JP2022041061A - マルチコプター - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンによって駆動する発電機と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼するマルチコプターであって、エンジンの始動が容易なマルチコプターを開発することを課題とする。【解決手段】エンジン１３５によって駆動する発電機１１と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有するマルチコプターであって、前記エンジン１３５の回転軸１５０が概ね上下方向に向けて配置されている。【選択図】図３

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、従来技術のマルチコプターの航続距離は、蓄電池の容量に依存する。
本発明者らは、マルチコプターの航続距離を延ばす方策として、マルチコプターに発電機と当該発電機を駆動するエンジンを搭載し、飛行中に発電を行って、その電力で回転翼（プロペラ）を駆動する方式を発明した。

この方式のマルチコプターでは、飛行開始時にエンジンを始動する必要がある。
そのため、セルモーターが取り付けられたエンジンや、リコイルスターターが取り付けられたエンジンが知られている。
しかしながらセルモーターは、相当に重量がある。リコイルスターターは、セルモーターに比べると重量は軽いが、セルモーターやリコイルスターターは、始動時だけに使用するものであり。飛行中に使用することはない。
マルチコプターは、原則的に回転翼が発生させる送風のみによって浮力を発生させるものであるから、機体の軽量化が求められる。
本発明はこの問題に注目し、エンジンによって駆動する発電機と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼するマルチコプターであって、エンジンの始動が容易な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、エンジンによって駆動する発電機と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有するマルチコプターであって、前記エンジンの回転軸が概ね上下方向に向けて配置されていることを特徴とするマルチコプターである。

「概ね上下方向に向けて」とは、鉛直方向に限定されず、マルチコプターを水平姿勢に置いたとき、回転軸の延長線が、概ね上下に向けば足りる趣旨である。例えば回転軸と鉛直線とのなす角度が４５度以下の範囲である。
エンジンの形式は限定されるものではなく、例えばレシプロエンジンやロータリーエンジン、タービンエンジン、ジェットエンジン等の公知のエンジンが採用可能である。またエンジンは水冷式であっても空冷式であってよい。
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。
本態様のマルチコプターでは、エンジンの回転軸が天地方向に向けて配置されているので、外部の機器を利用してエンジンを始動させる際に、上から器具を押し当てることができ、マルチコプターが外力によって移動しにくく、始動しやすい。

上記した態様において、前記回転軸の端部又は回転軸と一体的に回転する部材を露出可能であることが望ましい。

露出可能であるとは、外部から器具等を接続可能となる状態をいい、回転軸の端部又は回転軸と一体的に回転する部材が奥まった位置に設けられていてもよい。
本態様によると、回転軸の端部又は回転軸と一体的に回転する部材を露出可能であるから、器具を接続しやすい。

上記した態様において、本体部を有し、当該本体部に前記回転翼が複数取り付けられており、前記本体部には環状であって、上下方向に通気性を有する支持フレーム部があり、当該支持フレーム部に前記エンジンと前記発電機が搭載されており、前記エンジンの下部側に前記発電機があることが望ましい。

本態様のマルチコプターは、環状であって、上下方向に通気性を有する支持フレーム部を有しており、当該支持フレーム部にエンジンと発電機がある。そのため、エンジンと発電機は、風通しの良い部位に配置され、冷却効率が高い。

上記した各態様において、本体部を有し、当該本体部に前記回転翼が複数取り付けられており、前記支持フレーム部自体の内部に中空部があり、当該中空部に燃料を貯留可能であることが望ましい。

本態様のマルチコプターは、別途の燃料タンクが不要であり、空間を有効活用することができる。そのため機器や物品を搭載する領域を増大することができる。また燃料タンクに要する重量を低減することができる。
本態様のマルチコプターは、空間を有効活用することができ、全体を小型化することができる。

本発明のマルチコプターは、エンジンの始動が容易である。

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断面図である。 図１のマルチコプターの支持フレーム部を、環状構造部と、機器支持部に分離した時の様態を示す断面図である。 図４の断面図から発電ユニットを削除した断面図である。 図１のマルチコプターの支持フレーム部の環状構造部の分解斜視図である。 図１のマルチコプターのリブ部及び回転翼部分の分解斜視図である。 図１のマルチコプターの発電ユニットの斜視図である。 発電ユニットの姿勢を説明する説明図であって、図１のマルチコプターの上部及びエンジン起動用のモータを概念的に図示するものである。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態のマルチコプター１００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。
本実施形態のマルチコプター１００には、発電機１１と、エンジン１３５が搭載されている。発電機１１は、エンジン１３５と一体化されており、エンジン１３５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１３５は、燃料タンクから燃料が供給されて回転する。
発電機１１は、蓄電池（図示せず）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１００は、航続距離が長い。

本実施形態のマルチコプター１００は、本体部１０３に環状の支持フレーム部１０５がある。そして当該支持フレーム部１０５によって囲まれた空間に、発電機１１と、エンジン１３５が配されている。

マルチコプター１００は、図３に示すように、支持フレーム部１０５自身の一部に燃料タンクとなる中空部２００が設けられたものである。即ち、支持フレーム部１０５の外壁を構成する部分の下部側であって、壁の内部に中空部２００があり、当該中空部２００が燃料タンクとなっている。
本実施形態のマルチコプター１００は、本体部１０３と、４個の回転翼２を有している。回転翼２は、モータ２０によって回転する。
本体部１０３は、図１の様に、支持フレーム部１０５と、リブ部１０６と、制御機器載置部１０７と、脚部１２を有している。

リブ部１０６は、支持フレーム部１０５とは別に成形され、後で支持フレーム部１０５に取り付けられる。リブ部１０６は、図７の様に、支持フレーム部１０５に取り付けられる固定部１６０と、アーム部１６１と、座部１６２が一体的に成型されたものである。座部１６２は、回転翼２を駆動するモータ２０を固定する部位である。座部１６２は、アーム部１６１に比べて大きく作らており、上面が平滑な取り付け面となっている。そして当該取り付け面の表面にねじを挿通するための孔１６５が設けられている。

制御機器載置部１０７は、図３の様に、ピアノ線の様な硬質の吊り下げ部材１６６によって、支持フレーム部１０５の下部に距離をあけて取り付けられている。支持フレーム部１０５と制御機器載置部１０７の間には隙間がある。制御機器載置部１０７には、通信機器や、姿勢制御装置等が搭載されている。

支持フレーム部１０５は、環状構造部１１１と、支持構造部１０２を有している。環状構造部１１１は外観形状が環状であって、中心部には図３の様に、上下に連通する空洞部１０８がある。そして当該空洞部１０８を含む領域に、発電ユニット１１０が内蔵されている。
また本実施形態では、支持フレーム部１０５自身の一部に中空部２００があり、当該中空部２００が燃料タンクとして機能する。中空部２００の内面は、軟質の樹脂でコーティングするか、軟質の樹脂で内張りをおこなうことが推奨される。
軟質の樹脂で内張りすることにより、衝撃を受けて支持フレーム部１０５に亀裂が生じた際に、燃料の漏出を防ぐことができる。
また中空部２００内に耐油性軟質樹脂（ゴムなど）で製作された燃料バッグ（ブラダー）を内蔵させ、支持フレーム部１０５に直接燃料が触れない構造とすることも、燃料の漏洩を防ぐ目的として有効である。

支持フレーム部１０５の環状構造部１１１は、無端環状に成形された部分である。本実施形態では、環状構造部１１１の平面形状は、図１の様に円形である。環状構造部１１１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。

環状構造部１１１は、図２に示すように、外郭部材１１２と中蓋部材（蓋部材）１１３とによって構成されている。
外郭部材１１２は、外筒状の外側周壁部１１５と、内筒状の内側周壁部１１７と、両者の下端部を繋ぐ底壁部１１８を有している。外郭部材１１２には、図４乃至図６の様に、外側周壁部１１５の内周を取り巻く環状の溝部１２０がある。溝部１２０は、上面が解放されている。外郭部材１１２の中央には、大きな開口１２１がある。
外側周壁部１１５を単体でみると、平面断面が円形であり、筒状を呈している。
内側周壁部１１７も平面断面が円形であり、筒状である。内側周壁部１１７は、外側周壁部１１５と同心であり、外側周壁部１１５によって囲まれた領域に立設されている。内側周壁部１１７は、外側周壁部１１５よりも高さが低く、上端に内フランジ１２２が形成されている。

外側周壁部１１５の側面には、リブ取り付け部１４０が４か所に設けられている。リブ取り付け部１４０は、リブ部１０６の端部が固定されるものであり、嵌合部１５８を有している。嵌合部１５８は、縦溝状であり、当該縦溝の開口部は、幅が狭められていてスリット状となっている。

中蓋部材１１３は、一端側に内フランジ１２５が設けられて半ば閉塞された短い筒状の部材である。
中蓋部材１１３は、前記した外側周壁部１１５の内壁にぴったりと挿入される筒状の内筒部１２３を有し、当該内筒部１２３の一端に内フランジ１２５が設けられたものである。中蓋部材１１３の内フランジ１２５の内径は、外郭部材１１２の内側周壁部１１７の内フランジ１２２の内径と略等しい。

環状構造部１１１は、外郭部材１１２の凹状部内に、中蓋部材１１３がはめ込まれたものである。
即ち、外郭部材１１２に中蓋部材１１３が挿入され、外郭部材１１２の内フランジ１２２と、中蓋部材１１３の内フランジ１２５の中心側の面が合わされ、両者の間がねじ１４５等の締結要素で結合されている。
そして中蓋部材１１３の内フランジ１２５によって、外郭部材１１２の溝部１２０の上面の開口が封鎖されている。
その結果、外郭部材１１２の溝部１２０と、内筒部１２３の一端に内フランジ１２５に囲まれた、環状の中空部２００が形成されている。そして、当該環状の中空部２００が燃料タンクとして機能する。
本実施形態では、中空部２００につながる燃料供給口８６があり、当該燃料供給口８６には、栓８７が装着されている。燃料供給口８６は、支持フレーム部１０５の外側面に設けられている。

環状構造部１１１は、支持フレーム部１０５の一部であって、その外壁を構成する部材である。本実施形態では、支持フレーム部１０５の下部側が内側に向かって膨らみ、当該膨らみ部の中が前記した中空部２００となり、燃料が貯留される。

環状構造部１１１内における上部側の領域は、円筒形の大空洞部１３７となっている。また環状構造部１１１内には、内側周壁部１１７によって、小空洞部１３８が形成されている。大空洞部１３７の上部側は解放されている。大空洞部１３７の下部側は、内側周壁部１１７によって構成される小空洞部１３８を介して下部側に連通している。この様に、支持フレーム部１０５の環状構造部１１１内には、大空洞部１３７と小空洞部１３８によって構成される空洞部１０８がある。

支持構造部１０２は、中間蓋部材１４６と、支持部材１２６及び外蓋部材１２７を有している。
中間蓋部材１４６は、円環状の支持枠部１５５と、当該支持枠部１５５の内縁側から垂下された垂下部１５６を有し、当該垂下部１５６の下端に内フランジ１５７が形成された部材である。中間蓋部材１４６は、上下方向に貫通している。
支持枠部１５５には、小蓋部１４７が４個設けられている。

支持部材１２６は、上側環状部材１３０と、下側環状部材１３１を有し、両者の間が接続部材１３２で接続されたものである。接続部材１３２は、複数の板状部１３３によって構成されており、板状部１３３同士の間には大きな隙間１４１がある。

外蓋部材１２７は、複数の開口を有するドーム状の蓋である。即ち外蓋部材１２７は、中央部に開口１４２がある。また側方にも開口１４３がある。

支持構造部１０２は、前記した中間蓋部材１４６と、支持部材１２６及び外蓋部材１２７がネジ等によって結合されたものである。
本実施形態では。図５の様に、中間蓋部材１４６の支持枠部１５５に、支持部材１２６の上側環状部材１３０が、ネジ１６７等の締結要素によって結合されており、支持部材１２６の接続部材１３２及び下側環状部材１３１が、中間蓋部材１４６の開口内に入り込んでいる。
また支持部材１２６の上に外蓋部材１２７が取り付けられている。

本実施形態では、支持構造部１０２の中間蓋部材１４６が、環状構造部１１１の外側周壁部１１５に取り付けられており、支持部材１２６の接続部材１３２及び下側環状部材１３１は、支持フレーム部１０５の外郭部材１１２で囲まれた空間内に配されている。
また下側環状部材１３１及びその近傍の接続部材１３２は、内側周壁部１１７によって構成される小空洞部１３８の中に入り込んでいる。

発電ユニット１１０は、エンジン１３５及びその付属品と、発電機１１が一体化されたものである。エンジン１３５には、インジェクター（図示せず）と、吸気フィルター５１と、マフラー（図示せず）が取り付けられている。
エンジン１３５は、単気筒、空冷の２ストロークエンジンである。エンジン１３５のクランク軸（回転軸）１５０の一端側には、発電機１１が直接的に接続されている。また図８、図９の様に、クランク軸（回転軸）１５０の一端側には、模型飛行機のスピナーコーン１５１が取り付けられている。スピナーコーン１５１は、エンジン１３５のクランク軸（回転軸）１５０と一体的に回転する。

本実施形態では、発電ユニット１１０は、図３、図４、図９の様に、クランク軸（回転軸）１５０を上下方向に向け、且つ発電機１１を下部側にした姿勢で、支持部材１２６と、外蓋部材１２７の間で形成される領域に配されている。
本実施形態では、図３、図４の様に、発電機１１が、支持部材１２６の下側環状部材１３１に接続されている。また図１の様に、クランク軸（回転軸１５０）の他端側に取り付けられたスピナーコーン１５１が、外蓋部材１２７の中央部の開口１４２から外部に突出している。また吸気フィルター５１についても開口１４３から外部に突出している。

発電ユニット１１０は、発電機１１の全部と、エンジン１３５の一部が、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域にあり、エンジン１３５の他の一部は、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域の上の領域にある。

発電ユニット１１０を起動する際には、図９の様に、外部に突出したスピナーコーン１５１に、エンジン起動用のモータ１５３を接続する。そしてモータ１５３を回転することによって、発電ユニットのエンジン１３５を起動する。
本実施形態によると、エンジン１３５を起動する際に係合させる部材が、外部に露出しているので、エンジン起動用のモータ１５３を接続しやすい。
またエンジン１３５のクランク軸（回転軸）１５０が、天地方向に配置されているので、エンジン起動用のモータ１５３を接続しやすい。
即ち、エンジン起動する際には、エンジン起動用のモータ１５３のコネクター１４８を、スピナーコーン１５１に押し付ける必要があるが、本実施形態では、コネクター１４８を上から下に向かって押圧することになるので、スピナーコーン１５１が逃げない。

クランク軸（回転軸）１５０の姿勢は、マルチコプター１００を水平姿勢に置いたとき、垂直方向に延びていることが推奨されるが、概ね上下方向に向いていれば、始動の際にマルチコプター１００が動きにくい。
クランク軸（回転軸）１５０の向きは、鉛直方向に対して４５度以下であることが推奨され、望ましくは、３０度以下である。より望ましい角度は、鉛直方向に対して５度以下である。

本実施形態のマルチコプター１００は、外蓋部材１２７に開口１４２、１４３があり、当該開口１４２、１４３によって、支持フレーム部１０５の内外が連通している。また支持フレーム部１０５の下部は、小空洞部１３８を介して外部に開放されている。
そのため、本実施形態のマルチコプター１００では、空洞部１０８の上下が連通しており、当該、連通する部分に発電ユニット１１０が配置されている。
即ち本実施形態では、大空洞部１３７と小空洞部１３８によって構成される空洞部１０８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１１０は、その通気流路で囲まれた位置に配置されている。従って、発電ユニット１１０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。
本実施形態のマルチコプター１００では、飛行中、支持フレーム部１０５の空洞部１０８に風が呼び込まれ、発電ユニット１１０が通風環境下にさらされる。
即ちマルチコプター１００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、空洞部１０８に風が呼び込まれ、発電ユニット１１０が通風環境下にさらされる。
そのため、発電ユニット１１０が冷却される。

本実施形態のマルチコプター１００は、飛行中にエンジン１３５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（図示せず）に蓄電される。本実施形態では、発電機１１が蓄電池に接続されており、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（図示せず）の動作が安定する。
また発電量が過大である場合には、蓄電池に蓄電される。そのため、本実施形態のマルチコプター１００は、航続距離が長い。

以上説明した実施形態では、発電機１１の全部と、エンジン１３５の一部が、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域にあり、エンジン１３５の他の一部は、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域の上の領域にあるが、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域にエンジン１３５の全部が収容されていてもよい。
またエンジン１３５や発電機１１の一部または全部が、環状構造部１１１の環状部分で囲まれた領域の上の領域又は下の領域にあってもよい。

以上説明した実施形態では、エンジン１３５の端部にスピナーコーン１５１を設けた。当該スピナーコーン１５１は、模型飛行機の部材であり、本実施形態では、本来の用途を離れて、エンジン起動用のモータ１５３を係合させるための係合片として活用している。エンジン起動用のモータ１５３を係合させるための部材は、スピナーコーン１５１に限定されるものではなく、他の係合片であってもよい。また係合片は無くてもよい。
本実施形態では、係合片となるスピナーコーン１５１が常時外部に露出しているが、蓋を外す等の行為によって、露出させてもよい。
なお露出するとは、外部から部材を接続可能となる状態をいい、係合片が奥まった位置に設けられていてもよい。

以上説明したマルチコプターは、いずれも燃料タンクまたは燃料タンクに相当する部材を有している。
そのため、燃料の残量が少なくなった場合、燃料タンクや、燃料を貯留する支持フレーム部に空気層ができ、全体の比重が低下する。
仮に上記したマルチコプターが、池や海に墜落し、その際に燃料が少ない状態であるならば、マルチコプターは水面に浮く。そのため、墜落したマルチコプターを回収することができる。

以上説明したマルチコプターは、蓄電池を備えているが、蓄電池を省略し、発電機から直接モータ２０や制御装置に給電してもよい。
以上説明した実施形態では、支持フレーム部１０５の平面形状が円形であるが、楕円形であってもよく多角形であってもよい。

以上説明したマルチコプターは、いずれも環状の支持フレーム部を有しているが、フレームの形状自体は任意であり、枝分かれ状や放射型であってもよい。
以上説明したマルチコプターは、いずれも上下方向に通気性を有するものであるが、通気性を有することは必須ではない。

以上説明した実施形態では、支持フレーム部１０５内の中空部２００に燃料を貯留したが、別途の燃料タンクを有していてもよい。

２ 回転翼
１１ 発電機
２０ モータ
１００ マルチコプター
１０３ 本体部
１０５ 支持フレーム部
１１０ 発電ユニット
１１１ 環状構造部
１３５ エンジン
１３７ 大空洞部
１３８ 小空洞部
１５０ 回転軸
１５１ スピナーコーン
１５３ モータ
２００ 中空部

Claims (4)

1. エンジンによって駆動する発電機と、モータによって回転し揚力を発生させる回転翼を有するマルチコプターであって、前記エンジンの回転軸が概ね上下方向に向けて配置されていることを特徴とするマルチコプター。
2. 前記回転軸の端部又は回転軸と一体的に回転する部材を露出可能であ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. 本体部を有し、当該本体部に前記回転翼が複数取り付けられており、前記本体部には環状であって、上下方向に通気性を有する支持フレーム部があり、当該支持フレーム部に前記エンジンと前記発電機が搭載されており、前記エンジンの下部側に前記発電機があ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。
4. 本体部を有し、当該本体部に前記回転翼が複数取り付けられており、前記支持フレーム部自体の内部に中空部があり、当該中空部に燃料を貯留可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマルチコプター。

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