(57)【要約】【課題】動的に剛性を変化させることができる可変剛性フィン、および、それを利用した、推進のきめ細かな制御が可能で、小型な高粘性流体内推進機構、広い速度範囲において推進特性の向上が実現可能な、弾性翼流体内推進機構を提供する。【解決手段】２枚の弾性フィンを用意し、その弾性フィン間の吸着力を制御する。すなわち、吸着力が大きい場合には、弾性フィン間での滑りが生じないために剛性が高くなり、変形しづらくなる。吸着力が小さい場合には、滑りが生じやすいために剛性が低くなり、変形しやすくなる。これによって、２枚の弾性フィンの剛性を動的に変化させることを可能にする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的に剛性を変化させることができる可変剛性フィン。
【請求項２】
２枚の弾性シート間の吸着力を制御することにより、剛性を動的に変化させることができる請求項１記載の剛性可変フィン。
【請求項３】
電磁石で２枚の弾性シート間の吸着力を制御する機構を備えた、剛性を動的に変化させることができる請求項２記載の剛性可変フィン。
【請求項４】
請求項１〜３項の剛性可変フィンを備えた高粘性流体内推進機構。
【請求項５】
請求項１〜３項の剛性可変フィンを備えた弾性翼流体内推進機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、剛性が可変できるフィンを有する流体内推進機構、およびかかる剛性が可変できるフィンを備えた高粘性流体内推進機構、弾性翼流体内推進機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水中推進機構としてはスクリュプロペラが広く用いられているが、高速で回転することによって水中の生物に危険をもたらし、水圧が水の飽和水蒸気圧以下になって生じるキャビテーションを引きおこすという問題がある。
【０００３】
魚類など、体の後部にある尾部の屈曲運動を模擬した機構は、スクリュプロペラの欠点を補う新たな水中屈曲推進機構として有効であり、例えばイルカのヒレの形状のフィンを屈曲させて推力を得るようにした推進機構（特開平８−１２６７２０号公報など）が提案されている。これは水の運動エネルギー（水の慣性力）を利用するため、水中および海中での利用は好ましい。
【０００４】
しかし、食品工業などで用いられるような高粘性液体、もしくは非常にどろどろとした汚泥などでは、液体が運動しにくく、液体の運動エネルギー（液体の慣性力）を利用しにくい。したがって、その環境下では、魚類などの屈曲運動を模擬した機構では大きな推進力が得られず、推進効率も低くなる問題がある。
【０００５】
そこで、流体の慣性力を利用せず、流体の粘性力を利用する運動形態が必要であり、これらは生物の中に多く見られ、例えば、ゾウリムシなどの繊毛の運動や、精子のような微小な生物の鞭毛の運動がある。これらは細長い繊毛や鞭毛が、体長全体にわたって大きく屈曲するものであり、この動きを模擬した高粘性流体内推進機構として、自由度の高い多関節系の屈曲機構によって、鞭毛運動のように体長全体にわたって大きく屈曲し、高粘性液体中で移動する多関節屈曲運動機構（特開２００１−２００６０号公報）が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの魚類のヒレを模擬した屈曲機構、鞭毛のような大きな屈曲を模擬した多関節の屈曲機構は、ある弾性も持ったものや、剛体の組み合わせで構成されており、生物のように、外力を受けた際に生じる、受動的な変位を変化させることができない。これが実現されると、推進機構の剛性が変化できることになり、剛性変化というパラメータを推進に関して加えることができ、きめ細かな推進の制御が可能となる。
【０００７】
多関節系の屈曲機構で、関節部にトルクセンサとモータを介し、受動的に力を受けた際の変位を変化させながらモータを駆動することは、モータにかかるトルクと速度を検出しながら実時間で制御することで可能であるが、制御システム全体が増大して、コスト的に困難となる。また、モータ数が多いと小型化が困難となる。
【０００８】
魚の尾びれを模した水中推進装置で、揺動機構とフィンの間にバネを介し、バネ定数を変えることによって剛性を変化する機構（特開昭５６−８６８９０号公報）も提案されているが、推進速度に対する最適なバネ定数が存在することにより、バネを交換する必要がある。当然、動作させながらバネを交換することは不可能である。
【０００９】
本発明は、上述の課題・問題点を考慮し、剛性を動的に変化させることができる可変剛性フィン、および、それを利用した、推進のきめ細かな制御が可能で、小型な高粘性流体内推進機構、広い速度範囲において推進特性の向上が実現可能な、弾性翼流体内推進機構を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した問題点を解決するために、２枚の弾性フィンを用意し、その弾性フィン間の吸着力を制御することで、２枚の弾性フィンの剛性を動的に変化できる機構を実現することにより、いままでにない弾性フィンを発明するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、２枚の弾性フィンを用意し、吸着力が大きい場合には、弾性フィン間での滑りが生じないために剛性が高くなり、変形しづらくなる。また、吸着力が小さい場合には、滑りが・生じやすいために剛性が低くなり、変形しやすくなる。これによって、２枚の弾性フィンの剛性を動的に変化させることに成功した。なお、この機構は、揺動を発生するため、基部に回転機構（例えばモータ）を設ける必要がある。
【００１２】
吸着力の制御は２枚の弾性フィンに取り付けられた電磁石で行う。片方のフィンに付いている電磁石を励磁すれば、電磁石はもう一方のフィンに付いている鉄製円盤と吸着する。逆に、片方のフィンに付いている電磁石の励磁を弱めるか、励磁しないことによって、もう一方のフィンに付いている鉄製円盤との吸着を弱めるか、吸着を無くす。
【００１３】
応答性や制御性の観点から、電磁石の使用が好適であるが、吸引および反発が可能であれば、電磁石に限らず、静電アクチュエータなどを用いることもできる。
【００１４】
本発明の剛性可変フィンを用いた機構を用いれば、繊毛運動のような、フィンの横方向に大きな推進力が得られる動きと、逆に推進力を押さえる動きが実現可能であり、この機構を多数用意し、推進体本体に接続し、ゾウリムシのような高粘性流体内推進機構も実現可能である。
【００１５】
さらに、本発明の弾性可変フィンの幅を増加させ、魚の尾びれを模した、弾性翼流体内推進機構を再現することも実現可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の剛性可変フィンの構成を示す。フィンは、長手方向の長さが１００ｍｍ、横方向の幅が４０ｍｍ、厚さが０．２ｍｍのポリプロピレン製のフレキシブルシート１１の、２枚で作成されている。片側のシートには、電磁石（鉄心１２ａ、巻き線部１２ｂ）を２０ｍｍの間隔で３個取り付け、もう一方のシートにはそれと対称となる位置に鉄製円盤１３を取り付けてある。この２枚のシートはモータの回転軸１４に接続される。
【００１７】
電磁石の鉄心は直径４ｍｍ、高さ１０ｍｍの電磁軟鉄棒で、巻き線はエナメル線０．１ｍｍ径を用い、１０００回巻で４２Ωである。電磁石の巻き線部は直径８ｍｍ、高さ７ｍｍである。また、円盤の直径と厚さはそれぞれ４ｍｍ、３ｍｍである。
【００１８】
図２に、本発明の剛性可変フィンの水中における形状を示す。フィンの剛性変化は、２枚のフレキシブルシート間の吸着力に伴う滑りを制御することで実現される。すなわち、高剛性の場合は、片側のフレキシブルシート２１に付いている電磁石２２を励磁することで、もう一方のフレキシブルシートに付いている鉄製円盤２３を吸着し、２枚のフレキシブルシート間の滑りをなくす。従って同図（ａ）では、フィンがほぼ直線状になる。逆に低剛性の場合は、電磁石を励磁しないことで吸着力を無くし，２枚のフレキシブルシートが自由に滑りあえるようにする。従って同図（ｂ）では、フィンが屈曲する。
【００１９】
図３に、本発明の剛性可変フィンの駆動および推進力測定系の構成図を示す。
剛性可変フィン３１は水槽３２の水中にあるように位置し、これに接続されているＤＣサーボモータ３１ａが回転運動することによって、剛性可変フィンを揺動させることができ、推進力を発生する。従って、このＤＣサーボモータの回転を制御することで、フィンの揺動角速度及び揺動の角度振幅を決めることができる。また、剛性可変フィンに用いた電磁石３１ｂは、パーソナルコンピュータ３３から、リレー回路で構成したドライバ３４に信号を送ることにより励磁する。
【００２０】
ＤＣサーボモータを支持する板３５は、リニアブッシュ３６を介したレール３６ａで支持され、左右に自由に動くことができる。これを接続棒３７を介してロードセル３８で拘束し、そこに加わる力を推進力として検出する。ロードセルからひずみ増幅器３９により増幅された電圧値を、ＤＣサーボモータへの出力信号に同期させて、パーソナルコンピュータに取り込む。この構成は剛性可変フィンの横方向の推進力を計測するものであるが、剛性可変フィンの向きを９０°回転させれば、剛性可変フィンの縦方向の推進力を計測することが可能である。
【００２１】
図４に、本発明の剛性可変フィンの、水中における揺動運動１周期の形状を１６分割して示す。なお、運動周波数は０．５Ｈｚ、揺動の角度振幅は６０°である．同図では３通りの電磁石の励磁条件で行っている。図４（ａ）は、運動１周期の間、常に電磁石が励磁しない場合、図４（ｂ）は、運動１周期の間、常にすべての電磁石が励磁している場合である。図４（ｃ）は、運動の前半においてはフィンの電磁石に励磁、運動の後半においては励磁しない場合である。
【００２２】
図４（ａ）では、常にフィン４１が変形し、図４（ｂ）では、フィンは変形していない。これより、剛性可変フィンの横方向の推進力は常に打ち消しあってしまう。図４（ｃ）では、運動の前半においては電磁石すべてが励磁した状態で、フィンの剛性が上がってフィンがほぼ一直線となっているが、運動の後半においては電磁石すべてが励磁しない状態で、フィンの剛性が下がって、フィンが屈曲変形している。これより、適切な励磁を行うことにより、ゾウリムシの繊毛運動の形態に近いフィンの運動を実現することができた。
【００２３】
推進力の測定結果として、剛性可変フィンの横方向推進力の、運動１周期における平均値は、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）の条件で、それぞれ７．０ｍＮ、５．９ｍＮ、１６．５ｍＮである。従って、図４（ｃ）の条件が一番大きな推進力が得られた。これは、正の横方向推進力を得る有効な動きと、元の位置に戻る際に生じる、負の横方向推進力を低減させる動きによるものである。
【００２４】
図５に、本発明の剛性可変フィンの、２種類の流体中における揺動運動１周期の形状を１６分割して示す。なお、運動周波数は０．２Ｈｚ、揺動の角度振幅は６０°である。電磁石の励磁条件は、運動の前半においてはフィンの電磁石に励磁，運動の後半においてはフィンの電磁石に励磁しない場合である。
【００２５】
図５（ａ）は、流体が水中におけるフィンの形状、図５（ｂ）は、流体が高粘性流体である流動パラフィン中におけるフィンの形状である。動作時の流体温度２０℃における、水および流動パラフィンの動粘性係数は、それぞれ、１．００４×１０−６ｍ／ｓ２、１．５０８×１０−３ｍ／ｓ２である。したがって、流動パラフィンの動粘性係数は、水の動粘性係数よりも１５００倍程度大きい。
【００２６】
運動の前半においては、図５（ａ）、図５（ｂ）ともに、電磁石すべてが励磁した状態であり、フィン５１の剛性が上がってフィンがほぼ一直線となっている。ただし、図５（ｂ）の、流動パラフィン中でのフィン形状は、基部で少し変形が起こっている。運動の後半においては、図５（ａ）、図５（ｂ）ともに、電磁石すべてが励磁しない状態で，フィンの剛性が下がり、フィンが屈曲変形するが、図５（ａ）での水中におけるフィンの変形が少なく、図５（ｂ）での流動パラフィン中におけるフィンの変形は大きい。
【００２７】
推進力の測定結果として、剛性可変フィンの横方向推進力の、運動１周期における平均値は、図５（ａ）、図５（ｂ）のフィンで、それぞれ０．３ｍＮ、６．０ｍＮであり、横方向推進力の、運動１周期における変動量については、図５（ａ）、図５（ｂ）のフィンで、それぞれ７０ｍＮ、１４０ｍＮであった。推進力の平均値は大きいほど推進に寄与するが、推進力の変動量は少ないほど安定した推進が得られるものであり、図５（ｂ）のフィンは推進力の変動量は２倍大きいものの、平均値が２０倍も大きい。従って、本発明の剛性可変フィンは、高粘性流体における横方向の推進に関して有効である。
【００２８】
マイクロマシンを想定した場合、液体の慣性力が粘性力に比べて小さく、本発明の剛性可変フィンの高粘性液体の条件に近い。従って、本発明の剛性可変フィンは、小型化することによって、マイクロマシンに応用できる。
【００２９】
図６に、本発明の剛性可変フィンを多数用いた、ゾウリムシ型の高粘性流体内推進機構を示す。本体６１に接続されたモータ６２の回転運動により、剛性可変フィン６３が運動する。この多数の可変剛性フィンの協調動作によって、推進機構が直線、回転運動を行うことが可能である。
【００３０】
図７に、本発明の剛性可変フィンを用いた、弾性振動翼流体内推進機構を示す。剛性可変フィン７２は、魚の尾びれのような形状とする。本体７１の中にあるモータ７５は、その回転を歯車７４を介して回転軸７７に伝達する。回転軸に接続された剛性可変フィンが揺動運動を行う。様々な推進速度域において、最適な剛性を発生させることにより、広い推進速度域で推進の効率を上げることが可能である。
【００３１】
また、剛性可変フィンは、回転軸の回転運動のみで駆動されるが、回転軸が左右に往復運動する機構をさらに付加することにより、剛性可変フィンの運動が魚の尾びれの運動にさらに近くなり、効率がもっと高い弾性振動翼流体内推進機構を実現することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２枚の弾性フィン間の吸引力を制御することによって、２枚の弾性フィンの剛性を動的に変化できる機構を実現することができ、この機構をもつフィンを流体内推進機構に採用することにより、従来の高粘性流体内推進機構と比較して小型で、また、従来の弾性翼流体内水中推進機構に比して広い推進速度域で高効率が得られる機構を創出でき、この機構を利用した可能各種実用機器が達成された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の剛性可変フィンの構成である。
【図２】本発明の剛性可変フィンの水中における形状である。
【図３】本発明の剛性可変フィンの駆動および推進力測定系の構成図である。
【図４】本発明の剛性可変フィンの水中における揺動運動１周期の形状である。
【図５】本発明の剛性可変フィンの２種類の流体中における揺動運動１周期の形状である。
【図６】本発明の剛性可変フィンを多数用いたゾウリムシ型の高粘性流体内推進機構である。
【図７】本発明の可変剛性フィンを用いた弾性振動翼流体内推進機構である。
【符号の説明】
１１    フレキシブルシート
１２ａ  電磁石鉄心
１２ｂ  電磁石巻き線部
１３    鉄製円盤
１４    回転軸
１５    スペーサ
２１    フレキシブルシート
２２    電磁石
２３    鉄製円盤
２４    回転軸
３１    剛性可変フィン
３２    水槽
３１ａ  ＤＣサーボモータ
３１ｂ  電磁石
３３    パーソナルコンピュータ
３４    ドライバ
３５    板
３６    リニアブッシュ
３６ａ  レール
３７    接続棒
３８    ロードセル
３９    ひずみ増幅器
４１    フィン
５１    フィン
６１    本体
６２    モータ
６３    剛性可変フィン
７１    本体
７２    剛性可変フィン
７３    電磁石
７４    歯車
７５    モータ
７６    ベアリング
７７    回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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