(57)【要約】【課題】制御を複雑にすることなく、迎え角を所望の値に維持することができる浮上移動装置を提供する。【解決手段】羽根部の前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、ポテンシャルエネルギが極小値になっている力学的相互作用が上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に発生する。具体的には、球体または裁頭円錐体１４２１が、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、捻り角が特定の値になったときに、第一の上部ロータ溝１２２１および第二の下部ロータ溝１３２２の双方に嵌り込む。【選択図】図４１
2008126694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記羽根部の前記前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、ポテンシャルエネルギが極小値になっている力学的相互作用を前記上部ロータおよび前記下部ロータに発生させる機構とを備えた、浮上移動装置。
【請求項２】
前記上部ロータが前記下部ロータに対向する面に上側凹部を含み、
前記下部ロータが前記上部ロータに対向する面に下側凹部を含み、
前記機構が、前記上部ロータおよび前記下部ロータによって挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、前記捻り角が特定の値になっているときに、前記上側凹部および前記下側凹部の双方に嵌り込んでいる球体または円錐状体を含む、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項３】
前記機構は、
前記上部ロータおよび前記下部ロータの一方に設けられ、前記捻り角が特定の値になっているときに、前記上部ロータおよび前記下部ロータの他方に当接している突起と、
前記上部ロータおよび前記下部ロータに分けて取り付けられ、互いに同一の極性を有する部分同士が向かい合って、前記突起が前記上部ロータおよび前記下部ロータの他方に当接するように斥力を生じさせる一の磁石および他の磁石とを含む、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項４】
前記機構は、
前記上部ロータおよび前記下部ロータの一方に設けられた一の磁石と、
前記上部ロータおよび前記下部ロータの他方に設けられ、前記前縁部の捻り角が特定の値になるように、前記一の磁石から引力を受ける磁性体または他の磁石とを含む、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項５】
前記機構は、前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれに接続され、前記捻り角が前記特定の値になっているときに、前記上部ロータおよび前記下部ロータから力を受けていない弾性体を含む、請求項１に記載の浮上移動装置。
【請求項６】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
下面に上側凹部を有し、前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
上面に下側凹部を有し、前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータによって挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、前記羽根部の前記前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、前記上側凹部および前記下側凹部に嵌り込んでいる球体または円錐状体と備えた、浮上移動装置。
【請求項７】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのうちの一方から前記上部ロータおよび前記下部ロータのうちの他方に向かって突出し、前記捻り角が特定の値になっているときに、前記上部ロータおよび前記下部ロータの他方に当接している突起と、
前記上部ロータおよび前記下部ロータに分けて取り付けられ、互いに同一の極性を有する部分同士が向かい合って、前記突起が前記上部ロータおよび前記下部ロータの他方に当接するように斥力を生じさせる一の磁石および他の磁石とを備えた、浮上移動装置。
【請求項８】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのうちの一方に取り付けられた一の磁石と、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのうちの他方に取り付けられ、前記羽根部の前記前縁部まわりの捻り角が特定の値になるように、前記一の磁石から引力を受ける磁性体または他の磁石とを備えた、浮上移動装置。
【請求項９】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記上部ロータおよび前記下部ロータのそれぞれに接続され、前記羽根部の前記前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、前記上部ロータおよび前記下部ロータから力を受けていない弾性体とを備えた、浮上移動装置。
【請求項１０】
羽ばたき運動する羽根部と、
前記羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部と、
前記駆動機構部が接続され、前記羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、
前記駆動機構部が接続され、前記前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて前記羽根部を前記前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータと、
前記羽根部の前記前縁部まわりの捻り角が一定に維持されるべきタイミングにおいて、前記上部ロータの位相と前記下部ロータの位相との差が一定に維持されるように、前記上部ロータおよび前記下部ロータに力学的相互作用を生じさせる機構とを備えた、浮上移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたきに飛行を行なう浮上移動装置に関するものであり、特に、容易な制御を実現するアクチュエータの構造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、従来の固定翼を有する飛行機およびヘリコプターよりも機動性において優れている。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。特に、トンボおよびハエなどの昆虫が行なっているようなホバリング（停空飛翔）の工学的な応用が期待されている。
【０００３】
カリフォルニア大学バークレー校のM. H. Dickinsonらによる論文“Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”に示されているように、ホバリングの実現のためには、水平方向への羽根部の往復回動運動および羽根部の前縁部を中心軸とする捻り運動からなる２つの自由度の運動が可能であることが必要である。
【０００４】
たとえば、特開２００６−６９４８２号公報においては、前述の２自由度の運動をヒンジ（蝶番）および２つの回転部材（これらは、以後、「上部ロータ」および「下部ロータ」と呼ばれる）を用いて実現する方法が開示されている。以後、このような機構は２自由度駆動機構と呼ばれる。
【非特許文献１】“Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight”, Michael H. Dickinson, Fritz-Olaf Lehmann, and Sanjay P. Sane, Science, vol. 284, no. 5422, 18 June 1999.
【特許文献１】特開２００６−６９４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２００６−６９４８２号公報に開示されているような２自由度駆動機構によれば、羽根部の羽ばたき運動を正しく実現するために上部ロータおよび下部ロータのそれぞれを正確に駆動させることが困難であり、結果として、適切な浮上力が得られない、という問題が生じる。以下、その問題が具体的に説明される。
【０００６】
図５３は、後述される図２に示されような構造を有する２自由度駆動機構における、上下部ロータの回転角と下部ロータの回転角との位相差と、羽根部の捻り角との関係を示すグラフである。また、図５４は、前述の非特許文献１に示されている、迎え角と揚力係数および抗力係数のそれぞれとの関係を示すグラフである。図５４から、迎え角が大きく変化すると、揚力係数が大きく変化することが分かる。なお、揚力係数が大きく変化すれば、浮上力および羽根部を駆動するために要求されるトルクが大きく変化する。
【０００７】
たとえば、図５４に示されるように、最も高い効率を達成し得る迎え角１５度の近傍においては、迎え角１度あたりの揚力係数の変化は０．０５６程度である。また、迎え角１５度の近傍においては、揚力係数は約０．８程度である。したがって、迎え角１５度の近傍において、浮上力の誤差を±１０％以下に抑えるためには、迎え角の誤差を約±１．４度以下に制限することが必要である。
【０００８】
さらに、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている浮上移動装置においては、図５３に示されるように、上部ロータの回転角と下部ロータの回転角との位相差が、ヒンジ機構を媒介として、羽根部の迎え角に反映される。また、上部ロータの回転角と下部ロータの回転角との差を羽根部の迎え角に変換するための係数が２．８〜４程度である。そのため、上部ロータの回転角と下部ロータの回転角との差は、少なくとも±０．５度以下、より高い精度が要求される場合には、±０．３度以下であることが必要である。
【０００９】
なお、羽根部の根元での迎え角は（９０−（捻り角））［度］で表される。ただし、実際の揚力の発生に大きく関連している部分は、羽根部の先端の近傍の部分である。一般に、羽根部の先端は、羽根部の根元よりも大きく捻り変形している。そのため、羽根部の先端での迎え角は、羽根部の根元での迎え角よりも小さい。しかしながら、説明の簡便のため、ここでは、羽根部の先端の迎え角と羽根部の根元の迎え角との差はないものとして、以下の説明がなされる。
【００１０】
さらに、図３９は、２つの上部ロータおよび下部ロータのそれぞれに必要なトルクを、流体・構造連成解析を用いたシミュレーションによって算出した結果を示している。このシミュレーションにおいては、図３７に示される回転角αの前後方向の往復回動運動および回転角βの捻り運動が、図２に示される特開２００６−６９４８２号公報に開示されている２自由度駆動機構によって行なわれる。なお、このシミュレーションにおける周囲流体は、１気圧の空気である。
【００１１】
図３９から、上部ロータおよび下部ロータの駆動トルクは、２ｍｓｅｃ以下という極めて短時間に、０から約０．１１ｍＮ×ｍまで上昇していることが分かる。つまり、図３９から、上部ロータおよび下部ロータの駆動トルクは急激に変化することが分かる。これは、上部ロータおよび下部ロータの駆動トルクが、羽根部とその周囲の流体との相互作用、羽根部の慣性力、および羽根部の変形によって大きく影響を受けるためであると考えられる。
【００１２】
以上より、特開２００６−６９４８２号公報に開示されている浮上移動装置によれば、適切な羽根部の迎え角を実現する上部ロータおよび下部ロータのそれぞれの回転角の制御のために非常に高い精度が要求される。また、それらのロータのトルクを頻繁に調節することによって、それらのロータの回転角を厳密に制御しなければ、羽ばたき飛行に必要な所望の浮上力を得ることができない。しかしながら、前述のような高い精度でロータの回転角を制御して所望の迎え角を維持することは非常に困難である。
【００１３】
本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、制御を複雑にすることなく、所望の迎え角を維持することができる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】
【００１４】
本発明の一の局面の浮上移動装置は、羽ばたき運動する羽根部と、羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部とを備えている。また、装置は、駆動機構部が接続され、羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、駆動機構部が接続され、前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて羽根部を前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータとを備えている。さらに、装置は、羽根部の前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、ポテンシャルエネルギが極小値になっている力学的相互作用を上部ロータおよび下部ロータに発生させる機構を備えている。
【００１５】
なお、ポテンシャルエネルギが極小値になるとは、上部ロータの位相と下部ロータの位相との差を変更するための制御が行なわれていない場合において、上部ロータと下部ロータとの相対的な位置関係の変動を防止するかまたは抑制することを意味する。上部ロータと下部ロータとの相対的な位置関係の変動を防止するかまたは抑制するとは、上部ロータの位相と下部ロータの位相との差を変更するための制御が行なわれていない場合において、羽ばたき飛行に支障がない程度に、羽根部の捻り角、言い換えれば、迎え角を実質的に一定の値に維持しようとすることを意味する。
【００１６】
より具体的には、上部ロータと下部ロータとの相対的な位置関係の変動を防止または抑制するとは、上部ロータと下部ロータとの位相差を変更するための制御が行なわれていない場合において、振動等に起因して、迎え角を変動させるような力が生じているときに迎え角を所望の値に維持するための力を生じさせるか、または、迎え角が多少でも変動したときに迎え角を所望の値に戻すような力を生じさせることを意味する。なお、上部ロータと下部ロータとの位相差を変更するための制御が行なわれた場合には、上部ロータと下部ロータとの相対的な位置関係は容易に変化する。
【００１７】
また、ポテンシャルエネルギは、重力のポテンシャルエネルギ、弾性力のポテンシャルエネルギ、電気的ポテンシャルエネルギ、および磁気的ポテンシャルエネルギを含むものとする。
【００１８】
これによれば、所望のタイミングにおいて、羽根部の捻り角が特定の値に維持される。この捻り角が、羽根部にとって理想的な迎え角を実現する値に設定されていれば、制御部が羽根部の迎え角を調整する必要がない。そのため、前述の制御部による羽根部の制御が容易になる。
【００１９】
上述の機構は、次のような具体的な構成によって実現される。
上部ロータが下部ロータに対向する面に上側凹部を含み、かつ、下部ロータが上部ロータに対向する面に下側凹部を含んでいる場合には、前述の機構が、上部ロータおよび下部ロータによって挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、捻り角が特定の値になっているときに、上側凹部および下側凹部の双方に嵌り込んでいる球体または円錐状体を含んでいることが望ましい。
【００２０】
これによれば、前述の力学的相互作用を容易に実現することができる。特に、円錐状体が用いられる場合には、上部ロータおよび下部ロータにかかる応力を広い範囲に分散させることができる。
【００２１】
前述の機構は、上部ロータおよび下部ロータの一方に設けられ、捻り角が特定の値になっているときに、上部ロータおよび下部ロータの他方に当接している突起を含んでいてもよい。また、前述の場合には、前述の機構が、上部ロータと下部ロータとに分けて設けられた一の磁石と他の磁石とを含んでいることが必要である。この場合、一の磁石および他の磁石は、同一の極性を有する部分同士が向かい合って、突起が上部ロータおよび下部ロータの他方に当接するように斥力を生じさせる。
【００２２】
これによれば、上部ロータと下部ロータとの相対的な位置関係を簡単な構造を用いて確実に固定することができる。
【００２３】
前述の機構は、上部ロータおよび下部ロータに分けて取り付けられた一の磁石と磁性体または他の磁石とを含んでいてもよい。この場合、磁性体または他の磁石は、捻り角が特定の値になるように、一の磁石から引力を受ける。
【００２４】
これによれば、物理的な接触または変形を生じさせることなく、前述の力学的相互作用を発生させることができるため、前述の機構が機能することによるエネルギーロスを低減することができる。
【００２５】
前述の機構は、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれに接続され、捻り角が特定の値になっているときに、上部ロータおよび下部ロータから力を受けていない弾性体を含んでいてもよい。
【００２６】
これによれば、前述の機構の構造をシンプルにすることができるため、前述の機構の製造が容易になる。
【００２７】
以下の局面の発明によっても、前述の一の局面の発明の効果と同様の効果が得られる。
本発明の他の局面の浮上移動装置は、羽ばたき運動する羽根部と、羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部とを備えている。また、装置は、下面に上側凹部を有し、駆動機構部が接続され、羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、上面に下側凹部を有し、駆動機構部が接続され、前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて羽根部を前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータとを備えている。また、装置は、上部ロータと下部ロータとに挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、羽根部の前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、上側凹部および下側凹部に嵌り込んでいる球体または円錐状体と備えている。
【００２８】
また、本発明のさらに他の局面の浮上移動装置は、羽ばたき運動する羽根部と、羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部とを備えている。また、装置は、駆動機構部が接続され、羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、駆動機構部が接続され、前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて羽根部を前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータとを備えている。また、装置は、上部ロータおよび下部ロータのうちの一方から、上部ロータおよび下部ロータのうちの他方に向かって突出し、捻り角が特定の値になっているときに、上部ロータおよび下部ロータの他方に当接している突起と、上部ロータおよび下部ロータに分けて取り付けられ、互いに同一の極性を有する部分同士が向かい合って、突起が上部ロータおよび下部ロータの他方に当接するように斥力を生じさせる一の磁石および他の磁石とを備えている。
【００２９】
また、本発明のさらに他の局面の浮上移動装置は、羽ばたき運動する羽根部と、羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部とを備えている。また、装置は、駆動機構部が接続され、羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、駆動機構部が接続され、前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて羽根部を前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータとを備えている。また、装置は、上部ロータおよび下部ロータのうちの一方に取り付けられた一の磁石と、上部ロータおよび下部ロータのうちの他方に取り付けられ、羽根部の前縁部まわりの捻り角が特定の値になるように、一の磁石から引力を受ける磁性体または他の磁石とを備えている。
【００３０】
本発明のさらに別の局面の浮上移動装置は、羽ばたき運動する羽根部と、羽根部に駆動力を伝達する駆動機構部とを備えている。また、装置は、駆動機構部が接続され、羽根部の前縁部に前後方向の往復運動をさせるように、所定の角度の範囲内で回転往復運動する上部ロータと、駆動機構部が接続され、前後方向の往復運動の終端を含むタイミングにおいて羽根部を前縁部まわりに捻るように、特定の範囲内で回転往復運動する下部ロータとを備えている。また、装置は、上部ロータおよび下部ロータのそれぞれに接続され、羽根部の前縁部まわりの捻り角が特定の値になっているときに、上部ロータおよび下部ロータから力を受けていない弾性体を備えている。
【００３１】
なお、前述の各局面の機構以外の機構であっても、羽根部の捻り角がほぼ一定に維持されるべきタイミングにおいて、上部ロータの位相と下部ロータの位相との差が一定に維持されるように上部ロータおよび下部ロータに力学的相互作用を生じさせる機構であれば、いかなる機構が採用されてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１〜図５２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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
また、図２に示すように、浮上移動装置１００は、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へ伝達する駆動機構部１４０が接続されている。駆動機構部１４０には羽根部１１０が接続されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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よって得られた情報がコントローラ２００へ送信される。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、画像センサ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。
【００４４】
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、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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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層が重ねられることによって形成されている。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
＜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。
【００５３】
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。
【００５４】
＜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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。）。
【００６５】
＜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。
【００６６】
＜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。
【００６７】
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。
【００６８】
＜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。
【００６９】
＜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。
【００７０】
【表１】
2008126694.tif 000003
【００７１】
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。
【００７２】
（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。
【００７３】
＜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。
【００７４】
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、図示されていない上部ベアリングが介在する状態で、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。
【００７５】
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１４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。
【００７６】
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が介在する状態で、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。
【００７７】
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。
【００７８】
＜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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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、上部ロータ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。
【００８６】
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。
【００８７】
＜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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
＜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。この構成によれば、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。そのため、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／ダウンカウントのうちのいずれを使用するかを決定するために用いれば、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。
【００９２】
＜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。
【００９３】
（駆動機構部）
次に、図１５〜図１８を用いて駆動機構部について説明する。
【００９４】
駆動機構部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が介在する状態で中間プレート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。
【００９５】
さらに、羽根部１１０の根元部は、第３アラミドヒンジ１４６が介在する状態で、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。
【００９６】
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。
【００９７】
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の捻り運動が制御される。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
（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。
【０１１４】
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」ともいう）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。
【０１１５】
（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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
（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。
【０１１８】
（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。
【０１１９】
（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。
【０１２０】
（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。
【０１２１】
（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。
【０１２２】
<<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いうものとする。
【０１２３】
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。
【０１２４】
＜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。
【０１２５】
＜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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
＜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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
＜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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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、高度が維持された状態で、浮上移動装置１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０１３４】
＜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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
＜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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
＜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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
【表２】
2008126694.tif 000004
【０１４２】
＜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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
（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。
【０１４８】
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）やＵＷＢ(Ultra Wide Band)のようなセンサを用いることができる。
【０１４９】
（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。
【０１５０】
なお、制御回路１５０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。
【０１５１】
＜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を通じ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）」という。）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）」という。）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。
【０１５２】
＜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、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へ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。
【０１５３】
＜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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
＜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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
＜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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
＜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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
＜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。
【０１７３】
＜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。
【０１７４】
＜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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
＜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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
（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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
＜＜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、共通の動作を含む。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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（上部および下部超音波モータ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。
【０１９８】
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（超音波モータ１２０および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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
（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。
【０２０９】
（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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
（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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
（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。
【０２１６】
（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２．１７ｇｆ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。
【０２１７】
【表３】
2008126694.tif 000005
【０２１８】
＜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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
次に、本発明の特徴的構成が説明される。
図３７には、上述の回転角およびβの時刻歴が示されている。これは、図２１〜図２３に示されるθ１およびθ２の時刻歴に書き換えられる。なお、実際には、図３８に示されるように羽根部が変形する。また、この際の上部および下部超音波モータに要求されるトルクは、図３９に示されるようになる。
【０２２２】
（力学的相互作用発生機構）
次に、図４０〜図５２を参照して、力学的相互作用発生機構が説明される。
【０２２３】
以下に説明される実施の形態の力学的相互作用発生機構は、羽根部１１０の前縁部１１０２まわりの捻り角βが特定の値になっているときに、ポテンシャルエネルギが極小値になっている力学的相互作用を上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に発生させるものである。なお、ある期間において捻り角βを特定の値に固定しようとする理由は、羽根部１１０の前後方向の往復運動の中央部を含む所定の期間においては、羽ばたき飛行の安定のために羽根部１１０の迎え角を固定することが望ましいからである。
【０２２４】
また、ポテンシャルエネルギが極小値になるとは、上部ロータ１２２の位相と下部ロータ１３２の位相との差を変更するための制御が行なわれていない場合において、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係の変動を防止するかまたは抑制することを意味する。上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係の変動を防止するかまたは抑制するとは、上部ロータ１２２の位相と下部ロータ１３２の位相との差を変更するための制御が行なわれていない場合において、羽ばたき飛行に支障がない程度に、羽根部１１０の捻り角、言い換えれば、迎え角（＝９０−捻り角β）を実質的に一定の値に維持しようとすることを意味する。
【０２２５】
より具体的には、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係の変動を防止または抑制するとは、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との位相差を変更するための制御が行なわれていない場合において、振動等に起因して、迎え角を変動させるような力が生じているときに迎え角を所望の値に維持するための力を生じさせるか、または、迎え角が多少でも変動したときに迎え角を所望の値に戻すような力を生じさせることを意味する。なお、上部ロータ１２２の位相と下部ロータ１３２の位相との差を変更するための制御が行なわれた場合には、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係は容易に変化する。
【０２２６】
また、本実施の形態の浮上移動装置は、羽根部１１０の捻り角βがほぼ一定に維持されるべきタイミングにおいて、上部ロータ１２２の位相と下部ロータ１３２の位相との差が一定に維持されるように上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に力学的相互作用を生じさせる機構であれば、以下の機構に限らず、いかなる機構を備えていてもよい。なお、羽根部１１０の捻り角βがほぼ一定に維持されるべきタイミングとは、制御回路１５０が上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との位相差が所定の値に固定される指令信号を上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に与えているタイミングである。
【０２２７】
なお、前述のタイミングにおいて、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との位相差に変化が生じるのは、発明が解決しようとする課題の欄において説明されているように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２の駆動トルクが、羽根部１１０とその周囲の流体との相互作用、羽根１１０部の慣性力、および羽根部１１０の変形によって大きく影響を受けるためであると考えられる。
【０２２８】
まず、図４０〜図４５を用いて、第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構が説明される。
【０２２９】
＜構成＞
図４０〜図４５に示されるように、本実施の形態の力学的相互作用発生機構は、第一の上部ロータ溝１２２１および第二の上部ロータ溝１２２２、第一の下部ロータ溝１３２１および第二の下部ロータ溝１３２２、および半径ｒの球体１４２１からなっている。
【０２３０】
第一の上部ロータ溝１２２１および第二の上部ロータ溝１２２２は、上部ロータ１２２の下部ロータ１３２に対向する面に形成されている。また、第一下部ロータ溝１３２１および第二の下部ロータ溝１３２２は、下部ロータ１３２の上部ロータ１２２に対向する面に形成されている。また、球体１４２１は上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって挟まれている。なお、角ロータ溝の断面形状は、頂角ηかつ高さｈの二等辺三角形であるものとする。
【０２３１】
＜基本原理＞
図４１および図４２に示されるように、羽根部１１０に対して所望の捻り角βを与えるための上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差ｄθ１およびｄθ２については、ｄθ１＞ｄθ２という関係が成立するものとする。なお。ｄθ１が正の値であり、ｄθ２は負の値であるものとする。
【０２３２】
本実施の形態の力学的相互作用発生機構によれば、図４１に示される第一の安定状態および図４２に示される第二の安定状態のそれぞれにおいて、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差が固定される。
【０２３３】
第一の安定状態は、図４１に示されるように、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差がｄθ１である状態であって、第一の上部ロータ溝１２２１および第二の下部ロータ溝１３２２のそれぞれに球体１４２１が嵌り込んでいる状態である。
【０２３４】
第二の安定状態は、図４２に示されるように、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差がｄθ２である状態であって、第二の上部ロータ溝１２２２および第一の下部ロータ溝１３２１のそれぞれに球体１４２１が嵌り込んでいる状態である。
【０２３５】
第一の上部ロータ溝１２２１および第二の上部ロータ溝１２２２、ならびに、第一の下部ロータ溝１３２１および第二の下部ロータ溝１３２２は、前述の２つの状態で、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係が固定される位置に形成されている。
【０２３６】
第一の上部ロータ溝１２２１が第一の下部ロータ溝１３２１に対向しているときには、第二の上部ロータ溝１２２２は第二の下部ロータ溝１３２２に対向し、球体１４２１は、第一の上部ロータ溝１２２１および第二の上部ロータ溝１２２２のいずれからも等しい距離の位置に、言い換えれば、第一の下部ロータ溝１３２１および第二の下部ロータ溝１３２２のいずれからも等しい距離の位置に存在する。なお、球１４２１が上部ロータ１２２および下部ロータ１３２から外方へ飛び出してしまわないように、第一の上部ロータ溝１２２１と第二の上部ロータ溝１２２２との間に円弧状の溝が設けられ、第一の下部ロータ溝１３２１と第二の下部ロータ溝１３２２との間に円弧状の溝が設けられ、２つの円弧状の溝内に沿って球体１４２１が円弧状の軌跡を描くように往復運動してもよい。
【０２３７】
第一の安定状態および第二の安定状態のそれぞれでは、２つの溝のそれぞれに球体１４２１が嵌り込んでいる。本実施の形態においては、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のいずれもが弾性変形する部材からなっているため、この状態から２つのロータの回転角の差をｄθだけ変化させることは、図４４において実線で示されるように、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２とに弾性変形を生じさせ、同２ロータ間の距離を広げることを意味する。その際、上記弾性変形に対する復元力が生じるため、上記ｄθをゼロに戻す方向に力が働く。そのため、２つの安定状態においては、（ｄθ１−ｄθ２）はほぼ一定の値、すなわちｄθ１もしくはｄθ２に維持される。このため、特別な制御を必要とすることなしに、打ち下ろしおよび打ち上げにおいて、それぞれ、所望の捻り角βを実現するための回転角の差ｄθ１およびｄθ２が維持される。
【０２３８】
次に、図４５を参照して、打ち上げから打ち下ろしへの切り返しのとき、すなわち、前後方向の往復運動の反転のときに、さらに言い換えれば、第一の安定状態から第二の安定状態への移行するのときに発生する力が説明される。なお、説明の簡便のため、上部ロータ１２２と球体１４２１との間で生じる力学的相互作用のみが説明される。また、図４５は、上部ロータ１２２の回転中心軸まわりの円筒座標系が平面に展開されたものである。
図４５においては、第一の上部ロータ溝１２２１、第二の上部ロータ溝１２２２、第一の下部ロータ溝１３２１、および第二の下部ロータ溝１３２２のいずれもが、幅Ｗおよび頂角ηの溝であるものとする。
【０２３９】
図４５に示されるように、第一の安定状態から上部ロータ１２２の回転角がｄθ（＜０）だけ変化した場合には、φ＝π−η／２であるとすると、球体１４２１から第一の上部ロータ溝１２２１へ加えられる力（以下、これを「相互作用力」と称する）の水平成分Ｆｔおよび垂直成分Ｆｒに関しては、Ｆｔ＝Ｆｒ×ｔａｎφという関係が成立する。
【０２４０】
ここで、垂直成分Ｆｒは、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２のとの間の距離がｄｈだけ大きくなったときに上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれに生じる復元力に対抗する力である。そのため、この復元力のバネ定数がｋであるとすると、図４５に示されるように、上部ロータ１２２と球体１４２１との接点の、上部ロータ１２２の回転中心軸からの距離をＲとすると、ｄｈ＝Ｒ×ｄθ×ｔａｎφであるので、Ｆｒ＝ｋ×ｄｈ＝ｋ×Ｒ×ｄθ×ｔａｎφという関係が成立する。すなわち、Ｆｔ＝ｋ×Ｒ×ｔａｎ２φ×ｄθという関係が成立する。
【０２４１】
球体１４２１が第一の上部ロータ溝１２２１から離れたときに、すなわちｄθ＜−Ｗ／２Ｒのときに、さらに言い換えれば、第一の安定状態から不安定な状態へ変化し始めたときには、水平成分の力は発生しないので、Ｆｔ＝０となる。なお、不安定な状態とは、球体１４２１が、いずれの溝にも嵌っておらず、溝同士の間を転がっている状態である。
【０２４２】
不安定な状態から第二の安定状態へ移行するとき、第一の安定状態から不安定状態へ移行するときの変化に対して鏡面対称な変化が生じている。そのため、打ち上げから打ち下ろしへの移行のときの、上部ロータ１２２に加わる相互作用力の水平成分Ｆｔは、図４６に示されるようなものになる。また、下部ロータ１３２に加えられる相互作用力の水平成分のグラフは、図４６に示されるグラフの符号を逆にしたグラフになる、すなわち、θ１−θ２の軸に対して上下対象のグラフになる。
【０２４３】
上記の水平成分Ｆｔは、図３９に示される本来のトルクに加算される。したがって、上部ロータ溝１２２１および１２２２ならびに下部ロータ溝１３２１および１３２２のそれぞれの形状、深さ、および幅などを決定するときには、水平成分Ｆｔと図３９に示される本来のトルクとの合計値が、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれのトルクの許容値を超えないように留意する必要がある。
【０２４４】
＜トルク平滑効果＞
本発明の構成により、上述の２つの安定状態のそれぞれにおいては上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０が力学的な相互作用を受ける状態になるため、上部超音波モータ１２０のトルクと下部超音波モータ１３０のトルクとの区別ができなくなる。したがって、図４７に示されるように、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０のそれぞれにおいて独立に発生したトルクの合計値が超音波モータのトルクとなる。
【０２４５】
そのため、それぞれが独立して行なわれていた上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の制御を一括して行なうことができる。したがって、制御アルゴリズムを簡略化することができる。
【０２４６】
さらに、図４７に示されるように、上部超音波モータ１２０と下部超音波モータ１３０との間での力の相互伝達によって発生する脈動が低減される。そのため、２つの超音波モータに要求されるトルクの変動の振幅自体が減少し、制御に要求される条件が大幅に緩和される。
【０２４７】
＜補足＞
なお、本実施の形態において説明された溝形状は簡便に説明を行なうための一例である。本発明の特徴的構成は、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２の変形を利用して、球体１４２１が２つの溝間を移動してかつそれらに嵌り込むことによって、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２の捻り角βを一定値に維持するためのものであり、前述の溝形状および溝の数に限定されるものではない。
【０２４８】
たとえば、溝形状が、二等辺三角形でなく、図４８に示されるような、溝のエッジに近づくにつれて接触角φが０に近づくような形状であれば、相互作用力の水平成分Ｆｔを滑らかに変化させることができる。また、球体１４２１の代わりに、たとえば、図４３に示される裁頭円錐体（円錐状体）１４２１が用いられてもよい。この場合においても、裁頭円錐体（円錐状体）１４２１が外方へ飛び出さないように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が弾性変形するか、または、裁頭円錐体（円錐状体）１４２１の外側に設けられた円弧状のガイド部材によって案内されることが望ましい。
【０２４９】
さらに、球体１４２１の代わりに、楕円状の断面を有する棒状の構造体が用いられてもよい。この場合、楕円の長軸および短軸の相違を利用して、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２の変形量を異ならせることができる。なお、この場合においても、裁頭円錐体（円錐状体）１４２１が用いられる場合と同様に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれの回転中心軸に向かうにしたがって、断面が除々に小さくなっていることが望ましい。また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれに複数の溝が設けられており、複数の安定状態が形成されてもよい。
【０２５０】
以上、本実施の形態の浮上移動装置においては、上部ロータ１２２が下部ロータ１３２に対向する面に上側凹部の一例としての第一の上部ロータ溝１２２１および第二の上部ロータ溝１２２２を含み、かつ、下部ロータ１３２が上部ロータ１２２に対向する面に下側凹部の一例としての第一の下部ロータ溝１３２１および第二の下部ロータ溝１３２２溝を含んでいる。また、前述の機構は、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって挟まれた状態で、円弧状の軌跡を描くように往復運動をして、捻り角βが特定の値になっているときに、第一の上部ロータ溝１２２１および第二の下部ロータ溝１３２２溝のそれぞれに嵌り込んでいるか、または、第二の上部ロータ溝１２２２および第一の下部ロータ溝１３２１に嵌り込んでいる球体または円錐状体１４２１を含んでいる。
【０２５１】
したがって、前述の力学的相互作用を容易に発生させることができる。特に、裁頭円錐体（円錐状体）１４２１が用いられる場合には、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２にかかる応力を広い範囲に分散させることができる。
【０２５２】
なお、本実施の形態においては、制御回路１５０が上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくするような制御を行なっているタイミングにおいては、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくすることができるように、前述の第一の上部ロータ溝１２２１、第二の上部ロータ溝１２２２、第一の下部ロータ溝１３２１、および第二の下部ロータ溝１３２２の形状および大きさ等が設定されている。
【０２５３】
＜実施の形態２＞
次に、図４９および図５０を用いて、本発明の実施の形態の浮上移動装置が説明される。
【０２５４】
本実施の形態の浮上移動装置の力学的相互作用発生機構以外の構成要素は、実施の形態１の浮上移動装置の構成要素と同一であるため、以下においては、力学的相互作用発生機構の別の例のみが説明される。なお、本実施の形態においては、説明の簡便のため、実施の形態１と同様の構成要素には同一の番号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。
【０２５５】
（力学的相互作用発生機構）
＜構成＞
図４９および図５０に示されるように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２には、捻り角β＝０となるときに同一の極性を有する極同士が対向する磁石１４２２および１４２３が設けられている。また、捻り角βが打ち下ろしおよび打ち上げのそれぞれの所望の値を超えないように、回転角θ１およびθ２の範囲を制限するストッパー１４２４および１４２５が設けられている。
【０２５６】
＜原理＞
上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角の差は、磁石１４２２および１４２３の反発力によって大きくなり、最後に、ストッパー１４２４および１４２５は、それぞれ、サイドフレーム１３２ａおよび１３２ｂに当接する。この２つの状態のそれぞれにおいては、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が一体となった安定状態が形成される。
【０２５７】
このため、実施の形態１において説明された２つの安定状態と同様の安定状態が、本実施の形態の浮上移動装置の力学的相互作用発生機構によっても実現され得る。
【０２５８】
本実施の形態の力学的相互作用発生機構によれば、ストッパー１４２４および１４２５を用いることで、前述の２つの安定状態を容易に実現することができる。また、図３９に示されるように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に要求されるトルクの大きさが一定ではない。そのため、磁石１４２２および１４２３の反発力によって、ストッパー１４２４および１４２５が、それぞれ、サイドフレーム１３２ａおよび１３２ｂに接触している状態を生み出すための力が常に生み出されている。なお、サイドフレーム１３２ａとサイドフレーム１３２ｂとは、円弧状フレーム１３２ｃによって接続されている。
【０２５９】
以上、本実施の形態の浮上移動装置は、上部ロータ１２２に設けられ、捻り角βが特定の値になっているときに、下部ロータ１３２のサイドフレーム１３２ａおよび１３２ｂのいずれか一方に当接している突起としてのストッパー１４２４および１４２５を含んでいる。そのため、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との相対的な位置関係を簡単な構造を用いて固定することができる。なお、本実施の形態においては、上部ロータ１２２の構造と下部ロータ１３２の構造とが逆であってもよい。すなわち、上部ロータ１２２が２つのサイドフレームおよび円弧状フレームを有する構造であり、下部ロータ１３２が２つのストッパーを有する構造であってもよい。また、ストッパーの構造およびロータのストッパーが当接する部分の構造はいかなるものであってもよい。
【０２６０】
また、本実施の形態の浮上移動装置は、一の磁石１４２２と他の磁石１４２３とを含んでいる。一の磁石１４２２および他の磁石１４２３は、互いに逆の極性を有する部分同士が向かい合って、ストッパー１４２４および１４２５のいずれかが上部ロータ１２２または下部ロータ１３２に当接するように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に分けて取り付けられている。そのため、物理的な接触または変形を生じさせることなく、前述の力学的相互作用を発生させることができるため、前述の機構が機能を発揮するときのエネルギーロスを低減することができる。
【０２６１】
ただし、制御回路１５０が上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくするような制御を行なっているタイミングにおいては、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくすることができるように、前述の一の磁石１４２２と他の磁石１４２３との間に生じる磁力の大きさが設定されている。
【０２６２】
＜実施の形態３＞
次に、図を５１用いて、本発明の実施の形態の浮上移動装置が説明される。
【０２６３】
本実施の形態の浮上移動装置の力学的相互作用発生機構以外の構成要素は、実施の形態１の浮上移動装置の構成要素と同一であるため、以下においては、力学的相互作用発生機構の別の例のみが説明される。なお、本実施の形態においては、説明の簡便のため、実施の形態１と同様の構成要素には同一の番号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。
【０２６４】
（力学的相互作用発生機構）
＜構成＞
図５１に示されるように、上部ロータ１２２には磁石１４２６が設けられている。一方、下部ロータ１３２には、鉄片１４２７および１４２８が所定の距離を隔てて設けられている。本実施の形態においても、打ち上げおよび打ち下ろしのそれぞれのときには、捻り角βは所望の値に固定される。そのため、磁石１４２６および鉄片１４２７、１４２８の位置関係は、前述の特定の値の捻り角βを実現するような位置に設置されている。
【０２６５】
＜原理＞
上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、磁石１４２６と鉄片１４２７および１４２８のそれぞれとが対向しているときに、磁石１４２６と鉄片１４２７および１４２８のそれぞれとの間に生じる引力によって、安定状態になる。
【０２６６】
つまり、前述の特定の値の捻り角βが実現されていないときには、前述の特定の値の捻り角βが実現されるように、磁石１４２６と鉄片１４２７および１４２８のそれぞれとの間に引力が生じる。
【０２６７】
ただし、制御回路１５０が上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくするような制御を行なっているタイミングにおいては、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくすることができるように、前述の磁石１４２６と鉄片１４２７および１４２８のそれぞれとの間に生じる引力の大きさが設定されている。
【０２６８】
このため、実施の形態１において説明された２つの安定状態と同様の安定状態が、本実施の形態の浮上移動装置の力学的相互作用発生機構によっても実現され得る。また、磁石１４２６と鉄片１４２７および１４２８を用いることによって、摩擦力等のエネルギーロスなく、力学的相互作用発生機構を実現することができる。また、何ら摺動部なしに、力学的相互作用発生機構を実現することができるため、羽ばたき運動という周波数の高い動作が行なわれても、摩耗および疲労破壊が生じない。
【０２６９】
前述のように、本実施の形態の浮上移動装置は、磁石１４２６と磁性体の一例としての鉄片１４２７および１４２８とを含んでいる。また、磁石１４２６および磁性体としての鉄片１４２７および１４２８が、捻り角βが特定の値になっているときに互いに向かい合っているように、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に分けて取り付けられている。したがって、物理的な接触または変形を生じさせることなく、前述の力学的相互作用を発生させることができるため、前述の機構が機能することによるエネルギーロスをゼロにすることができる。
【０２７０】
なお、磁性体としての鉄片１４２７および１４２８の代わりに、磁石１４２６のＮ極またはＳ極と逆の極性を有する部分が磁石１４２６に向かい合うように、他の磁石が下部ロータ１３２設けられていてもよい。また、本実施の形態においても、上部ロータ１２２の構造と下部ロータ１３２の構造とは交換され得る。つまり、上部ロータ１２２に２つの磁性体または２つの磁石が所定の距離をおいて設けられ、下部ロータ１３２にその２つの磁性体または２つの磁石のそれぞれとの間で引力を生じる磁石が設けられていてもよい。
【０２７１】
＜実施の形態４＞
次に、図を５２用いて、本発明の実施の形態の浮上移動装置が説明される。
【０２７２】
本実施の形態の浮上移動装置の力学的連結機構以外の構成要素は、実施の形態１の浮上移動装置の構成要素と同一であるため、以下においては、力学的相互作用発生機構の別の例のみが説明される。なお、本実施の形態においては、説明の簡便のため、実施の形態１と同様の構成要素には同一の番号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。
【０２７３】
（力学的相互作用発生機構）
＜構成＞
図５２に示されるように、上部ロータ１２２の円弧状の周面と下部ロータ１３２の円弧状の周面とがバネ１４２９により連結されている。上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が前述の特定の値の捻り角βを実現するように位置付けられているときに、バネ１４２９の長さは自然長になる。
【０２７４】
＜原理＞
上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、バネ１４２９の長さが自然長であるときに安定状態になる。このため、前述の各実施の形態において説明された２つの安定状態と同様の安定状態が、本実施の形態の浮上移動装置の力学的相互作用発生機構によっても実現され得る。また、前述の特定の値の捻り角βが実現されていないときには、前述の特定の値の捻り角βが実現されるように、バネ１４２９に引張力または圧縮力が生じる。
【０２７５】
より具体的には、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差が所望の値よりも大きくなれば、バネ１４２９は、自然張よりも長くなり、バネ１４２９に縮まろうとする力が生じる。一方、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差が所望の値よりも小さくなれば、バネ１４２９は、自然張よりも短くなり、バネ１４２９に伸びようとする力が生じる。
【０２７６】
なお、本実施の形態のバネ１２４９はつるまきバネであるが、本発明の目的を達成することができるのであれば、他の形態のバネが用いられてもよい。また、本発明の目的を達成することができるのであれば、バネ以外の他の弾性体が用いられてもよい。つまり、前述の特定の値の捻り角βが実現されているときに、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２から力を受けず、変形していない弾性体であって、前述の特定の値の捻り角βが実現されていないときに、特定の値の捻り角βを実現しようとする力を生じさせる弾性体であれば、いかなる弾性体が用いられてもよい。また、その弾性体は、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との双方に接続されているかぎり、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれにいかなる位置に接続されていてもよい。
【０２７７】
ただし、制御回路１５０が上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくするような制御を行なっているタイミングにおいては、上部ロータ１２２の回転角と下部ロータ１３２の回転角との差を小さくすることができるように、前述の弾性体の弾性定数が設定されている。
【０２７８】
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】
【０２７９】
【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駆動機構部の概略図である。
【図１６】実施の形態の浮上移動装置に用いられる駆動機構部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駆動機構部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駆動機構部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駆動機構部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駆動機構部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わす説明図である。
【図２５】実施の形態の浮上移動装置の前進方法を表わす説明図である。
【図２６】実施の形態の浮上移動装置の後退方法を表わす説明図である。
【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】実施の形態の浮上移動装置の駆動機構の駆動態様を表わすグラフである。
【図３８】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の挙動を示す概略図である。
【図３９】実施の形態の浮上移動装置の上部および下部超音波モータのそれぞれに要求されるトルクを示すグラフである。
【図４０】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の外観を示す概略図である。
【図４１】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要構成要素を側面から見たときの第１の状態の図である。
【図４２】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要構成要素を側面から見たときの第２の状態の図である。
【図４３】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要構成要素の分解斜視図である。
【図４４】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の挙動を示す概略図である。
【図４５】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の動作原理を説明するための図である。
【図４６】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構により生じる力学的相互作用の水平成分を表わすグラフである。
【図４７】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構を用いることにより平滑化された要求トルクを示すグラフである。
【図４８】第一の実施の形態の力学的相互作用発生機構の溝部の形状の変形例を示す概略図である。
【図４９】第二の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要な構成を示す概略図である。
【図５０】第二の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要な構成要素の斜視図である。
【図５１】第三の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要な構成を示す概略図である。
【図５２】第四の実施の形態の力学的相互作用発生機構の主要な構成を示す概略図である。
【図５３】従来の駆動機構の捻り角の挙動を表わすグラフである。
【図５４】羽根部の迎え角と揚力係数および抗力係数のそれぞれとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０２８０】
１００  浮上移動装置、１０１  本体、１１０  羽根部、１２０  上部超音波モータ、１３０  下部超音波モータ、１４０  駆動機構部、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  上部ロータ、１３２  下部ロータ、１２２１  第一の上部ロータ溝、１２２２  第二の上部ロータ溝、１３２１  第一の下部ロータ溝、１３２２  第二の下部ロータ溝、１４２１  球体または裁頭円錐体、１４２２，１４２３磁石、１４２４，２４２５  ストッパー、１４２６  磁石、１４２７  磁性体、バネ  １４２９。
【図１】
2008126694.tif 000006
【図２】
2008126694.tif 000007
【図３】
2008126694.tif 000008
【図４】
2008126694.tif 000009
【図５】
2008126694.tif 000010
【図６】
2008126694.tif 000011
【図７】
2008126694.tif 000012
【図８】
2008126694.tif 000013
【図９】
2008126694.tif 000014
【図１０】
2008126694.tif 000015
【図１１】
2008126694.tif 000016
【図１２】
2008126694.tif 000017
【図１３】
2008126694.tif 000018
【図１４】
2008126694.tif 000019
【図１５】
2008126694.tif 000020
【図１６】
2008126694.tif 000021
【図１７】
2008126694.tif 000022
【図１８】
2008126694.tif 000023
【図１９】
2008126694.tif 000024
【図２０】
2008126694.tif 000025
【図２１】
2008126694.tif 000026
【図２２】
2008126694.tif 000027
【図２３】
2008126694.tif 000028
【図２４】
2008126694.tif 000029
【図２５】
2008126694.tif 000030
【図２６】
2008126694.tif 000031
【図２７】
2008126694.tif 000032
【図２８】
2008126694.tif 000033
【図２９】
2008126694.tif 000034
【図３０】
2008126694.tif 000035
【図３１】
2008126694.tif 000036
【図３２】
2008126694.tif 000037
【図３３】
2008126694.tif 000038
【図３４】
2008126694.tif 000039
【図３５】
2008126694.tif 000040
【図３６】
2008126694.tif 000041
【図３７】
2008126694.tif 000042
【図３８】
2008126694.tif 000043
【図３９】
2008126694.tif 000044
【図４０】
2008126694.tif 000045
【図４１】
2008126694.tif 000046
【図４２】
2008126694.tif 000047
【図４３】
2008126694.tif 000048
【図４４】
2008126694.tif 000049
【図４５】
2008126694.tif 000050
【図４６】
2008126694.tif 000051
【図４７】
2008126694.tif 000052
【図４８】
2008126694.tif 000053
【図４９】
2008126694.tif 000054
【図５０】
2008126694.tif 000055
【図５１】
2008126694.tif 000056
【図５２】
2008126694.tif 000057
【図５３】
2008126694.tif 000058
【図５４】
2008126694.tif 000059