(57)【要約】【課題】共振型羽ばたき飛行機において、羽ばたき翼のフラッピング振動振幅、フェザリング振動振幅およびストローク面傾斜角の変更制御を可能とすることで、飛行条件の変化に応じて自在に飛行制御をすることができる羽ばたき飛行機を提供する。【解決手段】共振型羽ばたき飛行機において翼振動系の加振手段と減衰手段とを備え、加振手段により翼振動系に注入した振動エネルギーを減衰手段で消失することにより、翼振動系を制振し、振動振幅を変更する。また水平尾翼を備え、空気力を用いて当該羽ばたき飛行機をピッチング制御することにより、ストローク面傾斜角を増減制御する。【選択図】図３
2007237946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振型羽ばたき飛行機において翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記加振手段により前記翼振動系に注入した振動エネルギーを前記減衰手段で消失することにより、前記翼振動系を制振し、前記翼振動系の振動振幅を変更することを特徴とする羽ばたき飛行機。
【請求項２】
前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系のフラッピング振動振幅を変更制御することを特徴とする請求項１に記載の羽ばたき飛行機。
【請求項３】
前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系のフェザリング振動振幅を変更制御することを特徴とする請求項１に記載の羽ばたき飛行機。
【請求項４】
前記加振手段は、一の加振手段により前記翼振動系のフラッピング振動と前記翼振動系のフェザリング振動とを連成振動として同時に加振生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の羽ばたき飛行機。
【請求項５】
水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いてピッチング制御することにより羽ばたき翼のストローク面傾斜角を増減制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の羽ばたき飛行機。
【請求項６】
加速度センサーを備え、前記加速度センサーにより検出された加速度情報を飛行制御命令にフィードバックすることにより慣性航法飛行制御をおこなうことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の羽ばたき飛行機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は羽ばたき飛行機に関し、詳細には共振型羽ばたき飛行機に関する。本発明は羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）に好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業製品の小型化、微細化とその製造技術の進歩に伴い、小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の実現的開発が急速に進められている。小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）とは、主に自律飛行が可能な小型で無人の航空機を指し、その特徴である機動性及び自律性を活かして有意義な観測活動をおこなうことができるものとされている。
【０００３】
なかでも羽ばたき飛行により飛翔する昆虫型の小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の開発は、閉鎖小空間内における自律観測活動をも可能とするホバリングや急発進、急停止、急旋回といった高機動飛行を実現することができるものと期待され、具体的に例示すれば、人による観測活動に危険を伴う火災現場や、有害物質漏洩現場、あるいは倒壊のおそれのある建物内等における迅速な状況把握を目的とする無人観測活動他において活躍することが期待されている。
【０００４】
羽ばたき飛行機の羽ばたき機構については数多くの発明がなされているが、その大多数は多様なカム、リンク機構等を用いた強制振動型羽ばたき機構である。強制振動型羽ばたき機構は、概して剛体に設けられた翼軸をアクチュエータにより一定振幅で強制振動駆動して羽ばたき運動を得るものであることから、その羽ばたき運動は当該駆動振動数を除き機構的に決定されていて、飛行制御のためにその振動振幅等を変化させる余地がないということが問題視されている。
【０００５】
これに対し共振型羽ばたき機構は、概してその羽ばたき運動の共振振動数を大きく変化させることができないものの、振動振幅等その羽ばたき運動を変化させる余地が残されているため、飛行制御可能な羽ばたき飛行機を提供することができるものとして期待が寄せられている。共振型羽ばたき飛行機に関する文献公知発明としては、米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）による「羽ばたき飛行をするＭＡＶのためのひずみ率のフィードバックによる共振羽ばたき調整回路」が知られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】米国特許ＵＳ６８４０４７６Ｂ１号公報
【０００６】
この発明は空力弾性羽ばたき飛行系を柔構造翼の共振周波数に導くよう入力信号を自動調整し、これにより機構的に構成された羽ばたき運動の振動振幅を最大化することを目的とし（特許文献１第２段組５７〜６３行参照。）、ピエゾ素子を用いたひずみセンサーを柔構造翼に備えるとともに同翼を加振するアクチュエータを備え、同センサーにより出力される周期的な振動信号を用いて同翼を自励振動させる構成とされている（特許文献１第２段組１６〜２０行参照。）。
【０００７】
また発明の効果としては、その連続的クローズド・ループ制御により、最も効率の良い、柔構造翼の共振周波数による共振へと振動系が調整されることとなる（特許文献１第２段組２６〜２９行参照。）。同発明の最も重要な特徴は、羽ばたき翼機構が翼−アクチュエータ系の基本構造モードにおける共振周波数において用いられることである。これは振動系に供給される駆動エネルギーを最も効率的に翼機構へと伝達することができる周波数である（特許文献１第２段組６〜１２行参照。）ものと発明の開示がなされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の飛行制御においては、その羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅を随意に変更制御できることが必要である。これはトンボの飛翔の羽ばたき運動に関する研究等に基づき見出されるものである。トンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の飛翔においてはその前進飛行速度の変化にかかわらず、当該羽ばたき運動の振動数は約２８Ｈｚで一定不変であることが風洞試験に基づく研究の成果として知られている。一方で、図７に示すトンボの飛翔の羽ばたき運動におけるフラッピング振動振幅φ０Ｆおよびφ０Ｈ、フェザリング振動振幅θ０Ｆおよびθ０Ｈ、加えてストローク面傾斜角φＳは前進飛行速度の変化に応じて大きく変動することが知られている。
【０００９】
図８は本発明の発明者が開発した三次元非定常ナビエ・ストークス・コードにより空気力学的に解析したトンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の飛翔の羽ばたき運動をＣＯＭＰＬＥＸ法を用いて最適化して得ることができる最適羽ばたき運動における最小必要パワー曲線を示すものであり、横軸は当該トンボの飛翔の前進飛行速度を、縦軸は各前進速度において水平飛行を実現する必要パワーを示したものである。ここで最適羽ばたき運動とは、羽ばたき運動１サイクルを時間平均して水平前進飛行に要する必要パワーが最小であるいわば効率の良い羽ばたき運動を意味するものである。なお当該最適羽ばたき運動の振動数は２８Ｈｚに固定されていて不変である。図８に開示する最小必要パワー曲線を見るに、例えば羽ばたき飛行機が水平前進加速飛行をおこなうためには、事前に決定された一定の羽ばたき運動のみによることはできず、当然に、速度変化に対応してその羽ばたき運動を変更制御する必要があることが理解できる。
【００１０】
図９〜１３は前記トンボの飛翔の最適羽ばたき運動についてその前進飛行速度の変化に応じた各運動要素の変動をそれぞれ示したものである。図９はストローク面傾斜角φＳの前進飛行速度の変化に応じた変動を示すもので、ホバリングにおいては８度付近が最適値であるのに対し、前進飛行速度８ｍ／ｓにおいては、９０度付近が最適値であるものというように前進飛行速度の変化に応じて変動している。図１０は前翼のフラッピング振動振幅φ０Ｆの前進飛行速度の変化に応じた変動を、図１１は後翼のフラッピング振動振幅φ０Ｈの前進飛行速度の変化に応じた変動をそれぞれ示すものであり、互いに異なる最適値によりながら、前進飛行速度の変化に応じて独立して変動しているといえる。同様に図１２は前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｆの前進飛行速度の変化に応じた変動を、図１３は後翼のフェザリング振動振幅θ０Ｈの前進飛行速度の変化に応じた変動をそれぞれ示すものであり、これらもそれぞれに独立して変動しているといえる。
【００１１】
なお、ここに例示されないさらに複雑な機動飛行をおこなうためには、加えて必要な空気力あるいは姿勢変化を得るために相当に複雑な羽ばたき運動が必要とされることはいうまでもない。また当該例示された最適化計算の結果は、ここに記載されない多くの拘束条件に基づいて計算されたものであるため、多様な羽ばたき飛行機の設計に際して開示された数値を安易に引用すべきではないことに注意が必要である。
【００１２】
以上みてきたように、自在に飛行制御が可能な羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）を実現するためには、共振型羽ばたき飛行機において、当該羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅加えてストローク面傾斜角をそれぞれ随意に変更制御することができる必要がある。
【００１３】
ここで、共振型羽ばたき飛行機に関する文献公知発明として知られる米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）による「羽ばたき飛行をするＭＡＶのためのひずみ率のフィードバックによる共振羽ばたき調整回路」（特許文献１参照。）によれば、加振調整回路を用いて翼振動系を自励振動させることで、その共振時において翼振動系の最大振動振幅を得ることができるが、この際に得られる定常振動は共振時における翼振動系の最大振幅振動のみであり、これに満たない振幅振動は過渡状態のものであって過渡振動であり、例えば前記翼振動系の最大振動振幅に満たない任意の振動振幅を定常振動として一定期間維持することで、ホバリング飛行あるいは水平直進飛行をおこなうといった現実に要求される飛行制御を実現することは困難である。
【００１４】
本発明はこれらの事情に鑑みてなされたものであり、共振型羽ばたき飛行機において、当該羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅加えてストローク面傾斜角をそれぞれ随意に変更制御することを可能とすることにより、自在に飛行制御が可能な羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記の課題を解決するために次の構成を備える。即ち、本発明による羽ばたき飛行機は、共振型羽ばたき飛行機において翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記加振手段により前記翼振動系に注入した振動エネルギーを前記減衰手段で消失することにより、前記翼振動系を制振し、前記翼振動系の振動振幅を変更することを特徴とする。
【００１６】
また前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系のフラッピング振動振幅を変更制御することを特徴とする。
【００１７】
また前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系のフェザリング振動振幅を変更制御することを特徴とする。
【００１８】
また前記加振手段は、一の加振手段により前記翼振動系のフラッピング振動と前記翼振動系のフェザリング振動とを連成振動として同時に加振生成することを特徴とする。
【００１９】
また本発明による羽ばたき飛行機は、水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いてピッチング制御することにより羽ばたき翼のストローク面傾斜角を増減制御することを特徴とする。
【００２０】
また本発明による羽ばたき飛行機は、加速度センサーを備え、前記加速度センサーにより検出された加速度情報を飛行制御命令にフィードバックすることにより慣性航法飛行制御をおこなうことを特徴とする。
【００２１】
また前記減衰手段は電磁ダンパーであることを特徴とする。
【００２２】
また前記加振手段はピエゾ振動素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、共振型羽ばたき飛行機において翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記加振手段により前記翼振動系に注入した振動エネルギーを前記減衰手段を用いて消失することにより、前記翼振動系の振動を制振し、前記翼振動系の振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２４】
また本発明によれば、前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系の振動をダンピングにより制振し、当該翼振動系のフラッピング振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２５】
また本発明によれば、前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系の振動をダンピングにより制振し、当該翼振動系のフェザリング振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２６】
また本発明によれば、一の加振手段によって前記翼振動系のフラッピング振動と前記翼振動系のフェザリング振動とをそれらの連成振動として同時に加振生成することができる。
【００２７】
また本発明によれば、前記共振型羽ばたき飛行機において水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いて当該共振型羽ばたき飛行機をピッチング制御することにより、羽ばたき翼のストローク面傾斜角を随意に増減制御することができる。
【００２８】
また本発明によれば、前記共振型羽ばたき飛行機において加速度センサーを備え、当該加速度センサーにより検出された加速度情報を当該共振型羽ばたき飛行機の飛行制御命令にフィードバックすることにより、安定したホバリング飛行や水平直線等速飛行、その他任意の機動飛行を慣性航法により自律しておこなうことができる。
【００２９】
また本発明によれば、前記減衰手段を電磁ダンパーとすることにより、非接触によって過大なエネルギー損失を伴うことなく当該減衰手段としての減衰係数を増減変更して前記翼振動系の振動振幅を変更することができるため、好適に発明の効果を得ることができる。
【００３０】
また本発明によれば、前記加振手段をピエゾ振動素子とすることにより、単純かつ軽量にまた複雑な加振制御を要することなく好適に発明の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る羽ばたき飛行機の実施の形態について詳述する。図１は、本実施例の羽ばたき飛行機における羽ばたき翼駆動部の全景を右翼後上方より見た説明図である。本実施例の羽ばたき飛行機は２対４枚の羽ばたき翼を備えたトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）であり、実際のトンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の２倍の大きさで重量は２０ｇに設計されている。その全長は２５０ｍｍであり、スパン長は２００ｍｍである。
【００３２】
４枚の低発泡スチレン樹脂（密度４０ｋｇ／ｍ３）製の羽ばたき翼２は矩形に設けられていて、そのコード長は２０ｍｍであり、その板厚は３ｍｍの平板であって、当該羽ばたき翼１枚の重量はその内部構造物の重量を含めて１．４３ｇに設計されている。これら４枚の羽ばたき翼が２枚１対の前翼および同じく２枚１対の後翼に分けられてそれぞれジュラルミン製のマウントブロック１に取り付け支持されている。本実施例においては、製作に易くまた比較的丈夫な矩形平板による羽ばたき翼に定めてその設計が成されているが、もちろん羽ばたき翼は任意の平面形状および翼型を備えることもできる。なお、本実施例の説明図たる図１、図２および図３においては、その視覚的理解を助けるために説明上図中の羽ばたき翼に翼型を持たせて描くものとする。
【００３３】
図２および図３は、本実施例における羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の取り付け支持部を拡大して見る説明図である。なお、同部は当該羽ばたき翼の加振駆動部でもある。羽ばたき翼２はその露出部において長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、板厚０．３７ｍｍのアルミニウム製のフラッピング振動用スプリング（板バネ）４によって片持ち支持されていて、当該フラッピング振動用スプリング４の一端はジュラルミン製の支点ブロック３の内部に、また逆の一端は羽ばたき翼２の内部にそれぞれ埋没固定されている。
【００３４】
また支点ブロック３はマウントブロック１に設けられた１対のフランジによって軸支され、当該支持軸の周りを回動可能に設けられていることで、自由回転支点として機能する一方で、その一端は本実施例の羽ばたき翼を加振する加振点として機能するようマウントブロック１上に設けられた加振アクチュエータ（ピエゾ素子）５に固定されて設けられている。なお、マウントブロック１は飛行機本体に固定されている。
【００３５】
以上の機構において、前記加振アクチュエータ５を本実施例の羽ばたき飛行機における設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚで微小振幅振動駆動することにより、前記マウントブロック１により軸支される前記支点ブロック３の自由回転支点軸周りに微小振動トルクが発生し、これがフラッピング振動用スプリング４および羽ばたき翼２に作用することにより、共振による羽ばたき翼のフラッピング振動が生成されることとなる。なお、本実施例において示す羽ばたき翼２およびフラッピング振動用スプリング４より成る羽ばたき翼のフラッピング振動の固有振動数ωφは３２．７Ｈｚに設計されているため、当該振動系への加振エネルギーの注入が効率良く行なわれる結果、直ちに４０°のフラッピング振動振幅を得ることができる。
【００３６】
また、本実施例に示す羽ばたき飛行機においては、以上説明した羽ばたき翼のフラッピング運動にフェザリング運動が自然に連成されるように設けられている。図４および図５は、本実施例における羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を示す説明図である。羽ばたき翼の前縁より５ｍｍのフェザリング軸上には当該羽ばたき飛行機の主桁である直径０．５ｍｍのジュラルミン製の内桁１０がフラッピング振動用スプリング４に固定されて設けられている。
【００３７】
内桁１０の外周には樹脂製の薄肉カラーである外形０．５１ｍｍの外桁１１が固定されずに組み付けられている。よって外桁１１は内桁１０の外周面上を摺動し、内桁１０と同軸を保って自在に回動することができるように設けられている。ここで、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２は前記外桁１１と同様に内桁１０には固定されずに設けられている一方で、前記外桁１１の外周面上に接着固定されて設けられているため、外桁１１と一体となって内桁１０の外周面上を摺動し、内桁１０の外周を自在に回動することができる機構とされている。
【００３８】
また内桁１０と垂直に、当該羽ばたき翼の翼弦線上には、長さ１２ｍｍ、幅２．５ｍｍ、板厚０．１ｍｍのアルミニウム製のフェザリング振動用スプリング１２が図示のとおり２本、内桁１０に埋没固定されて設けられている。ここで、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２は、前記フェザリング振動用スプリング１２の先端部のみと固定されていて、当該固定部を除き、当該羽ばたき翼２と前記フェザリング振動用スプリング１２とは接触しないように離間して設けられている。
【００３９】
これはフェザリング振動用スプリング１２の振動による自由な変形を許容するためのもので、フェザリング振動用スプリング１２の振動モードを考慮して当該羽ばたき翼２の内部にはフェザリング振動用スプリング１２の周辺に内部空間が設けられている。もちろん必要であれば当該羽ばたき翼２の翼面を切り開けてフェザリング振動用スプリング１２が振動するための空間を設けるものとしても良く、あるいは、フェザリング振動用スプリング１２を当該羽ばたき翼２の翼根および翼端に設け、前記羽ばたき翼２との連結固定部を除きその全体を露出させるものとしても良い。
【００４０】
以上に加えて、前記フラッピング振動用スプリング４の支点ブロック３への埋没固定面である支点ブロック３の端面より起算して５０．６ｍｍスパン方向へ外側、かつ当該羽ばたき翼の後縁の位置には、重量１．２２ｇの鋼鉄製の集中荷重用錘１３が設けられている。この集中荷重用錘１３は当該羽ばたき翼がフラッピング運動をすることにより、前記集中荷重用錘１３に働く慣性力が自然に当該羽ばたき翼のフラッピング運動に連成するフェザリング運動を生成することができるように設けられたものであり、当該フラッピング運動に対するフェザリング運動の位相進み角が、羽ばたき運動の推進効率の見地より見て最も効率が良いと考えられる位相差９０°となるように前記集中荷重用錘１３の重量および配置位置が考慮されて設けられているものである。
【００４１】
本実施例に示す羽ばたき飛行機の当該羽ばたき翼の形状、材質、重量および重量分布、またその羽ばたき運動は、簡易軽量な構造によって十分大きな翼振動系の振動振幅が得られるように、具体的には本発明の発明者によるコンピュータを用いた数値解析に基づく最適構造設計により決定されたものであるが、その過程の詳述についてはここでは省略するものとする。もちろん本発明は、自由な構造設計に基づくあらゆる共振型羽ばたき飛行機においてその適用が可能である。
【００４２】
以上の機構に基づく当該羽ばたき翼のフェザリング振動の固有振動数ωθは、当該羽ばたき翼の加振振動数と同値の３４Ｈｚに設計されているため、当該振動系への加振エネルギーの注入が効率良く行なわれる結果、直ちに３０°のフェザリング振動振幅を得ることができる。
【００４３】
本実施例における羽ばたき飛行機において、唯一設けられた加振アクチュエータ５は当該羽ばたき飛行機の設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚで微小振幅による定常振動をすればよく、言い換えれば、一定の振動エネルギーの供給手段として機能すれば十分であり、従来必要であると考えられてきた複雑な振幅制御や振動数制御は一切不要である。
【００４４】
さらに、加振アクチュエータ５の加振振動数は本実施例の羽ばたき飛行機における設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚに限られず、その高調波に当たる振動数の振動によって当該翼振動系に振動エネルギーを注入するものとしてもよい。具体的には、より高い作動振動数帯を常とするピエゾ振動素子を加振手段として用い、本実施例における羽ばたき飛行機の設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚの高調波振動にあたる振動数で前記ピエゾ振動素子を微小振動駆動することにより、当該羽ばたき翼を加振することができる。
【００４５】
本実施例に示す共振型羽ばたき飛行機のように、その羽ばたき翼の唯一の加振手段として微小振幅で定常振動するピエゾ振動素子といった簡易軽量な振動源を用い、大きなフラッピング振動振幅及びフェザリング振動振幅をそれらの連成振動として得て、当該フラッピング振動に対するフェザリング振動の位相進み角を羽ばたき運動の推進効率の見地より見て最も効率が良い位相差９０°とすることができる羽ばたき飛行機は従来において存在しない。
【００４６】
このように優れた構造設計による羽ばたき飛行機においては、加振による無制限な振動エネルギーの注入をおこなうことは、空気力による自然なダンピング（減衰）の許容量を超えることとなる結果、極端な翼振動系の発振に至って当該羽ばたき飛行機を機械的に破壊する可能性が存在するものである。しかしながら本発明による共振型羽ばたき飛行機においては当該翼振動系に減衰手段を備え、前記加振手段によって注入される振動エネルギーを適度に消失せしめることができるため、そのような不具合は生じない。
【００４７】
本実施例においては、図２〜図５に示すフラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびこれと対を成すフラッピング振幅制御用磁性体棒８と、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびこれと対を成すフェザリング振幅制御用磁性体棒９とが前記減衰手段に相当する。フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７は鉄芯付電磁コイルであって、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６は当該羽ばたき翼のフェザリング軸の近傍に、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７は当該羽ばたき翼のフェザリング軸より隔てられて当該羽ばたき翼の後縁付近に、それぞれ支点ブロック３に埋没固定されて設けられている。
【００４８】
また、フラッピング振幅制御用磁性体棒８およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９は、磁性を有する鋼鉄製の円柱型部品であって、それぞれ対を成すフラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７と面して近接する位置（図３に示すように板バネ４の長さより短い間隔を隔てた対向位置）において、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２（その断面が流線型の上面と下面とで形成されたいわゆる翼型断面）にそれぞれ埋没固定されて設けられている。
【００４９】
以上の機構において、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電することにより、相対するフラッピング振幅制御用磁性体棒８との間に磁気的引力が生じ、これが当該羽ばたき翼におけるフラッピング振動に対する減衰力として作用することで、前記羽ばたき翼のフラッピング振動振幅４０°をより小さな振動振幅へと減衰して制振することができる。
【００５０】
この際、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフラッピング振幅制御用磁性体棒８が当該羽ばたき翼のフェザリング軸近傍に配置されているために（図３，４参照）、前記これらの間に生じる磁気的引力は当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対して大きな影響を与えることがなく、専らフラッピング振動振幅のみを制振して制御することができる。
【００５１】
なお、前記フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電する電流は必要に応じて自在に変更制御することができるため、当該フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６に大きな電流を流し、当該発生する磁気的引力を大きなものとすることで、本実施例における減衰手段としてその減衰係数を大きな値に変更し、当該フラッピング振動振幅を所望の小さい振動振幅に制振してこれを定常振動として維持することができる一方で、もちろん、当該フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電する電流を小さな電流とすることで、当該発生する磁気的引力を小さなものとし、本実施例における減衰手段としてその減衰係数を小さな値とすることで、他方において当該羽ばたき翼の加振手段たる加振用アクチュエータ（支点ブロック３をその軸回りに回動させるピエゾ素子）５により注入される振動エネルギーを用いて当該羽ばたき翼の振動振幅を大きな振動振幅とし、当該最大フラッピング振動振幅である４０°までに至る所望のフラッピング振動振幅を直ちに回復することができる。
【００５２】
一方、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７の電磁コイルに通電した場合には、同じくフェザリング振幅制御用磁性体棒９との間に磁気的引力が生じ、これが当該羽ばたき翼におけるフェザリング振動に対する減衰力として作用することで、前記羽ばたき翼のフェザリング振動振幅３０°をより小さな振動振幅へと減衰して制振することができる。
【００５３】
これは、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９が当該羽ばたき翼のフェザリング軸より隔てられて当該羽ばたき翼の後縁付近に設けられているために、前記フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の配置位置と当該羽ばたき翼のフェザリング軸との離間距離がモーメント・アームとして作用することで、大きな減衰力を当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対して与えるように作用するためである。
【００５４】
一方で、当該羽ばたき翼のフェザリング運動によってフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７とフェザリング振幅制御用磁性体棒９とが大きく離間されることにより、当該フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７とフェザリング振幅制御用磁性体棒９との間に生じる磁気的引力が弱められることから、当該磁気的引力の副作用ともいうべき当該羽ばたき翼のフラッピング振動に対する当該磁気的引力の減衰力の供与の影響は比較的小さなものに抑えられることとなる。
【００５５】
すなわち、当該フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の間に生じる磁気的引力によりもたらされる当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対する減衰力が他方当該羽ばたき翼のフラッピング振動に対する減衰力と比べて圧倒的に大きな作用を効するものであることから、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の間に生じる当該磁気的引力は専らフェザリング振動振幅のみを制振して制御することができる。
【００５６】
なお、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７の電磁コイルに通電する電流を必要に応じて自在に変更制御することで、本実施例における翼振動の減衰手段としてその減衰係数を増減し、当該羽ばたき翼のフェザリング振動振幅を所望の小さい振動振幅に制振して定常振動としてこれを維持することができる一方で、当該最大フェザリング振動振幅３０°までに至る所望のフェザリング振動振幅を随意に回復することができることは、既にその作用を詳述したフラッピング振動振幅制御における作用と同じである。
【００５７】
以上に示したとおり、本実施例の羽ばたき飛行機は当該翼振動系の加振手段によって当該翼振動系に注入された振動エネルギーを、当該翼振動系の減衰手段により適度に消失し、当該翼振動系の振動を制振することで、当該羽ばたき翼のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅をそれぞれ独立して随意の振動振幅に変更制御することができる。なお当該制御して得られた羽ばたき翼の振動振幅は、共振時の前記翼振動系の最大振幅振動が制振されて得られた定常振動による一定振幅のものであって、所望の期間において当該羽ばたき翼の振動振幅を前記一定振幅において維持することができるものである。
【００５８】
もちろん、本発明に係る減衰手段は本実施例において例示した電磁力を用いた電磁ダンパーに限られることがなく、共振型羽ばたき飛行機が備える翼振動系の減衰手段の減衰係数を変更することで、当該翼振動系の振動振幅を随意に変更制御するという本発明の構成と効果とを実現するものであれば、摩擦力を用いるものとしても、液圧式ダンパーあるいは空気圧式ダンパーを用いるものとしてもよい。
【００５９】
本実施例におけるトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）である当該羽ばたき飛行機が備える４枚の羽ばたき翼のそれぞれにおいては、以上説明した翼振動系の振動振幅制御がそれぞれ独立して実施されているとともに、合計８系統の当該振動振幅制御系が調和の取れた統合制御によって本実施例における羽ばたき飛行機の飛行制御をおこなっている。
【００６０】
図６は本実施例に示すトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の全体を示す説明図である。図６は配置図であって、本実施例の羽ばたき飛行機を左舷より見る説明図である。本実施例のトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）においては、そのホバリング飛行に適するストローク面傾斜角であるストローク面傾斜角１０°を取り付け角として、既にその機構について詳述したマウントブロック１及び羽ばたき翼２を主要構成部品とする当該羽ばたき翼駆動部を機体に斜めに取り付けているもので、羽ばたき翼２は紙面に対して垂直の方向に設けられている。
【００６１】
図６において、１４は当該羽ばたき飛行機における唯一のペイ・ロードである観測用の超広角ＣＣＤカメラであり、１５は慣性航法用の振動ジャイロ（重量０．５ｇ）、１６は飛行制御及び無線通信用のＩＣパッケージを備えたコントロール・ユニットである。これらは機体に固定されている。本実施例のトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）は遠隔観測ミッションに用いられるものであって、コントロール・ユニット１６を介して無線通信により送信される超広角ＣＣＤカメラ１４の映像を観測者が遠隔地において観測しながら、新たに観測の必要な方向を同じく無線通信によって指示することで、コントロール・ユニット１６および振動ジャイロ１５が慣性航法により自律飛行するトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の自動操縦をおこない、当該指定された観測映像を得るものである。
【００６２】
また、１７は当該羽ばたき飛行機の重心位置に設けられたバッテリー（重量３．７ｇ）であり、１８はピエゾ振動素子を用いたリニア・モーター駆動によるストローク面傾斜角変更用の可動式水平尾翼（フライング・テール）である。当該羽ばたき飛行機が前進飛行をする場合には、当該前進速度の２乗に比例して増加する抗力を凌ぐために必要な推力を前記ストローク面傾斜角を大きく傾けることにより得なければならない。可動式水平尾翼１８はこのために設けられているものであり、当該羽ばたき飛行機の飛行制御命令に従い、空気力を利用して機体重心周りに必要なピッチング・モーメントを与え、所望のストローク面傾斜角を得る作用を成す。
【００６３】
以上、本発明に係る羽ばたき飛行機の実施の形態について個別具体的な形態を提示して詳述したが、ここに提示した例示的実施の形態は、本発明について好適な実施を導くために開示されたものであって本発明の実施の形態についてその技術的適用範囲を規定するものではなく、本発明に係る実施の形態は、本発明に基づくあらゆる実施の形態に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼駆動部全景を右翼後上方翼端側より見た説明図である。
【図２】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼を右翼後上方翼端側より見た拡大説明図である。
【図３】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼を右翼後上方翼根側より見た拡大説明図である。
【図４】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を右翼後上方翼根側より見た説明図である。
【図５】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を右翼後上方翼端側より見た説明図である。
【図６】本発明による羽ばたき飛行機を示す説明図である。
【図７】トンボの飛翔の羽ばたき運動を示す説明図である。
【図８】トンボの飛翔の最小必要パワー曲線を示す説明図である。
【図９】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動におけるストローク面傾斜角φＳの推移を示す説明図である。
【図１０】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフラッピング振動振幅φ０Ｆの推移を示す説明図である。
【図１１】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における後翼のフラッピング振動振幅φ０Ｈの推移を示す説明図である。
【図１２】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｆの推移を示す説明図である。
【図１３】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｈの推移を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：マウントブロック
２：羽ばたき翼
３：支点ブロック
４：フラッピング振動用スプリング
５：加振アクチュエータ
６：フラッピング振幅制御用電磁ダンパー
７：フェザリング振幅制御用電磁ダンパー
８：フラッピング振幅制御用磁性体棒
９：フェザリング振幅制御用磁性体棒
１０：内桁
１１：外桁（薄肉カラー）
１２：フェザリング振動用スプリング
１３：集中荷重用錘
１４：超広角ＣＣＤカメラ
１５：ジャイロ・センサー
１６：コントロール・ユニット
１７：バッテリー
１８：可動式水平尾翼
【図１】
2007237946.tif 000003
【図２】
2007237946.tif 000004
【図３】
2007237946.tif 000005
【図４】
2007237946.tif 000006
【図５】
2007237946.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007237946.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007237946.tif 000011
【図１０】
2007237946.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月25日(2006.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振型羽ばたき飛行機において、羽ばたき翼がフラッピング振動およびフェザリング振動の２自由度において連成共振振動する翼振動系を構成し、前記翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記翼振動系の減衰手段の減衰係数を増減することで、前記羽ばたき翼のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅を各独立に変更することを特徴とする羽ばたき飛行機。
【請求項２】
水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いてピッチング制御することにより羽ばたき翼のストローク面傾斜角を増減制御することを特徴とする請求項１に記載の羽ばたき飛行機。
【請求項３】
加速度センサーを備え、前記加速度センサーにより検出された加速度情報を飛行制御命令にフィードバックすることにより慣性航法飛行制御をおこなうことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の羽ばたき飛行機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は羽ばたき飛行機に関し、詳細には共振型羽ばたき飛行機に関する。本発明は羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）に好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業製品の小型化、微細化とその製造技術の進歩に伴い、小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の実現的開発が急速に進められている。小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）とは、主に自律飛行が可能な小型で無人の航空機を指し、その特徴である機動性及び自律性を活かして有意義な観測活動をおこなうことができるものとされている。
【０００３】
なかでも羽ばたき飛行により飛翔する昆虫型の小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の開発は、閉鎖小空間内における自律観測活動をも可能とするホバリングや急発進、急停止、急旋回といった高機動飛行を実現することができるものと期待され、具体的に例示すれば、人による観測活動に危険を伴う火災現場や、有害物質漏洩現場、あるいは倒壊のおそれのある建物内等における迅速な状況把握を目的とする無人観測活動他において活躍することが期待されている。
【０００４】
羽ばたき飛行機の羽ばたき機構については数多くの発明がなされているが、その大多数は多様なカム、リンク機構等を用いた強制振動型羽ばたき機構である。強制振動型羽ばたき機構は、概して剛体に設けられた翼軸をアクチュエータにより一定振幅で強制振動駆動して羽ばたき運動を得るものであることから、その羽ばたき運動は当該駆動振動数を除き機構的に決定されていて、飛行制御のためにその振動振幅等を変化させる余地がないということが問題視されている。
【０００５】
これに対し共振型羽ばたき機構は、概してその羽ばたき運動の共振振動数を大きく変化させることができないものの、振動振幅等その羽ばたき運動を変化させる余地が残されているため、飛行制御可能な羽ばたき飛行機を提供することができるものとして期待が寄せられている。共振型羽ばたき飛行機に関する文献公知発明としては、米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）による「羽ばたき飛行をするＭＡＶのためのひずみ率のフィードバックによる共振羽ばたき調整回路」が知られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】米国特許ＵＳ６８４０４７６Ｂ１号公報
【０００６】
この発明は空力弾性羽ばたき飛行系を柔構造翼の共振周波数に導くよう入力信号を自動調整し、これにより機構的に構成された羽ばたき運動の振動振幅を最大化することを目的とし（特許文献１第２段組５７〜６３行参照。）、ピエゾ素子を用いたひずみセンサーを柔構造翼に備えるとともに同翼を加振するアクチュエータを備え、同センサーにより出力される周期的な振動信号を用いて同翼を自励振動させる構成とされている（特許文献１第２段組１６〜２０行参照。）。
【０００７】
また発明の効果としては、その連続的クローズド・ループ制御により、最も効率の良い、柔構造翼の共振周波数による共振へと振動系が調整されることとなる（特許文献１第２段組２６〜２９行参照。）。同発明の最も重要な特徴は、羽ばたき翼機構が翼−アクチュエータ系の基本構造モードにおける共振周波数において用いられることである。これは振動系に供給される駆動エネルギーを最も効率的に翼機構へと伝達することができる周波数である（特許文献１第２段組６〜１２行参照。）ものと発明の開示がなされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の飛行制御においては、その羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅を随意に変更制御できることが必要である。これはトンボの飛翔の羽ばたき運動に関する研究等に基づき見出されるものである。トンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の飛翔においてはその前進飛行速度の変化にかかわらず、当該羽ばたき運動の振動数は約２８Ｈｚで一定不変であることが風洞試験に基づく研究の成果として知られている。一方で、図７に示すトンボの飛翔の羽ばたき運動におけるフラッピング振動振幅φ０Ｆおよびφ０Ｈ、フェザリング振動振幅θ０Ｆおよびθ０Ｈ、加えてストローク面傾斜角φＳは前進飛行速度の変化に応じて大きく変動することが知られている。
【０００９】
図８は本発明の発明者が開発した三次元非定常ナビエ・ストークス・コードにより空気力学的に解析したトンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の飛翔の羽ばたき運動をＣＯＭＰＬＥＸ法を用いて最適化して得ることができる最適羽ばたき運動における最小必要パワー曲線を示すものであり、横軸は当該トンボの飛翔の前進飛行速度を、縦軸は各前進速度において水平飛行を実現する必要パワーを示したものである。ここで最適羽ばたき運動とは、羽ばたき運動１サイクルを時間平均して水平前進飛行に要する必要パワーが最小であるいわば効率の良い羽ばたき運動を意味するものである。なお当該最適羽ばたき運動の振動数は２８Ｈｚに固定されていて不変である。図８に開示する最小必要パワー曲線を見るに、例えば羽ばたき飛行機が水平前進加速飛行をおこなうためには、事前に決定された一定の羽ばたき運動のみによることはできず、当然に、速度変化に対応してその羽ばたき運動を変更制御する必要があることが理解できる。
【００１０】
図９〜１３は前記トンボの飛翔の最適羽ばたき運動についてその前進飛行速度の変化に応じた各運動要素の変動をそれぞれ示したものである。図９はストローク面傾斜角φＳの前進飛行速度の変化に応じた変動を示すもので、ホバリングにおいては８度付近が最適値であるのに対し、前進飛行速度８ｍ／ｓにおいては、９０度付近が最適値であるものというように前進飛行速度の変化に応じて変動している。図１０は前翼のフラッピング振動振幅φ０Ｆの前進飛行速度の変化に応じた変動を、図１１は後翼のフラッピング振動振幅φ０Ｈの前進飛行速度の変化に応じた変動をそれぞれ示すものであり、互いに異なる最適値によりながら、前進飛行速度の変化に応じて独立して変動しているといえる。同様に図１２は前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｆの前進飛行速度の変化に応じた変動を、図１３は後翼のフェザリング振動振幅θ０Ｈの前進飛行速度の変化に応じた変動をそれぞれ示すものであり、これらもそれぞれに独立して変動しているといえる。
【００１１】
なお、ここに例示されないさらに複雑な機動飛行をおこなうためには、加えて必要な空気力あるいは姿勢変化を得るために相当に複雑な羽ばたき運動が必要とされることはいうまでもない。また当該例示された最適化計算の結果は、ここに記載されない多くの拘束条件に基づいて計算されたものであるため、多様な羽ばたき飛行機の設計に際して開示された数値を安易に引用すべきではないことに注意が必要である。
【００１２】
以上みてきたように、自在に飛行制御が可能な羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）を実現するためには、共振型羽ばたき飛行機において、当該羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅加えてストローク面傾斜角をそれぞれ随意に変更制御することができる必要がある。
【００１３】
ここで、共振型羽ばたき飛行機に関する文献公知発明として知られる米国航空宇宙局（ＮＡＳＡ）による「羽ばたき飛行をするＭＡＶのためのひずみ率のフィードバックによる共振羽ばたき調整回路」（特許文献１参照。）によれば、加振調整回路を用いて翼振動系を自励振動させることで、その共振時において翼振動系の最大振動振幅を得ることができるが、この際に得られる定常振動は共振時における翼振動系の最大振幅振動のみであり、これに満たない振幅振動は過渡状態のものであって過渡振動であり、例えば前記翼振動系の最大振動振幅に満たない任意の振動振幅を定常振動として一定期間維持することで、ホバリング飛行あるいは水平直進飛行をおこなうといった現実に要求される飛行制御を実現することは困難である。
【００１４】
本発明はこれらの事情に鑑みてなされたものであり、共振型羽ばたき飛行機において、当該羽ばたき運動のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅加えてストローク面傾斜角をそれぞれ随意に変更制御することを可能とすることにより、自在に飛行制御が可能な羽ばたき飛行により飛翔する小型飛翔体（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記の課題を解決するために次の構成を備える。即ち、本発明による羽ばたき飛行機は、共振型羽ばたき飛行機において、羽ばたき翼がフラッピング振動およびフェザリング振動の２自由度において連成共振振動する翼振動系を構成し、前記翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記翼振動系の減衰手段の減衰係数を増減することで、前記羽ばたき翼のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅を各独立に変更することを特徴とする。
【００１６】
また本発明による羽ばたき飛行機は、水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いてピッチング制御することにより羽ばたき翼のストローク面傾斜角を増減制御することを特徴とする。
【００１７】
また本発明による羽ばたき飛行機は、加速度センサーを備え、前記加速度センサーにより検出された加速度情報を飛行制御命令にフィードバックすることにより慣性航法飛行制御をおこなうことを特徴とする。
【００１８】
また前記減衰手段は電磁ダンパーであることを特徴とする。
【００１９】
また前記加振手段はピエゾ振動素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、共振型羽ばたき飛行機において翼振動系の加振手段と前記翼振動系の減衰手段とを備え、前記加振手段により前記翼振動系に注入した振動エネルギーを前記減衰手段を用いて消失することにより、前記翼振動系の振動を制振し、前記翼振動系の振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２１】
また本発明によれば、前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系の振動をダンピングにより制振し、当該翼振動系のフラッピング振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２２】
また本発明によれば、前記減衰手段の減衰係数を増減することで、前記翼振動系の振動をダンピングにより制振し、当該翼振動系のフェザリング振動振幅を随意に変更して制御することができる。
【００２３】
また本発明によれば、一の加振手段によって前記翼振動系のフラッピング振動と前記翼振動系のフェザリング振動とをそれらの連成振動として同時に加振生成することができる。
【００２４】
また本発明によれば、前記共振型羽ばたき飛行機において水平尾翼を備え、前記水平尾翼により生じる空気力を用いて当該共振型羽ばたき飛行機をピッチング制御することにより、羽ばたき翼のストローク面傾斜角を随意に増減制御することができる。
【００２５】
また本発明によれば、前記共振型羽ばたき飛行機において加速度センサーを備え、当該加速度センサーにより検出された加速度情報を当該共振型羽ばたき飛行機の飛行制御命令にフィードバックすることにより、安定したホバリング飛行や水平直線等速飛行、その他任意の機動飛行を慣性航法により自律しておこなうことができる。
【００２６】
また本発明によれば、前記減衰手段を電磁ダンパーとすることにより、非接触によって過大なエネルギー損失を伴うことなく当該減衰手段としての減衰係数を増減変更して前記翼振動系の振動振幅を変更することができるため、好適に発明の効果を得ることができる。
【００２７】
また本発明によれば、前記加振手段をピエゾ振動素子とすることにより、単純かつ軽量にまた複雑な加振制御を要することなく好適に発明の効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る羽ばたき飛行機の実施の形態について詳述する。図１は、本実施例の羽ばたき飛行機における羽ばたき翼駆動部の全景を右翼後上方より見た説明図である。本実施例の羽ばたき飛行機は２対４枚の羽ばたき翼を備えたトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）であり、実際のトンボ（Ａｎａｘ−Ｐａｒｔｈｅｎｏｐｅ−ｊｕｌｉｕｓ）の２倍の大きさで重量は２０ｇに設計されている。その全長は２５０ｍｍであり、スパン長は２００ｍｍである。
【００２９】
４枚の低発泡スチレン樹脂（密度４０ｋｇ／ｍ３）製の羽ばたき翼２は矩形に設けられていて、そのコード長は２０ｍｍであり、その板厚は３ｍｍの平板であって、当該羽ばたき翼１枚の重量はその内部構造物の重量を含めて１．４３ｇに設計されている。これら４枚の羽ばたき翼が２枚１対の前翼および同じく２枚１対の後翼に分けられてそれぞれジュラルミン製のマウントブロック１に取り付け支持されている。本実施例においては、製作に易くまた比較的丈夫な矩形平板による羽ばたき翼に定めてその設計が成されているが、もちろん羽ばたき翼は任意の平面形状および翼型を備えることもできる。なお、本実施例の説明図たる図１、図２および図３においては、その視覚的理解を助けるために説明上図中の羽ばたき翼に翼型を持たせて描くものとする。
【００３０】
図２および図３は、本実施例における羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の取り付け支持部を拡大して見る説明図である。なお、同部は当該羽ばたき翼の加振駆動部でもある。羽ばたき翼２はその露出部において長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍ、板厚０．３７ｍｍのアルミニウム製のフラッピング振動用スプリング（板バネ）４によって片持ち支持されていて、当該フラッピング振動用スプリング４の一端はジュラルミン製の支点ブロック３の内部に、また逆の一端は羽ばたき翼２の内部にそれぞれ埋没固定されている。
【００３１】
また支点ブロック３はマウントブロック１に設けられた１対のフランジによって軸支され、当該支持軸の周りを回動可能に設けられていることで、自由回転支点として機能する一方で、その一端は本実施例の羽ばたき翼を加振する加振点として機能するようマウントブロック１上に設けられた加振アクチュエータ（ピエゾ素子）５に固定されて設けられている。なお、マウントブロック１は飛行機本体に固定されている。
【００３２】
以上の機構において、前記加振アクチュエータ５を本実施例の羽ばたき飛行機における設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚで微小振幅振動駆動することにより、前記マウントブロック１により軸支される前記支点ブロック３の自由回転支点軸周りに微小振動トルクが発生し、これがフラッピング振動用スプリング４および羽ばたき翼２に作用することにより、共振による羽ばたき翼のフラッピング振動が生成されることとなる。なお、本実施例において示す羽ばたき翼２およびフラッピング振動用スプリング４より成る羽ばたき翼のフラッピング振動の固有振動数ωφは３２．７Ｈｚに設計されているため、当該振動系への加振エネルギーの注入が効率良く行なわれる結果、直ちに４０°のフラッピング振動振幅を得ることができる。
【００３３】
また、本実施例に示す羽ばたき飛行機においては、以上説明した羽ばたき翼のフラッピング運動にフェザリング運動が自然に連成されるように設けられている。図４および図５は、本実施例における羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を示す説明図である。羽ばたき翼の前縁より５ｍｍのフェザリング軸上には当該羽ばたき飛行機の主桁である直径０．５ｍｍのジュラルミン製の内桁１０がフラッピング振動用スプリング４に固定されて設けられている。
【００３４】
内桁１０の外周には樹脂製の薄肉カラーである外形０．５１ｍｍの外桁１１が固定されずに組み付けられている。よって外桁１１は内桁１０の外周面上を摺動し、内桁１０と同軸を保って自在に回動することができるように設けられている。ここで、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２は前記外桁１１と同様に内桁１０には固定されずに設けられている一方で、前記外桁１１の外周面上に接着固定されて設けられているため、外桁１１と一体となって内桁１０の外周面上を摺動し、内桁１０の外周を自在に回動することができる機構とされている。
【００３５】
また内桁１０と垂直に、当該羽ばたき翼の翼弦線上には、長さ１２ｍｍ、幅２．５ｍｍ、板厚０．１ｍｍのアルミニウム製のフェザリング振動用スプリング１２が図示のとおり２本、内桁１０に埋没固定されて設けられている。ここで、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２は、前記フェザリング振動用スプリング１２の先端部のみと固定されていて、当該固定部を除き、当該羽ばたき翼２と前記フェザリング振動用スプリング１２とは接触しないように離間して設けられている。
【００３６】
これはフェザリング振動用スプリング１２の振動による自由な変形を許容するためのもので、フェザリング振動用スプリング１２の振動モードを考慮して当該羽ばたき翼２の内部にはフェザリング振動用スプリング１２の周辺に内部空間が設けられている。もちろん必要であれば当該羽ばたき翼２の翼面を切り開けてフェザリング振動用スプリング１２が振動するための空間を設けるものとしても良く、あるいは、フェザリング振動用スプリング１２を当該羽ばたき翼２の翼根および翼端に設け、前記羽ばたき翼２との連結固定部を除きその全体を露出させるものとしても良い。
【００３７】
以上に加えて、前記フラッピング振動用スプリング４の支点ブロック３への埋没固定面である支点ブロック３の端面より起算して５０．６ｍｍスパン方向へ外側、かつ当該羽ばたき翼の後縁の位置には、重量１．２２ｇの鋼鉄製の集中荷重用錘１３が設けられている。この集中荷重用錘１３は当該羽ばたき翼がフラッピング運動をすることにより、前記集中荷重用錘１３に働く慣性力が自然に当該羽ばたき翼のフラッピング運動に連成するフェザリング運動を生成することができるように設けられたものであり、当該フラッピング運動に対するフェザリング運動の位相進み角が、羽ばたき運動の推進効率の見地より見て最も効率が良いと考えられる位相差９０°となるように前記集中荷重用錘１３の重量および配置位置が考慮されて設けられているものである。
【００３８】
本実施例に示す羽ばたき飛行機の当該羽ばたき翼の形状、材質、重量および重量分布、またその羽ばたき運動は、簡易軽量な構造によって十分大きな翼振動系の振動振幅が得られるように、具体的には本発明の発明者によるコンピュータを用いた数値解析に基づく最適構造設計により決定されたものであるが、その過程の詳述についてはここでは省略するものとする。もちろん本発明は、自由な構造設計に基づくあらゆる共振型羽ばたき飛行機においてその適用が可能である。
【００３９】
以上の機構に基づく当該羽ばたき翼のフェザリング振動の固有振動数ωθは、当該羽ばたき翼の加振振動数と同値の３４Ｈｚに設計されているため、当該振動系への加振エネルギーの注入が効率良く行なわれる結果、直ちに３０°のフェザリング振動振幅を得ることができる。
【００４０】
本実施例における羽ばたき飛行機において、唯一設けられた加振アクチュエータ５は当該羽ばたき飛行機の設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚで微小振幅による定常振動をすればよく、言い換えれば、一定の振動エネルギーの供給手段として機能すれば十分であり、従来必要であると考えられてきた複雑な振幅制御や振動数制御は一切不要である。
【００４１】
さらに、加振アクチュエータ５の加振振動数は本実施例の羽ばたき飛行機における設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚに限られず、その高調波に当たる振動数の振動によって当該翼振動系に振動エネルギーを注入するものとしてもよい。具体的には、より高い作動振動数帯を常とするピエゾ振動素子を加振手段として用い、本実施例における羽ばたき飛行機の設計羽ばたき振動数である３４Ｈｚの高調波振動にあたる振動数で前記ピエゾ振動素子を微小振動駆動することにより、当該羽ばたき翼を加振することができる。
【００４２】
本実施例に示す共振型羽ばたき飛行機のように、その羽ばたき翼の唯一の加振手段として微小振幅で定常振動するピエゾ振動素子といった簡易軽量な振動源を用い、大きなフラッピング振動振幅及びフェザリング振動振幅をそれらの連成振動として得て、当該フラッピング振動に対するフェザリング振動の位相進み角を羽ばたき運動の推進効率の見地より見て最も効率が良い位相差９０°とすることができる羽ばたき飛行機は従来において存在しない。
【００４３】
このように優れた構造設計による羽ばたき飛行機においては、加振による無制限な振動エネルギーの注入をおこなうことは、空気力による自然なダンピング（減衰）の許容量を超えることとなる結果、極端な翼振動系の発振に至って当該羽ばたき飛行機を機械的に破壊する可能性が存在するものである。しかしながら本発明による共振型羽ばたき飛行機においては当該翼振動系に減衰手段を備え、前記加振手段によって注入される振動エネルギーを適度に消失せしめることができるため、そのような不具合は生じない。
【００４４】
本実施例においては、図２〜図５に示すフラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびこれと対を成すフラッピング振幅制御用磁性体棒８と、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびこれと対を成すフェザリング振幅制御用磁性体棒９とが前記減衰手段に相当する。フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７は鉄芯付電磁コイルであって、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６は当該羽ばたき翼のフェザリング軸の近傍に、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７は当該羽ばたき翼のフェザリング軸より隔てられて当該羽ばたき翼の後縁付近に、それぞれ支点ブロック３に埋没固定されて設けられている。
【００４５】
また、フラッピング振幅制御用磁性体棒８およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９は、磁性を有する鋼鉄製の円柱型部品であって、それぞれ対を成すフラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７と面して近接する位置（図３に示すように板バネ４の長さより短い間隔を隔てた対向位置）において、低発泡スチレン樹脂製の羽ばたき翼２（その断面が流線型の上面と下面とで形成されたいわゆる翼型断面）にそれぞれ埋没固定されて設けられている。
【００４６】
以上の機構において、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電することにより、相対するフラッピング振幅制御用磁性体棒８との間に磁気的引力が生じ、これが当該羽ばたき翼におけるフラッピング振動に対する減衰力として作用することで、前記羽ばたき翼のフラッピング振動振幅４０°をより小さな振動振幅へと減衰して制振することができる。
【００４７】
この際、フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６およびフラッピング振幅制御用磁性体棒８が当該羽ばたき翼のフェザリング軸近傍に配置されているために（図３，４参照）、前記これらの間に生じる磁気的引力は当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対して大きな影響を与えることがなく、専らフラッピング振動振幅のみを制振して制御することができる。
【００４８】
なお、前記フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電する電流は必要に応じて自在に変更制御することができるため、当該フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６に大きな電流を流し、当該発生する磁気的引力を大きなものとすることで、本実施例における減衰手段としてその減衰係数を大きな値に変更し、当該フラッピング振動振幅を所望の小さい振動振幅に制振してこれを定常振動として維持することができる一方で、もちろん、当該フラッピング振幅制御用電磁ダンパー６の電磁コイルに通電する電流を小さな電流とすることで、当該発生する磁気的引力を小さなものとし、本実施例における減衰手段としてその減衰係数を小さな値とすることで、他方において当該羽ばたき翼の加振手段たる加振用アクチュエータ（支点ブロック３をその軸回りに回動させるピエゾ素子）５により注入される振動エネルギーを用いて当該羽ばたき翼の振動振幅を大きな振動振幅とし、当該最大フラッピング振動振幅である４０°までに至る所望のフラッピング振動振幅を直ちに回復することができる。
【００４９】
一方、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７の電磁コイルに通電した場合には、同じくフェザリング振幅制御用磁性体棒９との間に磁気的引力が生じ、これが当該羽ばたき翼におけるフェザリング振動に対する減衰力として作用することで、前記羽ばたき翼のフェザリング振動振幅３０°をより小さな振動振幅へと減衰して制振することができる。
【００５０】
これは、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９が当該羽ばたき翼のフェザリング軸より隔てられて当該羽ばたき翼の後縁付近に設けられているために、前記フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の配置位置と当該羽ばたき翼のフェザリング軸との離間距離がモーメント・アームとして作用することで、大きな減衰力を当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対して与えるように作用するためである。
【００５１】
一方で、当該羽ばたき翼のフェザリング運動によってフェザリング振幅制御用電磁ダンパー７とフェザリング振幅制御用磁性体棒９とが大きく離間されることにより、当該フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７とフェザリング振幅制御用磁性体棒９との間に生じる磁気的引力が弱められることから、当該磁気的引力の副作用ともいうべき当該羽ばたき翼のフラッピング振動に対する当該磁気的引力の減衰力の供与の影響は比較的小さなものに抑えられることとなる。
【００５２】
すなわち、当該フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の間に生じる磁気的引力によりもたらされる当該羽ばたき翼のフェザリング振動に対する減衰力が他方当該羽ばたき翼のフラッピング振動に対する減衰力と比べて圧倒的に大きな作用を効するものであることから、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７およびフェザリング振幅制御用磁性体棒９の間に生じる当該磁気的引力は専らフェザリング振動振幅のみを制振して制御することができる。
【００５３】
なお、フェザリング振幅制御用電磁ダンパー７の電磁コイルに通電する電流を必要に応じて自在に変更制御することで、本実施例における翼振動の減衰手段としてその減衰係数を増減し、当該羽ばたき翼のフェザリング振動振幅を所望の小さい振動振幅に制振して定常振動としてこれを維持することができる一方で、当該最大フェザリング振動振幅３０°までに至る所望のフェザリング振動振幅を随意に回復することができることは、既にその作用を詳述したフラッピング振動振幅制御における作用と同じである。
【００５４】
以上に示したとおり、本実施例の羽ばたき飛行機は当該翼振動系の加振手段によって当該翼振動系に注入された振動エネルギーを、当該翼振動系の減衰手段により適度に消失し、当該翼振動系の振動を制振することで、当該羽ばたき翼のフラッピング振動振幅およびフェザリング振動振幅をそれぞれ独立して随意の振動振幅に変更制御することができる。なお当該制御して得られた羽ばたき翼の振動振幅は、共振時の前記翼振動系の最大振幅振動が制振されて得られた定常振動による一定振幅のものであって、所望の期間において当該羽ばたき翼の振動振幅を前記一定振幅において維持することができるものである。
【００５５】
もちろん、本発明に係る減衰手段は本実施例において例示した電磁力を用いた電磁ダンパーに限られることがなく、共振型羽ばたき飛行機が備える翼振動系の減衰手段の減衰係数を変更することで、当該翼振動系の振動振幅を随意に変更制御するという本発明の構成と効果とを実現するものであれば、摩擦力を用いるものとしても、液圧式ダンパーあるいは空気圧式ダンパーを用いるものとしてもよい。
【００５６】
本実施例におけるトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）である当該羽ばたき飛行機が備える４枚の羽ばたき翼のそれぞれにおいては、以上説明した翼振動系の振動振幅制御がそれぞれ独立して実施されているとともに、合計８系統の当該振動振幅制御系が調和の取れた統合制御によって本実施例における羽ばたき飛行機の飛行制御をおこなっている。
【００５７】
図６は本実施例に示すトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の全体を示す説明図である。図６は配置図であって、本実施例の羽ばたき飛行機を左舷より見る説明図である。本実施例のトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）においては、そのホバリング飛行に適するストローク面傾斜角であるストローク面傾斜角１０°を取り付け角として、既にその機構について詳述したマウントブロック１及び羽ばたき翼２を主要構成部品とする当該羽ばたき翼駆動部を機体に斜めに取り付けているもので、羽ばたき翼２は紙面に対して垂直の方向に設けられている。
【００５８】
図６において、１４は当該羽ばたき飛行機における唯一のペイ・ロードである観測用の超広角ＣＣＤカメラであり、１５は慣性航法用の振動ジャイロ（重量０．５ｇ）、１６は飛行制御及び無線通信用のＩＣパッケージを備えたコントロール・ユニットである。これらは機体に固定されている。本実施例のトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）は遠隔観測ミッションに用いられるものであって、コントロール・ユニット１６を介して無線通信により送信される超広角ＣＣＤカメラ１４の映像を観測者が遠隔地において観測しながら、新たに観測の必要な方向を同じく無線通信によって指示することで、コントロール・ユニット１６および振動ジャイロ１５が慣性航法により自律飛行するトンボ型ＭＡＶ（ＭｉｃｒｏＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）の自動操縦をおこない、当該指定された観測映像を得るものである。
【００５９】
また、１７は当該羽ばたき飛行機の重心位置に設けられたバッテリー（重量３．７ｇ）であり、１８はピエゾ振動素子を用いたリニア・モーター駆動によるストローク面傾斜角変更用の可動式水平尾翼（フライング・テール）である。当該羽ばたき飛行機が前進飛行をする場合には、当該前進速度の２乗に比例して増加する抗力を凌ぐために必要な推力を前記ストローク面傾斜角を大きく傾けることにより得なければならない。可動式水平尾翼１８はこのために設けられているものであり、当該羽ばたき飛行機の飛行制御命令に従い、空気力を利用して機体重心周りに必要なピッチング・モーメントを与え、所望のストローク面傾斜角を得る作用を成す。
【００６０】
以上、本発明に係る羽ばたき飛行機の実施の形態について個別具体的な形態を提示して詳述したが、ここに提示した例示的実施の形態は、本発明について好適な実施を導くために開示されたものであって本発明の実施の形態についてその技術的適用範囲を規定するものではなく、本発明に係る実施の形態は、本発明に基づくあらゆる実施の形態に及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼駆動部全景を右翼後上方翼端側より見た説明図である。
【図２】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼を右翼後上方翼端側より見た拡大説明図である。
【図３】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼を右翼後上方翼根側より見た拡大説明図である。
【図４】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を右翼後上方翼根側より見た説明図である。
【図５】本発明による羽ばたき飛行機の羽ばたき翼の内部構造を右翼後上方翼端側より見た説明図である。
【図６】本発明による羽ばたき飛行機を示す説明図である。
【図７】トンボの飛翔の羽ばたき運動を示す説明図である。
【図８】トンボの飛翔の最小必要パワー曲線を示す説明図である。
【図９】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動におけるストローク面傾斜角φＳの推移を示す説明図である。
【図１０】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフラッピング振動振幅φ０Ｆの推移を示す説明図である。
【図１１】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における後翼のフラッピング振動振幅φ０Ｈの推移を示す説明図である。
【図１２】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｆの推移を示す説明図である。
【図１３】トンボの飛翔の最適羽ばたき運動における前翼のフェザリング振動振幅θ０Ｈの推移を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１：マウントブロック
２：羽ばたき翼
３：支点ブロック
４：フラッピング振動用スプリング
５：加振アクチュエータ
６：フラッピング振幅制御用電磁ダンパー
７：フェザリング振幅制御用電磁ダンパー
８：フラッピング振幅制御用磁性体棒
９：フェザリング振幅制御用磁性体棒
１０：内桁
１１：外桁（薄肉カラー）
１２：フェザリング振動用スプリング
１３：集中荷重用錘
１４：超広角ＣＣＤカメラ
１５：ジャイロ・センサー
１６：コントロール・ユニット
１７：バッテリー
１８：可動式水平尾翼