(57)【要約】【課題】  左の羽が流体に及ぼす力の水平成分と右の羽が流体に及ぼす力の水平成分とを左右非対称にする機構を備えることで、効率的に、空中での水平方向の回転運動が可能な羽ばたき装置を提供する。【解決手段】  羽ばたき置が、一連の打ち下ろし動作および打ち上げ動作の間の時間平均で、羽部が流体に及ぼす力のうち、水平右（左）向きの力を、水平左（右）向きの力よりも大きくする機能を有する。【選択図】        図１
2005067355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部および左羽部と、
前記右羽部および前記左羽部のそれぞれに、羽ばたき動作を行わせる駆動部と、
前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載された本体部とを備え、
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
一回または複数回の羽ばたき動作の時間平均において、
前記左羽部および前記右羽部のうちの一方の羽ばたき動作が前記流体に及ぼす力の水平成分ベクトルと、前記左羽部および前記右羽部のうちの他方の羽ばたき動作が前記流体に及ぼす力の水平成分ベクトルとが、左右非対称になるように、
前記駆動部は、前記左羽部および前記右羽部に互いに異なる態様の羽ばたき動作を行わせる、羽ばたき装置。
【請求項２】
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせる、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項３】
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置と前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせる、請求項１に記載の羽ばたき装置。
【請求項４】
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと前記左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一になるように駆動する、請求項３に記載の羽ばたき装置。
【請求項５】
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき動作の周波数と前記左羽部の羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一になるように駆動する、請求項１〜４に記載の羽ばたき装置。
【請求項６】
前記本体部が左旋回または右旋回する場合には、
前記駆動部は、前記右羽部および前記左羽部に、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になる羽ばたき動作をさせた後、前記左旋回または前記右旋回のための羽ばたき動作を開始させる、請求項１〜５に記載の羽ばたき装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、停空飛翔可能な羽ばたき装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、停空飛翔可能な飛行装置として、ヘリコプター、気球、または飛行船などが存在する。これらの飛行装置は、いずれも、浮上力を発生させる機構とは別に、停空飛翔状態での水平方向の回転制御のための機構が必要である。例えば、ヘリコプターは、浮上力を発生させるメインローターだけでは、機体の水平方向の回転の制御をすることができない。そのため、ヘリコプターには、通常、テイルローター、またはそれと等価な水平方向への風圧発生装置が用いられている。
【特許文献１】特開平７−３０４４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、水平方向の回転制御のために、浮上力発生機構とは別の機構が用いられれば、その別の機構自体が消費するエネルギーが発生する。また、別の機構の重量が、飛行装置の機体全体の重量を増大させる。それにより、浮上力発生機構は、大きな浮上力を発生させる能力が要求される。その結果、飛行装置が消費するエネルギーがさらに増大する。
【０００４】
例えば、特開平７−３０４４９９号公報のヘリコプターの場合、テール部分に追加された「横方向操縦装置」の分だけ、消費エネルギーが増加してしまう。
【０００５】
さらに、一般に、ヘリコプターには、メインローターから機体が受けるトルクによって、所定の一方向に回転力が常にかかっている。そのため、ヘリコプターは、回転を伴わない通常の停空飛翔状態を維持するためだけでも、テールローター、または上記文献に記載の「横方向制御装置」で風圧を水平方向に発生し続けなければならない。また、ヘリコプターは、メインローターから受ける回転とは逆方向へ機体を回転させるときには、さらに大きな風圧を水平方向に発生させる必要がある。そのため、ヘリコプターは、非常に駆動効率が低い。
【０００６】
本発明は、従来の停空飛翔可能な飛行装置における、前述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、流体中で効率よく水平方向の回転が可能な羽ばたき装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に記載の羽ばたき装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部および左羽部を備えている。また、右羽部および左羽部のそれぞれは、駆動部により駆動されて羽ばたき動作を行なう。また、左羽部および右羽部は、駆動部が搭載された本体部に取付けられている。
【０００８】
上記のような羽ばたき装置は、本体部が左旋回または右旋回する場合には、駆動部が、左羽部および右羽部それぞれに互いに異なる態様の羽ばたき動作を行なわせる。それにより、一回または複数回の羽ばたき動作の時間平均において、左羽部および右羽部のうちの一方の羽ばたき動作が流体に及ぼす力の水平成分ベクトルと、左羽部および右羽部のうちの他方の羽ばたき動作が流体に及ぼす力の水平成分ベクトルとが左右非対称になる。
【０００９】
上記構成によれば、右羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分と、左羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分とに差を生じさせることができる。それにより、羽ばたき装置は、その重心の周りに左右方向の旋回を行なうことが可能になる。
【００１０】
前述の場合に、駆動部は、右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせてもよい。また、前述の場合に、駆動部は右羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置と左羽部の羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせてもよい。これによれば、羽ばたき装置は、複雑な羽ばたき方をすることなく、左右方向の旋回をより容易に行なうことができる。
【００１１】
さらに、羽ばたき動作の振幅の中心位置を異ならせる場合には、右羽部の羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽部の羽ばたきの羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一であることが望ましい。
【００１２】
このようにすれば、右羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分と、左羽部の羽ばたき動作により生じる流体力の水平成分との差のみが生じる。つまり、右羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分と、左羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分とがほぼ同一である状態で、羽ばたき装置を左または右に旋回させることができる。その結果、本体部は、揺れが生じることなく、安定して左または右に旋回することができる。
【００１３】
また、前述の場合には、右羽部の羽ばたき動作の周波数と左羽部の羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一になることが望ましい。
【００１４】
この構成によれば、右羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分と、左羽部の羽ばたき動作により発生する流体力の垂直成分とをほぼ同一にすることが容易になる。また、右羽部の羽ばたき動作の位相と左羽部の羽ばたき動作の位相とがほぼ同一になる。そのため、本体部に加わる横揺れを低減することが可能になる。
【００１５】
また、羽ばたき装置は、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になった後、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を開始することが望ましい。
【００１６】
この構成によれば、羽ばたき装置は、所定の位置に留まった状態で、左または右への旋回を開始することができる。そのため、本体部は、揺れを伴わずに、安定して左または右に旋回することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態の羽ばたき装置を図を参照して説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１〜図１８を用いて、実施の形態１の羽ばたき装置を説明する。
【００１９】
本実施の形態の羽ばたき装置１は、図１に示すように、本体５００に右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂが設けられている。また、右羽軸１０８ａには右羽１０７ａが設けられており、左羽軸１０８ｂには左羽１０７ｂが設けられている。右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂそれぞれは、本体５００内に設けられた駆動部により制御される。
【００２０】
また、本実施の形態の羽ばたき装置１の左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれは、図１に示すストローク面１０内を所定の振幅で往復運動する。つまり、ストローク面１０は、羽ばたき装置１の右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂが描く軌跡を含む面である。また、ストローク面１０は、水平面（ＸＹ平面）に対して、角θだけ傾いているものとする。ここでは、説明を簡単にするため、ＹＺ平面とストローク面１０との交線をＳ軸とする。また、Ｓ軸とＹ軸とがなす角はθである。
【００２１】
また、羽ばたき装置１は、ＺＹ平面に対して鏡面対称である、すなわち、左右対称である。したがって、羽ばたき装置１がホバリングして所定の位置に留まっているときは、右羽軸１０８ａと左羽軸１０８ｂとは左右対称の動作を行なうとともに、右羽１０７ａと左羽１０７ｂとは左右対称の位置関係を保持しながら移動する。つまり、ホバリング中には、羽ばたき装置１は、空間内において左右対称の流体力を生じさせる。
【００２２】
また、以下の説明では、羽ばたき装置の重心Ｇは、図１に示すように、Ｙ軸上の正方向の位置にあるものとする。ただし、重心Ｇの位置は、座標の原点Ｏと重なっていなければ、Ｙ軸上の正方向の位置に限定されるものではない。
【００２３】
また、以下の説明では、簡単のため、右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとは同じであるものとする。ただし、以下で述べる本実施の形態の羽ばたき装置１により得られる効果が損なわれないのであれば、右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとが同じであることは、特に限定条件とはならない。
【００２４】
右羽１０７ａの羽ばたき周波数ｆと左羽１０７ｂの羽ばたき周波数ｆとが異なると、特に、右羽１０７ａの羽ばたき動作の位相と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の位相とがほぼ１８０°ずれた状態になったときに、本体５００が左右方向(水平方向）に揺れる。そのため、安定性を重視する場合には、右羽１０７ａと左羽１０７ｂとを同じ羽ばたき周波数で動作させることが望ましい。なお、本実施の形態では、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき周波数ｆ同士が互いに異なることに起因して、右羽１０７ａの羽ばたき動作による浮上力と左羽１０７ｂの羽ばたき動作による浮上力との差異は発生しないものとする。
【００２５】
羽ばたき装置１は、ホバリングしているときには、移動することなく空間の所定の位置に留まっていることになる。そのため、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂの１周期の羽ばたき動作で生じる鉛直下向きの流体力の時間平均の値と羽ばたき装置１にかかる重力とが釣り合っている必要がある。
【００２６】
図２は、本実施の形態の羽ばたき装置１がホバリング状態から左右のいずれかに旋回する状態へ変化する場合に、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂの振幅の中心位置が変化することを説明するための図である。図２には、左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれが、Ｘ軸を振幅の中心として正側にγ度回動し、その後、振幅の中心の負側にγ度回動する様子が実線で示されている。この状態では、羽ばたき装置１は左右のいずれの方向へも旋回しない。
【００２７】
また、羽ばたき装置１が左右いずれかへ旋回する場合には、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂは、図２の実線で示す状態から点線で示す状態に変化する。すなわち、左羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれの回動（羽ばたき）の範囲が、ＸＳ平面内においてΔγ度だけ反時計まわりにずれる。それにより、右羽軸１０８ａの回動の振幅（羽ばたき角）の中心位置は、Ｘ軸からΔγ度だけ反時計まわりにずれる。また、左羽軸１０８ｂの回動の振幅の中心位置は、Ｘ軸からΔγ度だけ反時計まわりにずれる。このとき、羽ばたき装置１は、右方向（羽ばたき装置１を上側から見て右回り）へ旋回する。
【００２８】
また、羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち前後方向の成分、すなわち図１のＹ軸方向（Ｓ軸）の成分は、互いに打ち消しあっていなければならない。また、羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち左右方向の成分、すなわち図１のＸ軸方向の成分も、互いに打ち消しあっていなければならない。これらの詳しい考察は、後述する実施の形態２の２軸の羽ばたきロボットの説明で述べられている。
【００２９】
次に、前述の羽ばたき装置１の羽ばたき動作により生成される流体力のうち左右方向の成分について、図３を用いて説明する。
【００３０】
図３は、ホバリング時の打ち降ろしの際に、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆを示している。ただし、図３では、右羽軸１０８ａおよび左羽軸１０８ｂのみが示されている。また、右羽１０７ａは、右羽軸１０８ａに接続されているとともに、ストローク面１０に対して垂直な方向の面内に存在する。また、左羽１０７ｂは、左羽軸１０８ｂに接続されているとともに、ストローク面１０に対して垂直な方向の面内に存在するものとする。
【００３１】
このとき、右羽軸１０８ａの羽ばたき角２γ（羽ばたき動作の振幅）と左羽軸１０８ｂの羽ばたき角２γ（羽ばたき動作の振幅）とは同じ大きさである。また、右羽軸１０８ａの羽ばたき動作の振幅の中心および左羽軸１０８ｂの羽ばたき動作の振幅の中心それぞれは、Ｘ軸上に存在するものとする。
【００３２】
また、打ち下ろしの羽ばたき動作の間においては、左右成分（Ｘ軸方向成分）として、次のような力が羽に作用している。右羽１０７ａには、力−Ｆｘｒまたは力＋Ｆｘｒが作用する。また、左羽１０７ｂには、力＋Ｆｘｌまたは力−Ｆｘｌが作用する。また、羽ばたき動作の所定のタイミングにおいては、右羽１０７ａにより生成される力Ｆと左羽１０７ｂにより生成される力Ｆとが同じ大きさであるとすれば、常にＦｘｒ＝Ｆｘｌの関係が成立する。したがって、Ｘ軸方向においては、右羽１０７ａにより生成される力Ｆと左羽１０７ｂにより生成される力Ｆとは互いに打ち消しあうことになる。
【００３３】
一方、右回転（右回りの旋回）を行なう場合には、羽ばたき装置１は、図４に示すように、右羽１０７ａの羽ばたく範囲（羽ばたき角２γにより示される範囲）を、反時計まわりにΔγだけずらす。このとき、羽ばたき装置１は、左羽１０７ｂの羽ばたく範囲（羽ばたき角２γにより示される範囲）も、反時計まわりにΔγだけずらす。すなわち、羽ばたき装置１は、ストローク面１０内で、右羽１０７ａの羽ばたき運動の振幅（回動）の中心位置と左羽１０７ｂの羽ばたき運動の振幅（回動）の中心位置とを結ぶ線を、Δγだけ反時計回りに回転させる。
【００３４】
それにより、図４に示すように、羽の打ち下ろし時の力Ｆの左右方向成分（Ｘ軸方向成分）は、右羽１０７ａにおいては、−Ｆｘｒ１または＋Ｆｘｒ２である。このとき、左羽１０７ｂに関しては、力Ｆの左右方向成分（Ｘ軸方向成分）は、＋Ｆｘｌ１または−Ｆｘｌ２である。また、所定のタイミングの左右方向成分の力Ｆは互いに同じ大きさである。ただし、図４から分かるように、Ｆｘｒ２＞Ｆｘｌ２、かつＦｘｒ１＜Ｆｘｌ１の関係が成立する。そのため、左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力は、Ｘ軸に関しては負方向よりも正方向に大きくなる。したがって、右羽軸１０８ａとＳ軸との交点および左羽軸１０８ｂとＳ軸との交点のそれぞれには、前述の流体力の反作用として、Ｘ軸の負方向への力が作用する。ただし、重心Ｇは、Ｙ軸の正の位置（Ｓ軸において正側）にあるため、羽ばたき装置１は、右方向へ回転することになる、すなわち、図４において反時計まわりに回転する。なお、羽ばたき装置１を左旋回させる場合には、図２において、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれの羽ばたく範囲（図２の羽ばたき角２γにより示される範囲）を時計回りにΔγだけずらせばよい。
【００３５】
また、打ち上げ時には、打ち下ろし時に左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれに加わる力と逆の方向の力が、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれに加わる。つまり、打ち上げ時には、打ち下ろし時に羽ばたき装置１に加えられる回転力とは逆の回転力が、羽ばたき装置１に加えられる。したがって、打ち上げ時と打ち下ろし時とを比較して、ストローク面１０と左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれとの間の交差角(位置関係）が同じである場合には、羽ばたき装置１は左右に旋回できない。
【００３６】
そこで、打ち上げ時には、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれがストローク面１０にほぼ平行になるように、左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂそれぞれをひねる。それにより、打ち上げ時には、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆが、打ち下ろし時に左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆよりも小さくなる。その結果、羽ばたき装置１は、打ち下ろし時の左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれが流体に及ぼす力Ｆを利用して、左右方向のいずれかに旋回することができる。
【００３７】
つまり、羽ばたき装置１の左右方向の旋回に関しては、次のようなことが言える。
【００３８】
左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力の鉛直成分の羽ばたき動作の１周期での平均値が、羽ばたき装置１の重力よりも大きい。また、左右の羽１０７ａ，１０７ｂが流体に及ぼす力の水平方向成分の羽ばたき動作の１周期での平均値については、左右の羽１０７ａ，１０７ｂのうちのいずれか一方の羽が流体に及ぼす力の水平成分が、他方の羽が流体に及ぼす力の水平成分よりも大きい。
【００３９】
たとえば、打ち上げ時に、駆動部は、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの主表面それぞれとストローク面１０とが平行になるように、羽軸１０８ａ，１０８ｂそれぞれを自転させる。それにより、打ち上げ時に、力Ｆの左右方向成分が０になる。その結果、打ち上げ時の左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作が左右方向の旋回に及ぼす悪影響を小さくすることができる。
【００４０】
上記説明では、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）は、ホバリング時および左右方向の旋回時のいずれにおいても、角度２γで表される。このとき、羽ばたき装置１が左右方向へ旋回するためには、左羽１０７ａの羽ばたき動作により発生する力Ｆの水平成分と右羽１０７ｂの羽ばたき動作により発生する力Ｆの水平成分とは異なっていればよい。そのため、たとえば、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）のうち一方だけが２γ±Δγとなるように、駆動部が羽軸１０８ａ，１０８ｂを制御する場合においても、羽ばたき装置１は左右方向の旋回をすることができる。
【００４１】
図５〜図８は、図３の状態において、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）だけが変化したときの左右の羽軸１０８ａ，１０８ｂの状態を示す図である。図５および図６には、羽ばたき装置１が右旋回する場合が示され、図７および図８には、羽ばたき装置１が左旋回する場合が示されている。
【００４２】
本実施の形態の羽ばたき装置１においては、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）および左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）のうちいずれか一方のみを変化させる例が示されている。しかしながら、羽ばたき装置１は、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）の変化の度合と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）の変化の度合とが異なるものであってもよい。
【００４３】
このように、羽ばたき装置１を回転運動（左右旋回）をさせる制御方法としては、（１）左右の羽の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）を異ならせるように制御する手法、（２）羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角）は同じであっても、羽ばたき角の範囲、すなわち羽ばたきの動作の振幅の中心を左右の羽で非対称にする手法、という２つの手法が考えられる。ただし、（１）の手法の場合には、浮上力に関係する鉛直方向成分が、左右の羽で互いに異なってしまう。そのため、回転運動（左右旋回）を長く続ける必要がある場合には、（２）の手法を用いることが望ましい。
【００４４】
ここで、前述の本実施の形態の羽ばたき装置１の具体例を検討する。
【００４５】
スローク面１００の角θ＝９０°であると仮定する。前述のように、打ち下ろし時の右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれと、ストローク面１０とがなす角は９０°である。また、打ち上げ時の右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれと、ストローク面１０とがなす角は０°である。また、前述の力Ｆの鉛直方向の時間平均値（浮上力）Ｆ⊥は、空気密度をρ、羽の幅をｗ、羽の長さをｌ、羽ばたき周波数をｆ、羽ばたき角を２γとした場合、次式で表される。
【００４６】
Ｆ⊥＝（π３／１２）ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３・γ２・（３＋ｃｏｓγ）
一方、力Ｆの水平方向成分のうち、図３〜図８に示された羽ばたき位相τ＝０〜π／２までの部分の時間平均値Ｆ〃は、その部分の羽ばたき角をγとした場合、
Ｆ〃＝（２π２／９）・ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３・γ２・ｓinγ
で表される。
【００４７】
図４に示す角γが５０°，６０°，７０°それぞれである場合において、Δγを変化させた時のＦ〃の変化態様を図９に示す。図９において、縦軸のＦ〃は、ρ・ｗ・ｆ２・ｌ３で正規化されている。図９から分かるように、力Ｆ〃はΔγにほぼ比例する。そのため、羽ばたき装置１の回転（左右の旋回）の角加速度もΔγにほぼ比例する。したがって、前述のような本実施の形態の羽ばたき装置１の左または右への旋回手法によれば、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの制御が容易になる。
【００４８】
実際には、１気圧、２５℃での空気の密度ρ＝１.１８ｍｇ／ｃｍ３、左右の羽１０７ａ，１０７ｂそれぞれについて、幅ｗ＝１ｃｍ、長さｌ＝３ｃｍ、羽ばたき周波数ｆ＝４０Ｈｚ、羽ばたき角γ＝６０°であると仮定とすると、Ｆ⊥＝５．０６ｇ重となっている。この場合、羽ばたき装置１は、その重量が約５ｇ程度であれば、ホバリングすることができる。
【００４９】
このとき、Δγ＝２０°とすれば、Ｆ〃＝２．８３ｇ重となる。また、重心の座標 Ｙｇ＝０．５ｃｍ、羽ばたき装置１の回転モーメントＩ＝０．５ｇ・ｃｍ２とすれば、回転の角加速度はβ＝２７７０ｒａｄ／ｓ２となる。このことから、左右の羽１０７ａ，１０７ｂの羽ばたき動作それぞれは、回転角が９０°に達するまで加速し、その後、減速すると仮定した場合、羽ばたき装置１が左または右へ回転することにより、その姿勢を１８０°反転させるために要する時間は６８ｍｓである。つまり、羽ばたき装置１は、非常に短い時間（約３周期の羽ばたき動作）で、１８０°旋回することが可能である。
【００５０】
次に、図１０〜図１７を用いて、図１〜９を用いて説明した前述の本発明の羽ばたき装置を実現することが可能な実施の形態の羽ばたき装置１の具体的構造を説明する。
【００５１】
（主要な構成）
次に、実施の形態１の羽ばたき装置の主要な構成について説明する。図１０に示すように、本体５００の上部に、右アクチュエータ２１と左アクチュエータ２２とが固定されている。右アクチュエータ２１には右羽軸１０８ａが取付けられている。また、左アクチュエータ２２には左羽軸１０８ｂが取付けられている。
【００５２】
アクチュエータ２１は、右羽軸１０８ａを支点Ａ１を略中心として３自由度をもって回転させることができる。アクチュエータ２２は、左羽軸１０８ｂを支点Ａ２を略中心として３自由度をもって回転させることができる。アクチュエータ２１および２２それぞれの回転は、本体部５００に搭載された制御装置４によって制御される。
【００５３】
また、本体部５００には、加速度センサ５１および角加速度センサ５２が搭載されている。加速度センサ５１および角加速度センサ５２それぞれの検出結果は制御装置４に送られる。制御装置４では、加速度センサ５１および角加速度センサ５２ぞれぞれから送られてくる情報によって羽ばたき装置１の浮上の状態を検知する。制御装置４では、飛行目的位置および羽ばたき装置１の姿勢により左右アクチュエータ２１,２２の駆動態様が決定される。
【００５４】
なお、左右アクチュエータ２１,２２、制御装置４、加速度センサ５１、および角加速度センサ５２は、電源６に供給される電流によって駆動される。
【００５５】
（アクチュエータ）
アクチュエータ２１,２２としては、起動トルクが大きいこと、往復運動を確実に実現できること、および構造が簡単なことなどの理由から圧電素子（ピエゾ）を用いたものが望ましい。このようなアクチュエータは、超音波モータと呼ばれ、圧電素子の振動により発生した超音波進行波によって駆動する。
【００５６】
図１１および図１２は、市販の超音波モータ２３を示す。図１１および図１２に示すように、アルミニウムの円盤２３１の下面には圧電素子２３０が貼り付けられている。また、円盤２３１の上面には複数の突起２３２〜２３７が設けられている。各突起２３２〜２３７は円盤２３１の中心を重心とする正六角形の頂点の位置にそれぞれ配置されている。
【００５７】
圧電素子２３０の下面には、円周方向に１２分割された電極２３８が設けられている。１２分割された電極２３８は、１つおきに電気的に短絡している。したがって、１２分割された電極２３８は、２つの電極部からなり、、図１３に示すように、圧電素子２３０にはハッチングのある電極部分とハッチングのない電極部分とで位相の異なる電圧が印加される。
【００５８】
電極２３８の２つの電極部に印加する電圧を時間的に変化させることにより、円盤２３１上には進行波が発生する。それにより、突起２３２〜２３７の先端部分が楕円運動を行なう。これにより、円形のロータ２３９をその円の中心まわりに回転させることができる。超音波モータのステータ２１０は、円盤２３１、圧電素子２３０、突起２３２〜２３７、および電極２３８からなる。
【００５９】
この超音波モータ２３は、トルクが１．０ｇｆ・ｃｍ、無負荷回転速度が８００ｒｐｍ、最大消費電流が２０ｍＡである。円盤２３１の直径は８ｍｍである。突起２３２〜２３７が配置されている間隔は２ｍｍである。円盤２３１の厚さは０．４ｍｍである。突起２３２〜２３７の高さは約０．４ｍｍである。圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚである。
【００６０】
この羽ばたき装置１では、この超音波モータを用いてアクチュエータを構成する。図１４および図１５に示すように、たとえば右アクチュエータ２１では、ステータ２１０とベアリング２１１とによって球殻状のロータ２１９が挟み込まれて保持されている。なお、ロータ２１９に接触しているステータ２１０の表面部分は、ロータ２１９の表面に対応するような形状となっている。
【００６１】
ロータ２１９は、外径３．１ｍｍ、かつ内径２．９ｍｍの球殻である。ロータ２１９の表面に右羽軸１０８ａが取付けられている。ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって時計回りにロータ２１９が回転すると、右羽軸１０８ａは図１４および図１５に示すθの方向に移動する。なお、ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって、時計回りの回転を正回転とし、反時計回りの回転を逆回転とする。
【００６２】
また、図１４および図１５に示すように、このロータ２１９を３自由度で駆動させるために、上部補助ステータ２１２、下部補助ステータ２１３、およびベアリング２１４，２１５が、ロータ２１９の周囲に設けられている。上部補助ステータ２１２および下部補助ステータ２１３のそれぞれの大きさは、ステータ２１０の大きさの約０．７倍である。
【００６３】
ステータ２１０、２１２、および２１３は、ロータ２１９を挟んでそれぞれ直交するようには設けられていない。ステータ２１０、２１２、および２１３それぞれは、独立してロータ２１９を回転させることができる。これにより、ステータ２１０、上部補助ステータ２１２、および下部補助ステータ２１３それぞれの回転運動を組合わせることによって、ロータ２１９は、３自由度の回転が可能となる。
【００６４】
たとえば、上部補助ステータ２１２によってロータ２１９に対して負方向の回転力が与えられ、かつ、下部補助ステータ２１３によってロータ２１９に対して負方向の回転力が与えられれば、ロータ２１９はβ方向に回転する。また、上部補助ステータ２１２によってロータ２１９に対して負方向の回転が与えられ、かつ、下部補助ステータ２１３によってロータ２１９に対して正方向に回転力が与えられれば、ロータ２１９はα方向に回転する。
【００６５】
実際には、回転中心軸の異なる２つの回転運動をロータ２１９に行なわせれば、ロータ２１９とステータ２１０、上部補助ステータ２１２、および下部補助ステータ２１３それぞれとの摩擦力に起因して超音波モータの効率を低下させることになる。そのため、上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とが、ごく短時間の周期で時間分割して交互に動作する。したがって、ステータ２１２、２１３、および２１４のうち動作していないステータの突起をロータ２１９に接触させないことが可能になる。それにより、ロータとステータとの摩擦力に起因した超音波モータの効率の低下が防止される。
【００６６】
動作していないステータの電極すべてに、圧電素子を収縮させるような電圧を印加することによって、付加的な要素を設けることなく、超音波モータの効率の低下を防止することができる。
【００６７】
また、圧電素子の駆動周波数は３００ｋＨｚ以上である。一方、羽ばたき装置１の羽ばたき周波数はせいぜい１００ｋＨｚである。したがって、圧電素子の駆動周波数は、羽ばたき装置１の羽ばたき周波数に比べて十分に大きい。そのため、２つのアクチュエータそれぞれが時間分割して交互に動作しても、実質上滑らかな動きが右羽軸１０８ａに与えられる。
【００６８】
上述のような、アクチュエータ２１，２２を用いて、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１の羽ばたき動作を実現することができる。
【００６９】
（羽および羽ばたき動作）
前述の羽ばたき装置１の場合、左アクチュエータ２２のロータ２２９は略球状であり、左の羽軸１０８ｂの延長線上にこのロータ２２０の球心が位置するように左の羽１０７ｂが配置されている。左アクチュエータ２２に対する力学的作用点であるとともに羽軸１０８ａの回転運動の支点である点Ａ２はこの球心に一致している。このことは、右アクチュエータ２１についても同様である。
【００７０】
（他の例の羽ばたき装置）
次に、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき動作とは異なる羽ばたき動作を、図１０〜図１５を用いて説明したアクチュエータ２１，２２により左右の羽行１０７ａ，１０７ｂに行なわせることができることを説明する。
【００７１】
前述のような構造のアクチュエータを動作させて、右羽軸１０８ａおよび右羽軸１０８ｂそれぞれを、図１６に示すように前後方向（打ち下ろし方向および打ち上げ方向：図１のＹ軸方向）に往復運動させる。この往復運動も、図１に示すストローク面１０内で行なわれる。
【００７２】
図１〜図９で説明した羽ばたき装置１の左右の羽１０７ａ，１０７ｂは弾性変形しなものと仮定されていた。しかしながら、この例では、図１６に示すように、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の部位のうち右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）に対して垂直な方向の先端部の運動が、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）の運動に比べて、遅れるように、左右の羽１０７ａ（１０７ｂ）が弾性変形するものとする。
【００７３】
（他の例の羽の構造）
右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）に直接固定されており、その厚さがほぼ均一である平板からなっている。この右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）を製造するために、まず、長軸の長さが約４０ｍｍ、かつ、短軸の長さが約１０ｍｍの楕円形の平板を用意する。楕円形の長軸に対して平行に長軸から約２．５ｍｍの位置に引かれたラインと、楕円形の短軸に対して平行に短軸から約８ｍｍの位置に引かれたラインとを切断する。この切断により生じた４つの個片のうち最も大きい個片を羽４として用いる。
【００７４】
また、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、軽量な硬質の樹脂から構成されている。さらに、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、レーザカッティングによって成形される。そのため、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の輪郭部には縁取りが形成されている。この縁取りにより、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の強度が増している。
【００７５】
前述のような右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の弾性変形により、図１７に示すように、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）それぞれの表面に沿う方向に、流体の流れが生じる。なお、図１７では、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）は、弾性変形するため、羽ばたき動作の１回の平均では、打ち上げ方向および打ち下ろし方向それぞれに対してほぼ垂直な方向に流体力が発生する。
【００７６】
この流体の力を利用するために、図１８に示すように、３自由度のアクチュエータ２１，２２の機能を用いて、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を図１のストローク面１０内で面内方向に往復運動（回動角αで示される運動）させながら、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向を回転中心軸として、回動させる（回動角βで示される運動）。
【００７７】
それにより、図１６に示すように、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を水平方向に往復運動させる場合には、右羽１０７ａの表面（左羽１０７ｂの表面）に沿って生じる流体の流れにより、羽ばたき装置１に対して鉛直方向に浮上力が生じる。この浮上力が羽ばたき装置１の重力よりも大きければ、羽ばたき装置１は浮上する。
【００７８】
また、図１６に矢印で示す打ち上げ方向および打ち下ろしの方向は、地面に垂直な方向を意味するものではない。右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）を右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向を回転中心軸として回動させながら、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）を往復運動（ストローク面１０内の運動）させるときの、前後方向の右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）の動きを打ち上げおよび打ち下ろしと名づけている。
【００７９】
要するに、図１６に示す打ち上げ方向および打ち下ろしの方向は、図１のストローク面１０内の往復運動の方向を意味する。また、ホバリングするときには、図１のストローク面１０は、ＸＹ平面に一致する。すなわち、ストローク角θは、０°である。
【００８０】
なお、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１は、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）の弾性変形が微小であるものと仮定していたため、打ち下ろし時と打ち上げ時とで、羽ばたき動作を異ならせる必要があった。しかしながら、図１６〜図１８に示す羽ばたき装置１は、右羽１０７ａ（左羽１０７ｂ）が、その付根部の運動に比較して、その右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向の先端部の運動が遅れるように、弾性変形する。したがって、右羽軸１０８ａ（左羽軸１０８ｂ）が延びる方向に沿って流体力が発生する。その結果、打ち下ろし時と打ち上げ時とで、羽ばたき動作を異ならせる必要はない。
【００８１】
上記のような図１６〜図１８に示した羽ばたき装置１においても、図１〜図９を用いて説明した羽ばたき装置１と同様に、本体部５００が左旋回または右旋回させるために、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の大きさとを異ならせてもよい。なお、羽ばたき動作の振幅は、図２では羽ばたき角２γで示され、図１８では回動角２αで示されている。
【００８２】
また、本体部５００が左旋回または右旋回させるために、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の中心位置と左羽部１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の中心位置とを異ならせてもよい。
【００８３】
また、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の振幅の大きさと左羽１０７ｂの羽ばたき動作の振幅の大きさとがほぼ同一になるように、右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれに羽ばたき動作を行なわせてもよい。これによっても、本実施の形態の羽ばたき装置１は、本体部５００を左旋回または右旋回させることができる。
【００８４】
前述の場合に、本実施の形態の羽ばたき装置１は、アクチュエータ２１，２２が、右羽１０７ａの羽ばたき動作の周波数と左羽１０７ｂの羽ばたき動作の周波数とがほぼ同一であることが望ましい。これによれば、羽ばたき装置１の横揺れを防止することができる。
【００８５】
また、本実施の形態の羽ばたき装置１は、本体部５００が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ２１，２２が、一旦羽ばたき装置がホバリング状態になる羽ばたき動作を右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれにさせる。すなわち、図２を用いて説明したように、アクチュエータ２１，２２は、右羽１０７ａの羽ばたき動作（羽ばたき角）および左羽１０７ｂの羽ばたき動作（羽ばたき角）をＳ軸に対して対称にする。その後、アクチュエータ２１，２２は、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を右羽１０７ａおよび左羽１０７ｂそれぞれに開始させる。すなわち、図４〜図６を用いて説明したように、アクチュエータ２１，２２は、右羽１０７ａの羽ばたき動作（羽ばたき角）と左羽１０７ｂの羽ばたき動作（羽ばたき角）とをＳ軸に対して非対称にする。これによれば、羽ばたき装置１は、安定して左または右に旋回することができる。
【００８６】
（実施の形態２）
次に、本発明の羽ばたき装置を実現するための実施の形態２に羽ばたき装置について説明する。実施の形態１では、ストローク面１０の本体５００に対する位置関係が変更可能である羽ばたき装置を説明した。本実施の形態では、ストローク面１０の本体５００に対する位置関係が固定された羽ばたき装置を説明する。
【００８７】
本実施の形態の羽ばたき装置では、前羽軸１０３が実施の形態１で説明したストローク面１０内を往復運動するものとする。
【００８８】
図１９は、本実施の形態の左および右の羽部それぞれに２本の羽軸が設けられた羽ばたき装置を示す図である。図１９（ａ）においては、羽ばたき装置の前方正面部分が示され、図１９（ｂ）では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分が示されている。
【００８９】
なお、図１９では羽ばたき装置の左羽しか示されていないが、実際には、胴体部１０５の中心軸８０２を挟んで左右対称に右羽も形成されている。また、説明を簡単にするため、胴体部１０５が延びる方向に沿った軸（胴体軸８０１）は水平面内にあり、中心軸８０２は鉛直方向に延びているものとする。
【００９０】
図１９に示すように、羽ばたき装置の胴体部１０５には、前羽軸１０３および後羽軸１０４と、その前羽軸１０３と後羽軸１０４との間を渡すように設けられた羽の膜１０６とを有する羽（左羽）が取付けられている。また、胴体部１０５には、前羽軸１０３を駆動するための回転型アクチュエータ１０１と後羽軸１０４を駆動するための回転型アクチュエータ１０２とが搭載されている。
【００９１】
２つの回転型アクチュエータ１０１および１０２は、互いに回転軸８００を共有している。この回転軸８００と胴体軸８０１との間の交差角は、（９０°−θ）である。前（後）羽軸１０３（１０４）はアクチュエータ１０１（１０２）を支点として回転軸８００と直交する平面内を往復運動する。この回転軸８００と直交する平面と胴体軸８０１とのなす角度はθである。
【００９２】
胴体部１０５としては、機械的強度を確保するとともに、十分な軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などが円筒状に成形されたものが望ましい。
【００９３】
アクチュエータ１０１、１０２としては、起動トルクが大きいこと、往復運動が簡単に実現できることおよび構造が単純なことなどから、圧電素子（ピエゾ）を用いた超音波進行波アクチュエータを用いることが望ましい。超音波進行波アクチュエータとしては、回転型アクチュエータとリニア型アクチュエータとの２つの種類が考えられる。図１９では、回転型アクチュエータが用いられている。この回転型アクチュエータの基本構造は、図１１〜図１５を用いて、既に説明されている。
【００９４】
図１９に示された羽ばたき装置では、前述したように、回転型アクチュエータ１０１、１０２には前羽軸１０３と後羽軸１０４とがそれぞれ接続されている。前羽軸１０３と後羽軸１０４と間には羽の膜１０６が張られている。羽の膜１０６は、その面内において収縮する方向に自発的な張力を有しており、その張力が羽全体の剛性を高める働きをしている。
【００９５】
羽ばたき装置の軽量化のため、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、中空構造で形成されているとともに、カーボングラファイトから成っている。このため、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、弾力性を有する。また、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、羽の膜１０６の張力により変形し得る。
【００９６】
図２９は本羽ばたき装置の全体の構造を示す図である。なお、前方方向に向かって左側の羽は省略されている。
【００９７】
胴体部７００には、超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、加速度センサ７０３、および角加速度センサ７０４が配されている。これらのセンサによる検出結果は羽ばたき制御部７０５に送られる。羽ばたき制御部７０５では、超音波センサ７０１および赤外線センサ７０２によって検出された結果から羽ばたき装置と周囲の障害物および人間との距離などの情報が処理される。また、加速度センサ７０３および角加速度センサ７０４によって検知された情報に基づいて、羽ばたき装置の浮上状態、目的位置または姿勢などの情報が処理される。それにより、左右のアクチュエータ１０１（１０２）および重心制御部７０７の駆動制御が決定される。
【００９８】
制御部７０５とメモリ部７０８とは電気的に接続されており、制御部７０５は羽ばたき制御に必要な既存のデータをメモリ部７０８から読出す。また、各センサ７０１〜７０４によって得られた情報がメモリ部７０８に送り込まれることによって、必要に応じてメモリ部７０８の情報が書換えられる。
【００９９】
また、羽ばたき制御部７０５は、通信制御部７０９に接続されているとともに、通信制御部７０９とデータの入出力を行なうことができる。通信制御部７０９は、アンテナ部７１０を介して外部の装置とのデータの送受信を行なう。
【０１００】
超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、加速度センサ７０３、角加速度センサ７０４、羽ばたき制御部７０５、左右のアクチュエータ１０１（１０２）、重心制御部７０７、メモリ部７０８、通信制御部７０９、およびアンテナ部７１０などは、電源部７１１により供給される電流によって駆動される。
【０１０１】
（浮上方法）
説明の簡便のため、本羽ばたき装置に作用する外力は、羽が流体から受ける流体力と羽ばたき装置に作用する重力（羽ばたき装置の質量と重力加速度との積）のみであるとする。本羽ばたき装置が恒常的に浮上するためには、１回の羽ばたき動作の間の時間平均において、次の関係、
（羽に作用する鉛直上方向の流体力）＞（本羽ばたき装置に作用する重力）
を満たすことが必要とされる。
【０１０２】
なお、１回の羽ばたき動作とは、１回の羽を打ち下ろしおよび１回の羽を打ち上げ動作をいう。
【０１０３】
さらに、羽ばたき装置を上昇させるためには、
（打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力）＞（打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力）
という条件を具備する必要がある。
【０１０４】
ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した羽ばたき方法により、打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力（以下「打ち下ろし時の流体力」と記す。）を、打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力（以下「打ち上げ時の流体力」と記す。）より大きくする方法について説明する。
【０１０５】
説明の簡便のため、流体の挙動もしくは流体が羽に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説明する。また、この羽ばたき方法により得られる浮上力と、本羽ばたき装置に作用する重力（以下「重量」と記す。）の大小との関係については後述する。
【０１０６】
打ち下ろし時の流体力を打ち上げ時の流体力よりも大きくするためには、打ち下ろし時に羽の膜１０６が移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろせばよい。そのためには、羽の膜１０６を水平面と略平行に打ち下ろせばよく、これにより、ほぼ最大の流体力を得ることができる。
【０１０７】
反対に、打ち上げ時には羽の膜１０６が移動する空間の体積が最小になるように打ち上げればよい。そのためには、羽の膜１０６を水平面に対して略直角に近い角度で打ち上げればよく、これにより、羽に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。
【０１０８】
回転型アクチュエータ１０１、１０２により回転軸８００のまわりに前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれを回転往復運動させる際に、羽軸１０３と羽軸１０４との間に張られた羽の膜１０６が水平面と略一致する位置を中心として上方と下方とにそれぞれ角度γだけ往復運動させるとする。さらに、図２０に示すように、前羽軸１０３の往復運動に対して後羽軸１０４の往復運動を位相差φだけ遅れさせる。
【０１０９】
これにより、図２１〜図２８（ここではφ＝２０°として描いた）に示す一連の羽の往復運動のうち、図２１〜図２５に示された打ち下ろし時においては、より高い位置にある回転型アクチュエータ１０１の前羽軸１０３が先に打ち下ろされる。そのため、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間に張られた羽の膜３０６が水平面に近づく。
【０１１０】
一方、図２５〜図２８に示された打ち上げ時においては、前羽軸１０３の先端と後羽軸１０４の先端との高さの差が拡大されて、羽の膜１０６が鉛直面に近づく。この結果、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間に張られた羽の膜１０６の流体を押し下げる量と押し上げる量とに差異が生じる。それにより、この羽ばたき装置の場合には、打ち下ろし時の流体力の方が打ち上げ時の流体力よりも大きくなって浮上力が得られることになる。
【０１１１】
この浮上力のベクトルは、位相差φを変化させることにより、羽ばたき装置の前方向および後方向のいずれかに傾く。この浮上力のベクトルが、前方向に傾けば羽ばたき装置は推進運動を行ない、後方に傾けば羽ばたき装置は後退運動を行ない、真上に向けば羽ばたき装置は停空飛翔（ホバリング）を行なう。なお、実際の羽ばたき飛行の制御では、位相差φ以外にも、羽ばたき周波数ｆおよび羽ばたき角γ（羽ばたき動作の振幅）が制御される。また、この羽ばたき装置では、羽ばたき仰角すなわちストローク角θが固定されているが、これを変化させる機能が羽ばたき装置に付加されていてもよい。その構成によれば、羽ばたき飛行の制御の自由度が増加する。
【０１１２】
（羽ばたき制御）
実際の羽ばたき制御についてさらに詳細に説明する。上述した羽ばたき装置では、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の際に、羽の先端部がなす捻り角αは、羽の長さ（羽の膜６の前羽軸１０３および後羽軸１０４に沿った長さ）をｌ、羽の幅（前羽軸１０３と後羽軸１０４との間隔）をｗ、羽ばたき角をγ、羽ばたき運動の位相をτ（最も打ち上げた瞬間を０°、最も打ち下ろした瞬間を１８０°とする）、前羽軸１０３と後羽軸１０４の位相差をφとすれば（図２１、図２７、図２８を参照）、およそ以下の式で表わされる。
【０１１３】
ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・〔ｓｉｎ（γ・ｃｏｓτ）−ｓｉｎ｛γ・ｃｏｓ（τ＋φ）｝〕
実際には、前羽軸１０３および後羽軸１０４それぞれは、弾性力を有しているため、羽ばたき動作中には変形する。そのため、捻り角αは前述の値とは多少違った値になる。また、羽軸１０３（１０４）の根元ほど捻り角αの大きさは小さい。しかしながら、以下の説明では、簡便のため、捻り角として上の式のαを用いて説明する。
【０１１４】
捻りが加えられていない羽に作用する流体力の鉛直方向成分Ｆは、流体の密度をρ、羽ばたき角をγ、羽ばたき周波数をｆとすると、次の式
Ｆ＝（４／３）・π2・ρ・ｗ・γ2・ｆ2・ｌ3・ｓｉｎ2τ・ｃｏｓ（γ・ｃｏｓτ）
で表される。なお、左右の羽それぞれに作用する流体力の水平方向成分は、左右の羽同士が同じ運動（左右対称の運動）をすれば、互いに打ち消し合うことになる。
【０１１５】
羽が捻り角αである場合には、上記流体力の鉛直方向成分Ｆの羽ばたき運動平面（図１のストローク面１０）に対して、垂直な成分Ｌと水平な成分Ｄとは、それぞれ次のような式で表される。
【０１１６】
Ｌ＝Ｆ・ｃｏｓα・ｓｉｎα
Ｄ＝Ｆ・ｃｏｓ2α
さらに、羽ばたき仰角すなわちストローク角θが考慮されれば、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Ａと、前後運動の推力となる水平方向成分Ｊとは、打ち下ろし時では、次の式
Ａ↓＝−Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↓＝−Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ
打ち上げ時では、
Ａ↑＝Ｌ・ｃｏｓθ−Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↑＝Ｌ・ｓｉｎθ＋Ｄ・ｃｏｓθ
で表される。実際の浮力および推進力は、羽ばたき運動の１周期分を積分したものとなる。
【０１１７】
一例として、羽ばたき装置の羽の長さｌ＝４ｃｍ、羽の幅ｗ＝１ｃｍ、羽ばたき仰角θ＝３０°、羽ばたき角γ＝６０°、羽ばたき周波数ｆ＝５０Ｈｚ、打ち下ろし時の位相差φ↓＝４°、打ち上げ時の位相差φ↑＝１６°である羽ばたき装置を考える。この羽ばたき装置の羽ばたき動作により生じる浮上力の鉛直方向成分Ａおよび水平方向成分Ｊそれぞれの時間的な変化の様子と各角度の時間的な変化の様子とを図３０に示す。
【０１１８】
図３０においては、横軸が時間軸であり、羽ばたき動作の１周期分の時間と羽ばたき運動の位相τとの関係が表わされている。図３０では、位相τが０〜１８０度までが打ち下ろし動作の様子を示しており、位相τが１８０〜３６０度までが打ち上げ動作の様子を示している。図３０のグラフの各曲線は、前羽軸１０３の羽ばたき角γｆ、後羽軸１０４の羽ばたき角γｂ、水平面からの羽の捻り角（θ−α）、流体力の鉛直方向成分Ａ、および水平方向成分Ｊの時間的な変化の様子を示している。
【０１１９】
この例では、単位時間当りの流体力の鉛直方向成分Ａにおいては打ち下ろし時の方が打ち上げ時よりも大きいため、１周期の平均で約５００ｄｙｎの鉛直上向きの流体力が１枚の羽で得られる。したがって、２枚の羽の羽ばたき動作によって、約１０００ｄｙｎの鉛直上向きの流体力が得られる。その結果、羽ばたき装置の重量が約１ｇ以下であれば、羽ばたき装置は浮上することができる。また、単位時間当りの流体力の水平方向成分Ｊは、左右の羽の羽ばたき動作それぞれによって生じる流体力の和である。左右の羽の羽ばたき動作それぞれによって生じる流体力の水平成分Ｊ同士は、羽ばたき動作の１周期の間に互いにほぼ打ち消されるため、重量１ｇ程度の羽ばたき装置であればホバリング可能となる。
【０１２０】
ここで、打ち下ろし時の位相差φ↓を大きくするか、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を小さくすれば、羽ばたき装置は前進する。このとき、羽ばたき装置を水平方向に前進させるためには、羽ばたき動作の周波数ｆを少し小さくすることが望ましい。逆に、打ち下ろし時の位相差φ↓を小さくするか、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を大きくすれば、羽ばたき装置は後退する。このとき、羽ばたき装置を水平に後退させるためには、羽ばたき動作の周波数ｆを少し大きくすることが望ましい。
【０１２１】
この羽ばたき装置では、たとえば、打ち上げ時の位相差φ↑を１６°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を７°にするか、または、打ち下ろし時の位相差φ↓を４°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を１１°にするとともに、羽ばたき周波数ｆを４８Ｈｚにすることで、羽ばたき装置は、最初の１秒間におよそ１ｍの速度で水平方向に前進することができる。
【０１２２】
また、たとえば、打ち上げ時の位相差φ↑を１６°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を１°にするか、または、打ち下ろし時の位相差φ↓を４°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を２４°にするとともに、羽ばたき周波数ｆを５４Ｈｚにすることにより、羽ばたき装置は、最初の１秒間におよそ１ｍの速度で水平方向に後退する。
【０１２３】
ホバリングを実現する羽の羽ばたき動作を維持したまま、羽ばたき装置を上昇または下降させるためには、周波数ｆを上げるかまたは下げるかすればよい。水平飛行中でも、主に周波数ｆを制御することによって上昇と下降との制御を行なうことが可能である。周波数ｆを上げることで羽ばたき装置は上昇し、周波数ｆを下げることで羽ばたき装置は下降する。
【０１２４】
この例では、打ち上げ動作中もしくは打ち下ろし動作中にも、羽の捻り角αをゆっくり変化させている。これは、アクチュエータへの負荷を減らすためである。浮力を得るための羽ばたき運動としては、打ち上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に設定して、打ち下ろし動作から打ち上げ動作、もしくは、打ち上げ動作から打ち下ろし動作への変化点において捻り角αを急激に変化させるようにしてもよい。
【０１２５】
羽ばたき仰角θ＝０°とした場合の鉛直方向成分Ａと水平方向成分Ｊの時間変化を各角度の時間変化とともに図３１に示す。図３１に示す運動は、ハチドリのホバリングにヒントを得た羽ばたき運動である。なお、左右方向の舵取りは、左右の羽の羽ばたき運動を別々に制御して、左右の羽それぞれによる推力に差を持たせればよい。たとえば、前方へ飛行中に右方向へ旋回するには、右羽の羽ばたき角γを左羽よりも小さくするか、もしくは、右羽の前羽軸１０３の位相と後羽軸１０４の位相との差を左羽の前羽軸１０３の位相と後羽軸１０４の位相との差より大きくするか、または、羽ばたき仰角θが制御できるような場合には、右羽のθを左羽のθよりも小さくするといった制御を行なう。これにより、右羽の推進力が左羽の推進力に比べて相対的に低くなるため、羽ばたき装置は、右に旋回する。羽ばたき装置を左へ旋回させる場合には、右旋回の羽の動作と左右対称の羽の動作を実現する制御を行なえばよい。
【０１２６】
また、図３２および図３３には、本実施の形態の羽ばたき装置が、右の前羽軸１０３および左の羽軸１０３のそれぞれの振幅（羽ばたき角γ）の範囲を、図２に示すストローク面１０内において、反時計まわりにΔγだけずらしたときの、羽ばたき運動の振幅(羽ばたき角γ）と羽ばたき運動の位相との関係が示されている。また、図３２および図３３では、左右それぞれにおいて、前羽軸１０３と後羽軸１０４とが同じ角度だけ反時計まわりに振幅の範囲がずれた場合の、羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係が示されている。
【０１２７】
なお、本実施の形態の羽ばたき装置は、重心Ｇは、図１９に示すように、胴体軸８０１上であって、後羽軸１０４が取付けられている位置よりも後ろ側に位置する。したがって、実施の形態１において、図１〜図９を用いて説明した原理を用いて、左方向または右方向への旋回を行なうことができる。このことを具体的に説明すると、次のようなものである。
【０１２８】
図３２は、本実施の形態の羽ばたき装置の左の前羽軸１０３の羽ばたき動作の振幅の中心位置がホバリング時の羽ばたき運動の振幅の中心位置からΔγだけ正の側に回転移動した状態を示す図である。図３３は、本実施の形態の羽ばたき装置の右の前羽軸１０３の羽ばたき動作の振幅の中心位置がホバリング時の羽ばたき運動の振幅の中心位置からΔγだけ負の側に回転移動した状態を示す図である。
【０１２９】
なお、本実施の形態の羽ばたき装置は、Δγを適宜変更することが可能であり、さらに、左右の羽でΔγを異ならせることが可能である。したがって、本実施の形態の羽ばたき装置は、羽ばたき動作の大きさおよび羽ばたき動作の振幅の中心位置を変化させることが可能である。また、本実施の形態においても、ストローク面１０は、図１〜図８に示すものと同様のストローク面であるものとする。このように、本実施の形態の羽ばたき装置は、羽ばたき動作の振幅の中心位置を変化させることが可能である。
【０１３０】
したがって、本実施の形態の羽ばたき装置は、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３および後羽軸１０４の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角γ）の大きさを互いに異ならせるように駆動することにより、本体部としての胴体部１０５が左旋回または右旋回することができる。また、図３２および図３３に示すように、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（左右の後羽軸１０４）の羽ばたき動作の振幅(羽ばたき角γ）の中心位置を互いに異ならせるように駆動しても、胴体部１０５は左または右に旋回することができる。
【０１３１】
また、本実施の形態の羽ばたき装置においても、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）の羽ばたき動作の振幅（羽ばたき角γ）の大きさが互いにほぼ等しくなるように駆動することが望ましい。
【０１３２】
また、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）の羽ばたき動作の周波数が互いにほぼ等しくなうように駆動することが望ましい。
【０１３３】
なお、本実施の形態の羽ばたき装置においても、実施の形態１の羽ばたき装置と同様に、胴体部１０５が左旋回または右旋回する場合には、アクチュエータ１０１，１０２は、一旦羽ばたき装置が、左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）に、ホバリング状態になる羽ばたき動作をさせる。その後、アクチュエータ１０１，１０２は、左旋回または右旋回のための羽ばたき動作を左右の前羽軸１０３（後羽軸１０４）に開始させる。それにより、本実施の形態の羽ばたき装置は、安定して左または右に旋回することができる。
【０１３４】
また、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】
【０１３５】
【図１】羽ばたき装置に設定された座標系と羽部が羽ばたき運動を行なうストローク面との関係を示す図である。
【図２】羽ばたき装置がホバリング状態から回転運動（左右旋回）状態へ遷移するときの羽ばたき角の変化の一例を示す図である。
【図３】羽ばたき装置のホバリング状態における羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分を示す図である。
【図４】羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分を示す図である。
【図５】羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分の別の例を示す図である。
【図６】羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分のさらに別の例を示す図である。
【図７】羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分のまたさらに別の例を示す図である。
【図８】羽ばたき装置の回転運動時の羽ばたき角および羽部が流体に及ぼす力のベクトル成分の別の例を示す図である。
【図９】羽ばたき装置の回転運動（図４参照）のために角度γおよびΔγを変化させた時の力Ｆ〃の変化の態様を示すグラフである。
【図１０】実施の形態１の羽ばたき装置の構造を示す正面図である。
【図１１】実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータとしての超音波モータを示す平面図である。
【図１２】実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータとしての超音波モータを示す側面図である。
【図１３】実施の形態１の羽ばたき装置の、図１１および図１２に示された超音波モータの動作を説明するための図である。
【図１４】実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第１の図である。
【図１５】実施の形態１の羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第２の図である。
【図１６】実施の形態１の羽ばたき装置の羽の往復運動の様子を示す断面図である。
【図１７】実施の形態１の羽ばたき装置の羽の往復運動によって生じる羽の面内方向に沿う方向の流体の流れを説明するための図である。
【図１８】実施の形態１の羽ばたき装置の羽軸の打ち上げおよび打ち下ろし方向の往復運動（回動）と羽軸が延びる方向を中心軸とした羽軸の回動との関係を説明するための図である。
【図１９】実施の形態２の羽ばたき装置を示す部分正面図および部分側面図である。
【図２０】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき運動の角度と羽ばたき運動の位相との関係を示すグラフである。
【図２１】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第１の状態を示す図である。
【図２２】実施の形態２の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第２の状態を示す図である。
【図２３】実施の形態２の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第３の状態を示す図である。
【図２４】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第４の状態を示す図である。
【図２５】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第５の状態を示す図である。
【図２６】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第６の状態を示す図である。
【図２７】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第７の状態を示す図である。
【図２８】実施の形態２の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第８の状態を示す図である。
【図２９】実施の形態２の図１９に示す羽ばたき装置の構造を示す平面模式図である。
【図３０】実施の形態２の羽ばたき装置の羽に作用する力および各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変化を示す第１のグラフである。
【図３１】実施の形態２の羽ばたき装置の羽に作用する力および各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変化を示す第２のグラフである。
【図３２】本実施の形態２の羽ばたき装置が右旋回する場合の羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係を示した図である。
【図３３】本実施の形態２の羽ばたき装置が左旋回する場合の羽ばたき運動の振幅と羽ばたき運動の位相との関係を示した図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１０  ストローク面、Ａ  ホバリング時の右羽の羽ばたきの範囲、Ｂ  ホバリング時の左羽の羽ばたきの範囲、Ｃ  回転運動時の右羽の羽ばたきの範囲、Ｄ  回転運動時の左羽の羽ばたきの範囲、１０７ａ，１０７ｂ  羽、１０８ａ，１０８ｂ  羽軸。
【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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【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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