羽ばたき型小型飛翔体
【課題】上下方向及び／又は左右方向の飛行を制御することができる羽ばたき型小型飛翔体を提供すること、及び前記の動きに加えて、水平飛行及びホバリングなどの飛行タイプを調整することができる羽ばたき型小型飛翔体を提供すること。
【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羽ばたき型小型飛翔体であって、前記支持本体の中央部付近に、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ及び／又は横方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第１及び第２アクチュエータには錘が接続されており、前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向及び／又は左右方向に偏るように調整することで上下、左右の方向へ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羽ばたき型小型飛翔体であって、前記支持本体の中央部付近に、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ及び／又は横方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第１及び第２アクチュエータには錘が接続されており、前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向及び／又は左右方向に偏るように調整することで上下、左右の方向へ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羽ばたいて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、ヘリコプ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】
しかしながら、トンボと類似の形状の前記羽ばたき飛翔装置には、尾翼がないことから、飛行姿勢の調整が難しいという問題があった。
【０００５】
羽ばたきする小型の飛翔装置の姿勢制御については、たとえば、胴体の左右位置に、それぞれ羽ばたき翼を設けて、該各羽ばたき翼を独立に駆動して羽ばたき作動ができるようにし、且つ上記胴体の所要位置に、錘の移動に伴って機体重心の位置を変異させることができるようにしてある重心移動装置を設けてなり、上記左右の各羽ばたき翼より作用する導体への揚力作用位置に対する機体重心の相対的な位置を制御することにより、上記胴体とともに左右の各羽ばたき翼の迎角を所要角度に保持しながらそれぞれ羽ばたき作動させて飛行できるようにした構成を有することを特徴とする小型飛行装置が記載されている（特許文献１）。前記重心移動装置は、直線状に延びるガイド部材の任意の位置へスライダを移動させることができるようにしてある２つの重心移動アクチュエータを、胴体の前後方向と左右幅方向に沿うよう配置すると共に、一方の重心移動アクチュエータのスライダに、他方の重心移動アクチュエータのガイド部材を取り付け、且つ該他方の重心移動アクチュエータのスライダに、錘を取り付けてなるものとし、上記各重心移動アクチュエータにより、錘を、胴体の前後方向及び左右方向へ移動させて、機体重心の位置を胴体の前後左右方向に変位できるものとしている。しかし、この配置では、錘をスライドするためのスペースを確保する必要があり、実物のトンボと同じサイズの小型の飛翔装置で採用することは構造的に難しいという問題、また、スライダによる重心移動は時間が掛かり瞬時に姿勢を制御することが難しいという問題があり、実用的ではなかった。
【０００６】
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２、３）。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、上下方向又は左右方向の飛行の制御を羽体の動きで行っているが、安定した飛行を行うにはさらなる検討が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４２９１３号公報
【特許文献２】特開２００９−１９０６５１号公報
【特許文献３】特開２００９−２４０５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記のような事情に鑑み、上下方向及び／又は左右方向の飛行を制御することができる羽ばたき型小型飛翔体を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の動きに加えて、水平飛行及びホバリングなどの飛行タイプを調整することができる羽ばたき型小型飛翔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】
【０００９】
本発明の第１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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力で前後方向に移動する第１アクチュエータが取り付けられ、第１アクチュエータには錘が接続されており、
前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向に偏るように位置を調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１０】
また、本発明の第２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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力で左右方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第２アクチュエータには錘が接続されており、
前記第２アクチュエータが左右方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の左右方向に偏るように位置を調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１１】
本発明の第３は、前記のような電磁力で前後方向に移動する第１アクチュエータと電磁力で左右方向に移動する第２アクチュエータとを共に備えた羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１２】
前記羽ばたき型小型飛翔体の支持本体には、支持体の姿勢と速度を検出するセンサを設け、センサと前記第１又は第２アクチュエータとを電気的に接続させて、センサの出力信号を前記第１又は第２アクチュエータに電気的に伝えることが好ましい。
【００１３】
また、前記羽ばたき型小型飛翔体の前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えて、飛行制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
第１の本発明の係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記錘を第１アクチュエータにより前後方向に移動することで、前記羽ばたき型小型飛翔体の重心位置が前後に移動されて、羽ばたき型小型飛翔体の姿勢を変えて安定した揚力と推進力を得ることができる。また、前記錘を移動させることで、前記羽ばたき型小型飛翔体の上下の飛行方向を調整して、例えば、ホバリングや水平方向だけでなく、急上昇、急降下のような上下方向に飛行することも可能にする。
【００１５】
第２の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記錘を第２アクチュエータにより左右方向に移動することで、前記羽ばたき型小型飛翔体の重心位置が左右に移動されて、飛行中の羽ばたき型小型飛翔体の左右方向の姿勢を制御するだけでなく、急旋回のような左右方向の飛行も可能にする。
【００１６】
第３の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記のような第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを共に備えていることで、羽ばたき型小型飛翔体の上下左右方向の飛行を調整することができる。
【００１７】
第１〜第３の羽ばたき型小型飛翔体では、前記センサを備えることで、羽ばたき型小型飛翔体の姿勢が確認できるため、羽ばたき方小型飛翔体の上下及び左右方向の飛行の制御をより的確に行うことが可能になる。
【００１８】
また、第１〜第３の羽ばたき型小型飛翔体では、前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えることで、羽体の羽ばたきの周期を変動させて、水平飛行やホバリングのような飛行のタイプを自在に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの全体構成の概略と、飛行時の姿勢を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの上方向に飛行する姿勢の１例の概略を示す図である。図２（ｂ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの下方向に飛行する姿勢の１例の概略を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ｂの全体構成の概略と、飛行時の錘５の位置を示す図である。図３（ａ）は直進、図３（ｂ）は左方向、図３（ｃ）は右方向への飛行を示す図である。
【図４】図４は、第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂを備えた小型飛翔体１Ｃ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５】図５は、図４とは別の態様の、小型飛翔体１Ｄ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６】図６は、飛行時の小型飛翔体１Ａに働く力を示す図である。
【図７】図７は、揚力係数ＣL又は抗力係数ＣDと迎角との関係を示す図である。
【図８】図８は、羽体を上下に揺動させる機構の概略説明図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔体が前進して飛行する場合の羽ばたき方と前後の羽体の位相差角の違いと生じる揚力の大きさを示す図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔体がホバリングしながら飛行する場合の羽ばたき方と前後の羽体の位相差角の違いと生じる揚力の大きさを示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、クランク部１７と連結アーム１３との軸支部分の位置が変動する機構の概略説明図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す機構を備えた小型飛翔体１Ｅ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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１（ａ）に第１の本発明である羽ばたき型小型飛翔体１Ａの概略を示す。小型飛翔体１Ａに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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００２２】
なお、以下の説明では、複数の羽を持つ昆虫型の飛翔装置として、トンボ型の飛翔体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体であってもよい。
【００２３】
図１（ａ）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３を前後方向に２対設けてなる羽ばたき型小型飛翔体１Ａを示している。
前記羽体３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。
【００２４】
前記羽体３は、支持本体２の形状にあわせたものであればよい。例えば、支持本体２の形状がトンボを模していれば、羽体３は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とが好ましい。このような形状の羽体３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３としては、前記特許文献３に記載の翼体が挙げられる。
【００２５】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａが取り付けられ、第１アクチュエータ４ａには錘５が接続されている。
【００２６】
前記第１アクチュエータ４ａを設置する位置は、小型飛翔体１Ａの支持本体２の中央部付近であればよい。ここで、中央部付近とは、小型飛翔体１Ａの羽体３の付近であればよいが、小型飛翔体１Ａの重心付近に設置することで、錘５の移動に伴う重心移動により飛行を制御し易くすることができるので好ましい。また、第１アクチュエータ４ａは錘５を移動するためのスペースが必要であるため、支持本体２の下部に設置されることで、他の部分に支障なく錘５を移動することができる。錘５付近の支持本体２は、錘５を移動するスペースだけ開口していてもよいし、支持本体２内に錘５が収容されていてもよい。
【００２７】
前記第１アクチュエータ４ａは、電磁力で前後方向に直動し、かつ前、後の２点又は前、後、中央の３点で動きを止めることができるアクチュエータであればよい。第１アクチュエータ４ａの停止位置が多いだけ、小型飛翔体１Ａの飛行をより細かく制御することができる。
【００２８】
小型飛翔体１Ａでは、前記第１アクチュエータ４ａに錘５が接続されていて、第１アクチュエータ４ａの動きにあわせて、錘５も位置を変えることができる。
錘５は、所定の重さのある固形物であればよいが、小型飛翔体１Ａを動かすための電池を用いれば、小型飛翔体１Ａ内に電池用のスペースを設ける必要なくなり、省スペース化を図ることができる。前記電池は、小型飛翔体１Ａにおいて、例えば、羽体３を動かすモータ、モータの動きや第１アクチュエータ４ａの動きを制御する制御基板、さらには各種センサ用の電源として使用される。
【００２９】
第１アクチュエータ４ａと錘５とは固着して接続してもよいが、接続部材６を介して第１アクチュエータ４ａと錘５とを接続することで、第１アクチュエータ４ａの動きの幅よりも、接続部材６の長さの分だけ錘５の動きの幅を大きくすることができ、さらに接続部材６がたわめばその分だけさらに錘５の動きの幅を大きくすることができる。前記接続部材６としては、テープ材、合成樹脂材などのうち軽くて柔軟な部材が挙げられる。接続部材６の形状としては特に限定はない。
【００３０】
前記錘５の前後方向への移動に伴い、小型飛翔体１Ａの重心の位置が変化することで、推進力や揚力の関係が変化して、上昇、下降などの飛行を行うことができる。
【００３１】
例えば、図１（ａ）に示す状態で、小型飛翔体１Ａが水平方向に直進して飛行する場合、空力中心（迎角が変化してもモーメントが変化しない点、風圧中心ともいう）と重心とが一致している。この場合、第１アクチュエータ４ａは中央の位置で停止している。
なお、図１（ａ）〜（ｃ）では、錘５の動きを見易くするため、前後の羽体３はいずれも上方向に持ち上がった状態で示している。
【００３２】
次いで、第１アクチュエータ４ａを後方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が後方向に移動する（図１（ｂ））。このように錘５が後方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も後ろに移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、図１（ｃ）に示すように、小型飛翔体１の前方部分が上方向に傾くことで、小型飛翔体１Ａは上方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ａにおいて、錘５の後方への移動を行うと、小型飛翔体１Ａは急上昇を行うことができる。また、羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の周期を変えれば、小型飛翔体１Ａの前方部分が上に傾いた状態で、所望の位置で水平飛行させたり、ホバリングを行うこともできる。
【００３３】
図１（ｃ）のように進行方向に対して小型飛翔体１の前方部分が上がると重心が後方に移動し、空力中心は前進して、重心の周りに時計方向のモーメントを受ける。その場合、図２（ａ）に示すように第１アクチュエータ４ａを再び前方向に移動して、錘５を前方に移動させ、重心と空力中心の位置を再び近づけることで前記モーメントを打ち消して、小型飛翔体１Ａを水平状態に戻すことができる。
【００３４】
次に、上記の場合とは反対に、前記第１アクチュエータ４ａを前方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が前方向に移動する（図示せず）。このように錘５が前方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も前に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、上記の場合とは反対に、小型飛翔体１の前方部分が下方向に傾くことで、小型飛翔体１Ａは下方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ａにおいて、錘５の前方への移動を行うと、小型飛翔体１Ａは急降下を行うことができる。また、羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の周期を変えれば、小型飛翔体１Ａの前方部分が下に傾いた状態で、所望の位置で水平飛行させたり、ホバリングを行うこともできる。
【００３５】
進行方向に対して小型飛翔体１の前方部分が下がるように重心が前方に移動すると、空力中心は後退して、重心の周りに反時計方向のモーメントを受ける。その場合には、図２（ｂ）に示すように第１アクチュエータ４ａを再び後方向に移動して、錘５を後方に移動させ、重心と空力中心の位置を再び近づけることで前記モーメントを打ち消して、小型飛翔体１Ａを水平状態に戻すことができる。
【００３６】
次に、図３（ａ）に第２の本発明である羽ばたき型小型飛翔体１Ｂの概略を示す。小型飛翔体１Ｂには小型飛翔体１Ａと同様に、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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００３７】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂが取り付けられ、第２アクチュエータ４ｂには錘５が接続されている。
【００３８】
前記第２アクチュエータ４ｂを設置する位置は、前記第１アクチュエータ４ａと同様に、小型飛翔体１Ｂの支持本体２の中央部付近であればよい。小型飛翔体１Ｂの重心付近に第２アクチュエータ４ｂを設置することで、左右への重心移動をし易くして左右の飛行を制御し易くすることができるので好ましい。また、第２アクチュエータ４ｂは錘５を移動するためのスペースが必要であるため、支持本体２の下部に設置されることで、他の部分に支障なく錘５の移動を行うことができる。錘５付近の支持本体２は、錘５を移動するスペースだけ開口していてもよいし、支持本体２内に錘５が収容されていてもよい。
【００３９】
前記第２アクチュエータ４ｂは、電磁力で左右方向に直動し、かつ左、右の２点又は左、右、中央の３点で動きを止めることができるアクチュエータであればよい。第２アクチュエータ４ｂの停止位置が多いだけ、小型飛翔体１Ｂの飛行をより細かく制御することができる。
【００４０】
小型飛翔体１Ｂでは、前記第２アクチュエータ４ｂに錘５が接続されていて、第１アクチュエータ４ｂの動きにあわせて、錘５も位置を変えることができる。
錘５は、所定の重さのある固形物であればよいが、小型飛翔体１Ｂを動かすための電池を用いれば、小型飛翔体１Ｂ内に電池用のスペースを設ける必要なくなり、省スペース化を図ることができる。前記電池は、小型飛翔体１Ｂの羽体３を動かすモータ、モータの動きや第１アクチュエータ４ｂの動きを制御する制御基板、さらには各種センサ用の電源として使用される。
【００４１】
第２アクチュエータ４ｂと錘５とは固着して接続してもよいが、第１アクチュエータ４ａと同様に接続部材（図示せず）を介して第２アクチュエータ４ｂと錘５とを接続することで、第２アクチュエータ４ｂの動きの幅よりも、接続部材の長さの分だけ錘５の動きの幅を大きくすることができ、さらに接続部材がたわめばその分だけさらに錘５の動きの幅を大きくすることができる。前記接続部材としては、テープ材、合成樹脂材などのうち軽くて柔軟な部材が挙げられる。
【００４２】
前記錘５の左右方向への移動に伴い、小型飛翔体１Ｂの重心の位置が変化することで、小型飛翔体１Ｂの姿勢が左右に変化して、右方向、左方向への飛行を行うことができる。
【００４３】
例えば、図３（ａ）に示す状態で、小型飛翔体１Ｂが水平方向に直進して飛行する場合、空力中心と重心とが一致している。この場合、第２アクチュエータ４ｂは中央の位置で停止している。
なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、錘５の動きを見易くするため、前後の羽体３はいずれも水平方向に固定された状態で示している。
【００４４】
次いで、第２アクチュエータ４ｂを左方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が左方向に移動する（図３（ｂ））。このように錘５が左方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も左に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、図３（ｂ）に示すように、小型飛翔体１の姿勢が左側に傾くことで、小型飛翔体１Ｂは左方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ｂにおいて、錘５の左方向への移動を行うと、小型飛翔体１Ｂは左側に急旋回を行うことができる。
【００４５】
前記のように左方向に旋回している小型飛翔体１Ｂにおいて、第２アクチュエータ４ｂの位置を中央に再び移動すれば、錘５も小型飛翔体１Ｂの中央付近に戻ることで、小型飛翔体１Ｂの姿勢を図３（ａ）に示すように直進の水平状態に戻すことができる。
【００４６】
次に、上記の場合とは反対に、前記第２アクチュエータ４ｂを右方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が右方向に移動する（図３（ｃ））。このように錘５が右方向に移動することで、小型飛翔体１Ｂの重心も右側に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、上記の場合とは反対に、小型飛翔体１Ｂの姿勢が右側に傾くことで、小型飛翔体１Ｂは右方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ｂにおいて、錘５の右側への移動を行うと、小型飛翔体１Ｂは右側に急旋回を行うことができる。
【００４７】
前記のように右方向に旋回している小型飛翔体１Ｂにおいて、第２アクチュエータ４ｂの位置を中央に再び移動すれば、錘５も小型飛翔体１Ｂの中央付近に戻ることで、小型飛翔体１Ｂの姿勢を図３（ａ）に示すように直進の水平状態に戻すことができる。
【００４８】
次に、前記第１アクチュエータ４ａ、前記第２アクチュエータ４ｂを共に備えた第３の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体１Ｃの概略を図４に示す。
小型飛翔体１Ｃには小型飛翔体１Ａ、１Ｂと同様に、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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００４９】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａ、左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂが取り付けられている。前記第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂにはそれぞれ錘５が接続されている。
第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂを動かすことで、前記小型飛翔体１Ａと同じように上下方向、さらには急上昇、急降下などの飛行を行い、かつ、小型飛翔体１Ｂと同じように左右方向、さらには左右への旋回などの飛行の調整を自在に行うことができる。
【００５０】
図４の小型飛翔体１Ｃでは、第１アクチュエータ４ａが前後の羽体３の間の下部、第２アクチュエータ４ｂが後ろの羽体３の後方の下部にそれぞれ設置されているが、第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂの位置は入れ替えてもよいし、小型飛翔体１Ｃの別の中央付近にそれぞれ設置してもよい。
【００５１】
前記第１アクチュエータ４ａ、前記第２アクチュエータ４ｂを共に備える別の態様として、図５に示す小型飛翔体１Ｄでは、前後の羽体３の間の下部に第１アクチュエータ４ａを設置し、その下に第２アクチュエータ４ｂを接続し、第２アクチュエータ４ｂに錘５を接続している。前記第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂの位置は入れ替えてもよい。このようにアクチュエータを重ねて設置する場合、錘５は１つでよい。
【００５２】
また、図４、図５では、第１、第２および第３の本発明に係る小型飛翔体に共通する主要な構成の一例を詳しく示している。
前記支持本体２は、頭部、胸部、尾部及び脚部を供えた成虫のトンボを模した外形を有しており、前記胸部は１本の支持軸７で構成し、全ての羽体３を揺動支持軸８によって支持している。なお、前記支持軸７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２、３に記載の構造を採用すればよい。
【００５３】
前記支持本体２に対して前後に配置されて、さらに左右にも配置されている羽体３はいずれも、その基端側で弾性板材９を介して支持部１０にそれぞれ連結されている。支持部１０とは、前記羽体３を支持する部材である。
【００５４】
図４、５では、支持部１０が支持本体２の長軸方向に対して上下に揺動して、羽体３をフラッピング運動させる揺動機構が設けられている。
【００５５】
前記揺動機構は、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８と、駆動モータ１１と、該駆動モータ１１によって回転する回転体１２と、該回転体１２と前記揺動支持軸８とを連結する連結アーム１３とから構成される。
【００５６】
前記揺動支持軸８は、その一端側が前記支持軸７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８と連結アーム１３とは、ピン１４によって軸支されている。
【００５７】
前記駆動モータ１１には、ギア１５が設けられ、当該ギア１５を介して回転体１２を回転させる。前記回転体１２には、前記ギア１５を介して回転する回転ギア１６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１７が設けられている。クランク部１７の適当な位置には前記連結アーム１３が軸支されており、このクランク部１７が前記回転軸芯を中心に回動すると、クランク部１７と連結アーム１３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１３が軸支した前記揺動支持軸８が上下方向に揺動する。なお、クランク部１７の構造及び連結アーム１３とクランク部１７の軸支する位置については、前記支持体１１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１７の具体的な構成については、前記特許文献２に準じて設定すればよい。
【００５８】
また、前記揺動機構では、揺動支持軸８を上下方向に揺動させればよいため、前記揺動支持軸８を軸支する連結アーム１３は１本でよく、特許文献２、３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。
【００５９】
また、前記駆動モータ１１に電力を供給する電池は、前記錘５として配置される。なお、図４に示すように、第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂとがそれぞれ異なる錘５と接続している場合、２つの錘５のうちいずれか一方が電池で構成されていればよいし、２つとも電池で構成されていてもよい。前記駆動モータ１１、第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂ等を制御するための電子回路基板１８がトンボの形状を模した支持本体２の胸部から尾部にかけての部分に収納されているが、電子回路基板１８の位置は特に限定はない。
なお、図４、５の図面では、電力線や信号線の記載を省略している。
また、前記支持軸７とクランク部１７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。
【００６０】
また、本発明に係る前記小型飛翔体１Ａ〜ＡＤにおいて、前記支持本体２の姿勢と飛行速度を検出するセンサを設けることで、センサの出力信号から前記第１アクチュエータ１ａ及び／又は第２アクチュエータ１ｂを制御することができる。
【００６１】
前記センサとしては、小型飛翔体に設置できるサイズと小型飛翔体の飛行に支障が出ない重量のものであればよい。例えば、小型飛翔体１の姿勢を検出するためのセンサとしては、市販の軽量センサ、例えば、オムロンの重量０．２１ｇのマイクロ傾斜センサＤ６ＢＮが挙げられる。このセンサにより、水平姿勢から傾いた姿勢の傾斜角がわかれば、電子回路基板１８から飛行速度も算出することができるが、飛行速度を検出するための市販のセンサを別に用いてもよい。
【００６２】
前記センサは、性能に応じて支持本体２に１つ設置してもよいし、姿勢を確認するためのセンサと飛行速度を検出するためのセンサをそれぞれ２つ又はそれ以上を設置してもよい。
また、センサを設置する場所としては、前記第１アクチュエータ４ａ及び第２アクチュエータ４ｂに電気的に接続できる位置であればよく、特に限定はない。
【００６３】
また、本発明の小型飛翔体を実際に飛行させている場合には、進行方向に対して、風などの何らかの影響で、機体に働く空力中心が重心から移動し、小型飛翔体が回転してしまうことがある。
そのような場合にも、前記センサが支持本体２に設置されていれば、センサの出力信号に基づいて前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａ、左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂをそれぞれ適切に移動させて錘５の位置を変えることで、重心を空力中心に移動させ、機体に働く回転するモーメントを打ち消し、飛行を安定させることができる。
【００６４】
さらに、上昇、降下、左右への旋回のように、機体の姿勢を変える場合、第１アクチュエータ４ａ又は第２アクチュータ４ｂにより錘５を移動させ空力中心に対し重心を飛行したい向きに移動させるが、その場合の傾斜角度の検出は、姿勢を検出するセンサで検出し、その出力電圧によりアクチュエータ４ａ又は第２アクチュエータ４ｂの傾き角度を所望の角度に制御することができる。また、前記電子回路基板１８に傾斜角度の検出信号を入力し、傾斜角度から加速度と速度を検出し、機体の傾きを変えてホバリングさせることもできる。
【００６５】
ここで、羽ばたいて飛行している小型飛翔体１Ａでは、図６に示すように、推進力Ｔ、揚力Ｌ、重力Ｗ、抗力Ｄ、空力合力Ｆが発生しておりそれぞれの力が釣り合っている。
【００６６】
そして、小型飛翔装置１Ａは、羽体３を上下に羽ばたかせていて羽体３に作用する空気の流れとの羽体３とがなす角度に相当する迎角αが常に変化していることから、揚力Ｌと抗力Ｄは、以下の式（１）、式（２）に示すように変化する。
【数１】
【００６７】
【数２】
【００６８】
ρ：空気密度，Ｓ：翅の面積 Vr：翅に対する空気流の相対速度｜Vr｜
α：空気学的迎角 ＣL：αの関数で表された揚力係数 ＣD：αの関数で表された抗力係数である。
なお、前記式（１）における揚力係数ＣLと前記式（２）における抗力係数ＣDは図７に示すように変化する。
【００６９】
ここで、前記小型飛翔体１Ａが水平飛行する場合、機体の重量Ｗと揚力Ｌが釣り合っており、Ｌ＝Ｗとすると式（１）より、飛翔体１の進行方向への飛行速度Ｖｈは以下の式（３）で計算される。
【００７０】
【数３】
【００７１】
また、前記小型飛翔体１Ａが水平方向に対して左右いずれかの方向に向かって角度βだけに傾いている場合、前記飛翔体１の上下方向への飛行速度Ｖβは式（４）から求められる。
【００７２】
【数４】
【００７３】
ここで、翼体３の迎角αを大きくしていくとＣLは増大し、小型飛翔体１Ａの飛行速度ＶAはＣLが最大となるときに最小となり、前記小型飛翔体１Ａは最小速度Ｖｓ、Ｖβ以上であれば飛ぶことができる。
【００７４】
なお、水平飛行での最小速度Ｖｓは以下の式（５）で求められる。
【００７５】
【数５】
【００７６】
また、傾き角βでの最小速度は以下の式（６）で求められる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
上記の最小速度Ｖｓと水平線に対する角度βを満たすと、機体を上下方向に移動させ、飛行が可能となる。
【００７９】
前記のような力関係に基づいている本発明の小型飛翔体は、複数の羽体３を羽ばたかせて飛行している。
【００８０】
羽体３を上下に動かす揺動機構には、図８に示す傾動機構が設けられていてもよい。前記傾動機構は、前記弾性板材９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８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８を中心に回動可能な、断面略コ状の支持部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（以下、１０ａ等と略す）を有する。なお、図４、５も同じ構造の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８部分には、前記揺動支持軸８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８と前記連結アーム１３が連結されている。
【００８１】
前記支持部１０ａ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１３とピン１４とが作用する。
【００８２】
前記のような前記支持部１０ａ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。
【００８３】
前記のような傾動機構は、上下方向の揺動機構により揺動支持軸８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。
【００８４】
なお、図４、５、８に示された態様の傾動機構では、前記連結アーム１３が揺動支持軸８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１３が前記揺動支持軸８の後方向に配置されていてもよい。
【００８５】
前記揺動機構により、前の羽体３と後ろの羽体３とは上下に周期的に位置を変えることで羽ばたきを行っているが、前後の羽体３の動きの周期は、例えば、前進する場合と空中で停止しているホバリングを行っている場合とでは相違している。したがって、前の羽体３と後の羽体３との位相差角（タイミング）はそれぞれ別である。
【００８６】
例えば、前進する場合の前後の羽体の位相差角の概略図を図９（ａ）に示す。左が前方向、右が後方向であり、上図と中図の四角のバーが羽体の高さと向きを示し、下図が前後の羽ばたきから得られる揚力などの力の大きさを示す。
（１）前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角（タイミング）を９０°以上２７０°以内に近づけた場合、後の羽体３は前の羽体３から空気流（風）が強く受けないので、前の羽体３と同じように、下げ時に機体と水平になり、立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取る。
この場合、図９（ａ）の下図に示すように、前の羽体３の羽ばたきで生じる前方から空気流（風）受けて、後の羽体３が水平の向きにフェザリングし、特に羽ばたき後の羽体３は水平に羽ばたくので、図９（ｂ）に示すように前後の羽体３が一体となった羽ばたきにより推進力を得て速度が上がる。この（１）のタイミングでは前後の羽体３の水平な羽ばたきが繰り返されて大きな推進力が得られて小型飛翔体は前進する。
【００８７】
次いで、ホバリングする場合の前後の羽体３の位相差角の概略図を図１０（ａ）に示す。
（２）小型飛翔体１が低速度で飛行していたり、空中で停止しているホバリング時には、後の羽体３は前方から強い空気流（風）受けないので、立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取る。例えば、前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角を９０°以内に近づけた場合、後の羽体３は前の羽体３から空気流（風）強く受けるので、羽体３の向きはフェザリング時に水平となる。前後の羽体３が立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取ると空気流は前方も若しくは下に流れ、図１０（ｂ）に示すように、前進と後進の推進力が交互に繰り返されることで、小型飛翔体１は前進を妨げられるホバリング状態となる。
【００８８】
前記のような前後の羽体３の位相差の位置を変換する手段としては、図１１（ａ）に示すように、前記揺動機構において、後の羽体３に係る２本の連結アーム１３が軸支するクランク部１７に設ける角度を、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６０°〜１８０°にずれるようにクランク部１７を形成して後の羽体３に係る２本の連結アーム１３の軸支する位置（ａ、ｃ）を位置（ｂ、ｄ）に相互に変動可能にすることが挙げられる。このように、後の羽体３の連結アーム１３の軸支部分が変化することで、後の羽体３の羽ばたきのタイミングが変化して、前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角を調整することができる。
【００８９】
また、前記連結アーム１３の位置の変動は、図１１（ｂ）に示すように、小型飛翔体１Ｅの後の羽体３を動かす２本の連結アーム１３に、直動する第３アクチュエータ４ｃを取り付けて、該第３アクチュエータ４ｃを動かすことによりクランク部１７における連結アーム１３の軸支位置を変動させることで行うことができる。前記第３アクチュエータ４ｃの動きは電子回路基板２０により制御することができる。なお、図１１（ｂ）では、第３アクチュエータ４ｃなどの動きを見易くするために、前記第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂとは図示していないが、例えば、第３アクチュエータ４ｃの下方に第１アクチュエータ４ａ及び／又は第２アクチュエータ４ｂを設けることは可能であるし、３つのアクチュエータをそれぞれ別の位置に設けることも可能である。
【００９０】
以上のような構成を備えことで、本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体は、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り、上昇、下降、旋回などの前進飛行や、姿勢を変えてのホバリングも遠隔操作で自由に行うことが可能となる。
【００９１】
次に、図１に示すように１つの電磁アクチュエータを重ねたオニヤンマ型の小型飛翔体１Ａの詳細な部材の構成について説明する。
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。
小型飛翔体１Ａは、翼長１５０ｍｍ、機体長１５０ｍｍ、全重量２．０ｇとした。
前記小型飛翔体１Ａに使用するリチュウムポリマー電池の重量は０．８ｇで全重量の４０％に相当するため、錘５とし、重量０．２ｇ電磁アクチュエータ４ａに接続し前後に変位させると図１のようにトンボの重心が前後に移動した。
また、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。
また、小型飛翔体１Ａの他の各部は、図４に示すようにした。
駆動モータ１１は、重量０．３ｇのシコウ技研社製のコアレスモータ使用した。
電子回路基板１８は、東光電気製の赤外線受信機基板ＩＲＸ３０３Ｆを削り、重量０．１５ｇにした。
前記ギア１５（ギア比１：３）、回転ギア１６、クランク部１７、連結アーム１３等の残りの各部を組み立てて、小型飛翔体１Ａの総重量を、２.０ｇとした。
【００９２】
また、前記の小型飛翔体１Ａにおいて電磁アクチュエータ４ａの動く方向を９０°回転して設置すれば、第２アクチュエータとして横方向に重心を移動することができるし、電磁アクチュエータ４ａの下に別の電磁アクチュエータを動く方向を９０°回転して設置し、その下に錘５である電池を接続することで前後、左右に重心を移動することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１Ａ １Ｂ １Ｃ １Ｄ １Ｅ 小型飛翔体
２ 支持本体
３ 羽体
４ａ 第１アクチュエータ
４ｂ 第２アクチュエータ
４ｃ 第３アクチュエータ
５ 錘
６ 接合部材
８ 支持軸
９ 揺動支持軸
１０ 弾性板材
１１ 支持部
１２ 揺動支持軸
１３ 駆動モータ
１４ 回転体
１５ 連結アーム
１６ ピン
１７ ギア
１８ 回転ギア
１９ クランク部
２０ 電子回路基板
２１ 支持板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、昆虫、特にトンボのように羽体で羽ばたいて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、ヘリコプ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】
しかしながら、トンボと類似の形状の前記羽ばたき飛翔装置には、尾翼がないことから、飛行姿勢の調整が難しいという問題があった。
【０００５】
羽ばたきする小型の飛翔装置の姿勢制御については、たとえば、胴体の左右位置に、それぞれ羽ばたき翼を設けて、該各羽ばたき翼を独立に駆動して羽ばたき作動ができるようにし、且つ上記胴体の所要位置に、錘の移動に伴って機体重心の位置を変異させることができるようにしてある重心移動装置を設けてなり、上記左右の各羽ばたき翼より作用する導体への揚力作用位置に対する機体重心の相対的な位置を制御することにより、上記胴体とともに左右の各羽ばたき翼の迎角を所要角度に保持しながらそれぞれ羽ばたき作動させて飛行できるようにした構成を有することを特徴とする小型飛行装置が記載されている（特許文献１）。前記重心移動装置は、直線状に延びるガイド部材の任意の位置へスライダを移動させることができるようにしてある２つの重心移動アクチュエータを、胴体の前後方向と左右幅方向に沿うよう配置すると共に、一方の重心移動アクチュエータのスライダに、他方の重心移動アクチュエータのガイド部材を取り付け、且つ該他方の重心移動アクチュエータのスライダに、錘を取り付けてなるものとし、上記各重心移動アクチュエータにより、錘を、胴体の前後方向及び左右方向へ移動させて、機体重心の位置を胴体の前後左右方向に変位できるものとしている。しかし、この配置では、錘をスライドするためのスペースを確保する必要があり、実物のトンボと同じサイズの小型の飛翔装置で採用することは構造的に難しいという問題、また、スライダによる重心移動は時間が掛かり瞬時に姿勢を制御することが難しいという問題があり、実用的ではなかった。
【０００６】
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２、３）。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、上下方向又は左右方向の飛行の制御を羽体の動きで行っているが、安定した飛行を行うにはさらなる検討が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４２９１３号公報
【特許文献２】特開２００９−１９０６５１号公報
【特許文献３】特開２００９−２４０５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記のような事情に鑑み、上下方向及び／又は左右方向の飛行を制御することができる羽ばたき型小型飛翔体を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記の動きに加えて、水平飛行及びホバリングなどの飛行タイプを調整することができる羽ばたき型小型飛翔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】
【０００９】
本発明の第１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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力で前後方向に移動する第１アクチュエータが取り付けられ、第１アクチュエータには錘が接続されており、
前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向に偏るように位置を調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１０】
また、本発明の第２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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力で左右方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第２アクチュエータには錘が接続されており、
前記第２アクチュエータが左右方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の左右方向に偏るように位置を調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１１】
本発明の第３は、前記のような電磁力で前後方向に移動する第１アクチュエータと電磁力で左右方向に移動する第２アクチュエータとを共に備えた羽ばたき型小型飛翔体に関する。
【００１２】
前記羽ばたき型小型飛翔体の支持本体には、支持体の姿勢と速度を検出するセンサを設け、センサと前記第１又は第２アクチュエータとを電気的に接続させて、センサの出力信号を前記第１又は第２アクチュエータに電気的に伝えることが好ましい。
【００１３】
また、前記羽ばたき型小型飛翔体の前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えて、飛行制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
第１の本発明の係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記錘を第１アクチュエータにより前後方向に移動することで、前記羽ばたき型小型飛翔体の重心位置が前後に移動されて、羽ばたき型小型飛翔体の姿勢を変えて安定した揚力と推進力を得ることができる。また、前記錘を移動させることで、前記羽ばたき型小型飛翔体の上下の飛行方向を調整して、例えば、ホバリングや水平方向だけでなく、急上昇、急降下のような上下方向に飛行することも可能にする。
【００１５】
第２の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記錘を第２アクチュエータにより左右方向に移動することで、前記羽ばたき型小型飛翔体の重心位置が左右に移動されて、飛行中の羽ばたき型小型飛翔体の左右方向の姿勢を制御するだけでなく、急旋回のような左右方向の飛行も可能にする。
【００１６】
第３の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体によれば、前記のような第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを共に備えていることで、羽ばたき型小型飛翔体の上下左右方向の飛行を調整することができる。
【００１７】
第１〜第３の羽ばたき型小型飛翔体では、前記センサを備えることで、羽ばたき型小型飛翔体の姿勢が確認できるため、羽ばたき方小型飛翔体の上下及び左右方向の飛行の制御をより的確に行うことが可能になる。
【００１８】
また、第１〜第３の羽ばたき型小型飛翔体では、前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えることで、羽体の羽ばたきの周期を変動させて、水平飛行やホバリングのような飛行のタイプを自在に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの全体構成の概略と、飛行時の姿勢を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの上方向に飛行する姿勢の１例の概略を示す図である。図２（ｂ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ａの下方向に飛行する姿勢の１例の概略を示す図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、羽ばたき型小型飛翔体１Ｂの全体構成の概略と、飛行時の錘５の位置を示す図である。図３（ａ）は直進、図３（ｂ）は左方向、図３（ｃ）は右方向への飛行を示す図である。
【図４】図４は、第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂを備えた小型飛翔体１Ｃ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５】図５は、図４とは別の態様の、小型飛翔体１Ｄ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６】図６は、飛行時の小型飛翔体１Ａに働く力を示す図である。
【図７】図７は、揚力係数ＣL又は抗力係数ＣDと迎角との関係を示す図である。
【図８】図８は、羽体を上下に揺動させる機構の概略説明図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔体が前進して飛行する場合の羽ばたき方と前後の羽体の位相差角の違いと生じる揚力の大きさを示す図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、小型飛翔体がホバリングしながら飛行する場合の羽ばたき方と前後の羽体の位相差角の違いと生じる揚力の大きさを示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、クランク部１７と連結アーム１３との軸支部分の位置が変動する機構の概略説明図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す機構を備えた小型飛翔体１Ｅ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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１（ａ）に第１の本発明である羽ばたき型小型飛翔体１Ａの概略を示す。小型飛翔体１Ａに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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００２２】
なお、以下の説明では、複数の羽を持つ昆虫型の飛翔装置として、トンボ型の飛翔体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体であってもよい。
【００２３】
図１（ａ）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３を前後方向に２対設けてなる羽ばたき型小型飛翔体１Ａを示している。
前記羽体３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。
【００２４】
前記羽体３は、支持本体２の形状にあわせたものであればよい。例えば、支持本体２の形状がトンボを模していれば、羽体３は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とが好ましい。このような形状の羽体３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３としては、前記特許文献３に記載の翼体が挙げられる。
【００２５】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａが取り付けられ、第１アクチュエータ４ａには錘５が接続されている。
【００２６】
前記第１アクチュエータ４ａを設置する位置は、小型飛翔体１Ａの支持本体２の中央部付近であればよい。ここで、中央部付近とは、小型飛翔体１Ａの羽体３の付近であればよいが、小型飛翔体１Ａの重心付近に設置することで、錘５の移動に伴う重心移動により飛行を制御し易くすることができるので好ましい。また、第１アクチュエータ４ａは錘５を移動するためのスペースが必要であるため、支持本体２の下部に設置されることで、他の部分に支障なく錘５を移動することができる。錘５付近の支持本体２は、錘５を移動するスペースだけ開口していてもよいし、支持本体２内に錘５が収容されていてもよい。
【００２７】
前記第１アクチュエータ４ａは、電磁力で前後方向に直動し、かつ前、後の２点又は前、後、中央の３点で動きを止めることができるアクチュエータであればよい。第１アクチュエータ４ａの停止位置が多いだけ、小型飛翔体１Ａの飛行をより細かく制御することができる。
【００２８】
小型飛翔体１Ａでは、前記第１アクチュエータ４ａに錘５が接続されていて、第１アクチュエータ４ａの動きにあわせて、錘５も位置を変えることができる。
錘５は、所定の重さのある固形物であればよいが、小型飛翔体１Ａを動かすための電池を用いれば、小型飛翔体１Ａ内に電池用のスペースを設ける必要なくなり、省スペース化を図ることができる。前記電池は、小型飛翔体１Ａにおいて、例えば、羽体３を動かすモータ、モータの動きや第１アクチュエータ４ａの動きを制御する制御基板、さらには各種センサ用の電源として使用される。
【００２９】
第１アクチュエータ４ａと錘５とは固着して接続してもよいが、接続部材６を介して第１アクチュエータ４ａと錘５とを接続することで、第１アクチュエータ４ａの動きの幅よりも、接続部材６の長さの分だけ錘５の動きの幅を大きくすることができ、さらに接続部材６がたわめばその分だけさらに錘５の動きの幅を大きくすることができる。前記接続部材６としては、テープ材、合成樹脂材などのうち軽くて柔軟な部材が挙げられる。接続部材６の形状としては特に限定はない。
【００３０】
前記錘５の前後方向への移動に伴い、小型飛翔体１Ａの重心の位置が変化することで、推進力や揚力の関係が変化して、上昇、下降などの飛行を行うことができる。
【００３１】
例えば、図１（ａ）に示す状態で、小型飛翔体１Ａが水平方向に直進して飛行する場合、空力中心（迎角が変化してもモーメントが変化しない点、風圧中心ともいう）と重心とが一致している。この場合、第１アクチュエータ４ａは中央の位置で停止している。
なお、図１（ａ）〜（ｃ）では、錘５の動きを見易くするため、前後の羽体３はいずれも上方向に持ち上がった状態で示している。
【００３２】
次いで、第１アクチュエータ４ａを後方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が後方向に移動する（図１（ｂ））。このように錘５が後方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も後ろに移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、図１（ｃ）に示すように、小型飛翔体１の前方部分が上方向に傾くことで、小型飛翔体１Ａは上方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ａにおいて、錘５の後方への移動を行うと、小型飛翔体１Ａは急上昇を行うことができる。また、羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の周期を変えれば、小型飛翔体１Ａの前方部分が上に傾いた状態で、所望の位置で水平飛行させたり、ホバリングを行うこともできる。
【００３３】
図１（ｃ）のように進行方向に対して小型飛翔体１の前方部分が上がると重心が後方に移動し、空力中心は前進して、重心の周りに時計方向のモーメントを受ける。その場合、図２（ａ）に示すように第１アクチュエータ４ａを再び前方向に移動して、錘５を前方に移動させ、重心と空力中心の位置を再び近づけることで前記モーメントを打ち消して、小型飛翔体１Ａを水平状態に戻すことができる。
【００３４】
次に、上記の場合とは反対に、前記第１アクチュエータ４ａを前方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が前方向に移動する（図示せず）。このように錘５が前方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も前に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、上記の場合とは反対に、小型飛翔体１の前方部分が下方向に傾くことで、小型飛翔体１Ａは下方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ａにおいて、錘５の前方への移動を行うと、小型飛翔体１Ａは急降下を行うことができる。また、羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の周期を変えれば、小型飛翔体１Ａの前方部分が下に傾いた状態で、所望の位置で水平飛行させたり、ホバリングを行うこともできる。
【００３５】
進行方向に対して小型飛翔体１の前方部分が下がるように重心が前方に移動すると、空力中心は後退して、重心の周りに反時計方向のモーメントを受ける。その場合には、図２（ｂ）に示すように第１アクチュエータ４ａを再び後方向に移動して、錘５を後方に移動させ、重心と空力中心の位置を再び近づけることで前記モーメントを打ち消して、小型飛翔体１Ａを水平状態に戻すことができる。
【００３６】
次に、図３（ａ）に第２の本発明である羽ばたき型小型飛翔体１Ｂの概略を示す。小型飛翔体１Ｂには小型飛翔体１Ａと同様に、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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００３７】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂが取り付けられ、第２アクチュエータ４ｂには錘５が接続されている。
【００３８】
前記第２アクチュエータ４ｂを設置する位置は、前記第１アクチュエータ４ａと同様に、小型飛翔体１Ｂの支持本体２の中央部付近であればよい。小型飛翔体１Ｂの重心付近に第２アクチュエータ４ｂを設置することで、左右への重心移動をし易くして左右の飛行を制御し易くすることができるので好ましい。また、第２アクチュエータ４ｂは錘５を移動するためのスペースが必要であるため、支持本体２の下部に設置されることで、他の部分に支障なく錘５の移動を行うことができる。錘５付近の支持本体２は、錘５を移動するスペースだけ開口していてもよいし、支持本体２内に錘５が収容されていてもよい。
【００３９】
前記第２アクチュエータ４ｂは、電磁力で左右方向に直動し、かつ左、右の２点又は左、右、中央の３点で動きを止めることができるアクチュエータであればよい。第２アクチュエータ４ｂの停止位置が多いだけ、小型飛翔体１Ｂの飛行をより細かく制御することができる。
【００４０】
小型飛翔体１Ｂでは、前記第２アクチュエータ４ｂに錘５が接続されていて、第１アクチュエータ４ｂの動きにあわせて、錘５も位置を変えることができる。
錘５は、所定の重さのある固形物であればよいが、小型飛翔体１Ｂを動かすための電池を用いれば、小型飛翔体１Ｂ内に電池用のスペースを設ける必要なくなり、省スペース化を図ることができる。前記電池は、小型飛翔体１Ｂの羽体３を動かすモータ、モータの動きや第１アクチュエータ４ｂの動きを制御する制御基板、さらには各種センサ用の電源として使用される。
【００４１】
第２アクチュエータ４ｂと錘５とは固着して接続してもよいが、第１アクチュエータ４ａと同様に接続部材（図示せず）を介して第２アクチュエータ４ｂと錘５とを接続することで、第２アクチュエータ４ｂの動きの幅よりも、接続部材の長さの分だけ錘５の動きの幅を大きくすることができ、さらに接続部材がたわめばその分だけさらに錘５の動きの幅を大きくすることができる。前記接続部材としては、テープ材、合成樹脂材などのうち軽くて柔軟な部材が挙げられる。
【００４２】
前記錘５の左右方向への移動に伴い、小型飛翔体１Ｂの重心の位置が変化することで、小型飛翔体１Ｂの姿勢が左右に変化して、右方向、左方向への飛行を行うことができる。
【００４３】
例えば、図３（ａ）に示す状態で、小型飛翔体１Ｂが水平方向に直進して飛行する場合、空力中心と重心とが一致している。この場合、第２アクチュエータ４ｂは中央の位置で停止している。
なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、錘５の動きを見易くするため、前後の羽体３はいずれも水平方向に固定された状態で示している。
【００４４】
次いで、第２アクチュエータ４ｂを左方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が左方向に移動する（図３（ｂ））。このように錘５が左方向に移動することで、小型飛翔体１Ａの重心も左に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、図３（ｂ）に示すように、小型飛翔体１の姿勢が左側に傾くことで、小型飛翔体１Ｂは左方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ｂにおいて、錘５の左方向への移動を行うと、小型飛翔体１Ｂは左側に急旋回を行うことができる。
【００４５】
前記のように左方向に旋回している小型飛翔体１Ｂにおいて、第２アクチュエータ４ｂの位置を中央に再び移動すれば、錘５も小型飛翔体１Ｂの中央付近に戻ることで、小型飛翔体１Ｂの姿勢を図３（ａ）に示すように直進の水平状態に戻すことができる。
【００４６】
次に、上記の場合とは反対に、前記第２アクチュエータ４ｂを右方向に移動させると、その動きにあわせて、錘５が右方向に移動する（図３（ｃ））。このように錘５が右方向に移動することで、小型飛翔体１Ｂの重心も右側に移動する。羽体３の羽ばたき回数や前後の羽体３の羽ばたきの周期が同じであれば、上記の場合とは反対に、小型飛翔体１Ｂの姿勢が右側に傾くことで、小型飛翔体１Ｂは右方向に飛行することになる。特に、高速で水平飛行をしている小型飛翔体１Ｂにおいて、錘５の右側への移動を行うと、小型飛翔体１Ｂは右側に急旋回を行うことができる。
【００４７】
前記のように右方向に旋回している小型飛翔体１Ｂにおいて、第２アクチュエータ４ｂの位置を中央に再び移動すれば、錘５も小型飛翔体１Ｂの中央付近に戻ることで、小型飛翔体１Ｂの姿勢を図３（ａ）に示すように直進の水平状態に戻すことができる。
【００４８】
次に、前記第１アクチュエータ４ａ、前記第２アクチュエータ４ｂを共に備えた第３の本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体１Ｃの概略を図４に示す。
小型飛翔体１Ｃには小型飛翔体１Ａ、１Ｂと同様に、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羽体３を前後方向に単又は複数設けている。
【００４９】
前記支持本体２の中央部付近には、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａ、左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂが取り付けられている。前記第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂにはそれぞれ錘５が接続されている。
第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂを動かすことで、前記小型飛翔体１Ａと同じように上下方向、さらには急上昇、急降下などの飛行を行い、かつ、小型飛翔体１Ｂと同じように左右方向、さらには左右への旋回などの飛行の調整を自在に行うことができる。
【００５０】
図４の小型飛翔体１Ｃでは、第１アクチュエータ４ａが前後の羽体３の間の下部、第２アクチュエータ４ｂが後ろの羽体３の後方の下部にそれぞれ設置されているが、第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂの位置は入れ替えてもよいし、小型飛翔体１Ｃの別の中央付近にそれぞれ設置してもよい。
【００５１】
前記第１アクチュエータ４ａ、前記第２アクチュエータ４ｂを共に備える別の態様として、図５に示す小型飛翔体１Ｄでは、前後の羽体３の間の下部に第１アクチュエータ４ａを設置し、その下に第２アクチュエータ４ｂを接続し、第２アクチュエータ４ｂに錘５を接続している。前記第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂの位置は入れ替えてもよい。このようにアクチュエータを重ねて設置する場合、錘５は１つでよい。
【００５２】
また、図４、図５では、第１、第２および第３の本発明に係る小型飛翔体に共通する主要な構成の一例を詳しく示している。
前記支持本体２は、頭部、胸部、尾部及び脚部を供えた成虫のトンボを模した外形を有しており、前記胸部は１本の支持軸７で構成し、全ての羽体３を揺動支持軸８によって支持している。なお、前記支持軸７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２、３に記載の構造を採用すればよい。
【００５３】
前記支持本体２に対して前後に配置されて、さらに左右にも配置されている羽体３はいずれも、その基端側で弾性板材９を介して支持部１０にそれぞれ連結されている。支持部１０とは、前記羽体３を支持する部材である。
【００５４】
図４、５では、支持部１０が支持本体２の長軸方向に対して上下に揺動して、羽体３をフラッピング運動させる揺動機構が設けられている。
【００５５】
前記揺動機構は、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８と、駆動モータ１１と、該駆動モータ１１によって回転する回転体１２と、該回転体１２と前記揺動支持軸８とを連結する連結アーム１３とから構成される。
【００５６】
前記揺動支持軸８は、その一端側が前記支持軸７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８と連結アーム１３とは、ピン１４によって軸支されている。
【００５７】
前記駆動モータ１１には、ギア１５が設けられ、当該ギア１５を介して回転体１２を回転させる。前記回転体１２には、前記ギア１５を介して回転する回転ギア１６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１７が設けられている。クランク部１７の適当な位置には前記連結アーム１３が軸支されており、このクランク部１７が前記回転軸芯を中心に回動すると、クランク部１７と連結アーム１３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１３が軸支した前記揺動支持軸８が上下方向に揺動する。なお、クランク部１７の構造及び連結アーム１３とクランク部１７の軸支する位置については、前記支持体１１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１７の具体的な構成については、前記特許文献２に準じて設定すればよい。
【００５８】
また、前記揺動機構では、揺動支持軸８を上下方向に揺動させればよいため、前記揺動支持軸８を軸支する連結アーム１３は１本でよく、特許文献２、３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。
【００５９】
また、前記駆動モータ１１に電力を供給する電池は、前記錘５として配置される。なお、図４に示すように、第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂとがそれぞれ異なる錘５と接続している場合、２つの錘５のうちいずれか一方が電池で構成されていればよいし、２つとも電池で構成されていてもよい。前記駆動モータ１１、第１アクチュエータ４ａ、第２アクチュエータ４ｂ等を制御するための電子回路基板１８がトンボの形状を模した支持本体２の胸部から尾部にかけての部分に収納されているが、電子回路基板１８の位置は特に限定はない。
なお、図４、５の図面では、電力線や信号線の記載を省略している。
また、前記支持軸７とクランク部１７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。
【００６０】
また、本発明に係る前記小型飛翔体１Ａ〜ＡＤにおいて、前記支持本体２の姿勢と飛行速度を検出するセンサを設けることで、センサの出力信号から前記第１アクチュエータ１ａ及び／又は第２アクチュエータ１ｂを制御することができる。
【００６１】
前記センサとしては、小型飛翔体に設置できるサイズと小型飛翔体の飛行に支障が出ない重量のものであればよい。例えば、小型飛翔体１の姿勢を検出するためのセンサとしては、市販の軽量センサ、例えば、オムロンの重量０．２１ｇのマイクロ傾斜センサＤ６ＢＮが挙げられる。このセンサにより、水平姿勢から傾いた姿勢の傾斜角がわかれば、電子回路基板１８から飛行速度も算出することができるが、飛行速度を検出するための市販のセンサを別に用いてもよい。
【００６２】
前記センサは、性能に応じて支持本体２に１つ設置してもよいし、姿勢を確認するためのセンサと飛行速度を検出するためのセンサをそれぞれ２つ又はそれ以上を設置してもよい。
また、センサを設置する場所としては、前記第１アクチュエータ４ａ及び第２アクチュエータ４ｂに電気的に接続できる位置であればよく、特に限定はない。
【００６３】
また、本発明の小型飛翔体を実際に飛行させている場合には、進行方向に対して、風などの何らかの影響で、機体に働く空力中心が重心から移動し、小型飛翔体が回転してしまうことがある。
そのような場合にも、前記センサが支持本体２に設置されていれば、センサの出力信号に基づいて前後方向に移動する第１アクチュエータ４ａ、左右方向に移動する第２アクチュエータ４ｂをそれぞれ適切に移動させて錘５の位置を変えることで、重心を空力中心に移動させ、機体に働く回転するモーメントを打ち消し、飛行を安定させることができる。
【００６４】
さらに、上昇、降下、左右への旋回のように、機体の姿勢を変える場合、第１アクチュエータ４ａ又は第２アクチュータ４ｂにより錘５を移動させ空力中心に対し重心を飛行したい向きに移動させるが、その場合の傾斜角度の検出は、姿勢を検出するセンサで検出し、その出力電圧によりアクチュエータ４ａ又は第２アクチュエータ４ｂの傾き角度を所望の角度に制御することができる。また、前記電子回路基板１８に傾斜角度の検出信号を入力し、傾斜角度から加速度と速度を検出し、機体の傾きを変えてホバリングさせることもできる。
【００６５】
ここで、羽ばたいて飛行している小型飛翔体１Ａでは、図６に示すように、推進力Ｔ、揚力Ｌ、重力Ｗ、抗力Ｄ、空力合力Ｆが発生しておりそれぞれの力が釣り合っている。
【００６６】
そして、小型飛翔装置１Ａは、羽体３を上下に羽ばたかせていて羽体３に作用する空気の流れとの羽体３とがなす角度に相当する迎角αが常に変化していることから、揚力Ｌと抗力Ｄは、以下の式（１）、式（２）に示すように変化する。
【数１】
【００６７】
【数２】
【００６８】
ρ：空気密度，Ｓ：翅の面積 Vr：翅に対する空気流の相対速度｜Vr｜
α：空気学的迎角 ＣL：αの関数で表された揚力係数 ＣD：αの関数で表された抗力係数である。
なお、前記式（１）における揚力係数ＣLと前記式（２）における抗力係数ＣDは図７に示すように変化する。
【００６９】
ここで、前記小型飛翔体１Ａが水平飛行する場合、機体の重量Ｗと揚力Ｌが釣り合っており、Ｌ＝Ｗとすると式（１）より、飛翔体１の進行方向への飛行速度Ｖｈは以下の式（３）で計算される。
【００７０】
【数３】
【００７１】
また、前記小型飛翔体１Ａが水平方向に対して左右いずれかの方向に向かって角度βだけに傾いている場合、前記飛翔体１の上下方向への飛行速度Ｖβは式（４）から求められる。
【００７２】
【数４】
【００７３】
ここで、翼体３の迎角αを大きくしていくとＣLは増大し、小型飛翔体１Ａの飛行速度ＶAはＣLが最大となるときに最小となり、前記小型飛翔体１Ａは最小速度Ｖｓ、Ｖβ以上であれば飛ぶことができる。
【００７４】
なお、水平飛行での最小速度Ｖｓは以下の式（５）で求められる。
【００７５】
【数５】
【００７６】
また、傾き角βでの最小速度は以下の式（６）で求められる。
【００７７】
【数６】
【００７８】
上記の最小速度Ｖｓと水平線に対する角度βを満たすと、機体を上下方向に移動させ、飛行が可能となる。
【００７９】
前記のような力関係に基づいている本発明の小型飛翔体は、複数の羽体３を羽ばたかせて飛行している。
【００８０】
羽体３を上下に動かす揺動機構には、図８に示す傾動機構が設けられていてもよい。前記傾動機構は、前記弾性板材９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８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８を中心に回動可能な、断面略コ状の支持部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ（以下、１０ａ等と略す）を有する。なお、図４、５も同じ構造の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８部分には、前記揺動支持軸８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８と前記連結アーム１３が連結されている。
【００８１】
前記支持部１０ａ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１３とピン１４とが作用する。
【００８２】
前記のような前記支持部１０ａ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。
【００８３】
前記のような傾動機構は、上下方向の揺動機構により揺動支持軸８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。
【００８４】
なお、図４、５、８に示された態様の傾動機構では、前記連結アーム１３が揺動支持軸８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１３が前記揺動支持軸８の後方向に配置されていてもよい。
【００８５】
前記揺動機構により、前の羽体３と後ろの羽体３とは上下に周期的に位置を変えることで羽ばたきを行っているが、前後の羽体３の動きの周期は、例えば、前進する場合と空中で停止しているホバリングを行っている場合とでは相違している。したがって、前の羽体３と後の羽体３との位相差角（タイミング）はそれぞれ別である。
【００８６】
例えば、前進する場合の前後の羽体の位相差角の概略図を図９（ａ）に示す。左が前方向、右が後方向であり、上図と中図の四角のバーが羽体の高さと向きを示し、下図が前後の羽ばたきから得られる揚力などの力の大きさを示す。
（１）前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角（タイミング）を９０°以上２７０°以内に近づけた場合、後の羽体３は前の羽体３から空気流（風）が強く受けないので、前の羽体３と同じように、下げ時に機体と水平になり、立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取る。
この場合、図９（ａ）の下図に示すように、前の羽体３の羽ばたきで生じる前方から空気流（風）受けて、後の羽体３が水平の向きにフェザリングし、特に羽ばたき後の羽体３は水平に羽ばたくので、図９（ｂ）に示すように前後の羽体３が一体となった羽ばたきにより推進力を得て速度が上がる。この（１）のタイミングでは前後の羽体３の水平な羽ばたきが繰り返されて大きな推進力が得られて小型飛翔体は前進する。
【００８７】
次いで、ホバリングする場合の前後の羽体３の位相差角の概略図を図１０（ａ）に示す。
（２）小型飛翔体１が低速度で飛行していたり、空中で停止しているホバリング時には、後の羽体３は前方から強い空気流（風）受けないので、立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取る。例えば、前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角を９０°以内に近づけた場合、後の羽体３は前の羽体３から空気流（風）強く受けるので、羽体３の向きはフェザリング時に水平となる。前後の羽体３が立ち上げ時に機体と垂直又は大きい角度を取ると空気流は前方も若しくは下に流れ、図１０（ｂ）に示すように、前進と後進の推進力が交互に繰り返されることで、小型飛翔体１は前進を妨げられるホバリング状態となる。
【００８８】
前記のような前後の羽体３の位相差の位置を変換する手段としては、図１１（ａ）に示すように、前記揺動機構において、後の羽体３に係る２本の連結アーム１３が軸支するクランク部１７に設ける角度を、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６０°〜１８０°にずれるようにクランク部１７を形成して後の羽体３に係る２本の連結アーム１３の軸支する位置（ａ、ｃ）を位置（ｂ、ｄ）に相互に変動可能にすることが挙げられる。このように、後の羽体３の連結アーム１３の軸支部分が変化することで、後の羽体３の羽ばたきのタイミングが変化して、前後の羽体３の羽ばたき角の位相差角を調整することができる。
【００８９】
また、前記連結アーム１３の位置の変動は、図１１（ｂ）に示すように、小型飛翔体１Ｅの後の羽体３を動かす２本の連結アーム１３に、直動する第３アクチュエータ４ｃを取り付けて、該第３アクチュエータ４ｃを動かすことによりクランク部１７における連結アーム１３の軸支位置を変動させることで行うことができる。前記第３アクチュエータ４ｃの動きは電子回路基板２０により制御することができる。なお、図１１（ｂ）では、第３アクチュエータ４ｃなどの動きを見易くするために、前記第１アクチュエータ４ａと第２アクチュエータ４ｂとは図示していないが、例えば、第３アクチュエータ４ｃの下方に第１アクチュエータ４ａ及び／又は第２アクチュエータ４ｂを設けることは可能であるし、３つのアクチュエータをそれぞれ別の位置に設けることも可能である。
【００９０】
以上のような構成を備えことで、本発明に係る羽ばたき型小型飛翔体は、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り、上昇、下降、旋回などの前進飛行や、姿勢を変えてのホバリングも遠隔操作で自由に行うことが可能となる。
【００９１】
次に、図１に示すように１つの電磁アクチュエータを重ねたオニヤンマ型の小型飛翔体１Ａの詳細な部材の構成について説明する。
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。
小型飛翔体１Ａは、翼長１５０ｍｍ、機体長１５０ｍｍ、全重量２．０ｇとした。
前記小型飛翔体１Ａに使用するリチュウムポリマー電池の重量は０．８ｇで全重量の４０％に相当するため、錘５とし、重量０．２ｇ電磁アクチュエータ４ａに接続し前後に変位させると図１のようにトンボの重心が前後に移動した。
また、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。
また、小型飛翔体１Ａの他の各部は、図４に示すようにした。
駆動モータ１１は、重量０．３ｇのシコウ技研社製のコアレスモータ使用した。
電子回路基板１８は、東光電気製の赤外線受信機基板ＩＲＸ３０３Ｆを削り、重量０．１５ｇにした。
前記ギア１５（ギア比１：３）、回転ギア１６、クランク部１７、連結アーム１３等の残りの各部を組み立てて、小型飛翔体１Ａの総重量を、２.０ｇとした。
【００９２】
また、前記の小型飛翔体１Ａにおいて電磁アクチュエータ４ａの動く方向を９０°回転して設置すれば、第２アクチュエータとして横方向に重心を移動することができるし、電磁アクチュエータ４ａの下に別の電磁アクチュエータを動く方向を９０°回転して設置し、その下に錘５である電池を接続することで前後、左右に重心を移動することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１Ａ １Ｂ １Ｃ １Ｄ １Ｅ 小型飛翔体
２ 支持本体
３ 羽体
４ａ 第１アクチュエータ
４ｂ 第２アクチュエータ
４ｃ 第３アクチュエータ
５ 錘
６ 接合部材
８ 支持軸
９ 揺動支持軸
１０ 弾性板材
１１ 支持部
１２ 揺動支持軸
１３ 駆動モータ
１４ 回転体
１５ 連結アーム
１６ ピン
１７ ギア
１８ 回転ギア
１９ クランク部
２０ 電子回路基板
２１ 支持板
【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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータが取り付けられ、第１アクチュエータには錘が接続されており、
前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向に偏るように調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項２】
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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力により左右方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第２アクチュエータには錘が接続されており、
前記第２アクチュエータが左右方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の左右方向に偏るように調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項３】
前記第１アクチュエータを備えた請求項２記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項４】
前記羽ばたき型小型飛翔体の支持本体に、支持本体の姿勢と速度を検出するセンサを設け、センサの出力信号から前記第１又は第２アクチュエータを制御する請求項１〜３いずれか記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項５】
前記羽ばたき型小型飛翔体の前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えて、飛行制御することが可能な請求項１〜３にいずれか記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力により前後方向に移動する第１アクチュエータが取り付けられ、第１アクチュエータには錘が接続されており、
前記第１アクチュエータが前後方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の前後方向に偏るように調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項２】
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羽ばたき型小型飛翔体であって、
前記支持本体の中央部付近に、電磁力により左右方向に移動する第２アクチュエータが取り付けられ、第２アクチュエータには錘が接続されており、
前記第２アクチュエータが左右方向に移動するにともなって前記錘が前記羽ばたき型小型飛翔体の左右方向に偏るように調整することが可能な羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項３】
前記第１アクチュエータを備えた請求項２記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項４】
前記羽ばたき型小型飛翔体の支持本体に、支持本体の姿勢と速度を検出するセンサを設け、センサの出力信号から前記第１又は第２アクチュエータを制御する請求項１〜３いずれか記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【請求項５】
前記羽ばたき型小型飛翔体の前記支持本体が第３アクチュエータを備えており、前記羽体を動かすための駆動モータに接続したクランクと、羽体に上下の動きを伝えるための連結アームとの取り付け位置を第３アクチュエータにより移動させ、羽体の羽ばたきの角度と前後の羽体の位相を変えて、飛行制御することが可能な請求項１〜３にいずれか記載の羽ばたき型小型飛翔体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４００３８（Ｐ２０１２−１４００３８Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２０３４（Ｐ２０１０−２９２０３４）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【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２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（３９００２０１８９）ユーハ味覚糖株式会社 (242)
【Ｆターム（参考）】
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