JP2007161251A - Floating and moving device - Google Patents
Floating and moving device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007161251A JP2007161251A JP2007038151A JP2007038151A JP2007161251A JP 2007161251 A JP2007161251 A JP 2007161251A JP 2007038151 A JP2007038151 A JP 2007038151A JP 2007038151 A JP2007038151 A JP 2007038151A JP 2007161251 A JP2007161251 A JP 2007161251A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- rising
- rotor
- moving apparatus
- blade
- flapping
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Toys (AREA)
Abstract
Description
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。
浮上移動装置が、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている場合に、制御部が、上部ロータの回転角の位相と下部ロータの回転角の位相とが所定の差を有するように、上部ロータおよび下部ロータを制御しようとしても、羽根部の動作が安定しない。 From the phase of the upper rotor, the levitation moving device causes the blade portion having the front edge portion, the upper rotor that causes the front edge portion to rotate back and forth in the front-rear direction, and the blade portion torsionally move around the front edge portion. When the control unit includes a lower rotor that reciprocates at a phase shifted by a predetermined value and a control unit that controls each of the upper rotor and the lower rotor independently, the control unit determines the phase of the rotation angle of the upper rotor and the lower rotor. Even if it is attempted to control the upper rotor and the lower rotor such that the phase of the rotation angle of the rotor has a predetermined difference, the operation of the blade portion is not stable.
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、羽根部の動作が安定した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 provide a rising and moving apparatus in which the operation of the blade portion is stable.
本発明の一の局面の浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部と、上部ロータの回転角の位相と下部ロータの回転角の位相との差を所定の範囲内の値に制限するリミッターとを備えている。この構成によれば、リミッターを有しているため、羽根部の動作が安定する。 According to one aspect of the present invention, a rising and moving apparatus includes a blade portion having a front edge portion, an upper rotor that causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction, and a blade portion that twists around the front edge portion. And a lower rotor that reciprocates at a phase deviated from the phase of the upper rotor by a predetermined value, a control unit that independently controls each of the upper rotor and the lower rotor, a phase of the rotation angle of the upper rotor, and a rotation of the lower rotor. A limiter that limits the difference from the phase of the angle to a value within a predetermined range. According to this configuration, since the limiter is provided, the operation of the blade portion is stabilized.
本発明の他の局面の浮上移動装置は、本体に取り付けられ、往復運動によって羽ばたき運動を実現する羽根部と、羽根部を動作させるアクチュエータと、羽根部に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータを有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータを制御する制御部とを備えている。複数種類のデータのそれぞれは、往復運動の１周期の羽根部の運動を特定可能であり、かつ、往復運動の１周期のうちの所定期間において、羽根部に共通の運動をさせ、所定期間以外の期間においては、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運動とは異なる運動を羽根部にさせるものである。制御部は、前述の所定期間において、アクチュエータ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運動を羽根部にさせる制御から、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運動を羽根部にさせる制御へ切り換える。 A rising and moving apparatus according to another aspect of the present invention is attached to a main body, a blade part that realizes a flapping motion by reciprocation, an actuator that operates the blade part, and a plurality of types of data for causing the blade part to flutter. And a controller that controls the actuator based on a plurality of types of data. Each of the multiple types of data can specify the movement of the blade part in one cycle of the reciprocating movement, and cause the blade part to perform a common movement in a predetermined period of one cycle of the reciprocating movement. In this period, the movement of the blades is different from the movement specified by the other data among the plurality of types of data. The control unit controls the actuator to cause the blade to perform the movement specified by one of the plurality of types of data during the predetermined period, so that the actuator is specified by the other data of the plurality of types of data. Switch to the control that causes the blades to move.
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、羽ばたき運動を変更することができる。 According to the above configuration, the flapping motion can be changed without causing a discontinuous change in the motion of the blade portion.
また、前述の所定期間以外の期間は、往復運動の１周期のうちの２つの特定期間であってもよい。これによれば、１つの羽根部は、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。 Further, the period other than the above-described predetermined period may be two specific periods in one cycle of the reciprocating motion. According to this, one blade | wing part changes sequentially into a maximum of four types of states during 1 period of reciprocation. Therefore, the variation of flapping movement becomes abundant.
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最も大きなインターバルをおいて繰り返される。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。 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 interval. 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.
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽根部が往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽根部が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。これによれば、１の特定期間における羽根部の位置と他の特定期間における羽根部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。 Moreover, it is desirable that one and the other of the two specific periods include a timing at which the blade portion is positioned at one end of the reciprocating motion and a timing at which the blade portion is positioned at the other end of the reciprocating motion, respectively. According to this, the position of the blade | wing part in one specific period and the position of the blade | wing part in another specific period are the most separated. 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.
また、２つの特定期間の一方の期間における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。 In addition, one directional component of the fluid force generated by the movement in one of the two specific periods and the one directional component of the fluid force generated by the movement in the other of the two specific periods cancel each other. Is done. 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.
また、制御部が、前記往復運動の両端のそれぞれにおいて、羽根部を前縁部周りに捻るための制御を実行し、２つの特定期間が、それぞれ、アクチュエータが羽根部を前縁部まわりに捻るタイミングを含むことが望ましい。これによれば、羽根部の捻りのタイミングの変更によって、水平方向へ流体力を発生させることができる。 In addition, the control unit performs control for twisting the blade part around the front edge part at each of both ends of the reciprocating motion, and the actuator twists the blade part around the front edge part for two specific periods, respectively. It is desirable to include timing. According to this, the fluid force can be generated in the horizontal direction by changing the timing of twisting the blade portion.
また、複数のデータはホバリングのためのデータを含み、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、羽根軸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、制御部は、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を移動させるための基本データと、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を移動させるように、基本データを変換するための演算処理部とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御部は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間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にさせることができる。そのため、制御部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。 The plurality of data includes data for hovering, and the flapping motion specified by the data for hovering is a reciprocating motion in the front-rear direction that is mirror-symmetric with respect to the plane including the vertical and horizontal directions on the blade axis. The control unit has basic data for moving the blade 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 center position of the reciprocating motion in the front-rear direction. It is desirable to include an arithmetic processing unit for converting basic data so as to move the blade part to the other end of the reciprocating motion. According to this, the control part can make a desired flapping motion to a wing | blade part only by having the data for the period of 1/2 of 1 period of flapping movement. Therefore, the memory capacity for storing data in the control unit can be reduced. As a result, the rising and moving apparatus can be reduced in size and weight.
本発明のさらに他の局面の浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部にヒンジが介在する状態で接続された上部プレートと、上部プレートに接続され、上部プレートを往復運動させる上部ロータと、羽根部の根元部にヒンジが介在する状態で接続された中間プレートと、中間プレートにヒンジが介在する状態で接続された下部プレートと、下部プレートを往復運動させる下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれに独立して往復運動をさせることによって、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせながら、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせる制御部とを備えている。 A rising and moving apparatus according to still another aspect of the present invention includes a blade portion having a front edge portion, an upper plate connected with a hinge interposed at the front edge portion, and a reciprocating motion of the upper plate connected to the upper plate. An upper rotor to be connected, an intermediate plate connected in a state where a hinge is interposed at a root portion of a blade portion, a lower plate connected in a state where a hinge is interposed in the intermediate plate, a lower rotor which reciprocates the lower plate, A control unit that causes the blade portion to twist around the front edge while causing the front edge to rotate back and forth in the front-rear direction by independently reciprocating each of the upper rotor and the lower rotor. Yes.
この場合、上部プレート、中間プレート、および下部プレートのそれぞれにおいては、ヒンジ、上部ロータ、および下部ロータのいずれにも接続されていない辺の近傍の部分が、互いの干渉を避けるようにカットされていることが望ましい。 In this case, in each of the upper plate, the intermediate plate, and the lower plate, portions in the vicinity of the side that is not connected to any of the hinge, the upper rotor, and the lower rotor are cut so as to avoid mutual interference. It is desirable that
また、本発明の別の局面の浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる、平面における輪郭が扇形である上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する、平面における輪郭が上部ロータの輪郭に対応する扇形である下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている。 Further, the rising and moving apparatus according to another aspect of the present invention includes a blade portion having a front edge portion, an upper rotor having a fan-shaped contour in a plane, which causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction, and a blade portion. A lower rotor that reciprocates at a phase deviated from the phase of the upper rotor by a predetermined value so as to cause a torsional movement around the front edge, and whose contour in the plane corresponds to the contour of the upper rotor, and the upper rotor and the lower rotor And a control unit that controls each of the rotors independently.
この場合、上部ロータが輪郭に沿って延びるフレーム構造を有し、下部ロータが輪郭に沿って延びるフレーム構造を有していてもよい。 In this case, the upper rotor may have a frame structure extending along the contour, and the lower rotor may have a frame structure extending along the contour.
また、本発明の異なる局面の浮上移動装置は、前縁部が延びる方向に沿って折れ曲げ部が延びている羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている。 Further, the rising and moving apparatus according to a different aspect of the present invention includes a blade portion in which a bent portion extends along a direction in which the front edge portion extends, an upper rotor that causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction, and the blade A lower rotor that reciprocates at a phase deviated by a predetermined value from the phase of the upper rotor, and a control unit that independently controls each of the upper rotor and the lower rotor so as to cause the portion to twist around the front edge. I have.
この場合、浮上移動装置が前縁部にヒンジが介在する状態で接続された上部プレートをさらに備え、折れ曲げ部に沿って上部プレートが取り付けられていてもよい。また、折れ曲げ部が羽根部の主表面に対してほぼ垂直に折れ曲げられていてもよい。 In this case, the rising and moving apparatus may further include an upper plate connected to the front edge portion with a hinge interposed, and the upper plate may be attached along the bent portion. Further, the bent portion may be bent substantially perpendicular to the main surface of the blade portion.
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
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
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
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
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
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
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
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
（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 |
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
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
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
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
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-
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
＜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
＜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
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
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-
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-
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-
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
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。）。
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
＜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。
<Frame part>
As shown in FIG. 4, the
＜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
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
＜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
＜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
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
＜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
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
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
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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
＜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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
Note that whether the double sign (±) of L3 is positive or negative is the
It is easily determined by considering the behavior of
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
＜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
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
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
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
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, each of the coil springs 332 and 333, which are housed in the
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
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
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
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
＜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
＜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
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
（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
（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
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
（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３
３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 aforementioned
As shown in FIG. 3, (1) When the
（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
＜＜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
＜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
＜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
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
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
＜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
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
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
＜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
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
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
＜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
＜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
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
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
（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
（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
＜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
＜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
＜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
＜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
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
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
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
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
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
＜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
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
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
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
＜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
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
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
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
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
＜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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
＜＜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
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
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 |
＜＜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
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
＜＜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
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
（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
（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
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
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
（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
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
（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
（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
＜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
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
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
＜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
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
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
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
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
（実施の形態の浮上移動装置が解決した主な課題）
次に、前述の本実施の形態の浮上移動装置によって解決された課題を説明する。
(Main problems solved by the rising and moving apparatus of the embodiment)
Next, problems solved by the above-described rising and moving apparatus of the present embodiment will be described.
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.
前述の従来の浮上移動装置が解決した課題は、次に述べられる本実施の形態の浮上移動装置の構成によって解決される。 The problem solved by the above-described conventional rising and moving apparatus is solved by the configuration of the rising and moving apparatus of the present embodiment described below.
本実施の形態の浮上移動装置は、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往復運動させるとともに、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、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所定値より小さい場合にエネルギーを蓄積し、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に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 rising and moving apparatus of the present embodiment has a blade portion having a front edge portion attached to the main body and a reciprocating motion of the blade portion in the front-rear direction, and in a predetermined period from before to after the reversal of the motion direction in the reciprocating motion. And an actuator for twisting the blade portion around the front edge portion. The device also stores energy when the torque required for the actuator for reciprocation is less than a predetermined value, and energy for the actuator when the torque required for the actuator for reciprocation is greater than a specific value. It has an energy storage and supply mechanism that provides energy.
上記の構成によれば、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 reciprocation 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、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。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 rising and moving apparatus may have a means for detecting torque or may not have a means for detecting torque. When the rising and moving device does not have a means for detecting torque, energy is stored in advance according to the torque required for the actuator when the energy storage and supply mechanism is not provided in the rising and moving device. 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.
また、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にエネルギーをアクチュエータに与えてもよい。 The reciprocating motion described above consists of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed continuously following this motion, and the angular velocity changes. The energy of the actuator may be accumulated in the first half of the movement for reversing the direction, and the energy may be given to the actuator 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, it is most effective if the actuator energy is accumulated in the first half of the movement for reversing the movement direction and the energy accumulated in the second half of the movement for reversing the movement direction is given to the actuator. The time history of torque required for flapping motion can be smoothed.
また、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。 The energy storage / donating mechanism may include a chargeable / dischargeable battery, store the energy of the actuator as power in the battery, and supply the actuator with energy using the power stored in the battery. According to this, accumulation and supply of energy can be performed as necessary.
また、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, the energy storage / donating mechanism may store the energy of the actuator by elastic deformation of the substance and give the actuator 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、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。 If the substance is solid, the structure of the energy storage / donation mechanism can be simplified as compared with the case where energy is stored and donated using liquid or gas.
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。 If the energy storage and supply mechanism stores and supplies kinetic energy by compressing and expanding the gas in a sealed container, the gas is lighter than liquids and solids. Weight reduction can be achieved.
また、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。 In addition, if the energy storage and supply mechanism accumulates and supplies kinetic energy due to the phase change of gas in a sealed container, the amount of energy stored and supplied per unit volume increases.・ The size of the donating mechanism can be reduced.
また、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、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ものであれば、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。
The reciprocating motion described above consists of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed continuously with this motion and the angular velocity changes. As long as it is in contact with the actuator only during the period of motion for smoothing, smoothing of the torque time history described above can be realized without reducing the efficiency of reciprocating motion.
また、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。 Further, if the aforementioned substance is provided in the actuator, an energy storage / donating mechanism having a simple structure can be realized.
また、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、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とが望ましい。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。 The reciprocating motion described above is composed of a motion with a constant angular velocity and a motion for reversing the motion direction, which is performed continuously with this motion, and the angular velocity changes. It is desirable to have a structure that elastically deforms the substance in each of the movement periods for reversing the movement direction. 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。 Moreover, if the above-mentioned substance includes a string-like elastic body that is slackened at the center position of the reciprocating motion of the blade shaft, the energy storage / donating mechanism can be reduced in weight.
また、前述の物質が、トルクが最小値から極大値になるまでの期間において、弾性変形すれば、往復運動の効率を低下させることなく、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, if the above-mentioned substance is elastically deformed during the period from the minimum value to the maximum value, the time history of the torque can be smoothed without reducing the efficiency of the reciprocating motion. it can.
また、物質のバネ定数が、トルクの極大値をトルクが極大値になるときの物質の変形量で除算したものであれば、弾性変形する物質のバネ定数を最適値に設定することができる。 Further, if the spring constant of the substance is obtained by dividing the maximum value of the torque by the amount of deformation of the substance when the torque reaches the maximum value, the spring constant of the elastically deformable substance can be set to an optimum value.
また、本実施の形態の浮上移動装置は、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。 Further, the rising and moving apparatus of the present embodiment 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, The energy storage / donating mechanism may store the energy of the back-and-forth reciprocating motion rotor and provide the energy to the back-and-forth reciprocating motion rotor.
これによれば、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, since the torque peak required for the actuator for the reciprocating motion is larger than the torque required for the actuator for the torsional motion, energy can be stored and delivered efficiently. .
本実施の形態の浮上移動装置は、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往復運動させるとともに、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、往復運動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が所定値より小さい場合にエネルギーを蓄積し、往復運動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が特定値より大きい場合に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。 The rising and moving apparatus of the present embodiment has a blade portion having a front edge portion attached to the main body and a reciprocating motion of the blade portion in the front-rear direction, and in a predetermined period from before to after the reversal of the motion direction in the reciprocating motion. And an actuator for twisting the blade portion around the front edge portion. In addition, the device accumulates energy when the energy required for driving the actuator in the reciprocating motion is smaller than a predetermined value, and the energy required for driving the actuator during the reciprocating motion is larger than a specific value. Is equipped with an energy storage and supply mechanism for supplying energy to the actuator.
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 above configuration, it is possible to smooth the time history of torque required for driving the actuator. Therefore, the actuator and the drive energy source can be reduced in size.
なお、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。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 rising and moving apparatus may have a means for detecting energy or may not have a means for detecting energy. In the case where the rising and moving apparatus does not have a means for detecting energy, the energy storage and supply mechanism is not provided in the rising and moving apparatus. The timing for storing energy and the timing for supplying energy are determined. 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、本実施の形態の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てもよい。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ロータに与えることが望ましい。 In the rising and moving apparatus of the present embodiment, the actuator is a rotor that reciprocates the blade portion in the front-rear direction, and is substantially parallel to the first rotor that reciprocates with a relatively small amplitude. And a second rotor that reciprocates with a relatively large amplitude in any direction. 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. It is desirable to store energy and provide energy 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 the reciprocating motion of the blade shaft in the front-rear direction is larger than the peak of energy required for the actuator for torsional motion. The energy storage and supply mechanism can efficiently store and supply energy.
また、本実施の形態の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てもよい。この場合、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ロータに与えることが望ましい。 Further, in the rising and moving apparatus of the present embodiment, the actuator is a rotor that reciprocates the front edge in the front-rear direction, the first rotor connected to the front edge and reciprocating at a fixed amplitude, And a second rotor that reciprocates with a variable amplitude in a direction substantially parallel to the one rotor. In this case, the rising and moving apparatus further includes a control unit that controls the degree of twisting of the blade portion by controlling the difference between the phase of the first rotor and the phase of the second rotor, and the energy storage / donating mechanism includes It is desirable to store the energy of one rotor and apply energy to the 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、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 of the rising and moving apparatus and smoothing of the torque.
また、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に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, the energy storage / donating mechanism may store kinetic energy generated by movement of the actuator and supply the kinetic energy to the actuator. According to this, no matter how 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、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, the actuator may include a rotor, and a predetermined part of the energy storage / donating mechanism may move so as to draw an arc-shaped locus around the rotation center axis common to the rotation center axis of the rotor. 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.
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。 The energy storage / donating mechanism may include a leaf spring, and the fixed end of the leaf spring may be positioned near the rotation center axis of the rotor. According to this, it is possible to easily realize both the accumulation and supply of energy and the movement for drawing the locus of the arc.
（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
＜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
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
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
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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
（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
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
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
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
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
＜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
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
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
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
＜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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (15)
前記前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、
前記羽根部に前記前縁部まわりの捻り運動をさせるように、前記上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部と、
前記上部ロータの回転角の位相と前記下部ロータの回転角の位相との差を所定の範囲内の値に制限するリミッターとを備えた、浮上移動装置。 A wing having a leading edge;
An upper rotor that causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction;
A lower rotor that reciprocates at a phase deviated from the phase of the upper rotor by a predetermined value so as to cause the blade portion to twist around the front edge;
A control unit that independently controls each of the upper rotor and the lower rotor;
A rising and moving apparatus comprising: a limiter that limits a difference between a rotation angle phase of the upper rotor and a rotation angle phase of the lower rotor to a value within a predetermined range.
前記羽根部を動作させるアクチュエータと、
前記羽根部に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータを有し、該複数種類のデータに基づいて前記アクチュエータを制御する制御部とを備え、
前記複数種類のデータのそれぞれは、前記往復運動の１周期の前記羽根部の運動を特定可能であり、かつ、前記往復運動の１周期のうちの所定期間において、前記羽根部に共通の運動をさせ、前記所定期間以外の期間においては、前記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運動とは異なる運動を前記羽根部にさせるものであり、
前記制御部は、前記所定期間において、前記アクチュエータが前記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運動を前記羽根部にさせる制御から前記アクチュエータが前記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運動を前記羽根部にさせる制御へ切り換える、浮上移動装置。 A wing part attached to the main body and realizing flapping motion by reciprocating motion,
An actuator for operating the blade,
A plurality of types of data for causing the blade portion to flutter, and a controller that controls the actuator based on the plurality of types of data,
Each of the plurality of types of data can identify the movement of the blade portion in one cycle of the reciprocating motion, and perform a common motion in the blade portion in a predetermined period of the one cycle of the reciprocating motion. In a period other than the predetermined period, the wing portion is caused to perform a motion different from the motion specified by other data among the plurality of types of data.
In the predetermined period, the control unit causes the actuator to move the movement specified by one of the plurality of types of data to the blade unit. A rising and moving apparatus for switching to a control for causing the blade portion to perform a movement specified by data.
前記２つの特定期間は、それぞれ、前記アクチュエータが前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るタイミングを含む、請求項３記載の浮上移動装置。 The control unit performs control for twisting the blade part around the front edge part at each of both ends of the reciprocating motion,
The rising and moving apparatus according to claim 3, wherein each of the two specific periods includes a timing at which the actuator twists the blade portion around the front edge portion.
前記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、前記羽根部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、
前記制御部は、
前記前後方向の往復運動の中心位置から前記前後方向の往復運動の一方端まで前記羽根部を移動させるための基本データと、
前記前後方向の往復運動の中心位置から前記前後方向の往復運動の他方端まで前記羽根部を移動させるように、前記基本データを変換するための演算処理部とを含む、請求項２に記載の浮上移動装置。 The plurality of data includes data for hovering,
The flapping motion specified by the data for hovering is a reciprocating motion in the front-rear direction that is mirror-symmetrical with respect to a plane including the vertical direction and the horizontal direction on the blade portion,
The controller is
Basic data for moving the blade portion 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;
An arithmetic processing unit for converting the basic data so as to move the blade portion from the center position of the reciprocating motion in the front-rear direction to the other end of the reciprocating motion in the front-rear direction. Ascent movement device.
前記前縁部にヒンジが介在する状態で接続された上部プレートと、
前記上部プレートに接続され、前記上部プレートを往復運動させる上部ロータと、
前記羽根部の根元部にヒンジが介在する状態で接続された中間プレートと、
前記中間プレートにヒンジが介在する状態で接続された下部プレートと、
前記下部プレートを往復運動させる下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれに独立して往復運動をさせることによって、前記前縁部に前後方向において回転往復運動をさせながら、前記羽根部に前記前縁部まわりの捻り運動をさせる制御部とを備えた、浮上移動装置。 A wing having a leading edge;
An upper plate connected with a hinge interposed in the front edge;
An upper rotor connected to the upper plate for reciprocating the upper plate;
An intermediate plate connected in a state where a hinge is interposed at the base of the blade,
A lower plate connected with a hinge interposed in the intermediate plate;
A lower rotor for reciprocating the lower plate;
Control that causes the blade portion to twist around the front edge portion while causing the front edge portion to reciprocate in the front-rear direction by causing the upper rotor and the lower rotor to reciprocate independently. And a rising and moving device.
前記前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる、平面における輪郭が扇形である上部ロータと、
前記羽根部に前記前縁部まわりの捻り運動をさせるように、前記上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する、平面における輪郭が前記上部ロータの輪郭に対応する扇形である下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えた、浮上移動装置。 A wing having a leading edge;
An upper rotor having a fan-shaped contour in a plane, which causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction;
A lower portion whose contour in a plane corresponds to the contour of the upper rotor, reciprocating at a phase shifted by a predetermined value from the phase of the upper rotor so as to cause the blade portion to twist around the front edge portion. The rotor,
A rising and moving apparatus comprising: a control unit that controls each of the upper rotor and the lower rotor independently.
前記下部ロータが前記輪郭に沿って延びるフレーム構造を有している、請求項１１に記載の浮上移動装置。 The upper rotor has a frame structure extending along the contour;
The rising and moving apparatus according to claim 11, wherein the lower rotor has a frame structure extending along the contour.
前記前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、
前記羽根部に前記前縁部まわりの捻り運動をさせるように、前記上部ロータの位相から
所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えた、浮上移動装置。 A vane portion in which a bent portion extends along a direction in which the front edge portion extends, and
An upper rotor that causes the front edge portion to rotate and reciprocate in the front-rear direction;
A lower rotor that reciprocates at a phase deviated from the phase of the upper rotor by a predetermined value so as to cause the blade portion to twist around the front edge;
A rising and moving apparatus comprising: a control unit that controls each of the upper rotor and the lower rotor independently.
前記折れ曲げ部に沿って前記上部プレートが取り付けられている、請求項１３に記載の浮上移動装置。 An upper plate connected with a hinge interposed at the front edge;
The rising and moving apparatus according to claim 13, wherein the upper plate is attached along the bent portion.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007038151A JP4675346B2 (en) | 2005-09-15 | 2007-02-19 | Flapping levitation moving device |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005268555 | 2005-09-15 | ||
| JP2007038151A JP4675346B2 (en) | 2005-09-15 | 2007-02-19 | Flapping levitation moving device |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2006228147A Division JP3989943B2 (en) | 2005-09-15 | 2006-08-24 | Flapping levitation moving device |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010282116A Division JP2011073673A (en) | 2005-09-15 | 2010-12-17 | Flapping type floating moving device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2007161251A true JP2007161251A (en) | 2007-06-28 |
| JP4675346B2 JP4675346B2 (en) | 2011-04-20 |
Family
ID=38244599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007038151A Expired - Fee Related JP4675346B2 (en) | 2005-09-15 | 2007-02-19 | Flapping levitation moving device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4675346B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009067086A (en) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Sharp Corp | Flapping robot system |
| CN113148142A (en) * | 2021-04-22 | 2021-07-23 | 吉林大学 | Pneumatic folding bionic flapping wing micro-aircraft |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6192307B2 (en) | 2013-02-21 | 2017-09-06 | 三菱重工業株式会社 | Flapping machine |
| JP5995745B2 (en) | 2013-02-21 | 2016-09-21 | 三菱重工業株式会社 | Flapping machine |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002326599A (en) * | 2001-02-27 | 2002-11-12 | Sharp Corp | Moving device |
| JP2004168075A (en) * | 2002-11-15 | 2004-06-17 | Sharp Corp | Floating moving device |
| JP2005088815A (en) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Sharp Corp | Flying moving device |
-
2007
- 2007-02-19 JP JP2007038151A patent/JP4675346B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002326599A (en) * | 2001-02-27 | 2002-11-12 | Sharp Corp | Moving device |
| JP2004168075A (en) * | 2002-11-15 | 2004-06-17 | Sharp Corp | Floating moving device |
| JP2005088815A (en) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Sharp Corp | Flying moving device |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009067086A (en) * | 2007-09-10 | 2009-04-02 | Sharp Corp | Flapping robot system |
| CN113148142A (en) * | 2021-04-22 | 2021-07-23 | 吉林大学 | Pneumatic folding bionic flapping wing micro-aircraft |
| CN113148142B (en) * | 2021-04-22 | 2022-07-05 | 吉林大学 | Pneumatic folding bionic flapping wing micro-aircraft |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4675346B2 (en) | 2011-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Farrell Helbling et al. | A review of propulsion, power, and control architectures for insect-scale flapping-wing vehicles | |
| JP3989943B2 (en) | Flapping levitation moving device | |
| Wang et al. | A novel piezoelectric inertial rotary motor for actuating micro underwater vehicles | |
| Zhao et al. | Fast-moving piezoelectric micro-robotic fish with double caudal fins | |
| Watson et al. | Piezoelectric ultrasonic micro/milli-scale actuators | |
| JP4115349B2 (en) | Flapping levitation moving device | |
| JP4675346B2 (en) | Flapping levitation moving device | |
| JP2008081094A (en) | Ornithopter | |
| JP3879771B1 (en) | Flapping airplane | |
| Mukherjee et al. | Non-linear dynamic analysis of a piezoelectrically actuated flapping wing | |
| JP2009006762A (en) | Flapping device | |
| Conn et al. | From natural flyers to the mechanical realization of a flapping wing micro air vehicle | |
| JP2011073673A (en) | Flapping type floating moving device | |
| JP2009012668A (en) | Controller, and mobile robot system using it | |
| Cox et al. | Actuator development for a flapping microrobotic microaerial vehicle | |
| JP3920076B2 (en) | Flapping flight equipment | |
| JP4722019B2 (en) | Ascent movement device | |
| Mazeika et al. | Disc type piezoelectric motor with two coaxial rotors | |
| Cox et al. | Development of piezoelectrically actuated micro-aerial vehicles | |
| WO2007032269A1 (en) | Levitation movement device, ultrasonic vibrator used for the device, and method of regulating vibration characteristics of the vibrator | |
| JP2009067086A (en) | Flapping robot system | |
| JP4637801B2 (en) | Ascent movement device | |
| JP4078191B2 (en) | Flapping levitation moving device | |
| Ratti | QV: the quad winged, energy efficient, six degree of freedom capable micro aerial vehicle | |
| CN116443221B (en) | Single-drive robot fish and plane motion control method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080806 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100930 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101019 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101217 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20110118 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110125 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140204 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4675346 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |