JP3143102U - 振動子を利用した移動装置およびこれを具えた玩具 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を動力源とし、簡単な構造でありながら細かな制御を実現できる振動を用いた移動装置およびこれを具えた玩具を提供する。
【解決手段】移動装置は、接地面に垂直な軸に対し、少なくとも一部が略同じ傾斜角を有するように配置されたブラシ形態の複数の足(8)と、複数の足の一端を支持する支持部(6)と、支持部を振動させる少なくとも１つの振動子(1)とを具えることを特徴とする。本考案によれば、微細加工が施された歯車や軸を用いることなく、一般的でかつ簡単な部品の組合せのみで推進速度や推進方向を制御可能な移動機構を低価格で実現することができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、振動子の振動を動力源とした移動装置に関するものであり、特に、玩具や小型の筐体を有した物体の移動制御に適用できる移動装置に関する。

従来、玩具を中心に様々な小型ロボット玩具や小型自動車玩具が登場しているが、これらは全てマイクロモータを動力源とし、微細加工が施された歯車や軸を介して車軸や手足に動力伝達され筐体を動かすものであった。しかしながら、駆動系が微細化されるにつれ、製造コストの上昇ならびに量産性の低下を余儀なくされている。これを解決すべく、駆動系の別な方式としては「振動を動力源に用いた移動機構」を始めとし、既にいくつか提案されている。しかしながら、これらの提案機構では、その移動を制御する具体的な技法は開示されていない。
特開平０９−８８８０６号公報

従来の振動を用いた駆動機構であっても、例えば迅速な移動方向制御や、円滑なる移動速度制御を実現するには至っていない。たとえ用途が玩具であったとしても低価格で高機能なものが日々要求されてきており、商品の差別化においても簡便で低価格な移動制御技法の実現が重要視されている。

そこで、本考案は、細かな制御を実現できる振動を用いた移動装置およびこれを具えた玩具を提供することを目的としている。

第１の考案による移動装置（移動機構）は、
接地面（床や地面）に垂直な軸に対し、少なくとも一部が略同じ傾斜角を有するように配置されたブラシ形態の複数の足と、
前記複数の足の一端を支持する支持部と、
前記支持部を振動させる少なくとも１つの振動子と、
を具えることを特徴とする。
本構成によれば、簡易な機構によって物体を移動させる装置を実現することができる。

また、第２の考案による移動装置（移動機構）は、
前記複数の足が複数組あり、組毎に、傾斜角および／または傾斜方向が異なる、
ことを特徴とする。
本構成によれば、異なる特性の足の組を設けることによって、様々な挙動（移動）特性を持つ移動装置を実現できる。例えば、第１の足の組は、直進用、第２の足の組は右回り用などとすることが可能である。

また、第３の考案による移動装置（移動機構）は、
前記振動子の振動周期および／または振幅を制御する制御部、
をさらに具えることを特徴とする。
本構成によれば、周期や振幅の調整によって、移動挙動、特に移動速度を制御することが可能となる。

また、第４の考案による移動装置（移動機構）は、
前記少なくとも１つの振動子が、回転型振動子（即ちモータ）であり、
前記回転型振動子の回転速度および／または回転方向を制御する制御部、
をさらに具えることを特徴とする。
本構成によれば、回転速度や回転方向の調整によって、移動挙動、移動速度や移動方向を制御することが可能となる。

また、第５の考案による移動装置（移動機構）は、
前記制御部への制御信号を外部機器から無線或いは有線を介して受信する通信部をさらに具え、
前記制御部は、前記通信部により受信された制御信号に基づく制御を行う、
ことを特徴とする移動装置。
本構成によれば、無線或いは有線の通信部によって、例えば、振動周期（周波数）や振幅をプログラムしたり、回転型振動子にあっては回転速度や回転方向をプログラムしたりして、振動子の動作（即ち、移動装置自体の移動の挙動）を外部機器から制御することが可能となる。

また、第６の考案による移動装置（移動機構）は、
接地面（床や地面）に垂直な軸に対し、少なくとも一部が略同じ傾斜角を有するように配置されたブラシ形態の複数の足と、
前記複数の足の一端を支持する支持部と、
前記支持部を振動させる複数の振動子であって、各振動子は異なる振動を前記支持部に与える振動子と、
前記複数の振動子をそれぞれ制御する制御部と、
を具えることを特徴とする。
本構成によれば、複数の振動子によって、任意の方向に移動可能な移動機構を実現することができる。

本考案の基本的な構成は、接地面に対して垂直な軸に対し全て同じ傾斜角を有するよう規則的に配置植毛された線状もしくは帯状のブラシ形態の足と、当該垂直な軸に対し任意の振動面（振動挙動、例えば振動方向や振動モードなど）を有する少なくとも１つ以上の振動子とを固着したものである。本考案の具体的な実施例を図１から図９を参照して詳細に説明する。

図１は、本考案の基本的な構成を示す図である。図１に示すように、板（支持部）６の下方にブラシ足８の一端が配置されている。即ち、板６は、ブラシ足８を支持する支持部材として機能している。板６の上部には３６０度回転可能な回転ステージ７を介してモータ（回転型振動子）１が支柱４により固定されている。モータ１と支柱７は仰角方向に０度から９０度まで可変できる仰角固定ピン５により固定される。モータ１のモータ軸２には偏心おもり３が装着されており、モータ１の回転により振動を発生することができる。モータ１の制御のため、電源線９を介して制御装置（制御部）１０に接続されており、制御装置１０が、モータ１のON-OFFならびに回転方向の設定をつかさどる。モータ１ならびに偏心おもり３の作用により発生した振動は板６に固着したブラシ足８に伝わる。また、ブラシ足８の形状は、図２に示すようにそれらの一端が面をなして接地面に接触するようなブラシ足を少なくとも１枚（１組）、板６の下方に固着するか、もしくは図３に示すように線状のブラシ足を少なくとも２枚以上、板６の下方に固着する。

次に本考案の作用を以下に説明する。まず図４は、図１の板６に固着されたブラシ足８の内、その一本に着目した時の横方向からの構成図である。図４に示すように、板６の上部から垂直下方方向に振動による下向きの力１２により、板６が右下に変位する。変位前の状態として、床１１とブラシ足８との角度であるブラシ足固着角度θを１３とし、変位後の板の位置を６ａ、変位後の床１１とブラシ足８ａとの角度であるブラシ足固着角度θ'を１４、変位後のブラシ足を８ａ、垂直方向の変位量λを１６、水平方向の移動量βを１５とした時、次のような関係式が成り立つ。

Δθとλは互いに相関関係があることが容易に推測できる。弾性が全く無いブラシ足の場合ではβ＝０、また弾性が大きすぎる場合はΔθの変化量よりもλの変化量が大きくなり、結果βは小さい値をとる事が分かる。最も効率良く移動距離を稼ぐには、実現可能でかつ構造上許される最大限のブラシ足長Lを選定し、たわみが少なく十分な弾性を得るためにはブラシ足付け根接合部での弾性を最大限引き出す素材を採用することが必要である。検証実験の結果、素材としてはナイロン繊維束でブラシ長Lは１ｍｍから３ｍｍ程度で平均速度約５ｍｍ／ｓを実現している。ただし、ブラシ足植毛の傾斜角４５°、振動周波数は２００回／ｓである。

なお、上記の理論式から計算すると、例えばL＝３ｍｍ、λ＝０．１ｍｍ、Δθ＝０．０１°、振動周波数＝２００回／ｓの場合β＝６ｍｍとなる。ただしこれは床面との摩擦が理想的な状態、すなわちブラシ足の伸長時に進行方向と逆方向には一切のすべりが無いものと想定しているため実際の測定結果よりも良い値となっている。また、理論式にはブラシ足の植毛傾斜角の項が入っていないがこれはブラシ足にかかる質量と床面との摩擦係数がその傾斜角の関数であり、煩雑な表現となるため考慮せず理想的な状態と仮定している。またブラシ足の弾性係数とも密接な関係にあるため厳密に数式化することは難しい。ただし最大の移動量βを実現するには容易に４５°の傾斜角であることは数学的に推測可能である。

次に移動方向の制御に関して説明する。図５は、ブラシ足を裏面から見た時の様子を示している。ブラシ足の裏面形状１７の一本の足は板との接合部１８と足先１９により区別するものとする。勿論ブラシ足は板６に対して傾斜角を持って植毛されている。ブラシ足の裏面形状１７の場合、この移動機構はブラシ足の傾斜と逆の方向に移動する。すなわち足先１９と反対の方向に直進移動することになる。直進する理由はブラシ足が全て同じ方向に傾斜角を持っているからである。次に、図６に別なブラシ足の植毛パターンを示す。まずパターン２０はブラシ足の植毛傾斜角を左右均等に反転したものである。このパターン２０の場合、移動機構に振動を与え、裏面から観察すると移動機構は時計回りに回転する。パターン２１の場合は反時計回りとなる。一方、パターン２２はブラシ足の植毛方向を完全ランダムにした場合である。このパターン２２に振動を与えると特定方向への推進力は発生することなくその場に留まることとなる。このようにブラシ足の植毛方向を変更もしくは組み合わせることで任意の移動方向を制御できる。

以上はブラシ足の形状による移動方向制御であるが、同様な効果を別な手段をもって実現する。図７は振動用モータを２個搭載した図である。図７のそれぞれのモータを１ａ、１ｂとする。モータ１ａは板６に対し水平に固着されその振動は板６に対し垂直である。モータ２ｂは板６に対し垂直でありその振動は板６に対し水平である。モータ１ａの振動により板６に、例えば図５のブラシ足形状のものが固着されていれば、ブラシ足の傾斜と反対方向に直進することは容易に推測できる。ここで、図７のモータ１ｂを動作させるとその水平方向の振動が加わることになる。この水平方向の振動成分には地球コマの原理同様にモータ１ｂの回転方向へ引っ張る力が生じる。この動きを図８に示す。図８の板６ａに搭載されているモータ１ｂの回転方向は反時計回りであり、板６ａは左方向へ進む。一方、板６ｂのモータ１ｂは時計回りであり、板６ａとは反対の右方向に進む。ただし、モータ１ａならびにモータ１ｂの回転方向は上部から見た時である。この様に互いに直交する二つのモータを用いることでブラシ足に変更を加えることなくしかも簡単に進行方向を制御することができる。なお、図１で示すモータ１は先の説明の通り回転ステージ７と仰角固定ピン５で固定されているが、この回転ステージ７と仰角固定ピン５を変えることで直進だけではなく移動方向の変更も一つのモータで実現できる。これは垂直方向の振動だけではなく水平方向の振動も発生するに他ならないからである。

最後に、図９に本実施例のシステム構成例を示す。モータ２５は図７のモータ１ａを、モータ２６は図７のモータ１ｂに対応している。この２つのモータは制御部２８によりそれぞれON-OFFならびにその回転数と回転方向を制御する。通信部２９は外部との通信手段として無線アンテナ３１ならびに光受光素子３０を兼ね備えており外部とワイヤレス通信が可能である。もちろん無線アンテナ３１のみの無線による制御だけでも構わない。外部との通信は想定される用途を考慮して選択すれば良い。また、電源部２７は制御部２８と通信部２９に電力を供給する。

なお、本実施例では振動源としてモータを想定しているが、圧電素子やスピーカー等のアクチュエーターでも構わない。また、ブラシ足を移動機構に設けているが、対向する床の表面にブラシ足を敷き詰めても効果は同様である。この時、移動機構側の底面は反対に床を想定した素材を固着する。

以上に示したように、本考案によれば、微細加工が施された歯車や軸を用いることなく、一般的でかつ簡単な部品の組合せのみで推進速度や推進方向を制御可能な移動機構を低価格で実現することができる。

本考案を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本考案の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部やユニットなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本考案の一実施例を示す全体立体図である。 本考案の移動手段を実現する足の実施態様１である。 本考案の移動手段を実現する足の実施態様２である。 本考案の動作原理を説明するモデル図である。 本考案の足の構造を説明するモデル図である。 本考案の移動方向制御を実現する足のモデル図である。 本考案の移動方向制御を実現する振動源のモデル図である。 本考案の移動方向制御を説明するモデル図である。 本考案の具体的な用途を示したシステム図である。

符号の説明

１…モータ
２…モータ軸
３…偏心おもり
４…支柱
５…仰角固定ピン
６…板
７…回転ステージ
８…ブラシ足
９…電源線
１０…制御装置
１１…床面
１２…下向きの力
１３…ブラシ足固着角度
１４…変位後のブラシ足の角度
１５…移動量
１６…変位量
１７…ブラシ足の裏面形状
１８…板との接合部
１９…足先
２０…ブラシ足パターン１
２１…ブラシ足パターン２
２２…ブラシ足パターン３
２３…左旋回
２４…右旋回
２５…水平モータ
２６…垂直モータ
２７…電源部
２８…制御部
２９…通信部
３０…光受光素子
３１…無線アンテナ

Claims (7)

1. 接地面に垂直な軸に対し、少なくとも一部が略同じ傾斜角を有するように配置されたブラシ形態の複数の足と、
   前記複数の足の一端を支持する支持部と、
   前記支持部を振動させる少なくとも１つの振動子と、
   を具えることを特徴とする移動装置。
2. 請求項１に記載の移動機構において、
   前記複数の足が複数組あり、組毎に、傾斜角および／または傾斜方向が異なる、
   ことを特徴とする移動装置。
3. 請求項１または２に記載の移動装置において、
   前記振動子の振動周期および／または振幅を制御する制御部、
   をさらに具えることを特徴とする移動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の移動装置において、
   前記少なくとも１つの振動子が、回転型振動子であり、
   前記回転型振動子の回転速度および／または回転方向を制御する制御部、
   をさらに具えることを特徴とする移動装置。
5. 請求項３または４に記載の移動装置において、
   前記制御部への制御信号を外部機器から無線或いは有線を介して受信する通信部をさらに具え、
   前記制御部は、前記通信部により受信された制御信号に基づく制御を行う、
   ことを特徴とする移動装置。
6. 接地面に垂直な軸に対し、少なくとも一部が略同じ傾斜角を有するように配置されたブラシ形態の複数の足と、
   前記複数の足の一端を支持する支持部と、
   前記支持部を振動させる複数の振動子であって、各振動子は異なる振動を前記支持部に与える振動子と、
   前記複数の振動子をそれぞれ制御する制御部と、
   を具えることを特徴とする移動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の移動装置を具えた玩具。

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