JP3989943B2 - Flapping levitation moving device - Google Patents

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本発明は、移動に羽ばたき飛行を用いる浮上移動装置に関するものであり、特に、そのアクチュエータから羽根部へのエネルギー供給の仕方に関するものである。   The present invention relates to a rising and moving apparatus that uses flapping flight for movement, and particularly relates to a method of supplying energy from an actuator to a blade part.

羽ばたき飛行するロボットは、従来の固定翼機およびヘリコプターとの比較において機動性が優れている。そのため、近年、羽ばたき飛行するロボットの工学的な実現を目指した研究が盛んになっている。   The flapping robot is superior in maneuverability in comparison with conventional fixed wing aircraft and helicopters. Therefore, in recent years, research aimed at the engineering realization of flapping robots has become active.

カリフォルニア大学バークレー校のRon Fearingらは、Micromechanical Flying Insectと称する小型の羽ばたき飛行ロボットを提案し、論文“Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”の中で、その構成について述べている。この羽ばたき飛行ロ
ボットの羽ばたき方は、Dickinsonらによる論文“Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”において開示されている。それによれば、失速遅れの防止、回
転揚力の発生、および後流捕獲の3つの原理が利用されている。
“Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”, R.S. Fearing, K.H. Chiang, M.H. Dickinson, D.L. Pick, M. Sitti, and J. Yan, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, April, 2000. “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”, Michael H. Dickinson, Fritz-Olaf Lehmann, Sanjay P. Sane, Science, vol. 284, no. 5422, 18 June 1999.
Ron Fearing et al. At the University of California, Berkeley proposed a small flapping flying robot called the Micromechanical Flying Insect and described its configuration in the paper “Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”. The manner of flapping of this flapping flight robot is disclosed in the paper “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight” by Dickinson et al. According to this, three principles are utilized: prevention of stall delay, generation of rotational lift, and wake capture.
“Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”, RS Fearing, KH Chiang, MH Dickinson, DL Pick, M. Sitti, and J. Yan, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, April, 2000. “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”, Michael H. Dickinson, Fritz-Olaf Lehmann, Sanjay P. Sane, Science, vol. 284, no. 5422, 18 June 1999.

羽ばたき飛行においては、羽根部(たとえば、昆虫のwingような部分)を前後方向において往復運動させるため、羽根部の運動方向を180°反転させることが必要である。そのため、これを用いる浮上移動装置(以下、「羽ばたき浮上移動装置」とも言う)は、同一の浮上力を得ることができるヘリコプターに比べて、羽根部の切り返し(羽根部の運動方向の180°反転)のために大きなトルクを必要とする。その結果、アクチュエータに求められるトルクのピークおよびそのアクチュエータへエネルギーを供給する駆動エネルギー源に求められるエネルギーのピークが大きくなってしまう。したがって、アクチュエータおよび駆動エネルギー源が大型化してしまう。それにより、浮上移動装置全体の重量が増加する。そのため、浮上移動装置に求められる機動力等の性能が低下してしまうという問題がある。以下、前述の問題を具体的に説明する。   In flapping flight, in order to reciprocate the wing part (for example, a part like an insect wing) in the front-rear direction, it is necessary to reverse the movement direction of the wing part by 180 °. For this reason, the rising and moving device using this (hereinafter also referred to as “flapping and rising moving device”) is more suitable than the helicopter that can obtain the same flying force. ) Requires a large torque. As a result, the peak of torque required for the actuator and the peak of energy required for the drive energy source that supplies energy to the actuator become large. Therefore, the actuator and the drive energy source are increased in size. Thereby, the weight of the entire rising and moving apparatus increases. Therefore, there is a problem that performance such as mobility required for the rising and moving apparatus is deteriorated. Hereinafter, the above problem will be described in detail.

図43は、従来の羽ばたき浮上移動装置の羽根部を駆動するためにアクチュエータに要求されるトルクの時刻歴と、当該羽ばたき浮上移動装置の浮上力と同一の浮上力を発生させる回転翼を有する浮上移動装置(以下、ヘリコプターと称する)の回転翼(以下、ロータと称する)を回転させるために必要なトルクの時刻歴とを模式的に示すグラフである。本項目にて説明する羽ばたき浮上移動装置の羽ばたき方は、図44に示すように、周波数が25Hzで繰り返される往復運動であり、2種類の運動からなる。一つは、角速度が一定の前後方向の回転往復運動であり、他の一つは、羽根部の切り返し時に行なわれる角速度の符号の正と負とが反転する正弦波運動である。また、図44の角速度のグラフにおいて、正弦波運動を示す線は、回転往復運動を示す直線同士を滑らかに繋いでいる。なお、後述する実施の形態の浮上移動装置も、図43および図44に示すような羽ばたき方をすることが前提となっている。   FIG. 43 shows a time history of torque required for an actuator to drive a blade part of a conventional flapping levitation moving device and levitation with a rotating blade that generates the same levitation force as that of the flapping levitation moving device. 3 is a graph schematically showing a time history of torque necessary for rotating a rotor blade (hereinafter referred to as a rotor) of a moving device (hereinafter referred to as a helicopter). As shown in FIG. 44, the manner of flapping of the flapping rising and moving apparatus described in this item is a reciprocating motion repeated at a frequency of 25 Hz, and consists of two types of motion. One is a rotational reciprocating motion in the front-rear direction with a constant angular velocity, and the other is a sine wave motion in which the sign of the angular velocity is reversed when the blades are turned back and forth. Also, in the graph of angular velocity in FIG. 44, a line indicating sine wave motion smoothly connects straight lines indicating rotational reciprocation. It is assumed that the rising and moving apparatus of the embodiment described later also flutters as shown in FIGS.

また、実際には、羽ばたき飛行時には、羽根部は前後方向における回転往復運動の両端のそれぞれにおいて羽根の長手方向を回転軸とする捻り運動をする。しかしながら、この羽根部の捻り運動のためにアクチュエータに要求されるトルクは、図43に示される、羽の前後方向における往復運動に要求されるトルクに比べて無視できるほど小さい。したがって、説明の簡便のため、この羽根部の捻り運動のためのアクチュエータに要求されるトルクは、以下の説明では、考慮しないものとする。   Further, in actuality, during flapping flight, the blade portion performs a twisting motion with the longitudinal direction of the blade as the rotation axis at each of both ends of the rotational reciprocating motion in the front-rear direction. However, the torque required for the actuator for the torsional motion of the blade is negligibly small compared to the torque required for the reciprocating motion of the blade in the front-rear direction shown in FIG. Therefore, for the sake of simplicity of explanation, the torque required for the actuator for the twisting motion of the blade is not considered in the following explanation.

以上の前提に基づき、羽ばたき浮上移動装置におけるアクチュエータに要求されるトルクについて考察する。羽ばたき浮上移動装置におけるアクチュエータに要求されるトルクは、図43に示されるように、往復運動の殆どの期間ではヘリコプターにおける回転翼に要求されるトルクと同等である。しかしながら、羽ばたき浮上移動装置においては、打ち上げから打ち下ろしへ、または、打ち下ろしから打ち上げへの羽根部の動作の変更のタイミングにアクチュエータに要求されるトルクが、ヘリコプターの回転翼に要求されるトルクの2倍程度である。また、このタイミングにおいては、アクチュエータに要求されるトルクと同様、アクチュエータが消費するパワーも急増する。   Based on the above assumptions, the torque required for the actuator in the flapping flying device will be considered. As shown in FIG. 43, the torque required for the actuator in the flapping rising and moving apparatus is equivalent to the torque required for the rotor blade in the helicopter during most of the reciprocating motion. However, in the flapping rising and moving apparatus, the torque required for the actuator at the timing of changing the operation of the blade from launch to launch or from launch to launch is the same as the torque required for the helicopter rotor blades. It is about twice. In addition, at this timing, the power consumed by the actuator increases rapidly as well as the torque required for the actuator.

一般に、同一の構成を有する2つのアクチュエータの対比において、相対的に大きなトルクを生じさせるアクチュエータの質量は、相対的に小さなトルクを生じさせるアクチュエータの質量に比較して大きい。また、同一の構成を有する2つの駆動エネルギー源、たとえば、2つの電池の対比において、相対的に大きなパワーを供給できる駆動エネルギー源は、相対的に小さなパワーを供給する駆動エネルギー源に比較して、より大きな質量を有する。   In general, in comparison between two actuators having the same configuration, the mass of the actuator that generates a relatively large torque is larger than the mass of the actuator that generates a relatively small torque. In addition, two driving energy sources having the same configuration, for example, a driving energy source capable of supplying a relatively large power in comparison with two batteries, are compared with a driving energy source that supplies a relatively small power. , Have a larger mass.

要するに、従来の羽ばたき浮上移動装置は、図43に示されるような短時間におけるトルクおよびパワー増加に対応するため、同一の浮上力を生じさせるヘリコプターよりも質量が大きいアクチュエータおよび駆動エネルギー源を必要とする。その結果、浮上移動装置に生じる加速度が低減されてしまう。したがって、浮上移動装置の機動力は低下せざるを得ない。   In short, the conventional flapping flying device requires an actuator and a driving energy source having a mass larger than that of the helicopter that generates the same levitation force in order to cope with the torque and power increase in a short time as shown in FIG. To do. As a result, the acceleration generated in the rising and moving apparatus is reduced. Therefore, the mobility of the rising and moving apparatus must be reduced.

言い換えれば、従来の浮上移動装置は、羽根部の切り返しという短時間に要求される大きなトルクおよびパワーを出力するために、非常に大きなアクチュエータおよび駆動エネルギー源を必要とする。その結果、機動力が損なわれている。   In other words, the conventional rising and moving apparatus requires a very large actuator and driving energy source in order to output a large torque and power required in a short time of turning back the blade portion. As a result, mobility is impaired.

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、羽根部の切り返し時に必要とされる、一時的なトルクおよびパワーの増大を平滑化することによって、アクチュエータおよび駆動エネルギー源が小型化され、高い機動力を有する羽ばたき浮上移動装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to smooth the temporary torque and power increase required when the blades are turned back, so that the actuator and the drive energy source are provided. The present invention is to provide a flapping flying device that is downsized and has high mobility.

以下の本発明の第1〜第6の局面の羽ばたき浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根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、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータとを備えている。また、その装置は、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合にアクチュエータからエネルギーを蓄積し、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクが特定値より大きい場合にアクチュエータエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構を備えている。 The following flapping floating mobile device of the first to sixth aspect of the present invention includes a blade portion having a front edge attached to the body, together with the reciprocating flapping wing portions in a longitudinal direction, movement in the flapping reciprocating motion And an actuator that twists the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after the reversal of direction. Also, the device, than the torque the specific value required to the actuator for torque or energy required to actuator stores energy from the actuator is smaller than a predetermined value, flapping reciprocation for flapping reciprocation and a energy storage and donor mechanism to energize the actuator is greater.

上記の構成によれば、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクの時刻歴を平滑化することができる。したがって、上記要求トルクのピークが低減するため、アクチュエータおよび駆動エネルギー源の軽量化を図ることができる。 According to said structure, the time history of the torque requested | required of an actuator for flapping reciprocating motion can be smoothed. Therefore, since the peak of the required torque is reduced, the actuator and the driving energy source can be reduced in weight.

なお、羽ばたき浮上移動装置は、トルクを検出する手段を有していても、トルクを検出する手段を有していなくてもよい。羽ばたき浮上移動装置が、トルクを検出する手段を有していない場合には、エネルギー蓄積・供与機構が羽ばたき浮上移動装置に設けられていない場合においてアクチュエータに要求されるトルクに応じて、予め、エネルギーを蓄積するタイミングとエネルギーを供与するタイミングとが決定されている。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のトルクが所定値より小さい場合に、必ずエネルギーを蓄積するものでなくてもよく、トルクが所定値より小さい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーを蓄積すればよい。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のトルクが特定値より大きい場合に、必ずエネルギーを供与するものでなくてもよく、トルクが特定値より大きい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてトルクのピークを低減するようにエネルギーを供与すればよい。 The flapping levitation moving device may have a means for detecting torque or may not have a means for detecting torque. If the flapping levitation moving device does not have a means for detecting torque, the energy storage / donating mechanism is not provided in the flapping levitation moving device , and the energy is preliminarily determined according to the torque required for the actuator. The timing for accumulating energy and the timing for supplying energy are determined. In addition, the energy storage and supply mechanism does not necessarily store energy when the torque is smaller than a predetermined value. When there are a plurality of periods when the torque is smaller than the predetermined value, the plurality of periods Energy may be accumulated in at least one of the periods. In addition, the energy storage and supply mechanism may not necessarily supply energy when the torque is greater than a specific value. If there are multiple periods when the torque is greater than the specific value, the multiple periods Energy may be supplied so as to reduce the torque peak in at least one of the periods.

本発明の第1の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前述の往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、エネルギー蓄積・供与機構が、運動方向の反転のための運動の前半のみにアクチュエータのエネルギーを蓄積し、運動方向の反転のための運動の後半のみにエネルギーをアクチュエータ与えてもよい。 The flapping and rising movement apparatus according to the first aspect of the present invention is the motion for reversing the motion direction in which the above-mentioned reciprocating motion is performed continuously with the motion having a constant angular velocity and the angular velocity changes. The energy storage and supply mechanism may store the energy of the actuator only in the first half of the movement for reversing the movement direction, and give the energy to the actuator only in the second half of the movement for reversing the movement direction. .

運動方向の反転のための運動の前半においては、羽根部および羽根部の周囲の流体の慣性力が羽根部に作用するため、前述のトルクが小さい。逆に、運動方向の反転のための運動の後半においては、羽根部は前述の慣性力に逆らって運動する必要があるため、前述のトルクが大きい。したがって、上述のように、運動方向の反転のための運動の前半のみにアクチュエータのエネルギーを蓄積し、運動方向の反転のための運動の後半のみに蓄積されたエネルギーをアクチュエータに与えれば、最も効果的に、羽ばたき運動に必要なトルクの時刻歴の平滑化を図ることができる。 In the first half of the movement for reversing the direction of movement, the inertia force of the blade portion and the fluid around the blade portion acts on the blade portion, so the aforementioned torque is small. On the contrary, in the latter half of the movement for reversing the movement direction, the blade portion needs to move against the inertial force described above, and thus the torque described above is large. Therefore, as described above, the energy of the actuator accumulate only in the first half of the movement for the direction of movement of the inversion, if you give the energy accumulated late only exercise for reversal of direction of movement to the actuator, the most effective In particular, it is possible to smooth the time history of the torque necessary for the flapping motion.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、エネルギー蓄積・供与機構は、充放電可能な電池を有し、アクチュエータのエネルギーを電池に電力として蓄積し、該電池に蓄積された電力を用いてアクチュエータにエネルギーを与えてもよい。これによれば、エネルギーの蓄積および供与を必要に応じて行なうことができる。 Further, in the flapping rising and moving apparatus of each aspect described above and below, the energy storage / donating mechanism has a chargeable / dischargeable battery, and stores the energy of the actuator as power in the battery, and the power stored in the battery May be used to give energy to the actuator. According to this, accumulation and supply of energy can be performed as necessary.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、エネルギー蓄積・供与機構は、物質の弾性変形によってアクチュエータのエネルギーを蓄積し、物質の復元力によってアクチュエータにエネルギーを与えてもよい。これによれば、予め弾性変形する物質を適切な位置に設けるだけで、何ら特別な制御を必要とせず、エネルギーの蓄積および供与を行なうことができる。 Further, in the flapping and rising and moving apparatus of each aspect described above and below, the energy storage / donating mechanism may store the energy of the actuator by elastic deformation of the substance and give the actuator energy by the restoring force of the substance. According to this, it is possible to store and supply energy without providing any special control only by providing a material that is elastically deformed in advance at an appropriate position.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、物質が固体であれば、液体または気体を用いてエネルギーの蓄積および供与を行なう場合に比較して、エネルギー蓄積・供与機構の構造を単純化することができる。 In addition, in the flapping and rising and moving apparatus of each aspect described above and below , if the substance is solid, the structure of the energy accumulation / donation mechanism is compared with the case where energy is accumulated and donated using liquid or gas. It can be simplified.

これによれば、エネルギー蓄積・供与機構が、密閉された容器内の気体の圧縮および膨張によって、運動エネルギーの蓄積および供与を行なえば、気体は液体および固体に比較して軽量であるため、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。 According to this, if the energy storage and supply mechanism stores and supplies kinetic energy by compression and expansion of the gas in a sealed container, the gas is lighter than liquid and solid, so It is possible to reduce the weight of the storage / donating mechanism.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、エネルギー蓄積・供与機構が、密閉された容器内での気体の相変化によって、運動エネルギーの蓄積および供与を行なえば、単位体積あたりのエネルギーの蓄積量および供与量が増加するため、エネルギー蓄積・供与機構の小型化を図ることができる。 Further, in the flapping and rising and moving apparatus of each aspect described above and below, if the energy storage / donating mechanism stores and supplies kinetic energy by the phase change of gas in a sealed container, Since the amount of energy stored and supplied increases, the energy storage and supply mechanism can be downsized.

また、本発明の第2の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前述の羽ばたき往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、物質が、運動方向の反転のための運動の期間のみにおいて、アクチュエータに接触する。これによれば、往復運動の効率を低下することなく、前述のトルクの時刻歴の平滑化を実現することができる。 In addition, in the flapping rising and moving apparatus according to the second aspect of the present invention, the above-described flapping reciprocating motion is performed continuously with the motion having a constant angular velocity and the motion, and the reversal of the motion direction is changed. The material contacts the actuator only during the period of motion for reversal of the direction of motion. According to this, smoothing of the torque time history described above can be realized without reducing the efficiency of the reciprocating motion.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、前述の物質がアクチュエータに設けられていれば、簡単な構造のエネルギー蓄積・供与機構が実現され得る。 In addition, in the above-described flapping flying apparatus of each aspect described below, an energy storage / donating mechanism having a simple structure can be realized if the above-described substance is provided in the actuator.

また、本発明の第3の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前述の羽ばたき往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、アクチュエータが、往復運動の両端の運動方向の反転のための運動の期間のそれぞれにおいて、物質を弾性変形させる構造を有している。これによれば、前述の弾性変形する物質のみによって、エネルギーの蓄積および供与が実現され得るため、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。 Further, in the flapping rising and moving apparatus according to the third aspect of the present invention, the above-mentioned flapping reciprocating motion is performed continuously with the motion having a constant angular velocity, and the reversal of the motion direction in which the angular velocity changes. The actuator has a structure for elastically deforming the substance in each of the motion periods for reversing the motion direction at both ends of the reciprocating motion. According to this, energy storage and supply can be realized only by the above-described elastically deformable substance, and thus the weight of the energy storage and supply mechanism can be reduced.

また、前述および後述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、前述の物質が、羽根軸の往復運動の中心位置において弛んでいる紐状の弾性体を含んでいれば、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。 Further, in the flapping floating mobile device of each aspect of the above and below which the foregoing materials, as long as it contains the string-like elastic body that slack in the center position of the reciprocating motion of the blade axis, the energy storage and donor mechanism Weight reduction can be achieved.

また、本発明の第4の局面の羽ばたき浮上移動装置は、羽根部に前後方向の往復運動をさせる前後往復運動用ロータと、羽根部を前縁部周りに捻るための捻り運動用ロータとを備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、前後往復運動用ロータのエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前後往復運動用ロータに与えてもよい。 The fourth aspect of the flapping floating mobile device of the present invention includes a longitudinal reciprocating rotor to the longitudinal direction of the reciprocating motion to the blade portion, and a twisting motion rotor for twisting the blade portion around the front edge portion The energy storage / donating mechanism may store energy of the rotor for back-and-forth reciprocating motion and supply the energy to the rotor for reciprocating back-and-forth motion.

これによれば、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクのピークは、捻り運動のためにアクチュエータに要求されるトルクに比較して大きいため、効率的にエネルギーを蓄積および供与することができる。 According to this, the peak of torque required for the actuator for flapping reciprocating motion is larger than the torque required for the actuator for twisting motion, so that energy can be stored and delivered efficiently. it can.

本発明の第5の局面の羽ばたき浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根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、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータとを備えている。また、その装置は、羽ばたき往復運動においてアクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合にアクチュエータからエネルギーを蓄積し、羽ばたき往復運動においてアクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合にアクチュエータエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備えている。 The fifth aspect of the flapping floating mobile device of the present invention includes: a vane portion having a front edge attached to the body, together with the reciprocating flapping wing portions in the front-rear direction, front direction of movement of the reversal in the flapping reciprocating And an actuator for twisting the blade portion around the front edge portion in a predetermined period after the operation. Also, the device, a certain value is torque or energy required to actuator in the energy accumulated from the actuator, flapping reciprocate when the torque or energy required to actuator in reciprocating flapping is smaller than a predetermined value and a energy storage and donor mechanism to energize the actuator is greater.

上記の構成によれば、アクチュエータの駆動のために要求されるトルクまたはエネルギーの時刻歴を平滑化することが可能になる。したがって、アクチュエータおよび駆動エネルギー源を小型化することが可能になる。 According to the arrangement, the time history of the required torque or energy for driving the actuator becomes possible to smooth. Therefore, the actuator and the drive energy source can be reduced in size.

なお、羽ばたき浮上移動装置は、エネルギーを検出する手段を有していても、エネルギーを検出する手段を有していなくてもよい。羽ばたき浮上移動装置が、エネルギーを検出する手段を有していない場合には、エネルギー蓄積・供与機構が羽ばたき浮上移動装置に設けられていない場合においてアクチュエータの駆動のために要求されるエネルギーに応じて、予め、エネルギーを蓄積するタイミングとエネルギーを供与するタイミングとが決定されている。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のエネルギーが所定値より小さい場合に、必ずエネルギーを蓄積するものでなくてもよく、エネルギーが所定値より小さい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーを蓄積するものであればよい。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のエネルギーが特定値より大きい場合に、必ずアクチュエータにエネルギーを供与するものでなくてもよく、エネルギーが特定値より大きい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーのピークを低減するようにアクチュエータにエネルギーを供与するものであればよい。 Note that the flapping and rising and moving apparatus may have means for detecting energy or may not have means for detecting energy. When the flapping flying device does not have a means for detecting energy, depending on the energy required for driving the actuator when the energy storage / donating mechanism is not provided in the flapping flying device. The timing for storing energy and the timing for supplying energy are determined in advance. In addition, the energy storage / donation mechanism does not necessarily store energy when the aforementioned energy is smaller than a predetermined value. If there are multiple periods where the energy is smaller than the predetermined value, the plurality of periods As long as it accumulates energy in at least one of the periods. In addition, the energy storage and supply mechanism does not necessarily have to supply energy to the actuator when the above-mentioned energy is larger than a specific value. As long as the energy is supplied to the actuator so as to reduce the energy peak in at least one of the periods, it is sufficient.

また、本発明の第5の局面の羽ばたき浮上移動装置においては、アクチュエータが、羽根部を前後方向に往復運動させるロータであって、相対的に小さな振幅で往復運動する第1ロータと、第1ロータにほぼ平行な方向において相対的に大きな振幅で往復運動する第2ロータとを備えてい。この場合、当該装置が第1ロータの位相と第2ロータの位相との差によって、羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、第1ロータのエネルギーを蓄積し、エネルギーを第1ロータ与えFurther, in the flapping rising and moving apparatus according to the fifth aspect of the present invention, the actuator is a rotor that reciprocates the blade portion in the front-rear direction, the first rotor reciprocating with a relatively small amplitude, that it has a second rotor reciprocates at a relatively large amplitude in a direction substantially parallel to the rotor. In this case, the apparatus further includes a control unit that controls the degree of twisting of the blade portion according to the difference between the phase of the first rotor and the phase of the second rotor. the energy accumulated, Ru energized to the first rotor.

これによれば、上記と同様に、羽根軸の前後方向の羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるエネルギーのピークは、捻り運動のためにアクチュエータに要求されるエネルギーのピークに比較して大きいため、エネルギー蓄積・供与機構は、効率的にエネルギーを蓄積および供与することができる。 According to this, similarly to the above, the peak of energy required for the actuator for flapping reciprocating motion of the blade axis in the front-rear direction is larger than the peak of energy required for the actuator for twisting motion. Therefore, the energy storage / donation mechanism can efficiently store and donate energy.

また、本発明の第6の局面の羽ばたき浮上移動装置においては、アクチュエータが、前縁部を前後方向に往復運動させるロータであって、前縁部に接続され、固定振幅で往復運動する第1ロータと、第1ロータにほぼ平行な方向において可変振幅で往復運動する第2ロータとを備えてい。この場合、羽ばたき浮上移動装置が第1ロータの位相と第2ロータの位相との差の制御によって、羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、第1ロータのエネルギーを蓄積し、エネルギーを第1ロータに与える。 Further, in the flapping rising and moving apparatus according to the sixth aspect of the present invention, the actuator is a rotor that reciprocates the front edge in the front-rear direction, and is connected to the front edge and reciprocates at a fixed amplitude. a rotor, that has a second rotor reciprocates variable amplitude in a direction substantially parallel to the first rotor. In this case, the control of the flapping floating mobile device the difference between the first rotor phase and the second rotor phase further comprises a control unit for controlling the degree of twist of the blade unit, the energy storage and donor mechanism, the energy of the first rotor to accumulate, Ru energize first rotor.

上記構成によれば、より大きなトルクを必要とする前縁部を駆動するための第1ロータの振幅が固定されている。そのため、後述される手法によりトルクの平滑化を容易に実現することができる。また、第1ロータと第2ロータとの位相差は任意に設定され得るため、上記のトルク平滑化を達成しながら、羽根部の2自由度制御を実現することができる。つまり、羽ばたき浮上移動装置の多様な制御とトルクの平滑化の双方を実現することができる。 According to the said structure, the amplitude of the 1st rotor for driving the front edge part which requires a bigger torque is fixed. Therefore, torque smoothing can be easily realized by a method described later. Further, since the phase difference between the first rotor and the second rotor can be set arbitrarily, it is possible to realize the two-degree-of-freedom control of the blade part while achieving the above torque smoothing. That is, it is possible to realize both various controls and smoothing of the torque of the flapping rising and moving apparatus .

また、前述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、エネルギー蓄積・供与機構は、アクチュエータの移動によって生じる運動エネルギーを蓄積し、その運動エネルギーをアクチュエータ供与するものであってもよい。これによれば、アクチュエータがどのような態様で運動しても、エネルギー蓄積・供与機構は、アクチュエータのエネルギーを蓄積してアクチュエータに供与することができる。そのため、多様な制御およびエネルギーのピークの低減の双方を実現することができる。 Further, in the flapping and floating movement apparatus of each aspect described above, the energy storage / donating mechanism may store kinetic energy generated by the movement of the actuator and supply the kinetic energy to the actuator. According to this, regardless of the manner in which the actuator moves, the energy storage and supply mechanism can store the energy of the actuator and supply it to the actuator. Therefore, it is possible to realize both various controls and energy peak reduction.

また、前述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、アクチュエータがロータを含み、エネルギー蓄積・供与機構の所定の部位が、ロータの回転中心軸と共通の回転中心軸まわりに円弧状の軌跡を描くように移動してもよい。これによれば、ロータの回転に起因したエネルギー蓄積・供与機構と他の部位との相対的位置関係の変化の度合いを極力小さくすることができる。 Further, in the flapping and rising and moving apparatus of each aspect described above, the actuator includes the rotor, and the predetermined portion of the energy storage / donating mechanism draws an arc-shaped locus around the rotation center axis common to the rotation center axis of the rotor. You may move as follows. According to this, the degree of change in the relative positional relationship between the energy storage / donating mechanism and other parts due to the rotation of the rotor can be minimized.

前述の各局面の羽ばたき浮上移動装置においては、エネルギー蓄積・供与機構は、板バネを含み、板バネの固定端は、ロータの回転中心軸の近傍に位置付けられてもよい。これによれば、エネルギーの蓄積および供与と、円弧の軌跡を描く移動との双方を簡単に実現することができる。
本発明の第7の局面の羽ばたき浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根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、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータと、所定期間のうちの羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前の期間にのみアクチュエータからエネルギーを蓄積し、所定期間のうちの羽ばたき往復運動における運動方向の反転の後の期間にのみアクチュエータへエネルギーを供給するエネルギー蓄積・供与機構とを備えている。
本発明の第8の局面の羽ばたき浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根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、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータと、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合にのみアクチュエータからエネルギーを蓄積し、羽ばたき往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合にのみアクチュエータにエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備えている。
In the above-described flapping rising and moving apparatus of each aspect, the energy storage / donating mechanism may include a leaf spring, and the fixed end of the leaf spring may be positioned in the vicinity of the rotation center axis of the rotor. According to this, it is possible to easily realize both energy accumulation and supply and movement for drawing a trajectory of an arc.
A flapping rising and moving apparatus according to a seventh aspect of the present invention includes a blade portion having a front edge portion attached to a main body, and reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and before reversing the movement direction in the flapping reciprocating motion. The energy is accumulated from the actuator only in the period before the reversal of the movement direction in the fluttering reciprocating motion in the predetermined period, and the actuator that twists the blade part around the front edge in the predetermined period after It has an energy storage and supply mechanism that supplies energy to the actuator only during the period after the reversal of the direction of motion in the flapping reciprocating motion.
A flapping rising and moving apparatus according to an eighth aspect of the present invention includes a blade portion having a front edge portion attached to a main body, and reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and before reversing the movement direction in the flapping reciprocating motion. During the specified period after the start, the actuator accumulates energy only when the torque or energy required for the actuator that twists the blade part around the front edge and the reciprocating motion of the flapping is smaller than the predetermined value. And an energy storage and supply mechanism that applies energy to the actuator only when the torque or energy required for the actuator for movement is greater than a specific value.

図1〜図42を用いて、本発明の一実施の形態の浮上移動装置を説明する。なお、本実施の形態では、左右対称の構成を有する浮上移動装置を説明する。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。   A rising and moving apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a rising and moving apparatus having a symmetrical configuration will be described. Therefore, for simplification of description, the same reference numerals are given to the symmetrical components, and only the left side of them will be described.

(全体の構成)
まず、図1および図2を用いて、本実施の形態の浮上移動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。
(Overall configuration)
First, the overall configuration of the rising and moving apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. Since this item is for explaining the overall configuration, the detailed configuration and operation of each component will be described later.

図1に示すように、浮上移動装置100は、本体101と、本体101に設けられた1対の羽根部110とを備えている。一対の羽根部110の一方は、本体101の左側の側部に設けられ、一対の羽根部110の他方は、本体101の右側の側部に設けられている。   As shown in FIG. 1, the rising and moving apparatus 100 includes a main body 101 and a pair of blade portions 110 provided on the main body 101. One of the pair of blade portions 110 is provided on the left side portion of the main body 101, and the other of the pair of blade portions 110 is provided on the right side portion of the main body 101.

浮上移動装置100は、羽根部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、浮上移動装置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、浮上移動装置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、浮上移動装置100は浮上する。   The rising and moving apparatus 100 generates a flow in the surrounding fluid by the flapping motion of the blade portion 110 and receives a reaction from the surrounding fluid. At this time, the rising and moving apparatus 100 receives a reaction exceeding its own weight, which is directed vertically upward, from the surrounding fluid. Thereby, the vertical movement acceleration exceeding the gravitational acceleration is generated in the rising and moving apparatus 100. As a result, the rising and moving apparatus 100 is lifted.

また、図2に示すように、浮上移動装置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の運動を羽根部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には羽根部110が接続されている。羽根部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、羽根部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、羽根部110は、ストローク運動およびねじり運動のそれぞれを独立して行なうことができる。   As shown in FIG. 2, the rising and moving apparatus 100 includes an upper ultrasonic motor 120 and a lower ultrasonic motor 130 as actuators of the present invention. The upper ultrasonic motor 120 and the lower ultrasonic motor 130 are rotatably mounted on the main body 101. The upper ultrasonic motor 120 and the lower ultrasonic motor 130 are connected to a blade driving mechanism 140 that transmits the movements of the upper ultrasonic motor 120 and the lower ultrasonic motor 130 to the blade portion 110. A blade portion 110 is connected to the blade driving mechanism 140. The blade portion 110 is driven by the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 to reciprocate and rotate with the vertical direction as the rotation center axis (hereinafter referred to as “stroke motion”), and the front edge portion of the blade portion 110. A rotational motion (hereinafter referred to as “twisting motion”) is performed. That is, the wing | blade part 110 can perform each of a stroke motion and a twist motion independently.

上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から浮上移動装置100の位置情報および姿勢情報が与えられる。   Upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 are controlled by a control circuit 150. The control circuit 150 is given position information and posture information of the rising and moving apparatus 100 from a position detection sensor 160 fixed to the main body 101.

また、浮上移動装置100は、通信装置170を介して、浮上移動装置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よって得られた画像情報がコントローラ200へ送
信される。なお、画像センサ180よって得られた画像情報は制御回路150によって直接利用されてもよい。たとえば、画像情報を画像処理することによって、浮上移動装置100の位置および速度等が制御回路150によって認識されてもよい。
Further, the rising and moving apparatus 100 has a function of transmitting information on the rising and moving apparatus 100 itself and information on the periphery thereof to the external controller 200 via the communication device 170. In the present embodiment, image information obtained by the image sensor 180 is transmitted to the controller 200. Note that the image information obtained by the image sensor 180 may be directly used by the control circuit 150. For example, the position and speed of the rising and moving apparatus 100 may be recognized by the control circuit 150 by performing image processing on the image information.

また、通信装置170は、図1および図2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、浮上移動装置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、浮上移動装置100に搭載された画像センサ180によって得られた画像情報を取得することができる。   As shown in FIGS. 1 and 2, the communication device 170 has a function of receiving information transmitted from the external controller 200 and providing the information to the control circuit 150. In the present embodiment, the external controller 200 is controlled by the operator 210 and gives a motion command for the rising and moving apparatus 100. On the other hand, the external controller 200 can acquire image information obtained by the image sensor 180 mounted on the rising and moving apparatus 100.

なお、コントローラ200が前述の画像情報をオペレータ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、画像センサ180が取得した画像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。   Note that any method may be used for the controller 200 to present the above-described image information to the operator 210. For example, if the external controller 200 has an image display function, the image itself acquired by the image sensor 180 is visually presented to the operator 210. Further, for convenience of explanation, the external controller 200 is operated by the operator 210, but this is not essential.

また、制御回路150、通信装置170、および画像センサ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。   In addition, the control circuit 150, the communication device 170, the image sensor 180, and the like are driven by power supplied from a power source 190 provided in the main body 101. The power source 190 functions as a driving energy source of the present invention, but the driving energy source of the present invention may be other than that using electric power, such as fossil fuel. In this case, an actuator corresponding to the driving energy source such as a two-cycle engine or a Stirling engine is used as the actuator.

(羽根部)
羽根部110は、図3〜図7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。羽根部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。
(Feather)
The wing | blade part 110 has a shape as was shown by FIGS. 3-7, length is 65 mm, and width is 16 mm. The blade portion 110 has a front edge portion 1102, a blade surface portion 1103, a frame portion 1104, a branch portion 1105, and an actuator joint portion 1106. The wing surface portion 1103 is a portion other than the front edge portion 1102, the frame portion 1104, the branch portion 1105, and the actuator joint portion 1106, and includes the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 and an aramid film 1114. Part.

羽根部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、羽根部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5〜図7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。
The portions other than the aramid film 1114 of the blade portion 110, that is, the front edge portion 1102, the frame portion 1104, the branch portion 1105, the actuator joint portion 1106, the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 are 20 μm thick CFRP (Carbon Fiber Reinforced). Plastic) layer. More specifically, the portions other than the aramid film 1114 of the blade portion 110 are formed by cutting out three portions shown in FIGS. 5 to 7 from the CFRP sheet and laminating the three portions.

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3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。   The front edge portion 1102 and the actuator joint portion 1106 have a three-layer structure of a CFRP layer having a thickness of 20 μm. Further, the frame portion 1104, the branch portion 1105, the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 have a single layer structure of a CFRP layer. When the positive direction of the X axis shown in FIG. 3 is 0 degree, the direction of the fiber axis of the elongated plate-like portion 1107 is −60 degrees (+120 degrees), and the elongated plate-like portion 1108 and the frame portion 1104 are respectively The direction of the fiber axis is 0 degree (180 degrees), the direction of the fiber axis of the elongated plate-like part 1109 is +60 degrees (+240 degrees), and the direction of the fiber axis of the branch part 1105 is −30 degrees (150 Degree). The leading edge 1102 and the actuator joint 1106 are formed by overlapping three CFRP layers whose fiber axis directions are −60 degrees (+120 degrees), 0 degrees (180 degrees), and +60 degrees (240 degrees). ing.

前縁部1102の主要な変形は、羽根部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根部の製造方法は後述される。
Since the main deformation of the leading edge portion 1102 is expansion and contraction parallel to the longitudinal direction of the blade portion 110, it is desirable that this direction coincides with the fiber axis of the CFRP layer. In addition, it is considered that force is applied to the actuator joint 1106 in a plurality of directions, and the direction of these forces changes according to the flapping motion. Therefore, it is desirable to form by laminating a large number of CFRP layers having fiber axes in different directions so as to have as uniform rigidity as possible in all directions. The leading edge 1102 and the actuator joint 1106 are more rigid than the other parts. The manufacturing method of the blade | wing part which satisfy | fills these requirements is mentioned later.

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4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、羽根部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。   Further, a wing surface portion 1103 is provided so as to be surrounded by the actuator joint portion 1106, the front edge portion 1102, the frame portion 1104, and the branch portion 1105. The wing surface portion 1103 is made of an aramid film 1114 and extends in the depth direction of the paper surface of FIG. The actuator joint 1106 is provided at the base of the blade 110 and is joined to the actuator, and its length is 10 mm.

また、図5〜図7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。   As shown in FIGS. 5 to 7, each of the plurality of elongated plate-like portions 1107 has the same width, and the plurality of elongated plate-like portions 1107 are provided in parallel with each other at the same pitch. Each of the plurality of elongated plate-like portions 1108 has the same width, and the plurality of elongated plate-like portions 1108 are provided in parallel with each other at the same pitch. Furthermore, each of the plurality of elongated plate-like portions 1109 has the same width, and the plurality of elongated plate-like portions 1109 are provided in parallel with each other at the same pitch.

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根部110が用いられてもよい。   In the present embodiment, for convenience of explanation, the plurality of elongated plate-like portions in the same layer are assumed to be the same pitch and parallel, but for example, when the stiffness distribution is intentionally changed, It is not limited to the above. For example, the blade portion 110 may be used in which the pitch on the root side is smaller than that on the tip side, thereby increasing the rigidity.

<前縁部>
前縁部1102は、図4に示されるように、羽根部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4〜図7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。
<Front edge>
As shown in FIG. 4, the front edge portion 1102 has a groove structure extending along the longitudinal direction of the blade portion 110, that is, an uneven shape called corrugation. Therefore, in the leading edge portion 1102, the rigidity against in-plane bending deformation including the longitudinal direction is higher than the rigidity against bending deformation with the longitudinal direction as the rotation center axis. The uneven shape of the front edge portion 1102 can be easily formed by heating a raw material sheet of a CFRP layer called a prepreg in a state of being in close contact with a mold corresponding to the uneven shape. Further, a large load is applied to the front edge portion 1102. Therefore, the front edge portion 1102 has a structure in which the elongated plate-like portion is not provided, that is, a solid structure with no gap, and therefore has higher rigidity than the wing surface portion 1103. Furthermore, since the load increases cumulatively as the front edge portion 1102 approaches the base, the base is thicker than the tip. The width and height of the front edge 1102 at the root portion is about 2 mm, and the width and height of the front edge 1102 at the tip portion is about 1 mm. However, due to restrictions on the description accuracy of the drawings, in FIGS. 4 to 7, the width of the front edge portion 1102 at the root portion and the width of the front edge portion 1102 at the tip portion are drawn with the same width.

<羽面部>
羽面部1103は、図4〜図7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。羽根部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。
<Feather>
As shown in FIGS. 4 to 7, the wing surface portion 1103 is configured by elongated plate-like portions 1107, 1108 and 1109 of the CFRP layer, and an aramid film 1114. An aramid film 1114 having the same outer shape as the blade portion 110 is sandwiched between elongated plate-like portions of the CFRP layer.

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。
In the present embodiment, the heat resistant temperature of the aramid film 1114 is higher than the molding temperature of the CFRP layer, and in the CFRP layer molding process, the prepreg and the aramid film are brought into contact with each other and subjected to pressure and heat treatment. Thus, the CFRP layer and the aramid film can be adhered by the resin component contained in the prepreg. Therefore, raw materials including the front edge portion 1102, the frame portion 1104, the branch portion 1105, the actuator joint portion 1106, the elongated plate-like portions 1107, 1108, 1109, and the aramid film 1114 formed of the CFRP layer are baked on the above-described mold. By tying, the wing face portion 1103 can be easily manufactured.

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。   The elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 of the wing surface portion 1103 are overlapped with each other in a direction in which they extend by 60 degrees. Therefore, when viewed from the direction perpendicular to the surface of the wing surface portion 1103, the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 appear to form a regular triangular frame, that is, a truss. Each of the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 has an elongated rectangular outline, and two long sides thereof extend parallel to the fiber axis. This is a configuration for making maximum use of the strength characteristics of CFRP, which is a uniaxial anisotropic material, by matching the longitudinal direction of CFRP having high strength with the direction in which the force of each beam of the truss structure is applied. However, if only one of the two long sides extends in parallel to the fiber axis, the strength of the fiber can be effectively used to some extent. If the beam is not rectangular, it is necessary to determine the fiber axis direction optimal for the shape of the beam using a technique such as stress analysis.

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。   In the present embodiment, it is assumed that the bending rigidity of each of the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 is 1/8 that of the front edge portion 1102. In general, the bending stiffness is proportional to the cross-sectional second moment. That is, the bending rigidity is proportional to (width: the length of the short side of the rectangle) × (thickness cubed).

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根部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、羽根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。   Here, the thickness of each of the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 is constant, and the width of the elongated plate-like portion 1107 is the distance between the central axes of the elongated plate-like portions 1107 (hereinafter referred to as “pitch”). The width of the elongated plate-like portion 1108 is 1 / a times the pitch between the elongated plate-like portions 1108, and the width of the elongated plate-like portion 1109 is the elongated plate-like portion. It is assumed that the pitch is 1 / a times 1109. Under this assumption, if the width of the elongated plate-like portion becomes 1 / a times, the bending rigidity of the wing surface portion 1103 also becomes 1 / a times. Therefore, in the present embodiment, the widths of the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 are set to the pitches of the elongated plate-like portions 1107, the elongated plate-like portions 1108, and the elongated plate-like portions 1109, respectively. By making it 1/8 times, the wing surface part 1103 having a bending rigidity of 1/8 times the bending rigidity of the front edge part 1102 is realized. That is, by changing only the width of each of the elongated plate-like portions 1107, 1108, and 1109 without changing the thickness of the wing surface portion 1103, that is, the number of laminated elongated plate-like portions, a desired bending rigidity distribution is obtained. The blade | wing part 110 which has is formed. Since the number of laminated thin plate-like portions is only a natural number and cannot be changed continuously, the bending stiffness distribution of the blade portion becomes discontinuous only by changing the number of laminated thin plate-like portions. End up. However, since the ratio between the width and the pitch of the elongated plate-like portion can be continuously changed, the desired bending stiffness distribution can be obtained by continuously changing the bending stiffness distribution.

なお、本実施の形態の羽根部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、羽根部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根部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。   In addition, according to the structure of the blade portion 110 of the present embodiment, the ratio of the width of the elongated plate-like portion 1107 to the pitch between the elongated plate-like portions 1107, the width of the elongated plate-like portion 1108, and the elongated plate-like portions 1108 to each other. The bending rigidity of the wing face portion 1103 can be made anisotropic by making the ratio of the width of the elongated plate-like portion 1109 and the ratio of the width of the elongated plate-like portion 1109 different from each other. Is possible. For example, when manufacturing the blade portion 110 having high rigidity against bending deformation in the plane including the longitudinal direction of the blade portion 110, the width of the elongated plate-like portion 1108 is increased, What is necessary is just to make a pitch small.

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、前述の羽根部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根部の約1/3の質量で、その羽根部とほぼ同一の剛性を有する。(具体的には下記の<羽質量>の項目に羽根部の質量および剛性の数値が記載されている。)
<枠部>
羽面部1103を構成するアラミドフィルム1114は、図4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4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。
On the other hand, when a method of cutting out a part of a laminated structure in which three CFRP layers are laminated so that a truss is formed, three CFRP layers are laminated on three sides of each truss. The mass of the wing surface portion formed by this method is 3 / a times the mass of the laminated structure of three CFRP layers having the same area as the wing surface portion 1103 where the truss is not formed (a is the value described above). In this case, in the in-plane bending deformation mode including the fiber axis of one of the three CFRP layers, the two CFRP layers other than the one CFRP layer have only a rigidity equivalent to that of the resin. Is unnecessary. That is, the above-described blade portion 110 has approximately the same mass as the blade portion with a mass that is about 1/3 that of the blade portion formed by clipping as described in this paragraph. (Specifically, the values of the mass and rigidity of the blade portion are described in the following <feather mass> item.)
<Frame part>
As shown in FIG. 4, the aramid film 1114 constituting the wing surface portion 1103 is stretched between the actuator joint portion 1106, the front edge portion 1102, and the frame portion 1104. Therefore, the end portion of the aramid film 1114 is prevented from being damaged. In the present embodiment, the width of the frame portion 1104 is about 0.5 mm. As shown in FIG. 4, the frame portion 1104 has a shape surrounding the wing surface portion 1103, and therefore the extending direction thereof varies depending on the position. The direction of the fiber axis of the frame portion 1104 coincides with the extending direction thereof.

<枝部>
羽根部110が大きくなった場合には、羽根部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、羽根部110の先端部には大きな流体力が生じる。羽根部110の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽根部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軸方向の羽根部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。
<Branch>
When the blade part 110 becomes large, the rotation radius of the tip part of the blade part 110 also becomes large. In this case, since the relative speed with respect to the fluid increases, a large fluid force is generated at the tip of the blade portion 110. Even if the fluid force generated at the tip of the blade 110 becomes large, the controllability of the tip of the blade 110 needs to be maintained. Therefore, a branch portion 1105 that is connected to the front edge portion 1102 and extends obliquely from the front edge portion 1102 is provided. The width of the branch 1105 is about 0.9 mm. The branch portion 1105 is formed to extend in the direction of −30 ° when the direction facing the tip side of the blade portion 110 in the X-axis direction is 0 °.

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。   Depending on the angle between the branch portion 1105 and the X-axis and the rigidity required for the wing surface portion 1103, the branch portion 1105 is provided in a CFRP layer having an elongated plate-like portion different from the aforementioned elongated plate-like portion 1107. It may be. In addition, a wing face portion 1103 having a structure in which a branch portion 1105 formed using a material different from the CFRP layer is sandwiched between the CFRP layers may be used.

<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、羽根部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4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。
<Actuator joint>
The shape of the actuator joint 1106 is actually determined according to the compatibility with the actuator that drives the blade 110. The actuator joint 1106 of the present embodiment is assumed to have the shape shown in FIG. Further, in order to prevent deformation due to the fluid force generated by the flapping motion, the material of the actuator joint 1106 is a CFRP layer having a solid structure that does not have an elongated plate-like portion, that is, has no gap. Further, a groove structure is provided at the front end of the actuator joint 1106. The groove structure of the actuator joint portion 1106 and the groove structure of the front edge portion 1102 are provided so as to be continuous.

<羽質量>
CFRPの比重が1.6g/cm3であるものとして、表1に前述の羽根部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、羽根部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。
<Feather mass>
Assuming that the specific gravity of CFRP is 1.6 g / cm 3 , Table 1 shows the mass of each part of the blade portion 110 described above. As shown in Table 1, the mass of the blade part 110 is about 26.5 mg. The mass of the actuator joint 1106 is about 10.8 mg.

Figure 0003989943
Figure 0003989943

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根部の質量は約48mgである。   On the other hand, the mass of the blade portion of the comparative example in which a method of cutting out a laminated structure in which three CFRP layers are laminated so as to form a truss shape is about 48 mg.

(超音波モータ)
次に、図8〜図14B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。
(Ultrasonic motor)
Next, the upper ultrasonic motor 120 and the lower ultrasonic motor 130 as the actuator of the present invention will be described with reference to FIGS.

<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。
<Overall configuration>
First, the configuration of the upper ultrasonic motor 120 and the lower ultrasonic motor 130 will be described.

図8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14A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を経由して供給される。   As shown in FIG. 8, the upper ultrasonic motor 120 includes an upper ultrasonic vibrator 121 and an upper rotor 122 driven by the upper ultrasonic vibrator 121. Further, the upper rotor 122 is provided on the rotor shaft 124 via the upper bearing 123 so as to be rotatable only around the axis of the rotor shaft 124. The rotor shaft 124 is fixed to the main body 101. An upper magnetization pattern 125 is written in an arc shape on the upper rotor 122. The upper magnetization pattern 125 is read by the upper magnetic encoder 126. In the upper ultrasonic transducer 121, as shown in FIG. 14A, the support portion 1214 is fixed to the support shaft 127, and the traction portion 1224 is pulled by the traction rubber 129. In addition, power for driving the upper ultrasonic transducer 121 is supplied via the film substrate 128.

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。   The lower ultrasonic motor 130 has a mirror-symmetric structure with the upper ultrasonic motor 120 in the vertical direction. That is, in the lower ultrasonic motor 130, the lower ultrasonic transducer 131 rotates the lower rotor 132. The lower rotor 132 is provided on the rotor shaft 124 so as to be rotatable only about the axis of the rotor shaft 124 via a lower bearing (not shown). A lower magnetization pattern (not shown) is written on the lower rotor 132 in an arc shape. The lower magnetization pattern is read by the lower magnetic encoder 136.

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。   Since the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 have exactly the same configuration except that they are provided mirror-symmetrically in the vertical direction, only the detailed structure of the upper ultrasonic motor 120 will be described below. Will be explained.

<駆動原理>
次に、図9〜図14Bを用いて、上部超音波モータ120の駆動原理を説明する。
<Driving principle>
Next, the driving principle of the upper ultrasonic motor 120 will be described with reference to FIGS. 9 to 14B.

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。   The upper ultrasonic transducer 121 includes a vibration plate 1211, a front surface piezoelectric element 1212, and a rear surface piezoelectric element 1213. The diaphragm 1211 is made of stainless steel having a thickness of 0.2 mm, and includes a rectangular portion having a width of 2 mm and a length of 9 mm, and a support portion 1214 protruding outward from a central portion in the longitudinal direction of the rectangular portion. . The diaphragm 1211 is sandwiched between the front surface piezo 1212 and the back surface piezo 1213. The front surface piezo 1212 and the back surface piezo 1213 are each formed of a piezo sintered body having a strip shape with a width of 2 mm, a length of 8 mm, and a thickness of 0.2 mm and polarized in the thickness direction.

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10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11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12および図13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。   A front surface electrode 1216 is bonded to the front surface piezoelectric element 1212, and a rear surface electrode 1217 is bonded to the rear surface piezoelectric element 1213. When a voltage is applied to the surface electrode 1216, the upper ultrasonic transducer 121 has three nodes as shown in FIG. 10, that is, a third-order flexural vibration mode is excited. Further, when a voltage is applied to the back electrode 1217, a vertical (stretching) vibration mode as shown in FIG. 11 is excited. In the upper ultrasonic transducer 121 according to the present embodiment, the resonance frequencies of the resonance modes for the two vibrations are both 250 kHz, which coincide with each other. Here, by changing the phase of vibration of these resonance modes by ± 90 °, the vertex of the diaphragm 1211 performs two kinds of elliptical motions shown in FIGS. The two types of elliptical motion are elliptical motion that rotates in the forward direction and elliptical motion that rotates in the reverse direction. A contact portion 1215 made of ceramic is provided at the apex of the diaphragm 1211. The contact portion 1215 rotates the upper rotor 122 around the axis of the rotor shaft 124 by frictional force according to the above-described elliptical motion. At this time, either forward rotation or reverse rotation is selected.

図12および図13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、扇型の輪郭を有し、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14B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°の扇形のフレーム構造を有する上部ロータ122および下部ロータ132が用いられることが望ましい。輪郭が扇型であるロータが用いられれば、中心軸まわりに回動(回転往復運動)するロータの占有率を最も効果的に低減することができる。なお、上部ロータ122および下部ロータ132は、それぞれ、扇型の輪郭に沿ったフレーム部を有している。   In FIGS. 12 and 13, the potential applied to the front electrode 1216 is φA, the potential applied to the back electrode 1217 is φB, and φA and φB are multiplied by cos (2πft) and sin (2πft), respectively. The rotation direction of the contact part 1215 in the case where it represents with a function is shown. For convenience of explanation, the potentials applied to the front electrode 1216 and the back electrode 1217 are represented by trigonometric functions. If the phases of these potentials are shifted by ± 90 °, they are represented by rectangular waves or the like. The potential to be applied may be applied to both electrodes. Note that each of the upper rotor 122 and the lower rotor 132 has a fan-shaped outline and performs a reciprocating rotary motion within a range of a predetermined rotation angle. Therefore, in order to reduce the weight, as shown in FIG. 14B, the upper rotor 122 and the lower rotor 132 having a fan-shaped frame structure whose outer shape has a central angle of 120 ° and whose unnecessary portions are deleted are used. Is desirable. If a rotor having a fan-shaped contour is used, it is possible to most effectively reduce the occupation ratio of the rotor that rotates around the central axis (rotational reciprocating motion). Each of the upper rotor 122 and the lower rotor 132 has a frame portion along a fan-shaped outline.

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。   The numerical values such as the size of each part and the resonance frequency of the diaphragm are only examples, and are not limited to the above values as long as the requirements for flying are satisfied. The requirements for this ascent are stated in the Ascentability section below.

また、上部ロータ122および下部ロータ132は、図14Bに示されるように、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。つまり、上部ロータ122および下部ロータ123のそれぞれが、半径120°の扇型の外周に沿って延びるフレームを有する構造からなっていてもよい。   Further, as shown in FIG. 14B, the upper rotor 122 and the lower rotor 132 may have a hollow structure for weight reduction within a range in which a necessary strength is ensured. That is, each of the upper rotor 122 and the lower rotor 123 may have a structure having a frame extending along a fan-shaped outer periphery having a radius of 120 °.

更に、上部ロータ122および下部ロータ132に、後述する上部ローラ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リミッター12322a、リミッター12322b、およびリミッター12322cが設けられてもいてもよい。リミッター12322bは、扇型のフレーム構造の下部ロータ132の内周面に設けられ、リミッター12322aおよびリミッター12322cは、扇型のフレーム構造の上部ロータ122の内周面に設けられている。リミッター12322bは、円弧状の軌跡において、リミッター12322aとリミッター12322cとの間に位置付けられている。これによれば、リミッター12322bの移動範囲は、リミッター12322aおよびリミッター12322cによって制限される。したがって、後述する羽の捻り角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、羽根部の動作が安定する。   Further, the upper rotor 122 and the lower rotor 132 are provided with limiters 12322a, 12322b, and 12322c for limiting the rotation angle θ1 of the upper roller 122 described later to the rotation angle θ2 of the lower rotor 132 within a predetermined range. It may be provided. The limiter 12322b is provided on the inner peripheral surface of the lower rotor 132 having a fan-shaped frame structure, and the limiter 12322a and the limiter 12322c are provided on the inner peripheral surface of the upper rotor 122 having a fan-shaped frame structure. The limiter 12322b is positioned between the limiter 12322a and the limiter 12322c in an arcuate locus. According to this, the movement range of the limiter 12322b is limited by the limiter 12322a and the limiter 12322c. Therefore, the wing twist angle β described later is limited to a value within a certain range. Therefore, in Equation (7), which will be described later, one solution is physically determined. As a result, the operation of the blade portion is stabilized.

また、上部および下部ロータ122よび132が各超音波振動子の駆動力をロス無く羽根部に伝達することが望ましい。そのため、ロータの回動抵抗は極力小さいことが望ましい。さらに、上部ロータ122と下部ロータ132との衝突を避けるために、これらのロータは中心軸まわりにのみ回転することができる構造を有していることが望ましい。したがって、本実施の形態では、ロータと回転中心軸との接触部におけるベアリングとして、ピボットと呼ばれる一種のボールベアリングが用いられている。これによって、前述のように、ロータ同士の接触が防止されている。なお、上記ロスが超音波振動子の駆動力に比べ十分小さいのであれば、擦動タイプのベアリング、たとえばテフロン(登録商標)ベアリングなどが使用されてもよい。   Further, it is desirable that the upper and lower rotors 122 and 132 transmit the driving force of each ultrasonic transducer to the blades without loss. Therefore, it is desirable that the rotational resistance of the rotor is as small as possible. Further, in order to avoid collision between the upper rotor 122 and the lower rotor 132, it is desirable that these rotors have a structure that can rotate only around the central axis. Therefore, in this embodiment, a kind of ball bearing called a pivot is used as a bearing at the contact portion between the rotor and the rotation center shaft. As a result, contact between the rotors is prevented as described above. If the loss is sufficiently smaller than the driving force of the ultrasonic vibrator, a friction type bearing such as a Teflon (registered trademark) bearing may be used.

なお、後述される後方切り返し時において、羽根部が水平状態になると、すなわち、後述されるβが180°に達すると、切り返し後のβが0<β<πとなるか、または、π<β<2πとなるかは、不定となる。前者の場合には、羽根部が裏返り、迎え角が負となることになり、揚力が得られず、浮上移動装置は飛行することがききない。このため、前述の2つのリミッターにより、βが180°に達しないように、羽根部の動作が制限されている。さらに、本発明者らの実験によると、羽根部にかかる流体力がヒンジを押し上げるように弾性変形させることにより、厳密にβが180°に達しなくても、羽根部が裏返る現象が観察されている。このため、前述の2つのリミッターは、羽ばたき飛行に支障をきたさない範囲内で、βが180°よりもある程度小さい値になるように設けられていることが望ましい。   At the time of backward turning described later, when the blade portion is in a horizontal state, that is, when β described later reaches 180 °, β after turning back becomes 0 <β <π or π <β Whether it becomes <2π is indefinite. In the former case, the blades are turned over and the angle of attack is negative, lift is not obtained, and the rising and moving apparatus cannot fly. For this reason, the operation | movement of a blade | wing part is restrict | limited so that (beta) may not reach 180 degrees by the above-mentioned two limiters. Furthermore, according to the experiments by the present inventors, a phenomenon in which the blade part turns over is observed even when β does not reach 180 ° strictly by elastically deforming so that the fluid force applied to the blade part pushes up the hinge. Yes. For this reason, it is desirable that the above-mentioned two limiters are provided so that β is a value that is somewhat smaller than 180 ° within a range that does not interfere with flapping flight.

<予圧機構>
次に、図14A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。
<Preload mechanism>
Next, a mechanism for applying a preload from the contact portion 1215 to the upper rotor 122 will be described with reference to FIG. 14A.

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。   A preload acts on the upper rotor 122 from the contact portion 1215, and as a reaction, a drag is generated from the contact portion 1215 toward the outer peripheral surface of the upper rotor 122. Therefore, friction is generated between the upper rotor 122 and the contact portion 1215. Therefore, the upper rotor 122 receives a frictional force due to the elliptical motion of the contact portion 1215 and performs a reciprocating rotational motion.

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。   The traction rubber 129 has an annular shape, and one end thereof is hooked on the traction portion 1224. The other end of the traction rubber 129 is hooked on a traction rubber pin 113 fixed to the main body reinforcing pole 112. Accordingly, tension is generated in the pulling rubber 129 and the pulling portion 1224 is pulled toward the main body reinforcing pole 112, so that the vibration plate 1211 is around the axis of the support shaft 127 that supports the vibration plate 1211 including the pulling portion 1224. Rotating motion. This rotational movement is restricted by the contact portion 1215 coming into contact with the upper rotor 122. Therefore, a preload from the contact portion 1215 toward the upper rotor 122 is generated.

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、浮上移動装置100の浮上特性が損なわれないのであれば、図14Aに示す構造に限定されない。   In addition, it is possible to adjust the magnitude | size of the above-mentioned preload by rotating the above-mentioned main body reinforcement pole 112 around the long axis. Further, since the preload mechanism is provided to obtain a frictional force for driving the upper rotor 122, the above-described preload is obtained, and the flying characteristics of the rising and moving apparatus 100 are not impaired. If there is, it is not limited to the structure shown in FIG. 14A.

<回転角検出>
図8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。
<Rotation angle detection>
The upper magnetic encoder 126 shown in FIG. 8 is provided with two detection units for the A phase and the B phase with an interval of 1/4 of the pattern period. With this configuration, the phase of the A phase and the B phase differ depending on the rotation direction of the upper rotor 122, as in the case of a general encoder. If 1/0 is assigned to the function selection of up-count / down-count, the rotation angle θ1 of the upper rotor 122 can be detected. The rotation angle θ1 is calculated in the central processing unit 151.

<補足>
なお、図8〜図14B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、本発明における浮上移動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。
<Supplement>
The ultrasonic motor shown in FIGS. 8 to 14B is an example of a general actuator, and the actuator of the rising and moving apparatus according to the present invention is not limited to the ultrasonic motor having the above-described structure. For example, an electromagnetic motor or an internal combustion engine may be used as the actuator. Further, any device for detecting the rotation angle may be used as long as it does not inhibit flapping flight. For example, instead of the method using the magnetic encoder described above, a method using an optical encoder may be adopted.

(羽駆動メカニズム)
次に、図15〜図18を用いて羽根駆動メカニズムについて説明する。
(Wing drive mechanism)
Next, the blade drive mechanism will be described with reference to FIGS.

羽根駆動メカニズム140は、図15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、羽根部110の根元部が接続されている。さらに、羽根部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、羽根部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。   As shown in FIG. 15, the blade driving mechanism 140 includes an upper plate 141 fixed to the upper rotor 122 and a lower plate 142 fixed to the lower rotor 132. Further, an intermediate plate 144 is connected to the lower plate 142 via a first aramid hinge 143. Furthermore, the root portion of the blade portion 110 is connected to the upper plate 141 via the second aramid hinge 145. Further, the root portion of the blade portion 110 is also connected to the intermediate plate 144 via the third aramid hinge 146. Therefore, a composite hinge is configured in which the upper plate 141, the blade portion 110, the intermediate plate 144, and the lower plate 142 are connected by an aramid film. This composite hinge is driven by the upper rotor 122 and the lower rotor 132.

図16〜図18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16〜図18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。   16 to 18 show the shapes of the upper plate 141, the intermediate plate 144, and the lower plate 142. In addition, the part shown by the hatching of FIGS. 16-18 is bent about 90 degrees with respect to the main surface of each plate for the reinforcement of the part of the vicinity of the edge which is not connected to the hinge and rotor of each plate. . Further, in order to avoid interference between the bent portions, both side ends of the bent portions are cut in a direction of 45 ° with respect to the direction in which the bent portions extend.

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根部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、羽根部110のねじり運動が制御される。   Each aramid hinge has a width of 0.1 mm, and its width is very small compared to the length. Therefore, each aramid hinge functions as a link, that is, a butterfly plate (trunk number) that can move only in one pseudo degree of rotation. The extension lines of the aramid hinges 143, 145, and 146 intersect at one point, which is located on the central axis of the shaft 124 and located between the upper bearing 123 and the lower bearing 133. . With this configuration, the reciprocating motion of the blade portion 110 in the front-rear direction is controlled by controlling the rotation angle of the upper ultrasonic motor 120, and the phase of the rotation angle of the upper ultrasonic motor 120 and the phase of the rotation angle of the lower ultrasonic motor 130 are By controlling the difference, the torsional motion of the blade 110 is controlled.

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。   That is, the actuator includes the upper ultrasonic motor 120 as a back-and-forth reciprocating rotor that reciprocates the front edge portion 1102 as a blade shaft in the front-rear direction (rotation angle α: rotation angle around the Z axis), and movement in the reciprocating motion. And a torsional motion rotor that rotates the front edge portion 1102 around the axis (rotation angle β) in a predetermined period after the reversal of direction.

前述の羽ばたき方を、図19および図20を用いて、より具体的に説明する。図19および図20においては、浮上移動装置100の前後方向に沿ってY軸が延びている。また、浮上移動装置100の上下方向に沿ってZ軸が延びている。さらに、浮上移動装置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、左の羽根部110の位置する側が正であり、右の羽根部110が位置する側が負である。また、図20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。   The above-described flapping method will be described more specifically with reference to FIGS. 19 and 20. 19 and 20, the Y axis extends along the front-rear direction of the rising and moving apparatus 100. Further, the Z-axis extends along the vertical direction of the rising and moving apparatus 100. Further, the X axis extends along the left-right direction of the rising and moving apparatus 100. The X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other. In the Y axis, the rear is positive and the front is negative. In the X axis, the upper side is positive and the lower side is negative. Further, in the Z-axis, the side where the left blade portion 110 is located is positive, and the side where the right blade portion 110 is located is negative. Also, as shown in FIG. 20, the rotation angle of the upper ultrasonic motor 120 is θ1, the rotation angle of the lower ultrasonic motor 130 is θ2, and the flapping stroke angle that is the rotation angle of the reciprocating motion in the front-rear direction is α It is assumed that the twist angle that is the rotation angle around the axis of the front edge portion 1102 is β.

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に対する羽根部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。   Further, the distances from the intersections of the extension lines of the aramid hinges 143, 145, and 146 to the outer ends of the aramid hinges 143, 145, and 146 are R2, R1, and R3, respectively. Shall. Furthermore, the distance between the end point of the aramid hinge 146 and the end point of the aramid hinge 145 is L1, the distance between the end point of the aramid hinge 146 and the end point of the aramid hinge 143 is L2, and the end point of the aramid hinge 143 and the end point of the aramid hinge 145 It is assumed that the distance between them is L3. A combination (α, β) of angles representing the position of the blade portion 110 with respect to the rotor shaft 124 is expressed as follows using the rotation angles θ1 and θ2 of the upper and lower ultrasonic motors.

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。   The flapping stroke angle α is the rotation of the blade axis (front edge portion 1102) around the axis of the rotor shaft 124, and therefore is equal to the rotation angle θ1 of the upper ultrasonic motor 120 as shown in the following equation (1).

α=θ1・・・(1)
また、捻り角(回転角β)は、羽根部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。
α = θ1 (1)
Further, since the twist angle (rotation angle β) is a rotation angle around the axis of the blade axis (front edge portion 1102) of the blade portion 110, it is calculated from the cosine value of β expressed by the following equation (2). .

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。
cos (π−β) = − cos (β) = [L1 × L1 + L3 × L3−L2 × L2] / (2 × L1 × L3) (2)
However, with respect to L3, the following equation (3) holds.

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。
L3 = sqrt (R1 × R1 + R2 × R2-2 × R1 × R2 × cos (θ1-θ2)) (3)
Here, sqrt () is the positive square root of the value in ().

なお、図19および図20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。   As is clear from FIGS. 19 and 20, β is larger than π and smaller than 2π.

π<β<2π・・・(4)
したがって、βが1つの値に決定される。
π <β <2π (4)
Therefore, β is determined to be one value.

上記の式(1)〜(4)から、所望の羽根部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。   From the above equations (1) to (4), the rotation angles θ1 and θ2 for obtaining the desired position (α, β) of the blade portion 110 can be expressed by the following equations (5) and (6). I understand.

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。
θ1 = α (5)
cos (θ1-θ2) = [R1 × R1 + R2 × R2-L3 × L3] / 2 × R1 × R2 (6)
However, with respect to L3, the following equation (7) is established.

L3=L1×cos(β−π)±sqrt(L2×L2−L1×L1×sin2(β−π))・・・(7)
なお、L3の複号(±)が、正であるか、または、負であるかは、実際の羽根部110の挙動を考慮することによって、容易に決定される。
L3 = L1 × cos (β−π) ± sqrt (L2 × L2−L1 × L1 × sin2 (β−π)) (7)
Whether the compound sign (±) of L3 is positive or negative is easily determined by considering the actual behavior of the blade portion 110.

図19および図20に示される本実施の形態の浮上移動装置の状態は、羽根部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。   The state of the rising and moving apparatus of the present embodiment shown in FIGS. 19 and 20 is a state where the main surface of the blade portion 110 is parallel to a plane extending in the vertical direction, that is, a state where the twist angle β = 270 °. It is. At this time, θ1 = 0 °, θ2 = −45 ° R1 = R2 = 15 mm, R3 = 15.81 mm, L1 = 5 mm, L2 = 11.4 mm, and L3 = 11.39 mm.

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。   The rotation angles θ1 and θ2 of the upper and lower rotors 122 and 132 are calculated by the central processing unit 151 based on the information obtained by the magnetic encoder 126 as described above. A method for controlling the rotation angles θ1 and θ2 will be described later.

上記のようにして、羽根部110の羽ばたき運動が実現される。
(トルク補助機構)
次に、図21〜図32を用いて、トルク補助機構について説明する。
As described above, the flapping motion of the blade portion 110 is realized.
(Torque assist mechanism)
Next, the torque assist mechanism will be described with reference to FIGS.

<原理>
図43に示されるように、羽ばたき飛行においては羽根部110の運動方向が反転するため、打ち上げと打ち下ろしとの間に行なわれる羽根部110の切り返しにおいては、アクチュエータに要求されるトルクは高くなる。しかしながら、羽根部110の切り返しの直前まではアクチュエータに要求されるトルクは小さい。そこで、アクチュエータに要求されるトルクが小さな期間に、何らかの方法を用いて、アクチュエータ(上部および下部
超音波モータ120および130)の運動エネルギーを蓄積しておき、アクチュエータに高いトルクが要求される期間に、蓄積されたエネルギーを羽根部110に与えることで、アクチュエータに要求されるトルクの時刻歴を平滑化することができる。
<Principle>
As shown in FIG. 43, in the flapping flight, the direction of movement of the blade portion 110 is reversed, so that the torque required for the actuator is high when the blade portion 110 is turned back and forth between the up and down strokes. . However, the torque required for the actuator is small until immediately before the blade portion 110 is turned back. Therefore, the kinetic energy of the actuators (upper and lower ultrasonic motors 120 and 130) is accumulated using some method during a period when the torque required for the actuator is small, and during a period when a high torque is required for the actuator. By giving the accumulated energy to the blade portion 110, the time history of torque required for the actuator can be smoothed.

次に、図21〜図25を用いて、切り返し時のトルクの時刻歴を平滑化する手法を説明する。本実施の形態においては、その手法として、ある物質を弾性変形させることによってアクチュエータのエネルギーを蓄積し、その弾性変形した物質の復元力によってアクチュエータにエネルギーを与える手法が用いられる。なお、以後においては、弾性変形する物質に蓄積されたエネルギーによってアクチュエータに与えられるトルクを補助トルクと称する。   Next, a method of smoothing the torque time history at the time of switching will be described with reference to FIGS. In this embodiment, as the technique, a technique is used in which energy of the actuator is accumulated by elastically deforming a certain substance, and energy is given to the actuator by the restoring force of the elastically deformed substance. Hereinafter, the torque applied to the actuator by the energy accumulated in the elastically deformable substance is referred to as auxiliary torque.

図21に示されるように、本実施の形態における浮上移動装置100においては、羽根部110の切り返し時にトルクのピークが極端に大きくなる現象は、上部超音波モータ120の駆動トルクT1に顕著に現れる。なお、上部ロータ122の回転角θ1および下部ロータ132の回転角θ2の制御は、図22に示されるものであるとする。また、浮上移動装置100は、羽根軸としての前縁部1102を、前後方向に往復運動させるとともに、その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周りに回転させる羽ばたき運動を行なうものとする。   As shown in FIG. 21, in the rising and moving apparatus 100 according to the present embodiment, the phenomenon that the torque peak becomes extremely large when the blade portion 110 is turned back is notable in the driving torque T <b> 1 of the upper ultrasonic motor 120. . Control of the rotation angle θ1 of the upper rotor 122 and the rotation angle θ2 of the lower rotor 132 is assumed to be as shown in FIG. Further, the rising and moving apparatus 100 reciprocates the front edge portion 1102 as the blade shaft in the front-rear direction, and rotates around the front edge portion 1102 in a predetermined period after the reversal of the movement direction in the reciprocating motion. A flapping movement shall be performed.

上部超音波モータ120の打ち上げ動作と上部超音波モータ120の打ち下ろし動作とは前後対称である。そのため、今後は上部超音波モータ120の打ち上げ動作後の切り返し時のトルクを補助する手順のみ説明する。   The launching operation of the upper ultrasonic motor 120 and the lowering operation of the upper ultrasonic motor 120 are symmetric in the front-rear direction. Therefore, only the procedure for assisting the torque at the time of turning back after the launch operation of the upper ultrasonic motor 120 will be described below.

図23に示されるように、上部ロータ122の外側にバネ301が設けられている。バネ301は、本体101のいずれかの部分に固定されている。バネ301と上部ロータ122とは、上部ロータ122の回転角がθ_contactを超えた時点で接触を開始する。なお、θ_contactの求め方については後述する。   As shown in FIG. 23, a spring 301 is provided outside the upper rotor 122. The spring 301 is fixed to any part of the main body 101. The spring 301 and the upper rotor 122 start contact when the rotation angle of the upper rotor 122 exceeds θ_contact. A method for obtaining θ_contact will be described later.

上部ロータ122がバネ301に接触した時点でバネ301は収縮を始めるので、上部ロータ122にはバネ301が伸張する方向に復元力が作用する。この復元力の大きさはバネ301の収縮した長さに比例するため、図24において破線で示されるようなトルクが生じる。ここでは、前述の図24に破線で示されるトルクがトルク補助機構による補助トルクと称される。なお、トルク補助機構は、本発明のエネルギー蓄積・供与機構に対応する。   When the upper rotor 122 comes into contact with the spring 301, the spring 301 starts to contract, so that a restoring force acts on the upper rotor 122 in the direction in which the spring 301 extends. Since the magnitude of the restoring force is proportional to the contracted length of the spring 301, torque as shown by a broken line in FIG. 24 is generated. Here, the torque indicated by the broken line in FIG. 24 is referred to as auxiliary torque by the torque auxiliary mechanism. The torque assisting mechanism corresponds to the energy storage / donating mechanism of the present invention.

上部ロータ122を駆動するために要求されるトルクT1は、図24に細実線で示される従来のトルクT1に、前述の補助トルクを加算した値となるため、図24に太実線で示されるようになる。   The torque T1 required for driving the upper rotor 122 is a value obtained by adding the above-mentioned auxiliary torque to the conventional torque T1 shown by a thin solid line in FIG. 24, and therefore, as shown by a thick solid line in FIG. become.

以上のように、トルクの小さい切り返し動作の前半の上部ロータ122の変位によって、バネ301に変形エネルギーが蓄えられ、バネ301の復元力によって、蓄えられた変形エネルギーが切り返し動作の後半に上部ロータ122に与えられる。すなわち、本実施の形態のトルク補助機構、すなわち、エネルギー蓄積・供与機構は、羽根軸としての前縁部1102を駆動するために要求されるトルクが小さい場合にエネルギーを蓄積し、前縁部1102に駆動するために要求されるトルクが大きい場合に上部ロータ122に与える。言い換えれば、エネルギー蓄積・供与機構は、前縁部1102の切り返しの前半に上部ロータ122のエネルギーを蓄積し、切り返しの後半にエネルギーを上部ロータ122に与える。それにより、前述のトルクT1のピークが低減され、トルクの時刻歴が平滑化される。   As described above, the deformation energy is stored in the spring 301 by the displacement of the upper rotor 122 in the first half of the turning operation with a small torque, and the stored deformation energy is stored in the second half of the turning operation by the restoring force of the spring 301. Given to. That is, the torque assist mechanism according to the present embodiment, that is, the energy storage and supply mechanism, stores energy when the torque required to drive the leading edge 1102 as the blade shaft is small, and the leading edge 1102 is stored. Is applied to the upper rotor 122 when the torque required to drive the motor is large. In other words, the energy storage and supply mechanism stores the energy of the upper rotor 122 in the first half of the turn-back of the leading edge 1102 and gives the energy to the upper rotor 122 in the second half of the turn-back. Thereby, the peak of the torque T1 is reduced, and the torque time history is smoothed.

<設計手法>
次に、図24および図25を用いて、最大トルクをT_MAXに低減させるためのバネ301のバネ定数および収縮量の設計思想を説明する。なお、回転角θ1およびトルクT1は負の値になり得るが、説明の簡便のため、本項目の説明では、回転角θ1およびトルクT1の符号は、すべて正の値であるものとする。
<Design method>
Next, the design concept of the spring constant and contraction amount of the spring 301 for reducing the maximum torque to T_MAX will be described with reference to FIGS. Although the rotation angle θ1 and the torque T1 can be negative values, in the description of this item, it is assumed that the signs of the rotation angle θ1 and the torque T1 are all positive values.

まず、図25に示されるように、切り返し動作の後半において本来のトルクT1がT_MAXと等しくなる時刻t1を求める。この時刻t1が、補助トルクが必要とされる最終の時刻であるため、この際の回転角θ1が前述の回転角θ_contactとなる。   First, as shown in FIG. 25, a time t1 at which the original torque T1 becomes equal to T_MAX in the second half of the switching operation is obtained. Since this time t1 is the final time when the auxiliary torque is required, the rotation angle θ1 at this time becomes the aforementioned rotation angle θ_contact.

さらに、トルクT1が極大値T1_MAXになる回転角θ1_MAXT1のときに、トルクT1からバネ301による補助トルクを減算した値が、T_MAXより小さくなるように、バネ301のバネ定数を定める必要がある。この際のバネ301の収縮量は、回転角θ1_MAXT1と回転角θ_contactとの差に、バネ301が上部ロータ122に接触する点と上部ロータ122の回転中心位置との間の距離R_contactを乗じた値である。したがって、この時点でバネ301に発生している力F_springは、バネ301のバネ定数をkとして、次の式(8)で表わされる。   Furthermore, it is necessary to determine the spring constant of the spring 301 so that the value obtained by subtracting the auxiliary torque by the spring 301 from the torque T1 becomes smaller than T_MAX when the torque T1 is the rotation angle θ1_MAXT1 at which the maximum value T1_MAX is reached. The amount of contraction of the spring 301 at this time is a value obtained by multiplying the difference between the rotation angle θ1_MAX1 and the rotation angle θ_contact by a distance R_contact between the point where the spring 301 contacts the upper rotor 122 and the rotation center position of the upper rotor 122. It is. Therefore, the force F_spring generated in the spring 301 at this time is expressed by the following equation (8), where k is the spring constant of the spring 301.

F_spring=(θ1_MAXT1−θ_contact)×R_contact×k・・・(8)
この際に与えられる補助トルクT_springは、次の式(9)で表わされる。
F_spring = (θ1_MAXT1-θ_contact) × R_contact × k (8)
The auxiliary torque T_spring provided at this time is expressed by the following equation (9).

T_spring=F_spring/R_contact=(θ1_MAXT1−θ_contact)×k・・・(9)
また、次の式(10)が成立する。
T_spring = F_spring / R_contact = (θ1_MAXT1-θ_contact) × k (9)
Further, the following equation (10) is established.

T_MAX+T_spring>T1_MAX・・・(10)
したがって、次の式(11)が得られる。
T_MAX + T_spring> T1_MAX (10)
Therefore, the following equation (11) is obtained.

k>(T1_MAX−T_MAX)/(θ1_MAXT1−θ_contact)・・・(11)
厳密には、すべての時刻において、式(11)が成立する必要があるが、本実施の形態においては、図24に示すように、トルクT1の最大値である場合において、式(11)が成立すれば、アクチュエータに要求されるトルクを大きく低下させることができる。
k> (T1_MAX−T_MAX) / (θ1_MAXT1-θ_contact) (11)
Strictly speaking, equation (11) needs to hold at all times, but in the present embodiment, as shown in FIG. 24, when the torque T1 is the maximum value, equation (11) is If established, the torque required for the actuator can be greatly reduced.

本実施の形態においては、R_contact=4mmであり、k=160、θ_contact=30.5°であれば、トルクT1のピークが17gf・cmから10gf・cmへ低下する。   In the present embodiment, if R_contact = 4 mm, k = 160, and θ_contact = 30.5 °, the peak of torque T1 decreases from 17 gf · cm to 10 gf · cm.

<構成例>
図26は、トルク補助機構の第二の例を示す図である。このトルク補助機構は、図23のバネ301が板バネ311によって置き換えられている。
<Configuration example>
FIG. 26 is a diagram illustrating a second example of the torque assist mechanism. In this torque assist mechanism, the spring 301 in FIG. 23 is replaced by a leaf spring 311.

図27は、トルク補助機構の第三の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、本体101に固定された支柱321に、上部ロータ122に固定されたゴムブロック322が衝突することによって、上部ロータ122のエネルギーがゴムブロック322に蓄積され、ゴムブロック322の復元力によってエネルギーが上部ロータ122に与えられる。   FIG. 27 is a diagram illustrating a third example of the torque assist mechanism. According to this torque assist mechanism, when the rubber block 322 fixed to the upper rotor 122 collides with the support column 321 fixed to the main body 101, the energy of the upper rotor 122 is accumulated in the rubber block 322, and the rubber block 322. The energy is given to the upper rotor 122 by the restoring force of.

図28は、トルク補助機構の第四の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、中空のロータ334に内装され、支点331に固定されたコイルバネ332および333
のそれぞれが、中空のロータ334の内壁に衝突し、上部ロータ122のエネルギーが蓄積され、コイルバネ332および333のそれぞれの復元力によって上部ロータ122にエネルギーが与えられる。なお、支点331は、本体101に固定されている。
FIG. 28 is a diagram illustrating a fourth example of the torque assist mechanism. According to this torque assist mechanism, the coil springs 332 and 333 that are housed in the hollow rotor 334 and are fixed to the fulcrum 331.
Each collide with the inner wall of the hollow rotor 334, energy of the upper rotor 122 is accumulated, and energy is given to the upper rotor 122 by the restoring force of the coil springs 332 and 333, respectively. Note that the fulcrum 331 is fixed to the main body 101.

図29は、トルク補助機構の第五の例を示す図である。このトルク補助機構は、図28に示すコイルバネ332が板バネ341に置き換えられたものである。なお、板バネ341は本体101に固定されている。   FIG. 29 is a diagram illustrating a fifth example of the torque assist mechanism. This torque assist mechanism is obtained by replacing the coil spring 332 shown in FIG. 28 with a leaf spring 341. The leaf spring 341 is fixed to the main body 101.

図30は、トルク補助機構の第六の例を示す図である。図30に示すトルク補助機構は、コイルバネ332および333および板バネ341の代わりに、ゴム紐351が用いられている。ゴム紐351は、その一端が支持点352に固定され、その他端が上部ロータ122に固定されている。また、ゴム紐351は、上部ロータ120の回転角θ1=0°の場合には、弛んでいる。これによれば、ゴム紐351は、上部ロータ122が回転往復運動を開始すると、回転角θ_contactの位置から伸張してエネルギーを蓄積する。また、伸張したゴム紐351が縮むときのゴム紐351の復元力によって、上部ロータ122にエネルギーが与えられる。なお、支持点352は、本体に固定されている。   FIG. 30 is a diagram illustrating a sixth example of the torque assist mechanism. The torque assist mechanism shown in FIG. 30 uses a rubber cord 351 instead of the coil springs 332 and 333 and the leaf spring 341. The rubber cord 351 has one end fixed to the support point 352 and the other end fixed to the upper rotor 122. Further, the rubber cord 351 is loose when the rotation angle θ1 = 0 ° of the upper rotor 120. According to this, when the upper rotor 122 starts rotational reciprocating motion, the rubber cord 351 expands from the position of the rotational angle θ_contact and accumulates energy. In addition, energy is given to the upper rotor 122 by the restoring force of the rubber cord 351 when the stretched rubber cord 351 contracts. The support point 352 is fixed to the main body.

図31は、トルク補助機構の第七の例を示す図である。上部ロータ122ではなく、ベアリング123に前述のトルク補助機構と同様の機構が設けられており、それによって、トルク補助機構の軽量化が図られている。このトルク補助機構によれば、ベアリング123に設けられたドグ361に板バネ362が衝突し、板バネ362が弾性変形してエネルギーを蓄積する。板バネ362の復元力によってドグ361を介して上部ロータ122にエネルギーが与えられる。なお、板バネ362は本体101に固定されている。   FIG. 31 is a diagram illustrating a seventh example of the torque assist mechanism. A mechanism similar to the above-described torque assist mechanism is provided not on the upper rotor 122 but on the bearing 123, whereby the weight of the torque assist mechanism is reduced. According to this torque assist mechanism, the leaf spring 362 collides with the dog 361 provided on the bearing 123, and the leaf spring 362 is elastically deformed to accumulate energy. Energy is given to the upper rotor 122 via the dog 361 by the restoring force of the leaf spring 362. The leaf spring 362 is fixed to the main body 101.

図32はトルク補助機構の第八の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、ベアリング123に設けられた板バネ371が、ロータシャフト124に固定されたドグ372に衝突し、板バネ371が弾性変形してエネルギーを蓄積する。また、板バネ371の復元力によって上部ロータ122にエネルギーが与えられる。なお、板バネ371は本体101に固定されている。   FIG. 32 is a diagram showing an eighth example of the torque assist mechanism. According to this torque assist mechanism, the leaf spring 371 provided on the bearing 123 collides with the dog 372 fixed to the rotor shaft 124, and the leaf spring 371 is elastically deformed to accumulate energy. Further, energy is given to the upper rotor 122 by the restoring force of the leaf spring 371. The leaf spring 371 is fixed to the main body 101.

<材料および手法の選択>
弾性変形してエネルギーを蓄える部材としては、金属などの弾性体またはゴムなどの超弾性体が適している。特に、ゴム紐は、比重が小さくかつ軽量化され易いものであるため、エネルギーを蓄える部材として望ましい。
<Selection of materials and methods>
As a member that elastically deforms and stores energy, an elastic body such as metal or a superelastic body such as rubber is suitable. In particular, the rubber string is desirable as a member for storing energy because it has a small specific gravity and is easily reduced in weight.

また、弾性変形以外の態様でエネルギーを蓄えるトルク補助機構が用いられてもよい。たとえば、気体の体積変化と圧力との関係を利用して、シリンダ内に封入された気体の収縮および伸張によって、エネルギーの蓄積および放出を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。さらに、シリンダに封入された気体が相変化を利用して、エネルギーの蓄積および供与を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。   Further, a torque assist mechanism that stores energy in a mode other than elastic deformation may be used. For example, a torque assist mechanism that accumulates and releases energy by contraction and expansion of the gas sealed in the cylinder using the relationship between the volume change of the gas and the pressure may be used. Further, a torque assist mechanism may be used in which the gas sealed in the cylinder uses phase change to accumulate and supply energy.

また、超音波モータ120の替わりに、電磁モータが用いられ、誘導電力が電源190等に蓄えられるトルク補助機構が用いられてもよい。   Further, instead of the ultrasonic motor 120, an electromagnetic motor may be used, and a torque assist mechanism in which inductive power is stored in the power source 190 or the like may be used.

<補足>
本項目においては、打ち上げ動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法が説明されているが、打ち下ろし動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法も、前述の手法と同様である。また、上部超音波モータ120のトルク補助機構の説明のみがなされたが、下部超音波モータ130のトルク補助機構にも、上部超音波モータ120のトルク補助機構と同様の構成を適用することが可能である。
<Supplement>
In this item, a method for smoothing the time history of torque at the time of switching after the launch operation is described, but the method for smoothing the time history of torque at the time of switching after the down stroke is also described above. This is the same as the above method. Although only the torque assist mechanism of the upper ultrasonic motor 120 has been described, the same configuration as the torque assist mechanism of the upper ultrasonic motor 120 can be applied to the torque assist mechanism of the lower ultrasonic motor 130. It is.

特に、本実施の形態においては、後述する先行切り返しの時に、下部ロータ132の振幅が大きくなる。この先行切り返しの時には、下部超音波モータ130に供給されるトルクが大きくなる。そのため、先行切り返しの羽ばたき方のときに下部ロータ132に前述の手法を適用することが望ましい。また、前述の手法を適用するためには、先行切り返し時に下部ロータ132が大きな振幅で往復運動することを阻害しないように、トルク補助機構としての弾性体の位置を考慮する必要がある。   In particular, in the present embodiment, the amplitude of the lower rotor 132 is increased at the time of advance turnover described later. At the time of this advance switching, the torque supplied to the lower ultrasonic motor 130 increases. For this reason, it is desirable to apply the above-described method to the lower rotor 132 in the case of the flapping of the leading turn. Further, in order to apply the above-described method, it is necessary to consider the position of the elastic body as the torque assist mechanism so as not to hinder the lower rotor 132 from reciprocating with a large amplitude at the time of preceding turning.

(羽ばたき方の変更による浮上移動装置の動作制御)
<動作の基本>
本実施の形態における浮上移動装置100は、羽根部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1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根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。
(Operation control of the rising and moving device by changing the flapping method)
<Basic operation>
The rising and moving apparatus 100 according to the present embodiment automatically takes the posture shown in FIG. 1 because the mass below the acting point of the flying force generated by the flapping motion of the blade portion 110 is large. That is, it is not necessary to control the rotation around the X axis and the rotation around the Y axis. On the other hand, the translational acceleration along each of the X-axis, Y-axis, and Z-axis, and the rotational acceleration around the Z-axis (hereinafter, also referred to as “angular acceleration”) are changed depending on how to flutter. Note that the force generated by the flapping motion changes with the motion of the blade portion, but here, the force of one cycle average of the flapping motion is the force generated by the flapping motion.

(コントロールパラメータ)
本実施の形態における浮上移動装置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、浮上移動装置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、浮上移動装置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。
(Control parameter)
In the rising and moving apparatus 100 according to the present embodiment, in order for the torque assist mechanism to function properly, the amplitude of the rotation angle θ1 of the upper ultrasonic motor 120, that is, the stroke angle α needs to be fixed. Therefore, in order to control the operation of the rising and moving apparatus 100, the rotation angle θ2 of the lower ultrasonic motor 130 is changed. That is, the rising and moving apparatus 100 changes the flow of the fluid by changing the twist angle β, thereby changing the posture.

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根部110の捻り運動のタイミングを変化させる。   Specifically, the timing of the twisting motion of the blade portion 110 is changed at each end of the flapping motion stroke.

(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33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根部110を捻る(捻り先行切り返し)と、浮上力は増加し、一方、図34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根部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。
(Change in levitation force in the vertical direction)
As disclosed by Dickinson et al. In the above-mentioned Non-Patent Document 2, as shown in FIG. 33, (1) the blade portion 110 is ahead of the intermediate timing of the flapping motion switching operation, that is, in the first half of the switching operation. As shown in FIG. 34, as shown in FIG. 34, the levitation force increases. On the other hand, as shown in FIG. 34, (2) the blade 110 is twisted after the intermediate timing of the flapping motion, that is, the latter half of the flapping. (Turn delayed turning back), the phenomenon that the levitation force decreases.

(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33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34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、浮上移動装置は、上下方向のみにおける移動を行なうことができる。
(Cancellation of propulsive force in the front-rear direction when the lifting force in the vertical direction changes)
Further, according to the above-described operation (1) shown in FIG. 33, the inventors increase the drag along the wing traveling direction before the turning-back operation, and the operation (2) shown in FIG. Found that the drag would decrease. The fore-and-aft drag generated at the time of launch and the fore-and-aft drag generated at the time of launch are opposite to each other. Therefore, if the launching operation and the descending operation are mirror-symmetric with respect to a plane perpendicular to the front-rear direction, the drag force caused by these operations is canceled and the propulsive force becomes zero. For this reason, the rising and moving apparatus can move only in the vertical direction.

(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33に示す前述の(1)の動作と図34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35A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35A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。
(Change in propulsive force in the longitudinal direction)
On the other hand, if the operation (1) shown in FIG. 33 differs from the operation (2) shown in FIG. 34 in the turn-up at the time of launch and the turn-down at the time of the downstroke, before and after the two operations. Differences occur between directional drags, and propulsion is generated either forward or backward. More specifically, as shown in FIG. 35A, in the second half of the downhill, the forward acceleration is obtained by delayed turn-back, and in the second half of the launch, the forward acceleration is obtained by the preceding turn-back. . On the other hand, similarly, as shown in FIG. 35A, in the latter half of the down stroke, the backward acceleration is obtained by the preceding turn-back, and in the latter half of the launch, the backward acceleration is obtained by the delayed turn-back.

(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。
(Cancellation of changes in levitation force when the propulsive force in the front-rear direction changes)
It is possible to cancel the change in acceleration upward and the change in acceleration downward, regardless of whether the forward acceleration or backward acceleration is performed. It is. For this reason, it is possible to obtain only the acceleration in the horizontal direction.

(空間の3次元移動)
以上の説明のように、左および右の羽根部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根部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、羽根部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、左の羽根部110に生じる加速度と右の羽根部110に生じる加速度とを異ならせることによって、浮上移動装置100の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、浮上移動装置100が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
(3D space movement)
As described above, even if the stroke angle α of each of the left and right blade portions 110, that is, the amplitude of θ1, is fixed, only the time history of θ2 is changed, and the timing of turning back of the blade portion 110 in launching By making the timing of turning back at the down stroke different, acceleration in the vertical direction and the front-back direction can be generated in the blade portion 110. Further, by making the acceleration generated in the left blade 110 different from the acceleration generated in the right blade 110, the levitation moving device 100 is tilted to the left or right, and the levitation moving device 100 is moved in the left direction or It becomes possible to turn to the right.

<<制御の詳細>>
以下、図33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34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22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。
<< Control details >>
Hereinafter, the flapping method described in the above (1) shown in FIG. 33 is referred to as twisting leading back turning (hereinafter simply referred to as “preceding turning back”), and the flapping way described in (2) shown in FIG. It is referred to as twist-delay cutback (hereinafter simply referred to as “delay cutback”), and the flapping method during hovering illustrated in FIG. 22 is referred to as center cutback.

また、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、羽根部の動作も、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根部110の動作についてのみの説明がなされるものとする。   Moreover, the hovering, the translational motion in the Z-axis direction, and the translational motion in the Y-axis direction are respectively symmetrical. Therefore, the operation of the blade is also symmetrical. For this reason, only the operation of the left blade portion 110 among the left and right symmetrical operations will be described.

<ホバリング>
図22には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図22においては、回転角θ1およびθ2の時刻歴が、羽根部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。
<Hovering>
FIG. 22 shows how to flapping during hovering. In FIG. 22, the time history of the rotation angles θ <b> 1 and θ <b> 2 is shown together with the time history of the cross section of the blade part 110. The levitation force at this time is balanced with its own weight, and the propulsive force in the front-rear direction is zero.

<Z軸方向の並進制御>
図33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34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33および図34においては、回転角θ1およびθ2の時刻歴が、羽根部110の断面の時刻歴とともに示されている。なお、左右の羽根部110は、YZ平面を対称面とする鏡面対称の動作を行なう。
<Translation control in the Z-axis direction>
FIG. 33 shows the upward movement along the Z axis, that is, how to flapping for ascent. FIG. 34 shows a downward movement along the Z-axis, that is, a way of flapping for lowering. 33 and 34, the time history of the rotation angles θ1 and θ2 is shown together with the time history of the cross section of the blade portion 110. Note that the left and right blade portions 110 perform mirror-symmetric operations with the YZ plane as the symmetry plane.

図33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34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35Aに示されるとおりゼロである。   The operation shown in FIG. 33 is the preceding return operation described in (1) above, and the operation shown in FIG. 34 is the delayed return operation described in (2) above. The acceleration in the front-rear direction during these operations is zero as shown in FIG. 35A.

<Y軸方向の並進制御>
図35Bおよび図36Aには、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図35Cおよび図36B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、左右の羽根部110は、YZ平面を対称面として、鏡面対称の動作を行なう。
<Translation control in the Y-axis direction>
FIGS. 35B and 36A show a way of flapping for moving forward, and FIGS. 35C and 36B show a way of flapping for moving backward. Note that the left and right blade portions 110 perform mirror-symmetric operations with the YZ plane as a symmetry plane.

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。   When moving forward, the preceding turning operation described in the above (1) is performed in the turning back in the period including the launch end, and in the turning back in the period including the down end (2) The delayed switching operation described in (1) is performed.

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。   In the backward movement, the delayed switching operation described in (2) is performed in the switching in the period including the end of the launch, and in the switching in the period including the trailing end, the ( The preceding switching operation described in 1) is performed.

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、浮上移動装置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。   As described above, the levitation force decreases at the time of delayed turnover, and the levitation force increases at the time of advance turnover. Therefore, in the translational motion in the Y-axis direction, the operations described in the above (1) and (2) It is possible to cancel out the levitation forces generated by. That is, the rising and moving apparatus 100 can move in the front-rear direction while maintaining altitude.

<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、左の羽根部110が後退のための羽ばたき方で動作し、右の羽根部110が前進のための羽ばたき方で動作すればよい。
<Rotation control around the Z axis>
In order to rotate in the positive direction around the Z axis, that is, to turn to the left, the left blade portion 110 operates in a manner of flapping for retreating, and the right blade portion 110 operates in a manner of flapping for advancement. do it.

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、左の羽根部110が前進のための羽ばたき方で動作し、右の羽根部110が後退のための羽ばたき方で動作すればよい。   In order to rotate in the negative direction around the Z-axis, that is, turn rightward, the left blade 110 operates in a manner of flapping for forward movement, and the right blade 110 operates in a manner of flapping for backward movement. do it.

いずれの場合においても、上述のように、左および右の羽根部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、浮上移動装置100のZ軸周りの回転が行なわれる。   In any case, as described above, the levitation forces caused by the left and right blade portions 110 can be canceled out, so that the levitation moving apparatus 100 rotates around the Z axis while maintaining the altitude. It is.

<X軸方向の並進制御>
左方への移動を行なうためには、右の羽根部110が上昇のための動作をし、左の羽根部110が下降のための動作をすればよい。これにより、浮上移動装置1は、左の羽根部110が右の羽根部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、浮上移動装置100を左方へ移動させる力が生じる。
<Translation control in the X-axis direction>
In order to move leftward, the right wing 110 may move up and the left wing 110 moves down. As a result, the rising and moving apparatus 1 changes the posture so that the left blade portion 110 is positioned below the right blade portion 110, so that the tip of the levitation force vector is vertically upward. Tilt to the right. Thereby, the force which moves the rising and moving apparatus 100 to the left is generated.

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。   At this time, since the levitation force may be lowered, it is desirable to perform both the translation control in the X-axis direction and the control for the upward movement in the Z-axis direction.

<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、浮上移動装置100は空間を自在に移動することができる。
<Control change method>
As described above, the rising and moving apparatus 100 can freely move in the space by properly using the three types of flapping methods having different turning timings, that is, the preceding turning, the delayed turning, and the center turning.

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、羽根部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、羽根部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、羽根部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。   Note that all three types of flapping methods with different turning-back timings are performed within a predetermined period from before to after the end of the reciprocating motion of the blade portion 110 in the front-rear direction. Therefore, within a predetermined period from the front to the back of the flapping motion stroke center, that is, within a predetermined period from the front to the rear of the stroke angle α = 0 °, the values of the rotation angles θ1 and θ2 are the speed and acceleration. Including the same. Therefore, as described above, if the flapping method is changed within a period in which the rotation angles θ1 and θ2 are common, the next flapping method is mechanically performed without interpolating the operation of the vane portion 110. By simply selecting, it is possible to smoothly transition from one flapping method to another flapping method without causing discontinuity in the operation of the blade unit 110.

<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。
<Control selection>
As described above, if the flapping method is changed in the phase of θ1 = 0 °, as an expression method indicating the flapping state, it is classified as down, up, and turning back at each end. Is not appropriate. It is reasonable to divide the flapping method into two, with the second half of the downhill and the first half of the turn-up and the first half of the downhill as the forward flapping motion, and the second half of the launch and the first half of the turn-up and down-down are the rear flapping motion. is there.

すなわち、左および右の羽根部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浮上移動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。   That is, in the forward flapping motion and the backward flapping motion in the left and right wing portions 110, it is possible to control the flapping manner most simply by selecting the center turning, the leading turning, and the delayed turning, respectively. . Table 2 shows options corresponding to the manner of flapping of the rising and moving apparatus based on the above description.

Figure 0003989943
Figure 0003989943

<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、羽根部110の往復運動は、図44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、浮上移動装置100を移動させる手法が用いられてもよい。
<Supplementary items>
In this item, an example of a method for realizing the position control most simply is described. However, the flapping method of the present invention is not limited to the flapping method of this item. For example, in the present embodiment, the angular velocities of the rotation angles θ1 and θ2 are substantially constant except for the turn-back period. That is, as shown in FIG. 44, the reciprocating motion of the blade portion 110 includes the up and down motion with a constant angular velocity, and the continuous reversing motion with changing angular velocity, that is, the reciprocating motion direction. It consists of a movement to reverse. The angular velocity of the turn-back motion changes so as to be continuous with the angular velocity of the launch motion and the angular velocity of the down-motion. As this reversing motion, for example, a one-variable trigonometric function or the like can be cited. However, a method of moving the rising and moving apparatus 100 by changing the reaction received from the surrounding fluid by changing the angular velocities of the rotation angles θ1 and θ2 may be used.

また、本項目においては、説明の簡便のため、3種類の羽根部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。   In addition, in this item, for simplicity of explanation, a method is used in which all the flapping methods are expressed by a combination of the three types of turn-back patterns of the blades 110. It is an example of expression, and the flapping method of the present invention is not limited to the flapping method expressed by the above-described method.

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。   For example, a flapping expression method in which there are many patterns of the rotation angles θ1 and θ2 may be used. That is, a flapping method having a plurality of types of flapping timings for leading and delaying flapping, or a flapping method for expressing flapping that can continuously and freely change the flapping timing may be used. On the contrary, the center cut-back may use a flapping expression method that alternately repeats the preceding cut-back and the delayed cut-back. With such a flapping expression method, it is not necessary to store data for the center cut-back pattern in the memory, so that the number of patterns of the rotation angles θ1 and θ2 can be reduced.

また、図22および図33〜図36Bに示される回転角θの時刻歴は、図19および図20に表わされる構成を有する浮上移動装置100の回転角θの一例である。実際には、羽根部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、前述の羽根部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22および図33〜図36Bに示される回転角θの時刻歴に限定されない。   The time history of the rotation angle θ shown in FIGS. 22 and 33 to 36B is an example of the rotation angle θ of the rising and moving apparatus 100 having the configuration shown in FIGS. 19 and 20. Actually, depending on the mechanism for driving the blade part 110, if various parameters for controlling the mechanism are set so as to realize the preceding turning and the delayed turning of the blade part 110, the rotation angle θ Is not limited to the time history of the rotation angle θ shown in FIGS. 22 and 33 to 36B.

(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、浮上移動装置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37A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。たとえば、GPS(Global Positioning System)によって1m程度の誤差で位置検出を行なうことができる。また、近年、UWB(Ultra Wide Band)のような、通信に用いる電波を利用して距離計測を行なう技術も開発されている。
(Position detection sensor)
The position detection sensor 160 is fixed to the main body 101. Therefore, the position and posture measured by the position detection sensor 160 are the position and posture of the rising and moving apparatus 100 itself. As shown in FIG. 37A, the position detection sensor 160 provides the measured position and orientation data to the central processing unit 151 described later. The sensor for realizing such a function changes with the progress of technology and does not relate to the essence of the present invention, and may be any sensor. As an example of a sensor for detecting the above-described posture, a sensor that can detect a change in posture of about 0.5 ° by a combination of magnetism and acceleration is commercially available. For example, position detection can be performed with an error of about 1 m by GPS (Global Positioning System). In recent years, a technique for measuring distances using radio waves used for communication, such as UWB (Ultra Wide Band), has been developed.

(制御回路)
制御回路150は、図37Aおよび図37B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。
(Control circuit)
37A and 37B, the control circuit 150 includes a central processing unit 151 (Central Processing Unit), a driver 152 that drives the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 according to instructions from the central processing unit 151, and a driver A booster circuit 153 for supplying a high voltage to 152 is provided.

<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、浮上移動装置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。
<Operation of control circuit>
A motion command is given to the control circuit 150 from the controller 200 operated by the operator 210 via the communication device 170. The operation command is stored in a temporary storage device (hereinafter referred to as “RAM (Random Access Memory)”) 155. The central processing unit 151 obtains flapping data from a fixed storage device (hereinafter referred to as “ROM (Read Only Memory)”) 154 based on the motion command stored in the RAM 155. After that, the central processing unit 151 gives the flapping data to the driver 152. Thereby, the rising and moving apparatus 100 performs either the above-described translational movement in the front / rear, left / right, up / down direction, or rotation about the vertical axis.

<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。
<Central processing unit>
The central processing unit 151 outputs a PWM (Pulse Width Modulation) signal and a rotation direction control signal to the driver 152 using the above-described motion command and information in the ROM 154 and RAM 155. Thereby, the ultrasonic motor 120 and 130 operate according to the motion command given by the operator 210 via the controller 200. As a result, a flapping method corresponding to the driving command is realized. Note that the period of the reciprocating motion of the flapping is determined using the repetition timer 156.

<反復タイマ>
中央演算装置151は、図37Aおよび図37B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、羽根部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、羽根部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、浮上移動装置100は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば浮上移動装置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。
<Repetition timer>
The central processing unit 151 includes a repetition timer 156 as shown in FIGS. 37A and 37B. The repetition timer 156 outputs a value of −0.5 to 0.5 as a flapping motion phase ψ to the central processing unit 151 at a repetition period of 50 Hz. However, the phase ψ of the flapping motion is counted up from −0.5, and when the value becomes 0.5, the value of the phase ψ is again counted up from −0.5. Corresponding to one cycle of the repetitive timer 156, the front flapping motion in which the blade portion 110 is positioned forward of the central position of the reciprocating motion, and the backward flapping motion in which the blade portion 110 is positioned rearward of the central position of the reciprocating motion. Each of the exercises is performed. That is, one cycle of the repetition timer 156 corresponds to twice the cycle of the flapping motion. In this embodiment, if the phase ψ is positive, the rising and moving apparatus 100 performs a backward flapping motion, and if the phase ψ is negative, the rising and moving apparatus 100 performs a forward flapping motion. In recent years, many microcontrollers used for device control include a function called auto reload timer, which is almost the same as the repeat timer described in this section. The function of the repeat timer in this section can be realized.

<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38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。
<Flapping data stored in ROM>
The ROM 154 stores flapping data. The flapping data is time history data of the duty ratio of the PWM control signal transmitted to the driver 152. The ultrasonic motors 120 and 130 are applied with a driving voltage having a frequency of 250 KHz and a duty ratio fixed at 50%. On the other hand, as shown in FIG. 38, the duty ratio of the PWM control signal transmitted to the driver 152 is the ON period with respect to the sum of the ON period and the OFF period of the 250 kHz drive voltage with the duty ratio fixed at 50%. It is a ratio.

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。   That is, the flapping data corresponding to the three modes of the preceding switching, the delayed switching, and the center switching described above is stored in the ROM 154 as the duty ratio of the PWM control signal transmitted to the driver 152 corresponding to the flapping motion phase ψ. Stored in advance. Note that the duty ratio of the PWM control signal transmitted to the driver 152 is indicated by Duty1 (ψ, MODE) and Duty2 (ψ, MODE). However, as shown in Table 2, when −0.5 ≦ ψ <0.5, MODE = 1 is a leading loopback, MODE = 0 is a central loopback, and MODE = −1 is a delayed loopback. To do.

図39〜図41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、羽根部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。   39 to 41 show the values of Duty 1 and Duty 2 in the center switching, the leading switching, and the delayed switching when the backward switching operation is performed, respectively. However, if Duty 1 and Duty 2 are negative values, it means that the blade portion 110 is moving from the rear to the front with respect to the center position of the reciprocating motion. In the present embodiment, each Duty function is expressed as Duty1 (−ψ) = − 1 × Duty1 (0.5 + ψ) because the flapping operation is symmetric with respect to a plane perpendicular to the front-rear direction. obtain.

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。   That is, only by code conversion, each Duty value in a region where ψ is negative is calculated using a function of each Duty in a region where ψ is positive. For this reason, the above Duty functions are stored in the ROM 154 only in the area where ψ is positive. According to this, the data amount of each Duty function stored in the ROM 154 can be reduced by half. Therefore, in the present embodiment, only the region where ψ is positive is shown in each Duty function.

なお、右の羽根部110と左の羽根部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、右の羽根部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。   In addition, since the right wing part 110 and the left wing part 110 are mirror-symmetric with respect to the Z axis, the left-handed coordinates obtained by inverting the positive and negative in the X-axis direction of the above-described coordinate system are adopted. If so, Duty 1 and Duty 2 similar to those described above can also be used in the control of the right blade portion 110.

また、上部ロータ122を駆動するための電圧のDuty1のグラフは、図39〜図41のいずれにおいても同一のグラフになっているが、下部ロータ132を駆動するための電圧のDuty2のグラフは、図39〜図41において異なったグラフになっていることが分かる。また、図22、図33、および図34から分かるように、上部ロータ122の回転角θ1のグラフは、羽ばたき方(中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し)が変更されても同一であるが、下部ロータ132の回転角θ2のグラフは、羽ばたき方(中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し)に応じて異なっている。これによれば、上部ロータ122の振幅は常に一定値に固定されているが、下部ロータ132の振幅は羽ばたき方(中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し)に応じて異なっていることが分かる。   Further, the graph of the duty 1 of the voltage for driving the upper rotor 122 is the same graph in any of FIGS. 39 to 41, but the graph of the duty 2 of the voltage for driving the lower rotor 132 is It can be seen that the graphs are different in FIGS. Further, as can be seen from FIGS. 22, 33, and 34, the graph of the rotation angle θ1 of the upper rotor 122 is the same even when the flapping method (center turning, leading turning, and delayed turning) is changed. The graph of the rotation angle θ <b> 2 of the lower rotor 132 differs depending on how to flapping (center turning, preceding turning, and delayed turning). According to this, it can be seen that the amplitude of the upper rotor 122 is always fixed at a constant value, but the amplitude of the lower rotor 132 varies depending on how the wings flutter (center turning, preceding turning, and delayed turning).

<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。
<Operation of central processing unit>
The central processing unit 151 determines whether the current flapping motion is a forward flapping motion or a backward flapping motion based on the sign of the phase ψ. After that, the central processing unit 151 determines the flapping state based on the data shown in Table 2 stored in the ROM 154, and according to the motion command stored in the RAM 155 obtained by the communication device 170. The value of MODE is determined.

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。   Further, the central processing unit 151 obtains the values of Duty 1 and Duty 2 stored in the ROM 154 based on the value of the phase ψ described above. The absolute value of this value is the duty ratio of the PWM control signal transmitted to the driver 152. The sign of this value is the rotation direction of each of the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 transmitted to the driver 152. The former is expressed by a command ABS (Duty), for example, and the latter is expressed by a command SIGN (Duty), for example. These commands are built into the microcontroller. Calculations using these commands are easily executed in a general microcontroller.

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。   Based on the above-described duty ratio, the central processing unit 151 outputs an ON / OFF signal for PWM control corresponding to the flapping method to the driver 152 and a rotation direction control signal corresponding to the positive or negative of the phase ψ. Output to the driver 152.

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。   In this embodiment, since the resonance frequency of diaphragm 1211 is 250 kHz, for example, if PWM control with a resonance frequency of 2.5 kHz is executed, it is possible to control the ultrasonic motor in 100 steps. is there.

<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。
<Driver operation>
The driver 152 rotates / stops and rotates / inverts the ultrasonic motor 120 in accordance with ON / OFF of the PWM control signal and the rotation direction control signal given from the central processing unit 151.

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。   Since the ultrasonic motor 120 has a self-position holding function, the rotation and stop operations are realized by turning on / off power supply, which will be described later, according to PWM ON / OFF.

また、図9および図13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。   Further, as shown in FIGS. 9 and 13, in the ultrasonic transducer 121, by changing the difference between the phase of the potential φA applied to the back electrode 1217 and the phase of the potential φB applied to the front electrode 1216, A change between positive and negative rotation of the upper rotor 122 can be made.

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、ハーフブリッジ回路を用いて実現される。これは、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術を用いて集積化され得るものであり、後述されるように、羽ばたき飛行という用途に十分に適したものになり得るほど小型化および軽量化され得るものであり、市販されているものである。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。   The driver 152 receives a PWM signal from the central processing unit 151, controls a circuit that creates data of potentials φA and φB, and high voltage power supplied from the booster circuit 153, and controls the surface electrode 1216 of the ultrasonic transducer 121. And a circuit for applying potentials φA and φB to the back electrode 1217. The former can be easily realized by using a general timer circuit or a CPU (Central Processing Unit), and the latter is realized by using, for example, a half bridge circuit. This can be integrated using CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology and, as will be described later, can be made smaller and lighter enough to be suitable for flapping flight applications. And are commercially available. According to our experiments, these circuits can be contained in a small package of 3 mm × 3 mm × 0.85 mm, and the weight of the package is about 25 mg.

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。
Generally, the former program is expressed as follows.
: Label
if (PWM = ON) then
if (rotation direction = forward direction) then
φA = 1
φB = 1
φA = 0
φB = 0
end if
if (rotation direction = reverse direction) then
φB = 1
φA = 1
φB = 0
φA = 0
end if
end if
goto label
However, these are examples for simply expressing the operation of the former circuit. In the actual program, timing adjustment is performed so that each of φA and φB becomes a rectangular wave of 250 kHz. Need to be inserted.

<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±15Vの電圧に変更して、±15V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。
<Boost circuit>
The step-up circuit 153 changes the voltage (3 V) of the power source 190 to a voltage of ± 15 V necessary for driving the ultrasonic motor, and applies a voltage of ± 15 V to the driver 152. As the booster circuit 153, a general DC (Direct Current) -DC converter is used. As an example, a small package of 3 mm × 3 mm × 0.85 mm is commercially available. The mass of the booster circuit 153 is about 25 mg.

<ブロック図>
前述の制御の体系のブロック図が図37A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37Aには左の羽根部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37Bは、後述する図42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。
<Block diagram>
A block diagram of the aforementioned control scheme is shown in FIG. 37A. Since the driving methods of the four ultrasonic motors are the same, FIG. 37A shows only the control system of the upper ultrasonic motor 120 that drives the left blade 110, and the other control systems are omitted. . FIG. 37B is a functional block diagram for explaining the flow of data processing in the flowchart of FIG. 42 described later.

<制御フローチャート>
次に、図42を用いて、浮上移動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、浮上移動装置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。
<Control flow chart>
Next, an example of a flowchart for controlling the rising and moving apparatus will be described with reference to FIG. In addition, this flowchart is an example and can be changed by the application of the rising and moving apparatus 100.

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。   In the following flowchart, the repetition timer 156 operates constantly using the above-described auto reload timer, and in step S1, it is assumed that the process is started from a state where ψ = 0. At this time, it is assumed that α = 0 °.

ステップS1<浮上移動装置動作決定>
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。
Step S1 <Determination of floating movement device operation>
The motion command of the operator 210 transmitted from the controller 200 is stored in the RAM 155 via the communication device 170.

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、浮上移動装置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、浮上移動装置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、浮上移動装置100が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
Step S2 <Flapping status detection>
The central processing unit 151 recognizes the flapping state at the current time of the rising and moving apparatus 100 based on the data of the value of the phase ψ transmitted from the repetition timer 156. Specifically, if the value of the phase ψ is positive, the central processing unit 151 determines that the rising and moving apparatus 100 is performing the flapping motion, and if the phase ψ is negative, the rising and moving apparatus 100 is Judge that he is flapping forward.

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。
Step S3 <determining flapping mode>
The central processing unit 151 selects the row component of Table 2 according to the motion command, and selects the column component of Table 2 according to the flapping state. Thereby, the central processing unit 151 selects any one of the flapping modes, that is, the value of MODE, from among the center switching, the leading switching, and the delayed switching. Data of the selected flapping mode is stored in the RAM 155.

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。
Step S4 <Duty ratio determination>
The central processing unit 151 determines the duty of the PWM control signal transmitted to the driver 152 from the Duty1 (ψ, MODE) and Duty2 (ψ, MODE) data stored in the ROM 154 based on the flapping mode data. Select the ratio.

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。
Step S5 <Driver Drive>
The central processing unit 151 outputs a rotation direction control signal to the driver 152 according to whether the duty ratio of the PWM control signal is positive or negative, and outputs a PWM signal having the duty ratio to the driver 152. That is, when ABS (A) is an absolute value of A and SIGN (A) is a sign of A, the rotation direction control signal is SIGN (Duty) and the duty ratio is ABS (Duty). Here, Duty means Duty 1 (ψ, MODE) and Duty 2 (ψ, MODE) corresponding to the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130.

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。
Step S6 <Ultrasonic motor drive>
The driver 152 applies a rectangular wave voltage having an amplitude of 30V and a frequency of 250 kHz to the front electrode 1216 and the back electrode 1217 in accordance with the rotation direction control signal. These two rectangular waves have a phase difference of ± 90 °. Specifically, the driver 152 applies a rectangular wave potential φB to the surface electrode 1216 of the ultrasonic transducer 121, and applies a rectangular wave potential φA to the back electrode 1217 of the ultrasonic transducer 121. The phase of the rectangular wave potential φA and the phase of the rectangular wave potential φB are shifted by ± 90 °.

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。
Step S7 <Next Flapping Mode Selection>
In the case of ψ = 0 or ψ = −0.5, this means that the flapping state has been changed, so the processing of step S1 is executed again, and the flapping mode is updated including the change of the motion command. The When ψ = 0 or other than ψ = −0.5, the flapping mode is not updated, the process of step S4 is executed, and a new phase ψ is set.

<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。
<Supplement>
In addition, the form of the said instruction | command is an example for description to the last, and is not limited to this. For example, a method in which a smooth speed command without a quantization error can be obtained by giving the speed command as an analog signal as a voltage value may be used. In addition, the voltage required for driving the ultrasonic motor can be changed as technology advances. For example, if an ultrasonic motor that can be driven at 3 V or less, which is the drive voltage of the current main TTL (Transistor Transistor Logic) -IC (Integration Circuit) or CPU (Central Processing Unit), is realized, the booster circuit 153 is unnecessary. It becomes.

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、浮上移動装置100の制御手法は、前述の手法に限定されない。   Further, in the present embodiment, for the sake of simplicity of explanation, the method of uniquely selecting the flapping method is described without performing feedback control, but simply by the command of the controller 200. However, the control method of the rising and moving apparatus 100 is described. Is not limited to the method described above.

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。   For example, feedback control may be used in which the central processing unit 151 obtains position and orientation information from the position detection sensor 160 and newly creates a motion command based on the information.

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。   Further, in this embodiment, for the sake of simplicity of explanation, the explanation is made under the assumption that the rotational speeds of the ultrasonic motors 120 and 130 are uniquely determined according to the duty ratio. In some cases, this assumption may not hold. In this case, the duty ratio may be adjusted with reference to the values of the rotation angles θ1 and θ2 of the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 obtained from the signal of the upper magnetic encoder 126.

なお、前述の浮上移動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、浮上移動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浮上移動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。   Note that, in the above-described control of the rising and moving apparatus, ideally, it is desirable that the computation time required for controlling the flapping motion for obtaining high mobility is short. The rising and moving apparatus is preferably lightweight. For this reason, it is desirable that the algorithm for controlling the flapping motion is as simple as possible. Considering these, the requirements for a flapping flying device with high mobility are singleness, continuity, selectivity, independence, and simplicity.

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浮上移動装置の例として、ロータが胴体に固定されているヘリコプターが挙げられる。   Singleness means that the fluid force generation mechanism can independently change the direction of the fluid force regardless of the posture of the body on which the fluid force generation mechanism is installed. An example of a rising and moving apparatus lacking in isolation is a helicopter in which a rotor is fixed to a fuselage.

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。   Continuity means that the flapping motion is changed continuously without causing a large acceleration in the trunk.

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浮上移動装置の例として、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根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。   Selectivity means that the flapping movement is changed independently regardless of the past flapping movement history. An example of a rising and moving apparatus lacking selectivity is the MFI (Micromechanical Flying Insect) by Ron Fearing et al. Since the blade part is driven by resonance, the flapping method can only be gradually changed over a plurality of periods.

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。   Independence means that the fluid force generated by the fluid force generation mechanism is not affected by the history of flapping motion changes. Specific scenes lacking independence include the phenomenon of being affected by airflow generated by previous flapping movements.

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。   Simplicity means that the algorithm for realizing the flapping motion change is as simple as possible.

(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浮上移動装置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根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。
(Examination of high mobility requirements)
<< Singleness >>
As shown in Table 2, the control of the flapping rising and moving apparatus 100 in the present embodiment is all performed by selecting the timing of the twisting operation of the wings at both ends of the flapping motion. This is not constrained by the posture of the trunk, so that individuality is ensured.

より具体的には、図35A、図35B、および図35C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、羽根部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周期における羽根部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、浮上移動装置は、本体部(胴体)101の姿勢を変化させることなく、羽根部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。   More specifically, when one of the preceding flapping and the delayed flapping shown in FIGS. 35A, 35B, and 35C is selected, the horizontal component of the acceleration of the blade portion 110 is independently controlled. The horizontal component of the acceleration of the blade portion 110 in one cycle of the flapping motion can be directed either forward or backward. Therefore, the rising and moving apparatus can change the direction of the fluid force by changing only the operation of the blade part 110 without changing the posture of the main body part (body) 101.

<<連続性>>
前述の羽根部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根部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、羽根部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根部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。
<< continuity >>
The above-described twisting, that is, turning-back operation of the blade portion 110 is different only in a specific period including the start point or end point of the reciprocating motion of the blade portion 110 in the flapping motion, and in any flapping manner, the center position of the reciprocating motion of the flapping motion is different. In the predetermined period including, the movement of the blade part 110 is the same. That is, the plurality of types of flapping motions perform a common operation at a timing including the center position of the reciprocating motion. For this reason, even if the flapping method is changed during the flapping motion, if the flapping method is changed at the same timing, the blade portion in the change from one flapping method to another flapping method The behavior of 110 is continuous. In other words, the flapping method is smoothly changed.

より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置は、制御回路150のROM154が、羽根部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、羽根部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、羽根部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35Bおよび図35C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、羽根部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根部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根部110にさせる制御へ切り換える。   More specifically, in the rising and moving apparatus of the present embodiment, the ROM 154 of the control circuit 150 has a plurality of types of data (see Table 2) for causing the blade section 110 to flutter, and the plurality of types of data To control the actuators (upper and lower rotors 120 and 130). Each of the plurality of types of data can specify the operation of one cycle of the reciprocating motion of the blade unit 110, and the plurality of types of data perform a flapping motion common to the blade unit 110 in a predetermined period of one cycle of the reciprocating motion. It is something to be made. Specifically, the plurality of types of data are three types of data consisting of data for preceding return, data for center return, and data for delayed return, as shown in FIGS. 35B and 35C and Table 2. This is data for making the flapping shown (stopping, ascending, descending, advancing, retreating, moving right, moving left, turning right, and turning left). The control circuit 150 causes the blade unit 110 to perform a flapping motion specified by one of the plurality of types of data in the actuator (rotor 120, 130) in a predetermined period including the center position of the reciprocating motion of the blade unit 110. The control is switched from control to control for causing the blade portion 110 to perform the flapping motion specified by the other data among the plurality of types of data.

上記の構成によれば、羽根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。   According to said structure, the aspect of flapping motion can be changed, without a discontinuous change arising in the motion of a blade | wing part. Therefore, “continuity” of flapping motion is realized.

また、羽根部は、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、羽根部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。   In addition, the flapping portion draws a trajectory different from the flapping motion specified by other data performed in each of two specific periods of one cycle of the reciprocating motion in the flapping motion specified by one data. It is desirable. According to this, the blade | wing part 110 changes sequentially into four types of states at maximum during 1 period of a reciprocating motion. Therefore, the variation of flapping movement becomes abundant.

<<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。
<< Independence >>
Further, the two specific periods may be shifted from each other by a half cycle. According to this, one specific period and another specific period are repeated with the largest shift in time. Therefore, the influence of the airflow generated due to the flapping motion in one specific period has the smallest effect on the airflow generated due to the flapping motion in the other specific period. Therefore, “independence” in changing the flapping movement is ensured.

また、2つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽根部110の往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽根部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、羽根部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根部110の位置と他の特定期間における羽根部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。   In addition, it is desirable that one and the other of the two specific periods include a timing positioned at one end of the reciprocating motion of the blade portion 110 and a timing positioned at the other end of the reciprocating motion of the blade portion 110, respectively. That is, it is desirable that the turn-back of the blade portion 110 is performed in a period including the end of the reciprocating motion in the front-rear direction. According to this, the position of the blade part 110 in one specific period is farthest from the position of the blade part 110 in another specific period. Therefore, the influence of the airflow generated due to the flapping motion in one specific period has the smallest effect on the airflow generated due to the flapping motion in the other specific period. Therefore, “independence” in changing the flapping movement is ensured.

すなわち、本実施の形態の浮上移動装置においては、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根部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。   That is, in the rising and moving apparatus of the present embodiment, a plurality of types of flapping motions in which the motion of the blade portion 110 is different only during a specific period including both ends of the flapping motion. Therefore, the influence of the behavior of the fluid generated by the previous flapping motion on the current flapping motion is reduced as much as possible. Thereby, independence is realized.

<<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浮上移動装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、浮上移動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。
<< Simpleness >>
One direction component of the fluid force generated by the flapping motion in one of the two specific periods and one direction component of the fluid force generated by the flapping motion in the other of the two specific periods are Offset. According to this, the mode of change in the posture of the rising and moving apparatus due to the change of the flapping motion is simplified. As a result, control for bringing the rising and moving apparatus into a desired posture is facilitated. Therefore, “simpleness” in changing the flapping movement is ensured.

より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置においては、表2に示されるように、浮上移動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、本実施の形態の浮上移動装置においては単純性が実現されている。   More specifically, in the rising and moving apparatus of the present embodiment, as shown in Table 2, the rising and moving modes of the rising and moving apparatus (stop, rise, descend, advance, retract, move left, move right) , Left turn, right turn) and a flapping method for realizing the mode of rising and moving (combination of preceding turning, center turning, and delayed turning) has a one-to-one correspondence. Therefore, the change of the floating movement mode can be realized by an extremely simple algorithm that only changes the data of the drive duty ratios of the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130 corresponding to the manner of flapping. Therefore, simplicity is realized in the rising and moving apparatus of the present embodiment.

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、羽根部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根部110を移動させるための基本データ(図39、図40、および図41)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根部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根部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、浮上移動装置を小型化かつ軽量化することができる。   Further, the flapping motion specified by the data for hovering among the plurality of data is to cause the wing portion 110 to perform a reciprocating motion in the front-rear direction that is mirror-symmetrical with respect to a plane including the up-down direction and the left-right direction. The control circuit 150 includes basic data (FIGS. 39, 40, and 41) for moving the blade portion 110 from the center position of the reciprocating motion in the front-rear direction to one end of the reciprocating motion in the front-rear direction, and the reciprocating motion in the front-rear direction. An algorithm or a calculation function unit for converting basic data so as to move the blade portion 110 from the center position of the motion to the other end of the reciprocating motion in the front-rear direction, that is, (Duty1 (−ψ) = − 1 × Duty1 (0 .5 + ψ)). According to this, the control circuit 150 can cause the blade unit 110 to perform a desired flapping motion only by having data for only a half period of one cycle of the flapping motion. Therefore, the memory capacity for storing data in the control circuit 150 can be reduced. As a result, the rising and moving apparatus can be reduced in size and weight.

(通信装置)
通信装置170は、外部のコントローラ200から、浮上移動装置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。また、通信装置170は、画像センサ180よって得られた画像情報を、外部のコントローラ200に送信する。
(Communication device)
The communication device 170 receives information on acceleration required for the rising and moving device 100 from the external controller 200, and gives the information to the central processing unit 151 of the control circuit 150. Further, the communication device 170 transmits image information obtained by the image sensor 180 to the external controller 200.

(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。
(Power supply)
The power source 190 as a driving energy source of the present invention may be any power source as long as it has a discharge characteristic capable of supplying necessary power and has a mass that does not hinder flying.

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、羽根部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、浮上移動装置100の姿勢を自律的に安定させている。   The power supply 190 used by the present inventors is a lithium ion battery having a mass of 0.7 g, and according to the calculation by the present inventors, 0.6 W can be supplied for about 50 seconds. The power source 190 is provided in the lower part of the main body 101. Therefore, the power source 190 is positioned below the bearing 123, which is the point of action of the fluid reaction force received by the blade portion 110, and autonomously stabilizes the posture of the rising and moving apparatus 100.

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、羽根部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。   Other power sources include fuel cells, capacitors such as electric double layer capacitors, solar cells, and wired supply. Moreover, these power supplies may be used together. For example, in addition to the lithium ion battery, a solar battery may be provided on the surface of the blade portion 110, and these electric powers may be used together.

(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。
(Main unit)
The main body 101 includes a bottom plate 102, an upper plate 103, a frame portion 104 that connects the bottom plate 102 and the upper plate 103, and legs 105 provided on the bottom plate 102.

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。
The bottom plate 102 and the top plate 103 are made of CFRP having a thickness of 0.2 mm, and the frame portion 104 is made of stainless steel having a thickness of 35 μm. The leg 105 is a CFRP hollow pipe having a wall thickness of 40 μm, a length of 10 mm, and a diameter of 0.5 mm.

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。   The top plate 103 and the bottom plate 102 are also connected by a rotor shaft 124, a support shaft 127, and a main body reinforcing pole 112.

(画像センサ)
画像センサ180は、CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon)イメージャからなり、その質量は200mgである。画像センサ180によって取得された画像情報は、通信装置170によって外部のコントローラ200に送信される。
(Image sensor)
The image sensor 180 is a CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon) imager, and its mass is 200 mg. Image information acquired by the image sensor 180 is transmitted to the external controller 200 by the communication device 170.

(浮上の可否)
<質量>
本発明者らの計算によれば、羽根部1枚が生み出す浮上力は1.2gfである。よって、羽根部2枚が生み出す浮上力は2.4gf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、浮上移動装置100の総質量は2.17gであり、この値は、前述の浮上力2.4gfよりも小さいため、浮上移動装置100は、浮上することができる。
(Probability of ascent)
<Mass>
According to the calculation by the present inventors, the levitation force generated by one blade portion is 1.2 gf. Therefore, the levitation force generated by the two blade portions is 2.4 gf. Table 3 shows the mass of each component. As shown in Table 3, since the total mass of the rising and moving apparatus 100 is 2.17 g, and this value is smaller than the above-described floating force 2.4 gf, the rising and moving apparatus 100 can rise.

Figure 0003989943
Figure 0003989943

<消費電力>
本発明者らの計算によれば、浮上移動装置100の羽根部が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。
<Power consumption>
According to the calculations by the present inventors, the mechanical power required for the wing portion of the rising and moving apparatus 100 to generate a flying force of 1.2 gf is a maximum of 40 mW for both the upper and lower ultrasonic motors 120 and 130. The energy conversion efficiency of each ultrasonic motor is 33%. Therefore, the maximum power required for levitation is about 120 mW per ultrasonic motor, and the sum of those powers is 480 mW. Since the total efficiency of the driver 152 and the booster circuit 153 is about 85%, the power required for driving the four ultrasonic motors is 565 mW at the maximum.

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。画像センサ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。   The power consumption of the central processing unit 151 is 5 mW. The power consumption of the magnetic encoder 126 is 5 mW. The power consumption of the position detection sensor 160 is 5 mW. The power consumption of the image sensor 180 is 15 mW. The power consumption of the communication device 170 is 5 mW.

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、浮上移動装置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、浮上移動装置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。
The sum total of these electric powers is a maximum of 600 mW, and is a value within the range of the power supply 190. Therefore, the rising and moving apparatus 100 can float using only the power supplied from the built-in power source 190. Therefore, the rising and moving apparatus 100 can be a stand-alone robot that can fly and fly independently without receiving power from the outside.

<別実施の形態>
図45〜図47を用いて、本発明の別実施の形態の浮上移動装置を説明する。別実施の形態の浮上移動装置は、以下に説明する事項以外に関しては、上述の実施の形態の浮上移動装置と同様の構成を有している。なお、別実施の形態と上述の実施の形態との比較において、同一の参照符号が付されている部位は、同一の構造および機能を有するため、その説明は繰り返さない。
<Another embodiment>
A rising and moving apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The rising and moving apparatus according to another embodiment has the same configuration as the rising and moving apparatus according to the above-described embodiment except for the matters described below. In addition, in the comparison with another embodiment and the above-mentioned embodiment, since the site | part to which the same referential mark is attached | subjected has the same structure and function, the description is not repeated.

<構成および動作原理>
図45は、本発明の別実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構を示す図である。
<Configuration and operating principle>
FIG. 45 is a diagram showing a torque assist mechanism of the rising and moving apparatus according to another embodiment of the present invention.

上部超音波モータ120は上部超音波モータベースプレート383に固定されており、上部超音波モータベースプレート383は、バネ381を介して、固定点382において本体101に接続されている。また、上部超音波モータベースプレート383の所定の部位は、図45において左側に模式的に示されるロータシャフト124を回転中心軸として円弧状の軌跡上を移動するように、本体101の平面視において円弧状の内壁によって拘束されている。なお、バネ381のバネ定数は、前述の実施の形態と同様のバネ定数である。   The upper ultrasonic motor 120 is fixed to the upper ultrasonic motor base plate 383, and the upper ultrasonic motor base plate 383 is connected to the main body 101 at a fixing point 382 through a spring 381. Further, the predetermined portion of the upper ultrasonic motor base plate 383 is a circle in a plan view of the main body 101 so as to move on an arc-shaped locus with the rotor shaft 124 schematically shown on the left side in FIG. It is constrained by an arc-shaped inner wall. The spring constant of the spring 381 is the same as that of the above-described embodiment.

バネ381に蓄えられるエネルギーは、浮上移動装置が羽ばたく空間内の流体から受ける抗力に応じて変化する。そのため、羽ばたきのための往復運動の両端のそれぞれの切り返しの前半でエネルギーがバネ381に蓄えられる。また、羽ばたきのための往復運動の両端のそれぞれの切り返しの後半においては、羽の運動方向が逆になるため、バネ381に蓄えられたエネルギーがアクチュエータ122に供与される。   The energy stored in the spring 381 changes according to the drag received from the fluid in the space where the rising and moving apparatus flutters. Therefore, energy is stored in the spring 381 in the first half of each turn-back of the reciprocating motion for flapping. In addition, in the latter half of each turn-back of both ends of the reciprocating motion for flapping, the moving direction of the wing is reversed, so that the energy stored in the spring 381 is supplied to the actuator 122.

このような構成によれば、羽ばたきのためのストローク角αの振幅の大小によらず、常に羽ばたき運動の両端でエネルギーの蓄積および供与が実現される。そのため、特別な工夫を行なうことなく、上下超音波モータの回転運動がバネ381によって補助される。   According to such a configuration, energy accumulation and supply are always realized at both ends of the flapping motion regardless of the amplitude of the stroke angle α for flapping. Therefore, the rotary motion of the upper and lower ultrasonic motors is assisted by the spring 381 without performing any special device.

なお、図45は、説明の簡便のため、エネルギー蓄積・供与機構を模式的に描いた図であり、上部超音波モータベースプレート383およびバネ381等の形状は、エネルギー蓄積・供与機構の機能を果たすことができるのであれば、いかなるものであってもよい。また、上部超音波モータベースプレート383の所定の部位は、上部ロータ122と上部超音波振動子121との接触角を一定に維持するために、上述のような円弧状の軌跡を描くものとした。しかしながら、上部超音波モータベースプレート383の所定の部位は、上部ロータ122と上部超音波振動子121との接触角の変化の値が許容範囲内の値であるのであれば、いかなる軌跡を描くように移動してもよい。たとえば、図46に示されるように、上部超音波モータベースプレート383の所定の部位は、直線状の軌跡を描くように移動してもよい。これによれば、本体101の内壁の構造がシンプルになる。   FIG. 45 is a diagram schematically illustrating the energy storage / donating mechanism for the sake of simplicity of explanation, and the shapes of the upper ultrasonic motor base plate 383, the spring 381, and the like function as the energy storage / donating mechanism. Anything can be used as long as it is possible. In addition, the predetermined part of the upper ultrasonic motor base plate 383 has an arcuate locus as described above in order to maintain a constant contact angle between the upper rotor 122 and the upper ultrasonic vibrator 121. However, the predetermined part of the upper ultrasonic motor base plate 383 may draw any trajectory as long as the change value of the contact angle between the upper rotor 122 and the upper ultrasonic vibrator 121 is within the allowable range. You may move. For example, as shown in FIG. 46, the predetermined portion of the upper ultrasonic motor base plate 383 may move so as to draw a linear locus. According to this, the structure of the inner wall of the main body 101 is simplified.

また、図47に示されるように、ロータシャフト124の中心点付近に固定端385を有する板バネ384を用いることによっても、上部超音波モータベースプレート383の所定の位置が円弧状の軌跡を描くように、上部超音波モータベースプレート383の移動を拘束しながら、アクチュエータのエネルギー蓄積およびアクチュエータへのエネルギーの供与を実現することができる。これによれば、極めてシンプルな構造で、上部超音波モータベースプレート383の移動の拘束およびエネルギーの蓄積および供与の双方の機能を果たすことができる。なお、描画の簡便のため、図47においては、上部ロータ122およびロータシャフト124等は描かれていないが、それらは、図45および図46に示される上部ロータ122およびロータシャフト124と同一の位置に設けられている。   In addition, as shown in FIG. 47, by using a leaf spring 384 having a fixed end 385 in the vicinity of the center point of the rotor shaft 124, the predetermined position of the upper ultrasonic motor base plate 383 draws an arc-shaped locus. In addition, the energy storage of the actuator and the energy supply to the actuator can be realized while restraining the movement of the upper ultrasonic motor base plate 383. According to this, it is possible to perform both functions of restraining movement of the upper ultrasonic motor base plate 383 and storing and supplying energy with a very simple structure. For convenience of drawing, the upper rotor 122 and the rotor shaft 124 are not shown in FIG. 47, but they are located at the same positions as the upper rotor 122 and the rotor shaft 124 shown in FIGS. Is provided.

(さらに別の実施の形態)
前述の図9〜図14Bに示した超音波アクチュエータ(超音波モータ)は、次の超音波振動子によって置き換えられてもよい。以下に示す本実施の形態の超音波振動子に付された名称および符号と前述の実施の形態の超音波アクチュエータ(超音波モータ)に付された名称および符号とが異なっている。しかしながら、本実施の形態の超音波振動子は、前述の実施の形態の超音波アクチュエータ(超音波モータ)と同一の機能を果たすような態様で、適宜名称および符号が変換されて、前述の実施の形態の浮上移動装置に組み込まれるものとする。
(Still another embodiment)
The ultrasonic actuator (ultrasonic motor) shown in FIGS. 9 to 14B may be replaced by the following ultrasonic transducer. The names and symbols given to the ultrasonic transducers of the present embodiment shown below are different from the names and symbols given to the ultrasonic actuators (ultrasonic motors) of the above-described embodiments. However, the ultrasonic transducer according to the present embodiment has the same function as the ultrasonic actuator (ultrasonic motor) according to the above-described embodiment, and the name and the code are appropriately converted so that the above-described implementation is performed. It shall be incorporated in the rising and moving apparatus of the form.

なお、本実施の形態にける超音波振動子は、前述の超音波振動子は、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致するように設計される。   Note that the ultrasonic transducer in the present embodiment is designed so that the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration substantially coincide with each other.

「伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致する」とは、個々の製品のために要求される駆動力を得ることができる程度に、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが近似していれば、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが完全に同一の値である必要はないという意味である。   “The resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially the same” means that the resonance frequency of the stretching vibration and the bending vibration are such that the driving force required for each product can be obtained. Means that the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration do not need to be completely the same value.

以下、図48〜図66を用いて、本発明の実施の形態の超音波振動子の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。なお、本明細書においては、振動の節とは、その振動のみが生じているときに、その振幅が実質的にゼロである領域を意味する。たとえば、伸縮振動の節とは、伸縮振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味し、屈曲振動の節とは、屈曲振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味する。振幅が実質的にゼロである状態は、被駆動体の駆動にとって無視できる程度の振幅で超音波振動子が振動している状態を含む。   Hereinafter, with reference to FIG. 48 to FIG. 66, the adjustment method of the ultrasonic transducer according to the embodiment of the present invention and the ultrasonic transducer used therein will be described. In the present specification, the vibration node means a region where the amplitude is substantially zero when only the vibration is generated. For example, a node of stretching vibration means a region where the amplitude of the main plate portion of the diaphragm is substantially zero when only stretching vibration occurs, and a node of bending vibration means only bending vibration. This means a region where the amplitude of the main plate portion of the diaphragm is substantially zero. The state where the amplitude is substantially zero includes a state where the ultrasonic transducer vibrates with an amplitude that is negligible for driving the driven body.

以下、図48〜図60を用いて、本発明の実施の形態1の超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。   Hereinafter, the method for adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention and the ultrasonic transducer used therefor will be described with reference to FIGS. 48 to 60.

本実施の形態の超音波振動子は、複数の振動を組合せからなる動作をする超音波振動子1が組み立てられた後においても、前述の動作のために必要な2種類の振動のうちの1つの振動の特性を他の振動から独立して調整することが可能なものである。   The ultrasonic transducer of the present embodiment is one of two types of vibrations necessary for the above-described operation even after the ultrasonic transducer 1 that operates by combining a plurality of vibrations is assembled. It is possible to adjust the characteristics of one vibration independently of the other vibrations.

<全体構成>
まず、図48を用いて、本発明の実施の形態の超音波モータ1000が説明される。図48は、超音波モータ1000の平面図である。図48に示されるように、超音波モータ1000は、超音波振動子1およびそれによって回転させられるロータ2からなっている。ロータ2は本発明の被駆動体の一例である。したがって、被駆動体は、回転するものに限定されず、他の動作をするものであってもよい。
<Overall configuration>
First, the ultrasonic motor 1000 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 48 is a plan view of the ultrasonic motor 1000. As shown in FIG. 48, the ultrasonic motor 1000 includes the ultrasonic vibrator 1 and the rotor 2 rotated by the ultrasonic vibrator 1. The rotor 2 is an example of a driven body of the present invention. Therefore, the driven body is not limited to the rotating body, and may be another operation.

超音波振動子1は、振動板7を有している。振動板7は、支持用突出部3を有している。貫通孔50が支持用突出部3に設けられている。シャフト5が貫通孔50を貫通している。また、シャフト5は、図49に示されるように、支持体4に固定されている。主板部6の4つの角部のうちの1の角部Sにロータ2の外周面が当接している。ロータ2は、支持体4に回転可能に支持されているが、そのための機構は図示されていない。   The ultrasonic vibrator 1 has a diaphragm 7. The diaphragm 7 has a supporting protrusion 3. A through hole 50 is provided in the supporting protrusion 3. The shaft 5 passes through the through hole 50. The shaft 5 is fixed to the support 4 as shown in FIG. The outer peripheral surface of the rotor 2 is in contact with one corner S of the four corners of the main plate portion 6. Although the rotor 2 is rotatably supported by the support body 4, the mechanism for that is not shown in figure.

また、超音波振動子1には、電極9,10,11,12,17および圧電素子8が設けられている。電極9,10,11,12,および17は、所定の信号が入力され得るように、制御装置(図示せず)に電気的に接続されている。   The ultrasonic vibrator 1 is provided with electrodes 9, 10, 11, 12, 17 and a piezoelectric element 8. The electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 are electrically connected to a control device (not shown) so that a predetermined signal can be inputted.

また、本実施の形態の超音波振動子1は、電極9,10,11,12,17に信号が入力されると、圧電素子8が振動する。圧電素子8の振動は、振動板7の主板部6に伝達される。その結果、主板部6の角部Sが楕円軌道Eを描くように、振動板7が振動する。その結果、角部Sに接触しているロータ2が円軌道Cに沿って移動する。すなわち、ロータ
2がその回転中心軸周りに回転する。
In the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment, when a signal is input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17, the piezoelectric element 8 vibrates. The vibration of the piezoelectric element 8 is transmitted to the main plate portion 6 of the diaphragm 7. As a result, the diaphragm 7 vibrates so that the corner portion S of the main plate portion 6 draws an elliptical orbit E. As a result, the rotor 2 in contact with the corner S moves along the circular path C. That is, the rotor 2 rotates around its rotation center axis.

<超音波振動子>
次に、図49および図50を用いて、超音波振動子1の構造がより詳細に説明される。図49および図50は、それぞれ、超音波振動子1の斜視図および分解斜視図である。
<Ultrasonic transducer>
Next, the structure of the ultrasonic transducer 1 will be described in more detail with reference to FIGS. 49 and 50. 49 and 50 are a perspective view and an exploded perspective view of the ultrasonic transducer 1, respectively.

図49および図50に示されるように、超音波振動子1は振動板7を有している。振動板7は、シャフト5に固定された支持用突出部3と、支持用突出部3と一体的に形成され、振動によってロータ2を回転させる主板部6とを有している。   As shown in FIGS. 49 and 50, the ultrasonic transducer 1 has a diaphragm 7. The diaphragm 7 includes a supporting protrusion 3 fixed to the shaft 5 and a main plate 6 that is formed integrally with the supporting protrusion 3 and rotates the rotor 2 by vibration.

主板部6は、幅2mm、長さ9mm、かつ厚さ0.2mmの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、支持用突出部3は、主板部6の長辺の中央位置から主板部6の短辺方向に沿って延びるように、主板部6の長辺から突出しており、幅1mm、長さ2.15mmかつ厚さ0.2mmの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。   The main plate portion 6 is a flat plate member having a substantially rectangular planar shape having a width of 2 mm, a length of 9 mm, and a thickness of 0.2 mm. Further, the supporting protrusion 3 protrudes from the long side of the main plate 6 so as to extend from the center position of the long side of the main plate 6 along the short side direction of the main plate 6, and has a width of 1 mm and a length of 2 A flat plate-like member having a substantially rectangular planar shape with a thickness of 15 mm and a thickness of 0.2 mm.

支持用突出部3には、直径0.6mmの円形の貫通孔50が設けられている。貫通孔50の直径は、0.6mmであり、シャフト5の直径と同一である。貫通孔50が、主板部6の長辺の中央位置から貫通孔50の中心点までの距離が1.0mmである。圧電素子8は主板部6の表面および裏面のそれぞれに取り付けられている。圧電素子8は、幅2mm、長さ8mm、かつ幅0.2mmの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、圧電素子8の長辺と主板部6の長辺とが一致するように、圧電素子8は主板部6に対して電極17を介して固定されている。   The supporting protrusion 3 is provided with a circular through hole 50 having a diameter of 0.6 mm. The diameter of the through hole 50 is 0.6 mm, which is the same as the diameter of the shaft 5. The distance from the center position of the long side of the main plate portion 6 to the center point of the through hole 50 is 1.0 mm. The piezoelectric element 8 is attached to each of the front and back surfaces of the main plate portion 6. The piezoelectric element 8 is a flat plate member having a rectangular planar shape with a width of 2 mm, a length of 8 mm, and a width of 0.2 mm. Further, the piezoelectric element 8 is fixed to the main plate part 6 via the electrode 17 so that the long side of the piezoelectric element 8 and the long side of the main plate part 6 coincide.

なお、振動板7および圧電素子8のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板7の材料は、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、支持用突出部3と主板部6とは、別個の部材からなっていてもよいが、それらが1つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。   The dimensions and shapes of the diaphragm 7 and the piezoelectric element 8 are not limited to the above dimensions and shapes, and may be other dimensions and shapes. Moreover, the material of the diaphragm 7 is not particularly limited, but is preferably a conductive material such as stainless steel. Moreover, although the support protrusion part 3 and the main plate part 6 may be formed of separate members, it is desirable that they are integrally formed of one member.

圧電素子8は、チタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)かならなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。圧電素子8の一方の主表面上には、電極9,10,11,および12が取り付けられている。電極9,10,11,および12は、互いに同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。電極9,10,11,および12は、圧電素子8の一方の主表面が実質的に同一の4つの長方形の領域に分割されたとすると、4つの長方形の領域のそれぞれに設けられている。また、圧電素子8の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極17が設けられている。電極17は、圧電素子8の他方の主表面と同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。   The piezoelectric element 8 is made of lead zirconate titanate (PZT), but may be made of any material as long as the element vibrates when a voltage is applied. On one main surface of the piezoelectric element 8, electrodes 9, 10, 11, and 12 are attached. The electrodes 9, 10, 11, and 12 are flat members having the same rectangular planar shape. The electrodes 9, 10, 11, and 12 are provided in each of the four rectangular regions if one main surface of the piezoelectric element 8 is divided into substantially the same four rectangular regions. A substantially rectangular electrode 17 is provided on the other main surface of the piezoelectric element 8. The electrode 17 is a flat plate member having the same rectangular planar shape as the other main surface of the piezoelectric element 8.

本実施の形態の超音波振動子1においては、2つの圧電素子8は、それぞれ、主板部6の一方の主表面および他方の主表面上に、電極17を介して設けられている。   In the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment, the two piezoelectric elements 8 are respectively provided on one main surface and the other main surface of the main plate portion 6 via electrodes 17.

2つの電極17は、それぞれ、その長辺方向が主板部6の長辺方向とが一致するように、主板部6の一方および他方の主表面に固定されている。2つの電極17は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部6に接着されている。   The two electrodes 17 are fixed to one main surface and the other main surface of the main plate portion 6 so that the long side direction thereof coincides with the long side direction of the main plate portion 6. The two electrodes 17 are each bonded to the main plate portion 6 with a conductive adhesive such as silver paste.

なお、圧電素子8と主板部6とが導電性接着剤によって接着されるのであれば、電極17が圧電素子8と主板部6との間に設けられていなくてもよい。この場合、導電性接着剤が電極17の役割を果たす。特に、本実施の形態の超音波振動子のように、主板部6がステンレスなどの導電性材料からなる場合には、2つの圧電素子8の電極17には、それぞ
れ、常に0Vの信号が入力されているため、圧電素子8と主板部6とが導電性接着剤によって接合されていれば、電極17が圧電素子8と主板部6との間に設けられていなくても、主板部6が電極17の役割を果たすことができる。
Note that the electrode 17 may not be provided between the piezoelectric element 8 and the main plate portion 6 as long as the piezoelectric element 8 and the main plate portion 6 are bonded by a conductive adhesive. In this case, the conductive adhesive serves as the electrode 17. In particular, when the main plate portion 6 is made of a conductive material such as stainless steel as in the ultrasonic vibrator of the present embodiment, a signal of 0 V is always input to the electrodes 17 of the two piezoelectric elements 8 respectively. Therefore, if the piezoelectric element 8 and the main plate portion 6 are joined by a conductive adhesive, the main plate portion 6 can be formed even if the electrode 17 is not provided between the piezoelectric element 8 and the main plate portion 6. It can serve as the electrode 17.

また、振動板7の一方の主表面に取り付けられている圧電素子8およびそれに取り付けられている電極9,10,11,12,および17と、振動板7の他方の主表面に取り付けられている圧電素子8およびそれに取り付けられている電極9,10,11,12,および17とは、振動板7の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。したがって、振動板7の一方の主表面上の圧電素子8の振動特性と、振動板7の他方の主表面上の圧電素子8の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板7は、その面内方向において振動する。また、振動板7の主板部6は長方形であるため、前述の面内方向において、振動板7の角部Sは楕円振動する。   Further, the piezoelectric element 8 attached to one main surface of the diaphragm 7 and the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 attached to the piezoelectric element 8 and the other main surface of the diaphragm 7 are attached. The piezoelectric element 8 and the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 attached to the piezoelectric element 8 are arranged mirror-symmetrically in the thickness direction of the diaphragm 7. Therefore, the vibration characteristic of the piezoelectric element 8 on one main surface of the diaphragm 7 and the vibration characteristic of the piezoelectric element 8 on the other main surface of the diaphragm 7 are substantially the same. Therefore, the diaphragm 7 of the present embodiment vibrates in the in-plane direction. Further, since the main plate portion 6 of the diaphragm 7 is rectangular, the corner portion S of the diaphragm 7 vibrates elliptically in the above-described in-plane direction.

なお、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板7の一方の主表面に取り付けられている圧電素子8および電極9,10,11,12,および17と、振動板7の他方の主表面に取り付けられている圧電素子8および電極9,10,11,12,および17とは、非対称な構造を有し、または、非対称に配置されていてもよい。   If the object of the present invention can be achieved, the piezoelectric element 8 and the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 attached to one main surface of the diaphragm 7, and the diaphragm 7 The piezoelectric element 8 and the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 attached to the other main surface may have an asymmetric structure or may be asymmetrically arranged.

次に、図51〜図54を用いて、本実施の形態の超音波振動子1の駆動方法が説明される。   Next, a method for driving the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS.

超音波振動子1が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置(図示せず)から電極9,10,11,12,および17へ入力される。なお、振動板7の一方の主表面側に位置付けられた電極9,10,11,12,および17に入力される信号(印加電圧)は、振動板7の他方の主表面側に位置付けられた電極9,10,11,12,および17に入力される信号(印加電圧)に対して、主板部6を介して、鏡面対称に入力される。ただし、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板7の一方の主表面側に位置付けられた電極9,10,11,12,および17に入力される信号(印加電圧)と、振動板7の他方の主表面側に位置付けられた電極9,10,11,12,および17に入力される信号(印加電圧)とは、非対称であってもよい。   When the ultrasonic transducer 1 is driven, a predetermined signal is input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 from a control device (not shown) provided outside. A signal (applied voltage) input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 positioned on one main surface side of the diaphragm 7 is positioned on the other main surface side of the diaphragm 7. The signals (applied voltages) input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 are input mirror-symmetrically via the main plate 6. However, if the object of the present invention can be achieved, a signal (applied voltage) input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 positioned on one main surface side of the diaphragm 7 and The signal (applied voltage) input to the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 positioned on the other main surface side of the diaphragm 7 may be asymmetric.

図50に示されるように、電極9と電極12とは、結線されており、同一の信号(φ1)が入力される、電極10と電極11とは、結線されており、同一の信号(φ2)が入力される。したがって、電極9,10,11,および12に入力される信号は、図51に示されるように、4つのモード(A),(B),(C),および(D)を有している。なお、図51には、振動していない状態の電極9,10,11,および12の全体の外形が破線で描かれ、伸縮振動または屈曲振動している状態の電極9,10,11,および12のそれぞれの形状が実線で描かれている。また、図52に示されるように、電極9および電極11に入力される信号と電極10および電極12に入力される信号とは、その位相において90度のズレを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。   As shown in FIG. 50, the electrode 9 and the electrode 12 are connected, and the same signal (φ1) is input. The electrode 10 and the electrode 11 are connected, and the same signal (φ2 ) Is entered. Therefore, the signals input to the electrodes 9, 10, 11, and 12 have four modes (A), (B), (C), and (D) as shown in FIG. . In FIG. 51, the entire outer shape of the electrodes 9, 10, 11, and 12 in a non-vibrating state is drawn by a broken line, and the electrodes 9, 10, 11, and in a state of stretching vibration or bending vibration are drawn. Each of the 12 shapes is drawn with a solid line. As shown in FIG. 52, the signals input to the electrode 9 and the electrode 11 and the signals input to the electrode 10 and the electrode 12 have a difference of 90 degrees in their phases. Has amplitude and frequency.

上述の超音波振動子1の主板部6は、図53に示される伸縮振動および図7に示される屈曲振動との組合せの振動を行なう。図53に示される伸縮振動によれば、振動板7の主板部6は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において圧縮されたり伸張されたりする。それにより、角部Sは、長辺方向に振動する。一方、図54に示される屈曲振動によれば、振動板7は、一のS字形状からそれに鏡面対称な他のS字形状へ変化する。それにより、振動板7の主板部6の角部は、白抜き矢印で示すように、短辺方向において振動する。   The main plate portion 6 of the ultrasonic transducer 1 described above performs vibration in combination with the stretching vibration shown in FIG. 53 and the bending vibration shown in FIG. According to the expansion and contraction vibration shown in FIG. 53, the main plate portion 6 of the diaphragm 7 is compressed or expanded in the long side direction as indicated by the white arrow. Thereby, the corner | angular part S vibrates in a long side direction. On the other hand, according to the bending vibration shown in FIG. 54, the diaphragm 7 changes from one S-shape to another S-shape that is mirror-symmetrical to it. Thereby, the corner | angular part of the main-plate part 6 of the diaphragm 7 vibrates in a short side direction, as shown by the white arrow.

なお、主板部6が伸縮振動する場合には、図51から分かるように、長辺方向の振幅が短辺方向の振幅に対して極めて大きいため、角部Sは実質的に長辺方向に振動すると言えるが、主板部6が屈曲振動する場合には、長辺方向の振幅と短辺方向の振幅との差があまり大きくないため、角部Sは、実際には、電極形状に応じて斜め方向に振動する。   When the main plate portion 6 vibrates and contracts, as can be seen from FIG. 51, since the amplitude in the long side direction is extremely large relative to the amplitude in the short side direction, the corner portion S substantially vibrates in the long side direction. However, when the main plate portion 6 is bent and vibrated, the difference between the amplitude in the long side direction and the amplitude in the short side direction is not so large, so the corner portion S is actually inclined according to the electrode shape. Vibrate in the direction.

伸縮振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極9,10,11,および12のそれぞれに同一の位相で印加されると、主板部6は、図53に矢印で示される方向において、伸縮振動を行なう。また、屈曲振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧(正)が、電極9および11のそれぞれに同一の位相で印加され、電極9および11とは逆位相の電圧(負)が、電極10および12のそれぞれに印加されると、主板部6は、図54に矢印で示されるように、屈曲振動を行なう。なお、2つの電極17のそれぞれには、常に、基準電位(0V)が与えられている。   When a voltage that changes at the same frequency as the resonance frequency of the stretching vibration is applied to each of the electrodes 9, 10, 11, and 12 in the same phase, the main plate portion 6 moves in the direction indicated by the arrow in FIG. , Perform stretching vibration. In addition, a voltage (positive) that changes at the same frequency as the resonance frequency of the bending vibration is applied to each of the electrodes 9 and 11 in the same phase, and a voltage (negative) having an opposite phase to the electrodes 9 and 11 is applied to the electrodes. When applied to each of 10 and 12, the main plate portion 6 performs bending vibration as indicated by arrows in FIG. A reference potential (0 V) is always applied to each of the two electrodes 17.

なお、図53および図54においては、それぞれ、伸縮振動の節の位置Xおよび屈曲振動の節の位置Yがハッチングによって示されている。振動の節とは、主板部6のうちの実質的に振幅がゼロである位置である。また、電極の形状は、長方形に限定されず、超音波振動子1が伸縮振動および屈曲振動の双方を生じさせることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。   In FIGS. 53 and 54, the position X of the expansion vibration node and the position Y of the bending vibration node are indicated by hatching, respectively. The vibration node is a position in the main plate 6 where the amplitude is substantially zero. The shape of the electrode is not limited to a rectangle, and any shape may be used as long as the ultrasonic transducer 1 can generate both stretching vibration and bending vibration.

また、従来の超音波振動子1によれば、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとが、図55に示されるように、実質的に同一ではない、すなわち、Δφだけずれている場合に、そのズレΔφを低減することが極めて困難であった。それは、伸縮振動の共振周波数aおよび屈曲振動の共振周波数bの調整において、それらの一方を他方から独立して変化させることができなかったためである。   Further, according to the conventional ultrasonic vibrator 1, the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration are not substantially the same as shown in FIG. 55, that is, shifted by Δφ. It is extremely difficult to reduce the deviation Δφ. This is because in adjusting the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration, one of them could not be changed independently of the other.

しかしながら、本実施の形態の超音波振動子1の構造によれば、次のような理由により、ズレΔφを低減することが容易である。上述の超音波振動子1の構造によれば、図53に示されるように、支持用突出部3が伸縮振動の節の位置Xに設けられている。支持用突出部3の構造の物理量、たとえば、形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずか1つを変化させれば、伸縮振動の振動特性を変化させることなく、屈曲振動の特性を変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとを実質的に一致させることが容易である。   However, according to the structure of the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment, it is easy to reduce the deviation Δφ for the following reason. According to the structure of the ultrasonic transducer 1 described above, as shown in FIG. 53, the supporting projection 3 is provided at the position X of the node of the stretching vibration. If at least one of the physical quantities of the structure of the supporting protrusion 3 such as the shape, rigidity, mass, and internal stress is changed, the flexural vibration is not changed without changing the vibration characteristics of the stretching vibration. Characteristics can be changed. Therefore, it is easy to substantially match the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration.

伸縮振動の共振周波数aおよび屈曲振動の共振周波数bのそれぞれと同一の周波数で同一位相の電圧が電極9および11に印加され、電極9および11と同一の周波数であってかつ位相が+90度だけずれた電圧が電極10および12に印加される。それにより、伸縮振動と屈曲振動とが、電極に入力された交流電圧の1周期の4分の1ごとに交互に生じる。その結果、ロータ2に接触している主板部6の角部Sが、図48に参照符号Eで示されるように、楕円振動を行なう。   A voltage having the same frequency as the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration is applied to the electrodes 9 and 11, and the electrodes 9 and 11 have the same frequency and the phase is +90 degrees. A shifted voltage is applied to the electrodes 10 and 12. Thereby, stretching vibration and bending vibration are alternately generated every quarter of one cycle of the AC voltage input to the electrode. As a result, the corner portion S of the main plate portion 6 that is in contact with the rotor 2 performs elliptical vibration as indicated by the reference symbol E in FIG.

また、電極10および12に電極9および11と同一周波数であってかつ位相が−90度だけずれた電圧が印加されると、図48に参照符号Eで示された方向とは逆方向の楕円振動が生じる。また、ある一方向にロータ2が回転している状態で、電極9,11および電極10,12に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が180度だけ変化すれば、超音波振動子1の角部Sに当接しているロータ2の回転方向が反転する。   When a voltage having the same frequency as that of the electrodes 9 and 11 and a phase shifted by −90 degrees is applied to the electrodes 10 and 12, an ellipse in the direction opposite to the direction indicated by the reference symbol E in FIG. Vibration occurs. In addition, if the phase of one of the signals input to the electrodes 9 and 11 and the electrodes 10 and 12 changes by 180 degrees with the rotor 2 rotating in a certain direction, the ultrasonic transducer The rotation direction of the rotor 2 in contact with the corner portion S of 1 is reversed.

なお、超音波振動子1は、図56に示されるように、図54に示された屈曲振動の節の位置Yまたはその近傍の位置であって、かつ、図53に示された伸縮振動の節の位置Yまたはその近傍以外の位置に、振動特性を調整するための調整用突出部20を有していてもよい。ただし、調整用突出部20は、圧電素子8または振動板7の一部として形成されていてもよいとともに、圧電素子8または振動板7に対する他の材料の付加によって形成されてもよい。   As shown in FIG. 56, the ultrasonic transducer 1 is located at or near the position Y of the bending vibration node shown in FIG. 54 and the expansion vibration shown in FIG. You may have the adjustment protrusion 20 for adjusting a vibration characteristic in positions other than the position Y of a node, or its vicinity. However, the adjustment protrusion 20 may be formed as a part of the piezoelectric element 8 or the diaphragm 7 or may be formed by adding another material to the piezoelectric element 8 or the diaphragm 7.

図56に示される構造を有する超音波振動子1によれば、調整用突出部20を研削または加熱したり、調整用突出部20に何らかの部材を付加したりして、屈曲振動の共振周波数bを変化させることなく、伸縮振動の共振周波数aを変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとの位相のズレを容易に低減することができる。   According to the ultrasonic transducer 1 having the structure shown in FIG. 56, the adjustment protrusion 20 is ground or heated, or some member is added to the adjustment protrusion 20, so that the resonance frequency b of bending vibration is obtained. The resonance frequency a of the stretching vibration can be changed without changing the value. Therefore, the phase shift between the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration can be easily reduced.

<超音波振動子の振動特性調整方法>
超音波モータ1000において、最大の駆動効率を得るためには、超音波振動子1が組み立てられて、超音波モータ1000の所定の位置に組み付けられた状態で、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとが実質的に一致していることが必要である。しかしながら、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとが実質的に一致するように設計された超音波振動子1であっても、圧電素子8または振動板7の寸法における誤差、圧電素子8と振動板7の位置合せにおける誤差、および電極の寸法における誤差等の要因のために、図55に示されるように、実際に組み立てられ、超音波モータ1000に組み付けられた超音波振動子1の伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとの間に、ズレΔφが生じることがある。なお、図55において、横軸は周波数f(=1/T)を示し、縦軸は、伸縮振動の長辺方向の振動の振幅および屈曲振動の短辺方向の振動の振幅Fを示す。
<Method for adjusting vibration characteristics of ultrasonic transducer>
In the ultrasonic motor 1000, in order to obtain the maximum driving efficiency, the ultrasonic vibrator 1 is assembled and assembled at a predetermined position of the ultrasonic motor 1000, and the resonance frequency a of the stretching vibration and the bending vibration. It is necessary that the resonance frequency b substantially matches. However, even in the ultrasonic vibrator 1 designed so that the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration substantially coincide with each other, an error in the dimensions of the piezoelectric element 8 or the diaphragm 7, piezoelectricity Due to factors such as errors in alignment between the element 8 and the diaphragm 7 and errors in the dimensions of the electrodes, as shown in FIG. 55, the ultrasonic transducer actually assembled and assembled in the ultrasonic motor 1000 is assembled. There may be a deviation Δφ between the resonance frequency a of the stretching vibration 1 and the resonance frequency b of the bending vibration. In FIG. 55, the horizontal axis indicates the frequency f (= 1 / T), and the vertical axis indicates the amplitude of the vibration in the long side direction of the stretching vibration and the amplitude F of the vibration in the short side direction of the bending vibration.

図57は、本発明者の行なったシミュレーションの結果であって、支持用突出部3の長さL1と超音波振動子1の伸縮振動の共振周波数aおよび屈曲振動の共振周波数bの変化との関係を示している。図57に示されるように、支持用突出部3の長さL1が増加するにつれて、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bは、近似的には直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数aは、ほぼ一定である。   FIG. 57 shows the result of the simulation performed by the present inventor, and shows the change in the length L1 of the supporting protrusion 3 and the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1. Showing the relationship. As shown in FIG. 57, as the length L1 of the supporting protrusion 3 increases, the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic transducer 1 decreases approximately linearly, but the stretching vibration is reduced. The resonance frequency a is substantially constant.

図53および図54にハッチングによって示された部分は、伸縮振動の節の位置Xおよび屈曲振動の節の位置Yに相当する。支持用突出部3は、主板部6に生じる伸縮振動の節の位置Xまたはその近傍の位置に設けられており、かつ、屈曲振動の節の位置Yまたはその近傍からは離れた位置に設けられている。したがって、支持用突出部3の長さL1を変化させると、伸縮振動の共振周波数aは変化しないが、屈曲振動の共振周波数bは変化する。   The portions shown by hatching in FIGS. 53 and 54 correspond to the node position X of the stretching vibration and the node position Y of the bending vibration. The supporting protrusion 3 is provided at a position X of the expansion / contraction vibration node generated in the main plate 6 or a position in the vicinity thereof, and is provided at a position away from the position Y of the bending vibration node or in the vicinity thereof. ing. Therefore, when the length L1 of the supporting protrusion 3 is changed, the resonance frequency a of the stretching vibration does not change, but the resonance frequency b of the bending vibration changes.

超音波振動子1が超音波モータ1000の所定の位置に取り付けられた後に、支持用突出部3を研削することによって、その形状および質量を変化させることができる。それにより、伸縮振動の共振周波数aがほぼ一定である状態で屈曲振動の共振周波数bのみを調整することができる。その結果、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとを実質的に一致させることが容易になる。また、支持用突出部3の形状および質量を変化させる代わりに、焼きなまし等などの加熱処理によって支持用突出部3の剛性等の物性を変化させることによっても、伸縮振動の共振周波数aを一定に維持した状態で、屈曲振動の共振周波数bの調整することが容易である。   After the ultrasonic vibrator 1 is attached to a predetermined position of the ultrasonic motor 1000, the shape and mass thereof can be changed by grinding the supporting protrusion 3. Thereby, only the resonance frequency b of the bending vibration can be adjusted in a state where the resonance frequency a of the stretching vibration is substantially constant. As a result, it becomes easy to substantially match the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration. Further, instead of changing the shape and mass of the support protrusion 3, the resonance frequency a of the stretching vibration can be kept constant by changing the physical properties such as rigidity of the support protrusion 3 by heat treatment such as annealing. In this state, it is easy to adjust the resonance frequency b of the bending vibration.

次に、支持用突出部3の開放端を削ることによって、つまり、支持用突出部3の形状および質量を変化させることによって、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。   Next, a method for adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 by cutting the open end of the support protrusion 3, that is, by changing the shape and mass of the support protrusion 3 will be specifically described. Is done.

組み立てが行なわれ、製品の所定の位置に組み付けられた超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが伸縮振動の共振周波数aよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとを実質的に一致させるために、屈曲振動の共振周波数bを伸縮振動の共振周波数aまで増加させることが必要である。   When the assembly is performed and the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1 assembled at a predetermined position of the product is lower than the resonance frequency a of the stretching vibration, the resonance frequency a of the stretching vibration and the bending vibration In order to substantially match the resonance frequency b, it is necessary to increase the resonance frequency b of the bending vibration to the resonance frequency a of the stretching vibration.

本実施の形態においては、図58に示されるように、支持用突出部3の開放端を削り、支持用突出部3を短くすることによって、屈曲振動の共振周波数bを増加させて伸縮振動
の共振周波数aに一致させる。この方法によれば、超音波振動子1の振動特性を容易に調整することが可能である。また、シャフト5の貫通孔50と主板部6との間において支持用突出部3は研削されていないため、支持用突出部3の強度が維持された状態で、超音波振動子1の振動特性を調整することが可能である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 58, the open end of the support protrusion 3 is scraped and the support protrusion 3 is shortened to increase the resonance frequency b of the bending vibration, thereby causing the stretching vibration. It is made to correspond to the resonance frequency a. According to this method, it is possible to easily adjust the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1. In addition, since the support protrusion 3 is not ground between the through hole 50 of the shaft 5 and the main plate portion 6, the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 are maintained while the strength of the support protrusion 3 is maintained. Can be adjusted.

また、図49に示されるように、支持用突出部3に設けられた貫通孔50の中心位置から同一の距離だけ離れた2つの位置のそれぞれに凹部55を設け、支持用突出部3の形状および質量を変化させてもよい。これによれば、伸縮振動の共振周波数aを変化させることなく、屈曲振動の共振周波数bのみを変化させることができる。   In addition, as shown in FIG. 49, a recess 55 is provided at each of two positions separated by the same distance from the center position of the through hole 50 provided in the support protrusion 3, and the shape of the support protrusion 3 is formed. And the mass may be varied. According to this, only the resonance frequency b of the bending vibration can be changed without changing the resonance frequency a of the stretching vibration.

また、図55に示されたように、2つの凹部55が、貫通孔50の中心位置を介して対向する位置であって、貫通孔50の中心位置から等しい距離の位置に、研削によって形成される。これにより、屈曲振動における慣性モーメントを小さくすることによって、屈曲振動の共振周波数を変化させることが可能になる。なお、研削によって凹部55が大きくなり過ぎた場合には、凹部55に何らかの部材が埋め込まれることによって、振動特性が再び調整されてもよい。   Further, as shown in FIG. 55, the two concave portions 55 are formed by grinding at positions that are opposed to each other through the center position of the through hole 50 and that are at an equal distance from the center position of the through hole 50. The Accordingly, it is possible to change the resonance frequency of the bending vibration by reducing the moment of inertia in the bending vibration. In addition, when the recessed part 55 becomes large too much by grinding, a vibration characteristic may be adjusted again by embedding a certain member in the recessed part 55. FIG.

次に、支持用突出部3を加熱処理して、支持用突出部3の剛性を変化させることによって、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が説明される。加熱装置(図示せず)を用いて支持用突出部3が700度程度まで加熱された後、自然に冷却される。それにより、支持用突出部3の剛性が低減される。支持用突出部3の剛性が低減されると、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが低減される。また、支持用突出部3が、加熱装置によって700度程度まで加熱された後、水中で急激に冷却されると、支持用突出部3の剛性が増加し、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが増加する。加熱装置として、レーザなどの支持用突出部3のみを局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は支持用突出部3の材料の変態温度以上であることが必要である。振動板7の材料としてステンレスが用いられる場合には、加熱温度は700度程度であることが望ましい。   Next, a method of adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 by changing the rigidity of the support protrusion 3 by heating the support protrusion 3 will be described. After the supporting protrusion 3 is heated to about 700 degrees using a heating device (not shown), it is naturally cooled. Thereby, the rigidity of the support protrusion 3 is reduced. When the rigidity of the supporting protrusion 3 is reduced, the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic transducer 1 is reduced. Further, when the supporting protrusion 3 is heated to about 700 degrees by the heating device and then rapidly cooled in water, the rigidity of the supporting protrusion 3 increases, and the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1 is increased. The resonance frequency b increases. As a heating device, it is desirable to use a device that can locally heat only the supporting protrusion 3 such as a laser. Further, the heating temperature needs to be equal to or higher than the transformation temperature of the material of the supporting protrusion 3. When stainless steel is used as the material of the diaphragm 7, the heating temperature is desirably about 700 degrees.

次に、支持用突出部3に重り13を搭載する、すなわち、支持用突出部3に所定の質量を有する材料を付加して、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が説明される。   Next, a method for adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 by mounting the weight 13 on the support protrusion 3, that is, by adding a material having a predetermined mass to the support protrusion 3 will be described. .

図60に示されるように、支持用突出部3にステンレスの重り13が接着されると、支持用突出部3の質量が増加する。支持用突出部3の質量が増加すると、屈曲振動における支持用突出部3の慣性モーメントが増加する。したがって、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bを低減させることができる。ただし、重り13の材質は、ステンレスに限定されず、いかなる材質であってもよい。   As shown in FIG. 60, when the stainless steel weight 13 is bonded to the support protrusion 3, the mass of the support protrusion 3 increases. When the mass of the support protrusion 3 increases, the moment of inertia of the support protrusion 3 in bending vibration increases. Therefore, the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1 can be reduced. However, the material of the weight 13 is not limited to stainless steel and may be any material.

上述の支持用突出部3と同様に、図56に示された調整用突出部20の形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずれかに変化を生じさせることによっても、屈曲振動の共振周波数aを変化させずに、伸縮振動の共振周波数bのみを変化させることが容易になる。   Similar to the above-described supporting protrusion 3, the bending vibration is also affected by causing a change in at least one of the shape, rigidity, mass, and internal stress of the adjusting protrusion 20 shown in FIG. It becomes easy to change only the resonance frequency b of the stretching vibration without changing the resonance frequency a.

(実施の形態の他の例の超音波振動子)
<全体構成>
本実施の形態の超音波振動子においては、実施の形態1の超音波振動子の構成要素と同一の構成要素には実施の形態1の超音波振動子1に付された参照符号と同一の参照番号が付され、特に必要がない限り、その説明は繰り返さない。
(An ultrasonic transducer according to another example of the embodiment)
<Overall configuration>
In the ultrasonic transducer of the present embodiment, the same components as those of the ultrasonic transducer of the first embodiment are the same as the reference numerals assigned to the ultrasonic transducer 1 of the first embodiment. Reference numerals are given and the description will not be repeated unless otherwise required.

本実施の形態においても、超音波振動子1が組み立てられた後においても、超音波振動
子1の振動特性が容易に調整され得る。
Also in the present embodiment, the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 can be easily adjusted even after the ultrasonic transducer 1 is assembled.

図61は、本実施の形態の超音波モータ1000の平面図である。図61に示されるように、本実施の形態の超音波モータ1000は、超音波振動子1とロータ2とからなっている。   FIG. 61 is a plan view of ultrasonic motor 1000 of the present embodiment. As shown in FIG. 61, the ultrasonic motor 1000 of the present embodiment includes an ultrasonic transducer 1 and a rotor 2.

本実施の形態の超音波振動子1は、図48〜図55を用いて説明された実施の形態1の超音波振動子1とほぼ同様であるが、主板部6を介して支持用突出部3に対向するように押付用突出部14が設けられていることが、実施の形態1の超音波振動子1とは異なっている。押付用突出部14には線状のゴム15の一端が接着されている。線状のゴム15の他端は、図示されていない外部に設けられた押付用機構に固定されている。線状のゴム15は、その収縮力によって、押付用機構に対して、押付用突出部14を引っ張る。それによって、超音波振動子1の角部Sがロータ2の外周部を押す力を調整することができるようになっている。つまり、線状のゴム15の収縮力の調整によって、超音波振動子1とロータ2との当接力が調整される。   The ultrasonic transducer 1 according to the present embodiment is substantially the same as the ultrasonic transducer 1 according to the first embodiment described with reference to FIGS. 48 to 55, but a supporting protrusion via the main plate 6. 3 is different from the ultrasonic transducer 1 of the first embodiment in that the pressing protrusion 14 is provided so as to oppose to the ultrasonic transducer 1. One end of a linear rubber 15 is bonded to the pressing protrusion 14. The other end of the linear rubber 15 is fixed to a pressing mechanism provided outside (not shown). The linear rubber 15 pulls the pressing protrusion 14 against the pressing mechanism by the contraction force. Accordingly, the force with which the corner portion S of the ultrasonic transducer 1 presses the outer peripheral portion of the rotor 2 can be adjusted. That is, the contact force between the ultrasonic transducer 1 and the rotor 2 is adjusted by adjusting the contraction force of the linear rubber 15.

本実施の形態の超音波モータ2においても、実施の形態1の超音波モータ1000と同様に、後述する超音波振動子1に設けられた電極9,10,11,12,および17に信号が入力される。それにより、ロータ2の外周面に当接している主板部6の角部Sが、図61に示される楕円軌道Eを描いて移動する。その結果、ロータ2が円軌道Cに沿ってその回転中心軸まわりに回転する。   Also in the ultrasonic motor 2 of the present embodiment, as in the ultrasonic motor 1000 of the first embodiment, signals are sent to electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 provided in the ultrasonic transducer 1 described later. Entered. Thereby, the corner | angular part S of the main board part 6 contact | abutted to the outer peripheral surface of the rotor 2 moves drawing the elliptical orbit E shown in FIG. As a result, the rotor 2 rotates around the rotation center axis along the circular orbit C.

<超音波振動子>
図62には、本実施の形態の超音波振動子1の斜視図が示されている。超音波振動子1の構成要素のうち、主板部6、圧電素子8、電極9,10,11,12,および17のそれぞれの形状、寸法、配置、および構成材料は、実施の形態の超音波振動子1のそれと同一であるため、その説明は繰り返さない。
<Ultrasonic transducer>
FIG. 62 shows a perspective view of the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment. Of the constituent elements of the ultrasonic transducer 1, the shape, dimensions, arrangement, and constituent materials of the main plate portion 6, the piezoelectric element 8, the electrodes 9, 10, 11, 12, and 17 are the ultrasonic waves of the embodiment. Since it is the same as that of the vibrator 1, its description will not be repeated.

ただし、本実施の形態においては、貫通孔50とシャフト5とは固定されていない。そのため、シャフト5が支持用突出部3に設けられた貫通孔50内においてその軸まわりに回転し得る。より具体的には、支持用突出部3は、シャフト5が延びる方向の移動は拘束されているが、シャフト5が延びる方向に沿った回転中心軸まわりに回転することができる。なお、支持用突出部3の上側および下側のそれぞれには、超音波振動子1がシャフト5の軸方向に沿って移動しないように、支持用突出部3のシャフト5の軸方向の移動を拘束する部材(図示せず)が設けられている。なお、押付用突出部14は、幅1mmかつ長さ2.5mmの略長方形状を有している。   However, in the present embodiment, the through hole 50 and the shaft 5 are not fixed. Therefore, the shaft 5 can rotate around its axis in the through hole 50 provided in the supporting protrusion 3. More specifically, the supporting protrusion 3 is restricted from moving in the direction in which the shaft 5 extends, but can rotate around the rotation center axis along the direction in which the shaft 5 extends. In addition, the axial movement of the shaft 5 of the supporting protrusion 3 is prevented from moving along the axial direction of the shaft 5 on each of the upper side and the lower side of the supporting protrusion 3. A restraining member (not shown) is provided. The pressing protrusion 14 has a substantially rectangular shape with a width of 1 mm and a length of 2.5 mm.

また、本実施の形態の超音波振動子1の駆動方法は、実施の形態1の超音波振動子1の駆動方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。   In addition, since the driving method of ultrasonic transducer 1 of the present embodiment is the same as the driving method of ultrasonic transducer 1 of the first embodiment, description thereof will not be repeated.

また、超音波振動子1の構造として、図63に示された構造が採用されてもよい。図63に示される構造においては、図53に示された屈曲振動の節の位置Xの近傍であって、かつ図54に示された伸縮振動の節の位置Yからは離れた位置の少なくとも1の位置に調整用突出部20が設けられている、なお、調整用突出部20は、圧電素子8または主板部6の一部であっても、他の材料が圧電素子8または主板部6に付加されたものであってもよい。   Further, as the structure of the ultrasonic transducer 1, the structure shown in FIG. 63 may be adopted. In the structure shown in FIG. 63, at least one of the positions in the vicinity of the position X of the bending vibration node shown in FIG. 53 and away from the position Y of the stretching vibration node shown in FIG. The adjustment protrusion 20 is provided at a position of the piezoelectric element 8 or the main plate 6 even if the adjustment protrusion 20 is a part of the piezoelectric element 8 or the main plate 6. It may be added.

<超音波振動子の振動特性調整方法>
図64は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果を示しており、超音波振動子1の押付用突出部14の長さL2と超音波振動子1の伸縮振動の共振周波数aおよび屈曲振動の共振周波数bとの関係を示している。図64に示されるように、押付用突出部14の長さL2を増加させるにつれて、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが近似的に直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数aはほぼ一定である。
<Method for adjusting vibration characteristics of ultrasonic transducer>
FIG. 64 shows a simulation result performed by the inventors of the present application. The length L2 of the pressing protrusion 14 of the ultrasonic transducer 1, the resonance frequency a of the stretching vibration of the ultrasonic transducer 1, and the bending vibration are shown. The relationship with the resonance frequency b is shown. As shown in FIG. 64, as the length L2 of the pressing protrusion 14 is increased, the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic transducer 1 decreases approximately linearly. a is almost constant.

押付用突出部14は、主板部6に生じる伸縮振動の節の位置Xまたはその近傍であり、屈曲振動の節の位置Yまたはその近傍から離れた位置に設けられている。したがって、押付用突出部14の長さL2を変化させると、伸縮振動の共振周波数aに変化を生じさせることなく、屈曲振動の共振周波数bに変化を生じさせることができる。   The pressing projection 14 is provided at the position X of the expansion vibration node generated in the main plate 6 or in the vicinity thereof, and at a position away from the position Y of the bending vibration node or the vicinity thereof. Therefore, when the length L2 of the pressing protrusion 14 is changed, the resonance frequency b of the bending vibration can be changed without changing the resonance frequency a of the stretching vibration.

超音波振動子1を超音波モータ1000の所定の位置に取り付けた後に、押付用突出部14の形状および質量を変化させることにより、伸縮振動の共振周波数aがほぼ一定の状態で、屈曲振動の共振周波数bのみを調整して、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとを実質的に一致させることができる。   After the ultrasonic vibrator 1 is attached to a predetermined position of the ultrasonic motor 1000, the shape and mass of the pressing projection 14 are changed, so that the resonance frequency a of the stretching vibration is substantially constant and the bending vibration By adjusting only the resonance frequency b, the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration can be substantially matched.

また、焼きなましなどの手法を用いて剛性などの押付用突出部14の物性を変化させることによっても屈曲振動の共振周波数を調整することが可能である。   It is also possible to adjust the resonance frequency of the bending vibration by changing the physical properties of the pressing protrusion 14 such as rigidity using a technique such as annealing.

次に、押付用突出部14の先端を研削することによって、超音波振動子1の押付用突出部14の形状および質量を変化させて、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。   Next, there is a specific method of adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 by grinding the tip of the pressing projection 14 to change the shape and mass of the pressing projection 14 of the ultrasonic transducer 1. Will be explained.

組み立てされ、所定の位置に設置された超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが伸縮振動の共振周波数aよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数aと屈曲振動の共振周波数bとを略一致させるために、屈曲振動の共振周波数bのみを伸縮振動の共振周波数aと略一致するように増加させる必要がある。図65に示されるように、押付用突出部14の長さL2が押付用突出部14がその先端の研削によって短くなれば、伸縮振動の共振周波数aが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数bが増加する。したがって、屈曲振動の共振周波数bと伸縮振動の共振周波数aとを実質的に一致させることは容易である。   When the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1 assembled and installed at a predetermined position is lower than the resonance frequency a of the stretching vibration, the resonance frequency a of the stretching vibration and the resonance frequency b of the bending vibration Therefore, it is necessary to increase only the resonance frequency b of the bending vibration so as to substantially match the resonance frequency a of the stretching vibration. As shown in FIG. 65, when the length L2 of the pressing protrusion 14 is shortened by grinding the tip of the pressing protrusion 14, the resonance frequency a of the stretching vibration is constant and the resonance frequency of the bending vibration is constant. b increases. Therefore, it is easy to substantially match the resonance frequency b of the bending vibration with the resonance frequency a of the stretching vibration.

次に、押付用突出部14に加熱処理を施して、超音波振動子1の押付用突出部14の剛性を変化させて、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が説明される。   Next, a method of adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic transducer 1 by applying heat treatment to the pressing projection 14 to change the rigidity of the pressing projection 14 of the ultrasonic transducer 1 will be described.

加熱装置を用いて押付用突出部14が700度程度まで加熱される。その後、自然冷却が行なわれる。それにより、押付用突出部14の剛性が低下する。押付用突出部14の剛性が低減されると、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが低下する。   The pressing protrusion 14 is heated to about 700 degrees using a heating device. Thereafter, natural cooling is performed. As a result, the rigidity of the pressing protrusion 14 is reduced. When the rigidity of the pressing projection 14 is reduced, the resonance frequency b of the bending vibration of the ultrasonic vibrator 1 is lowered.

また、押付用突出部14は、加熱装置を用いて700度程度まで加熱された後、水に入れて急激に冷却されると、押付用突出部14の剛性が増加し、超音波振動子1の屈曲振動の共振周波数bが増加する。   Further, when the pressing protrusion 14 is heated to about 700 degrees using a heating device and then rapidly cooled in water, the rigidity of the pressing protrusion 14 increases, and the ultrasonic transducer 1. The resonance frequency b of the bending vibration increases.

加熱装置として、レーザなど、押付用突出部14のみが局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は、押付用突出部14の材料の変態温度以上であることが必要である。そのため、押付用突出部14の材料としてステンレスが用いられる場合には、700度程度の温度で押付用突出部14が加熱されることが望ましい。   As the heating device, it is desirable to use a device such as a laser that can locally heat only the pressing protrusion 14. The heating temperature needs to be equal to or higher than the transformation temperature of the material of the pressing protrusion 14. Therefore, when stainless steel is used as the material of the pressing protrusion 14, it is desirable that the pressing protrusion 14 is heated at a temperature of about 700 degrees.

次に、押付用突出部14に重り13が搭載されると、超音波振動子1の押付用突出部14の質量を変化させて、超音波振動子1の振動特性を調整する方法が説明される。   Next, a method of adjusting the vibration characteristics of the ultrasonic vibrator 1 by changing the mass of the pushing protrusion 14 of the ultrasonic transducer 1 when the weight 13 is mounted on the pressing projection 14 will be described. The

図66に示されるように、押付用突出部14にステンレスの重り13が接着されると、
伸縮振動の共振周波数aが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数bが低下する。なお、重り13の材料は、ステンレスに限定されず、ステンレス以外の他の材料であってもよい。
As shown in FIG. 66, when the stainless weight 13 is bonded to the pressing protrusion 14,
The resonance frequency b of the bending vibration is lowered while the resonance frequency a of the stretching vibration is constant. In addition, the material of the weight 13 is not limited to stainless steel, and may be a material other than stainless steel.

また、支持用突出部3と同様に、図63に示された調整用突出部20の形状、剛性、および質量のうち少なくともいずれか1つの要素を変化させることにより、屈曲振動の共振周波数bを変化させずに、伸縮振動の共振周波数aのみを容易に調整することができる。   Similarly to the support protrusion 3, by changing at least one of the shape, rigidity, and mass of the adjustment protrusion 20 shown in FIG. 63, the resonance frequency b of the bending vibration is changed. Only the resonance frequency a of the stretching vibration can be easily adjusted without changing it.

上記の実施の形態においては、複数種類の振動の節のうちの1の節の位置またはその近傍の位置に設けられた構造物である突出部の物理量として、形状、剛性、および質量のうちの少なくともいずれか1つを変化させることにより、振動特性の調整が行なわれている。しかしながら、振動の節の位置またはその近傍に設けられた構造の形状、剛性、および質量の代わりに、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造の内部応力を変化させることにより、前述と同様の振動特性の調整を行なうことが可能である。内部応力を変化させる方法としては、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造が誘電体を含んでおり、外部からその誘電体へ電界を印加する方法が考えられる。   In the above-described embodiment, the physical quantity of the protruding portion, which is a structure provided at the position of one of the plurality of types of vibration nodes or in the vicinity thereof, of the shape, rigidity, and mass The vibration characteristics are adjusted by changing at least one of them. However, as described above, the internal stress of the structure at or near the position of the vibration node is changed instead of the shape, rigidity, and mass of the structure provided at or near the position of the vibration node. It is possible to adjust the vibration characteristics. As a method of changing the internal stress, a method in which the structure at the position of the vibration node or in the vicinity thereof includes a dielectric and an electric field is applied to the dielectric from the outside.

また、上記各実施の形態においては、振動の節を含むように突出部が設けられているが、振動の節の位置の近傍に突出部が設けられていても、振動の節と突出部との間の距離が所定量より小さければ振動特性を調整することは、従来の方法に比較すれば、容易である。たとえば、屈曲振動の共振周波数bを変化させずに、伸縮振動の共振周波数aを変化させる場合には、平面的に見て点で表現される屈曲振動の振動の節を囲むような周縁状の領域上に突出部が形成されていてもよい。たとえば、屈曲振動の振動の節としての点を囲むパイプ状の突出部が調整用突出部20の代わりに設けられていても、上記と同様に、振動特性を容易に調整することが可能である。   Further, in each of the above embodiments, the protrusion is provided so as to include the vibration node, but even if the protrusion is provided in the vicinity of the position of the vibration node, the vibration node and the protrusion If the distance between them is smaller than a predetermined amount, it is easy to adjust the vibration characteristics as compared with the conventional method. For example, in the case where the resonance frequency a of the stretching vibration is changed without changing the resonance frequency b of the bending vibration, a peripheral shape surrounding the node of the bending vibration expressed by a point when seen in a plan view is used. A protrusion may be formed on the region. For example, even if a pipe-like protruding portion surrounding a point as a vibration node of bending vibration is provided instead of the adjusting protruding portion 20, the vibration characteristics can be easily adjusted in the same manner as described above. .

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

実施の形態の浮上移動装置の全体構成の概略図である。It is the schematic of the whole structure of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の詳細構造の概略図である。It is the schematic of the detailed structure of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の羽根部の概略平面図である。It is a schematic plan view of the blade | wing part of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の羽根部の概略側面図である。It is a schematic side view of the blade | wing part of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第一の層を示す図である。It is a figure which shows the 1st layer of the blade | wing part of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第二の層を示す図である。It is a figure which shows the 2nd layer of the blade | wing part of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第三の層を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 3rd layer of the blade | wing part of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置に用いられるアクチュエータの外観図である。It is an external view of the actuator used for the rising and moving apparatus of the embodiment. 実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの概略図である。It is the schematic of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the 1st vibration mode of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the 2nd vibration mode of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is explanatory drawing showing operation | movement of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is explanatory drawing showing operation | movement of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is the schematic of the preload mechanism of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 上部および下部ロータの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of an upper part and a lower rotor. 実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。It is the schematic of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the 1st component of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the 2nd component of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the 3rd component of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure which shows the definition of the size of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure for demonstrating the drive principle of the wing drive mechanism used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの駆動トルクの時刻歴を示すグラフである。It is a graph which shows the time history of the drive torque of the ultrasonic motor used for the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a figure for demonstrating how to flapping at the time of hovering of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のエネルギー蓄積・放出機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the energy storage and discharge | release mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of the torque auxiliary mechanism of the rising and moving apparatus of an embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の設計方法を表わす補助図である。It is an auxiliary | assistant figure showing the design method of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第二の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 2nd example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第三の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 3rd example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第四の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 4th example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第五の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 5th example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第六の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 6th example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第七の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 7th example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の第八の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the 8th example of the torque assistance mechanism of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の上昇時の羽ばたき方を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing how to flutter at the time of the rising of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の下降時の羽ばたき方を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing how to flutter at the time of descent | fall of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の上昇・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。It is explanatory drawing showing the force of the horizontal direction which arises by the way of flapping at the time of the raising / lowering of the rising and falling apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の前進方法を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the advance method of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の後退方法を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the retreating method of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the way of flapping at the time of advance of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing how to flutter at the time of reverse of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a hardware block diagram of the control system in the rising and moving apparatus of an embodiment. 実施の形態の浮上移動装置における制御システムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the control system in the rising and moving apparatus of the embodiment. 実施の形態の浮上移動装置のPWM制御信号のデューティ比を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the duty ratio of the PWM control signal of the rising and moving apparatus of embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a graph which shows the duty ratio for control of center turning of the rising and moving apparatus of an embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a graph which shows the duty ratio for control of the advance switching of the rising and moving apparatus of an embodiment. 実施の形態の浮上移動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。It is a graph which shows the duty ratio for control of delay switching of the rising and moving apparatus of an embodiment. 実施の形態の浮上移動装置の制御の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of control of the rising and moving apparatus of embodiment. 従来の浮上移動装置の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the problem of the conventional rising and moving apparatus. 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。It is a figure for demonstrating how to flap a general hovering. 別実施の形態の浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the energy storage and provision mechanism of the rising and moving apparatus of another embodiment. 別実施の形態の浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the energy storage and provision mechanism of the rising and moving apparatus of another embodiment. 別実施の形態の浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the energy storage and provision mechanism of the rising and moving apparatus of another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波モータの平面図である。It is a top view of the ultrasonic motor of another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波振動子の斜視図である。It is a perspective view of an ultrasonic transducer of still another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波振動子の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the ultrasonic transducer | vibrator of another embodiment. 圧電素子に取り付けられた4つの電極に印加される4つの電圧モードを説明するための図である。It is a figure for demonstrating four voltage modes applied to four electrodes attached to the piezoelectric element. 伸縮振動のための信号の位相と屈曲振動のための振動の位相とが90°だけずれていることを説明するためのタイムチャートである。6 is a time chart for explaining that a phase of a signal for stretching vibration and a phase of vibration for bending vibration are shifted by 90 °. さらに別の実施の形態の主板部が伸縮振動によって変形する態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect which the main-plate part of another embodiment deform | transforms by expansion-contraction vibration. さらに別の実施の形態の主板部が屈曲振動によって変形する態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect which the main-plate part of another embodiment deform | transforms by bending vibration. 伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが一致しないことを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that the resonance frequency of a stretching vibration and the resonance frequency of a bending vibration do not correspond. さらに別の実施の形態の超音波振動子の構成を表す概略図である。It is the schematic showing the structure of the ultrasonic transducer | vibrator of another embodiment. さらに別の実施の形態の支持用突出部の長さと、伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the length of the protrusion part for support of another embodiment, the resonance frequency of expansion-contraction vibration, and the resonance frequency of bending vibration. さらに別の実施の形態の支持用突出部の削り方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating how to cut the protrusion part for support of another embodiment. さらに別の実施の形態の支持用突出部に設ける凹部を示す図である。It is a figure which shows the recessed part provided in the protrusion part for support of another embodiment. さらに別の実施の形態の支持用突出部に重りが設置された状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state in which the weight was installed in the protrusion part for support of another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波モータの平面図である。It is a top view of the ultrasonic motor of another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波振動子の斜視図である。It is a perspective view of an ultrasonic transducer of still another embodiment. さらに別の実施の形態の超音波振動子の構成を表す概略図である。It is the schematic showing the structure of the ultrasonic transducer | vibrator of another embodiment. さらに別の実施の形態の押付用突出部の長さと伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the length of the protrusion part for pressing of another embodiment, the resonance frequency of expansion-contraction vibration, and the resonance frequency of bending vibration. さらに別の実施の形態の押付用突出部の削り方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating how to cut the protrusion part for pressing of another embodiment. さらに別の実施の形態の押付用突出部に重りが設置された状態を示す図である。It is a figure which shows the state by which the weight was installed in the protrusion part for pressing of another embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

100 浮上移動装置、101 本体、110 羽部、120,130 超音波モータ、140 駆動メカニズム、150 制御回路、160 位置センサ、170 通信装置、180 画像センサ、190 電源、122 ロータ、301 バネ、381 バネ、382 固定点、383 上部超音波モータベースプレート、384 板バネ、385 固定点、1 超音波振動子、2 ロータ、1000 超音波モータ、3 支持用突出部、4 支持体、5 シャフト、6 主板部、7 振動板、8 圧電素子、9,10,11,12,17 電極、14 押付用突出部、15 ゴム、20 調整用突出部、50 貫通孔、55 凹部、a 伸縮振動の共振周波数、b 屈曲振動の共振周波数、C 円軌道、E 楕円軌道、S 角部、X 伸縮振動の節の位置、Y 屈曲振動の節の位置、Δφ 位相のズレ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Levitation movement apparatus, 101 Main body, 110 Wings, 120, 130 Ultrasonic motor, 140 Drive mechanism, 150 Control circuit, 160 Position sensor, 170 Communication apparatus, 180 Image sensor, 190 Power supply, 122 Rotor, 301 Spring, 381 Spring , 382 fixed point, 383 Upper ultrasonic motor base plate, 384 leaf spring, 385 fixed point, 1 ultrasonic vibrator, 2 rotor, 1000 ultrasonic motor, 3 support protrusion, 4 support, 5 shaft, 6 main plate , 7 Diaphragm, 8 Piezoelectric element, 9, 10, 11, 12, 17 Electrode, 14 Protruding part for pressing, 15 Rubber, 20 Protruding part for adjustment, 50 Through hole, 55 Recessed part, a Resonance frequency of stretching vibration, b Resonance frequency of flexural vibration, C circular orbit, E elliptical orbit, S corner, X stretching vibration node position, Y bending The position of the node of vibration, displacement of Δφ phase.

Claims (18)

本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え
前記羽ばたき往復運動は、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、前記運動方向の反転のための運動とからなり、
前記エネルギー蓄積・供与機構は、前記運動方向の反転のための運動の前半のみに前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記運動方向の反転のための運動の後半のみにエネルギーを前記アクチュエータへ与える、羽ばたき浮上移動装置
A wing having a leading edge attached to the body;
With reciprocating flapping the wing portion in the longitudinal direction in a predetermined period after the previous movement direction of reversal in the flapping reciprocation, an actuator to twist the blade portion around the leading edge,
The flapping torque or energy required to the actuator for reciprocal motion to store energy from the actuator is smaller than a predetermined value, the required torque or energy specified value to the actuator for the flapping reciprocation An energy storage and supply mechanism that gives energy to the actuator when larger ,
The flapping reciprocating motion is composed of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed in succession to the motion and changes the angular velocity,
The energy storage / donating mechanism is configured to accumulate energy from the actuator only in the first half of the movement for reversing the movement direction, and to apply energy to the actuator only in the second half of the movement for reversing the movement direction. Ascent movement device .
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え、When torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is smaller than a predetermined value, energy is accumulated from the actuator, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is a specific value. An energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator when larger,
前記エネルギー蓄積・供与機構は、物質の弾性変形によって前記アクチュエータのエネルギーを蓄積し、前記物質の復元力によって前記アクチュエータへエネルギーを与え、The energy storage / donating mechanism stores energy of the actuator by elastic deformation of a substance, and gives energy to the actuator by a restoring force of the substance,
前記羽ばたき往復運動は、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、前記運動方向の反転のための運動とからなり、The flapping reciprocating motion is composed of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed in succession to the motion and changes the angular velocity,
前記物質は、前記運動方向の反転のための運動の期間のみにおいて、前記アクチュエータに接触する、羽ばたき浮上移動装置。The flapping and rising and moving apparatus in which the substance contacts the actuator only during a movement period for reversing the movement direction.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え、
前記エネルギー蓄積・供与機構は、物質の弾性変形によって前記アクチュエータのエネルギーを蓄積し、前記物質の復元力によって前記アクチュエータへエネルギーを与え、
前記羽ばたき往復運動は、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する前記運動方向の反転のための運動とからなり、
前記アクチュエータは、前記羽ばたき往復運動の両端の前記運動方向の反転のための運動の期間のそれぞれにおいてのみ、前記物質を弾性変形させる構造を有している、羽ばたき浮上移動装置。
A wing having a leading edge attached to the body;
An actuator for reciprocating the wing portion in the front-rear direction and twisting the wing portion around the front edge portion in a predetermined period before and after reversal of the movement direction in the wing reciprocating motion;
When the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is smaller than a predetermined value, energy is accumulated from the actuator, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is a specific value. An energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator when larger,
The energy storage / donating mechanism stores energy of the actuator by elastic deformation of a substance, and gives energy to the actuator by a restoring force of the substance,
The flapping reciprocating motion is composed of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed continuously with the motion and the angular velocity changes,
The flapping and rising and moving apparatus has a structure in which the actuator elastically deforms the substance only in each of the movement periods for reversing the movement direction at both ends of the flapping reciprocating movement.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え、When torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is smaller than a predetermined value, energy is accumulated from the actuator, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is a specific value. An energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator when larger,
前記アクチュエータは、前記羽根部に前記前後方向の羽ばたき往復運動をさせる前後往復運動用ロータと、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るための捻り運動用ロータとを含み、The actuator includes a back-and-forth reciprocating motion rotor that causes the blade portion to reciprocate in the front-rear direction, and a twisting motion rotor for twisting the blade portion around the front edge portion,
前記エネルギー蓄積・供与機構は、前記前後往復運動用ロータのエネルギーを蓄積し、該エネルギーを前記前後往復運動用ロータへ与える、羽ばたき浮上移動装置。The flapping levitation movement device, wherein the energy storage / donating mechanism accumulates energy of the back-and-forth reciprocating rotor and applies the energy to the back-and-forth reciprocating rotor.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え、When torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is smaller than a predetermined value, energy is accumulated from the actuator, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is a specific value. An energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator when larger,
前記アクチュエータは、前記羽根部を前後方向に往復運動させるロータであって、相対的に小さな振幅で往復運動する第1ロータと、前記第1ロータにほぼ平行な方向において相対的に大きな振幅で往復運動する第2ロータとを含み、The actuator is a rotor that reciprocates the blade portion in the front-rear direction, and reciprocates with a relatively large amplitude in a direction substantially parallel to the first rotor, and a first rotor that reciprocates with a relatively small amplitude. A second rotor that moves,
当該羽ばたき浮上移動装置は、前記第1ロータの位相と前記第2ロータの位相との差の制御によって、前記羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備え、The flapping levitation moving device further includes a control unit that controls the degree of twist of the blade part by controlling the difference between the phase of the first rotor and the phase of the second rotor,
前記エネルギー蓄積・供与機構は、前記第1ロータのエネルギーを蓄積し、該エネルギーを前記第1ロータへ与える、羽ばたき浮上移動装置。The energy storage / donating mechanism stores the energy of the first rotor and applies the energy to the first rotor.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合に前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合に前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備え、When torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is smaller than a predetermined value, energy is accumulated from the actuator, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocating motion is a specific value. An energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator when larger,
前記アクチュエータは、前記前縁部を前後方向に往復運動させるロータであって、前記前縁部に接続され、固定振幅で往復運動する第1ロータと、前記第1ロータにほぼ平行な方向において可変振幅で往復運動する第2ロータとを含み、The actuator is a rotor that reciprocates the front edge portion in the front-rear direction, and is connected to the front edge portion, and is variable in a direction substantially parallel to the first rotor, and a first rotor that reciprocates at a fixed amplitude. A second rotor that reciprocates with amplitude,
当該羽ばたき浮上移動装置は、前記第1ロータの位相と前記第2ロータの位相との差の制御によって、前記羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備え、The flapping levitation moving device further includes a control unit that controls the degree of twist of the blade part by controlling the difference between the phase of the first rotor and the phase of the second rotor,
前記エネルギー蓄積・供与機構は、前記第1ロータのエネルギーを蓄積し、該エネルギーを前記第1ロータへ与える、羽ばたき浮上移動装置。The energy storage / donating mechanism stores the energy of the first rotor and applies the energy to the first rotor.
前記エネルギー蓄積・供与機構は、充放電可能な電池を有し、前記アクチュエータのエネルギーを前記電池に電力として蓄積し、該電池に蓄積された電力を用いて前記アクチュエータエネルギーを与える、請求項1および4〜6のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置It said energy storage and donor mechanism includes a rechargeable battery, the energy of the actuator accumulated as electric power to the battery, providing energy to the actuator using the electric power stored in the battery, according to claim 1 And the flapping and floating movement apparatus according to any one of 4 to 6 . 前記エネルギー蓄積・供与機構は、物質の弾性変形によって前記アクチュエータのエネルギーを蓄積し、前記物質の復元力によって前記アクチュエータにエネルギーを与える、請求項1および4〜6のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置The flapping and floating movement according to any one of claims 1 and 4 to 6, wherein the energy accumulation / donating mechanism accumulates energy of the actuator by elastic deformation of a substance and gives energy to the actuator by a restoring force of the substance. Equipment . 前記物質は固体である、請求項2、3および8のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置9. The flapping and flying apparatus according to claim 2 , wherein the substance is a solid. 前記エネルギー蓄積・供与機構は、密閉された容器内の気体の圧縮および膨張によって、前記運動エネルギーの蓄積および供与を行なう、請求項1および4〜6のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置The flapping and rising and moving apparatus according to any one of claims 1 and 4 to 6, wherein the energy storage / donating mechanism stores and supplies the kinetic energy by compression and expansion of a gas in a sealed container. 前記エネルギー蓄積・供与機構は、密閉された容器内での気体の相変化によって、前記運動エネルギーの蓄積および供与を行なう、請求項1および4〜6のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置The flapping and floating movement apparatus according to any one of claims 1 and 4 to 6, wherein the energy storage / donating mechanism stores and supplies the kinetic energy by a gas phase change in a sealed container. 前記物質は、前記アクチュエータに設けられている、請求項2、3および8のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置The flapping levitation moving apparatus according to any one of claims 2, 3, and 8 , wherein the substance is provided in the actuator. 前記物質は、前記羽根部の羽ばたき往復運動の中心位置において弛んでいる紐状の弾性体を含む、請求項2、3、および8のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置。 The flapping levitation moving apparatus according to any one of claims 2, 3, and 8 , wherein the substance includes a string-like elastic body that is slackened at a central position of flapping reciprocating motion of the blade portion. 前記エネルギー蓄積・供与機構は、前記アクチュエータの移動によって生じる運動エネルギーを蓄積し、該運動エネルギーを前記アクチュエータ供与する、請求項1〜6のいずれかに記載の羽ばたき浮上移動装置The flapping levitation moving apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the energy storage / donating mechanism accumulates kinetic energy generated by movement of the actuator and supplies the kinetic energy to the actuator. 前記アクチュエータは、ロータを含み、
前記エネルギー蓄積・供与機構の所定の部位は、前記ロータの回転中心軸と共通の回転中心軸まわりに円弧状の軌跡を描くように移動する、請求項14に記載の羽ばたき浮上移動装置
The actuator includes a rotor;
The flapping levitation movement apparatus according to claim 14 , wherein the predetermined part of the energy storage / donating mechanism moves so as to draw an arc-shaped locus around a rotation center axis common to the rotation center axis of the rotor.
前記エネルギー蓄積・供与機構は、板バネを含み、
前記板バネの固定端は、前記ロータの回転中心軸の近傍に位置付けられている、請求項15に記載の羽ばたき浮上移動装置
The energy storage / donating mechanism includes a leaf spring,
The flapping rising and moving apparatus according to claim 15 , wherein the fixed end of the leaf spring is positioned in the vicinity of the rotation center axis of the rotor.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記所定期間のうちの前記羽ばたき往復運動における運動方向の反転の前の期間にのみ前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記所定期間のうちの前記羽ばたき往復運動における運動方向の反転の後の期間にのみ前記アクチュエータへエネルギーを供給するエネルギー蓄積・供与機構とを備えた、羽ばたき浮上移動装置。Energy is accumulated from the actuator only during the period before the reversal of the movement direction in the flapping reciprocation of the predetermined period, and only during the period after the reversal of the movement direction in the flapping reciprocation of the predetermined period. A flapping flying device including an energy storage / supply mechanism for supplying energy to the actuator.
本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、A wing having a leading edge attached to the body;
前記羽根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、前記羽根部を前記前縁部周りに捻るアクチュエータと、An actuator for reciprocating the blade portion in the front-rear direction, and twisting the blade portion around the front edge during a predetermined period from before to after reversal of the movement direction in the flutter reciprocation;
前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが所定値より小さい場合にのみ前記アクチュエータからエネルギーを蓄積し、前記羽ばたき往復運動のために前記アクチュエータに要求されるトルクまたはエネルギーが特定値より大きい場合にのみ前記アクチュエータへエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備えた、羽ばたき浮上移動装置。Energy is accumulated from the actuator only when the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocation is smaller than a predetermined value, and the torque or energy required for the actuator for the flapping reciprocation is specified. A flapping rising and moving apparatus comprising an energy storage and supply mechanism that gives energy to the actuator only when the value is larger than the value.
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