(57)【要約】【課題】測定対象流体の特性を高い精度で測定することが可能な浮上移動装置を提供する。【解決手段】浮上移動装置は、本体１０１上において左羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置と右羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置との間の位置に、流体中においてガス、温度、湿度、圧力、風速、煙、塵埃、および花粉からなる群から選択された１以上の流体に関する特性を測定する流体センサ１８０を備えている。【選択図】図４０
2008056042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部および右羽根部と、
前記左羽根部および右羽根部をそれぞれ駆動する左駆動部および右駆動部と、
前記左駆動部および前記右駆動部を制御する制御部と、
前記左駆動部、前記右駆動部、および前記制御部が搭載された本体と、
前記本体上において前記左羽根部の前後方向の回動の中心位置と前記右羽根部の前後方向の回動の中心位置との間の位置に設けられ、前記流体中においてガス、温度、湿度、圧力、風速、煙、塵埃、および花粉からなる群から選択された１以上の流体に関する特性を測定する流体センサとを備えた、浮上移動装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記流体センサによる測定が実行されるときに、前記左羽根部の前後方向の回動の中心位置と前記右羽根部の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行する、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項３】
前記流体センサの測定結果が所定の基準値を超えた場合に、前記制御部は、前記左駆動部および前記右駆動部のそれぞれの駆動態様を変更して、前記左羽根部および前記右羽部にその旨を告知するための予め定められた羽ばたき運動をさせる制御を実行する、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記左羽根部および前記右羽根部のそれぞれの羽ばたき運動により生じる前記流体の速度の分布のデータが格納された流速分布マップを含み、
外部から測定対象流体の位置に関する情報を受信した後においては、前記羽ばたき運動によって前記測定対象流体の位置に生じる前記流体の速度がより小さくなるように前記流速分布マップを参照しながら当該浮上移動装置の姿勢を変更する制御を実行する、浮上移動装置。
【請求項５】
前記流速分布マップは、前記左羽根部および前記右羽根部のそれぞれが前記流体センサに最も接近したときにおいて前記羽ばたき運動により周囲に生じる前記流体の速度のデータを含む、請求項４に記載の浮上移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮上移動を伴いながらセンシングを行なう浮上移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
浮上移動装置は、人間が到達できないような場所および人体に悪影響を及ぼすような環境に存在する対象物の濃度等を測定することが可能である。たとえば、特開２００３−１１７２６２号公報には、浮上移動装置として、センサが搭載されたヘリコプタにセンサが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１１７２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、ヘリコプタは、プロペラの上方から下方へ流体を送り出すことによって浮上力を得ている。そのため、ヘリコプタの筐体の近傍にセンサが設置されていると、プロペラの回転によって生じた気流がセンサまで流れてしまう。したがって、測定対象パラメータがガス等の流体中に含まれる要素である場合には、プロペラの上方の流体がセンサまで流れることに起因する誤差を含んでしまう。つまり、測定結果は、測定対象とする位置のガスだけではなく、ヘリコプタのかなり上方の位置に存在しているガスも含めたものになってしまう。また、ヘリコプタは、プロペラを３６０°回転させているため、プロペラの先端が描く円周内に含まれる領域を流れる気流が全てセンサまで流れてしまう。
【０００４】
特開２００３−１１７２６２号公報に開示されている浮上移動装置は、図４５に示すように、ヘリコプタ２４１にセンサ２４２が搭載されたものである。また、ヘリコプタ２４１は、筐体部２４３、それぞれ逆方向に回転する２つのプロペラ部２４４および２４５、センサ２４２、筐体部２４３とプロペラ部２４４および２４５のそれぞれとを接続するプロペラ軸部２４６、および筐体部２４３とセンサ２４２とを接続するセンサ接続部２４７とを備えている。
【０００５】
前述のような構成の浮上移動装置によれば、ヘリコプタ２４１の浮上移動時には、プロペラ部２４４および２４５を回転させる必要があるため、プロペラ部２４４および２４５の下方に位置するセンサ２４２の周囲には、プロペラの上方の流体が流れ込む。そのため、センサ２４２の測定結果は、プロペラ部の上方の流体に起因する誤差を含んでいる。
【０００６】
さらに、化学プラントまたは原子力発電所などに設置された配管のガス漏れ検査を浮上移動装置によって行なう場合には、ガス漏れ位置を特定するために、可能な限りセンサを測定対象流体に接近させる必要がある。それにより、ガス漏れ位置を特定するための空間分解能は向上する。しかしながら、図４５に示す浮上移動装置によれば、センサ２４２は、プロペラ部２４４および２４５によって生じる流体の流れの影響を測定対象流体に及ぼすことなく、測定対象流体に接近することが困難である。
【０００７】
さらに、ヘリコプタは、壁または配管に最も近接した状態あっても、筐体に搭載されたセンサ２４２と壁または配管との間の空間の上方には、プロペラ２４４または２４５が存在する。そのため、センサ２４２と壁または配管との間の空間には上方から下方へと気流の生じている領域が存在する。そのため、配管または壁から漏れているガスがその気流によって下方へと流されてしまう。その結果、配管または壁から漏れているガスがセンサ２４２の検知可能領域であるセンサ２４２の近傍へと到達しない。したがって、ガスの濃度をセンサ２４２によって正確に検出できない。
【０００８】
すなわち、従来のヘリコプタにセンサが搭載された浮上移動装置によれば、プロペラの上方の流体に起因する測定精度の低下を防止することができず、また、測定対象流体に極力接近することが困難であるため、局所的な測定対象流体に関する情報を正確に測定することができない。
【０００９】
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、測定対象流体の特性を高い精度で測定することが可能な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】
【００１０】
本発明の浮上移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための左羽根部および右羽根部と、左羽根部および右羽根部をそれぞれ駆動する左駆動部および右駆動部と、左駆動部および右駆動部を制御する制御部と、左駆動部、右駆動部、および制御部が搭載された本体と、本体上において左羽根部の前後方向の回動の中心位置と右羽根部の前後方向の回動の中心位置との間の位置に設けられ、流体中においてガス、温度、湿度、圧力、風速、煙、塵埃、および花粉からなる群から選択された１以上の流体に関する特性を測定する流体センサとを備えている。
【００１１】
この構成によれば、左羽根部および右羽根部のそれぞれの動作に起因して生じる流体センサの測定結果の誤差が低減される。
【００１２】
制御部は、流体センサによる測定が実行されるときに、左羽根部の前後方向の回動の中心位置と右羽根部の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行することが望ましい。
【００１３】
この構成によれば、浮上移動装置が測定対象位置に接近するときに、左羽根部および右羽根部の動作によって生じた流体の流れに起因して流体センサの測定結果に誤差が生じることが抑制される。
【００１４】
流体センサの測定結果が所定の基準値を超えた場合に、制御部が、左駆動部および右駆動部のそれぞれの駆動態様を変更して、左羽根部および右羽部にその旨を告知するための予め定められた羽ばたき運動をさせる制御を実行することが望ましい。
【００１５】
この構成によれば、流体センサによる測定結果が所定の基準値を超えたことを周囲の人に容易に知らせることができる。
【００１６】
浮上移動装置は、制御装置が、左羽根部および右羽根部のそれぞれの羽ばたき運動により生じる流体の速度の分布のデータが格納された流速分布マップを含んでおり、外部から測定対象流体の位置に関する情報を受信した後においては、羽ばたき運動によって測定対象流体の位置に生じる流体の速度がより小さくなるように流速分布マップを参照しながら当該浮上移動装置の姿勢を変更する制御を実行することが望ましい。
【００１７】
この構成によれば、浮上移動装置の羽ばたき運動が測定対象流体の位置に生じさせる流速を極力小さくすることができる。
【００１８】
流速分布マップは、左羽根部および右羽根部のそれぞれが流体センサに最も接近したときにおいて羽ばたき運動により周囲に生じる流体の速度のデータを含んでいることが望ましい。
【００１９】
上記の構成によれば、左羽根部および右羽根部のそれぞれの羽ばたき運動によって流体センサの測定に生じる誤差を極力低減するように浮上移動装置を羽ばたかせることができる。そのため、羽ばたき運動が測定対象流体の位置に与える影響が極力小さい状態で、測定対象位置の流体の特性を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１〜図４４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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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捻り運動のそれぞれを独立して行なうことができる。
【００２５】
上部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。
【００２６】
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よって得られた流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報がコントローラ２００へ送信される。なお、流体センサ１８０よって得られた気体に関する情報は制御回路１５０によって直接利用されてもよい。
【００２７】
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に搭載された流体センサ１８０によって得られた気体に関する情報を取得することができる。
【００２８】
なお、コントローラ２００が前述の気体に関する情報をオペレータ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、流体センサ１８０が取得した気体に関する情報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。
【００２９】
また、制御回路１５０、通信装置１７０、および流体センサ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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
＜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。
【００３８】
＜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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）。
【００４５】
＜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。
【００４６】
＜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。
【００４７】
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。
【００４８】
＜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。
【００４９】
＜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。
【００５０】
【表１】
2008056042.tif 000003
【００５１】
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。
【００５２】
（超音波モータ）
次に、図８〜図１４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。
【００５３】
＜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。
【００５４】
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を介して供給される。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
＜駆動原理＞
次に、図９〜図１４を用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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１４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°の略扇形状である上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。これによれば、浮上移動装置内におけるロータの占有率を低減することができる。
【００６１】
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。
【００６２】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、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。更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、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機構が設けられてもいてもよい。これによれば、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。なお、本発明者らの実験によれば、（θ１−θ２）の絶対値が所定値以上の値になると、後述する式（７）の解が、重解になることが分かっている。
【００６３】
＜予圧機構＞
次に、図１４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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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１４に示す構造に限定されない。
【００６７】
＜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。
【００６８】
＜補足＞
なお、図８〜図１４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。
【００６９】
（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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の符号が、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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
（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。
【００８８】
（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。
【００８９】
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。
【００９０】
（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２２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２３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。
【００９１】
（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２２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２３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。
【００９２】
（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２２に示す前述の（１）の動作と図２３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２４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２４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。
【００９３】
（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。
【００９４】
（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。
【００９５】
＜＜制御の詳細＞＞
以下、図２２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２３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２１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。
【００９６】
また、説明の簡便のため、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。
【００９７】
＜ホバリング＞
図２１には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図２１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。
【００９８】
＜Ｚ軸方向の並進制御＞
図２２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２３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２２および図２３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。
【００９９】
図２２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２３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２４に示されるとおりゼロである。
【０１００】
＜Ｙ軸方向の並進制御＞
図２５および図２７には、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図２６および図２８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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
＜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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
＜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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
＜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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
＜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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
【表２】
2008056042.tif 000004
【０１１４】
＜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３６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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
また、図２１〜図２３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２１〜図２３に示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０１１８】
（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２９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。また、位置の検出のためには、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）のようなセンサを用いることができる。
【０１１９】
（制御回路）
制御回路１５０は、図２９および図３０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１２０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。
【０１２０】
制御回路１５０は、流体センサ１８０とは反対側の筐体１０１の背面に設けられている。この構成により、水蒸気、腐食性ガス、および熱源など、回路の性能に悪影響を及ぼす測定対象が存在する場合であっても、制御回路１５０が筐体１０１のその他の部分に設けられている場合に比べて、流体センサ１８０を測定対象流体に近づけることができる。ただし、制御回路１５０の性能に悪影響を及ぼす測定対象流体が存在しない合、および、悪影響を及ぼす測定対象流体が存在してもその悪影響が制御回路１５０の性能に支障をきたす恐れのないような場合には、制御回路１５０は本体１０１のいかなる位置に設けられていてもよい。
【０１２１】
＜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。
【０１２２】
＜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。
【０１２３】
＜反復タイマ＞
中央演算装置１５１は、図２９および図３０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。
【０１２４】
＜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３１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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
図３２〜図３４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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
＜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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
＜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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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、Ｈブリッジと呼ばれる一般的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路を用いて容易に実現され得るものである。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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
＜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＋３０Ｖの電圧に変更して、＋３０Ｖ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。
【０１３９】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図２９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２９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３０は、後述する図３５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。
【０１４０】
＜制御フローチャート＞
次に、図３５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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
＜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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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が挙げられる。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
（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。
【０１６０】
より具体的には、図２４〜図２６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。
【０１６１】
＜＜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。
【０１６２】
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２５および図２６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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
＜＜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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
＜＜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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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３２、図３３、および図３４）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。
【０１７１】
（位置計測センサ）
位置計測センサ１６１としては、光や超音波によって、センサと目標となる物体との距離計測を行なう距離センサが市販されている。
【０１７２】
（流体センサ）
浮上移動装置１００に搭載された本発明の流体センサ１８０は、浮上移動装置１００の動作に支障をきたさない程度の重量、大きさ、および消費電力を有している。本実施の形態の流体センサとしては、例えば、特開２００３−１５６４６１号公報に示されているような方式の可燃性ガスセンサを用いることが可能である。ただし、本発明の浮上移動装置における流体センサとしては、可燃性ガスを測定対象流体とするものに限らず、種々の目的に応じて、各種の対象を測定するものを使用することができる。すなわち、本発明における流体センサの測定対象は、可燃性ガスに限定されず、たとえば、ガス、温度、湿度、圧力、風速、ホコリまたは花粉等であってもよい。換言すれば、本発明における流体センサは、可燃性ガスセンサ以外のガスセンサ、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、風速センサ、煙センサ、ホコリセンサまたは花粉センサ等であってもよい。本発明の浮上移動装置１００は、これらのうちから選択された流体センサが設けられていることにより、各種の測定、調査、または情報収集等を行なうことができる。また、本発明の浮上移動装置１００は、これらのうちの複数種の流体センサを備えていてもよい。
【０１７３】
図３７および図３８に示すように、左の羽根部１１０の回転中心軸と右の羽根部１１０との間の位置の上下および前後の空間には、気流が発生せず、流体センサ１８０の前方の空間には、上方から流体が混入しないことが本発明者らの行なった流体構造連成解析（特開２００４−１０２９６２号公報参照）を用いた計算結果から明らかになっている。図３９には、本発明者らの行なった計算による羽ばたき時に浮上移動装置１００の周囲に生じる流体の速度の垂直方向成分が示されている。この計算においては、羽ばたき周波数は２４Ｈｚと仮定され、ストローク角は±４５度と仮定されている。なお、下向きが正方向である。
【０１７４】
また、図３９から、浮上移動装置１００の本体１０１の左右の羽根部１１０の回転中心位置同士の間の空間においては、流速が０．０５ｍ／ｓ以下であることが分かる。流体センサ１８０は、図４０に示されるように、本体１０１において左右の羽根部１１０の回転中心位置同士の間の位置に取り付けられている。流体センサ１８０の取付け位置は、図４０に示されるような本体１０１の前面上のほかに、図４１〜図４３に示される本体１０１の上面上、背面上、または底面上における、左右の羽根部１１０の回転中心位置同士の間の位置であってもよい。これによれば、その他の位置に流体センサ１８０を取り付けた場合に比較して、羽ばたき運動によって流体が流体センサ１８０の近傍の空間に周囲の流体が流れ込む量を極力小さくすることができる。
【０１７５】
また、図３９に示すように、浮上移動装置１００の羽ばたき動作によって生じる流体の速度は、本体１０１の前面および背面に垂直な方向では０.０５ｍ／ｓ以下であり、最も流速の大きい位置では、１.４ｍ／ｓ以上である。なお、本浮上移動装置１００は、化学プラントなどに設置された配管のガス漏れ等の調査のために用いられることが想定されている。
【０１７６】
浮上移動装置１００と同じ重量の本体および浮上移動装置１００の羽根部の長さと同じ長さのプロペラ半径の２枚羽プロペラを２つ有するヘリコプタを想定すると、プロペラ１つで発生させる必要のある浮上力は、浮上移動装置１００の羽ばたき飛行方式に比べると、２分の１である。また、ヘリコプタの場合、プロペラは回転動作をするため、浮上移動装置１００と同じ浮上力を得るためには、２つのプロペラが同一周期で回転すると仮定すると、プロペラの回転周波数は浮上移動装置１００の４分の１であると概算できる。このことから、ヘリコプタ飛行時に、プロペラ１つあたりの回転によって生じるヘリコプタ上方から下方に流れる流体の流速の最大値は０.３５ｍ／ｓ以上であると概算される。ヘリコプタは飛行するためにプロペラを３６０度回転させる必要があるため、調査を行なう配管または壁面などから噴出される測定対象流体に最も接近したとしても、本体に装着された流体センサ１８０と測定対象流体の位置との間には、ヘリコプタ上方から下方への流速が０.３５ｍ／ｓ以上の空間が存在する。浮上移動装置１００によれば、測定対象流体が本体１０１の前面前方の上方から下方への流速が０.０５ｍ／ｓ以下になる状態で測定対象流体の特性の測定を行なうことで、ヘリコプタに流体センサを搭載する場合と比較して、精度の高い測定を行なうことが可能である。
【０１７７】
なお、前述の説明では発明の効果を説明するために、測定対象流体の特性の測定にほとんど影響を与えない流速として０.０５ｍ／ｓという値を採用したが、この値は、目的とする測定の仕様に従って定められるべきである。ここでは、一例として、無風状態において１０ｃｍ以内の精度でガス濃度分布を測定する場合に生じる流速が挙げられている。ただし、ここでは、流体センサ１８０が計測のために必要とする時間は無視できるほど短いものとする。
【０１７８】
また、配管などから漏洩したガスは、周囲の流体とともに移動する。但し、説明の簡便のため、このガス漏れ量は時間によらず一定であるとする。ガス漏れ量が時間によらず一定であれば、ガス濃度の分布は、周囲の流速に比例する。たとえば、浮上移動装置１００の羽ばたき動作によって生じた周囲流体の流速が０．１ｍ／ｓ以内の領域に、測定対象流体が位置するのであれば、一塊のガス雰囲気は１０ｃｍ以上移動することはなく、誤差が１０ｃｍ以内の精度で、ガス濃度分布を把握することが可能となる。
【０１７９】
なお、上記流速０．１ｍ／ｓ以内の空間に測定対象流体の近傍の物体、たとえば配管等が位置付けられるように浮上移動装置１００を制御する手法は、次のようなものである。
【０１８０】
まず、一般的に用いられている位置計測センサにより、測定対象となる流体の位置の近傍の物体の位置を検出する。つまり、浮上移動装置１００は、測定対象流体の位置を直接検出することはできないため、オペレータ２１０がコントローラ２００を用いて浮上移動装置１００に送信した測定対象流体の位置の近傍の物体の位置情報に基づいて、測定対象流体の位置を間接的に検出する。次に、予めＲＯＭ１５４に内蔵されている流速分布マップに基づいて、測定対象となる流体が流れる位置の近傍の物体の位置において羽ばたき運動により生じる流体の速度の値が得られる。さらに、羽ばたき運動により生じる流体の速度から、測定対象となる流体が流れる位置の近傍の物体の位置において羽ばたき運動により生じる流体の速度が最も小さくなるようにするための浮上移動装置１００の羽ばたき方の制御が決定される。
【０１８１】
なお、前述の流速分布マップには、たとえば、図３９に示されるような流速分布のデータが格納されており、その流速分布のデータは、空間内での位置ごとの流体の速度のデータであるものとする。また、羽根部１１０が流体センサ１８０に最も近接したときに、流体センサ１８０周囲の流速は最大となる。そのため、このときの流速分布が流速分布マップに格納されていれば、測定対象となる流体の流速に対して羽ばたき運動が最も大きな影響を与える事態を回避して、流体の特性に関する情報を取得することができる。
【０１８２】
また、前述の測定対象流体の位置の近傍の物体（配管等）を検出するためのセンサとしては、距離検出センサ１６１が用いられる。たとえば、前述の左または右へ旋回しながら、距離検出センサ１６１を機能させれば、測定対象流体の位置の近傍の物体を検出することができる。さらに、浮上移動装置の羽ばたき方の制御の決定においては、まず、上述の流速分布マップにおける測定対象流体の位置の近傍の物体の位置において羽ばたき運動により生じる流体の速度が最小値でなければ、それが最小値となるように、左または右へ旋回するための制御が実行される。それにより、浮上移動装置１００の羽ばたき運動によって測定対象流体の位置の近傍の物体の位置に与えられる影響をより小さくするように、浮上移動装置１００は姿勢を変更する。
【０１８３】
浮上移動装置の姿勢が変更された後においては、制御回路１５０が、流体センサ１８０による測定が実行されるときに、左の羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置と右の羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行する。これにより、浮上移動装置は、羽ばたき運動により生じる流体の流れが測定対象流体の位置に極力影響を与えない状態で、測定対象流体の位置の近傍まで移動することができる。
【０１８４】
なお、上述の流速分布マップは、浮上移動装置１００を実際に羽ばたかせたときの周囲の流体の速度を計測することにより作成され得るものであるが、本発明者らが提案する流体・構造連成解析によって算出され得るものでもある。前述の測定対象となる流体の位置を検出するセンサ、浮上移動装置の羽ばたき方を決定する方法、および流速マップの作成方法は、前述のものに限定されず、本発明の目的を達成することができるものであれば、いかなるものであってもよい。
【０１８５】
前述の流体センサ１８０が検出した流体に関する情報は、中央演算装置１５１へ送信される。また、流体センサ１８０によって得られた測定結果は、中央演算装置１５１から通信装置１７１を介して外部コントローラ２００へ送信される。また、中央演算装置１５１は、流体センサ１８０によって得られた測定結果があらかじめ定められた基準値を超えているか否かを判定する。その後、中央演算装置１５１は、測定結果が基準値を超えている場合に、その旨を浮上移動装置１００の周囲にいる作業者に知らせるために、測定結果に応じて後述する告知動作のための制御を行なう。
【０１８６】
（センシングのフローチャート：図４４参照）
図４４のステップＳ１１＜初期動作＞
まず、オペレータ２１０が、外部コントローラ２００を操作して、羽ばたき動作を行なうための制御信号を浮上移動装置１００に送信する。それにより、浮上移動装置１００は、浮上のための羽ばたき動作を開始する。次に、オペレータ２１０は、水平方向に移動する羽ばたき動作を行なうための制御信号を浮上移動装置１００へ送信する。それによって、浮上移動装置１００が測定対象流体（たとえば、配管から噴出している有毒ガス等）の位置に接近する。なお、浮上移動装置１００は、距離検出センサ１６１によって、前方に存在する測定対象流体の位置と自身との間の距離を常にモニタリングしている。したがって、浮上移動装置１００は、前方に存在する障害物または測定対象流体の位置と浮上移動装置１００との間の距離が、所定の閾値以下になった場合に、外部コントローラ２００から送信された前方に進行するという制御信号には従うことなく、その場でホバリング動作を行なう。また、本実施の形態においては、浮上移動装置１００と配管などから噴出される測定対象流体との間の距離が、所定の距離より小さくなった場合には、オペレータによって外部のコントローラ２００から浮上移動装置１００へ、自動接近制御のための指令が送信される。測定流体の位置への接近経路は、上述の流速分布マップを用いて決定される。このとき、制御回路１５０は、左の羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置と右の羽根部１１０の前後方向の回動の中心位置とを結ぶ線分を垂直に二等分する平面に沿って移動するための制御を実行する。ただし、浮上移動装置１００のはばたき動作の開始および障害物および測定対象物へ接近するための羽ばたき動作として、前述以外の手法が用いられてもよい。
【０１８７】
図４４のステップＳ１２＜モニタリング＞
次に、オペレータ２１０は、外部コントローラ２００から測定動作を行なうための制御信号を浮上移動装置１００に送信する。それにより、測定対象流体に関する情報の測定が開始される。ただし、測定開始の方法については、上述以外の手法が用いられてもよい。
【０１８８】
測定結果は、浮上移動装置１００に搭載された通信装置１７１によって、図１に示される測定結果表示装置２２０へ送信される。測定結果表示装置２２０は外部コントローラ２００に搭載されていてもよいし、外部コントローラ２２０とは別の場所に備え付けられていてもよい。
【０１８９】
ステップＳ１３＜告知判定＞
中央演算処理装置１５１は、測定対象流体の濃度が、オペレータ２１０によって予め定められた閾値以上になっているか否かを判定する。
【０１９０】
ステップＳ１４＜告知動作＞
測定対象流体の濃度が、オペレータ２１０によって予め定められた閾値以上になった場合には、浮上移動装置１００に搭載された発光素子１７２の発光色が変化し、ブザー１７３から警報音が発せられる。さらに、浮上移動装置の羽ばたき方が変化する。それにより、浮上移動装置１００は、オペレータによって外部コントローラ２００から発信される制御信号に関わらず、あらかじめ定められた告知用の羽ばたき動作によって、周囲の人への告知を行なう。告知用の羽ばたき動作のためのデータは、前述のようにＲＯＭ１５４に格納されている。中央演算装置１５１は、測定結果が予め定められた閾値を超えた場合には、ＲＯＭ１５４から告知用の羽ばたき動作のためのデータを呼び出す。告知用の羽ばたき動作としては、例えば、ホバリングしながら旋回する動作（位置の変更を伴わずに姿勢のみを所定の回転中心軸まわりに変更する動作）、または、羽ばたき動作を止めて落下する動作等が挙げられる。なお、告知用羽ばたき動作は、上述の羽ばたき方以外の羽ばたき方であってもよい。
【０１９１】
また、発光素子１７２による告知においては、浮上移動装置１００の周囲の明るさが、発光素子１７２の発光状況が視認できる程度の明るさであることが必要である。また、ブザー１７３による告知においては、浮上移動装置１００の周囲および被告知者の周囲の騒音が、ブザー１７３の発する音よりも小さいことが必要である。さらに、告知用羽ばたき動作による告知においては、浮上移動装置１００の周囲の明るさが、被測定者が浮上移動装置１００を視認できる程度の明るさが必要である。なお、上述の告知動作は、種々の状況に応じて、省略されてもよい。
【０１９２】
（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。
【０１９３】
（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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
（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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
（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１．２１ｇｆである。よって、羽根部２枚が生み出す浮上力は２．４２ｇｆ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２．１７ｇｆであり、この値は、前述の浮上力２．４２ｇｆ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。
【０２００】
【表３】
2008056042.tif 000005
【０２０１】
＜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。
【０２０２】
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。流体センサ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。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】実施の形態の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】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第三の層を示す図である。
【図８】実施の形態の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１４】実施の形態の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１５】実施の形態の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２２】実施の形態の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２３】実施の形態の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２４】実施の形態の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２５】実施の形態の浮上移動装置の前進方法を表す説明図である。
【図２６】実施の形態の浮上移動装置の後退方法を表す説明図である。
【図２７】実施の形態の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２８】実施の形態の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２９】実施の形態の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３０】実施の形態の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３１】実施の形態の浮上移動装置の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３２】実施の形態の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３３】実施の形態の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３４】実施の形態の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３５】実施の形態の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３６】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３７】測定対象領域を説明するための図である。
【図３８】羽根部の回転中心位置からの距離と圧力および流速との関係を示す図である。
【図３９】羽ばたき運動により生じる流速分布を示す図である。
【図４０】流体センサの取り付け位置を示す図である。
【図４１】流体センサの第二の取り付け位置を示す図である。
【図４２】流体センサの第三の取り付け位置を示す図である。
【図４３】流体センサの第四の取り付け位置を示す図である。
【図４４】流体センサによるセンシング処理を説明するためのフローチャートである。
【図４５】従来のヘリコプタを説明するための図である。
【符号の説明】
【０２０６】
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  流体センサ。
【図１】
2008056042.tif 000006
【図２】
2008056042.tif 000007
【図３】
2008056042.tif 000008
【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】
2008056042.tif 000013
【図９】
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【図１０】
2008056042.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】
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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３５】
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【図３６】
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【図３７】
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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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