JP2014028585A - 羽ばたき飛行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トンボのように複数対の羽体を羽ばたかせながら、体軸のブレが少なく安定して飛行することができる飛行装置を提供する。
【解決手段】 第１支持軸と、第１支持軸の上方に設けられる第２支持軸とを含む支持本体と、弾性軸部材と薄膜羽部とからなる羽体を含み、左右一対として複数対の羽体が支持本体により上下揺動可能に支持され、支持本体の前側の一対の羽体を第２支持軸に取り付け、後側の一対の羽体を第１支持軸に取り付けることにより、前側の一対の羽体と後側の一対の羽体とが段差を設けて支持本体に取り付けられている羽ばたき翼と、各羽体を上下に揺動させる駆動手段と、支持本体の後側の端部近傍に取り付けられ、水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼と、を備え、羽ばたき飛行装置の全重量と各羽体の総面積との比が０．３５７ｍ²／Ｎ以下であり、水平尾翼の面積が１８ｃｍ²以上であり、且つ、垂直尾翼の面積が３ｃｍ²以上である羽ばたき飛行装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、羽ばたき飛行装置に関する。より詳しくは、本発明は、トンボのように羽ばたきながら大気中を飛翔する羽ばたき飛行装置に関するものである。

トンボは、４枚の翼を羽ばたかせ、急旋回、急上昇、ホバリング等を繰り返して、自由自在に飛ぶことができる唯一の昆虫である。トンボは、蚊や蝿等を空中で簡単に捕食することができ、昆虫の中では最強の飛行能力を備えている。トンボの飛行能力を飛行装置に利用することが出来れば、従来からある飛行機、ヘリコプター等に比べ、格段に高い旋回性、加速性、さらに複雑な飛行が可能な飛行装置の実現が期待される。

これまでに、羽ばたきを利用した小型の飛行装置の開発が行われている。千葉大学の劉教授が開発したハチドリ型ロボットや、オランダのデルフト工科大学が開発した羽ばたき型ラジコン飛行機（商品名：ＤｅｌＦｌｙ ｍｉｃｒｏ）、トンボ型ラジコン玩具（商品名：メカトンボ、（株）シー・シー・ピー製）等が有名である。これらは、いずれも、交差翅型で２枚の翅を打ち合わせて飛行する機構を有することを特徴とする。このような機構は、効率的に推力を出せるため、多くのラジコン飛行機や玩具に採用されている。

一方、トンボのように前後２対の羽を交互に羽ばたかせて飛行する羽ばたき飛行装置としては、例えば、前後２対の羽体と、動力源と、動力源から発生する動力を伝達する動力シャフトと、動力シャフトから伝達される動力により２対の羽体を交互に駆動させる天秤アームと、羽体と連動して上下に駆動する尾翼と、機首に取り付けられ、２対の羽体及び尾翼を滑空時に最適角度に固定する動力シャフト停止手段と、を備える羽ばたき飛行装置が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この羽ばたき飛行装置における動力はゴムの張力であり、モータではない。

また、本出願人は、前後に長い支持本体に上下揺動可能に支持された前後２対、計４枚の羽体をモータ駆動により交互に羽ばたかせて飛行する羽ばたき飛行装置を提案している（特許文献２〜４参照）。これらの羽ばたき飛行装置は、複数対の左右の羽体を羽ばたかせながら、かつ、体軸となる支持本体を略水平に維持しながら、トンボのように安定して飛行するが、さらなる改良の余地が残されている。

特開２０００−３１７１４８号公報 特開２００９−１９０６５１号公報 特開２００９−２４０５０１号公報 特開２０１１−１９５０５０号公報

本発明者らは、特許文献２〜４に開示の羽ばたき飛行装置において、その全重量と羽体の総面積との比を０．３５７ｍ²／Ｎ以下とし、かつ、支持本体の前側の一対の羽体と後側の一対の羽体とを段差を設けて支持本体に取り付けることにより、羽ばたき飛行装置の飛行安定性の向上を図り得ることを見出した。さらに、本発明者らは、支持本体の前側の一対の羽体の羽ばたき角と後側の一対の羽体の羽ばたき角との間に所定の位相差を設けることにより、一層の飛行安定性を得ることに成功した。本発明者らは、これらの知見に基づいて、先に特許出願を行なった（特願２０１１−０４５２３５）。

しかしながら、上述の羽ばたき飛行装置においても、飛行中での支持本体のブレ等により飛行安定性が低下する場合があり、さらに、飛行方向の制御性の点で改良の余地が残されていることが、本発明者らの研究により判明した。

そこで、本発明は、トンボのように複数対の左右の羽体を羽ばたかせながら、体軸となる支持本体のブレが抑制されるとともに、方向の制御性も備わり、安定した飛行が可能な羽ばたき飛行装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、上述の羽ばたき飛行装置において、水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼を設け、水平尾翼及び垂直尾翼の面積をそれぞれ所定範囲内から選択することにより、所望の羽ばたき飛行装置が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、羽ばたき翼の上下揺動により飛行する羽ばたき飛行装置であって、一方向に延びる軸体である第１支持軸と、第１支持軸の上方に設けられかつ第１支持軸と同じ方向に延びる第２支持軸とを含む支持本体と、弾性軸部材と薄膜羽部とからなる羽体を含み、左右一対として複数対の羽体が支持本体により上下揺動可能に支持され、支持本体の前側の一対の羽体を第２支持軸に取り付け、後側の一対の羽体を第１支持軸に取り付けることにより、前側の一対の羽体と後側の一対の羽体とが段差を設けて支持本体に取り付けられている羽ばたき翼と、各羽体を上下に揺動させる駆動手段と、支持本体の後側の端部近傍に取り付けられ、水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼と、を備え、羽ばたき飛行装置の全重量と各羽体の総面積との比が０．３５７ｍ²／Ｎ以下であり、水平尾翼の面積が１８ｃｍ²以上であり、且つ、垂直尾翼の面積が３ｃｍ²以上である羽ばたき飛行装置を提供する。

本発明の羽ばたき飛行装置は、１）全重量と羽体の総面積との比を０．３５７ｍ²／Ｎ以下とすることにより、飛行するための揚力を得ることが可能になり、２）弾性軸部材と薄膜羽部とからなる羽体を備えることにより、実際のトンボの翅のようにフラッピング運動とフェザリング運動を行うことが可能になり、３）支持本体における前側の一対の羽体の取り付け位置と後側の一対の羽体の取り付け位置との間に段差を設けることにより、飛行姿勢が安定して推力が大きくなって安定な飛行が可能となり、４）水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼を設け、垂直尾翼及び水平尾翼の面積をそれぞれ所定の範囲から選択することにより、飛行中における支持本体（第１支持軸）のブレを抑制するとともに、飛行方向の制御性が向上することにより、飛行安定性がより一層向上し、これらの結果として長時間の安定な飛行が可能となる。

本発明の一実施形態である羽ばたき飛行装置１の構成を模式的に示す平面図である。 図１に示す羽ばたき飛行装置１を前方斜め上方から見た斜視図である。 図１に示す羽ばたき飛行装置１を右側の横方向から見た側面図である。 図１に示す羽ばたき飛行装置１を前方向から見た正面図である。 図１に示す羽ばたき飛行装置１を後方向から見た背面図である。

本発明の羽ばたき飛行装置は、支持本体と、左右一対として複数対の羽体を含む羽ばたき翼と、各羽体を上下に揺動させる駆動手段と、支持本体の後側の端部近傍に取り付けられ、水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼とを備え、本装置の全重量と羽体の総面積との比が０．３５７ｍ²／Ｎ以下であり、水平尾翼の面積が１８ｃｍ²以上であり、且つ、垂直尾翼の面積が３ｃｍ²以上であることを特徴とする。

また、本発明の羽ばたき飛行装置において、支持本体は、一方向に延びる軸体である第１支持軸と、第１支持軸の上方に設けられかつ第１支持軸と同じ方向に延びる第２支持軸とを含むことを特徴とする。また、羽ばたき翼は、左右一対として複数対の羽体が支持本体により上下揺動可能に支持され、支持本体の前側の一対の羽体を第２支持軸に取り付け、後側の一対の羽体を第１支持軸に取り付けることにより、支持本体の前側の一対の羽体と後側の一対の羽体とが段差を設けて支持本体に取り付けられていることを特徴とし、羽体は、弾性軸部材と薄膜羽部とからなることを特徴とする。

本発明の羽ばたき飛行装置の一実施形態は、図１〜５に示す通りである。図１は、本発明の一実施形態である羽ばたき飛行装置１の構成を模式的に示す平面図である。図２〜図５は、それぞれ、羽ばたき飛行装置１の斜視図、側面図、正面図及び背面図である。

図２及び図３では、図面を簡略化するため、羽体８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに備わる薄膜羽部１６の図示を省略する。また、図５では、揺動支持軸１３ｃ，１３ｄの動作を見易くするために、垂直尾翼５ｂの図示を省略する。また、本明細書では、第１支持軸１０の延びる方向（＝支持本体２が延びる方向）において、羽ばたき飛行装置１の機首側を前側及び尾翼側を後側とする。

図１〜５に示す羽ばたき飛行装置１は、支持本体２と、羽ばたき翼３と、駆動手段４と、尾翼５と、電池６と、受信機７とを備えている。ここで、羽ばたき翼３は、羽ばたき飛行装置１の機首側に設けられる。駆動手段４は、羽ばたき翼３に連結するように設けられる。尾翼５は支持本体２の後側の端部近傍に設けられる。電池６及び受信機７は、羽ばたき翼３と尾翼５との間の第１支持軸１０の所定位置に設けられる。

支持本体２は、図２及び図３に示すように、第１支持軸１０と、第１支持軸１０の前側先端に取り付けられ、上下方向（鉛直方向）に延び、その上端及び下端に幅方向の貫通孔１１ａ，１１ｂが形成され、さらに厚み方向の貫通孔１１ｃが形成された支持板１１と、貫通孔１１ａに挿通されて支持板１１により回転可能に支持された第２支持軸１２と、第１支持軸１０により回転可能に支持される揺動支持軸１３ｃ，１３ｄと、第２支持軸１２により回転可能に支持される揺動支持軸１３ａ，１３ｂ（以下これらの揺動支持軸を「揺動支持軸１３」と総称することがある）と、を備えている。

第１支持軸１０は、円柱状、角柱状等の形状を有する一方向に延びる軸体である。第１支持軸１０を構成する材料は特に限定されないが、例えば、炭素繊維強化樹脂材料、ガラス繊維強化樹脂材料、各種金属材料等が挙げられる。第１支持軸１０の長さ及び外径は特に限定されないが、それぞれ、好ましくは、１００〜３００ｍｍ程度及び０．５〜３０ｍｍ程度である。

支持板１１の形状は、本実施形態では板状であるが、それに限定されず、例えば、角柱状、円柱状等であってもよい。支持板１１の第１支持軸１０への取り付け方法は特に限定されないが、例えば、支持板１１の所定位置に、第１支持軸１０の先端部の形状に対応する内部空間を有する幅方向の穴を形成し、第１支持軸１０の先端部をその穴に嵌入し、接着剤等で固定する方法、支持板１１の所定位置にネジ穴を形成し、第１支持軸１０のネジ山が形成された先端部をそのネジ穴に係合する方法、ビス止めする方法等が挙げられる。

支持板１１の上端部の貫通孔１１ａには第２支持軸１２が挿通され、支持板１２により回転可能に支持される。支持板１１の下端部の貫通孔１１ｂにはクランク部２３が挿通され、支持板１２により回転可能に支持される。また、支持板１１の第１支持軸１０よりも上方の領域に長円状の貫通孔１１ｃが形成されている。

第２支持軸１２は、第１支持軸１０とほぼ平行にかつ同じ方向に延びる軸体である。第２支持軸１２は、第１支持軸１０から上方に延びる支持板１１の上端部に形成された貫通孔１１ａにより回転可能に支持されているので、第１支持軸１０よりも高い位置にある。第２支持軸１２には、第１支持軸１０と同じ材質の軸体を使用できる。第２支持軸１２の外径は、第１支持軸１０と同様の外径範囲から選択できる。

揺動支持軸１３ａ，１３ｂは、その一端に形成された不図示の貫通孔に挿通された第２支持軸１２により回転可能に軸支され、羽体８ａ、８ｂを支持する。近接して回転する揺動支持軸１３ａ，１３ｂは、互いに接触しないように所定の間隔を空けて設けられる。本実施形態では、揺動支持軸１３ａを揺動支持軸１３ｂよりも前側に設けているが、これに限定されず、揺動支持軸１３ａを揺動支持軸１３ｂよりも後側に設けてもよい。

揺動支持軸１３ｃ，１３ｄは、その一端に形成された不図示の貫通孔に挿通された第１支持軸１０により回転可能に軸支され、羽体８ｃ、８ｄを支持する。近接して回転する揺動支持軸１３ｃ，１３ｄは、互いに接触しないように所定の間隔を空けて設けられる。本実施形態では、揺動支持軸１３ｃを揺動支持軸１３ｄよりも前側に設けているが、これに限定されず、揺動支持軸１３ｃを揺動支持軸１３ｄよりも後側に設けてもよい。

羽ばたき翼３は、揺動支持軸１３ａ，１３ｂを介して第２支持軸１２に取り付けられて上下揺動可能に支持された左右一対の羽体８ａ，８ｂと、揺動支持軸１３ｃ，１３ｄを介して第１支持軸１０に取り付けられて上下揺動可能に支持された左右一対の羽体８ｃ，８ｄと、を含む。羽体８ａ，８ｂは、羽体８ｃ，８ｄよりも前側に位置する。また、図２及び図３に示すように、羽体８ａ，８ｂは、第１支持軸１０よりも高い位置にある第２支持軸１２に取り付けられ、羽体８ｃ，８ｄは第１支持軸１０に取り付けられるので、羽体８ａ，８ｂの取り付け位置と羽体８ｃ，８ｄの取り付け位置との間には段差が生じる。

羽体８ａ，８ｂを、羽体８ｃ，８ｄよりも高い位置に取り付けることにより（前側にある一対の羽体を、後側にある一対の羽体よりも高い位置に取り付けることにより）、羽ばたき飛行装置１の飛行安定性が向上する。また、羽体８ａ，８ｂの取り付け位置と、羽体８ａ，８ｂよりも後側にある羽体８ｃ，８ｄの取り付け位置との間に段差を設けることにより、本発明の羽ばたき飛行装置１がトンボと同様の飛行姿勢を採ることが可能になり、その飛行安定性が一層向上する。

本実施形態では、羽体８ａ，８ｂが上側に揺動する場合、羽体８ｃ，８ｄは下側に揺動し、羽体８ａ，８ｂが下側に揺動する場合、羽体８ｃ，８ｄは上側に揺動する。また、本実施形態では、羽体８ａ，８ｂと、羽体８ｃ，８ｄという２対の羽体を設けているが、これに限定されず、支持本体２の長さ、特に第１支持軸１０の長さ等に応じて、３対以上の羽体を設けても良い。３対以上の羽体を設ける場合、相対的に最も前側の羽体を第１支持軸１０から最も高い位置に取り付け、後側に行くほど羽体の取り付け位置を低くすることにより段差を設けることが好ましい。

羽体８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ（以下においてこれらを「羽体８」と総称することがある）は、いずれも、揺動支持軸１３により支持された弾性軸部材１５と、揺動支持軸１３及び弾性軸部材１５により支持された薄膜羽部１６とからなる。このように、薄膜羽部１６を、弾性軸部材１５だけでなく、揺動支持軸１３にも取り付けることにより、大きな揚力が得られる。但し、薄膜羽部１６を弾性軸部材１５だけに取り付けてもよく、これでも必要十分な揚力が得られる。

弾性軸部材１５は、一方向に延びる軸体であり、羽体８を支持本体２に取り付けた状態で羽体８の略前縁部に位置している。ここで、羽体８の前縁部及び後縁部とは、それぞれ、第１支持軸１０の延びる方向における前側及び後側の縁を意味する。弾性軸部材１５は直線状に形成してもよく、又は、所定の曲線形状を有するように形成してもよい。

弾性軸部材１５の材質としては、弾性を有しかつ機械的強度の高い弾性材料であれば特に限定されないが、例えば、カーボンロッド、グラスロッド、弾性樹脂材、竹材等が挙げられる。これらの中でも、軽量で丈夫であるという観点から、カーボンロッドが好ましい。このような材料で構成されることで、上下に羽ばたかせるフラッピング運動の際に、弾性軸部材１５の端部がしなりフェザリング運動を促すことで、昆虫であるトンボの羽のような羽ばたきを実現しやすくなる。弾性軸部材１５の直径（外径）は、上下に羽ばたかせやすい観点から、０．３〜１．０ｍｍ程度であればよい。

弾性軸部材１５は、羽体８の前縁から後縁に向けて延びる支脈１５ａを有している。支脈１５ａは、弾性軸部材１５の延びる方向における、弾性軸部材１５の中央付近に形成することが好ましい。支脈１５ａは弾性軸部材１５と一体成形してもよく、また、接着剤や熱圧着等により弾性軸部材１５に接着しても良い。支脈１５ａを設けることで、羽体８を上下に羽ばたかせる際に、羽体８の端部において薄膜羽部１６が揺動し、フラッピング運動に連動してフェザリング運動を引き起こすことができる。本実施形態では、弾性軸部材１５に支脈１５ａを１つ設けているが、複数設けてもよい。また、本実施形態では、弾性軸部材１５に支脈１５ａを設けているが、支脈１５ａを設けなくてもよい。

薄膜羽部１６は、揚力を得るための部材であり、薄くても丈夫で軽い樹脂材料で構成される。樹脂材料の中でも、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂材料、発泡樹脂材料等が好ましく、羽体８を上下に羽ばたかせた際に、薄膜羽部１６の後方端部が揺動しやすい観点から、ポリプロピレンがさらに好ましい。

薄膜羽部１６の厚みは特に限定されないが、飛行しやすくする観点から、０．１ｍｍ以下であればよい。

また、薄膜羽部１６の先端部分の形状は、本実施形態では図１に示すように前縁部が後縁部よりも長い形状になっているが、これに限定されず、前縁部と後援部との長さが略等しい形状や、後縁部が前縁部よりも長い形状でもよい。また、後縁部を略半円状等の丸みのある形状としてもよい。ここで、薄膜羽部１６の前縁部及び後縁部とは、それぞれ、第１支持軸１０の延びる方向における前側及び後側の縁を意味する。

薄膜羽部１６を弾性軸部材１５に固定することにより、羽体８が得られる。また、羽体８を揺動支持軸１３に固定するに際しては、羽体８を揺動支持軸１３に直接固定してもよく、弾性軸部材１５を揺動支持軸１３に固定し、次いで薄膜羽部１６を弾性軸部材１５および揺動支持軸１３に固定しても良い。固定方法としては特に限定されないが、例えば、各部材を接着剤で固定する方法、各部材を粘着テープで固定する方法等が挙げられる。

本発明では、下記式（１）で定義される、羽ばたき飛行装置１と羽体８の総面積との比を０．３５７ｍ²／Ｎ以下に調整する。この比に調整することで、羽ばたき飛行装置１が飛行に必要な揚力を得ることができる。羽ばたき飛行装置１のサイズに関わらず、十分な揚力を得るという観点から、この比を０．２５５ｍ²／Ｎ以上であることが好ましい。
比（ｍ²／Ｎ）＝［（羽ばたき飛行装置の羽体の総面積：ｃｍ²）／（羽ばたき飛行装置の全重量（ｇｆ））］×１．０１９６４２８５７×１０^-2 （１）

ここで羽体８の総面積とは、全ての羽体の面積の和を意味し、本実施形態では羽体８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの面積の和である。また、羽体の面積とは羽体の厚み方向における一方の表面の面積であり、羽体の全表面積のことではない。

駆動手段４は、駆動モータ１７と、駆動モータ１７の回転を連結アーム１９に伝達する回転体１８と、回転体１８から伝達された回転を揺動支持軸１３に伝達する連結アーム１９とを含む。駆動手段４により、駆動モータ１７の回転出力が揺動支持軸１３及びそれに固定された羽体８に伝達され、前側の一対の羽体８ａ，８ｂと後側の一対の羽体８ｃ，８ｄとが交互に上下に揺動し、トンボのような飛行が可能になる。

駆動モータ１７は、支持板１１の厚み方向の表面のうち、羽ばたき飛行装置１の機首を正面から見た場合に向かって右側の表面において、第１支持軸１０よりも下側に、その出力軸１７ａが前方を向くように取り付けられる。駆動モータ１７の出力軸１７ａにはギア２０が取り付けられる。駆動モータ１７は、電池６と電気的に接続され、電池６から電力の供給を受けて回転する。

回転体１８は、ギア２０に噛み合い、駆動モータ１７からの出力により回転するギア２１と、ギア２１の回転軸に取り付けられたギア２１ａと噛み合い、ギア２１の回転により回転するギア２２と、ギア２２の回転を連結アーム１９に伝達するクランク部２３と、第１支持軸１０とクランク部２３とを連結して、クランク部２３を回転可能に支持する連結具２４とを含む。回転体１８は、駆動モータ１７の回転を、ギア２１及びギア２２を介して、ギア２２と同期して回転するクランク部２３に伝達し、最終的に連結アーム１９に伝達する。

駆動モータ１７としては、市販品を適宜選択して使用できる。ギア２０，２１，２１ａ，２２としては、金属材料からなるギア、樹脂材料からなるギア等を使用できる。ギア２２は、厚み方向に貫通するほぼ円形の貫通孔（不図示）を有し、その貫通孔にはクランク部２３が挿通され、固定される。これにより、ギア２２とクランク部２３とは同期して回転する。ギア２２の軸心と貫通孔の円形の中心とはほぼ一致する。

クランク部２３は、図３に示すように、第１支持軸１０の延びる方向にほぼ沿った回転軸心２５を有し、この回転軸心２５に対して位相が６０〜９０度の範囲でずれるように設けられる５つのクランク部である第１クランク部２３ａ、第２クランク部２３ｂ、第３クランク部２３ｃ、第４クランク部２３ｄ及び第５クランク部２３ｅを含む。この回転軸心２５は、ギア２２の回転軸心とほぼ一致する。

第１クランク部２３ａ、第２クランク部２３ｂ、第３クランク部２３ｃ、第４クランク部２３ｄ及び第５クランク部２３ｅは、この順番で前側から後側に向けて配置される。

第１クランク部２３ａは、前側の先端部分であり、クランク部２３の回転軸心２５にほぼ平行でありかつ回転軸心２５に対して偏心した回転軸心を有する。第１クランク部２３ａは、連結アーム１９ｂの一端に形成された厚み方向の不図示の貫通孔に挿通される。

第２クランク部２３ｂは、クランク部２３の回転軸心２５にほぼ平行であり、回転軸心２５及び第１クランク部２３ａの回転軸心に対して偏心した回転軸心を有し、第１クランク部２３ａより６０〜９０度の範囲でずれるように設けられる。第２クランク部２３ｂは、連結アーム１９ａの一端に形成された厚み方向の不図示の貫通孔に挿通される。

第３クランク部２３ｃは、クランク部２３の回転軸心２５に一致しかつ第２クランク部２３ｂの回転軸心に対して偏心した回転軸心を有し、第２クランク部２３ｂより６０〜９０度の範囲でずれるように設けられる。また、第３クランク部２３ｃは、前側において支持板１１の下端部に形成された幅方向の貫通孔１１ｂに挿通され、後側において連結具２４の下端部に形成された不図示の貫通孔に挿通される。

第４クランク部２３ｄは、クランク部２３の回転軸心２５にほぼ平行でありかつ回転軸心２５に対して偏心した回転軸心を有し、第３クランク部２３ｃより６０〜９０度の範囲でずれるように設けられる。第４クランク部２３ｄは、連結アーム１９ｃの一端に形成された厚み方向の貫通孔に挿通される。

第５クランク部２３ｅは、クランク部２３の回転軸心２５にほぼ平行でありかつ第４クランク部２３ｄの回転軸心に対して偏心した回転軸心を有し、第４クランク部２３ｄより６０〜９０度の範囲でずれるように設けられる。第５クランク部２３ｅは、連結アーム１９ｄの一端に形成された厚み方向の不図示の貫通孔に挿通される。
上記した機構により、駆動モータ１７から出力される回転運動が、連結アーム１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄに伝達される。

連結アーム１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ（以後これらを「連結アーム１９」と総称することがある）は、いずれも、一方向に延びる軸体であり、その両端に貫通孔を有する。連結アーム１９ａの一端の貫通孔には第２クランク部２３ｂが挿通され、他端は揺動支持軸１３ａの第２支持軸１２から離反する側の端部にピン２６により軸支される。連結アーム１９ａは、第２クランク部２３ｂと揺動支持軸１３ａとにより、上下揺動可能に支持される。第２クランク部２３ｂの回転により、揺動支持軸１３ａに固定された羽体８ａが上下揺動する。

同様に、連結アーム１９ｂは、第１クランク部２３ａと揺動支持軸１３ｂとにより、上下揺動可能に支持される。第１クランク部２３ａの回転により、揺動支持軸１３ｂに固定された羽体８ｂが上下揺動する。連結アーム１９ｃは、第４クランク部２３ｄと揺動支持軸１３ｃとにより、上下揺動可能に支持される。第４クランク部２３ｄの回転により、揺動支持軸１３ｃに固定された羽体８ｃが上下揺動する。連結アーム１９ｄは、第５クランク部２３ｅと揺動支持軸１３ｄとにより、上下揺動可能に支持される。第５クランク部２３ｅの回転により、揺動支持軸１３ｄに固定された羽体８ｄが上下揺動する。本実施形態では、連結アーム１９の一端は揺動支持軸１３の前側の面に固定されるが、これに限定されず、揺動支持軸１３の後側の面に固定されてもよい。

但し、近接して上下動する揺動支持軸１３ａ，１３ｂは互いに接触せず、離隔するように設けられるが、その間隔に収まるようにピン２６を設ける必要がある。揺動支持軸１３ｃ，１３ｄも同様である。

図４に示すように、羽体８ａ，８ｂの羽ばたき角θ１が６０度以下になるように、連結アーム１９ａ，１９ｂを揺動支持軸１３ａ，１３ｂに接続することで、飛行に必要な揚力と推力とが得られる。一方、図５に示すように、羽体８ｃ，８ｄの羽ばたき角θ２が６０度以下になるように、連結アーム１９ｃ，１９ｄを揺動支持軸１３ｃ，１３ｄに接続することで、飛行に必要な揚力と推力とが得られる。

羽体８ａ，８ｂの羽ばたき角θ１及び羽体８ｃ，８ｄの羽ばたき角θ２を、同じ角度に調整することが好ましい。これにより、羽ばたき飛行装置１が水平飛行を行なう際の推力を大きくすることができる。θ１及びθ２の角度は、例えば、クランク部２３における各部の位相角の角度等を適宜選択することにより調整できる。

本発明では、θ１及びθ２を６０度以下にすることに加えて、前側の羽体８ａ，８ｂの上下揺動の位相に対して、後側の羽体８ｃ，８ｄの上下揺動の位相が９０度以下の範囲で遅れるように調節することが好ましい。これにより、羽体８ａ，８ｂの上下揺動の位相に対する羽体８ｃ，８ｄの上下揺動の位相の遅れが９０度を超えた場合に比べて、推進力を高く維持できる。その結果、水平方向への飛行安定性が一層向上する。

羽体８の上下揺動の位相は、例えば、第１クランク部２３ａ〜第５クランク部２３ｅの回転軸心２５に対する角度を適宜選択することにより調整できる。例えば、回転軸心２５を基準にして、羽体８ａの動作を制御する第２クランク部２３ｂと、羽体８ｃの動作を制御する第４クランク部２３ｄとにより形成される位相角の角度が９０度以下になるようにすると、前側の羽体８ａ，８ｂの上下揺動の位相に対する羽体８ｃ，８ｄの上下揺動の位相の遅れ（上下揺動の位相差）が９０度以下になる。

また、本発明では、前側の羽体８ａ，８ｂと後側の羽体８ｃ，８ｄとの間に高低差である段差を設け、羽体８ａ，８ｂの羽ばたき角θ１、羽体８ｃ，８ｄの羽ばたき角θ２や位相を調整することにより、前側及び後側に水平に取り付けられた羽体を有する従来の羽ばたき飛行装置に比べて、水平方向の顕著な推力が得られる。

また、本発明の羽ばたき飛行装置１は、第１支持軸１０に沿う回転軸心２５を有し、位相の異なる複数の部位を含むクランク部２３を備えた回転体１８を設け、クランク部２３に軸支された連結アーム１９によって複数対の羽体８を揺動するので、昆虫のような羽ばたき動作をして飛行することができる。また、複数の位相を有するクランク部２３により連結アーム１９を軸支し、クランク部２３の回転で羽体８を揺動しているので、略左右対称に揺動させることができる。

尾翼５は、水平尾翼５ａと垂直尾翼５ｂとからなり、第１支持軸１０の後側端部近傍に取り付けられる。水平尾翼５ａは、第１支持軸１０の左右両側から水平方向に延びる左右対称の板状部材であり、その長さ方向の中央部分を第１支持軸１０に取り付ける。垂直尾翼５ｂは、第１支持軸１０から鉛直方向に立ち上がるように取り付けられる。水平尾翼５ａ及び垂直尾翼５ｂの形状は適宜選択できる。

本発明では、水平尾翼５ａの面積を１８ｃｍ²以上、好ましくは１８ｃｍ²以上、８０ｃｍ²以下とする。水平尾翼５ａの面積が１８ｃｍ²未満では、羽ばたき飛行装置１の体軸である第１支持軸１０が飛行中にブレ易くなり、飛行が不安定になるおそれがある。水平尾翼５ａの面積は、その厚み方向の一方の面の面積であり、総表面積ではない。

本実施形態では、長さ（第１支持軸１０に対して垂直な方向の長さ）６０ｍｍ、幅（第１支持軸１０の延びる方向の長さ）３０ｍｍの水平尾翼５ａを用いているが、これに限定されず、水平尾翼５ａの長さ及び幅は、面積が１８ｃｍ²以上であれば、適宜選択できる。また、本実施形態では、水平尾翼５ａは、第１支持軸１０から水平方向に延びる板状部材であるが、これに限定されず、長手方向の中心部分で折れ曲がり、第１支持軸１０にその中心部分を取り付けた場合に、水平面に対して所定の角度を有する部材としてもよい。

また、本発明では、垂直尾翼５ｂの面積を３ｃｍ²以上とする。垂直尾翼５ｂの面積が３ｃｍ²未満では、羽ばたき飛行装置１の体軸である第１支持軸１０が飛行中にブレ易くなり、飛行が不安定になるおそれがある。垂直尾翼５ｂの面積は、その厚み方向の一方の面の面積であり、総表面積ではない。なお、垂直尾翼５ｂの面積は、羽体８の総面積、水平尾翼５ａの面積、羽ばたき飛行装置１の重量等に応じて、３ｃｍ²以上の範囲から適宜選択すればよい。

なお、水平尾翼５ａ及び垂直尾翼５ｂが上記のような面積を有する羽ばたき飛行装置１においては、その全重量や全長は特に限定されないが、好ましくは全重量が１ｇ〜３０ｇであり、全長が１００ｍｍ〜３００ｍｍである。

電池６は、羽ばたき翼３と尾翼５との間で、第１支持軸１０に取り付けられる。電池６は、駆動モータ１７及び後述する受信機７にそれぞれ電気的に結線され、これらの装置に電力を供給する。なお、電池６は、錘としても利用できる。

電池６を錘として用いる場合、電池６を前後方向に移動させることもできる。電池６の移動は、例えば、電磁力により前後方向に移動する不図示のアクチュエータを第１支持軸１０に取り付け、このアクチュエータに電池６を取り付けることにより実施できる。電池６の移動により、羽ばたき飛行装置１の重心が前後方向に移動し、羽ばたき飛行装置１の鉛直方向の飛行を制御できる。具体的には、電池６を前側に移動させると羽ばたき飛行装置１は下降し、電池６を後側に移動させると羽ばたき飛行装置１は上昇する。

また、第１支持軸１０の延びる方向に垂直な方向（左右方向）に移動可能なアクチュエータを第１支持軸１０に取り付け、このアクチュエータに電池６を取り付けてもよい。アクチュエータが右方向に移動すると重心が右方向に移動し、羽ばたき飛行装置１は右に旋回する。また、アクチュエータが左方向に移動すると重心が左方向に移動し、羽ばたき飛行装置１は左に旋回する。

本実施形態では、電池６を錘として使用する構成を挙げたが、これに限定されず、例えば、電池６とは別に錘を、アクチュエータを介し又は介さずに第１支持軸１０に取り付けても良い。この別の錘は、例えば、第１支持軸１０における前側の羽体８ａ，８ｂと後側の羽体８ｃ，８ｄとの間に取り付けても良い

受信機７は、本実施形態では羽ばたき翼３と電池６との間で、第１支持軸１０に取り付けられるが、所定の位置に取り付け可能である。受信機７は、図示しない制御手段を含む。制御手段は、例えば、ＣＰＵ等の中央演算装置と各種メモリ等からなる回路であり、例えば、駆動モータ１７の回転数、電池６を錘として用いる場合の電池６の位置、電池６以外の錘を取り付けた場合のその位置等を制御する。受信機７は、駆動モータ１７やアクチュエータとの制御信号の遣り取りが可能なように結線される。受信機７は、不図示のコントローラから発信される制御命令を受信し、所定の制御を実施する。これにより、羽ばたき飛行装置１の飛行方向、飛行姿勢、飛行速度、飛行高度等を制御できる。

以上のような構成を備えることで、本発明の羽ばたき飛行装置１は、実物のトンボのように羽ばたきながら体軸のブレが少なく安定した飛行が可能となる。

以下に実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示すような外観と図２、図３に示すような構造を有する羽ばたき飛行装置１（全長２２ｃｍ、全重量７．５ｇ、羽体の総面積２０５ｃｍ²）を作製した。羽ばたき飛行装置１の全重量と羽体の総面積との比は、小数点第４位を四捨五入した値で０．２７９であった。

前側の一対の羽体と後側の一対の羽体との段差を５ｃｍ、前側の羽体の後縁部と後側の羽体の前縁部との間隔が図１の平面図において７．５ｃｍとなるように調整した。面積１８ｃｍ²（長さ６０ｍｍ、幅３０ｍｍ）の水平尾翼５ａ及び面積３ｃｍ²の垂直尾翼５ｂを取り付けた。水平尾翼５ａ及び垂直尾翼５ｂは、厚さ１ｍｍの発泡ポリスチレンを前記の寸法に加工して用いた。

また、主な部材の構成は以下のとおりである。
駆動モータ１７：直径６ｍｍコアレスモータ「Ｍｋ０６−１０」
ギア２０：Ｍ０．３ ９枚ピニオン「Ｇ３０９−０９７」
ギア２１，２２：Ｍ０．３ ６０枚スパー「Ｇ３６０Ｌ」
なお、ギアの減速比は３３．３になるように調整した。

第１支持軸１０：カーボンロッド（直径１ｍｍ）
羽体８の弾性軸部材１５：カーボンロッド（直径０．７ｍｍ）
羽体８の支脈１５ａ：カーボンロッド（直径０．３ｍｍ）
羽体８の薄膜羽部１６：ポリプロピレン膜（厚さ０．４５ｍｍ、幅４．５ｃｍ）
揺動支持軸１３：スチロール樹脂（２ｍｍ角材）
クランク部２３：ピアノ線（直径０．７ｍｍ）。第１〜第５の各クランク部の位相差が９０°となるように調整した。

連結アーム１９：アルミ棒（直径１ｍｍ）
支持板１１、連結具２４：バルサ材
電池６：Ｌｉ−Ｐｏ電池（左右方向に変動可能なソノイドアクチュエータ付）
なお、作製した羽ばたき飛行装置１は、前側の一対の羽体と後側の一対の羽体との位相差が９０°のものであり、１４Ｈｚの周波数で羽ばたくことが可能であった。

（試験例：尾翼の取り付け）
特開２００９−１９０６５１号公報、特開２０１１−１９５０５０号公報及び特願２０１１−０４５２３５に開示の、尾翼を有さない羽ばたき飛行装置（尾翼面積０ｃｍ²）を作製した。これらの羽ばたき飛行装置では、１０回飛行させた場合、半数近くの５回程度、飛行の途中で安定を崩し墜落することがあった。

一方、実施例１の羽ばたき飛行装置、及び、実施例１の羽ばたき飛行装置において、水平尾翼の面積を０ｃｍ²、８ｃｍ²又は１２．５ｃｍ²に変更した羽ばたき飛行装置を、１０回ずつ飛行させた。結果を表１に示す。

水平尾翼の面積が１８ｃｍ²以上の場合は１０回とも墜落することなく、実物のトンボのように、羽ばたきながら、体軸である第１支持軸のブレが少なく安定した飛行が可能となった。飛行時間も１分以上安定して、駆動モータの電源である電池が無くなるまで飛行できるようになった。また、垂直尾翼の面積を３ｃｍ²以上にするほうが、飛行安定性が一層向上することを確認した。

１ 羽ばたき飛行装置
２ 支持本体
３ 羽ばたき翼
４ 駆動手段
５ 尾翼
５ａ 水平尾翼
５ｂ 垂直尾翼
６ 電池
７ 受信機
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 羽体
１０ 第１支持軸
１１ 支持板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 貫通孔
１２ 第２支持軸
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 揺動支持軸
１５ 弾性軸部材
１５ａ 支脈
１６ 薄膜羽部
１７ 駆動モータ
１８ 回転体
１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ 連結アーム
２０ 出力軸
２０，２１，２１ａ，２２ ギア
２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ クランク部
２４ 連結具
２５ 回転軸心
２６ ピン

Claims (1)

1. 羽ばたき翼の上下揺動により飛行する羽ばたき飛行装置であって、
   一方向に延びる軸体である第１支持軸と、前記第１支持軸の上方に設けられかつ前記第１支持軸と同じ方向に延びる第２支持軸とを含む支持本体と、
   弾性軸部材と薄膜羽部とからなる羽体を含み、左右一対として複数対の前記羽体が前記支持本体により上下揺動可能に支持され、前記支持本体の前側の一対の羽体を前記第２支持軸に取り付け、後側の一対の羽体を前記第１支持軸に取り付けることにより、前記前側の一対の羽体と前記後側の一対の羽体とが段差を設けて前記支持本体に取り付けられている羽ばたき翼と、
   前記各羽体を上下に揺動させる駆動手段と、
   前記支持本体の後側の端部近傍に取り付けられ、水平尾翼と垂直尾翼とからなる尾翼と、を備え、
   羽ばたき飛行装置の全重量と前記各羽体の総面積との比が０．３５７ｍ²／Ｎ以下であり、前記水平尾翼の面積が１８ｃｍ²以上であり、且つ、前記垂直尾翼の面積が３ｃｍ²以上である羽ばたき飛行装置。

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