(57)【要約】【課題】二重反転回転翼の回転数を検出して制御装置にフィードバックすることなく、自動的に浮揚体の方位回転を制御することができる浮揚体を提供する。【解決手段】本発明の浮揚体１は、基部に対し回転可能に概ね同軸的に設置され、互いに反対方向に回転するＣｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５と、基部の方位回転を制御する方位回転制御装置１０と、基部の方位回転を検出する方位回転検出手段２０とを備える。方位回転制御装置１０は、予め設定されたモデルと、方位回転検出手段２０で検出された基部の角度データとに基づいて、全状態観測器を用いて基部の角度と角速度を予測及び誤差補正する角度制御器１０３と、角度制御器１０３の出力データと、角速度センサ１８によって検出された角速度データとに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する角速度制御器１０４とを備える。【選択図】図１４
2004249005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部に対し回転可能に概ね同軸的に設置され、互いに反対方向に回転する２つのロータであって、それぞれのロータが少なくとも２枚の回転翼を備えている２つのロータと、
前記基部に設置され、圧電素子を備えた２つの振動体であって、該圧電素子に交流電圧を印加することにより振動する２つの振動体と、
前記２つの振動体にそれぞれ当接し、かつ、前記基部に対し回転可能に設置され、前記振動体の振動により、前記ロータと連動して回転駆動される２つの被駆動体と、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、
前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段とを備え、
前記ロータは、前記演算手段によって演算された回転数で回転されて浮揚することを特徴とする浮揚体。
【請求項２】
基部と、
前記基部に対し回転可能に概ね同軸的に設置され、互いに反対方向に回転する２つのロータであって、それぞれのロータが少なくとも２枚の回転翼を備えている２つのロータと、
前記２つのロータを回転駆動する２つのアクチュエータと、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、
前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段とを備え、
前記ロータは、前記演算手段によって演算された回転数で回転されて浮揚することを特徴とする浮揚体。
【請求項３】
前記アクチュエータは、超音波モータである請求項２に記載の浮揚体。
【請求項４】
前記方位回転検出手段は、前記基部の角速度を検出する角速度センサと、該角速度センサによって検出されたアナログ信号をアナログ／デジタル変換して前記基部の角速度データを出力するＡＤコンバータと、前記基部の角速度データを所定の時間で積分する積分器とを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の浮揚体。
【請求項５】
前記角速度センサは、ジャイロセンサである請求項４に記載の浮揚体。
【請求項６】
前記制御手段は、前記積分器によって積分して得られた角度データと、入力指示された角度データとに基づいて、前記基部の角度及び角速度を予測し、補正する請求項４又は５に記載の浮揚体。
【請求項７】
前記演算手段は、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データから前記速度差制御信号を減算した回転数データで前記２つのロータの一方のロータを回転駆動し、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データと前記速度差制御信号とを加算した回転数データで前記２つのロータの他方のロータを回転駆動する請求項１乃至６のいずれかに記載の浮揚体。
【請求項８】
前記２つのロータは、前記演算手段によって演算された回転数に基づいて、独立して調整可能である請求項１乃至７のいずれかに記載の浮揚体。
【請求項９】
浮揚体の方位回転を制御する方位回転制御装置であって、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、
前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段と、を備えることを特徴とする方位回転制御装置。
【請求項１０】
前記方位回転検出手段は、前記浮揚体の角速度を検出する角速度センサと、該角速度センサによって検出されたアナログ信号をアナログ／デジタル変換して前記浮揚体の角速度データを出力するＡＤコンバータと、前記浮揚体の角速度データを所定の時間で積分する積分器とを含む請求項９に記載の方位回転制御装置。
【請求項１１】
前記角速度センサは、ジャイロセンサである請求項１０に記載の方位回転制御装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記積分器によって積分して得られた角度データと、入力指示された角度データとに基づいて、前記浮揚体の角度及び角速度を予測し、補正する請求項１０又は１１に記載の方位回転制御装置。
【請求項１３】
２つのロータと、角速度センサとを備える浮揚体の方位回転を制御する方法であって、
前記角速度センサの検出データをアナログ／デジタル変換して、実測角速度データとして格納するステップと、
前記実測角速度データを所定の時間だけ積分して実測角度データを得、この実測角度データを格納するステップと、
浮揚体への角度指令値データから前記実測角度データを減算するステップと、前記浮揚体の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記角速度センサによって検出され積分された前記実測角度データと、前記減算ステップで得られた演算角度データとに基づいて、前記浮揚体の角度及び角速度を予測し、全状態観測器を用いて、前記浮揚体の角度予測値データ及び角速度予測値データを予測及び誤差補正し、制御量を演算して角速度指令値データとして出力するステップと、
前記角速度指令値データと、前記実測角速度データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力するステップと、
前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された回転数指令値データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算して出力するステップと、
前記演算ステップで出力された回転数データに基づいて、前記２つのロータを回転駆動し、前記浮揚体を空中に浮揚するステップと、を有することを特徴とする方位回転制御方法。
【請求項１４】
前記演算角度データが異常値であるか否かを判定するステップを更に有し、
前記演算角度データが異常値であると判定された場合、前記各データを初期化し、前記角速度センサから前記浮揚体の角速度を検出するステップから前記すべてのステップを繰り返す請求項１３に記載の方位回転制御方法。
【請求項１５】
前記角速度指令値データが異常値であるか否かを判定するステップを更に有し、
前記角速度指令値データが異常値であると判定された場合、前記各データを初期化し、前記角速度センサから前記浮揚体の角速度を検出するステップから前記すべてのステップを繰り返す請求項１３又は１４に記載の方位回転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浮揚体、浮揚体の方位回転制御装置及び方位回転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、乗用同軸二重反転式の浮揚体、例えば、ヘリコプタ（例えば、特許文献１）は、この浮揚体の重心点よりほぼ垂直方向に上下に配置された２つの回転翼を互いに逆方向に回転させることにより、揚力の発生と反動トルクの相殺を同時に実現するような構造を有している。このような乗用同軸二重反転式ヘリコプタの方位回転制御では、２つの回転翼のピッチ角を可変し、あるいは、２つの回転翼の回転数を可変することにより、発生する反動トルクを相殺するように構成されている。
【０００３】
ところで、２つの回転翼を有する２つのロータを回転させて空中に浮揚する浮揚体として、例えば、玩具（ヘリコプタの玩具）などの小型の浮揚体も知られている。このような小型浮揚体における機体（基部）の方位回転姿勢制御方法やその制御装置などについては、従来、上述の乗用の浮揚体に用いられているものを流用していた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４２８９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の乗用同軸二重反転式の浮揚体に用いられているような回転翼のピッチ角を可変する制御方法や回転翼の回転数を可変する制御方法を実現する方位回転制御装置を上述のような小型浮揚体に適用すると、回転翼のピッチ角を可変する制御方法では、多くの複雑な構成部品が必要となるため、重量を軽減することが困難となるとともに、浮揚体の小型化も不可能になってしまうという問題があった。
また、同様に、回転翼の回転数を可変する方法では、浮揚体の挙動が不安定となってしまうために、無線操縦などを利用して浮揚体を外部から制御することは極めて難しく、このような小型の浮揚体を安定して浮揚させることが困難であるという問題もあった。
【０００６】
また、同軸二重反転式ではないがテールロータ式の浮揚体（ヘリコプタ）では、回転翼の回転数及び方位回転を検出して制御する自動制御方法が知られているが、このような浮揚体ではその重量を軽減し、小型化することが困難であるという問題があった。
したがって、上記課題を解決するために、本発明の目的は、二重反転式のそれぞれの回転翼の回転数を検出して制御装置にフィードバックすることなく、自動的に小型浮揚体の方位回転制御を行うことができる浮揚体、並びに、その方位回転制御装置及び制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一態様において、本発明の浮揚体は、
基部と、
前記基部に対し回転可能に概ね同軸的に設置され、互いに反対方向に回転する２つのロータであって、それぞれのロータが少なくとも２枚の回転翼を備えている２つのロータと、
前記基部に設置され、圧電素子を備えた２つの振動体であって、該圧電素子に交流電圧を印加することにより振動する２つの振動体と、
前記２つの振動体にそれぞれ当接し、かつ、前記基部に対し回転可能に設置され、前記振動体の振動により、前記ロータと連動して回転駆動される２つの被駆動体と、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段とを備え、
前記ロータは、前記演算手段によって演算された回転数で回転されて浮揚することを特徴とする。
【０００８】
また、別の実施形態における本発明の浮揚体は、
基部と、
前記基部に対し回転可能に概ね同軸的に設置され、互いに反対方向に回転する２つのロータであって、それぞれのロータが少なくとも２枚の回転翼を備えている２つのロータと、
前記２つのロータを回転駆動する２つのアクチュエータと、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、
前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段とを備え、
前記ロータは、前記演算手段によって演算された回転数で回転されて浮揚することを特徴とする。
【０００９】
本発明の浮揚体によれば、方位回転検出手段によって浮揚体の基部の方位回転を検出し、制御手段は、その検出された方位回転データと、前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する。そして、信号生成手段は、このように補正された方位回転データから演算された制御量と検出された方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成し、演算手段は、この速度差制御信号と２つのロータの回転数指令値とを用いて加減演算し、前記２つのロータは、演算回転数データに基づいて、回転されて浮揚体が浮揚する。
【００１０】
したがって、本発明の浮揚体によって、例えば、制御手段の制御系に外乱などが入力され、浮揚体の基部が回転してしまうような場合でも、浮揚体の方位回転を自動的に安定させ、浮揚体を空中における所定の位置に静止することができるとともに、浮揚体に所定の角度を向くようにユーザ（操作者）によって指令が入力された場合でも、浮揚体を安定的にその所定の角度に静止させるようにすることができる。
【００１１】
また、本発明の浮揚体は、従来の浮揚体のように、２つのロータ（回転翼）のそれぞれの回転数を検出して各ロータを回転数制御することなく、浮揚体の姿勢を所定の角度（指令値）に制御、保持できるので、浮揚体の小型、軽量化に極めて有利である。
ここで、上記別の実施形態の浮揚体では、好ましくは、前記アクチュエータは、超音波モータである。
【００１２】
また、好ましくは、前記方位回転検出手段は、前記基部の角速度を検出する角速度センサと、該角速度センサによって検出されたアナログ信号をアナログ／デジタル変換して前記基部の角速度データを出力するＡＤコンバータと、前記基部の角速度データを所定の時間で積分する積分器とを含む。この場合において、前記角速度センサは、ジャイロセンサであってもよい。
さらに、前記制御手段は、前記積分器によって積分して得られた角度データと、入力指示された角度データとに基づいて、前記基部の角度及び角速度を予測し、補正するように構成されてもよい。
【００１３】
ここで、好ましくは、前記演算手段は、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データから前記速度差制御信号を減算した回転数データで前記２つのロータの一方のロータを回転駆動し、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データと前記速度差制御信号とを加算した回転数データで前記２つのロータの他方のロータを回転駆動するように構成される。
なお、上述の浮揚体において、好ましくは、前記２つのロータは、前記演算手段によって演算された回転数に基づいて、独立して調整可能である。
【００１４】
また、本発明の他の態様において、本発明の浮揚体の方位回転制御装置は、浮揚体の方位回転を制御する方位回転制御装置であって、
前記基部の方位回転を検出する方位回転検出手段と、
前記基部の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとに基づいて、全状態観測器を用いて、前記基部の方位回転を予測及び予測誤差を補正する制御手段と、
前記制御手段によって得られた前記基部の方位回転データから演算された制御量と、前記方位回転検出手段によって検出された前記基部の方位回転データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された前記２つのロータの回転数データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算する演算手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
ここで、好ましくは、前記方位回転検出手段は、前記浮揚体の角速度を検出する角速度センサと、該角速度センサによって検出されたアナログ信号をアナログ／デジタル変換して前記浮揚体の角速度データを出力するＡＤコンバータと、前記浮揚体の角速度データを所定の時間で積分する積分器とを含む。この場合において、前記角速度センサは、ジャイロセンサであってもよい。
また、好ましくは、前記制御手段は、前記積分器によって積分して得られた角度データと、入力指示された角度データとに基づいて、前記浮揚体の角度及び角速度を予測し、補正するように構成される。
【００１６】
また、本発明の別の態様において、本発明の浮揚体の方位回転制御方法は、２つのロータと、角速度センサとを備える浮揚体の方位回転を制御する方法であって、
前記角速度センサの検出データをアナログ／デジタル変換して、実測角速度データとして格納するステップと、
前記実測角速度データを所定の時間だけ積分して実測角度データを得、この実測角度データを格納するステップと、
浮揚体への角度指令値データから前記実測角度データを減算するステップと、
前記浮揚体の挙動を予測制御するために予め設定されたモデルと、前記角速度センサによって検出され積分された前記実測角度データと、前記減算ステップで得られた演算角度データとに基づいて、前記浮揚体の角度及び角速度を予測し、全状態観測器を用いて、前記浮揚体の角度予測値データ及び角速度予測値データを予測及び誤差補正し、制御量を演算して角速度指令値データとして出力するステップと、
前記角速度指令値データと、前記実測角速度データとの差分データに基づいて、ＰＩＤ制御により速度差制御信号を生成して出力するステップと、
前記速度差制御信号と、前記２つのロータを回転駆動するために入力された回転数指令値データとを比較して、前記２つのロータをそれぞれ回転駆動するための回転数データを演算して出力するステップと、
前記演算ステップで出力された回転数データに基づいて、前記２つのロータを回転駆動し、前記浮揚体を空中に浮揚するステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
ここで、好ましくは、本発明の方位回転制御方法は、前記演算角度データが異常値であるか否かを判定するステップを更に有し、
前記演算角度データが異常値であると判定された場合、前記各データを初期化し、前記角速度センサから前記浮揚体の角速度を検出するステップから前記すべてのステップを繰り返すように使用されてもよい。
【００１８】
それに加えて、あるいはその代わりに、好ましくは、本発明の方位回転制御方法は、前記角速度指令値データが異常値であるか否かを判定するステップを更に有し、
前記角速度指令値データが異常値であると判定された場合、前記各データを初期化し、前記角速度センサから前記浮揚体の角速度を検出するステップから前記すべてのステップを繰り返すように使用されてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１９を参照して本発明の浮揚体、浮揚体の方位回転制御装置及び方位回転制御方法の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態は例示として挙げるものであり、これにより本発明の内容を限定的に解釈すべきではない。
【００２０】
図１は、本発明の浮揚体の第１実施形態を示す斜視図（細部は省略）、図２は、図１に示す浮揚体におけるロータを示す側面図、図３は、図１に示す浮揚体における中空中心軸付近を拡大して示す断面側面図、図４は、図１に示す浮揚体における振動体の斜視図、図５は、図１に示す浮揚体における振動体が被駆動体を駆動する様子を示す平面図、図６は、図１に示す浮揚体における振動体の凸部が楕円運動する様子を示す平面図、図７は、図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｘ軸方向移動手段のｙ軸に対して垂直な面での断面図、図８は、図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｘ軸方向移動手段の側面図（フレームや錘要素等は図示省略）、図９は、図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｙ軸方向移動手段のｘ軸に対して垂直な面での断面図、図１０は、図１に示す浮揚体における振動体の斜視図、図１１及び図１２は、それぞれ、図１に示す浮揚体における振動体が被駆動体を駆動する様子を示す側面図、図１３は、図１に示す浮揚体の回路構成を示すブロック図である。なお、以下では、図２、図３、図７、図８及び図９中の上方を「上」、下方を「下」として説明する。
また、図１、図７、図８及び図９において、図示のように、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸（ｘ−ｙ−ｚ座標）を想定する。この場合、ｚ軸は、ロータの回転中心線（軸）と一致又は平行になるように想定される。
【００２１】
これらの図に示す浮揚体１は、基部２と、基部２に対し回転可能に設置され、回転翼３４を備えたロータ（第１のロータ）３と、ロータ３を回転駆動する振動体４と、基部２に対し回転可能に設置され、回転翼５４を備えたロータ（第２のロータ）５と、ロータ５を回転駆動する振動体４と、重心の移動により浮揚体１の姿勢を変更する姿勢変更手段１６とを有している。ロータ３と、ロータ５とは、互いに反対方向に回転し、かつ、同軸的に設けられている。すなわち、この浮揚体１は、２重反転ロータを備えている。以下、各部の構成について説明する。
【００２２】
図２及び図３に示すように、基部２は、ほぼ平板状をなす基板２１と、基板２１から上方に向かって突設（突出形成）された、中空の（ほぼ円筒状の）中空中心軸２４と、振動体取付部２３及び２５とを有している。なお、基部２には、地面（床面）に安定的に接地するための接地脚（図示せず）が設けられていてもよい。
中空中心軸２４には、ロータ３が回転可能に設置されている。このロータ３は、図示しない平面視で時計回りに回転する。
【００２３】
図３に示すように、ロータ３は、ほぼ円筒状をなす筒状部材３１と、筒状部材３１の外側（外周）にそれぞれ固着（固定）された回転翼固定部材３２及び被駆動体３３と、回転翼固定部材３２にそれぞれ固着された２枚の回転翼３４とで構成されている。
図２及び図３に示すように、このロータ３は、筒状部材３１の内腔、すなわち軸孔３５に中空中心軸２４が挿入した状態で基部２に設置されている。中空中心軸２４と、軸孔３５の内面との間には、２つの軸受け１１、１１がそれぞれ設けられており、これにより、ロータ３は、基部２に対し中空中心軸２４（回転中心線３６）を中心として滑らかに回転可能になっている。
軸受け１１は、滑り軸受けで構成されているが、転がり軸受け（ベアリング）であってもよい。
中空中心軸２４の上端部外周には、フランジ部材２６が固着されており、これにより、ロータ３が中空中心軸２４から離脱しないようになっている。
【００２４】
回転翼固定部材３２は、ほぼ円筒状に形成された筒状部３２１と、筒状部３２１の上端部からロータ３の回転中心線３６とほぼ垂直な方向に突出形成された２つの固定部３２２とで構成されている。回転翼固定部材３２は、筒状部３２１の内側に筒状部材３１が挿入した状態で、例えば圧入により、筒状部材３１に固着されている。
【００２５】
２つの固定部３２２は、互いに反対方向に突出している。２つの固定部３２２の上面には、それぞれ、回転翼３４の基端部（根元部）が固着されている。
２枚の回転翼３４は、回転中心線３６から互いに反対側に延びるように設けられている。すなわち、２枚の回転翼３４は、ほぼ１８０°間隔で設けられている。また、回転翼３４は、回転中心線３６に対しほぼ垂直な姿勢で設置されている。
【００２６】
ロータ３が後述する振動体４の駆動により平面視で（図２中上側から見たとき）時計回りに回転すると、回転翼３４には、揚力（回転中心線３６にほぼ平行で上向きの力）が作用する。
なお、ロータ３に設けられた回転翼３４の枚数は、２枚に限らず、３枚以上設けられていてもよい。
【００２７】
筒状部材３１の下端部外周には、被駆動体３３が設けられている。すなわち、被駆動体３３は、回転翼固定部材３２の下側に位置している。
被駆動体３３は、ほぼリング状（円環状）をなしており、その内側に筒状部材３１の下端部が挿入した状態で、例えば圧入により、筒状部材３１に対し固着されている。
【００２８】
なお、筒状部材３１、回転翼固定部材３２、被駆動体３３は、一体的に（一部材で）形成されていてもよい。また、これらに回転翼３４が一体的に形成されていてもよい。
基部２の上側には、このようなロータ３を回転駆動する振動体４が被駆動体３３の外周面３３１に当接するようにして設置されている。
【００２９】
ロータ５は、中空中心軸２４内に挿通（挿入）された回転軸５１と、回転軸５１の上端部に接続部材５２を介して連結（固定）された回転翼固定部材５３と、回転翼固定部材５３にそれぞれ固着された２枚の回転翼５４と、回転軸５１の下端部に固着された被駆動体５５とを有しており、ロータ３と同軸的（同心的）に設置されている。
【００３０】
回転軸５１と、中空中心軸２４の内面との間には、２つの軸受け１３、１３がそれぞれ設けられており、これにより、ロータ５は、基部２に対し滑らかに回転可能になっている。
回転軸５１の上端部は、中空中心軸２４から突出している。回転軸５１の上端部には、接続部材５２が固着されている。
接続部材５２は、ほぼ円筒状をなし、その下端部の内側に回転軸５１の上端部が挿入した状態で、例えば圧入により、回転軸５１に固着されている。
【００３１】
回転翼固定部材５３は、ほぼ円筒状に形成された筒状部５３１と、筒状部５３１の上端部から回転軸５１とほぼ垂直な方向に突出形成された２つの固定部５３２とで構成されている。回転翼固定部材５３は、筒状部５３１の下端部の内側に接続部材５２の上端部が挿入した状態で、例えば圧入により、接続部材５２に固着されている。
【００３２】
固定部５３２は、前記固定部３２２と同様に形成されており、その上面には、回転翼５４の基端部（根元部）が固着されている。
２枚の回転翼５４は、回転中心線３６から互いに反対側に延びるように設けられている。すなわち、２枚の回転翼５４は、ほぼ１８０°間隔で設けられている。また、回転翼５４は、回転軸５１に対しほぼ垂直な姿勢で設置されている。
【００３３】
このような構成により、回転翼５４は、回転翼３４より上側に位置している。また、回転翼３４と回転翼５４とは、ともに、基板２１の上側に位置している。
図３に示すように、回転軸５１の下端部は、基板２１の下面から突出している。回転軸５１の下端部には、ほぼ円盤状をなすハブ５６が固着されている。
【００３４】
被駆動体５５は、被駆動体３３と同様にほぼリング状（円環状）をなしており、被駆動体５５の内側にハブ５６が挿入した状態で、例えば圧入により、ハブ５６に対し固着されている。すなわち、被駆動体５５は、基板２１の下側に位置している。なお、被駆動体５５とハブ５６とは、一体的に（一部材で）形成されていてもよい。
基部２の上側には、このようなロータ５を回転駆動する振動体４が被駆動体５５の外周面５５１に当接するようにして設置されている。
【００３５】
次に、振動体４について、代表的に、ロータ３を回転駆動する振動体４を説明する。
図４に示すように、振動体４は、ほぼ、長方形の板状をなしている。振動体４は、図４中の上側から板状の電極４１と、板状の圧電素子４２と、補強板４３と、板状の圧電素子４４と、板状の電極４５とをこの順に積層して構成されている。なお、図４では、厚さ方向を誇張して示している。
【００３６】
圧電素子４２、４４は、それぞれ、長方形状をなし、電圧を印加することにより、その長手方向に伸長・収縮する。圧電素子４２、４４の構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
【００３７】
これらの圧電素子４２、４４は、補強板４３の両面にそれぞれ固着されている。補強板４３は、振動体４全体を補強する機能を有しており、振動体４が過振幅、外力等によって損傷するのを防止する。補強板４３の構成材料としては、弾性材料（弾性変形し得るもの）であれば特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金、チタン又はチタン合金、銅又は銅系合金等の各種金属材料であるのが好ましい。
この補強板４３は、圧電素子４２、４４よりも厚さが薄い（小さい）ものであることが好ましい。これにより、振動体４を高い効率で振動させることができる。
【００３８】
補強板４３は、圧電素子４２、４４に対する共通の電極としての機能をも有している。すなわち、圧電素子４２には、電極４１と補強板４３とによって交流電圧が印加され、圧電素子４４には、電極４５と補強板４３とによって交流電圧が印加される。すなわち、図１３に示すように、振動体４は、後述する駆動制御回路９に接続されており、その駆動制御回路９により交流電圧が印加されるようになっている。
【００３９】
圧電素子４２、４４は、交流電圧が印加されると長手方向に繰り返し伸縮し、これに伴って、補強板４３も長手方向に繰り返し伸縮する。すなわち、圧電素子４２、４４に交流電圧を印加すると、振動体４は、図４中の矢印で示すように、長手方向に微小な振幅で振動（縦振動）し、凸部４６が縦振動（往復運動）する。
【００４０】
補強板４３の図４中の右端部には、凸部４６が一体的に形成されている。この凸部４６は、補強板４３の幅方向中央（中心線４９）からずれた位置（図示の構成では角部）に設けられている。この凸部４６は、図示の構成では、ほぼ半円形状に突出するように形成されている。
また、補強板４３の長手方向ほぼ中央からは、腕部４８が長手方向とほぼ垂直な方向に突出するように設けられている。この腕部４８には、ボルト１２が挿入する孔４８１が形成されている。
【００４１】
図２、図３及び図５に示すように、このような振動体４は、凸部４６にて被駆動体３３の外周面３３１に当接するように設置されている。すなわち、本実施形態では、振動体４は、被駆動体３３に対し被駆動体３３の半径方向外周側から当接して設置されている。
なお、図示の構成では、外周面３３１は、平滑になっているが、全周に渡り溝を形成し、この溝内に凸部４６が当接することとしてもよい。
【００４２】
図２、図３及び図５に示すように、基板２１から上方に向かって突設された振動体取付部２３には、ネジ穴が形成されており、振動体４は、腕部４８の孔４８１に挿入されたボルト１２によって、この振動体取付部２３に固定されている。
【００４３】
このように、振動体４は、腕部４８によって支持されている。これにより、振動体４は自由に振動することができ、比較的大きい振幅で振動する。また、振動体４は、腕部４８の弾性によって、凸部４６が外周面３３１に圧接された状態で設置されている。
また、振動体４は、回転中心線３６にほぼ垂直な姿勢（回転翼３４にほぼ平行な姿勢）で設置されている。これにより、振動体４が占めるスペースが上下方向に小さく、浮揚体１は、薄型化（回転中心線３６方向の寸法の小型化）に特に有利である。
【００４４】
凸部４６が被駆動体３３の外周面３３１に当接した状態で、圧電素子４２、４４に交流電圧を印加して振動体４を振動させると、被駆動体３３は、振動体４が伸長するときに凸部４６から摩擦力（押圧力）を受ける。
すなわち、図５に示すように、凸部４６の振動変位Ｓの径方向成分Ｓ１（被駆動体３３の径方向の変位）によって、凸部４６と外周面３３１との間に大きな摩擦力が与えられ、振動変位Ｓの周方向成分Ｓ２（被駆動体３３の円周方向の変位）によって、被駆動体３３に図５中の時計回りの回転力が与えられる。
【００４５】
振動体４が振動すると、このような力が被駆動体３３に繰り返し作用し、被駆動体３３は、図５中の時計回りに回転する。これにより、ロータ３は、図５中の（図２中上側から見たときの）時計回りに回転する。
なお、ロータ５を回転駆動する振動体４については、前記ロータ３を回転駆動する振動体４と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
図２に示すように、基板２１からは、前記振動体取付部２３と同様の振動体取付部２５が下方に向かって突設されており、この振動体取付部２５にロータ５を回転駆動する振動体４が図示しないボルトで固定されている。この振動体４は、その凸部４６にて、被駆動体５５の外周面５５１に当接するように設けられている。
【００４７】
ロータ５は、振動体４の駆動により、ロータ３と反対方向、すなわち、図示しない平面視で（図２中上側から見たときの）反時計回りに回転する。
ロータ３が図５中の時計回りに回転すると、回転翼３４に揚力が作用し、また、ロータ５がロータ３と反対方向に回転すると、回転翼５４に揚力が作用し、これらの揚力により、浮揚体１は、空中に浮揚（飛行）する。
【００４８】
なお、ロータ３側には、ロータ３の回転数（回転速度）を検出する回転数検出手段を設けるのが好ましく、ロータ５側には、ロータ５の回転数（回転速度）を検出する回転数検出手段を設けるのが好ましい。
このように、振動体４は、構造が簡単で、小型（特に薄型）・軽量である。また、通常の電磁モータのように磁力で駆動する場合と異なり、前記のような摩擦力（押圧力）によって被駆動体３３、５５を駆動することから、駆動力が大きい。
本発明の浮揚体１は、このような振動体４を用いてロータ３、５を回転駆動するようにしたことにより、小型化（特に薄型化）に極めて有利である。また、軽量化にも有利であり、浮揚体１のペイロード（荷重）を大きくとることができる。また、製造コストの低減も図ることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、前述したように、被駆動体３３が筒状部材３１に固着され、被駆動体３３は、ロータ３と一体になっている。すなわち、振動体４は、ロータ３を直接に回転駆動するようになっており、動力伝達機構や変速機構等が設けられていない（不要である）。ロータ５側も同様に、振動体４は、ロータ５を直接に回転駆動するようになっており、動力伝達機構や変速機構等が設けられていない（不要である）。これにより、浮揚体１は、特に簡単な構造、かつ軽量になっており、小型化・軽量化（ペイロード確保）に特に有利になっている。
【００５０】
なお、前述したように、振動体４は、駆動力が大きいため、本実施形態のように、変速機構（減速機構）を介さなくてもロータ３、５を十分なトルクで回転することができる。
また、本実施形態では、振動体４の面内振動をロータ３、５の回転（面内回転）に直接変換するので、この変換に伴なうエネルギーロスが少なく、ロータ３、５を高い効率で回転駆動することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、凸部４６が被駆動体３３に及ぼす摩擦力（押圧力）の方向は、回転中心線３６に対しほぼ垂直な方向であるため、ロータ３を傾斜させるような力が作用することがなく、ロータ３がより円滑かつ確実に回転する。同様に、ロータ５もより円滑かつ確実に回転する。
なお、図示の構成と異なり、ロータ３を回転駆動する振動体４は、回転中心線３６に平行な方向から被駆動体３３の上面又は下面に当接するように設置されていてもよく、また、ロータ５を回転駆動する振動体４は、ロータ５の回転中心線に平行な方向から被駆動体５５の上面又は下面に当接するように設置されていてもよい。
【００５２】
また、本実施形態の浮揚体１では、ロータ３を回転駆動する振動体４と被駆動体３３とは、基板２１の上側に設けられており、ロータ５を回転駆動する振動体４と被駆動体５５とは、基板２１の下側に設けられている。これにより、基板２１の上側と下側とに各部材を分散して設置することができ、小型化に特に有利である。
また、ロータ３とロータ５との２つが揚力を発生するので、大きな揚力が得られる。
また、ロータ３とロータ５とが互いに反対方向に回転することにより、基部２が受ける反力が相殺され、基部２が回転するのを防止することができる。
【００５３】
特に、ロータ３に対する振動体４と、ロータ５に対する振動体４とを別個に設けたことから、ロータ３の回転数（回転速度）と、ロータ５の回転数（回転速度）とをそれぞれ別個に調整（調節）することができ、これにより、基部２が回転するのをより確実に防止したり、基部２の回転（向き）を制御したりすることができる。
【００５４】
また、ロータ３とロータ５とが同軸的に設けられていることにより、ロータを２つ設けたことによる大型化・重量増加を招来することなく、上記効果を達成することができる。すなわち、小型化・軽量化に有利である。
なお、本発明と異なり、通常の電磁モータを２個設け、これらの電磁モータでロータ３とロータ５とをそれぞれ直接に駆動する場合には、ロータ３とロータ５とを同軸的に設置するのが極めて困難である。これに対し、本発明では、振動体４を用いてロータ３及び５を駆動することにより、容易にロータ３とロータ５とを同軸的に設置することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、中空中心軸２４を設けたことにより、ロータ３（筒状部材３１）とロータ５（回転軸５１）とが擦れ合う（触れ合う）ことがないため、ロータ３及び５は、それぞれ、円滑に回転することができる。
なお、図示の構成では、ロータ３とロータ５とは、直径や、回転翼の枚数（２枚）、回転翼の形状等の条件が同じになっているが、直径、回転翼の枚数、回転翼の形状等の条件が互いに異なるものであってもよい。
また、本発明では、ロータ３とロータ５とが同軸的に設けられていないもの（並設されたもの）であってもよい。
圧電素子４２、４４に印加する交流電圧の周波数は、特に限定されないが、振動体４の振動（縦振動）の共振周波数とほぼ同程度であるのが好ましい。これにより、振動体４の振幅が大きくなり、高い効率でロータ３、５を回転駆動することができる。
【００５６】
前述したように、振動体４は、主に、その長手方向に縦振動するが、縦振動と屈曲振動とを同時に励振し、凸部４６を楕円運動（楕円振動）させることとするのがより好ましい。これにより、より高い効率でロータ３、５を回転駆動することができる。以下、この点について、代表的に、ロータ３を回転駆動する振動体４で説明する。
【００５７】
振動体４が被駆動体３３を回転駆動するとき、凸部４６は、被駆動体３３から反力を受ける。本実施形態では、凸部４６が振動体４の中心線４９からずれた位置に設けられていることから、振動体４は、この反力によって、図５中の一点鎖線で示すように面内方向に屈曲するように変形、振動（屈曲振動）する。なお、図５では、振動体４の変形を誇張して示している。
【００５８】
印加電圧の周波数、振動体４の形状・大きさ、凸部４６の位置などを適宜選択することにより、この屈曲振動の共振周波数を縦振動の共振周波数と同程度にすることができる。このようにすると、振動体４の縦振動と屈曲振動とが同時に起こり、振幅がより大きくなるとともに、凸部４６は、図６中の一点鎖線で示すように、ほぼ楕円に沿って変位（楕円振動）する。
【００５９】
これにより、振動体４の１回の振動において、凸部４６が被駆動体３３を回転方向に送るときには、凸部４６が被駆動体３３により強い力で圧接され、凸部４６が戻るときには、被駆動体３３との摩擦力を低減又は消滅させることができるため、振動体４の振動をロータ３の回転により高い効率で変換することができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、振動体４でロータ３を直接に回転駆動するものとなっているが、本発明では、振動体４がロータ３を間接的に駆動するものであってもよい。すなわち、被駆動体３３をロータ３と別個に設け、被駆動体３３の回転力を回転力伝達機構によってロータ３に伝達するようなものであってもよい。同様に、本実施形態では、振動体４でロータ５を直接に回転駆動するものとなっているが、本発明では、振動体４がロータ５を間接的に駆動するものであってもよい。すなわち、被駆動体５５をロータ５と別個に設け、被駆動体５５の回転力を回転力伝達機構によってロータ５に伝達するようなものであってもよい。これらの場合、回転力伝達機構としては、例えば、歯車列（歯車伝動機構）や、プーリー、ベルト、チェーン等を用いた巻き掛け伝動機構等、いかなる機構を用いるものでもよい。
【００６１】
また、本実施形態では、ロータ３を回転駆動する振動体４は、１つ設置されているが、本発明では、その振動体４を複数設け、被駆動体３３を複数の振動体４で回転駆動してもよい。同様に、本実施形態では、ロータ５を回転駆動する振動体４は、１つ設置されているが、本発明では、その振動体４を複数設け、被駆動体５５を複数の振動体４で回転駆動してもよい。
【００６２】
次に、姿勢変更手段１６について説明する。
図１、図７、図８及び図９に示す姿勢変更手段１６は、重心の移動により、浮揚体１の姿勢を変更（調節）することで、ロータ３及び５の回転中心線（軸）３６を鉛直線（重力の方向）に対して所定方向に所定角度傾斜させるもの（傾きを調節するもの）である。
【００６３】
図１に示すように、姿勢変更手段１６は、回転翼３４及び５４の下方に位置している。すなわち、基部２の基板２１の下側には、十字状をなす基板１６１が設置（固定）されており、姿勢変更手段１６は、この基板１６１に設置（固定）されている。この場合、基板１６１は、その十文字を形成する一方の帯状体がｘ軸と平行となり、他方の帯状体がｙ軸と平行となるように配置されている。
【００６４】
本実施形態における姿勢変更手段１６は、錘要素１４を所定の軸に沿って移動させるリニアアクチュエータであり、錘要素（錘）１４と、錘要素１４をｘ軸方向に移動（変位）させるｘ軸方向移動手段（ｘ軸方向変位手段）１６ｘと、移動手段及び錘要素１４をｙ軸方向に移動（変位）させるｙ軸方向移動手段（ｙ軸方向変位手段）１６ｙとを有している。
なお、前記ｘ軸方向移動手段（ｘ軸方向変位手段）１６ｘ及びｙ軸方向移動手段（ｙ軸方向変位手段）１６ｙで、浮揚体１に対して錘要素１４を変位させる変位手段が構成される。
【００６５】
図７及び図８に示すように、ｘ軸方向移動手段１６ｘは、フレーム（基部）１７１と、スライダ（移動部材）１７５と、フレーム１７１に対し固定的に設けられ、スライダ１７５を案内する棒状のガイド１７２と、フレーム１７１に対し回転可能に設けられたリードスクリュー１７３と、リードスクリュー１７３を回転駆動する振動体４とを有している。
【００６６】
ガイド１７２及びリードスクリュー１７３は、互いに平行で、かつ、ｘ軸と平行となり、リードスクリュー１７３がガイド１７２の下側に位置するように配置されている。
リードスクリュー１７３の図７中右側の端部には、被駆動体１７４が固着（固定）されており、これらリードスクリュー１７３及び被駆動体１７４は、一体となって回転する。
【００６７】
被駆動体１７４は、ほぼリング状（円環状）をなしており、その内側にリードスクリュー１７３の端部が挿入した状態で、例えば圧入により、リードスクリュー１７３に対し固着されている。
なお、リードスクリュー１７３と被駆動体１７４は、一体的に（一部材で）形成されていてもよい。
【００６８】
振動体４は、凸部４６にて被駆動体１７４の外周面１７４１に当接し、かつ、フレーム１７１の図７中右側の内側面と平行になるように、その内側面に設置されている。すなわち、本実施形態では、振動体４は、被駆動体１７４に対し被駆動体１７４の半径方向外周側から当接して設置されている。
なお、図示の構成では、外周面１７４１は、平滑になっているが、全周に渡り溝を形成し、この溝内に凸部４６が当接することとしてもよい。
【００６９】
姿勢変更手段１６の振動体４では、電極を複数に分割し、それらに対して選択的に電圧を印加して、圧電素子を部分的に駆動することにより、面内の縦・屈曲の振動を任意に選択し得るようになっている。すなわち、振動体４への通電状態（振動体４の振動パターン）を変更することにより、振動体４の凸部４６の振動（振動変位）の方向を変え、これにより、被駆動体１７４を図８中時計回りと反時計回り（正方向と逆方向）のいずれの方向にも回転させることができるように構成されている。以下、この振動体４について説明するが、前記ロータ３及び５を回転駆動する振動体４との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【００７０】
図１０に示すように、振動体４は、前記ロータ３及び５を回転駆動する振動体４と同様に、補強板４３の図１０中上側に圧電素子４２、下側に圧電素子４４を積層した構造であるが、圧電素子４２の図１０中上側に、板状の４つの電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄが設置され、圧電素子４４の図１０中下側に、板状の４つの電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄ（電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄは、図示せず、各符号のみを括弧内に示す）が設置されている点で、前記ロータ３及び５を回転駆動する振動体４と異なっている。すなわち、圧電素子４２を４つの長方形の領域にほぼ等しく分割（区分）し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄが設置され、同様に、圧電素子４４を４つの領域に分割（区分）し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄが設置されている。なお、電極４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄの裏側に、それぞれ、電極４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄが配置されている。
【００７１】
一方の対角線上の電極４１ａ及び４１ｃと、これらの裏側に位置する電極４５ａ及び４５ｃとは、すべて電気的に接続され、同時に通電されるようになっており、同様に、他方の対角線上の電極４１ｂ及び４１ｄと、これらの裏側に位置する電極４５ｂ及び４５ｄとは、すべて電気的に接続（以下、単に「接続」と言う）され、同時に通電されるようになっている。
【００７２】
補強板４３は、アース（接地）されており、また、通電される電極４１ａ、４１ｃ、４５ａ及び４５ｃと、電極４１ｂ、４１ｄ、４５ｂ及び４５ｄとは、図示しないスイッチ（切替スイッチ）で切り替わり、そのいずれか一方に交流電圧が印加されるように構成されている。すなわち、図１３に示すように、振動体４は、図示しない前記スイッチを有する後述する駆動制御回路９に接続されており、その駆動制御回路９により、通電される電極が選択され（切り替わり）、交流電圧が印加されるようになっている。
また、凸部４６は、図１０中の右端部（短辺側）であって、補強板４３の幅方向中央（短辺の中央）に設けられている。
【００７３】
図７及び図８に示すように、振動体４の腕部４８の孔４８１には、ガイド１７２の図７中右側の端部が挿入され、振動体４は、そのガイド１７２の端部により、腕部４８の両側に配設された一対のスペーサ１７６を介してフレーム１７１に固定されている。
このように、振動体４は、腕部４８によって支持されている。これにより、振動体４は自由に振動することができ、比較的大きい振幅で振動する。また、振動体４は、腕部４８の弾性によって、凸部４６が外周面１７４１に圧接された状態で設置されている。
【００７４】
振動体４の電極４１ａ、４１ｃ、４５ａ及び４５ｃに通電し、これらの電極４１ａ、４１ｃ、４５ａ及び４５ｃと、補強板４３との間に、交流電圧が印加されると、図１１に示すように、振動体４の電極４１ａ、４１ｃ、４５ａ及び４５ｃに対応する部分がそれぞれ矢印ａ方向に繰り返し伸縮し、これにより、振動体４の凸部４６は、矢印ｂで示す斜めの方向に振動（往復運動）、又は、矢印ｃで示すように、楕円振動（楕円運動）する。被駆動体１７４は、振動体４の電極４１ａ、４１ｃ、４５ａ及び４５ｃに対応する部分が伸長するときに凸部４６から摩擦力（押圧力）を受ける。
すなわち、凸部４６の振動変位Ｓの径方向成分Ｓ１（被駆動体１７４の径方向の変位）によって、凸部４６と外周面１７４１との間に大きな摩擦力が与えられ、振動変位Ｓの周方向成分Ｓ２（被駆動体１７４の円周方向の変位）によって、被駆動体１７４に図１１中の反時計回りの回転力が与えられる。
【００７５】
振動体４が振動すると、このような力が被駆動体１７４に繰り返し作用し、被駆動体１７４は、図１１中の反時計回りに回転する。これにより、リードスクリュー１７３は、図１１中の反時計回りに回転する。
前記と逆に、振動体４の電極４１ｂ、４１ｄ、４５ｂ及び４５ｄに通電し、これらの電極４１ｂ、４１ｄ、４５ｂ及び４５ｄと、補強板４３との間に、交流電圧が印加されると、図１２に示すように、振動体４の電極４１ｂ、４１ｄ、４５ｂ及び４５ｄに対応する部分がそれぞれ矢印ａ方向に繰り返し伸縮し、これにより、振動体４の凸部４６は、矢印ｂで示す斜めの方向に振動（往復運動）、又は、矢印ｃで示すように、楕円振動（楕円運動）する。被駆動体１７４は、振動体４の電極４１ｂ、４１ｄ、４５ｂ及び４５ｄに対応する部分が伸長するときに凸部４６から摩擦力（押圧力）を受ける。
【００７６】
すなわち、凸部４６の振動変位Ｓの径方向成分Ｓ１（被駆動体１７４の径方向の変位）によって、凸部４６と外周面１７４１との間に大きな摩擦力が与えられ、振動変位Ｓの周方向成分Ｓ２（被駆動体１７４の円周方向の変位）によって、被駆動体１７４に図１２中の時計回りの回転力が与えられる。
振動体４が振動すると、このような力が被駆動体１７４に繰り返し作用し、被駆動体１７４は、図１２中の時計回りに回転する。これにより、リードスクリュー１７３は、図１２中の時計回りに回転する。
【００７７】
なお、図１１及び図１２では、それぞれ、振動体４の変形を誇張して示すとともに、腕部４８は図示されていない。
ここで、前記振動体４の形状・大きさ、凸部４６の位置などを適宜選択し、屈曲振動の共振周波数を縦振動の周波数と同程度にすることにより、振動体４の縦振動と屈曲振動とが同時に起こり、凸部４６は、図１１及び図１２中の矢印ｃで示すように、ほぼ楕円に沿って変位（楕円振動）させることができる。また、従来知られているように縦振動と屈曲振動を別々に位相をずらして駆動することにより、楕円振動の長径と短径の比（長径／短径）を変えることができる。
なお、本実施形態では、振動体４の電極を４分割して駆動する場合について説明したが、それは一例であり、本発明では、前述の振動体４の構造や駆動の方法に限定されるものではない。
【００７８】
図７及び図８に示すように、スライダ１７５の上側には、ガイド１７２が挿入される孔１７５１が形成され、下側には、リードスクリュー１７３が挿入される孔１７５２が形成されており、スライダ１７５は、ガイド１７２に沿って移動可能に設置されている。
このスライダ１７５の下端には、錘要素１４が設置（固定）されている。この錘要素１４及びスライダ１７５が錘として作用する。
なお、本実施形態では、錘要素１４は、リードスクリュー１７３より下側に位置しているが、錘要素１４の位置は、特に限定されず、例えば、ガイド１７２とリードスクリュー１７３の間であってもよい。
【００７９】
スライダ１７５の孔１７５２の内側面には、リードスクリュー１７３に螺合する溝が形成されている。
リードスクリュー１７３が図８中反時計回りに回転すると、スライダ１７５は、ガイド（軸）１７２及びリードスクリュー（軸）１７３に沿って図７中左側に移動する。これにより、浮揚体１の重心は、図７中左側に移動し、浮揚中の浮揚体１は、図７中反時計回りに所定角度回転し、その姿勢を変更する。
【００８０】
また、リードスクリュー１７３が前記と逆方向、すなわち、図８中時計回りに回転すると、スライダ１７５は、ガイド１７２及びリードスクリュー１７３に沿って図７中右側に移動する。これにより、浮揚体１の重心は、図７中右側に移動し、浮揚中の浮揚体１は、図７中時計回りに所定角度回転し、その姿勢を変更する。
【００８１】
また、ｘ軸方向移動手段１６ｘは、錘要素１４のｘ軸方向の位置（移動量）を検出する位置検出手段（移動量検出手段）７を有していてもよい。移動量検出手段７を有している場合には、図７及び図８に示すように、位置検出手段７は、外周部に複数のスリットが一定間隔で形成されたスリット板７１と、発光部及び受光部を有するセンサ７２とで構成されている。
【００８２】
本実施形態では、センサ７２として、スリット板７１の外周部（スリットが形成されている部分）へ向けて光を照射する発光素子と、この発光素子から発せられ、スリット板７１のスリットを通過（透過）した光（透過光）を受光（光電変換）する受光素子とを有するフォトインタラプタを用いているが、これに限らず、例えば、スリット板７１の外周部へ向けて光を照射する発光素子と、この発光素子から発せられ、スリット板７１で反射した光（反射光）を受光（光電変換）する受光素子とを有するフォトリフレクタ等を用いてもよい。
【００８３】
スリット板７１は、被駆動体１７４の図７中左側の側面に固定されており、その被駆動体１７４及びリードスクリュー１７３と一体となって回転する。したがって、錘要素１４の移動量は、スリット板７１の回転量に対応する。
また、センサ７２は、フレーム１７１の図７中右側の内側面に設置されている。
【００８４】
振動体４が駆動し、被駆動体１７４、リードスクリュー１７３及びスリット板７１が回転すると、これに伴って、センサ７２からは、パルス（パルス信号）が出力される。このパルスは、後述する駆動制御回路９のθｙ制御回路９２ｙに供給（入力）され、θｙ制御回路９２ｙは、そのパルスを計数し、計数値（パルス数）に基づいて、錘要素１４のｘ軸方向の移動量を得、その移動量から錘要素１４のｘ軸方向の位置を求める。前記錘要素１４の移動量や位置の情報は、錘要素１４をｘ軸方向へ移動させる際の所定の制御や処理に利用される。
なお、位置検出手段７は、光学的に検出するものに限らず、例えば、磁気的に検出するものであってもよい。
【００８５】
次に、ｙ軸方向移動手段１６ｙについて説明するが、前記ｘ軸方向移動手段１６ｘとの相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
図９に示すように、ｙ軸方向移動手段１６ｙは、フレーム（基部）１７１と、フレーム１７１に対し固定的に設けられた棒状のガイド１７２と、フレーム１７１に対し回転可能に設けられたリードスクリュー１７３と、スライダ（移動部材）１７５と、リードスクリュー１７３を回転駆動する振動体４と、錘要素１４及びｘ軸方向移動手段１６ｘのｙ軸方向の位置（移動量）を検出する位置検出手段（移動量検出手段）７とを有しているが、位置検出手段（移動量検出手段）７は有していなくてもよい。
【００８６】
図１に示すように、ｙ軸方向移動手段１６ｙは、基板１６１のｙ軸と平行な帯状体の下側に設置（固定）されている。
また、このｙ軸方向移動手段１６ｙのスライダ１７５の下端には、前記ｘ軸方向移動手段１６ｘが設置（固定）されている。
このｙ軸方向移動手段１６ｙのスライダ１７５、ｘ軸方向移動手段１６ｘ及び錘要素１４が錘として作用する。
この他は、前記ｘ軸方向移動手段１６ｘにおいて、ｘ軸をｙ軸に置き換えたのとほぼ同様であるので、説明を省略する。
【００８７】
振動体４が振動して、リードスクリュー１７３が所定方向に回転すると、スライダ１７５は、ガイド（軸）１７２及びリードスクリュー（軸）１７３に沿って図９中左側に移動する。これにより、浮揚体１の重心は、図９中左側に移動し、浮揚中の浮揚体１は、図９中反時計回りに所定角度回転し、その姿勢を変更する。
【００８８】
また、振動体４が振動して、リードスクリュー１７３が前記と逆方向に回転すると、スライダ１７５は、ガイド１７２及びリードスクリュー１７３に沿って図９中右側に移動する。これにより、浮揚体１の重心は、図９中右側に移動し、浮揚中の浮揚体１は、図９中時計回りに所定角度回転し、その姿勢を変更する。
また、被駆動体１７４、リードスクリュー１７３及びスリット板７１が回転すると、これに伴って、センサ７２からは、パルス（パルス信号）が出力される。このパルスは、後述する駆動制御回路９のθｘ制御回路９２ｘに供給（入力）され、θｘ制御回路９２ｘは、そのパルスを計数し、計数値（パルス数）に基づいて、錘要素１４のｙ軸方向の移動量を得、その移動量から錘要素１４のｙ軸方向の位置を求める。前記錘要素１４の移動量や位置の情報は、錘要素１４をｙ軸方向へ移動させる際の所定の制御や処理に利用される。
【００８９】
次に、錘要素１４について説明する。
図１３に示すように、錘要素１４は、球状のケーシング１４１（図１３には未記入）を有しており、このケーシング１４１内には、駆動制御回路９と、姿勢制御センサ８と、無線通信用の図示しない送受信部と、これら駆動制御回路９、姿勢制御センサ８及び送受信部等の浮揚体１の各部に電力を供給する電池（浮揚体１のエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段）１５とが収納（内蔵）されている。
【００９０】
すなわち、本実施形態では、駆動制御回路９、姿勢制御センサ８、送受信部及び電池１５等が、姿勢変更手段１６の錘要素１４の一部を構成する。これにより、専用の錘の部分（錘としてのみ作用する部分）の重さを軽くすることができるので、浮揚体１を軽量化することができ、浮揚体１のペイロード（荷重）を大きくとることができる。
【００９１】
姿勢制御センサ８は、Ｚ軸の回り（θｚ方向）の回転を検出するジャイロセンサ８１ｚと、Ｘ軸の回り（θｘ方向）の回転を検出するジャイロセンサ８１ｘと、Ｙ軸の回り（θｙ方向）の回転を検出するジャイロセンサ８１ｙとで構成されている。
各ジャイロセンサ８１ｘ、８１ｙ及び８１ｚとしては、それぞれ、例えば、所定値以上の角速度又は角加速度のみを検出するものを用いる。これにより、浮揚体１のθｘ方向、θｙ方向及びθｚ方向における急激な（突発的な）回転のみを検出することができる。
【００９２】
また、駆動制御回路９は、θｚ検出回路９１ｚと、θｘ検出回路９１ｘと、θｙ検出回路９１ｙと、θｚ制御回路９１ｚと、θｘ制御回路９１ｘと、θｙ制御回路９１ｙと、第１の駆動回路９３１と、第２の駆動回路９３２と、ｙ駆動回路９３ｙと、ｘ駆動回路９３ｘと、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の通電される電極を切り替える図示しないスイッチ（切替スイッチ）と、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の通電される電極を切り替える図示しないスイッチ（切替スイッチ）とで構成されている。
【００９３】
第１の駆動回路９３１は、ロータ３を回転駆動する振動体４に接続され、第２の駆動回路９３２は、ロータ５を回転駆動する振動体４に接続されている。
また、ｙ駆動回路９３ｙは、前記電極を切り替えるスイッチを介してｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４に接続され、ｘ駆動回路９３ｘは、前記電極を切り替えるスイッチを介してｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４に接続されている。
また、電池１５としては、例えば、１次電池、２次電池（蓄電池）、燃料電池、太陽電池（光電変換素子と２次電池とを組み合わせたもの）等が挙げられる。
【００９４】
このような浮揚体１に対し、地上（床）には、図示しない操作部（コントローラ）が設けられており、この操作部と浮揚体１とは、無線で通信することができ、前記操作部から浮揚体１を無線で遠隔操作（ロータ３及び５の回転数の調整、錘要素１４のｘ軸方向及びｙ軸方向の位置の調整等）することができるようになっている。
そして、この浮揚体１では、ジャイロセンサ８１ｚによるθｚ方向の検出値と、Ｚ軸方向の指示値（高さ指示値）と、Ｚ軸の回りの指示値（θｚ方向の指示値）とに基づいて、ロータ３及びロータ５の回転数（回転速度）をそれぞれ制御する。
【００９５】
すなわち、Ｚ軸方向の指示値がθｚ制御回路９２ｚへ入力されると、そのＺ軸方向の指示値（高さ）になるように、第１の駆動回路９３１及び第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３及び５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１を上昇又は下降させることができ、また、所定の高さに保持することができる。
【００９６】
また、θｚ方向の指示値がθｚ制御回路９２ｚへ入力されると、そのθｚ方向の指示値（向き）になるように、第１の駆動回路９３１及び第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３及び５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１をθｚ方向に、正逆いずれの方向へも所定量（所定角度）回転させることができ、θｚ方向に、所定の角度（向き）に保持することができる。
【００９７】
また、ジャイロセンサ８１ｚでθｚ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサ８１ｚからθｚ検出回路９１ｚに検出信号が入力され、θｚ検出回路９１ｚでθｚ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｚ制御回路９２ｚへ入力され、θｚ制御回路９２ｚにより、θｚ方向の検出値が０になるように、第１の駆動回路９３１及び第２の駆動回路９３２を介して、ロータ３及び５を回転駆動する各振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｚ方向の回転を防止又は抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
【００９８】
また、この浮揚体１では、ジャイロセンサ８１ｘによるθｘ方向の検出値と、Ｙ軸方向の指示値とに基づいて、錘要素１４のＹ軸方向の位置を制御する。
すなわち、Ｙ軸方向の指示値がθｘ制御回路９２ｘへ入力されると、そのＹ軸方向の指示値になるように、ｙ駆動回路９３ｙを介して、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の駆動が制御される。これにより、錘要素１４及びｘ軸方向移動手段１６ｘがＹ軸方向へ移動し、浮揚体１の重心がＹ軸方向へ移動して、浮揚体１の各ロータ３及び５の回転中心線が、ＹＺ平面内で所定角度回転し、鉛直線に対してｙ軸に向って所定角度傾斜する。
このようにして、浮揚体１を前記回転中心線の傾斜方向に移動（飛行）させることができる。
【００９９】
また、ジャイロセンサ８１ｘでθｘ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサ８１ｘからθｘ検出回路９１ｘに検出信号が入力され、θｘ検出回路９１ｘでθｘ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｘ制御回路９２ｘへ入力され、θｘ制御回路９２ｘにより、θｘ方向の検出値が０になるように、駆動回路７３ｙを介して、ｙ軸方向移動手段１６ｙの振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｘ方向の回転を防止又は抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
【０１００】
また、この浮揚体１では、ジャイロセンサ８１ｙによるθｙ方向の検出値と、Ｘ軸方向の指示値とに基づいて、錘要素１４のＸ軸方向の位置を制御する。
すなわち、Ｘ軸方向の指示値がθｙ制御回路９２ｙへ入力されると、そのＸ軸方向の指示値になるように、ｘ駆動回路９３ｘを介して、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の駆動が制御される。これにより、錘要素１４がＸ軸方向へ移動し、浮揚体１の重心がＸ軸方向へ移動して、浮揚体１の各ロータ３及び５の回転中心線が、ＸＺ平面内で所定角度回転し、鉛直線に対してｘ軸に向って所定角度傾斜する。
このようにして、浮揚体１を前記回転中心線の傾斜方向に移動（飛行）させることができる。
【０１０１】
また、ジャイロセンサ８１ｙでθｙ方向の回転が検出されると、そのジャイロセンサ８１ｙからθｙ検出回路９１ｙに検出信号が入力され、θｙ検出回路９１ｙでθｙ方向の検出値が得られる。その検出値は、θｙ制御回路９２ｙへ入力され、θｙ制御回路９２ｙにより、θｙ方向の検出値が０になるように、駆動回路７３ｙを介して、ｘ軸方向移動手段１６ｘの振動体４の駆動が制御される。これにより、浮揚体１の急激な（突発的な）θｙ方向の回転を防止又は抑制することができ、浮揚体１を安定的に浮揚させることができる。
【０１０２】
以上説明したように、この浮揚体１では、姿勢変更手段１６により、その姿勢を変更、すなわち、姿勢を制御することができ、これにより、容易かつ確実に、浮揚体１を任意の方向（任意の位置）に移動（飛行）させることができる。
また、前記振動体４を用いてリードスクリュー１７３を回転駆動するようにしたことにより、小型化に極めて有利である。また、軽量化にも有利であり、浮揚体１のペイロード（荷重）を大きくとることができる。また、製造コストの低減も図ることができる。
【０１０３】
なお、本実施形態では、振動体４でリードスクリュー１７３を直接に回転駆動するものとなっているが、本発明では、振動体４がリードスクリュー１７３を間接的に駆動するものであってもよい。すなわち、被駆動体１７４をリードスクリュー１７３と別個に設け、被駆動体１７４の回転力を回転力伝達機構によってリードスクリュー１７３に伝達するようなものであってもよい。この場合、回転力伝達機構としては、例えば、歯車列（歯車伝動機構）や、プーリー、ベルト、チェーン等を用いた巻き掛け伝動機構等、いかなる機構を用いるものでもよい。
【０１０４】
また、本実施形態では、リードスクリュー１７３を回転駆動する振動体４は、１つ設置されているが、本発明では、その振動体４を複数設け、被駆動体１７４を複数の振動体４で回転駆動してもよい。
また、本実施形態では、姿勢変更手段１６の重心移動用駆動源、すなわち、リードスクリュー１７３を回転駆動するための駆動源として、振動体４を用いているが、本発明では、振動体４に限らず、例えば、電磁モータ等を用いてもよく、また、振動体４、電磁モータ等の複数種の駆動源を併用してもよい。
【０１０５】
また、本実施形態では、錘要素１４は、１つであるが、本発明では、錘要素１４は、複数設けられていてもよい。
また、本発明では、例えば、錘要素１４を２つ設け、ｘ軸方向移動手段（ｘ軸方向変位手段）１６ｘで、一方の錘要素１４をｘ軸方向に移動（変位）させ、ｙ軸方向移動手段（ｙ軸方向変位手段）１６ｙで、他方の錘要素１４をｙ軸方向に移動（変位）させるように構成してもよい。すなわち、ｘ軸方向移動手段１６ｘと、ｙ軸方向移動手段１６ｙとを独立させ、それぞれに、専用の錘要素１４を設け、ｘ軸方向移動手段１６ｘで、一方の錘要素１４をｘ軸方向に移動させ、ｙ軸方向移動手段１６ｙで、他方の錘要素１４をｙ軸方向に移動させるように構成してもよい。
【０１０６】
また、本発明では、浮揚体１の遠隔操作の方法は、無線操縦に限らず、例えば、有線操縦によるものであってもよい。すなわち、図示しない操作部と浮揚体１とが図示しないリード線（導線）で接続されており、このリード線によって、前記操作部から浮揚体１を遠隔操作するようになっていてもよい。また、前記リード線によって、前記操作部から振動体４等の浮揚体１の各部に電力を供給するようになっていてもよい。
【０１０７】
また、振動体４等の浮揚体１の各部に電力を供給する方法としては、前述した各方法に限らず、例えば、光・電磁波等によってエネルギーを地上から伝送してもよく、また、前述した各方法を任意に組み合わせてもよい。
また、本実施形態では、浮揚体１に対しスライダ１７５が移動する場合について説明したが、本発明では、これに限らず、例えば、前記と逆に、スライダ１７５を基部とし、フレーム１７１を移動部材としてもよい。すなわち、浮揚体１にスライダ１７５を固定し、フレーム１７１に錘要素１４を設け、そのフレーム１７１を移動させる構成であってもよい。この場合は、フレーム１７１、ガイド１７２、リードスクリュー１７３及び錘要素１４の移動により重心が移動する。
【０１０８】
次に、本発明の方位回転制御装置の構成を説明する。図１４は、本発明の浮揚体１の方位回転制御装置１０の主要部の概略的なブロック図である。なお、浮揚体１の構造については既に説明しているので、図１４では、方位回転制御装置１０とそれに関連する構成要素のみを示す。この図１４において、浮揚体１は、Ｃｗ回転翼（上述のロータ３に対応）３と、Ｃｃｗ回転翼（上述のロータ５に対応）５と、角速度センサ１８とを備えている。なお、「Ｃｗ」とは、クロックを意味し、浮揚体１の鉛直上方から見た場合に時計回りの回転方向にＣｗ回転翼３が回転することを意味する。逆に、Ｃｃｗ回転翼５は、浮揚体１の鉛直上方から見た場合に反時計回りの回転方向に回転する。
【０１０９】
また、方位回転制御装置１０は、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１０１と、積分器１０２と、角度制御器１０３と、角速度制御器１０４と、ＮＯＴ回路１０５とを備えている。なお、この方位回転制御装置１０においても主要部のみを示しているが、他の構成要素が含まれていてもよい。以下、方位回転制御装置１０の各構成要素について説明する。
【０１１０】
角速度センサ１８は、浮揚体１の基部２の絶対的な角速度を検出するものであり、例えば、ジャイロセンサなどで構成される。方位回転制御装置１０のＡＤＣ１０１は、この角速度センサ１８によって検出された基部２の角速度を所定の時間間隔でサンプリングし、検出されたアナログデータをデジタルデータに変換するものである。
【０１１１】
ＡＤＣ１０１から出力された角速度のデジタルデータ（実測角速度データ）は、積分器１０２に入力される。積分器１０２は、この実測角速度データを積分して角度データ（実測値からの演算）を演算し、出力するものである。このようにして得られた角度データ（実測角度データ）は、浮揚体１を駆動制御するために入力される所定の角度指令値（角度データ）から減算され、その減算結果（角度データ）が角度制御器１０３に入力される。
【０１１２】
なお、本実施形態では、角速度センサ１８と、ＡＤＣ１０１と、積分器１０２とにより方位回転検出手段２０が構成される。
そして、所定の角速度データ（指令値）を入力したときのＣｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５の回転数検出手段（図示せず）によって検出された回転数データを予め実験などによって求めておく。その実験データに基づいて作成された浮揚体１の方位回転角のモデルベース（制御手段の一部であり、基部２の挙動を予測制御する）のテーブルデータは、図示しないメモリなどから構成される記憶部に予め格納されている。角度制御器１０３は、この記憶部を有している。そして、角度制御器１０３は、記憶部に格納されているモデルベース及び全状態観測器（制御手段の一部であり、予測誤差を吸収する）に基づいて、入力された減算結果データから予測誤差を補正するための補正データを演算するものである。また、角度制御器１０３は、この補正データから制御量を演算し、この角速度指令値（角速度データ）を出力するものである。この角速度指令値によって、浮揚体１の方位回転角は、安定かつ定常性を満たすようなものである。
【０１１３】
ＡＤＣ１０１によって得られた実測角速度データを上記角速度指令値データから減算して得られた減算結果（角速度データ）が角速度制御器１０４に入力される。角速度制御器１０４は、この減算結果に基づいて、ＰＩＤ制御を実行して、Ｃｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５を回転駆動するアクチュエータ（図１に示す浮揚体１では、振動体４）に出力するための速度差制御信号を演算するものである。なお、アクチュエータとしては、振動体４の他に、超音波モータなどが利用されてもよい。
【０１１４】
各回転翼３、５を駆動制御するために入力される回転数指令値（無線操縦などによりリモートコントローラなどから入力される）と、角速度制御器１０４から出力された速度差制御信号とを加算した信号（回転数データ）は、Ｃｃｗ回転翼５を回転駆動するアクチュエータ（振動体４）に出力される。一方、ＮＯＴ回路１０５により反転された速度差制御信号と、各回転翼３、５を駆動制御するために入力される回転数指令値とを加算した信号（回転数データ）、すなわち、回転数指令値から速度差制御信号を減算した信号は、Ｃｗ回転翼３を回転駆動するアクチュエータ（振動体４）に出力される。したがって、浮揚体１の基部２がＣｗ方向に回転しているとき、方位回転制御装置１０は、Ｃｗ回転翼３の回転数を上げ、Ｃｃｗ回転翼５の回転数を下げるように、それぞれのアクチュエータ（例えば、振動体４）を駆動制御する。逆に、浮揚体１の基部２がＣｃｗ方向に回転しているとき、方位回転制御装置１０は、Ｃｗ回転翼３の回転数を下げ、Ｃｃｗ回転翼５の回転数を上げるように、それぞれのアクチュエータ（例えば、振動体４）を駆動制御する。
なお、上記の場合には、角速度センサ１８は、浮揚体１の基部２がＣｗの方向に回転しているとき正（プラス）の信号を出力し、Ｃｃｗの方向に回転しているとき負（マイナス）の信号を出力するものとする。逆に、Ｃｗが負、Ｃｃｗが正の場合には、上記の説明においてＣｗとＣｃｗが入れ替えられる。
【０１１５】
このように、本発明の方位回転制御装置１０は、各回転翼３、５を回転駆動させるそれぞれのアクチュエータを駆動制御しているので、アクチュエータのＣｗ、Ｃｃｗ方向への回転変動や回転特性に関係なく、浮揚体１の基部２の方位回転の安定性及び定常性を確保することができる。したがって、浮揚体１は、浮揚中所定の位置において姿勢を安定させることができる。すなわち、浮揚体１は、本発明の方位回転制御装置１０によって、安定してホバリングすることが可能となる。
【０１１６】
なお、本発明の方位回転制御装置１０に入力される角度指令値データ及び回転数指令値データは、浮揚体１を運転している使用者（ユーザ）から入力されるものであり、浮揚体１に対して無線で遠隔的に送信されるもの（無線操縦）である。角度指令値は、浮揚体１を例えば絶対方位に対して所定の角度に向かせるための角度データ（指示データ）であり、回転数指令値は、浮揚体１を所定の速さで浮揚させ、あるいは所定の高さまで浮揚させるための回転翼（ロータ）３、５の回転数データ（指示データ）である。
【０１１７】
次に、本発明の方位回転制御装置１０の動作を説明する。図１５及び図１６は、浮揚体の方位回転制御方法の処理（方位回転制御処理）を示すフローチャートである。この方位回転制御処理は、浮揚体１に電力が供給され、アクチュエータを駆動可能な状態において常時実行され得る。特に、浮揚体１が２つのロータ３、５を回転駆動して、空中に浮揚している間は、浮揚体１の空中での姿勢を制御するために常時実行され得る。なお、図１５及び図１６のフローチャートにおいては、浮揚体１の基部２をメカ体として説明する。以下、各ステップについて説明する。
【０１１８】
まず、方位回転制御装置１０は、角度制御器１０３及び角速度制御器１０４の各パラメータを初期化するとともに、積分器１０２の積分値を初期化する（ステップＳ１０１）。積分器１０２、角度制御器１０３及び角速度制御器１０４が初期化された状態で、方位回転検出手段２０は、浮揚体１に搭載されている角速度センサ１８からメカ体の角速度データ（アナログ信号）をサンプリングして、ＡＤＣ１０１に出力し（ステップＳ１０２）、アナログデ―タからデジタルデータに変換して（ステップＳ１０３）、このデジタル角速度データを実測角速度データとして図示しない方位回転制御装置１０内の記憶部に格納する（ステップＳ１０４）。
【０１１９】
なお、サンプリングされた角速度データ（角速度センサ１８の出力）は、Ｃｗ方向（時計回り）を正の値とし、Ｃｃｗ方向（反時計回り）を負の値とする。また、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４までの処理は、方位回転制御装置１０の初期化後常時行われており、ＡＤＣ１０１によってＡＤ変換された実測角速度データは、積分器１０２に出力されている。
【０１２０】
積分器１０２は、ＡＤＣ１０１から入力された実測角速度データを積分処理し（ステップＳ１０５）、所定のタイミングで積分処理した結果（積分結果）は、実測角度として図示しない記憶部に格納される（ステップＳ１０６）。
浮揚体１は、図示しないリモートコントローラなどからユーザ（操縦者）によって入力され、送信される角度指令値を受信し（ステップＳ１０７）、この角度指令値と、上記積分処理によって記憶部に格納されている実測角度とを減算する（ステップＳ１０８）。そして、この減算結果（角度データ）は、角度制御器１０３に入力される。
【０１２１】
ここで、ステップＳ１０９において、角度制御器１０３は、上記処理で得られた減算結果（角度差データ）が異常な値であるか否かを判断する。そして、角度差データが異常値である場合には、ステップＳ１０１に移行し（戻り）、再度積分器１０２、角度制御器１０３及び角速度制御器１０４を初期化し、同様の処理を繰り返す。一方、角度指令値が異常値でない（正常な）場合には、ステップＳ１１０に移行する。
【０１２２】
角度制御器１０３は、図示しない記憶部に予め格納されているモデルベースのテーブルデータと、ＡＤＣ１０１から出力され、積分器１０２を通して記憶部に格納されているメカ体の角度（実測角度）と予測値収束パラメータとを抽出し（ステップＳ１１０）、これらのデータを用いて全状態観測器により、メカ体の角度及び角速度を予測及び誤差補正する（ステップＳ１１１）。
【０１２３】
そして、角度制御器１０３は、記憶部に予め格納されている制御量パラメータを抽出し（ステップＳ１１２）、この制御量パラメータと、上記全状態観測器によって予測されたメカ体の角度及び角速度とを用いて、制御量を演算する（ステップＳ１１３）。これらの処理によって得られた制御量は、角速度指令値として記憶部に格納される（ステップＳ１１４）。
【０１２４】
ここで、ステップＳ１１５において、角度制御器１０３は、記憶部に格納されている角速度指令値（角速度データ）が異常値であるか否かを判断する。そして、角度指令値が異常値である場合には、ステップＳ１０１に移行し（戻り）、再度積分器１０２、角度制御器１０３及び角速度制御器１０４を初期化し、同様の処理を繰り返す。一方、角度指令値が異常値でない（正常な）場合には、ステップＳ１１６に移行する。
【０１２５】
角度制御器１０３は、角速度指令値が異常値でない場合、すなわち、角速度指令値が正常値である場合には、その角速度指令値を出力する（ステップＳ１１６）。方位回転制御装置１０は、この角速度指令値からＡＤＣ１０１によってサンプリングされた実測角速度を減算し（ステップＳ１１７）、その減算結果を角速度制御器１０４に入力する。
【０１２６】
角速度制御器１０４は、入力された減算結果（角速度データ）に基づいて、メカ体の角速度をＰＩＤ制御して、速度差制御信号を出力する（ステップＳ１１８）。浮揚体１は、図示しないリモートコントローラなどからユーザ（操縦者）によって入力され、送信される回転数指令値を受信する（ステップＳ１１９）。この回転数指令値は、Ｃｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５に共通に利用されるものである。
【０１２７】
Ｃｃｗ回転翼５については、この受信した回転数指令値と上記速度差制御信号とを加算し（ステップＳ１２０）、その加算回転数データをＣｃｗ回転翼５の回転数指令値として対応するアクチュエータ（振動体４）に出力し、アクチュエータを回転駆動することによって、Ｃｃｗ回転翼５を回転数制御する（ステップＳ１２１）。
【０１２８】
また、Ｃｗ回転翼３については、上記の受信した回転数指令値から上記速度差制御信号を減算し（ステップＳ１２２）、その減算回転数データをＣｗ回転翼３の回転数指令値として対応するアクチュエータ（振動体４）に出力し、アクチュエータを回転駆動することによって、Ｃｃｗ回転翼５を回転数制御する（ステップＳ１２３）。なお、上述のように、角速度センサ１８は、メカ体がＣｗの方向に回転しているとき正（プラス）の信号を出力し、Ｃｃｗの方向に回転しているとき負（マイナス）の信号を出力する。
【０１２９】
上記回転数指令値と上記速度差制御信号を用いた演算処理、並びに、Ｃｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５の回転数制御は、同時に実行され、その後、ステップＳ１０２に移行して、同様の処理を繰り返す。なお、この方位回転制御処理は、浮揚体１への電力供給が止められると割込処理によって自動的に終了するように構成される。しかしながら、方位回転制御処理は、浮揚体１が空中に浮揚しているとき、あるいは、少なくともアクチュエータが駆動され、２つのロータ（Ｃｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５）が回転しているときにのみ実行されてもよく、この場合には、アクチュエータの駆動制御が停止したときに割込処理によって終了する。
【０１３０】
最後に、本発明の浮揚体１、方位回転制御装置１０及び方位回転制御方法を用いて、初期状態において０（ｒａｄ）を向いている浮揚体１に角度０．１（ｒａｄ）の角度指令値を入力した際の、実測角度、実測角速度、角度予測値、角速度予測値、角度誤差及び角速度誤差のステップ応答を示す。図１７〜図１９は、これらのステップ応答を示すグラフである。
【０１３１】
図１７（Ａ）は、浮揚体１の基部２の実測角度（実験値）のステップ応答を示し、図１７（Ｂ）は、浮揚体１の基部２の実測角速度（実験値）のステップ応答を示す。この図１７に示すように、操縦者から角度指令値が入力されたとき、浮揚体１の基部２は、数秒間でその指令された角度に収束し、浮揚体１の基部２の回転がほぼ止まることが分かる。
【０１３２】
図１８（Ａ）は、本発明の方位回転制御装置１０を用いた場合の角度制御器１０３において全状態観測器により補正された浮揚体１の基部２の角度予測値のステップ応答を示し、図１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）に示す角度予測値から演算された浮揚体１の基部２の角速度予測値のステップ応答を示す。また、図１９（Ａ）は、上記ステップ応答における実測角度（図１７（Ａ））と角度予測値（図１８（Ａ））との差分、すなわち、角度誤差を示し、図１９（Ｂ）は、上記ステップ応答における実測角速度（図１７（Ｂ））と角速度予測値（図１８（Ｂ））との差分、すなわち、角速度誤差を示す。
【０１３３】
図１７〜図１９から分かるように、本発明の方位回転制御装置１０及び方位回転制御方法を用いることによって、浮揚体１の基部２の角度及び角速度のステップ応答に概ね等しい予測値のステップ応答を得ることができ、この予測値を使用して良好な制御性能を得ることができる。すなわち、本発明によって、各ロータ（回転翼）の回転数特性を含めた浮揚体１の基部２の角度と角速度の良好な予測及び予測値の補正をすることができ、この予測値から良好な制御性能を得ることができる。したがって、本発明の浮揚体１は、従来の浮揚体のように、各ロータ（回転翼）の回転数を検出して各ロータを回転数制御することなく、浮揚体１の姿勢を所定の角度（指令値）に制御、保持できるので、浮揚体１の小型、軽量化が可能となる。
【０１３４】
以上のように、本発明の浮揚体１及び方位回転制御装置１０は、浮揚体１に搭載されている角速度センサ１８から出力される実測角速度データのみに基づいて、浮揚体１の基部２（メカ体）の絶対方位に対する角度を制御するとともに、基部２がその制御された角度に向いている状態で空中に静止（ホバリング）するように、同軸二重反転回転翼（Ｃｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５）を持つ浮揚体１の各回転翼３、５を回転数制御することとした。
【０１３５】
したがって、本発明によって、例えば、方位回転制御装置の制御系に外乱などが入力され、浮揚体１の基部２が回転してしまうような場合でも、浮揚体１の方位回転を自動的に安定させ、浮揚体１を空中における所定の位置に静止することができるとともに、浮揚体１に所定の角度を向くようにユーザによって指令が入力された場合でも、浮揚体１を安定的にその所定の角度に静止させるようにすることができる。
【０１３６】
また、本発明の方位回転制御装置１０及び方位回転制御方法は、従来のロータの回転数制御において利用されているような各ロータから回転数検出装置によって検出された回転数を利用せずに、浮揚体１の姿勢を安定的に制御できるので、本発明の方位回転制御装置１０及び方位回転制御方法を用いることによって、各ロータの回転数検出装置が不要となり、それによって浮揚体１を小型、軽量化することができる。
【０１３７】
さらに、本発明の浮揚体１及び方位回転制御装置１０によって、浮揚体１の方位回転角も自動制御することができるので、リモートコントローラ（無線装置）などを用いた無線操縦においても、ユーザ（操縦者）は、方位角度信号を入力して指令するだけで浮揚体１の姿勢を自動的に制御することができる。
なお、本発明の方位回転制御装置１０及び方位回転制御方法は、同軸二重反転構造を採用する小型ヘリコプタ玩具やロボットなどに利用することが可能である。
【０１３８】
なお、本発明の上記実施形態では、浮揚体１として同軸二重反転回転翼構造を有する浮揚体を用いて説明したが、本発明は、上述の方位回転制御方法を利用して浮揚体の姿勢（方位回転）を制御できる限りにおいて、同軸二重反転回転翼構造を有する浮揚体に限定されず、２つのロータを有する他の浮揚体、例えば、主ロータとテールロータを備える浮揚体（ヘリコプタ）などにも適用することができる。
【０１３９】
また、本発明の上記実施形態では、方位回転制御装置１０及び方位回転検出手段２０は、浮揚体１に搭載されているものとして説明したが、本発明は、この構成に限らず、例えば、本発明の浮揚体は、方位回転検出手段２０の積分器１０２及び方位回転制御装置１０が無線操縦するための図示しないリモートコントローラ側に設置され、ＡＤＣ１０１から出力される角速度データ（デジタルデータ）を浮揚体１からリモートコントローラに送信し、リモートコントローラで各種処理を実行して得られたＣｗ回転翼３及びＣｃｗ回転翼５の回転数指令制御値を浮揚体１に送信するように構成されてもよい。
【０１４０】
以上、本発明の浮揚体、浮揚体の方位回転制御装置及び方位回転制御方法を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、方位回転制御装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、本発明の浮揚体及び／又は方位回転制御装置に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浮揚体の第１実施形態を示す斜視図（細部は省略）である。
【図２】図１に示す浮揚体におけるロータを示す側面図である。
【図３】図１に示す浮揚体における中空中心軸付近を拡大して示す断面側面図である。
【図４】図１に示す浮揚体における振動体の斜視図である。
【図５】図１に示す浮揚体における振動体が被駆動体を駆動する様子を示す平面図である。
【図６】図１に示す浮揚体における振動体の凸部が楕円運動する様子を示す平面図である。
【図７】図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｘ軸方向移動手段のｙ軸に対して垂直な面での断面図である。
【図８】図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｘ軸方向移動手段の側面図（フレームや錘要素等は図示省略）である。
【図９】図１に示す浮揚体における姿勢変更手段のｙ軸方向移動手段のｘ軸に対して垂直な面での断面図である。
【図１０】図１に示す浮揚体における振動体の斜視図である。
【図１１】図１に示す浮揚体における振動体が被駆動体を駆動する様子を示す側面図である。
【図１２】図１に示す浮揚体における振動体が被駆動体を駆動する様子を示す側面図である。
【図１３】図１に示す浮揚体の回路構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の浮揚体の方位回転制御装置の主要部の概略的なブロック図である。
【図１５】浮揚体の方位回転制御方法の処理を示すフローチャートの一部である。
【図１６】浮揚体の方位回転制御方法の処理を示すフローチャートの一部である。
【図１７】浮揚体の基部の実測角度及び実測角速度（実験値）のステップ応答を示す。
【図１８】本発明の方位回転制御装置を用いた場合の角度制御器においてモデリング及び補正された浮揚体の基部の角度予測値及び角速度予測値のステップ応答を示す。
【図１９】図１７及び図１８のステップ応答における実測角度と角度予測値との角度誤差及び実測角速度と角速度予測値との角速度誤差を示す。
【符号の説明】
１……浮揚体、２……基部、１０……方位回転制御装置、１０１……ＡＤＣ、１０２……積分器、１０３……角度制御器、１０４……角速度制御器、１０５……ＮＯＴ回路、２１……基板、２３……振動体取付部、２４……中空中心軸、２５……振動体取付部、２６……フランジ部材、３……ロータ（Ｃｗ回転翼）、３１……筒状部材、３２……回転翼固定部材、３２１……筒状部、３２２……固定部、３３……被駆動体、３３１……外周面、３４……回転翼、３５……軸孔、３６……回転中心線、４……振動体、４１、４５……電極、４１ａ〜４１ｄ……電極、４５ａ〜４５ｄ……電極、４２、４４……圧電素子、４３……補強板、４６……凸部、４８……腕部、４８１……孔、４９……中心線、５……ロータ（Ｃｃｗ回転翼）、５１……回転軸、５２……接続部材、５３……回転翼固定部材、５３１……筒状部、５３２……固定部、５４……回転翼、５５……被駆動体、５５１……外周面、５６……ハブ、７……位置検出手段、７１……スリット板、７２……センサ、８……姿勢制御センサ、８１ｘ、８１ｙ、８１ｚ……ジャイロセンサ、９……駆動制御回路、９１ｘ……θｘ検出回路、９１ｙ……θｙ検出回路、９１ｚ……θｚ検出回路、９２ｘ……θｘ制御回路、９２ｙ……θｙ制御回路、９２ｚ……θｚ制御回路、９３１……第１の駆動回路、９３２……第２の駆動回路、９３ｘ……ｘ駆動回路、９３ｙ……ｙ駆動回路、１１……軸受け、１２……ボルト、１３……軸受け、１４……錘要素、１４１……ケーシング、１５……電池、１６……姿勢変更手段、１６ｘ……ｘ軸方向移動手段、１６ｙ……ｙ軸方向移動手段、１６１……基板、１７１……フレーム、１７１１……突出部、１７２……ガイド、１７３……リードスクリュー、１７４……被駆動体、１７４１……外周面、１７５……スライダ、１７５１、１７５２……孔、１７６……スペーサ、１８……角速度センサ、２０……方位回転検出手段、Ｓ１０１〜Ｓ１２３……ステップ
【図１】
2004249005.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図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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