JP2021178622A - マルチコプター - Google Patents

Abstract

【課題】航続距離が長いマルチコプターを開発することを課題とするものである。【解決手段】本体部３と、モータ２０によって回転し揚力を発生させる回転翼２を有し、本体部３に回転翼２が複数取り付けられたマルチコプター１において、エンジン１６によって駆動する発電機１１と、燃料タンク１７を有し、前記本体部３には環状の支持フレーム部１０があり、前記支持フレーム部１０の環状部分に囲まれた領域に、燃料タンク１７が配されていることを特徴とするマルチコプター。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に「ドローン」と称されるマルチコプターに関するものである。

複数の回転翼（プロペラ）を有し、垂直離着陸するマルチコプターが知られている。マルチコプターは、当初、玩具として販売されたが、次第に高機能化し、航空写真の撮影や、物資の運搬等の業務用にも使用されつつある。また有人飛行が可能なマルチコプターも開発されている。

特開２０１８−１２９７１３号公報

マルチコプターの回転翼は、モータで駆動される。そのためマルチコプターには、モータを駆動するための蓄電池が搭載されている。従来技術のマルチコプターは、蓄電池にためられた電気によってモータが回転され、飛行する。従って、マルチコプターの航続距離は、蓄電池の容量に依存する。
近年、蓄電池の性能は飛躍的に向上した。しかしながら、市場においては、より航続距離が長い、マルチコプターの開発が望まれている。

本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、航続距離が長いマルチコプターを開発することを課題とするものである。

上記した課題を解決するための態様は、本体部と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有し、前記本体部に前記回転翼が複数取り付けられたマルチコプターにおいて、エンジンによって駆動する発電機と、燃料タンクを有し、前記本体部には環状の支持フレーム部があり、前記支持フレーム部の環状部分に囲まれた領域に、前記燃料タンクが配されており、前記燃料タンクから前記エンジンに燃料が供給されることを特徴とするマルチコプターである。

本態様のマルチコプターは、発電機を有しており、発電機によって発生させた電気をモータに供給することができる。そのため本態様のマルチコプターは、航続距離が長い。
また本態様のマルチコプターは、環状の支持フレーム部があり、当該支持フレーム部の環状部分に囲まれた領域に、燃料タンクが配されている。
そのため、燃料タンクは、支持フレーム部によって周囲が囲まれて保護されており、マルチコプターが墜落したり、何かに衝突した際に、燃料タンクが破損することが防がれる。

上記した態様において、前記燃料タンクは環状または略環状であり、前記燃料タンクが前記支持フレーム部の環状部分の内側に沿って配置されていることが望ましい。

本態様によると、支持フレーム部の環状部分内の空間を有効に使用することができる。

上記した各態様において、前記エンジンが前記燃料タンクで囲まれた領域に配置されていることが望ましい。

本態様によると、支持フレーム部の環状部分内の空間を有効に使用することができる。

本発明のマルチコプターは、発電機を搭載しており、航続距離が長い。

本発明の実施形態のマルチコプターの斜視図である。 図１のマルチコプターの分解斜視図である。 図１のマルチコプターの回転翼と支持フレーム部との位置関係をモデル化した説明図である。 （ａ）は図１のマルチコプターの回転翼列の上昇時及びホバリング時における正面図であり、（ｂ）は図１のマルチコプターを前進させる際における回転翼列の側面図であり、（ｃ）は図１のマルチコプターを回転させる際における回転翼列の正面図である。 （ａ）（ｂ）は、マルチコプターのリブ部の詳細図である。 図１のマルチコプターを前進させる際における支持フレーム部近傍の空気の流れを示す説明図である。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。最初に、本実施形態のマルチコプター１の特徴部分を説明する。
本実施形態のマルチコプター１は、公知のそれと同様に、回転翼２を有し、当該回転翼２は、モータ２０によって回転する。
マルチコプター１は、公知のそれと同様に、制御装置２５（図２）と蓄電池２６を有し、当該蓄電池２６から制御装置２５及びモータ２０に給電される。
本実施形態のマルチコプター１には、発電機１１と、エンジン１６と、燃料タンク１７が搭載されている。発電機１１は、エンジン１６と一体化されており、エンジン１６を駆動することによって電気を発生させることができる。エンジン１６は、燃料タンク１７から燃料が供給されて回転する。
発電機１１は、蓄電池２６に接続されており、飛行中に発電機１１で発電し、直接、または蓄電池２６を介してモータ２０に給電される。
そのため、本実施形態のマルチコプター１は、航続距離が長い。

また本実施形態のマルチコプター１は、本体部３に環状の支持フレーム部１０がある。そして当該支持フレーム部１０の環状部分で囲まれた空間に、エンジン１６と発電機１１及び燃料タンク１７が配されている。
以下、これらについて説明する。
支持フレーム部１０は、浮き輪やドーナツの様な環状構造であり、中心部が大きく開口している。支持フレーム部１０は、上下方向に貫通しており、上下方向に通気性を有する。
支持フレーム部１０の中央部には、支持フレーム部１０の内壁で囲まれたフレーム側設置空間２７がある。フレーム側設置空間２７の平面形状は円形である。支持フレーム部１０の外郭形状についても円形である。

燃料タンク１７についても、概ね浮き輪やドーナツの様な環状構造であり、中心部が大きく開口している。そのため燃料タンク１７にも、中央部にタンク側設置空間２８がある。燃料タンク１７の外形形状は、円形である。燃料タンク１７の外径は、支持フレーム部１０の内径よりもわずかに小さい。中央のタンク側設置空間２８は、図２の様に長方形である。
燃料タンク１７についても、上下方向に貫通しており、上下方向に通気性を有する。

燃料タンク１７は、図２の様に、弦型の主貯留部３７が対向して配され、二つの主貯留部３７の間が比較的薄い連結部３５によって連結された形状となっている。
燃料タンク１７内には仕切は無く、内部は一つの燃料貯留空間となっている。
燃料タンク１７には、燃料供給口４０があり、当該燃料供給口４０には常時蓋４１がなされている。
燃料タンク１７には、燃料ホース４３が接続されている。
燃料タンク１７の上辺部であって、その周部には、取り付けリブ４５が４か所設けられている。
当該取り付けリブ４５には、ネジ挿通用の孔４６が形成されている。

エンジン１６は、二気筒の水平対向エンジンである。またエンジン１６は、水冷の２ストロークエンジンである。
エンジン１６には、インジェクター５０と、吸気フィルター５１と、マフラー５２が取り付けられている。本実施形態では、各シリンダー５５にマフラー５２が取り付けられている。
エンジン１６の出力軸には、発電機１１が直接的に接続されている。
本実施形態のマルチコプター１では、エンジン１６及びその付属品と、発電機１１が一体化されて一つの発電ユニット５７を構成している。
本実施形態では、エンジン１６の付属品は、インジェクター５０、吸気フィルター５１、及びマフラー５２である。
また実施形態のマルチコプター１は、ラジエター５８を備えている。

次に、前記した各部材のレイアウトについて説明する。
本実施形態のマルチコプター１では、支持フレーム部１０のフレーム側設置空間２７内に、燃料タンク１７と発電ユニット５７が配置されている。
即ちフレーム側設置空間２７の内周に、燃料タンク１７の外周が嵌り込んでいる。燃料タンク１７は、取り付けリブ４５が支持フレーム部１０の上面と接し、図示しないネジが挿通されて支持フレーム部１０に固定されている。
このように、本実施形態では、燃料タンク１７は円形かつ環状であり、支持フレーム部１０の環状部分の内側に沿って配置されている。

また燃料タンク１７のタンク側設置空間２８内に、発電ユニット５７が配置されている。
発電ユニット５７の配置方向は、図１の通りであり、シリンダー５５がタンク側設置空間２８の長手方向に沿って配され、発電機１１は、タンク側設置空間２８の短手方向に向いている。
発電ユニット５７のインジェクター５０と、燃料タンク１７の間は、燃料ホース４３等の燃料配管で接続されており、燃料タンク１７内のガソリンが、発電ユニット５７に供給される。

ラジエター５８は、支持フレーム部１０の外側に取り付けられている。ラジエター５８と、エンジン１６との間には、往き側ホース６０と戻り側ホース６１が接続されており、ラジエター５８と、エンジン１６との間で冷却水が循環する。

前記した様に、支持フレーム部１０は、浮き輪やドーナツの様な環状構造であり、中心部が大きく開口している。支持フレーム部１０は、上下方向に貫通しており、上下方向に通気性を有する。燃料タンク１７についても、上下方向に貫通しており、上下方向に通気性を有する。
そのため支持フレーム部１０内は、燃料タンク１７や発電ユニット５７等の機器が内蔵された状態において、上下方向に十分な通風面積を備えた通気流路が確保されている。即ち本実施形態では、燃料タンク１７のタンク側設置空間２８が直接的に支持フレーム部１０の上下面に開口しており、タンク側設置空間２８が上下方向の通気流路として機能する。
そして発電ユニット５７は、その通気流路（タンク側設置空間２８）内に配置されている。従って、発電ユニット５７は、上下方向が貫通していて上下方向に通気性を有する領域に配置されている。

マルチコプター１を飛行させるに際しては、燃料タンク１７に燃料が注入される。具体的には、燃料供給口４０を開いて燃料タンク１７の内部に燃料を補給する。
そしてエンジン１６を起動すると、発電機１１が回転し、発電が行われる。そして当該電力によってモータ２０が回転し、回転翼２が回転してマルチコプター１が飛ぶ。

本実施形態のマルチコプター１では、燃料タンク１７は、剛性が高い支持フレーム部１０で、略全周が囲まれている。
そのため燃料タンク１７は、剛性が高い支持フレーム部１０で保護され、墜落や衝突の衝撃を受けても耐えることができ、致命的な破損には至りにくい。そのため、衝突等の事故が発生しても、燃料の飛散が防がれ、安全性が高い。
また、本実施形態のマルチコプター１では、燃料タンク１７の外周面が、支持フレーム部１０の内周に沿って嵌り込んでいるので、無駄な空間が少ない。
さらに、燃料タンク１７の中央にあるタンク側設置空間２８に、発電ユニット５７が配置されているので、無駄な空間が少ない。

マルチコプター１を前進させる際は、やや前傾姿勢となる。そのため、図６に示すように、燃料タンク１７の通気流路（タンク側設置空間２８）に風が呼び込まれ、発電ユニット５７が通風環境下にさらされる。
そのため、発電ユニット５７が冷却される。

以下、マルチコプター１の細部について説明する。
本実施形態のマルチコプター１は、６枚の回転翼２を備えたドローンであり、無線によって遠隔操作される。マルチコプター１は、公知のそれと同様に、回転翼２を回転することによって下降気流による揚力を発生させて中空に浮き上がる。また各回転翼２の回転数を相違させることによって水平方向の成分を有する方向に移動する。即ち、各回転翼２の回転数を相違させることによって横方向に移動させたり、斜め上下方向に移動させたり、自身の姿勢を変更させるといったさまざまな動きをさせることができる。
回転翼２の数は、６枚に限定されるものではなく、３枚以上であればよい。

本実施形態のマルチコプター１は、本体部３と、６個の回転翼２を有している。
本体部３は、環状の支持フレーム部１０と、リブ部３０と、機器載置部１３と、脚部１２を有している。
支持フレーム部１０は、無端環状に成形された部分である。本実施形態では、支持フレーム部１０の平面形状は、図１、図２の様に円形である。

支持フレーム部１０の断面形状は、縦長の長方形である。支持フレーム部１０は、炭素繊維等の軽く、且つ剛性が高い素材で作られている。

リブ部３０は、環状の支持フレーム部１０から放射状に外側に向かってのびている。
マルチコプター１が墜落したり、立木や電柱等と衝突したとき、マルチコプター１のリブ部３０が、支持フレーム部１０に先立ってぶつかることとなる。その結果、リブ部３０が折れる等の事態となり、リブ部３０が損傷する。しかしその反面、支持フレーム部１０に掛かる衝撃が緩和され、支持フレーム部１０の損傷が軽減される。本実施形態のマルチコプター１では、支持フレーム部１０によって囲まれた領域に燃料タンク１７があるので、燃料タンク１７の破損が防止され、燃料の漏出や飛散が防がれ、火災の原因となるとこが少ない。

機器載置部１３は、支持フレーム部１０の下部にあり、図示しない接続部材によって支持フレーム部１０に接続されている。
機器載置部１３には、前記した制御装置２５及び蓄電池２６が配置されている。

脚部１２は、支持フレーム部１０の下に垂下する脚部材１５を有している。本実施形態では、脚部１２は４本の脚部材１５が等間隔に配置されたものである。

本実施形態のマルチコプター１では、図１の様に、環状の支持フレーム部１０に回転翼２がリブ部３０を介して取り付けられている。即ち本実施形態のマルチコプター１では、回転翼２がリブ部３０を介して間接的に支持フレーム部１０に取り付けられている。
回転翼２は、公知のそれと同様、モータ２０の出力軸に直接取り付けられている。
そして本実施形態では、図示しない取り付け部材によって、モータ２０が支持フレーム部１０から張り出されたリブ部３０の上部に固定されている。即ち６個のモータ２０は、いずれも回転軸が環状の支持フレーム部１０に対して所定の角度や姿勢となる様に、環状の支持フレーム部１０にリブ部３０を介して固定されている。

本実施形態のマルチコプター１では、隣接する回転翼２同士がリブ部３０を介して支持フレーム部１０で横つながりとなっているので、回転翼２の揚力に強弱が生じても、一部の回転翼２の位置が突出的に上下方向に変位することは少ない。
本実施形態のモータ２０が直接的に固定されているのはリブ部３０であり、当該リブ部３０は片持ち状である。
しかしながら、リブ部３０は比較的大きな環状の支持フレーム部１０から突出しているので、片持ち状の部分の長さは、比較的短い。

そのためリブ部３０の撓み等は、比較的小さい。

本実施形態のマルチコプター１は、公知のマルチコプターと同様、モータ２０を駆動して６枚の回転翼２を回転し、上昇する。また上昇した位置でホバリングする。

ここで本実施形態のマルチコプター１は、飛行中にエンジン１６によって発電機１１が駆動され、発電機１１の電気でモータ２０が駆動される。また余剰の電力は、蓄電池２６に蓄電される。本実施形態では、発電機１１が蓄電池２６に接続されており、発電機１１の発電量が不足する場合には、蓄電池２６から不足分が補われる。そのため、モータ２０の駆動や、制御装置２５の動作が安定する。
また発電量が過大である場合には、蓄電池２６に蓄電される。そのため、本実施形態のマルチコプター１は、航続距離が長い。

マルチコプター１の上昇時及びホバリング時は、図４（ａ）の矢印で示すベクトルの様に、図示されている各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが発生する揚力は同じであり、８枚の回転翼２は無負荷時（地上時）と同じ相対位置及び相対姿勢を保つ。例えば図４の例では、各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの回転軸２１は、いずれも環状の支持フレーム部１０に対して同じ高さの位置にあり、且つ支持フレーム部１０に対して垂直となる姿勢を保つことができる。

マルチコプター１を前進させる際は、図４（ｂ）の矢印で示すベクトルの様に、図示されている各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの内、後半の回転翼２ｃ、２ｄが発生する揚力が、前半の回転翼２ａ、２ｂよりも強い。その結果、マルチコプター１は、図４（ｂ）の様にやや前傾姿勢となる。しかしながら、６枚の回転翼２は、無負荷時と同じ相対位置及び相対姿勢を保ち、いずれも同一傾斜平面上に並んでいる。また各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの回転軸２１についても、環状の支持フレーム部１０に対して無負荷時と同じ相対位置及び相対姿勢を保つ。例えば図４の例に従えば、各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの回転軸２１は、いずれも環状の支持フレーム部１０に対して同じ高さの位置を保つ。

マルチコプター１を回転（回転方向に姿勢変更）させる際は、図４（ｃ）の矢印で示すベクトルの様に、図示されている各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、発生する揚力が互い違いに強弱となる様に制御されている。
しかしながらマルチコプター１は、図４（ｃ）の様に全体として水平姿勢を保つ。また８枚の回転翼２の相対位置及び相対姿勢は変化せず、回転翼２は水平の同一平面上に並ぶ。各回転翼２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの回転軸２１は、いずれも環状の支持フレーム部１０に対して垂直となる姿勢を保つ。

ここでマルチコプター１は、飛行中に各回転翼の相対位置や相対姿勢が変わらないことが重要である。
本実施形態のマルチコプター１は、前記した様に飛行中に各回転翼の相対位置や相対姿勢が変化せず、例えば全ての回転翼２の相対位置が同一平面上に並ぶ。そのため本実施形態のマルチコプター１は、図示しない姿勢制御装置等による微細なコントロールが設計通り正しく機能する。

本実施形態のマルチコプター１は、各回転翼２の上下変位や捩じれが生じにくい構造であるから、支持フレーム部１０の剛性は、従来技術に比べて低くてもよい。そのため本実施形態のマルチコプター１は、素材の量を減らしたり、単位体積当たりの重量が軽いものを使用することができ、全体の総重量を低減することができる。
そのため本実施形態のマルチコプター１は、従来技術に比べて積載重量を多くすることができる。

次に、リブ部３０の好ましい長さについて説明する。回転翼２の捩じれや撓みによる姿勢変化を防ぐという趣旨からは、リブ部３０の長さは短い方が望ましい。
その一方で、下降気流を有効に利用して回転翼２の効率を上げるという観点からは、リブ部３０の長さは長い方が良い。
即ち回転翼２が発生させる送風がマルチコプター１のいずれかの部位に当たると、回転翼２が発生させる揚力が減衰する。そのため回転翼２が発生する下降気流の範囲に、マルチコプター１の部材が無いことが望ましい。

ここで支持フレーム部１０のリブ部３０の接続部分は、「Ｔ」状であり、平面面積が大きい。
そのため、回転翼２が発生する下降気流の範囲に、支持フレーム部１０が入らない様な長さに、リブ部３０の長さを設計することが望ましい。
具体的には、図３（ａ）に示すように、回転翼２の回転軌跡３１の最遠部が支持フレーム部１０と重ならないことが望ましい。
少なくとも図３（ｂ）に示すように、回転翼２の回転軌跡３１の最遠部が支持フレーム部の内側ラインと重なる程度とし、回転翼２と支持フレーム部１０との重なりを少なくするべきである。
もちろん、回転翼２の回転軌跡３１の最遠部は、支持フレーム部１０の内側ラインよりも外側にあることが望ましい。

また以上説明した実施形態では、支持フレーム部１０の平面形状は、円形であるが、楕円形であってもよく多角形であってもよい。

支持フレーム部１０とリブ部３０は、一体的に成形されたものであってもよいが、支持フレーム部１０とリブ部３０を個別に成形し、その後で両者を接続することも推奨される。

本実施形態では、図５（ａ）（ｂ）に示す様に、リブ構成部材２３の端部に、取付け部３６が設けられている。本実施形態では、取付け部３６はフランジである。
本実施形態では、リブ構成部材２３の取付け部３６を支持フレーム部１０のリブ取付け部３３にあわせ、ネジによって両者を固定している。
リブ構成部材２３とリブ取付け部３３との結合方法は任意であり、ネジ等の一時締結要素を使用する他、接着剤等の永久締結要素によって両者を結合してもよい。

本実施形態の様に支持フレーム部１０とリブ構成部材２３（リブ部）を個別に成形し、その後で両者を接続することにより、支持フレーム部１０を共通部品として、複数のサイズのマルチコプターを製作することができる。本実施形態によると、部品の互換性が向上する。

また、本実施形態のマルチコプター１は、墜落等によって一部が破損した場合の修理が容易である。
またマルチコプター１が墜落したり、立木や電柱等と衝突したとき、リブ構成部材２３（リブ部）が緩衝体となり、支持フレーム部１０に掛かる衝撃が緩和され、支持フレーム部１０の損傷が軽減される。そのため、燃料の漏出や飛散が防がれる。

以上説明した実施形態では、燃料タンク１７は、環状構造であるが、本発明は、この構造に限定されるものではない。例えば、平面形状が、「Ｃ」状であってもよい。また複数に分割されていてもよい。

１ マルチコプター
２ 回転翼
３ 本体部
１０ 支持フレーム部
１１ 発電機
１３ 機器載置部
１６ エンジン
１７ 燃料タンク
２０ モータ
２６ 蓄電池
２７ フレーム側設置空間
２８ タンク側設置空間
３０ リブ部
３７ 主貯留部
５７ 発電ユニット

上記した課題を解決するための態様は、本体部と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有し、前記本体部に前記回転翼が複数取り付けられたマルチコプターにおいて、エンジンによって駆動する発電機と、燃料タンクを有し、前記本体部には環状の支持フレーム部があり、前記支持フレーム部の環状部分に囲まれた領域に、前記燃料タンクの全体が嵌り込んで配されており、前記燃料タンクは前記支持フレーム部によって全周が囲まれて保護されており、前記燃料タンクから前記エンジンに燃料が供給されることを特徴とするマルチコプターである。

Claims (3)

1. 本体部と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有し、前記本体部に前記回転翼が複数取り付けられたマルチコプターにおいて、
   エンジンによって駆動する発電機と、燃料タンクを有し、前記本体部には環状の支持フレーム部があり、前記支持フレーム部の環状部分に囲まれた領域に、前記燃料タンクが配されており、前記燃料タンクから前記エンジンに燃料が供給されることを特徴とするマルチコプター。
2. 前記燃料タンクは環状または略環状であり、前記燃料タンクが前記支持フレーム部の環状部分の内側に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマルチコプター。
3. 前記エンジンが前記燃料タンクで囲まれた領域に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチコプター。

Images