羽ばたき装置
【課題】機動力が高くかつホバリングすることができる羽部を備えた羽ばたき装置を提供する。
【解決手段】羽部１１００は、その一端が根元部１１３０に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有する前縁部１１１０と、羽部１１００は、その一端が根元部１１３０に接続された枝部１１２０とを含んでいる。枝部１１２０は、根元部１１３０から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、第一の稜線部または谷線部から次第に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部を有している。前縁部１１１０と枝部１１２０との間には板状部１１４０が張られている。
【解決手段】羽部１１００は、その一端が根元部１１３０に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有する前縁部１１１０と、羽部１１００は、その一端が根元部１１３０に接続された枝部１１２０とを含んでいる。枝部１１２０は、根元部１１３０から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、第一の稜線部または谷線部から次第に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部を有している。前縁部１１１０と枝部１１２０との間には板状部１１４０が張られている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき運動する羽部によって浮上および移動する羽ばたき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、羽ばたき装置の羽部の設計が行われている。羽の設計手法は、本来、羽ばたき装置に求められる飛行態様に応じて異なるはずである。たとえば、羽ばたき装置が、推進力による胴体の移動に伴う羽部の前進に伴って従属的に浮上力を生み出す飛行態様を求められているのか、または、推進力とは関係なしに直接的に浮上力を生み出すことができる飛行態様を求められているのかによって異なるはずである。しかしながら、従来においては、羽ばたき装置の羽部は、単に、鳥または昆虫の羽を模倣するように設計されていた。
【０００３】
以下、従来から用いられてきた羽ばたき装置の羽を詳細に説明する。
従来から、２つのタイプの羽ばたき装置の飛行態様が提案されている。
【０００４】
１つは、揚力付随発生型(非ホバリングタイプ)の飛行態様である。これは、固定翼機に搭載されているプロペラまたはジェットエンジンのような推進直発生源として、羽ばたき運動する機構を用いる飛行態様である。
【０００５】
生物の中では、ハチドリなどを除く一般的な鳥類は、前述のような飛行態様に近い飛行態様で推進力を得ている。より具体的には、一般的な鳥類の羽ばたき方を模倣した羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置は、主として上下方向に羽を往復運動させる羽ばたき動作によって、水平方向の推進力を生じさせている。この推進力により、羽ばたき装置の本体が前進する。この前進により得られた相対流束（向かい風）は、羽部に揚力（Lift Forceを生じさせる。その結果、羽ばたき装置は浮上する。
【０００６】
前述のように、揚力付随発生型の羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置は、水平方向に推進するため、鉛直方向に上昇するための羽ばたき運動を行うよりも遙かに低いパワーで、浮上力を得ることができる。そのため、一般的には、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、後述される揚力直接発生型の羽ばたき装置に比較してモータのパワーが小さくても、浮上することができる。より具体的には、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、周囲流体から受ける抗力を超える推進力さえ得ることができれば、浮上することができる。そのため、揚力付随発生型の羽ばたき装置の推進力は、羽ばたき装置の重量の１／６程度の大きさに設定されることが多い。ただし、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、前進のための運動を停止すると、相対的な周囲流体の速度がゼロになるため、揚力を得ることができない。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、ホバリングをすることができない。
【０００７】
また、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、大きな推進力を生み出すことが困難であるため、基本的には、羽ばたき方をコントロールすることによって浮上および移動の態様をコントロールすることが困難である。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、一般的な航空機と同様に、フラップまたは垂直尾翼を必要とする。また、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、通常の固定翼航空機の機動力と同程度の機動力しか有していない。
【０００８】
さらに、揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽ばたき運動は、推進力を生み出すためにのみ用いられる。そのため、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、大きな推進力を得るために大きな振幅で羽ばたけば、羽部に生じる揚力の方向が変化することによって揚力の鉛直上方成分を低下させてしまうおそれがある。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽ばたきの振幅は約２０度以下という小さな値に設定されている。
【０００９】
また、揚力付随発生型の羽ばたき装置においては、迎え角をなるべく一定に維持するために、羽ばたき方は、上下方向における１自由度の往復運動からなることが望ましい。
【００１０】
次に、Michelsonの揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽を説明する。
図９〜図１１は、米国特許６０８２６７１号において開示された羽ばたき装置の羽部であって、Michelsonらによって開発された揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽部の一例である。米国特許６０８２６７１号においては、軽量な羽部が膜部と梁部(静脈：Veinと記載されている)とからなる複合構造によって実現され得ることが開示されている。
【００１１】
２種類の飛行態様のうちのもう１つは、浮上力（Rising Force）直接発生型(ホバリングタイプ)の飛行態様である。これは、羽ばたき運動で得られた浮上力を直接的に用いることによって羽ばたき装置を浮上させる飛行態様である。浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、揚力付随発生型の羽ばたき装置の正面が上方に向けられたものに近い羽ばたき装置であり、トンボまたはアブ等の羽ばたき方と同様の羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置である。
【００１２】
浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、羽ばたき装置の重量よりも大きな揚力を羽部の羽ばたきのみによって直接的に発生させなければならない。そのため、浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、前述の揚力付随発生型の羽ばたき装置に比較して、アクチュエータに要求されるパワーは大きい。
【００１３】
ただし、浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、羽ばたき運動そのものにより得られる浮上力を利用して浮上および移動を行うため、ホバリングをすることができる。また、揚力直接発生型の羽ばたき装置は、トンボ等のように、非常に高い機動力を発揮することができる。
【００１４】
浮上力直接発生型の羽ばたき装置の羽の一直線に沿った往復運動を考える。この往復運動は、基本的には、ヘリコプタのロータと同様の運動である。そのため、往復運動の両方で、羽部が適切な迎え角を有する状態を作り出すためには、図１２〜図１４に示される羽ばたき装置のように、往復運動の両端のそれぞれにおいて、羽部を羽軸まわりに大きく捻ることが必要である。以下、この羽部の羽軸まわりの捻りは、切り返しと呼ばれる。羽部の切り返しの際には、羽部の慣性力より大きな力で羽部の往復運動を反転させることが必要である。そのため、往復運動の両端間の距離をできる限り大きくすることが、効率的な羽ばたき方の実現のために必要である。そのため、羽ばたきの振幅は±４５度以上というような大きな値に設定されることが望ましい。
【００１５】
なお、前述の羽ばたき方は、往復運動とその両端のそれぞれでの捻り運動とからなる２自由度の運動である。
【００１６】
次に、ＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）の羽部を説明する。
Fearingらは、論文“Lift Force Improvements for the Micromechanical Flying Insect”において、図１５に示される羽部を開示している。これは、それぞれがカーボン複合樹脂からなる複数のパイプの間にフィルムが張られた構造であり、生体のハエの羽質量を目安とする範囲の質量で、可能な限り受動変形を抑えた、剛な羽を構成することを目指して設計されている。
【００１７】
次に、本願の発明者らが従来において開発した羽を説明する。
本発明者らは、特開２００６−６９４８２号公報において、図１６に示される羽を開示している。この羽は、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている２自由度羽ばたき機構に適用されていることから分かるように、浮上力直接発生型の飛行態様を実現するためのものである。また、この羽の前縁部は、カーボン複合樹脂からなる、コルゲーションと呼ばれる折板状の溝構造を有しているため、羽部の剛性が高められている。より具体的には、Fearingらと同様に、前縁部から枝分かれした枝部が、前後方向を含む面内の回転モーメントに対する羽部の剛性を高めている。
【特許文献１】米国特許６０８２６７１号
【特許文献２】特開２００６−６９４８２号公報
【非特許文献１】Lift Force Improvements for the Micromechanical Flying Insect
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、これまで提案されてきた羽部は、ホバリングおよび機動力の高い羽ばたき方を実現するためには不適切であるという問題がある。以下、その問題が具体的に述べられる。
【００１９】
従来から研究されている羽部は、ほとんどが、前進し続ける必要があるために狭い空間内での飛行、および、高い機動力を実現することができない、揚力付随発生型の飛行態様のための羽部である。したがって、機動力の高い羽ばたき方を実現するためには、浮上力直接発生型の飛行態様のための羽部を採用することが必要である。
【００２０】
浮上力直接発生型の飛行態様を実現する羽ばたき装置の研究は、上述のように、近年、進められているが、羽ばたき装置によって生じる周囲空間における空力のメカニズムの解明が不十分な状態で、行われている。そのため、羽部に生じる慣性を考慮して羽部を設計することの重要性が認識されていない。したがって、機動力が高い飛行を実現することができないことは当然のことであり、浮上することさえも実現することができない。
【００２１】
また、揚力付随発生型の羽部の運動においては、上述のように、迎え角が大きく変化しないことが重要である。すなわち、揚力付随発生型の羽部の運動においては、通常、羽部は、羽ばたき振幅が小さくなるように設計される。そのため、羽部の運動は比較的緩慢である。したがって、羽部の質量の大小は、羽ばたき駆動に要求されるトルクに大きな影響を与えることはなかった。その結果、羽部の変形を許容してまで、羽部を軽量化する、という設計概念およびその設計概念に基づいて製造された羽部は存在しなかった。
【００２２】
一方、実際の昆虫の羽は、大きく変形することができるため、その質量が極限まで軽量化されている。たとえば、実際のトンボの羽の捻り角は、図１７に示されるように、羽の根元では、羽後縁部が羽前縁部の鉛直下方に位置する状態を０°として、±３０°程度である。一方、羽の先端では、さらに羽の受動変形による捻れが加わるため、羽部の捻り角は、±７０〜８０°という大きな角度になる。また、ホバリングの際には、羽は略水平方向に往復運動するため、周囲流束に対する羽の迎え角は、水平方向に広がる面を基準として、１０°〜２０°という値になる。これは、一般的な固定翼機の離陸の際の迎え角とほぼ同一の値であり、揚抗比の大きな浮上効率が高い迎え角の値である。すなわち、トンボの羽は、受動変形までも含めて、浮上効率が高い迎え角が得られるように駆動されている。これは、羽部の受動変形を許容してでも、羽部を軽量化する必要があるためである。このような必要性があるのは、浮上力直接発生型の羽ばたき飛行は羽部の振幅が大きいため、羽部の質量の大小が、羽ばたき駆動に要求されるトルクに大きな影響を与えるためである。
【００２３】
本発明者の解析によると、羽ばたき駆動トルクの１／３は、慣性力に対抗するために用いられている。例えば、長さ３２ｍｍの羽を４２Ｈｚの周波数で羽ばたかせるアキアカネにおいては、羽を駆動するためのトルクのピークが１ｇｆ・ｃｍ程度であるが、このうち０．３ｇｆ・ｃｍが慣性力に対抗するために用いられている。
【００２４】
上記の羽ばたき装置の羽部のいずれもが、羽部の軽量化の重要性が定量的に認識されていない時代において設計されたものであり、高い機動力を実現するとともにホバリングをすることができる羽部のための設計はなされていなかった。
【００２５】
たとえば、Michelsonは、米国特許６０８２６７１号に開示されているように、多数のVeinと称される翅脈を有する羽（前者）、および、羽部の根元部から羽部の長手方向の中央部および羽部の先端の後縁のそれぞれに向かって延びる２本の翅脈を有する羽部（後者）を提案しているが、翅脈の最適な配置のための設計手法を開示していない。
【００２６】
前者は、羽全体が均等に高い剛性を有しているため、複数の翅脈が質量を増加させる要因となり、慣性を増大させてしまうという問題を有している。一方、後者は、羽部の変形が図１８に示すようなものである。そのため、後者は、羽部の前後方向の位置によって周囲流体に対する迎え角が大きく異なってしまうので、効率的に浮上力を発生させることができない。また、後者によれば、抗力が大きくなってしまう。
【００２７】
このように、Michelsonの羽は、機動力が高く、かつ、ホバリングをし得る羽ばたき装置の羽部としては適していない。
【００２８】
Fearingおよび本発明者らの前述の羽部が発明される以前の羽部として、前縁部の長さ方向の中央部から枝分かれする枝部を有しているものがある。しかしながら、Fearingの羽部においては、その枝部の材料としてパイプが用いられているため、その羽部の質量および慣性は大きくなってしまう。さらに、パイプ自体はその中心軸まわりのねじり変形に非常に強いため、この羽部を用いた際の羽部の変形の度合は、図１８に示されるように小さいと予想される。そのため、この羽部も、羽ばたき装置の羽部としては適していないと考えられる。
【００２９】
また、図１６に示される、本発明者らが発明した以前の羽部は、枝部がコルゲーションと呼ばれる前縁から伸びているが、コルゲーションの溝の延びる方向に垂直な方向の剛性を利用して、枝部１１０５を支えているため、羽部の往復運動の往路および復路のいずれかにおいて、この枝部１１０５が接合されている前縁部のコルゲーションが、図１９に示されるように、変形してしまう。そのため、羽部の前縁部１０１の溝構造が開いてしまうために、溝に沿う方向を含む面内における曲げに対する剛性が著しく低下してしまう。その結果、羽部の前縁部１０１が、この部分から折れ曲がってしまう。逆に、前縁１０１の枝部１１０５が接続されている部分を補強すると、羽部の中央部での質量が増加してしまうため、羽部の慣性が増加してしまう。故に、この羽部も、機動力が高く、かつ、ホバリングをすることができる羽ばたき装置の羽部としては適していない。
【００３０】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、機動力が高くかつホバリングすることができる羽部を備えた羽ばたき装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の羽ばたき装置は、本体と、前縁部を有する羽部と、羽部の根元部を駆動するように本体内に搭載され、羽部を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部が延びる方向を回転軸として羽部を捻るアクチュエータとを備えている。羽部は、その一端が根元部に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有し、その一端が根元部に接続され、根元部から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、第一の稜線部または谷線部から徐々に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部と、第一の稜線部または谷線部と第二の稜線部または谷線部との間に張られた板状部または膜部とを含んでいる。
【００３２】
上記の構成によれば、羽ばたき運動に必要な流体力に耐え得る程度の剛性を有し、かつ、軽量である羽部を備えた羽ばたき装置を実現することができる。
【００３３】
第一の稜線部または谷線部は、前縁部を構成し、第二の稜線部または谷線部は、根元部から所定の位置まで、第一の稜線部または谷線部にほぼ平行に延び、かつ、所定の位置から先端側においては、第一の稜線部または谷線部となす角度がアクチュエータから離れるに従って増加するとともに、その先端部が羽部の後縁部まで到っていてもよい。
【００３４】
上記の構成によれば、主要な揚力発生部位である、板状部または膜部の面積および剛性が羽ばたき飛行の実現のために要求される程度に大きく、かつ、全体の重量が羽ばたき飛行の実現のために要求される程度に小さい羽部を備えた羽ばたき装置が得られる。
【００３５】
第二の稜線部または谷線部の先端部は、根元部から羽長の２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れた位置で羽部の後縁部に到っていてもよい。
【００３６】
上記の構成によれば、流体力を受けて羽部がねじれ変形したときに、主要な揚力発生部位である、先端部の迎え角が流体が流れる方向に沿ってほぼ一定である羽部を備えた羽ばたき装置が得られる。
【００３７】
羽ばたき装置は、第一の稜線部または谷線部の先端部と第二の稜線部または谷線部の先端部とを接続する外枠部をさらに備えていてもよい。この場合、板状部または膜部が、第一の稜線部または谷線部、第二の稜線部または谷線部、および外枠部によって取り囲まれた領域に張られていることが望ましい。
【００３８】
上記の構成によれば、板状部または膜部の損傷のおそれが低減される。
また、外枠部と第一の稜線部または谷線部とが連続した１つの曲線形状を構成するように、外枠部の一方の端部が、第一の稜線部または谷線部の先端部に接続されていることが望ましい。
【００３９】
上記構成によれば、外枠部の捻り剛性と曲げ剛性との相違を利用し、流体力を受けて羽が捻れるように変形したときに、主要な揚力発生部位である、板状部または膜部の迎え角が、流体が流れる方向に沿ってほぼ一定である羽部を備えた羽ばたき装置を得ることができる。
【００４０】
また、羽ばたき装置は、第二の稜線部または谷線部の先端と根元部とを接続する内枠部と、内枠部と第二の稜線部または谷線部との間の領域に張られた板状部または膜部とを備えていることが望ましい。
【００４１】
上記の構成によれば、慣性力の増加および羽部の変形に起因する悪影響の増加の双方を抑制しながら、面積が大きな羽部を備えた羽ばたき装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の羽ばたき装置が説明される。
（実施の形態１）
（羽ばたき装置の全体構造およびその動作）
本実施の形態においては、浮上力直接発生型の羽ばたき装置が用いられる。羽ばたき装置の全体構造は、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている構造と同様であるため、ここでは、その説明はなされないが、本実施の形態の羽ばたき装置の羽部の構造の説明の後で、その説明がなされる。
【００４３】
ただし、後述される羽ばたき装置の全体構造は、本発明の羽部が適用され得る羽ばたき装置の一例である。したがって、本発明の羽部の構造は、羽ばたき動作、すなわち羽部の運動が同様である羽ばたき装置であれば、いかなる羽ばたき装置に対しても適用され得る。
【００４４】
これは、２つの羽ばたき装置が異なる構造を有していても、それらが同様な羽ばたき動作をするのであれば、それらの羽部が生み出す浮上力その他の性能を示すパラメータが同等であるためである。
【００４５】
（構造）
図１に示されるように、本実施の形態に示されるように、羽部１１００は、前縁部１１１０、枝部１１２０、前縁部１１１０および枝部１１２０のそれぞれが接続された根元部１１３０、および、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた板状部１１４０からなる。前縁部１１１０および枝部１１２０は、稜線部または谷線部を有する繊維強化プラスチックで構成されている。また、板状部１１４０はアラミドフィルムからなる。ただし、本発明の効果は、基本的には羽部の構造に起因するものであるため、前述の羽部を構成する材料の種類によらずに実現されるものである。したがって、前述の羽部を構成する材料は、本発明の目的を達成するための羽部を構成する材料の一例であり、本発明の羽部は、前述の材料によって構成されているものに限定されるものではない。
【００４６】
（枝部）
枝部１１２０は、前縁部１１１０と同様に、１つの稜線部または谷線部を有する溝構造を有しているため、この稜線または谷線が延びる方向を含む平面内において生じる曲げモーメントに対して高い剛性を有している。図１に示されるように、枝部１１２０の一端は、根元部１１３０に固定されている。
【００４７】
また、図１に示されるように、枝部１１２０は、根元部１１３０の近傍においては、前縁部１１１０とほぼ平行に延びている。また、根元部１１３０から所定の距離だけ離れた位置から羽部１１００の先端側においては、先端に向かって、徐々に、枝部１１２０と前縁部１１１０とのなす角が大きくなる。枝部１１２０の先端は、羽部１１００の後縁部１１４５まで到っており、根元部１１３０から羽長の約２／３〜３／４の位置に到達している。
【００４８】
本実施の形態における羽部の形状と羽ばたき方との組み合わせが特定の場合、たとえば、長楕円形の羽部が、その根元部を実質的な回転中心として略同一平面内で回動する場合に、主要な揚力発生部位は、回転中心たる羽部の根元部から、羽長の２／３〜３／４の位置であることが分かっている。一般に、揚力は基本的に羽部の表面側の空間と裏面側の空間との圧力差に起因して生じる。この圧力差は相対流速の自乗に比例する。また、回転中心よりも羽部の先端側の部位においては、羽部に対する相対流速が高まるという現象が生じ、羽部の先端近傍においては、流体が羽部の一方側から他方側へ回り込むため、羽部の表面側の空間と裏面側の空間との圧力差が弱まるという現象が生じる。この２つの現象の組み合わせによって、最も移動速度の大きい、羽部の先端からわずかに回転中心側に近づいた部位において、最も大きな揚力が得られる。本実施の形態においても、板状部１１４０の主な揚力発生部位は、根元部１１３０から羽部の長さの約２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れて位置付けられており、枝部１１２０によって保持されている。板状部１１４０は、主に、羽部１１００の揚力（Lift Force）および抗力（Drag）浮上力（Rising Force）を生み出す役割を果たしている。
【００４９】
（根元部）
前縁部１１１０の一端および枝部１１２０の一端は、前縁部１１１０および枝部１１２０の位置関係が保持されるように、根元部１１３０に接続されている。なお、根元部１１３０は、羽部１１００の回転中心またはその近傍に位置付けられている。そのため、これらの前縁部および枝部を強固に固定するための部材が必要なことに起因した根元部１１３０の多少の質量増加は、羽ばたき運動の特性に殆ど影響を与えない。
【００５０】
（期待される効果）
上述のように、羽部１１００の揚力は、主に、根元部１１３０から羽長の２／３〜３／４の距離だけ離れた位置にある領域Ｒにおいて生み出されている。これは、その領域Ｒの周囲流体の流速は、回転中心からの距離が大きいため、羽部１１００の根元部１１３０の位置Ｒの周囲流体の流速に比較して、大きいからである。また、根元部１１３０から羽長の２／３〜３／４の距離だけ離れた位置は、羽部１１００の表面側の流体と羽部１１００の裏面側の流体と間の圧力差が大きくなるためである。
【００５１】
羽部１１００においては、前縁部１１１０は板状部１１４０に比較して剛性が高い。そのため、図３に示されるように、板状部１１４０は、周囲流体の流れに従うように変形する。より具体的には、羽部１１００の後縁部１１４５が、前縁部１１１０を回転中心として、前縁部１１１０まわりに回転することによって、前縁部１１１０から後縁部１１４５へ所定の距離だけ離れた位置から後縁部１１４５までの部分が、周囲流体の流れ方向に沿うように変形する。
【００５２】
枝部１１２０においては、その稜線または谷線を含む平面内において生じる曲げモーメントに対する剛性は高いが、稜線または谷線まわりの曲げモーメント、すなわち捻りに対する剛性は低い。そのため、枝部１１２０は、根元部１１３０の近傍の位置においては、稜線または谷線まわりに大きく回転変形する、すなわち捻り変形するが、根元部１１３０から離れた位置においては、殆ど変形しない。したがって、図３に示されるように、羽部１１００は、板状部１１４０がほぼ均一の迎え角を有する状態に変形する。
【００５３】
すなわち、上記図１および図２に示される構造の羽部１１００によれば、羽部１１００のうちの揚力の大半が発生する領域Ｒの迎え角を、その領域Ｒ内の位置にかかわらず、ほぼ一定にすることが可能になる。そのため、羽部１１００を揚抗比が大きな迎え角を有する状態にすることが可能になる。つまり、板状部１１４０が周囲流体の流れ方向に沿った平面形状に維持されるため、羽部１１００に生じる抗力を小さくすることができる。さらに、前縁部１１１０および枝部１１２０の双方とも、前縁部１１１０を含む平面内の曲げに対してのみ高い剛性を有しているため、それらの質量を小さくすることができる。
【００５４】
また、前縁部１１１０および枝部１１２０は、根元部１１３０に接続されている。また、根元部１１３０は、羽部１１００の回転中心に最も近く位置付けられている。そのため、羽部１１００の慣性力の増加を最小限に抑制することができる。
【００５５】
以上、本実施の形態の羽部１１００は、次の（１）〜（５）の技術的な特徴を有している。
【００５６】
（１） 羽部１１００は、前縁部１１１０、枝部１１２０、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた板状部１１４０を有する。
【００５７】
（２） 羽部１１００の捻り変形を考慮して、迎え角が適切な値になることを前提として設計がなされるため、不必要な剛性の強化のための重量の増加がなく、極力軽量化されている。
【００５８】
（３） 枝部１１２０は、周囲流体から力を受けると、前縁部１１１０まわりに捻れ、流体の流れ方向に沿って延びように変形する。
【００５９】
（４） 図１に示されるように、枝部１１２０が、羽部１１００の表側の周囲流体と羽部１１００の裏側の周囲流体との間の圧力差が最も大きくなる、根元部１１３０から羽長２／３〜３／４までの領域を支えている。
【００６０】
（５） 前縁部１１１０および枝部１１２０は、慣性力の増加に最も寄与しない根元部１１３０に接続されている。
【００６１】
したがって、本実施の形態の羽部１１００は、上記の技術的特徴のために、図９および図１０に示される重量の増加に繋がる複数の翅脈を有するMichelsonの羽部、図１１に示される羽長２／３〜３／４という最も羽部の表裏の圧力差が大きくなる領域を翅脈が支えていないMichelsonの羽、図１５に示されるパイプ構造を用いて捻り変形を抑制しているFearingの羽部、および、従来から提案されてきた揚力付随発生型の羽部とは、明らかに異なっている。
【００６２】
（補足事項）
なお、本実施の形態の羽部１１００の説明においては、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた膜部は、便宜上、板状部１１４０と呼ばれているが、板状部１１４０が自発的に形状を保つだけの剛性を有していることは必要ではない。たとえば、前縁部１１１０、枝部１１２０、および前縁部１１１０の先端と枝部１１２０の先端とを接続する外枠部で囲まれた領域に、アラミドまたはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）代表される薄い膜を張ることによって、膜部に自発的に形状を保持する剛性を与えてもよい。現実的には、軽量化の観点から、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に薄い膜部を張ることが望ましい。さらに、その薄い膜部に張力をかければ、その剛性を高めることができる。
【００６３】
この場合、前述の張力によって、上記２つの前縁部、枝部、および外枠部の変形が、羽ばたき飛行の妨げにならない程度に、上記張力を調整することが必要である。また、前縁部、枝部、および膜部との複合構造が平板の代わりに用いられていることは一般的になされていることである。この複合構造の一例は、特開２０００６−０７６３５８号公報に開示されている。
【００６４】
また、本実施の形態においては、便宜上、前縁部１１１０および枝部１１２０が、「溝構造」と呼ばれているが、羽部１１００は、表面から裏面に向かって突出している稜線を有していなくとも、裏面から表面に向かって突出している稜線を有していてもよい。さらに、羽部１１００は、表面から裏面に向かって突出している稜線と裏面から表面に向かって突出している稜線とが交互に設けられた構造を有していていもよい。
【００６５】
なお、説明の簡便のため、根元部１１３０は一定の厚さを有するがように図示されているが、前縁部１１１０および枝部１１２０が接続され得るものであれば、根元部１１３０の形状として、いかなるものが採用されてもよい。
【００６６】
また、説明の簡便のため、前縁部１１１０は直線形状を有しており、かつ、枝部１１２０は前縁部１１００の根元部１１３０から先端に向かって前縁部１１００となす角度が単調に増加するように描かれているが、本発明の目的が達成される限り、前縁部１１１０と枝部１１２０との位置関係としていかなるものが採用されてもよい。特に、前縁部１１００は、直線形状ではなく、トンボ等の羽のような曲線形状を有していてもよい。また、枝部１１２０と前縁部１１１０とがなす角度が単調に増加することは必須の構成ではない。枝部１１２０の捻りに対する剛性と曲げに対する剛性との間の相違を利用して、適切な迎え角になっている領域が極力大きくなるような羽部１１００が実現されるのであれば、枝部１１２０と前縁部１１１０との間の位置関係はいかなる態様で変化してもよい。
【００６７】
（実施の形態２）
次に、図４〜図６を用いて、本発明の実施の形態２の羽はたき装置の羽部が説明される。なお、本実施の形態においては、参照符号の下三桁に関しては、実施の形態１の羽部と同様の構造に対して実施の形態１の羽部の説明において用いられた数値と同一の数値が用いられている。
【００６８】
図４〜図６に示されるように、本実施の形態に示される羽部２１００は、前縁部２１１０、枝部２１２０、前縁部２１１０および枝部２１２０のそれぞれの一端が接続されている根元部２１３０、および、前縁部２１１０の先端と枝部２１２０の先端とを繋ぐように架け渡された外枠部２１４０を備えている。前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０によって囲まれた領域には、膜部２１５０が形成されている。膜部２１５０はフィルムが前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０に張られたものである。前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０は、繊維強化プラスチックで構成されている。また、前縁部２１１０および枝部２１２０は、それぞれ、稜線部または谷線部を有している。要するに、本実施の形態の羽部２１００においては、実施の形態１の羽部１１００の板状部１１４０が、前縁部２１１０、枝部２１２０および外枠部２１４０によって囲まれた領域に設けられた膜部２１５０に置き換えられている。
【００６９】
実施の形態１と同様に、本実施の形態の羽部２１００によって得られる効果は、基本的には羽部の構造に依存するものであるため、上記材料の種類によらず実現されるものである。したがって、本実施の形態の羽部を構成する材料は一例であり、本発明の羽部は、前述の材料によって構成された羽部に限定されない。
【００７０】
（期待される効果）
本実施の形態の外枠部２１４０は、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が低いが、実施の形態１の板状部２１４０は、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が高い。すなわち、本実施の形態の外枠部２１４０および膜部２１５０からなる複合構造は、実施の形態１の板状部１１４０に比較して、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻り変形が大きい。そのため、図４に示されるように、外枠部２１４０および膜部２１５０からなる複合構造は、実施の形態１の板状部１１４０のみからなる構造との比較において、流体が流れる方向に沿った部位のそれぞれの羽部の迎え角、すなわち、羽部の前後方向における部位のそれぞれの迎え角をほぼ一定値にすることが容易である。
【００７１】
なお、前述の複合構造の前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が低いことが重要であり、複合構造の前縁部２１１０の長さ方向を含む平面内の曲げに対する剛性は高くてもよいため、外枠部２１４０は、前縁部２１１０等と同様に、前縁部２１１０が延びる方向に沿った稜線部または谷線部からなる溝構造を有していてもよい。
【００７２】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の羽ばたき装置の羽部を、図７および図８を用いて説明する。なお、本実施の形態においては、参照符号の下三桁に関しては、実施の形態１の羽部と同様の構造に対して実施の形態１の羽部の説明において用いられた参照符号と同一の参照符号が用いられている。
【００７３】
（羽構造）
図７および図８に示されるように、本実施の形態に示される羽部３１００は、前縁部３１１０、枝部３１２０、前縁部３１１０および枝部３１２０のそれぞれが接続された根元部３１３０、お前縁部３１１０の先端部と枝部３１２０の先端部との間に接続された外枠部３１４０、および、根元部３１３０と枝部３１２０の先端部とに接続された内枠部３１６０を備えている。また、前縁部３１１０および枝部３１２０、および外枠部３１４０によって取り囲まれた領域にはフィルムからなる外膜部３１５０が張られている。また、枝部３１２０および内枠部３１６０に取り囲まれた領域にはフィルムからなる内膜部３１７０が張られている。前縁部３１１０、枝部３１２０、および外枠部３１４０は、繊維強化プラスチックで構成されている。前縁部３１１０および枝部３１２０は、それぞれ、稜線部または谷線部を有している。
【００７４】
実施の形態１および２の羽部と同様に、本実施の形態の羽部の動作によって得られる効果は、基本的には、羽部の構造に起因するため、前述の羽部の材料の種類によらず、実現されるものである。したがって、本実施の形態の羽部を構成する材料は、一例であり、本発明の羽の材料は前述の材料に限定されない。
【００７５】
（期待される効果）
内膜部３１７０は、羽ばたき装置が滑空しているときには、揚力を生み出すことができる。なお、内膜部３１７０は、羽部３１００の回転中心に近い位置に設けられている。そのため、羽ばたき動作によって直接的に抗力に起因する浮上力が生み出されるときには、内膜部３１７０の表面側と裏面側との間に生じる圧力差が小さい。つまり、内膜部３１７０の存在に起因して生じる揚力は小さい。また、内枠部３１６０は、外枠部３１４０と同様に、前縁部３１００が延びる方向に沿った軸まわりの捻り剛性が低い。そのため、内枠部３１６０は、羽ばたき動作によって直接的に抗力に起因する浮上力が生み出されるときには、羽部１１３０の揚力発生部位の変形には殆ど影響を及ぼさない。また、内枠部３１６０は、羽部３１００の回転中心に近い位置に設けられているため、内枠部３１６０が設けられることに起因した羽部３１００の慣性力の増加は僅かである。
【００７６】
まとめると、内膜部３１７０の存在により、羽３１００の全体の剛性および羽３１００に生じる慣性力の増減に殆ど影響を与えることなく、羽ばたき装置が滑空するときに有効に機能するように、すなわち、揚力の発生に寄与するように羽部３１００の面積を増加させることができる。
【００７７】
図２０〜図４４を用いて、本発明の一実施の形態の羽ばたき装置を説明する。なお、本実施の形態では、左右対称の構成を有する羽ばたき装置を説明する。したがって、説明の簡略のため、左右対称である構成要素には同一参照符号が付され、それらのうち左側のみの説明がなされる。
【００７８】
また、以下の説明においては、前述の羽部と異なる羽部を有する羽ばたき装置が示されているが、前述の羽部を以下の羽部と置き換えることにより、前述の羽部を用いて、以下に示される羽ばたき装置の羽ばたき運動が実現される。
【００７９】
（全体の構成）
まず、図２０および図２１を用いて、本実施の形態の羽ばたき装置の全体構成を説明する。この項目は、全体構成を説明するためのものであるため、各構成要素の詳細な構成および動作は後述される。
【００８０】
図２０に示すように、羽ばたき装置１００は、本体１０１と、本体１０１に設けられた１対の羽部１１０とを備えている。一対の羽部１１０の一方は、本体１０１の左側の側部に設けられ、一対の羽部１１０の他方は、本体１０１の右側の側部に設けられている。
【００８１】
羽ばたき装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動によって、周囲流体に流れを生じさせるとともに、周囲流体から反作用を受ける。このとき、羽ばたき装置１００は、鉛直上方に向いた、自重を超える反作用を周囲流体から受ける。それにより、羽ばたき装置１００には重力加速度を超える鉛直上方向きの加速度が生じる。その結果、羽ばたき装置１００は浮上する。
【００８２】
また、図２１に示すように、羽ばたき装置１００は、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を有している。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０は、本体１０１に回転可能に搭載されている。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０には、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の運動を羽部１１０へ伝達する羽根駆動メカニズム１４０が接続されている。羽根駆動メカニズム１４０には羽部１１０が接続されている。羽部１１０は、上および下部超音波モータ１２０および１３０の駆動によって、上下方向を回転中心軸とする往復回動運動（以後、「ストローク運動」と称する。）と、羽部１１０の前縁部を回転中心軸とする回転運動（以後、「捻り運動」と称する。）とを行なう。つまり、羽部１１０は、ストローク運動および捻り運動のそれぞれを独立して行なうことができる。
【００８３】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、制御回路１５０によって制御される。また、制御回路１５０には、本体１０１に固定された位置検出センサ１６０から羽ばたき装置１００の位置情報および姿勢情報が与えられる。
【００８４】
また、羽ばたき装置１００は、通信装置１７０を介して、羽ばたき装置１００自身の情報およびその周辺の情報を、外部のコントローラ２００に送信する機能を有する。本実施の形態においては、画像センサ１８０よって得られた流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報がコントローラ２００へ送信される。なお、流体センサ１８０よって得られた気体に関する情報は制御回路１５０によって直接利用されてもよい。
【００８５】
また、通信装置１７０は、図２０および図２１に示すように、外部のコントローラ２００から送信されてきた情報を受信し、その情報を制御回路１５０に与える機能を有する。本実施の形態では、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０により制御され、羽ばたき装置１００の運動指令を与えるものとする。一方、外部のコントローラ２００は、羽ばたき装置１００に搭載された流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報を取得することができる。
【００８６】
なお、コントローラ２００が前述の気体に関する情報をオペレータ２１０に提示する方法は、いかなるものであってもよい。たとえば、外部のコントローラ２００が画像表示機能を備えていれば、流体センサ１８０が取得した気体に関する情報そのものが視覚的にオペレータ２１０に提示される。また、説明の簡便のために、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０によって操作されるものとしたが、これは必須ではない。
【００８７】
また、制御回路１５０、通信装置１７０、および流体センサ１８０等は、本体１０１に配された電源１９０から供給される電力によって駆動される。電源１９０は、本発明の駆動エネルギー源として機能するが、本発明の駆動エネルギー源は、電力を用いるもの以外のもの、たとえば、化石燃料等であってもよい。この場合、アクチュエータとしては例えば２サイクルエンジンやスターリングエンジン等、上記駆動エネルギー源に対応した物が用いられる。
【００８８】
（羽部）
以下に説明される羽部は、前述の図１〜図８を用いて説明された実施の形態１〜３の羽部に置き換えられ得るものである。したがって、前述の図１〜図８を用いて説明された実施の形態１〜３の羽部の根元部１１３０、２１３０、または３１３０が、図３４に示されるような羽部１１０の根元部と同様の態様で上部プレート１４１および中間プレート１４４に接続される。それにより、前述の羽部１１００、２１００、または３１００は、図４０〜図４７に示されるような羽ばたき動作をする。より具体的には、前述の実施の形態１〜３の羽部１１００、２１１０、または３１１０の前縁部１１１０、２１１０、または３１１０は、以下に説明される前縁部１１０２と同様の動作をする。また、前述の実施の形態１〜３の羽部１１００、２１００、または３１００は、全体として、以下に説明される羽部１１０と同様の動作をする。つまり、以下に示されるアクチュエータとして上部ロータ１２０および下部ロータ１３０は、羽部１１００、２１００、または３１００を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１１０、２１１０、または３１１０が延びる方向を回転軸として羽部１１００、２１００、または３１００を捻る。
【００８９】
羽部１１０は、図２２〜図２６に示されたような形状を有し、長さが６５ｍｍであり、かつ、幅が１６ｍｍである。羽部１１０は、前縁部１１０２、羽面部１１０３、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６を有している。なお、羽面部１１０３とは、前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６以外の部分であって、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９とアラミドフィルム１１１４とからなる部分である。
【００９０】
羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分、つまり前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）層からな
る。具体的に言えば、羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分は、ＣＦＲＰのシートから図２４〜図２６に示す３つの部分が切り抜かれ、その３つの部分が積層されることによって形成される。
【００９１】
前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層の３層積層構造を有している。また、枠部１１０４、枝部１１０５、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９はＣＦＲＰ層の１層構造である。図２２に示されるＸ軸の正の方向を０度とすると、細長板状部１１０７の繊維軸の方向は−６０度（＋１２０度）であり、細長板状部１１０８および枠部１１０４のそれぞれの繊維軸の方向は、０度（１８０度）であり、細長板状部１１０９の繊維軸の方向は、＋６０度（＋２４０度）であり、枝部１１０５の繊維軸の方向は−３０度（１５０度）である。前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、繊維軸の方向が−６０度（＋１２０度）、０度（１８０度）、および＋６０度（２４０度）である３つのＣＦＲＰ層が重ねられて形成されている。
【００９２】
前縁部１１０２の主要な変形は、羽部１１０の長手方向に平行な伸縮であるため、この方向とＣＦＲＰ層の繊維軸とが一致していることが望ましい。また、アクチュエータ接合部１１０６には複数の方向に力が加えられ、羽ばたき運動に応じてこれらの力の方向が変化すると考えられる。したがって、あらゆる方向に極力均等な剛性を有するように、異なる方向の繊維軸を有する多数のＣＦＲＰ層を積層することによって形成されていることが望ましい。なお、前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、他の部分よ
り剛性が高くなっている。これらの要件を満たす羽部の製造方法は後述される。
【００９３】
また、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、枠部１１０４、および枝部１１０５に囲まれるように羽面部１１０３が設けられている。羽面部１１０３は、アラミドフィルム１１１４からなり、図２３の紙面の奥行き方向に延びている。また、アクチュエータ接合部１１０６は、羽部１１０の根元に設けられ、アクチュエータに接合されており、その長さは１０ｍｍである。
【００９４】
また、図２４〜図２６に示すように、複数の細長板状部１１０７のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０７同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。また、複数の細長板状部１１０８のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０８同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。さらに、複数の細長板状部１１０９のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０９同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。
【００９５】
なお、本実施の形態では、説明の簡便のため、同一層の複数の細長板状部は、同一ピッチかつ平行であるものとしたが、たとえば、剛性分布を意図的に変更する場合には、前述のものに限定されない。たとえば、先端側に比較して、根元側のピッチが小さくなっており、それにより、剛性が高められている羽部１１０が用いられてもよい。
【００９６】
＜前縁部＞
前縁部１１０２は、図２３に示されるように、羽部１１０の長手方向に沿って延びる溝構造、すなわちコルゲーションと呼ばれる凹凸形状を有している。そのため、前縁部１１０２においては、長手方向を含む面内の曲げ変形に対する剛性が、長手方向を回転中心軸とする曲げ変形に対する剛性に比較して、高くなっている。なお、この前縁部１１０２の凹凸形状は、プリプレグと呼ばれるＣＦＲＰ層の原材料のシートを、この凹凸形状に対応する金型に密着させた状態で加熱することによって容易に成形され得る。また、前縁部１１０２には荷重が大きくかかる。そのため、前縁部１１０２は、細長板状部が設けられていない構造、すなわち隙間がない密実構造であるので、羽面部１１０３より剛性が高くなっている。さらに、前縁部１１０２は、根元に近づくにしたがって、累積的に荷重が増加するため、根元が先端に比べ太くなっている。根元部分での前縁部１１０２の幅および高さは約２ｍｍであり、先端部分での前縁部１１０２の幅および高さは約１ｍｍである。ただし、図の記述精度の制約から、図２３〜図２６においては、根元部分における前縁部１１０２の幅と先端部分における前縁部１１０２の幅とは同じ幅で描かれている。
【００９７】
＜羽面部＞
羽面部１１０３は、図２３〜図２６に示されるように、ＣＦＲＰ層の細長板状部１１０７、１１０８および１１０９、およびアラミドフィルム１１１４によって構成されている。羽部１１０と同一の外形を有するアラミドフィルム１１１４が、ＣＦＲＰ層の細長板状部によって挟まれている。
【００９８】
本実施の形態においては、アラミドフィルム１１１４の耐熱温度がＣＦＲＰ層の成形温度よりも高く、かつＣＦＲＰ層の成形工程において、プリプレグとアラミドフィルムとを接触させておき、加圧および加熱処理を行なうことで、プリプレグに含まれる樹脂成分によってＣＦＲＰ層とアラミドフィルムとを接着させることが可能である。したがって、ＣＦＲＰ層によって構成された前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９ならびにアラミドフィルム１１１４を含む原材料を上述の金型上で焼結することによって、簡単に羽面部１１０３を製造することが可能である。
【００９９】
羽面部１１０３の細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９は、それらが延びる方向が互いに６０度ずつずれ、重ねられている。そのため、羽面部１１０３の表面に垂直な方向から見ると、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９によって、正三角形の枠、すなわちトラスが形成されているように見える。また、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれは、細長い長方形の輪郭を有しており、そのうち２つの長辺は、繊維軸に平行に延びている。これは、強度が高いＣＦＲＰの長手方向と、上記トラス構造の各ビームの力のかかる方向とを一致させ、一軸異方性材料であるＣＦＲＰの強度特性を最大限活用するための構成である。ただし、２つの長辺の一方の長辺のみが繊維軸に平行に延びていれば、繊維の強度をある程度有効に利用することが可能である。なお、上記ビームが長方形ではない場合には、応力解析などの手法を用いて、そのビームの形状に最適な繊維軸方向を決定する必要がある。
【０１００】
また、本実施の形態では、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの曲げ剛性は、前縁部１１０２の１／８であるものとする。一般に、曲げ剛性は、断面二次モーメントに比例する。つまり、曲げ剛性は、（幅：矩形の短辺の長さ）×（厚さの３乗）に比例する。
【０１０１】
ここで、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの厚さが一定であり、細長板状部１１０７の幅が細長板状部１１０７同士の中心軸間の距離（以下、これを「ピッチ」という。）の１／ａ倍であり、細長板状部１１０８の幅が細長板状部１１０８同士のピッチの１／ａ倍であり、かつ、細長板状部１１０９の幅が細長板状部１１０９同士のピッチの１／ａ倍であると仮定する。この仮定の下では、細長板状部の幅が１／ａ倍になれば、羽面部１１０３の曲げ剛性も１／ａ倍になる。したがって、本実施の形態においては、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅を細長板状部１１０７同士、細長板状部１１０８同士、および細長板状部１１０９同士のそれぞれのピッチの１／８倍にすることによって、前縁部１１０２の曲げ剛性の１／８倍の曲げ剛性を有する羽面部１１０３が実現されている。つまり、羽面部１１０３の厚さ、すなわち細長板状部の積層数を変化させることなく、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅のみを変更することによって、所望の曲げ剛性分布を有する羽部１１０が形成されている。細長板状部の積層数は、自然数にしかならず、連続的に変化し得るものではないため、細長板状部の積層数を変化させるだけでは、羽部の曲げ剛性の分布が不連続になってしまう。しかしながら、上記細長板状部の幅とピッチとの比は、連続的に変化し得るものであるため、上記曲げ剛性分布を連続的に変更して、所望の曲げ剛性分布を得ることができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態の羽部１１０の構造によれば、細長板状部１１０７の幅と細長板状部１１０７同士のピッチとの比、細長板状部１１０８の幅と細長板状部１１０８同士のピッチとの比、および細長板状部１１０９の幅と細長板状部１１０９同士のピッチとの比を互いに異ならせることによって、羽面部１１０３の曲げ剛性が異方性を有するようにすることが可能である。たとえば、羽部１１０の長手方向を含む面内の曲げ変形に対して高い剛性を有する羽部１１０を製造する場合には、細長板状部１１０８の幅を大きくし、細長板状部１１０８同士のピッチを小さくすればよい。
【０１０３】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造の一部をトラスが形成されるように切り抜く手法が用いられた場合には、各トラスの三辺に３つのＣＦＲＰ層が積層されている。この手法により形成された羽面部の質量は、トラスが形成されていない羽面部１１０３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層の積層構造の質量の３／ａ倍（ａは前述の値）となる。この場合、３つのＣＦＲＰ層のうちの１つの層の繊維軸を含む面内の曲げ変形モードにおいては、その１つのＣＦＲＰ層以外の２つのＣＦＲＰ層は、樹脂程度の剛性しか有していないため、不要である。すなわち、前述の羽部１１０は、本段落にて説明されているような切
り抜きによって形成された羽部の約１／３の質量で、その羽部とほぼ同一の剛性を有する（具体的には下記の＜羽質量＞の項目に羽部の質量および剛性の数値が記載されている）。
【０１０４】
＜枠部＞
羽面部１１０３を構成するアラミドフィルム１１１４は、図２３に示されるように、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、および枠部１１０４の間に張られている。そのため、アラミドフィルム１１１４の端部の破損が防止されている。本実施の形態では、枠部１１０４の幅は約０．５ｍｍである。なお、枠部１１０４は、図２３に示されるように、羽面部１１０３を取り囲む形状であるため、それが延びる方向は位置によって異なる。枠部１１０４の繊維軸の方向は、それの延びる方向に一致している。
【０１０５】
＜枝部＞
羽部１１０が大きくなった場合には、羽部１１０の先端部の回転半径も大きくなる。この場合、流体に対する相対速度が大きくなるため、羽部１１０の先端部には大きな流体力が生じる。羽部１１０の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽部１１０の先端部の制御性を維持する必要がある。そのため、前縁部１１０２に接続され、前縁部１１０２から斜め方向に延びる枝部１１０５が設けられている。枝部１１０５の幅は約０．９ｍｍである。枝部１１０５は、Ｘ軸方向の羽部１１０の先端側を向く方向を０°とした場合に、−３０°の方向に延びるように形成されている。
【０１０６】
なお、枝部１１０５とＸ軸との間の角度および羽面部１１０３に要求される剛性によっては、前述の細長板状部１１０７とは異なる細長板状部を有するＣＦＲＰ層に枝部１１０５が設けられていてもよい。また、ＣＦＲＰ層とは別の材料を用いて形成された枝部１１０５がＣＦＲＰ層同士の間に挟み込まれた構造の羽面部１１０３が用いられてもよい。
【０１０７】
＜アクチュエータ接合部＞
アクチュエータ接合部１１０６は、実際には、羽部１１０を駆動するアクチュエータとの適合性に応じて、その形状が決定される。本実施の形態のアクチュエータ接合部１１０６は、図２３に示される形状であるものとする。また、羽ばたき運動により生じる流体力に起因する変形を防止するため、アクチュエータ接合部１１０６の材料としては、細長板状部を有しない、すなわち隙間がない密実な構造のＣＦＲＰ層が用いられる。さらに、アクチュエータ接合部１１０６の前方端には溝構造が設けられている。このアクチュエータ接合部１１０６の溝構造と前縁部１１０２の溝構造とは連続するように設けられている。
【０１０８】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重が１．６ｇ／ｃｍ3であるものとして、表１に前述の羽部１１０の各部位の質量が示されている。表１に示されるように、羽部１１０の質量は、約２６．５ｍｇである。また、アクチュエータ接合部１１０６の質量は約１０．８ｍｇである。
【０１０９】
【表１】
【０１１０】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造をトラス形状が形成されるように切り抜く手法が用いられた比較例の羽部の質量は約４８ｍｇである。
【０１１１】
（超音波モータ）
次に、図２７〜図３３を用いて、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を説明する。
【０１１２】
＜全体構成＞
まず、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の構成を説明する。
【０１１３】
図２７に示されるように、上部超音波モータ１２０は、上部超音波振動子１２１と、これによって駆動される上部ロータ１２２とを有している。また、上部ロータ１２２は、上部ベアリング１２３を介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。ロータシャフト１２４は、本体１０１に固定されている。上部ロータ１２２には、上部磁化パターン１２５が円弧状に記されている。上部磁化パターン１２５は、上部磁気エンコーダ１２６で読み取られる。上部超音波振動子１２１においては、図３３に示すように、支持部１２１４が支持シャフト１２７に固定され、牽引部１２２４が牽引ゴム１２９により牽引されている。また、上部超音波振動子１２１を駆動する電力はフィルム基板１２８を介して供給される。
【０１１４】
下部超音波モータ１３０は、上部超音波モータ１２０と上下方向において鏡面対称の構造である。すなわち、下部超音波モータ１３０においては、下部超音波振動子１３１が下部ロータ１３２を回転させる。下部ロータ１３２は、図示されない下部ベアリングを介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。下部ロータ１３２には、図示されない下部磁化パターンが円弧状に記されている。下部磁化パターンは、下部磁気エンコーダ１３６で読み取られる。
【０１１５】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、上下方向において鏡面対称に設けられていること以外においては、全く同様の構成を有しているため、以降においては、上部超音波モータ１２０の詳細構造のみの説明を行なう。
【０１１６】
＜駆動原理＞
次に、図２８〜図３３を用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【０１１７】
上部超音波振動子１２１は、振動板１２１１、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３からなる。振動板１２１１は、厚さ０．２ｍｍのステンレスで作製され、幅２ｍｍかつ長さ９ｍｍの矩形部と、矩形部の長手方向の中央部から外方に突出する支持部１２１４とを有している。振動板１２１１は、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３によって挟まれている。表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３は、それぞれ、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、および厚さ０．２ｍｍの短冊形状を有し、厚み方向に分極するピエゾ焼結体からなる。
【０１１８】
表面ピエゾ１２１２には表面電極１２１６が接合され、裏面ピエゾ１２１３には裏面電極１２１７が接合される。表面電極１２１６に電圧を印加すると、上部超音波振動子１２１において、図２９に示されるような節を３つ有する、即ち３次のたわみ振動モードが励起される。また、裏面電極１２１７に電圧を印加すると、図３０に示されるような、縦(伸縮)の振動モードが励起される。本実施の形態における上部超音波振動子１２１においては、２つの振動についての共振モードの共振周波数は、いずれも２５０ｋＨｚであり、互いに一致している。ここで、これらの共振モードの振動の位相を±９０°異ならせることによって、振動板１２１１の頂点は図３１および図３２に示される２種類の楕円運動を行なう。２種類の楕円運動は、正方向に回転する楕円運動と、逆方向に回転する楕円運動である。また、振動板１２１１の頂点にはセラミックからなる接触部１２１５が設けられている。接触部１２１５は、前述の楕円運動に応じて、摩擦力によって、上部ロータ１２２をロータシャフト１２４の軸周りに回転させる。このとき、正方向の回転および逆方向の回転のいずれかが選択される。
【０１１９】
図３１および図３２は、表面電極１２１６に与えられる電位をφＡとし、裏面電極１２１７に与えられる電位をφＢとして、φＡおよびφＢを、それぞれ、ｃｏｓ（２πｆｔ）およびｓｉｎ（２πｆｔ）に振幅を掛けた関数で表した場合における接触部１２１５の回転方向を示している。なお、説明の簡便のため、表面電極１２１６および裏面電極１２１７のそれぞれに与えられる電位を三角関数によって表わしたが、それらの電位の位相が±９０°ずれているのであれば、矩形波等によって表わされる電位が両電極に与えられてもよい。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれは所定の回転角の範囲内での回転往復運動を行なう。そのため、軽量化のためには、図３３に示されるように、不要な部分が削除された、その外形が中心角１２０°の略扇形状である上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。これによれば、羽ばたき装置内におけるロータの占有率を低減することができる。
【０１２０】
なお、前述の各部位のサイズおよび振動板の共振周波数などの数値は、一例であり、浮上のための要件が満足されるのであれば、前述の値に限定されない。この浮上のための要件は、後述の浮上可能性の項において述べられている。
【０１２１】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、必要な強度が確保される範囲内において、軽量化のための中空構造を有していてもよい。更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、上部ローラ１２２の回転角θ１−下部ロータ１３２の回転角θ２を所定の範囲内の値に制限するための機構が設けられてもいてもよい。これによれば、羽の捻り角βが一定の範囲内の値に制限される。そのため、後述する数式（７）において、解が物理的に１つに定まる。その結果、羽部の動作が安定する。なお、本発明者らの実験によれば、（θ１−θ２）の絶対値が所定値以上の値になると、後述する式（７）の解が、重解になることが分かっている。
【０１２２】
＜予圧機構＞
次に、図３３を用いて、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧を与える機構を説明する。
【０１２３】
接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧が作用しており、その反作用として、接触
部１２１５から上部ロータ１２２の外周面へ向かって抗力が生じている。そのため、上部ロータ１２２と接触部１２１５との間には摩擦が生じている。したがって、接触部１２１５の楕円運動によって、上部ロータ１２２は、摩擦力を受け、回転往復運動を行なう。
【０１２４】
牽引ゴム１２９は、環状であり、その一端が、牽引部１２２４に引っ掛けられている。牽引ゴム１２９の他端は、本体補強ポール１１２に固定されている牽引ゴムピン１１３に引っ掛けられている。したがって、牽引ゴム１２９には張力が生じ、牽引部１２２４が本体補強ポール１１２に向かって牽引されるため、振動板１２１１は牽引部１２２４を含む振動板１２１１を支持している支持シャフト１２７の軸周りに回転運動する。この回転運動は、接触部１２１５が上部ロータ１２２に接触することによって拘束されている。したがって、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ向かう予圧が生じる。
【０１２５】
なお、前述の本体補強ポール１１２を、その長軸周りに回転させることによって、前述の予圧の大きさを調整することが可能である。また、予圧機構は、上部ロータ１２２を駆動するための摩擦力を得るために設けられているものであるため、前述の予圧が得られ、かつ、羽ばたき装置１００の浮上特性が損なわれないのであれば、図３３に示す構造に限定されない。
【０１２６】
＜回転角検出＞
図２７に示す上部磁気エンコーダ１２６には、パターン周期の１／４の間隔を置いてＡ相およびＢ相のための２つの検出部が設けられている。この構成によって、一般的なエンコーダと同様に、上部ロータ１２２の回転方向に応じてＡ相およびＢ相の位相が異なるため、たとえば、Ａ相のアップエッジをカウンタのトリガとして、Ｂ相のレベルの１／０をアップカウント／ダウンカウントの機能選択に割り当てれば、上部ロータ１２２の回転角θ１を検出することが可能である。この回転角θ１の算出は、中央演算装置１５１において行なわれる。
【０１２７】
＜補足＞
なお、図２７〜図３３において示された超音波モータは、一般的なアクチュエータの一例であり、本発明における羽ばたき装置のアクチュエータは、前述のような構造の超音波モータに限定されない。たとえば、アクチュエータとして、電磁モータまたは内燃機関が用いられてもよい。また、回転角検出のための装置は、羽ばたき飛行を阻害するものでなければ、いかなるものであってもよい。たとえば、前述の磁気エンコーダを用いる手法の替わりに、光学式エンコーダを用いる手法が採用されてもよい。
【０１２８】
（羽駆動メカニズム）
次に、図３４〜図３７を用いて羽根駆動メカニズムについて説明する。
【０１２９】
羽根駆動メカニズム１４０は、図３４に示されるように、上部ロータ１２２に固定された上部プレート１４１と、下部ロータ１３２に固定された下部プレート１４２とを有している。さらに、下部プレート１４２には第１アラミドヒンジ１４３を介して中間プレート１４４が接続されている。さらに、上部プレート１４１には、第２アラミドヒンジ１４５を介して、羽部１１０の根元部が接続されている。さらに、羽部１１０の根元部は、第３アラミドヒンジ１４６を介して、中間プレート１４４にも接続されている。したがって、上部プレート１４１、羽部１１０、中間プレート１４４、および下部プレート１４２がアラミドフィルムで接続された複合ヒンジが構成されている。この複合ヒンジは、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって駆動される。
【０１３０】
図３５〜図３７には、上部プレート１４１、中間プレート１４４、および下部プレート１４２の形状が示されている。なお、各プレートのヒンジおよびロータに接続されない辺の近傍の部分は、補強のため、図３５〜図３７のハッチングで示される部位が、各プレートの主表面に対して約９０°折り曲げられている。さらに、この折り曲げ部同士の干渉を避けるため、折り曲げ部の両側端のそれぞれは、折り曲げ部が延びる方向に対して４５°の方向においてカットされている。
【０１３１】
各アラミドヒンジは、幅０．１ｍｍであり、長さに比べてその幅が非常に小さいため、擬似的に１自由度の回転のみ運動可能なリンク、すなわち蝶板（兆番）として機能する。また、アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線は１点で交わり、その１点はシャフト１２４の中心軸上に位置し、かつ、上部ベアリング１２３と下部ベアリング１３３との間に位置する。この構成により、上部超音波モータ１２０の回転角の制御によって羽部１１０の前後方向の往復運動が制御され、上部超音波モータ１２０の回転角の位相と下部超音波モータ１３０の回転角の位相との差の制御によって、羽部１１０のねじり運動が制御される。
【０１３２】
つまり、アクチュエータは、羽根軸としての前縁部１１０２を前後方向に往復運動（回転角α：Ｚ軸周りの回転角）させる前後往復運動用ロータとしての上部超音波モータ１２０と、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２を軸周りに回転（回転角β）させる捻り運動用ロータとを備えている。
【０１３３】
前述の羽ばたき方を、図３８および図３９を用いて、より具体的に説明する。図３８および図３９においては、羽ばたき装置１００の前後方向に沿ってＹ軸が延びている。また、羽ばたき装置１００の上下方向に沿ってＺ軸が延びている。さらに、羽ばたき装置１００の左右方向に沿ってＸ軸が延びている。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、互いに直交する。また、Ｙ軸においては、後方が正であり、前方が負である。また、Ｘ軸においては、上方が正であり、下方が負である。さらに、Ｚ軸においては、左の羽部１１０の位置する側が正であり、右の羽部１１０が位置する側が負である。また、図３９に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角がθ１であり、下部超音波モータ１３０の回転角がθ２であり、前後方向の往復運動の回転角である羽ばたきストローク角がαであり、前縁部１１０２の軸周りの回転角である捻り角がβであるものとする。
【０１３４】
また、前述の各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線の交点から各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの外側端までの距離は、それぞれ、Ｒ２、Ｒ１、およびＲ３であるものとする。さらに、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４５の端点の距離がＬ１であり、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４３の端点の距離がＬ２であり、アラミドヒンジ１４３の端点とアラミドヒンジ１４５の端点と間の距離がＬ３であるものとする。ロータシャフト１２４に対する羽部１１０の位置を表わす角度の組み合わせ（α，β）は、上および下部超音波モータの回転角θ１およびθ２を用いて、以下のように表わされる。
【０１３５】
羽ばたきストローク角αは、羽根軸（前縁部１１０２）のロータシャフト１２４の軸周りの回転であるため、次の式（１）に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角θ１に等しい。
【０１３６】
α＝θ１・・・（１）
また、捻り角（回転角β）は、羽部１１０の羽根軸（前縁部１１０２）の軸周りの回転角であるため、次の式（２）によって示されるβの余弦値から算出される。
【０１３７】
ｃｏｓ（π−β）＝−ｃｏｓ（β）＝［Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ３×Ｌ３−Ｌ２×Ｌ２］／（２×Ｌ１×Ｌ３）・・・（２）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（３）が成り立つ。
【０１３８】
Ｌ３＝ｓｑｒｔ（Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−２×Ｒ１×Ｒ２×ｃｏｓ（θ１−θ２））・・・（３）
ここで、ｓｑｒｔ（）は（）内の値の正の平方根である。
【０１３９】
なお、図３８および図３９から明らかなように、βは、πより大きく、かつ、２πより小さい。
【０１４０】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【０１４１】
上記の式（１）〜（４）から、所望の羽部１１０の位置（α，β）を得るための回転角θ１およびθ２は、次の式（５）および（６）によって表わされることが分かる。
【０１４２】
θ１＝α・・・（５）
ｃｏｓ（θ１−θ２）＝［Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−Ｌ３×Ｌ３］／２×Ｒ１×Ｒ２・・・（６）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（７）が成立する。
【０１４３】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の符号が、正であるか、または、負であるかは、実際の羽部１１０の挙動を考慮することによって、容易に決定される。
【０１４４】
図３８および図３９に示される本実施の形態の羽ばたき装置の状態は、羽部１１０の主表面が鉛直な方向に延びる平面と平行である状態、すなわち、捻り角β＝２７０°である状態である。このとき、θ１＝０°、θ２＝−４５°Ｒ１＝Ｒ２＝１５ｍｍ、Ｒ３＝１５．８１ｍｍ、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝１１．４ｍｍ、およびＬ３＝１１．３９ｍｍである。
【０１４５】
上部および下部ロータ１２２および１３２の回転角θ１およびθ２は、前述のように、磁気エンコーダ１２６よって得られた情報に基づいて中央演算装置１５１によって算出される。なお、回転角θ１およびθ２の制御方法は後述される。
【０１４６】
（羽ばたき方の変更による羽ばたき装置の動作制御）
＜動作の基本＞
本実施の形態における羽ばたき装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動が生み出す浮上力の作用点より下側の質量が大きいため、自動的に、図２０に示される姿勢になる。すなわち、Ｘ軸周りの回転およびＹ軸周りの回転を制御する必要はない。一方、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに沿った並進加速度、ならびにＺ軸周りの回転加速度（以下、「角加速度」とも言う）は、羽ばたき方によって変更される。尚、羽ばたき運動により生じる力は羽部の運動に伴って変化するが、ここでは、羽ばたき運動の１周期平均の力を羽ばたき運動により生じる力とする。
【０１４７】
（コントロールパラメータ）
本実施の形態における羽ばたき装置１００においては、トルク補助機構が適正に機能するためには、上部超音波モータ１２０の回転角θ１すなわちストローク角αの振幅は固定されている必要がある。そこで、羽ばたき装置１００の動作を制御するために、下部超音波モータ１３０の回転角θ２が変更される。すなわち、羽ばたき装置１００は、捻り角βの変更によって、流体の流れを変化させ、それにより、姿勢を変化させる。
【０１４８】
具体的には、羽ばたき運動のストロークの両端のそれぞれにおいて羽部１１０の捻り運動のタイミングを変化させる。
【０１４９】
（上下方向における浮上力の変化）
先述の非特許文献２において、Dickinsonらによって明らかにされているように、図４１に示すように、（１）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも先、すなわち切り返しの前半に羽部１１０を捻る（捻り先行切り返し）と、浮上力は増加し、一方、図４２に示すように、（２）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも後、すなわち切り返しの後半に羽部１１０を捻る（捻り遅れ切り返し）と、浮上力は減少する、という現象が起きる。
【０１５０】
（上下方向における浮上力が変化するときの前後方向における推進力の相殺）
さらに本発明者らは、図４１に示す前述の（１）の動作によれば、切り返し動作前の羽進行方向に沿った抗力が増大し、図４２に示す前述の（２）の動作によれば、その抗力が減少することを見出した。打ち上げ時に生じる前後方向の抗力と、打ち下ろし時に生じる前後方向の抗力とは、互いに逆向きである。そのため、打ち上げ動作と打ち下ろし動作とが前後方向に垂直な平面に対して鏡面対称であれば、それらの動作による抗力は相殺され、推進力はゼロとなる。このため、羽ばたき装置は、上下方向のみにおける移動を行なうことができる。
【０１５１】
（前後方向における推進力の変化）
逆に、打ち上げ時の切り返しと打ち下ろし時の切り返しとにおいて、図４１に示す前述の（１）の動作と図４２に示す前述の（２）の動作とが異なれば、その２つ動作による前後方向の抗力同士の間に差異が生じ、前方または後方のいずれかに推進力が生じる。より具体的には、図４３に示されるように、打ち下ろしの後半では、遅れ切り返しによって、前方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、先行切り返しによって、前方への加速度が得られる。一方、同様に、図４３に示されるように、打ち下ろしの後半では、先行切り返しによって、後方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、遅れ切り返しによって、後方への加速度が得られる。
【０１５２】
（前後方向における推進力が変化するときの上下方向における浮上力の変化の相殺）
尚、前方への加速度が得られる動作および後方への加速度が得られる動作のいずれが実行されるときにおいても、上方への加速度の変化と下方向への加速度の変化とを相殺することは可能である。このため、水平方向における加速度のみを得ることが可能である。
【０１５３】
（空間の３次元移動）
以上の説明のように、左および右の羽部１１０のそれぞれのストローク角α、すなわちθ１の振幅が固定されていても、θ２の時刻歴のみ変更し、打ち上げにおける羽部１１０の切り返しのタイミングと打ち下ろしにおける切り返しのタイミングとを異ならせることにより、羽部１１０に上下方向および前後方向における加速度を生じさせることができる。また、左の羽部１１０に生じる加速度と右の羽部１１０に生じる加速度とを異ならせることによって、羽ばたき装置１００の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、羽ばたき装置１００が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
【０１５４】
＜＜制御の詳細＞＞
以下、図４１に示す前述の（１）に記載の羽ばたき方を捻り先行切り返し（以下、単に、「先行切り返し」という。）と言い、図４２に示す前述の（２）に記載の羽ばたき方を捻り遅れ切り返し（以下、単に、「遅れ切り返し」という。）と言い、図４０に示すホバリング時の羽ばたき方を中央切り返しと言うものとする。
【０１５５】
また、説明の簡便のため、ホバリング、Ｚ軸方向における並進運動、およびＹ軸方向における並進運動は、それぞれ、左右対称である。したがって、羽部の動作も、左右対称である。そのため、左右対称な動作のうちの左の羽部１１０の動作についてのみの説明がなされるものとする。
【０１５６】
＜ホバリング＞
図４０には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図４０においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。このときの浮上力は自重と釣り合っており、前後方向への推進力はゼロである。
【０１５７】
＜Ｚ軸方向の並進制御＞
図４１には、Ｚ軸に沿った上方への移動、すなわち上昇のための羽ばたき方が示されている。図４２には、Ｚ軸に沿った下方への移動、すなわち下降のための羽ばたき方が示されている。図４１および図４２においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面とする鏡面対称の動作を行なう。
【０１５８】
図４１に示す動作は、前述の（１）に記載の先行切り返し動作であり、図４２に示す動作は、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作である。これらの動作の際の前後方向における加速度は、図４３に示されるとおりゼロである。
【０１５９】
＜Ｙ軸方向の並進制御＞
図４４および図４６には、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図４５および図４７には、後方へ移動するための羽ばたき方が示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面として、鏡面対称の動作を行なう。
【０１６０】
前方への移動の際には、打ち上げ終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれ、打ち下ろし終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれる。
【０１６１】
後方への移動の際には、打ち上げの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれ、打ち下ろしの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれる。
【０１６２】
なお、前述の通り、遅れ切り返しの際に浮上力は減少し、先行切り返しの際に浮上力は増加するため、Ｙ軸方向の並進運動において、前述の（１）および（２）に記載の動作により生じる浮上力同士を相殺することは可能である。すなわち、羽ばたき装置１００は、高度を保ったまま、前後方向へ移動することが可能である。
【０１６３】
＜Ｚ軸周り回転制御＞
Ｚ軸周りに正方向の回転、すなわち左への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１６４】
Ｚ軸周りに負方向の回転、すなわち右への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１６５】
いずれの場合においても、上述のように、左および右の羽部１１０による浮上力同士
は相殺され得るものであるため、高度が維持されたまま、羽ばたき装置１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０１６６】
＜Ｘ軸方向の並進制御＞
左方への移動を行なうためには、右の羽部１１０が上昇のための動作をし、左の羽部１１０が下降のための動作をすればよい。これにより、羽ばたき装置１は、左の羽部１１０が右の羽部１１０よりも下側に位置するように姿勢を変更し、それにより、浮上力のベクトルの先端が鉛直上方向きの状態から右側に傾く。これにより、羽ばたき装置１００を左方へ移動させる力が生じる。
【０１６７】
なお、このとき、浮上力の低下が起こることがあり得るため、Ｘ軸方向の並進制御とＺ軸方向の上方への移動のための制御とを併せて行なうことが望ましい。
【０１６８】
＜制御の変更方法＞
以上により、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方、すなわち、先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しを使い分けることで、羽ばたき装置１００は空間を自在に移動することができる。
【０１６９】
なお、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方は、いずれも、羽部１１０の前後方向の往復運動の終端の前から後にかけての所定期間内に行なわれる。そのため、羽ばたき運動のストロークの中心の前から後にかけての所定期間、すなわちストローク角α＝０°の前から後にかけての所定期間内においては、回転角θ１およびθ２の値は、その速度および加速度を含めて同一である。したがって、上記のように、回転角θ１およびθ２が共通している期間内に羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽部１１０の動作を何ら補間することなく、機械的に次の羽ばたき方を選択するだけで、羽部１１０の動作に不連続性を生じさせることなく、ある羽ばたき方から他の羽ばたき方へ円滑に遷移することが可能である。
【０１７０】
＜制御の選択＞
上記のように、θ１＝０°の位相において羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽ばたき方の状態を示す表現方法として、打ち下ろし、打ち上げ、およびそれぞれの終端での切り返し、という区分を行なうことは適切ではない。打ち下ろし後半および打ち下ろし後の切り返しおよび打ち上げの前半を前方羽ばたき運動とし、打ち上げ後半および打ち上げ後の切り返しおよび打ち下ろしの前半を後方羽ばたき運動として、羽ばたき方を二つに区分することが合理的である。
【０１７１】
すなわち、左および右の羽部１１０における前方羽ばたき運動および後方羽ばたき運動において、それぞれ、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの選択を行なうことによって、最も簡便に、羽ばたき方の制御を行なうことができる。前述の説明に基づいた羽ばたき装置の羽ばたき方に対応した選択肢が、表２に示されている。
【０１７２】
【表２】
【０１７３】
＜補足事項＞
なお、本項目においては、最も簡便に位置制御を実現する手法の一例が記載されているが、本発明の羽ばたき方は本項目の羽ばたき方に限定されるものではない。たとえば、本実施の形態においては、回転角θ１およびθ２の角速度は、切り返しの期間を除いて略一定であるものとされている。つまり、羽部１１０の往復運動は、図５５に示すように、角速度が一定である打ち上げおよび打ち下ろしの運動と、これに連続する、角速度が変化する切り返しの運動、すなわち往復運動の運動方向を反転させるための運動とからなるものである。切り返しの運動の角速度は、打ち上げの運動の角速度および打ち下ろしの運動の角速度のそれぞれに連続するように変化する。この切り返しの運動としては、例えば１変数の三角関数等が挙げられる。しかしながら、回転角θ１およびθ２の角速度を変化させることによって、周囲流体から受ける反作用を変化させて、羽ばたき装置１００を移動させる手法が用いられてもよい。
【０１７４】
また、本項目においては、説明の簡便のため、３種類の羽部１１０の切り返しのパターンの組み合わせによって、すべての羽ばたき方が表現される手法が用いられているが、この手法は、羽ばたき方の表現の一例であり、本発明の羽ばたき方は、前述の手法によって表現される羽ばたき方に限定されない。
【０１７５】
たとえば、回転角θ１およびθ２のパターンが多数存在する羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。すなわち、先行切り返しおよび遅れ切り返しのタイミングが複数種類ある羽ばたき方、または、切り返しのタイミングを連続的に自由に変更できる羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。逆に、中央切り返しは、先行切り返しと遅れ切り返しとを交互に繰り返す羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。このような羽ばたき方の表現手法であれば、中央切り返しのパターンのためのデータをメモリに記憶しておく必要が無いため、回転角θ１およびθ２のパターン数を低減させることができる。
【０１７６】
また、図４０〜図４２に示される回転角θの時刻歴は、図３８および図３９に表わされる構成を有する羽ばたき装置１００の回転角θの一例である。実際には、羽部１１０を駆動するメカニズムに応じて、そのメカニズムを制御する各種パラメータが、前述の羽部１１０の先行切り返しおよび遅れ切り返しを実現するように設定されるのであれば、回転角θの時刻歴は、図４０〜図４２に示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０１７７】
（位置検出センサ）
位置検出センサ１６０は、本体１０１に固定されている。そのため、位置検出センサ１６０によって計測された位置および姿勢は、羽ばたき装置１００の位置および姿勢そのものとなる。位置検出センサ１６０は、図４８に示すように、計測された位置および姿勢のデータを後述する中央演算装置１５１に与える。このような機能を実現するためのセンサは、技術の進展により変化するものであり、本発明の本質に関わるものではないため、いかなるものであってもよい。また、前述の姿勢を検出するためのセンサの一例としては、磁気と加速度との組み合せで、０．５°程度の姿勢の変化を検出することができるものが市販されている。また、位置の検出のためには、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）のようなセンサを用いることができる。
【０１７８】
（制御回路）
制御回路１５０は、図４８および図４９に示すように、中央演算装置１５１（Central Processing Unit）、中央演算装置１５１の指令により上および下部超音波モータ１２０および１３０を駆動するドライバ１５２、ならびに、ドライバ１５２に高電圧を供給する昇圧回路１５３等を有している。
【０１７９】
制御回路１５０は、流体センサ１８０とは反対側の筐体１０１の背面に設けられている。この構成により、水蒸気、腐食性ガス、および熱源など、回路の性能に悪影響を及ぼす測定対象が存在する場合であっても、制御回路１５０が筐体１０１のその他の部分に設けられている場合に比べて、流体センサ１８０を測定対象流体に近づけることができる。ただし、制御回路１５０の性能に悪影響を及ぼす測定対象流体が存在しない合、および、悪影響を及ぼす測定対象流体が存在してもその悪影響が制御回路１５０の性能に支障をきたす恐れのないような場合には、制御回路１５０は本体１０１のいかなる位置に設けられていてもよい。
【０１８０】
＜制御回路の動作＞
制御回路１５０には、オペレータ２１０が操作するコントローラ２００から通信装置１７０を介して運動指令が与えられる。運転指令は、一時記憶装置（以後、「ＲＡＭ（Random Access Memory）」と言う）１５５に格納される。中央演算装置１５１は、ＲＡＭ１５５に記憶された運動指令に基づいて、羽ばたき方のデータを固定記憶装置（以後、「ＲＯＭ（Read Only Memory）」と言う）１５４から得る。その後、中央演算装置１５１は、その羽ばたき方のデータをドライバ１５２に与える。それにより、羽ばたき装置１００は、前述の前後左右上下方向の並進移動または鉛直を回転軸とする回転のいずれかを行なう。
【０１８１】
＜中央演算装置＞
中央演算装置１５１は、前述の運動指令、ＲＯＭ１５４およびＲＡＭ１５５の情報を用いて、ドライバ１５２にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号および回転方向制御信号を出力する。これにより、コントローラ２００を介してオペレータ２１０が与えた運動指令に応じて超音波モータ１２０おび１３０が動作する。その結果、運転指令に対応する羽ばたき方が実現される。なお、羽ばたきの往復運動の周期は、反復タイマ１５６を用いて決定される。
【０１８２】
＜反復タイマ＞
中央演算装置１５１は、図４８および図４９に示すように、反復タイマ１５６を内蔵している。反復タイマ１５６は、羽ばたき運動の位相ψとして、−０．５〜０．５の値を５０Ｈｚの繰り返し周期で、中央演算装置１５１に出力する。ただし、羽ばたき運動の位相ψが、−０．５からカウントアップされ、０．５になると、再度、位相ψの値が−０．５からカウントアップされるものとする。この反復タイマ１５６の１周期に対応して、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも前方に位置する前方羽ばたき運動、および、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも後方に位置する後方羽ばたき運動のそれぞれが行なわれる。すなわち、反復タイマ１５６の１周期が羽ばたき運動の周期の２倍に対応する。本実施の形態においては、位相ψが正であれば、羽ばたき装置１００は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば羽ばたき装置１００は前方羽ばたき運動を行なうものとする。近年、機器制御に用いられているマイクロコントローラの多くには、本項で説明されている反復タイマとほぼ同様の、オートリロードタイマと呼ばれる機能が含まれており、これを用いることで、最も簡便に本項の反復タイマの機能を実現することができる。
【０１８３】
＜ＲＯＭに格納された羽ばたき方のデータ＞
ＲＯＭ１５４は、羽ばたき方のデータを格納している。羽ばたき方のデータは、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比の時刻歴のデータである。なお、超音波モータ１２０および１３０には、周波数が２５０ＫＨｚでありデューティ比が５０％に固定された駆動電圧が印加される。一方、図５０に示すように、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比とは、デューティ比が５０％に固定された２５０ＫＨｚの駆動電圧のＯＮ期間とＯＦＦ期間との和に対するＯＮ期間の比率である。
【０１８４】
すなわち、前述の先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しの３つのモードに対応する羽ばたき方のデータは、羽ばたき運動の位相ψに対応したドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比として、ＲＯＭ１５４に予め格納されている。なお、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比は、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）で示される。ただし、表２に示すように、−０．５≦ψ＜０．５において、ＭＯＤＥ＝１が先行切り返しであり、ＭＯＤＥ＝０が中央切り返しであり、ＭＯＤＥ＝−１が遅れ切り返しであるものとする。
【０１８５】
図５１〜図５３には、それぞれ、後方での切り返し動作行なう場合の、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しにおけるＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値が示されている。ただし、Ｄｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２が負の値であれば、羽部１１０は、往復運動の中央位置を基準にして、後方から前方へ移動する動作が行なわれていることを意味する。なお、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙの関数は、羽ばたき動作が前後方向に対して垂直な面に関して対称であるため、Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ）と表現され得る。
【０１８６】
すなわち、符号変換のみによって、ψが負の領域での各Ｄｕｔｙ値は、ψが正の領域での各Ｄｕｔｙの関数を用いて算出される。そのため、上記の各Ｄｕｔｙの関数は、ψが正である領域のみ、ＲＯＭ１５４に格納されている。これによれば、ＲＯＭ１５４に格納されている各Ｄｕｔｙ関数のデータ量を半分に減らすことができる。よって、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙ関数のうちψが正の領域のみが示される。
【０１８７】
なお、右の羽部１１０と左の羽部１１０とはＺ軸に対して鏡面対称であるため、前述の座標系のＸ軸の方向の正と負とを反転させた左手系の座標が採用されれば、右の羽部１１０の制御においても前述と同様のＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２を用いることができる。
【０１８８】
＜中央演算装置の動作＞
中央演算装置１５１は、位相ψの符号に基づいて、現在の羽ばたき方が前方羽ばたき運動であるか、または、後方羽ばたき運動であるかを判断する。その後、中央演算装置１５１は、ＲＯＭ１５４に格納されている表２に示すデータに基づいて、羽ばたき方の状態を判断するとともに、通信装置１７０によって得られたＲＡＭ１５５に格納されている運動指令に応じて、前述のＭＯＤＥの値を判断する。
【０１８９】
さらに、中央演算装置１５１は、前述の位相ψの値に基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値を得る。この値の絶対値が、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比である。また、この値の符号が、ドライバ１５２へ送信される、上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの回転方向である。前者は、例えばＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現され、後者は、例えばＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現される。これらのコマンドは、マイクロコントローラに内蔵されている。これらのコマンドを用いた演算は、一般的なマイクロコントローラにおいて容易に実行されるものである。
【０１９０】
中央演算装置１５１は、前述のデューティ比に基づいて、羽ばたき方に対応するＰＷＭ制御のためのＯＮ／ＯＦＦ信号をドライバ１５２に出力するとともに、位相ψの正または負に応じた回転方向制御信号をドライバ１５２に出力する。
【０１９１】
本実施の形態では、振動板１２１１の共振周波数が２５０ｋＨｚであるため、たとえば、共振周波数が２．５ｋＨｚであるＰＷＭ制御が実行されれば、１００段階の超音波モータの制御を行なうことが可能である。
【０１９２】
＜ドライバの動作＞
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１から与えられたＰＷＭ制御信号のＯＮ／ＯＦＦおよび回転方向制御信号に応じて、超音波モータ１２０を回転／停止、および、正転／反転させる。
【０１９３】
超音波モータ１２０は自己位置保持機能を有するため、回転および停止の動作は、ＰＷＭのＯＮ／ＯＦＦに応じて後述の電力供給をＯＮ／ＯＦＦすることによって、実現される。
【０１９４】
また、図３１および図３２に示されるように、超音波振動子１２１において、裏面電極１２１７に与えられる電位φＡの位相と表面電極１２１６に与えられる電位φＢの位相との差を変更することによって、上部ロータ１２２の正回転と負回転との間の変更を行なうことができる。
【０１９５】
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１からＰＷＭ信号を受けて、電位φＡおよびφＢのデータを作成する回路と、昇圧回路１５３から供給される高圧電力を制御して、超音波振動子１２１の表面電極１２１６および裏面電極１２１７に電位φＡおよびφＢを与える回路とからなる。前者は、一般的なタイマ回路やＣＰＵ（Central Processing Unit）を
用いて容易に実現され得るものであり、後者は、たとえば、Ｈブリッジと呼ばれる一般的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路を用いて容易に実現され
得るものである。本発明者らの実験によれば、これらの回路は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍの小型パッケージに収められ得るものであり、そのパッケージの質量は約２５ｍｇである。
【０１９６】
一般的に、前者のプログラムは以下のように表される。
：Ｌａｂｅｌ
ｉｆ（ＰＷＭ＝ＯＮ） ｔｈｅｎ
ｉｆ（回転方向＝正方向） ｔｈｅｎ
φＡ＝１
φＢ＝１
φＡ＝０
φＢ＝０
ｅｎｄ ｉｆ
ｉｆ（回転方向＝逆方向） ｔｈｅｎ
φＢ＝１
φＡ＝１
φＢ＝０
φＡ＝０
ｅｎｄ ｉｆ
ｅｎｄ ｉｆ
ｇｏｔｏ Ｌａｂｅｌ
但し、これらは簡易に前者回路の動作を表現するための一例であり、実際のプログラムにおいては、φＡおよびφＢのそれぞれが２５０ｋＨｚの矩形波となるようなタイミング調整が行なわれるため、ダミーの実行文の挿入等が必要になる。
【０１９７】
＜昇圧回路＞
昇圧回路１５３は、電源１９０の電圧（３Ｖ）を、超音波モータの駆動のために必要な＋３０Ｖの電圧に変更して、＋３０Ｖの電圧をドライバ１５２に印加する。昇圧回路１５３としては、一般的なＤＣ(Direct Current）−ＤＣコンバータが用いられ、その一例と
して、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍという小型パッケージが市販されている。昇圧回路１５３の質量は約２５ｍｇである。
【０１９８】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図４８に示されている。なお、４つの超音波モータの駆動方法は同一であるため、図４８には左の羽部１１０を駆動する上部超音波モータ１２０の制御体系のみが示され、他の制御体系は省略されている。また、図４９は、後述する図５４のフローチャートにおけるデータ処理の流れを説明するための機能ブロック図である。
【０１９９】
＜制御フローチャート＞
次に、図５４を用いて、羽ばたき装置の制御のためのフローチャートの一例を説明する。なお、このフローチャートは、一例であり、羽ばたき装置１００のアプリケーションによって変更され得るものである。
【０２００】
なお、以下のフローチャートにおいて、反復タイマ１５６は前述のオートリロードタイマを用いて恒常的に動作しており、ステップＳ１においては、ψ＝０である状態から処理が開始されるものとする。このとき、α＝０°であるものとする。
【０２０１】
ステップＳ１＜羽ばたき装置動作決定＞
コントローラ２００から送信されたオペレータ２１０の運動指令が、通信装置１７０を介して、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０２０２】
ステップＳ２＜羽ばたき状況検出＞
中央演算装置１５１は、反復タイマ１５６から送信されてきた位相ψの値のデータに基づいて、羽ばたき装置１００の現時刻での羽ばたき方の状態を認識する。具体的には、中央演算装置１５１は、位相ψの値が正であれば、羽ばたき装置１００が後方羽ばたき運動を行なっていると判断し、位相ψが負であれば、羽ばたき装置１００が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
【０２０３】
ステップＳ３＜羽ばたきモード決定＞
中央演算装置１５１は、上記運動指令に応じて表２の行成分を選択し、また、上記羽ばたき方の状態に応じて表２の列成分を選択する。それにより、中央演算装置１５１は、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの中からいずれか１の羽ばたきモード、すなわちＭＯＤＥの値を選択する。選択された羽ばたきモードのデータは、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０２０４】
ステップＳ４＜デューティ比決定＞
中央演算装置１５１は、前述の羽ばたきモードのデータに基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）のデータの中からドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比を選択する。
【０２０５】
ステップＳ５＜ドライバ駆動＞
中央演算装置１５１は、上記ＰＷＭ制御信号のデューティ比の正または負に応じて、回転方向制御信号をドライバ１５２に出力するとともに、そのデューティ比のＰＷＭ信号をドライバ１５２に出力する。すなわち、ＡＢＳ（Ａ）をＡの絶対値とし、ＳＩＧＮ（Ａ）をＡの符号とすると、回転方向制御信号はＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）であり、デューティ比はＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）である。なお、ここで、Ｄｕｔｙは、上部および下部超音波モータ１２０および１３０に応じた、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）を意味する。
【０２０６】
ステップＳ６＜超音波モータ駆動＞
ドライバ１５２は、上記回転方向制御信号に応じて、振幅が３０Ｖであり、かつ、周波数が２５０ｋＨｚである矩形波の電圧を表面電極１２１６および裏面電極１２１７に印加する。これらの２つの矩形波は、±９０°位相が異なっている。具体的には、ドライバ１５２は、超音波振動子１２１の表面電極１２１６に矩形波の電位φＢを与え、また、超音波振動子１２１の裏面電極１２１７に矩形波の電位φＡを与える。この矩形波の電位φＡの位相と矩形波の電位φＢの位相とが±９０°ずれている。
【０２０７】
ステップＳ７＜次回羽ばたきモード選択＞
ψ＝０またはψ＝−０．５の場合には、羽ばたき方の状態が変更されたことを意味するため、再びステップＳ１の処理が実行され、運動指令の変更も含め、羽ばたきモードが更新される。ψ＝０またはψ＝−０．５以外の場合には、羽ばたきモードは更新されず、ステップＳ４の処理が実行され、新たな位相ψが設定される。
【０２０８】
＜補足＞
なお、上記指令の形態はあくまで説明のための一例であり、これに限定されない。たとえば、速度指令が電圧値としてアナログ信号で与えられることにより、量子化誤差のない滑らかな速度指令が得られる手法が用いられてもよい。また、超音波モータの駆動に必要な電圧は、技術の進歩によって変化し得るものである。たとえば、現行の主なＴＴＬ(Transistor Transistor Logic)−ＩＣ（Integration Circuit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）の駆動電圧である３Ｖ以下で駆動し得る超音波モータが実現されれば、昇圧回路１５３は不要となる。
【０２０９】
また、本実施の形態では、説明の簡便のため、フィードバック制御を行なわず、単にコントローラ２００の指令によって羽ばたき方が一義的に選択される手法の説明がなされたが、羽ばたき装置１００の制御手法は、前述の手法に限定されない。
【０２１０】
たとえば、中央演算装置１５１が位置検出センサ１６０から位置および姿勢の情報を得て、その情報に基づいて運動指令を新たに作成するフィードバック制御が用いられてもよい。
【０２１１】
さらに、本実施の形態では、説明の簡便のため、デューティ比に応じて超音波モータ１２０および１３０の回転速度が一義的に決定されるという仮定の下に説明がなされている
が、負荷の変動などによってはこの仮定が成り立たない場合も考えられる。この場合には、上部磁気エンコーダ１２６の信号によって得られる上および下部超音波モータ１２０および１３０の回転角θ１およびθ２の値を参照して、デューティ比が調整されてもよい。
【０２１２】
なお、前述の羽ばたき装置の制御においては、理想的には、高い機動力を得るための羽ばたき運動の制御に必要な演算時間が短いことが望ましい。また、羽ばたき装置は軽量であることが望ましい。このため、前述の羽ばたき運動を制御するアルゴリズムも極力単純であることが望ましい。これらのことを考慮すると、高い機動力を有する羽ばたき装置に求められる要件は、単独性、連続性、選択性、独立性、および単純性である。
【０２１３】
単独性とは、流体力発生機構が設置されている胴体の姿勢に関わらず、当該流体力発生機構が単独で流体力の方向を変更することができることを意味する。単独性の欠如している羽ばたき装置の例として、ロータが胴体に固定されているヘリコプタが挙げられる。
【０２１４】
連続性とは、羽ばたき運動の変更が、胴体に大きな加速度を生じさせずに、連続的に行なわれることを意味する。
【０２１５】
選択性とは、羽ばたき運動の変更が、過去の羽ばたき運動の履歴に関わらず、独立して行なわれることを意味する。選択性が欠如している羽ばたき装置の例として、先述のＲｏｎ ＦｅａｒｉｎｇらによるＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）が挙げられる。これは共振によって羽部を駆動しているため、羽ばたき方を複数周期に渡って徐々に変更することしかできない。
【０２１６】
独立性とは、流体力発生機構が生み出す流体力が、羽ばたき運動の変更の履歴に影響されないことを意味する。独立性が欠如する具体的な場面として、以前の羽ばたき運動により生じた気流の影響を受ける現象などが挙げられる。
【０２１７】
単純性とは、羽ばたき運動の変更を実現するためのアルゴリズムが極力単純であることを意味する。
【０２１８】
（高機動力要件の検討）
＜＜単独性＞＞
本実施の形態における羽ばたき装置１００の制御は、表２に示されるように、全て、羽ばたき運動の両端における羽部の捻り動作のタイミングの選択によって行なわれる。これは、胴体の姿勢に拘束されないため、単独性が確保される。
【０２１９】
より具体的には、図４３〜図４５に示される先行切り返しおよび遅れ切り返しのうちの一方の羽ばたき方が選択されると、羽部１１０の加速度の水平方向成分を独立して制御することが可能で、羽ばたき運動の１周期における羽部１１０の加速度の水平方向成分の方向を前方および後方のいずれかに向けることができる。したがって、羽ばたき装置は、本体部（胴体）１０１の姿勢を変化させることなく、羽部１１０の動作のみの変更によって、流体力の方向を変更することが可能である。
【０２２０】
＜＜連続性＞＞
前述の羽部１１０の捻り、すなわち切り返しの動作は、羽ばたき運動における羽部１１０の往復運動の始点または終点を含む特定期間においてのみ異なり、いずれの羽ばたき方においても、羽ばたき運動の往復運動の中心位置を含む所定期間においては、羽部１１０の運動は同一である。つまり、複数種類の羽ばたき運動は、往復運動の中心位置を含むタイミングにおいて、共通の動作をする。このため、羽ばたき運動中に羽ばたき方の変更がなされても、その羽ばたき方の変更が共通の動作をするタイミングにおいてなされるのであれば、１の羽ばたき方から他の羽ばたき方への変化における羽部１１０の挙動は、連続的なものである。つまり、羽ばたき方の変更はスムーズに行なわれる。
【０２２１】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたき装置は、制御回路１５０のＲＯＭ１５４が、羽部１１０に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータ（表２参照）を有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータ（上部および下部ロータ１２０および１３０）を制御する。複数種類のデータのそれぞれは、羽部１１０の往復運動の１周期の動作を特定可能であり、複数種類のデータは、往復運動の１周期の所定期間において、羽部１１０に共通の羽ばたき運動をさせるものである。具体的には、複数種類のデータは、先行切り返しのためのデータ、中央切り返しのためのデータ、および遅れ切り返しのためのデータからなる３種類のデータであり、図４４および図４５ならびに表２によって表わされている羽ばたき方（停空、上昇、下降、前進、後退、右移動、左移動、右旋回、および左旋回）をさせるためのデータである。制御回路１５０は、羽部１１０の往復運動の中心位置を含む所定期間において、アクチュエータ（ロータ１２０，１３０）が複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御からアクチュエータが複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御へ切り換える。
【０２２２】
上記の構成によれば、羽部の運動に不連続な変化が生じることなく、羽ばたき運動の態様を変更することができる。そのため、羽ばたき運動の「連続性」が実現される。
【０２２３】
また、羽部は、１のデータによって特定される羽ばたき運動においては、往復運動の一周期のうちの２つの特定期間のそれぞれにおいて行なわれる他のデータによって特定される羽ばたき運動とは異なる軌跡を描くことが望ましい。これによれば、羽部１１０は、往復運動の１周期の間に最大で４種類の状態に順次変化する。そのため、羽ばたき運動のバリエーションが豊富になる。
【０２２４】
＜＜独立性＞＞
また、２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれていてもよい。これによれば、１の特定期間と他の特定期間とが時間的に最も大きくずれて繰り返される。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２２５】
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽部１１０の往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽部１１０の往復運動の他方端に位置するタイミングを含むことが望ましい。つまり、羽部１１０の切り返しは、前後方向の往復運動の端部を含む期間において行なわれることが望ましい。これによれば、１の特定期間における羽部１１０の位置と他の特定期間における羽部１１０の位置とが最も離れている。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２２６】
すなわち、本実施の形態の羽ばたき装置においては、羽ばたき運動の両端のそれぞれを含む特定期間においてのみ羽部１１０の動作が異なる複数種類の羽ばたき運動が行なわれる。そのため、以前の羽ばたき運動によって生じた流体の挙動が現在の羽ばたき運動に与える影響は極力低減されている。これにより、独立性が実現されている。
【０２２７】
＜＜単純性＞＞
また、２つの特定期間の一方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、２つの特定期間の他方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される。これによれば、羽ばたき運動の変更に起因する羽ばたき装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、羽ばたき装置を所望の姿勢にするための制御が容易になる。したがって、羽ばたき運動の変更における「単純性」が確保される。
【０２２８】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたき装置においては、表２に示されるように、羽ばたき装置の浮上移動の態様（停空、上昇、下降、前進、後退、左移動、右移動、左旋回、右旋回）と、浮上移動の態様を実現するための羽ばたき方（先行切り返し、中央切り返し、および遅れ切り返しの組み合わせ）とが一対一に対応している。そのため、羽ばたき方に対応する上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの駆動デューティ比のデータが変更されるだけの極めて単純なアルゴリズムによって、浮上移動態様の変更を実現することができる。したがって、本実施の形態の羽ばたき装置においては単純性が実現されている。
【０２２９】
更に、複数のデータのうちのホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、羽部１１０に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、制御回路１５０は、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の一方端まで羽部１１０を移動させるための基本データ（図５１、図５２、および図５３）と、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の他方端まで羽部１１０を移動させるように、基本データを変換するためのアルゴリズムまたは演算機能部、即ち（Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ））とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御回路１５０は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間のみのためのデータを有しているだけで、所望の羽ばたき運動を羽部１１０にさせることができる。そのため、制御回路１５０のデータの記憶のためのメモリ容量を低減することができる。その結果、羽ばたき装置を小型化かつ軽量化することができる。
【０２３０】
図５４のステップＳ１１＜初期動作＞
まず、オペレータ２１０が、外部コントローラ２００を操作して、羽ばたき動作を行なうための制御信号を羽ばたき装置１００に送信する。それにより、羽ばたき装置１００は、浮上のための羽ばたき動作を開始する。次に、オペレータ２１０は、水平方向に移動する羽ばたき動作を行なうための制御信号を羽ばたき装置１００へ送信する。それによって、羽ばたき装置１００が測定対象流体（たとえば、配管から噴出している有毒ガス等）の位置に接近する。なお、羽ばたき装置１００は、距離検出センサ１６１によって、前方に存在する測定対象流体の位置と自身との間の距離を常にモニタリングしている。したがって、羽ばたき装置１００は、前方に存在する障害物または測定対象流体の位置と羽ばたき装置１００との間の距離が、所定の閾値以下になった場合に、外部コントローラ２００から送信された前方に進行するという制御信号には従うことなく、その場でホバリング動作を行なう。また、本実施の形態においては、羽ばたき装置１００と配管などから噴出される測定対象流体との間の距離が、所定の距離より小さくなった場合には、オペレータによって外部のコントローラ２００から羽ばたき装置１００へ、自動接近制御のための指令が送信される。測定流体の位置への接近経路は、上述の流速分布マップを用いて決定される。このとき、制御回路１５０は、左の羽部１１０の前後方向の回動の中心位置と右の羽部１１０の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行する。ただし、羽ばたき装置１００のはばたき動作の開始および障害物および測定対象物へ接近するための羽ばたき動作として、前述以外の手法が用いられてもよい。
【０２３１】
（通信装置）
通信装置１７０は、外部のコントローラ２００から、羽ばたき装置１００に必要とされる加速度の情報を受信し、その情報を制御回路１５０の中央演算装置１５１に与える。
【０２３２】
（電源）
本発明の駆動エネルギー源としての電源１９０は、必要とされる電力を供給できる放電特性を有し、かつ、浮上を妨げない質量を有するものであれば、いかなるものであってもよい。
【０２３３】
本発明者らが用いた電源１９０は、質量０．７ｇのリチウムイオン電池で、本発明者らの計算によれば、約５０秒にわたり０．６Ｗを供給することができる。電源１９０は、本体１０１の下部に設けられている。そのため、電源１９０は、羽部１１０が受ける流体反力の作用点であるベアリング１２３より下側に位置し、羽ばたき装置１００の姿勢を自律的に安定させている。
【０２３４】
この他の電源としては、燃料電池、電気二重層コンデンサなどのキャパシタ、太陽電池、および有線による供給、等が挙げられる。また、これらの電源が併用されてもよい。たとえば、リチウムイオン電池の他に、羽部１１０の表面に太陽電池が設けられ、これらの電力が併せて用いられてもよい。
【０２３５】
（本体）
本体１０１は、底部プレート１０２、上部プレート１０３、底部プレート１０２と上部プレート１０３とを連結するフレーム部１０４、および、底部プレート１０２に設けられた脚１０５からなる。
【０２３６】
底部プレート１０２および上部プレート１０３は、厚さ０．２ｍｍのＣＦＲＰからなり、フレーム部１０４は厚さ３５μｍのステンレスからなる。脚１０５は、肉厚４０μｍ、長さ１０ｍｍ、かつ直径０．５ｍｍのＣＦＲＰの中空パイプからなる。
【０２３７】
また、上部プレート１０３および底部プレート１０２は、ロータシャフト１２４、支持シャフト１２７、および本体補強ポール１１２によっても連結されている。
【０２３８】
（浮上の可否）
＜質量＞
本発明者らの計算によれば、羽部１枚が生み出す浮上力は１．２１ｇｆである。よって、羽部２枚が生み出す浮上力は２．４２ｇｆである。また、各構成要素の質量が表３に示されている。表３に示されるように、羽ばたき装置１００の総質量は２．１７ｇｆであり、この値は、前述の浮上力２．４２ｇｆよりも小さいため、羽ばたき装置１００は、浮上することができる。
【０２３９】
【表３】
【０２４０】
＜消費電力＞
本発明者らの計算によれば、羽ばたき装置１００の羽部が１．２ｇｆの浮上力を生ずるに要求される機械的パワーは上および下部超音波モータ１２０および１３０共に最大４０ｍＷである。各超音波モータのエネルギー変換効率は３３％である。したがって、浮上のために要求される最大電力は超音波モータ１つにつき約１２０ｍＷであり、それらの電力の合計は４８０ｍＷである。ドライバ１５２および昇圧回路１５３の総合効率は約８５％であるため、４つの超音波モータの駆動のために必要な電力は最大５６５ｍＷである。
【０２４１】
中央演算装置１５１の消費電力は５ｍＷである。磁気エンコーダ１２６の消費電力は５ｍＷである。位置検出センサ１６０の消費電力は５ｍＷである。流体センサ１８０の消費電力は１５ｍＷである。通信装置１７０の消費電力は５ｍＷである。
【０２４２】
これらの電力の総計は、最大６００ｍＷであり、電源１９０の能力の範囲内の値である。したがって、羽ばたき装置１００は、内蔵された電源１９０から供給された電力のみを用いて浮上することができる。したがって、羽ばたき装置１００は、外部から電力の供給を受けることなく、独立して羽ばたき飛行することができるスタンドアロンタイプのロボットになり得るものである。
【０２４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２４４】
【図１】実施の形態１の羽部の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】実施の形態２の羽部の平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】実施の形態３の羽部の平面図である。
【図８】図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】Michelsonが発明した第一の従来の羽部を示す図である。
【図１０】Michelsonが発明した第一の従来の羽部を示す図である。
【図１１】Michelsonが発明した第二の従来の羽部を示す図である。
【図１２】本発明者が発明した従来の羽ばたき装置を示す図である。
【図１３】本発明者が発明した従来の羽部を示す図である。
【図１４】本発明者が発明した従来の羽ばたき装置の羽部の駆動態様を示す図である。
【図１５】Fearingらが発明した従来の羽部を示す図である。
【図１６】本発明者らが発明した従来の羽部を示す図である。
【図１７】望ましい羽部のねじれ変形によって達成される迎え角を説明するための図である。
【図１８】従来技術における羽部のねじれ変形によって達成される迎え角を説明するための図である。
【図１９】羽部の溝構造の側面部に結合された枝部の移動によって溝構造部が変形することを説明するための図である。
【図２０】実施の形態の羽ばたき装置の全体構成の概略図である。
【図２１】実施の形態の羽ばたき装置の詳細構造の概略図である。
【図２２】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の概略平面図である。
【図２３】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の概略側面図である。
【図２４】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第一の層を示す図である。
【図２５】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第二の層を示す図である。
【図２６】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第三の層を示す図である。
【図２７】実施の形態の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの外観図である。
【図２８】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの概略図である。
【図２９】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの第一の振動モードを示す図である。
【図３０】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの第二の振動モードを示す図である。
【図３１】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図３２】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図３３】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの予圧機構の概略図である。
【図３４】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。
【図３５】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第一の構成部品を示す図である。
【図３６】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第二の構成部品を示す図である。
【図３７】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第三の構成部品を示す図である。
【図３８】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムのサイズの定義を示す図である。
【図３９】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの駆動原理を説明するための図である。
【図４０】実施の形態の羽ばたき装置のホバリング時の羽ばたき方を説明するための図である。
【図４１】実施の形態の羽ばたき装置の上昇時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４２】実施の形態の羽ばたき装置の下降時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４３】実施の形態の羽ばたき装置の上昇・下降時の羽ばたき方により生じる水平方向の力を表す説明図である。
【図４４】実施の形態の羽ばたき装置の前進方法を表す説明図である。
【図４５】実施の形態の羽ばたき装置の後退方法を表す説明図である。
【図４６】実施の形態の羽ばたき装置の前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４７】実施の形態の羽ばたき装置の後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４８】実施の形態の羽ばたき装置における制御システムのハードウエアブロック図である。
【図４９】実施の形態の羽ばたき装置における制御システムの機能ブロック図である。
【図５０】実施の形態の羽ばたき装置のＰＷＭ制御信号のデューティ比を説明するための図である。
【図５１】実施の形態の羽ばたき装置の中央切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５２】実施の形態の羽ばたき装置の先行切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５３】実施の形態の羽ばたき装置の遅れ切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５４】実施の形態の羽ばたき装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【図５５】一般的なホバリングの羽ばたき方を説明するための図である。
【符号の説明】
【０２４５】
１１００，２１１０，３１１０ 羽部、１１１０，２１１０，３１１０ 前縁部、１１２０，２１２０，３１２０ 枝部、１１４０，２１５０，３１５０ 板状部または膜部、１１４５ 後縁部、２１４０，３１４０ 外枠部、３１６０ 内枠部、３１７０ 内膜部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき運動する羽部によって浮上および移動する羽ばたき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、羽ばたき装置の羽部の設計が行われている。羽の設計手法は、本来、羽ばたき装置に求められる飛行態様に応じて異なるはずである。たとえば、羽ばたき装置が、推進力による胴体の移動に伴う羽部の前進に伴って従属的に浮上力を生み出す飛行態様を求められているのか、または、推進力とは関係なしに直接的に浮上力を生み出すことができる飛行態様を求められているのかによって異なるはずである。しかしながら、従来においては、羽ばたき装置の羽部は、単に、鳥または昆虫の羽を模倣するように設計されていた。
【０００３】
以下、従来から用いられてきた羽ばたき装置の羽を詳細に説明する。
従来から、２つのタイプの羽ばたき装置の飛行態様が提案されている。
【０００４】
１つは、揚力付随発生型(非ホバリングタイプ)の飛行態様である。これは、固定翼機に搭載されているプロペラまたはジェットエンジンのような推進直発生源として、羽ばたき運動する機構を用いる飛行態様である。
【０００５】
生物の中では、ハチドリなどを除く一般的な鳥類は、前述のような飛行態様に近い飛行態様で推進力を得ている。より具体的には、一般的な鳥類の羽ばたき方を模倣した羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置は、主として上下方向に羽を往復運動させる羽ばたき動作によって、水平方向の推進力を生じさせている。この推進力により、羽ばたき装置の本体が前進する。この前進により得られた相対流束（向かい風）は、羽部に揚力（Lift Forceを生じさせる。その結果、羽ばたき装置は浮上する。
【０００６】
前述のように、揚力付随発生型の羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置は、水平方向に推進するため、鉛直方向に上昇するための羽ばたき運動を行うよりも遙かに低いパワーで、浮上力を得ることができる。そのため、一般的には、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、後述される揚力直接発生型の羽ばたき装置に比較してモータのパワーが小さくても、浮上することができる。より具体的には、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、周囲流体から受ける抗力を超える推進力さえ得ることができれば、浮上することができる。そのため、揚力付随発生型の羽ばたき装置の推進力は、羽ばたき装置の重量の１／６程度の大きさに設定されることが多い。ただし、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、前進のための運動を停止すると、相対的な周囲流体の速度がゼロになるため、揚力を得ることができない。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、ホバリングをすることができない。
【０００７】
また、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、大きな推進力を生み出すことが困難であるため、基本的には、羽ばたき方をコントロールすることによって浮上および移動の態様をコントロールすることが困難である。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、一般的な航空機と同様に、フラップまたは垂直尾翼を必要とする。また、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、通常の固定翼航空機の機動力と同程度の機動力しか有していない。
【０００８】
さらに、揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽ばたき運動は、推進力を生み出すためにのみ用いられる。そのため、揚力付随発生型の羽ばたき装置は、大きな推進力を得るために大きな振幅で羽ばたけば、羽部に生じる揚力の方向が変化することによって揚力の鉛直上方成分を低下させてしまうおそれがある。したがって、揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽ばたきの振幅は約２０度以下という小さな値に設定されている。
【０００９】
また、揚力付随発生型の羽ばたき装置においては、迎え角をなるべく一定に維持するために、羽ばたき方は、上下方向における１自由度の往復運動からなることが望ましい。
【００１０】
次に、Michelsonの揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽を説明する。
図９〜図１１は、米国特許６０８２６７１号において開示された羽ばたき装置の羽部であって、Michelsonらによって開発された揚力付随発生型の羽ばたき装置の羽部の一例である。米国特許６０８２６７１号においては、軽量な羽部が膜部と梁部(静脈：Veinと記載されている)とからなる複合構造によって実現され得ることが開示されている。
【００１１】
２種類の飛行態様のうちのもう１つは、浮上力（Rising Force）直接発生型(ホバリングタイプ)の飛行態様である。これは、羽ばたき運動で得られた浮上力を直接的に用いることによって羽ばたき装置を浮上させる飛行態様である。浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、揚力付随発生型の羽ばたき装置の正面が上方に向けられたものに近い羽ばたき装置であり、トンボまたはアブ等の羽ばたき方と同様の羽ばたき方で飛行する羽ばたき装置である。
【００１２】
浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、羽ばたき装置の重量よりも大きな揚力を羽部の羽ばたきのみによって直接的に発生させなければならない。そのため、浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、前述の揚力付随発生型の羽ばたき装置に比較して、アクチュエータに要求されるパワーは大きい。
【００１３】
ただし、浮上力直接発生型の羽ばたき装置は、羽ばたき運動そのものにより得られる浮上力を利用して浮上および移動を行うため、ホバリングをすることができる。また、揚力直接発生型の羽ばたき装置は、トンボ等のように、非常に高い機動力を発揮することができる。
【００１４】
浮上力直接発生型の羽ばたき装置の羽の一直線に沿った往復運動を考える。この往復運動は、基本的には、ヘリコプタのロータと同様の運動である。そのため、往復運動の両方で、羽部が適切な迎え角を有する状態を作り出すためには、図１２〜図１４に示される羽ばたき装置のように、往復運動の両端のそれぞれにおいて、羽部を羽軸まわりに大きく捻ることが必要である。以下、この羽部の羽軸まわりの捻りは、切り返しと呼ばれる。羽部の切り返しの際には、羽部の慣性力より大きな力で羽部の往復運動を反転させることが必要である。そのため、往復運動の両端間の距離をできる限り大きくすることが、効率的な羽ばたき方の実現のために必要である。そのため、羽ばたきの振幅は±４５度以上というような大きな値に設定されることが望ましい。
【００１５】
なお、前述の羽ばたき方は、往復運動とその両端のそれぞれでの捻り運動とからなる２自由度の運動である。
【００１６】
次に、ＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）の羽部を説明する。
Fearingらは、論文“Lift Force Improvements for the Micromechanical Flying Insect”において、図１５に示される羽部を開示している。これは、それぞれがカーボン複合樹脂からなる複数のパイプの間にフィルムが張られた構造であり、生体のハエの羽質量を目安とする範囲の質量で、可能な限り受動変形を抑えた、剛な羽を構成することを目指して設計されている。
【００１７】
次に、本願の発明者らが従来において開発した羽を説明する。
本発明者らは、特開２００６−６９４８２号公報において、図１６に示される羽を開示している。この羽は、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている２自由度羽ばたき機構に適用されていることから分かるように、浮上力直接発生型の飛行態様を実現するためのものである。また、この羽の前縁部は、カーボン複合樹脂からなる、コルゲーションと呼ばれる折板状の溝構造を有しているため、羽部の剛性が高められている。より具体的には、Fearingらと同様に、前縁部から枝分かれした枝部が、前後方向を含む面内の回転モーメントに対する羽部の剛性を高めている。
【特許文献１】米国特許６０８２６７１号
【特許文献２】特開２００６−６９４８２号公報
【非特許文献１】Lift Force Improvements for the Micromechanical Flying Insect
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、これまで提案されてきた羽部は、ホバリングおよび機動力の高い羽ばたき方を実現するためには不適切であるという問題がある。以下、その問題が具体的に述べられる。
【００１９】
従来から研究されている羽部は、ほとんどが、前進し続ける必要があるために狭い空間内での飛行、および、高い機動力を実現することができない、揚力付随発生型の飛行態様のための羽部である。したがって、機動力の高い羽ばたき方を実現するためには、浮上力直接発生型の飛行態様のための羽部を採用することが必要である。
【００２０】
浮上力直接発生型の飛行態様を実現する羽ばたき装置の研究は、上述のように、近年、進められているが、羽ばたき装置によって生じる周囲空間における空力のメカニズムの解明が不十分な状態で、行われている。そのため、羽部に生じる慣性を考慮して羽部を設計することの重要性が認識されていない。したがって、機動力が高い飛行を実現することができないことは当然のことであり、浮上することさえも実現することができない。
【００２１】
また、揚力付随発生型の羽部の運動においては、上述のように、迎え角が大きく変化しないことが重要である。すなわち、揚力付随発生型の羽部の運動においては、通常、羽部は、羽ばたき振幅が小さくなるように設計される。そのため、羽部の運動は比較的緩慢である。したがって、羽部の質量の大小は、羽ばたき駆動に要求されるトルクに大きな影響を与えることはなかった。その結果、羽部の変形を許容してまで、羽部を軽量化する、という設計概念およびその設計概念に基づいて製造された羽部は存在しなかった。
【００２２】
一方、実際の昆虫の羽は、大きく変形することができるため、その質量が極限まで軽量化されている。たとえば、実際のトンボの羽の捻り角は、図１７に示されるように、羽の根元では、羽後縁部が羽前縁部の鉛直下方に位置する状態を０°として、±３０°程度である。一方、羽の先端では、さらに羽の受動変形による捻れが加わるため、羽部の捻り角は、±７０〜８０°という大きな角度になる。また、ホバリングの際には、羽は略水平方向に往復運動するため、周囲流束に対する羽の迎え角は、水平方向に広がる面を基準として、１０°〜２０°という値になる。これは、一般的な固定翼機の離陸の際の迎え角とほぼ同一の値であり、揚抗比の大きな浮上効率が高い迎え角の値である。すなわち、トンボの羽は、受動変形までも含めて、浮上効率が高い迎え角が得られるように駆動されている。これは、羽部の受動変形を許容してでも、羽部を軽量化する必要があるためである。このような必要性があるのは、浮上力直接発生型の羽ばたき飛行は羽部の振幅が大きいため、羽部の質量の大小が、羽ばたき駆動に要求されるトルクに大きな影響を与えるためである。
【００２３】
本発明者の解析によると、羽ばたき駆動トルクの１／３は、慣性力に対抗するために用いられている。例えば、長さ３２ｍｍの羽を４２Ｈｚの周波数で羽ばたかせるアキアカネにおいては、羽を駆動するためのトルクのピークが１ｇｆ・ｃｍ程度であるが、このうち０．３ｇｆ・ｃｍが慣性力に対抗するために用いられている。
【００２４】
上記の羽ばたき装置の羽部のいずれもが、羽部の軽量化の重要性が定量的に認識されていない時代において設計されたものであり、高い機動力を実現するとともにホバリングをすることができる羽部のための設計はなされていなかった。
【００２５】
たとえば、Michelsonは、米国特許６０８２６７１号に開示されているように、多数のVeinと称される翅脈を有する羽（前者）、および、羽部の根元部から羽部の長手方向の中央部および羽部の先端の後縁のそれぞれに向かって延びる２本の翅脈を有する羽部（後者）を提案しているが、翅脈の最適な配置のための設計手法を開示していない。
【００２６】
前者は、羽全体が均等に高い剛性を有しているため、複数の翅脈が質量を増加させる要因となり、慣性を増大させてしまうという問題を有している。一方、後者は、羽部の変形が図１８に示すようなものである。そのため、後者は、羽部の前後方向の位置によって周囲流体に対する迎え角が大きく異なってしまうので、効率的に浮上力を発生させることができない。また、後者によれば、抗力が大きくなってしまう。
【００２７】
このように、Michelsonの羽は、機動力が高く、かつ、ホバリングをし得る羽ばたき装置の羽部としては適していない。
【００２８】
Fearingおよび本発明者らの前述の羽部が発明される以前の羽部として、前縁部の長さ方向の中央部から枝分かれする枝部を有しているものがある。しかしながら、Fearingの羽部においては、その枝部の材料としてパイプが用いられているため、その羽部の質量および慣性は大きくなってしまう。さらに、パイプ自体はその中心軸まわりのねじり変形に非常に強いため、この羽部を用いた際の羽部の変形の度合は、図１８に示されるように小さいと予想される。そのため、この羽部も、羽ばたき装置の羽部としては適していないと考えられる。
【００２９】
また、図１６に示される、本発明者らが発明した以前の羽部は、枝部がコルゲーションと呼ばれる前縁から伸びているが、コルゲーションの溝の延びる方向に垂直な方向の剛性を利用して、枝部１１０５を支えているため、羽部の往復運動の往路および復路のいずれかにおいて、この枝部１１０５が接合されている前縁部のコルゲーションが、図１９に示されるように、変形してしまう。そのため、羽部の前縁部１０１の溝構造が開いてしまうために、溝に沿う方向を含む面内における曲げに対する剛性が著しく低下してしまう。その結果、羽部の前縁部１０１が、この部分から折れ曲がってしまう。逆に、前縁１０１の枝部１１０５が接続されている部分を補強すると、羽部の中央部での質量が増加してしまうため、羽部の慣性が増加してしまう。故に、この羽部も、機動力が高く、かつ、ホバリングをすることができる羽ばたき装置の羽部としては適していない。
【００３０】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、機動力が高くかつホバリングすることができる羽部を備えた羽ばたき装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の羽ばたき装置は、本体と、前縁部を有する羽部と、羽部の根元部を駆動するように本体内に搭載され、羽部を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部が延びる方向を回転軸として羽部を捻るアクチュエータとを備えている。羽部は、その一端が根元部に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有し、その一端が根元部に接続され、根元部から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、第一の稜線部または谷線部から徐々に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部と、第一の稜線部または谷線部と第二の稜線部または谷線部との間に張られた板状部または膜部とを含んでいる。
【００３２】
上記の構成によれば、羽ばたき運動に必要な流体力に耐え得る程度の剛性を有し、かつ、軽量である羽部を備えた羽ばたき装置を実現することができる。
【００３３】
第一の稜線部または谷線部は、前縁部を構成し、第二の稜線部または谷線部は、根元部から所定の位置まで、第一の稜線部または谷線部にほぼ平行に延び、かつ、所定の位置から先端側においては、第一の稜線部または谷線部となす角度がアクチュエータから離れるに従って増加するとともに、その先端部が羽部の後縁部まで到っていてもよい。
【００３４】
上記の構成によれば、主要な揚力発生部位である、板状部または膜部の面積および剛性が羽ばたき飛行の実現のために要求される程度に大きく、かつ、全体の重量が羽ばたき飛行の実現のために要求される程度に小さい羽部を備えた羽ばたき装置が得られる。
【００３５】
第二の稜線部または谷線部の先端部は、根元部から羽長の２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れた位置で羽部の後縁部に到っていてもよい。
【００３６】
上記の構成によれば、流体力を受けて羽部がねじれ変形したときに、主要な揚力発生部位である、先端部の迎え角が流体が流れる方向に沿ってほぼ一定である羽部を備えた羽ばたき装置が得られる。
【００３７】
羽ばたき装置は、第一の稜線部または谷線部の先端部と第二の稜線部または谷線部の先端部とを接続する外枠部をさらに備えていてもよい。この場合、板状部または膜部が、第一の稜線部または谷線部、第二の稜線部または谷線部、および外枠部によって取り囲まれた領域に張られていることが望ましい。
【００３８】
上記の構成によれば、板状部または膜部の損傷のおそれが低減される。
また、外枠部と第一の稜線部または谷線部とが連続した１つの曲線形状を構成するように、外枠部の一方の端部が、第一の稜線部または谷線部の先端部に接続されていることが望ましい。
【００３９】
上記構成によれば、外枠部の捻り剛性と曲げ剛性との相違を利用し、流体力を受けて羽が捻れるように変形したときに、主要な揚力発生部位である、板状部または膜部の迎え角が、流体が流れる方向に沿ってほぼ一定である羽部を備えた羽ばたき装置を得ることができる。
【００４０】
また、羽ばたき装置は、第二の稜線部または谷線部の先端と根元部とを接続する内枠部と、内枠部と第二の稜線部または谷線部との間の領域に張られた板状部または膜部とを備えていることが望ましい。
【００４１】
上記の構成によれば、慣性力の増加および羽部の変形に起因する悪影響の増加の双方を抑制しながら、面積が大きな羽部を備えた羽ばたき装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の羽ばたき装置が説明される。
（実施の形態１）
（羽ばたき装置の全体構造およびその動作）
本実施の形態においては、浮上力直接発生型の羽ばたき装置が用いられる。羽ばたき装置の全体構造は、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている構造と同様であるため、ここでは、その説明はなされないが、本実施の形態の羽ばたき装置の羽部の構造の説明の後で、その説明がなされる。
【００４３】
ただし、後述される羽ばたき装置の全体構造は、本発明の羽部が適用され得る羽ばたき装置の一例である。したがって、本発明の羽部の構造は、羽ばたき動作、すなわち羽部の運動が同様である羽ばたき装置であれば、いかなる羽ばたき装置に対しても適用され得る。
【００４４】
これは、２つの羽ばたき装置が異なる構造を有していても、それらが同様な羽ばたき動作をするのであれば、それらの羽部が生み出す浮上力その他の性能を示すパラメータが同等であるためである。
【００４５】
（構造）
図１に示されるように、本実施の形態に示されるように、羽部１１００は、前縁部１１１０、枝部１１２０、前縁部１１１０および枝部１１２０のそれぞれが接続された根元部１１３０、および、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた板状部１１４０からなる。前縁部１１１０および枝部１１２０は、稜線部または谷線部を有する繊維強化プラスチックで構成されている。また、板状部１１４０はアラミドフィルムからなる。ただし、本発明の効果は、基本的には羽部の構造に起因するものであるため、前述の羽部を構成する材料の種類によらずに実現されるものである。したがって、前述の羽部を構成する材料は、本発明の目的を達成するための羽部を構成する材料の一例であり、本発明の羽部は、前述の材料によって構成されているものに限定されるものではない。
【００４６】
（枝部）
枝部１１２０は、前縁部１１１０と同様に、１つの稜線部または谷線部を有する溝構造を有しているため、この稜線または谷線が延びる方向を含む平面内において生じる曲げモーメントに対して高い剛性を有している。図１に示されるように、枝部１１２０の一端は、根元部１１３０に固定されている。
【００４７】
また、図１に示されるように、枝部１１２０は、根元部１１３０の近傍においては、前縁部１１１０とほぼ平行に延びている。また、根元部１１３０から所定の距離だけ離れた位置から羽部１１００の先端側においては、先端に向かって、徐々に、枝部１１２０と前縁部１１１０とのなす角が大きくなる。枝部１１２０の先端は、羽部１１００の後縁部１１４５まで到っており、根元部１１３０から羽長の約２／３〜３／４の位置に到達している。
【００４８】
本実施の形態における羽部の形状と羽ばたき方との組み合わせが特定の場合、たとえば、長楕円形の羽部が、その根元部を実質的な回転中心として略同一平面内で回動する場合に、主要な揚力発生部位は、回転中心たる羽部の根元部から、羽長の２／３〜３／４の位置であることが分かっている。一般に、揚力は基本的に羽部の表面側の空間と裏面側の空間との圧力差に起因して生じる。この圧力差は相対流速の自乗に比例する。また、回転中心よりも羽部の先端側の部位においては、羽部に対する相対流速が高まるという現象が生じ、羽部の先端近傍においては、流体が羽部の一方側から他方側へ回り込むため、羽部の表面側の空間と裏面側の空間との圧力差が弱まるという現象が生じる。この２つの現象の組み合わせによって、最も移動速度の大きい、羽部の先端からわずかに回転中心側に近づいた部位において、最も大きな揚力が得られる。本実施の形態においても、板状部１１４０の主な揚力発生部位は、根元部１１３０から羽部の長さの約２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れて位置付けられており、枝部１１２０によって保持されている。板状部１１４０は、主に、羽部１１００の揚力（Lift Force）および抗力（Drag）浮上力（Rising Force）を生み出す役割を果たしている。
【００４９】
（根元部）
前縁部１１１０の一端および枝部１１２０の一端は、前縁部１１１０および枝部１１２０の位置関係が保持されるように、根元部１１３０に接続されている。なお、根元部１１３０は、羽部１１００の回転中心またはその近傍に位置付けられている。そのため、これらの前縁部および枝部を強固に固定するための部材が必要なことに起因した根元部１１３０の多少の質量増加は、羽ばたき運動の特性に殆ど影響を与えない。
【００５０】
（期待される効果）
上述のように、羽部１１００の揚力は、主に、根元部１１３０から羽長の２／３〜３／４の距離だけ離れた位置にある領域Ｒにおいて生み出されている。これは、その領域Ｒの周囲流体の流速は、回転中心からの距離が大きいため、羽部１１００の根元部１１３０の位置Ｒの周囲流体の流速に比較して、大きいからである。また、根元部１１３０から羽長の２／３〜３／４の距離だけ離れた位置は、羽部１１００の表面側の流体と羽部１１００の裏面側の流体と間の圧力差が大きくなるためである。
【００５１】
羽部１１００においては、前縁部１１１０は板状部１１４０に比較して剛性が高い。そのため、図３に示されるように、板状部１１４０は、周囲流体の流れに従うように変形する。より具体的には、羽部１１００の後縁部１１４５が、前縁部１１１０を回転中心として、前縁部１１１０まわりに回転することによって、前縁部１１１０から後縁部１１４５へ所定の距離だけ離れた位置から後縁部１１４５までの部分が、周囲流体の流れ方向に沿うように変形する。
【００５２】
枝部１１２０においては、その稜線または谷線を含む平面内において生じる曲げモーメントに対する剛性は高いが、稜線または谷線まわりの曲げモーメント、すなわち捻りに対する剛性は低い。そのため、枝部１１２０は、根元部１１３０の近傍の位置においては、稜線または谷線まわりに大きく回転変形する、すなわち捻り変形するが、根元部１１３０から離れた位置においては、殆ど変形しない。したがって、図３に示されるように、羽部１１００は、板状部１１４０がほぼ均一の迎え角を有する状態に変形する。
【００５３】
すなわち、上記図１および図２に示される構造の羽部１１００によれば、羽部１１００のうちの揚力の大半が発生する領域Ｒの迎え角を、その領域Ｒ内の位置にかかわらず、ほぼ一定にすることが可能になる。そのため、羽部１１００を揚抗比が大きな迎え角を有する状態にすることが可能になる。つまり、板状部１１４０が周囲流体の流れ方向に沿った平面形状に維持されるため、羽部１１００に生じる抗力を小さくすることができる。さらに、前縁部１１１０および枝部１１２０の双方とも、前縁部１１１０を含む平面内の曲げに対してのみ高い剛性を有しているため、それらの質量を小さくすることができる。
【００５４】
また、前縁部１１１０および枝部１１２０は、根元部１１３０に接続されている。また、根元部１１３０は、羽部１１００の回転中心に最も近く位置付けられている。そのため、羽部１１００の慣性力の増加を最小限に抑制することができる。
【００５５】
以上、本実施の形態の羽部１１００は、次の（１）〜（５）の技術的な特徴を有している。
【００５６】
（１） 羽部１１００は、前縁部１１１０、枝部１１２０、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた板状部１１４０を有する。
【００５７】
（２） 羽部１１００の捻り変形を考慮して、迎え角が適切な値になることを前提として設計がなされるため、不必要な剛性の強化のための重量の増加がなく、極力軽量化されている。
【００５８】
（３） 枝部１１２０は、周囲流体から力を受けると、前縁部１１１０まわりに捻れ、流体の流れ方向に沿って延びように変形する。
【００５９】
（４） 図１に示されるように、枝部１１２０が、羽部１１００の表側の周囲流体と羽部１１００の裏側の周囲流体との間の圧力差が最も大きくなる、根元部１１３０から羽長２／３〜３／４までの領域を支えている。
【００６０】
（５） 前縁部１１１０および枝部１１２０は、慣性力の増加に最も寄与しない根元部１１３０に接続されている。
【００６１】
したがって、本実施の形態の羽部１１００は、上記の技術的特徴のために、図９および図１０に示される重量の増加に繋がる複数の翅脈を有するMichelsonの羽部、図１１に示される羽長２／３〜３／４という最も羽部の表裏の圧力差が大きくなる領域を翅脈が支えていないMichelsonの羽、図１５に示されるパイプ構造を用いて捻り変形を抑制しているFearingの羽部、および、従来から提案されてきた揚力付随発生型の羽部とは、明らかに異なっている。
【００６２】
（補足事項）
なお、本実施の形態の羽部１１００の説明においては、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に張られた膜部は、便宜上、板状部１１４０と呼ばれているが、板状部１１４０が自発的に形状を保つだけの剛性を有していることは必要ではない。たとえば、前縁部１１１０、枝部１１２０、および前縁部１１１０の先端と枝部１１２０の先端とを接続する外枠部で囲まれた領域に、アラミドまたはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）代表される薄い膜を張ることによって、膜部に自発的に形状を保持する剛性を与えてもよい。現実的には、軽量化の観点から、前縁部１１１０と枝部１１２０との間に薄い膜部を張ることが望ましい。さらに、その薄い膜部に張力をかければ、その剛性を高めることができる。
【００６３】
この場合、前述の張力によって、上記２つの前縁部、枝部、および外枠部の変形が、羽ばたき飛行の妨げにならない程度に、上記張力を調整することが必要である。また、前縁部、枝部、および膜部との複合構造が平板の代わりに用いられていることは一般的になされていることである。この複合構造の一例は、特開２０００６−０７６３５８号公報に開示されている。
【００６４】
また、本実施の形態においては、便宜上、前縁部１１１０および枝部１１２０が、「溝構造」と呼ばれているが、羽部１１００は、表面から裏面に向かって突出している稜線を有していなくとも、裏面から表面に向かって突出している稜線を有していてもよい。さらに、羽部１１００は、表面から裏面に向かって突出している稜線と裏面から表面に向かって突出している稜線とが交互に設けられた構造を有していていもよい。
【００６５】
なお、説明の簡便のため、根元部１１３０は一定の厚さを有するがように図示されているが、前縁部１１１０および枝部１１２０が接続され得るものであれば、根元部１１３０の形状として、いかなるものが採用されてもよい。
【００６６】
また、説明の簡便のため、前縁部１１１０は直線形状を有しており、かつ、枝部１１２０は前縁部１１００の根元部１１３０から先端に向かって前縁部１１００となす角度が単調に増加するように描かれているが、本発明の目的が達成される限り、前縁部１１１０と枝部１１２０との位置関係としていかなるものが採用されてもよい。特に、前縁部１１００は、直線形状ではなく、トンボ等の羽のような曲線形状を有していてもよい。また、枝部１１２０と前縁部１１１０とがなす角度が単調に増加することは必須の構成ではない。枝部１１２０の捻りに対する剛性と曲げに対する剛性との間の相違を利用して、適切な迎え角になっている領域が極力大きくなるような羽部１１００が実現されるのであれば、枝部１１２０と前縁部１１１０との間の位置関係はいかなる態様で変化してもよい。
【００６７】
（実施の形態２）
次に、図４〜図６を用いて、本発明の実施の形態２の羽はたき装置の羽部が説明される。なお、本実施の形態においては、参照符号の下三桁に関しては、実施の形態１の羽部と同様の構造に対して実施の形態１の羽部の説明において用いられた数値と同一の数値が用いられている。
【００６８】
図４〜図６に示されるように、本実施の形態に示される羽部２１００は、前縁部２１１０、枝部２１２０、前縁部２１１０および枝部２１２０のそれぞれの一端が接続されている根元部２１３０、および、前縁部２１１０の先端と枝部２１２０の先端とを繋ぐように架け渡された外枠部２１４０を備えている。前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０によって囲まれた領域には、膜部２１５０が形成されている。膜部２１５０はフィルムが前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０に張られたものである。前縁部２１１０、枝部２１２０、および外枠部２１４０は、繊維強化プラスチックで構成されている。また、前縁部２１１０および枝部２１２０は、それぞれ、稜線部または谷線部を有している。要するに、本実施の形態の羽部２１００においては、実施の形態１の羽部１１００の板状部１１４０が、前縁部２１１０、枝部２１２０および外枠部２１４０によって囲まれた領域に設けられた膜部２１５０に置き換えられている。
【００６９】
実施の形態１と同様に、本実施の形態の羽部２１００によって得られる効果は、基本的には羽部の構造に依存するものであるため、上記材料の種類によらず実現されるものである。したがって、本実施の形態の羽部を構成する材料は一例であり、本発明の羽部は、前述の材料によって構成された羽部に限定されない。
【００７０】
（期待される効果）
本実施の形態の外枠部２１４０は、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が低いが、実施の形態１の板状部２１４０は、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が高い。すなわち、本実施の形態の外枠部２１４０および膜部２１５０からなる複合構造は、実施の形態１の板状部１１４０に比較して、前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻り変形が大きい。そのため、図４に示されるように、外枠部２１４０および膜部２１５０からなる複合構造は、実施の形態１の板状部１１４０のみからなる構造との比較において、流体が流れる方向に沿った部位のそれぞれの羽部の迎え角、すなわち、羽部の前後方向における部位のそれぞれの迎え角をほぼ一定値にすることが容易である。
【００７１】
なお、前述の複合構造の前縁部２１１０の長さ方向に延びる軸まわりの捻りに対する剛性が低いことが重要であり、複合構造の前縁部２１１０の長さ方向を含む平面内の曲げに対する剛性は高くてもよいため、外枠部２１４０は、前縁部２１１０等と同様に、前縁部２１１０が延びる方向に沿った稜線部または谷線部からなる溝構造を有していてもよい。
【００７２】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の羽ばたき装置の羽部を、図７および図８を用いて説明する。なお、本実施の形態においては、参照符号の下三桁に関しては、実施の形態１の羽部と同様の構造に対して実施の形態１の羽部の説明において用いられた参照符号と同一の参照符号が用いられている。
【００７３】
（羽構造）
図７および図８に示されるように、本実施の形態に示される羽部３１００は、前縁部３１１０、枝部３１２０、前縁部３１１０および枝部３１２０のそれぞれが接続された根元部３１３０、お前縁部３１１０の先端部と枝部３１２０の先端部との間に接続された外枠部３１４０、および、根元部３１３０と枝部３１２０の先端部とに接続された内枠部３１６０を備えている。また、前縁部３１１０および枝部３１２０、および外枠部３１４０によって取り囲まれた領域にはフィルムからなる外膜部３１５０が張られている。また、枝部３１２０および内枠部３１６０に取り囲まれた領域にはフィルムからなる内膜部３１７０が張られている。前縁部３１１０、枝部３１２０、および外枠部３１４０は、繊維強化プラスチックで構成されている。前縁部３１１０および枝部３１２０は、それぞれ、稜線部または谷線部を有している。
【００７４】
実施の形態１および２の羽部と同様に、本実施の形態の羽部の動作によって得られる効果は、基本的には、羽部の構造に起因するため、前述の羽部の材料の種類によらず、実現されるものである。したがって、本実施の形態の羽部を構成する材料は、一例であり、本発明の羽の材料は前述の材料に限定されない。
【００７５】
（期待される効果）
内膜部３１７０は、羽ばたき装置が滑空しているときには、揚力を生み出すことができる。なお、内膜部３１７０は、羽部３１００の回転中心に近い位置に設けられている。そのため、羽ばたき動作によって直接的に抗力に起因する浮上力が生み出されるときには、内膜部３１７０の表面側と裏面側との間に生じる圧力差が小さい。つまり、内膜部３１７０の存在に起因して生じる揚力は小さい。また、内枠部３１６０は、外枠部３１４０と同様に、前縁部３１００が延びる方向に沿った軸まわりの捻り剛性が低い。そのため、内枠部３１６０は、羽ばたき動作によって直接的に抗力に起因する浮上力が生み出されるときには、羽部１１３０の揚力発生部位の変形には殆ど影響を及ぼさない。また、内枠部３１６０は、羽部３１００の回転中心に近い位置に設けられているため、内枠部３１６０が設けられることに起因した羽部３１００の慣性力の増加は僅かである。
【００７６】
まとめると、内膜部３１７０の存在により、羽３１００の全体の剛性および羽３１００に生じる慣性力の増減に殆ど影響を与えることなく、羽ばたき装置が滑空するときに有効に機能するように、すなわち、揚力の発生に寄与するように羽部３１００の面積を増加させることができる。
【００７７】
図２０〜図４４を用いて、本発明の一実施の形態の羽ばたき装置を説明する。なお、本実施の形態では、左右対称の構成を有する羽ばたき装置を説明する。したがって、説明の簡略のため、左右対称である構成要素には同一参照符号が付され、それらのうち左側のみの説明がなされる。
【００７８】
また、以下の説明においては、前述の羽部と異なる羽部を有する羽ばたき装置が示されているが、前述の羽部を以下の羽部と置き換えることにより、前述の羽部を用いて、以下に示される羽ばたき装置の羽ばたき運動が実現される。
【００７９】
（全体の構成）
まず、図２０および図２１を用いて、本実施の形態の羽ばたき装置の全体構成を説明する。この項目は、全体構成を説明するためのものであるため、各構成要素の詳細な構成および動作は後述される。
【００８０】
図２０に示すように、羽ばたき装置１００は、本体１０１と、本体１０１に設けられた１対の羽部１１０とを備えている。一対の羽部１１０の一方は、本体１０１の左側の側部に設けられ、一対の羽部１１０の他方は、本体１０１の右側の側部に設けられている。
【００８１】
羽ばたき装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動によって、周囲流体に流れを生じさせるとともに、周囲流体から反作用を受ける。このとき、羽ばたき装置１００は、鉛直上方に向いた、自重を超える反作用を周囲流体から受ける。それにより、羽ばたき装置１００には重力加速度を超える鉛直上方向きの加速度が生じる。その結果、羽ばたき装置１００は浮上する。
【００８２】
また、図２１に示すように、羽ばたき装置１００は、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を有している。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０は、本体１０１に回転可能に搭載されている。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０には、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の運動を羽部１１０へ伝達する羽根駆動メカニズム１４０が接続されている。羽根駆動メカニズム１４０には羽部１１０が接続されている。羽部１１０は、上および下部超音波モータ１２０および１３０の駆動によって、上下方向を回転中心軸とする往復回動運動（以後、「ストローク運動」と称する。）と、羽部１１０の前縁部を回転中心軸とする回転運動（以後、「捻り運動」と称する。）とを行なう。つまり、羽部１１０は、ストローク運動および捻り運動のそれぞれを独立して行なうことができる。
【００８３】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、制御回路１５０によって制御される。また、制御回路１５０には、本体１０１に固定された位置検出センサ１６０から羽ばたき装置１００の位置情報および姿勢情報が与えられる。
【００８４】
また、羽ばたき装置１００は、通信装置１７０を介して、羽ばたき装置１００自身の情報およびその周辺の情報を、外部のコントローラ２００に送信する機能を有する。本実施の形態においては、画像センサ１８０よって得られた流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報がコントローラ２００へ送信される。なお、流体センサ１８０よって得られた気体に関する情報は制御回路１５０によって直接利用されてもよい。
【００８５】
また、通信装置１７０は、図２０および図２１に示すように、外部のコントローラ２００から送信されてきた情報を受信し、その情報を制御回路１５０に与える機能を有する。本実施の形態では、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０により制御され、羽ばたき装置１００の運動指令を与えるものとする。一方、外部のコントローラ２００は、羽ばたき装置１００に搭載された流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報を取得することができる。
【００８６】
なお、コントローラ２００が前述の気体に関する情報をオペレータ２１０に提示する方法は、いかなるものであってもよい。たとえば、外部のコントローラ２００が画像表示機能を備えていれば、流体センサ１８０が取得した気体に関する情報そのものが視覚的にオペレータ２１０に提示される。また、説明の簡便のために、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０によって操作されるものとしたが、これは必須ではない。
【００８７】
また、制御回路１５０、通信装置１７０、および流体センサ１８０等は、本体１０１に配された電源１９０から供給される電力によって駆動される。電源１９０は、本発明の駆動エネルギー源として機能するが、本発明の駆動エネルギー源は、電力を用いるもの以外のもの、たとえば、化石燃料等であってもよい。この場合、アクチュエータとしては例えば２サイクルエンジンやスターリングエンジン等、上記駆動エネルギー源に対応した物が用いられる。
【００８８】
（羽部）
以下に説明される羽部は、前述の図１〜図８を用いて説明された実施の形態１〜３の羽部に置き換えられ得るものである。したがって、前述の図１〜図８を用いて説明された実施の形態１〜３の羽部の根元部１１３０、２１３０、または３１３０が、図３４に示されるような羽部１１０の根元部と同様の態様で上部プレート１４１および中間プレート１４４に接続される。それにより、前述の羽部１１００、２１００、または３１００は、図４０〜図４７に示されるような羽ばたき動作をする。より具体的には、前述の実施の形態１〜３の羽部１１００、２１１０、または３１１０の前縁部１１１０、２１１０、または３１１０は、以下に説明される前縁部１１０２と同様の動作をする。また、前述の実施の形態１〜３の羽部１１００、２１００、または３１００は、全体として、以下に説明される羽部１１０と同様の動作をする。つまり、以下に示されるアクチュエータとして上部ロータ１２０および下部ロータ１３０は、羽部１１００、２１００、または３１００を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１１０、２１１０、または３１１０が延びる方向を回転軸として羽部１１００、２１００、または３１００を捻る。
【００８９】
羽部１１０は、図２２〜図２６に示されたような形状を有し、長さが６５ｍｍであり、かつ、幅が１６ｍｍである。羽部１１０は、前縁部１１０２、羽面部１１０３、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６を有している。なお、羽面部１１０３とは、前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６以外の部分であって、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９とアラミドフィルム１１１４とからなる部分である。
【００９０】
羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分、つまり前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）層からな
る。具体的に言えば、羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分は、ＣＦＲＰのシートから図２４〜図２６に示す３つの部分が切り抜かれ、その３つの部分が積層されることによって形成される。
【００９１】
前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層の３層積層構造を有している。また、枠部１１０４、枝部１１０５、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９はＣＦＲＰ層の１層構造である。図２２に示されるＸ軸の正の方向を０度とすると、細長板状部１１０７の繊維軸の方向は−６０度（＋１２０度）であり、細長板状部１１０８および枠部１１０４のそれぞれの繊維軸の方向は、０度（１８０度）であり、細長板状部１１０９の繊維軸の方向は、＋６０度（＋２４０度）であり、枝部１１０５の繊維軸の方向は−３０度（１５０度）である。前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、繊維軸の方向が−６０度（＋１２０度）、０度（１８０度）、および＋６０度（２４０度）である３つのＣＦＲＰ層が重ねられて形成されている。
【００９２】
前縁部１１０２の主要な変形は、羽部１１０の長手方向に平行な伸縮であるため、この方向とＣＦＲＰ層の繊維軸とが一致していることが望ましい。また、アクチュエータ接合部１１０６には複数の方向に力が加えられ、羽ばたき運動に応じてこれらの力の方向が変化すると考えられる。したがって、あらゆる方向に極力均等な剛性を有するように、異なる方向の繊維軸を有する多数のＣＦＲＰ層を積層することによって形成されていることが望ましい。なお、前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、他の部分よ
り剛性が高くなっている。これらの要件を満たす羽部の製造方法は後述される。
【００９３】
また、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、枠部１１０４、および枝部１１０５に囲まれるように羽面部１１０３が設けられている。羽面部１１０３は、アラミドフィルム１１１４からなり、図２３の紙面の奥行き方向に延びている。また、アクチュエータ接合部１１０６は、羽部１１０の根元に設けられ、アクチュエータに接合されており、その長さは１０ｍｍである。
【００９４】
また、図２４〜図２６に示すように、複数の細長板状部１１０７のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０７同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。また、複数の細長板状部１１０８のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０８同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。さらに、複数の細長板状部１１０９のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０９同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。
【００９５】
なお、本実施の形態では、説明の簡便のため、同一層の複数の細長板状部は、同一ピッチかつ平行であるものとしたが、たとえば、剛性分布を意図的に変更する場合には、前述のものに限定されない。たとえば、先端側に比較して、根元側のピッチが小さくなっており、それにより、剛性が高められている羽部１１０が用いられてもよい。
【００９６】
＜前縁部＞
前縁部１１０２は、図２３に示されるように、羽部１１０の長手方向に沿って延びる溝構造、すなわちコルゲーションと呼ばれる凹凸形状を有している。そのため、前縁部１１０２においては、長手方向を含む面内の曲げ変形に対する剛性が、長手方向を回転中心軸とする曲げ変形に対する剛性に比較して、高くなっている。なお、この前縁部１１０２の凹凸形状は、プリプレグと呼ばれるＣＦＲＰ層の原材料のシートを、この凹凸形状に対応する金型に密着させた状態で加熱することによって容易に成形され得る。また、前縁部１１０２には荷重が大きくかかる。そのため、前縁部１１０２は、細長板状部が設けられていない構造、すなわち隙間がない密実構造であるので、羽面部１１０３より剛性が高くなっている。さらに、前縁部１１０２は、根元に近づくにしたがって、累積的に荷重が増加するため、根元が先端に比べ太くなっている。根元部分での前縁部１１０２の幅および高さは約２ｍｍであり、先端部分での前縁部１１０２の幅および高さは約１ｍｍである。ただし、図の記述精度の制約から、図２３〜図２６においては、根元部分における前縁部１１０２の幅と先端部分における前縁部１１０２の幅とは同じ幅で描かれている。
【００９７】
＜羽面部＞
羽面部１１０３は、図２３〜図２６に示されるように、ＣＦＲＰ層の細長板状部１１０７、１１０８および１１０９、およびアラミドフィルム１１１４によって構成されている。羽部１１０と同一の外形を有するアラミドフィルム１１１４が、ＣＦＲＰ層の細長板状部によって挟まれている。
【００９８】
本実施の形態においては、アラミドフィルム１１１４の耐熱温度がＣＦＲＰ層の成形温度よりも高く、かつＣＦＲＰ層の成形工程において、プリプレグとアラミドフィルムとを接触させておき、加圧および加熱処理を行なうことで、プリプレグに含まれる樹脂成分によってＣＦＲＰ層とアラミドフィルムとを接着させることが可能である。したがって、ＣＦＲＰ層によって構成された前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９ならびにアラミドフィルム１１１４を含む原材料を上述の金型上で焼結することによって、簡単に羽面部１１０３を製造することが可能である。
【００９９】
羽面部１１０３の細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９は、それらが延びる方向が互いに６０度ずつずれ、重ねられている。そのため、羽面部１１０３の表面に垂直な方向から見ると、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９によって、正三角形の枠、すなわちトラスが形成されているように見える。また、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれは、細長い長方形の輪郭を有しており、そのうち２つの長辺は、繊維軸に平行に延びている。これは、強度が高いＣＦＲＰの長手方向と、上記トラス構造の各ビームの力のかかる方向とを一致させ、一軸異方性材料であるＣＦＲＰの強度特性を最大限活用するための構成である。ただし、２つの長辺の一方の長辺のみが繊維軸に平行に延びていれば、繊維の強度をある程度有効に利用することが可能である。なお、上記ビームが長方形ではない場合には、応力解析などの手法を用いて、そのビームの形状に最適な繊維軸方向を決定する必要がある。
【０１００】
また、本実施の形態では、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの曲げ剛性は、前縁部１１０２の１／８であるものとする。一般に、曲げ剛性は、断面二次モーメントに比例する。つまり、曲げ剛性は、（幅：矩形の短辺の長さ）×（厚さの３乗）に比例する。
【０１０１】
ここで、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの厚さが一定であり、細長板状部１１０７の幅が細長板状部１１０７同士の中心軸間の距離（以下、これを「ピッチ」という。）の１／ａ倍であり、細長板状部１１０８の幅が細長板状部１１０８同士のピッチの１／ａ倍であり、かつ、細長板状部１１０９の幅が細長板状部１１０９同士のピッチの１／ａ倍であると仮定する。この仮定の下では、細長板状部の幅が１／ａ倍になれば、羽面部１１０３の曲げ剛性も１／ａ倍になる。したがって、本実施の形態においては、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅を細長板状部１１０７同士、細長板状部１１０８同士、および細長板状部１１０９同士のそれぞれのピッチの１／８倍にすることによって、前縁部１１０２の曲げ剛性の１／８倍の曲げ剛性を有する羽面部１１０３が実現されている。つまり、羽面部１１０３の厚さ、すなわち細長板状部の積層数を変化させることなく、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅のみを変更することによって、所望の曲げ剛性分布を有する羽部１１０が形成されている。細長板状部の積層数は、自然数にしかならず、連続的に変化し得るものではないため、細長板状部の積層数を変化させるだけでは、羽部の曲げ剛性の分布が不連続になってしまう。しかしながら、上記細長板状部の幅とピッチとの比は、連続的に変化し得るものであるため、上記曲げ剛性分布を連続的に変更して、所望の曲げ剛性分布を得ることができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態の羽部１１０の構造によれば、細長板状部１１０７の幅と細長板状部１１０７同士のピッチとの比、細長板状部１１０８の幅と細長板状部１１０８同士のピッチとの比、および細長板状部１１０９の幅と細長板状部１１０９同士のピッチとの比を互いに異ならせることによって、羽面部１１０３の曲げ剛性が異方性を有するようにすることが可能である。たとえば、羽部１１０の長手方向を含む面内の曲げ変形に対して高い剛性を有する羽部１１０を製造する場合には、細長板状部１１０８の幅を大きくし、細長板状部１１０８同士のピッチを小さくすればよい。
【０１０３】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造の一部をトラスが形成されるように切り抜く手法が用いられた場合には、各トラスの三辺に３つのＣＦＲＰ層が積層されている。この手法により形成された羽面部の質量は、トラスが形成されていない羽面部１１０３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層の積層構造の質量の３／ａ倍（ａは前述の値）となる。この場合、３つのＣＦＲＰ層のうちの１つの層の繊維軸を含む面内の曲げ変形モードにおいては、その１つのＣＦＲＰ層以外の２つのＣＦＲＰ層は、樹脂程度の剛性しか有していないため、不要である。すなわち、前述の羽部１１０は、本段落にて説明されているような切
り抜きによって形成された羽部の約１／３の質量で、その羽部とほぼ同一の剛性を有する（具体的には下記の＜羽質量＞の項目に羽部の質量および剛性の数値が記載されている）。
【０１０４】
＜枠部＞
羽面部１１０３を構成するアラミドフィルム１１１４は、図２３に示されるように、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、および枠部１１０４の間に張られている。そのため、アラミドフィルム１１１４の端部の破損が防止されている。本実施の形態では、枠部１１０４の幅は約０．５ｍｍである。なお、枠部１１０４は、図２３に示されるように、羽面部１１０３を取り囲む形状であるため、それが延びる方向は位置によって異なる。枠部１１０４の繊維軸の方向は、それの延びる方向に一致している。
【０１０５】
＜枝部＞
羽部１１０が大きくなった場合には、羽部１１０の先端部の回転半径も大きくなる。この場合、流体に対する相対速度が大きくなるため、羽部１１０の先端部には大きな流体力が生じる。羽部１１０の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽部１１０の先端部の制御性を維持する必要がある。そのため、前縁部１１０２に接続され、前縁部１１０２から斜め方向に延びる枝部１１０５が設けられている。枝部１１０５の幅は約０．９ｍｍである。枝部１１０５は、Ｘ軸方向の羽部１１０の先端側を向く方向を０°とした場合に、−３０°の方向に延びるように形成されている。
【０１０６】
なお、枝部１１０５とＸ軸との間の角度および羽面部１１０３に要求される剛性によっては、前述の細長板状部１１０７とは異なる細長板状部を有するＣＦＲＰ層に枝部１１０５が設けられていてもよい。また、ＣＦＲＰ層とは別の材料を用いて形成された枝部１１０５がＣＦＲＰ層同士の間に挟み込まれた構造の羽面部１１０３が用いられてもよい。
【０１０７】
＜アクチュエータ接合部＞
アクチュエータ接合部１１０６は、実際には、羽部１１０を駆動するアクチュエータとの適合性に応じて、その形状が決定される。本実施の形態のアクチュエータ接合部１１０６は、図２３に示される形状であるものとする。また、羽ばたき運動により生じる流体力に起因する変形を防止するため、アクチュエータ接合部１１０６の材料としては、細長板状部を有しない、すなわち隙間がない密実な構造のＣＦＲＰ層が用いられる。さらに、アクチュエータ接合部１１０６の前方端には溝構造が設けられている。このアクチュエータ接合部１１０６の溝構造と前縁部１１０２の溝構造とは連続するように設けられている。
【０１０８】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重が１．６ｇ／ｃｍ3であるものとして、表１に前述の羽部１１０の各部位の質量が示されている。表１に示されるように、羽部１１０の質量は、約２６．５ｍｇである。また、アクチュエータ接合部１１０６の質量は約１０．８ｍｇである。
【０１０９】
【表１】
【０１１０】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造をトラス形状が形成されるように切り抜く手法が用いられた比較例の羽部の質量は約４８ｍｇである。
【０１１１】
（超音波モータ）
次に、図２７〜図３３を用いて、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を説明する。
【０１１２】
＜全体構成＞
まず、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の構成を説明する。
【０１１３】
図２７に示されるように、上部超音波モータ１２０は、上部超音波振動子１２１と、これによって駆動される上部ロータ１２２とを有している。また、上部ロータ１２２は、上部ベアリング１２３を介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。ロータシャフト１２４は、本体１０１に固定されている。上部ロータ１２２には、上部磁化パターン１２５が円弧状に記されている。上部磁化パターン１２５は、上部磁気エンコーダ１２６で読み取られる。上部超音波振動子１２１においては、図３３に示すように、支持部１２１４が支持シャフト１２７に固定され、牽引部１２２４が牽引ゴム１２９により牽引されている。また、上部超音波振動子１２１を駆動する電力はフィルム基板１２８を介して供給される。
【０１１４】
下部超音波モータ１３０は、上部超音波モータ１２０と上下方向において鏡面対称の構造である。すなわち、下部超音波モータ１３０においては、下部超音波振動子１３１が下部ロータ１３２を回転させる。下部ロータ１３２は、図示されない下部ベアリングを介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。下部ロータ１３２には、図示されない下部磁化パターンが円弧状に記されている。下部磁化パターンは、下部磁気エンコーダ１３６で読み取られる。
【０１１５】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、上下方向において鏡面対称に設けられていること以外においては、全く同様の構成を有しているため、以降においては、上部超音波モータ１２０の詳細構造のみの説明を行なう。
【０１１６】
＜駆動原理＞
次に、図２８〜図３３を用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【０１１７】
上部超音波振動子１２１は、振動板１２１１、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３からなる。振動板１２１１は、厚さ０．２ｍｍのステンレスで作製され、幅２ｍｍかつ長さ９ｍｍの矩形部と、矩形部の長手方向の中央部から外方に突出する支持部１２１４とを有している。振動板１２１１は、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３によって挟まれている。表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３は、それぞれ、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、および厚さ０．２ｍｍの短冊形状を有し、厚み方向に分極するピエゾ焼結体からなる。
【０１１８】
表面ピエゾ１２１２には表面電極１２１６が接合され、裏面ピエゾ１２１３には裏面電極１２１７が接合される。表面電極１２１６に電圧を印加すると、上部超音波振動子１２１において、図２９に示されるような節を３つ有する、即ち３次のたわみ振動モードが励起される。また、裏面電極１２１７に電圧を印加すると、図３０に示されるような、縦(伸縮)の振動モードが励起される。本実施の形態における上部超音波振動子１２１においては、２つの振動についての共振モードの共振周波数は、いずれも２５０ｋＨｚであり、互いに一致している。ここで、これらの共振モードの振動の位相を±９０°異ならせることによって、振動板１２１１の頂点は図３１および図３２に示される２種類の楕円運動を行なう。２種類の楕円運動は、正方向に回転する楕円運動と、逆方向に回転する楕円運動である。また、振動板１２１１の頂点にはセラミックからなる接触部１２１５が設けられている。接触部１２１５は、前述の楕円運動に応じて、摩擦力によって、上部ロータ１２２をロータシャフト１２４の軸周りに回転させる。このとき、正方向の回転および逆方向の回転のいずれかが選択される。
【０１１９】
図３１および図３２は、表面電極１２１６に与えられる電位をφＡとし、裏面電極１２１７に与えられる電位をφＢとして、φＡおよびφＢを、それぞれ、ｃｏｓ（２πｆｔ）およびｓｉｎ（２πｆｔ）に振幅を掛けた関数で表した場合における接触部１２１５の回転方向を示している。なお、説明の簡便のため、表面電極１２１６および裏面電極１２１７のそれぞれに与えられる電位を三角関数によって表わしたが、それらの電位の位相が±９０°ずれているのであれば、矩形波等によって表わされる電位が両電極に与えられてもよい。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれは所定の回転角の範囲内での回転往復運動を行なう。そのため、軽量化のためには、図３３に示されるように、不要な部分が削除された、その外形が中心角１２０°の略扇形状である上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。これによれば、羽ばたき装置内におけるロータの占有率を低減することができる。
【０１２０】
なお、前述の各部位のサイズおよび振動板の共振周波数などの数値は、一例であり、浮上のための要件が満足されるのであれば、前述の値に限定されない。この浮上のための要件は、後述の浮上可能性の項において述べられている。
【０１２１】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、必要な強度が確保される範囲内において、軽量化のための中空構造を有していてもよい。更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、上部ローラ１２２の回転角θ１−下部ロータ１３２の回転角θ２を所定の範囲内の値に制限するための機構が設けられてもいてもよい。これによれば、羽の捻り角βが一定の範囲内の値に制限される。そのため、後述する数式（７）において、解が物理的に１つに定まる。その結果、羽部の動作が安定する。なお、本発明者らの実験によれば、（θ１−θ２）の絶対値が所定値以上の値になると、後述する式（７）の解が、重解になることが分かっている。
【０１２２】
＜予圧機構＞
次に、図３３を用いて、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧を与える機構を説明する。
【０１２３】
接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧が作用しており、その反作用として、接触
部１２１５から上部ロータ１２２の外周面へ向かって抗力が生じている。そのため、上部ロータ１２２と接触部１２１５との間には摩擦が生じている。したがって、接触部１２１５の楕円運動によって、上部ロータ１２２は、摩擦力を受け、回転往復運動を行なう。
【０１２４】
牽引ゴム１２９は、環状であり、その一端が、牽引部１２２４に引っ掛けられている。牽引ゴム１２９の他端は、本体補強ポール１１２に固定されている牽引ゴムピン１１３に引っ掛けられている。したがって、牽引ゴム１２９には張力が生じ、牽引部１２２４が本体補強ポール１１２に向かって牽引されるため、振動板１２１１は牽引部１２２４を含む振動板１２１１を支持している支持シャフト１２７の軸周りに回転運動する。この回転運動は、接触部１２１５が上部ロータ１２２に接触することによって拘束されている。したがって、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ向かう予圧が生じる。
【０１２５】
なお、前述の本体補強ポール１１２を、その長軸周りに回転させることによって、前述の予圧の大きさを調整することが可能である。また、予圧機構は、上部ロータ１２２を駆動するための摩擦力を得るために設けられているものであるため、前述の予圧が得られ、かつ、羽ばたき装置１００の浮上特性が損なわれないのであれば、図３３に示す構造に限定されない。
【０１２６】
＜回転角検出＞
図２７に示す上部磁気エンコーダ１２６には、パターン周期の１／４の間隔を置いてＡ相およびＢ相のための２つの検出部が設けられている。この構成によって、一般的なエンコーダと同様に、上部ロータ１２２の回転方向に応じてＡ相およびＢ相の位相が異なるため、たとえば、Ａ相のアップエッジをカウンタのトリガとして、Ｂ相のレベルの１／０をアップカウント／ダウンカウントの機能選択に割り当てれば、上部ロータ１２２の回転角θ１を検出することが可能である。この回転角θ１の算出は、中央演算装置１５１において行なわれる。
【０１２７】
＜補足＞
なお、図２７〜図３３において示された超音波モータは、一般的なアクチュエータの一例であり、本発明における羽ばたき装置のアクチュエータは、前述のような構造の超音波モータに限定されない。たとえば、アクチュエータとして、電磁モータまたは内燃機関が用いられてもよい。また、回転角検出のための装置は、羽ばたき飛行を阻害するものでなければ、いかなるものであってもよい。たとえば、前述の磁気エンコーダを用いる手法の替わりに、光学式エンコーダを用いる手法が採用されてもよい。
【０１２８】
（羽駆動メカニズム）
次に、図３４〜図３７を用いて羽根駆動メカニズムについて説明する。
【０１２９】
羽根駆動メカニズム１４０は、図３４に示されるように、上部ロータ１２２に固定された上部プレート１４１と、下部ロータ１３２に固定された下部プレート１４２とを有している。さらに、下部プレート１４２には第１アラミドヒンジ１４３を介して中間プレート１４４が接続されている。さらに、上部プレート１４１には、第２アラミドヒンジ１４５を介して、羽部１１０の根元部が接続されている。さらに、羽部１１０の根元部は、第３アラミドヒンジ１４６を介して、中間プレート１４４にも接続されている。したがって、上部プレート１４１、羽部１１０、中間プレート１４４、および下部プレート１４２がアラミドフィルムで接続された複合ヒンジが構成されている。この複合ヒンジは、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって駆動される。
【０１３０】
図３５〜図３７には、上部プレート１４１、中間プレート１４４、および下部プレート１４２の形状が示されている。なお、各プレートのヒンジおよびロータに接続されない辺の近傍の部分は、補強のため、図３５〜図３７のハッチングで示される部位が、各プレートの主表面に対して約９０°折り曲げられている。さらに、この折り曲げ部同士の干渉を避けるため、折り曲げ部の両側端のそれぞれは、折り曲げ部が延びる方向に対して４５°の方向においてカットされている。
【０１３１】
各アラミドヒンジは、幅０．１ｍｍであり、長さに比べてその幅が非常に小さいため、擬似的に１自由度の回転のみ運動可能なリンク、すなわち蝶板（兆番）として機能する。また、アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線は１点で交わり、その１点はシャフト１２４の中心軸上に位置し、かつ、上部ベアリング１２３と下部ベアリング１３３との間に位置する。この構成により、上部超音波モータ１２０の回転角の制御によって羽部１１０の前後方向の往復運動が制御され、上部超音波モータ１２０の回転角の位相と下部超音波モータ１３０の回転角の位相との差の制御によって、羽部１１０のねじり運動が制御される。
【０１３２】
つまり、アクチュエータは、羽根軸としての前縁部１１０２を前後方向に往復運動（回転角α：Ｚ軸周りの回転角）させる前後往復運動用ロータとしての上部超音波モータ１２０と、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２を軸周りに回転（回転角β）させる捻り運動用ロータとを備えている。
【０１３３】
前述の羽ばたき方を、図３８および図３９を用いて、より具体的に説明する。図３８および図３９においては、羽ばたき装置１００の前後方向に沿ってＹ軸が延びている。また、羽ばたき装置１００の上下方向に沿ってＺ軸が延びている。さらに、羽ばたき装置１００の左右方向に沿ってＸ軸が延びている。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、互いに直交する。また、Ｙ軸においては、後方が正であり、前方が負である。また、Ｘ軸においては、上方が正であり、下方が負である。さらに、Ｚ軸においては、左の羽部１１０の位置する側が正であり、右の羽部１１０が位置する側が負である。また、図３９に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角がθ１であり、下部超音波モータ１３０の回転角がθ２であり、前後方向の往復運動の回転角である羽ばたきストローク角がαであり、前縁部１１０２の軸周りの回転角である捻り角がβであるものとする。
【０１３４】
また、前述の各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線の交点から各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの外側端までの距離は、それぞれ、Ｒ２、Ｒ１、およびＲ３であるものとする。さらに、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４５の端点の距離がＬ１であり、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４３の端点の距離がＬ２であり、アラミドヒンジ１４３の端点とアラミドヒンジ１４５の端点と間の距離がＬ３であるものとする。ロータシャフト１２４に対する羽部１１０の位置を表わす角度の組み合わせ（α，β）は、上および下部超音波モータの回転角θ１およびθ２を用いて、以下のように表わされる。
【０１３５】
羽ばたきストローク角αは、羽根軸（前縁部１１０２）のロータシャフト１２４の軸周りの回転であるため、次の式（１）に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角θ１に等しい。
【０１３６】
α＝θ１・・・（１）
また、捻り角（回転角β）は、羽部１１０の羽根軸（前縁部１１０２）の軸周りの回転角であるため、次の式（２）によって示されるβの余弦値から算出される。
【０１３７】
ｃｏｓ（π−β）＝−ｃｏｓ（β）＝［Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ３×Ｌ３−Ｌ２×Ｌ２］／（２×Ｌ１×Ｌ３）・・・（２）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（３）が成り立つ。
【０１３８】
Ｌ３＝ｓｑｒｔ（Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−２×Ｒ１×Ｒ２×ｃｏｓ（θ１−θ２））・・・（３）
ここで、ｓｑｒｔ（）は（）内の値の正の平方根である。
【０１３９】
なお、図３８および図３９から明らかなように、βは、πより大きく、かつ、２πより小さい。
【０１４０】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【０１４１】
上記の式（１）〜（４）から、所望の羽部１１０の位置（α，β）を得るための回転角θ１およびθ２は、次の式（５）および（６）によって表わされることが分かる。
【０１４２】
θ１＝α・・・（５）
ｃｏｓ（θ１−θ２）＝［Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−Ｌ３×Ｌ３］／２×Ｒ１×Ｒ２・・・（６）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（７）が成立する。
【０１４３】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の符号が、正であるか、または、負であるかは、実際の羽部１１０の挙動を考慮することによって、容易に決定される。
【０１４４】
図３８および図３９に示される本実施の形態の羽ばたき装置の状態は、羽部１１０の主表面が鉛直な方向に延びる平面と平行である状態、すなわち、捻り角β＝２７０°である状態である。このとき、θ１＝０°、θ２＝−４５°Ｒ１＝Ｒ２＝１５ｍｍ、Ｒ３＝１５．８１ｍｍ、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝１１．４ｍｍ、およびＬ３＝１１．３９ｍｍである。
【０１４５】
上部および下部ロータ１２２および１３２の回転角θ１およびθ２は、前述のように、磁気エンコーダ１２６よって得られた情報に基づいて中央演算装置１５１によって算出される。なお、回転角θ１およびθ２の制御方法は後述される。
【０１４６】
（羽ばたき方の変更による羽ばたき装置の動作制御）
＜動作の基本＞
本実施の形態における羽ばたき装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動が生み出す浮上力の作用点より下側の質量が大きいため、自動的に、図２０に示される姿勢になる。すなわち、Ｘ軸周りの回転およびＹ軸周りの回転を制御する必要はない。一方、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに沿った並進加速度、ならびにＺ軸周りの回転加速度（以下、「角加速度」とも言う）は、羽ばたき方によって変更される。尚、羽ばたき運動により生じる力は羽部の運動に伴って変化するが、ここでは、羽ばたき運動の１周期平均の力を羽ばたき運動により生じる力とする。
【０１４７】
（コントロールパラメータ）
本実施の形態における羽ばたき装置１００においては、トルク補助機構が適正に機能するためには、上部超音波モータ１２０の回転角θ１すなわちストローク角αの振幅は固定されている必要がある。そこで、羽ばたき装置１００の動作を制御するために、下部超音波モータ１３０の回転角θ２が変更される。すなわち、羽ばたき装置１００は、捻り角βの変更によって、流体の流れを変化させ、それにより、姿勢を変化させる。
【０１４８】
具体的には、羽ばたき運動のストロークの両端のそれぞれにおいて羽部１１０の捻り運動のタイミングを変化させる。
【０１４９】
（上下方向における浮上力の変化）
先述の非特許文献２において、Dickinsonらによって明らかにされているように、図４１に示すように、（１）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも先、すなわち切り返しの前半に羽部１１０を捻る（捻り先行切り返し）と、浮上力は増加し、一方、図４２に示すように、（２）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも後、すなわち切り返しの後半に羽部１１０を捻る（捻り遅れ切り返し）と、浮上力は減少する、という現象が起きる。
【０１５０】
（上下方向における浮上力が変化するときの前後方向における推進力の相殺）
さらに本発明者らは、図４１に示す前述の（１）の動作によれば、切り返し動作前の羽進行方向に沿った抗力が増大し、図４２に示す前述の（２）の動作によれば、その抗力が減少することを見出した。打ち上げ時に生じる前後方向の抗力と、打ち下ろし時に生じる前後方向の抗力とは、互いに逆向きである。そのため、打ち上げ動作と打ち下ろし動作とが前後方向に垂直な平面に対して鏡面対称であれば、それらの動作による抗力は相殺され、推進力はゼロとなる。このため、羽ばたき装置は、上下方向のみにおける移動を行なうことができる。
【０１５１】
（前後方向における推進力の変化）
逆に、打ち上げ時の切り返しと打ち下ろし時の切り返しとにおいて、図４１に示す前述の（１）の動作と図４２に示す前述の（２）の動作とが異なれば、その２つ動作による前後方向の抗力同士の間に差異が生じ、前方または後方のいずれかに推進力が生じる。より具体的には、図４３に示されるように、打ち下ろしの後半では、遅れ切り返しによって、前方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、先行切り返しによって、前方への加速度が得られる。一方、同様に、図４３に示されるように、打ち下ろしの後半では、先行切り返しによって、後方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、遅れ切り返しによって、後方への加速度が得られる。
【０１５２】
（前後方向における推進力が変化するときの上下方向における浮上力の変化の相殺）
尚、前方への加速度が得られる動作および後方への加速度が得られる動作のいずれが実行されるときにおいても、上方への加速度の変化と下方向への加速度の変化とを相殺することは可能である。このため、水平方向における加速度のみを得ることが可能である。
【０１５３】
（空間の３次元移動）
以上の説明のように、左および右の羽部１１０のそれぞれのストローク角α、すなわちθ１の振幅が固定されていても、θ２の時刻歴のみ変更し、打ち上げにおける羽部１１０の切り返しのタイミングと打ち下ろしにおける切り返しのタイミングとを異ならせることにより、羽部１１０に上下方向および前後方向における加速度を生じさせることができる。また、左の羽部１１０に生じる加速度と右の羽部１１０に生じる加速度とを異ならせることによって、羽ばたき装置１００の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、羽ばたき装置１００が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
【０１５４】
＜＜制御の詳細＞＞
以下、図４１に示す前述の（１）に記載の羽ばたき方を捻り先行切り返し（以下、単に、「先行切り返し」という。）と言い、図４２に示す前述の（２）に記載の羽ばたき方を捻り遅れ切り返し（以下、単に、「遅れ切り返し」という。）と言い、図４０に示すホバリング時の羽ばたき方を中央切り返しと言うものとする。
【０１５５】
また、説明の簡便のため、ホバリング、Ｚ軸方向における並進運動、およびＹ軸方向における並進運動は、それぞれ、左右対称である。したがって、羽部の動作も、左右対称である。そのため、左右対称な動作のうちの左の羽部１１０の動作についてのみの説明がなされるものとする。
【０１５６】
＜ホバリング＞
図４０には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図４０においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。このときの浮上力は自重と釣り合っており、前後方向への推進力はゼロである。
【０１５７】
＜Ｚ軸方向の並進制御＞
図４１には、Ｚ軸に沿った上方への移動、すなわち上昇のための羽ばたき方が示されている。図４２には、Ｚ軸に沿った下方への移動、すなわち下降のための羽ばたき方が示されている。図４１および図４２においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面とする鏡面対称の動作を行なう。
【０１５８】
図４１に示す動作は、前述の（１）に記載の先行切り返し動作であり、図４２に示す動作は、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作である。これらの動作の際の前後方向における加速度は、図４３に示されるとおりゼロである。
【０１５９】
＜Ｙ軸方向の並進制御＞
図４４および図４６には、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図４５および図４７には、後方へ移動するための羽ばたき方が示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面として、鏡面対称の動作を行なう。
【０１６０】
前方への移動の際には、打ち上げ終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれ、打ち下ろし終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれる。
【０１６１】
後方への移動の際には、打ち上げの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれ、打ち下ろしの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれる。
【０１６２】
なお、前述の通り、遅れ切り返しの際に浮上力は減少し、先行切り返しの際に浮上力は増加するため、Ｙ軸方向の並進運動において、前述の（１）および（２）に記載の動作により生じる浮上力同士を相殺することは可能である。すなわち、羽ばたき装置１００は、高度を保ったまま、前後方向へ移動することが可能である。
【０１６３】
＜Ｚ軸周り回転制御＞
Ｚ軸周りに正方向の回転、すなわち左への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１６４】
Ｚ軸周りに負方向の回転、すなわち右への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１６５】
いずれの場合においても、上述のように、左および右の羽部１１０による浮上力同士
は相殺され得るものであるため、高度が維持されたまま、羽ばたき装置１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０１６６】
＜Ｘ軸方向の並進制御＞
左方への移動を行なうためには、右の羽部１１０が上昇のための動作をし、左の羽部１１０が下降のための動作をすればよい。これにより、羽ばたき装置１は、左の羽部１１０が右の羽部１１０よりも下側に位置するように姿勢を変更し、それにより、浮上力のベクトルの先端が鉛直上方向きの状態から右側に傾く。これにより、羽ばたき装置１００を左方へ移動させる力が生じる。
【０１６７】
なお、このとき、浮上力の低下が起こることがあり得るため、Ｘ軸方向の並進制御とＺ軸方向の上方への移動のための制御とを併せて行なうことが望ましい。
【０１６８】
＜制御の変更方法＞
以上により、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方、すなわち、先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しを使い分けることで、羽ばたき装置１００は空間を自在に移動することができる。
【０１６９】
なお、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方は、いずれも、羽部１１０の前後方向の往復運動の終端の前から後にかけての所定期間内に行なわれる。そのため、羽ばたき運動のストロークの中心の前から後にかけての所定期間、すなわちストローク角α＝０°の前から後にかけての所定期間内においては、回転角θ１およびθ２の値は、その速度および加速度を含めて同一である。したがって、上記のように、回転角θ１およびθ２が共通している期間内に羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽部１１０の動作を何ら補間することなく、機械的に次の羽ばたき方を選択するだけで、羽部１１０の動作に不連続性を生じさせることなく、ある羽ばたき方から他の羽ばたき方へ円滑に遷移することが可能である。
【０１７０】
＜制御の選択＞
上記のように、θ１＝０°の位相において羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽ばたき方の状態を示す表現方法として、打ち下ろし、打ち上げ、およびそれぞれの終端での切り返し、という区分を行なうことは適切ではない。打ち下ろし後半および打ち下ろし後の切り返しおよび打ち上げの前半を前方羽ばたき運動とし、打ち上げ後半および打ち上げ後の切り返しおよび打ち下ろしの前半を後方羽ばたき運動として、羽ばたき方を二つに区分することが合理的である。
【０１７１】
すなわち、左および右の羽部１１０における前方羽ばたき運動および後方羽ばたき運動において、それぞれ、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの選択を行なうことによって、最も簡便に、羽ばたき方の制御を行なうことができる。前述の説明に基づいた羽ばたき装置の羽ばたき方に対応した選択肢が、表２に示されている。
【０１７２】
【表２】
【０１７３】
＜補足事項＞
なお、本項目においては、最も簡便に位置制御を実現する手法の一例が記載されているが、本発明の羽ばたき方は本項目の羽ばたき方に限定されるものではない。たとえば、本実施の形態においては、回転角θ１およびθ２の角速度は、切り返しの期間を除いて略一定であるものとされている。つまり、羽部１１０の往復運動は、図５５に示すように、角速度が一定である打ち上げおよび打ち下ろしの運動と、これに連続する、角速度が変化する切り返しの運動、すなわち往復運動の運動方向を反転させるための運動とからなるものである。切り返しの運動の角速度は、打ち上げの運動の角速度および打ち下ろしの運動の角速度のそれぞれに連続するように変化する。この切り返しの運動としては、例えば１変数の三角関数等が挙げられる。しかしながら、回転角θ１およびθ２の角速度を変化させることによって、周囲流体から受ける反作用を変化させて、羽ばたき装置１００を移動させる手法が用いられてもよい。
【０１７４】
また、本項目においては、説明の簡便のため、３種類の羽部１１０の切り返しのパターンの組み合わせによって、すべての羽ばたき方が表現される手法が用いられているが、この手法は、羽ばたき方の表現の一例であり、本発明の羽ばたき方は、前述の手法によって表現される羽ばたき方に限定されない。
【０１７５】
たとえば、回転角θ１およびθ２のパターンが多数存在する羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。すなわち、先行切り返しおよび遅れ切り返しのタイミングが複数種類ある羽ばたき方、または、切り返しのタイミングを連続的に自由に変更できる羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。逆に、中央切り返しは、先行切り返しと遅れ切り返しとを交互に繰り返す羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。このような羽ばたき方の表現手法であれば、中央切り返しのパターンのためのデータをメモリに記憶しておく必要が無いため、回転角θ１およびθ２のパターン数を低減させることができる。
【０１７６】
また、図４０〜図４２に示される回転角θの時刻歴は、図３８および図３９に表わされる構成を有する羽ばたき装置１００の回転角θの一例である。実際には、羽部１１０を駆動するメカニズムに応じて、そのメカニズムを制御する各種パラメータが、前述の羽部１１０の先行切り返しおよび遅れ切り返しを実現するように設定されるのであれば、回転角θの時刻歴は、図４０〜図４２に示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０１７７】
（位置検出センサ）
位置検出センサ１６０は、本体１０１に固定されている。そのため、位置検出センサ１６０によって計測された位置および姿勢は、羽ばたき装置１００の位置および姿勢そのものとなる。位置検出センサ１６０は、図４８に示すように、計測された位置および姿勢のデータを後述する中央演算装置１５１に与える。このような機能を実現するためのセンサは、技術の進展により変化するものであり、本発明の本質に関わるものではないため、いかなるものであってもよい。また、前述の姿勢を検出するためのセンサの一例としては、磁気と加速度との組み合せで、０．５°程度の姿勢の変化を検出することができるものが市販されている。また、位置の検出のためには、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）のようなセンサを用いることができる。
【０１７８】
（制御回路）
制御回路１５０は、図４８および図４９に示すように、中央演算装置１５１（Central Processing Unit）、中央演算装置１５１の指令により上および下部超音波モータ１２０および１３０を駆動するドライバ１５２、ならびに、ドライバ１５２に高電圧を供給する昇圧回路１５３等を有している。
【０１７９】
制御回路１５０は、流体センサ１８０とは反対側の筐体１０１の背面に設けられている。この構成により、水蒸気、腐食性ガス、および熱源など、回路の性能に悪影響を及ぼす測定対象が存在する場合であっても、制御回路１５０が筐体１０１のその他の部分に設けられている場合に比べて、流体センサ１８０を測定対象流体に近づけることができる。ただし、制御回路１５０の性能に悪影響を及ぼす測定対象流体が存在しない合、および、悪影響を及ぼす測定対象流体が存在してもその悪影響が制御回路１５０の性能に支障をきたす恐れのないような場合には、制御回路１５０は本体１０１のいかなる位置に設けられていてもよい。
【０１８０】
＜制御回路の動作＞
制御回路１５０には、オペレータ２１０が操作するコントローラ２００から通信装置１７０を介して運動指令が与えられる。運転指令は、一時記憶装置（以後、「ＲＡＭ（Random Access Memory）」と言う）１５５に格納される。中央演算装置１５１は、ＲＡＭ１５５に記憶された運動指令に基づいて、羽ばたき方のデータを固定記憶装置（以後、「ＲＯＭ（Read Only Memory）」と言う）１５４から得る。その後、中央演算装置１５１は、その羽ばたき方のデータをドライバ１５２に与える。それにより、羽ばたき装置１００は、前述の前後左右上下方向の並進移動または鉛直を回転軸とする回転のいずれかを行なう。
【０１８１】
＜中央演算装置＞
中央演算装置１５１は、前述の運動指令、ＲＯＭ１５４およびＲＡＭ１５５の情報を用いて、ドライバ１５２にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号および回転方向制御信号を出力する。これにより、コントローラ２００を介してオペレータ２１０が与えた運動指令に応じて超音波モータ１２０おび１３０が動作する。その結果、運転指令に対応する羽ばたき方が実現される。なお、羽ばたきの往復運動の周期は、反復タイマ１５６を用いて決定される。
【０１８２】
＜反復タイマ＞
中央演算装置１５１は、図４８および図４９に示すように、反復タイマ１５６を内蔵している。反復タイマ１５６は、羽ばたき運動の位相ψとして、−０．５〜０．５の値を５０Ｈｚの繰り返し周期で、中央演算装置１５１に出力する。ただし、羽ばたき運動の位相ψが、−０．５からカウントアップされ、０．５になると、再度、位相ψの値が−０．５からカウントアップされるものとする。この反復タイマ１５６の１周期に対応して、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも前方に位置する前方羽ばたき運動、および、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも後方に位置する後方羽ばたき運動のそれぞれが行なわれる。すなわち、反復タイマ１５６の１周期が羽ばたき運動の周期の２倍に対応する。本実施の形態においては、位相ψが正であれば、羽ばたき装置１００は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば羽ばたき装置１００は前方羽ばたき運動を行なうものとする。近年、機器制御に用いられているマイクロコントローラの多くには、本項で説明されている反復タイマとほぼ同様の、オートリロードタイマと呼ばれる機能が含まれており、これを用いることで、最も簡便に本項の反復タイマの機能を実現することができる。
【０１８３】
＜ＲＯＭに格納された羽ばたき方のデータ＞
ＲＯＭ１５４は、羽ばたき方のデータを格納している。羽ばたき方のデータは、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比の時刻歴のデータである。なお、超音波モータ１２０および１３０には、周波数が２５０ＫＨｚでありデューティ比が５０％に固定された駆動電圧が印加される。一方、図５０に示すように、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比とは、デューティ比が５０％に固定された２５０ＫＨｚの駆動電圧のＯＮ期間とＯＦＦ期間との和に対するＯＮ期間の比率である。
【０１８４】
すなわち、前述の先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しの３つのモードに対応する羽ばたき方のデータは、羽ばたき運動の位相ψに対応したドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比として、ＲＯＭ１５４に予め格納されている。なお、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比は、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）で示される。ただし、表２に示すように、−０．５≦ψ＜０．５において、ＭＯＤＥ＝１が先行切り返しであり、ＭＯＤＥ＝０が中央切り返しであり、ＭＯＤＥ＝−１が遅れ切り返しであるものとする。
【０１８５】
図５１〜図５３には、それぞれ、後方での切り返し動作行なう場合の、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しにおけるＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値が示されている。ただし、Ｄｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２が負の値であれば、羽部１１０は、往復運動の中央位置を基準にして、後方から前方へ移動する動作が行なわれていることを意味する。なお、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙの関数は、羽ばたき動作が前後方向に対して垂直な面に関して対称であるため、Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ）と表現され得る。
【０１８６】
すなわち、符号変換のみによって、ψが負の領域での各Ｄｕｔｙ値は、ψが正の領域での各Ｄｕｔｙの関数を用いて算出される。そのため、上記の各Ｄｕｔｙの関数は、ψが正である領域のみ、ＲＯＭ１５４に格納されている。これによれば、ＲＯＭ１５４に格納されている各Ｄｕｔｙ関数のデータ量を半分に減らすことができる。よって、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙ関数のうちψが正の領域のみが示される。
【０１８７】
なお、右の羽部１１０と左の羽部１１０とはＺ軸に対して鏡面対称であるため、前述の座標系のＸ軸の方向の正と負とを反転させた左手系の座標が採用されれば、右の羽部１１０の制御においても前述と同様のＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２を用いることができる。
【０１８８】
＜中央演算装置の動作＞
中央演算装置１５１は、位相ψの符号に基づいて、現在の羽ばたき方が前方羽ばたき運動であるか、または、後方羽ばたき運動であるかを判断する。その後、中央演算装置１５１は、ＲＯＭ１５４に格納されている表２に示すデータに基づいて、羽ばたき方の状態を判断するとともに、通信装置１７０によって得られたＲＡＭ１５５に格納されている運動指令に応じて、前述のＭＯＤＥの値を判断する。
【０１８９】
さらに、中央演算装置１５１は、前述の位相ψの値に基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値を得る。この値の絶対値が、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比である。また、この値の符号が、ドライバ１５２へ送信される、上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの回転方向である。前者は、例えばＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現され、後者は、例えばＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現される。これらのコマンドは、マイクロコントローラに内蔵されている。これらのコマンドを用いた演算は、一般的なマイクロコントローラにおいて容易に実行されるものである。
【０１９０】
中央演算装置１５１は、前述のデューティ比に基づいて、羽ばたき方に対応するＰＷＭ制御のためのＯＮ／ＯＦＦ信号をドライバ１５２に出力するとともに、位相ψの正または負に応じた回転方向制御信号をドライバ１５２に出力する。
【０１９１】
本実施の形態では、振動板１２１１の共振周波数が２５０ｋＨｚであるため、たとえば、共振周波数が２．５ｋＨｚであるＰＷＭ制御が実行されれば、１００段階の超音波モータの制御を行なうことが可能である。
【０１９２】
＜ドライバの動作＞
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１から与えられたＰＷＭ制御信号のＯＮ／ＯＦＦおよび回転方向制御信号に応じて、超音波モータ１２０を回転／停止、および、正転／反転させる。
【０１９３】
超音波モータ１２０は自己位置保持機能を有するため、回転および停止の動作は、ＰＷＭのＯＮ／ＯＦＦに応じて後述の電力供給をＯＮ／ＯＦＦすることによって、実現される。
【０１９４】
また、図３１および図３２に示されるように、超音波振動子１２１において、裏面電極１２１７に与えられる電位φＡの位相と表面電極１２１６に与えられる電位φＢの位相との差を変更することによって、上部ロータ１２２の正回転と負回転との間の変更を行なうことができる。
【０１９５】
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１からＰＷＭ信号を受けて、電位φＡおよびφＢのデータを作成する回路と、昇圧回路１５３から供給される高圧電力を制御して、超音波振動子１２１の表面電極１２１６および裏面電極１２１７に電位φＡおよびφＢを与える回路とからなる。前者は、一般的なタイマ回路やＣＰＵ（Central Processing Unit）を
用いて容易に実現され得るものであり、後者は、たとえば、Ｈブリッジと呼ばれる一般的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路を用いて容易に実現され
得るものである。本発明者らの実験によれば、これらの回路は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍの小型パッケージに収められ得るものであり、そのパッケージの質量は約２５ｍｇである。
【０１９６】
一般的に、前者のプログラムは以下のように表される。
：Ｌａｂｅｌ
ｉｆ（ＰＷＭ＝ＯＮ） ｔｈｅｎ
ｉｆ（回転方向＝正方向） ｔｈｅｎ
φＡ＝１
φＢ＝１
φＡ＝０
φＢ＝０
ｅｎｄ ｉｆ
ｉｆ（回転方向＝逆方向） ｔｈｅｎ
φＢ＝１
φＡ＝１
φＢ＝０
φＡ＝０
ｅｎｄ ｉｆ
ｅｎｄ ｉｆ
ｇｏｔｏ Ｌａｂｅｌ
但し、これらは簡易に前者回路の動作を表現するための一例であり、実際のプログラムにおいては、φＡおよびφＢのそれぞれが２５０ｋＨｚの矩形波となるようなタイミング調整が行なわれるため、ダミーの実行文の挿入等が必要になる。
【０１９７】
＜昇圧回路＞
昇圧回路１５３は、電源１９０の電圧（３Ｖ）を、超音波モータの駆動のために必要な＋３０Ｖの電圧に変更して、＋３０Ｖの電圧をドライバ１５２に印加する。昇圧回路１５３としては、一般的なＤＣ(Direct Current）−ＤＣコンバータが用いられ、その一例と
して、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍという小型パッケージが市販されている。昇圧回路１５３の質量は約２５ｍｇである。
【０１９８】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図４８に示されている。なお、４つの超音波モータの駆動方法は同一であるため、図４８には左の羽部１１０を駆動する上部超音波モータ１２０の制御体系のみが示され、他の制御体系は省略されている。また、図４９は、後述する図５４のフローチャートにおけるデータ処理の流れを説明するための機能ブロック図である。
【０１９９】
＜制御フローチャート＞
次に、図５４を用いて、羽ばたき装置の制御のためのフローチャートの一例を説明する。なお、このフローチャートは、一例であり、羽ばたき装置１００のアプリケーションによって変更され得るものである。
【０２００】
なお、以下のフローチャートにおいて、反復タイマ１５６は前述のオートリロードタイマを用いて恒常的に動作しており、ステップＳ１においては、ψ＝０である状態から処理が開始されるものとする。このとき、α＝０°であるものとする。
【０２０１】
ステップＳ１＜羽ばたき装置動作決定＞
コントローラ２００から送信されたオペレータ２１０の運動指令が、通信装置１７０を介して、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０２０２】
ステップＳ２＜羽ばたき状況検出＞
中央演算装置１５１は、反復タイマ１５６から送信されてきた位相ψの値のデータに基づいて、羽ばたき装置１００の現時刻での羽ばたき方の状態を認識する。具体的には、中央演算装置１５１は、位相ψの値が正であれば、羽ばたき装置１００が後方羽ばたき運動を行なっていると判断し、位相ψが負であれば、羽ばたき装置１００が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
【０２０３】
ステップＳ３＜羽ばたきモード決定＞
中央演算装置１５１は、上記運動指令に応じて表２の行成分を選択し、また、上記羽ばたき方の状態に応じて表２の列成分を選択する。それにより、中央演算装置１５１は、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの中からいずれか１の羽ばたきモード、すなわちＭＯＤＥの値を選択する。選択された羽ばたきモードのデータは、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０２０４】
ステップＳ４＜デューティ比決定＞
中央演算装置１５１は、前述の羽ばたきモードのデータに基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）のデータの中からドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比を選択する。
【０２０５】
ステップＳ５＜ドライバ駆動＞
中央演算装置１５１は、上記ＰＷＭ制御信号のデューティ比の正または負に応じて、回転方向制御信号をドライバ１５２に出力するとともに、そのデューティ比のＰＷＭ信号をドライバ１５２に出力する。すなわち、ＡＢＳ（Ａ）をＡの絶対値とし、ＳＩＧＮ（Ａ）をＡの符号とすると、回転方向制御信号はＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）であり、デューティ比はＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）である。なお、ここで、Ｄｕｔｙは、上部および下部超音波モータ１２０および１３０に応じた、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）を意味する。
【０２０６】
ステップＳ６＜超音波モータ駆動＞
ドライバ１５２は、上記回転方向制御信号に応じて、振幅が３０Ｖであり、かつ、周波数が２５０ｋＨｚである矩形波の電圧を表面電極１２１６および裏面電極１２１７に印加する。これらの２つの矩形波は、±９０°位相が異なっている。具体的には、ドライバ１５２は、超音波振動子１２１の表面電極１２１６に矩形波の電位φＢを与え、また、超音波振動子１２１の裏面電極１２１７に矩形波の電位φＡを与える。この矩形波の電位φＡの位相と矩形波の電位φＢの位相とが±９０°ずれている。
【０２０７】
ステップＳ７＜次回羽ばたきモード選択＞
ψ＝０またはψ＝−０．５の場合には、羽ばたき方の状態が変更されたことを意味するため、再びステップＳ１の処理が実行され、運動指令の変更も含め、羽ばたきモードが更新される。ψ＝０またはψ＝−０．５以外の場合には、羽ばたきモードは更新されず、ステップＳ４の処理が実行され、新たな位相ψが設定される。
【０２０８】
＜補足＞
なお、上記指令の形態はあくまで説明のための一例であり、これに限定されない。たとえば、速度指令が電圧値としてアナログ信号で与えられることにより、量子化誤差のない滑らかな速度指令が得られる手法が用いられてもよい。また、超音波モータの駆動に必要な電圧は、技術の進歩によって変化し得るものである。たとえば、現行の主なＴＴＬ(Transistor Transistor Logic)−ＩＣ（Integration Circuit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）の駆動電圧である３Ｖ以下で駆動し得る超音波モータが実現されれば、昇圧回路１５３は不要となる。
【０２０９】
また、本実施の形態では、説明の簡便のため、フィードバック制御を行なわず、単にコントローラ２００の指令によって羽ばたき方が一義的に選択される手法の説明がなされたが、羽ばたき装置１００の制御手法は、前述の手法に限定されない。
【０２１０】
たとえば、中央演算装置１５１が位置検出センサ１６０から位置および姿勢の情報を得て、その情報に基づいて運動指令を新たに作成するフィードバック制御が用いられてもよい。
【０２１１】
さらに、本実施の形態では、説明の簡便のため、デューティ比に応じて超音波モータ１２０および１３０の回転速度が一義的に決定されるという仮定の下に説明がなされている
が、負荷の変動などによってはこの仮定が成り立たない場合も考えられる。この場合には、上部磁気エンコーダ１２６の信号によって得られる上および下部超音波モータ１２０および１３０の回転角θ１およびθ２の値を参照して、デューティ比が調整されてもよい。
【０２１２】
なお、前述の羽ばたき装置の制御においては、理想的には、高い機動力を得るための羽ばたき運動の制御に必要な演算時間が短いことが望ましい。また、羽ばたき装置は軽量であることが望ましい。このため、前述の羽ばたき運動を制御するアルゴリズムも極力単純であることが望ましい。これらのことを考慮すると、高い機動力を有する羽ばたき装置に求められる要件は、単独性、連続性、選択性、独立性、および単純性である。
【０２１３】
単独性とは、流体力発生機構が設置されている胴体の姿勢に関わらず、当該流体力発生機構が単独で流体力の方向を変更することができることを意味する。単独性の欠如している羽ばたき装置の例として、ロータが胴体に固定されているヘリコプタが挙げられる。
【０２１４】
連続性とは、羽ばたき運動の変更が、胴体に大きな加速度を生じさせずに、連続的に行なわれることを意味する。
【０２１５】
選択性とは、羽ばたき運動の変更が、過去の羽ばたき運動の履歴に関わらず、独立して行なわれることを意味する。選択性が欠如している羽ばたき装置の例として、先述のＲｏｎ ＦｅａｒｉｎｇらによるＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）が挙げられる。これは共振によって羽部を駆動しているため、羽ばたき方を複数周期に渡って徐々に変更することしかできない。
【０２１６】
独立性とは、流体力発生機構が生み出す流体力が、羽ばたき運動の変更の履歴に影響されないことを意味する。独立性が欠如する具体的な場面として、以前の羽ばたき運動により生じた気流の影響を受ける現象などが挙げられる。
【０２１７】
単純性とは、羽ばたき運動の変更を実現するためのアルゴリズムが極力単純であることを意味する。
【０２１８】
（高機動力要件の検討）
＜＜単独性＞＞
本実施の形態における羽ばたき装置１００の制御は、表２に示されるように、全て、羽ばたき運動の両端における羽部の捻り動作のタイミングの選択によって行なわれる。これは、胴体の姿勢に拘束されないため、単独性が確保される。
【０２１９】
より具体的には、図４３〜図４５に示される先行切り返しおよび遅れ切り返しのうちの一方の羽ばたき方が選択されると、羽部１１０の加速度の水平方向成分を独立して制御することが可能で、羽ばたき運動の１周期における羽部１１０の加速度の水平方向成分の方向を前方および後方のいずれかに向けることができる。したがって、羽ばたき装置は、本体部（胴体）１０１の姿勢を変化させることなく、羽部１１０の動作のみの変更によって、流体力の方向を変更することが可能である。
【０２２０】
＜＜連続性＞＞
前述の羽部１１０の捻り、すなわち切り返しの動作は、羽ばたき運動における羽部１１０の往復運動の始点または終点を含む特定期間においてのみ異なり、いずれの羽ばたき方においても、羽ばたき運動の往復運動の中心位置を含む所定期間においては、羽部１１０の運動は同一である。つまり、複数種類の羽ばたき運動は、往復運動の中心位置を含むタイミングにおいて、共通の動作をする。このため、羽ばたき運動中に羽ばたき方の変更がなされても、その羽ばたき方の変更が共通の動作をするタイミングにおいてなされるのであれば、１の羽ばたき方から他の羽ばたき方への変化における羽部１１０の挙動は、連続的なものである。つまり、羽ばたき方の変更はスムーズに行なわれる。
【０２２１】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたき装置は、制御回路１５０のＲＯＭ１５４が、羽部１１０に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータ（表２参照）を有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータ（上部および下部ロータ１２０および１３０）を制御する。複数種類のデータのそれぞれは、羽部１１０の往復運動の１周期の動作を特定可能であり、複数種類のデータは、往復運動の１周期の所定期間において、羽部１１０に共通の羽ばたき運動をさせるものである。具体的には、複数種類のデータは、先行切り返しのためのデータ、中央切り返しのためのデータ、および遅れ切り返しのためのデータからなる３種類のデータであり、図４４および図４５ならびに表２によって表わされている羽ばたき方（停空、上昇、下降、前進、後退、右移動、左移動、右旋回、および左旋回）をさせるためのデータである。制御回路１５０は、羽部１１０の往復運動の中心位置を含む所定期間において、アクチュエータ（ロータ１２０，１３０）が複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御からアクチュエータが複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御へ切り換える。
【０２２２】
上記の構成によれば、羽部の運動に不連続な変化が生じることなく、羽ばたき運動の態様を変更することができる。そのため、羽ばたき運動の「連続性」が実現される。
【０２２３】
また、羽部は、１のデータによって特定される羽ばたき運動においては、往復運動の一周期のうちの２つの特定期間のそれぞれにおいて行なわれる他のデータによって特定される羽ばたき運動とは異なる軌跡を描くことが望ましい。これによれば、羽部１１０は、往復運動の１周期の間に最大で４種類の状態に順次変化する。そのため、羽ばたき運動のバリエーションが豊富になる。
【０２２４】
＜＜独立性＞＞
また、２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれていてもよい。これによれば、１の特定期間と他の特定期間とが時間的に最も大きくずれて繰り返される。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２２５】
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽部１１０の往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽部１１０の往復運動の他方端に位置するタイミングを含むことが望ましい。つまり、羽部１１０の切り返しは、前後方向の往復運動の端部を含む期間において行なわれることが望ましい。これによれば、１の特定期間における羽部１１０の位置と他の特定期間における羽部１１０の位置とが最も離れている。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２２６】
すなわち、本実施の形態の羽ばたき装置においては、羽ばたき運動の両端のそれぞれを含む特定期間においてのみ羽部１１０の動作が異なる複数種類の羽ばたき運動が行なわれる。そのため、以前の羽ばたき運動によって生じた流体の挙動が現在の羽ばたき運動に与える影響は極力低減されている。これにより、独立性が実現されている。
【０２２７】
＜＜単純性＞＞
また、２つの特定期間の一方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、２つの特定期間の他方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される。これによれば、羽ばたき運動の変更に起因する羽ばたき装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、羽ばたき装置を所望の姿勢にするための制御が容易になる。したがって、羽ばたき運動の変更における「単純性」が確保される。
【０２２８】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたき装置においては、表２に示されるように、羽ばたき装置の浮上移動の態様（停空、上昇、下降、前進、後退、左移動、右移動、左旋回、右旋回）と、浮上移動の態様を実現するための羽ばたき方（先行切り返し、中央切り返し、および遅れ切り返しの組み合わせ）とが一対一に対応している。そのため、羽ばたき方に対応する上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの駆動デューティ比のデータが変更されるだけの極めて単純なアルゴリズムによって、浮上移動態様の変更を実現することができる。したがって、本実施の形態の羽ばたき装置においては単純性が実現されている。
【０２２９】
更に、複数のデータのうちのホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、羽部１１０に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、制御回路１５０は、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の一方端まで羽部１１０を移動させるための基本データ（図５１、図５２、および図５３）と、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の他方端まで羽部１１０を移動させるように、基本データを変換するためのアルゴリズムまたは演算機能部、即ち（Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ））とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御回路１５０は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間のみのためのデータを有しているだけで、所望の羽ばたき運動を羽部１１０にさせることができる。そのため、制御回路１５０のデータの記憶のためのメモリ容量を低減することができる。その結果、羽ばたき装置を小型化かつ軽量化することができる。
【０２３０】
図５４のステップＳ１１＜初期動作＞
まず、オペレータ２１０が、外部コントローラ２００を操作して、羽ばたき動作を行なうための制御信号を羽ばたき装置１００に送信する。それにより、羽ばたき装置１００は、浮上のための羽ばたき動作を開始する。次に、オペレータ２１０は、水平方向に移動する羽ばたき動作を行なうための制御信号を羽ばたき装置１００へ送信する。それによって、羽ばたき装置１００が測定対象流体（たとえば、配管から噴出している有毒ガス等）の位置に接近する。なお、羽ばたき装置１００は、距離検出センサ１６１によって、前方に存在する測定対象流体の位置と自身との間の距離を常にモニタリングしている。したがって、羽ばたき装置１００は、前方に存在する障害物または測定対象流体の位置と羽ばたき装置１００との間の距離が、所定の閾値以下になった場合に、外部コントローラ２００から送信された前方に進行するという制御信号には従うことなく、その場でホバリング動作を行なう。また、本実施の形態においては、羽ばたき装置１００と配管などから噴出される測定対象流体との間の距離が、所定の距離より小さくなった場合には、オペレータによって外部のコントローラ２００から羽ばたき装置１００へ、自動接近制御のための指令が送信される。測定流体の位置への接近経路は、上述の流速分布マップを用いて決定される。このとき、制御回路１５０は、左の羽部１１０の前後方向の回動の中心位置と右の羽部１１０の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行する。ただし、羽ばたき装置１００のはばたき動作の開始および障害物および測定対象物へ接近するための羽ばたき動作として、前述以外の手法が用いられてもよい。
【０２３１】
（通信装置）
通信装置１７０は、外部のコントローラ２００から、羽ばたき装置１００に必要とされる加速度の情報を受信し、その情報を制御回路１５０の中央演算装置１５１に与える。
【０２３２】
（電源）
本発明の駆動エネルギー源としての電源１９０は、必要とされる電力を供給できる放電特性を有し、かつ、浮上を妨げない質量を有するものであれば、いかなるものであってもよい。
【０２３３】
本発明者らが用いた電源１９０は、質量０．７ｇのリチウムイオン電池で、本発明者らの計算によれば、約５０秒にわたり０．６Ｗを供給することができる。電源１９０は、本体１０１の下部に設けられている。そのため、電源１９０は、羽部１１０が受ける流体反力の作用点であるベアリング１２３より下側に位置し、羽ばたき装置１００の姿勢を自律的に安定させている。
【０２３４】
この他の電源としては、燃料電池、電気二重層コンデンサなどのキャパシタ、太陽電池、および有線による供給、等が挙げられる。また、これらの電源が併用されてもよい。たとえば、リチウムイオン電池の他に、羽部１１０の表面に太陽電池が設けられ、これらの電力が併せて用いられてもよい。
【０２３５】
（本体）
本体１０１は、底部プレート１０２、上部プレート１０３、底部プレート１０２と上部プレート１０３とを連結するフレーム部１０４、および、底部プレート１０２に設けられた脚１０５からなる。
【０２３６】
底部プレート１０２および上部プレート１０３は、厚さ０．２ｍｍのＣＦＲＰからなり、フレーム部１０４は厚さ３５μｍのステンレスからなる。脚１０５は、肉厚４０μｍ、長さ１０ｍｍ、かつ直径０．５ｍｍのＣＦＲＰの中空パイプからなる。
【０２３７】
また、上部プレート１０３および底部プレート１０２は、ロータシャフト１２４、支持シャフト１２７、および本体補強ポール１１２によっても連結されている。
【０２３８】
（浮上の可否）
＜質量＞
本発明者らの計算によれば、羽部１枚が生み出す浮上力は１．２１ｇｆである。よって、羽部２枚が生み出す浮上力は２．４２ｇｆである。また、各構成要素の質量が表３に示されている。表３に示されるように、羽ばたき装置１００の総質量は２．１７ｇｆであり、この値は、前述の浮上力２．４２ｇｆよりも小さいため、羽ばたき装置１００は、浮上することができる。
【０２３９】
【表３】
【０２４０】
＜消費電力＞
本発明者らの計算によれば、羽ばたき装置１００の羽部が１．２ｇｆの浮上力を生ずるに要求される機械的パワーは上および下部超音波モータ１２０および１３０共に最大４０ｍＷである。各超音波モータのエネルギー変換効率は３３％である。したがって、浮上のために要求される最大電力は超音波モータ１つにつき約１２０ｍＷであり、それらの電力の合計は４８０ｍＷである。ドライバ１５２および昇圧回路１５３の総合効率は約８５％であるため、４つの超音波モータの駆動のために必要な電力は最大５６５ｍＷである。
【０２４１】
中央演算装置１５１の消費電力は５ｍＷである。磁気エンコーダ１２６の消費電力は５ｍＷである。位置検出センサ１６０の消費電力は５ｍＷである。流体センサ１８０の消費電力は１５ｍＷである。通信装置１７０の消費電力は５ｍＷである。
【０２４２】
これらの電力の総計は、最大６００ｍＷであり、電源１９０の能力の範囲内の値である。したがって、羽ばたき装置１００は、内蔵された電源１９０から供給された電力のみを用いて浮上することができる。したがって、羽ばたき装置１００は、外部から電力の供給を受けることなく、独立して羽ばたき飛行することができるスタンドアロンタイプのロボットになり得るものである。
【０２４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２４４】
【図１】実施の形態１の羽部の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】実施の形態２の羽部の平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】実施の形態３の羽部の平面図である。
【図８】図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】Michelsonが発明した第一の従来の羽部を示す図である。
【図１０】Michelsonが発明した第一の従来の羽部を示す図である。
【図１１】Michelsonが発明した第二の従来の羽部を示す図である。
【図１２】本発明者が発明した従来の羽ばたき装置を示す図である。
【図１３】本発明者が発明した従来の羽部を示す図である。
【図１４】本発明者が発明した従来の羽ばたき装置の羽部の駆動態様を示す図である。
【図１５】Fearingらが発明した従来の羽部を示す図である。
【図１６】本発明者らが発明した従来の羽部を示す図である。
【図１７】望ましい羽部のねじれ変形によって達成される迎え角を説明するための図である。
【図１８】従来技術における羽部のねじれ変形によって達成される迎え角を説明するための図である。
【図１９】羽部の溝構造の側面部に結合された枝部の移動によって溝構造部が変形することを説明するための図である。
【図２０】実施の形態の羽ばたき装置の全体構成の概略図である。
【図２１】実施の形態の羽ばたき装置の詳細構造の概略図である。
【図２２】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の概略平面図である。
【図２３】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の概略側面図である。
【図２４】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第一の層を示す図である。
【図２５】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第二の層を示す図である。
【図２６】実施の形態の羽ばたき装置の羽部の第三の層を示す図である。
【図２７】実施の形態の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの外観図である。
【図２８】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの概略図である。
【図２９】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの第一の振動モードを示す図である。
【図３０】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの第二の振動モードを示す図である。
【図３１】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図３２】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図３３】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる超音波モータの予圧機構の概略図である。
【図３４】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。
【図３５】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第一の構成部品を示す図である。
【図３６】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第二の構成部品を示す図である。
【図３７】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの第三の構成部品を示す図である。
【図３８】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムのサイズの定義を示す図である。
【図３９】実施の形態の羽ばたき装置に用いられる羽駆動メカニズムの駆動原理を説明するための図である。
【図４０】実施の形態の羽ばたき装置のホバリング時の羽ばたき方を説明するための図である。
【図４１】実施の形態の羽ばたき装置の上昇時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４２】実施の形態の羽ばたき装置の下降時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４３】実施の形態の羽ばたき装置の上昇・下降時の羽ばたき方により生じる水平方向の力を表す説明図である。
【図４４】実施の形態の羽ばたき装置の前進方法を表す説明図である。
【図４５】実施の形態の羽ばたき装置の後退方法を表す説明図である。
【図４６】実施の形態の羽ばたき装置の前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４７】実施の形態の羽ばたき装置の後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４８】実施の形態の羽ばたき装置における制御システムのハードウエアブロック図である。
【図４９】実施の形態の羽ばたき装置における制御システムの機能ブロック図である。
【図５０】実施の形態の羽ばたき装置のＰＷＭ制御信号のデューティ比を説明するための図である。
【図５１】実施の形態の羽ばたき装置の中央切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５２】実施の形態の羽ばたき装置の先行切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５３】実施の形態の羽ばたき装置の遅れ切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５４】実施の形態の羽ばたき装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【図５５】一般的なホバリングの羽ばたき方を説明するための図である。
【符号の説明】
【０２４５】
１１００，２１１０，３１１０ 羽部、１１１０，２１１０，３１１０ 前縁部、１１２０，２１２０，３１２０ 枝部、１１４０，２１５０，３１５０ 板状部または膜部、１１４５ 後縁部、２１４０，３１４０ 外枠部、３１６０ 内枠部、３１７０ 内膜部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、
前縁部を有する羽部と、
前記羽部の根元部を駆動するように前記本体内に搭載され、前記羽部を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、前記羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前記前縁部が延びる方向を回転軸として前記羽部を捻るアクチュエータとを備え、
前記羽部は、
その一端が前記根元部に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有し、
その一端が前記根元部に接続され、前記根元部から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、前記第一の稜線部または谷線部から徐々に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部と、
前記第一の稜線部または谷線部と前記第二の稜線部または谷線部との間に張られた板状部または膜部とを含む、羽ばたき装置。
【請求項２】
前記第一の稜線部または谷線部は、前記前縁部を構成し、
前記第二の稜線部または谷線部は、前記根元部から前記所定の位置まで、前記第一の稜線部または谷線部にほぼ平行に延び、かつ、前記所定の位置から先端側においては、前記第一の稜線部または谷線部となす角度が前記アクチュエータから離れるに従って増加するとともに、その先端部が前記羽部の後縁部まで到る、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項３】
前記第二の稜線部または谷線部の先端部は、前記根元部から羽長の２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れた位置で前記羽部の後縁部に到る、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項４】
前記第一の稜線部または谷線部の先端部と前記第二の稜線部または谷線部の先端部とを接続する外枠部をさらに備え、
前記板状部または膜部が、前記第一の稜線部または谷線部、前記第二の稜線部または谷線部、および前記外枠部によって取り囲まれた領域に張られた、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項５】
前記外枠部と前記第一の稜線部または谷線部とが連続した１つの曲線形状を構成するように、前記外枠部の一方の端部が、前記第一の稜線部または谷線部の先端部に接続されている、請求項４に記載の羽ばたき装置。
【請求項６】
前記第二の稜線部または谷線部の先端と前記根元部とを接続する内枠部と、
前記内枠部と前記第二の稜線部または谷線部との間の領域に張られた板状部または膜部とを備えた、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項１】
本体と、
前縁部を有する羽部と、
前記羽部の根元部を駆動するように前記本体内に搭載され、前記羽部を前後方向に羽ばたき往復運動させるとともに、前記羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前記前縁部が延びる方向を回転軸として前記羽部を捻るアクチュエータとを備え、
前記羽部は、
その一端が前記根元部に接続され、長手方向に沿って延びる第一の稜線部または谷線部を有し、
その一端が前記根元部に接続され、前記根元部から所定の距離だけ離れた所定の位置から先端部側においては、前記第一の稜線部または谷線部から徐々に離れるように延びる第二の稜線部または谷線部と、
前記第一の稜線部または谷線部と前記第二の稜線部または谷線部との間に張られた板状部または膜部とを含む、羽ばたき装置。
【請求項２】
前記第一の稜線部または谷線部は、前記前縁部を構成し、
前記第二の稜線部または谷線部は、前記根元部から前記所定の位置まで、前記第一の稜線部または谷線部にほぼ平行に延び、かつ、前記所定の位置から先端側においては、前記第一の稜線部または谷線部となす角度が前記アクチュエータから離れるに従って増加するとともに、その先端部が前記羽部の後縁部まで到る、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項３】
前記第二の稜線部または谷線部の先端部は、前記根元部から羽長の２／３〜３／４の範囲内の距離だけ離れた位置で前記羽部の後縁部に到る、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項４】
前記第一の稜線部または谷線部の先端部と前記第二の稜線部または谷線部の先端部とを接続する外枠部をさらに備え、
前記板状部または膜部が、前記第一の稜線部または谷線部、前記第二の稜線部または谷線部、および前記外枠部によって取り囲まれた領域に張られた、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項５】
前記外枠部と前記第一の稜線部または谷線部とが連続した１つの曲線形状を構成するように、前記外枠部の一方の端部が、前記第一の稜線部または谷線部の先端部に接続されている、請求項４に記載の羽ばたき装置。
【請求項６】
前記第二の稜線部または谷線部の先端と前記根元部とを接続する内枠部と、
前記内枠部と前記第二の稜線部または谷線部との間の領域に張られた板状部または膜部とを備えた、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
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【図３２】
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【図３４】
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【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【公開番号】特開２００９−６７６２（Ｐ２００９−６７６２Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６７９３９（Ｐ２００７−１６７９３９）
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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