JP2021181279A - シュラウド型消音装置及びそれを備えたマルチコプタ - Google Patents

Abstract

【課題】動力を使わずに簡単な構成で実現でき、マルチコプタの回転翼の回転により生じる騒音を低減するシュラウド型消音装置を提供すること。【解決手段】シュラウド型消音装置１２０は、マルチコプタ１００の回転翼１３３を囲む円筒状のシュラウド１２１と、シュラウド１２１の内側面に設けられ、回転翼１３３の先端部１３３ａと回転軸方向において一部が重なる環状のコアンダサーフィス１５１とを備える。回転翼１３３の先端部１３３ａで発生する渦流（乱流）を、コアンダサーフィス１５１のコアンダ効果を利用して層流化するとともに、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄ自体をシュラウド１２１で囲うことにより、飛行中のマルチコプタ１００の騒音を効率良く低減する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転翼が回転することにより生じる騒音を低減するよう構成されたシュラウド型消音装置及びそれを備えたマルチコプタに関する。

ドローンと称されるＵＡＶ（unmanned aerial vehicle;マルチコプタ）の利用が進んでいる。例えば物流等の分野では、ＣＯ_２削減、渋滞緩和等の手段としてのマルチコプタの活躍が期待されている。実際に市場に投入に際には、各種の対策技術が必要となる。対策が求められている技術課題のひとつに回転翼の回転に伴って生じる騒音がある。

マルチコプタの回転翼の回転に伴って生じる騒音対策に関するものとして、特許文献１に示されている騒音低減装置が知られている。この騒音低減装置は、回転翼の周囲に複数のスピーカとマイクロフォンとを配置し、マイク信号と回転速度と騒音位相とに基づいて、マイクロフォンの位置の音響パワーを低減する制御音を発生するための制御信号を生成し、生成した制御信号に基づき、騒音と同振幅且つ逆位相の制御音をスピーカから出力するようにしたものである。

特開２０１９−０５３１９７号公報

上述した特許文献１の騒音低減装置では、生成した制御信号に基づき、騒音と同振幅且つ逆位相の制御音をスピーカから出力するようにしているので、回転翼の回転速度等に応じて翼端での騒音に対する消音効果が期待できるものと考えられる。

ところで、このような騒音低減装置を、上述したマルチコプタに適用しようとすると、回転翼の周囲に複数のスピーカとマイクロフォンとを配置することになる。しかも、マルチコプタは複数の回転翼を有しているため、それぞれの回転翼の周囲に複数のスピーカとマイクロフォンとを配置すると、大幅な部品点数の増加を招いてしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、動力を使わず簡単な構成で回転翼の回転により生じる騒音を低減するシュラウド型消音装置及びそれを備えたマルチコプタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、マルチコプタの回転翼の外側を囲んで配置されるに適した円筒状のシュラウドを有するシュラウド型消音装置であって、前記シュラウドの内側面の円周方向に沿う環状面部であって、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部に一部が重なる環状面部が、前記シュラウドの前記内側面に形成されている、シュラウド型消音装置である。

シュラウド型消音装置は、前記環状面部が、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部の位置よりも高圧側に設けられていることが好ましい。

また、シュラウド型消音装置は、前記環状面部が、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部の両側に設けられているものでもよい。

また、シュラウド型消音装置は、前記環状面部が、前記シュラウドの内側面と前記回転翼の先端部との間の空気の流れを制御することにより、当該回転翼が回転することにより生じる音を消音させることが好ましい。

また、本発明は、回転翼と、当該回転翼の外側を囲んで配置された円筒状のシュラウドとを備えるマルチコプタであって、前記シュラウドの内側面の円周方向に沿う環状面部であって、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部に一部が重なる環状面部が、前記シュラウドの前記内側面に設けられている、マルチコプタである。

本発明によれば、動力を使わず簡単な構成で実現でき、マルチコプタの回転翼の回転により生じる騒音を低減することができる。

マルチコプタの外観斜視図である。 第１の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。 第２の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。 第３の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。 第４の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。 第５の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。 第６の実施形態によるシュラウド型消音装置の一部垂直断面である。

先ず、マルチコプタ１００の基本的な構成を説明する。図１は、一実施形態によるマルチコプタ１００の外観斜視図である。マルチコプタ１００は、本体１１と、上昇用の４つのロータユニット１２Ａ〜１２Ｄとを備えている。それぞれのロータユニット１２Ａ〜１２Ｄは、例えばサーボモータである回転モータ１３１と、回転モータ１３１の回転シャフトに固定された回転翼１３３とを備えている。そして、各回転モータ１３１が本体１１から延びるアーム１５の先端部に連結され、これにより、本体１１の右前方、左前方、右後方及び左後方にロータユニット１２Ａ〜１２Ｄが配置されている。

ここで、隣接するロータユニット１２Ａ，１２Ｂの回転翼１３３，１３３は、互いに逆方向に回転して揚力得る。同じく隣接するロータユニット１２Ｃ，１２Ｄの回転翼１３３，１３３も、互いに逆方向に回転して揚力を得る。ただし、本体１１の重心に対し対称の位置関係にある例えばロータユニット１２Ａ，１２Ｄの回転翼１３３，１３３は、同じ方向に回転して揚力を得る。

本実施形態では、例えばロータユニット１２Ａ，１２Ｄの回転翼１３３，１３３が時計回り方向（ＣＷ；clockwise）に回転し、ロータユニット１２Ｂ，１２Ｃの回転翼１３３，１３３が反時計回り方向（ＣＣＷ；counterclockwise）に回転するように駆動される。なお、ここでの説明では、時計回り方向（ＣＷ）への回転を正転とし、反時計回り方向（ＣＣＷ）への回転を逆転としている。また、本実施形態では、４つのロータユニット（回転翼）を備えるドローンを例に説明するが、例えば回転翼が６つ以上あるドローンを本発明に適用してもよい。

マルチコプタ１００の本体１１内には制御ユニット１６が設けられている。マルチコプタ１００においては、この制御ユニット１６による回転翼１３３の回転数制御により、上昇、下降は勿論のこと、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸のそれぞれの軸周りでの姿勢が補正される。

上述したように、ロータユニット１２Ａ，１２Ｄの回転翼１３３，１３３が正転し、ロータユニット１２Ｂ，１２Ｃの回転翼１３３，１３３が逆転するように駆動される。このように、隣り合う回転翼１３３，１３３同士が逆方向に回転することで、回転モーメントによる作用、反作用が打ち消され、マルチコプタ１００の姿勢を安定させることができる。また、全ての回転翼１３３，１３３，・・・が同時に回転することで、ジャイロ効果により、上昇姿勢なども安定する。

マルチコプタ１００が上昇制御を行う場合、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの全ての回転翼１３３，１３３，・・・の回転数が予め決められた値（例えばプログラムの指令値）となるように制御される。このとき、本体１１にはロータユニット１２Ａ〜１２による揚力が発生し、その揚力が機体の重力を超えると、マルチコプタ１００が上昇する。揚力と機体の重力とをバランスさせることで、ホバリング制御を行うことができる。

次に、マルチコプタ１００を前進させる場合には、後方側のロータユニット１２Ｃ，１２Ｄの回転数が、前方側のロータユニット１２Ａ，１２Ｂの回転数より高くなるように制御される。これにより、機体が前方に傾き、マルチコプタ１００を前進させることができる。同様の原理により、マルチコプタ１００を後進及び左右に水平移動させることができる。

また、マルチコプタ１００の向きを変える場合、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの回転翼１３３，１３３，・・・の回転数が変えられる。例えば、正転するロータユニット１２Ａ，１２Ｄの回転数が、逆転するロータユニット１２Ｃ，１２Ｂの回転数より高くなるように制御すると、反動によりマルチコプタ１００を左に旋回させることができ、逆にロータユニット１２Ｃ，１２Ｂの回転数が、ロータユニット１２Ａ，１２Ｄの回転数より高くなるように制御すると、マルチコプタ１００を右に旋回させることができる。

次に、マルチコプタ１００の各ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄに設けられるシュラウド型消音装置１２０の好適な実施形態をいくつか例示して説明する。以下説明する何れの実施形態においても、シュラウド型消音装置１２０に備えられる円筒状のシュラウド１２１は、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄを支持するアーム１５にそれぞれ固定されている。また、シュラウド１２１の内側面（「内周面」ともいう。）１２１ａには、その円周方向に沿って環状面部としてのコアンダサーフィス１５１〜１５６が設けられている。そして、そのコアンダサーフィス１５１〜１５６は、回転翼１３３の回転軸方向（「アキシャル方向」ともいう、図では垂直方向）において、当該回転翼１３３の先端部に対し、当該コアンダサーフィスの一部が重なるように、シュラウド１２１の中心に向けて突出して形成されている。

（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。同図において、コアンダサーフィス１５１は、回転翼１３３の先端部１３３ａよりも高圧側（図では下側）に設けられている。また、コアンダサーフィス１５１は、シュラウド１２１を垂直方向に切断した場合での断面が直線形状を有している。

ここで、シュラウド１２１内で回転翼１３３の下方を高圧側とし、回転翼１３３の上方を低圧側として記載している理由は、次の通りである。すなわち、マルチコプタ１００が例えば上昇するとき、回転翼１３３の回転により、空気がシュラウド１２１の上方からシュラウド１２１の内部に吸い込まれる。また、シュラウド１２１の内部に吸い込まれた空気は、シュラウド１２１の下方から押し出される。このとき、シュラウド１２１の上方の空気の気圧が下がり、シュラウド１２１の下方の気圧が高くなる。このことを理由に、以下の図においては、回転翼１３３の下方を高圧側とし、回転翼１３３の上方を低圧側としている。

回転翼１３３の先端部１３３ａと、シュラウド１２１の内周面１２１ａとの間のラジアル方向（図では水平方向）のクリアランスは例えば３ｍｍに設定されている。また、回転翼１３３の先端部１３３ａと、コアンダサーフィス１５１とが重なるアキシャル方向（図では上下方向）のクリアランスは例えば３ｍｍに設定されている。ただし、これらのクリアランスは、３ｍｍに限定されるものではない。例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で調整してもよい。クリアランスの調整に際しては、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄの揚力効率と消音効率とのバランスが考慮される。

マルチコプタ１００に揚力を発生させるために回転翼１３３が回転すると、シュラウド１２１の上方から下方への空気の流れ（噴流）が形成される。そのとき、回転翼１３３の先端部１３３ａには、上下の気圧差と回転翼１３３による空気のせん断により、空気の渦（以下「渦流」という。）が生じる。この空気の渦流が、マルチコプタ１００が飛行中（ホバリングを含む）に生じる騒音のひとつの要因とされている。

本実施形態のシュラウド型消音装置１２０では、シュラウド１２１及びコアンダサーフィス１５１によるコアンダ効果を利用して、回転翼１３３の先端部１３３ａで、シュラウド１２１内の高圧側から低圧側（図では下から上）に流れる空気を効率良く制御することで、回転翼１３３が回転することにより生じる騒音を消音させている。

具体的には、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダサーフィス１５１の下面に突き当り中心側に戻され、回転翼１３３の噴流に加えられる。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５１との間の空気の流れＦ２は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５１の上面に引き寄せられて渦流が層流化されるとともに、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５１との間の狭いクリアランスによって流量が制限される。

また、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄ自体、シュラウド１２１によって囲われているため、回転モータ１３１の回転音や、回転翼１３３の風切り音等の騒音についても抑制することができる。

（第２の実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。同図において、環状のコアンダサーフィス１５２は、回転翼１３３の先端部１３３ａよりも高圧側（図では下側）に設けられている。また、コアンダサーフィス１５２は、略水平から、シュラウド１２１の中心に向かうに従って次第に下方（高圧側）に湾曲する形状を有している。

この第２の実施形態によれば、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５２の下面に引き寄せられ、中心側の噴流に効率良く戻される。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５２との間の空気の流れＦ２は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５２の上面に引き寄せられて渦流が層流化されるとともに、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５２との間の狭いクリアランスによって流量が制限される。

（第３の実施形態）
図４に、本発明の第３の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。同図において、環状のコアンダサーフィス１５３は、回転翼１３３の先端部１３３ａよりも高圧側（図では下側）に設けられている。また、コアンダサーフィス１５３は、所定の上向き角度から、シュラウド１２１の中心に向かうに従って次第に略水平になるよう湾曲する形状を有している。

この第３の実施形態によれば、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５３の下面に引き寄せられ、中心側に効率良く戻される。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５３との間の空気の流れＦ２は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５３の上面に引き寄せられて渦流が層流化されるとともに、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５３との間の狭いクリアランスによって流量が制限される。

（第４の実施形態）
図５に、本発明の第４の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。本実施形態によるシュラウド型消音装置１２０は、それぞれ環状のコアンダサーフィス１５４Ｕ，１５４Ｌが、回転翼１３３の回転軸方向において、当該回転翼１３３の先端部１３３ａの高圧側及び低圧側（図では上下）に設けられている。また、双方のコアンダサーフィス１５４Ｕ，１５４Ｌは、シュラウド１２１を垂直方向に切断した場合での断面が直線形状を有している。

この第４の実施形態によれば、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダサーフィス１５４Ｌの下面に突き当り中心側に戻され噴流に加えられる。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５４Ｌとの間の空気の流れＦ２は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５４Ｌの上面に引き寄せられて渦流が層流化され、そして、コアンダサーフィス１５４Ｕの下面に沿って中心側に戻される。また、空気の流れＦ２は、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５４Ｕ，１５４Ｌとの間の狭いクリアランスによって流量が制限される。更に、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って下降する空気の流れＦ３は、コアンダサーフィス１５４Ｕの上面に突き当り中心側の噴流に加えられる。

（第５の実施形態）
図６に、本発明の第５の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。本実施形態によるシュラウド型消音装置１２０は、それぞれ環状のコアンダサーフィス１５５Ｕ，１５５Ｌが、回転翼１３３の回転軸方向において、当該回転翼１３３の先端部１３３ａの高圧側及び低圧側（図では上下）に設けられている。双方のコアンダサーフィス１５５Ｕ，１５５Ｌは、略水平から、シュラウド１２１の中心に向かうに従って次第に下方（高圧側）に湾曲する形状を有している。

この第５の実施形態によれば、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５５Ｌの下面に引き寄せられ、中心側の噴流に効率良く戻される。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５５Ｌとの間の空気の流れＦ２は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５５Ｌの上面に引き寄せられて渦流が層流化され、そして、コアンダサーフィス１５５Ｕの下面に沿って中心側に戻される。また、空気の流れＦ２は、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５５Ｕ，１５５Ｌとの間の狭いクリアランスによって流量が制限される。更に、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って下降する空気の流れＦ３は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５５Ｕの上面に沿って流れ噴流に加えられる。

（第６の実施形態）
図７に、本発明の第６の実施形態によるシュラウド型消音装置１２０の一部の垂直断面を示す。本実施形態によるシュラウド型消音装置１２０は、それぞれ環状のコアンダサーフィス１５６Ｕ，１５６Ｌが、回転翼１３３の回転軸方向において、当該回転翼１３３の先端部１３３ａの高圧側及び低圧側（図では上下）に設けられている。

低圧側（図では上側）のコアンダサーフィス１５６Ｕは、所定の下向き角度から、シュラウド１２１の中心に向かうに従って次第に略水平になるよう湾曲する形状を有している。高圧側（図では下側）のコアンダサーフィス１５６Ｌは、所定の上向き角度から、シュラウド１２１の中心に向かうに従って次第に略水平になるよう湾曲する形状を有している。

この第６の実施形態によれば、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って上昇する高圧空気の流れＦ１は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５６Ｌの下面に沿って流れ、中心側の噴流に効率良く戻される。また、回転翼１３３とコアンダサーフィス１５６Ｕ，１５６Ｌとの間の空気の流れＦ２は、狭いクリアランスによって流量が制限される。更に、シュラウド１２１の内側面１２１ａに沿って下降する空気の流れＦ３は、コアンダ効果によりコアンダサーフィス１５６Ｕの上面に沿って流れ噴流に加えられる。

以上説明した実施形態のシュラウド型消音装置１２０によれば、マルチコプタ１００の回転翼１３３の先端部１３３ａで発生する渦流（乱流）を、コアンダ効果を利用して層流化するとともに、ロータユニット１２Ａ〜１２Ｄ自体をシュラウド１２１で囲うことにより、回転モータ１３１の回転音や、回転翼１３３の風切り音等の騒音を低減することができる。したがって、動力を使わずに簡単な構成で、飛行中のマルチコプタ１００の騒音を低減することができる。また、回転翼１３３の渦流（乱流）が抑制され、なお且つ、シュラウド１２１内の空気の一部を中心側の噴流に戻すことができるので、飛行エネルギー効率も向上させることができる。

１００ マルチコプタ
１２０ シュラウド型消音装置
１２１ シュラウド
１２１a 内側面
１５１〜１５６ コアンダサーフィス（環状面部）
１３１ 回転モータ
１３３ 回転翼
１３３ａ 先端部

Claims (5)

1. マルチコプタの回転翼の外側を囲んで配置されるに適した円筒状のシュラウドを有するシュラウド型消音装置であって、
   前記シュラウドの内側面の円周方向に沿う環状面部であって、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部に一部が重なる環状面部が、前記シュラウドの前記内側面に形成されている、シュラウド型消音装置。
2. 前記環状面部が、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部の位置よりも高圧側に設けられている、請求項１に記載のシュラウド型消音装置。
3. 前記環状面部が、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部の両側に設けられている、請求項１に記載のシュラウド型消音装置。
4. 前記環状面部が、前記シュラウドの内側面と前記回転翼の先端部との間の空気の流れを制御することにより、当該回転翼が回転することにより生じる音を消音させる、請求項１〜３の何れか１項に記載のシュラウド型消音装置。
5. 回転翼と、当該回転翼の外側を囲んで配置された円筒状のシュラウドとを備えるマルチコプタであって、
   前記シュラウドの内側面の円周方向に沿う環状面部であって、前記回転翼の回転軸方向において、当該回転翼の先端部に一部が重なる環状面部が、前記シュラウドの前記内側面に設けられている、マルチコプタ。
   
   

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