JP2022059231A - 航空機の回転翼制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】３個以上の回転翼を有する航空機の、少なくとも２個の回転翼を傾ける簡便な方法を得て、飛行の安定性向上や、水平方向飛行の高速化を可能な回転翼制御機構を提供する。【解決手段】機体１０にモータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａで駆動する少なくとも３個の回転翼１２、１４、１６、１８を備えた航空機２の、回転翼の傾きを変化させる制御機構１であって、回転翼１２、１４の回転中心から径方向に所定の距離だけ離れた位置に回転翼１２、１４の支持軸１２ｂ、１４ｂを設けてこれを傾転中心として、任意の傾転角で固定する係止手段を有するとともに、回転翼１２、１４の回転にて発出する推力で生じる支持軸１２ｂ、１４ｂ周りのモーメントに、対抗して作用する弾性体１２ｂ、１４ｂの荷重を常時付加するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、一般にドローンまたはマルチコプターと呼ばれる、少なくとも３個の回転翼（プロペラ）を有する航空機の回転翼制御機構に関する。

従来、３個以上の回転翼を有する航空機としては、機体に４個の回転翼を備えた例（たとえば、特許文献１の図７参照）が知られている。また、同特許文献は回転翼を傾けること（ティルト）を可能にして、高空からの急降下における飛行の安定性確保を提案している。

しかしながら、上記従来の回転翼を有する航空機にあっては回転翼を傾ける方法に課題があった。すなわち、大きな揚力を発出しながら、ジャイロ効果を有する回転翼の傾きを制御することが困難という問題である。

特開２０１９－７７２０７号公報

解決しようとする問題点は、飛行中に回転翼を傾ける簡便な方法がないことである。本発明の目的は、回転翼の傾きを変化および係止する簡便な方法により、大きな揚力を発出しながら、飛行の安定性向上や、水平方向移動（飛行）の高速化を可能にする、航空機の回転翼制御機構を得ることにある。

本発明は、機体にモータで駆動する少なくとも３個の回転翼を備えた航空機の、回転翼の傾きを変化させる制御機構であって、回転翼の回転中心から径方向にδだけ離れた位置に回転翼の支持軸を設けてこれを傾転中心として、任意の傾転角で固定する係止手段を有するとともに、回転翼の回転にて発出する推力で生じる支持軸周りのモーメントに、対抗して作用する弾性体の荷重を常時付加していることを特徴とする。

本発明の航空機の回転翼制御機構は、大きなパワーが不要であり複雑な機構にすることなく、簡便に回転翼の傾きを制御することができるので、大きな揚力を発出しながらの飛行の安定性確保のほかに、たとえば水平方向の飛行において進行方向側に配置された２個の回転翼を常にモータのフルパワーで駆動しつつ、より速く人や物品を運ぶことができるようになる。

本発明の実施例１に係る回転翼制御機構を用いた航空機の上面外観図である。 図１の航空機を側方から見た回転翼回りの外観および一部断面図である。 本発明の回転翼制御機構を用いた実施例２に係る航空機の上面外観図である。 図３の航空機を側方から見た高速飛行時の外観図である。

以下、本発明の実施の形態に係る航空機の回転翼制御機構を、実施例に基づき図とともに説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る回転翼制御機構１を用いた航空機２の概要を表した上面外観図である。航空機２は、機体１０に支持された４個の第１回転翼１２、第２回転翼１４、第３回転翼１６、第４回転翼１８を備えた、一般的にはドローンまたはマルチコプターと呼ばれるもので、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８はそれぞれ第１モータ１２ａ、第２モータ１４ａ、第３モータ１６ａ、第４モータ１８ａにより回転して揚力（鉛直方向上向きの推力）を得ることができる。また、航空機２は水平方向の飛行を主として矢印３で示すように図１の上方向としている。なお、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８は固定ピッチのプロペラであり、これらは回転速度の制御で揚力を調整する。

図１の実施例では、航空機２の水平方向の飛行における前方の第１回転翼１２、第２回転翼１４を、本発明の回転翼制御機構１を用いて傾転させるので、これらを中心に説明する。なお、後方の第３回転翼１６、第４回転翼１８は、これらを駆動する第３モータ１６ａ、第４モータ１８ａが機体１０から延びたアーム１０ｃ、１０ｄの先端部にそれぞれ固定されており、傾転しない。

前方の第１回転翼１２、第２回転翼１４は、機体１０の進行方向の中心線に対して左右対称に設けられており、これから説明する回転翼制御機構１も対称の構成であるので、進行方向右側の第１回転翼１２について図２を参照しながら説明する。図２は、図１の右方から第１回転翼１２および第１モータ１２ａなどの外観を拡大して示しており、一部は断面を描いている。

なお、図２で、太い実線で描いた第１回転翼１２および第１モータ１２ａの状態を傾転角０（ゼロ）とすると、細線で外形を描いた第１回転翼１２および第１モータ１２ａは、時計回り方向に３０°傾転した状態を例示している。

機体１０の前方から進行方向に対して直角に右側へ延びたアーム１０ａの右端に第１モータ１２ａが設けられている。アーム１０ａの中には第１支持軸１２ｂが通っており、第１支持軸１２ｂの左端は機体１０の中央部１０ｚに固定され、右端はモータ１２ａに連結されるとともにアーム１０ａに対して回転可能に支持されている。そして、支持軸１２ｂの中心と第１モータ１２ａの中心は進行方向側にδだけ離れている。

さらに支持軸１２ｂは、いわゆるトーションバーになっていて、その捻り弾性力でモータ１２ａを図２中で常に反時計回りに傾転させる荷重が作用するようにしてある。なお、支持軸１２ｂと左側の支持軸１４ｂが一体であってもよく、その場合は両者の中央部を機体１０に固定する。

第１支持軸１２ｂの右端には、第１モータ１２ａとともにウォームホイール１２ｃが一体になっていて、これに噛み合うウォーム１０ｅが制御モータ１０ｇと連結され、制御モータ１０ｇはアーム１０ａに固定してある。したがって、制御モータ１０ｇが回転することにより、ウォームホイール１２ｃが回転し支持軸１２ｂを捻りながら第１回転翼１２および第１モータ１２ａが傾転する構成になっている。

なお、後述するように第１回転翼１２が回転して揚力が発生した場合、該揚力が第１回転翼１２および第１モータ１２ａの重量を超えた分だけ前記δを半径とした、第１支持軸１２ｂの捻り荷重に反して時計回りのモーメントが生ずる。

したがって、制御モータ１０ｇがウォームホイール１２ｃを回転させるのに要するトルクは、この第１支持軸１２ｂの捻り荷重によるトルクと前記モーメントによるトルクと、第１回転翼１２のジャイロ効果に対抗するトルクの合計であり、前述したように第１支持軸１２ｂの捻りトルクと時計回りのモーメントが相殺する関係であるので、小さい値になるとともに第１回転翼１２の回転速度によるモーメントで加勢したり、その逆にしたりすることもできる。

また、ウォーム１０ｅとウォームホイール１２ｃとの間は、ウォーム１０ｅからウォームホイール１２ｃを駆動するのに適していて、逆方向の駆動は動力伝達効率が低い関係で困難である。このため、制御モータ１０ｇとウォーム１０ｅは、ウォームホイール１２ｃの回転を留める、ブレーキのような係止作用を有する。なお、図１左側のアーム１０ｂに支持された第２支持軸１４ｂ、ウォームホイール１４ｃ、ウォーム１０ｆ、制御モータ１０ｈなどは、上記したように右側の第１回転翼１２のそれぞれの対応部品と同様である。

図１に示した航空機２は、これを飛行させるために、図示を省略しているが、バッテリ、ソフトウエアを含むコントローラ、通信装置、高度計、ＧＰＳ受信機の他に、必要に応じてカメラ、測距装置などの各種センサを備えている。なお、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａに供給する電力はバッテリ以外に燃料電池または内燃機関で発電したのであってもよい。

つづいて実施例１の作用について説明する。なお、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８は、一般的なマルチコプターと同様に、前後左右に隣り合った回転翼同士が互いに逆方向に回転する。そして、図１に示すように第１モータ１２ａ、第２モータ１４ａが地面に対して鉛直になっている状態が前述した傾転角０°であり、航空機２が地上に停止している場合の状態でもあり、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８はすべて水平に回転する。

はじめに、図１の状態でスタートする際は、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａによる駆動で第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８を回転させると揚力が発生し、所定の揚力に達すると機体１０は浮き上がる。

この際、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーを制御することで第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の回転速度が変化し、機体１０は上昇、高度維持（ホバリング）、下降のいずれかになる。

そして、機体１０が高度を維持した状態で、第１回転翼１２、第２回転翼１４に付随した制御モータ１０ｇを回転させて、第１回転翼１２、第２回転翼１４および第１モータ１２ａ、第２モータ１４ａを図２の細線で描いたように、図１の右側から見て時計回りに傾転させると、第１回転翼１２、第２回転翼１４の揚力の一部が機体１０を前進させる方向に作用して、機体１０が前進方向へ飛行を始める。

この際に、制御モータ１０ｇ、１０ｈが必要とするトルクには、前述したように第１回転翼１２、第２回転翼１４の揚力を一時的に変化させることで制御モータ１０ｇ、１０ｈが必要とするトルクを小さくすることが可能である。例えば、第１回転翼１２を時計回りに傾転させる場合は第１回転翼１２の揚力を大きくすれば、前述した時計回りのモーメントが大きくなって制御モータ１０ｇの所要トルクを小さくすることができるし、その逆に反時計回りに傾転させる場合は、第１回転翼１２の揚力を小さくすれば、同様の効果が得られる。

機体１０が飛行する速度は、第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角と第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーを制御することで変化させることができる。

なお、一般的なマルチコプターと同様に、第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角が０であっても、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の回転速度を個別に制御することで、前後左右の移動や機体１０の姿勢の制御が可能であることは言うまでもない。

上記は、第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角を変化させる方法および具体的な作用と、該傾転角を変化させることの応用例として、前進方向の飛行について説明した。また、上記した傾転角を維持する係止手段をウォーム１０ｅおよびウォームホイール１２ｃとして説明したが、単なる摩擦ブレーキまたは他の機械的な係止手段であってもよい。

以上説明したように実施例１の航空機の回転翼制御機構１によれば、簡便な構成で容易に第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角を変化させることができる。すなわち、機体１０を浮揚させる揚力を発出している第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角を変化させるのに、これらの揚力を一時的に変化させることで最小限のパワーの制御モータ１０ｇ、１０ｈで済ませることができる。

また、第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角を維持（係止）するためのブレーキ作用をウォームホイール１２ｃ、１４ｃおよびウォーム１０ｅ、１０ｆと制御モータ１０ｇ、１０ｈに兼務させることができる。

そして、この回転翼制御機構１を進行方向側の第１回転翼１２および第２回転翼１４の傾転角制御に応用することで以下のようなメリットがある。

すなわち、一般的なマルチコプターは各回転翼の傾転角が変化しないので、例えば図１のような第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８を備えて前進方向に飛行する場合は、進行方向側の第１回転翼１２と第２回転翼１４の回転速度を低下させることで前進する。

そして、飛行速度を速くするためには第１回転翼１２と第２回転翼１４の回転速度をより低くする必要がある。しがたって、第１回転翼１２と第２回転翼１４を回転させるのに要するパワーが低くなることを意味し、移動速度の上昇とともに第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８全体の駆動パワーが低くなる。

これに対して本発明の回転翼制御機構１を応用した場合は、第１回転翼１２と第２回転翼１４の回転速度を落とすことなく、すなわち、大きな揚力を発出しながら、第１回転翼１２および第２回転翼１４の傾転角を制御するだけで前進飛行が可能であり、該傾転角と第１モータ１２ａ、第２モータ１４ａのパワーを組み合わせて制御することで、常に大きなパワーで第１乃至第４転翼１２、１４、１６、１８を駆動しながら飛行することができるので、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーを同じとした場合に、一般的なマルチコプターに比べて飛行速度を高くすることができる。

また、上記は第１回転翼１２および第２回転翼１４を時計回りに前傾させることで前進飛行において速度を高めるメリットを説明したが、逆に反時計回りに後傾させることで従来例（特許文献１参照）のように急降下における飛行の安定性に生かすことができる。

次に、本発明の回転翼制御機構１にかかる実施例２の航空機２につき説明する。図３は図１に対応した外観図であり、図４は後述する高速飛行における図３を右側から見た外観図である。ここでは、実施例１と異なる部分を中心に説明し、実施例１と実質的に同じ部分については、同じ符号を付しそれらの説明を省略する。なお、後述するウォーム１０ｅや制御モータ１０ｇおよびスプリング１０ｊなどを見せるため、図３において機体１０の一部を丸く切り欠いて表示している。

実施例２の、実施例１との第１の違いは、実施例１における第１支持軸１２ｂと第２支持軸１４ｂを一体化して、実施例１のような弾性を有していない第１支持軸１２ｂとして、これをアーム１０ａおよびアーム１０ｂが回転可能に支持するとともに、該第１支持軸１２ｂと一体のウォームホイール１２ｃと、これに噛み合うウォーム１０ｅを駆動する制御モータ１０ｇを機体１０に、それぞれ設けたことである。

実施例１との第２の違いは、上記した第１支持軸１２ｂと機体１０との間に後述するスプリング１０ｊを設けたことである。実施例１との第３の違いは、第１回転翼１２、第２回転翼１４に加えて、第３回転翼１６および第４回転翼１８にも本発明の制御機構１を適用して傾転可能としたことである。実施例１との第４の違いは、一般的な飛行機と同様の翼２０を機体１０の上部左右両側に設けたことである。

第１支持軸１２ｂと機体１０との間のスプリング１０ｊについて説明する。スプリング１０ｊは、一般的な捻り型コイルスプリングであり、詳細の図示は省略するが一端は機体１０に係止され、他端は第１支持軸１２ｂに係止されている。なお、スプリング１０ｊは実施例１と同様に、図３の右側から見て反時計回りの捻りトルクを第１支持軸１２ｂに与えている。

なお、第３回転翼１６および第４回転翼１８に適用する制御機構１と関連する構成も、図３に示すように上記した第１回転翼１２および第２回転翼１４と基本的に同様であり、説明を省略する。ただし、図４に示すように第１回転翼１２、第２回転翼１４が機体１０の下側に設けてあるのに対して、第３回転翼１６および第４回転翼１８は機体１０の上側に設けている。また、第１支持軸１２ｂと第３支持軸１６ｂを中空材で形成して、中空部に電源コードを通してもよい。

つぎに、実施例２の作用について説明する。第１回転翼１２、第２回転翼１４の作用については、第１モータ１２ａと第２モータ１４ａが第１支持軸１２ｂによって一体的に連結されているので、第１回転翼１２、第２回転翼１４の傾転角が常に同じであるほかは実施例１と基本的に同様であるので、説明を省略する。また、第３回転翼１６および第４回転翼１８の作用も、基本的に第１回転翼１２および第２回転翼１４と同じである。

つぎに、もっとも一般的な上昇から水平飛行を経て下降にいたる制御について説明する。実施例１でも説明したように、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８を水平（傾転角０）に回転させて揚力を発生させて地上から発進して上昇する。

そして、上昇の途中で第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８を、図３の右側から見て時計回りに徐々に傾転させて前進方向に移動を開始する。はじめは上昇しながらの前進飛行であるが、傾転角が大きくなるとともに上昇が弱まり、やがて水平飛行にいたる。この前進方向の飛行において、一般的な飛行機と同様に翼２０で揚力が発生する。したがって、翼２０で発生する揚力の分だけ、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８が負担する揚力が減るので、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーはそれだけ前進方向の飛行に使う比率が増えることになる。

なお、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーが十分に確保できるなら、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の傾転角を９０°にして、第１乃至第４モータ１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａのパワーをすべて前進飛行に使うことができる。

つづいて、水平飛行から下降へはこれと逆の動きを行なう。すなわち、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の傾転角を徐々に元に戻し、水平飛行の速度を低下させながら下降を行い、やがて傾転角が０になった状態で下降して着地する。

この際、スプリング１０ｊのセット荷重を適切に設定しておけば、上昇中の傾転角を時計回り方向に傾転させるのは、第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の揚力が大きい状態であり、揚力によるモーメントがスプリング１０ｊの荷重に打ち勝つ方向であるので、制御モータ１０ｇ、１０ｎのパワーは少なくて済み、逆に水平飛行から下降に移行するのは第１乃至第４回転翼１２、１４、１６、１８の揚力を減らす状態であるので、スプリング１０ｊの荷重が揚力によるモーメントに打ち勝つ方向になり、これも制御モータ１０ｇ、１０ｎのパワーは少なくて済む。

また、図４は第１回転翼１２および第２回転翼１４の傾転角と、第３回転翼１６および第４回転翼１８の傾転角を同じように描いているが、実際には飛行条件に応じてそれぞれ最適な傾転角になるように制御する。

実施例２は、第１回転翼１２、第２回転翼１４に加えて、第３回転翼１６および第４回転翼１８にも本発明の制御機構を適用して傾転可能としたことと、また翼２０を設けたので、より高速で飛行するのに適したマルチコプターが得られる。

以上、本発明の概要を説明したが、詳細の構成は図示した内容にこだわることなく、種々の応用が考えられる。たとえば、第１モータ１０ａなどの軸方向両側に第１回転翼１２などを設けることや、第１支持軸１２ｂなどを常に反時計回りに傾転させる弾性力の付与手段を別の形式のスプリング、たとえばゼンマイ型のスプリングなどに置換することができる。また、各支持軸１２ｂ、１４ｂなどを機体１０の中心線に対して直角に設けた例で説明したが、実施例１ではこれにこだわることなく設定してもよい。そして、実施例２にあっては、第１支持軸１２ｂと第３支持軸１６ｂとをチェーンなどで機械的に連結して、ウォームホイール１２ｃや制御モータ１０ｈなどを１個で済ませることも可能である。

本発明の航空機の回転翼制御機構は、有人飛行、無人飛行に関係なく実施できるし、飛行速度を要求される物品の運搬のみでなく人の輸送に用いることができる。

１ 回転翼制御機構
２ 航空機
１０ 機体
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ アーム
１０ｅ、１０ｆ ウォーム
１０ｇ、１０ｆ 制御モータ
１０ｊ スプリング
１２ 第１回転翼
１２ａ 第１モータ
１２ｂ 第１支持軸
１２ｃ ウォームホイール
１４ 第２回転翼
１６ 第３回転翼
１８ 第４回転翼
２０ 翼

Claims (6)

1. 機体にモータで駆動する少なくとも３個の回転翼を備えた航空機の、前記回転翼の傾きを変化させる制御機構であって、前記回転翼の回転中心から径方向にδだけ離れた位置に前記回転翼の支持軸を設けてこれを傾転中心として、任意の傾転角で固定する係止手段を有するとともに、前記回転翼の回転にて発出する推力で生じる前記支持軸周りのモーメントに、対抗して作用する弾性体の荷重を常時付加していることを特徴とする航空機の回転翼制御機構。
2. 前記支持軸は弾性体で構成し、該支持軸の一端を前記機体に固定し、他端を前記モータに固定したことを特徴とする請求項１に記載の航空機の回転翼制御機構。
3. 前記機体の左右の前記モータは前記支持軸と一体にして、該支持軸と前記機体の間に前記係止手段と前記弾性体とを並列に設けたことを特徴とする請求項１に記載の航空機の回転翼制御機構。
4. 前記制御機構が、制御モータで駆動するウォームギヤと前記モータと一体のウォームホイールとで構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の航空機の回転翼制御機構。
5. 前記航空機の進行方向側の少なくとも２個の前記回転翼の、該回転翼の回転中心より前記進行方向側に離れた前記支持軸を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の航空機の回転翼制御機構。
6. ４個以上の前記回転翼を有する前記航空機の進行方向反対側の少なくとも２個の前記回転翼の、該回転翼の回転中心より前記進行方向側に離れた前記支持軸を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の航空機の回転翼制御機構。
   
   

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