(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼幅方向に対して間隔をもたせて並列させた複数の柱状物体または板状物体を翼前縁部で固定することで、翼全体の平面形が櫛状となるように形成してなり、複数の柱状物体間または板状物体間の空隙部が翼前縁部まで達していることを特徴とする櫛状翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、櫛状翼に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、回転翼や羽ばたき翼として用いられ、流体機器の軽量化に有用な櫛状翼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来の流体機器の流体駆動部におけるレイノルズ数は１０5以上であり、このような高いレイノルズ数において、運動物体が駆動できる流体力については、膨大なデータが存在する。例えば、Ｈｏｅｒｎｅｒらはその著書で、様々な形状に関する抗力係数および揚力係数について列挙しており、これらのデータは多くの流体機器の設計に役立てられてきた。
【０００３】
ところが、最近になって研究開発が盛んに行なわれるようになってきている小型流体機器が対象とする１０5以下のレイノルズ数における流体駆動力に関するデータは極めて少なく、小型流体機器の最適な設計を行なう上で困難をともなっているのが現状である。このため、小型流体機器の研究開発においては、各種の形状を持つ物体について、１０5以下のレイノルズ数における流体駆動力に関するデータの収集がなされている最中である。
【０００４】
小型流体機器で用いられる回転翼や羽ばたき翼の設計においては、機器の大きさが制限されるため、例えば、必要とする流体駆動力を得るために翼面積を大きくすると、翼が重くなってしまい、翼を維持するだけの付け根部分の剛性を得ることが難しくなってしまうといった困難が生じていた。このため、小型流体機器で用いられる回転翼や羽ばたき翼が、高い流体駆動力を維持しつつ翼を軽量化することの実現が求められていた。
【０００５】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、軽量であり、かつ、高い流体駆動力を備える小型流体機器用の翼を提供することを課題としている。
【０００６】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、翼幅方向に対して間隔をもたせて並列させた複数の柱状物体または板状物体を翼前縁部で固定することで、翼全体の平面形が櫛状となるように形成してなり、複数の柱状物体間または板状物体間の空隙部が翼前縁部まで達していることを特徴とする櫛状翼を提供する。
【０００７】
また、第２には、複数枚の第１の発明の櫛状翼を、ブレードとして備えることを特徴とする回転翼を、第３には、複数枚の第１の発明の櫛状翼を、ブレードとして備えることを特徴とする羽ばたき翼を提供するものである。
【０００８】
すなわち、この出願の発明は、翼の形状を櫛状とした点に大きな特徴がある。この出願の発明は、発生以来の長い進化の歴史の結果として、極めて高い流体駆動性能を持つと考えられている昆虫の羽の形状に着目してなされたものである。
【０００９】
我々がよく目にするトンボやチョウなどのセンチメートルサイズの昆虫のレイノルズ数は１０3から１０4程度であり、その羽は膜状である。一方、それよりも小さいミリメートルサイズの昆虫は、レイノルズ数が１０程度となり、例えば、図６に示すアザミウマの羽の様に、膜状の羽ではなく櫛状の羽を持っているものがある。
【００１０】
この出願の発明者らは、この点に着目し、１〜２０のレイノルズ数における櫛状翼の流体駆動力について調べ、この範囲のレイノルズ数において櫛状の平面形を持つ翼が高い流体駆動力を持つことを見出し、この出願の発明を発案するに至ったものである。
【００１１】
この出願の発明の櫛状翼は、その平面形が櫛状であるために、翼面積が小さく、重量を軽量に抑えることが可能となる。したがって、回転翼や羽ばたき翼として用いる場合に、回転による遠心力または羽ばたきによる慣性力を小さく抑えることが可能となり、羽根の付け根部分への負荷も小さくすることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
この出願の発明の櫛状翼は、図１に例示するように、複数の柱状物体または板状物体（１）を翼幅方向に対して間隔をもたせて並列させ、翼前縁部（２）で固定することで、翼の平面形が櫛状となるように形成されている。
【００１４】
このように形成された櫛状翼には、この櫛状翼と平面形の外周が等しい板状の翼とほぼ同等の流体力が作用する。このとき、櫛の歯を形成する柱状物体または板状物体の厚さや、櫛の歯の間隔は、レイノルズ数に応じて適宜に設定されるものであり、例えば、レイノルズ数が１０程度であれば、櫛の歯の間隔が櫛の直径の約１０倍に設定される。レイノルズ数が１０より大きい値である場合には、櫛の厚さに対する櫛の歯の間隔は小さく設定され、逆に、レイノルズ数が１０より小さい値である場合には、櫛の厚さに対する櫛の歯の間隔は大きく設定される。
【００１５】
この櫛状翼をブレードとして備えることで回転翼を形成することも可能である。また、この櫛状翼を羽ばたき機構により羽ばたき運動させることで羽ばたき翼を形成してもよい。
【００１６】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００１７】
【実施例】
図２に示すような形状を持つ櫛状翼（翼Ａ）を作成し、翼Ａの流体駆動力について調べた。また、図３に示すような矩形翼（翼Ｂ）についても流体駆動力を調べ、翼Ａとの特性の違いについて検討した。
【００１８】
翼Ａおよび翼Ｂをグリセリン水溶液またはシリコンオイルで満たされた水槽中に設置し、（I）一定速度での前進運動、（II）正弦波状に加速度を変化させての前進運動、（III）一定角速度の回転運動、および、（IV）正弦波状に角加速度を変化させての回転運動、すなわち、羽ばたき運動を、それぞれ行なった際に働く流体力をロードセルにより測定した。このとき、図２および図３中の翼弦長Ｃにより定義されるレイノルズ数が１〜２０の範囲をとるように設定した。（II）および（IV）の運動においては、レイノルズ数と合わせて、加速度運動中の無次元前進距離Ｖ0Ｔ0／２Ｃ（Ｖ0、Ｔ0はそれぞれ加速後の前進速度と加速時間）または回転角度φが測定結果を整理する際のパラメータである。測定される流体力は、（I）および（II）の運動においては、前進方向に垂直な力Ｌと平行な力Ｄであり、また、（III）および（IV）の運動においては、回転面に垂直な力Ｔと回転軸周りのトルクＱである。
【００１９】
（I）および（III）の運動においては、測定されるＬおよびＤ、または、ＴおよびＱは、それぞれ、流体力ＬfおよびＤf、または、ＴfおよびＱf（流体力によるトルク）に一致する。一方、（II）および（IV）の運動において測定される力ＬおよびＴは、流体力ＬfおよびＴfに一致するが、進行方向に平行な力Ｄおよび回転軸周りのトルクＱには、翼およびロードセル受感部に働く慣性力および慣性トルクが含まれている。これらの慣性力および慣性トルクについては、同一の測定を空気中で行なうことで評価し、これらの値を水槽の溶液中で測定されたＤおよびＱからそれぞれ差し引き、流体力ＤfおよびＱfを得た。
【００２０】
以上の手順により得られた流体力Ｌf、Ｔf、Ｄf、および、流体力によるトルクＱfは、次式で無次元化され、それぞれの運動における揚力係数ＣL、および抗力係数ＣDが算出される。
【００２１】
【数１】
0003640902.tif 000002
ここで、ρは流体の密度、Ｓは翼面積、Ｖは前進速度、φ´は角速度を示す。
【００２２】
（I）および（III）の運動においては、揚力係数ＣLおよび抗力係数ＣDは、翼形状とレイノルズ数に対して、それぞれ一意的に定まるが、（II）および（IV）の運動においては、翼形状、レイノルズ数、および、無次元パラメータ（無次元前進距離Ｖ0Ｔ0／２Ｃまたは回転角度φ）に対して、移動距離ｘ／Ｃまたは角度φの関数となる。
【００２３】
ここでは、表１に示すように、翼Ａのｎ、ｄ／Ｃ、Ｄ／ｄ、ｘW／Ｃ、ＣW／Ｃ、Ｃh1／Ｃ、および、Ｃh2／Ｃの値を、アザミウマの翼と近い値に設定し、相似形とした。
【００２４】
【表１】
0003640902.tif 000003
レイノルズ数を約１５に設定し、（I）および（III）の運動を行なったときの揚力係数ＣLと抗力係数ＣDとの関係（ポーラ曲線）について、図４に示す。
【００２５】
また、レイノルズ数を約１５に設定し、（I）および（III）の運動を行なったとき、迎角に対する翼Ａおよび翼Ｂに作用する流体力の比について、図５に示す。図５において、それぞれの流体力の比の値は約１であり、翼Ａの翼面積が翼Ｂの翼面積の約１／３であるにも関わらず、それぞれの翼に作用する流体力がほぼ等しいことがわかる。これは、１〜２０のレイノルズ数において、同様の結果が得られており、特に、低いレイノルズ数においては、櫛状翼を用いても板状の矩形翼と同等の流体力を得ることができることがわかった。すなわち、低いレイノルズ数においては、櫛状翼を用いることで、翼の軽量化が実現する。
【００２６】
櫛状翼を回転翼として用いる場合には、翼に作用する遠心力を軽減することができることから、翼および翼の付け根部分の剛性を下げることも可能となり、翼に用いられる材料の選択の幅も広がる。また、櫛状翼を羽ばたき翼として用いる場合にも、翼に作用する慣性力を軽減することができることから、同様の効果を得ることができる。
【００２７】
以上の通り、小型の回転翼、または、羽ばたき翼には、従来の板状の翼ではなく、櫛状翼を適用することが望ましいことが証明された。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、軽量であり、かつ、高い流体駆動力を備える小型流体機器用の翼が提供される。
【００２９】
この出願の発明は、小型昆虫の羽が櫛状であることに着目し、それを積極的に利用するという、極めて独創性に富む発想によりなされたものであり、軽量な翼に大きな流体力を作用させることは、この出願の発明によりはじめて可能となるものである。この出願の発明の櫛状翼を、回転翼や羽ばたき翼として利用する場合には、翼に作用する遠心力や慣性力を低減できることから翼自体や翼付け根部における剛性を小さく設計することも可能となる。この出願の発明の櫛状翼は、小型流体機器の大幅な軽量化を実現する技術として、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である櫛状翼の形状について示した概要図である。
【図２】この出願の発明である櫛状翼の実施例で作成した櫛状翼の概要図である。
【図３】この出願の発明である櫛状翼の実施例で比較のために作成した矩形翼の概要図である。
【図４】この出願の発明である櫛状翼の実施例において、櫛状翼および矩形翼に作用する揚力係数ＣLと抗力係数ＣDとの関係について示したグラフ（ポーラ曲線）である。
【図５】この出願の発明である櫛状翼の実施例において、櫛状翼および矩形翼に作用する流体力の比について示したグラフである。
【図６】アザミウマの羽について示した写真である。
【符号の説明】
１  柱状物体または板状物体
２  翼前縁部
【図１】
0003640902.tif 000004
【図２】
0003640902.tif 000005
【図３】
0003640902.tif 000006
【図４】
0003640902.tif 000007
【図５】
0003640902.tif 000008
【図６】
0003640902.tif 000009