JP2009287723A - 往復揺動機構およびこれを用いた羽ばたき飛行機 - Google Patents

往復揺動機構およびこれを用いた羽ばたき飛行機 Download PDF

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Abstract

【課題】 原動節と従動節が平行になる位置関係でも、従動節を回転させるトルクを生み、ストロークの大きい往復回転運動を実現する、構造が簡易で、小型、軽量の往復揺動機構を提供する。
【解決手段】 往復揺動機構は、上下方向直動部材1と、一端が枢支される剛体リンク3と、直動部材1と剛体リンク3との間を連結する弾性体リンク2とを具備する。直動部材1の運動を弾性体リンク2を介して剛体リンク3の揺動運動に変換する。弾性体リンク2は、直動部材1の昇降途上で撓みの中立点を越え、中立点の前後で反対方向へ撓む。弾性体リンク2は、直動部材1の上死点に至るまでに大きく撓んでエネルギを蓄え、上死点において、このエネルギにより剛体リンク3を下方回動させる回転トルクを生じる。また、直動部材1の下死点において、同じく弾性体リンク2が撓んで蓄えたエネルギにより、剛体リンク3を上方回動させる回転トルクを生じる。
【選択図】図1

Description

この発明は、往復揺動機構と、これを用いた羽ばたき飛行機に関する。
従来、往復直動運動を往復回転運動に変換する機構として、例えば図13に示すような、直動部材(スライダ)51に2つの剛体リンク52,53(原動節52,従動節53)を連結したスライダ・クランク機構が知られている。この機構において、ストロークa,bを大きくすると、原動節52と従動節53が平行(従動節53の回転角θ=90°)に近いとき、例えば図13に示す直動運動の上昇行程において、従動節53を回転させるための駆動トルクを発生させる原動節52の従動節53に直角な力の成分f1は急激に小さくなり、図において反時計方向の回転駆動トルクを発生できなくなる。なお、図において、Fは原動節駆動力、f2は原動節駆動力の従動節長手方向成分を表す。またこの状態において、直動運動の下降行程に転じると、図において反時計方向の回転駆動トルクを生じるf1と逆方向の力成分も極小となる。直動運動の下死点付近においても同様の状況が生じる。このような非効率性を解消しようとすると、従来の方法では、原動節を伸ばすか、位相の異なる別のリンク機構を付加することになる。
一方、往復揺動機構を用いた羽ばたき飛行機としては、例えば、特許文献1に記載されたものが知られている。これは、凧に主翼動力装置を設けたもので、主翼動力装置により主翼に取り付けられたひもを巻き取り、或いは、解き放つことにより、主翼が1秒間に数回、羽ばたく。主翼動力装置は、搭載する電池とモータによる電動式で、減速機構とクランクとひも止めとパイプとから構成される。主翼には、弾力性があり、常に一定の形を保とうとする復元力がある。主翼は、ひもにより引っ張られて打ち下ろした後、ひもの解放により打ち上げられ、元の形状に戻る。これを繰り返すことにより自ら羽ばたいて飛行する。
特開2005−288142号公報
剛体リンクを用いたスライダ・クランク機構において、原動節と従動節が平行になる状態においても、従動節を回転させる比較的大きなトルクを生み出し、ストロークの大きい往復回転運動を実現するために、従来のように、原動節を伸ばす方法は効果が小さいし、機構が大型、大重量化する。リンクを増やすことも、機構の複雑化、大型、大重量化につながる。
したがって、この出願に係る発明は、剛体リンク機構において原動節と従動節が平行になる位置関係においても、従動節を回転(正逆いずれの方向へも)させるトルクを生み出し、ストロークの大きい往復回転運動を実現する、構造が簡易で、小型、軽量化が可能な往復揺動機構を提供することを課題としている。
また、上記従来の羽ばたき飛行機は、尾翼を有するもので、比較的翼の振幅が小さく、振動周波数が大きいため、蝶のように、大きな振幅の羽ばたきで飛行する優雅な飛行姿を得ることができない。また、蝶のような羽ばたきを実現しようとすると、上記のような問題点があるため、従来の方法では、機構が複雑になって重量が増し、飛行機を構成することができない。
したがって、この出願に係る発明の別の課題は、蝶のような、大きな振幅で羽ばたき飛行する羽ばたき飛行機を提供することである。
上記課題を解決するための本発明に係る往復揺動機構は、上下に往復直動運動をする直動部材1と、この直動部材1の上方に一端が枢支される剛体リンク3と、直動部材1と剛体リンク3との間を連結する弾性体リンク2とを具備し、直動部材1の往復直動運動を剛体リンク3の往復揺動運動に変換する。剛体リンク3は、直動部材1の下降行程により下方回動し、直動部材1の下死点において所定の下限角に達し、直動部材の上昇行程により上方回動し、直動部材1の上死点において直動部材1の運動線Aとほぼ平行となる上限角に達する位置関係にあるよう配置される。弾性体リンク2は、一端において直動部材1に結合され、他端において剛体リンク3に結合される。弾性体リンク2は、軸線を撓ませ、かつ直動部材1の昇降途上で撓みの中立点を越え、中立点の前後で反対方向へ撓むように直動部材1と剛体リンク3との間に介設される。それにより、弾性体リンク2は、直動部材1の上昇行程において、上死点に至るまで剛体リンク3と平行になることがないので、剛体リンク3を上方回転させる十分な駆動トルクを維持しつつ、大きく撓んでエネルギを蓄え、下降行程に転じる上死点において、このエネルギにより剛体リンク3を下方回動させる回転トルクを生じる。また、同様に、直動部材1の下降行程において、下死点に至るまで、弾性体リンク2が剛体リンク3を下方回転させる十分な駆動トルクを維持し、かつ下死点において、撓んで蓄えたエネルギにより、剛体リンク3を上方回動させる回転トルクを生じる。
また、上記往復揺動機構を適用した本発明に係る羽ばたき飛行機は、機体11と、この機体11に揺動自在に取り付けられた翼12と、この翼12の羽ばたき運動を実現させる羽ばたき機構13とを備える。羽ばたき機構13は、機体11の下方に位置して機体11に対して相対上下動自在に設けられた支持体19と、この支持体19と翼12とを結合する一対の弾性体リンク20と、支持体19を機体11に対して相対上下動させる駆動部22とを具備する。弾性体リンク20は、軸線を撓ませ、かつ支持体19の相対昇降途上で撓みの中立点を越えて反対方向へ撓むように支持体19と翼12との間に介設され、支持体20の上死点において翼12を下方回動させる回転トルクを生じ、支持体19の下死点において翼12を上方回動させる回転トルクを生じるように設定される。
この発明の往復揺動機構によれば、従来の剛体リンクからなるスライダ・クランク機構の全体の大きさ、リンク数、入力トルクを変えずに、従動節である剛体リンクの回転ストロークをより大きくとることができ、機構の簡素化、小型軽量化、コストダウンに貢献することができる。
また、この発明に係る羽ばたき飛行機によれば、蝶のような、大きな振幅で羽ばたき飛行する羽ばたき飛行機を提供することができる。
図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図1ないし図5は本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。
図1ないし図5において往復揺動機構は、上下に矢印aのストロークで往復直動運動をする直動部材1と、この直動部材1の上方に一端が枢支され矢印bのストロークで往復揺動運動をする剛体リンク3と、直動部材1と剛体リンク3との間を連結する弾性体リンク2とを具備する。この往復揺動機構は、直動部材1の往復直動運動を剛体リンク3の往復揺動運動に変換する。
図1において、直動部材1が上死点にあり、剛体リンク3は撓んだ弾性体リンク2に押し上げられ、上限角(回転角θ≒90°)位置にある。直動部材1の上死点で、剛体リンク3が直動部材1の運動線とほぼ平行に配置されるが、弾性体リンク2の軸線は剛体リンク3に対して平行にならないので、上昇行程においては直動部材1の力が弾性体リンク2の軸線方向の押圧力として有効に剛体リンク3に伝えられ、剛体リンク3の反時計方向の回転トルクが得られると共に、下降行程に転じると、弾性体リンク2の撓みを戻そうとする力f3により、剛体リンク3の時計方向の回転トルクが得られる。
直動部材1の下降行程により、剛体リンク3は下方回動(図において時計方向へ回転)し、図2の状態を経て回転角θ=0°になる図3の状態となる。この状態、弾性体リンク2は、剛体リンク3との結合点c付近において、剛体リンク3の回転運動の接線に近い方向に結合している。この状態を、弾性体リンク2の撓みの中立点(自然形)に設定してある。
剛体リンク3は、直動部材1の下降行程によりさらに下方回動し、図4のように、弾性体リンク2が反対方向へ撓んでほぼ直線状に延びる状態を経て、図5のように、直動部材1の下死点において、下限角(θ=−80°)に達する。この状態においても、弾性体リンク2の軸線は剛体リンク3に対して平行にならない。したがって、下降行程の下死点付近においても、直動部材1の力が弾性体リンク2の軸線方向の押圧力として有効に剛体リンク3に伝えられ、剛体リンク3の時計方向の回転トルクが得られる。上昇行程に転じると、弾性体リンク2が撓んで蓄えたエネルギ、すなわち撓みを戻そうとする力f4により、剛体リンク3を上方(反時計方向)回動させる回転トルクが得られる。
弾性体リンク2の撓みの中立点(自然形)を、剛体リンク3の回転角θ=0°付近に設定することにより、翼のはばたき運動のような往復揺動運動を実現できるが、中立点の回転角θを変更(自然形を変更)し、あるいは弾性体リンク2の材料定数を変更することにより、直動部材1の上下死点における剛体リンク3の回転トルクを変更することができる。弾性体リンク2は、合成樹脂製の帯板で構成するのが好適であるが、その材質は問わない。また、弾性体リンク2は、帯板状のものに限定されず、例えば棒状または線状のものであってよい。
図6ないし図12を参照して、上記往復揺動機構を小型で、大きな羽ばたき角を必要とする蝶のような羽ばたき運動を行う羽ばたき飛行機に適用した実施例を説明する。図6は羽ばたき飛行機の前方から見た斜視図、図7は図6の羽ばたき飛行機の後方から見た斜視図、図8は図6の羽ばたき飛行機の正面図、図9は図6の羽ばたき飛行機の側面図、図10(a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が上限角にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図、図11(a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が回転角0°にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図、図12(a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が下限角にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図である。
羽ばたき飛行機は、図6ないし図12に示すように、棒状体から構成される機体11、機体11に取り付けられた羽ばたき翼12、羽ばたき翼12の羽ばたき運動を実現させる羽ばたき機構13を備える。
羽ばたき翼12は、機体11の左右に取り付けられており、羽ばたき機構13により駆動されて羽ばたき運動を行う。羽ばたき翼12は、翼根部材14と、翼根部材14から翼端部まで翼前縁に沿って、やや後方へ湾曲して延びる左右一対の第1の骨杆15と、翼根部材15から骨杆15に対して所定の角度離れて翼端部まで翼下縁に沿って延びる左右一対の第2の骨杆16、第1及び第2の骨杆15,16間に張られた所定形状(ほぼ台形状)の翼型を有する翼膜17とから構成される。翼膜17は軽量な合成樹脂フィルムからなる。
第1及び第2の骨杆15,16は、いずれも竹材で調製された部材であり、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有している。同等の性質を有していれば、素材はこれに限定されない。これら第1及び第2の骨杆15,16が、図1ないし図5における剛体リンク3として機能する。第1及び第2の骨杆15,16は、翼根部材14を介して、機体11の左右に、機体11の軸線と平行に固着されたピン18で枢着される。翼12は、後述する羽ばたき機構13に連結されており、羽ばたき機構13の駆動により、ピン18を中心に上下方向に回動する。これにより、羽ばたき翼12のフラッピング運動が可能となる。また、第1及び第2の骨杆15,16は、いずれも翼根部から翼端部に向かって徐々にその断面積が縮小し、翼端部側がより高い柔軟性を有している。これにより、羽ばたき時の翼12の後縁の圧力を緩和することで、効率的に揚力を作り出せるようにし、擬似的なフェザリング運動を可能としている。
羽ばたき機構13は、機体11の下方に間隔を置いてほぼこれに沿うように前後方向に延びる棒状の支持体19と、支持体19の前方端部の左右において支持体19を骨杆15,16に連結する左右一対の弾性体リンク20と、支持体19の前後方向中間部の左右において支持体19を機体11に連結する左右一対の斜め支持杆21と、支持体19の前方を機体11に対して上下方向に往復直動運動させる駆動部22等からなる。
弾性体リンク20は、弾性合成樹脂製の帯板状部材からなり、下端において支持体19の前端部左右側面に固着され、上方へ延びつつ湾曲し、上端部において翼根部材14を介して骨杆15,16に固着される。
斜め支持杆21は、機体11の前後方向中間部の左右側面において水平ピン23により上端部が枢支され、斜めに後ろ下方へ延び、途上において支持体19の後端部左右側面に固着され、さらに下方へ延出している。
駆動部22は、支持体19の前端下方において駆動源となるゴム紐24の一端を係止する係止部材25と、支持体19の後端下方においてゴム紐24の他端を係止するクランク26と、クランク26と機体11の後端部とを連結する連接杆27とを具備する。クランク26を支持する軸受け部材28は、支持体19の後端下方において下方へ延出した斜め支持杆21の下端部に固着される。クランク26の前方端にはゴム紐24が係止され、後方端には、連接杆27の基端が枢着される。連接杆27の先端部は機体11の後端からそれの軸線に沿って後方へ延出する支軸29に枢支される。
したがって、ゴム紐24に蓄えられたエネルギによりクランク26が回転すると、連接杆27、支軸29を経て機体11の前後端部がピン23を中心にして、支持体19に対して交互に相対上下回動する。支持体19に対する機体11の相対回動面は、ガイド棒30によって規制される。ガイド棒30は、軸受け部材28から支持体19に対して直角に上方へ延びており、その上部は、機体11の後部に上下方向に貫通するように形成された軸線方向の長孔31を自由に貫通している。支持体19と機体11の前端部における相対昇降動は弾性体リンク20を介して骨杆15,16に伝わり、骨杆15,16を羽ばたき運動(往復揺動)させる。すなわち、実質的に、支持体19の前端部が、図1ないし図5の本発明の説明における直動部材1として機能し、同じく骨杆15,16が剛体リンク3として機能する。
翼17は、180°に近い羽ばたき角を持つ。翼17の上限角、下限角に対応する、支持体19の前端部の昇降動における上下死点付近においても、弾性体リンク20は、軸線が骨杆15,16に対して平行にならないから、支持体19の前端部の力が効率的に骨杆15,16に伝えられ、それの大きな回転トルクを維持する。また、上昇行程、または下降行程に転じると、撓んだ弾性体リンク20の復元力が、骨杆15,16反対方向の回転トルクを生む。
本発明の往復揺動機構は、ピストンなどの往復直動運動を往復回転運動に変換するクランク機構、リンク機構を有するメカニズムの全てに適用できる。
また、本発明の羽ばたき飛行機は、玩具に適用できる他、これに実用的機能を付加した各種の飛行体に適用できる。
本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。 本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。 本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。 本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。 本発明の往復揺動機構の原理を動作の順を追って説明する動作説明図である。 羽ばたき飛行機の前方から見た斜視図である。 図6の羽ばたき飛行機の後方から見た斜視図である。 図6の羽ばたき飛行機の正面図である。 図6の羽ばたき飛行機の側面図である。 (a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が上限角にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図である。 (a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が回転角0°にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図である。 (a)は図6の羽ばたき飛行機における翼が下限角にある状態の正面図、(b)はその一部の拡大図である。 従来のスライダ・クランク機構の説明図である。
符号の説明
1 直動部材
2 弾性体リンク
3 剛体リンク
A 直動体の運動線
a 直動体の運動ストローク
b 回転運動ストローク
c 結合点
f3 撓みを戻そうとする力
f4 撓みを戻そうとする力
θ 回転角
11 機体
12 翼
13 羽ばたき機構
14 翼根部材
15 第1骨杆
16 第2骨杆
17 翼膜
18 ピン
19 支持体
20 弾性体リンク
21 斜め支持杆
22 駆動部
23 水平ピン
24 ゴム紐
25 係止部材
26 クランク
27 連接杆
28 軸受け部材
29 支軸
30 ガイド棒

Claims (2)

  1. 上下に往復直動運動をする直動部材と、この直動部材の上方に一端が枢支される剛体リンクと、直動部材と剛体リンクとの間を連結する弾性体リンクとを具備し、直動部材の往復直動運動を剛体リンクの往復揺動運動に変換する機構であって、
    前記剛体リンクは、前記直動部材の下降行程により下方回動し、直動部材の下死点において下限角に達し、直動部材の上昇行程により上方回動し、直動部材の上死点において直動部材の運動線とほぼ平行となる上限角に達する位置関係にあるよう配置され、
    前記弾性体リンクは、一端において前記直動部材に結合され、他端において前記剛体リンクに結合され、それにより軸線を撓ませ、かつ直動部材の昇降途上で撓みの中立点を越えて反対方向へ撓むように直動部材と剛体リンクとの間に介設され、直動部材の上死点において剛体リンクを下方回動させる回転トルクを生じ、直動部材の下死点において剛体リンクを上方回動させる回転トルクを生じることを特徴とする往復揺動機構。
  2. 機体と、この機体に揺動自在に取り付けられた翼と、この翼の羽ばたき運動を実現させる羽ばたき機構と、を備える羽ばたき飛行機であって、
    前記羽ばたき機構は、前記機体の下方に位置して機体に対して相対上下動自在に設けられた支持体と、この支持体と前記翼とを結合する一対の弾性体リンクと、支持体を機体に対して相対上下動させる駆動部とを具備し、
    前記弾性体リンクは、軸線を撓ませ、かつ前記支持体の相対昇降途上で撓みの中立点を越えて反対方向へ撓むように支持体と前記翼との間に介設され、支持体の上死点において翼を下方回動させる回転トルクを生じ、支持体の下死点において翼を上方回動させる回転トルクを生じることを特徴とする羽ばたき飛行機。
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