JP2013514232A - 共振エンジン - Google Patents

Abstract

【解決手段】少なくとも１つの振動トランスデューサ（１４）が接合された駆動プレート（１２）と、振動トランスデューサに接続されてそれを励振する駆動信号発生器と、第１の固有共振周波数を有し、駆動プレート（１２）に取り付けられた近位端、および自由遠位端を有する第１のバネ−質量共振器と、駆動プレートに、第１のバネ−質量共振器とは実質的に反対側に取り付けられた反発手段とを備える共振エンジンを開示する。振動トランスデューサ（１４）が、前記の固有共振周波数もしくはその近傍の成分を含む発生器からの駆動信号により励振されたとき、第１のバネ−質量共振器は、共振により、駆動プレート（１２）とは実質的に逆位相で振動する。振動トランスデューサ（１４）の小さい振動撓みは、制御可能な運動学的運動の大きい撓みに変換される。共振エンジンは、少なくとも１つのバネ−質量共振器に、飛行に適した昆虫のような運動態様で羽ばたくことにより推力を生成することができる羽（ＲＤ、ＬＤ）を取り付けたナノエアビークル（１０−１０ｆ）に、格別の用途を有する。エンジンに追加的なバネ−質量共振器が付加された場合、それぞれに羽を取り付けてよい。バネ−質量共振器は、（分離状態で測定した場合に）それぞれ異なる固有共振周波数を有するように調整して、駆動信号を調整することにより飛行を制御してよく、特定の駆動周波数では、共振器のいくつかは、その他よりも優先的に共振し、対応する羽からの揚力を増大させて、飛行を制御する。羽を互いに反対の方向に向けることで、回転飛行を生じさせてよい。羽型共振器とは実質的に異なる周波数帯で調整され、互いに近接して調整される共振器を脚部として付加して、独立的に制御可能な地上移動もしくは空中移動を行うことができる。
【選択図】１Ｃ

Description

本発明は、ナノエアビークル（ＮＡＶ）として知られる羽ばたき飛行装置に特に適した共振エンジンに関し、特に、飛行および地上移動が可能な小型マルチモード電気機械式昆虫に関する。

制御されたホバリング飛行および地上移動が可能な、効率的かつ制御可能な昆虫サイズのＮＡＶの製造は、かなりの困難を極めている。産業界で一般的に認識されているＮＡＶの規模は、翼幅が７．５ｃｍ未満、重量が１０ｇであるが、現在の設計目標は、翼幅が３ｃｍ未満、重量が１ｇのより軽い規模である。

ＮＡＶエンジンの推力重量比は、電源および制御電子回路を浮揚させる必要があるので十分に高くする必要があるが、部品の電力密度の拡張性が非線形であるので、規模が小さくなるにつれ、視力重量比を高くすることがますます困難になってきている。推力重量比を高くし、電力消費を低く保つには、空中移動および地上移動の両方に、効率的なモータおよび変速システムを提供することがますます重要になっている。ＮＡＶの規模が小さくなるにつれ、同等の性能を維持するには、羽ばたき周波数を不釣合いに高める必要が多くなる。羽ばたき周波数を高めると、風が強い条件下において、より効率的な上昇が得られ、飛行の安定性が高まるが、モータおよび変速システムにおける摩擦エネルギー損失により、効率性、および構造疲労によるエンジン故障に関連してエンジン寿命には、悪影響がもたらされる。

通常のＮＡＶの研究および１００ｍｇ未満の微小機械式昆虫エンジンの試作品では、電気エネルギーを昆虫が行う飛行にふさわしい複雑な羽の動きに変換する１つ以上の適切な電気機械トランスデューサからの小さな撓み（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）を増幅する撓みレバージョイントを備える複雑運動変速機の対を用いる。現在研究されている電気機械トランスデューサには、圧電材料、形状記憶材料、誘電エラストマー、および電気化学アクチュエータがある。

ＮＡＶのバッテリまたはセルの容量は、ＮＡＶが有用な飛行持続時間を持てるような容量である必要がある。リモートコントロール型屋内玩具の飛行としては、２−３分の飛行で十分であるが、商業的な航空写真用には、飛行持続時間は、さらに1時間続くと便利である。したがって、大抵の実際的な用途において、電源は、浮揚させるには重量が重い部品である。

ますます規模が小さくなり、翼幅が通常３ｃｍ未満となっている条件において、十分な推力重量比のエンジン性能を作り出す困難さは、強度および電力密度を高めつつ、モータ、機体、および変速機の重量を減量させるべく、相当の努力を産業界に強いている。

通常、ＮＡＶに必要とされる羽の動きが、飛行制御パラメータを遂行するべくより大きな運動を必要とする場合には、変速機、アクチュエータ、および関連する電子回路がさらに付加されるので、エンジンの重量が増え、電力密度が減少する。地上移動用の脚部等の付属器官がさらに付加されれば、ＮＡＶが飛行中に支えるべき重量が実質的にさらに増える。

雨、埃、熱、および冷気等の自然飛行条件下での操作性も、考慮すべき更なる項目である。撓みレバー運動変速機対は、重量増大につながる保護覆いを被せないかぎり、砂塵粒子により簡単に損傷する。変速機に対する温度変動および雨の影響によっても、飛行は妨害される。現在、ＮＡＶ規模の羽ばたき飛行メカニズムは、かなり動きが抑制されたなんらかの形態の運動変速機対を用いており、したがって、抑制された整合しないトルクモーメントにより軸受荷重が高まることが原因で、摩擦が増大する傾向にある。さらに、これらのメカニズムでは、運動変速機対を搭載して反作用させる機体は、頑丈である必要があり、したがって重量が比較的重い。これらの羽ばたきシステムにとっては、共振による動作が有利であることが多く、摩擦損失が減り、共振がない場合に比べて高い効率でシステムは動作することができる。しかし、運動変速機対の運動が抑制されているので、システムは、小さい撓み（ｓｔｒａｉｎｓ）をより大きい撓みの所望の羽運動に効率的に増幅・変換させるにおいて、共振の利益を直接的に享受することはない。むしろ、アクチュエータの小さい撓みの、より大きい羽の撓みへの運動増幅は、撓みレバーの運動を介して機械的に達成される。

その他の周知のＮＡＶ装置は、付属器官（羽）を動作させるべく化学アクチュエーションを利用する。

上記したエンジン設計の困難性は、実用的なＮＡＶの登場を妨げている。

共振周波数は、壊滅的な構造破損につながり易いので、どのような物理的製品においても、通常は避けられる。しかし、周波数・振幅変調により適切に機械的共振を制御することにより、微小機械式昆虫ＮＡＶの羽および／または脚部に動力を与えるべく、必要なときに、特定の大きさおよび方向を有する有用な機械的撓みを生成することができる。

上記の従来技術の非効率性および問題点を克服するべく、本明細書で共振運動増幅器（ＲＭＡ）と呼ばれる共振エンジンを提案する。

本発明によると、少なくとも１つの振動トランスデューサが接合された駆動プレートと、振動トランスデューサに接続されてそれを励振させる駆動信号発生器と、第１の固有共振周波数を有し、駆動プレートに取り付けられた近位端および遠位端を有する、第１のバネ−質量共振器と、前記駆動プレートに、第１のバネ−質量共振器と実質的に反対側に取り付けられた反発手段とを備え、振動トランスデューサが、第１の固有共振周波数もしくはその近傍の成分を有する発生器からの駆動信号により励振されたとき、第１のバネ−質量共振器は、共振により、駆動プレートとは実質的に逆位相で振動する共振エンジンが提供される。

反発手段を提供し、適切に調整されたバネ−質量共振器を設けることで、トランスデューサに入力されたエネルギーは、駆動プレートの撓みに変換されるよりも、共振器の撓みに、特に、その自由遠位端の増幅された運動に変換される。

駆動信号発生器は、可変調波成分の電気信号を生成するよう、つまり、それぞれ可変の周波数および振幅を有する周期的電気信号を生成することができるよう構成されてよい。たとえば、駆動信号は、ＡＣ正弦波、または、２つ以上の正弦波が合算されたものであってよい。このような可変信号を用いて、エンジンを制御することができる。

好ましくは、反発手段は、駆動プレートに、第１のバネ−質量共振器と実質的に対称的に取り付けられた第２のバネ−質量共振器を有する。別の実施形態では、代わりに、駆動プレートの、第１のバネ−質量共振器とは反対側の位置に取り付けられた重りを用いることができ、第１のバネ−質量共振器は、重りの慣性に反発して共振する。そのような重りを用いる場合、重りは、好ましくは、エンジンの補助的な部材、たとえば電源から形成することができる。実質的に対称的な第２のバネ−質量共振器を用いることで、構造は簡易になり、飛行用途には特に重要なことに、エンジンの重量が最小化される。第１および第２のバネ−質量共振器は、共振器の固有共振周波数もしくはその近傍にある駆動プレートの振動により同調的に励振されたとき、駆動プレートを介して、互いのトルクモーメントに逆位相関係で反発する。このとき、第１および第２のバネ−質量共振器は、駆動プレートの両側において、駆動装置の撓み成分に対して実質的に逆位相の撓み関係を示し、それによって、駆動プレートの振動応力−撓み成分は、ほぼ振動応力に制限される。したがって、駆動プレートは大きい振動撓み変形を示さず、駆動プレートの振動エネルギーの大部分は、駆動プレートの振動応力によって、バネ−質量共振器に伝達され、共振器において振動撓み（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）（つまり、撓み（ｓｔｒａｉｎ））に変換される。この態様により、過度に駆動装置を変形させることなく、かつ、活発な機械的振動を反発させるべくエンジンをグラウンドもしくは基磐となる質量につなぐ必要なく、段々に大きくなる振動撓みを共振器の長さに沿って増幅することが可能になる。

好ましくは、分離状態で測定した場合、第２のバネ−質量共振器は、第１の固有共振周波数とは異なる第２の固有共振周波数を有する。第１および第２の共振器を僅かに異なる固有共振周波数に調整することにより、第１の共振器を第２に共振器に優先して励振させることができ、その逆も可能である。たとえば、駆動信号が第１の共振器の固有共振周波数の成分を含む場合、第１の共振器は、第２の共振器よりも大きい振幅で動作する。その逆も成立する。さらに、駆動信号が、第１および第２の共振器の固有共振周波数の間の周波数を有する成分を含む場合、共振器の周波数は、詳細な説明でより完全に説明されるように、同期（ｌｏｃｋ）する傾向がある。

好適な実施形態では、駆動プレートの平面で観察したとき、バネ−質量共振器もしくは各バネ−質量共振器のバネは、駆動プレートとともに、Ｚ型の屈曲形状を有し、Ｚ型の屈曲形状の近位端は、駆動プレートと連結している。詳細な説明でより詳細に記載されるように、この構成には格別の利点がある。

駆動プレートおよび第１のバネ−質量共振器のバネは、単一部品として一体に形成してよい。同じく、第２のバネ−質量共振器のバネは、駆動プレートと一体に形成してよい。３つの部材全部を一体に形成してよい。これらの実施形態には、部品の数を減らせる利点があり、部材間の結合点における潜在的な脆弱性が回避され、一体形成しない場合には不可能であったかもしれない製造技術が可能になる。たとえば、駆動プレート並びに第１および第２のバネ−質量共振器は、合成材料から一体に形成してよい。

エンジンと、羽および／または脚部を制御する機構および制御とを、好ましくは単一の連続的形状の合成ＲＭＡ部品内に含め、羽および脚部のモータ機能の全てでトランスデューサを共用することで、ＮＡＶのモータ、機体、および変速機の重量および大きさが実質的に減少し、電力密度、強度、および持続期間が増大する。

いくつかの実施形態では、バネ−質量共振器もしくは各バネ−質量共振器またはその近傍に、離散質量を取り付けてよい。バネ−質量共振器を特定の周波数に調整するのに重要なパラメータの１つが、共振器の質量である。バネ部材の質量だけでは十分でない場合、またはバネ部材の質量が正しく分配されていない場合、好ましくはバネの自由端に向けて取り付けられる追加的な質量により補完してよい。

第１のバネ−質量共振器は通常、バネの自由遠位端に取り付けられるダンパをさらに有し、動作可能な第１のバネ−質量−ダンパシステムを形成する。ダンパは、（地上移動のために）グラウンドと係合する質量、（液体媒質中を推進するための）フィン、または（空気等の気体媒質中を推進するための）羽、等の多様な形態をとってよい。

第２のバネ−質量共振器を有する実施形態では、第２のバネ−質量共振器は、そのバネの自由遠位端に取り付けられるダンパをさらに有して、動作可能な第２のバネ−質量−ダンパシステムを形成してよい。または、第２の共振器は、その端部にダンパを取り付けられなくてもよく、その場合、第２のバネ−質量共振器の機能は、反発手段としての機能である。後者の実施形態では、第１のバネ−質量−ダンパシステムが羽を有する場合、当該単一の羽は、回転飛行を生じさせる。

第１のバネ−質量−ダンパシステムのダンパと同じく、第２のバネ−質量−ダンパシステムのダンパは、質量、フィン、または羽を含んでよい。第１および第２のバネ−質量−ダンパシステムのそれぞれが羽を含む場合、２枚の羽は、互いに同一の方向を向くよう取り付けてよく（実際通りに）、または、反対の方向を向くように取り付けてよい（その場合、回転運動が誘導される）。

回転する実施形態では、ジャイロスコープ力が関与することで、安定性が増す利点がある。さらに、羽もしくは複数の羽が空気中を回転するときの迎え角により、揚力が増す。

追加的なバネ−質量共振器をさらに駆動プレートに取り付けてよい。これらの追加的なバネ−質量共振器は、それぞれダンパを含んでよい。特に、追加的な羽の対を付加してよい。さらに、もしくは、または、追加的な共振器は、グラウンドに接触するべく延伸する脚部であってよい。脚部は、地上移動する態様で振動する。

追加的なバネ−質量共振器もしくは追加的なバネ−質量共振器のそれぞれは、第１のバネ−質量共振器（および第２のバネ−質量共振器、または、任意のその他のバネ−質量共振器）とは異なる固有共振周波数を有する。第１および第２の共振器の相対的な固有周波数に関して上記したように、固有周波数の不一致は、駆動信号の成分を変化させることにより、選択した共振器を他に優先して励振してよいことを意味する。運動を制御するべくこの点をいかに活用するかについての具体例は、詳細な説明で記載される。

振動トランスデューサは、圧電材料、誘電エラストマー材料、電気機械的活性材料、電磁機械的活性材料、および直接的に集合電荷を運動に変換することで共振を誘導する原子ソース（ａ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ−ｃｈａｒｇｅ−ｔｏ−ｍｏｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含んでよい。

いくつかの実施形態では、駆動プレートおよび振動トランスデューサは、単一部品として一体に形成してよい。つまり、駆動プレート自身が振動性トラスデューサを形成してよい。これは、駆動プレートが、たとえば、圧電材料、誘電エラストマー材料等から形成される場合、または活性含有物集合体（ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｃｔｉｖｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）との複合材料を含む場合に可能である。このような単一部品は、共振器のバネともさらに一体化させて、一部品からなるエンジン（ｏｎｅ−ｐｉｅｃｅ ｅｎｇｉｎｅ）を形成してよい。これらの実施形態には、部品の数を減らせる利点があり、部材間の結合点における潜在的な脆弱性が回避され、一体形成しない場合には不可能であったかもしれない製造技術が可能になる。

バッテリ、充電式バッテリ、原子力電池、セル、充電式セル、太陽電池、および燃料電池からなる群から選択される自身に搭載される少なくとも１つの電源をさらに含めてよい。

通常、少なくとも１つの電源は、太陽電池に入射する光、圧電トランスデューサを外部から振動により刺激することで発生される電力、放射性同位体崩壊、燃料電池用の燃料、温度差により発生される電力、および電気充電器への直接的な電力結合からなる群から選択される少なくとも１つのエネルギー源によりにより再充電可能である。

さらに、もしくは、または、エンジンは、外部電磁エネルギーを受信して電気エネルギーへと整流する自身に搭載される受信器（たとえば、誘導コイル、光検出器、アンテナ等であってよい）をさらに備えてよい。上記の電源のうち任意のものを組み合わせた混合エネルギー源を用いてよい。

飛行用の羽を備えるエンジンの実施形態にとって特に重要であるのは、エンジンおよび関連する付属部品の重量である。従来は、電源が軽量であることは、電源が限られており、飛行時間が制限されることを意味した。電源を上記の手段等により再充電可能にすることにより、これを軽減することができる。

いくつかの実施形態では、共振エンジンは、駆動プレートに接続されて、その応力および／または撓みを検出する応力センサもしくは撓みセンサを備える。詳細な説明でより十分に説明するように、これを用いてエンジンの動作を診断することができる。

いくつかの実施形態では、共振エンジンは、姿勢センサ（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｓｅｎｓｏｒ）、位置センサ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）、方向センサ、動きセンサ、位置センサ（ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）、慣性センサ、ジャイロセンサ、磁気センサ、光センサ、近接センサ、走査センサ、高度センサ、およびカメラからなる群から選択される少なくとも１つのセンサを備えてよい。少なくとも１つのセンサからの出力を、駆動信号発生器へのフェードバックループで用いて、エンジンの動作を制御することができる。好ましくは、所定の実施形態では、少なくとも１つのセンサは、固定的な参照フレームに対するエンジンの回転方位を検出することができる。エンジンが回転飛行を生成する構成に対して特段の有用性を有するこのような実施形態では、回転方位を検出する少なくとも１つのセンサからの出力は、フィードバックループで駆動信号発生器にフィードされ、発生器からの駆動信号をエンジンの回転に同期させる。これを利用して、エンジンを所定の方位に維持することができる。さらに、もしくは、または、回転効果を克服するべく、その他の部材によって出力を用いてよい。たとえば、カメラで信号を受信して、撮像をエンジンの特定の方位に同期させることで、カメラがエンジンと一緒に回転する場合でも、静止物体を撮像することが可能になる。

回転する実施形態のうち所定の実施形態においては、共振エンジンを、回転連結器によって、同様な第２のエンジンに取り付けてよい。第２のエンジンを、第１のエンジンとは反対の方向に回転するように構成して（つまり、羽を取り付けて）、第２のエンジンを、固定的な参照フレームに対して固定的な回転位置を維持するように制御することができるようにすることが好ましい。

エンジンは、自動的な自己完結的（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ）な態様で動作するべく、必要な全部材を含んでよいが、いくつかの実施形態では、共振エンジンは、駆動信号発生器を遠隔から動作させる手段を備える。この機能によって、エンジンは、たとえば、人間もしくは仮想的オペレータによって遠隔制御されることが可能になる。全動作が自己完結的である実施形態とは対照的に、これによって、いくつかの部材をエンジンから外すことも可能になり、エンジンの重量が最小化される。

エンジンが複数のバネ−質量共振器を備える場合、複数のバネ−質量共振器がそれぞれ生成したトルク力モーメントが互いに実質的に打ち消し合い、かつ駆動プレートのトルク力モーメントを実質的に打ち消すことで、駆動プレートを実質的に撓ませるのではなく、駆動プレートに入力されたエネルギーの実質的に全てがバネ−質量共振器に伝達されて、バネ−質量共振器の自由遠位端を撓ませるシステムが生じるように、これらの多様なバネ−質量共振器を調整かつ配置することが好ましい。このようにすることで、有効な制御と組み合わされた最適な効率が達成される。さらに、飛行を含む実施形態には明らかに悪影響を有する付属物の反発手段（たとえば、設置された重り）に頼る必要がない。

添付の図面を参照して、例示を目的として発明を記載する。
本発明の第１の実施形態に係る共振エンジンを備えるＮＡＶの平面図および正面図である。 図１Ａおよび１ＢのＮＡＶの等角図である。 静止したホバリング姿勢にある概略的ＮＡＶの４つの羽ストローク位置を示し、羽および共振器の運動の垂直、水平、および回転成分を示している。 上昇ストロークおよび下降ストロークにおける３つの羽位置の正面図である。 羽ストローク位置の上下における概略的ＮＡＶを示しており、それぞれ、高空浮揚、低空浮揚、左回転、および右回転の羽ストローク振幅を示している。 本発明の別の実施形態に係る共振エンジンを組み込んだリモート制御される微小機械式昆虫の上方からの図および下方からの図をそれぞれ示しており、６本の脚型協新規、電源、距離測定器、および慣性測定ユニットが追加されている点で、第１の実施形態と異なる。 ナノエアビークル全体が飛行中に回転するように左側の羽が右側の羽の反対側に設けられた、本発明のさらなる実施形態を示す。 バネ−質量共振器を２つ有するが、羽は１つだけ有する回転エンジンの上面図および側面図である。 ２つの逆回転羽を駆動する２つの共振エンジンを用いるＮＡＶを示す。 １つの共振エンジンを用いる四羽ＮＡＶを示しており、駆動装置は、フィードバック検知に使用される電気的に切り離された領域を有し、エンジンの中心位置には、電源および制御回路が取り付けられている。 別の四羽ＮＡＶを示しており、共振エンジンの中心点の下に、電源・制御モジュールおよびセンサモジュールが搭載されている。 駆動プレートを１枚だけ使用して全姿勢および推力の制御を行うべく、６つのバネ−質量共振器および４つの羽ダンパを供えるＮＡＶの上面図である。 共振発振状態での、それぞれ上昇サイクルおよび下降サイクルにおける、２つの対向する駆動プレート−バネ取り付け点における反対向きのトルクベクトルを例示する。

以下の具体的な記載においては、ナノエアビークル（ＮＡＶ）の多様な実施形態を記載する。これらの実施形態に共通するのは、振動トランスデューサの比較的小さい発振を増幅して、少なくとも１つのバネ−質量共振器の自由端に比較的大きい撓みを生じさせる原理にしたがって動作する共振エンジンである。このような共振エンジンを、本明細書では、共振運動増幅器（ＲＭＡ）と呼ぶ。

ＲＭＡの記載はＮＡＶの文脈で提供するのであるが、ＲＭＡがその他の用途に適用可能であることは理解されよう。たとえば、液体中を「泳ぐ」ことができる（ナノ）ビークル用に、羽をフィンで置き換えることができる。

また、本技術は、このようなナノスケール用途に特に有益であるが、拡張性を有しており、適切に調節したＲＭＡをより大型の乗り物を駆動するのに使用することができる。

第１の実施形態に係るＮＡＶ１０は、ハエまたはハチ状の昆虫を模しており、図１Ａ−Ｃに示されている。ＮＡＶ１０は、引張係数が高い材料で形成された軽量の本体を有し、右側バネＲＳおよび左側バネＬＳが両側から対称的に広がる駆動プレート１２を有する。圧電材料またはその他の電気機械的反応性材料から形成される振動トランスデューサ１４が、たとえば、接合により駆動プレート１２に結合されている。駆動プレート１２の上面または下面にこのようなトランスデューサを１つだけ設けてよく、または、（図示のように）対向する上面および下面に１対のトランスデューサを設けてもよい。１セットの電極１６がトランスデューサ１４に電気的に接続されて、駆動信号発生器（不図示）からの電気駆動信号を供給し、トランスデューサを励振する。

１つ、またはそれぞれのトランスデューサは、ユニモルフ（つまり、リセット位置から離れる方向の１方向だけに撓む）であってよく、またはバイモルフ（つまり、リセット位置から両方向に交互に撓む）であってもよい。

駆動プレート１２の平面で観察すると、各バネ−質量共振器は、駆動プレートとともにＺ型の屈曲形状を形成しており、Ｚ型屈曲形状の近位端は駆動プレート１２と連結している。

図示のＺ型屈曲形状バネは当該用途に特に適していることは証明されているが、その他の構成も可能であることは理解されよう。

左側バネＬＳおよび右側バネＲＳの自由端には、それぞれ膜１８および翅脈２０を有する左側羽ＬＤおよび右側羽ＲＤが取り付けられている。

左側バネＬＳおよび右側バネＲＳの自由端には、離散質量（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｍａｓｓｅｓ）ＬＭおよびＲＭも取り付けられている。バネＬＳおよびＲＳは、対応する質量ＬＭおよびＲＭとともに、振動トランスデューサ１４により励振される駆動プレート１２により、それぞれの固有振動数で機械的に励振されるバネ−質量共振器を形成する。バネ−質量共振器は、対応する羽ＬＤおよびＲＤと組み合わさって、分離して測定すると固有共振周波数を有するバネ−質量−ダンパシステムをそれぞれ形成する。

各バネ−質量−ダンパシステムの分離固有共振周波数は、自身の寸法、重量、重量配分、引張係数、慣性、風の抵抗（ダンパが羽である場合）等の要因によって影響される。したがって、共振周波数は、これらのパラメータのうち１つ以上を変更することにより、調整することができる。離散振動質量（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｍａｓｓｅｓ）ＬＭおよびＲＭは、左側バネＬＳおよび右側バネＲＳの質量および／または左側羽ＬＤおよび右側羽ＲＤの質量が十分な振動質量であり、さらなる追加質量が必要でない場合には、設ける必要はないことに注意すべきである。

使用時に、少なくとも１つの円筒状部材を有する駆動信号発生器からの電気駆動信号の供給により振動トランスデューサ１４が励振されると、トランスデューサは、当該円筒状部材に反応して収縮する。それにより、振動応力および撓み（ｓｔｒａｉｎｓ）が駆動プレート１２に誘導される。駆動プレート１２の振動応力および撓みは、バネ−質量−ダンパシステムの撓みに、特に、各バネＬＳおよびＲＳの自由端の、したがって羽ＬＤおよびＲＤの増幅された撓みに転換される。したがって、バネＬＳおよびＲＳは、自由端において高振幅の振動運動を示し、そこに蓄積されたエネルギーの一部が、取り付けられた羽ＬＤおよびＲＤにより取り出されて、羽ＬＤおよびＲＤは共振器ダンパとして機能し、羽ばたきにより揚力および推力を提供する。

駆動信号発生器は、たとえば、１つ以上の混在した周波数成分を含み、通常は正弦波形を有する交流電流から構成される駆動信号を、バネ−質量共振器の基本共振周波数もしくはその近傍で発生する。この交流（ＡＣ）駆動信号は、バネ−質量共振器の固有周波数と同調したとき、駆動プレート１２に振動曲げ応力を誘導し、バネ−質量共振器は駆動プレート１２および互いに対して逆位相撓み関係を示すので、駆動装置の撓みはほぼ打ち消され、脆い圧電材料を損傷させる過剰な撓みは最小化される。この原理によって、付属器官であるバネ−質量共振器に強い運動量を与えるべく、ＰＺＴ応力によって駆動プレート１２を実質的に変形させる必要がなくなるので、より効率的な励振が可能になる。

ダンパ付き共振器のバネＬＳおよびＲＳ、並びに、対応する質量ＬＭおよびＲＭと羽ＬＤおよびＲＤとは、電極１６上の適切な電気信号により励振されたときに、好適な振動運動を示すように形成、整形、位置付けられている。羽の運動は、共振器の形状、質量分布、引張強度、および駆動装置の交流電気駆動信号の調波成分（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ）の結果として生じる。結果として生じる運動は、効率的な飛行および飛行制御に必要な、いくつかの軸に関する回転運動および／または並進運動が多様に組み合わさったものである。

左側バネＬＳおよび右側バネＲＳ、並びに羽ＬＤおよびＲＤは、それらの形状および外形にしたがって、ある程度の伸縮自由性を有しており、羽の回転を含む羽の羽ばたき運動を補助する空気力に受動的に運動を従わせることが可能になる。

羽のストロークが切り替わる毎に行われる大きい受動的な翼端回転を補助するべく、アーム部分のアスペクト比および外形は、適切な幅方向回転弾性追従（ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）が可能になるよう最適化することができる。

適切に設計したバネ−質量共振器は、複数の共振周波数に反応して、複数軸方向に移動することができ、駆動装置の調波応力成分（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）により個別に制御可能である。たとえば、前方羽運動成分および後方羽運動成分は、駆動信号に別の周波数成分を加え、新たな周波数に反応するよう共振器を適切に形成して所望の運動反応を生成させるようにすることで、生成することができる。

最適な羽の撓みは、駆動信号の周期的成分が、バネ−質量−ダンパシステムの固有共振周波数（もしくは、その調波）またはその近傍にあるときに得られる。

左側共振器ＬＳおよびＬＭの固有共振周波数は、右側共振器ＲＳおよびＲＭと類似しているが僅かに異なる周波数に調整することが好ましく、したがって、駆動信号に差を設けることにより、各羽の撓みの大きさを制御することが可能になる。自由空間にあり、かつ単一の類似した駆動周波数で励振されたとき、左側および右側の運動位相が同期（ｌｏｃｋ）し、左側羽ＬＤおよび右側羽ＲＤは、互いに等しい周波数である羽ばたき周波数（位相角は僅かに異なる場合がある）で羽ばたく。実質的に、左側および右側は、独自の固有周波数を有する一つのバネ−質量共振システムをともに形成する。しかし、個々の部材（つまり、左側および右側）は、駆動装置の周波数（ｄｒｉｖｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が、左側バネ−質量共振器ＬＳおよびＬＭ、または右側バネ−質量共振器ＲＳおよびＲＭの固有周波数にどの程度近いかによって、異なる羽ばたき振幅で羽ばたく。これについては、図４Ａから４Ｄを参照して、回転制御の文脈でより詳細に記載する。

本発明の別の実施形態（不図示）では、左側バネＬＳおよび右側バネＲＳ、並びに駆動プレート１２は、別個に接合される電気機械的反応性材料のトランスデューサ１４が用いられないので、これら両部材が駆動部材かつ共振器として機能するよう、全てが圧電材料、圧電複合材料、またはその他の電気機械的反応性材料から形成される。

図２は、静止したホバリング姿勢にあるＮＡＶの４つの下方羽ストローク位置Ｎ１からＮ４の側面図を示し、揚力Ｌの方向および羽排気（ｗｉｎｇ ｅｘｈａｕｓｔ）Ｅの正味方向を示す。上下羽運動成分Ｄ（翼端振幅に対応）が、前後運動成分Ｆ、羽、および羽回転運動成分Ｒと組み合わさって、昆虫状の飛行運動の基本成分を生成する（上記の受動運動追従（ｐａｓｓｉｖｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）のために、羽は実際には８の字型の形状で羽ばたく）。しかし、対応する駆動装置の周波数に対する刺激に同調して励振される適切な形状のＲＭＡを使用することにより、その他の運動成分を実現することができる。上下運動成分Ｄの振幅は、振動性駆動装置の応力および撓みが、共振装置の固有周波数にどの程度同調しているか、および駆動信号の信号に正比例する。受動的羽回転運動Ｒは、羽の前縁および後縁に不均一な翼面荷重がかかるために発生し、また、弾性羽変形および共振器に追従した弾性ねじれにより発生する。

図３Ａは、ＲＭＡの上昇ストロークＤ１の３つの運動位置の正面図であり、羽は、Ｋ１、Ｋ２、およびＫ３へと後方に回転し、大まかな回転点（もしくはノード）Ｐ１を中心として羽ばたく。

図３Ｂは、ＲＭＡの下降ストロークＤ２の３つの運動位置の対応する正面図であり、羽は、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６へと前方に回転し、大まかな回転点（もしくはノード）Ｐ１を中心として羽ばたく。

図４Ａから４Ｄは、多様な周波数および電力を有し、したがって、位相同期した左および右の羽ストローク振幅に対する独立した制御を必要に応じて提供する単一の駆動信号（好ましくは、正弦波）だけで制御されるＮＡＶ１０を概略的に示す。駆動電力を変化させることにより、推力を制御するべく、羽ストローク振幅を大きくしたり小さくしたりすることができるのであるが、推力は、羽ストローク振幅に直接リンクされ、羽排気とは反対方向に進む。

実際に、第１および第２のバネ−質量共振器は、十分な独立した反発手段（たとえば、共振器が発揮する力に対して反発力となるほどに十分な質量）で分離すると、互いに対して固定された振幅を有する単一の共振器システムとして有効に動作することが実験により示されている。一方のバネ−質量共振器を他方とは異なる固有共振周波数に調整した場合、他方の共振器の反応によって、一方の共振器が生成する力は完全には打ち消されず、部分的に打ち消されるか、全く打ち消されない。

最良の動作のためには、各バネ−質量共振器は、同一の固有共振周波数を有する１セットの共振器の一部を含み、当該セットのうち１つの部材に作用する力が、当該セットのうちの他方の部材もしくは当該セットのうちのその他の各部材に作用する力によって均衡されるように位置付けられる。これを、図１０に示す実施形態を参照してより十分に記載する。しかし、僅かに異なる複数の駆動周波数に反応する羽を設けることにより飛行を制御する原理は当てはまり、以下に記載される。

図４Ａは、駆動信号電力が高く設定され、僅かにずらされたダンパ付き共振器の固有共振周波数の間に周波数が設定されたＮＡＶ１０を示しており、共振器は、大きい羽ストロークの上端ＲＤ１およびＬＤ１、並びに大きい羽ストロークの下端ＲＤ２およびＬＤ２に示され、羽ストローク振幅ＲＡ１およびＬＡ１は等しい振幅であり、したがって釣り合いのとれた垂直浮揚が実現される。

図４Ｂは、駆動信号電力が図４Ａよりも低く設定されたＮＡＶ１０を示す。ここでも、駆動周波数は、僅かにずらされたダンパ付き共振器の固有共振周波数の間に設定され、共振器は、小さい羽ストロークの上端ＲＤ３およびＬＤ３、並びに小さい羽ストロークの下端ＲＤ４およびＬＤ４に示され、羽ストローク振幅ＲＡ２およびＬＡ２は等しい振幅であり、したがって釣り合いのとれた垂直浮揚が実現されるが、図４Ａの駆動信号に比べると低い高さに浮揚される。

大まかに述べると、類似しているが僅かにずれた固有周波数を有するダンパ付き共振器が実質的に対称的に取り付けられたＲＭＡは、駆動信号周波数に共振して位相を同期させ、調和しない応力成分を、羽ストローク振幅の左右差および／または位相角差として現出させる。２つのダンパ付き共振器の固有周波数の間で駆動信号周波数変化させることにより、回転制御に有用な左右差のある羽ストローク振幅を実現することができる。このような同期した共振器間には僅かな位相角差が存在することが観察されているが、これらの共振器は、確かに、互いに同一の周波数で共振する。

図４Ｃは、ダンパ付き共振器が羽ストロークの上端ＲＤ５およびＬＤ５、並びに羽ストロークの下端ＲＤ６およびＬＤ６に示され、駆動信号電力が高く設定され、駆動信号周波数が、右側のダンパ付き共振器ＲＤ５および左側のダンパ付き共振器ＬＤ５の固有共振周波数の間において、左側よりも右側のダンパ付き共振器の固有共振周波数に近く設定されたＮＡＶ１０を示す。これによって、右側ＲＡ３で羽ストローク振幅が大きくなり、左側ＬＡ３で羽ストローク振幅が小さくなり、羽ストローク振幅ＲＡ３とＬＡ３との間に差が発生する。したがって、ＲＭＡ１５の右側が左側よりも高く浮揚され、ＮＡＶ１０は左側Ｌに回転する。

図４Ｄは、ダンパ付き共振器が羽ストロークの上端ＲＤ７およびＬＤ７、並びに羽ストロークの下端ＲＤ８およびＬＤ８に示され、駆動信号電力が高く設定され、駆動信号周波数が、左側のダンパ付き共振器ＬＤ７および右側のダンパ付き共振器ＲＤ７の固有共振周波数の間において、右側よりも左側のダンパ付き共振器の固有共振周波数に近く設定されたＮＡＶ１０を示す。これによって、左側ＬＡ４で羽ストローク振幅が大きくなり、右側ＲＡ４で羽ストローク振幅が小さくなり、羽ストローク振幅ＲＡ４とＬＡ４との間に差が発生する。したがって、ＮＡＶ１０の左側が右側よりも高く浮揚され、ＮＡＶ１０は右側Ｒに回転する。

図５Ａおよび５Ｂは、飛行および地上移動の両方が可能なマルチモードＮＡＶである、第２の実施形態に係るＮＡＶ１０ａを示す。ＮＡＶ１０ａは、第１の実施形態のＮＡＶ１０に似ているが、追加的な部材を含み、同様の部材は第１の実施形態と同じ参照符号で示す。本実施形態の振動トランスデューサ１４は、駆動プレート１２の上面だけに取り付けられた一片からなる部材である。

左側羽ＬＤおよび右側羽ＲＤに加えて、固有周波数が異なる周波数帯域で羽型共振器（ｗｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）に調整され、互いからは僅かにずらされた６つの追加的な共振器が下方に突出し、ＮＡＶ１０ａが地平面にあるときに、地上移動を行うための脚部として機能する。

脚部は、羽型共振器のバネに類似した、それよりも薄いＺ状折り畳み式バネＳ１からＳ６を有する。バネの近位端は、駆動プレート１２に連続的に接続されている。離散質量Ｍ１からＭ６が、バネの自由端に設けられている。

離散質量Ｍ１からＭ６を設ける代わりに、その質量分を脚部バネＳ１からＳ６の質量として含めることもできる。駆動信号周波数を、僅かにずらされた脚型共振器（ｌｅｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ）のそれぞれの固有周波数間で推移させることにより、任意の時点において、推移する駆動周波数に最も近く調和した脚部が、調和程度が低い脚型共振器よりも強く反応することで、制御された前後左右の跳躍的な振動性の移動が実現され、脚部の地平面に対する振動接触力の個別の制御が可能になり、ＮＡＶ１０ａを所望の方向に移動させる。

ＮＡＶ１０ａは、地上移動と飛行とを切り替える必要があるとき、各羽型共振器または各脚型共振器の固有周波数に合わせるべき駆動周波数を変更するだけでよい。全てのモータ機能で１つの駆動装置を共用することにより、重量が削減される。

図５Ａおよび５Ｂは、環境および慣性についての検知フィードバックを与えるための、駆動プレート１２に取り付けられた制御電子回路２２も示す。電力モジュール２４は、バッテリ、充電式バッテリ、原子力電池、セル、充電式セル、太陽電池、または燃料電池であってよい電源を含み、駆動プレート１２に連結されている。太陽パネル２６等の手段を設けて電源を再充電してよい。または、電源は、太陽電池に入射する光、圧電トランスデューサを外部から振動により刺激することで発生される電力、放射性同位体崩壊、燃料電池用の燃料、温度差により発生される電力、または電気充電器への直接的な電力結合等の少なくとも１つのエネルギー源により再充電してもよい。あるいは、または、さらに、電力モジュール２４は、外部電磁エネルギーを受信し、電気エネルギーへと整流する受信器を有してよい。このような受信器の例としては、誘導コイル、光検出器、アンテナ等が挙げられる。

上記の電源のうち任意のものを組み合わせた混合エネルギー源を用いてよい。

電力モジュール２４は、電力制御回路および駆動信号発生器（不図示）を有してよい。電力モジュール２４は、電極および付随するワイヤ１６により、トランスデューサ１４に電気的に接続されている。

電子制御回路は、受信器２８が電力／制御モジュール２４に電気的に接続されていることで、たとえば、電磁波放射による遠隔制御等の手段により遠隔制御されてよい。

代替的なＮＡＶの本体は、より良好な飛行制御を実現するべく、２つ以上の別個の駆動装置および羽型共振器（不図示）の中心に設けることができる。

より複雑な折り畳み形状および入り組んだ共振器バネの形状的特性によって、羽ストロークを切り返すときに、瞬時の推移的変化（ｓｎａｐ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ ｃｈａｎｇｅｓ）が生じ、強力かつ機敏な羽の回転、およびその他の有用な共振周波数運動効果（不図示）が実現される。

図３Ａおよび３Ｂからは、撓みの際に、バネアームが僅かに屈曲することがわかる。曲げ半径をバネアームの長さに沿って実質的に均等とするべく、バネアームは、自由端に向けて材料を減らすことでテーパ形状を有してよい。屈曲が均等であるほど、エネルギー伝達の効率が高まる。

図６は、互いに反対側に取り付けられた２つの共振器羽ダンパを有し、羽３０および３１が互いに反対方向を向いている、第３の実施形態に係るＮＡＶ１０ｂを示しており、電源モジュール３３および制御電子回路モジュール３５を取り付けられたＮＡＶは、羽３０および３１が羽ばたいて回転することにより動力を与えられて回転翼飛行装置（ｒｏｔａｒｙ ｗｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ）となると、ＮＡＶは、ジャイロスコープ力と増大した揚力Ｌとによって飛行中の回転がより安定する。

蓄積された共振器のエネルギーを取り出し、移動が生じるような方法で直接的または間接的に動作を実行するべく、羽ばたき用の羽、フィン、もしくはその他の手段を、ただ１つだけ、または任意の数設けることができる。ダンパ付き共振器を１つ用いる場合は、電力および制御系統の部品の全質量を、羽の反対側に搭載して、共振器が反発する対象となる慣性質量とする。この例としては、羽ばたいて回転する羽を１つ有する、プラタナス（ｓｙｃａｍｏｒｅ）の種の形状に似たＮＡＶ（不図示）がある。類似した周波数の複数のダンパ付き共振器を用い、それらを互いに反対側に設置する場合は、それらの逆位相反発トルクが互いに作用して、共振器が反発する対象の慣性質量が不要となる。

これらの原理は、図７Ａおよび７Ｂに示される実施形態で組み合わされており、当該第４の実施形態に係るＮＡＶ１０ｃは、２つのバネ−質量共振器ＬＳおよびＬＭ、並びにＲＳおよびＲＭを有するが、羽ダンパＤ１は１つだけ左側の共振器に取り付けられている。左側の共振器は、駆動プレート１２に、右側の共振器の反対となるように取り付けられている。左側および右側の共振器は、類似した周波数に調整され、適切な駆動信号制御により、羽Ｄ１を羽ばたかせて、ＮＡＶ１０ｃを、その質量中心Ｃを中心として回転させる。羽Ｄ１の羽ばたきおよび回転の両方により、揚力Ｌが生成される。

このような実施形態では、電力／制御回路モジュール３７は、ＲＭＡの中心Ｃに搭載される。ＮＡＶ１０ｃは、センサモジュール３９を有しており、センサモジュールは、磁気センサおよび光センサを含んでよく、ＮＡＶの回転方向における相対位置を検知して、ＮＡＶ１０ｃが、その回転位相に沿った所定点で駆動励振信号の振幅を増幅することにより、当該点で瞬間的に揚力を増大させて、全姿勢制御（ｆｕｌｌ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）を実行できるようにする。

図８は、第５の実施形態を示しており、ＮＡＶ５０は、反対方向に回転する２つの羽Ｄ１およびＤ２を駆動する２つのＲＭＡを有する。２つの単一羽ＲＭＡ６０および７０は、それらの回転中心を中心とする回転連結器により互いに連結されている。第１のＲＭＡ６０の羽Ｄ１は、第２のＲＭＡ７０の羽Ｄ２とは反対を向いており、それらの回転方向６１および７１は反対である。第４の実施形態のＮＡＶ１０ｃと大まかに類似した第１のＲＭＡ６０は、自身が回転６１するとき、ＮＡＶ５０に揚力Ｌを与えて姿勢補正（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を行う電力／制御回路モジュール３７を有し、回転６１の際に、第２のＲＭＡ７０は、羽Ｄ２からの推力を活用し、ＮＡＶ１０ｃのモジュール３９とほぼ同様の、磁気センサおよび光センサを含むセンサモジュール３８からのフィードバックを用いて、自身の周囲に対する相対的な回転位置を維持する。

図９Ａは、第６の実施形態に係るＮＡＶ１０ｄを示しており、トランスデューサ１４は、応力−撓みフィードバック検知用の、２本のワイヤ８１および８２が取り付けられた電気的に切り離された領域８０を有し、ワイヤはＮＡＶの制御電子回路モジュール８４およびセンサモジュール８６に接続され、ＮＡＶが、効率性を最大化するべく、正しい駆動励振周波数に正しく調和した共振を検知できるようになっている。ＮＡＶ１０ｄは、ＮＡＶの縦方向延長線に沿った軸に関して対称的に配置された大きい対９０および小さい対９２の２対の羽を有する。

図９Ｂは、第７の実施形態に係るＮＡＶ１０ｅを示しており、電力／制御モジュール２４およびセンサモジュール２２は、互いに釣り合いのとれた振動性の応力−撓み部材に対する影響を最小限にするべく、駆動プレート１２の下においてＲＭＡの中心点Ｃに取り付けられている。

図１０は、駆動プレート１２の互いに反対側に取り付けられた対向し合うバネ−質量共振器を３対有する、第８の実施形態に係るＮＡＶ１０ｆ示す。

１対のバネ−質量共振器ＬＳおよびＬＭ、並びにＲＳおよびＲＭからなる２部材構成のバネ−質量共振器は、駆動信号の調波成分における類似の周波数成分に一緒に反応するように類似した周波数に調整され、羽ダンパＬＤおよびＲＤが取り付けられてＮＡＶ１０ｆに揚力を与える。２部材構成の共振器は、駆動プレート１２上の軸に沿って互いに反対側に設置されるので、共振器から発生するトルクモーメントが互いに打ち消し合う（また、駆動プレート自身から発生し、当該軸に作用するトルクモーメントが打ち消される）。

第２の対のバネ−質量共振器ＬＳ２およびＬＭ２、並びにＲＳ２およびＲＭ２も、同じく、類似して調整される２部材が、駆動プレート１２上の、第１の対の軸からずれた別の軸に沿って互いに反対に設置される。第２の対のうち、一方のバネ−質量共振器ＲＳ２およびＲＭ２だけに、羽ダンパＲＤ２が取り付けられている。この羽ＲＤ２によって、ＮＡＶが姿勢制御される。第２の対の反対側の部材は、羽ダンパを取り付けられておらず、反対側のバネ−質量−ダンパＲＳ２、ＲＭ２、およびＲＤ２から発生するトルクモーメントを打ち消すことが唯一の機能である。第２の対ＬＳ２およびＬＭ２、並びにＲＳ２およびＲＭ２が調整される周波数は、第１の対ＬＳおよびＬＭ、並びにＲＳおよびＲＭとは異なる。

第３の対の、類似して調整されるバネ−質量共振器ＬＳ３およびＬＭ３、並びにＲＳ３およびＲＭ３は、第２の対と同様であるが、羽ダンパＬＤ３が右側でなく左側に取り付けられ、さらに別の周波数に調整される。第３の対を沿って配置させる軸は、第１の対の軸から、第２の軸のずれと同じ角度だけずれているが、反対方向にずれており、ＮＡＶ１０ｆの縦方向の軸に沿って対称的な配置が形成される。第２の対の単一の羽ダンパＲＤ２と同じく、単一の羽ダンパＬＤ３によって、ＮＡＶが姿勢制御される。

この構成では、振幅が異なる３つの異なる周波数の振動信号（好ましくは、正弦波）を合算して駆動励振信号を構成することによって、付属器官である３対のバネ−質量共振器の羽ストローク振幅を独立して制御することができ、各対のバネ−質量共振器は、駆動信号の調波成分が、自身の周波数を含む場合にだけ、活発な運動（ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）で反応する。駆動励振信号の調波成分が、３対のバネ−質量共振器のうち１対以上に類似した周波数成分だけを含む限り、駆動装置の撓みは最小限に維持され、駆動装置の振動応力エネルギーは、羽の活発な運動へと最大限に変換される。

本実施形態は、反発手段（たとえば、質量）を設けなくても、各対の共振器が対の他方の共振器によって生成されたトルクモーメントを打ち消す真に調和した対（ｔｒｕｅ ｔｕｎｅｄ ｐａｉｒ）として機能する点で、特に有利である。各対は、駆動プレート１２の中心点を通る各軸に沿って設置することが好ましい。ＲＳ３およびＲＭ３等の単一のバネ−質量共振器を用いて、ＬＳ３およびＬＭ３（およびＬＤ３）等の他方のバネ−質量（−ダンパ）共振器からのモーメントを打ち消すのではなく、単一のバネ−質量共振器ＲＳ３およびＲＭ３を２つ以上のバネ−質量共振器で置き換えて、全てを同一の周波数に調整し、合算されたモーメントによって、他方のバネ−質量（−ダンパ）共振器のモーメントを打ち消すことも可能である。たとえば、バネ−質量共振器ＲＳ３およびＲＭ３を、第３の対が元々沿って並べられていた軸の両側にずらして対称的に配置される１対のより軽量のバネ−質量共振器で置き換えることができ、置き換えた対のモーメントの合算値を、バネ−質量共振器ＲＳ３およびＲＭ３のモーメントと等しくする（また、バネ−質量（−ダンパ）共振器ＬＳ３およびＬＭ３（およびＬＤ３）のモーメントとも等しくするが、反対方向にする）。

図１１Ａおよび１１Ｂは、２つのバネ−質量共振器ＲＳおよびＲＭ、並びにＬＳおよびＬＭが互いに反対側に取り付けられたＲＭＡの、共振振動状態における、それぞれ上昇サイクルおよび下降サイクルにある２つの段階を示す。

図１１Ａは、上昇サイクルの終わりに向かう高い位置にある質量ＲＭおよびＬＭを示す。この状態では、バネ−質量共振器が発揮するトルク力ベクトルＲＳＵおよびＬＳＵは、バネ−質量共振器の駆動プレートへの取り付け位置である駆動プレート１２の両端ＲＣおよびＬＣを上方に屈曲させるようとする。同時に、駆動プレート１２のトルク力ベクトルＲＤＤおよびＬＤＤは、トランスデューサ１４の運動により、両端ＲＣおよびＬＣを下方に屈曲させようとする。

図１１Ｂは、下降サイクルの終わりに向かう低い位置にある質量ＲＭおよびＬＭを示す。この状態では、バネ−質量共振器が発揮するトルク力ベクトルＲＳＤおよびＬＳＤは、駆動プレート１２の両端ＲＣおよびＬＣを下方に屈曲させるようとする。同時に、駆動プレート１２のトルク力ベクトルＲＤＵおよびＬＤＵは、トランスデューサ１４の運動により、両端ＲＣおよびＬＣを上方に屈曲させようとする。

サイクル全体を通して、バネ−質量共振器が発揮するトルク力ベクトルは、駆動プレート１２が発揮するトルク力ベクトルを打ち消そうとする傾向を示し、駆動プレートが発動しようとする大きい振動による撓みが、実質的に打ち消される。駆動プレート１２に接続点ＲＣおよびＬＣで取り付けられるバネＲＳおよびＬＳの端部は、中心点Ｃに対して最小限の撓みを示すことが好ましい。結果として、振動トランスデューサ１４によって駆動プレート１２に誘導される応力は、駆動プレートの歪み（ｓｔｒａｉｎ）（つまり、撓み（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ））にではなく、効率的なエネルギー伝達により、バネＲＳおよびＬＳの長さに沿って段々に大きくなる撓みに変換される。これにより、羽等の１つ以上のダンパを動作させるべく、ダンパに結合させるのに適切な、大きく活発な撓みＲＯおよびＬＯが生じる。

圧電材料をトランスデューサ１４に用いる場合、位相が１８０度ずれたこの状態は、そうでない場合よりも、トランスデューサをより強く駆動することができることを意味するのであるが、それは過剰な撓みによる損傷が防がれるからである。２つ以上のバネ−質量共振器を、まとめて駆動装置の撓みを最小化させる、周波数によって選択可能な複数の撓みを生じさせるような態様で、調整して駆動装置１２に位置付けることができる。

駆動プレート１２に接合される分離された振動トランスデューサ１４を設けるかわりに、これら２つの部材を、たとえば、全体を圧電材料または活性含有物集合体（ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｃｔｉｖｅ ｉｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）を有する材料から形成することにより、単一の部品として形成することができる。

ミツバチの大きさ程度の小さい規模では、現在利用可能なバッテリ技術の電力密度によっては、短い飛行持続時間しか達成されないので、数メートルほどの短距離稼動の場合、ＲＭＡに基づくＮＡＶに、自身に搭載された誘導コイルに、電磁波放射により電力を伝達させて飛行を持続させ、着地させずに、電磁場の近傍をホバリングさせることにより、飛行中に再充電できるようにすることが構想されている。

上記の多様な実施形態の側面をその他の実施形態の側面と組み合わせることで、さらに別のＮＡＶが開発されうることは理解されよう。たとえば、応力もしくは撓みを検知するセンサを任意の実施形態で用いてよい。同じく、一実施形態における電力モジュールおよび／またはセンサモジュールを、別の実施形態のものと交換してよい。図１０の実施形態に係る、対で設けられて調整される共振器の原理を拡張して、任意のその他の実施形態に適用することができる。

いくつかのＮＡＶ設計は、電源、センサ、および制御電子回路に取り付けられた複数の分離されたＲＭＡから構成して、これらを異なる励振信号振幅で別々に制御して、姿勢方位制御（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ）に適した、空間的に分離された複数の推力源とすることができる。

ＲＭＡエンジン原理は、広い範囲の規模で機能する。たとえば、大型のＲＭＡを、適切に設計された軽量の空力弾性を有する羽とともに用いて、人間の背中に取り付けた制御ハーネスに、パーソナルトランスポータとして取り付けてよい。

ＲＭＡエンジンは、堅固な支持フレームまたは反発する対象の質量を通常必要とせず、かつ、ＲＭＡの駆動装置は通常、無視できる程度の撓みしか動作中に示さないので、機能を果たすべく小さい撓みを用いる圧電アクチュエーションは多くの製品に広まっており、その原理を用いて、圧電材料をより効率的に使用し、望ましくない振動、支持枠組み、もしくは質量を減らして、有効に動作させることができる。

一般的に、ＲＭＡエンジンは、圧電駆動プレートに互いに実質的に反対となるよう接合された２つ以上のバネ−質量共振器に取り付けられた１つ以上の羽ダンパを用いるＮＡＶとして使用することができる。このような共振性バネ−質量−ダンパシステムを駆動プレートにより励振させて、圧電振動応力およびいくらかの残留撓みを増幅し、羽を駆動するのに適した大きい回転撓みに変換する。高速の羽ばたきによって共振は弱められ、エネルギーが取り出されて、強力な伴流渦推力（ｗａｋｅ ｖｏｒｔｅｘ ｔｈｒｕｓｔ）が生成される。全てのモータ機能として、１つの駆動装置を使用する。

応力および駆動装置の小さい撓みは、枢支連結される部品もしくはその他の運動部材の対を使用することなく、共振運動増幅だけによって、羽の大きい羽ばたき運動に増幅されるので、このエンジンによって、ＮＡＶ規模の微小機械式昆虫設計に理想的に適合する低摩擦、高速度、および高効率性が提供される。

ＲＭＡのモータおよび変速機構は、近接して位置付けられる部品を含まないので、摩擦により引き起こされる機械的なエンジン故障、および異物微粒子による汚染は少ない。

ＲＭＡは、付属器官である共振器を含めて全体を、成形、３次元印刷、押し出し成形、およびその他の確立された製造方法により一体に形成することができるので、製造コストは低い。

適切な形状の共振器を製造することにより、一定量（ｄｅｆｉｎａｂｌｅ ａｍｏｕｎｔｓ）の３次元受動的追従運動を実現することができ、羽の受動的回転を含む複雑な昆虫飛行運動を補助することができる。

単一部品だけからなるＲＭＡを、複数の駆動周波数に対する複数の共振機械反応を示すように整形することができるので、メカニズムの複雑性は低く、駆動信号を調節して飛行制御を拡充することによって、必要に応じて所望の運動が行われるようにすることができる。

翅脈を含むＲＭＡは、単一の部品として形成することが好ましいが、副部品を取り付ける組み立て品として形成することも可能である。

ＲＭＡおよび翅脈は、炭素および／または超高分子量ポリエチレン繊維合成物を用いた軽量かつ高張力の部品から形成することが好ましいが、たとえば、カーボン・ナノチューブおよびグラフェン等のその他の材料から構成してもよい。

ＲＭＡの振動性駆動装置は、本体の両面に２層の圧電材料が接合されたバイモルフ・トランスデューサとして形成することが好ましいが、１つ以上の接合された圧電部品から構成してもよい。

各対の共振器は、駆動プレート１２上で互いに反対側にあると全体的に記載されてきたが、理解すべき点は、各対の共振器をこのような対称的な位置付けから僅かにずらしてもよいという点であるが、しかし、１つ以上の追加的な反発手段（追加的な質量または追加的な共振器）を用いて力を均衡させない限り、このような配置は、効率性が低下する。

エンジン自身と羽とを駆動するメカニズムは、単一の複合部品として形成してよい。これにより、昆虫大の装置の重量が削減され、羽ばたき周波数を高くすることができる。この装置によって、昆虫の胸部外骨格、腹背部、および背部縦方向（ｄｏｒｓｏ−ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）の筋肉が１つの可撓性部品で置き換えられる。

単一のバネ−質量共振器および駆動装置は、軽いワイヤテザー上にある場合は、駆動装置の反対側の端部が、重いベース（グラウンド）に固定されて、反発手段として作用し、カウンタ曲げモーメントを分離しない限り、共振時に大きく撓まない。しかし、２つの鏡像共振器を駆動装置の互いに反対する側に取り付けた場合は、両方の共振器は、トルク力が逆位相となって、羽を大きく撓ませ、各バネ−質量共振器に仮想的なグラウンドを提供する。

エンジンは、数多くの別個の部品、たとえば、別個の駆動プレート１２、トランスデューサ１４、およびバネ−質量共振器が組み立てられたものであってよく、または、軽量かつ高引張係数の材料からなる連続的な部品から形成されてもよい。

Claims (29)

1. 少なくとも１つの振動トランスデューサが接合された駆動プレートと、
   前記振動トランスデューサに接続され、前記振動トランスデューサを励振する駆動信号発生器と、
   第１の固有共振周波数を有し、前記駆動プレートに取り付けられた近位端、および自由遠位端を有する第１のバネ−質量共振器と、
   前記駆動プレートに、前記第１のバネ−質量共振器とは実質的に反対側に取り付けられた反発手段と
   を備え、
   前記振動トランスデューサが、前記第１の固有共振周波数もしくはその近傍の成分を含む前記駆動信号発生器からの駆動信号により励振されたとき、前記第１のバネ−質量共振器は、共振により、前記駆動プレートとは実質的に逆位相で振動する
   共振エンジン。
2. 前記駆動信号発生器は、可変調波成分（ｖａｒｉａｂｌｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ）の電気信号を発生する請求項１に記載の共振エンジン。
3. 前記反発手段は、前記駆動プレートに、前記第１のバネ−質量共振器に実質的に対称的に取り付けられた第２のバネ−質量共振器を有する請求項１または２に記載の共振エンジン。
4. 前記第２のバネ−質量共振器は、分離状態で測定すると、前記第１の固有共振周波数と異なる第２の固有共振周波数を有する請求項３に記載の共振エンジン。
5. 前記バネ−質量共振器もしくは各バネ−質量共振器のバネは、前記駆動プレートの平面で観察したとき、前記駆動プレートとともに、Ｚ型の屈曲形状を有し、前記Ｚ型の屈曲形状の近位端は前記駆動プレートに連結している請求項１から４のいずれか１項に記載の共振エンジン。
6. 前記駆動プレートと、バネもしくは各バネとは、単一部品として、互いに一体に形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の共振エンジン。
7. 前記バネ−質量共振器もしくは各バネ−質量共振器の自由遠位端またはその近傍に取り付けられた離散質量（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｍａｓｓ）をさらに備える請求項１から６のいずれか１項に記載の共振エンジン。
8. 前記第１のバネ−質量共振器は、前記バネの前記自由遠位端に取り付けられたダンパをさらに有し、それにより第１のバネ−質量−ダンパシステムを形成する請求項５、６、および７のいずれか１項に記載の共振エンジン。
9. 前記ダンパは羽を含む請求項８に記載の共振エンジン。
10. 請求項３に従属する場合、前記第２のバネ−質量共振器は、自身のバネの遠位端に取り付けられたダンパをさらに有し、それにより、第２のバネ−質量−ダンパシステムを形成する請求項９に記載の共振エンジン。
11. 前記第２のバネ−質量−ダンパシステムの前記ダンパは、羽を含む請求項１０に記載の共振エンジン。
12. 前記第２のバネ−質量−ダンパシステムの前記羽は、前記第１のバネ−質量−ダンパシステムの前記羽と同一の方向を向いている請求項１１に記載の共振エンジン。
13. 前記第２のバネ−質量−ダンパシステムの前記羽は、前記第１のバネ−質量−ダンパシステムの前記羽とは反対の方向を向いている請求項１１に記載の共振エンジン。
14. 前記駆動プレートに取り付けられた少なくとも１つの追加的バネ−質量共振器をさらに備える請求項３または請求項３に従属する任意の請求項に記載の共振エンジン。
15. 前記追加的バネ−質量共振器もしくは各追加的バネ−質量共振器は、前記第１のバネ−質量共振器とは異なる固有共振周波数をそれぞれ有する請求項１４に記載の共振エンジン。
16. 前記追加的バネ−質量共振器は、延伸してグラウンドと接触し、地上移動を行う態様で振動する脚部を形成する請求項１４または１５に記載の共振エンジン。
17. 前記振動トランスデューサは、圧電材料、誘電エラストマー材料、電気機械的活性材料、電磁機械的活性材料、および直接的に集合電荷を運動に変換することで共振を誘導する原子ソース（ａ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ−ｃｈａｒｇｅ−ｔｏ−ｍｏｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む請求項１から１６のいずれか１項に記載の共振エンジン。
18. 前記駆動プレートおよび前記振動トランスデューサは、単一部品として一体に形成されている請求項１から１７のいずれか１項に記載の共振エンジン。
19. バッテリ、充電式バッテリ、原子力電池、セル、充電式セル、太陽電池、および燃料電池からなる群から選択される自身に搭載される少なくとも１つの電源をさらに備える請求項１から１８のいずれか１項に記載の共振エンジン。
20. 前記少なくとも１つの電源は、前記太陽電池に入射する光、圧電トランスデューサを外部から振動により刺激することで発生される電力、放射性同位体崩壊、前記燃料電池用の燃料、温度差により発生される電力、および電気充電器への直接的な電力結合からなる群から選択される少なくとも１つのエネルギー源により再充電可能である請求項１９に記載の共振エンジン。
21. 外部電磁エネルギーを受信して電気エネルギーへと整流する自身に搭載される受信器をさらに備える請求項１から２０のいずれか１項に記載の共振エンジン。
22. 前記駆動プレートに接続されて、前記駆動プレートの力を検出する応力センサまたは撓みセンサをさらに備える請求項１から２１のいずれか１項に記載の共振エンジン。
23. 姿勢センサ（ａｔｔｉｔｕｄｅ ｓｅｎｓｏｒ）、位置センサ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）、方向センサ、動きセンサ、位置センサ（ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）、慣性センサ、ジャイロセンサ、磁気センサ、光センサ、近接センサ、走査センサ、高度センサ、およびカメラからなる群から選択される少なくとも１つのセンサをさらに備える請求項１から２２のいずれか１項に記載の共振エンジン。
24. 前記少なくとも１つのセンサは、固定的な参照フレームに対する前記共振エンジンの回転方位を検出することができる請求項２３に記載の共振エンジン。
25. 請求項２および請求項９または請求項１３に従属する場合、前記少なくとも１つのセンサからの出力は、フィードバックループで前記駆動信号発生器にフィードされ、前記駆動信号発生器からの駆動信号を、前記共振エンジンの回転に同期させる請求項２４に記載の共振エンジン。
26. 回転連結器により前記共振エンジンに取り付けられた同様な第２のエンジンをさらに備え、前記第２のエンジンは、前記固定的な参照フレームに対して固定的な回転位置を維持するよう制御される請求項２５に記載の共振エンジン。
27. 前記駆動信号発生器を遠隔から動作させる手段をさらに備える請求項１から２６のいずれか１項に記載の共振エンジン。
28. 複数の前記バネ−質量共振器がそれぞれ生成したトルク力モーメントが互いに実質的に打ち消し合い、かつ前記駆動プレートのトルク力モーメントを実質的に打ち消すことで、前記駆動プレートを実質的に撓ませるのではなく、前記駆動プレートに入力されたエネルギーの実質的に全てが前記バネ−質量共振器に伝達されて、前記バネ−質量共振器の前記自由遠位端を撓ませるシステムが生じるように、複数の前記バネ−質量共振器は調整かつ配置されている請求項３または請求項３に従属する任意の請求項に記載の共振エンジン。
29. 添付の図面を参照して明細書に記載された共振エンジン。

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