JP2017109553A - 飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく空気を取り込んで金属空気電池を安定して動作させることができる飛行体を提供する。
【解決手段】飛行体４は、旋回翼４３が４枚搭載されたマルチコプターとされている。飛行体４は、上面視において、中央に本体４１が設けられ、本体４１から四方へそれぞれアーム部４２が延伸されており、アーム部４２の先端にそれぞれ駆動部、旋回翼４３、およびケース３が設けられている。旋回翼４３へ電力を供給する電源（ケース３）は、内部に取り入れた空気によって電力を発生させる金属空気電池であり、旋回翼４３が生じさせる旋回風の下流側に配置されている。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、揚力を発生させて飛行する飛行体に関する。

近年、ホビー、空撮、セキュリティ、災害時探索などの多様な用途に、無人飛行体、即ちドローンの応用が盛んに行われている。ドローンの中でも、安定して空中静止のできるマルチコプターが、特に、各種分野で活躍している。

マルチコプターは、通常、制御コントローラやジャイロセンサなどを保持する本体部、本体部から外側へ伸びたアーム、アームの先端に取り付けられたモータとプロペラ、および駆動用電池などで構成されている。一般に、マルチコプターは、プロペラを偶数個備え、プロペラの回転数を制御することで、前後左右移動、回転、上下移動、および空中静止を安定して行う。また、プロペラを６つ以上備える場合には、１つのプロペラが壊れても、残りのプロペラの回転を制御することで、飛行を続けることができる。

マルチコプターは、シンプルな機構とされているため、小型化が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。また、駆動用電池には、充電が可能な２次電池のうち、比較的エネルギー密度が高いリチウムポリマーバッテリー（以下では、ＬｉＰｏバッテリーと呼ぶ）が広く使用されている。

特開２０１２−５１５４５号公報 特開２０１０−１４９６６２号公報

特許文献１に記載の無人飛行体は、本体部と、本体部に一終端が結着して無人飛行体の全体的な形状を構成する複数のフレーム部と、複数のフレーム部の他の一終端に装着して飛行のための推力を発生させる駆動部とを含む構成とされている。本体部には、駆動部に電源を供給するバッテリーが装着されている。

特許文献２に記載の空中浮上体は、周縁部が下方に湾曲した椀形の笠体と、１対の送風機と、気流変向機構とで構成されている。１対の送風機は、下降風を発生させる第１送風機と、上昇流を発生させる第２送風機とで構成され、第１送風機と第２送風機との間に挿入された気流変向機構が、下降風と上昇流とを水平全周方向に変向させて浮上力を発生させる。空中浮上体では、リチウム・ポリマー電池やリチウム・イオン電池を動力源としている。

しかしながら、現在実用化されているマルチコプターでは、飛行時間が１０〜２０分程度といった短時間とされている。そこで、ＬｉＰｏバッテリーを複数搭載すれば、飛行時間を延長することができるが、機体の大型化・高重量化に繋がり、故障や制御不能などによって墜落した場合、事故が発生するリスクが大きくなる。また、ＬｉＰｏバッテリーは、回路の短絡や過充電などによって発熱・発火するなど、安全性の面で問題がある。

上述したことから、マルチコプターを含むドローンには、軽量で安全に使用できる２次電池が求められており、その候補として金属空気電池が挙げられている。ところで、金属空気電池においては、空気を取り入れて電力を発生させるため、効率よく空気を取り入れることが重要な課題とされている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、旋回風を効率よく取り込み、金属空気電池を安定して動作させることができる飛行体を提供することを目的とする。

本発明に係る飛行体は、揚力を発生させて飛行する飛行体であって、本体と、前記本体に支持され、旋回して旋回風を発生させる旋回翼と、前記旋回翼の動作を制御する制御部と、前記旋回翼へ電力を供給する電源とを備え、前記電源は、内部に取り入れた空気によって電力を発生させる金属空気電池であり、前記旋回翼に対して、前記旋回風の下流側に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る飛行体では、前記旋回風の上流側から見て、前記旋回翼が旋回した軌跡である旋回円の面積は、前記電源の断面積より大きく、前記電源は、前記旋回風の上流側から見た状態において、前記旋回円の内部に配置されている構成としてもよい。

本発明に係る飛行体は、揚力を発生させて飛行する飛行体であって、本体と、前記本体に支持され、旋回して旋回風を発生させる旋回翼と、前記旋回翼の動作を制御する制御部と、前記旋回翼へ電力を供給する電源とを備え、前記電源は、内部に取り入れた空気によって電力を発生させる金属空気電池であり、内部へ空気を供給する送風ダクトが設けられ、前記送風ダクトは、前記旋回翼に対して、前記旋回風の下流側に配置された開口部を有していることを特徴とする。

本発明に係る飛行体では、前記旋回風の上流側から見て、前記旋回翼が旋回した軌跡である旋回円の面積は、前記開口部の面積より大きく、前記開口部は、前記旋回風の上流側から見た状態において、前記旋回円の内部に含まれている構成としてもよい。

本発明に係る飛行体では、高度を検知する高度検知センサを備え、前記制御部は、前記高度検知センサの検知結果に基づいて、飛行する高度が予め設定された規定高度を超えないように規制する構成としてもよい。

本発明に係る飛行体では、前記電源は、上面視において、前記本体の重心と一致する位置に設けられている構成としてもよい。

本発明に係る飛行体では、前記旋回翼は、複数設けられ、前記電源は、複数の旋回翼のそれぞれに対応して設けられている構成としてもよい。

本発明によると、金属空気電池を旋回翼の下流側に配置することで、旋回風を効率よく取り込み、金属空気電池を安定して動作させることができる。

本発明の第１実施形態に係る電池セルの上面図である。 本発明の第１実施形態に係る電池セルの正面図である。 図１Ｂの矢符Ａ−Ａでの断面図である。 複数の電池セルを接続した電池モジュールの上面図である。 電池モジュールを収納するケースの上面図である。 電池モジュールを収納するケースの側面図である。 ケースの図４Ｂとは異なる側面を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る飛行体の上面図である。 本発明の第１実施形態に係る飛行体の側面図である。 アーム部の先端を拡大して示す拡大側面図である。 アーム部の先端を拡大して示す拡大上面図である。 本発明の第２実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大上面図である。 本発明の第２実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大側面図である。 本発明の第３実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大側面図である。 送風ダクトの外観側面図である。 送風ダクトの外観下面図である。 図１１Ｂの矢符Ｂ−Ｂでの断面図である。 本発明の第４実施形態に係る飛行体の下面図である。 本発明の第４実施形態に係る飛行体の側面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る飛行体について、図面を参照して説明する。

図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る電池セルの上面図であって、図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る電池セルの正面図であって、図２は、図１Ｂの矢符Ａ−Ａでの断面図である。

電池セル１（金属空気電池）は、正極活物質として空気中の酸素を用い、負極活物質として金属を用いる化学電池である。電池セル１は、略直方体状とされており、第１セルフレーム１１と第２セルフレーム１２とを組み合わせた内部に、第１空気極１５ａ、第２空気極１５ｂ、金属板１３、および電解液１６が収納された構造とされている。

第１セルフレーム１１および第２セルフレーム１２は、略正方形状の正面に対して対向する面が開口しており、開口している面同士を組み合わせる構造とされている。また、第１セルフレーム１１および第２セルフレーム１２において、側面は、正面と比較して、幅が狭い略長方形状とされている。第１セルフレーム１１の正面において、四隅には、周囲より突出した第１スペーサー部１１ａが形成され、全体に分散して配置された複数の取入孔１８が設けられている。取入孔１８は、内部まで貫通しており、取入孔１８を介して外部から酸素を取り入れる。第２セルフレーム１２は、第１セルフレーム１１と略同様の構造とされており、第２スペーサー部１２ａと複数の取入孔１８とが形成されている。なお、第１スペーサー部１１ａおよび第２スペーサー部１２ａは、複数の電池セル１を接続した電池モジュールに関し、後述する図３を参照して、詳細に説明する。また、第１セルフレーム１１および第２セルフレーム１２の上面には、内部まで貫通する注入孔１７と、第１空気極１５ａおよび第２空気極１５ｂに接続された空気極端子１５ｃと、金属板１３に接続された亜鉛極端子１３ａとが設けられている。電池セル１には、注入孔１７を介して内部に電解液１６が注入される。

第１空気極１５ａは、第１セルフレーム１１正面の内面に貼り付けられており、第２空気極１５ｂは、第２セルフレーム１２正面の内面に貼り付けられている。第１空気極１５ａおよび第２空気極１５ｂは、カーボンを導電剤とした電極触媒と金属メッシュとを一体化するようにプレスして形成されている。

金属板１３は、第１セルフレーム１１と第２セルフレーム１２との境界部に設けられている。つまり、金属板１３は、一方の表面が第１空気極１５ａに対向し、他方の表面が第２空気極１５ｂに対向している。金属板１３は、材料としてＬｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎを用いることができるが、本実施の形態では、安全で安価なＺｎ板とされている。以下では、説明のため、金属板１３を亜鉛極と呼ぶことがあり、第１空気極１５ａと第２空気極１５ｂとを併せて空気極１５と呼ぶことがある。

電解液１６は、アルカリ溶液であって、本実施の形態では、ＫＯＨ水溶液とされている。

電池セル１では、電極に負荷を繋ぐことによって化学反応が始まり、電気エネルギーを取り出すことができる。電池セル１の放電時には、亜鉛極が陰極となり、空気極１５が陽極となる。この場合、亜鉛極では、「Ｚｎ＋２ＯＨ^-→ＺｎＯ＋Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-」との反応式で示される化学反応が起こり、空気極１５では、「Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-→４ＯＨ^-」との反応式で示される化学反応が起こる。両極での反応を合わせた全反応は、「２Ｚｎ＋Ｏ₂→２ＺｎＯ」との反応式で示される。その結果、得られる電圧は、約１Ｖ程度であって、エネルギー密度は、理論上１３７０Ｗｈ／ｋｇである。ＬｉＰｏバッテリーのエネルギー密度が１００〜２５０Ｗｈ／ｋｇであるのに対し、電池セル１は５倍以上の容量とされている。なお、充電時には、上記と逆方向の反応式で示される化学反応が起こる。

図３は、複数の電池セルを接続した電池モジュールの上面図である。

電池モジュールは、図１Ａないし図２に示す電池セル１を直列に接続した構成とされており、本実施の形態では、３つの電池セル１を接続している。なお、電池セル１と電池モジュールとは、いずれも負荷に対して接続された１つの電池とみなすことができる。このことを考慮して、以下では、電池セル１と電池モジュールとを併せて、金属空気電池と呼ぶことがある。

電池モジュールでは、隣接する電池セル１が、正面同士を対向させた状態で組み合わせられている。この際、隣接する電池セル１同士は、第１スペーサー部１１ａと第２スペーサー部１２ａとが当接して狭い隙間が設けられ、正面同士は密着しない。その結果、電池セル１の間の隙間は、空気が通る通気部３２となる。

隣接する電池セル１は、バスバー３１によって、空気極端子１５ｃと亜鉛極端子１３ａとが接続されており、両端の電池セル１から延伸されたバスバー３１の端部が、外部に接続するためのバスバー空気極端部３１ａとバスバー亜鉛極端部３１ｂとされている。

図４Ａは、電池モジュールを収納するケースの上面図であって、図４Ｂは、電池モジュールを収納するケースの側面図である。図４Ｃは、ケースの図４Ｂとは異なる側面を示す側面図である。

図３に示す電池モジュールは、ケース３の内部に収納されている。ケース３は、略立方体状とされており、本実施の形態では、一辺の長さが３０ｃｍとされている。ケース３の上面には、空気極接続部３３ａ、亜鉛極接続部３３ｂ、上面通気口３４が設けられている。空気極接続部３３ａは、バスバー空気極端部３１ａに接続されており、亜鉛極接続部３３ｂは、バスバー亜鉛極端部３１ｂに接続されている。上面通気口３４は、内部まで開口しており、ケース３の内部へ空気を取り入れる。ケース３のそれぞれの側面には、側面通気口３５が設けられ、１つの側面に取付板金３６が固定されている。側面通気口３５は、内部まで開口しており、側面通気口３５を介して空気が出入りする。取付板金３６は、後述する飛行体４（図６参照）にケース３を固定する際に用いられ、ビス等を用いて固定すればよい。

図５Ａは、本発明の第１実施形態に係る飛行体の上面図であって、図５Ｂは、本発明の第１実施形態に係る飛行体の側面図である。

本発明の第１実施形態に係る飛行体４は、旋回翼４３（プロペラ）が４枚搭載されたマルチコプターとされている。飛行体４は、上面視において、中央に本体４１が設けられ、本体４１から四方（図５Ａでは、本体４１を中心にした上下左右方向）へそれぞれアーム部４２が延伸されており、アーム部４２の先端にそれぞれ駆動部４４（モータ）、旋回翼４３、およびケース３が設けられている。なお、以下では説明のため、アーム部４２の１つが延伸された方向を水平方向Ｘと呼び、水平方向Ｘに対して垂直な上下方向を垂直方向Ｚと呼ぶことがある。次に、アーム部４２の先端を拡大した図面に基づいて、詳細な説明をする。

図６は、アーム部の先端を拡大して示す拡大側面図であって、図７は、アーム部の先端を拡大して示す拡大上面図である。

旋回翼４３は、アーム部４２を介して本体４１に支持され、駆動部４４の回転軸４３ａに取り付けられており、回転軸４３ａを中心として旋回することで下方へ向かう旋回風ＳＦを発生させ、揚力を得る。図７に示すように、旋回翼４３が旋回した際の先端の軌跡を旋回円ＳＥとしたとき、旋回円ＳＥの直径は、１９５ｃｍとされている。

ケース３は、アーム部４２の先端から水平方向Ｘで僅かに突出した位置に固定されており、旋回翼４３の下方に配置されている。つまり、ケース３は、旋回翼４３に対して、旋回風の下流側に配置されている。そして、ケース３は、上面視において、旋回円ＳＥの内部に配置されている。ケース３に収納されている電池モジュール（電池セル１）は、旋回翼４３へ電力を供給する電源として機能する。旋回風ＳＦは、上面通気口３４や通気部３２などを通って、電池セル１に供給される。ケース３の空気極接続部３３ａおよび亜鉛極接続部３３ｂには、図示しないハーネスが取り付けられており、それらを介して４つの電池モジュールが直列接続されている。それによって得られる駆動電圧は、約１２Ｖとなる。

通常、自然対流のみで電池モジュールを駆動させた場合、内部の酸素濃度が徐々に低下するため、電圧が減少し、駆動部４４の駆動が困難になる。しかしながら、電池セル１を旋回翼４３の下流側に配置することで、旋回風ＳＦを効率よく取り込み、電池セル１を安定して動作させることができる。

上面視において、旋回円ＳＥは、面積が約３００００ｃｍ²であって、ケース３の面積が９００ｃｍ²であり、ケース３より面積が大きいので、ケース３によって旋回風ＳＦの流れを遮ることを防止できる。

また、本体４１には、旋回翼４３の動作を制御する制御部（ＣＰＵ）と、高度を検知する高度検知センサとが搭載されている。高度検知センサとしては、超音波センサやＧＰＳなどを用いればよい。制御部は、高度検知センサの検知結果に基づいて、飛行する高度が予め設定された規定高度を超えないように規制する。飛行体４の高度が上昇し、標高が高くなると酸素濃度が低下し、金属空気電池の動作が不安定になるため、飛行する高度を規制することで、飛行体４の安定した動作を維持することができる。通常、標高５０００ｍまでは、１００ｍにつき０．８〜１．２％ずつ酸素濃度が減少していく。本実施の形態では、酸素濃度が地上の約９０％となる１０００ｍを最大飛行高度（規定高度）に設定している。

本実施の形態では、ケース３を複数の旋回翼４３のそれぞれに応じて設けることで、ケース３を均等に配置し、飛行体４のバランスを容易に保つことができる。なお、旋回翼４３およびケース３の数は、適宜変更することができ、それぞれが本体４１から均等な位置となるように配置されていればよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る飛行体４について、図面を参照して説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様の電池セル１、電池モジュール、およびケース３を用いており、これらの図面と説明を省略する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大上面図であって、図９は、本発明の第２実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大側面図である。なお、第１実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態では、第１実施形態に対して、ケース３の位置が異なっている。具体的に、ケース３は、アーム部４２の先端よりも水平方向Ｘで本体４１寄りの位置に固定されており、アーム部４２の下方に位置している。アーム部４２のうち、ケース３の直上には、上面から下面まで貫通するアーム開口部４２ａが設けられている。旋回翼４３の旋回によって発生した旋回風ＳＦは、アーム開口部４２ａを通って、ケース３の内部に供給される。なお、取付板金３６は、ケース３の向きに応じて、アーム部４２と固定する位置を適宜変更すればよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る飛行体４について、図面を参照して説明する。なお、第３実施形態では、第１実施形態および第２実施形態と同様の電池セル１、電池モジュール、およびケース３を用いており、これらの図面と説明を省略する。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る飛行体のアーム部の先端を拡大して示す拡大側面図である。なお、第１実施形態および第２実施形態と機能が実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態は、第２実施形態に対して、ケース３の上方に送風ダクト５が設けられている点で異なる。具体的に、ケース３とアーム部４２との間には、送風ダクト５が配置されている。第３実施形態では、アーム部４２にアーム開口部４２ａを設ける必要はない。ケース３の空気極接続部３３ａおよび亜鉛極接続部３３ｂは、アーム部４２（本体４１）に繋がる配線３７が接続されている。

図１１Ａは、送風ダクトの外観側面図であって、図１１Ｂは、送風ダクトの外観下面図であって、図１１Ｃは、図１１Ｂの矢符Ｂ−Ｂでの断面図である。

送風ダクト５は、取付部５１とダクト部５２とで構成されている。取付部５１は、ケース３の上面に固定される部分であって、下面にダクト排出口５１ａが形成されている。ダクト排出口５１ａは、ケース３に固定した際、ケース３の上面通気口３４と一致するように形成されている。ダクト部５２は、取付部５１から延伸され、先端には上方に向かって開口したダクト流入口５２ａ（開口部の一例）が形成されている。図１１Ｃに示すように、送風ダクト５は、内部が空洞とされ、ダクト流入口５２ａからダクト排出口５１ａまでが繋がっている。すなわち、ダクト流入口５２ａから送風ダクト５へ入った空気は、ダクト排出口５１ａから外部へ排出される。

図１０に示すように、ケース３は、アーム部４２および送風ダクト５によって、上面が遮られているが、送風ダクト５からは、アーム部４２に遮られない位置まで、ダクト部５２が延ばされている。この際、ダクト流入口５２ａは、旋回翼４３に対して、旋回風ＳＦの下流側に配置されている。このように、送風ダクト５を設けることで、旋回風ＳＦを効率よく取り込み、電池セル１を安定して動作させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る飛行体４について、図面を参照して説明する。なお、第４実施形態では、第１実施形態ないし第３実施形態と同様の電池セル１、電池モジュール、およびケース３を用いており、これらの図面と説明を省略する。

図１２Ａは、本発明の第４実施形態に係る飛行体の下面図であって、図１２Ｂは、本発明の第４実施形態に係る飛行体の側面図である。

第４実施形態では、第３実施形態に対して、ケース３の数が異なる構成とされている。具体的に、第４実施形態は、ケース３を１つ備える構成とされ、本体４１の下方にケース３が取り付けられている。ケース３の上面には、送風ダクト５が取り付けられており、送風ダクト５から四方（図１２Ａでは、本体４１を中心にした上下左右方向）へ、ダクト部５２が延ばされ、先端のダクト流入口５２ａは、４つの旋回翼４３のそれぞれの下方に配置されている。ケース３の数を減らした場合には、ケース３を大きくし電池セル１の数を増やしてもよく、それによって、飛行体４に必要な電力を確保すればよい。また、本実施の形態では、上面視において、飛行体４（本体４１）の重心と一致する位置にケース３が設けられているので、飛行体４のバランスを容易に保つことができる。

なお、今回開示した実施の形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１ 電池セル（電源の一例）
３ ケース
４ 飛行体
５ 送風ダクト
４１ 本体
４２ アーム部
４３ 旋回翼
４４ 駆動部
ＳＥ 旋回円
ＳＦ 旋回風

Claims (7)

1. 揚力を発生させて飛行する飛行体であって、
   本体と、
   前記本体に支持され、旋回して旋回風を発生させる旋回翼と、
   前記旋回翼の動作を制御する制御部と、
   前記旋回翼へ電力を供給する電源とを備え、
   前記電源は、内部に取り入れた空気によって電力を発生させる金属空気電池であり、前記旋回翼に対して、前記旋回風の下流側に配置されていること
   を特徴とする飛行体。
2. 請求項１に記載の飛行体であって、
   前記旋回風の上流側から見て、前記旋回翼が旋回した軌跡である旋回円の面積は、前記電源の断面積より大きく、
   前記電源は、前記旋回風の上流側から見た状態において、前記旋回円の内部に配置されていること
   を特徴とする飛行体。
3. 揚力を発生させて飛行する飛行体であって、
   本体と、
   前記本体に支持され、旋回して旋回風を発生させる旋回翼と、
   前記旋回翼の動作を制御する制御部と、
   前記旋回翼へ電力を供給する電源とを備え、
   前記電源は、内部に取り入れた空気によって電力を発生させる金属空気電池であり、内部へ空気を供給する送風ダクトが設けられ、
   前記送風ダクトは、前記旋回翼に対して、前記旋回風の下流側に配置された開口部を有していること
   を特徴とする飛行体。
4. 請求項３に記載の飛行体であって、
   前記旋回風の上流側から見て、前記旋回翼が旋回した軌跡である旋回円の面積は、前記開口部の面積より大きく、
   前記開口部は、前記旋回風の上流側から見た状態において、前記旋回円の内部に含まれていること
   を特徴とする飛行体。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の飛行体であって、
   高度を検知する高度検知センサを備え、
   前記制御部は、前記高度検知センサの検知結果に基づいて、飛行する高度が予め設定された規定高度を超えないように規制すること
   を特徴とする飛行体。
6. 請求項３または請求項４に記載の飛行体であって、
   前記電源は、上面視において、前記本体の重心と一致する位置に設けられていること
   を特徴とする飛行体。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の飛行体であって、
   前記旋回翼は、複数設けられ、
   前記電源は、複数の旋回翼のそれぞれに対応して設けられていること
   を特徴とする飛行体。

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