JP4680697B2 - 浮遊体 - Google Patents
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Description
この発明は、自らの動作により空中に静止することができる浮遊体を提供することを目的とする。
図1は、締結線により浮遊する浮遊体である凧の各部の名称を示す図である。
図1は、古典的な凧の側面図である。また図2は、バイオカイトの図である。図2(a)は、バイオカイトの側面図、図2(b)は、前方図、図2(c)は、上面図である。
凧とは、一般に、「空気よりも重く、1本の糸(締結線)が付いていて、風によって水平線に対し、ある角度を持って上がるもの」をいう。気球や風船は、空気より軽いので凧ではない。スポーツカイトは2本以上の糸があるので、ここでは凧ではない。グライダーや紙飛行機や、いわゆる無線操縦玩具は糸がないので、凧ではない。
人間から凧までの糸は1本のみである。糸は、糸目を経由して凧と結ばれる。この糸目は、凧の胴部中央に結ばれる。糸目は1本の場合から複数本の場合があり、凧と1箇所以上の点で締結されている。凧は、風に対して迎角Aがあることにより、凧には抗力と揚力が発生する。一般に凧に作用する重力は、風力に比べて十分小さいので、簡単のためにこれを無視すると、糸目において糸の張力と凧の抗力と揚力の合成力とが釣り合い、凧は空中に浮遊する。
図1に示すように、古典的な凧には尾翼がないので、通常抗力の大きい失速の状態でしか安定に飛ばすことができない。この場合の迎角を失速角という。
これに対して、図2に示すように、凧に尾翼を付け、主翼のゼロ揚力線より角度Bだけ上方に曲げれば、迎角を失速角より小さくして、抗力のほとんど無視できる状態で安定に凧を揚げることができる。この場合凧に加わる風力は、風に垂直な揚力がほとんどで風の方向に働く抗力は揚力の1/10以下ときわめて小さく無視できる。これがバイオカイトである。バイオカイトの場合、糸目の位置あるいは尾翼の角度Bを調整することで、失速角以下の状態で、迎角A、したがって揚力を変更することができる。なお、バイオカイトは、揚力で風の方向と垂直にあがるべきだが、通常やや風に流されて斜めに揚がる。これは図2(a)に示すように糸が風の抵抗を受けて流されるからである。
なお、凧は、浮遊体の一例であるが、一般に浮遊体には、締結線はなくてもよい。
本発明になる浮遊体は、重心ないし糸目が主翼の揚力中心のほぼ真下にあれば、吹き付ける風を利用して浮かぶ凧や飛ぶ鳥や飛行機のような安定性についての考慮を必要としない。したがって、かならずしもバイオカイトや鳥や飛行機などのように尾翼や後退角や上反角を必要としないが、ここではホバリングをすることで有名だが尾翼のある「はちどり」の模型を作ることを想定して説明する。
図3と図4は、浮遊体99の平面図である。
図3は一対の主翼15が矢印D1の方向(頭部方向)に動いている状態を示している。また、図4は、一対の主翼15が矢印D2の方向(尾部方向)に動いている状態を示している。
図6は、主翼15が矢印D1の方向に動いている状態を示している。図7は、主翼15が矢印D2の方向に動いている状態を示している。
これにより、巻き取り軸196が糸199を巻き取ると、図3に示すように、糸199は矢印A1方向に移動し、併せて弾性体164は矢印B1方向に伸長し、接続点26において主翼15を矢印D1方向に動かす。
また、巻き取り軸196が糸199をほどくと、図4に示すように、弾性体164は矢印B2方向に収縮し、併せて糸199は矢印A2方向に移動し、接続点26において主翼15を矢印D2方向に動かす。
このようにして、浮遊体99は、空中静止(ホバリング)を行うことができる。
図8は、主翼15の正逆両方向の両端の状態を示している。主翼15は、主翼主骨33を中心に矢印R1とR2との方向に回転できるようになっている。図9は、その主翼15の回転の状態を示す図である。
(a)〜(c)までが、主翼15の矢印D1方向への移動を示している。(c)〜(e)までが、主翼主骨33を中心に主翼15が、矢印R1の方向に回転する場合を示している。(e)〜(g)までが、主翼15が矢印D2方向に移動する場合を示している。(g)〜(i)までが、主翼主骨33を中心に主翼15が、矢印R2の方向に回転する場合を示している。(i)の次は、(a)に戻る。
このように、主翼15が主翼主骨33を中心にして両端で回転することにより、主翼15の正逆両方向への移動時には、正逆両方向の迎角θをもって主翼15を移動させることが可能になる。
図10において、ホバリング機構290は、基板部24に固定され、背中上方に向かう回転軸284を有している。ヒンジ機構282は、回転軸284により矢印D1とD2の方向に回動可能に取り付けられている。ヒンジ機構282には、回転筒281が矢印R方向に回転できるように取り付けられている。回転筒281には、主翼主骨33が固定されている。主翼主骨33は、迎角付与機構198により矢印R方向に回転する。
このようにして、主翼主骨33は、回転軸284を中心に正逆両方向に回動できるとともに、主翼主骨33を中心に自らを回転させることが可能に取り付けられている。
図11および図12において、回転筒281には、断面が互いに平行な辺を2対もつ六角形のスライダ285が取り付けられている。スライダ285は、ホバリング機構290のスライド溝286をスライドする。スライダ285の対向する平面がスライド溝286の上下の面と平行な状態にスライドする。スライダ285の平行な面と主翼主骨33とは、失速角より小さい迎角θだけ角度を持っている。即ち、スライダ285がスライド溝286により規制された状態でスライドする際、主翼主骨33は、移動方向D1およびD2に対して迎角θを持つことになる。
このようにして、主翼15が迎角θを保つことができる。主翼15に迎角θを付与する機構を迎角付与機構198とする。
図10において、ホバリング機構290は、ストッパー283を4箇所に有している。ストッパー283は、図11および図12に示すように斜面287を有している。
図13(a),(b),(c)に示すように、スライダ285が矢印D2の方向に来た場合、スライダ285の端部が斜面287に当たり、矢印R2の方向に回転する。図13(d)〜(f)においては、スライダ285が矢印D1に向かう場合、スライダ285が矢印R2の方向に回転して再びスライド溝286をスライドすることになる。(b)〜(e)までの矢印R2の方向への回転は、糸199と弾性体164による張力との差が主翼主骨33を中心にして主翼主骨33を回転させる方向に働くことにより行われるものである。このように、ホバリング機構290は、主翼主骨33をメカニカルに回転させたり回動させたりする点が特徴である。
図14は、実施の形態2の浮遊体99の平面図である。
実施の形態1の弾性体164の代わりに、糸199を用いた場合を図14に基づいて説明する。
モータ195は、基板部24の中央部に設けられており、両側に巻き取り軸196を有している。この両側に設けられた一対の巻き取り軸196に対して糸199が巻き付けられ、或いは、元に戻されることにより、主翼15が、互いに正逆方向である矢印D1とD2の方向に回動する。その他の構造及び動作は、実施の形態1と同じである。
図15と図16と図17は、張力差と風力で作動するホバリング機構290を示す図である。
図15は、側面図、図16は、平面図、図17は、図16に示すA−A位置での断面図を示している。
図15において、ホバリング機構290は、基板部24に対してワッシャー381、ワッシャー382、ワッシャー383を用いて取り付けられている。
図16において、回転半円盤386と回転半円盤385が、各ワッシャーを介して、矢印D1とD2の方向に回動可能に取り付けられている。回転軸384は、主翼主骨33の回動の中心となる軸である。回転半円盤385と回転半円盤386には、突部387を備えた回転筒281が取り付けられている。回転筒281は、R方向に回転自在に取り付けられている。主翼主骨33は、主翼15の揚力中心より前縁側に取り付けられている。
図17に示すように、回転半円盤386と回転半円盤385は、迎角を決定する迎え面388を有しており、回転筒281は、回転半円盤がD1或いはD2方向に回動するとR1あるいはR2方向に回転しようとするが、突部387が迎え面388に当接し、それ以上の回転が抑制される。
図17において、迎え面388と水平方向の角度は失速角より小さい迎角θである。従って、主翼15は、正逆両方向に動く場合、いずれも失速角より小さい迎角θを有して回動することになる。主翼15に迎角θを付与する機構を迎角付与機構198とする。
図18は、側面図で図15に対応し、図19は、断面図で図17に対応する。
図16と図17に示すホバリング機構290では、ワッシャーの代わりにビーズ球のような球体を使用することで、主翼主骨33の回動を行い易くしている。
図20は平面図、図21は図20に示すA−A位置での断面図、図22は図20に示すB−B位置での断面図を示している。
図20において、ホバリング機構290は、図21、図22の断面図に示すように、テフロン(登録商標)などの摩擦係数の小さい材料でできた、あるいはそれでコートされた回転半円盤385の上に回転半円盤386が重なって位置し、それぞれ矢印D1とD2との方向に回動可能に取り付けられている。回転半円盤385と回転半円盤386とは、各1つの迎角付与機構198と接続し、迎角付与機構198は、回転半円盤385と回転半円盤386の回動に併せて、矢印D1とD2の方向に回動する。
迎角付与機構198の動作は、実施の形態3の迎角付与機構198と同様である。
図23に示す(1)の状態、すなわち主翼15が迎角θを持った状態を維持しながら、主翼15がD2方向に回動し、左終端に達すると、弾性体164で引っ張られていた糸199が突然モータで巻き取られて張力をD1の方向に発生する。このとき、主翼15には、弾性体164と糸199との張力差による時計回り(R2)の回転力が加わるだけではない。その他に、主翼15の回転とともに変化する力の作用点389において、風力が「作用する力1」から始まって、「作用する力2」、続いて揚力というようにその作用点389を変えながら加わって、主翼を時計回りに回転させようとする。このため、主翼15が図の(1)状態から(2)の状態、続いて(3)の状態へと角(180−2θ)度だけ急速に時計回り(R2)に回転し、D1の進行方向に対して失速角より小さい迎角θを持つ(3)の状態になる。その結果、340の点に揚力と水平ないし下方に向かう糸や弾性体の張力が働き、なおも主翼を時計回りに回転させようとするが、回転筒281の突部387が迎え面388に当接し、迎角θが形成される。この後は、回転半円盤385と回転半円盤386はD1方向に張力差を受け、失速角より小さい迎角θを保って回動する。
主翼15は、(3)の状態を維持しながらD1方向に回動し、右終端に達すると、同様にして、風力を受けて急速に反時計回り(R1)に回転し(1)の状態になる。
ここで、既に述べたように主翼15の回転の中心(主翼主骨33)は、迎角θのときの揚力中心(389C)より前縁側にあるものとしている。なお、一般に迎角が失速角より小さい場合、揚力中心は、前縁の近くで、とくにアスペクト比の大きい矩形平板翼では前縁から翼弦長(翼の幅)の1/4のところにある。
図24は張力と風力で作動するホバリング機構を装備した浮遊体99の平面図である。
図24において、浮遊体99は、モータ195を基板部24において、ホバリング機構290の両側に設けられている。各モータ195は巻き取り軸196を有している。また、両モータの軸から出た糸は、前縁、ないしそれより前方に棒や板などを介して突き出して設置された接続点26で結合されている。そして巻き取り軸は、主翼が迎角θで回動するときも、接続点26より低い位置にあるように配置し、回動時に働く張力を上述のように水平ないしそれより下方になるようにしている。
各モータ195により、各巻き取り軸196に対して糸199が巻き取られ、或いは、ほどかれることにより、主翼15が、互いに正逆方向である矢印D1とD2の方向に回動すると共に、ホバリング機構290により矢印R1とR2の方向に回転する。
図25は、張力と風力で作動するホバリング機構を持つ浮遊体99のもう一つの実施の形態の平面図である。
図25において、浮遊体99には、一つのモータ195と巻き取り軸196とが設けられており、巻き取り軸196には、一対の主翼15から糸199が結ばれている。
また、弾性体164を結びつけた接続点25を有し、弾性体164と糸199は主翼の前縁、ないしそれより前方に突き出して設置された接続点26で接続されている。そして、接続点25とモータ195の巻き取り軸196は、翼が迎角θで回動するときも、少なくとも接続点26より低くなる位置に置かれている。
浮遊体99は、実施の形態1と同様にして、主翼15が互いに正逆方向である矢印D1とD2の方向に回動すると共に、主翼15がホバリング機構290により矢印R1とR2の方向に回転する。
図26は、主翼15が矢印D1の方向に動いている状態を示している。
図27は、主翼15が矢印D2の方向に動いている状態を示している。
主翼15は、実施の形態1と同様にして、糸199と弾性体164とに引っ張られ、矢印D1とD2の方向に回動すると共に、ホバリング機構290により迎角θを生じ、揚力と抗力とを受け、空中静止(ホバリング)を行うことができる。
なお、実施の形態4では、弾性体の張力を第2のモータの張力に置き換えれば、同様の説明が成立する。
以上の各実施の形態では、主翼15を前後方向のみに動作させたが、主翼15をさらに上下方向に羽ばたかせるような機構を追加してもよい。即ち、浮遊体99は、主翼15を適当な位置で、上下方向に動かす駆動部と、駆動部を取付けた基板部24とを備えるようにしてもよい。こうすると主翼の前後方向への動作中には、回動の速度を変えて地平面に垂直に上下運動させることができる。また主翼15の上下方向の羽ばたき運動では、飛ぶ鳥と同じように前進飛行させることができる。
さらに、また、浮遊体99の重心の位置を遠隔ないし直接的な方法で、前後左右に変化させることにより、浮遊体99を前後左右斜め方向のいずれかの方向に飛行させることも可能である。直線飛行以外に、周回飛行も可能である。
図28は、実施の形態7における浮遊体の平面図である。図において主翼15の主翼主骨33に結合された回転軸306は、左右がヒンジ機構で結合されている上述の各種のホバリング機構とは異なり、軸受盤300の両側に回転可能に直接に結合されている。そしてこの軸受盤300は、ホバリング機構290の中心に鉛直方向に設置された主翼回動軸305を持ち、これがモータ195と直接に、あるいは図28のように複数の減速歯車301、302・・からなる減速機構を介して結合されている。したがって、実施の形態7においては左右の翼が図28の場合は、いずれも上から見て同一の時計まわりに回転している。その結果左の翼はD1の方向に前進し、右の翼はD2方向に後退する。
主翼の回転軸306は、翼の前縁近くにおかれた主翼主骨33に結合されている。その結果、進行方向に対して左の主翼は進行中にR2の、右の主翼はR1の回転力を生じるが、回転軸306にある突部307がホバリング機構の軸受盤300の迎え面388に当接し、迎角θが維持される。その結果、主翼は、進行方向に対して失速角より小さい与えられた迎角θを持って回動(進行)し、揚力を生じる。
以上は、主翼が反時計回りするときも同様である。
図33および図34は、実施の形態8の全体の側面図および前面図である。実施の形態7では、左右の翼が同一方向に回転するので、胴体や尾翼の回転に関する慣性能率や風力抵抗が主翼の慣性能率や風力抵抗より小さいと、胴体部が主翼につれ回りして主翼の回転が小さくなることがある。これを防ぐために、尾翼16を二つ折れにしたり、あるいは胴体500を設けて、胴体部のつれまわり回転を慣性能率と風力抵抗の両面から抑制する方法が採られる。
また、各実施の形態では、主翼15をモータの正逆に回転切り替を行って前後に動かしてきたが、ホバリング機構290にクランクとギアなどのようなメカニカル機構などからなる制御部を設け、制御部によりホバリング機構290に取付けた主翼15を積極的に回動・回転させてもよい。
Claims (5)
- 胴部の両側に取付けられた一対の主翼と、
頭部と尾部との正逆方向に主翼を駆動する主翼駆動部と
を備え、
主翼の正逆方向への移動により浮遊することを特徴とする浮遊体であり、
主翼は、胴部に対して回動可能に取付けられた主翼主骨を有し、
主翼駆動部は、主翼移動の正逆方向への反転時に、主翼主骨を回動させるホバリング機構を備え、
主翼駆動部は、主翼移動時に、主翼の迎角を所定の角度に形成する迎角付与機構を備え、
ホバリング機構は、主翼移動の正(D1)方向から逆(D2)方向への反転時に、主翼主骨を正(R1)方向に回転させ、主翼移動の逆(D2)方向から正(D1)方向への反転時に、主翼主骨を逆(R2)方向に回転させ、
迎角付与機構は、主翼の正(D1)方向への移動時に正(D1)方向に対する主翼の迎角を所定の角度θに形成し、主翼の逆(D2)方向への移動時に、逆(D2)方向に対する主翼の迎角を所定の角度θに形成し、
ホバリング機構は、
胴部に設けられた基板部と、
基板部に固定され、背中上方に向かう回転軸と、
回転軸により正(D1)方向と逆(D2)方向とに回動可能に取り付けられたヒンジ機構とを有し、
ヒンジ機構は、
主翼主骨が固定されている回転筒を有し、回転筒が正(R1)方向と逆(R2)方向に回転できるように回転筒を取り付け、
主翼主骨は、
回転軸を中心に正逆両方向に回動できるように取り付けられ、
迎角付与機構は、
回転筒を取り付けたスライダであって、断面が互いに平行な辺を2対もつ六角形のスライダと、
スライダをスライドさせるスライド溝とを有し、
スライダは、スライダの対向する平面がスライド溝の上下の面と平行な状態でスライド溝をスライドし、スライダの平行な面と主翼主骨とは、失速角より小さい迎角θだけ角度を持っており、スライダがスライド溝により規制された状態でスライドする際、主翼主骨は、正(D1)方向と逆(D2)方向に対して迎角θを持ち、
ホバリング機構は、
正(D1)方向と逆(D2)方向の所定の位置に斜面を有するストッパを有し、
スライダが正(D1)方向に来た場合、スライダの端部が斜面に当たり、主翼主骨を正(R1)方向に回転させ、
スライダが逆(D2)方向に来た場合、スライダの端部が斜面に当たり、主翼主骨を逆(R2)方向に回転させる、
ことを特徴とする浮遊体。 - 迎角付与機構は、主翼移動の正逆方向への反転時に、主翼の迎角の方向を変更することを特徴とする請求項1記載の浮遊体。
- 主翼駆動部は、回転軸を有するモータと、回転軸に取付けられ胴部方向に延びた巻き取り軸と、両端が巻き取り軸と主翼とに取付けられた糸とを備えたことを特徴とする請求項1または2記載の浮遊体。
- 主翼駆動部は、さらに、両端が胴部と主翼とに取付けられた弾性体とを備えたことを特徴とする請求項3記載の浮遊体。
- 胴部の両側に取付けられた一対の主翼と、
頭部と尾部との正逆方向に主翼を駆動する主翼駆動部と
を備え、
主翼の正逆方向への移動により浮遊することを特徴とする浮遊体であり、
主翼は、胴部に対して回動可能に取付けられた主翼主骨を有し、
主翼駆動部は、主翼移動の正逆方向への反転時に、主翼主骨を回動させるホバリング機構を備え、
主翼駆動部は、主翼移動時に、主翼の迎角を所定の角度に形成する迎角付与機構を備え、
主翼駆動部は、直接または減速機を介して主翼を水平面内において回動させるモータを有し、このモータの回転を正逆方向に切替て主翼の回動を正逆の方向へ反転させ、
迎角付与機構は、主翼の回動の正逆の方向の反転時に、主翼の迎角の方向を変更し、
ホバリング機構は、主翼移動の正(D1)方向から逆(D2)方向への反転時に、主翼主骨を正(R1)方向に回転させ、主翼移動の逆(D2)方向から正(D1)方向への反転時に、主翼主骨を逆(R2)方向に回転させ、
迎角付与機構は、主翼の正(D1)方向への移動時に正(D1)方向に対する主翼の迎角を所定の角度θに形成し、主翼の逆(D2)方向への移動時に、逆(D2)方向に対する主翼の迎角を所定の角度θに形成し、
迎角付与機構は、
胴部に設けられた基板部と、
基板部に固定され、背中上方に向かう回転軸と、
回転軸を中心として、正(D1)方向と逆(D2)方向に回動可能に取り付けられた1対の回転半円盤とを有し、
1対の回転半円盤は、主翼主骨が固定され突部を備えた回転筒と、迎角を決定する1対の迎え面とを有し、
1対の回転半円盤は、回転筒を正(R1)方向と逆(R2)方向とに回転自在に取り付け、
回転筒は、回転半円盤が正(D1)方向と逆(D2)方向に回動すると正(R1)方向と逆(R2)方向とに回転しようとするが、突部が迎え面に当接し、それ以上の回転が抑制されることにより、主翼の迎角が所定の角度θとなる
ことを特徴とする浮遊体。
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