羽ばたき航空機
【課題】ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能な羽ばたき航空機の提供。
【解決手段】軸２ａを中心として羽ばたき動作する複数の翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒを備え、翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒは、羽ばたき動作時に少なくとも３箇所でクラッピング動作を行う。これにより、翼面同士の間に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に少なくとも３箇所で噴出し、推力を発生する。これにより、本発明の羽ばたき航空機は、空中でホバリングを行うことができる。
【解決手段】軸２ａを中心として羽ばたき動作する複数の翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒを備え、翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒは、羽ばたき動作時に少なくとも３箇所でクラッピング動作を行う。これにより、翼面同士の間に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に少なくとも３箇所で噴出し、推力を発生する。これにより、本発明の羽ばたき航空機は、空中でホバリングを行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき航空機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小鳥や昆虫などの比較的小型の飛行生物の活動領域においては、従来人間が開発してきたプロペラの回転によって前方に推進し、固定翼により生ずる揚力を利用して飛行する一般的な人口飛行体の飛行方式よりも、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行方式の方が有利であると言われている。羽ばたき飛行方式では、翼の羽ばたきだけで揚力と推力との双方を得る。
【０００３】
羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行機としては、例えば、特許文献１，２および非特許文献１に記載のように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行するものが知られている。これらの羽ばたき飛行機では、胴体から左右に延設された一対の翼を上下に高速羽ばたき運動させることにより、揚力および推力を得るようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１８６９７号公報
【特許文献２】米国特許第６５５０７１６号明細書
【非特許文献１】“羽ばたき飛翔ロボット浮上！！”，［online］，２００６年７月，日本大学 理工学部 精密機械工学科 内木場研究室，［平成２００７年４月４日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba/flapwingrobot.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらのように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行する羽ばたき飛行機では、その羽ばたき運動によって揚力および推力を得るが、常に前進し続けることにより揚力を得て飛行しているため、空中で停止した状態を維持するホバリング能力が低い。そのため、これらの羽ばたき飛行機では、壁面に衝突した場合、揚力を確保できずに落下してしまう。したがって、これらの羽ばたき飛行機は、障害物のない広い場所でなければ飛行することができない。
【０００６】
そこで、本発明においては、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能な羽ばたき航空機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】
【０００７】
本発明の羽ばたき航空機は、軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものである。クラッピング動作とは翼面同士を打ち合うような動作であるが、本発明においてはクラッピング動作とは必ずしも翼面同士が接触して打ち合うことを要さず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させる状態を含めていうものとする。
【０００８】
本発明の羽ばたき航空機によれば、翼がクラッピング動作を行うことによって翼面同士の間に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出する。この空気の噴出はクラッピング動作を行う少なくとも３箇所で行われるので、本発明の羽ばたき航空機は少なくとも３箇所で推力を発生する。これにより、本発明の羽ばたき航空機は、クラッピング動作を行う３箇所で安定的に支持されることになり、空中でホバリングを行うことが可能となる。なお、クラッピング動作を行う箇所は、３箇所以上であれば何箇所でも良い。
【０００９】
ここで、翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることが望ましい。これにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになる。なお、３箇所以上で翼同士をクラッピング動作させるために、翼は何組使用しても何枚使用しても良い。
【００１０】
特に、本発明の羽ばたき航空機では、翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることが望ましい。２組の交叉する翼が互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であることによって、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになる。
【発明の効果】
【００１１】
（１）軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものであることにより、少なくとも３箇所で推力を発生し、ホバリングを行うことが可能となり、ホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。また、障害物に衝突した場合であっても、翼がクラッピング動作を行う限り、空中でホバリングを行うことが可能となるので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能となる。
【００１２】
（２）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになり、簡単な構成でホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。
【００１３】
（３）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることにより、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢をより安定させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図、図２は正面端面図、図３は図１のＡ矢視端面図、図４は図１のＢ矢視図である。
【００１５】
図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態における羽ばたき航空機１は、機体の前後方向に延びるメインフレーム２ａと、メインフレーム２ａの後方に斜め上向きに設けられたサブフレーム２ｂと、メインフレーム２ａ上に回転可能に支持された羽ばたき翼３と、サブフレーム２ｂ上に設けられた垂直尾翼４および水平尾翼５と、羽ばたき翼３を羽ばたき動作させる駆動部６と、後述する駆動部６のモータ６０の出力および後述する垂直尾翼４のラダー４ｂを制御する制御部７と、動作用電源としてのバッテリ８等を備える。
【００１６】
羽ばたき翼３は、軸３０を中心として羽ばたき動作する翼３１Ｌ，３１Ｒの組と、翼３２Ｌ，３２Ｒの組との２組の翼から構成される。１組の翼３１Ｌ，３１Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３１Ａと軸３０とに、図５に示すような半楕円形状の２〜４μｍ厚の薄くて軽量な薄膜を張って形成したものである。同様に、もう１組の翼３２Ｌ，３２Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３２Ａと軸３０との間に薄膜を張って形成したものである。すなわち、これらの２組の翼は、それぞれ軸３０を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼である。なお、翼軸３１Ａ，３２Ａには、例えば軽量なカーボン素材の棒を使用することができる。
【００１７】
２組の翼は、互いに交叉しており、それぞれリンク機構６２Ｌ，６２Ｒによって逆方向に羽ばたき動作する。リンク機構６２Ｌは翼３１Ｌに、リンク機構６２Ｒは翼３２Ｒに、それぞれ連結されている。また、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒは、クランク６３（図４参照。）、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃを介してモータ６０に連結されている。モータ６０は制御部７に接続されており、制御部７によって出力が制御される。駆動部６は、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒ、クランク６３、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃおよびモータ６０から構成されている。モータ６０は、回転子に鉄心を持たないコアレスモータを使用する。コアレスモータは、携帯電話機の振動用モータとして小型化が進んでおり、本実施形態において使用したものは、外直径４．０ｍｍの円筒型で、質量０．４７ｇである。
【００１８】
図６は正面からみた羽ばたき翼３の動作状態を示す説明図である。図６（ａ）に示す状態からモータ６０を駆動し、ギア６４ａを時計回りに回転させると、クランク６３の回転により、同図（ｂ）、（ｃ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが引き下げられ、翼３１Ｒと翼３２ＬとがＸで示す箇所において１回クラッピングする。さらに、クランク６３を回転させると、同図（ｄ）、（ａ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが押し上げられ、翼３１Ｒと翼３２Ｒとが、翼３１Ｌと翼３２ＬとがそれぞれＹ，Ｚで示す２箇所において１回クラッピングする。このように、羽ばたき翼３は、２組の翼が、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより、図６の（ａ）の２箇所Ｙ，Ｚおよび（ｃ）の１箇所Ｘの計３箇所でクラッピング動作を行う。
【００１９】
垂直尾翼４は、サブフレーム２ｂに固定された垂直安定板４ａと、垂直安定板４ａに対してヒンジ４ｃにより取り付けられた可動のラダー（方向舵）４ｂとから構成される。ラダー４ｂは、垂直安定板４ａに固定されたマグネット・アクチュエータ４ｄにより動作させる。図７はマグネット・アクチュエータ４ｄの断面図である。図７に示すように、マグネット・アクチュエータ４ｄは、永久磁石４０と、電磁石コイル４１と、ラダー４ｂに固定されるアーム４２とから構成されたものである。永久磁石４０は電磁石コイル４１の中に配置されている。
【００２０】
ヒンジ４ｃは、復元力を有する、例えば樹脂製の板ばねにより形成されたものであり、その復元力によってニュートラル（中立）位置にある。マグネット・アクチュエータ４ｄは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式によって電磁石コイル４１に流すパルス電流のデューティー比を制御部７により加減することで永久磁石４０にモーメントを生じさせ、この永久磁石４０に固定されたアーム４２によってラダー４ｂを左右に動作させる。このようなマグネット・アクチュエータ４ｄは、一般的なサーボモータに比べて反応速度が速く、小型軽量であるため、羽ばたき航空機１の小型化に有利である。
【００２１】
水平尾翼５は、図３に示すように、水平面から約３０°の下反角が設定されてサブフレーム２ｂに固定された水平安定板のみから構成されており、エレベータ（昇降舵）は備えていない。水平尾翼５の下反角は、旋回飛行時のローリングを抑制することを目的としている。
【００２２】
また、制御部７には、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作するための受信機としての赤外線受信機（図示せず。）が接続されており、赤外線送信機（図示せず。）からこの赤外線受信機に向かって赤外線信号を送信することにより、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作することが可能となっている。このように赤外線信号の送受信によって遠隔操作を行う場合、操作可能距離は１５ｍ程度であるが、赤外線受信機の重量は軽いもので０．１ｇ以下であり、羽ばたき航空機１の軽量化に有利である。
【００２３】
上記構成の羽ばたき航空機１では、モータ６０の回転により羽ばたき翼３がＸ，Ｙ，Ｚの３箇所でクラッピング動作を行う。ここで、羽ばたき翼３を構成する翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒは、いずれも機体前方側（図１の左側）が翼軸３１Ａ，３２Ａに固定され、機体後方側（図１の右側）は固定されていないので、クラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は翼面に平行な方向のうち、主に機体後方へと噴出する。この空気の噴出は、クラッピング動作を行うＸ，Ｙ，Ｚの３箇所で同じ方向、すなわち機体後方へ繰り返し行われ、機体を前方側へ押し出す推力を発生する。
【００２４】
また、羽ばたき翼３のクラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は、機体後方以外に、図６のＸ，Ｙ，Ｚの３箇所において、翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒが固定されていない翼軸３１Ａ，３２Ａの延長方向にも噴出し、上述の機体を前方側へ押し出す推力とともに、機体の前方を図１の上方へと回頭させる。さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１は機体後方に重心位置があるので、図８に示すように機体前方を斜め上方へ向けて飛行する。これにより、この羽ばたき航空機１は、図８の左方向へ緩やかに前進しながらホバリングする。
【００２５】
そして、モータ６０の出力を上げると、羽ばたき航空機１の自重を超える推力が発生し、羽ばたき航空機１は上昇する。また、モータ６０の出力を下げると、羽ばたき航空機１の自重が推力を超えるようになるため、羽ばたき航空機１は下降する。したがって、本実施形態における羽ばたき航空機１は、水平尾翼５にエレベータを備えていないが、モータ６０の出力制御だけで上昇および下降することができる。また、本実施形態における羽ばたき航空機１は、その重心位置およびモータ６０の出力を調整することで、推力を鉛直方向に発生させ、ヘリコプタのように空中で静止する完全なホバリングを行うことも可能である。
【００２６】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うため、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢がより安定している。なお、例えば、翼軸３１Ａ，３２Ａの中心の曲折角度を小さくすれば、Ｙ，Ｚのクラッピング位置が水平よりも下方の位置となるが、このような構成でもホバリングを行うことは可能である。
【００２７】
さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１では、モータ６０を回転させるだけで、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させ、３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うので、簡単な構成でホバリング能力の高いものが得られる。また、この羽ばたき航空機１では、障害物に衝突した場合であっても、羽ばたき翼３が打ち合う限り、空中でその場に留まろうとする力が働くので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能である。
【００２８】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が、２組の交叉する翼を互いに逆方向に羽ばたき動作するものであるため、それぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせてクラッピング動作を行う場合には約６０°であるが、正面からみた羽ばたき翼３のストローク角度は総計して約２４０°となる。すなわち、従来の羽ばたき飛行機ではそれぞれの翼のストローク角度が６０°であれば、正面からみた羽ばたき翼のストローク角度は左右の翼のストローク角度の合計の１２０°であるが、本実施形態における羽ばたき航空機１ではそれぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒの２倍のストローク角度が得られる。
【００２９】
なお、羽ばたき翼３のそれぞれのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせる６０°とせず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させることのできる角度、例えば５０°とすることも可能である。但し、このストローク角度が小さすぎると、翼面に平行な方向に噴出する空気が少なくなり、有効な推力を発生しなくなるので、少なくとも翼同士を完全に打ち合わせる状態から１０°小さくする程度とするのが望ましい。
【００３０】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３に薄膜を用いたが、この薄膜に代えて超薄型の太陽電池を用いることも可能である。この超薄型の太陽電池としては、例えば、シャープ社が提案している化合物フレキシブル太陽電池を使用することができる。この超薄型の太陽電池は厚さ３μｍ程度であり、この太陽電池を用いることで、バッテリ８を省略することが可能となり、さらに軽量な羽ばたき航空機１を実現することが可能となる。
【実施例】
【００３１】
本実施形態における羽ばたき航空機１について飛行試験を行った。機体の主要部品を表１に、機体の諸数値を表２にそれぞれ示す。なお、表２における最大静止推力は、４．１０［Ｖ］の電圧状態のバッテリを搭載した際に、赤外線送信機のスロットルを最大にして実際に測定した値である。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
このように、この羽ばたき航空機１では、全備質量（自重）を超える最大静止推力を発生することができ、ホバリング能力が高いことが確認できた。
【００３５】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１の静止推力について試算し、ヘリコプタなどの回転翼航空機との比較を行った。図９は本実施形態における羽ばたき航空機１の羽ばたき翼３と一般的な回転翼（プロペラ）との作動円盤を表した図である。羽ばたき翼の静止推力については、ヘリコプタなどの回転翼による運動量理論が当てはまるとされている。また、一説では、翼の位置で流速ｖであった風はその後方で２ｖに達するとされており、これによりホバリングに必要な静止推力を求める。
【００３６】
まず、回転翼の面積Ｓpは、Ｓｐ＝（１／４）×π×１００2であり、単位時間にＳｐを通過する空気（密度ρ）の質量Ｓpρｖpを初速０から速度２ｖpにまで加速することにより必要な静止推力Ｆを得ると考えると、運動方程式より、
Ｆ＝ｍａ＝２ｍｖp＝２Ｓpρｖp2
となる。
このとき、速度ｖpおよび仕事率Ｗpは、
ｖp＝√（Ｆ／（２Ｓpρ））
Ｗp＝２Ｓpρｖp3＝Ｆ√（Ｆ／（２Ｓpρ）） ・・・（１）
となる。
【００３７】
一方、羽ばたき翼３のストローク角度の総計が２００°（図９の（ａ）の例では、翼同士を完全に打ち合わせずにそれぞれの翼のストローク角度を５０°とし、総計で２００°としている。）のとき、作動円盤の面積Ｓfは、
Ｓf＝（２００／３６０）Ｓp
したがって、（１）式より、
Ｗf＝√（３６０／２００）Ｗp≒１．３４Ｗp
となり、本実施形態における羽ばたき翼３が、回転翼よりも仕事率が良いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の羽ばたき航空機は、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能であるため、障害物が散乱していたり、倒壊の危険性があったりして、人が探索することが困難な場所の探索に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図である。
【図２】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の正面端面図である。
【図３】図１のＡ矢視端面図である。
【図４】図１のＢ矢視図である。
【図５】羽ばたき翼の翼面形状を示す図である。
【図６】正面からみた羽ばたき翼の動作状態を示す説明図である。
【図７】マグネット・アクチュエータの断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の飛行状態を示す図である。
【図９】本実施形態における羽ばたき航空機の羽ばたき翼と一般的な回転翼との作動円盤を表した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 羽ばたき航空機
２ａ メインフレーム
２ｂ サブフレーム
３ 羽ばたき翼
３０ 軸
３１Ａ，３２Ａ 翼軸
３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒ 翼
４ 垂直尾翼
４ａ 垂直安定板
４ｂ ラダー
４ｃ ヒンジ
４ｄ マグネット・アクチュエータ
４０ 永久磁石
４１ 電磁石コイル
４２ アーム
５ 水平尾翼
６ 駆動部
６０ モータ
６２Ｌ，６２Ｒ リンク機構
６３ クランク
６４ａ，６４ｂ，６４ｃ ギア
７ 制御部
８ バッテリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき航空機に関する。
【背景技術】
【０００２】
小鳥や昆虫などの比較的小型の飛行生物の活動領域においては、従来人間が開発してきたプロペラの回転によって前方に推進し、固定翼により生ずる揚力を利用して飛行する一般的な人口飛行体の飛行方式よりも、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行方式の方が有利であると言われている。羽ばたき飛行方式では、翼の羽ばたきだけで揚力と推力との双方を得る。
【０００３】
羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行機としては、例えば、特許文献１，２および非特許文献１に記載のように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行するものが知られている。これらの羽ばたき飛行機では、胴体から左右に延設された一対の翼を上下に高速羽ばたき運動させることにより、揚力および推力を得るようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１８６９７号公報
【特許文献２】米国特許第６５５０７１６号明細書
【非特許文献１】“羽ばたき飛翔ロボット浮上！！”，［online］，２００６年７月，日本大学 理工学部 精密機械工学科 内木場研究室，［平成２００７年４月４日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba/flapwingrobot.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらのように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行する羽ばたき飛行機では、その羽ばたき運動によって揚力および推力を得るが、常に前進し続けることにより揚力を得て飛行しているため、空中で停止した状態を維持するホバリング能力が低い。そのため、これらの羽ばたき飛行機では、壁面に衝突した場合、揚力を確保できずに落下してしまう。したがって、これらの羽ばたき飛行機は、障害物のない広い場所でなければ飛行することができない。
【０００６】
そこで、本発明においては、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能な羽ばたき航空機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】
【０００７】
本発明の羽ばたき航空機は、軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものである。クラッピング動作とは翼面同士を打ち合うような動作であるが、本発明においてはクラッピング動作とは必ずしも翼面同士が接触して打ち合うことを要さず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させる状態を含めていうものとする。
【０００８】
本発明の羽ばたき航空機によれば、翼がクラッピング動作を行うことによって翼面同士の間に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出する。この空気の噴出はクラッピング動作を行う少なくとも３箇所で行われるので、本発明の羽ばたき航空機は少なくとも３箇所で推力を発生する。これにより、本発明の羽ばたき航空機は、クラッピング動作を行う３箇所で安定的に支持されることになり、空中でホバリングを行うことが可能となる。なお、クラッピング動作を行う箇所は、３箇所以上であれば何箇所でも良い。
【０００９】
ここで、翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることが望ましい。これにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになる。なお、３箇所以上で翼同士をクラッピング動作させるために、翼は何組使用しても何枚使用しても良い。
【００１０】
特に、本発明の羽ばたき航空機では、翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることが望ましい。２組の交叉する翼が互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であることによって、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになる。
【発明の効果】
【００１１】
（１）軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものであることにより、少なくとも３箇所で推力を発生し、ホバリングを行うことが可能となり、ホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。また、障害物に衝突した場合であっても、翼がクラッピング動作を行う限り、空中でホバリングを行うことが可能となるので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能となる。
【００１２】
（２）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになり、簡単な構成でホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。
【００１３】
（３）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることにより、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢をより安定させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図、図２は正面端面図、図３は図１のＡ矢視端面図、図４は図１のＢ矢視図である。
【００１５】
図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態における羽ばたき航空機１は、機体の前後方向に延びるメインフレーム２ａと、メインフレーム２ａの後方に斜め上向きに設けられたサブフレーム２ｂと、メインフレーム２ａ上に回転可能に支持された羽ばたき翼３と、サブフレーム２ｂ上に設けられた垂直尾翼４および水平尾翼５と、羽ばたき翼３を羽ばたき動作させる駆動部６と、後述する駆動部６のモータ６０の出力および後述する垂直尾翼４のラダー４ｂを制御する制御部７と、動作用電源としてのバッテリ８等を備える。
【００１６】
羽ばたき翼３は、軸３０を中心として羽ばたき動作する翼３１Ｌ，３１Ｒの組と、翼３２Ｌ，３２Ｒの組との２組の翼から構成される。１組の翼３１Ｌ，３１Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３１Ａと軸３０とに、図５に示すような半楕円形状の２〜４μｍ厚の薄くて軽量な薄膜を張って形成したものである。同様に、もう１組の翼３２Ｌ，３２Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３２Ａと軸３０との間に薄膜を張って形成したものである。すなわち、これらの２組の翼は、それぞれ軸３０を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼である。なお、翼軸３１Ａ，３２Ａには、例えば軽量なカーボン素材の棒を使用することができる。
【００１７】
２組の翼は、互いに交叉しており、それぞれリンク機構６２Ｌ，６２Ｒによって逆方向に羽ばたき動作する。リンク機構６２Ｌは翼３１Ｌに、リンク機構６２Ｒは翼３２Ｒに、それぞれ連結されている。また、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒは、クランク６３（図４参照。）、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃを介してモータ６０に連結されている。モータ６０は制御部７に接続されており、制御部７によって出力が制御される。駆動部６は、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒ、クランク６３、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃおよびモータ６０から構成されている。モータ６０は、回転子に鉄心を持たないコアレスモータを使用する。コアレスモータは、携帯電話機の振動用モータとして小型化が進んでおり、本実施形態において使用したものは、外直径４．０ｍｍの円筒型で、質量０．４７ｇである。
【００１８】
図６は正面からみた羽ばたき翼３の動作状態を示す説明図である。図６（ａ）に示す状態からモータ６０を駆動し、ギア６４ａを時計回りに回転させると、クランク６３の回転により、同図（ｂ）、（ｃ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが引き下げられ、翼３１Ｒと翼３２ＬとがＸで示す箇所において１回クラッピングする。さらに、クランク６３を回転させると、同図（ｄ）、（ａ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが押し上げられ、翼３１Ｒと翼３２Ｒとが、翼３１Ｌと翼３２ＬとがそれぞれＹ，Ｚで示す２箇所において１回クラッピングする。このように、羽ばたき翼３は、２組の翼が、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより、図６の（ａ）の２箇所Ｙ，Ｚおよび（ｃ）の１箇所Ｘの計３箇所でクラッピング動作を行う。
【００１９】
垂直尾翼４は、サブフレーム２ｂに固定された垂直安定板４ａと、垂直安定板４ａに対してヒンジ４ｃにより取り付けられた可動のラダー（方向舵）４ｂとから構成される。ラダー４ｂは、垂直安定板４ａに固定されたマグネット・アクチュエータ４ｄにより動作させる。図７はマグネット・アクチュエータ４ｄの断面図である。図７に示すように、マグネット・アクチュエータ４ｄは、永久磁石４０と、電磁石コイル４１と、ラダー４ｂに固定されるアーム４２とから構成されたものである。永久磁石４０は電磁石コイル４１の中に配置されている。
【００２０】
ヒンジ４ｃは、復元力を有する、例えば樹脂製の板ばねにより形成されたものであり、その復元力によってニュートラル（中立）位置にある。マグネット・アクチュエータ４ｄは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式によって電磁石コイル４１に流すパルス電流のデューティー比を制御部７により加減することで永久磁石４０にモーメントを生じさせ、この永久磁石４０に固定されたアーム４２によってラダー４ｂを左右に動作させる。このようなマグネット・アクチュエータ４ｄは、一般的なサーボモータに比べて反応速度が速く、小型軽量であるため、羽ばたき航空機１の小型化に有利である。
【００２１】
水平尾翼５は、図３に示すように、水平面から約３０°の下反角が設定されてサブフレーム２ｂに固定された水平安定板のみから構成されており、エレベータ（昇降舵）は備えていない。水平尾翼５の下反角は、旋回飛行時のローリングを抑制することを目的としている。
【００２２】
また、制御部７には、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作するための受信機としての赤外線受信機（図示せず。）が接続されており、赤外線送信機（図示せず。）からこの赤外線受信機に向かって赤外線信号を送信することにより、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作することが可能となっている。このように赤外線信号の送受信によって遠隔操作を行う場合、操作可能距離は１５ｍ程度であるが、赤外線受信機の重量は軽いもので０．１ｇ以下であり、羽ばたき航空機１の軽量化に有利である。
【００２３】
上記構成の羽ばたき航空機１では、モータ６０の回転により羽ばたき翼３がＸ，Ｙ，Ｚの３箇所でクラッピング動作を行う。ここで、羽ばたき翼３を構成する翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒは、いずれも機体前方側（図１の左側）が翼軸３１Ａ，３２Ａに固定され、機体後方側（図１の右側）は固定されていないので、クラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は翼面に平行な方向のうち、主に機体後方へと噴出する。この空気の噴出は、クラッピング動作を行うＸ，Ｙ，Ｚの３箇所で同じ方向、すなわち機体後方へ繰り返し行われ、機体を前方側へ押し出す推力を発生する。
【００２４】
また、羽ばたき翼３のクラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は、機体後方以外に、図６のＸ，Ｙ，Ｚの３箇所において、翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒが固定されていない翼軸３１Ａ，３２Ａの延長方向にも噴出し、上述の機体を前方側へ押し出す推力とともに、機体の前方を図１の上方へと回頭させる。さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１は機体後方に重心位置があるので、図８に示すように機体前方を斜め上方へ向けて飛行する。これにより、この羽ばたき航空機１は、図８の左方向へ緩やかに前進しながらホバリングする。
【００２５】
そして、モータ６０の出力を上げると、羽ばたき航空機１の自重を超える推力が発生し、羽ばたき航空機１は上昇する。また、モータ６０の出力を下げると、羽ばたき航空機１の自重が推力を超えるようになるため、羽ばたき航空機１は下降する。したがって、本実施形態における羽ばたき航空機１は、水平尾翼５にエレベータを備えていないが、モータ６０の出力制御だけで上昇および下降することができる。また、本実施形態における羽ばたき航空機１は、その重心位置およびモータ６０の出力を調整することで、推力を鉛直方向に発生させ、ヘリコプタのように空中で静止する完全なホバリングを行うことも可能である。
【００２６】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うため、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢がより安定している。なお、例えば、翼軸３１Ａ，３２Ａの中心の曲折角度を小さくすれば、Ｙ，Ｚのクラッピング位置が水平よりも下方の位置となるが、このような構成でもホバリングを行うことは可能である。
【００２７】
さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１では、モータ６０を回転させるだけで、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させ、３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うので、簡単な構成でホバリング能力の高いものが得られる。また、この羽ばたき航空機１では、障害物に衝突した場合であっても、羽ばたき翼３が打ち合う限り、空中でその場に留まろうとする力が働くので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能である。
【００２８】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が、２組の交叉する翼を互いに逆方向に羽ばたき動作するものであるため、それぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせてクラッピング動作を行う場合には約６０°であるが、正面からみた羽ばたき翼３のストローク角度は総計して約２４０°となる。すなわち、従来の羽ばたき飛行機ではそれぞれの翼のストローク角度が６０°であれば、正面からみた羽ばたき翼のストローク角度は左右の翼のストローク角度の合計の１２０°であるが、本実施形態における羽ばたき航空機１ではそれぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒの２倍のストローク角度が得られる。
【００２９】
なお、羽ばたき翼３のそれぞれのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせる６０°とせず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させることのできる角度、例えば５０°とすることも可能である。但し、このストローク角度が小さすぎると、翼面に平行な方向に噴出する空気が少なくなり、有効な推力を発生しなくなるので、少なくとも翼同士を完全に打ち合わせる状態から１０°小さくする程度とするのが望ましい。
【００３０】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３に薄膜を用いたが、この薄膜に代えて超薄型の太陽電池を用いることも可能である。この超薄型の太陽電池としては、例えば、シャープ社が提案している化合物フレキシブル太陽電池を使用することができる。この超薄型の太陽電池は厚さ３μｍ程度であり、この太陽電池を用いることで、バッテリ８を省略することが可能となり、さらに軽量な羽ばたき航空機１を実現することが可能となる。
【実施例】
【００３１】
本実施形態における羽ばたき航空機１について飛行試験を行った。機体の主要部品を表１に、機体の諸数値を表２にそれぞれ示す。なお、表２における最大静止推力は、４．１０［Ｖ］の電圧状態のバッテリを搭載した際に、赤外線送信機のスロットルを最大にして実際に測定した値である。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
このように、この羽ばたき航空機１では、全備質量（自重）を超える最大静止推力を発生することができ、ホバリング能力が高いことが確認できた。
【００３５】
また、本実施形態における羽ばたき航空機１の静止推力について試算し、ヘリコプタなどの回転翼航空機との比較を行った。図９は本実施形態における羽ばたき航空機１の羽ばたき翼３と一般的な回転翼（プロペラ）との作動円盤を表した図である。羽ばたき翼の静止推力については、ヘリコプタなどの回転翼による運動量理論が当てはまるとされている。また、一説では、翼の位置で流速ｖであった風はその後方で２ｖに達するとされており、これによりホバリングに必要な静止推力を求める。
【００３６】
まず、回転翼の面積Ｓpは、Ｓｐ＝（１／４）×π×１００2であり、単位時間にＳｐを通過する空気（密度ρ）の質量Ｓpρｖpを初速０から速度２ｖpにまで加速することにより必要な静止推力Ｆを得ると考えると、運動方程式より、
Ｆ＝ｍａ＝２ｍｖp＝２Ｓpρｖp2
となる。
このとき、速度ｖpおよび仕事率Ｗpは、
ｖp＝√（Ｆ／（２Ｓpρ））
Ｗp＝２Ｓpρｖp3＝Ｆ√（Ｆ／（２Ｓpρ）） ・・・（１）
となる。
【００３７】
一方、羽ばたき翼３のストローク角度の総計が２００°（図９の（ａ）の例では、翼同士を完全に打ち合わせずにそれぞれの翼のストローク角度を５０°とし、総計で２００°としている。）のとき、作動円盤の面積Ｓfは、
Ｓf＝（２００／３６０）Ｓp
したがって、（１）式より、
Ｗf＝√（３６０／２００）Ｗp≒１．３４Ｗp
となり、本実施形態における羽ばたき翼３が、回転翼よりも仕事率が良いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の羽ばたき航空機は、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能であるため、障害物が散乱していたり、倒壊の危険性があったりして、人が探索することが困難な場所の探索に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図である。
【図２】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の正面端面図である。
【図３】図１のＡ矢視端面図である。
【図４】図１のＢ矢視図である。
【図５】羽ばたき翼の翼面形状を示す図である。
【図６】正面からみた羽ばたき翼の動作状態を示す説明図である。
【図７】マグネット・アクチュエータの断面図である。
【図８】本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の飛行状態を示す図である。
【図９】本実施形態における羽ばたき航空機の羽ばたき翼と一般的な回転翼との作動円盤を表した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 羽ばたき航空機
２ａ メインフレーム
２ｂ サブフレーム
３ 羽ばたき翼
３０ 軸
３１Ａ，３２Ａ 翼軸
３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒ 翼
４ 垂直尾翼
４ａ 垂直安定板
４ｂ ラダー
４ｃ ヒンジ
４ｄ マグネット・アクチュエータ
４０ 永久磁石
４１ 電磁石コイル
４２ アーム
５ 水平尾翼
６ 駆動部
６０ モータ
６２Ｌ，６２Ｒ リンク機構
６３ クランク
６４ａ，６４ｂ，６４ｃ ギア
７ 制御部
８ バッテリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、
前記翼は、前記羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものである羽ばたき航空機。
【請求項２】
前記翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ前記軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものである請求項１記載の羽ばたき航空機。
【請求項３】
前記翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ前記軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものである請求項１記載の羽ばたき航空機。
【請求項１】
軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、
前記翼は、前記羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものである羽ばたき航空機。
【請求項２】
前記翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ前記軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものである請求項１記載の羽ばたき航空機。
【請求項３】
前記翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ前記軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものである請求項１記載の羽ばたき航空機。
【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２００８−２７３２７０（Ｐ２００８−２７３２７０Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１６２２４（Ｐ２００７−１１６２２４）
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２６日 学校法人福岡工業大学発行の「平成十八年度 福岡工業大学 工学研究科 知能機械工学専攻 修士論文公聴会 予稿集」
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年２月２６日 学校法人福岡工業大学発行の「平成十八年度 福岡工業大学 工学研究科 知能機械工学専攻 修士論文公聴会 予稿集」
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
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