(57)【要約】【課題】羽根部の動作が安定した羽ばたき浮上移動装置を提供する。【解決手段】羽ばたき浮上移動装置の羽ばたき方は、周波数が２５Ｈｚで繰り返される往復運動であり、２種類の運動からなる。一つは、角速度が一定の前後方向の回転往復運動であり、他の一つは、羽根部の切り返し時に行なわれる角速度の符号の正と負とが反転する正弦波運動である。また、角速度においては、正弦波運動を示す線は、回転往復運動を示す直線同士を滑らかに繋いでいる。制御部は、所定期間において、回転往復運動を羽根部にさせる制御から正弦波運動を羽根部にさせる制御へ切り換える。【選択図】図４４
2011073673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体に取り付けられ、往復運動によって羽ばたき運動を実現する羽根部と、
前記羽根部を動作させるアクチュエータと、
前記羽根部に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータを有し、該複数種類のデー
タに基づいて前記アクチュエータを制御する制御部とを備え、
前記複数種類のデータのそれぞれは、前記往復運動の１周期の前記羽根部の運動を特定可能であり、かつ、前記往復運動の１周期のうちの所定期間において、前記羽根部に共通の運動をさせ、前記所定期間以外の期間においては、前記複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される運動とは異なる運動を前記羽根部にさせるものであり、
前記制御部は、前記所定期間において、前記アクチュエータが前記複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される運動を前記羽根部にさせる制御から前記アクチュエータが前記複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される運動を前記羽根部にさせる制御へ切り換える、羽ばたき浮上移動装置。
【請求項２】
前記所定期間以外の期間は、前記往復運動の１周期のうちの２つの特定期間である、請求項１に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【請求項３】
前記２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれている、請求項２に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【請求項４】
前記２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、前記羽根部が前記往復運動の一方端に位置するタイミングおよび前記羽根部が前記往復運動の他方端に位置するタイミングを含む、請求項２に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【請求項５】
前記２つの特定期間の一方の期間における運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、前記２つの特定期間の他方の期間における運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される、請求項２に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記往復運動の両端のそれぞれにおいて、
前記羽根部を前縁部周りに捻るための制御を実行し、
前記２つの特定期間は、それぞれ、前記アクチュエータが前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るタイミングを含む、請求項２に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【請求項７】
前記複数のデータはホバリングのためのデータを含み、
前記ホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、前記羽根部に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、
前記制御部は、
前記前後方向の往復運動の中心位置から前記前後方向の往復運動の一方端まで前記羽根部を移動させるための基本データと、
前記前後方向の往復運動の中心位置から前記前後方向の往復運動の他方端まで前記羽根部を移動させるように、前記基本データを変換するための演算処理部とを含む、請求項１に記載の羽ばたき浮上移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動に羽ばたき飛行を用いる羽ばたき浮上移動装置に関するものであり、特に、そのアクチュエータから羽根部へのエネルギー供給の仕方に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
羽ばたき飛行するロボットは、従来の固定翼機およびヘリコプターとの比較において機動性が優れている。そのため、近年、羽ばたき飛行するロボットの工学的な実現を目指した研究が盛んになっている。
【０００３】
カリフォルニア大学バークレー校のRon Fearingらは、Micromechanical Flying Insectと称する小型の羽ばたき飛行ロボットを提案し、論文“Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”の中で、その構成について述べている。この羽ばたき飛行ロ
ボットの羽ばたき方は、Dickinsonらによる論文“Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”において開示されている。それによれば、失速遅れの防止、回
転揚力の発生、および後流捕獲の３つの原理が利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６８０７５号公報
【特許文献２】特開２００５−０８８８１５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect”, R.S. Fearing, K.H. Chiang, M.H. Dickinson, D.L. Pick, M. Sitti, and J. Yan, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, April, 2000.
【非特許文献２】“Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”, Michael H. Dickinson, Fritz-Olaf Lehmann, Sanjay P. Sane, Science, vol. 284, no. 5422, 18 June 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
羽ばたき浮上移動装置が、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている場合に、制御部が、上部ロータの回転角の位相と下部ロータの回転角の位相とが所定の差を有するように、上部ロータおよび下部ロータを制御しようとしても、羽根部の動作が安定しない。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、羽根部の動作が安定した羽ばたき浮上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】
【０００８】
本発明の一の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部と、上部ロータの回転角の位相と下部ロータの回転角の位相との差を所定の範囲内の値に制限するリミッターとを備えている。この構成によれば、リミッターを有しているため、羽根部の動作が安定する。
【０００９】
本発明の他の局面の羽ばたき浮上移動装置は、本体に取り付けられ、往復運動によって羽ばたき運動を実現する羽根部と、羽根部を動作させるアクチュエータと、羽根部に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータを有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータを制御する制御部とを備えている。複数種類のデータのそれぞれは、往復運動の１周期の羽根部の運動を特定可能であり、かつ、往復運動の１周期のうちの所定期間において、羽根部に共通の運動をさせ、所定期間以外の期間においては、複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される運動とは異なる運動を羽根部にさせるものである。制御部は、前述の所定期間において、アクチュエータが複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される運動を羽根部にさせる制御から、アクチュエータが複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される運動を羽根部にさせる制御へ切り換える。
【００１０】
上記の構成によれば、羽根部の運動に不連続な変化が生じることなく、羽ばたき運動を変更することができる。
【００１１】
また、前述の所定期間以外の期間は、往復運動の１周期のうちの２つの特定期間であってもよい。これによれば、１つの羽根部は、往復運動の１周期の間に最大で４種類の状態に順次変化する。そのため、羽ばたき運動のバリエーションが豊富になる。
【００１２】
また、２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれていてもよい。これによれば、１の特定期間と他の特定期間とが最も大きなインターバルをおいて繰り返される。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。
【００１３】
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽根部が往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽根部が往復運動の他方端に位置するタイミングを含むことが望ましい。これによれば、１の特定期間における羽根部の位置と他の特定期間における羽根部の位置とが最も離れている。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。
【００１４】
また、２つの特定期間の一方の期間における運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、２つの特定期間の他方の期間における運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される。これによれば、羽ばたき運動の変更に起因する浮上移動装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、浮上移動装置を所望の姿勢にするための制御が容易になる。
【００１５】
また、制御部が、前記往復運動の両端のそれぞれにおいて、羽根部を前縁部周りに捻るための制御を実行し、２つの特定期間が、それぞれ、アクチュエータが羽根部を前縁部まわりに捻るタイミングを含むことが望ましい。これによれば、羽根部の捻りのタイミングの変更によって、水平方向へ流体力を発生させることができる。
【００１６】
また、複数のデータはホバリングのためのデータを含み、ホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、羽根軸に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、制御部は、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の一方端まで羽根部を移動させるための基本データと、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の他方端まで羽根部を移動させるように、基本データを変換するための演算処理部とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御部は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間のためのデータを有しているだけで、所望の羽ばたき運動を羽根部にさせることができる。そのため、制御部のデータの記憶のためのメモリ容量を低減することができる。その結果、浮上移動装置を小型化かつ軽量化することができる。
【００１７】
本発明のさらに他の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部にヒンジが介在する状態で接続された上部プレートと、上部プレートに接続され、上部プレートを往復運動させる上部ロータと、羽根部の根元部にヒンジが介在する状態で接続された中間プレートと、中間プレートにヒンジが介在する状態で接続された下部プレートと、下部プレートを往復運動させる下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれに独立して往復運動をさせることによって、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせながら、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせる制御部とを備えている。
【００１８】
この場合、上部プレート、中間プレート、および下部プレートのそれぞれにおいては、ヒンジ、上部ロータ、および下部ロータのいずれにも接続されていない辺の近傍の部分が、互いの干渉を避けるようにカットされていることが望ましい。
【００１９】
また、本発明の別の局面の羽ばたき浮上移動装置は、前縁部を有する羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる、平面における輪郭が扇形である上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する、平面における輪郭が上部ロータの輪郭に対応する扇形である下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている。
【００２０】
この場合、上部ロータが輪郭に沿って延びるフレーム構造を有し、下部ロータが輪郭に沿って延びるフレーム構造を有していてもよい。
【００２１】
また、本発明の異なる局面の羽ばたき浮上移動装置は、前縁部が延びる方向に沿って折れ曲げ部が延びている羽根部と、前縁部に前後方向において回転往復運動をさせる上部ロータと、羽根部に前縁部まわりの捻り運動をさせるように、上部ロータの位相から所定値だけずれた位相で往復運動する下部ロータと、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを独立して制御する制御部とを備えている。
【００２２】
この場合、羽ばたき浮上移動装置が前縁部にヒンジが介在する状態で接続された上部プレートをさらに備え、折れ曲げ部に沿って上部プレートが取り付けられていてもよい。また、折れ曲げ部が羽根部の主表面に対してほぼ垂直に折れ曲げられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の全体構成の概略図である。
【図２】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の詳細構造の概略図である。
【図３】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の羽根部の概略平面図である。
【図４】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の羽根部の概略側面図である。
【図５】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の羽根部の第一の層を示す図である。
【図６】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の羽根部の第二の層を示す図である。
【図７】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の羽根部の第三の層を示す説明図である。
【図８】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられるアクチュエータの外観図である。
【図９】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの概略図である。
【図１０】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの第一の振動モードを示す図である。
【図１１】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの第二の振動モードを示す図である。
【図１２】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図１３】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図１４Ａ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの予圧機構の概略図である。
【図１４Ｂ】上部および下部ロータの他の例を示す図である。
【図１５】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。
【図１６】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第一の構成部品を示す図である。
【図１７】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第二の構成部品を示す図である。
【図１８】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第三の構成部品を示す図である。
【図１９】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムのサイズの定義を示す図である。
【図２０】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの駆動原理を説明するための図である。
【図２１】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置に用いられる超音波モータの駆動トルクの時刻歴を示すグラフである。
【図２２】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のホバリング時の羽ばたき方を説明するための図である。
【図２３】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のエネルギー蓄積・放出機構を説明するための図である。
【図２４】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の効果を示すグラフである。
【図２５】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の設計方法を表わす補助図である。
【図２６】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第二の例を示す概略図である。
【図２７】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第三の例を示す概略図である。
【図２８】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第四の例を示す概略図である。
【図２９】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第五の例を示す概略図である。
【図３０】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第六の例を示す概略図である。
【図３１】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第七の例を示す概略図である。
【図３２】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のトルク補助機構の第八の例を示す概略図である。
【図３３】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の上昇時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図３４】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の下降時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図３５Ａ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の上昇・下降時の羽ばたき方により生じる水平方向の力を表す説明図である。
【図３５Ｂ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の前進方法を表す説明図である。
【図３５Ｃ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の後退方法を表す説明図である。
【図３６Ａ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図３６Ｂ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図３７Ａ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置における制御システムのハードウエアブロック図である。
【図３７Ｂ】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置における制御システムの機能ブロック図である。
【図３８】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のＰＷＭ制御信号のデューティ比を説明するための図である。
【図３９】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の中央切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図４０】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の先行切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図４１】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の遅れ切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図４２】実施の形態の羽ばたき浮上移動装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【図４３】従来の羽ばたき浮上移動装置の問題点を説明するための図である。
【図４４】一般的なホバリングの羽ばたき方を説明するための図である。
【図４５】別実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。
【図４６】別実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。
【図４７】別実施の形態の羽ばたき浮上移動装置のエネルギー蓄積・供与機構を説明するための図である。
【図４８】さらに別の実施の形態の超音波モータの平面図である。
【図４９】さらに別の実施の形態の超音波振動子の斜視図である。
【図５０】さらに別の実施の形態の超音波振動子の分解斜視図である。
【図５１】圧電素子に取り付けられた４つの電極に印加される４つの電圧モードを説明するための図である。
【図５２】伸縮振動のための信号の位相と屈曲振動のための振動の位相とが９０°だけずれていることを説明するためのタイムチャートである。
【図５３】さらに別の実施の形態の主板部が伸縮振動によって変形する態様を示す図である。
【図５４】さらに別の実施の形態の主板部が屈曲振動によって変形する態様を示す図である。
【図５５】伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが一致しないことを説明するための図である。
【図５６】さらに別の実施の形態の超音波振動子の構成を表す概略図である。
【図５７】さらに別の実施の形態の支持用突出部の長さと、伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである。
【図５８】さらに別の実施の形態の支持用突出部の削り方を説明するための図である。
【図５９】さらに別の実施の形態の支持用突出部に設ける凹部を示す図である。
【図６０】さらに別の実施の形態の支持用突出部に重りが設置された状態を説明するための図である。
【図６１】さらに別の実施の形態の超音波モータの平面図である。
【図６２】さらに別の実施の形態の超音波振動子の斜視図である。
【図６３】さらに別の実施の形態の超音波振動子の構成を表す概略図である。
【図６４】さらに別の実施の形態の押付用突出部の長さと伸縮振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数との関係を示すグラフである。
【図６５】さらに別の実施の形態の押付用突出部の削り方を説明するための図である。
【図６６】さらに別の実施の形態の押付用突出部に重りが設置された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１〜図４２を用いて、本発明の一実施の形態の浮上移動装置を説明する。なお、本実施の形態では、左右対称の構成を有する浮上移動装置を説明する。したがって、説明の簡略のため、左右対称である構成要素には同一参照符号が付され、それらのうち左側のみの説明がなされる。
【００２５】
（全体の構成）
まず、図１および図２を用いて、本実施の形態の浮上移動装置の全体構成を説明する。この項目は、全体構成を説明するためのものであるため、各構成要素の詳細な構成および動作は後述される。
【００２６】
図１に示すように、浮上移動装置１００は、本体１０１と、本体１０１に設けられた１対の羽根部１１０とを備えている。一対の羽根部１１０の一方は、本体１０１の左側の側部に設けられ、一対の羽根部１１０の他方は、本体１０１の右側の側部に設けられている。
【００２７】
浮上移動装置１００は、羽根部１１０の羽ばたき運動によって、周囲流体に流れを生じさせるとともに、周囲流体から反作用を受ける。このとき、浮上移動装置１００は、鉛直上方に向いた、自重を超える反作用を周囲流体から受ける。それにより、浮上移動装置１００には重力加速度を超える鉛直上方向きの加速度が生じる。その結果、浮上移動装置１００は浮上する。
【００２８】
また、図２に示すように、浮上移動装置１００は、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を有している。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０は、本体１０１に回転可能に搭載されている。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０には、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の運動を羽根部１１０へ伝達する羽根駆動メカニズム１４０が接続されている。羽根駆動メカニズム１４０には羽根部１１０が接続されている。羽根部１１０は、上および下部超音波モータ１２０および１３０の駆動によって、上下方向を回転中心軸とする往復回動運動（以後、「ストローク運動」と称する。）と、羽根部１１０の前縁部を回転中心軸とする回転運動（以後、「捻り運動」と称する。）とを行なう。つまり、羽根部１１０は、ストローク運動およびねじり運動のそれぞれを独立して行なうことができる。
【００２９】
上および下部超音波モータ１２０および１３０は、制御回路１５０によって制御される。また、制御回路１５０には、本体１０１に固定された位置検出センサ１６０から浮上移動装置１００の位置情報および姿勢情報が与えられる。
【００３０】
また、浮上移動装置１００は、通信装置１７０を介して、浮上移動装置１００自身の情報およびその周辺の情報を、外部のコントローラ２００に送信する機能を有する。本実施の形態においては、画像センサ１８０よって得られた画像情報がコントローラ２００へ送信される。なお、画像センサ１８０よって得られた画像情報は制御回路１５０によって直接利用されてもよい。たとえば、画像情報を画像処理することによって、浮上移動装置１００の位置および速度等が制御回路１５０によって認識されてもよい。
【００３１】
また、通信装置１７０は、図１および図２に示すように、外部のコントローラ２００から送信されてきた情報を受信し、その情報を制御回路１５０に与える機能を有する。本実施の形態では、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０により制御され、浮上移動装置１００の運動指令を与えるものとする。一方、外部のコントローラ２００は、浮上移動装置１００に搭載された画像センサ１８０によって得られた画像情報を取得することができる。
【００３２】
なお、コントローラ２００が前述の画像情報をオペレータ２１０に提示する方法は、いかなるものであってもよい。たとえば、外部のコントローラ２００が画像表示機能を備えていれば、画像センサ１８０が取得した画像そのものが視覚的にオペレータ２１０に提示される。また、説明の簡便のために、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０によって操作されるものとしたが、これは必須ではない。
【００３３】
また、制御回路１５０、通信装置１７０、および画像センサ１８０等は、本体１０１に配された電源１９０から供給される電力によって駆動される。電源１９０は、本発明の駆動エネルギー源として機能するが、本発明の駆動エネルギー源は、電力を用いるもの以外のもの、たとえば、化石燃料等であってもよい。この場合、アクチュエータとしては例えば２サイクルエンジンやスターリングエンジン等、上記駆動エネルギー源に対応した物が用いられる。
【００３４】
（羽根部）
羽根部１１０は、図３〜図７に示されたような形状を有し、長さが６５ｍｍであり、かつ、幅が１６ｍｍである。羽根部１１０は、前縁部１１０２、羽面部１１０３、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６を有している。なお、羽面部１１０３とは、前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６以外の部分であって、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９とアラミドフィルム１１１４とからなる部分である。
【００３５】
羽根部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分、つまり前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）層からな
る。具体的に言えば、羽根部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分は、ＣＦＲＰのシートから図５〜図７に示す３つの部分が切り抜かれ、その３つの部分が積層されることによって形成される。
【００３６】
前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層の３層積層構造を有している。また、枠部１１０４、枝部１１０５、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９はＣＦＲＰ層の１層構造である。図３に示されるＸ軸の正の方向を０度とすると、細長板状部１１０７の繊維軸の方向は−６０度（＋１２０度）であり、細長板状部１１０８および枠部１１０４のそれぞれの繊維軸の方向は、０度（１８０度）であり、細長板状部１１０９の繊維軸の方向は、＋６０度（＋２４０度）であり、枝部１１０５の繊維軸の方向は−３０度（１５０度）である。前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、繊維軸の方向が−６０度（＋１２０度）、０度（１８０度）、および＋６０度（２４０度）である３つのＣＦＲＰ層が重ねられて形成されている。
【００３７】
前縁部１１０２の主要な変形は、羽根部１１０の長手方向に平行な伸縮であるため、この方向とＣＦＲＰ層の繊維軸とが一致していることが望ましい。また、アクチュエータ接合部１１０６には複数の方向に力が加えられ、羽ばたき運動に応じてこれらの力の方向が変化すると考えられる。したがって、あらゆる方向に極力均等な剛性を有するように、異なる方向の繊維軸を有する多数のＣＦＲＰ層を積層することによって形成されていることが望ましい。なお、前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、他の部分より剛性が高くなっている。これらの要件を満たす羽根部の製造方法は後述される。
【００３８】
また、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、枠部１１０４、および枝部１１０５に囲まれるように羽面部１１０３が設けられている。羽面部１１０３は、アラミドフィルム１１１４からなり、図４の紙面の奥行き方向に延びている。また、アクチュエータ接合部１１０６は、羽根部１１０の根元に設けられ、アクチュエータに接合されており、その長さは１０ｍｍである。
【００３９】
また、図５〜図７に示すように、複数の細長板状部１１０７のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０７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１１０８のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０８同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。さらに、複数の細長板状部１１０９のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０９同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。
【００４０】
なお、本実施の形態では、説明の簡便のため、同一層の複数の細長板状部は、同一ピッチかつ平行であるものとしたが、たとえば、剛性分布を意図的に変更する場合には、前述のものに限定されない。たとえば、先端側に比較して、根元側のピッチが小さくなっており、それにより、剛性が高められている羽根部１１０が用いられてもよい。
【００４１】
＜前縁部＞
前縁部１１０２は、図４に示されるように、羽根部１１０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。そのため、前縁部１１０２においては、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１１０２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１１０２には荷重が大きくかかる。そのため、前縁部１１０２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構造であるので、羽面部１１０３より剛性が高くなっている。さらに、前縁部１１０２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１１０２の幅および高さは約２ｍｍであり、先端部分での前縁部１１０２の幅および高さは約１ｍｍである。ただし、図の記述精度の制約から、図４〜図７においては、根元部分における前縁部１１０２の幅と先端部分における前縁部１１０２の幅とは同じ幅で描かれている。
【００４２】
＜羽面部＞
羽面部１１０３は、図４〜図７に示されるように、ＣＦＲＰ層の細長板状部１１０７、１１０８および１１０９、およびアラミドフィルム１１１４によって構成されている。羽根部１１０と同一の外形を有するアラミドフィルム１１１４が、ＣＦＲＰ層の細長板状部によって挟まれている。
【００４３】
本実施の形態においては、アラミドフィルム１１１４の耐熱温度がＣＦＲＰ層の成形温度よりも高く、かつＣＦＲＰ層の成形工程において、プリプレグとアラミドフィルムとを接触させておき、加圧および加熱処理を行なうことで、プリプレグに含まれる樹脂成分によってＣＦＲＰ層とアラミドフィルムとを接着させることが可能である。したがって、ＣＦＲＰ層によって構成された前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９ならびにアラミドフィルム１１１４を含む原材料を上述の金型上で焼結することによって、簡単に羽面部１１０３を製造することが可能である。
【００４４】
羽面部１１０３の細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９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１１０３の表面に垂直な方向から見ると、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９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１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれは、細長い長方形の輪郭を有しており、そのうち２つの長辺は、繊維軸に平行に延びている。これは、強度が高いＣＦＲＰの長手方向と、上記トラス構造の各ビームの力のかかる方向とを一致させ、一軸異方性材料であるＣＦＲＰの強度特性を最大限活用するための構成である。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。なお、上記ビームが長方形ではない場合には、応力解析などの手法を用いて、そのビームの形状に最適な繊維軸方向を決定する必要がある。
【００４５】
また、本実施の形態では、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの曲げ剛性は、前縁部１１０２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。
【００４６】
ここで、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの厚さが一定であり、細長板状部１１０７の幅が細長板状部１１０７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１１０８の幅が細長板状部１１０８同士のピッチの１／ａ倍であり、かつ、細長板状部１１０９の幅が細長板状部１１０９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１１０３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１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅を細長板状部１１０７同士、細長板状部１１０８同士、および細長板状部１１０９同士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１１０２の曲げ剛性の１／８倍の曲げ剛性を有
する羽面部１１０３が実現されている。つまり、羽面部１１０３の厚さ、すなわち細長板状部の積層数を変化させることなく、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９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根部１１０が形成されている。細長板状部の積層数は、自然数にしかならず、連続的に変化し得るものではないため、細長板状部の積層数を変化させるだけでは、羽根部の曲げ剛性の分布が不連続になってしまう。しかしながら、上記細長板状部の幅とピッチとの比は、連続的に変化し得るものであるため、上記曲げ剛性分布を連続的に変更して、所望の曲げ剛性分布を得ることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態の羽根部１１０の構造によれば、細長板状部１１０７の幅と細長板状部１１０７同士のピッチとの比、細長板状部１１０８の幅と細長板状部１１０８同士のピッチとの比、および細長板状部１１０９の幅と細長板状部１１０９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１１０３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、羽根部１１０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根部１１０を製造する場合には、細長板状部１１０８の幅を大きくし、細長板状部１１０８同士のピッチを小さくすればよい。
【００４８】
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１１０３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層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。すなわち、前述の羽根部１１０は、本段落にて説明されているような切り抜きによって形成された羽根部の約１／３の質量で、その羽根部とほぼ同一の剛性を有する（具体的には下記の＜羽質量＞の項目に羽根部の質量および剛性の数値が記載されている。）。
【００４９】
＜枠部＞
羽面部１１０３を構成するアラミドフィルム１１１４は、図４に示されるように、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、および枠部１１０４の間に張られている。そのため、アラミドフィルム１１１４の端部の破損が防止されている。本実施の形態では、枠部１１０４の幅は約０．５ｍｍである。なお、枠部１１０４は、図４に示されるように、羽面部１１０３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。枠部１１０４の繊維軸の方向は、それの延びる方向に一致している。
【００５０】
＜枝部＞
羽根部１１０が大きくなった場合には、羽根部１１０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、羽根部１１０の先端部には大きな流体力が生じる。羽根部１１０の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽根部１１０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１１０２に接続され、前縁部１１０２から斜め方向に延びる枝部１１０５が設けられている。枝部１１０５の幅は約０．９ｍｍである。枝部１１０５は、Ｘ軸方向の羽根部１１０の先端側を向く方向を０°とした場合に、−３０°の方向に延びるように形成されている。
【００５１】
なお、枝部１１０５とＸ軸との間の角度および羽面部１１０３に要求される剛性によっては、前述の細長板状部１１０７とは異なる細長板状部を有するＣＦＲＰ層に枝部１１０５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１１０５がＣＦＲＰ層同士の間に挟み込まれた構造の羽面部１１０３が用いられてもよい。
【００５２】
＜アクチュエータ接合部＞
アクチュエータ接合部１１０６は、実際には、羽根部１１０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１１０６は、図４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１１０６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１１０６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１１０６の溝構造と前縁部１１０２の溝構造とは連続するように設けられている。
【００５３】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重が１．６ｇ／ｃｍ3であるものとして、表１に前述の羽根部１１０の各
部位の質量が示されている。表１に示されるように、羽根部１１０の質量は、約２６．５ｍｇである。また、アクチュエータ接合部１１０６の質量は約１０．８ｍｇである。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
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根部の質量は約４８ｍｇである。
【００５６】
（超音波モータ）
次に、図８〜図１４Ｂを用いて、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を説明する。
【００５７】
＜全体構成＞
まず、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の構成を説明する。
【００５８】
図８に示されるように、上部超音波モータ１２０は、上部超音波振動子１２１と、これによって駆動される上部ロータ１２２とを有している。また、上部ロータ１２２は、上部ベアリング１２３を介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。ロータシャフト１２４は、本体１０１に固定されている。上部ロータ１２２には、上部磁化パターン１２５が円弧状に記されている。上部磁化パターン１２５は、上部磁気エンコーダ１２６で読み取られる。上部超音波振動子１２１においては、図１４Ａに示すように、支持部１２１４が支持シャフト１２７に固定され、牽引部１２２４が牽引ゴム１２９により牽引されている。また、上部超音波振動子１２１を駆動する電力はフィルム基板１２８を経由して供給される。
【００５９】
下部超音波モータ１３０は、上部超音波モータ１２０と上下方向において鏡面対称の構造である。すなわち、下部超音波モータ１３０においては、下部超音波振動子１３１が下
部ロータ１３２を回転させる。下部ロータ１３２は、図示されない下部ベアリングを介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。下部ロータ１３２には、図示されない下部磁化パターンが円弧状に記されている。下部磁化パターンは、下部磁気エンコーダ１３６で読み取られる。
【００６０】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、上下方向において鏡面対称に設けられていること以外においては、全く同様の構成を有しているため、以降においては、上部超音波モータ１２０の詳細構造のみの説明を行なう。
【００６１】
＜駆動原理＞
次に、図９〜図１４Ｂを用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【００６２】
上部超音波振動子１２１は、振動板１２１１、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３からなる。振動板１２１１は、厚さ０．２ｍｍのステンレスで作製され、幅２ｍｍかつ長さ９ｍｍの矩形部と、矩形部の長手方向の中央部から外方に突出する支持部１２１４とを有している。振動板１２１１は、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３によって挟まれている。表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３は、それぞれ、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、および厚さ０．２ｍｍの短冊形状を有し、厚み方向に分極するピエゾ焼結体からなる。
【００６３】
表面ピエゾ１２１２には表面電極１２１６が接合され、裏面ピエゾ１２１３には裏面電極１２１７が接合される。表面電極１２１６に電圧を印加すると、上部超音波振動子１２１において、図１０に示されるような節を３つ有する、即ち３次のたわみ振動モードが励起される。また、裏面電極１２１７に電圧を印加すると、図１１に示されるような、縦(
伸縮)の振動モードが励起される。本実施の形態における上部超音波振動子１２１におい
ては、２つの振動についての共振モードの共振周波数は、いずれも２５０ｋＨｚであり、互いに一致している。ここで、これらの共振モードの振動の位相を±９０°異ならせることによって、振動板１２１１の頂点は図１２および図１３に示される２種類の楕円運動を行なう。２種類の楕円運動は、正方向に回転する楕円運動と、逆方向に回転する楕円運動である。また、振動板１２１１の頂点にはセラミックからなる接触部１２１５が設けられている。接触部１２１５は、前述の楕円運動に応じて、摩擦力によって、上部ロータ１２２をロータシャフト１２４の軸周りに回転させる。このとき、正方向の回転および逆方向の回転のいずれかが選択される。
【００６４】
図１２および図１３は、表面電極１２１６に与えられる電位をφＡとし、裏面電極１２１７に与えられる電位をφＢとして、φＡおよびφＢを、それぞれ、ｃｏｓ（２πｆｔ）およびｓｉｎ（２πｆｔ）に振幅を掛けた関数で表した場合における接触部１２１５の回転方向を示している。なお、説明の簡便のため、表面電極１２１６および裏面電極１２１７のそれぞれに与えられる電位を三角関数によって表わしたが、それらの電位の位相が±９０°ずれているのであれば、矩形波等によって表わされる電位が両電極に与えられてもよい。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれは、扇型の輪郭を有し、所定の回転角の範囲内での回転往復運動を行なう。そのため、軽量化のためには、図１４Ｂに示されるように、不要な部分が削除された、その外形が中心角１２０°の扇形のフレーム構造を有する上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。輪郭が扇型であるロータが用いられれば、中心軸まわりに回動（回転往復運動）するロータの占有率を最も効果的に低減することができる。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、それぞれ、扇型の輪郭に沿ったフレーム部を有している。
【００６５】
なお、前述の各部位のサイズおよび振動板の共振周波数などの数値は、一例であり、浮上のための要件が満足されるのであれば、前述の値に限定されない。この浮上のための要
件は、後述の浮上可能性の項において述べられている。
【００６６】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、図１４Ｂに示されるように、必要な強度が確保される範囲内において、軽量化のための中空構造を有していてもよい。つまり、上部ロータ１２２および下部ロータ１２３のそれぞれが、半径１２０°の扇型の外周に沿って延びるフレームを有する構造からなっていてもよい。
【００６７】
更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、後述する上部ローラ１２２の回転角θ１−下部ロータ１３２の回転角θ２を所定の範囲内の値に制限するためのリミッター１２３２２ａ、リミッター１２３２２ｂ、およびリミッター１２３２２ｃが設けられてもいてもよい。リミッター１２３２２ｂは、扇型のフレーム構造の下部ロータ１３２の内周面に設けられ、リミッター１２３２２ａおよびリミッター１２３２２ｃは、扇型のフレーム構造の上部ロータ１２２の内周面に設けられている。リミッター１２３２２ｂは、円弧状の軌跡において、リミッター１２３２２ａとリミッター１２３２２ｃとの間に位置付けられている。これによれば、リミッター１２３２２ｂの移動範囲は、リミッター１２３２２ａおよびリミッター１２３２２ｃによって制限される。したがって、後述する羽の捻り角βが一定の範囲内の値に制限される。そのため、後述する数式（７）において、解が物理的に１つに定まる。その結果、羽根部の動作が安定する。
【００６８】
また、上部および下部ロータ１２２よび１３２が各超音波振動子の駆動力をロス無く羽根部に伝達することが望ましい。そのため、ロータの回動抵抗は極力小さいことが望ましい。さらに、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との衝突を避けるために、これらのロータは中心軸まわりにのみ回転することができる構造を有していることが望ましい。したがって、本実施の形態では、ロータと回転中心軸との接触部におけるベアリングとして、ピボットと呼ばれる一種のボールベアリングが用いられている。これによって、前述のように、ロータ同士の接触が防止されている。なお、上記ロスが超音波振動子の駆動力に比べ十分小さいのであれば、擦動タイプのベアリング、たとえばテフロン（登録商標）ベアリングなどが使用されてもよい。
【００６９】
なお、後述される後方切り返し時において、羽根部が水平状態になると、すなわち、後述されるβが１８０°に達すると、切り返し後のβが０＜β＜πとなるか、または、π＜β＜２πとなるかは、不定となる。前者の場合には、羽根部が裏返り、迎え角が負となることになり、揚力が得られず、浮上移動装置は飛行することがききない。このため、前述の２つのリミッターにより、βが１８０°に達しないように、羽根部の動作が制限されている。さらに、本発明者らの実験によると、羽根部にかかる流体力がヒンジを押し上げるように弾性変形させることにより、厳密にβが１８０°に達しなくても、羽根部が裏返る現象が観察されている。このため、前述の２つのリミッターは、羽ばたき飛行に支障をきたさない範囲内で、βが１８０°よりもある程度小さい値になるように設けられていることが望ましい。
【００７０】
＜予圧機構＞
次に、図１４Ａを用いて、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧を与える機構を説明する。
【００７１】
接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧が作用しており、その反作用として、接触部１２１５から上部ロータ１２２の外周面へ向かって抗力が生じている。そのため、上部ロータ１２２と接触部１２１５との間には摩擦が生じている。したがって、接触部１２１５の楕円運動によって、上部ロータ１２２は、摩擦力を受け、回転往復運動を行なう。
【００７２】
牽引ゴム１２９は、環状であり、その一端が、牽引部１２２４に引っ掛けられている。
牽引ゴム１２９の他端は、本体補強ポール１１２に固定されている牽引ゴムピン１１３に引っ掛けられている。したがって、牽引ゴム１２９には張力が生じ、牽引部１２２４が本体補強ポール１１２に向かって牽引されるため、振動板１２１１は牽引部１２２４を含む振動板１２１１を支持している支持シャフト１２７の軸周りに回転運動する。この回転運動は、接触部１２１５が上部ロータ１２２に接触することによって拘束されている。したがって、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ向かう予圧が生じる。
【００７３】
なお、前述の本体補強ポール１１２を、その長軸周りに回転させることによって、前述の予圧の大きさを調整することが可能である。また、予圧機構は、上部ロータ１２２を駆動するための摩擦力を得るために設けられているものであるため、前述の予圧が得られ、かつ、浮上移動装置１００の浮上特性が損なわれないのであれば、図１４Ａに示す構造に限定されない。
【００７４】
＜回転角検出＞
図８に示す上部磁気エンコーダ１２６には、パターン周期の１／４の間隔を置いてＡ相およびＢ相のための２つの検出部が設けられている。この構成によって、一般的なエンコーダと同様に、上部ロータ１２２の回転方向に応じてＡ相およびＢ相の位相が異なるため、たとえば、Ａ相のアップエッジをカウンタのトリガとして、Ｂ相のレベルの１／０をアップカウント／ダウンカウントの機能選択に割り当てれば、上部ロータ１２２の回転角θ１を検出することが可能である。この回転角θ１の算出は、中央演算装置１５１において行なわれる。
【００７５】
＜補足＞
なお、図８〜図１４Ｂにおいて示された超音波モータは、一般的なアクチュエータの一例であり、本発明における浮上移動装置のアクチュエータは、前述のような構造の超音波モータに限定されない。たとえば、アクチュエータとして、電磁モータまたは内燃機関が用いられてもよい。また、回転角検出のための装置は、羽ばたき飛行を阻害するものでなければ、いかなるものであってもよい。たとえば、前述の磁気エンコーダを用いる手法の替わりに、光学式エンコーダを用いる手法が採用されてもよい。
【００７６】
（羽駆動メカニズム）
次に、図１５〜図１８を用いて羽根駆動メカニズムについて説明する。
【００７７】
羽根駆動メカニズム１４０は、図１５に示されるように、上部ロータ１２２に固定された上部プレート１４１と、下部ロータ１３２に固定された下部プレート１４２とを有している。さらに、下部プレート１４２には第１アラミドヒンジ１４３を介して中間プレート１４４が接続されている。さらに、上部プレート１４１には、第２アラミドヒンジ１４５を介して、羽根部１１０の根元部が接続されている。さらに、羽根部１１０の根元部は、第３アラミドヒンジ１４６を介して、中間プレート１４４にも接続されている。したがって、上部プレート１４１、羽根部１１０、中間プレート１４４、および下部プレート１４２がアラミドフィルムで接続された複合ヒンジが構成されている。この複合ヒンジは、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって駆動される。
【００７８】
図１６〜図１８には、上部プレート１４１、中間プレート１４４、および下部プレート１４２の形状が示されている。なお、各プレートのヒンジおよびロータに接続されない辺の近傍の部分は、補強のため、図１６〜図１８のハッチングで示される部位が、各プレートの主表面に対して約９０°折り曲げられている。さらに、この折り曲げ部同士の干渉を避けるため、折り曲げ部の両側端のそれぞれは、折り曲げ部が延びる方向に対して４５°の方向においてカットされている。
【００７９】
各アラミドヒンジは、幅０．１ｍｍであり、長さに比べてその幅が非常に小さいため、擬似的に１自由度の回転のみ運動可能なリンク、すなわち蝶板（兆番）として機能する。また、アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線は１点で交わり、その１点はシャフト１２４の中心軸上に位置し、かつ、上部ベアリング１２３と下部ベアリング１３３との間に位置する。この構成により、上部超音波モータ１２０の回転角の制御によって羽根部１１０の前後方向の往復運動が制御され、上部超音波モータ１２０の回転角の位相と下部超音波モータ１３０の回転角の位相との差の制御によって、羽根部１１０のねじり運動が制御される。
【００８０】
つまり、アクチュエータは、羽根軸としての前縁部１１０２を前後方向に往復運動（回転角α：Ｚ軸周りの回転角）させる前後往復運動用ロータとしての上部超音波モータ１２０と、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２を軸周りに回転（回転角β）させる捻り運動用ロータとを備えている。
【００８１】
前述の羽ばたき方を、図１９および図２０を用いて、より具体的に説明する。図１９および図２０においては、浮上移動装置１００の前後方向に沿ってＹ軸が延びている。また、浮上移動装置１００の上下方向に沿ってＺ軸が延びている。さらに、浮上移動装置１００の左右方向に沿ってＸ軸が延びている。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、互いに直交する。また、Ｙ軸においては、後方が正であり、前方が負である。また、Ｘ軸においては、上方が正であり、下方が負である。さらに、Ｚ軸においては、左の羽根部１１０の位置する側が正であり、右の羽根部１１０が位置する側が負である。また、図２０に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角がθ１であり、下部超音波モータ１３０の回転角がθ２であり、前後方向の往復運動の回転角である羽ばたきストローク角がαであり、前縁部１１０２の軸周りの回転角である捻り角がβであるものとする。
【００８２】
また、前述の各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線の交点から各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの外側端までの距離は、それぞれ、Ｒ２、Ｒ１、およびＲ３であるものとする。さらに、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４５の端点の距離がＬ１であり、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４３の端点の距離がＬ２であり、アラミドヒンジ１４３の端点とアラミドヒンジ１４５の端点と間の距離がＬ３であるものとする。ロータシャフト１２４に対する羽根部１１０の位置を表わす角度の組み合わせ（α，β）は、上および下部超音波モータの回転角θ１およびθ２を用いて、以下のように表わされる。
【００８３】
羽ばたきストローク角αは、羽根軸（前縁部１１０２）のロータシャフト１２４の軸周りの回転であるため、次の式（１）に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角θ１に等しい。
【００８４】
α＝θ１・・・（１）
また、捻り角（回転角β）は、羽根部１１０の羽根軸（前縁部１１０２）の軸周りの回転角であるため、次の式（２）によって示されるβの余弦値から算出される。
【００８５】
ｃｏｓ（π−β）＝−ｃｏｓ（β）＝［Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ３×Ｌ３−Ｌ２×Ｌ２］／（２×Ｌ１×Ｌ３）・・・（２）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（３）が成り立つ。
【００８６】
Ｌ３＝ｓｑｒｔ（Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−２×Ｒ１×Ｒ２×ｃｏｓ（θ１−θ２））・・・（３）
ここで、ｓｑｒｔ（）は（）内の値の正の平方根である。
【００８７】
なお、図１９および図２０から明らかなように、βは、πより大きく、かつ、２πより小さい。
【００８８】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【００８９】
上記の式（１）〜（４）から、所望の羽根部１１０の位置（α，β）を得るための回転角θ１およびθ２は、次の式（５）および（６）によって表わされることが分かる。
【００９０】
θ１＝α・・・（５）
ｃｏｓ（θ１−θ２）＝［Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−Ｌ３×Ｌ３］／２×Ｒ１×Ｒ２・・・（６）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（７）が成立する。
【００９１】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の複号（±)が、正であるか、または、負であるかは、実際の羽根部１１０
の挙動を考慮することによって、容易に決定される。
【００９２】
図１９および図２０に示される本実施の形態の浮上移動装置の状態は、羽根部１１０の主表面が鉛直な方向に延びる平面と平行である状態、すなわち、捻り角β＝２７０°である状態である。このとき、θ１＝０°、θ２＝−４５°Ｒ１＝Ｒ２＝１５ｍｍ、Ｒ３＝１５．８１ｍｍ、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝１１．４ｍｍ、およびＬ３＝１１．３９ｍｍである。
【００９３】
上部および下部ロータ１２２および１３２の回転角θ１およびθ２は、前述のように、磁気エンコーダ１２６よって得られた情報に基づいて中央演算装置１５１によって算出される。なお、回転角θ１およびθ２の制御方法は後述される。
【００９４】
上記のようにして、羽根部１１０の羽ばたき運動が実現される。
（トルク補助機構）
次に、図２１〜図３２を用いて、トルク補助機構について説明する。
【００９５】
＜原理＞
図４３に示されるように、羽ばたき飛行においては羽根部１１０の運動方向が反転するため、打ち上げと打ち下ろしとの間に行なわれる羽根部１１０の切り返しにおいては、アクチュエータに要求されるトルクは高くなる。しかしながら、羽根部１１０の切り返しの直前まではアクチュエータに要求されるトルクは小さい。そこで、アクチュエータに要求されるトルクが小さな期間に、何らかの方法を用いて、アクチュエータ（上部および下部超音波モータ１２０および１３０）の運動エネルギーを蓄積しておき、アクチュエータに高いトルクが要求される期間に、蓄積されたエネルギーを羽根部１１０に与えることで、アクチュエータに要求されるトルクの時刻歴を平滑化することができる。
【００９６】
次に、図２１〜図２５を用いて、切り返し時のトルクの時刻歴を平滑化する手法を説明する。本実施の形態においては、その手法として、ある物質を弾性変形させることによってアクチュエータのエネルギーを蓄積し、その弾性変形した物質の復元力によってアクチュエータにエネルギーを与える手法が用いられる。なお、以後においては、弾性変形する物質に蓄積されたエネルギーによってアクチュエータに与えられるトルクを補助トルクと称する。
【００９７】
図２１に示されるように、本実施の形態における浮上移動装置１００においては、羽根部１１０の切り返し時にトルクのピークが極端に大きくなる現象は、上部超音波モータ１２０の駆動トルクＴ１に顕著に現れる。なお、上部ロータ１２２の回転角θ１および下部ロータ１３２の回転角θ２の制御は、図２２に示されるものであるとする。また、浮上移動装置１００は、羽根軸としての前縁部１１０２を、前後方向に往復運動させるとともに、その往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２周りに回転させる羽ばたき運動を行なうものとする。
【００９８】
上部超音波モータ１２０の打ち上げ動作と上部超音波モータ１２０の打ち下ろし動作とは前後対称である。そのため、今後は上部超音波モータ１２０の打ち上げ動作後の切り返し時のトルクを補助する手順のみ説明する。
【００９９】
図２３に示されるように、上部ロータ１２２の外側にバネ３０１が設けられている。バネ３０１は、本体１０１のいずれかの部分に固定されている。バネ３０１と上部ロータ１２２とは、上部ロータ１２２の回転角がθ＿ｃｏｎｔａｃｔを超えた時点で接触を開始する。なお、θ＿ｃｏｎｔａｃｔの求め方については後述する。
【０１００】
上部ロータ１２２がバネ３０１に接触した時点でバネ３０１は収縮を始めるので、上部ロータ１２２にはバネ３０１が伸張する方向に復元力が作用する。この復元力の大きさはバネ３０１の収縮した長さに比例するため、図２４において破線で示されるようなトルクが生じる。ここでは、前述の図２４に破線で示されるトルクがトルク補助機構による補助トルクと称される。なお、トルク補助機構は、本発明のエネルギー蓄積・供与機構に対応する。
【０１０１】
上部ロータ１２２を駆動するために要求されるトルクＴ１は、図２４に細実線で示される従来のトルクＴ１に、前述の補助トルクを加算した値となるため、図２４に太実線で示されるようになる。
【０１０２】
以上のように、トルクの小さい切り返し動作の前半の上部ロータ１２２の変位によって、バネ３０１に変形エネルギーが蓄えられ、バネ３０１の復元力によって、蓄えられた変形エネルギーが切り返し動作の後半に上部ロータ１２２に与えられる。すなわち、本実施の形態のトルク補助機構、すなわち、エネルギー蓄積・供与機構は、羽根軸としての前縁部１１０２を駆動するために要求されるトルクが小さい場合にエネルギーを蓄積し、前縁部１１０２に駆動するために要求されるトルクが大きい場合に上部ロータ１２２に与える。言い換えれば、エネルギー蓄積・供与機構は、前縁部１１０２の切り返しの前半に上部ロータ１２２のエネルギーを蓄積し、切り返しの後半にエネルギーを上部ロータ１２２に与える。それにより、前述のトルクＴ１のピークが低減され、トルクの時刻歴が平滑化される。
【０１０３】
＜設計手法＞
次に、図２４および図２５を用いて、最大トルクをＴ＿ＭＡＸに低減させるためのバネ３０１のバネ定数および収縮量の設計思想を説明する。なお、回転角θ１およびトルクＴ１は負の値になり得るが、説明の簡便のため、本項目の説明では、回転角θ１およびトルクＴ１の符号は、すべて正の値であるものとする。
【０１０４】
まず、図２５に示されるように、切り返し動作の後半において本来のトルクＴ１がＴ＿ＭＡＸと等しくなる時刻ｔ１を求める。この時刻ｔ１が、補助トルクが必要とされる最終の時刻であるため、この際の回転角θ１が前述の回転角θ＿ｃｏｎｔａｃｔとなる。
【０１０５】
さらに、トルクＴ１が極大値Ｔ１＿ＭＡＸになる回転角θ１＿ＭＡＸＴ１のときに、ト
ルクＴ１からバネ３０１による補助トルクを減算した値が、Ｔ＿ＭＡＸより小さくなるように、バネ３０１のバネ定数を定める必要がある。この際のバネ３０１の収縮量は、回転角θ１＿ＭＡＸＴ１と回転角θ＿ｃｏｎｔａｃｔとの差に、バネ３０１が上部ロータ１２２に接触する点と上部ロータ１２２の回転中心位置との間の距離Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔを乗じた値である。したがって、この時点でバネ３０１に発生している力Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇは、バネ３０１のバネ定数をｋとして、次の式（８）で表わされる。
【０１０６】
Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇ＝（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）×Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ×ｋ・・・（８）
この際に与えられる補助トルクＴ＿ｓｐｒｉｎｇは、次の式（９）で表わされる。
【０１０７】
Ｔ＿ｓｐｒｉｎｇ＝Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇ／Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）×ｋ・・・（９）
また、次の式（１０）が成立する。
【０１０８】
Ｔ＿ＭＡＸ＋Ｔ＿ｓｐｒｉｎｇ＞Ｔ１＿ＭＡＸ・・・（１０）
したがって、次の式（１１）が得られる。
【０１０９】
ｋ＞（Ｔ１＿ＭＡＸ−Ｔ＿ＭＡＸ）／（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）・・・（１１）
厳密には、すべての時刻において、式（１１）が成立する必要があるが、本実施の形態においては、図２４に示すように、トルクＴ１の最大値である場合において、式（１１）が成立すれば、アクチュエータに要求されるトルクを大きく低下させることができる。
【０１１０】
本実施の形態においては、Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝４ｍｍであり、ｋ＝１６０、θ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝３０．５°であれば、トルクＴ１のピークが１７ｇｆ・ｃｍから１０ｇｆ・ｃｍへ低下する。
【０１１１】
＜構成例＞
図２６は、トルク補助機構の第二の例を示す図である。このトルク補助機構は、図２３のバネ３０１が板バネ３１１によって置き換えられている。
【０１１２】
図２７は、トルク補助機構の第三の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、本体１０１に固定された支柱３２１に、上部ロータ１２２に固定されたゴムブロック３２２が衝突することによって、上部ロータ１２２のエネルギーがゴムブロック３２２に蓄積され、ゴムブロック３２２の復元力によってエネルギーが上部ロータ１２２に与えられる。
【０１１３】
図２８は、トルク補助機構の第四の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、中空のロータ３３４に内装され、支点３３１に固定されたコイルバネ３３２および３３３のそれぞれが、中空のロータ３３４の内壁に衝突し、上部ロータ１２２のエネルギーが蓄積され、コイルバネ３３２および３３３のそれぞれの復元力によって上部ロータ１２２にエネルギーが与えられる。なお、支点３３１は、本体１０１に固定されている。
【０１１４】
図２９は、トルク補助機構の第五の例を示す図である。このトルク補助機構は、図２８に示すコイルバネ３３２が板バネ３４１に置き換えられたものである。なお、板バネ３４１は本体１０１に固定されている。
【０１１５】
図３０は、トルク補助機構の第六の例を示す図である。図３０に示すトルク補助機構は、コイルバネ３３２および３３３および板バネ３４１の代わりに、ゴム紐３５１が用いら
れている。ゴム紐３５１は、その一端が支持点３５２に固定され、その他端が上部ロータ１２２に固定されている。また、ゴム紐３５１は、上部ロータ１２０の回転角θ１＝０°の場合には、弛んでいる。これによれば、ゴム紐３５１は、上部ロータ１２２が回転往復運動を開始すると、回転角θ＿ｃｏｎｔａｃｔの位置から伸張してエネルギーを蓄積する。また、伸張したゴム紐３５１が縮むときのゴム紐３５１の復元力によって、上部ロータ１２２にエネルギーが与えられる。なお、支持点３５２は、本体に固定されている。
【０１１６】
図３１は、トルク補助機構の第七の例を示す図である。上部ロータ１２２ではなく、ベアリング１２３に前述のトルク補助機構と同様の機構が設けられており、それによって、トルク補助機構の軽量化が図られている。このトルク補助機構によれば、ベアリング１２３に設けられたドグ３６１に板バネ３６２が衝突し、板バネ３６２が弾性変形してエネルギーを蓄積する。板バネ３６２の復元力によってドグ３６１を介して上部ロータ１２２にエネルギーが与えられる。なお、板バネ３６２は本体１０１に固定されている。
【０１１７】
図３２はトルク補助機構の第八の例を示す図である。このトルク補助機構によれば、ベアリング１２３に設けられた板バネ３７１が、ロータシャフト１２４に固定されたドグ３７２に衝突し、板バネ３７１が弾性変形してエネルギーを蓄積する。また、板バネ３７１の復元力によって上部ロータ１２２にエネルギーが与えられる。なお、板バネ３７１は本体１０１に固定されている。
【０１１８】
＜材料および手法の選択＞
弾性変形してエネルギーを蓄える部材としては、金属などの弾性体またはゴムなどの超弾性体が適している。特に、ゴム紐は、比重が小さくかつ軽量化され易いものであるため、エネルギーを蓄える部材として望ましい。
【０１１９】
また、弾性変形以外の態様でエネルギーを蓄えるトルク補助機構が用いられてもよい。たとえば、気体の体積変化と圧力との関係を利用して、シリンダ内に封入された気体の収縮および伸張によって、エネルギーの蓄積および放出を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。さらに、シリンダに封入された気体が相変化を利用して、エネルギーの蓄積および供与を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。
【０１２０】
また、超音波モータ１２０の替わりに、電磁モータが用いられ、誘導電力が電源１９０等に蓄えられるトルク補助機構が用いられてもよい。
【０１２１】
＜補足＞
本項目においては、打ち上げ動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法が説明されているが、打ち下ろし動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法も、前述の手法と同様である。また、上部超音波モータ１２０のトルク補助機構の説明のみがなされたが、下部超音波モータ１３０のトルク補助機構にも、上部超音波モータ１２０のトルク補助機構と同様の構成を適用することが可能である。
【０１２２】
特に、本実施の形態においては、後述する先行切り返しの時に、下部ロータ１３２の振幅が大きくなる。この先行切り返しの時には、下部超音波モータ１３０に供給されるトルクが大きくなる。そのため、先行切り返しの羽ばたき方のときに下部ロータ１３２に前述の手法を適用することが望ましい。また、前述の手法を適用するためには、先行切り返し時に下部ロータ１３２が大きな振幅で往復運動することを阻害しないように、トルク補助機構としての弾性体の位置を考慮する必要がある。
【０１２３】
（羽ばたき方の変更による浮上移動装置の動作制御）
＜動作の基本＞
本実施の形態における浮上移動装置１００は、羽根部１１０の羽ばたき運動が生み出す浮上力の作用点より下側の質量が大きいため、自動的に、図１に示される姿勢になる。すなわち、Ｘ軸周りの回転およびＹ軸周りの回転を制御する必要はない。一方、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに沿った並進加速度、ならびにＺ軸周りの回転加速度（以下、「角加速度」とも言う）は、羽ばたき方によって変更される。尚、羽ばたき運動により生じる力は羽根部の運動に伴って変化するが、ここでは、羽ばたき運動の１周期平均の力を羽ばたき運動により生じる力とする。
【０１２４】
（コントロールパラメータ）
本実施の形態における浮上移動装置１００においては、トルク補助機構が適正に機能するためには、上部超音波モータ１２０の回転角θ１すなわちストローク角αの振幅は固定されている必要がある。そこで、浮上移動装置１００の動作を制御するために、下部超音波モータ１３０の回転角θ２が変更される。すなわち、浮上移動装置１００は、捻り角βの変更によって、流体の流れを変化させ、それにより、姿勢を変化させる。
【０１２５】
具体的には、羽ばたき運動のストロークの両端のそれぞれにおいて羽根部１１０の捻り運動のタイミングを変化させる。
【０１２６】
（上下方向における浮上力の変化）
先述の非特許文献２において、Dickinsonらによって明らかにされているように、図３
３に示すように、（１）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも先、すなわち切り返しの前半に羽根部１１０を捻る（捻り先行切り返し）と、浮上力は増加し、一方、図３４に示すように、（２）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも後、すなわち切り返しの後半に羽根部１１０を捻る（捻り遅れ切り返し）と、浮上力は減少する、という現象が起きる。
【０１２７】
（上下方向における浮上力が変化するときの前後方向における推進力の相殺）
さらに本発明者らは、図３３に示す前述の（１）の動作によれば、切り返し動作前の羽進行方向に沿った抗力が増大し、図３４に示す前述の（２）の動作によれば、その抗力が減少することを見出した。打ち上げ時に生じる前後方向の抗力と、打ち下ろし時に生じる前後方向の抗力とは、互いに逆向きである。そのため、打ち上げ動作と打ち下ろし動作とが前後方向に垂直な平面に対して鏡面対称であれば、それらの動作による抗力は相殺され、推進力はゼロとなる。このため、浮上移動装置は、上下方向のみにおける移動を行なうことができる。
【０１２８】
（前後方向における推進力の変化）
逆に、打ち上げ時の切り返しと打ち下ろし時の切り返しとにおいて、図３３に示す前述の（１）の動作と図３４に示す前述の（２）の動作とが異なれば、その２つ動作による前後方向の抗力同士の間に差異が生じ、前方または後方のいずれかに推進力が生じる。より具体的には、図３５Ａに示されるように、打ち下ろしの後半では、遅れ切り返しによって、前方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、先行切り返しによって、前方への加速度が得られる。一方、同様に、図３５Ａに示されるように、打ち下ろしの後半では、先行切り返しによって、後方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、遅れ切り返しによって、後方への加速度が得られる。
【０１２９】
（前後方向における推進力が変化するときの上下方向における浮上力の変化の相殺）
尚、前方への加速度が得られる動作および後方への加速度が得られる動作のいずれが実行されるときにおいても、上方への加速度の変化と下方向への加速度の変化とを相殺することは可能である。このため、水平方向における加速度のみを得ることが可能である。
【０１３０】
（空間の３次元移動）
以上の説明のように、左および右の羽根部１１０のそれぞれのストローク角α、すなわちθ１の振幅が固定されていても、θ２の時刻歴のみ変更し、打ち上げにおける羽根部１１０の切り返しのタイミングと打ち下ろしにおける切り返しのタイミングとを異ならせることにより、羽根部１１０に上下方向および前後方向における加速度を生じさせることができる。また、左の羽根部１１０に生じる加速度と右の羽根部１１０に生じる加速度とを異ならせることによって、浮上移動装置１００の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、浮上移動装置１００が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
【０１３１】
＜＜制御の詳細＞＞
以下、図３３に示す前述の（１）に記載の羽ばたき方を捻り先行切り返し（以下、単に、「先行切り返し」という。）と言い、図３４に示す前述の（２）に記載の羽ばたき方を捻り遅れ切り返し（以下、単に、「遅れ切り返し」という。）と言い、図２２に示すホバリング時の羽ばたき方を中央切り返しと言うものとする。
【０１３２】
また、ホバリング、Ｚ軸方向における並進運動、およびＹ軸方向における並進運動は、それぞれ、左右対称である。したがって、羽根部の動作も、左右対称である。そのため、左右対称な動作のうちの左の羽根部１１０の動作についてのみの説明がなされるものとする。
【０１３３】
＜ホバリング＞
図２２には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図２２においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽根部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。このときの浮上力は自重と釣り合っており、前後方向への推進力はゼロである。
【０１３４】
＜Ｚ軸方向の並進制御＞
図３３には、Ｚ軸に沿った上方への移動、すなわち上昇のための羽ばたき方が示されている。図３４には、Ｚ軸に沿った下方への移動、すなわち下降のための羽ばたき方が示されている。図３３および図３４においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽根部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。なお、左右の羽根部１１０は、ＹＺ平面を対称面とする鏡面対称の動作を行なう。
【０１３５】
図３３に示す動作は、前述の（１）に記載の先行切り返し動作であり、図３４に示す動作は、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作である。これらの動作の際の前後方向における加速度は、図３５Ａに示されるとおりゼロである。
【０１３６】
＜Ｙ軸方向の並進制御＞
図３５Ｂおよび図３６Ａには、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図３５Ｃおよび図３６Ｂには、後方へ移動するための羽ばたき方が示されている。なお、左右の羽根部１１０は、ＹＺ平面を対称面として、鏡面対称の動作を行なう。
【０１３７】
前方への移動の際には、打ち上げ終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれ、打ち下ろし終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれる。
【０１３８】
後方への移動の際には、打ち上げの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれ、打ち下ろしの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれる。
【０１３９】
なお、前述の通り、遅れ切り返しの際に浮上力は減少し、先行切り返しの際に浮上力は
増加するため、Ｙ軸方向の並進運動において、前述の（１）および（２）に記載の動作により生じる浮上力同士を相殺することは可能である。すなわち、浮上移動装置１００は、高度を保ったまま、前後方向へ移動することが可能である。
【０１４０】
＜Ｚ軸周り回転制御＞
Ｚ軸周りに正方向の回転、すなわち左への旋回を行なうためには、左の羽根部１１０が後退のための羽ばたき方で動作し、右の羽根部１１０が前進のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１４１】
Ｚ軸周りに負方向の回転、すなわち右への旋回を行なうためには、左の羽根部１１０が前進のための羽ばたき方で動作し、右の羽根部１１０が後退のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０１４２】
いずれの場合においても、上述のように、左および右の羽根部１１０による浮上力同士は相殺され得るものであるため、高度が維持されたまま、浮上移動装置１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０１４３】
＜Ｘ軸方向の並進制御＞
左方への移動を行なうためには、右の羽根部１１０が上昇のための動作をし、左の羽根部１１０が下降のための動作をすればよい。これにより、浮上移動装置１は、左の羽根部１１０が右の羽根部１１０よりも下側に位置するように姿勢を変更し、それにより、浮上力のベクトルの先端が鉛直上方向きの状態から右側に傾く。これにより、浮上移動装置１００を左方へ移動させる力が生じる。
【０１４４】
なお、このとき、浮上力の低下が起こることがあり得るため、Ｘ軸方向の並進制御とＺ軸方向の上方への移動のための制御とを併せて行なうことが望ましい。
【０１４５】
＜制御の変更方法＞
以上により、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方、すなわち、先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しを使い分けることで、浮上移動装置１００は空間を自在に移動することができる。
【０１４６】
なお、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方は、いずれも、羽根部１１０の前後方向の往復運動の終端の前から後にかけての所定期間内に行なわれる。そのため、羽ばたき運動のストロークの中心の前から後にかけての所定期間、すなわちストローク角α＝０°の前から後にかけての所定期間内においては、回転角θ１およびθ２の値は、その速度および加速度を含めて同一である。したがって、上記のように、回転角θ１およびθ２が共通している期間内に羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽根部１１０の動作を何ら補間することなく、機械的に次の羽ばたき方を選択するだけで、羽根部１１０の動作に不連続性を生じさせることなく、ある羽ばたき方から他の羽ばたき方へ円滑に遷移することが可能である。
【０１４７】
＜制御の選択＞
上記のように、θ１＝０°の位相において羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽ばたき方の状態を示す表現方法として、打ち下ろし、打ち上げ、およびそれぞれの終端での切り返し、という区分を行なうことは適切ではない。打ち下ろし後半および打ち下ろし後の切り返しおよび打ち上げの前半を前方羽ばたき運動とし、打ち上げ後半および打ち上げ後の切り返しおよび打ち下ろしの前半を後方羽ばたき運動として、羽ばたき方を二つに区分することが合理的である。
【０１４８】
すなわち、左および右の羽根部１１０における前方羽ばたき運動および後方羽ばたき運動において、それぞれ、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの選択を行なうことによって、最も簡便に、羽ばたき方の制御を行なうことができる。前述の説明に基づいた浮上移動装置の羽ばたき方に対応した選択肢が、表２に示されている。
【０１４９】
【表２】
2011073673.tif 000004
【０１５０】
＜補足事項＞
なお、本項目においては、最も簡便に位置制御を実現する手法の一例が記載されているが、本発明の羽ばたき方は本項目の羽ばたき方に限定されるものではない。たとえば、本実施の形態においては、回転角θ１およびθ２の角速度は、切り返しの期間を除いて略一定であるものとされている。つまり、羽根部１１０の往復運動は、図４４に示すように、角速度が一定である打ち上げおよび打ち下ろしの運動と、これに連続する、角速度が変化する切り返しの運動、すなわち往復運動の運動方向を反転させるための運動とからなるものである。切り返しの運動の角速度は、打ち上げの運動の角速度および打ち下ろしの運動の角速度のそれぞれに連続するように変化する。この切り返しの運動としては、例えば１変数の三角関数等が挙げられる。しかしながら、回転角θ１およびθ２の角速度を変化させることによって、周囲流体から受ける反作用を変化させて、浮上移動装置１００を移動させる手法が用いられてもよい。
【０１５１】
また、本項目においては、説明の簡便のため、３種類の羽根部１１０の切り返しのパターンの組み合わせによって、すべての羽ばたき方が表現される手法が用いられているが、この手法は、羽ばたき方の表現の一例であり、本発明の羽ばたき方は、前述の手法によって表現される羽ばたき方に限定されない。
【０１５２】
たとえば、回転角θ１およびθ２のパターンが多数存在する羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。すなわち、先行切り返しおよび遅れ切り返しのタイミングが複数種類ある羽ばたき方、または、切り返しのタイミングを連続的に自由に変更できる羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。逆に、中央切り返しは、先行切り返しと遅れ切り返しとを交互に繰り返す羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。このような羽ばたき方の表現手法であれば、中央切り返しのパターンのためのデータをメモリに記憶しておく必要が無いため、回転角θ１およびθ２のパターン数を低減させることができる。
【０１５３】
また、図２２および図３３〜図３６Ｂに示される回転角θの時刻歴は、図１９および図２０に表わされる構成を有する浮上移動装置１００の回転角θの一例である。実際には、羽根部１１０を駆動するメカニズムに応じて、そのメカニズムを制御する各種パラメータが、前述の羽根部１１０の先行切り返しおよび遅れ切り返しを実現するように設定されるのであれば、回転角θの時刻歴は、図２２および図３３〜図３６Ｂに示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０１５４】
（位置検出センサ）
位置検出センサ１６０は、本体１０１に固定されている。そのため、位置検出センサ１６０によって計測された位置および姿勢は、浮上移動装置１００の位置および姿勢そのものとなる。位置検出センサ１６０は、図３７Ａに示すように、計測された位置および姿勢のデータを後述する中央演算装置１５１に与える。このような機能を実現するためのセンサは、技術の進展により変化するものであり、本発明の本質に関わるものではないため、いかなるものであってもよい。また、前述の姿勢を検出するためのセンサの一例としては、磁気と加速度との組み合せで、０．５°程度の姿勢の変化を検出することができるものが市販されている。たとえば、ＧＰＳ（Global Positioning System）によって１ｍ程度
の誤差で位置検出を行なうことができる。また、近年、ＵＷＢ(Ultra Wide Band)のよう
な、通信に用いる電波を利用して距離計測を行なう技術も開発されている。
【０１５５】
（制御回路）
制御回路１５０は、図３７Ａおよび図３７Ｂに示すように、中央演算装置１５１（Central Processing Unit）、中央演算装置１５１の指令により上および下部超音波モータ１
２０および１３０を駆動するドライバ１５２、ならびに、ドライバ１５２に高電圧を供給する昇圧回路１５３等を有している。
【０１５６】
＜制御回路の動作＞
制御回路１５０には、オペレータ２１０が操作するコントローラ２００から通信装置１７０を介して運動指令が与えられる。運転指令は、一時記憶装置（以後、「ＲＡＭ（Random Access Memory）」と言う。）１５５に格納される。中央演算装置１５１は、ＲＡＭ１５５に記憶された運動指令に基づいて、羽ばたき方のデータを固定記憶装置（以後、「ＲＯＭ（Read Only Memory）」と言う。）１５４から得る。その後、中央演算装置１５１は、その羽ばたき方のデータをドライバ１５２に与える。それにより、浮上移動装置１００は、前述の前後左右上下方向の並進移動または鉛直を回転軸とする回転のいずれかを行なう。
【０１５７】
＜中央演算装置＞
中央演算装置１５１は、前述の運動指令、ＲＯＭ１５４およびＲＡＭ１５５の情報を用いて、ドライバ１５２にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号および回転方向制御信号を出力する。これにより、コントローラ２００を介してオペレータ２１０が与えた運動指令に応じて超音波モータ１２０おび１３０が動作する。その結果、運転指令に対応する羽ばたき方が実現される。なお、羽ばたきの往復運動の周期は、反復タイマ１５６を用いて決定される。
【０１５８】
＜反復タイマ＞
中央演算装置１５１は、図３７Ａおよび図３７Ｂに示すように、反復タイマ１５６を内蔵している。反復タイマ１５６は、羽ばたき運動の位相ψとして、−０．５〜０．５の値を５０Ｈｚの繰り返し周期で、中央演算装置１５１に出力する。ただし、羽ばたき運動の位相ψが、−０．５からカウントアップされ、０．５になると、再度、位相ψの値が−０．５からカウントアップされるものとする。この反復タイマ１５６の１周期に対応して、羽根部１１０が往復運動の中央位置よりも前方に位置する前方羽ばたき運動、および、羽根部１１０が往復運動の中央位置よりも後方に位置する後方羽ばたき運動のそれぞれが行なわれる。すなわち、反復タイマ１５６の１周期が羽ばたき運動の周期の２倍に対応する。本実施の形態においては、位相ψが正であれば、浮上移動装置１００は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば浮上移動装置１００は前方羽ばたき運動を行なうものとする。近年、機器制御に用いられているマイクロコントローラの多くには、本項で説明されている反復タイマとほぼ同様の、オートリロードタイマと呼ばれる機能が含まれており、これを用いることで、最も簡便に本項の反復タイマの機能を実現することができる。
【０１５９】
＜ＲＯＭに格納された羽ばたき方のデータ＞
ＲＯＭ１５４は、羽ばたき方のデータを格納している。羽ばたき方のデータは、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比の時刻歴のデータである。なお、超音波モータ１２０および１３０には、周波数が２５０ＫＨｚでありデューティ比が５０％に固定された駆動電圧が印加される。一方、図３８に示すように、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比とは、デューティ比が５０％に固定された２５０ＫＨｚの駆動電圧のＯＮ期間とＯＦＦ期間との和に対するＯＮ期間の比率である。
【０１６０】
すなわち、前述の先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しの３つのモードに対応する羽ばたき方のデータは、羽ばたき運動の位相ψに対応したドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比として、ＲＯＭ１５４に予め格納されている。なお、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比は、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）で示される。ただし、表２に示すように、−０．５≦ψ＜０．５において、ＭＯＤＥ＝１が先行切り返しであり、ＭＯＤＥ＝０が中央切り返しであり、ＭＯＤＥ＝−１が遅れ切り返しであるものとする。
【０１６１】
図３９〜図４１には、それぞれ、後方での切り返し動作行なう場合の、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しにおけるＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値が示されている。ただし、Ｄｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２が負の値であれば、羽根部１１０は、往復運動の中央位置を基準にして、後方から前方へ移動する動作が行なわれていることを意味する。なお、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙの関数は、羽ばたき動作が前後方向に対して垂直な面に関して対称であるため、Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ）と表現され得る。
【０１６２】
すなわち、符号変換のみによって、ψが負の領域での各Ｄｕｔｙ値は、ψが正の領域での各Ｄｕｔｙの関数を用いて算出される。そのため、上記の各Ｄｕｔｙの関数は、ψが正である領域のみ、ＲＯＭ１５４に格納されている。これによれば、ＲＯＭ１５４に格納されている各Ｄｕｔｙ関数のデータ量を半分に減らすことができる。よって、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙ関数のうちψが正の領域のみが示される。
【０１６３】
なお、右の羽根部１１０と左の羽根部１１０とはＺ軸に対して鏡面対称であるため、前述の座標系のＸ軸の方向の正と負とを反転させた左手系の座標が採用されれば、右の羽根部１１０の制御においても前述と同様のＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２を用いることができる。
【０１６４】
また、上部ロータ１２２を駆動するための電圧のＤｕｔｙ１のグラフは、図３９〜図４１のいずれにおいても同一のグラフになっているが、下部ロータ１３２を駆動するための電圧のＤｕｔｙ２のグラフは、図３９〜図４１において異なったグラフになっていることが分かる。また、図２２、図３３、および図３４から分かるように、上部ロータ１２２の回転角θ１のグラフは、羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）が変更されても同一であるが、下部ロータ１３２の回転角θ２のグラフは、羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）に応じて異なっている。これによれば、上部ロータ１２２の振幅は常に一定値に固定されているが、下部ロータ１３２の振幅は羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）に応じて異なっていることが分かる。
【０１６５】
＜中央演算装置の動作＞
中央演算装置１５１は、位相ψの符号に基づいて、現在の羽ばたき方が前方羽ばたき運動であるか、または、後方羽ばたき運動であるかを判断する。その後、中央演算装置１５１は、ＲＯＭ１５４に格納されている表２に示すデータに基づいて、羽ばたき方の状態を判断するとともに、通信装置１７０によって得られたＲＡＭ１５５に格納されている運動指令に応じて、前述のＭＯＤＥの値を判断する。
【０１６６】
さらに、中央演算装置１５１は、前述の位相ψの値に基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値を得る。この値の絶対値が、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比である。また、この値の符号が、ドライバ１５２へ送信される、上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの回転方向である。前者は、例えばＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現され、後者は、例えばＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現される。これらのコマンドは、マイクロコントローラに内蔵されている。これらのコマンドを用いた演算は、一般的なマイクロコントローラにおいて容易に実行されるものである。
【０１６７】
中央演算装置１５１は、前述のデューティ比に基づいて、羽ばたき方に対応するＰＷＭ制御のためのＯＮ／ＯＦＦ信号をドライバ１５２に出力するとともに、位相ψの正または負に応じた回転方向制御信号をドライバ１５２に出力する。
【０１６８】
本実施の形態では、振動板１２１１の共振周波数が２５０ｋＨｚであるため、たとえば、共振周波数が２．５ｋＨｚであるＰＷＭ制御が実行されれば、１００段階の超音波モータの制御を行なうことが可能である。
【０１６９】
＜ドライバの動作＞
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１から与えられたＰＷＭ制御信号のＯＮ／ＯＦＦおよび回転方向制御信号に応じて、超音波モータ１２０を回転／停止、および、正転／反転させる。
【０１７０】
超音波モータ１２０は自己位置保持機能を有するため、回転および停止の動作は、ＰＷＭのＯＮ／ＯＦＦに応じて後述の電力供給をＯＮ／ＯＦＦすることによって、実現される。
【０１７１】
また、図９および図１３に示されるように、超音波振動子１２１において、裏面電極１２１７に与えられる電位φＡの位相と表面電極１２１６に与えられる電位φＢの位相との差を変更することによって、上部ロータ１２２の正回転と負回転との間の変更を行なうことができる。
【０１７２】
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１からＰＷＭ信号を受けて、電位φＡおよびφＢのデータを作成する回路と、昇圧回路１５３から供給される高圧電力を制御して、超音波振動子１２１の表面電極１２１６および裏面電極１２１７に電位φＡおよびφＢを与える回路とからなる。前者は、一般的なタイマ回路やＣＰＵ（Central Processing Unit）を
用いて容易に実現され得るものであり、後者は、たとえば、ハーフブリッジ回路を用いて実現される。これは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術を用
いて集積化され得るものであり、後述されるように、羽ばたき飛行という用途に十分に適したものになり得るほど小型化および軽量化され得るものであり、市販されているものである。本発明者らの実験によれば、これらの回路は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍの小型パッケージに収められ得るものであり、そのパッケージの質量は約２５ｍｇである。
【０１７３】
一般的に、前者のプログラムは以下のように表される。
：Ｌａｂｅｌ
ｉｆ（ＰＷＭ＝ＯＮ） ｔｈｅｎ
ｉｆ（回転方向＝正方向） ｔｈｅｎ
φＡ＝１
φＢ＝１
φＡ＝０
φＢ＝０
ｅｎｄ  ｉｆ
ｉｆ（回転方向＝逆方向） ｔｈｅｎ
φＢ＝１
φＡ＝１
φＢ＝０
φＡ＝０
ｅｎｄ  ｉｆ
ｅｎｄ  ｉｆ
ｇｏｔｏ  Ｌａｂｅｌ
但し、これらは簡易に前者回路の動作を表現するための一例であり、実際のプログラムにおいては、φＡおよびφＢのそれぞれが２５０ｋＨｚの矩形波となるようなタイミング調整が行なわれるため、ダミーの実行文の挿入等が必要になる。
【０１７４】
＜昇圧回路＞
昇圧回路１５３は、電源１９０の電圧（３Ｖ）を、超音波モータの駆動のために必要な±１５Ｖの電圧に変更して、±１５Ｖの電圧をドライバ１５２に印加する。昇圧回路１５３としては、一般的なＤＣ(Direct Current）−ＤＣコンバータが用いられ、その一例と
して、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍという小型パッケージが市販されている。昇圧回路１５３の質量は約２５ｍｇである。
【０１７５】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図３７Ａに示されている。なお、４つの超音波モータの駆動方法は同一であるため、図３７Ａには左の羽根部１１０を駆動する上部超音波モータ１２０の制御体系のみが示され、他の制御体系は省略されている。また、図３７Ｂは、後述する図４２のフローチャートにおけるデータ処理の流れを説明するための機能ブロック図である。
【０１７６】
＜制御フローチャート＞
次に、図４２を用いて、浮上移動装置の制御のためのフローチャートの一例を説明する。なお、このフローチャートは、一例であり、浮上移動装置１００のアプリケーションによって変更され得るものである。
【０１７７】
なお、以下のフローチャートにおいて、反復タイマ１５６は前述のオートリロードタイマを用いて恒常的に動作しており、ステップＳ１においては、ψ＝０である状態から処理が開始されるものとする。このとき、α＝０°であるものとする。
【０１７８】
ステップＳ１＜浮上移動装置動作決定＞
コントローラ２００から送信されたオペレータ２１０の運動指令が、通信装置１７０を介して、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０１７９】
ステップＳ２＜羽ばたき状況検出＞
中央演算装置１５１は、反復タイマ１５６から送信されてきた位相ψの値のデータに基づいて、浮上移動装置１００の現時刻での羽ばたき方の状態を認識する。具体的には、中央演算装置１５１は、位相ψの値が正であれば、浮上移動装置１００が後方羽ばたき運動を行なっていると判断し、位相ψが負であれば、浮上移動装置１００が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
【０１８０】
ステップＳ３＜羽ばたきモード決定＞
中央演算装置１５１は、上記運動指令に応じて表２の行成分を選択し、また、上記羽ばたき方の状態に応じて表２の列成分を選択する。それにより、中央演算装置１５１は、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの中からいずれか１の羽ばたきモード、すなわちＭＯＤＥの値を選択する。選択された羽ばたきモードのデータは、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０１８１】
ステップＳ４＜デューティ比決定＞
中央演算装置１５１は、前述の羽ばたきモードのデータに基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）のデータの中からドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比を選択する。
【０１８２】
ステップＳ５＜ドライバ駆動＞
中央演算装置１５１は、上記ＰＷＭ制御信号のデューティ比の正または負に応じて、回転方向制御信号をドライバ１５２に出力するとともに、そのデューティ比のＰＷＭ信号をドライバ１５２に出力する。すなわち、ＡＢＳ（Ａ）をＡの絶対値とし、ＳＩＧＮ（Ａ）をＡの符号とすると、回転方向制御信号はＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）であり、デューティ比はＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）である。なお、ここで、Ｄｕｔｙは、上部および下部超音波モータ１２０および１３０に応じた、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）を意味する。
【０１８３】
ステップＳ６＜超音波モータ駆動＞
ドライバ１５２は、上記回転方向制御信号に応じて、振幅が３０Ｖであり、かつ、周波数が２５０ｋＨｚである矩形波の電圧を表面電極１２１６および裏面電極１２１７に印加する。これらの２つの矩形波は、±９０°位相が異なっている。具体的には、ドライバ１５２は、超音波振動子１２１の表面電極１２１６に矩形波の電位φＢを与え、また、超音波振動子１２１の裏面電極１２１７に矩形波の電位φＡを与える。この矩形波の電位φＡの位相と矩形波の電位φＢの位相とが±９０°ずれている。
【０１８４】
ステップＳ７＜次回羽ばたきモード選択＞
ψ＝０またはψ＝−０．５の場合には、羽ばたき方の状態が変更されたことを意味するため、再びステップＳ１の処理が実行され、運動指令の変更も含め、羽ばたきモードが更新される。ψ＝０またはψ＝−０．５以外の場合には、羽ばたきモードは更新されず、ステップＳ４の処理が実行され、新たな位相ψが設定される。
【０１８５】
＜補足＞
なお、上記指令の形態はあくまで説明のための一例であり、これに限定されない。たとえば、速度指令が電圧値としてアナログ信号で与えられることにより、量子化誤差のない滑らかな速度指令が得られる手法が用いられてもよい。また、超音波モータの駆動に必要な電圧は、技術の進歩によって変化し得るものである。たとえば、現行の主なＴＴＬ(Transistor Transistor Logic)−ＩＣ（Integration Circuit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）の駆動電圧である３Ｖ以下で駆動し得る超音波モータが実現されれば、昇圧回
路１５３は不要となる。
【０１８６】
また、本実施の形態では、説明の簡便のため、フィードバック制御を行なわず、単にコントローラ２００の指令によって羽ばたき方が一義的に選択される手法の説明がなされたが、浮上移動装置１００の制御手法は、前述の手法に限定されない。
【０１８７】
たとえば、中央演算装置１５１が位置検出センサ１６０から位置および姿勢の情報を得て、その情報に基づいて運動指令を新たに作成するフィードバック制御が用いられてもよい。
【０１８８】
さらに、本実施の形態では、説明の簡便のため、デューティ比に応じて超音波モータ１２０および１３０の回転速度が一義的に決定されるという仮定の下に説明がなされているが、負荷の変動などによってはこの仮定が成り立たない場合も考えられる。この場合には、上部磁気エンコーダ１２６の信号によって得られる上および下部超音波モータ１２０および１３０の回転角θ１およびθ２の値を参照して、デューティ比が調整されてもよい。
【０１８９】
なお、前述の浮上移動装置の制御においては、理想的には、高い機動力を得るための羽ばたき運動の制御に必要な演算時間が短いことが望ましい。また、浮上移動装置は軽量であることが望ましい。このため、前述の羽ばたき運動を制御するアルゴリズムも極力単純であることが望ましい。これらのことを考慮すると、高い機動力を有する羽ばたき浮上移動装置に求められる要件は、単独性、連続性、選択性、独立性、および単純性である。
【０１９０】
単独性とは、流体力発生機構が設置されている胴体の姿勢に関わらず、当該流体力発生機構が単独で流体力の方向を変更することができることを意味する。単独性の欠如している浮上移動装置の例として、ロータが胴体に固定されているヘリコプターが挙げられる。
【０１９１】
連続性とは、羽ばたき運動の変更が、胴体に大きな加速度を生じさせずに、連続的に行なわれることを意味する。
【０１９２】
選択性とは、羽ばたき運動の変更が、過去の羽ばたき運動の履歴に関わらず、独立して行なわれることを意味する。選択性が欠如している浮上移動装置の例として、先述のＲｏｎ ＦｅａｒｉｎｇらによるＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）が挙げられる。これは共振によって羽根部を駆動しているため、羽ばたき方を複数周期に渡って徐々に変更することしかできない。
【０１９３】
独立性とは、流体力発生機構が生み出す流体力が、羽ばたき運動の変更の履歴に影響されないことを意味する。独立性が欠如する具体的な場面として、以前の羽ばたき運動により生じた気流の影響を受ける現象などが挙げられる。
【０１９４】
単純性とは、羽ばたき運動の変更を実現するためのアルゴリズムが極力単純であることを意味する。
【０１９５】
（高機動力要件の検討）
＜＜単独性＞＞
本実施の形態における羽ばたき浮上移動装置１００の制御は、表２に示されるように、全て、羽ばたき運動の両端における羽根部の捻り動作のタイミングの選択によって行なわれる。これは、胴体の姿勢に拘束されないため、単独性が確保される。
【０１９６】
より具体的には、図３５Ａ、図３５Ｂ、および図３５Ｃに示される先行切り返しおよび遅れ切り返しのうちの一方の羽ばたき方が選択されると、羽根部１１０の加速度の水平方向成分を独立して制御することが可能で、羽ばたき運動の１周期における羽根部１１０の加速度の水平方向成分の方向を前方および後方のいずれかに向けることができる。したがって、浮上移動装置は、本体部（胴体）１０１の姿勢を変化させることなく、羽根部１１０の動作のみの変更によって、流体力の方向を変更することが可能である。
【０１９７】
＜＜連続性＞＞
前述の羽根部１１０の捻り、すなわち切り返しの動作は、羽ばたき運動における羽根部１１０の往復運動の始点または終点を含む特定期間においてのみ異なり、いずれの羽ばたき方においても、羽ばたき運動の往復運動の中心位置を含む所定期間においては、羽根部１１０の運動は同一である。つまり、複数種類の羽ばたき運動は、往復運動の中心位置を含むタイミングにおいて、共通の動作をする。このため、羽ばたき運動中に羽ばたき方の変更がなされても、その羽ばたき方の変更が共通の動作をするタイミングにおいてなされるのであれば、１の羽ばたき方から他の羽ばたき方への変化における羽根部１１０の挙動は、連続的なものである。つまり、羽ばたき方の変更はスムーズに行なわれる。
【０１９８】
より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置は、制御回路１５０のＲＯＭ１５４が、羽根部１１０に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータ（表２参照）を有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータ（上部および下部ロータ１２０および１３０）を制御する。複数種類のデータのそれぞれは、羽根部１１０の往復運動の１周期の動作を特定可能であり、複数種類のデータは、往復運動の１周期の所定期間において、羽根部１１０に共通の羽ばたき運動をさせるものである。具体的には、複数種類のデータは、先行切り返しのためのデータ、中央切り返しのためのデータ、および遅れ切り返しのためのデータからなる３種類のデータであり、図３５Ｂおよび図３５Ｃならびに表２によって表わされている羽ばたき方（停空、上昇、下降、前進、後退、右移動、左移動、右旋回、および左旋回）をさせるためのデータである。制御回路１５０は、羽根部１１０の往復運動の中心位置を含む所定期間において、アクチュエータ（ロータ１２０，１３０）が複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される羽ばたき運動を羽根部１１０にさせる制御からアクチュエータが複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される羽ばたき運動を羽根部１１０にさせる制御へ切り換える。
【０１９９】
上記の構成によれば、羽根部の運動に不連続な変化が生じることなく、羽ばたき運動の態様を変更することができる。そのため、羽ばたき運動の「連続性」が実現される。
【０２００】
また、羽根部は、１のデータによって特定される羽ばたき運動においては、往復運動の一周期のうちの２つの特定期間のそれぞれにおいて行なわれる他のデータによって特定される羽ばたき運動とは異なる軌跡を描くことが望ましい。これによれば、羽根部１１０は、往復運動の１周期の間に最大で４種類の状態に順次変化する。そのため、羽ばたき運動のバリエーションが豊富になる。
【０２０１】
＜＜独立性＞＞
また、２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれていてもよい。これによれば、１の特定期間と他の特定期間とが時間的に最も大きくずれて繰り返される。そのため、一方の特
定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２０２】
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽根部１１０の往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽根部１１０の往復運動の他方端に位置するタイミングを含むことが望ましい。つまり、羽根部１１０の切り返しは、前後方向の往復運動の端部を含む期間において行なわれることが望ましい。これによれば、１の特定期間における羽根部１１０の位置と他の特定期間における羽根部１１０の位置とが最も離れている。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２０３】
すなわち、本実施の形態の浮上移動装置においては、羽ばたき運動の両端のそれぞれを含む特定期間においてのみ羽根部１１０の動作が異なる複数種類の羽ばたき運動が行なわれる。そのため、以前の羽ばたき運動によって生じた流体の挙動が現在の羽ばたき運動に与える影響は極力低減されている。これにより、独立性が実現されている。
【０２０４】
＜＜単純性＞＞
また、２つの特定期間の一方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、２つの特定期間の他方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される。これによれば、羽ばたき運動の変更に起因する浮上移動装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、浮上移動装置を所望の姿勢にするための制御が容易になる。したがって、羽ばたき運動の変更における「単純性」が確保される。
【０２０５】
より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置においては、表２に示されるように、浮上移動装置の浮上移動の態様（停空、上昇、下降、前進、後退、左移動、右移動、左旋回、右旋回）と、浮上移動の態様を実現するための羽ばたき方（先行切り返し、中央切り返し、および遅れ切り返しの組み合わせ）とが一対一に対応している。そのため、羽ばたき方に対応する上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの駆動デューティ比のデータが変更されるだけの極めて単純なアルゴリズムによって、浮上移動態様の変更を実現することができる。したがって、本実施の形態の浮上移動装置においては単純性が実現されている。
【０２０６】
更に、複数のデータのうちのホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、羽根部１１０に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、制御回路１５０は、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の一方端まで羽根部１１０を移動させるための基本データ（図３９、図４０、および図４１）と、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の他方端まで羽根部１１０を移動させるように、基本データを変換するためのアルゴリズムまたは演算機能部、即ち（Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ））とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御回路１５０は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間のみのためのデータを有しているだけで、所望の羽ばたき運動を羽根部１１０にさせることができる。そのため、制御回路１５０のデータの記憶のためのメモリ容量を低減することができる。その結果、浮上移動装置を小型化かつ軽量化することができる。
【０２０７】
（通信装置）
通信装置１７０は、外部のコントローラ２００から、浮上移動装置１００に必要とされる加速度の情報を受信し、その情報を制御回路１５０の中央演算装置１５１に与える。ま
た、通信装置１７０は、画像センサ１８０よって得られた画像情報を、外部のコントローラ２００に送信する。
【０２０８】
（電源）
本発明の駆動エネルギー源としての電源１９０は、必要とされる電力を供給できる放電特性を有し、かつ、浮上を妨げない質量を有するものであれば、いかなるものであってもよい。
【０２０９】
本発明者らが用いた電源１９０は、質量０．７ｇのリチウムイオン電池で、本発明者らの計算によれば、約５０秒にわたり０．６Ｗを供給することができる。電源１９０は、本体１０１の下部に設けられている。そのため、電源１９０は、羽根部１１０が受ける流体反力の作用点であるベアリング１２３より下側に位置し、浮上移動装置１００の姿勢を自律的に安定させている。
【０２１０】
この他の電源としては、燃料電池、電気二重層コンデンサなどのキャパシタ、太陽電池、および有線による供給、等が挙げられる。また、これらの電源が併用されてもよい。たとえば、リチウムイオン電池の他に、羽根部１１０の表面に太陽電池が設けられ、これらの電力が併せて用いられてもよい。
【０２１１】
（本体）
本体１０１は、底部プレート１０２、上部プレート１０３、底部プレート１０２と上部プレート１０３とを連結するフレーム部１０４、および、底部プレート１０２に設けられた脚１０５からなる。
【０２１２】
底部プレート１０２および上部プレート１０３は、厚さ０．２ｍｍのＣＦＲＰからなり、フレーム部１０４は厚さ３５μｍのステンレスからなる。脚１０５は、肉厚４０μｍ、長さ１０ｍｍ、かつ直径０．５ｍｍのＣＦＲＰの中空パイプからなる。
【０２１３】
また、上部プレート１０３および底部プレート１０２は、ロータシャフト１２４、支持シャフト１２７、および本体補強ポール１１２によっても連結されている。
【０２１４】
（画像センサ）
画像センサ１８０は、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Silicon）イメージャからなり、その質量は２００ｍｇである。画像センサ１８０によって取得された画像情報は、通信装置１７０によって外部のコントローラ２００に送信される。
【０２１５】
（浮上の可否）
＜質量＞
本発明者らの計算によれば、羽根部１枚が生み出す浮上力は１．２ｇｆである。よって、羽根部２枚が生み出す浮上力は２．４ｇｆである。また、各構成要素の質量が表３に示されている。表３に示されるように、浮上移動装置１００の総質量は２．１７ｇであり、この値は、前述の浮上力２．４ｇｆよりも小さいため、浮上移動装置１００は、浮上することができる。
【０２１６】
【表３】
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【０２１７】
＜消費電力＞
本発明者らの計算によれば、浮上移動装置１００の羽根部が１．２ｇｆの浮上力を生ずるに要求される機械的パワーは上および下部超音波モータ１２０および１３０共に最大４０ｍＷである。各超音波モータのエネルギー変換効率は３３％である。したがって、浮上のために要求される最大電力は超音波モータ１つにつき約１２０ｍＷであり、それらの電力の合計は４８０ｍＷである。ドライバ１５２および昇圧回路１５３の総合効率は約８５％であるため、４つの超音波モータの駆動のために必要な電力は最大５６５ｍＷである。
【０２１８】
中央演算装置１５１の消費電力は５ｍＷである。磁気エンコーダ１２６の消費電力は５ｍＷである。位置検出センサ１６０の消費電力は５ｍＷである。画像センサ１８０の消費電力は１５ｍＷである。通信装置１７０の消費電力は５ｍＷである。
【０２１９】
これらの電力の総計は、最大６００ｍＷであり、電源１９０の能力の範囲内の値である。したがって、浮上移動装置１００は、内蔵された電源１９０から供給された電力のみを用いて浮上することができる。したがって、浮上移動装置１００は、外部から電力の供給を受けることなく、独立して羽ばたき飛行することができるスタンドアロンタイプのロボットになり得るものである。
【０２２０】
＜別実施の形態＞
図４５〜図４７を用いて、本発明の別実施の形態の浮上移動装置を説明する。別実施の形態の浮上移動装置は、以下に説明する事項以外に関しては、上述の実施の形態の浮上移動装置と同様の構成を有している。なお、別実施の形態と上述の実施の形態との比較において、同一の参照符号が付されている部位は、同一の構造および機能を有するため、その説明は繰り返さない。
【０２２１】
＜構成および動作原理＞
図４５は、本発明の別実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構を示す図である。
【０２２２】
上部超音波モータ１２０は上部超音波モータベースプレート３８３に固定されており、上部超音波モータベースプレート３８３は、バネ３８１を介して、固定点３８２において本体１０１に接続されている。また、上部超音波モータベースプレート３８３の所定の部位は、図４５において左側に模式的に示されるロータシャフト１２４を回転中心軸として円弧状の軌跡上を移動するように、本体１０１の平面視において円弧状の内壁によって拘
束されている。なお、バネ３８１のバネ定数は、前述の実施の形態と同様のバネ定数である。
【０２２３】
バネ３８１に蓄えられるエネルギーは、浮上移動装置が羽ばたく空間内の流体から受ける抗力に応じて変化する。そのため、羽ばたきのための往復運動の両端のそれぞれの切り返しの前半でエネルギーがバネ３８１に蓄えられる。また、羽ばたきのための往復運動の両端のそれぞれの切り返しの後半においては、羽の運動方向が逆になるため、バネ３８１に蓄えられたエネルギーがアクチュエータ１２２に供与される。
【０２２４】
このような構成によれば、羽ばたきのためのストローク角αの振幅の大小によらず、常に羽ばたき運動の両端でエネルギーの蓄積および供与が実現される。そのため、特別な工夫を行なうことなく、上下超音波モータの回転運動がバネ３８１によって補助される。
【０２２５】
なお、図４５は、説明の簡便のため、エネルギー蓄積・供与機構を模式的に描いた図であり、上部超音波モータベースプレート３８３およびバネ３８１等の形状は、エネルギー蓄積・供与機構の機能を果たすことができるのであれば、いかなるものであってもよい。また、上部超音波モータベースプレート３８３の所定の部位は、上部ロータ１２２と上部超音波振動子１２１との接触角を一定に維持するために、上述のような円弧状の軌跡を描くものとした。しかしながら、上部超音波モータベースプレート３８３の所定の部位は、上部ロータ１２２と上部超音波振動子１２１との接触角の変化の値が許容範囲内の値であるのであれば、いかなる軌跡を描くように移動してもよい。たとえば、図４６に示されるように、上部超音波モータベースプレート３８３の所定の部位は、直線状の軌跡を描くように移動してもよい。これによれば、本体１０１の内壁の構造がシンプルになる。
【０２２６】
また、図４７に示されるように、ロータシャフト１２４の中心点付近に固定端３８５を有する板バネ３８４を用いることによっても、上部超音波モータベースプレート３８３の所定の位置が円弧状の軌跡を描くように、上部超音波モータベースプレート３８３の移動を拘束しながら、アクチュエータのエネルギー蓄積およびアクチュエータへのエネルギーの供与を実現することができる。これによれば、極めてシンプルな構造で、上部超音波モータベースプレート３８３の移動の拘束およびエネルギーの蓄積および供与の双方の機能を果たすことができる。なお、描画の簡便のため、図４７においては、上部ロータ１２２およびロータシャフト１２４等は描かれていないが、それらは、図４５および図４６に示される上部ロータ１２２およびロータシャフト１２４と同一の位置に設けられている。
【０２２７】
（実施の形態の浮上移動装置が解決した主な課題）
次に、前述の本実施の形態の浮上移動装置によって解決された課題を説明する。
【０２２８】
羽ばたき飛行においては、羽根部（たとえば、昆虫のwingような部分）を前後方向において往復運動させるため、羽根部の運動方向を１８０°反転させることが必要である。そのため、これを用いる浮上移動装置(以下、「羽ばたき浮上移動装置」とも言う)は、同一の浮上力を得ることができるヘリコプターに比べて、羽根部の切り返し（羽根部の運動方向の１８０°反転）のために大きなトルクを必要とする。その結果、アクチュエータに求められるトルクのピークおよびそのアクチュエータへエネルギーを供給する駆動エネルギー源に求められるエネルギーのピークが大きくなってしまう。したがって、アクチュエータおよび駆動エネルギー源が大型化してしまう。それにより、浮上移動装置全体の重量が増加する。そのため、浮上移動装置に求められる機動力等の性能が低下してしまうという問題がある。以下、前述の問題を具体的に説明する。
【０２２９】
図４３は、従来の羽ばたき浮上移動装置の羽根部を駆動するためにアクチュエータに要求されるトルクの時刻歴と、当該羽ばたき浮上移動装置の浮上力と同一の浮上力を発生さ
せる回転翼を有する浮上移動装置(以下、ヘリコプターと称する)の回転翼(以下、ロータ
と称する)を回転させるために必要なトルクの時刻歴とを模式的に示すグラフである。本
項目にて説明する羽ばたき浮上移動装置の羽ばたき方は、図４４に示すように、周波数が２５Ｈｚで繰り返される往復運動であり、２種類の運動からなる。一つは、角速度が一定の前後方向の回転往復運動であり、他の一つは、羽根部の切り返し時に行なわれる角速度の符号の正と負とが反転する正弦波運動である。また、図４４の角速度のグラフにおいて、正弦波運動を示す線は、回転往復運動を示す直線同士を滑らかに繋いでいる。なお、後述する実施の形態の浮上移動装置も、図４３および図４４に示すような羽ばたき方をすることが前提となっている。
【０２３０】
また、実際には、羽ばたき飛行時には、羽根部は前後方向における回転往復運動の両端のそれぞれにおいて羽根の長手方向を回転軸とする捻り運動をする。しかしながら、この羽根部の捻り運動のためにアクチュエータに要求されるトルクは、図４３に示される、羽の前後方向における往復運動に要求されるトルクに比べて無視できるほど小さい。したがって、説明の簡便のため、この羽根部の捻り運動のためのアクチュエータに要求されるトルクは、以下の説明では、考慮しないものとする。
【０２３１】
以上の前提に基づき、羽ばたき浮上移動装置におけるアクチュエータに要求されるトルクについて考察する。羽ばたき浮上移動装置におけるアクチュエータに要求されるトルクは、図４３に示されるように、往復運動の殆どの期間ではヘリコプターにおける回転翼に要求されるトルクと同等である。しかしながら、羽ばたき浮上移動装置においては、打ち上げから打ち下ろしへ、または、打ち下ろしから打ち上げへの羽根部の動作の変更のタイミングにアクチュエータに要求されるトルクが、ヘリコプターの回転翼に要求されるトルクの２倍程度である。また、このタイミングにおいては、アクチュエータに要求されるトルクと同様、アクチュエータが消費するパワーも急増する。
【０２３２】
一般に、同一の構成を有する２つのアクチュエータの対比において、相対的に大きなトルクを生じさせるアクチュエータの質量は、相対的に小さなトルクを生じさせるアクチュエータの質量に比較して大きい。また、同一の構成を有する２つの駆動エネルギー源、たとえば、２つの電池の対比において、相対的に大きなパワーを供給できる駆動エネルギー源は、相対的に小さなパワーを供給する駆動エネルギー源に比較して、より大きな質量を有する。
【０２３３】
要するに、従来の羽ばたき浮上移動装置は、図４３に示されるような短時間におけるトルクおよびパワー増加に対応するため、同一の浮上力を生じさせるヘリコプターよりも質量が大きいアクチュエータおよび駆動エネルギー源を必要とする。その結果、浮上移動装置に生じる加速度が低減されてしまう。したがって、浮上移動装置の機動力は低下せざるを得ない。
【０２３４】
言い換えれば、従来の浮上移動装置は、羽根部の切り返しという短時間に要求される大きなトルクおよびパワーを出力するために、非常に大きなアクチュエータおよび駆動エネルギー源を必要とする。その結果、機動力が損なわれている。
【０２３５】
前述の従来の浮上移動装置が解決した課題は、次に述べられる本実施の形態の浮上移動装置の構成によって解決される。
【０２３６】
本実施の形態の浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根部を前後方向に往復運動させるとともに、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータとを備えている。また、その装置は、往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクが所定値より小さい場合
にエネルギーを蓄積し、往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクが特定値より大きい場合にアクチュエータにエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構を備えている。
【０２３７】
上記の構成によれば、往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクの時刻歴を平滑化することができる。したがって、上記要求トルクのピークが低減するため、アクチュエータおよび駆動エネルギー源の軽量化を図ることができる。
【０２３８】
なお、浮上移動装置は、トルクを検出する手段を有していても、トルクを検出する手段を有していなくてもよい。浮上移動装置が、トルクを検出する手段を有していない場合には、エネルギー蓄積・供与機構が浮上移動装置に設けられていない場合においてアクチュエータに要求されるトルクに応じて、予め、エネルギーを蓄積するタイミングとエネルギーを供与するタイミングとが決定されている。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のトルクが所定値より小さい場合に、必ずエネルギーを蓄積するものでなくてもよく、トルクが所定値より小さい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーを蓄積すればよい。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のトルクが特定値より大きい場合に、必ずエネルギーを供与するものでなくてもよく、トルクが特定値より大きい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてトルクのピークを低減するようにエネルギーを供与すればよい。
【０２３９】
また、前述の往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、エネルギー蓄積・供与機構が、運動方向の反転のための運動の前半にアクチュエータのエネルギーを蓄積し、運動方向の反転のための運動の後半にエネルギーをアクチュエータに与えてもよい。
【０２４０】
運動方向の反転のための運動の前半においては、羽根部および羽根部の周囲の流体の慣性力が羽根部に作用するため、前述のトルクが小さい。逆に、運動方向の反転のための運動の後半においては、羽根部は前述の慣性力に逆らって運動する必要があるため、前述のトルクが大きい。したがって、上述のように、運動方向の反転のための運動の前半にアクチュエータのエネルギーを蓄積し、運動方向の反転のための運動の後半に蓄積されたエネルギーをアクチュエータに与えれば、最も効果的に、羽ばたき運動に必要なトルクの時刻歴の平滑化を図ることができる。
【０２４１】
また、エネルギー蓄積・供与機構は、充放電可能な電池を有し、アクチュエータのエネルギーを電池に電力として蓄積し、該電池に蓄積された電力を用いてアクチュエータにエネルギーを与えてもよい。これによれば、エネルギーの蓄積および供与を必要に応じて行なうことができる。
【０２４２】
また、エネルギー蓄積・供与機構は、物質の弾性変形によってアクチュエータのエネルギーを蓄積し、物質の復元力によってアクチュエータにエネルギーを与えてもよい。これによれば、予め弾性変形する物質を適切な位置に設けるだけで、何ら特別な制御を必要とせず、エネルギーの蓄積および供与を行なうことができる。
【０２４３】
また、物質が固体であれば、液体または気体を用いてエネルギーの蓄積および供与を行なう場合に比較して、エネルギー蓄積・供与機構の構造を単純化することができる。
【０２４４】
エネルギー蓄積・供与機構が、密閉された容器内の気体の圧縮および膨張によって、運動エネルギーの蓄積および供与を行なえば、気体は液体および固体に比較して軽量であるため、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。
【０２４５】
また、エネルギー蓄積・供与機構が、密閉された容器内での気体の相変化によって、運動エネルギーの蓄積および供与を行なえば、単位体積あたりのエネルギーの蓄積量および供与量が増加するため、エネルギー蓄積・供与機構の小型化を図ることができる。
【０２４６】
また、前述の往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、物質が、運動方向の反転のための運動の期間のみにおいて、アクチュエータに接触するものであれば、往復運動の効率を低下することなく、前述のトルクの時刻歴の平滑化を実現することができる。
【０２４７】
また、前述の物質がアクチュエータに設けられていれば、簡単な構造のエネルギー蓄積・供与機構が実現され得る。
【０２４８】
また、前述の往復運動が、角速度が一定である運動と、この運動に連続して行なわれ、角速度が変化する、運動方向の反転のための運動とからなり、アクチュエータが、往復運動の両端の運動方向の反転のための運動の期間のそれぞれにおいて、物質を弾性変形させる構造を有していることが望ましい。これによれば、前述の弾性変形する物質のみによって、エネルギーの蓄積および供与が実現され得るため、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。
【０２４９】
また、前述の物質が、羽根軸の往復運動の中心位置において弛んでいる紐状の弾性体を含んでいれば、エネルギー蓄積・供与機構の軽量化を図ることができる。
【０２５０】
また、前述の物質が、トルクが最小値から極大値になるまでの期間において、弾性変形すれば、往復運動の効率を低下させることなく、前述のトルクの時刻歴の平滑化を実現することができる。
【０２５１】
また、物質のバネ定数が、トルクの極大値をトルクが極大値になるときの物質の変形量で除算したものであれば、弾性変形する物質のバネ定数を最適値に設定することができる。
【０２５２】
また、本実施の形態の浮上移動装置は、羽根部に前後方向の往復運動をさせる前後往復運動用ロータと、羽根部を前縁部周りに捻るための捻り運動用ロータとを備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、前後往復運動用ロータのエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前後往復運動用ロータに与えてもよい。
【０２５３】
これによれば、往復運動のためにアクチュエータに要求されるトルクのピークは、捻り運動のためにアクチュエータに要求されるトルクに比較して大きいため、効率的にエネルギーを蓄積および供与することができる。
【０２５４】
本実施の形態の浮上移動装置は、本体に取り付けられた前縁部を有する羽根部と、羽根部を前後方向に往復運動させるとともに、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、羽根部を前縁部周りに捻るアクチュエータとを備えている。また、その装置は、往復運動においてアクチュエータの駆動のために要求されるエネルギーが所定値より小さい場合にエネルギーを蓄積し、往復運動においてアクチュエータの駆動のために要求されるエネルギーが特定値より大きい場合にアクチュエータにエネルギーを与えるエネルギー蓄積・供与機構とを備えている。
【０２５５】
上記の構成によれば、アクチュエータの駆動のために要求されるトルクの時刻歴を平滑化することが可能になる。したがって、アクチュエータおよび駆動エネルギー源を小型化することが可能になる。
【０２５６】
なお、浮上移動装置は、エネルギーを検出する手段を有していても、エネルギーを検出する手段を有していなくてもよい。浮上移動装置が、エネルギーを検出する手段を有していない場合には、エネルギー蓄積・供与機構が浮上移動装置に設けられていない場合においてアクチュエータの駆動のために要求されるエネルギーに応じて、予め、エネルギーを蓄積するタイミングとエネルギーを供与するタイミングとが決定されている。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のエネルギーが所定値より小さい場合に、必ずエネルギーを蓄積するものでなくてもよく、エネルギーが所定値より小さい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーを蓄積するものであればよい。また、エネルギー蓄積・供与機構は、前述のエネルギーが特定値より大きい場合に、必ずアクチュエータにエネルギーを供与するものでなくてもよく、エネルギーが特定値より大きい期間が複数ある場合には、その複数の期間の少なくともいずれかの期間においてエネルギーのピークを低減するようにアクチュエータにエネルギーを供与するものであればよい。
【０２５７】
また、本実施の形態の浮上移動装置においては、アクチュエータが、羽根部を前後方向に往復運動させるロータであって、相対的に小さな振幅で往復運動する第１ロータと、第１ロータにほぼ平行な方向において相対的に大きな振幅で往復運動する第２ロータとを備えていてもよい。この場合、当該装置が第１ロータの位相と第２ロータの位相との差によって、羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、第１ロータのエネルギーを蓄積し、エネルギーを第１ロータに与えることが望ましい。
【０２５８】
これによれば、上記と同様に、羽根軸の前後方向の往復運動のためにアクチュエータに要求されるエネルギーのピークは、捻り運動のためにアクチュエータに要求されるエネルギーのピークに比較して大きいため、エネルギー蓄積・供与機構は、効率的にエネルギーを蓄積および供与することができる。
【０２５９】
また、本実施の形態の浮上移動装置においては、アクチュエータが、前縁部を前後方向に往復運動させるロータであって、前縁部に接続され、固定振幅で往復運動する第１ロータと、第１ロータにほぼ平行な方向において可変振幅で往復運動する第２ロータとを備えていてもよい。この場合、浮上移動装置が第１ロータの位相と第２ロータの位相との差の制御によって、羽根部の捻りの程度を制御する制御部をさらに備えており、エネルギー蓄積・供与機構が、第１ロータのエネルギーを蓄積し、エネルギーを第１ロータに与えることが望ましい。
【０２６０】
上記構成によれば、より大きなトルクを必要とする前縁部を駆動するための第１ロータの振幅が固定されている。そのため、後述される手法によりトルクの平滑化を容易に実現することができる。また、第１ロータと第２ロータとの位相差は任意に設定され得るため、上記のトルク平滑化を達成しながら、羽根部の２自由度制御を実現することができる。つまり、浮上移動装置の多様な制御とトルクの平滑化の双方を実現することができる。
【０２６１】
また、エネルギー蓄積・供与機構は、アクチュエータの移動によって生じる運動エネルギーを蓄積し、その運動エネルギーをアクチュエータに供与するものであってもよい。これによれば、アクチュエータがどのような態様で運動しても、エネルギー蓄積・供与機構は、アクチュエータのエネルギーを蓄積してアクチュエータに供与することができる。そのため、多様な制御およびエネルギーのピークの低減の双方を実現することができる。
【０２６２】
また、アクチュエータがロータを含み、エネルギー蓄積・供与機構の所定の部位が、ロータの回転中心軸と共通の回転中心軸まわりに円弧状の軌跡を描くように移動してもよい
。これによれば、ロータの回転に起因したエネルギー蓄積・供与機構と他の部位との相対的位置関係の変化の度合いを極力小さくすることができる。
【０２６３】
エネルギー蓄積・供与機構は、板バネを含み、板バネの固定端は、ロータの回転中心軸の近傍に位置付けられてもよい。これによれば、エネルギーの蓄積および供与と、円弧の軌跡を描く移動との双方を簡単に実現することができる。
【０２６４】
（さらに別の実施の形態）
前述の図９〜図１４Ｂに示した超音波アクチュエータ（超音波モータ）は、次の超音波振動子によって置き換えられてもよい。以下に示す本実施の形態の超音波振動子に付された名称および符号と前述の実施の形態の超音波アクチュエータ（超音波モータ）に付された名称および符号とが異なっている。しかしながら、本実施の形態の超音波振動子は、前述の実施の形態の超音波アクチュエータ（超音波モータ）と同一の機能を果たすような態様で、適宜名称および符号が変換されて、前述の実施の形態の浮上移動装置に組み込まれるものとする。
【０２６５】
なお、本実施の形態にける超音波振動子は、前述の超音波振動子は、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致するように設計される。
【０２６６】
「伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが実質的に一致する」とは、個々の製品のために要求される駆動力を得ることができる程度に、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが近似していれば、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが完全に同一の値である必要はないという意味である。
【０２６７】
以下、図４８〜図６６を用いて、本発明の実施の形態の超音波振動子の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。なお、本明細書においては、振動の節とは、その振動のみが生じているときに、その振幅が実質的にゼロである領域を意味する。たとえば、伸縮振動の節とは、伸縮振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味し、屈曲振動の節とは、屈曲振動のみが生じているときに、振動板の主板部の振幅が実質的にゼロであるような領域を意味する。振幅が実質的にゼロである状態は、被駆動体の駆動にとって無視できる程度の振幅で超音波振動子が振動している状態を含む。
【０２６８】
以下、図４８〜図６０を用いて、本発明の実施の形態１の超音波振動子の振動特性の調整方法およびそれに用いられる超音波振動子が説明される。
【０２６９】
本実施の形態の超音波振動子は、複数の振動を組合せからなる動作をする超音波振動子１が組み立てられた後においても、前述の動作のために必要な２種類の振動のうちの１つの振動の特性を他の振動から独立して調整することが可能なものである。
【０２７０】
＜全体構成＞
まず、図４８を用いて、本発明の実施の形態の超音波モータ１０００が説明される。図４８は、超音波モータ１０００の平面図である。図４８に示されるように、超音波モータ１０００は、超音波振動子１およびそれによって回転させられるロータ２からなっている。ロータ２は本発明の被駆動体の一例である。したがって、被駆動体は、回転するものに限定されず、他の動作をするものであってもよい。
【０２７１】
超音波振動子１は、振動板７を有している。振動板７は、支持用突出部３を有している。貫通孔５０が支持用突出部３に設けられている。シャフト５が貫通孔５０を貫通している。また、シャフト５は、図４９に示されるように、支持体４に固定されている。主板部
６の４つの角部のうちの１の角部Ｓにロータ２の外周面が当接している。ロータ２は、支持体４に回転可能に支持されているが、そのための機構は図示されていない。
【０２７２】
また、超音波振動子１には、電極９，１０，１１，１２，１７および圧電素子８が設けられている。電極９，１０，１１，１２，および１７は、所定の信号が入力され得るように、制御装置（図示せず）に電気的に接続されている。
【０２７３】
また、本実施の形態の超音波振動子１は、電極９，１０，１１，１２，１７に信号が入力されると、圧電素子８が振動する。圧電素子８の振動は、振動板７の主板部６に伝達される。その結果、主板部６の角部Ｓが楕円軌道Ｅを描くように、振動板７が振動する。その結果、角部Ｓに接触しているロータ２が円軌道Ｃに沿って移動する。すなわち、ロータ２がその回転中心軸周りに回転する。
【０２７４】
＜超音波振動子＞
次に、図４９および図５０を用いて、超音波振動子１の構造がより詳細に説明される。図４９および図５０は、それぞれ、超音波振動子１の斜視図および分解斜視図である。
【０２７５】
図４９および図５０に示されるように、超音波振動子１は振動板７を有している。振動板７は、シャフト５に固定された支持用突出部３と、支持用突出部３と一体的に形成され、振動によってロータ２を回転させる主板部６とを有している。
【０２７６】
主板部６は、幅２ｍｍ、長さ９ｍｍ、かつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、支持用突出部３は、主板部６の長辺の中央位置から主板部６の短辺方向に沿って延びるように、主板部６の長辺から突出しており、幅１ｍｍ、長さ２．１５ｍｍかつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。
【０２７７】
支持用突出部３には、直径０．６ｍｍの円形の貫通孔５０が設けられている。貫通孔５０の直径は、０．６ｍｍであり、シャフト５の直径と同一である。貫通孔５０が、主板部６の長辺の中央位置から貫通孔５０の中心点までの距離が１．０ｍｍである。圧電素子８は主板部６の表面および裏面のそれぞれに取り付けられている。圧電素子８は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、かつ幅０．２ｍｍの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、圧電素子８の長辺と主板部６の長辺とが一致するように、圧電素子８は主板部６に対して電極１７を介して固定されている。
【０２７８】
なお、振動板７および圧電素子８のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板７の材料は、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、支持用突出部３と主板部６とは、別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。
【０２７９】
圧電素子８は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）かならなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。圧電素子８の一方の主表面上には、電極９，１０，１１，および１２が取り付けられている。電極９，１０，１１，および１２は、互いに同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。電極９，１０，１１，および１２は、圧電素子８の一方の主表面が実質的に同一の４つの長方形の領域に分割されたとすると、４つの長方形の領域のそれぞれに設けられている。また、圧電素子８の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極１７が設けられている。電極１７は、圧電素子８の他方の主表面と同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。
【０２８０】
本実施の形態の超音波振動子１においては、２つの圧電素子８は、それぞれ、主板部６の一方の主表面および他方の主表面上に、電極１７を介して設けられている。
【０２８１】
２つの電極１７は、それぞれ、その長辺方向が主板部６の長辺方向とが一致するように、主板部６の一方および他方の主表面に固定されている。２つの電極１７は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部６に接着されている。
【０２８２】
なお、圧電素子８と主板部６とが導電性接着剤によって接着されるのであれば、電極１７が圧電素子８と主板部６との間に設けられていなくてもよい。この場合、導電性接着剤が電極１７の役割を果たす。特に、本実施の形態の超音波振動子のように、主板部６がステンレスなどの導電性材料からなる場合には、２つの圧電素子８の電極１７には、それぞれ、常に０Ｖの信号が入力されているため、圧電素子８と主板部６とが導電性接着剤によって接合されていれば、電極１７が圧電素子８と主板部６との間に設けられていなくても、主板部６が電極１７の役割を果たすことができる。
【０２８３】
また、振動板７の一方の主表面に取り付けられている圧電素子８およびそれに取り付けられている電極９，１０，１１，１２，および１７と、振動板７の他方の主表面に取り付けられている圧電素子８およびそれに取り付けられている電極９，１０，１１，１２，および１７とは、振動板７の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。したがって、振動板７の一方の主表面上の圧電素子８の振動特性と、振動板７の他方の主表面上の圧電素子８の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板７は、その面内方向において振動する。また、振動板７の主板部６は長方形であるため、前述の面内方向において、振動板７の角部Ｓは楕円振動する。
【０２８４】
なお、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板７の一方の主表面に取り付けられている圧電素子８および電極９，１０，１１，１２，および１７と、振動板７の他方の主表面に取り付けられている圧電素子８および電極９，１０，１１，１２，および１７とは、非対称な構造を有し、または、非対称に配置されていてもよい。
【０２８５】
次に、図５１〜図５４を用いて、本実施の形態の超音波振動子１の駆動方法が説明される。
【０２８６】
超音波振動子１が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置（図示せず）から電極９，１０，１１，１２，および１７へ入力される。なお、振動板７の一方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）は、振動板７の他方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）に対して、主板部６を介して、鏡面対称に入力される。ただし、本発明の目的を達成することができるのであれば、振動板７の一方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）と、振動板７の他方の主表面側に位置付けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に入力される信号（印加電圧）とは、非対称であってもよい。
【０２８７】
図５０に示されるように、電極９と電極１２とは、結線されており、同一の信号（φ１）が入力される、電極１０と電極１１とは、結線されており、同一の信号（φ２）が入力される。したがって、電極９，１０，１１，および１２に入力される信号は、図５１に示されるように、４つのモード（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），および（Ｄ）を有している。なお、図５１には、振動していない状態の電極９，１０，１１，および１２の全体の外形が破線で描かれ、伸縮振動または屈曲振動している状態の電極９，１０，１１，および１２のそれぞれの形状が実線で描かれている。また、図５２に示されるように、電極９および電極１１に入力される信号と電極１０および電極１２に入力される信号とは、その位相にお
いて９０度のズレを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。
【０２８８】
上述の超音波振動子１の主板部６は、図５３に示される伸縮振動および図７に示される屈曲振動との組合せの振動を行なう。図５３に示される伸縮振動によれば、振動板７の主板部６は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において圧縮されたり伸張されたりする。それにより、角部Ｓは、長辺方向に振動する。一方、図５４に示される屈曲振動によれば、振動板７は、一のＳ字形状からそれに鏡面対称な他のＳ字形状へ変化する。それにより、振動板７の主板部６の角部は、白抜き矢印で示すように、短辺方向において振動する。
【０２８９】
なお、主板部６が伸縮振動する場合には、図５１から分かるように、長辺方向の振幅が短辺方向の振幅に対して極めて大きいため、角部Ｓは実質的に長辺方向に振動すると言えるが、主板部６が屈曲振動する場合には、長辺方向の振幅と短辺方向の振幅との差があまり大きくないため、角部Ｓは、実際には、電極形状に応じて斜め方向に振動する。
【０２９０】
伸縮振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極９，１０，１１，および１２のそれぞれに同一の位相で印加されると、主板部６は、図５３に矢印で示される方向において、伸縮振動を行なう。また、屈曲振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧（正）が、電極９および１１のそれぞれに同一の位相で印加され、電極９および１１とは逆位相の電圧（負）が、電極１０および１２のそれぞれに印加されると、主板部６は、図５４に矢印で示されるように、屈曲振動を行なう。なお、２つの電極１７のそれぞれには、常に、基準電位（０Ｖ）が与えられている。
【０２９１】
なお、図５３および図５４においては、それぞれ、伸縮振動の節の位置Ｘおよび屈曲振動の節の位置Ｙがハッチングによって示されている。振動の節とは、主板部６のうちの実質的に振幅がゼロである位置である。また、電極の形状は、長方形に限定されず、超音波振動子１が伸縮振動および屈曲振動の双方を生じさせることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。
【０２９２】
また、従来の超音波振動子１によれば、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが、図５５に示されるように、実質的に同一ではない、すなわち、Δφだけずれている場合に、そのズレΔφを低減することが極めて困難であった。それは、伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂの調整において、それらの一方を他方から独立して変化させることができなかったためである。
【０２９３】
しかしながら、本実施の形態の超音波振動子１の構造によれば、次のような理由により、ズレΔφを低減することが容易である。上述の超音波振動子１の構造によれば、図５３に示されるように、支持用突出部３が伸縮振動の節の位置Ｘに設けられている。支持用突出部３の構造の物理量、たとえば、形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずか１つを変化させれば、伸縮振動の振動特性を変化させることなく、屈曲振動の特性を変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることが容易である。
【０２９４】
伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂのそれぞれと同一の周波数で同一位相の電圧が電極９および１１に印加され、電極９および１１と同一の周波数であってかつ位相が＋９０度だけずれた電圧が電極１０および１２に印加される。それにより、伸縮振動と屈曲振動とが、電極に入力された交流電圧の１周期の４分の１ごとに交互に生じる。その結果、ロータ２に接触している主板部６の角部Ｓが、図４８に参照符号Ｅで示されるように、楕円振動を行なう。
【０２９５】
また、電極１０および１２に電極９および１１と同一周波数であってかつ位相が−９０度だけずれた電圧が印加されると、図４８に参照符号Ｅで示された方向とは逆方向の楕円振動が生じる。また、ある一方向にロータ２が回転している状態で、電極９，１１および電極１０，１２に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が１８０度だけ変化すれば、超音波振動子１の角部Ｓに当接しているロータ２の回転方向が反転する。
【０２９６】
なお、超音波振動子１は、図５６に示されるように、図５４に示された屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍の位置であって、かつ、図５３に示された伸縮振動の節の位置Ｙまたはその近傍以外の位置に、振動特性を調整するための調整用突出部２０を有していてもよい。ただし、調整用突出部２０は、圧電素子８または振動板７の一部として形成されていてもよいとともに、圧電素子８または振動板７に対する他の材料の付加によって形成されてもよい。
【０２９７】
図５６に示される構造を有する超音波振動子１によれば、調整用突出部２０を研削または加熱したり、調整用突出部２０に何らかの部材を付加したりして、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させることなく、伸縮振動の共振周波数ａを変化させることができる。したがって、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとの位相のズレを容易に低減することができる。
【０２９８】
＜超音波振動子の振動特性調整方法＞
超音波モータ１０００において、最大の駆動効率を得るためには、超音波振動子１が組み立てられて、超音波モータ１０００の所定の位置に組み付けられた状態で、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが実質的に一致していることが必要である。しかしながら、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとが実質的に一致するように設計された超音波振動子１であっても、圧電素子８または振動板７の寸法における誤差、圧電素子８と振動板７の位置合せにおける誤差、および電極の寸法における誤差等の要因のために、図５５に示されるように、実際に組み立てられ、超音波モータ１０００に組み付けられた超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとの間に、ズレΔφが生じることがある。なお、図５５において、横軸は周波数ｆ（＝１／Ｔ）を示し、縦軸は、伸縮振動の長辺方向の振動の振幅および屈曲振動の短辺方向の振動の振幅Ｆを示す。
【０２９９】
図５７は、本発明者の行なったシミュレーションの結果であって、支持用突出部３の長さＬ１と超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂの変化との関係を示している。図５７に示されるように、支持用突出部３の長さＬ１が増加するにつれて、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂは、近似的には直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数ａは、ほぼ一定である。
【０３００】
図５３および図５４にハッチングによって示された部分は、伸縮振動の節の位置Ｘおよび屈曲振動の節の位置Ｙに相当する。支持用突出部３は、主板部６に生じる伸縮振動の節の位置Ｘまたはその近傍の位置に設けられており、かつ、屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍からは離れた位置に設けられている。したがって、支持用突出部３の長さＬ１を変化させると、伸縮振動の共振周波数ａは変化しないが、屈曲振動の共振周波数ｂは変化する。
【０３０１】
超音波振動子１が超音波モータ１０００の所定の位置に取り付けられた後に、支持用突出部３を研削することによって、その形状および質量を変化させることができる。それにより、伸縮振動の共振周波数ａがほぼ一定である状態で屈曲振動の共振周波数ｂのみを調整することができる。その結果、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることが容易になる。また、支持用突出部３の形状および質量を変化さ
せる代わりに、焼きなまし等などの加熱処理によって支持用突出部３の剛性等の物性を変化させることによっても、伸縮振動の共振周波数ａを一定に維持した状態で、屈曲振動の共振周波数ｂの調整することが容易である。
【０３０２】
次に、支持用突出部３の開放端を削ることによって、つまり、支持用突出部３の形状および質量を変化させることによって、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。
【０３０３】
組み立てが行なわれ、製品の所定の位置に組み付けられた超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが伸縮振動の共振周波数ａよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させるために、屈曲振動の共振周波数ｂを伸縮振動の共振周波数ａまで増加させることが必要である。
【０３０４】
本実施の形態においては、図５８に示されるように、支持用突出部３の開放端を削り、支持用突出部３を短くすることによって、屈曲振動の共振周波数ｂを増加させて伸縮振動の共振周波数ａに一致させる。この方法によれば、超音波振動子１の振動特性を容易に調整することが可能である。また、シャフト５の貫通孔５０と主板部６との間において支持用突出部３は研削されていないため、支持用突出部３の強度が維持された状態で、超音波振動子１の振動特性を調整することが可能である。
【０３０５】
また、図４９に示されるように、支持用突出部３に設けられた貫通孔５０の中心位置から同一の距離だけ離れた２つの位置のそれぞれに凹部５５を設け、支持用突出部３の形状および質量を変化させてもよい。これによれば、伸縮振動の共振周波数ａを変化させることなく、屈曲振動の共振周波数ｂのみを変化させることができる。
【０３０６】
また、図５５に示されたように、２つの凹部５５が、貫通孔５０の中心位置を介して対向する位置であって、貫通孔５０の中心位置から等しい距離の位置に、研削によって形成される。これにより、屈曲振動における慣性モーメントを小さくすることによって、屈曲振動の共振周波数を変化させることが可能になる。なお、研削によって凹部５５が大きくなり過ぎた場合には、凹部５５に何らかの部材が埋め込まれることによって、振動特性が再び調整されてもよい。
【０３０７】
次に、支持用突出部３を加熱処理して、支持用突出部３の剛性を変化させることによって、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。加熱装置（図示せず）を用いて支持用突出部３が７００度程度まで加熱された後、自然に冷却される。それにより、支持用突出部３の剛性が低減される。支持用突出部３の剛性が低減されると、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが低減される。また、支持用突出部３が、加熱装置によって７００度程度まで加熱された後、水中で急激に冷却されると、支持用突出部３の剛性が増加し、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。加熱装置として、レーザなどの支持用突出部３のみを局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は支持用突出部３の材料の変態温度以上であることが必要である。振動板７の材料としてステンレスが用いられる場合には、加熱温度は７００度程度であることが望ましい。
【０３０８】
次に、支持用突出部３に重り１３を搭載する、すなわち、支持用突出部３に所定の質量を有する材料を付加して、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。
【０３０９】
図６０に示されるように、支持用突出部３にステンレスの重り１３が接着されると、支持用突出部３の質量が増加する。支持用突出部３の質量が増加すると、屈曲振動における支持用突出部３の慣性モーメントが増加する。したがって、超音波振動子１の屈曲振動の
共振周波数ｂを低減させることができる。ただし、重り１３の材質は、ステンレスに限定されず、いかなる材質であってもよい。
【０３１０】
上述の支持用突出部３と同様に、図５６に示された調整用突出部２０の形状、剛性、質量、および内部応力のうちの少なくともいずれかに変化を生じさせることによっても、屈曲振動の共振周波数ａを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ｂのみを変化させることが容易になる。
【０３１１】
（実施の形態の他の例の超音波振動子）
＜全体構成＞
本実施の形態の超音波振動子においては、実施の形態１の超音波振動子の構成要素と同一の構成要素には実施の形態１の超音波振動子１に付された参照符号と同一の参照番号が付され、特に必要がない限り、その説明は繰り返さない。
【０３１２】
本実施の形態においても、超音波振動子１が組み立てられた後においても、超音波振動子１の振動特性が容易に調整され得る。
【０３１３】
図６１は、本実施の形態の超音波モータ１０００の平面図である。図６１に示されるように、本実施の形態の超音波モータ１０００は、超音波振動子１とロータ２とからなっている。
【０３１４】
本実施の形態の超音波振動子１は、図４８〜図５５を用いて説明された実施の形態１の超音波振動子１とほぼ同様であるが、主板部６を介して支持用突出部３に対向するように押付用突出部１４が設けられていることが、実施の形態１の超音波振動子１とは異なっている。押付用突出部１４には線状のゴム１５の一端が接着されている。線状のゴム１５の他端は、図示されていない外部に設けられた押付用機構に固定されている。線状のゴム１５は、その収縮力によって、押付用機構に対して、押付用突出部１４を引っ張る。それによって、超音波振動子１の角部Ｓがロータ２の外周部を押す力を調整することができるようになっている。つまり、線状のゴム１５の収縮力の調整によって、超音波振動子１とロータ２との当接力が調整される。
【０３１５】
本実施の形態の超音波モータ２においても、実施の形態１の超音波モータ１０００と同様に、後述する超音波振動子１に設けられた電極９，１０，１１，１２，および１７に信号が入力される。それにより、ロータ２の外周面に当接している主板部６の角部Ｓが、図６１に示される楕円軌道Ｅを描いて移動する。その結果、ロータ２が円軌道Ｃに沿ってその回転中心軸まわりに回転する。
【０３１６】
＜超音波振動子＞
図６２には、本実施の形態の超音波振動子１の斜視図が示されている。超音波振動子１の構成要素のうち、主板部６、圧電素子８、電極９，１０，１１，１２，および１７のそれぞれの形状、寸法、配置、および構成材料は、実施の形態の超音波振動子１のそれと同一であるため、その説明は繰り返さない。
【０３１７】
ただし、本実施の形態においては、貫通孔５０とシャフト５とは固定されていない。そのため、シャフト５が支持用突出部３に設けられた貫通孔５０内においてその軸まわりに回転し得る。より具体的には、支持用突出部３は、シャフト５が延びる方向の移動は拘束されているが、シャフト５が延びる方向に沿った回転中心軸まわりに回転することができる。なお、支持用突出部３の上側および下側のそれぞれには、超音波振動子１がシャフト５の軸方向に沿って移動しないように、支持用突出部３のシャフト５の軸方向の移動を拘束する部材（図示せず）が設けられている。なお、押付用突出部１４は、幅１ｍｍかつ長
さ２．５ｍｍの略長方形状を有している。
【０３１８】
また、本実施の形態の超音波振動子１の駆動方法は、実施の形態１の超音波振動子１の駆動方法と同一であるため、その説明は繰り返さない。
【０３１９】
また、超音波振動子１の構造として、図６３に示された構造が採用されてもよい。図６３に示される構造においては、図５３に示された屈曲振動の節の位置Ｘの近傍であって、かつ図５４に示された伸縮振動の節の位置Ｙからは離れた位置の少なくとも１の位置に調整用突出部２０が設けられている、なお、調整用突出部２０は、圧電素子８または主板部６の一部であっても、他の材料が圧電素子８または主板部６に付加されたものであってもよい。
【０３２０】
＜超音波振動子の振動特性調整方法＞
図６４は、本願の発明者らが行なったシミュレーション結果を示しており、超音波振動子１の押付用突出部１４の長さＬ２と超音波振動子１の伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂとの関係を示している。図６４に示されるように、押付用突出部１４の長さＬ２を増加させるにつれて、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが近似的に直線的に減少するが、伸縮振動の共振周波数ａはほぼ一定である。
【０３２１】
押付用突出部１４は、主板部６に生じる伸縮振動の節の位置Ｘまたはその近傍であり、屈曲振動の節の位置Ｙまたはその近傍から離れた位置に設けられている。したがって、押付用突出部１４の長さＬ２を変化させると、伸縮振動の共振周波数ａに変化を生じさせることなく、屈曲振動の共振周波数ｂに変化を生じさせることができる。
【０３２２】
超音波振動子１を超音波モータ１０００の所定の位置に取り付けた後に、押付用突出部１４の形状および質量を変化させることにより、伸縮振動の共振周波数ａがほぼ一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂのみを調整して、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを実質的に一致させることができる。
【０３２３】
また、焼きなましなどの手法を用いて剛性などの押付用突出部１４の物性を変化させることによっても屈曲振動の共振周波数を調整することが可能である。
【０３２４】
次に、押付用突出部１４の先端を研削することによって、超音波振動子１の押付用突出部１４の形状および質量を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が具体的に説明される。
【０３２５】
組み立てされ、所定の位置に設置された超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが伸縮振動の共振周波数ａよりも低い場合には、伸縮振動の共振周波数ａと屈曲振動の共振周波数ｂとを略一致させるために、屈曲振動の共振周波数ｂのみを伸縮振動の共振周波数ａと略一致するように増加させる必要がある。図６５に示されるように、押付用突出部１４の長さＬ２が押付用突出部１４がその先端の研削によって短くなれば、伸縮振動の共振周波数ａが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。したがって、屈曲振動の共振周波数ｂと伸縮振動の共振周波数ａとを実質的に一致させることは容易である。
【０３２６】
次に、押付用突出部１４に加熱処理を施して、超音波振動子１の押付用突出部１４の剛性を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。
【０３２７】
加熱装置を用いて押付用突出部１４が７００度程度まで加熱される。その後、自然冷却が行なわれる。それにより、押付用突出部１４の剛性が低下する。押付用突出部１４の剛性が低減されると、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが低下する。
【０３２８】
また、押付用突出部１４は、加熱装置を用いて７００度程度まで加熱された後、水に入れて急激に冷却されると、押付用突出部１４の剛性が増加し、超音波振動子１の屈曲振動の共振周波数ｂが増加する。
【０３２９】
加熱装置として、レーザなど、押付用突出部１４のみが局所的に加熱することができる装置が用いられることが望ましい。また、加熱温度は、押付用突出部１４の材料の変態温度以上であることが必要である。そのため、押付用突出部１４の材料としてステンレスが用いられる場合には、７００度程度の温度で押付用突出部１４が加熱されることが望ましい。
【０３３０】
次に、押付用突出部１４に重り１３が搭載されると、超音波振動子１の押付用突出部１４の質量を変化させて、超音波振動子１の振動特性を調整する方法が説明される。
【０３３１】
図６６に示されるように、押付用突出部１４にステンレスの重り１３が接着されると、伸縮振動の共振周波数ａが一定の状態で、屈曲振動の共振周波数ｂが低下する。なお、重り１３の材料は、ステンレスに限定されず、ステンレス以外の他の材料であってもよい。
【０３３２】
また、支持用突出部３と同様に、図６３に示された調整用突出部２０の形状、剛性、および質量のうち少なくともいずれか１つの要素を変化させることにより、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ａのみを容易に調整することができる。
【０３３３】
上記の実施の形態においては、複数種類の振動の節のうちの１の節の位置またはその近傍の位置に設けられた構造物である突出部の物理量として、形状、剛性、および質量のうちの少なくともいずれか１つを変化させることにより、振動特性の調整が行なわれている。しかしながら、振動の節の位置またはその近傍に設けられた構造の形状、剛性、および質量の代わりに、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造の内部応力を変化させることにより、前述と同様の振動特性の調整を行なうことが可能である。内部応力を変化させる方法としては、振動の節の位置またはその近傍の位置の構造が誘電体を含んでおり、外部からその誘電体へ電界を印加する方法が考えられる。
【０３３４】
また、上記各実施の形態においては、振動の節を含むように突出部が設けられているが、振動の節の位置の近傍に突出部が設けられていても、振動の節と突出部との間の距離が所定量より小さければ振動特性を調整することは、従来の方法に比較すれば、容易である。たとえば、屈曲振動の共振周波数ｂを変化させずに、伸縮振動の共振周波数ａを変化させる場合には、平面的に見て点で表現される屈曲振動の振動の節を囲むような周縁状の領域上に突出部が形成されていてもよい。たとえば、屈曲振動の振動の節としての点を囲むパイプ状の突出部が調整用突出部２０の代わりに設けられていても、上記と同様に、振動特性を容易に調整することが可能である。
【０３３５】
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て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。
【符号の説明】
【０３３６】
１００  浮上移動装置、１０１  本体、１１０  羽部、１２０，１３０  超音波モータ、１４０  駆動メカニズム、１５０  制御回路、１６０  位置センサ、１７０  通信装置、１８０  画像センサ、１９０  電源、１２２  ロータ、３０１  バネ、３８１  バネ、３８２  固定点、３８３  上部超音波モータベースプレート、３８４  板バネ、３８５  固定点、１  超音波振動子、２  ロータ、１０００  超音波モータ、３  支持用突出部、４  支持体、５  シャフト、６  主板部、７  振動板、８  圧電素子、９，１０，１１，１２，１７  電極、１４  押付用突出部、１５  ゴム、２０  調整用突出部、５０  貫通孔、５５  凹部、ａ  伸縮振動の共振周波数、ｂ  屈曲振動の共振周波数、Ｃ  円軌道、Ｅ  楕円軌道、Ｓ  角部、Ｘ  伸縮振動の節の位置、Ｙ  屈曲振動の節の位置、Δφ  位相のズレ。  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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