JP2007218172A - 回転翼機構、該回転翼機構を用いた移動体、並びに発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】翼の迎角と回転速度を同時に変化させることにより、より揚力を大きくすると共に抗力を小さくすることができる回転翼機構を提供する。
【解決手段】主軸３と、主軸３の軸線周りに回転自在のスライダクランク８と、複数のリンク１６ａ、１６ｂをパンタグラフ状に組み合わせて成り、スライダクランク８に対して主軸３の径方向に伸縮自在に取り付けられたパンタグラフリンク１６と、主軸３に対して平行かつ翼弦がリンク１６ａの長手方向となるようにリンク１６ａに取り付けられた翼１９と、スライダクランク８の回転に伴ってパンタグラフリンク１６を伸縮させるパンタグラフリンク駆動手段８、１０、１３、１５とを備え、スライダクランク８が主軸３の軸線周りに一回転する間に翼１９に生じる流体力の合力が特定の方向に向くようにしたたことを特徴とする回転翼機構。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転翼機構、該回転翼機構を用いた移動体、並びに発電機に関する。

風力や水力を電力に変換するための回転翼機構として、翼の回転中心である主軸を垂直に設けた垂直型回転翼機構が知られている。また、この回転翼機構は、主軸を水平に設けて空中や水中を移動する移動体に適用することも考え得る。

この種の回転翼機構においては、流体から得られる力を効率よく回転力に変換したり、動力を効率よく推進力に変換するためには、翼に生じる揚力を極力大きくし、抗力を極力小さくする必要がある。

そこで、本願の発明者は、先に、回転中心を互いに偏心させた二つのリンク部材間に翼を回動自在に取り付け、これらのリンク部材を回動させることによって翼の迎角を変化させようにした回転翼機構（特許文献１）を提案した。

また、回転中心の周りに回転するリンク部材の先端に翼を回動自在に取り付け、この翼を閉じた軌跡に沿って誘導することによって翼の迎角を変化させるようにした回転翼機構（特許文献２）も提案した。
特開２００５−５３３４７号公報 特願２００５−０２８８７７号の願書に添付した明細書及び図面

しかしながら、発電装置においては、さらなる変換効率の向上が要請され、移動体においては、より変換効率を向上させなければ、空中飛行等を実現させることは困難であった。

より変換効率を向上させるためには、翼の迎角が大きくなるときの翼の回転速度を大きくし、翼の迎角が小さくなるときの翼の回転速度を小さくすることが考えられるが、上記特許文献１、２の回転翼機構は、その点について考慮されたものではなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、翼の迎角と回転速度を同時に変化させることにより、より揚力を大きくすると共に抗力を小さくすることができる回転翼機構を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転翼機構は、主軸と、この主軸の軸線周りに回転自在の回転体と、複数のリンク部材をパンタグラフ状に組み合わせて成り、前記回転体に対して前記主軸の径方向に伸縮自在に取り付けられたパンタグラフリンクと、前記主軸に対して平行かつ翼弦が前記リンク部材の長手方向となるように前記リンク部材に取り付けられた翼と、前記回転体の回転に伴って前記パンタグラフリンクを伸縮させるパンタグラフリンク駆動手段とを備え、前記回転体が前記主軸の軸線周りに一回転する間に前記翼に生じる流体力の合力が特定の方向に向くようにしたことを特徴としている。

また、本発明に係る移動体は、前記回転翼機構を備え、前記回転翼機構を回転駆動することにより発生する推進力で移動するようにしたことを特徴としている。

また、本発明に係る発電機は、前記回転翼機構を備え、前記回転翼機構が流体から与えられる力で回転することにより発生する回転力で発電を行うようにしたことを特徴としている。

本発明の回転翼機構は、翼の迎角が大きくなるときには翼の回転半径（速度）が大きくなり、翼の迎角が小さくなるときには翼の回転半径が小さくなるため、より揚力を大きくすることができると共に抗力を小さくすることができる。したがって、動力を効率良く揚力に変換したり、あるいは流体から与えられる力を効率良く回転力に変換することができる。

また、本発明の回転翼機構を用いた移動体は、消費動力を小さくして高い推進力を得ることができる。

また、本発明の回転翼機構を用いた発電機は、流体から与えられる力を効率良く電力に変換することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図、図２は図１の回転翼機構の側面図である。

本実施形態においては、回転翼機構１を空中を飛行する移動体に適用した場合、すなわち翼の回転中心である主軸を水平に設ける場合について説明するが、主軸を垂直に設ければ、適宜発電機に適用できることは言うまでもない。

この回転翼機構１はスライダクランク機構を用いたもので、図２に示すように、垂直に配置された支持板２に水平かつ回転しないように一端が支持された主軸３を備えている。また、支持板２にはモータ４が取り付けられており、その回転軸の先端には第１の歯車５が固着されている。この第１の歯車５は、後述するスライダホイール７に同心状に固着された第２の歯車６に噛み合っている。

主軸３の中間部には、環状のスライダホイール７が、ベアリング等の適宜の機構により、回転自在かつ軸方向に移動しないように支持されている。このスライダホイール７は大径部と小径部から成り、大径部の外周部には、図１に示すように、主軸３の周りに所定の角度間隔をおいて設けられ、主軸３の径方向外側に向けて放射状に延びる複数本の角柱状のスライダクランク８（回転体）の一端が固着されている。これらのスライダクランク８は、実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

各スライダクランク８の正面の中間部には主軸３と平行に延びる第１の支軸９の一端が固着されている。また、各スライダクランク８には、第１の支軸９に近い部位から先端部に向けて長手方向に延びる溝８ａが刻設されている。この溝８ａにはスライダ１０（図２参照）が摺動自在に係合しており、このスライダ１０の正面には、主軸３と平行に延びる第２の支軸１１の一端が固着されている。

主軸３の先端部には、その径方向外側に向けて突出した帯板状の固定節１２の一端が固着されている。そして、この固定節１２の先端部には、主軸３と平行に延びる従節軸１３の一端が固着されている。この従節軸１３の先端部には、環状の従節ホイール１４が、ベアリング等の適宜の機構により、回転自在かつ軸方向に移動しないように支持されている。

従節ホイール１４の外周部には、従節軸１３の周りに所定の角度間隔をおいて設けられ、従節軸１３の径方向外側に向けて放射状に延びる複数本の従節クランク１５の一端が固着されている。また、各従節クランク１５の他端はそれぞれ第２の支軸１１を介してスライダ１０に回動自在に連結されている。これらの従節クランク１５は、実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

そして、各スライダクランク８には、パンタグラフリンク１６が取り付けられている。図１に示すように、このパンタグラフリンク１６は、互いに平行に配置された複数本のリンク部材１６ａと、これらのリンク部材１６ａと交差する方向に延びると共に互いに平行に配置された複数本のリンク部材１６ｂとを平行四辺形状に組み合せると共に、リンク部材１６ａと１６ｂの交差点をピン（図示せず）により回動自在に連結したものであり、スライダクランク８の長手方向（主軸３の径方向）に伸縮自在となっている。これらのリンク部材１６ａ、１６ｂは実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

このパンタグラフリンク１６における主軸３に最も近いリンク部材１６ａ、１６ｂの主軸３側の連結点（以下、第１節と記す）は第１の支軸９により支持されており、これらのリンク部材１６ａ、１６ｂに隣接したリンク部材１６ａ、１６ｂにおける中央部の連結点（以下、第２節と記す）は第２の支軸１１により支持されている。

図２に示すように、リンク部材１６ａには、その正面側と背面側において、前後に延びる骨１８を介して、矩形板状の翼１９を、主軸３と平行かつ翼弦がリンク部材１６ａの長手方向となるように取り付けてある。この翼１９は、比較的軽量で強度が高い材質により構成される。

このように構成された回転翼機構１において、モータ４を駆動すると、歯車５、６を介してスライダホイール７が回転し、その外周部に取り付けられた複数本のスライダクランク８が図１の矢印方向に回転する。

この際、第１の支軸９はスライダクランク８に固定されているため、主軸３を中心とする円形状の第１の軌跡Ｔ１に沿って移動する。一方、第２の支軸１１は従節軸１３の周りに回動自在の従節クランク１５の一端に取り付けられているため、従節軸１３を中心とする円形状の第２の軌跡Ｔ２に沿って移動する。

第２の軌跡Ｔ２は第１の軌跡Ｔ１に対して偏心しているため、スライダクランク８の回転に伴って第２の支軸１１は第１の支軸９に対して離間したり接近したりする。したがって、第１の支軸９と第２の支軸１１によって支持されたパンタグラフリンク１６が主軸３の径方向に伸縮することになる。

これにより、リンク部材１６ａに支持された翼１９の迎角が変化して翼１９に生じる空気力が変化するので、スライダクランク８が一回転する間に翼１９に生じる空気力の合力を特定の方向に向かせることができる。例えば、図１に示すように、主軸３を水平にして、翼１９の振り下げ時の迎角が大きく、振り上げ時の迎角が小さくなるようにすることで、上昇力を得ることができる。

なお、スライダクランク８が、第１の軌跡Ｔ１上におけるパンタグラフリンク１６が最も伸びる位置から略１８０°回転した位置においてはパンタグラフリンク１６が最も収縮するようになっており、翼１９の振り下げ時には迎角が最大になると共に翼１９の回転半径（すなわち速度）が最大になるため翼１９に生じる上向きの空気力（上昇力）が大きくなり、翼１９の振り上げ時には翼１９の迎角及び回転半径が最小になるため翼１９に生じる下向きの空気力（抗力）が小さくなる。したがって、大きな上昇力を得ることができると共に無駄な消費エネルギーを少なくすることができるので、モータ４の動力を効率良く上昇力に変換することができる。

また、推進力の大きさは、パンタグラフリンク１６に支持させる翼１９の翼幅や翼弦長を変更する他に、翼１９の数を変更することによっても可能であり、設計の自由度が高いという利点を有する。

さらに、機構要素を用いて翼１９の迎角や回転半径を制御するようにしているので、アクチュエータ等の外的な要素によって翼１９の迎角や回転半径を制御する場合と比べて、構造が簡素でコスト安であると共に、動作精度が高いという利点を有する。

そして、従節軸１３の主軸３に対する位置を適当な機構で変化させることにより、翼１９によって生じる合力の方向が変化するので、合力を任意の方向へ向かせることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図３は本発明の第２の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図である。

本実施形態の回転翼機構２１は両クランク機構を用いたもので、垂直に配置された支持板（図示せず）に水平かつ回転しないように一端が支持された主軸２２を備えている。

主軸２２の中間部には、環状のホイール２３が、ベアリング等の適宜の機構により、回転自在かつ軸方向に移動しないように支持されている。このホイール２３を回転させるモータや歯車等は第１の実施形態と同様であるので説明を割愛する。

そして、ホイール２３の外周部には、主軸２２の周りに所定の角度間隔をおいて設けられ、主軸２２の径方向外側に向けて放射状に延びる複数本の角柱状の主クランク２４（回転体）の一端が固着されている。これらの主クランク２４は実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

各主クランク２４の正面の中間部には主軸２２と平行に延びる第１の支軸２５の一端が固着されている。また、各主クランク２４の正面の先端部には主軸２２と平行に延びる回転軸２６の一端が固着されている。

主軸２２の先端部には、その径方向外側に向けて突出した帯板状の固定節２７の一端が固着されている。そして、この固定節２７の先端部には、主軸２２と平行に延びる従節軸２８の一端が固着されている。この従節軸２８の先端部には、環状の従節ホイール２９が、ベアリング等の適宜の機構により、回転自在かつ軸方向に移動しないように支持されている。

従節ホイール２９の外周部には、従節軸２８の周りに所定の角度間隔をおいて設けられ、従節軸２８の径方向外側に向けて放射状に延びる複数本の従節クランク３０の一端が固着されている。各従節クランク３０の先端部にはそれぞれ主軸２２と平行に延びる第２の支軸３１の一端が固着されている。これらの従節クランク３０は実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

各第２の支軸３１にはカプラリンク３２の一端が回動自在に連結され、このカプラリンク３２の他端は回転軸２６に回動自在に連結されている。これらのカプラリンク３２は実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

そして、図示しないが、第１の支軸２５には、図１に示すパンタグラフリンク１６の第１節が支持され、第２の支軸３１には、パンタグラフリンク１６の第２節が支持される。

このように構成された回転翼機構２１において、モータを駆動すると、歯車を介してホイール２３が回転し、その外周部に取り付けられた複数本の主クランク２４が主軸２２の周りに矢印方向に回転する。

この際、第１の支軸２５は主クランク２４に固定されているため、主軸２２を中心とする円形状の第１の軌跡Ｔ３に沿って移動する。一方、第２の支軸３１は従節軸２８の周りに回動自在の従節クランク３０の一端に設けられているため、従節軸２８を中心とする円形状の第２の軌跡Ｔ４に沿って移動する。

第２の軌跡Ｔ４は第１の軌跡Ｔ３に対して偏心しており、主クランク２４の回転に伴って第２の支軸３１は第１の支軸２５に対して離間したり接近したりする。したがって、第１の支軸２５と第２の支軸３１によって支持されたパンタグラフリンクが主軸２２の径方向に伸縮する。

これにより、パンタグラフリンクに取り付けられた翼の迎角及び回転半径が変化するので、第１の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図４は本発明の第３の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図である。

本実施形態の回転翼機構４１は、レールスライダ機構を用いたもので、垂直に配置された支持板（図示せず）に水平かつ回転しないように一端が支持された主軸４２を備えている。

主軸４２の中間部には、環状のスライダホイール４３が、ベアリング等の適宜の機構により、回転自在かつ軸方向に移動しないように支持されている。このスライダホイール４３を回転させるモータや歯車等は第１の実施形態と同様であるので説明を割愛する。

そして、スライダホイール４３の外周部には、主軸４２の周りに所定の角度間隔をおいて設けられ、主軸４２の径方向外側に向けて放射状に延びる複数本の角柱状のスライダクランク４４（回転体）の一端が固着されている。これらのスライダクランク４４は実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されている。

各スライダクランク４４の正面の中間部には主軸４２と平行に延びる第１の支軸４５の一端が固着されている。また、各スライダクランク４４には、この第１の支軸４５に近い部位から先端部に向けて長手方向に延びる溝４４ａが刻設されている。この溝４４ａにはスライダ４６が摺動自在に係合しており、このスライダ４６の正面には、主軸４２と平行に延びる第２の支軸４７の一端が固着されている。

このスライダ４６は、環状のレール４８に摺動自在に係合している。このレール４８は摺動性に優れた帯状の部材によって形成された無端状のもので、非真円状を呈している。

そして、図示しないが、第１の支軸４５には、図１に示すパンタグラフリンク１６の第１節が支持され、第２の支軸４７には、パンタグラフリンク１６の第２節が支持されている。

このように構成された回転翼機構４１において、モータを駆動すると、歯車を介してスライダホイール４３が回転し、その外周部に取り付けられた複数本のスライダクランク４４が主軸４３の周りに矢印方向に回転する。

この際、第１の支軸４５はスライダクランク４４に固定されているため、主軸４３を中心とする円形状の第１の軌跡Ｔ５に沿って移動する。一方、第２の支軸４７はレール４８に沿う第２の軌跡Ｔ６に沿って移動する。

第２の軌跡Ｔ６は非真円状であるため、スライダクランク４４の回転に伴って第２の支軸４７は第１の支軸４５に対して離間したり接近したりする。したがって、第１の支軸４５と第２の支軸４７によって支持されたパンタグラフリンクが主軸４２の径方向に伸縮することになる。

これにより、パンタグラフリンクに取り付けられた翼の迎角及び回転半径が変化するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態の場合、第２の軌跡Ｔ６を任意の形状に設定することができるため、翼の迎角や回転速度を回転角度に応じて最適なものにきめ細かく設定することができる。したがって、モータの回転力をより効率良く推進力に変換することができるという利点を有する。

次に、本発明の第４の実施形態を説明する。図５は第１の実施形態と同様の構造の回転翼機構を備えた移動体の斜視図、図６は図５の移動体の側面図、図７は図５の移動体の平面図である。

この移動体５１は、Ｈ字形に形成された機体５２を有している。この機体５２は、実質的に変形しない剛性の高い材料で形成されており、水平方向に間隔をおいて対向配置された一対の水平梁５２ａ、５２ａと、これらの中央部を相互に連結する連結梁５２ｂとから成っている。

各水平梁５２ａの両端には、それぞれ第１の実施形態と同様の構造の回転翼機構５３が取り付けられている。なお、この回転翼機構５３における第１の実施形態と対応する部分には同一の符号を付してあり、重複する説明は省略してある。この回転翼機構５３はパンタグラフリンク１６を５個備えている。

この回転翼機構５３が１個の場合、パンタグラフリンク１６の回転方向と逆方向の力が機体５２に作用して機体５２が垂直面内で回転してしまうことになる。そこで、一つの回転翼機構５３の背面側に別の回転翼機構５３を背中合わせに配置することで、この力を相殺して垂直面内での回転を防ぐことができる。

しかし、この二つの回転翼機構５３だけでは機体５２に水平面内で回転する力が発生する。そこで、さらに背中合わせに配置された二つの回転翼機構５３を設けてこの力を相殺している。したがって、合計４個の回転翼機構５３を備えている。

この移動体５１では、翼１９の振り下げ時には迎角及び速度が大きくなり、翼１９の振り上げ時には迎角及び速度が小さくなるため、消費動力を小さくして高い上昇力を得ることができる。

なお、図６に示す従節軸１３の主軸３に対する位置をアクチュエータで変化させることで、回転翼機構５３で発生する合力の方向を変化させることができるので、任意の方向への移動が可能となると共に、機敏性のある移動が可能となる。

例えば、ヘリコプターが前進する際には、必ず機体の前側を下げて飛行する必要があるが、この移動体５１の場合には、機体５２の後側を下げたり、あるいは機体５２を垂直にした状態でも前進が可能である。すなわち、機体５２の姿勢に関わらず所望の方向に移動することができる。また、空中で停止するホバリング飛行や低速飛行も可能である。

したがって、そのような機敏性が特に必要とされる場所（例えば災害地）において、特に有効であるといえる。

なお、このような構造の移動体は、空中を移動するものだけでなく、水中を移動するものにも適用することができる。

次に、本発明の第５の実施形態を説明する。図８は第１の実施形態と同様の構造の回転翼機構を備えた発電機の斜視図、図９は図８の発電機の側面図、図１０は図８の発電機の平面図である。

この発電機８１は風力によって発電を行うもので、円柱状等に形成された基台８２を有しており、その上面には、第１の実施形態の回転翼機構と同様の構造の回転翼機構８３を主軸３が垂直となるように取り付けてある。なお、この回転翼機構８３における第１の実施形態と対応する部分には同一の符号を付してあり、重複する説明は省略してある。この回転翼機構８３はパンタグラフリンク１６を５個備えている。なお、スライダホイール７には、モータに代えて、スライダホイール７の回転力を電力に変換する変換器（図示せず）が連結されている。

回転翼機構８３は、翼１９の迎角が回転角度によって変化するため、翼１９に一方向から風が当たることで、風力を回転力に変換して発電を行うことができる。

なお、図１０に示す如く、風向きを検知するセンサ８４を設けておき、従節軸１３の主軸３に対する位置をアクチュエータ８５で風向きに応じて変化させ、翼１９が風の流れ方向に回転する際に翼１９の迎角及び速度が大きくなるようにすることで、効率の良い発電を行うことができる。

なお、このような構造は、風力で発電を行うものだけでなく、その他の流体力（例えば水力）で発電を行うものにも適用することができる。

以上、具体例を挙げて本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の各実施形態で示した構造に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記の各実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の第１の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図である。 図１の回転翼機構の側面図である。 本発明の第２の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図である。 本発明の第３の実施形態である回転翼機構の一部省略正面図である。 本発明の第４の実施形態である移動体の斜視図である。 図５の移動体の側面図である。 図５の移動体の平面図である。 本発明の第５の実施形態である発電機の斜視図である。 図８の発電機の側面図である。 図８の発電機の平面図である。

符号の説明

１ 回転翼機構
３ 主軸
８ スライダクランク（回転体）
１０ スライダ
１３ 従節軸
１５ 従節クランク
１６ パンタグラフリンク
１９ 翼
２１ 回転翼機構
２２ 主軸
２８ 従節軸
３０ 従節クランク
３２ カプラリンク
４１ 回転翼機構
４２ 主軸
４６ スライダ
４８ レール
５１ 移動体
５３ 回転翼機構
８１ 発電機
８３ 回転翼機構

Claims (6)

1. 主軸と、この主軸の軸線周りに回転自在の回転体と、複数のリンク部材をパンタグラフ状に組み合わせて成り、前記回転体に対して前記主軸の径方向に伸縮自在に取り付けられたパンタグラフリンクと、前記主軸に対して平行かつ翼弦が前記リンク部材の長手方向となるように前記リンク部材に取り付けられた翼と、前記回転体の回転に伴って前記パンタグラフリンクを伸縮させるパンタグラフリンク駆動手段とを備え、前記回転体が前記主軸の軸線周りに一回転する間に前記翼に生じる流体力の合力が特定の方向に向くようにしたことを特徴とする回転翼機構。
2. 前記パンタグラフ駆動手段は、前記主軸に対して接近及び離間するように前記回転体上に摺動自在に取り付けられたスライダと、前記主軸に対して偏心した位置に固定配置され、前記主軸と平行な従節軸と、一端が前記従節軸により回動自在に軸支され、前記従節軸の径方向外側に向けて延びると共に他端が前記スライダに対して前記主軸と平行な軸線まわりに回動自在に連結された従節クランクとを備え、前記パンタグラフリンクは、前記従節クランクと前記スライダとの連結点と、前記回転体上における前記スライダよりも内側の部位に設定された支点との二点において伸縮自在に軸支されたことを特徴とする請求項１記載の回転翼機構。
3. 前記パンタグラフ駆動手段は、前記主軸に対して偏心した位置に固定配置され、前記主軸と平行な従節軸と、一端が前記従節軸により回動自在に軸支され、前記従節軸の径方向外側に向けて延びる従節クランクと、一端が前記従節クランクの他端に対して前記主軸と平行な軸線まわりに回動自在に連結され、他端が前記回転体の先端部に対して前記主軸と平行な軸線まわりに回動自在に連結されたカプラリンクとを備え、前記パンタグラフリンクは、前記従節クランクと前記カプラリンクとの連結点と、前記回転体上の中間部に設定された支点との二点において伸縮自在に軸支されたことを特徴とする請求項１記載の回転翼機構。
4. 前記パンタグラフ駆動手段は、前記主軸に対して接近及び離間するように前記回転体上に摺動自在に取り付けられたスライダと、このスライダを前記主軸の周りの閉じた非真円状の軌跡に沿って摺動自在に案内するレールとを備え、前記パンタグラフリンクは、前記スライダ上に設定された支点と、前記回転体上における前記スライダよりも内側の部位に設定された支点との二点において伸縮自在に軸支されたことを特徴とする請求項１記載の回転翼機構。
5. 請求項１記載の回転翼機構を備え、前記回転翼機構を回転駆動することにより発生する推進力で移動するようにしたことを特徴とする移動体。
6. 請求項１記載の回転翼機構を備え、前記回転翼機構が流体から与えられる力で回転することにより発生する回転力で発電を行うようにしたことを特徴とする発電機。

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