JP3729685B2 - 模型飛行機の舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状記憶合金アクチュエータにより駆動される模型飛行機の舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１および２は、従来より知られている差動型形状記憶合金アクチュエータの一例を示している。本体１には支持材２，３が固定されており、これらの支持材２，３にはそれぞれピン４，５が取り付けられている。前記本体１には、操作端部材６の中心部に設けられた回転軸７が回転可能に支持されている。前記操作端部材６の一端部に設けられたピン８とピン４との間にはコイル状に巻かれた第一の形状記憶合金９が介装される一方、操作端部材６の他端部に設けられたピン１０とピン５との間にはコイル状に巻かれた第二の形状記憶合金１１が介装されている。前記第二の形状記憶合金１１は図１に示される短い形状を記憶している。前記第一の形状記憶合金９は第二の形状記憶合金１１と同様の短い形状を記憶している。
【０００３】
この差動型形状記憶合金アクチュエータにおいては、第一の形状記憶合金９が冷却しているとき、第二の形状記憶合金１１が加熱されると、図１のように、第二の形状記憶合金１１は記憶している短い形状に戻り、操作端部材６を図上時計方向に回転させるとともに第一の形状記憶合金９をマクロ的に見て伸び変形させる（参考までに述べると、この場合、真の意味では、第一の形状記憶合金９の各部は曲げおよびねじり変形している）。また、逆に、第二の形状記憶合金１１が冷却しているとき、第一の形状記憶合金９が加熱されると、第一の形状記憶合金９は記憶している短い形状に戻り、操作端部材６を図上反時計方向に回転させるとともに第二の形状記憶合金１１をマクロ的に見て伸び変形させる。これにより、図上左右対称の運動を行わせることができる。
【０００４】
図４および５は、従来公知より知られている単安定型形状記憶合金アクチュエータの一例を示している。本体１には支持材２，３が固定されており、これらの支持材２，３にはそれぞれピン４，５が取り付けられている。前記本体１には、操作端部材６の中心部に設けられた回転軸７が回転可能に支持されている。前記操作端部材６の一端部に設けられたピン８とピン４との間には、非形状記憶合金材料により構成された引っ張りコイルばね１２が介装されており、このばね１２は操作端部材６を図上反時計方向に付勢している。前記操作端部材６の他端部に設けられたピン１０とピン５との間にはコイル状に巻かれた形状記憶合金１３が介装されており、この形状記憶合金１３は図５に示されるような短い形状を記憶している。
【０００５】
この単安定型形状記憶合金アクチュエータにおいては、形状記憶合金１３が冷却しているときは、図４のように、ばねの力により操作端部材６が図上反時計方向に回転されているとともに、形状記憶合金１３がマクロ的に見て伸び変形されている。他方、形状記憶合金１３が加熱されると、図５のように、該形状記憶合金１３はばね１２に抗して記憶している短い形状に戻り、操作端部材６を図上時計方向に回転させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記図１および２のような差動型形状記憶合金アクチュエータにおいては、動作方向を切り替える際、それまで加熱されていた形状記憶合金９または１１が十分冷却しない（形状回復力を失っていない）うちに、他方の形状記憶合金１１または９を加熱すると、両方の形状記憶合金９，１１が互いに形状回復力を反対方向に作用させ合って動かなくなってしまう。形状記憶合金９，１１の形状回復力は、低温状態のひずみの与え方によっては降伏限界より大きくなるので、このように両方の形状記憶合金９，１１が形状回復力を作用させ合う状態になると、最悪の場合は、アクチュエータを動かせないばかりでなく、形状記憶合金９，１１が破断したり、塑性変形し、アクチュエータが壊れてしまっていた。
【０００７】
このような事態を招かないようにするには、加熱温度を必要最小限にし、動作方向を切り替える際は、それまで加熱されていた側の形状記憶合金９または１１が十分に冷却するのを待ってから、他方の形状記憶合金１１または９を加熱するようにしなければならなかった。図３は、このような事情を示す従来の差動型形状記憶合金アクチュエータの動作のタイムチャートである。第一の形状記憶合金９の冷却時間および第二の形状記憶合金１１の冷却時間の間は、アクチュエータを動かせない無駄な時間となる。そして、形状記憶合金の冷却速度はその熱容量に依存するので、加熱速度より相当遅くなるのが普通であるため、前記無駄な時間は相当長くなるから、アクチュエータの応答性が非常に悪くなる。
【０００８】
したがって、前記図１および２のような差動型形状記憶合金アクチュエータにより船や航空機等の舵装置を駆動することは、事実上不可能である。
【０００９】
他方、前記図４および５の単安定型形状記憶合金アクチュエータにおいては、操作端部材６を外部から拘束しない限り、加熱によって形状記憶合金１３に無理な力が加わることがないため、耐久性の高いアクチュエータを得ることができる。しかし動作の安定点は、常に非形状記憶合金材料のばね１２に引かれている側であり、対称な運動を得ることはできなかった。したがって、一つの舵を対称方向に駆動して、船や航空機等の進行方向を制御することは不可能である。
【００１０】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたもので、本発明の１つの目的は、形状記憶合金により駆動される模型飛行機の舵装置を提供することにある。
【００１１】
本願発明の他の目的は、比較的に速やかに舵を切り替えて、進行方向の転換等を行うことができる模型飛行機の舵装置を提供することにある。
【００１２】
本願発明の他の目的は、小型軽量化を図ることができる模型飛行機の舵装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、以下の説明から明らかになろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による模型飛行機の舵装置は、右左の補助翼をそれぞれ別の単安定型形状記憶合金アクチュエータにより駆動することによって、対称的な舵作用を果たさせるものである。すなわち、本発明による模型飛行機の舵装置は、右左の補助翼と、形状回復力を発生したとき、前記右補助翼を下方に動かすように該右補助翼に連係された第一の形状記憶合金と、前記右補助翼を上方に付勢する形状記憶合金ではない第一の付勢手段と、形状回復力を発生したとき、前記左補助翼を下方に動かすように該左補助翼に連係された第二の形状記憶合金と、前記左補助翼を上方に付勢する形状記憶合金ではない第二の付勢手段とを有してなり、
前記第一および第二形状記憶合金は、いずれか一方のみを加熱することも、両方同時に加熱することも可能となっているものである。
【００１５】
本発明においては、第一の形状記憶合金を加熱すると、該形状記憶合金が形状回復力を発生し、右補助翼を下方に動かす一方、第二の形状記憶合金を加熱すると、該形状記憶合金が形状回復力を発生し、左補助翼を下方に動かす。そして、右補助翼が下方に動かされたときと、前記左補助翼が下方に動かされたときとでは、対称的な舵作用がなされる。
【００１６】
第一の形状記憶合金を加熱して、右補助翼を下方に動かしているときに、それとは対称的な舵作用を果たさせる必要が生じたときは、第一の形状記憶合金に対する加熱を停止すると同時に第二の形状記憶合金を加熱する。すると、左補助翼が下方に動かされるが、第一の形状記憶合金は、加熱を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は下方に動かされた状態となっている。このため、一時的に、右左の補助翼がそれぞれ下方に動かされた状態となり、両方の補助翼が同時に対称的な舵作用を果たし、減速や揚力の増大等の現象が生じるが、第一の形状記憶合金が冷却するにつれ、第一の付勢手段により、右補助翼は上方に動かされ、初期位置に戻って行き、左補助翼のみが作用している状態となる。
【００１７】
逆に、第二の形状記憶合金を加熱して、左補助翼を下方に動かしているときに、それとは対称的な舵作用を果たさせる必要が生じたときは、第二の形状記憶合金に対する加熱を停止すると同時に第一の形状記憶合金を加熱する。すると、右補助翼が下方に動かされるが、第二の形状記憶合金は、加熱を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は下方に動かされた状態となっている。このため、一時的に、右左の補助翼がそれぞれ下方に動かされた状態となり、両方の補助翼が同時に対称的な舵作用を果たし、減速や揚力の増大等の現象が生じるが、第二の形状記憶合金が冷却するにつれ、第二の付勢手段により、左補助翼は上方に動かされ、初期位置に戻って行き、右補助翼のみが作用している状態となる。
【００１８】
このように、一方の形状記憶合金を加熱して、一方の補助翼を所定方向に動かしているときに、それとは対称的な舵作用を果たさせる必要が生じたときは、前記一方の形状記憶合金に対する加熱を停止すると同時に他方の形状記憶合金を加熱できるので、一時的には両方の補助翼が同時に対称的な舵作用を果たしている状態となるものの、全体として、比較的に速やかに補助翼の位置を切り替えて、進行方向の転換等を行うことができる。
【００１９】
また、意図的に第一および第二の形状記憶合金の両方を加熱することにより、意図的に制動や揚力の増大等を図ることもできる。
【００２０】
本発明による舵装置は、形状記憶合金を駆動源とするので、小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２２】
【実施例】
図６〜８は、本発明に対する参考例を示し、この参考例は模型の船の舵装置に関する参考例である。この参考例において、船体１４の船尾の右側には上下方向に延びる右舵軸１５が回転可能に支持されており、船尾の左側には上下方向に延びる左舵軸１６がそれぞれ回転可能に支持されている。図８の拡大図によく示されるように、前記右舵軸１５には右舵１７と右アーム１８の中央部とが固定されている一方、前記左舵軸１６には左舵１９と左アーム２０の中央部とが固定されている。前記船体１４と右アーム１８の一端部との間にはコイル状に巻かれた右形状記憶合金２１（本参考例における第一の形状記憶合金）が、船体１４と右アーム１８の他端部との間には非形状記憶合金材料により構成された引っ張りコイルばねからなる右ばね２２（本参考例における第一の付勢手段）がそれぞれ介装されている。同様にして、前記船体１４と左アーム２０の一端部との間にはコイル状に巻かれた左形状記憶合金２３（本参考例における第二の形状記憶合金）が、船体１４と左アーム２０の他端部との間には非形状記憶合金材料により構成された引っ張りコイルばねからなる左ばね２４（本参考例における第二の付勢手段）がそれぞれ介装されている。
【００２３】
前記右形状記憶合金２１は、図７に示されるような短い形状を記憶している。前記右ばね２２は、右アーム１８を介して右舵１７を上方から見て時計方向（以下、本参考例の説明において、時計方向、反時計方向と言うとき、それは上方から見てのこととする）に付勢している。これにより、右形状記憶合金２１が冷却しているときは、図６のように、該形状記憶合金２１はマクロ的に見て伸び変形されており、右舵１７は船体１４の長手方向に対し平行となる位置（以下、直進位置という）にある。前記左形状記憶合金２３も、右形状記憶合金２１と同様の短い形状を記憶している。前記左ばね２４は、左アーム２０を介して左舵１９を反時計方向に付勢している。これにより、左形状記憶合金２３が冷却しているときは、図６のように、該形状記憶合金２３はマクロ的に見て伸び変形されており、左舵１９は船体１４の長手方向に対し平行となる位置（以下、直進位置という）にある。前記右および左形状記憶合金２１，２３は、図示しない駆動回路からそれぞれ通電されるようになっている。
【００２４】
次に、本参考例の作動を説明する。船を直進させたいときは、右および左形状記憶合金２１，２３のいずれにも通電せず、両形状記憶合金２１，２３とも冷却している状態とする。これにより、図６のように、右舵１７および左舵１９はいずれも直進位置にある。
【００２５】
次に、船を右に旋回させたいときは、前記駆動回路から右形状記憶合金２１に通電する。すると、ジュール熱により右形状記憶合金２１が所定温度範囲まで加熱され、該形状記憶合金２１が記憶している形状に戻って短くなるので、図７のように、右舵１７が直進位置から右アーム１８および右舵軸１５とともに右ばね２２に抗して反時計方向に回転される。これにより、船は右旋回する。
【００２６】
次に、このように右旋回している状態から、船を左に旋回させたいときは、右形状記憶合金２１に対する通電を停止するとともに、前記駆動回路から左形状記憶合金２３に通電する。すると、ジュール熱により左形状記憶合金２３が所定温度範囲まで加熱され、該形状記憶合金２３が記憶している形状に戻って短くなるので、図７の一点鎖線位置で示されるように、左舵１９が直進位置から左アーム２０および左舵軸１６とともに左ばね２４に抗して時計方向に回転される。このとき、右形状記憶合金２１は、通電を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は直進位置より反時計方向に回転された状態となっている。このため、一時的に、右舵１７は直進位置より反時計方向に、左舵１９は直進位置より時計方向にそれぞれ回転された状態となり、制動が掛かって船は減速するが、右形状記憶合金２１が冷却するにつれ、右ばね２２の力により右舵１７は時計方向に回転され、直進位置に戻って行くので、船は左旋回する。
【００２７】
また、逆に、左旋回している状態から、船を右旋回させたいときは、左形状記憶合金２３に対する通電を停止するとともに、前記駆動回路から右形状記憶合金２１に通電する。すると、右形状記憶合金２１が加熱され、該形状記憶合金２１が記憶している形状に戻って短くなるので、図７のように、右舵１７が直進位置より反時計方向に回転する。このとき、左形状記憶合金２３は、通電を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は直進位置より時計方向に回転された状態となっている。このため、一時的に、右舵１７は直進位置より反時計方向に、左舵１９は直進位置より時計方向にそれぞれ回転された状態となり、制動が掛かって船は減速するが、左形状記憶合金２３が冷却するにつれ、左ばね２４の力により、左舵１９は反時計方向に回転され、直進位置に戻って行くので、船は右旋回する。
【００２８】
この舵装置においては、前述のように右または左に旋回している状態から反対側に旋回したい場合は、一方の形状記憶合金２１または２３に対する加熱を停止すると同時に他方の形状記憶合金２３または２１を加熱できるので、一時的に制動が掛かった状態となるものの、全体として、速やかに進行方向の転換を行うことができる。
【００２９】
また、勿論、一方の形状記憶合金２１または２３が十分冷却してから他方の形状記憶合金２３または２１を加熱する場合は、前記一時的な制動を伴うことなく、進行方向の転換を行うことができる。
【００３０】
また、意図的に右および左形状記憶合金２１，２３の両方を加熱することにより、右舵１７は直進位置より反時計方向に、左舵１９は直進位置より時計方向にそれぞれ回転された状態として、意図的に制動することもできる。
【００３１】
図９〜１２は、本発明の一実施例を示している。一般に、飛行機の舵には、昇降舵（エレベータ）、方向舵（ラダー）、補助翼（エルロン）の３つがあるが、この実施例は本発明を模型のラジコン飛行機の補助翼に適用した実施例である。この実施例において、模型の飛行機２６の右主翼２７の後縁側には、右主翼２７の後縁に沿って延びる右補助翼軸２８（図１０参照）が回転可能に支持されている一方、左主翼２９の後縁側には、左主翼２９の後縁に沿って延びる左補助翼軸３０（図１２参照）が回転可能に支持されている。
【００３２】
図１０および１１に示されるように、前記右補助翼軸２８には右補助翼３１と右アーム３２の中央部とが固定されている。前記右主翼２７と右アーム３２の一端部との間にはコイル状に巻かれた右形状記憶合金３５（本実施例における第一の形状記憶合金）が介装され、右主翼２７と右アーム３２の他端部との間には非形状記憶合金材料により構成された引っ張りコイルばねからなる右ばね３６（本実施例における第一の付勢手段）が介装されている。前記右形状記憶合金３５は、図１１に示されるような短い形状を記憶している。前記右ばね３６は、右アーム３２を介して右補助翼３１を上方に付勢している。これにより、右形状記憶合金３５が冷却しているとき、該形状記憶合金３５はマクロ的に見て伸び変形され、右補助翼３１は図１０のように水平位置にある。
【００３３】
図１２に示されるように、前記左補助翼軸３０には左補助翼３３と左アーム３４の中央部とが固定されている。前記左主翼２９と左アーム３４の一端部との間にはコイル状に巻かれた左形状記憶合金３７（本実施例における第二の形状記憶合金）が介装され、左主翼２９と左アーム３４の他端部との間には非形状記憶合金材料により構成された引っ張りコイルばねからなる左ばね３８（本実施例における第二の付勢手段）が介装されている。前記左形状記憶合金３７も、右形状記憶合金３５と同様の短い形状を記憶している。前記左ばね３８は、左アーム３４および左補助翼軸３０を介して左補助翼３３を上方に付勢している。これにより、左形状記憶合金３７が冷却しているとき、該形状記憶合金はマクロ的に見て伸び変形され、左補助翼３３は図１２のように水平位置にある。前記右および左形状記憶合金３７は、図示しない駆動回路からそれぞれ通電されるようになっている。
【００３４】
次に、本実施例の作動を説明する。飛行機２６を直進させたいときは、右および左形状記憶合金３５，３７のいずれにも通電せず、両形状記憶合金３５，３７とも冷却している状態とする。これにより、右および左補助翼３１，３３はいずれも水平位置にある。
【００３５】
次に、飛行機２６を左に旋回させたいときは、前記駆動回路から右形状記憶合金３５に通電する。すると、ジュール熱により右形状記憶合金３５が所定温度範囲まで加熱され、該形状記憶合金３５が記憶している形状に戻って短くなるので、図１１に示されるように、右補助翼３１が水平位置より右アーム３２および右補助翼軸２８とともに右ばね３６に抗して下方に回転し、下がった状態となる。これにより、右翼に作用する揚力が増大し、左に機体が傾いて、飛行機２６は左旋回する。
【００３６】
次に、このように左旋回している状態から、飛行機２６を右に旋回させたいときは、右形状記憶合金３５に対する通電を停止するとともに、前記駆動回路から左形状記憶合金３７に通電する。すると、左形状記憶合金３７が所定温度範囲まで加熱され、該形状記憶合金３７が記憶している形状に戻って短くなるので、図１２の一点鎖線位置で示されるように、左補助翼３３が水平位置から左アーム３４および左補助翼軸３０とともに左ばね３８に抗して下方に回転し、下がった状態となる。このとき、右形状記憶合金３５は、通電を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は下がった状態となっている。このため、一時的に、右補助翼３１および左補助翼３３がともに下がった状態となり、両翼の揚力が増大し、飛行機２６は上昇しようとする。しかし、その後、右形状記憶合金３５が冷却するにつれ、右ばね３６の力により、右補助翼３１は、水平位置に戻って行くので、右翼側の揚力は減少するため、右に機体が傾いて、飛行機２６は右旋回する。
【００３７】
また、逆に、右旋回している状態から、飛行機２６を左旋回させたいときは、左形状記憶合金３７に対する通電を停止するとともに、前記駆動回路から右形状記憶合金３５に通電する。すると、右形状記憶合金３５が加熱され、該形状記憶合金３５が記憶している形状に戻って短くなるので、図１１のように、右補助翼３１が水平位置から右アーム３２および右補助翼軸２８とともに右ばね３６に抗して下がる。このとき、左形状記憶合金３７は、通電を停止されても、すぐには冷却しないので、ある時間の間は下がった状態となっている。このため、一時的に、右補助翼３１および左補助翼３３がともに下がった状態となり、両翼の揚力が増大し、飛行機２６は上昇しようとする。しかし、その後、左形状記憶合金３７が冷却するにつれ、左ばね３８の力により、左補助翼３３は、水平位置に戻って行くので、左翼側の揚力は減少するため、左に機体が傾いて、飛行機２６は左旋回する。
【００３８】
ここで、従来は、飛行機２６が補助翼の操作により傾いて旋回する場合、一般に揚力の重力方向成分が減少するので、機体が降下し始める。したがって、エンジンまたはモータの回転数を上げ、全体の揚力を増やしたり、昇降舵で補正しながら水平飛行状態を保持する必要があった。しかし、この舵装置は、タイミングが少しずれ、一時降下するものの、旋回時の機体の降下を補正する機能がある。
【００３９】
すなわち、従来においては、例えば左（右）旋回で機体が傾き、高度が落ちた際、あわてて反対方向に舵を切った場合、今度は右（左）に傾き、高度はさらに下がってしまうのが一般的であったが、この舵装置によれば、前記のように左（右）旋回から右（左）旋回に切り返した際、一旦両翼の揚力が増加するので、機体の降下を抑えることができる。また、意図的に右および左形状記憶合金３５，３７を同時に加熱し、左右の補助翼３１，３３を同時に下げ、両翼の揚力を増すことができ、昇舵の役目も兼ねさせることができる。このような特性は、形状記憶合金の応答性の欠点を補うばかりではなく、比較的ゆっくりした速度で飛行する初心者用模型飛行機に適した操縦性を与える。
【００４０】
なお、前記実施例においては、第一および第二（右および左）の形状記憶合金を通電により加熱するものとしているが、本発明においては、赤外線やレーザーによる加熱等の他の種の加熱方式によって第一および第二の形状記憶合金を加熱してもよい。
【００４１】
また、本発明においては、第一および第二の形状記憶合金の基本的形態並びに変形および形状回復の態様は、前記各実施例のようなものに限られることはない。
【００４２】
さらに、前記実施例では、第一および第二の付勢手段（右および左ばね３６，３８）はコイルばねとされているが、本発明における第一および第二付勢手段は、コイルばね以外の形式のばね、ゴム等のエラストマーからなるゴム弾性を利用したばね、気体を利用したばね等の他の種のばねであってもよいし、永久磁石等のばね以外の手段であってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明による模型飛行機の舵装置は、形状記憶合金により駆動され、比較的に速やかに舵を切り替えて、進行方向の転換等を行うことができ、小型軽量化を図ることができる等の優れた効果を得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の差動型形状記憶合金アクチュエータの一例において一方の形状記憶合金のみが加熱されている状態を示す正面図である。
【図２】 前記従来の差動型形状記憶合金アクチュエータにおいて両方の形状記憶合金が冷却している状態を示す正面図である。
【図３】 前記従来の差動型形状記憶合金アクチュエータの動作を示すタイムチャートである。
【図４】 従来の単安定形状記憶合金アクチュエータの一例において形状記憶合金が冷却している状態を示す正面図である。
【図５】 前記従来の単安定形状記憶合金アクチュエータにおいて形状記憶合金が加熱されている状態を示す正面図である。
【図６】 本発明に対する舵装置の参考例において両方の舵が直進位置にある状態を示す平面図である。
【図７】 前記参考例において右舵が切られている状態を示す平面図である。
【図８】 前記参考例における右舵付近を示す拡大平面図である。
【図９】 本発明による舵装置の一実施例を示す平面図である。
【図１０】 前記実施例において右補助翼が水平位置にある状態を示す断面図である。
【図１１】 前記実施例において右補助翼が下げられた状態を示す断面図である。
【図１２】 前記実施例において左補助翼が水平位置にある状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１４ 船体
１７ 右舵
１９ 左舵
２１ 右形状記憶合金（第一の形状記憶合金）
２２ 右ばね（第一の付勢手段）
２３ 左形状記憶合金（第二の形状記憶合金）
２４ 左ばね（第二の付勢手段）
２６ 飛行機
３１ 右補助翼
３３ 左補助翼
３５ 右形状記憶合金（第一の形状記憶合金）
３６ 右ばね（第一の付勢手段）
３７ 左形状記憶合金（第二の形状記憶合金）
３８ 左ばね（第二の付勢手段）

Claims (2)

1. 右左の補助翼と、形状回復力を発生したとき、前記右補助翼を下方に動かすように該右補助翼に連係された第一の形状記憶合金と、前記右補助翼を上方に付勢する形状記憶合金ではない第一の付勢手段と、形状回復力を発生したとき、前記左補助翼を下方に動かすように該左補助翼に連係された第二の形状記憶合金と、前記左補助翼を上方に付勢する形状記憶合金ではない第二の付勢手段とを有してなり、
   前記第一および第二の形状記憶合金は、いずれか一方のみを加熱することも、両方同時に加熱することも可能となっている模型飛行機の舵装置。
2. 前記第一および第二の付勢手段はばねである請求項記載の模型飛行機の舵装置。

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