(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-18
(45)【発行日】2024-07-26
(54)【発明の名称】気流センサ及び飛行体
(51)【国際特許分類】
G01P 13/00 20060101AFI20240719BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20240719BHJP
B64C 33/00 20060101ALI20240719BHJP
【ＦＩ】
G01P13/00 E
B64C39/02
B64C33/00
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020103148
(22)【出願日】2020-06-15
(65)【公開番号】P2021196275
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-02-20
(73)【特許権者】
【識別番号】519135633
【氏名又は名称】公立大学法人大阪
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100065248
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100159385
【弁理士】
【氏名又は名称】甲斐 伸二
(74)【代理人】
【識別番号】100163407
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 裕輔
(74)【代理人】
【識別番号】100166936
【弁理士】
【氏名又は名称】稲本 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100174883
【弁理士】
【氏名又は名称】冨田 雅己
(72)【発明者】
【氏名】竹井 邦晴
(72)【発明者】
【氏名】ヤン シイシン
【審査官】藤澤 和浩
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－００６１７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０２２５７７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０４８８０２０６（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１８０９６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５０４３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０５１７５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４０７７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第２００７－００９９９８３（ＫＲ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｐ １３／００ ～ １３／０４
Ｇ０１Ｐ ５／００ ～ ５／２６
Ｇ０１Ｌ １／００
Ｇ０１Ｂ ７／１６
Ｂ６４Ｃ ３９／０２
Ｂ６４Ｃ ３３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
気流により撓むように設けられた可撓体と、前記可撓体上に設けられた第１グラフェン層と、制御部とを備え、第１グラフェン層は、多孔質であり、かつ、前記可撓体と共に撓むように設けられ、
前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられ、
第１グラフェン層は、前記可撓体と接触するように設けられたことを特徴とする気流センサ。
【請求項2】
前記可撓体を支持する支持部材をさらに備える請求項１に記載の気流センサ。
【請求項3】
第１グラフェン層上に設けられたパリレン樹脂層をさらに備える請求項１又は２に記載の気流センサ。
【請求項4】
第１グラフェン層は、レーザ誘起グラフェン層である請求項１～３のいずれか１つに記載の気流センサ。
【請求項5】
第１グラフェン層は、線状である請求項１～４のいずれか１つに記載の気流センサ。
【請求項6】
第２グラフェン層をさらに備え、前記可撓体は、翼状、板状又はシート状であり、かつ、第１主要面とその裏の第２主要面を有し、
第１グラフェン層は、前記可撓体の第１主要面上に設けられ、
第２グラフェン層は、多孔質であり、かつ、前記可撓体の第２主要面上に設けられ、
前記制御部は、第１及び第２グラフェン層の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられた請求項１～５のいずれか１つに記載の気流センサ。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか１つに記載の気流センサと、アクチュエータとを備え、前記アクチュエータは、飛行用アクチュエータ又は姿勢制御用アクチュエータであり、
前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき前記アクチュエータの出力を調節するように設けられた飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気流センサ及び飛行体に関する。
【背景技術】
【0002】
ドローン、模型飛行機、模型ヘリコプター、鳥型ロボットなどの小型飛行体や、グライダー、熱気球などの大きな推進力を有さない飛行体は、飛行中の気流の変化に大きく影響される。このため、これらの飛行体が安定に飛行するには、気流の変化を敏感に検知し、飛行姿勢などを気流に適合させる必要がある。また、高度センサ及び温度センサを用いて気流を検出する検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、レーザ誘起グラフェンが知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、レーザ誘起グラフェンが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－０３９４４９号公報
【文献】特表２０１８－５０４３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、従来の気流検出装置では、上昇気流や下降気流は検出できるが、横風などは検出できない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、気流の向き・強さなどを検出することができる気流センサを提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、気流の向き・強さなどを検出することができる気流センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、気流により撓むように設けられた可撓体と、前記可撓体上に設けられた第１グラフェン層と、制御部とを備え、第１グラフェン層は、多孔質であり、かつ、前記可撓体と共に撓むように設けられ、前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられたことを特徴とする気流センサを提供する。
【発明の効果】
【0006】
可撓体が気流によって撓むと、第１グラフェン層は可撓体と共に曲がる。多孔質の第１グラフェン層が曲がると隣接するグラフェンシートの接触状態が変化し、第１グラフェン層の導電性が変化する。従って、第１グラフェン層の導電性の変化を制御部を用いてモニタリングすることにより、可撓体が受ける気流の向き・強さなどを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の一実施形態の気流センサの概略断面図である。
【図2】気流センサの製造方法の説明図である。
【図3】本発明の一実施形態の気流センサの概略斜視図である。
【図4】本発明の一実施形態の気流センサの概略断面図である。
【図5】本発明の一実施形態の飛行体（ドローン）の概略斜視図である。
【図6】本発明の一実施形態の飛行体（鳥型ロボット）の概略上面図である。
【図7】電気抵抗測定実験の実験方法の説明図である。
【図8】電気抵抗測定実験の実験結果を示すグラフである。
【図9】電気抵抗測定実験の実験結果を示すグラフである。
【図10】電気抵抗測定実験の実験結果を示すグラフである。
【図11】電気抵抗測定実験の実験結果を示すグラフである。
【図12】作製した気流センサ（主翼）の写真である。
【図13】作製した気流センサ（主翼）を取り付けた鳥型ロボットの写真である。
【図14】気流検知実験の実験結果を示すグラフである。
【図15】気流検知実験の実験結果を示すグラフである。
【図16】気流検知実験の実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本発明の気流センサは、気流により撓むように設けられた可撓体と、前記可撓体上に設けられた第１グラフェン層と、制御部とを備え、第１グラフェン層は、多孔質であり、かつ、前記可撓体と共に撓むように設けられ、前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられたことを特徴とする。
【0009】
本発明の気流センサは可撓体を支持する支持部材を備えることが好ましい。このことにより、可撓体が気流により適切に撓むことができる。
本発明の気流センサは第１グラフェン層上に設けられたパリレン樹脂層を備えることが好ましい。このことにより、グラフェン層の構造を安定化することができ、グラフェン層の電気的特性を安定化することができる。
第１グラフェン層は、レーザ誘起グラフェン層であることが好ましい。
第１グラフェン層は、線状であることが好ましい。このことにより、グラフェン層の導電性の変化を検出しやすくなる。
本発明の気流センサは第１グラフェン層上に設けられたパリレン樹脂層を備えることが好ましい。このことにより、グラフェン層の構造を安定化することができ、グラフェン層の電気的特性を安定化することができる。
第１グラフェン層は、レーザ誘起グラフェン層であることが好ましい。
第１グラフェン層は、線状であることが好ましい。このことにより、グラフェン層の導電性の変化を検出しやすくなる。
【0010】
本発明の気流センサは第２グラフェン層を備えることが好ましく、前記可撓体は、翼状、板状又はシート状であり、かつ、第１主要面とその裏の第２主要面を有することが好ましい。第１グラフェン層は、前記可撓体の第１主要面上に設けられることが好ましく、第２グラフェン層は、多孔質であり、かつ、前記可撓体の第２主要面上に設けられることが好ましい。前記制御部は、第１及び第２グラフェン層の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられることが好ましい。このことにより、気流センサの気流検出精度を向上させることができる。
また、本発明は、本発明の気流センサと、アクチュエータとを備える飛行体も提供する。
前記アクチュエータは、飛行用アクチュエータ又は姿勢制御用アクチュエータであることが好ましく、前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき前記アクチュエータの出力を調節するように設けられることが好ましい。
また、本発明は、本発明の気流センサと、アクチュエータとを備える飛行体も提供する。
前記アクチュエータは、飛行用アクチュエータ又は姿勢制御用アクチュエータであることが好ましく、前記制御部は、第１グラフェン層の導電性の変化に基づき前記アクチュエータの出力を調節するように設けられることが好ましい。
【0011】
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【0012】
第１実施形態
図１は本実施形態の気流センサの概略断面図であり、図２（ａ）（ｂ）は気流センサの製造方法の説明図である。図３は本実施形態の気流センサの概略斜視図である。
本実施形態の気流センサ５０は、気流により撓むように設けられた可撓体２と、可撓体２上に設けられたグラフェン層３と、制御部５とを備え、グラフェン層３は、多孔質であり、かつ、可撓体２と共に撓むように設けられ、制御部５は、グラフェン層３の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられたことを特徴とする。また、気流センサ５０は、歪センサであってもよい。
気流センサ５０は可撓体２を支持する支持部材６を備えてもよい。また、気流センサ５０は、グラフェン層３上に設けられたパリレン樹脂層７を備えてもよい。また、気流センサ５０は、グラフェン層３と制御部５とを電気的に接続する配線１０を備えてもよい。
図１は本実施形態の気流センサの概略断面図であり、図２（ａ）（ｂ）は気流センサの製造方法の説明図である。図３は本実施形態の気流センサの概略斜視図である。
本実施形態の気流センサ５０は、気流により撓むように設けられた可撓体２と、可撓体２上に設けられたグラフェン層３と、制御部５とを備え、グラフェン層３は、多孔質であり、かつ、可撓体２と共に撓むように設けられ、制御部５は、グラフェン層３の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられたことを特徴とする。また、気流センサ５０は、歪センサであってもよい。
気流センサ５０は可撓体２を支持する支持部材６を備えてもよい。また、気流センサ５０は、グラフェン層３上に設けられたパリレン樹脂層７を備えてもよい。また、気流センサ５０は、グラフェン層３と制御部５とを電気的に接続する配線１０を備えてもよい。
【0013】
可撓体２の材料は、可撓体２が気流を受けて撓めば特に限定されないが、例えば、プラスチック、エラストマー、布、紙、金属、竹、繊維強化プラスチック（ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチックなど）などである。可撓体２の形状は、例えば、シート状、板状、翼状、棒状などである。例えば、可撓体２はポリイミドフィルムである。
【0014】
可撓体２は、支持部材６により支持されていてもよい。支持部材６は、可撓体２が気流を受けて撓むように可撓体２を支持することができる。可撓体２が比較的柔らかい場合、支持部材６は、例えば３点支持で可撓体２を支持することができる。このことにより、可撓体２が気流を受けて撓むことができる。
【0015】
また、可撓体２が比較的柔らかい場合、可撓体２は、気流を受けて撓むように設けられた支持部材６の全部又は一部を覆うように設けることができる。例えば、支持部材６は飛行機の翼などである。この場合、支持部材６が気流を受けて撓むと、支持部材６と共に可撓体２を撓ませることができる。
【0016】
可撓体２が弾力性に富む場合（例えば、繊維強化性プラスチック製の可撓体２）、支持部材６は１点で可撓体２を支持することができる。この場合、可撓体２は、気流を受けて弾性変形する。
【0017】
グラフェン層３は、多孔質グラフェンの層であり、可撓体２上に設けられる。また、グラフェン層３は、可撓体２と共に撓むように設けられる。グラフェン層３は、可撓体２と接触するように設けられてもよく、グラフェン層３と可撓体２との間に絶縁層などが設けられてもよい。グラフェン層３の厚みは、例えば、０．１μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。また、グラフェン層３は、線状に設けることができる。このことにより、グラフェン層３の導電性の変化を大きくすることができる。また、グラフェン層３は直線状であってもよい。
【0018】
多孔質グラフェン層３は、多数のグラフェンを含む層であり、隣接する２つのグラフェンはファンデルワールス力により結合している。グラフェン層３が可撓体２と共に撓むと、グラフェン層３に歪み（引張り歪み又は圧縮歪み）が生じ、ピエゾ抵抗効果によりグラフェン層３の導電性（電気抵抗）が変化する。具体的には、グラフェン層３に引張歪みが生じるとグラフェン層３の電気抵抗が高くなる。このため、グラフェン層３の導電性（電気抵抗）の変化から、気流による可撓体２の撓みを検出することができる。つまり、グラフェン層３の導電性の変化から、可撓体２が受ける気流の方向、気流により可撓体２にかかる風圧（気流の強さ）などを検出することができる。
【0019】
グラフェン層３は、プラスチック（例えば、ポリイミドフィルム）にレーザ光を照射しプラスチックの一部を焼成し炭化することにより形成したレーザ誘起グラフェン層であってもよい。例えば、図２（ａ）に示した断面図のように、ポリイミドフィルム３０にレーザ光を走査しながら照射してグラフェン層３を形成することができる。このことにより、ポリイミドフィルム３０の表面の所望の領域にグラフェン層３を形成することができる。グラフェン層３の形成に用いるレーザは、例えば、ＣＯ2レーザー、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ4レーザなどである。また、レーザ出力、走査速度などを調節することにより、グラフェン層３の厚み及びグラフェン層３の下部に残すポリイミドフィルム３０の厚みを調節することができる。レーザ光を照射したプラスチック（例えば、ポリイミドフィルム３０）は、可撓体２とすることができる。
【0020】
また、レーザ照射によりプラスチック（例えば、ポリイミドフィルム３０）上に形成したグラフェン層３を他の可撓体２上に転写することにより、可撓体２上にグラフェン層３を形成してもよい。また、グラフェン層３は、グラフェンインクを可撓体２上に印刷することにより形成してもよい。
【0021】
気流センサ５０は、グラフェン層３と制御部５とを接続する配線１０を有することができる。配線１０は、可撓体２上に配置することができ、電極９においてグラフェン層３と接続することができる。可撓体２上の配線１０は、例えば、導電性インクを印刷することにより形成してもよく、可撓体２上に金属箔を貼り付け、余分な金属箔をエッチングにより除去することにより形成してもよい。配線１０の材料は、例えば、銀、銅などとすることができる。例えば、図２（ｂ）に示したように、配線１０は、レーザ誘起グラフェン（グラフェン層３）を有するポリイミドフィルム３０上に導電性インクを印刷することにより形成することができる。
【0022】
グラフェン層３が線状である場合、例えば配線１０ａが電極９ａにおいてグラフェン層３の一方の端と接触することができ、配線１０ｂが電極９ｂにおいてグラフェン層３の他方の端に接触することができる。また、配線１０ａ、１０ｂはそれぞれ制御部５と電気的に接続する。このことのより、制御部５を用いてグラフェン層３の導電性（電気抵抗）の変化をモニタリングすることが可能になる。
【0023】
気流センサ５０は、グラフェン層３上に設けられたパリレン樹脂層７を有することができる。パリレン樹脂層７は、グラフェン層３を覆うように設けることができ、グラフェン層３の保護層となる。パリレン樹脂層７を設けることにより、グラフェン層３の構造を安定化することができ、グラフェン層３の電気的特性を安定化することができる。また、パリレン樹脂層７は、蒸着法により形成された膜であってもよい。
パリレン樹脂層７の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができ、好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
パリレン樹脂層７の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができ、好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【0024】
制御部５は、気流センサ５０を制御する部分である。制御部５は、気流センサ５０を搭載した機器の制御部であってもよい。制御部５は、例えば、マイクロコントローラ、コンピュータなどである。
制御部５は、配線１０によりグラフェン層３と電気的に接続し、グラフェン層３の導電性（電気抵抗）を測定できるように設けられる。
制御部５は、配線１０によりグラフェン層３と電気的に接続し、グラフェン層３の導電性（電気抵抗）を測定できるように設けられる。
【0025】
制御部５は、グラフェン層３の導電性の変化に基づき気流を検知するように設けられる。ここでは、図３に示した気流センサ５０を用いて制御部５による気流検知について説明する。
図３に示した気流センサ５０では、支持部材６は、ｘ方向に伸びる棒と、ｙ方向に伸びる棒と、ｚ方向に伸びる棒とが一点で接合した形状を有している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する方向である。可撓体２ａはｘ方向に伸びる棒とｚ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定され、可撓体２ｂはｚ幅方向に伸びる棒とｙ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定され、可撓体２ｃはｙ方向に伸びる棒とｘ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定されている。
図３に示した気流センサ５０では、支持部材６は、ｘ方向に伸びる棒と、ｙ方向に伸びる棒と、ｚ方向に伸びる棒とが一点で接合した形状を有している。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直交する方向である。可撓体２ａはｘ方向に伸びる棒とｚ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定され、可撓体２ｂはｚ幅方向に伸びる棒とｙ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定され、可撓体２ｃはｙ方向に伸びる棒とｘ方向に伸びる棒との間に３つの支持点１２で固定されている。
【0026】
直線状のグラフェン層３ａは、可撓体２ａ上に設けられ、電極９ａ、９ｂ、配線１０を介して制御部５に電気的に接続する。直線状のグラフェン層３ｂは、可撓体２ｂ上に設けられ、電極９ｃ、９ｄ、配線１０を介して制御部５に電気的に接続する。直線状のグラフェン層３ｃは、可撓体２ｃ上に設けられ、電極９ｅ、９ｆ、配線１０を介して制御部５に電気的に接続する。
【0027】
このような気流センサ５０がｙ方向に向かう風を受けると、可撓体２ａはｙ方向に膨らむように撓み、グラフェン層３ａに引張歪みが生じる。このため、グラフェン層３ａの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づきｙ方向に向かう気流を検知することができる。気流センサ５０がｘ方向に向かう風を受けると、可撓体２ｂはｘ方向に膨らむように撓み、グラフェン層３ｂに引張歪みが生じる。このため、グラフェン層３ｂの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づきｘ方向に向かう気流を検知することができる。気流センサ５０がｚ方向に向かう風を受けると、可撓体２ｃはｚ方向に膨らむように撓み、グラフェン層３ｃに引張歪みが生じる。このため、グラフェン層３ｃの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づきｚ方向に向かう気流を検知することができる。
【0028】
第２実施形態
図４は、第２実施形態の気流センサ５０の概略断面図である。可撓体２は、翼状、板状又はシート状であり、表面と裏面とを有する。可撓体２の表面にグラフェン層３ａが設けられ、グラフェン層３ａは、電極９ａ、９ｂ、配線１０を介して制御部５と電気的に接続している。また、可撓体２の裏面にグラフェン層３ｂが設けられ、グラフェン層３ｂは、電極９ｃ、９ｄ、配線１０を介して制御部５と電気的に接続している。このような構成により、気流センサ５０の気流検出精度を向上させることができる。
図４は、第２実施形態の気流センサ５０の概略断面図である。可撓体２は、翼状、板状又はシート状であり、表面と裏面とを有する。可撓体２の表面にグラフェン層３ａが設けられ、グラフェン層３ａは、電極９ａ、９ｂ、配線１０を介して制御部５と電気的に接続している。また、可撓体２の裏面にグラフェン層３ｂが設けられ、グラフェン層３ｂは、電極９ｃ、９ｄ、配線１０を介して制御部５と電気的に接続している。このような構成により、気流センサ５０の気流検出精度を向上させることができる。
【0029】
例えば、図４に示した気流センサ５０の両側部が支持部材６に固定され、可撓体２が下（裏面側）からの風を受けた場合、可撓体２は、上側に膨らむように撓む。この場合、グラフェン層３ａには引張歪みが生じ、グラフェン層３ｂには圧縮歪みが生じる。このため、グラフェン層３ａの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づき下からの気流を検知することができる。
また、可撓体２が上（表面側）からの風を受けた場合、可撓体２は、下側に膨らむように撓む。この場合、グラフェン層３ｂには引張歪みが生じ、グラフェン層３ａには圧縮歪みが生じる。このため、グラフェン層３ｂの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づき上からの気流を検知することができる。
このように、制御部５がグラフェン層３ａ、３ｂの両方の導電性の変化に基づき気流を検知することにより、上昇気流、下降気流などの相反する方向の気流の検出精度が向上する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
また、可撓体２が上（表面側）からの風を受けた場合、可撓体２は、下側に膨らむように撓む。この場合、グラフェン層３ｂには引張歪みが生じ、グラフェン層３ａには圧縮歪みが生じる。このため、グラフェン層３ｂの電気抵抗が上昇する。制御部５は、この電気抵抗の上昇に基づき上からの気流を検知することができる。
このように、制御部５がグラフェン層３ａ、３ｂの両方の導電性の変化に基づき気流を検知することにより、上昇気流、下降気流などの相反する方向の気流の検出精度が向上する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
【0030】
第３実施形態
第３実施形態は、第１又は第２実施形態の気流センサ５０を備えた飛行体１５（ドローン１６）に関する。図５は、第３実施形態のドローン１６の概略斜視図である。
ドローン１６は４つのプロペラ２０ａ～２０ｄを有し、これらのプロペラ２０ａ～２０ｄは、モータ２７ａ～２７ｄ（アクチュエータ８）により回転する。また、制御部５は、モータ２７ａ～２７ｄへの供給電力を調節することによりドローン１６の飛行を制御する。制御部５は、ドローン１６の制御部でもあり、気流センサ５０の制御部でもある。モータ２７ａ～２７ｄは、飛行用アクチュエータであり姿勢制御用アクチュエータでもある。ドローン１６には、図３に示したような気流センサ５０が搭載されている（図３のｚ方向が上方向となり、ｙ方向がドローン１６の前進方向となり、ｘ方向が横方向となる）。
第３実施形態は、第１又は第２実施形態の気流センサ５０を備えた飛行体１５（ドローン１６）に関する。図５は、第３実施形態のドローン１６の概略斜視図である。
ドローン１６は４つのプロペラ２０ａ～２０ｄを有し、これらのプロペラ２０ａ～２０ｄは、モータ２７ａ～２７ｄ（アクチュエータ８）により回転する。また、制御部５は、モータ２７ａ～２７ｄへの供給電力を調節することによりドローン１６の飛行を制御する。制御部５は、ドローン１６の制御部でもあり、気流センサ５０の制御部でもある。モータ２７ａ～２７ｄは、飛行用アクチュエータであり姿勢制御用アクチュエータでもある。ドローン１６には、図３に示したような気流センサ５０が搭載されている（図３のｚ方向が上方向となり、ｙ方向がドローン１６の前進方向となり、ｘ方向が横方向となる）。
【0031】
制御部５は、気流センサ５０のグラフェン層３ａ～３ｃの導電性の変化に基づきモータ２７ａ～２７ｄ（アクチュエータ８）の出力を調節するように設けられる。このことにより、ドローン１６の飛行を安定化することができる。
【0032】
例えば、ドローン１６が強い上昇気流により煽られると、可撓体２ｃが上側に膨らむように撓み、グラフェン層３ｃに引張り歪みが生じる。この引張り歪みによるグラフェン層３ｃの電気抵抗の上昇に基づき制御部５は、モータ２７ａ～２７ｄへの供給電力を低下させ、プロペラ２０ａ～２０ｄの回転数を小さくする。また、制御部５は、ドローン１６の飛行姿勢が崩れないようにプロペラ２０ａ～２０ｄの回転数を制御する。このことにより、ドローン１６の上昇力が低下し、ドローン１６が上昇しすぎることを抑制することができる。
【0033】
また、気流センサ５０が向かい風、追い風、下降気流、右からの横風、左からの横風などを検出した場合でも、制御部５がモータ２７ａ～２７ｄへの供給電力を調節することにより、ドローン１６が安定して飛行することができる。
第１及び第２実施形態についての記載は矛盾がない限り、第３実施形態の飛行体１５に含まれる気流センサ５０についても当てはまる。
第１及び第２実施形態についての記載は矛盾がない限り、第３実施形態の飛行体１５に含まれる気流センサ５０についても当てはまる。
【0034】
第４実施形態
第４実施形態は、第１又は第２実施形態の気流センサ５０を備えた飛行体１５（鳥型ロボット１７）に関する。図６は、第４実施形態の鳥型ロボット１７の概略上面図である。
鳥型ロボット１７は、ロボット本体２６に取り付けられた主翼２１ａ、２１ｂ、尾翼２３を有する。この主翼２１ａ、２１ｂが気流センサ５０としても機能する。
主翼２１ａ、２１ｂは、可撓シート（可撓体２ａ、２ｂ）を含み、可撓シートは、主翼２１ａ、２１ｂの前縁において支持部材６ａ、６ｂで支持されている。支持部材６ａ、６ｂは、例えば、金属棒などである。主翼２１ａ、２１ｂの後縁の根元は支持点１２によりロボット本体２６に固定されている。
第４実施形態は、第１又は第２実施形態の気流センサ５０を備えた飛行体１５（鳥型ロボット１７）に関する。図６は、第４実施形態の鳥型ロボット１７の概略上面図である。
鳥型ロボット１７は、ロボット本体２６に取り付けられた主翼２１ａ、２１ｂ、尾翼２３を有する。この主翼２１ａ、２１ｂが気流センサ５０としても機能する。
主翼２１ａ、２１ｂは、可撓シート（可撓体２ａ、２ｂ）を含み、可撓シートは、主翼２１ａ、２１ｂの前縁において支持部材６ａ、６ｂで支持されている。支持部材６ａ、６ｂは、例えば、金属棒などである。主翼２１ａ、２１ｂの後縁の根元は支持点１２によりロボット本体２６に固定されている。
【0035】
支持部材６ａはアクチュエータ８ａに接続する。アクチュエータ８ａは、制御部５から供給される電力及び信号により支持部材６ａを上下に動かすことができるように設けられている。また、支持部材６ｂはアクチュエータ８ｂに接続する。アクチュエータ８ｂは、制御部５から供給される電力及び信号により支持部材６ｂを上下に動かすことができるように設けられている。このような構成により、制御部５は、アクチュエータ８ａ、８ｂを用いて主翼２１ａ、２１ｂを羽ばたかせることができ、鳥型ロボット１７の飛行を制御することができる。アクチュエータ８ａ、８ｂは、飛行用アクチュエータであり姿勢制御用アクチュエータでもある。
【0036】
主翼２１ａの可撓体２ａ（可撓シート）上には、グラフェン層３ａ、３ｂ、３ｃが設けられ、グラフェン層３ａ、３ｂ、３ｃのそれぞれは、配線１０により制御部５と電気的に接続している。また、制御部５は、グラフェン層３ａ、３ｂ、３ｃの導電性（電気抵抗）の変化を測定できるように設けられている。
主翼２１ｂの可撓体２ｂ（可撓シート）上には、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆが設けられ、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆのそれぞれは、配線１０により制御部５と電気的に接続されている。また、制御部５は、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆの導電性（電気抵抗）の変化を測定できるように設けられている。
主翼２１ｂの可撓体２ｂ（可撓シート）上には、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆが設けられ、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆのそれぞれは、配線１０により制御部５と電気的に接続されている。また、制御部５は、グラフェン層３ｄ、３ｅ、３ｆの導電性（電気抵抗）の変化を測定できるように設けられている。
【0037】
アクチュエータ８ａ、８ｂを用いて主翼２１ａ、２１ｂを羽ばたかせると、主翼２１ａ、２１ｂの上下運動に合わせて可撓体２ａ、２ｂが撓む。このため、グラフェン層３ａ～３ｆに引張り歪みが生じたり、圧縮歪みが生じたりする。この結果、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗は、主翼２１ａ、２１ｂの羽ばたきに応じて変化する。
また、主翼２１ａ、２１ｂが上昇気流、下降気流、向かい風、追い風、右からの横風、左からの横風などを受けると、気流に応じて可撓体２ａ、２ｂが撓み、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗の変化パターンが変わる。従って、制御部５は、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗の変化パターンを解析することにより、気流を検知することができる。
また、主翼２１ａ、２１ｂが上昇気流、下降気流、向かい風、追い風、右からの横風、左からの横風などを受けると、気流に応じて可撓体２ａ、２ｂが撓み、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗の変化パターンが変わる。従って、制御部５は、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗の変化パターンを解析することにより、気流を検知することができる。
【0038】
制御部５は、グラフェン層３ａ～３ｆの電気抵抗の変化パターンに基づき、上昇気流、下降気流、向かい風、追い風、右からの横風、左からの横風などを検出すると、アクチュエータ８ａ、８ｂに供給する電力や信号などを変化させ、主翼２１ａ又は２１ｂを動かす速度やタイミングなどを調節する。このことにより、鳥型ロボット１７を安定して飛行させることが可能になる。
第１及び第２実施形態についての記載は矛盾がない限り、第４実施形態の飛行体１５に含まれる気流センサ５０についても当てはまる。
第１及び第２実施形態についての記載は矛盾がない限り、第４実施形態の飛行体１５に含まれる気流センサ５０についても当てはまる。
【0039】
電気抵抗測定実験
ポリイミドフィルム３０（可撓体２）（厚さ：５０μｍ）にＣＯ2レーザを照射することにより、長さ４ｃｍ、厚さ２００μｍ、線幅０．５ｍｍの直線状のグラフェン層３を形成した。その後、ポリイミドフィルム３０上に銀インクをスクリーン印刷によりグラフェン層３と測定機器（制御部５）とを電気的に接続するための銀層１３（配線１０、電極９）を形成した。そして、グラフェン層３上及び銀層１３上にパリレン樹脂層７を蒸着法により形成した。このようにして試験用気流センサを作製した。また、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍ、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ又は９００ｎｍとして、それぞれ試験用気流センサを作製した。
ポリイミドフィルム３０（可撓体２）（厚さ：５０μｍ）にＣＯ2レーザを照射することにより、長さ４ｃｍ、厚さ２００μｍ、線幅０．５ｍｍの直線状のグラフェン層３を形成した。その後、ポリイミドフィルム３０上に銀インクをスクリーン印刷によりグラフェン層３と測定機器（制御部５）とを電気的に接続するための銀層１３（配線１０、電極９）を形成した。そして、グラフェン層３上及び銀層１３上にパリレン樹脂層７を蒸着法により形成した。このようにして試験用気流センサを作製した。また、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍ、１００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍ、７００ｎｍ又は９００ｎｍとして、それぞれ試験用気流センサを作製した。
【0040】
作製した気流センサを図７（ａ）に示したように台２８ａ、２８ｂ上に載せ、ポリイミドフィルム３０を台２８ａ、２８ｂに取り付けた。また、グラフェン層３の電気抵抗を測定するための測定機器に銀層１３を電気的に接続した。そして、図７（ｂ）のように、ポリイミドフィルム３０が上側に撓むように２つの台２８ａ、２８ｂの距離Ｄを変化させて（ポリイミドフィルム３０の曲率を変化させて）グラフェン層３の電気抵抗を測定した。このとき、グラフェン層３には引張り歪みが生じる。また、図７（ｃ）のように、ポリイミドフィルム３０が下側に撓むように２つの台２８ａ、２８ｂの距離Ｄを変化させて（ポリイミドフィルム３０の曲率を変化させて）グラフェン層３の電気抵抗を測定した。このとき、グラフェン層３には圧縮歪みが生じる。台２８ａ、２８ｂの距離Ｄは、試験用気流センサがフラットな状態のとき１０ｃｍとし、試験用気流センサが最大屈曲となるとき２ｃｍとした。
【0041】
ポリイミドフィルム３０が下側に撓むように距離Ｄを変化させたとき（グラフェン層３に圧縮歪みを生じさせたとき）の距離Ｄとグラフェン層３の電気抵抗値の変化率（ΔＲ／Ｒ0×１００）との関係を示すグラフを図８に示し、ポリイミドフィルム３０が上側に撓むように距離Ｄを変化させたとき（グラフェン層３に引張り歪みを生じさせたとき）の距離Ｄとグラフェン層３の電気抵抗値の変化率（ΔＲ／Ｒ0×１００）との関係を示すグラフを図９に示す。ここで、Ｒ0は、試験用気流センサがフラットな状態のとき（Ｄ＝１０ｃｍ）のグラフェン層３の電気抵抗値であり、ΔＲは、（Ｒ－Ｒ0）である。Ｒは、対応する距離Ｄにおけるグラフェン層３の電気抵抗値である。
【0042】
図８に示したグラフにおいて、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍとした気流センサではグラフェン層の電気抵抗値の変化率が約５％であったが、パリレン樹脂層７の厚さを１００ｎｍ以上とした気流センサでは、グラフェン層の電気抵抗値の変化率は約０％であった。このことから、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍ以下としてグラフェン層３に圧縮歪みを加えると、グラフェン層３の電気抵抗値が変化することがわかった。また、パリレン樹脂層７の厚さを１００ｎｍ以上とした気流センサのグラフェン層３に圧縮歪みを加えても、グラフェン層３の電気抵抗値はほとんど変化しないことがわかった。
【0043】
図９に示したグラフにおいて、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍとした気流センサではグラフェン層の電気抵抗値の変化率は、距離Ｄが小さくなると（ポリイミドフィルム３０の曲率・グラフェン層３の引張り歪みが大きくなると）、グラフェン層３の電気抵抗値は大きくなった。また、パリレン樹脂層７の厚さを１００ｎｍとした気流センサではグラフェン層の電気抵抗値の変化率は、距離Ｄが小さくなると（ポリイミドフィルム３０の曲率・グラフェン層３の引張り歪みが大きくなると）、グラフェン層３の電気抵抗値は比例して大きくなった。従って、パリレン樹脂層７の厚さを２５ｎｍ、１００ｎｍとした気流センサでは、グラフェン層３の電気抵抗値をモニタリングすることによりポリイミドフィルム３０（可撓体２）の曲率をモニタリングすることができることがわかった。従って、気流の強さに応じて曲率が変わるようにポリイミドフィルム３０（可撓体２）を設けることにより、グラフェン層３の電気抵抗値からポリイミドフィルム３０が受ける気流の風圧（気流の強さ）を検知することが可能になる。
また、パリレン樹脂層７の厚さを３００ｎｍ以上とした気流センサのグラフェン層３に引張り歪みを加えても、グラフェン層３の電気抵抗値はほとんど変化しないことがわかった。
また、パリレン樹脂層７の厚さを３００ｎｍ以上とした気流センサのグラフェン層３に引張り歪みを加えても、グラフェン層３の電気抵抗値はほとんど変化しないことがわかった。
【0044】
次に、パリレン樹脂層７の厚さを１００ｎｍとした気流センサを用いて、グラフェン層３の電気抵抗のヒステリシスを測定した。具体的には、図７（ａ）のように、気流センサがフラットとなるように台２８ａ、２８ｂの距離Ｄを広げた状態から、図７（ｃ）のようにポリイミドフィルム３０が下側に撓むように、距離Ｄを２ｃｍとなるまで狭くしていき（グラフェン層３に圧縮歪みが生じる）、その後、距離Ｄを広げていき気流センサをフラットな状態に戻した。このときのグラフェン層３の電気抵抗値の変化率のヒステリシスを図１０に示す。図１０では、グラフェン層３の電気抵抗値の変化率はほぼ０％であった。
【0045】
また、図７（ａ）のように、気流センサがフラットとなるように台２８ａ、２８ｂの距離Ｄを広げた状態から、図７（ｂ）のようにポリイミドフィルム３０が上側に撓むように、距離Ｄを２ｃｍとなるまで狭くしていき（グラフェン層３に引張り歪みが生じる）、その後、距離Ｄを広げていき気流センサをフラットな状態に戻した。このときのグラフェン層３の電気抵抗値の変化率のヒステリシスを図１１に示す。図１１では、気流センサをフラットな状態から最大屈曲まで変化させたときの電気抵抗値の変化率の変化と、気流センサを最大屈曲からフラットな状態まで変化させたときの電気抵抗値の変化率の変化はほぼ同じであった。このため、グラフェン層３の電気抵抗値の変化率は、その変化の仕方にほぼ影響されないことがわかった。
【0046】
気流検知実験
図６に示した鳥型ロボットの主翼２１ａのような気流センサを有する主翼を作製し、作製した主翼を鳥型ロボットに取り付けた。図１２は作製した主翼の写真であり、図１３（ａ）～（ｃ）は作製した主翼を取り付けた鳥型ロボットの写真であり、鳥型ロボットの羽ばたきを説明している。
主翼の可撓体２ａには、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用いた。ポリイミドフィルム３０にＣＯ2レーザを照射することにより、４本のグラフェン層３（長さ４ｃｍ、厚さ２００μｍ、線幅０．５ｍｍ）を形成した。図１２のグラフェン層＃１が図６のグラフェン層３ａに対応し、図１２のグラフェン層＃２が図６のグラフェン層３ｂに対応し、図１２のグラフェン層＃３が図６のグラフェン層３ｃに対応する。また、作製した主翼では、グラフェン層＃４も作製している。形成したグラフェン層と測定機器（制御部）とを電気的に接続するための銀層をスクリーン印刷で形成した。その後、グラフェン層上及び銀層上にパリレン樹脂層を蒸着法により形成した。パリレン樹脂層の厚さは１００ｎｍとした。その後、主翼の前縁に支持部材である金属棒を取り付け、この金属棒を鳥型ロボットのアクチュエータに取り付けた。また、銀層と測定機器とを電気的に接続した。
なお、図６では、鳥型ロボットは右翼及び左翼に気流センサを有しているが、作製した鳥型ロボットは、左翼にのみ気流センサを有している。
図６に示した鳥型ロボットの主翼２１ａのような気流センサを有する主翼を作製し、作製した主翼を鳥型ロボットに取り付けた。図１２は作製した主翼の写真であり、図１３（ａ）～（ｃ）は作製した主翼を取り付けた鳥型ロボットの写真であり、鳥型ロボットの羽ばたきを説明している。
主翼の可撓体２ａには、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用いた。ポリイミドフィルム３０にＣＯ2レーザを照射することにより、４本のグラフェン層３（長さ４ｃｍ、厚さ２００μｍ、線幅０．５ｍｍ）を形成した。図１２のグラフェン層＃１が図６のグラフェン層３ａに対応し、図１２のグラフェン層＃２が図６のグラフェン層３ｂに対応し、図１２のグラフェン層＃３が図６のグラフェン層３ｃに対応する。また、作製した主翼では、グラフェン層＃４も作製している。形成したグラフェン層と測定機器（制御部）とを電気的に接続するための銀層をスクリーン印刷で形成した。その後、グラフェン層上及び銀層上にパリレン樹脂層を蒸着法により形成した。パリレン樹脂層の厚さは１００ｎｍとした。その後、主翼の前縁に支持部材である金属棒を取り付け、この金属棒を鳥型ロボットのアクチュエータに取り付けた。また、銀層と測定機器とを電気的に接続した。
なお、図６では、鳥型ロボットは右翼及び左翼に気流センサを有しているが、作製した鳥型ロボットは、左翼にのみ気流センサを有している。
【0047】
鳥型ロボットの胴体をクランプで固定し、鳥型ロボットのアクチュエータを用いて右翼及び左翼を連続して羽ばたかせた。また、ファンを用いて、鳥型ロボットに様々な方向から風をあてた。このように鳥型ロボットを動かしているときのグラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の変化を測定した。電気抵抗測定の制御電圧は３Ｖとした。なお、グラフェン層＃４の電気抵抗値は適切に測定することができなかった。
【0048】
図１４（ａ）～（ｆ）はグラフェン層＃１の電気抵抗値の変化を示すグラフであり、図１５（ａ）～（ｆ）はグラフェン層＃２の電気抵抗値の変化を示すグラフであり、図１６（ａ）～（ｆ）はグラフェン層＃３の電気抵抗値の変化を示すグラフである。また、図１４（ａ）、図１５（ａ）、図１６（ａ）は、鳥型ロボットにファンで風をあてていない時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフであり、図１４（ｂ）、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）は、ファンを用いて上側から鳥型ロボットに風をあてている時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフである。図１４（ｃ）、図１５（ｃ）、図１６（ｃ）は、ファンを用いて下側から鳥型ロボットに風をあてている時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフであり、図１４（ｄ）、図１５（ｄ）、図１６（ｄ）は、ファンを用いて左から鳥型ロボットに横風をあてている時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフである。図１４（ｅ）、図１５（ｅ）、図１６（ｅ）は、ファンを用いて左前側から鳥型ロボットに風をあてている時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフであり、図１４（ｆ）、図１５（ｆ）、図１６（ｆ）は、ファンを用いて左後側から鳥型ロボットに風をあてている時間帯におけるグラフェン層の電気抵抗値の変化を示すグラフである。
【0049】
図１４～図１６に示したグラフのように、グラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の変化は、左翼の羽ばたき（上下運動）に対応した繰り返し波形を示した。これは、左翼の羽ばたきによりグラフェン層に生じる歪みが変化するためと考えられる。
また、図１４～１６に示したグラフのように、異なる位置に配置したグラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の変化は、異なる波形を示した。また、ファンを用いて鳥型ロボットにあてる風の向きを変えると、グラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の波形も変化した。従って、このような電気抵抗値の波形を解析することにより、上昇気流、下降気流、向かい風、追い風、右からの横風、左からの横風などの気流を検出することが可能となる。
また、図１４～１６に示したグラフのように、異なる位置に配置したグラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の変化は、異なる波形を示した。また、ファンを用いて鳥型ロボットにあてる風の向きを変えると、グラフェン層＃１～＃３の電気抵抗値の波形も変化した。従って、このような電気抵抗値の波形を解析することにより、上昇気流、下降気流、向かい風、追い風、右からの横風、左からの横風などの気流を検出することが可能となる。
【符号の説明】
【0050】
２、２ａ～２ｃ：可撓体 ３、３ａ～３ｆ：グラフェン層 ５：制御部 ６、６ａ、６ｂ：支持部材 ７、７ａ、７ｂ：パリレン樹脂層 ８、８ａ、８ｂ：アクチュエータ ９、９ａ～９ｆ：電極 １０、１０ａ～１０ｄ：配線 １１：レーザ光 １２：支持点 １３：銀層 １５：飛行体 １６：ドローン １７：鳥型ロボット ２０ａ～２０ｄ：プロペラ ２１、２１ａ、２１ｂ：主翼 ２３：尾翼 ２５：ドローン本体 ２６：ロボット本体 ２７：モータ ２８ａ、２８ｂ：台 ３０：ポリイミドフィルム ５０：気流センサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
