JP2005193905A - 同軸反転式ラジオコントロールヘリコプタ及びその飛行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの駆動と制御のための機構をシンプルに構成し、インドアでＲ／Ｃヘリの操縦を楽しむのに十分な運動性及び操作性を備えた同軸反転式Ｒ／Ｃヘリを得る。
【解決手段】ギヤードモータによってマストの回転軸の周りを当該回転軸と交差する方向へ移動自在に取り付けられたロワープレートと、ベアリングを介してロワープレートの中央開口部に装着されていてマストに対して傾動自在に連結されたブレードホルダとコントロールアームを介して連結したアッパープレートからなるスワッシュプレートを設け、スワッシュプレートのマストの回転軸と交差する方向への移動に連動させてコントロールアームで下側ブレードの回転面を傾動させ、機体の移動方向を制御する。機体の飛行姿勢は上側ロータヘッドとスタビライザーの連動回転によって制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに逆方向へ回転する上下のロータヘッドを同軸上に配してなる同軸反転方式のラジオコントロールヘリコプタ（以下、Ｒ／Ｃヘリという）に関する。

一般に、同軸反転式ヘリコプターは、上側ローターヘッドと下側ロータヘッドを機体上に同軸に配置し、上下のロータを互いに逆方向へ回転させることにより、揚力の発生とトルクの相殺を同時に実現するように構成されている。また、テールロータに変わる機首の方向制御は、上下のロータのピッチ角をそれぞれに対応して設けられたスワッシュプレートを介して同時に逆方向に変化させ、揚力の総和を一定に保ちながらトルクのバランスを崩すことにより行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１０１２９７号公報

同軸反転式ヘリコプターは、前記構成により、テールロータが不要であるために機体の最大寸法を小さくすることができる、ロータの回転をすべて浮力に利用できるため効率がよい、完全な水平状態でのホバリングが可能である、左右のラダー旋回がスムーズであるなどの多くの利点を有する反面、逆方向へ回転する上下のロータが同軸に配置されているので、ロータの駆動と制御のための機構が複雑になる、メンテンス性や運動性能がシングルロータ式のものよりも劣るなどといった問題点を有していた。そのため、実機は無論、Ｒ／Ｃヘリにおいても採用例は少なかった。

しかしながら、屋内で操縦を楽しむインドア用のＲ／Ｃヘリの場合、高速飛行やスタント性能は必ずしも必要ではなく、安定したホバリングや正確な動作、そしてなによりも操縦の安全性が確保される方が利用者にとっては好ましい。

そこで、本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、ロータの駆動と制御のための機構をシンプルに構成し、インドアでＲ／Ｃヘリの操縦を楽しむのに十分な運動性及び操作性を備えた同軸反転式Ｒ／Ｃヘリを得ることを課題とする。

前記課題を解決するため本発明の同軸反転式Ｒ／Ｃヘリは、機体の飛行姿勢が上側ロータヘッドとスタビライザーの回転によって制御され、機体の移動方向がスワッシュプレートと連結した下側ロータヘッドのブレードの回転面の変化によって制御されるように構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明の同軸反転式Ｒ／Ｃヘリは、ギヤードモータによってマストの回転軸の周りを当該回転軸と交差する方向へ移動自在に取り付けられたロワープレートと、ベアリングを介してロワープレートの中央開口部に装着されていてマストに対して傾動自在に連結されたブレードホルダとコントロールアームを介して連結したアッパープレートからなるスワッシュプレートを備え、スワッシュプレートのマストの回転軸と交差する方向への移動に伴ってコントロールアームがブレードホルダを傾動させるように構成されたことを特徴とする。

また、本発明の同軸反転式Ｒ／Ｃヘリは、ヨー軸制御信号とヨー軸の角速度測定信号を比較し、その結果に基づいて上側ロータと下側ロータをそれぞれ駆動する基準パルスを切り替えて両ロータ駆動回路に出力するヨー軸制御回路を備えたことを特徴とする。

本発明のＲ／Ｃヘリは、屋内の利用に適するよう、上下のブレードは軽量でレスポンスに優れながら安全性の高い発泡スチレンシートを用いて形成し、また、スタビライザーに取り付ける重りには接触時の衝撃を和らげるためソフトラバーを採用することが好ましい。

本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態のＲ／Ｃヘリの斜め前方からみた外観、図２は斜め後方からみた要部外観を示しており、図中、符号１はＲ／Ｃヘリ、２は機体、３はマスト、４は上側ロータヘッド、５は下側ロータヘッド、６はブレード傾動機構、７はスタビライザーバー、８は機体底部に着脱自在に取り付けられた転倒防止用脚である。

図３に示されるように、マスト３は機体２の内部から上方に突出した中空の外軸マスト３１と、その内部に挿通された中空の内軸マスト３２からなっている。外軸マスト３１は、その下部が機体内部に装備された下側ロータ用モータ（図示せず）の駆動軸とギア３１ａを介して連結し、その上部には下側ロータヘッド５が装着されている。内軸マスト３２は、その下部が機体内部に装備された上側ロータ用モータ（図示せず）の駆動軸とギアを介して連結し、その上部には上側ロータヘッド４とスタビライザーバー７とが装着されている。

上側ロータヘッド４は、左右のブレード４１ａ、４１ａからなるブレード４１と、左右のブレード４１ａ、４１ａの元端部に固着されたホルダー４２、４２と、ホルダー４２、４２を両側部に固着してブレード４１を内軸マスト３２に一体に連結するブレードホルダー４３からなっている。左右のブレード４１ａ、４１ａは、ブレードホルダー４３の両側に所定の角度で固定されている。上側ロータヘッド４は、ブレードホルダー４３を内軸マスト３２の上端に固着されたセンタハブ３２ａの外周に揺動不能に連結して、内軸マスト３２と一体に回転し得るように取り付けられている。ブレード４１は所定のピッチ角で内軸マスト３２の上端に一体に支持されている。

下側ロータヘッド５は、左右のブレード５１ａ、５１ａからなるブレード５１と、左右のブレード５１ａ、５１ａの元端部に固着されたホルダー５２、５２と、ホルダー５２、５２を両側部に固着して左右のブレード５１ａ、５１ａを一体に連結するブレードホルダー５３からなっている。左右のブレード５１ａ、５１ａは、ブレードホルダー５３の両側に所定の角度で固定されている。下側ロータヘッド５は、ブレードホルダー５３を、外軸マスト３１の周面にピン５４ａによって軸着されていて外軸マスト３１の軸方向と直行する方向へ適宜な角度傾動し得るように取り付けられたヨーク５４の外周に一体に装着して、外軸マスト３１と一体に回転し得るように取り付けられている。また、下側ロータヘッド５は、ヨーク５４と一体にブレードホルダー５３を傾動させることにより、ブレード５１の外軸マスト３１に対する回転面の角度を増減することができるように設けてある。

ブレード傾動機構６は、中央に円形の開口部を有する略々菱形のロワープレート６２とアッパープレート６３とからなるスワッシュプレート６１と、一端がロッド６４ａを介してアッパープレート６３の端部に連結され他端が前記ブレードホルダー５３の下面に突出した脚部５３ａに回動自在に軸支されたコントロールアーム６４と、機体２の内部に設置されていて作動軸をフレーム２１の上面に突出させたエレベータギヤードモータ（サーボ）及びエルロンギヤードモータ（何れも図示せず）とを有して構成されている。

詳しくは、スワッシュプレート６１は、２枚のプレートの開口部６２ａ、６３ａ内にマスト３を挿通させて、機体２のフレーム２１の上面に重ねて配置されている。ロワープレート６２は両端に長孔６２ｂと開口６２ｃを有し、長孔６２ｂがエレベータギヤードモータの作動軸に固着された作動板６５ａに、開口６２ｃがエルロンギヤードモータの作動軸に固着された作動板６５ｂにそれぞれ回転自在に枢着されており、両ギヤードモータを駆動して作動板６５ａ、作動板６５ｂがそれぞれ駆動軸廻りに回転し変位するのに伴って、マスト３の回転軸の周りを当該回転軸と交差する方向へ移動し得るように取り付けられている。アッパープレート６３は、その下部をロワープレート６２の開口部６２ａ内にベアリング６６を介して嵌め入れ、ロワープレート６２の上面でマスト３の回転軸と平行に回転し得るように支持されているとともに、ロワープレート６２が変位したときは当該プレートとともにマスト３の回転軸の周りをスライド移動し得るように取り付けられている。また、コントロールアーム６４は、ブレードホルダー５３の脚部５３ａに回動自在に軸支されており、コントロールアーム６４がマスト３の回転軸と交差する方向に変位すると、その変位した方向と量に応じてマスト３に対してブレードホルダー５３を傾動せしめるように設けてある。

従って、アッパープレート６３がロワープレート６２とともにスライドすると、アッパープレート６３の端部に連結したコントロールアーム６４も一体にスライドし、これに伴ってブレードホルダー５３がマスト３に対して傾動せしめられ、これにより下側ブレード５１の回転面がスワッシュプレート６１の移動方向と移動量に応じた向き及び角度に調節されるようになっている。
なお、エレベータギヤードモータとエルロンギヤードモータの駆動軸はマスト３の回転軸と平行に設置してある。

スタビライザーバー７は、上側ブレード４１の略半分の長さを有する鋼製棒体７ａの両端に適宜な重量の重り７ｂ、７ｂを装着してなり、ブレード４１に対して適宜な交差角度を保ってブレード４１と一体に回転し得るよう、その中央部を内軸マスト３２の上端に当該回転軸と交差する方向に回動自在に支持されているとともに、リンケージロッド７１でブレードホルダー４３に連結して取り付けられている。スタビライザーバー７とブレード４１の交差角度は、Ｒ／Ｃヘリ１の全体寸法、ブレード４１の長さ、重り７ｂの重量などの条件によって選定され、インドア用としては例えば４１〜４５度程度に設定され得る。

なお、前述の上下のロータをそれぞれ回転するモータやエレベータギヤードモータ、エルロンギヤードモータは、図示されない制御回路及び駆動回路により、ジャイロや加速度センサなどの各種センサからの検出信号を取り込みつつ操作機からの操作信号に応じてその駆動が制御されるようになっている。

次に、このように構成されたＲ／Ｃヘリ１の動作について説明する。
駆動回路により上下ロータの駆動モータを回転させると、各駆動軸の回転力は外軸マスト３１及び内軸マスト３２を介して上側ロータヘッド４と下側ロータヘッド５に伝達されて上下のブレード４１、５１はそれぞれ逆方向に回転し、飛行に必要な揚力を発生させ、機体２を上昇させる。機体２の上昇と下降の制御は、上下のブレード４１、５１の回転出力を調節して行われる。

飛行中に何らかの理由で機体２の姿勢が傾いた場合、機体２は中心に支点を配置した上側ロータヘッド４とスタビライザーバー７との回転によって、安定姿勢を保つように機械的に制御される。
図４に示されるように、水平姿勢で飛行している状態ではスタビライザーバー７は上側ブレード４１と平行に連動して回転する（同図（Ａ））。何らかの理由でスタビライザーバー７が傾くと（同図（Ｂ）、（Ｃ））、リンケージロッド７１を介してブレード４１が傾き、これによりスタビライザーバー７と平行となる作用が働く。すなわち、外部からコントロールは何もしないで、上側ロータヘッド４が回転していれば、遠心力によって自動的にロータヘッドを水平に保とうとする作用が生じ、外部的な要因で機体２が傾いた場合に、スタビライザーバー７が水平を保ち、ブレード４１が機体２の姿勢を水平に修正するような修正舵の機能を奏し、機体２を水平に保つことができる。

また、機体２の前後左右の移動方向の制御は、スワッシュプレート６１と連結した下側ロータヘッド５のブレード５１の回転面を調節することにより行われる。
図５及び図６は、機体２の移動方向を制御する場合のスワッシュプレート６１の動作の様子を示している。
図５（Ａ）に示されるように、エレベータニュートラル時にはスワッシュプレート６１の開口部の中心にマスト３が位置し、このときブレード５１の回転面の前後方向の傾きはない（図７（Ａ））。図５（Ｂ）に示されるように、エレベータギヤードモータを駆動して作動板６５ａを回動し、スワッシュプレート６１を矢符Ａ方向に移動させると、これと連動してアッパープレート６３に連結したコントロールアーム６４がブレードホルダー５３を傾動させ、ブレード５１の回転面も傾動するため（図７（Ｂ））、機体２を前進させることができる。前記と逆方向にスワッシュプレート６１を移動させれば、ブレード５１の回転面が逆方向に傾動し（図７（Ｃ））、機体２を後進させることができる。
また、図６（Ａ）に示されるように、エルロンニュートラル時にはスワッシュプレート６１の開口部の中心にマスト３が位置し、このときブレード５１の回転面の左右方向の傾きはない。機体２を左に移動させるときは、図６（Ｂ）に示されるように、エルロンギヤードモータを駆動して作動板６５ｂを回動し、スワッシュプレート６１を矢符Ｂ方向に移動させると、アッパープレート６３に連結したコントロールアーム６４がブレードホルダー５３を傾動させ、ブレード５１の回転面も傾動するため、機体２を左に移動させることができる。これと逆方向にスワッシュプレート６１を移動させれば、ブレード５１の回転面が逆方向に傾動し、機体２を右に移動させることができる。
すなわち、図５及び図６に示されている如く、エレベータギヤードモータとエルロンギヤードモータを駆動してスワッシュプレート６１を移動させ、これによりスワッシュプレート６１の開口部内におけるマスト３の中心位置がブレード５１の回転面が傾動する変位位置まで相対変位することで、ブレード５１の回転面を所望の方向に傾け、機体２の移動方向を制御することができる。

また、機体２の機首の向きであるヨー軸方向の制御は、ヨー軸制御回路により上側ロータヘッド４と下側ロータヘッド５の回転出力（回転数）を調節し、互いの反動トルクを打ち消すように制御して行われる。
図８はヨー軸制御回路の構成を示している。この回路は、ヨー軸を制御する信号と、ヨー軸の角速度を角速度センサで測定し、その測定値に比例したセンサ出力信号を比較増幅回路に入力する。比較増幅回路では、両入力信号を比較し、その差分値を増幅した信号を選択信号としてパルス切替回路へ出力する。パルス切替回路には、前記選択信号とともに、上側ロータヘッド４である動力１の反動トルクが下側ロータヘッド５である動力２の反動トルクと同じときの動力１、２を制御するパルスからなる基準パルス１、動力１（又は動力２）の反動トルクが動力２（又は動力１）の反動トルクより大きいときの動力１（又は動力２）を制御するパルスからなる基準パルス２、動力１（又は動力２）の反動トルクが動力２（又は動力１）の反動トルクより大きいときの動力２（又は動力１）を制御するパルスからなる基準パルス３がそれぞれ入力されている。そして、パルス切替回路において、比較増幅回路より入力される選択信号に応じ、前記基準パルス１、２、３を適宜選択して、動力駆動回路１と動力駆動回路２に出力し、これにより反動トルクを打ち消すようにロータの回転を調節してヨー軸の制御を行うように構成されている。

本発明によれば、ロータの駆動と制御のための機構がシンプルであり、十分な運動性及び操作性を備えた同軸反転式Ｒ／Ｃヘリを構成することができる。

本発明の一実施形態のＲ／Ｃヘリの斜め前方の外観図である。 Ｒ／Ｃヘリの斜め後方の要部外観図である。 Ｒ／Ｃヘリの上下ロータヘッド部分を構成部材を展開して示した図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はロータヘッドとスタビライザーバーの動作を説明するための図である。 （Ａ）、（Ｂ）はエレベータ操作におけるスワッシュプレートの動作を説明するための図である。 （Ａ）、（Ｂ）はエルロン操作におけるスワッシュプレートの動作を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はエレベータ操作におけるブレードの回転面が傾く状態を説明するための図である。 ヨー軸制御回路の構成例を示した図である。

符号の説明

１ Ｒ／Ｃヘリ、２ 機体、３ マスト、３１ 外軸マスト、３２ 内軸マスト４ 上側ロータヘッド、４１ ブレード、４２ ホルダー、４３ ブレードホルダー、５ 下側ロータヘッド、５１ ブレード、５２ ホルダー、５３ ブレードホルダー、５４ ヨーク、６ ブレード傾動機構、６１ スワッシュプレート、６２ ロワープレート、６３ アッパープレート、６４ コントロールアーム、７ スタビライザーバー、７１ リンケージロッド、８ 転倒防止用脚

Claims (3)

1. 互いに逆方向へ回転する上下のロータヘッドを同軸上に配してなる同軸反転式ラジオコントロールヘリコプタにおいて、
   機体の飛行姿勢が上側ロータヘッドとスタビライザーの回転によって制御され、機体の移動方向がスワッシュプレートと連結した下側ロータヘッドのブレードの回転面の変化によって制御されるように構成されたことを特徴とする同軸反転式ラジオコントロールヘリコプタ。
2. ギヤードモータによってマストの回転軸の周りを当該回転軸と交差する方向へ移動自在に取り付けられたロワープレートと、ベアリングを介してロワープレートの中央開口部に装着されていてマストに対して傾動自在に連結されたブレードホルダとコントロールアームを介して連結したアッパープレートからなるスワッシュプレートを備え、スワッシュプレートのマストの回転軸と交差する方向への移動に伴ってコントロールアームがブレードホルダを傾動させるように構成された請求項１に記載の同軸反転式ラジオコントロールヘリコプタ。
3. ヨー軸制御信号とヨー軸の角速度測定信号を比較し、その結果に基づいて上側ロータと下側ロータをそれぞれ駆動する基準パルスを切り替えて両ロータ駆動回路に出力するヨー軸制御回路を備えた請求項１又は２に記載の同軸反転式ラジオコントロールヘリコプタ。
   
   
   
   
   
   

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