JP4294454B2 - 羽ばたき装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1の羽ばたき装置の駆動部、羽軸部、および羽部を説明するための図である。
図2は、本発明の実施の形態2の羽ばたき装置の第一の駆動部205、第二の駆動部206、第一の羽軸部203、第二の羽軸部204、および羽部200(羽縁部201,膜部202)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態1の第一の駆動部105、第二の駆動部106、第一の羽軸部103、第二の羽軸部104、および羽部100(羽縁部101,膜部102)のそれぞれの構造とほぼ同様である。本実施の形態の羽ばたき装置が実施の形態1の羽ばたき装置と異なるところは、第一の羽軸部203が、前縁部の一部の羽縁部201上に取り付けられていることである。
図3は、本発明の実施の形態3の羽ばたき装置の第一の駆動部305、第二の駆動部306、第一の羽軸部303、第二の羽軸部304、および羽部300(羽縁部301,膜部302)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態2の第一の駆動部205、第二の駆動部206、第一の羽軸部203、第二の羽軸部204、および羽部200(羽縁部201,膜部202)のそれぞれの構造とほぼ同様である。
ここで、aは羽軸間距離、lは羽の長さ、γは羽ばたき角、τは羽ばたき運動の位相を表す(図3および「羽ばたき制御」の項を参照のこと)。
図4は、本発明の実施の形態4の羽ばたき装置の第一の駆動部405、第二の駆動部406、第一の羽軸部403、第二の羽軸部404、および羽部400(羽縁部401,膜部402)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態3の第一の駆動部305、第二の駆動部306、第一の羽軸部303、第二の羽軸部304、および羽部300(羽縁部301,膜部302)のそれぞれの構造とほぼ同様である。
図6(a)および図6(b)を用いて、上述の実施の形態1〜4のそれぞれにおいて用いられる羽ばたき装置の基本構造を説明する。ただし、以下に説明する羽ばたき装置の羽部には、前述の実施の形態1〜4のそれぞれの羽ばたき装置の羽部、駆動部、および羽軸部が取り付けられるものとする。したがって、以下に示す羽ばたき装置の動作を上記実施の形態1〜4の羽ばたき装置が実行するものとする。
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および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。1回の羽ばたき動作とは、羽を打ち下ろし動作とその直後の羽を打ち上げる動作とからなる動作を言う。
(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)
となる必要がある。
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(図8参照)は、羽の長さをl、羽の幅を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)、第1の羽軸部703と第2の羽軸部704の位相差をφとすれば(図8を参照)、次の式で表わされる。
実際には、前羽軸(第1の羽軸部703)および後羽軸(第2の羽軸部704)のいずれも弾性変形するため、捻り角αは、多少違った値を取る。また、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704のそれぞれは、根元ほど、捻り角αが小さい。しかしながら、以下の議論では簡便のため、上の式のαを用いて説明する。
F=(4/3)・π2・ρ・w・γ2・f2・l3・sin2τ・cos[γ・cosτ]
となる。
D=F・cos2α
さらに、羽ばたき仰角θを考慮すると、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Aおよび前後運動の推進力となる水平方向成分Jは、打ち下ろし時では、
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
となる。
sinε>[(w2+8・l2)1/2−w]/4・l
を満たすεであれば、羽の捻り角α=0°(γf=γb)における羽軸部の先端703bと羽軸部の先端703bとの間の距離Woが最大となる。このとき、羽軸部の弾性力および膜部の張力も最大となるため、捻り角αの変化を高速化することができる。また、|α|>0の状態の方が羽ばたき装置が安定する。
Claims (9)
- 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部であって、該羽部の外周縁を構成する羽縁部と、該羽縁部の内側に張られた膜部とを含み、少なくとも前記流体から力を受ける側における前記羽縁部の弾性率が前記膜部の弾性率よりも高い羽部と、
該羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第一の羽軸部と、
前記羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第二の羽軸部と、
前記第一の羽軸部の一端と接続され、該第一の羽軸部を往復運動させる第一の駆動部と、
第一の駆動部とは独立して駆動することが可能である駆動部であって、前記第二の羽軸部の一端と接続され、該第二の羽軸部を往復運動させる第二の駆動部とを備え、
前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離が、前記羽部の幅よりも小さい、羽ばたき装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部であって、該羽部の外周縁を構成する羽縁部と、該羽縁部の内側に張られた膜部とを有する羽部と、
該羽部を支持するように、少なくとも一部が前記羽縁部のうちの前縁部に取り付けられた第一の羽軸部と、
前記羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第二の羽軸部と、
前記第一の羽軸部の一端と接続され、該第一の羽軸部を往復運動させる第一の駆動部と、
第一の駆動部とは独立して駆動することが可能である駆動部であって、前記第二の羽軸部の一端と接続され、該第二の羽軸部を往復運動させる第二の駆動部とを備え、
前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離が、前記羽部の幅よりも小さい、羽ばたき装置。 - 前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部の間に挟まれた前記膜部がコルゲーション構造を有している、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。
- 前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部の間に挟まれた前記膜部のヤング率が、前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部の間に挟まれていない前記膜部のヤング率より小さい値である、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。
- 前記第一の羽軸部が、前記第一の駆動部に接続された第一の中軸部と、前記膜部に取り付けられ、該第一の中軸部が挿入された第一の筒部と、を有し、
羽ばたき運動中において、前記第一の筒部が、該第一の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。 - 前記第一の羽軸が前記第二の羽軸よりも前縁に近い位置に設けられ、
前記第二の羽軸部が、前記第二の駆動部に接続された第二の中軸部と、前記膜部に取り付けられ、該第二の中軸部が挿入された第二の筒部と、を有し、
羽ばたき運動中において、前記第二の筒部が、該第二の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。 - 前記羽部が静止している状態においては、前記第一の羽軸部または前記第二の羽軸部にほぼ平行な第一方向に沿って前記膜部を切ったときの断面形状の曲率よりも、前記第一方向にほぼ垂直な第二方向に沿って前記膜部切ったときの断面形状の曲率の方が大きい、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。
- 前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離をaとし、前記羽部の長さをlとしたときに、l/aが4以上である、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。
- 前記羽部の幅をwとし、前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離をaとしたときに、w/a=5以上である、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。
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