軸方向に対して鋭角ないしは略垂直になっているため、立ち下がり時の前記羽体３の位置は前記支持本体２の軸方向に対して略並行となる位置で傾動が止まることになる。
【００４１】
なお、図２〜図６に示された第１の態様の傾動機構では、前記連結アーム１０が揺動支持軸７の前方向に配置されているが、別の態様として、連結アーム１０が前記揺動支持軸７の後方向に配置されていてもよい。この場合、図７（ａ）〜（ｃ）に示される傾動機構は、右側が前方、左側が後方になる。
【００４２】
（第２の態様の傾動機構）
第２の態様の傾動機構は、図８、図９に示すように、断面略Ｖ字状に屈曲されたシート材２２を有し、該シート材２２の略Ｖ字内側面に前記揺動支持軸７が固定され、かつ前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて動くことができるヒンジ様のテープ材Ｔを備えた支持部５ａ’、５ｂ’、５ｃ’、５ｄ’（以下、５ａ’等と略す）で構成される。前記支持部５ａ’等において、テープ材Ｔは羽体３の実質的な支持部として作用し、シート材２２は羽体の角度変化を規制する角度規制手段として作用する。
【００４３】
前記シート材２２は図８に示すように、屈曲線側を前方向になるように配置していることが好ましい。また、前記揺動支持軸７を固定する部分については、前記ヒンジ様のテープ材Ｔが後述のように動くのを妨げない位置であればよい。
【００４４】
前記テープＴは、前記シート材２２と前記弾性板材４とに連結されている。例えば、前記テープ材Ｔの一部が前記略Ｖ字状内側面に接着され、該テープ材Ｔの残りの部分をシート材２２の内側の屈曲線に沿って折り曲げて、そのテープ材Ｔの折り曲げた部分に前記弾性板材４が接着される。シート材２２や前記弾性板材４とテープ材Ｔとの接着の仕方については、前記テープ材Ｔが前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いてヒンジのように動くことができるように接着すればよい。なお、前記シート材２２の素材としては、屈曲可能な素材であればよく、例えば、前記弾性体４と同じ素材でもよい。また、前記テープ材Ｔの素材としては、セロハンテープ等の粘着テープ等が挙げられる。
なお、前記テープ材Ｔ及びシート材２２の厚み、幅等については、軽量化と強度の観点から、適宜設定すればよい。
【００４５】
前記支持部５ａ’等では、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段として、前記シート材２２の上面２３と下面２４が作用する。
具体的には、前記支持部５ａ’等では、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにテープ材Ｔが傾動する。なお、図９（ｃ）は、前記支持部５ａ’等を有する傾動機構を備えた飛翔装置１を前方向から見た概略図であり、図９（ａ）、（ｂ）は図９（ｃ）の前記傾動機構の断面を示す概略図である。図９（ａ）、（ｂ）では、支持部５ａ’での動きをわかり易くするために羽体３は除いて示している。
【００４６】
前記支持部５ａ’でテープ材Ｔと接着された弾性板材４は、図９（ａ）に示すように、前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて上方向に動くと、上面２３に接当してその動きが当止され、図９（ｂ）に示すように前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて下方向に動くと下面２４に接当してその動きが当止されるため、前記弾性板材４が前後方向に傾動することになる。
【００４７】
前記の第２の傾動機構では、前記揺動機構により揺動支持軸７の上下動で生じるフラッピング運動の慣性力と連動することで、羽体３にフェザリング運動を生じさせることができる。
【００４８】
例えば、羽体３のフラッピング運動による立ち上がり時に、図９（ｂ）に示すように弾性板材４がシート材２２の下面２４に接した状態になり、下面２４が第１の接当部として作用して傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により、弾性板材４は、図４（ｂ）に示すように上方向だけでなく後方向にもたわんで曲がり、前記羽体３の位置が前記支持本体２の軸方向に対して鋭角ないし略垂直となる位置にまで達する。
次いで、フラッピング運動による立ち下がり時には、前記羽体３は、弾性板材４の形状を元に戻す力と慣性力により、図９（ａ）に示すように弾性板材４がシート材２２の上面２３に接した状態になり、上面２３が第２の接当部として作用して傾動が当止される。この場合、フラッピング運動の立ち下がり時の前記羽体３のフェザリング角度は前記支持本体２の軸方向に対して略並行となる位置で傾動が止まる。
【００４９】
前記のような前記支持部５ａ’の傾動角度としては、前記シート材２２の略Ｖ字内面の折り曲げ角度を、最大で４５〜６０°に設定すればよい。
【００５０】
以上のような揺動機構と傾動構成を備えことで、本発明に係る小型飛翔装置１は、実物のトンボのような形状、大きさでトンボのような羽ばたき周波数で飛翔することが可能となる。
【００５１】
また、前記飛翔装置１の飛翔は、前記羽ばたき周波数を変えることで、フラッピングやフェザリングの角度を調整したり、場合によっては、磁石等で腹部と脚部１８を動かして、飛翔装置１における重心の位置を変えることで、調整することができる。
【００５２】
次に、オニヤンマ型の飛翔装置１の詳細な部材の構成について説明する。
飛翔装置１の支持本体２は、略実物サイズの形状で全長１２０ｍｍ、重量０．３ｇとした。この支持本体２は、オニヤンマの画像を３次元ＣＡＤにより立体化し、その形状をもとに梁とシート状の極めて薄い部分からなる軽量で強度を保持した構造とした。そして、この３次元ＣＡＤのデータを基に３次元プリンタによりアクリル系光硬化型樹脂により製作した。
羽部３は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により、厚さ１００μｍのＳｉ基板を微細加工して、略実物サイズの形状で４枚の羽部の総重量を０．２ｇとした。
弾性板材４には厚み０．２ｍｍの塩化ビニル樹脂またはカーボンシートを使用した。
駆動モータ８は、重量０．６ｇのダイデル社製のコアレスモータ使用した。
前記ギア１１（ギア比１：５）、回転ギア１２、クランク１３、連結アーム１０等の重量は、約０．５ｇである。
電子回路基板１６は、東光電気製の赤外線受信機基板ＩＲＸ３０３Ｆを削り、重量０．２ｇにした。
また、電池１５は、Ｌｉポリマー電池であり、東光電気製ＦＲ１０（１０ｍＡｈｒ）で重量は０．３７ｇである。また、制御用の電磁石はＰｌａｎｔｒａｃｏ社製ＨＩＮＧＥＡＣＴを削り１個で重量０．１５ｇにした。これらのような部材を用いて、飛翔装置１の総重量を、２．３２ｇとした。
【符号の説明】
【００５３】
１ 飛翔装置 ２ 支持本体
３ 羽体 ４ 弾性板材
５ 支持部 ６ 支持軸
７ 揺動支持軸 ８ 駆動モータ
９ 回転体 １０ 連結アーム
１１ ギア １２ 回転ギア
１３ クランク部 １４ ピン
１５ 電池 １６ 電子回路基板
１７ 胸部 １８ 脚部
１９ 支持板 ２０ 台部材
２１ 軸受け部材 ２２ シート材
２３ 上面 ２４ 下面
Ｔ テープ材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昆虫、特にトンボのように羽体で飛行する小型の飛翔装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鳥や昆虫は羽を羽ばたいて空を自由に飛行する。特にホバリンリング、急旋回、急上昇などの飛行を自由に行なうことができるトンボの飛行能力は際だって優れている。この優れた飛行能力を小型の飛翔装置で実現できれば、ヘリコブタや飛行機より優れた飛翔装置が実現できると考えられている。
【０００３】
トンボの中でも、国内最大のトンボであるオニヤンマは、翼長１０ｃｍ、全長１２ｃｍ、自重１ｇで、観測より翅を約３０Hz（羽ばたき周波数：１秒間に羽ばたく回数）程度で羽ばたかせて飛翔する。そこで、オニヤンマと全く同じようにホバリング、急旋回、急上昇など繰り返しての飛翔を実現するには形状、寸法、羽ばたき方などをそっくりにして総重量を１ｇに近づけた羽ばたき飛翔装置が考えられる。
【０００４】
羽ばたきする小型の飛翔装置はいくつか開発されている。たとえば、Ｎｅｕｒｏｓ社製の「サイバード」、株式会社シー・シー・ピー社製の「メカトンボ」等が有名であるが、いずれも羽の面積が大きく、羽ばたき周波数は１０Ｈｚ前後で大きい鳥の飛行に近く、トンボ、ハチのように高い周波数で羽ばたいて飛行するものは実現していない。前記飛翔装置で実現しているものは、モータにギアを付けて減速し、クランク機構で羽を上下に揺動可能にさせるものである。しかし、この方法では２０Hｚ以上の高い周波数で羽ばたきさせることは困難である。
【０００５】
高い周波数の羽ばたきを実現する方法として、従来、ピエゾ型振動子に翼を取り付けて共振させる方法が知られている（非特許文献１）。しかし、この方法で小型の飛翔装置の翼を羽ばたかすには数キロＶ以上の駆動電圧が必要であり実用的ではない。
【０００６】
発泡ポリプロピレンの翼板に1本の弾性棒材を取り付け、弾性棒材を強制振動させることで６０〜９０Ｈｚの高い振動数の羽ばたき運動を得ることが知られている（特許文献１）。また、振動モータに羽を取り付けて共振振動させることが知られている（特許文献２）。
しかし、上述の特許文献１において開示される羽ばたき飛行機においては羽ばたき周波数は６０〜９０Hzと実際のトンボよりはるかに高い周波数である。また、特許文献２おいて開示されている羽ばたき飛行機は、大きさが実際のトンボの２倍に対し、重量は２０ｇと遥かに重くなり、実際のトンボのような飛行は困難と考えられる。
【０００７】
また、本件出願人も以前に小型の飛翔装置を提案している（特許文献３、４）。これらの飛翔装置では、各羽体を固定した支持軸部によって上下方向に揺動させて羽ばたかせると共に、前記各羽体に対して２種類の連結アームを連結して当該支持軸部を中心に捻り動作を行わせていた。しかし、これらの飛翔装置では、羽体が所定のフラッピング角度を得るためには、羽体の支持軸部を同じ角度まで揺動させる必要があり、上下方向に動く連結アームのストロークが大きくなるため、駆動系への負荷も大きかった。さらに、羽体にフェザリングを行うためには、前記の上下方向への大きなストロークに合せてフェザリングさせるための同じストロークの大きなフェザリング用のリンク機構が必要であった。したがって、構造的に羽ばたき周波数を大きくすることは難しかった。
また、前記のように支持軸部の駆動のみで羽体のフラッピング運動及びフェザリング運動の全てを行うと、各部を動かすために消費する電力が大きくなってしまい、飛行時間が制限されたり、電源を大型にすると飛翔装置自体も大型にする必要がある等の点で検討の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５４７１４号公報
【特許文献２】特開２００８−８１０９４号公報
【特許文献３】特開２００９−１９０６５１号公報
【特許文献４】特開２００９−２４０５０１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「圧電モバイル素子を用いた羽ばたき機構の開発」信州大学繊維学部 児島、小西 第4回日本生体医学工学甲信越シンポジウム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記のような事情に鑑み、実際のトンボに近いサイズとし、且つトンボに類似した羽ばたき周波数で飛行することが可能な小型の飛翔装置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】
【００１１】
本発明に係る小型飛翔装置は、
前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、
前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、
前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、
前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることを特徴とする。
【００１２】
前記傾動機構には、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けることができる。
【００１３】
前記角度規制手段は、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る小型飛翔装置によれば、弾性板材を介して羽体の基端側と支持部とを連結したことから、弾性板材がたわむ分だけ、フラッピング及びフェザリングのための支持部の揺動角度を小さくすることができ、支持部の揺動に必要なストロークが小さくなる分、駆動系への負荷を減らすことができる。
また、前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、前記羽体の基端側を、弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けることで、フラッピング運動にあわせてフェザリング運動を自律的に羽体に行わせることができ、従来の飛翔装置にあったストロークの大きなフェザリング円リンク機構を省略でき、その分、駆動部への負荷を減らすことができる。
以上の構成により、小型モータでも２５〜３５Ｈｚという羽ばたき周波数を達成することが可能となる。
【００１５】
本発明に係る小型飛翔装置は、前記傾動機構に、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けることで、フラッピング運動とフェザリング運動とを連動させた場合に、２５〜３５Ｈｚという羽ばたき回転数でも十分な揚力を得ることができ、実物のトンボのように飛翔することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る小型飛翔装置では、前記角度規制手段が、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有することで、フェザリング運動時の羽体の角度を適当に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、小型飛翔装置１の全体構成の概略を示す図である。
【図２】図２は、小型飛翔装置１の頭部と胸部付近の内部構造を横方向から見た場合の概略説明図である。
【図３】図３は、小型飛翔装置１の内部構造を前方向から見た場合の概略説明図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち上がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略説明図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち下がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略説明図である。
【図６】図６は、第１の態様の傾動機構の概略説明図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第１の態様の傾動機構の傾動の様子を示す概略説明図である。
【図８】図８は、第２の態様の傾動機構の概略説明図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第２の態様の傾動機構の傾動の様子を示す概略説明図であり、図９（ｃ）は、第２の態様の傾動機構を備えた飛翔装置を前方向から見た概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る小型の飛翔装置１の全体構成の概略を示す図である。
なお、以下の説明では、昆虫型の飛翔装置として、トンボ型の飛翔装置について説明するが他の昆虫の形状を模してもよい。例えば、蜂、虻、蝶、蛾、蝉などの形状を模した羽ばたき動作をする飛翔装置であってもよい。
【００２０】
図１は、前後に長い支持本体２に、上下揺動可能に支持される左右の４枚の羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを前後方向に２対設けてなる小型飛翔装置１を示している。
前記羽体の数については、支持本体２の長さに応じて、１対でもよいし、３対以上にしてもよい。
【００２１】
前記支持本体２は、図１に示すように、成虫のトンボを模した外形を有しており、頭部、胸部、尾部を有する。前記胸部は１本の支持軸６で構成し、全ての羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを揺動支持軸７によって支持している。なお、前記支持軸６は、２本にて構成してもよい。２本の支持軸については、前記特許文献３、４に記載の構造を採用すればよい。
【００２２】
前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、図１に示すように、前記支持本体２に対して前後左右に配置されているが、いずれも昆虫のトンボの翅と略同じ形状で、かつ板状をしている。この羽体としては、例えば、厚さ１０００μｍ以下のＳｉ又はＳｉ化合物のシリコン基板よりなり、昆虫の翅を模した外形を有するとともに、表面をエッチング処理して前記昆虫の翅脈を模した凹凸模様を形成してなる翼体を用いることが好ましい。この翼体は、実際の昆虫の翅の形状や翅脈を模しており、飛翔玩具として飛翔するという楽しみ以外にも、飛翔していない状態でも昆虫としてのリアルな形状を鑑賞して楽しむことができる。前記羽体としては、前記特許文献４に記載の翼体が好適に使用される。
【００２３】
本発明では、前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、その基端側で弾性板材４を介して支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄにそれぞれ連結されている。支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとは、前記羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを支持する部材である。
【００２４】
本発明では、支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが前記支持本体２の長軸方向に対して上下に揺動して、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄをフラッピング運動させる揺動機構が設けられている。
【００２５】
前記揺動機構は、図２に示すように、上下方向の動力を前記羽体３に伝達するための揺動支持軸７と、駆動モータ８と、該駆動モータ８によって回転する回転体９と、該回転体９と前記揺動支持軸７とを連結する連結アーム１０とから構成される。
【００２６】
前記揺動支持軸７は、図２、図３に示すように、その一端側が前記支持軸６に軸支され、上下揺動可能に構成されている。また、前記揺動支持軸７と連結アーム１０とは、ピン１４によって軸支されている。
【００２７】
前記駆動モータ８には図２に示すように、ギア１１が設けられ、当該ギア１１を介して回転体９を回転させる。前記回転体９には、前記ギア１１を介して回転する回転ギア１２と、前記支持本体２の軸方向に略沿った回転軸芯に対して位相が約９０°ずつずれたクランク部１３が設けられている。クランク部１３の適当な位置には前記連結アーム１０が軸支されており、このクランク部１３が前記回転軸芯を中心に回動すると、クランク部１３と連結アーム１０との軸支部分の位置が上下に移動するのにあわせて、前記連結アーム１０が軸支した前記揺動支持軸７が上下方向に揺動する。なお、クランク部１３の構造及び連結アーム１０とクランク部１３の軸支する位置については、前記支持体５の揺動角度が所望の範囲になるように調整すればよい。また、クランク部１３の具体的な構成については、前記特許文献３に準じて設定すればよい。
【００２８】
また、本発明に係る小型飛翔装置１の前記揺動機構では、揺動支持軸７を上下方向に揺動させればよいため、前記揺動支持軸７を軸支する連結アーム１０は１本でよく、特許文献３、４に記載の飛翔装置のように、揺動支持軸自体を前後方向に揺動させる構造に比べて簡潔であり、駆動に係る電力も抑えることができる。
【００２９】
また、本発明に係る小型飛翔装置１は、図２に示すように、前記支持本体２、前記回転体９、前記駆動モータ８とともに駆動モータ８に電力を供給する電池１５や、駆動モータ８等を制御するための電子回路基板１６が、トンボの形状を模した胸部１７に収納されている。
電池１５は、図２に示すように、前記回転体９の下方に配置させているが、飛翔装置１全体の重心等を考慮すれば他の位置に配置させてもよい。また、電子回路基板１６も同様に他の位置に配置してもよい。なお、図２の図面では、電力線や信号線の記載を省略している。前記胸部１７の下面側には、胸部１７を支持する脚部１８が３対設けられている。また、前記支持軸６とクランク部１３とは、それぞれの後方端側で支持板１９により軸支されている。
【００３０】
本発明では、前記弾性板材４を介して羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄとを連結する点に一つの特徴がある。このような構成を採用することで、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを上下方向にフラッピング運動させた際に、羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと連結して固定されていない弾性板材４部分が慣性によりたわんで屈曲することで、支持部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの上下運動よりも羽体３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの上下運動の角度が大きくなり、揚力を得やすい構成となっている。
【００３１】
例えば、図４（ａ）、（ｂ）に小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち上がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略図を示す。なお、本発明では後述のように支持部５ａ，５ｂは前後に傾動するが、図面では、羽体３ａ、３ｂの動きをわかり易くするために、支持部５ａ，５ｂは揺動支持軸７に固定された状態の動きを示す。
図４（ａ）は羽体３ａ、３ｂを上方向に限界まで動かした場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ１を示す。このフラッピング角度θ１は、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度に等しい。
一方、図４（ｂ）は羽体３ａ、３ｂを上方向に２５〜３５Ｈｚの速度で揺動させた場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ２を示す。図に示すように、上方向に弾性板材４がたわんで屈曲することで角度θ２は角度θ１に比べて大きくなる。
【００３２】
また、図５（ａ）、（ｂ）に小型飛翔装置１を前方向から見た場合の、フラッピング運動による立ち下がり時の羽体３ａ、３ｂの動きを表す概略図を示す。図面では、羽体３ａ、３ｂの動きをわかり易くするために、支持部５ａ，５ｂは揺動支持軸７に固定された状態の動きを示す。
図５（ａ）は羽体３ａ、３ｂを下方向に限界まで動かした場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ３を示す。このフラッピング角度θ３は、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度に等しい。
一方、図５（ｂ）は羽体３ａ、３ｂを下方向に２５〜３５Ｈｚの速度で揺動させた場合の羽体３ａ、３ｂのフラッピング角度θ４を示す。図に示すように、下方向に弾性板材４がたわんで屈曲することで角度θ４は角度θ３に比べて大きくなる。
【００３３】
以上のように、本発明に係る小型飛翔装置１では、前記支持体５ａ、５ｂの揺動角度以上に羽体３ａ、３ｂを上下にフラッピングさせることができるため、支持体５ａ、５ｂのフラッピング角度が小さくても、羽体３ａ、３ｂが十分な揚力が得られることから、前記支持体５ａ、５ｂの羽ばたき回転数を２５〜３５Ｈｚとしても飛翔することが可能になる。
なお、前記羽ばたき回転数で飛翔するには、本発明に係る小型飛翔装置１では、弾性板材４の素材の種類にもよるが、θ１＋θ３を２０〜４０°の範囲に調整することで、θ２＋θ４を８０〜９０°にすることができる。また、弾性板材４の素材としては、弾性を有する素材であればよく、特に限定はないが、例えば、塩化ビニル等の合成樹脂、カーボンシート等が挙げられる。なお、弾性板材４の厚みについては、前記羽体３がフラッピング運動およびフェザリング運動することが可能なようにたわむことができる程度の厚みであればよい。また、弾性板材４の大きさも、前記羽体３と前記支持体５とを連結させることができ、また、前後に配置された羽体３ａ、３ｃ又は羽体３ｂ、３ｄ同士のフラッピング運動やフェザリング運動を妨げないように配置されていればよい。
【００３４】
また、本発明に係る小型飛翔装置１では、前記羽体３の支持部５を前後に傾動可能に支持し、前記羽体３を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなる点にも一つの特徴がある。
【００３５】
前記傾動機構では、前記支持部５が支持本体２の軸方向に対して前後方向に傾動可能な状態であり、かつその傾動は、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制するための角度規制手段が設けられている。このような傾動機構としては、支持部５の構成により以下の２つの態様が挙げられる。
【００３６】
（第１の態様の傾動機構）
第１の態様の傾動機構は、図６に示すように、前記弾性板材４を固定する台部材２０と、前記台部材２０の両端に前記揺動支持軸７を挿通する一対の軸受け部材２１とを備えており、前記揺動支持軸７を中心に回動可能な、断面略コ状の支持部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（以下、５ａ等と略す）を有する。なお、図１〜５も第１の態様の傾動機構を備えた構造を記載した図面である。
また、前記軸受け部材２１の間に挿通された揺動支持軸７部分には、前記揺動支持軸７の軸方向に対して垂直方向にピン１４が挿通されて、前記揺動支持軸７と前記連結アーム１０が連結されている。
【００３７】
前記支持部５ａ等では、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制するための角度規制手段として、前記連結アーム１０とピン１４とが作用する。
具体的には、前記支持部５ａ等は、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように傾動する。なお、図７（ａ）は前記支持部５ａ等の台部材２０が支持本体２の軸方向と略平行の位置にある図である。
前記支持部５ａ等は、前記揺動支持軸７を中心にして前方向に回動すると、図７（ｂ）に示すように、前記連結アーム１０の上端部と台部材２０の下面とが接当してその動きが当止される。
また、前記支持部５ａ等は、前記揺動支持軸７を中心にして後方向に回動すると、図７（ｃ）に示すように、前記ピン１４と台部材２０の端部とが接当してその動きが当止される。
【００３８】
前記のような前記支持部５ａ等の傾動角度としては、前方向の角度については、０〜３０°、後ろ方向の角度については最大で４５〜６０°まで、それぞれ回動できるように設定していればよい。
【００３９】
前記のような傾動機構では、前記揺動機構により揺動支持軸７の上下動で生じるフラッピング運動の慣性力と連動することで、羽体３にフェザリング運動を生じさせることができる。
【００４０】
例えば、図７（ａ）の状態の羽体３のフラッピング運動による立ち上がり時に、前記羽体３は、空気の抵抗を受けて、図７（ｃ）に示すように、支持部５ａ等が傾動して、ピン１４が第１の接当部として作用してその傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により弾性板材４が図４（ｂ）に示すように上方向だけでなく後方向にもたわんで曲がることで、前記羽体３の位置が前記支持本体２の軸方向に対して鋭角ないし略垂直となる位置にまで達する。
次いで、フラッピング運動による立ち下がり時には、前記羽体３は、弾性板材４が有する形状を元に戻す力と下方向の慣性力により、図７（ｂ）に示すように支持部５ａ等が立ち上がり時と反対方向に傾動し、連結フレーム１０の上端部が第２の接当部として作用してその傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により弾性板体４が図５（ｂ）に示すように下方向だけでなく前方向にたわんで曲がる。ただし、フラッピング運動の立ち上がり時の羽体３の位置が前記支持体２の軸方向に対して鋭角ないしは略垂直になっているため、立ち下がり時の前記羽体３の位置は前記支持本体２の軸方向に対して略並行となる位置で傾動が止まることになる。
【００４１】
なお、図２〜図６に示された第１の態様の傾動機構では、前記連結アーム１０が揺動支持軸７の前方向に配置されているが、別の態様として、連結アーム１０が前記揺動支持軸７の後方向に配置されていてもよい。この場合、図７（ａ）〜（ｃ）に示される傾動機構は、右側が前方、左側が後方になる。
【００４２】
（第２の態様の傾動機構）
第２の態様の傾動機構は、図８、図９に示すように、断面略Ｖ字状に屈曲されたシート材２２を有し、該シート材２２の略Ｖ字内側面に前記揺動支持軸７が固定され、かつ前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて動くことができるヒンジ様のテープ材Ｔを備えた支持部５ａ’、５ｂ’、５ｃ’、５ｄ’（以下、５ａ’等と略す）で構成される。前記支持部５ａ’等において、テープ材Ｔは羽体３の実質的な支持部として作用し、シート材２２は羽体の角度変化を規制する角度規制手段として作用する。
【００４３】
前記シート材２２は図８に示すように、屈曲線側を前方向になるように配置していることが好ましい。また、前記揺動支持軸７を固定する部分については、前記ヒンジ様のテープ材Ｔが後述のように動くのを妨げない位置であればよい。
【００４４】
前記テープＴは、前記シート材２２と前記弾性板材４とに連結されている。例えば、前記テープ材Ｔの一部が前記略Ｖ字状内側面に接着され、該テープ材Ｔの残りの部分をシート材２２の内側の屈曲線に沿って折り曲げて、そのテープ材Ｔの折り曲げた部分に前記弾性板材４が接着される。シート材２２や前記弾性板材４とテープ材Ｔとの接着の仕方については、前記テープ材Ｔが前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いてヒンジのように動くことができるように接着すればよい。なお、前記シート材２２の素材としては、屈曲可能な素材であればよく、例えば、前記弾性体４と同じ素材でもよい。また、前記テープ材Ｔの素材としては、セロハンテープ等の粘着テープ等が挙げられる。
なお、前記テープ材Ｔ及びシート材２２の厚み、幅等については、軽量化と強度の観点から、適宜設定すればよい。
【００４５】
前記支持部５ａ’等では、前記羽体３が前記支持本体２の軸と略平行となる位置と、該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段として、前記シート材２２の上面２３と下面２４が作用する。
具体的には、前記支持部５ａ’等では、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにテープ材Ｔが傾動する。なお、図９（ｃ）は、前記支持部５ａ’等を有する傾動機構を備えた飛翔装置１を前方向から見た概略図であり、図９（ａ）、（ｂ）は図９（ｃ）の前記傾動機構の断面を示す概略図である。図９（ａ）、（ｂ）では、支持部５ａ’での動きをわかり易くするために羽体３は除いて示している。
【００４６】
前記支持部５ａ’でテープ材Ｔと接着された弾性板材４は、図９（ａ）に示すように、前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて上方向に動くと、上面２３に接当してその動きが当止され、図９（ｂ）に示すように前記シート材２２の内側の屈曲線を軸に弧を描いて下方向に動くと下面２４に接当してその動きが当止されるため、前記弾性板材４が前後方向に傾動することになる。
【００４７】
前記の第２の傾動機構では、前記揺動機構により揺動支持軸７の上下動で生じるフラッピング運動の慣性力と連動することで、羽体３にフェザリング運動を生じさせることができる。
【００４８】
例えば、羽体３のフラッピング運動による立ち上がり時に、図９（ｂ）に示すように弾性板材４がシート材２２の下面２４に接した状態になり、下面２４が第１の接当部として作用して傾動が当止される。この場合、羽体３の重みとその慣性力により、弾性板材４は、図４（ｂ）に示すように上方向だけでなく後方向にもたわんで曲がり、前記羽体３の位置が前記支持本体２の軸方向に対して鋭角ないし略垂直となる位置にまで達する。
次いで、フラッピング運動による立ち下がり時には、前記羽体３は、弾性板材４の形状を元に戻す力と慣性力により、図９（ａ）に示すように弾性板材４がシート材２２の上面２３に接した状態になり、上面２３が第２の接当部として作用して傾動が当止される。この場合、フラッピング運動の立ち下がり時の前記羽体３のフェザリング角度は前記支持本体２の軸方向に対して略並行となる位置で傾動が止まる。
【００４９】
前記のような前記支持部５ａ’の傾動角度としては、前記シート材２２の略Ｖ字内面の折り曲げ角度を、最大で４５〜６０°に設定すればよい。
【００５０】
以上のような揺動機構と傾動構成を備えことで、本発明に係る小型飛翔装置１は、実物のトンボのような形状、大きさでトンボのような羽ばたき周波数で飛翔することが可能となる。
【００５１】
また、前記飛翔装置１の飛翔は、前記羽ばたき周波数を変えることで、フラッピングやフェザリングの角度を調整したり、場合によっては、磁石等で腹部と脚部１８を動かして、飛翔装置１における重心の位置を変えることで、調整することができる。
【００５２】
次に、オニヤンマ型の飛翔装置１の詳細な部材の構成について説明する。
飛翔装置１の支持本体２は、略実物サイズの形状で全長１２０ｍｍ、重量０．３ｇとした。この支持本体２は、オニヤンマの画像を３次元ＣＡＤにより立体化し、その形状をもとに梁とシート状の極めて薄い部分からなる軽量で強度を保持した構造とした。そして、この３次元ＣＡＤのデータを基に３次元プリンタによりアクリル系光硬化型樹脂により製作した。
羽部３は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により、厚さ１００μｍのＳｉ基板を微細加工して、略実物サイズの形状で４枚の羽部の総重量を０．２ｇとした。
弾性板材４には厚み０．２ｍｍの塩化ビニル樹脂またはカーボンシートを使用した。
駆動モータ８は、重量０．６ｇのダイデル社製のコアレスモータ使用した。
前記ギア１１（ギア比１：５）、回転ギア１２、クランク１３、連結アーム１０等の重量は、約０．５ｇである。
電子回路基板１６は、東光電気製の赤外線受信機基板ＩＲＸ３０３Ｆを削り、重量０．２ｇにした。
また、電池１５は、Ｌｉポリマー電池であり、東光電気製ＦＲ１０（１０ｍＡｈｒ）で重量は０．３７ｇである。また、制御用の電磁石はＰｌａｎｔｒａｃｏ社製ＨＩＮＧＥＡＣＴを削り１個で重量０．１５ｇにした。これらのような部材を用いて、飛翔装置１の総重量を、２．３２ｇとした。
【符号の説明】
【００５３】
１ 飛翔装置 ２ 支持本体
３ 羽体 ４ 弾性板材
５ 支持部 ６ 支持軸
７ 揺動支持軸 ８ 駆動モータ
９ 回転体 １０ 連結アーム
１１ ギア １２ 回転ギア
１３ クランク部 １４ ピン
１５ 電池 １６ 電子回路基板
１７ 胸部 １８ 脚部
１９ 支持板 ２０ 台部材
２１ 軸受け部材 ２２ シート材
２３ 上面 ２４ 下面
Ｔ テープ材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、
前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、
前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、
前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることを特徴とする飛翔装置。
【請求項２】
前記傾動機構に、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けてなる請求項１記載の飛翔装置。
【請求項３】
前記角度規制手段が、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有する請求項２記載の飛翔装置。
【請求項１】
前後に長い支持本体に、上下揺動可能に支持される左右の羽体を前後方向に単又は複数設けてなる小型飛翔装置であって、
前記羽体の支持部を上下に揺動して羽体をフラッピング運動させる揺動機構を設け、
前記羽体の基端側を弾性板材を介して前記支持部に連結するとともに、
前記羽体の支持部を前後に傾動可能に支持し、前記羽体を前記フラッピング運動の慣性力により該フラッピング運動に連動してフェザリング運動させる傾動機構を設けてなることを特徴とする飛翔装置。
【請求項２】
前記傾動機構に、前記羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置と該軸に鋭角ないし略垂直となる位置との間で角度変化を規制する角度規制手段を設けてなる請求項１記載の飛翔装置。
【請求項３】
前記角度規制手段が、前記羽体のフラッピング運動による立ち上がり時に該羽体が前記支持本体の軸と鋭角ないし略垂直となる位置で前記支持部の傾動を当止する第１の接当部と、前記羽体のフラッピング運動による立ち下がり時に該羽体が前記支持本体の軸と略平行となる位置で前記支持部の傾動を当止する第２の接当部とを有する請求項２記載の飛翔装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１９５０５０（Ｐ２０１１−１９５０５０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６４８０４（Ｐ２０１０−６４８０４）
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（３９００２０１８９）ユーハ味覚糖株式会社 (242)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１９日（２０１０．３．１９）
【出願人】（３９００２０１８９）ユーハ味覚糖株式会社 (242)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]