(57)【要約】【課題】飛翔体において装置の小型化を図ることができる技術を提供する。【解決手段】飛翔体は、ボディを備える。飛翔体は、ボディの両側面に配置されており、第１方向への揚力を発生させることが可能な一対の揚力発生部を備える。飛翔体は、一対の揚力発生部のボディに対する位置を、第２方向へ変化させることが可能な位置制御部を備える。第２方向は、第１方向のベクトルと一対の揚力発生部を結んだベクトルとの外積方向である。【選択図】図１
2020066395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボディと、
前記ボディの両側面に配置されており、第１方向への揚力を発生させることが可能な一対の揚力発生部と、
前記一対の揚力発生部の前記ボディに対する位置を、第２方向へ変化させることが可能な位置制御部と、
を備え、
前記第２方向は、前記第１方向のベクトルと前記一対の揚力発生部を結んだベクトルとの外積方向である、飛翔体。
【請求項２】
前記揚力発生部は、往復動作して揚力を生じさせる羽根部を備えており、
前記羽根部の往復動作の動作周波数は、前記位置制御部の動作周波数よりも高い、請求項１に記載の飛翔体。
【請求項３】
前記羽根部は、一対の第１羽根と第２羽根を備え、
前記揚力発生部は、前記第１羽根と前記第２羽根を互いに対称に動作させる、請求項２に記載の飛翔体。
【請求項４】
前記第１羽根の慣性モーメントと角加速度との積が、前記第２羽根の慣性モーメントと角加速度との積と等しい、請求項３に記載の飛翔体。
【請求項５】
前記第１羽根の代表速度の２乗値と前記第１羽根の面積との積が、前記第２羽根の代表速度の２乗値と前記第１羽根の面積との積に等しい、請求項３または４に記載の飛翔体。
【請求項６】
前記揚力発生部は、前記羽根部を往復動作させることが可能な曲げ型の圧電アクチュエータを備える、請求項２〜５の何れか１項に記載の飛翔体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する技術は、飛翔体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、昆虫や小型の鳥サイズの、非常に小型な羽ばたき型の飛翔体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８，７００，２３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、飛翔体の両側面に１枚ずつ羽根が配置されている。一つの羽に対して一つのアクチュエータが備えられている。そして、２枚の羽根を用いて、揚力発生および姿勢制御の両方を行っている。そのため、２枚の羽根を用いて揚力発生のみを行う場合に比して、羽根の必要可動範囲が大きくなってしまうため、アクチュエータの必要最大電圧が高くなってしまう。高電圧を発生する回路を搭載する必要があるために、飛翔体が大型化してしまうおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書に開示する飛翔体は、ボディを備える。飛翔体は、ボディの両側面に配置されており、第１方向への揚力を発生させることが可能な一対の揚力発生部を備える。飛翔体は、一対の揚力発生部のボディに対する位置を、第２方向へ変化させることが可能な位置制御部を備える。第２方向は、第１方向のベクトルと一対の揚力発生部を結んだベクトルとの外積方向である。
【０００６】
この構成によれば、位置制御部によって、揚力発生部の位置を第２方向へ変化させることができる。第２方向は、揚力発生方向（すなわち鉛直上方）のベクトルと、一対の揚力発生部を結んだベクトルとを含んだ平面に対して垂直な方向である。よって、位置制御部によってピッチ方向（左右の揚力発生部を結んだ線を軸とした回転方向）の姿勢制御が可能となる。揚力発生部によって、ピッチ方向の姿勢制御を行う必要がない。揚力発生部で揚力発生および姿勢制御の両方を行う場合に比して、揚力発生部の必要最大電圧を低下させることが可能になる。飛翔体に搭載する高電圧回路のサイズを縮小することができるため、飛翔体が大型化してしまうことを抑制できる。
【０００７】
揚力発生部は、往復動作して揚力を生じさせる羽根部を備えていてもよい。羽根部の往復動作の動作周波数は、位置制御部の動作周波数よりも高くてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００８】
羽根部は、一対の第１羽根と第２羽根を備えていてもよい。揚力発生部は、第１羽根と第２羽根を互いに対称に動作させてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【０００９】
第１羽根の慣性モーメントと角加速度との積が、第２羽根の慣性モーメントと角加速度との積と等しくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１０】
第１羽根の代表速度の２乗値と第１羽根の面積との積が、第２羽根の代表速度の２乗値と第１羽根の面積との積に等しくてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【００１１】
揚力発生部は、羽根部を往復動作させることが可能な曲げ型の圧電アクチュエータを備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】飛翔体の上面図である。
【図２】飛翔体の側面図である。
【図３】飛翔体のブロック図である。
【図４】飛翔体の上面図である。
【図５】飛翔体の上面図である。
【図６】比較例の飛翔体の上面図である。
【図７】比較例の飛翔体の上面図である。
【図８】比較例の飛翔体の制御電圧波形図である。
【図９】比較例の飛翔体の上面図である。
【図１０】羽根の配置態様の変形例を示す図である。
【図１１】羽根の配置態様の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に、飛翔体１の上面図を示す。図１では、ｘ軸およびｙ軸が平面方向を示しており、ｚ軸が垂直上方を示している。以降の図面でも同様である。図２に、飛翔体１をｘ軸正方向から見た側面図を示す。飛翔体１は、ボディ１０、揚力発生部１１および１２、位置制御部１３および１４、を備える。
【００１４】
揚力発生部１１および１２は、ボディ１０の両側面に一対に配置されている。揚力発生部１１および１２は、図２に示すように、ｚ軸正方向への揚力Ｆ１を発生させる部位である。
【００１５】
揚力発生部１１は、第１羽根２１、第２羽根２２、圧電アクチュエータ２３および２４を備える。なお図１では、分かりやすさのために、第１羽根２１および第２羽根２２がｘｙ平面と平行に配置されている。実際には図２に示すように、第１羽根２１および第２羽根２２は、ｘｙ平面と垂直に配置されている。第１羽根２１および第２羽根２２は、形状および面積が同一である。第１羽根２１および第２羽根２２は、中心線Ｌ１に対して線対称の位置に配置されている。圧電アクチュエータ２３は、第１羽根２１を往復動作させることが可能な曲げ型の圧電アクチュエータである。本実施例では、圧電アクチュエータ２３は、バイモルフ型振動子である。バイモルフ型振動子は、長さ方向に伸縮する圧電セラミックス素子２３ａおよび２３ｂの２枚を接合し、一方が伸びると他方が縮むように構成した素子である。同様に、圧電アクチュエータ２４は、第２羽根２２を往復動作させることが可能な素子である。揚力発生部１１は、第１羽根２１と第２羽根２２を互いに対称に動作させる。すなわち、図１の矢印Ｙ１方向に示すように互いに近づく方向と、矢印Ｙ２方向に示すように互いに離反する方向に動作する。換言すると、第１羽根２１と第２羽根２２は、中心線Ｌ１に対して鏡像関係で動作する。
【００１６】
揚力発生部１２は、第１羽根３１、第２羽根３２、圧電アクチュエータ３３および３４を備える。揚力発生部１２の構成および動作は、揚力発生部１１と同様であるため、説明を省略する。
【００１７】
位置制御部１３および１４は、一対の揚力発生部１１および１２のボディ１０に対する位置を、ｘの正負方向へ変化させることが可能な部位である。ここでｘ方向は、揚力発生方向（すなわちｚ軸正方向）のベクトルと、一対の揚力発生部１１および１２を結んだｙ軸方向のベクトルとの、外積方向である。換言すると、位置制御部１３および１４が揚力発生部１１および１２を移動させることができる方向は、揚力発生方向のベクトルと、揚力発生部１１および１２を結んだｙ軸方向のベクトルと、を含んだ平面に対して垂直な方向である。
【００１８】
位置制御部１３は、基部４１と、ヒンジ４２、４３、４５と、接続部４４と、アクチュエータ４６と、を備えている。基部４１には、揚力発生部１１が固定されている。アクチュエータ４６は、揚力発生部１１の位置をｘの正負方向へ変化させるための部位である。本実施例では、アクチュエータ４６は、圧電バイモルフアクチュエータである。ヒンジ４２、４３、４５および接続部４４によって、アクチュエータ４６と基部４１とを接続するテコ機構が構成されている。アクチュエータ４６により発生した微小な並進運動を、テコ機構によって大きな回転運動に変換することができる。
【００１９】
位置制御部１４は、基部５１と、ヒンジ５２、５３、５５と、接続部５４と、アクチュエータ５６と、を備えている。位置制御部１４の構成および動作は、位置制御部１３と同様であるため、説明を省略する。
【００２０】
圧電アクチュエータ２３、２４、３３、３４は、アクチュエータ４６および５６に比して高いバネ定数を有している。これは、圧電アクチュエータ２３、２４、３３、３４で行う羽ばたき動作は高い周波数（数十〜数百Ｈｚ）の往復運動であり、共振現象を利用するためである。一方、アクチュエータ４６および５６で行う、揚力発生部１１および１２を移動させる動作は、飛翔体１全体の姿勢変化に対して追従できればよいため、比較的低い周波数（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）の静的な変位である。そのため、アクチュエータ４６および５６のバネ定数を低くすることができる。バネ定数が低いほど、同じ変位を発揮するのにより低い電圧で済むため、アクチュエータ４６および５６の制御電圧を低電圧化できる。
【００２１】
（飛翔体１のブロック図）
飛翔体１のブロック図を図３に示す。ボディ１０は、電源６０、電位制御部６１〜６４、中央制御装置７０、姿勢検出装置７１を備えている。電源６０は、電位制御部６１〜６４の各々に電気的に接続されている。電源６０は、高電圧を生成して電位制御部６１〜６４に供給する回路である。電位制御部６１および６２の各々は、配線Ｗ１およびＷ２によって、揚力発生部１１および１２に電気的に接続されている。電位制御部６１は、揚力を調整するための駆動信号を圧電アクチュエータ２３および２４に供給する部位である。同様に、電位制御部６２は、揚力を調整するための駆動信号を圧電アクチュエータ３３および３４に供給する部位である。電位制御部６３および６４の各々は、配線Ｗ３およびＷ４によって、位置制御部１３および１４に電気的に接続されている。電位制御部６３は、揚力発生部１１の位置を変化させるための駆動信号をアクチュエータ４６に供給する部位である。同様に、電位制御部６４は、揚力発生部１２の位置を変化させるための駆動信号をアクチュエータ５６に供給する部位である。
【００２２】
姿勢検出装置７１は、ボディ１０の姿勢や位置を検出する。姿勢検出装置７１の構成は特に限定されるものではない。姿勢検出装置７１は、例えばジャイロスコープと３軸加速度センサとを備えている。ジャイロスコープは、基準に対する物体の角度、角速度、角加速度等を検出することができる装置である。３軸加速度センサは、ＸＹＺ軸の３方向の加速度を検出することができる装置である。また、姿勢検出装置７１は、磁気センサ、カメラ、レーダー等を備えていてもよい。
【００２３】
中央制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えている。中央制御装置７０は、姿勢検出装置７１に電気的に接続されている。また、中央制御装置７０は、電位制御部６１〜６４に電気的に接続されている（図示省略）。中央制御装置７０は、姿勢検出装置７１によって検出されたボディ１０の姿勢、目的姿勢、位置情報などに基づいて、電位制御部６１〜６４に制御信号を送信する。中央制御装置７０によって、ボディ１０の姿勢が安定するように姿勢制御することができる。
【００２４】
（本明細書の姿勢制御の方法）
姿勢制御には、ピッチ方向（左右の羽根を結んだ線であるｙ軸まわりの回転方向）の姿勢制御と、ロール方向（前後方向であるｘ軸まわりの回転方向）の姿勢制御とがある。ピッチ方向の姿勢制御が、本実施例の特徴的な制御であるため、以下に説明する。図４に示すように、アクチュエータ４６および５６の先端部をｘ軸の正方向に屈曲させた場合を考える。この場合、揚力発生部１１および１２の位置をｘ軸の正方向に移動させることができる。よって、揚力Ｆ１の発生位置Ｐ１およびＰ２を、重心線ＧＬに対して距離Ｄ１だけｘ軸の正方向に移動させることができる。重心線ＧＬは、例えば、ｙ軸まわりの回転中心を示す線である。これによって、ｙ軸まわりのモーメントＭ１を得ることができる。モーメントＭ１は、ｙ軸の正方向からみて時計回りの向きである。
【００２５】
一方、図５に示すように、アクチュエータ４６および５６の先端部をｘ軸の負方向に屈曲させた場合を考える。この場合、揚力発生部１１および１２の位置をｘ軸の負方向に移動させることができる。よって、揚力Ｆ１の発生位置Ｐ１およびＰ２を、重心線ＧＬに対して距離Ｄ２だけｘ軸の負方向に移動させることができる。これによって、ｙ軸まわりのモーメントＭ２を得ることができる。モーメントＭ２は、ｙ軸の正方向からみて反時計回りの向きである。
【００２６】
（効果）
比較例の飛翔体１００を、図６〜図８を用いて説明する。比較例の飛翔体１００は、羽ばたきによる揚力発生と、ロール方向の姿勢制御との両方を、１つのアクチュエータで行うものである。図６の上面図に示すように、飛翔体１００は、一つの羽根１２１に対して一つのアクチュエータ１２３が備えられている。また、一つの羽根１３１に対して一つのアクチュエータ１３３が備えられている。アクチュエータ１２３および１３３の各々によって、最大振幅Ａ１で羽根１２１および１３１を羽ばたき動作させることができる。また、図７の上面図に示すように、アクチュエータ１２３によって、羽ばたきの中心線Ｌ１０１を中心線Ｌ１０１ａまで変化させることができる。同様に、アクチュエータ１３３によって、羽ばたきの中心線Ｌ１０２を中心線Ｌ１０２ａまで変化させることができる。これにより、揚力Ｆ１の発生位置Ｐ１０１およびＰ１０２を、ｘ軸の負方向に移動させることができる。よって、ｙ軸まわりのモーメントＭ１０２を得ることができる。すなわち比較例の飛翔体１００では、羽ばたき動作と羽ばたきの中心線の移動動作の２動作を、ひとつのアクチュエータへの入力振動変化によって実現している。図８（Ａ）に、羽ばたき動作に必要な電圧信号（Ｖｆ（ｔ）ｓｉｎωｔ）の波形を示す。ここでωは羽ばたきの周波数である。ωは、アクチュエータ１２３および１３３の共振周波数と一致させる。また図８（Ｂ）に、羽ばたきの中心線の移動動作に必要な電圧振動（Ｖｏ（ｔ））の波形を示す。アクチュエータ１２３および１３３への入力電圧信号は、これらの和であり、下式（１）で表されるとともに、図８（Ｃ）の波形となる。
ｖ（ｔ）＝Ｖｆ（ｔ）ｓｉｎωｔ＋Ｖｏ（ｔ）  ・・・式（１）
すると、アクチュエータで羽ばたき動作のみを行う場合の必要最大電圧は、図８（Ａ）に示すように、ｍａｘＶｆである。またアクチュエータで羽ばたきの中心線の移動動作のみを行う場合の必要最大電圧は、図８（Ｂ）に示すように、ｍａｘＶｏである。しかし比較例の飛翔体１００のように、１つのアクチュエータで羽ばたき動作および羽ばたきの中心線の移動動作の両方を行う場合には、必要最大電圧は、図８（Ｃ）に示すように、ｍａｘＶｆ＋ｍａｘＶｏと高くなってしまうことが分かる。必要最大電圧が高くなると、アクチュエータに高電圧を供給する回路のコンデンサやインダクタのサイズが大きくなるため、飛翔体１００が大型化してしまう。また、高いばね定数が必要な羽ばたき動作と、低いばね定数でよい中心線の移動動作の両方を１つのアクチュデータで実現する場合には、高いばね定数にする必要があるため、中心線の移動動作に必要な電圧が、必要以上に高くなってしまう。これによっても、比較例の飛翔体１００では、アクチュエータの必要最大電圧が高くなってしまうことが分かる。
【００２７】
本実施例に係る飛翔体１（図１および図２参照）によれば、位置制御部１３および１４によって、揚力発生部１１および１２の位置をｘの正負方向へ変化させることができる。ピッチ方向（ｙ軸まわりの回転方向）の姿勢制御が可能となる。これにより、揚力発生部１１および１２によってピッチ方向の姿勢制御を行う必要がない。揚力発生部１１および１２で揚力発生およびピッチ方向姿勢制御の両方を行う場合に比して、揚力発生部１１および１２の必要最大電圧を低下させることが可能になる。飛翔体１に搭載する高電圧を供給する回路（例：電源６０）のコンデンサやインダクタのサイズを縮小することができるため、飛翔体１が大型化してしまうことを抑制できる。
【００２８】
図９に、比較例の飛翔体２００を示す。飛翔体２００は、揚力発生部２１１が１枚の羽根２２１を備え、揚力発生部２１２が１枚の羽根２２２を備えている点が、本実施例の飛翔体１（図１参照）とは異なっている。飛翔体１と同一の構造には同一の符号を付すことで、説明を省略する。飛翔体２００の構造では、羽根２２１および２２２が矢印Ｙ２０１方向に羽ばたき運動すると、慣性力や空気抵抗力による反力が発生してしまう。その結果、テコ機構を構成するヒンジ４２および５２を中心として、羽ばたき運動と逆の矢印Ｙ２０２方向の回転運動が生じてしまう。そのため、羽ばたき運動を効率よく行うことができなくなってしまう。一方、本実施例に係る飛翔体１の揚力発生部１１は、中心線Ｌ１に対して鏡像関係で動作する一対の第１羽根２１と第２羽根２２を備えている。これにより、第１羽根２１および第２羽根２２が羽ばたき運動したときに、慣性力や空気抵抗力による反力を相殺することができる。反力がヒンジに伝達してしまうことがない。羽ばたき運動を効率よく行うことが可能である。なお、揚力発生部１２が備える一対の第１羽根３１および第２羽根３２においても、同様の効果が得られる。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００３０】
（変形例）
反力を相殺することが可能な一対の羽根の配置態様は、本実施形態の態様に限られず、様々な態様であってよい。例えば、図１０に示すように、一対の羽根２１ａおよび２２ａが、同一平面内においてｚ軸方向（垂直方向）に並ぶように配置されてもよい。そして、矢印Ｙ１ａ方向の動作と矢印Ｙ２ａ方向の動作を繰り返してもよい。また例えば、図１１に示すように、一対の羽根２１ｂおよび２２ｂが、ｙ軸を挟んで互いに平行に配置されてもよい。そして、矢印Ｙ１ｂ方向の動作と矢印Ｙ２ｂ方向の動作を繰り返してもよい。なお、図１０および図１１では、羽根および圧電アクチュエータを、長方形で簡略化して示している。また、図１０および図１１のｘｙｚ座標は、図１と同様の座標である。
【００３１】
本実施形態では、形状および面積が同一の一対の第１羽根および第２羽根を用いる形態を説明したが、この形態に限られない。第１羽根と第２羽根の形状や面積が異なる場合においても、運動や質量を調整することで慣性力や空気抵抗力を相殺することが可能である。空気の抵抗力を相殺することが可能な第１羽根および第２羽根を説明する。空気抵抗力ＦＤは、下式（２）で一般的に表すことができる。
【数１】
2020066395.tif 000003
ここで、ＣＤは抗力係数、Ａは羽根の面積、ρＡｉｒは空気の密度、ｖｒｅｆは羽根の代表速度である。よって、第１羽根および第２羽根について、下式（３）を満たすように羽根の速度を調整すれば、面積が異なる羽根の組み合わせにおいても空気抵抗力を相殺することができる。すなわち、第１羽根の代表速度の２乗値と第１羽根の面積との積が、第２羽根の代表速度の２乗値と第１羽根の面積との積に等しければよい。
【数２】
2020066395.tif 000004
また、慣性力を相殺することが可能な第１羽根および第２羽根は、下式（４）を満たすことで実現可能である。すなわち、第１羽根の慣性モーメントと角加速度との積が、第２羽根の慣性モーメントと角加速度との積と等しければよい。
【数３】
2020066395.tif 000005
【００３２】
本明細書では、揚力発生部の一例として羽根を備える形態について説明したが、この形態に限定されるものではない。例えば揚力発生部は、モータとプロペラを備えたロータであってもよい。
【００３３】
圧電アクチュエータ２３、２３、３３、３４は、曲げ型の圧電アクチュエータに限られず、各種のアクチュエータを使用可能である。アクチュエータ４６、５６は、圧電バイモルフアクチュエータに限られず、各種のアクチュエータを使用可能である。
【００３４】
本明細書に示す位置制御部１３および１４の構造は一例であり、この形態に限定されるものではない。飛翔体１全体の姿勢変化に対して追従できる反応性を有していれば、位置制御部１３および１４はどのような構造であってもよい。
【００３５】
本明細書では、揚力発生部が第１羽根および第２羽根のセットを１つ備える場合を説明したが、この形態に限られない。揚力発生部は、羽根のセットを複数備えていてもよい。
【００３６】
電源６０の数は、１個に限定されず、複数であってもよい。例えば、飛翔体１が複数の電源（図示省略）を備えており、各電源から電位制御部６１〜６４の各々に電力が供給される構成であってもよい。
【００３７】
（対応関係）
ｚ軸方向は、第１方向の一例である。ｘ軸方向は、第２方向の一例である。
【符号の説明】
【００３８】
１：飛翔体    １０：ボディ    １１、１２：揚力発生部    １３、１４：位置制御部    ２１、３１：第１羽根    ２２、３２：第２羽根    ２３、２４、３３、３４：圧電アクチュエータ    ４６、５６：アクチュエータ
【図１】
2020066395.tif 000006
【図２】
2020066395.tif 000007
【図３】
2020066395.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020066395.tif 000011
【図７】
2020066395.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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