(57)【要約】【課題】  ＣＦＲＰ等の質量が小さくかつ剛性が高い繊維複合材料を用いながら、所望の剛性分布が得られるような設計の自由度が高い構造からなる羽およびその製造方法を提供する。【解決手段】  羽面部３は、繊維軸が第１の方向に延びる第１のＣＦＲＰ層、第１の方向に対して６０度ずれた第２の方向に繊維軸が延びる第２のＣＦＲＰ層、および、第２の方向に対して６０度ずれた第３の方向に繊維軸が延びる第３のＣＦＲＰ層の積層構造からなる。第１のＣＦＲＰ層においては、第１方向に沿って延びる複数の細長板状部７が互いに間隔をおいて並んでいる。第２のＣＦＲＰ層においては、第２方向に沿って延びる複数の細長板状部８が互いに間隔をおいて並んでいる。第３のＣＦＲＰ層においては、第３方向に沿って延びる複数の細長板状部９が互いに間隔をおいて並んでいる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接的にまたは他の部材を介して間接的に重なるように設けられた複数の繊維複合材料層を備え
前記複数の繊維複合材料層のうちの少なくとも２以上の層は、それぞれの層の主たる繊維軸が互いに異なる方向に延びており、
前記２以上の層のうちの少なくともいずれか１つの層は、互いに間隔をおいて並んでいる複数の細長板状部を有し、
前記複数の細長板状部のそれぞれは、繊維軸の方向に沿って延びている、羽。
【請求項２】
前記複数の細長板状部のそれぞれは、その長手方向の２辺のうちの少なくともいずれか一方が前記繊維軸の方向と平行に設けられた、請求項１に記載の羽。
【請求項３】
前記２以上の層のうちの少なくともいずれか１つの層の前記複数の細長板状部は羽の長手方向に沿って延びている、請求項１に記載の羽。
【請求項４】
前記２以上の層は、２つの層からなり
前記２つの層のうちの１つの層においては、前記複数の細長板状部が、第１方向に沿って延びており、
前記２つの層のうちの他の層においては、前記複数の細長板状部が、第２方向に沿って延びており、
前記第１の方向と前記第２の方向とが直交する、請求項１に記載の羽。
【請求項５】
前記第１の方向および前記第２の方向のそれぞれが羽の長手方向と４５度の角度をなす、請求項４に記載の羽。
【請求項６】
前記２以上の層は、３つの層からなり
前記３つの層のうちの第１の層においては、前記複数の細長板状部が、第１方向に沿って延びており、
前記３つの層のうちの第２の層においては、前記複数の細長板状部が、第２方向に沿って延びており、
前記３つの層のうちの第３の層においては、前記複数の細長板状部が、第３方向に沿って延びており、
前記第１の方向、前記第２の方向、および前記第３の方向が、互いに６０度の角度をなす、請求項１に記載の羽。
【請求項７】
前記複数の繊維複合材料層のうちの少なくとも２以上の層は、それぞれ、羽の前縁部を構成する部分を有する、請求項１に記載の羽。
【請求項８】
前記２以上の層うちの少なくともいずれか１つの層は、その厚さが均一である、請求項１に記載の羽。
【請求項９】
前記複数の繊維複合部材層のうちの少なくともいずれか１つの層は、羽の外周部を構成する枠部の一部を有している、請求項１に記載の羽。
【請求項１０】
羽の外周を構成する枠部が、前記複数の繊維複合部材層のうちの少なくともいずれか１つの層の一部を、その面内方向において曲げることによって形成された、請求項９に記載の羽。
【請求項１１】
前記複数の細長板状部によって支持されているフィルムをさらに備えた、請求項１に記載の羽。
【請求項１２】
前記フィルムは、その耐熱温度が前記複数の繊維複合材料層の成形温度よりも高い、請求項１１に記載の羽。
【請求項１３】
前記フィルムは、前記複数の繊維複合材料層と親和性を有している、請求項１１に記載の羽。
【請求項１４】
前記フィルムは、前記複数の繊維複合材料層のうちのいずれか２つの層に挟まれている、請求項１１に記載の羽。
【請求項１５】
前記複数の繊維複合材料層のそれぞれがＣＦＲＰ（Carbon-Fiber Reinforced Plastics）からなる、請求項１に記載の羽。
【請求項１６】
前記複数の細長板状部が等間隔で平行に並んでおり、
前記複数の繊維複合材料のそれぞれの前記細長板状部以外の部分全体の所定の方向を含む面内の曲げに対する剛性がＥ０であり、前記複数の細長板状部が位置する領域の部分全体の前記所定の方向を含む面内の曲げに対する剛性がＥ１である場合に、前記細長板状部の幅Ｄ１と前記細長板状部同士のピッチＤ０との比Ｄ１／Ｄ０がＥ１／Ｅ０である、羽。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の羽の製造方法であって、
前記複数の繊維複合材料層のそれぞれに対応する複数のプレプリグを含む原材料を金型の上に重ねて載置するステップと、
前記原材料を焼結することによって羽を成形するステップとを備えた、羽の製造方法。
【請求項１８】
前記原材料は、請求項１１に記載のフィルムを含む、請求項１７に記載の羽の製造方法。
【請求項１９】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部が接続された駆動機構部と、
前記駆動機構部を駆動する駆動部と、
前記駆動機構部および前記駆動部が搭載された本体とを備え、
前記羽部は、請求項１〜１６のいずれかに記載の羽によって構成されており、
前記駆動部は、前記駆動機構部を介して、前記羽部に羽ばたき動作をさせる、移動装置。
【請求項２０】
前記駆動部は、前記駆動機構部を動作させることによって、前記羽部を、所定の方向に往復回転運動させるとともに、前記羽部の長手方向を回転中心軸として往復回転運動させる、移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき運動によって所定の流体力を生み出しながら浮上移動する移動装置の羽、羽の製造方法、およびその羽を備えた移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型の羽ばたきロボットによる羽ばたき飛行を実現させるためには、質量が小さくかつ剛性が高い羽を製造することが不可欠である。Ｒｏｎ  Ｆｅａｒｉｎｇらは、ハエの羽の動きを模倣した羽ばたき運動を得る手法を考案している。その手法は、次の非特許文献に開示されており、その手法においては、２自由度を有するピエゾバイモルフアクチュエータにリンク機構が設けられている。
【非特許文献１】論文” Lift Force Improvements for the Micromechanical Flying Insect” (S. Avadhanula, R. J. Wood, E. Steltz, J. Yan and R. S. Fearing, Proceedings of IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Oct 28-30, 2003, Las Vegas NV, vol. 1, no. 3, pp. 221-238, 2002).  前述の論文においては、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon-Fiber Reinforced Plastics）のチューブで形成された枠部の内側にポリイミドのフィルムを張ることによって、非常に軽量な羽を製造することができることが記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の論文に記載されているような手法では、羽ばたき飛行を実現し得る軽量な羽の材料は非常に限定されてしまう。そのため、羽ばたき飛行ロボットの羽に適した材料を選択することができない。上記の手法によれば、たとえば、ＣＦＲＰ等の樹脂と繊維との複合材料を用いた場合には、羽の設計の自由度が極めて低くなるとともに、羽の強度が低くなってしまう、という問題が生じる。さらに、所望の剛性分布を有する羽の製造は殆ど不可能である、という問題も生じる。
【０００４】
以下、前述の問題点を表１を用いてより具体的に説明する。なお、表１は、羽を構成する各種材料の剛性と比重とを示している。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
表１に示される各種の材料の比重と剛性との関係から、ＣＦＲＰは単位剛性あたりの質量が小さく、羽ばたき飛行ロボットの羽として非常に望ましい材料であることが分かる。しかしながら、ＣＦＲＰ層は、カーボン繊維の太さが１０μｍ程度あるため、たとえ単一方向にカーボンの繊維軸が延びるものであっても、２０μｍ程度までしかその厚さを薄くすることができない。また、ＣＦＲＰの曲げ剛性は、繊維軸が延びる方向を含む平面内の曲げ変形以外の曲げ変形に対しては、樹脂そのものの曲げ剛性とほぼ同一である、すなわち、非常に低い。一方、ＣＦＲＰは、複数方向にカーボンの繊維軸が延びるものであれば、剛性が高くなるが、複数方向にカーボン繊維が延びるＣＦＲＰを用いて形成された羽は、厚みおよび質量の双方が大きくなってしまう。
【０００７】
上記のＦｅａｒｉｎｇらの論文においては、異なる方向に延びる複数のＣＦＲＰのチューブ同士を互いに接着して枠部を形成し、この枠部の内側にポリイミドのフィルムを張ることによって、可能な限り羽の剛性の低下を抑制している。しかしながら、この構成では、接着部分の強度が不足する。
【０００８】
前述の論文においては、羽を支持するロボットの本体構造の質量が小さく、かつ、枠部内に張られたフィルムの面積も小さいため、上記の構成が用いられても、羽の強度の条件が満足されている。しかしながら、羽のサイズが大きくなるにしたがって、前述の接着部分の強度を維持することが困難になるとともに、前述の枠部とフィルムとの接合部に応力集中が生じ、前述のフィルムが破れてしまうという問題が生じる。この問題を解消するために、前述のチューブを、枠部の内側にも張り巡らせることが有効である。しかしながら、太さｄのチューブは幅２π×ｄの幅のＣＦＲＰの平板を丸めたものであるため、そのチューブを用いて製造された羽は、極端なに大きな質量を有することになってしまう。
【０００９】
また、ＣＦＲＰ層は繊維と樹脂との複合材料であるため、厚み分布によって剛性分布を変化させる場合には、羽の厚さが、繊維径によって決定されるＣＦＲＰ層の最小の厚さの整数倍に限定されてしまう。また、羽の曲げ剛性は、厚さの３乗に比例する。そのため、単にＣＦＲＰ層を複数重ねた構造の羽の剛性は、ＣＦＲＰが１層、２層、３層、と順次重ねられるにしたがって、１倍、８倍、２７倍、と急激に増加してしまう。そのため、この手法によっては、所望の曲げ剛性分布を有する羽を製造することは、ほぼ不可能であると思われる。
【００１０】
つまり、従来においては、質量が小さく、所定の変形モードに対する剛性が高く、かつ、設計の自由度が高い構造の羽は存在しなかった。
【００１１】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、質量が小さく、所定の変形モードに対する剛性が高く、かつ、設計の自由度が高い構造の羽、羽の製造方法、およびその羽を備えた移動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の羽は、直接的にまたは他の部材を介して間接的に重なるように設けられた複数の繊維複合材料層を備えている。複数の繊維複合材料層のうちの少なくとも２以上の層は、それぞれの層の主たる繊維軸が互いに異なる方向に延びている。２以上の層のうちの少なくともいずれか１つの層は、互いに間隔をおいて並んでいる複数の細長板状部を有している。複数の細長板状部のそれぞれは、繊維軸の方向に沿って延びている。この構成によれば、細長板状部の幅を変更することによって、所望の剛性分布を有する羽を製造することができるため、羽の設計の自由度が大きくなる。したがって、質量が小さく、かつ、所定の変形モードに対する所望の剛性が高い羽を製造することが可能になる。
【００１３】
また、複数の細長板状部のそれぞれの長手方向の２辺のうちの少なくともいずれか一方が繊維軸の方向と平行に設けられていれば、繊維の強度を有効に利用して、繊維複合材料層の単位質量あたりの剛性を高くすることができる。
【００１４】
また、２以上の層のうちの少なくともいずれか１つの層の複数の細長板状部が羽の長手方向に沿って延びていれば、羽に最も大きい荷重がかかる変形モードに対して高い剛性を有する羽を製造することが可能なる。
【００１５】
また、前述の２以上の層は、２つの層からなっていてもよい。その２つの層のうちの１つの層においては、複数の細長板状部が、第１方向に沿って延びており、２つの層のうちの他の層においては、複数の細長板状部が、第２方向に沿って延びていてもよい。この場合には、第１の方向と第２の方向とが直交していることが望ましい。この構成によれば、主要な変形モードに対して高い剛性を有する羽を極めて簡単に製造することが可能になる。
【００１６】
また、第１の方向および第２の方向のそれぞれが羽の長手方向と４５度の角度をなしていれば、羽ばたき運動の主要な変形モードである、長手方向を含む面内の曲げ変形、および、長手方向に直交する方向を含む面内の曲げ変形の双方に対して、高い剛性を有する羽を製造することが可能になる。
【００１７】
また、２以上の層は、３つの層からなっていてもよい。３つの層のうちの第１の層においては、複数の細長板状部が、第１方向に沿って延びており、３つの層のうちの第２の層においては、複数の細長板状部が、第２方向に沿って延びており、３つの層のうちの第３の層においては、複数の細長板状部が、第３方向に沿って延びていてもよい。この場合には、第１の方向、第２の方向、および第３の方向が、互いに６０度の角度をなしていることが望ましい。これによれば、羽の面内方向の剪断変形に対して高い剛性を有する羽を得ることができる。
【００１８】
また、複数の繊維複合材料層のうちの少なくとも２以上の層は、それぞれ、羽の前縁部を構成する部分を有することが望ましい。これによれば、前縁部の剛性をより簡単に高くすることができる。
【００１９】
また、２以上の層のうちの少なくともいずれか１つの層の厚さが均一であれば、その層の複数の細長板状部のそれぞれの幅を変更するだけで、所定の変形モードに対して所望の剛性を有する羽を容易に製造することができる。
【００２０】
また、複数の繊維複合部材層のうちの少なくともいずれか１つの層が羽の外周部を構成する枠部の一部を有していれば、繊維複合材料層の一部を利用して、容易に羽の枠部を形成することができる。
【００２１】
また、羽を構成する枠部が複数の繊維複合部材層のうちの少なくともいずれか１つの層の一部をその面内方向において曲げることによって形成された羽であれば、容易に羽に枠を付加することができるため、羽の剛性分布を多様化させることが容易になる。
【００２２】
また、羽が複数の細長板状部によって支持されているフィルムをさらに備えていることが望ましい。これによれば、フィルムを有しない羽であって、複数の細長板状部が設けられていない複数の繊維複合材料層が重ねられた後に平面的に見て複数の細長板状部に相当する部分以外の部分を切り取った羽に比較して、空力特性が同一であって、かつ、軽量な羽を製造することが可能になる。
【００２３】
また、フィルムは、その耐熱温度が複数の繊維複合材料層の成形温度よりも高いことが望ましい。これによれば、羽を熱間成形することができるため、複雑な形状の羽を容易に製造することができる。
【００２４】
また、フィルムは、複数の繊維複合材料層と親和性を有していれば、羽の製造時にフィルムと複数の繊維複合材料層とを一体成形することが可能になる。
【００２５】
また、フィルムは、複数の繊維複合材料層のうちのいずれか２つの層に挟まれていれば、フィルムが表裏の双方から支持されるため、フィルムの剥離を防止することができる。
【００２６】
また、複数の繊維複合材料層のそれぞれがＣＦＲＰからなっていれば、軽量かつ剛性が高い羽を容易に製造することが可能になる。
【００２７】
上述の羽の製造方法においては、複数の細長板状部が等間隔で平行に並んでおり、複数の繊維複合材料のそれぞれの細長板状部以外の部分全体の所定の方向を含む面内の曲げに対する剛性がＥ０であり、複数の細長板状部が位置する領域の部分全体の所定の方向を含む面内の曲げに対する剛性がＥ１である場合に、細長板状部の幅Ｄ１と細長板状部同士のピッチＤ０との比Ｄ１／Ｄ０がＥ１／Ｅ０であることが望ましい。これによれば、細長板状部の幅を変更することのみによって、羽の剛性分布を変更することができるため、所定の変形モードに対して所望の剛性を有する羽を容易に製造することが可能になる。
【００２８】
また、前述の羽の製造方法は、複数の繊維複合材料層のそれぞれに対応する複数のプレプリグを含む原材料を金型の上に重ねて載置するステップと、その原材料を焼結することによって羽を成形するステップとを備えている。この製法によれば、立体形状、すなわち、所望の曲面形状を有する羽を容易に形成することが可能になる。
【００２９】
さらに、その方法においては、前述の原材料がフィルムを含んでいることが望ましい。
【００３０】
本発明の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、羽部が接続された駆動機構部と、駆動機構部および羽部を所定の方向に往復回転運動させる駆動部と、駆動機構部および駆動部が搭載された本体とを備えている。その羽部は、前述の本発明の羽によって構成されている。駆動部は、駆動機構部を介して、羽部に羽ばたき動作をさせる。前述の本発明の羽は、軽量かつ所定の変形モードに対する所望の剛性を得ることが容易であるため、羽ばたき動作を行なう移動装置の羽に適している。つまり、本発明の羽を備えた移動装置の浮上移動が実現され易くなる。
【００３１】
また、前述の駆動部は、駆動機構部を動作させることによって、羽部を、所定の方向に往復回転運動させるとともに、羽部の長手方向を回転中心軸として往復回転運動させるものであることが望ましい。前述の羽は、羽ばたき運動を行なう移動装置の中でも、特に、このような羽ばたき動作をする移動装置の羽に特に適している。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、質量が小さく、所定の方向の剛性が高く、かつ、設計の自由度が高い構造の羽、その製造方法、およびそれを備えた移動装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態の羽およびその製造方法を、図１〜図１１を用いて説明する。
【００３４】
以後、図１〜図１１の各図においては、羽１の長手方向外側（アクチュエータ接合部６とは逆側の羽１の先端側）をＸ軸正方向と定義し、Ｘ軸に直交する方向であって、羽ばたき運動における羽の進行方向をＹ軸正方向と定義する。また、必要に応じて、Ｙ軸正方向を前方といい、Ｙ軸負方向を後方という。
【００３５】
なお、本発明の羽１を用いて行なわれれば特に有利な羽ばたき運動は、羽１を切返しながら行なう前後方向の往復運動である。この羽ばたき運動においては、羽の進行方向は切返しの際に反転するが、その際には、羽の前縁と後縁とが入れ替わる。そのため、上記定義における前後方向と羽ばたき運動中の羽１の前方後方とは一致する。したがって、以後、前述の定義のみを用いて羽１の説明を行なう。
【００３６】
特に、各実施の形態においては、羽を最大限に軽量化するため、単一方向に一層のみの繊維が延びるＣＲＦＰ層、すなわち、複数の繊維が、厚さ方向に重なることなく、一つの平面内において並んでいる、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層が、複数積層された羽についての説明を行なう。
【００３７】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１の羽を、図１〜図６を用いて説明する。なお、本実施の形態の羽１によれば、主たる繊維軸がそれぞれ６０度ずつずれた３つのＣＦＲＰ層が用いられることによって、羽面部３の剛性の異方性が低下されている。
【００３８】
＜全体の構成＞
羽１は、図１および図２に示されるように、略矩形の細長い形状であり、長さが６５ｍｍであり、かつ、幅が１６ｍｍである。羽１は、前縁部２、羽面部３、枠部４、枝部５、およびアクチュエータ（後述する駆動機構部）接合部６を有している。なお、羽面部３とは、前縁部２、枠部４、枝部５、およびアクチュエータ接合部６以外の部分であって、細長板状部７、８、および９とポリエステルフィルム１４とからなる部分である。
【００３９】
羽１は、図３〜図５に示すように、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層１１、１２、および１３が積層されたものである。ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３は、それぞれ、一体的に形成された１枚の部材からなる。また、ＣＦＲＰ層１１および１２の間には、ポリエステルフィルム１４が挟まれている。ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれにおいては、単一方向にカーボン繊維の繊維軸が延びている。また、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３の繊維軸の方向は、それぞれ、ｘ軸正方向を０度として、−６０度、０度、＋６０度である。図３に示す細長板状部７は、ＣＦＲＰ層１１の繊維軸の方向に沿って延びている。図４に示す細長板状部８は、ＣＦＲＰ層１２の繊維軸の方向に沿って延びている。図５に示す細長板状部９は、ＣＦＲＰ層１３の繊維軸の方向に沿って延びている。
【００４０】
また、羽１の前側端部には、他の部分より剛性が高い前縁部２が設けられている。前縁部２は、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれに設けられている。ＣＦＲＰ層１１および１２のそれぞれの前縁部２には、一体的に枠部４が設けられている。また、ＣＦＲＰ層１２には、一体的に枝部５が設けられている。ＣＦＲＰ層１３には、枠部４が設けられている。ＣＦＲＰ層１３の枠部４は、図５においては、分離されているが、前縁部２に一体的に設けられていてもよい。
【００４１】
また、アクチュエータ接合部６、前縁部２、枠部４、および枝部５に囲まれるように羽面部３が設けられている。また、図３に示すように、ＣＦＲＰ層１１の前縁部２から延びるように、複数の細長板状部７が設けられている。また、図４に示すように、ＣＦＲＰ層１２の前縁部２から延びるように、複数の細長板状部８が設けられている。また、図５に示すように、ＣＦＲＰ層１３の前縁部２から延びるように、複数の細長板状部９が設けられている。複数の細長板状部７のそれぞれは、ＣＦＲＰ層１１の前縁部２と連続的に設けられている。複数の細長板状部８のそれぞれは、ＣＦＲＰ層１２の前縁部２と連続的に設けられている。複数の細長板状部９のそれぞれは、ＣＦＲＰ層１３の前縁部２と連続的に設けられている。
【００４２】
羽面部３は、図３〜図５に示すまた、羽１の根元には、羽１を駆動するための駆動機構部および駆動部と接合されるアクチュエータ接合部６が設けられており、その長さは１５ｍｍである。
【００４３】
また、図３〜図５に示すように、複数の細長板状部７のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部７同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。また、複数の細長板状部８のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部８同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。複数の細長板状部９のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部９同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。また、図１に示すように、細長板状部７、８、および９によって形成されるトラスの内側の領域には、ポリエステルフィルム１４のみが存在する。
【００４４】
＜前縁部＞
前縁部２は、図１に示されるように、羽１の長手方向に沿って延びる溝構造、すなわちコルゲーションと呼ばれる凹凸形状を有しているため、長手方向を含む面内の曲げ変形に対する剛性が、長手方向を回転中心軸とする曲げ変形に対する剛性に比較して、高くなっている。なお、この前縁部２の凹凸形状は、プリプレグと呼ばれるＣＦＲＰ層の原材料のシートを、この凹凸形状に対応する金型に密着させた状態で加熱することによって容易に成形され得る。また、前縁部２には荷重が大きくかかる。そのため、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれの前縁部２は、細長板状部が設けられていない構造、すなわち隙間がない密実な構造であるので、羽面部３より剛性が高くなっている。さらに、前縁部２は、根元に近づくにしたがって、累積的に荷重が増加するため、根元が先端に比べ太くなっている。根元部分での前縁部２の幅および高さは約２ｍｍであり、先端部分での前縁部２の幅および高さは約１ｍｍである。ただし、図の記述精度の問題から、図１〜図６においては、根元部分における前縁部２の幅と先端部分における前縁部２の幅とは同じ幅で描かれている。
【００４５】
＜羽面部＞
羽面部３は、図３〜図５に示されるように、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３を有し、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３の外形と同一の外形を有するポリエステルフィルム１４がＣＦＲＰ層１１とＣＦＲＰ層１２との間に挟まれている。本実施の形態においては、ポリエステルフィルム１４の耐熱温度がＣＦＲＰ層１１、１２、および１３の成形温度よりも高く、かつ、ポリエステルフィルム１４とＣＦＲＰ層１１、１２、および１３との親和性が高い。したがって、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３の成形のときに、ポリエステルフィルム１４をＣＦＲＰ層１１に対応するプレプリグとＣＥＲＰ層１２に対応するプレプリグとの間に挟んでおき、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３ならびにポリエステルフィルム１４を含む原材料を金型上で焼結することによって、簡単に羽面部３を製造することが可能である。
【００４６】
ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３は、それぞれ、前述のように、細長板状部７、８、および９を有する。すなわち、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれは、羽面部３、平面的に見れば、図３〜図５に示すように、細長板状部７、８、および９を歯とする櫛型をしている。また、図１に示すように、細長板状部７、８、および９は、それらが延びる方向が互いに６０度ずつずれ、重ねられている。そのため、羽面部３の表面に垂直な方向から見ると、細長板状部７、８、および９によって、正三角形の枠、すなわちトラスが形成されているように見える。また、細長板状部７、８、および９のそれぞれは、細長い長方形の３辺の輪郭を有しており、２つの長辺は、繊維軸に平行に延びている。ただし、２つの長辺の一方の長辺のみが繊維軸に平行に延びていれば、繊維の強度をある程度有効に利用することが可能である。
【００４７】
また、本実施の形態では、細長板状部７、８、および９のそれぞれの曲げ剛性は、前縁部２の１／８であるものとする。一般に、曲げ剛性は、断面二次モーメントに比例する。つまり、曲げ剛性は、（幅：矩形の短辺の長さ）×（厚さの３乗）に比例する。ここで、細長板状部７、８、および９のそれぞれの厚さが一定であり、細長板状部７の幅が細長板状部７同士の中心軸間の距離（以下、これを「ピッチ」という。）の１／ａ倍であり、細長板状部８の幅が細長板状部８同士のピッチの１／ａ倍であり、かつ、細長板状部９の幅が細長板状部９同士のピッチの１／ａ倍であると仮定する。この仮定の下では、細長板状部の幅が１／ａ倍になれば、羽面部３の曲げ剛性も１／ａ倍になる。したがって、本実施の形態においては、細長板状部７、８、および９のそれぞれの幅を細長板状部７、８、および９のそれぞれのピッチの１／８倍にすることによって、前縁部２の曲げ剛性の１／８倍の曲げ剛性を有する羽面部３が実現されている。つまり、羽面部３の厚さを変化させることなく、細長板状部７、８、および９のそれぞれの幅のみを変更することによって、所望の曲げ剛性分布を有する羽１が形成されている。
【００４８】
なお、本実施の形態の羽１の構造によれば、細長板状部７の幅と細長板状部７同士のピッチとの比、細長板状部８の幅と細長板状部８同士のピッチとの比、および細長板状部９の幅と細長板状部９同士のピッチとの比を互いに異ならせることによって、羽面部３の曲げ剛性が異方性を有するようにすることが可能である。たとえば、ＣＦＲＰ層１２の繊維軸の方向と羽１の長手方向とが一致している場合であって、羽１の長手方向を含む面内の曲げ変形に対して高い剛性を有する羽１を製造する場合には、ＣＦＲＰ層１２において、細長板状部８の幅を大きくし、細長板状部８同士のピッチを小さくすればよい。
【００４９】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造の一部をトラスが形成されるように切り抜く手法が用いられた場合には、各トラスの三辺に３つのＣＦＲＰ層が積層されている。この手法により形成された羽面部の質量は、トラスが形成されていない羽面部３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層１１、１２および１３の積層構造の質量の３／ａ倍（ａは前述の値）となる。この場合、３つのＣＦＲＰ層のうちの１つの層の繊維軸を含む面内の曲げ変形モードにおいては、その１つのＣＦＲＰ層以外の２つのＣＦＲＰ層は、樹脂程度の剛性しか有していないため、不要である。
【００５０】
上記のことをまとめると次のようになる。
【００５１】
本実施の形態の羽１においては、予めＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれが、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれの繊維軸の方向に応じて細長い板状部を有するように加工されている。つまり、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれにおいては、同一羽部の細長板状部同士が同一ピッチで配置されている。そのため、羽１の質量は、トラスが形成されていない構造であって羽面部３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層の積層構造の質量の１／ａ倍になる。すなわち、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造の一部をトラスが形成されるように切り抜く手法が用いられた羽との比較において、羽１は、その曲げ剛性が同一であれば、その質量が、ほぼ１／３倍になる。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、複数の細長板状部同士のピッチは４ｍｍであり、複数の細長板状部のそれぞれの幅は０．５ｍｍであるが、図３〜図５においては、描画の都合により、複数の細長板状部のそれぞれの幅と複数の細長板状部同士のピッチとの比率は正確なものではない。
【００５３】
＜枠部＞
羽面部３は、図１に示されるように、アクチュエータ接合部６、前縁部２、および枠部４の間に張られている。そのため、ポリエステルフィルム１４の端部の破損が防止されている。本実施の形態では、枠部４の幅は約０．５ｍｍである。なお、枠部４は、図１に示されるように、羽面部３を取り囲む形状であるため、それが延びる方向は位置によって異なる。このため、図３〜図５に示されるように、枠部４は、３つの部分によって構成されている。３つの部分は、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３のそれぞれに１つずつ設けられている。また、３つの部分のそれぞれは、一方向に延びる一直線状の部分である。この一直線状の部分は、繊維軸の方向に沿って延びている。
【００５４】
また、図６において矢印で示されるように、枠部４は、所定の方向に延びる繊維軸を有するＣＦＲＰ層の一の端部にその繊維軸の方向と同一方向に延びるように設けられた枠部４をその面内方向に曲げてＣＦＲＰ層の他の端部に接合することによって形成されてもよい。
【００５５】
＜枝部＞
羽１が大きくなった場合には、羽１の先端部の回転半径も大きくなる。この場合、流体に対する相対速度が大きくなるため、羽１の先端部には大きな流体力が生じる。羽１の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽１の先端部の制御性を維持する必要がある。そのため、前縁部２に接続され、前縁部２から斜め方向に延びる枝部５が設けられている。  
【００５６】
枝部５の太さは約０．９ｍｍである。枝部５は、ＣＦＲＰ層１１の繊維軸が延びる方向と同一方向に延びるように設けられている。つまり、枝部５は、Ｘ軸方向の羽１の先端側を向く方向を０°とした場合に、−６０°の方向に延びるように形成されている。
【００５７】
なお、枝部５とＸ軸との間の角度および羽面部３に要求される剛性によっては、前述の細長板状部７とは異なる細長板状部を有するＣＦＲＰ層に枝部５が設けられていてもよい。また、ＣＦＲＰ層とは別の材料を用いて形成された枝部５がＣＦＲＰ層同士の間に挟み込まれた構造の羽面部３が用いられてもよい。
【００５８】
＜アクチュエータ接合部＞
アクチュエータ接合部６は、実際には、羽１を駆動するアクチュエータとの適合性に応じて、その形状が決定される。本実施の形態のアクチュエータ接合部６は、図１に示される形状であるものとする。また、羽ばたき運動により生じる流体力に起因する変形を防止するため、アクチュエータ接合部６の材料としては、細長板状部を有しない、すなわち隙間がない密実な構造のＣＦＲＰ層が用いられる。さらに、アクチュエータ接合部６の前方端には溝構造が設けられている。このアクチュエータ接合部６の溝構造と前縁部２の溝構造とは連続するように設けられている。
【００５９】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重が１．６ｇ／ｃｍ３であるものとして、表２に前述の各部位の質量が示されている。表２に示されるように、羽１の総質量は、約２６．５ｍｇである。また、アクチュエータ接合部６の質量は約１４．４ｍｇである。
【００６０】
また、表２は、本実施の形態の羽１の各部位の質量を示している。
【００６１】
【表２】
2006076358.tif 000004
【００６２】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造をトラス形状が形成されるように切り抜く手法が用いられた比較例の羽の質量は約４８ｍｇである。したがって、３つのＣＦＲＰ層のそれぞれに細長板状部が設けられた羽面部３を用いる本実施の形態１の羽１は、前述の比較例の羽よりも約４５％の軽量化が図られている。
【００６３】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２の羽を、図７〜図１１を用いて説明する。本実施の形態の羽の構造は、実施の形態１の羽の構造とほぼ同様である。そのため、本実施の形態の図７〜図１１に示す羽１の各部位と実施の形態１の図１〜図６に示す羽１の各部位との対比において、対応する部位同士は、同一の参照符号が付されている。また、以後の説明については、主に、本実施の形態の羽１と実施の形態１の羽１とが相違する点についての説明がなされる。したがって、本実施の形態において特に説明がなされていない部位の構造および機能については、実施の形態１の対応する部位の構造および機能と同一である。
【００６４】
本実施の形態の羽１が実施の形態１の羽１と異なる点は、概ね、図９に示す所定の方向に繊維軸が延びる細長板状部１７を有するＣＦＲＰ層１１、図１１に示す所定の方向とは９０度ずれた方向に繊維軸が延びる細長板状部１９を有するＣＦＲＰ層１３、および、図１０に示す細長板状部を有しないＣＦＲＰ層１２が用いられていることである。この構造を有する本実施の形態の羽１によれば、実施の形態１の羽１に比較して、剛性に若干の異方性が生じるが、さらに軽量化を図ることができる。
【００６５】
＜全体の構成＞
本実施の形態のＣＦＲＰ層１１、１２および１３のそれぞれにおいても、実施の形態１のそれと同様に、単一方向にカーボン繊維の繊維軸が延びている。ただし、図７および図８に示すように、ＣＦＲＰ層１１、１２、および１３の主たる繊維軸の方向は、それぞれ、ｘ軸正方向を０度として、＋４５度、０度、−４５度である。その他の全体構造については、実施の形態１の羽１と本実施の形態の羽１とはほぼ同様である。
【００６６】
＜前縁部＞
本実施の形態の前縁部２は、図７〜図１１に示されるように、図１〜図６に示される実施の形態１の前縁部２と全く同様である。なお、図７〜図１１においても、実施の形態１の図１〜図６と同様に、図の描画の精度の問題から、前縁部２の幅は一定に描かれているが、根元部分での前縁部２の幅および高さは約２ｍｍ、先端部分での前縁部２の幅および高さは約１ｍｍである。
【００６７】
＜羽面部＞
本実施の形態の羽面部３は、図７〜図１１に示されるように、図１〜図６に示す実施の形態１の羽面部３と異なっている。
【００６８】
図９〜図１１から分かるように、ＣＦＲＰ層１１およびＣＲＲＰ層１３は、それぞれ、複数の細長板状部１７および１９を有するが、ＣＦＲＰ層１２は、細長板状部を有していない。また、ＣＦＲＰ層１１の複数の細長板状部１７のそれぞれが延びる方向、すなわち繊維軸の方向は、Ｘ軸正方向に対して＋４５度傾いており、ＣＲＲＰ層１３の複数の細長板状部１９のそれぞれが延びる方向、すなわち繊維軸の方向は、Ｘ軸正方向に対して−４５度傾いている。
【００６９】
一方、本実施の形態の羽面部３の構造を採用せずに、細長板状部を有しない羽面部３と同一面積の２つのＣＦＲＰ層の積層構造を格子（四角形の４つの辺）が残存するように切り抜いた場合、格子部分は２つのＣＦＲＰ層の積層構造によって形成されている。そのため、その羽面部３の質量は、格子が設けられていない２つのＣＦＲＰ層の積層構造の２／ａ（ａは実施の形態１と同様）となる。しかしながら、２つのＣＦＲＰ層のうちの１つの層の繊維軸を含む面内の曲げ変形モードにおいては、その繊維軸方向に延びる細長板状部を有している一方のＣＦＲＰ層は、所望の剛性を発揮するが、他方のＣＦＲＰ層は、樹脂程度の剛性しか有していないため、不要である。
【００７０】
上記のように、予め、２つのＣＦＲＰ層１１および１３において、それぞれの繊維軸の方向に応じた複数の細長板状部１７および１９が設けられているため、同一の曲げ剛性であれば、細長板状部を有しない、すなわち隙間がない密実な同一面積のＣＦＲＰ層の２つの積層構造の１／ａになる。すなわち、羽面部３の質量は、細長板状部を有しない羽面部３と同一面積の２つのＣＦＲＰ層の積層構造を格子（四角形の４つの辺）が残存するように切り抜いた羽の質量のほぼ１／２になる。
【００７１】
なお、ここでは、複数の細長板状部同士のピッチは４ｍｍであり、複数の細長板状部のそれぞれの幅は０．５ｍｍであるが、図７〜図９においては、描画の都合により、複数の細長板状部のそれぞれの幅およびそれら同士のピッチの寸法は正確なものではない。
【００７２】
＜枠部＞
本実施の形態の枠部４は、図９または図１１において、それが延びる方向が細長板状部１７または１９に平行であること以外においては、図７〜図１１に示すように、実施の形態１の枠部４と全く同様であるので、その説明は繰り返さない。
【００７３】
＜枝部＞
本実施の形態の枝部５は、図１１において、それが延びる方向が細長板状部１９に平行であること以外においては、図７および図１１に示すように、実施の形態１の枝部５と同様であるので、その説明は繰り返さない。
【００７４】
＜アクチュエータ接合部＞
本実施の形態のアクチュエータ接合部６は、図７〜図１１に示すように、実施の形態１のアクチュエータ接合部６と全く同様であるので、その説明は繰り返さない。
【００７５】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重を１．６ｇ／ｃｍ３として、表３に各部位の質量を示す。羽１の質量は、約２２．８ｍｇである。
【００７６】
また、表３は、本実施の形態の羽１の各部位の質量を示している。
【００７７】
【表３】
2006076358.tif 000005
【００７８】
アクチュエータ接合部６の質量は約１４．４ｍｇである。２つのＣＦＲＰ層を積層した積層構造を形成した後、積層構造を格子状に切り抜く手法によって形成された比較例の羽の質量は約３７．２ｍｇである。したがって、本実施の形態の羽１の構造を採用すれば、比較例の羽に対して約３８％の軽量化を行なうことができる。
【００７９】
＜その他＞
なお、実施の形態１および２の羽１は、本発明の羽が具現化されたものの一例であり、本発明の羽は、本実施の形態の羽１の構成要素の全てを備えていなくてもよい。たとえば、枠部４の強度が高ければ、枝部５がない羽であっても、本発明の目的を達成することができる。また、たとえば、羽ばたき飛行に必要な剛性が得られる羽であれば、アクチュエータ接合部６が羽面部３と同様の構造であってもよい。これによれば、さらに羽の軽量化を図ることができる。また、表２および表３に示す羽の各部位に与えられた数値も、前述のものに限定されない。また、前述のトラスまたは格子によって形成される隙間がある程度小さい羽であれば、ポリエステルフィルム１４のようなフィルムがない羽であっても、所定の空力特性を得ることは可能である。さらに、ポリエステルフィルム１４のようなフィルムを用いないのであれば、フィルムの端部を保護する必要がないため、枠部４がない羽であってもよい。また、羽部のより一層の軽量化のために、前縁部２が前述のトラスまたは格子を構成する細長板状部によって構成されていてもよい。
【００８０】
なお、本発明の目的は、単一層からなる単一方向の繊維軸を有するＣＦＲＰ層を複数用いて、所望の剛性分布を有する羽を製造することである。したがって、前述の実施の形態では、羽が羽ばたき飛行を行なう羽ばたきロボットに用いられることを前提に説明がなされているが、本発明の羽は、羽ばたき飛行に用いられるのみならず、滑空飛行などに用いられてもよい。
【００８１】
以下、前述の各実施の形態の羽が用いられる移動装置（羽ばたき装置）を、図を参照しながら詳細に説明する。
【００８２】
なお、前述の羽１は、以下の移動装置のように、羽ばたき運動によって空中を飛行する羽ばたき装置の羽に適している。また、羽ばたき運動の中でも、後述するように、前縁部２（後述する羽軸部１０１）を所定の方向に往復回転運動させるとともに、羽面部３（後述する羽膜部１００）を羽１（後述する羽部）の長手方向を回転中心軸として往復回転運動させる羽ばたき運動を行なう羽ばたき装置の羽に特に適している。
【００８３】
その理由は、次のようなものである。
【００８４】
トンボのように、羽１（羽部１１０）を、前後方向に往復回転運動（ストローク運動）させながら、前縁部２（羽軸部１０１）が延びる方向を回転中心軸として往復回転運動（捻り運動）させることによって浮上力を得る昆虫の飛び方を模倣するためには、前縁部２（羽軸部１０１）は、前縁部２（羽軸部１０１）を含む面内の曲げに対しては強く抵抗し、前縁部２（羽軸部１０１）を回転中心軸とする捻りに対しては変形し易いものであることが望ましい。
【００８５】
また、前述の羽面部３（後述する羽膜部１００）は、その面内方向に沿ってその表面近傍に生じる流体の流れを有効に利用できるように、前縁部２（羽軸部１０１）に追随して前縁部２（羽軸部１０１）を回転中心軸として曲げ変形し易いことが望ましい。羽面部３（羽膜部１００）がある程度柔軟に曲げ変形すれば、前縁部２（羽軸部１０１）が延びる方向を回転中心軸とする往復回転運動（捻り運動）が小さなものであっても、羽１（羽部１１０）のしなりによって、羽１（羽部１１０）の面内方向に沿って羽１（羽部１１０）の表面近傍に生じる流体力をより大きくすることができる。
【００８６】
以下、前述の羽１が用いられれば、特に有効な羽ばたき装置の一例を具体的に説明する。
【００８７】
後述する実施の形態３および４の羽ばたき装置１の全体の主要な構成については、図１２に描かれている。図１２に示すように、本体５００と、本体５００の前後方向に対する左側および右側のそれぞれに設けられた一対の羽部１１０とを有している。その羽ばたき装置は、羽部１１０が、その運動により周囲流体に流体力を生じさせる。その流体力は、羽ばたき装置の重力の方向とは逆向きに、羽ばたき装置の重力よりも大きな浮上力を羽ばたき装置に生じさせることが可能である。
【００８８】
また、羽ばたき装置は、一方端側が、羽部１１０に固定された駆動機構部８００を有している。駆動機構部８００は、他方端側が、本体５００内の第１および第２の駆動部１００１および１００２に接続されており、第１および第２の駆動部１００１および１００２の駆動力を羽部１１０に伝達する。なお、左半分に対して鏡面対称である構成要素が右半分について設けられているものとするが、本発明の移動装置においては、左右対称であることは、必須の条件ではない。
【００８９】
次に、図１２における駆動機構部８００（図１２中、点線で囲まれた部分）の左羽側を拡大したものを図１３に示す。図１３では、Ｚ軸によって鉛直方向が示され、Ｙ軸によって前後方向が示され、Ｘ軸によって左右方向が示されている。また、図１２においては、第１および第２の駆動部１００１および１００２に共通の回転中心軸をＺ軸とする。図１３では、図を見易くするため、第１および第２の回転部材１０２および１０８のみがそれぞれ独立してＺ軸周りに回転するように描かれ、第１および第２の駆動部１００１および１００２ならびに羽部１１０は描かれていない。なお、第１および第２の駆動部１００１および１００２は、それぞれ、何らかの支持部材で本体５００に固定されているとともに、本体５００に対して相対的に回転することが可能に構成されているが、図１２では、その支持部材等の構造の描写は行なわれていない。
【００９０】
ただし、第１の駆動部１００１と第１の回転部材１０２とが接続され、第１の駆動部１００１の回転往復運動に伴って、第１の回転部材１０２が往復回転運動する。また、第２の駆動部１００２と第２の回転部材１０８とが接続され、第２の駆動部１００２の往復回転運動に伴って、第２の回転部材１０８が往復回転運動する。また、第１の駆動部１００１と第２の駆動部１００２とは、独立して往復回転運動するため、第１の回転部材１０２と第２の回転部材１０８とも、互いに独立して、回転往復運動する。それにより、羽部１１０の先端部１０９と仮想の所定の基準面（ＸＹ平面）とのなす捻り角が変化する。
【００９１】
なお、各実施の形態においては、第１の駆動部１００１の回転中心軸と第２の駆動部１００２の回転中心軸とが一致している駆動機構部８００が示されているが、それらの回転中心軸同士が一致していない駆動機構部であっても、各実施の形態の駆動機構部８００によって達成される目的と同様の目的を達成することは可能である。
【００９２】
図１３に示した駆動機構部８００は、２つの回転部材、２つの中間部材、および３つのヒンジ部、つまり、第１および第２の回転部材１０２および１０８、第１および第２の中間部材１０４および１０６、第１、第２、および第３のヒンジ部１０３、１０５、および１０７を有している。
【００９３】
第１の回転部材１０２と第１の中間部材１０４とは、第１のヒンジ部１０３を介して接続され、第１の中間部材１０４と第２の中間部材１０６とは、第２のヒンジ部１０５を介して接続され、第２の中間部材１０６と第２の回転部材１０８とは、第３のヒンジ部１０７を介して接続されている。第１の中間部材１０４は、第１のヒンジ部１０３が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能であり、かつ、第２のヒンジ部１０５が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能である。第２の中間部材１０６は、第２のヒンジ部１０５が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能であり、かつ、第３のヒンジ部１０７が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能である。
【００９４】
なお、本発明においては、少なくとも２つの回転部材の間に接続される中間部材の個数ｎはｎ≧１であればよい。ただし、ｎ＝１の時は、第１の回転部材１０２の回転角θ1および第２の回転部材１０２の回転角θ2の差（θ1−θ2）が変化すると、中間部材の両端の２つのヒンジ部の先端（原点Оから遠方側の端部）同士の間の距離が変化するため、中間部材または回転部材がある程度以上大きく変形できるものでなければならない。それを避けるためには、中間部材の数、すなわち、ｎが２個以上（ｎ≧２）であることが望ましい。そこで、本実施の形態においては、ｎ≧２という条件を具備するもののうちで最も製造が容易なｎ＝２という条件を具備する羽ばたき装置について説明がなされる。
【００９５】
本実施の形態においては、図１２に示す羽部１１０、すなわち、羽膜部１００および羽軸部１０１のうち少なくともいずれか一方は、第１の中間部材１０４と固定されているものとする。また、羽膜部１００に捻り角αを与えるときにも、羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸がＺ軸と成す角（コニング角）が一定値に保たれるように、羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸の延長線が、回転部材の一端のヒンジ部（たとえば、第１のヒンジ部１０３）の回転中心軸と重なっているものとする。なお、捻り角αは、羽部１１０の先端部１０９がＸＺ平面となす角度であるものとする。さらに、説明を容易にするため、第１のヒンジ部１０３の回転中心軸は、Ｘ軸上にあるものとする。つまり、Ｚ軸と第１のヒンジ部１０３とがなすコニング角が直角であるものとする。
【００９６】
一方、回転部材の回転に伴って各中間部材および各ヒンジ部に生じる歪みが小さくなるように、各ヒンジ部の一端（一般にはヒンジ部の回転中心軸の延長線上の所定の点）が原点Оと重なっているものとする。後述する実施の形態では、図１６および図１９に示されているように、各ヒンジ部および各中間部材は、相互に摩擦が生じず、それぞれの動作がスムーズに行なえるように、原点Оの近傍で切断されたものが描かれているが、図１３においては、煩雑さを避けるため、各ヒンジ部および各中間部材は、原点０まで延びているものが描かれている。
【００９７】
次に、たとえば、第１および第２の回転部材１０２および１０８の回転角がθ1およびθ2であり、Ｘ軸が延びる方向が角度０°である場合を考える。この場合、羽部１１０の羽ばたき運動は、ＸＹ平面に平行に、±θだけ、第１および第２の回転部材１０２および１０８を往復回転運動させることによって行なわれる。一方、羽軸部１０１が延びる方向の回転軸周りの捻り角α、すなわち、羽軸部１０１が延びる方向に羽膜部１００を見たときに羽膜部１００が羽軸部１０１周りに回転する角度は、２つの回転角θ1およびθ2の差θ2−θ1≡Δθを変化させることによって制御される。
【００９８】
なお、以下の各実施の形態では、第１の駆動部１００１の回転に起因した第１の回転部材１０２の回転によって、羽部１１０（羽膜部１００および羽軸部１０１）の所定の点は、ＸＹ平面に平行な面内の往復回転運動（ストローク運動）を行なう。また、第２の駆動部１００２の回転に起因した第２の回転部材１０８の往復回転運動によって、羽部１１０（羽膜部１００および羽軸部１０１）の所定の点は、ＹＺ平面に平行な面内の往復回転運動（捻り角αが変化する捻り運動）を行なう。
【００９９】
また、２つの回転角θ1およびθ2の差Δθと捻り角αとの関係は、次のように求められる。図１３においては、Ｘ軸上の第１のヒンジ部１０３が線分ＯＰによって表わされている。第１のヒンジ部１０３の長さがｂであるとすると、第１のヒンジ部１０３の先端Ｐの座標は（ｂ，０，０）である。また、第２のヒンジ部１０５が線分ＯＱによって表わされる。第２のヒンジ部１０５の先端Ｑは、第１のヒンジ部１０３の先端から距離ａだけ離れており、線分ＯＱとＸＹ平面とがなす角度（位置角）は、ωであるものとすると、第２のヒンジ部１０５の先端Ｑの座標は（ｂ，ａ×cosω，ｂ×cosω）である。さらに、第３のヒンジ部１０７が線分ＯＲによって表わされている。第３のヒンジ部１０７の先端Ｒは、ＸＹ平面から距離ｄだけ離れており、かつ、Ｚ軸から距離ｂだけ離れており、線分ＯＲとＸＺ平面とがなす角度（位置角）は、λであるものとする。このとき、第３のヒンジ部１０７の先端Ｒの座標は（ｂ×cosλ，ｂ×sinλ，ｄ）となる。
【０１００】
ここで、θ1＝０°であると仮定され、回転角θ2がΔθであるとすると、２つの回転角θ1およびθ2の差は、θ2−θ1＝Δθであり、かつ、羽膜部１００が羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸の周りに捻り角αだけ捻られるとすれば、ωがω＋αに変化する。このとき、回転前と回転後との比較において、線分ＰＱの距離は変化しないとすると、次の式（１）および（２）が成立する。
【０１０１】
ＰＲ2（回転前）＝［ｂ−ｂ×cosλ］2＋［ａ×sinω−ｂsinλ］2＋［ａ×cosω−ｄ］2
ＰＲ2（回転後）＝［ｂ−ｂcos（λ＋Δθ）］2  …（１）
＋［ａ×sin（ω＋α）−ｂ×sin（λ＋Δθ）］2＋［ａ×cos（ω＋α）−ｄ］2                                                                        …（２）
前述の式（１）の右辺と式（２）の右辺とが等しいことから、次の式（３）が成立する。
【０１０２】
ａ×ｄ×cos（ω＋α）＋ａ×ｂ×sin（λ＋Δθ）×sin（ω＋α）
＝ｂ2×cosλ−ｂ2×cos（λ＋Δθ）＋ａ×ｂ×sinω×sinλ＋ａ×ｄ×cosω
…（３）
この式（３）を解くと、捻り角αが求められる。
【０１０３】
以上の結果から、本実施の形態の駆動機構部８００において、第１、第２および第３のヒンジ部１０３、１０５、および１０７のそれぞれを配置する適切な位置を求めることができる。その際の設計基準の一つとして、たとえば、（捻り角α）／（２つの回転角の差Δθ）がより大きい場合を検討する。この場合、２つの回転角θ1およびθ2の差Δθが小さく、かつ、大きな捻り角αが得られる羽ばたき装置の設計が可能となる。
【０１０４】
一般に、ｂ／ａおよびａ／ｄが大きい程、（捻り角α）／（２つの回転角θ1およびθ2の差Δθ）も大きくなるが、あまり大きな（捻り角α）／（２つの回転角θ1およびθ2の差Δθ）が採用されると、羽ばたき装置のサイズが制約されたり、第１および第２の駆動部１００１および１００２に大きなトルクが要求されたりする。そのため、本実施の形態においては、ｂ／ａ＝３、かつ、ａ／ｄ＝２とする。また、位置角λを９０°に近づけると、駆動機構部８００の幅（Ｙ軸方向の長さ）が大きくなるため、λ＝０°とする。これらのパラメータから、差Δθが＋１０°および−１０°のそれぞれの場合の捻り角αと位置角ωとの関係が図１４のグラフに示されている。図１４のグラフから、位置角ω＝±４５〜１３５°の範囲であれば、捻り角αの角度の範囲Δαは、約９０°という大きな値（α／Δθ≒４．５）になる。後述の実施の形態１においては、位置角ω＝９０°の場合の実際の駆動機構部８００が説明される。
【０１０５】
また、たとえば、距離ｄ＝０である場合の捻り角αと位置角ωとの関係が図１５のグラフに示されている。このとき、位置角λを０°近傍の値にすると、第１の中間部材１０４と第２の中間部材１０６とが接近し過ぎるため、一例として、λ＝４５°が用いられている。この場合、位置角ω＝−１５〜＋４０°であるか、または、位置角ω＝＋１４０〜−１６５°であれば、捻り角αの角度の範囲Δαは、約６０°という大きな値（α／Δθ≒３）になる。後述する実施の形態４においては、位置角ω＝１８０°の場合の実際の駆動機構部８００が説明される。
【０１０６】
（実施の形態３）
まず、図１６〜図１８を用いて、本発明の本実施の形態１の駆動機構部１を説明する。なお、本実施の形態の羽ばたき装置の全体構成は、図１２に示されている羽ばたき装置の全体構成と同一である。つまり、図１６に示す駆動機構部８００に付されている参照符号と図１３に示す駆動機構部８００に付されている参照符号とが同一の部位同士は、互いに同一の構造および機能を有している。したがって、以下、図１６に示す駆動機構部８００の構造および動作の説明においては、主に、前述の図１３に示す駆動機構部８００の構造および動作と異なる構造の部分の説明がなされる。
【０１０７】
本実施の形態においては、図１６に示すように、羽軸部１０１は、第１の中間部材１０４に接続されている。羽軸部１０１は、第１の中間部材１０４を含む平面内に存在する板状部材によって構成されている。また、羽膜部１００は、その一辺が羽軸部１０１に固定されている。羽軸部１０１を含む平面と羽部１１０を含む平面とは角度τをなして交差している。
【０１０８】
また、角度τに関しては、羽ばたき飛行中に羽膜部１００が撓んでも、羽膜部１００と羽軸部１０１との接合部においては、羽膜部１００の接平面と羽軸部１０１の接平面とがなす角は一定であるものとする。また、角度τは９０°であることが望ましいが、本発明の移動装置においては、角度τが９０°以外の角度である移動装置であっても、角度τが９０°である移動装置と同様の目的を達成することができる。
【０１０９】
回転部材と中間部材とは、それらを接続するヒンジ部が延びる方向の回転中心軸周りに回転可能である。また、ヒンジ部が延びる方向の延長線の全て（図１６中の点線）は、原点Оで交わる。原点Оは、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動の共通の回転中心軸であるＺ軸上に位置している。このため、第１の回転部材１０２の回転角θ1と、第２の回転部材１０８の回転角θ2との差Δθ＝θ2−θ1が一定の範囲内であれば、第１および第２の中間部材１０４および１０６が滑らかに動作する。これにより、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動が、第１の中間部材１０４および羽軸部１０１を介して、羽膜部１００に伝達され、羽膜部１００は、ＹＺ平面に平行な捻り角αの往復回転運動を伴いながら、ＸＹ平面と平行な回転角Δθの往復回転運動する。
【０１１０】
また、回転角θ1＝θ2＝０°の状態では、第１および第２の回転部材１０２および１０８は、同一平面（図１６ではＸＺ平面）内に位置している。この状態では、第２のヒンジ部１０５は、ＸＹ平面内でＸ軸と所定の角度をなしており、第１および第２の中間部材１０４および１０６は、第２のヒンジ部１０５と第１および第２の回転部材１０２および１０８との間に位置している。また、図１６に示す構造は、図１３に示す構造と同様に、Ｚ軸から第１および第２の回転部材１０２および１０８のそれぞれの先端までの距離がｂであり、第１の回転部材１０２の先端と第２の回転部材１０８の先端との間の距離がｄであり、第２のヒンジ部１０５の先端とＸ軸の距離がａである。
【０１１１】
本実施の形態の移動装置においても、図１６に示す構造は、理解の容易のために、第１のヒンジ部１０３が延びる方向の回転中心軸がＺ軸となす角（コニング角）が９０°（直角）であり、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動に伴なう羽軸部１０１の運動面（ストローク面）が、ＸＹ平面上に平行な面であって扇型の面となるものとするが、コニング角は直角以外の角度であってもよい。その場合は、羽軸部１０１は、ストローク面がＺ軸を中心軸とした円錐の側面の一部となるように、往復回転運動する。このように、本実施の形態の羽ばたき装置によれば、コニング角が一定に保たれるため、羽軸部１０１におけるフラッタリング（運動する流体内での振動）を防止することができる。
【０１１２】
また、第１の回転部材１０２が停止した状態（θ1＝０）で、第２の回転部材１０８を、一定のトルクで回転させた場合（θ2−θ1の場合）に、第２の回転部材１０８の回転角θ2＝Δθと羽部１１０に生じる捻り角αとの関係が、どのように変化するかについて、構造解析が行なわれた。その結果が、図１７および図１８に示されている。この構造解析においては、第１の回転部材１０２に与えるトルクを±５ｇｆ・ｃｍとし、駆動機構部８００のサイズに関しては、ａ＝５ｍｍ、ｂ＝１５ｍｍ、およびｄ＝２．５ｍｍであり、また、ヒンジ部の位置角に関しては、λ＝０°、および、ω＝９０°である。材料に関しては、回転部材および中間部材には、０．１ｍｍ厚のアルミニウム（ヤング率７０ＧＰａ、比重２．７ｇ）の板が用いられるが、ヤング率がより大きく、より比重が小さいものとして、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック：Carbon Fiber Reinforced Plastic：ヤング率が１２０ＧＰａ、比重が１．６ｇ）などが用いられてもよい。また、ヒンジ部には、５μｍ厚のＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート：ヤング率が３．９ＧＰａ、比重が１．２ｇ）が用いられている。
【０１１３】
図１７は、第１の回転部材１０２に−５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角θ2＝Δθ−＝−３．９°であり、羽部１１０の捻り角α−＝−２１．７°である。また、図１８は、第１の回転部材１０２に＋５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ＋＝＋８．１°であり、羽部１１０の捻り角α＋＝＋３５．８°である。合計でΔθ＝Δθ＋−Δθ−＝１２．０°であり、α＝α＋−α−＝５７．５°である。このことから、第１回転部材１０２の回転角θ1と第２回転部材１０８の回転角θ2との差Δθが小さな値でも、羽膜部１００は大きな捻り角αで捻られることが分かる（α／Δθ＝４．８）。
【０１１４】
（実施の形態４）
次に、図１９〜図２１を用いて、本発明の本実施の形態４の駆動機構部８００を説明する。
【０１１５】
図１９に示すように、駆動機構部８００は、実施の形態３の駆動機構部８００とほぼ同様である。つまり、図１９に示す駆動機構部８００に付されている参照符号と図１６に示す駆動機構部８００に付されている参照符号とが同一の部位同士は、互いに同一の構造および機能を有している。本実施の形態の駆動機構部８００が実施の形態３の駆動機構部８００と異なる点は、Ｚ軸方向に関して、駆動機構部８００の上下の位置関係が逆になっていること、羽軸部１０１が羽部１１０の前縁部を構成していること、および、第１の中間部材１０４が延長された面上に羽膜部１００および羽軸部１０１が位置するように、第１の中間部材１０４と羽部１１０および羽軸部１０１とが接続されていることである。なお、本実施の形態においては、第１の中間部材１０４は、羽膜部１００および羽軸部１０１が延長された部材によって構成されている。
【０１１６】
次に、第１の回転部材１０２を停止した状態（θ1＝０）で、第２の回転部材１０８に一定のトルクを加えて第２の回転部材１０８が回転角θ2＝Δθだけ回転する場合、羽膜部１００にどのような捻り角αが生じるかについて構造解析した結果を、図２０および図２１に示す。本実施の形態においても、実施の形態３と同様に、第１の回転部材１０２に与えるトルクは、±５ｇｆ・ｃｍであり、駆動機構部８００のサイズに関しては、ａ＝５ｍｍ、ｂ＝１５ｍｍ、およびｄ＝０ｍｍであり、また、ヒンジ部の位置角に関しては、λ＝４５°かつω＝１８０°である。また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、回転部材および中間部材には、０．１ｍｍ厚のアルミニウム（ヤング率７０ＧＰａ、比重２．７ｇ）の板が用いられ、また、ヒンジ部には、５μｍ厚のＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート：ヤング率３．９ＧＰａ、比重１．２ｇ）が用いられている。なお、本実施の形態の移動装置において、アルミニウム板の代わりにＣＦＲＰ板などが用いられてもよいことも、実施の形態３の移動装置と同様である。
【０１１７】
図２０は、−５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ−＝−１１．４°であり、羽膜部１００の捻り角α−＝−４０．０°である。また、図２１は、第２の回転部材１０８に＋５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の場合の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ＋＝＋１４．８°であり、羽膜部１００の捻り角α＋＝＋４４．６°である。合計でΔθ＝Δθ＋−Δθ−＝２６．２°であり、α＝α＋−α−＝８４．６°である。この図２０および図２１から、実施の形態１と同様に、本実施の形態の駆動機構部８００によれば、第１回転部材１０２の回転角θ1と第２回転部材１０８の回転角θ2との差Δθが小さな値であっても、羽部１１０には大きな捻り角αが生じる（α／Δθ＝３．２）ことが分かる。
【０１１８】
本実施の形態の駆動機構部８００によれば、実施の形態１の駆動機構部８００に比較して、α／Δθは小さいが、同じトルクで、より大きな回転角θ1およびθ2の差Δθが得られる。そのため、同じ捻り角αを得るために必要な第１および第２の駆動部１００１および１００２のトルクは、実施の形態２の駆動機構部８００の方が実施の形態１の駆動機構部８００より小さくてもよい、と考えられる。
【０１１９】
ただし、ヒンジ部において中間部材と回転部材とがなす角度が１８０°を超えると、回転部材と中間部材との位置関係が可逆的ではなくなるため、その角度の最大値は１８０°より小さくなるような設計が行なわれる必要がある。
【０１２０】
前述の回転部材および中間部材の材料としては、アルミニウムまたはＣＦＲＰが用いられているが、これらの材料に限定されるものではない。ただし、回転部材および中間部材の材料としては、密度が小さく、かつ剛性が高いことが望ましいため、ステンレスなどの鋼鉄類、マグネシウム複合材料、または樹脂等が用いられることが好ましい。また、前述の材料が組合わせられた材料が用いられてもよい。
【０１２１】
また、ヒンジ部の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート）が例示されているが、折り曲げの繰り返しに対して強い靭性に優れた材料が用いられること望ましいため、シリコンゴムまたはポリイミド樹脂などの高分子材料が好ましい。
【０１２２】
さらに、回転部材および中間部材とヒンジ部とを接合させるために用いる接合材または接合方法（たとえば、圧着など）などは、互いの相性が良い組み合わせを用いることが望ましい。これら接合材および接合方法の選択は、本発明の本旨ではないため、特に記載しない。
【０１２３】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明によれば、空間を自由に羽ばたき飛行することができる移動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】実施の形態１の羽の構造を説明するための概略図である。
【図２】図１のＡ−Ｂ線断面図である。
【図３】実施の形態１の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第一層を示す概略図である。
【図４】実施の形態１の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第二層を示す概略図である。
【図５】実施の形態１の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第三層を示す概略図である。
【図６】実施の形態１の羽を構成する枠の形成方法を説明するための概略図である。
【図７】実施の形態２の羽の構造を説明するための概略図である。
【図８】図７のＡ−Ｂ線断面図である。
【図９】実施の形態２の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第一層を示す概略図である。
【図１０】実施の形態２の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第二層を示す概略図である。
【図１１】実施の形態２の羽を構成する３つのＣＦＲＰ層のうちの第三層を示す概略図である。
【図１２】実施の形態の羽ばたき装置の全体を示す図である。
【図１３】図１２に示す羽ばたき装置の駆動機構部を示す拡大図である。
【図１４】図１３に示す駆動機構部の第２のヒンジ部の位置角ωと羽膜部の捻り角αとの関係を示すグラフである。
【図１５】図１３に示す駆動機構部の第２のヒンジ部の位置角ωと羽膜部の捻り角αとの関係を示す他のグラフである。
【図１６】実施の形態３の駆動機構部を示す図である。
【図１７】図１６に示す駆動機構部の第１の回転部材に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図１８】図１６に示す駆動機構部の第１の回転部材に図１７に示す駆動機構部の第１の回転部材に与えたトルクの方向とは逆方向に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図１９】実施の形態４の駆動機構部を示す図である。
【図２０】図１９に示す駆動機構部の第１の回転部材に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図２１】図１９に示す駆動機構部の第１の回転部材に図２０に示す駆動機構部の第１の回転部材に与えたトルクの方向とは逆方向に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１  羽、２  前縁部、３  羽面部、４  枠部、５  枝部、６  アクチュエータ接合部、１１，１２，１３  ＣＦＲＰ層、１４  ポリエステルフィルム。
【図１】
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【図２】
2006076358.tif 000007
【図３】
2006076358.tif 000008
【図４】
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【図５】
2006076358.tif 000010
【図６】
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【図７】
2006076358.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006076358.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006076358.tif 000020
【図１６】
2006076358.tif 000021
【図１７】
2006076358.tif 000022
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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