JP5027632B2 - 固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ - Google Patents

Description

本発明は、上下に配置した二つのロータが共通軸線回りに逆回転する固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタに関する。さらに詳しくは、前進飛行時などにおいて操縦用スティックを操作するために必要な操作力が増加して操縦性が低下することを防止するための操縦補助機構を備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタに関する。

本願の出願人は、特許文献１において、手軽に使用することの可能な一人乗り等の小型ヘリコプタを提案している。当該文献に開示の小型ヘリコプタは、固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタであり、共通軸線の回りに上下に配置した二つのロータを逆回転させて推進力および揚力を得るものである。

固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタは、互いに逆方向に回転する二つの同形ロータを上下に配置することでトルクを打ち消し合っており、尾部ロータを必要としないので、全体の寸法を小さくでき、一人乗り等の小型ヘリコプタの基本形として適している。機体の姿勢制御や方向制御は、基本的には、ロータのブレードの回転面を水平面に対して前後左右に傾斜させることにより、また、ロータの回転速度を制御することにより行われる。
特開２０００−７２０９５号公報

この種の小型ヘリコプタでは、前進飛行時においては操縦用スティックを操作してロータのブレードの回転面を前傾させ、前向きの水平分力により目標とする方向に進行させるようにしている。前進飛行時には、ロータの回転中心より前方に揚力の中心が移動する。すなわち、ロータの回転中心の下側から吊り下げられている機体の重心よりも前方に揚力の中心が移動する。揚力の中心が重心から前方に離れると、ロータを前傾姿勢に保持するために必要な操縦用スティックの操作力が大きくなる。このため、操作用スティックが重くなり、その操縦性が低下してしまう。

本発明の課題は、前進飛行時に小さな操作力で操縦用スティックを操作できるようにした固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、共通の回転中心軸線の回りに逆方向に回転する上ロータおよび下ロータを備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて：上ロータおよび下ロータを回転自在に支持している垂直シャフトと；垂直シャフトを支持していると共に上ロータおよび下ロータを回転駆動するための駆動部と；垂直シャフトを重心方向に対して前後左右に傾斜させることにより上ロータおよび下ロータのブレードの形成する回転面を傾斜させるための操縦用スティックを備えた操縦機構と；前記上ロータおよび前記下ロータの回転により発生する推力の中心点が、前記操縦用スティックの操作によって移動した場合に、当該中心点を通る垂線に、前記ヘリコプタの重心を通る垂線が一致する方向に、前記駆動部を相対的にスライドさせる操縦補助ユニットと；を有していることを特徴としている。

ここで、操縦機構の操縦用スティックに作用する操作力を検出するための歪計などの検出器を取り付け、操縦補助ユニットにより、検出器の検出値が予め定めた値以下となるように、駆動部のスライド（スライド量およびスライド方向）を制御すればよい。

本発明のヘリコプタでは、前進飛行時には操縦補助ユニットにより、垂直シャフトを支持している駆動部がヘリコプタの重心に対して相対的に後方にスライドして、ロータによる推力の発生中心点がヘリコプタの重心を通る垂線に接近あるいは一致する。駆動部を相対的に後方にスライドさせることにより、操縦機構を操作するために必要な操作力の増加を抑制でき、操縦性を向上させることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した固定ピッチ式同軸２重反転型の一人乗りヘリコプタの実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１には、本実施の形態に係る一人乗りヘリコプタの全体構成を示してある。この図に示すように、一人乗りヘリコプタ１は、機体２と、この機体２の上端部分に取り付けた駆動部３と、駆動部３の下側に取り付けた円環状のマフラ３Ａとを有している。駆動部３によって、同形の上ロータ５および下ロータ６が逆方向に回転駆動される。機体２は金属製のパイプフレーム７から形成されており、当該パイプフレーム７には座席部８が取り付けられ、その下側にはスタンド９が取り付けられている。スタンド９には燃料タンク９Ａが搭載されている。

駆動部３および機体２は操縦機構１１を介して相互に連結されている。操縦機構１１からは、操縦用スティック１２がＬ形に折れ曲がって下方に延び、座席部８に座ったパイロットＰにより操作可能となっている。

（駆動部）
図２は駆動部３を示す平面図であり、図３は駆動部３および操縦機構１１を示す部分側面図であり、図４は駆動部３を示す部分縦断面図である。

これらの図を参照して説明すると、下ロータ６は、中空のロータシャフト６１と、ロータシャフト６１の外周面に固着したロータハブ６２と、ロータハブ６２に対してヒンジ機構を介して支持されている一対のブレード６３、６４とを備えている。上ロータ５も同様な構造であり、中空のロータシャフト５１と、ロータシャフト５１の外周面に固着したロータハブ（図示せず）と、ロータハブに対してヒンジ機構を介して支持されている一対のブレード５３、５４（図１参照）とを備えている。上ロータ５のロータシャフト５１は、その内側に同軸状態に配置されている中空の垂直シャフト４０によって回転自在に支持されており、下ロータ６のロータシャフト６１は上ロータ５のロータシャフト５１の外周に同軸状態で回転自在に支持されている。

駆動部３は、エンジンユニット４と、ここから出力される回転駆動力を逆向きの等速度回転としてロータシャフト５１および６１に伝達する駆動力伝達機構１０とを備えている。エンジユニット４は、本例では、図２から分かるように、９０度の角度間隔で放射状に配列した４基のエンジンユニット４（１）〜４（４）を備えている。各エンジンユニット４はそれぞれクラッチ機構を介して共通の駆動力伝達機構１０に連結されている。各エンジンユニット４のエンジンおよびクラッチ機構は別個独立に駆動可能となっている。従って、例えば、１基のエンジンが故障等によって止まった場合においても支障なく飛行を継続できる。各エンジンユニット４の基本構造は同一であり、図４に示すように、２気筒のエンジン本体４１と、このエンジン本体４１のクランク軸４２にクラッチ機構４３を介して同軸状に連結されている回転出力軸４４と、始動用モータ４９とを備えている。

４基のエンジンユニットのうち２基のエンジンユニット４（１）、４（２）には、それらの回転出力軸４４に、一方向クラッチ４５を介して、中空形の非常用電動モータ４６が取り付けられている。非常用電動モータ４６は、一方向クラッチ４５を挟み、回転出力軸４４に同軸状態で連結されている円筒状のモータロータ４７と、このモータロータ４７の円形外周面に対して一定のギャップで対峙している複数の突極を備えたモータステータ４８とを備えている。エンジン本体４１の側から回転出力軸４４が回転駆動されている状態では、一方向クラッチ４５の作用により、非常用電動モータ４６のモータロータ４７は実質的に停止した状態に保持される。エンジン停止状態において、非常用電動モータ４６に通電して当該非常用電動モータ４６を駆動すると、そのモータロータ４７の回転が一方向クラッチ４５を介して回転出力軸４４に伝達されるので、当該回転出力軸４４を回転させることが可能である。

残りの２基のエンジンユニット４（３）、４（４）には、それらの回転出力軸４４に中空形の発電機４６Ａが同軸状態に取り付けられている。発電機４６Ａは回転出力軸４４の回転によって発電し、発生した電力は不図示のキャパシタに充電されるようになっている。キャパシタが非常用電動モータ４６を駆動するための非常用電源として用いられるようになっている。

なお、非常用電動モータ４６および発電機４６Ａの個数は、２個ずつに限定されるものではない。例えば、非常用電動モータ４６を３基のエンジンユニットに取り付け、残りの１基のエンジンユニットに発電機４６Ａを取り付けてもよい。また、エンジンユニットも４基以外の数とすることも勿論可能である。

ここで、本例においては、不図示の高度センサなどを用いて、緊急落下時の高度が測定され、着地点からの高さが所定の高さ、例えば、５ｍ程度の高さになると、非常用電動モータ４６を起動して、回転出力軸４４を回転駆動する。これにより、緊急落下着地時の衝撃を緩和することができる。非常用電動モータ４６としては、例えば、３０ＨＰ程度の小型のものでよい。また、緊急用であるので、駆動時間も数秒程度のものでよい。

（駆動力伝達機構）
次に、駆動力伝達機構１０は、下側に配置された第１の遊星歯車機構１００と、上側に配置された第２の遊星歯車機構２００とを備えている。第１の遊星歯車機構１００は、上ロータ５のロータシャフト５１の外周面に対して同軸状態でスプライン結合されたサンギヤ１０１と、このサンギヤ１０１に噛み合っている複数個のプラネタリーギヤ１０２と、各プラネタリーギヤ１０２に噛み合っているインターナルギヤ１０３とを備えている。同様に、第２の遊星歯車機構２００も、下ロータ６のロータシャフト６１の外周面にスプライン結合されたサンギヤ２０１と、このサンギヤ２０１に噛み合っている複数個のプラネタリーギヤ２０２と、各プラネタリーギヤ２０２に噛み合ったインターナルギヤ２０３とを備えている。

各遊星歯車機構１００、２００のプラネタリーギヤ１０２、２０２を支持しているキャリアは円筒状の共通キャリア１０４であり、その上端側には第２の遊星歯車機構２００のプラネタリーギヤ２０２が回転自在に支持され、その下端側には第１の遊星歯車機構１００のプラネタリーギヤ１０２が回転自在に支持されている。

インターナルギヤ１０３の上側環状端面およびインターナルギヤ２０３の下側環状端面には、それぞれ、クラウンギヤ７１、７２が固着あるいは一体形成されており、これらの上下一対のクラウンギヤ７１、７２は、各回転出力軸４４の内側の軸端に形成した駆動ピニオン７３と噛み合っている。駆動ピニオン７３の回転中心線４４ａは、ロータ５、６の回転中心軸線（垂直シャフト４０の中心軸線）４０ａに対して直交する方向に延びている。

駆動力伝達機構１０における駆動力の伝達動作を説明する。各回転出力軸４４の先端の駆動ピニオン７３が回転駆動されると、ここに噛み合っているクラウンギヤ７１、７２を介して、インターナルギヤ１０３、２０３が回転中心軸線４０ａを中心として逆方向に等速回転する。各インターナルギヤ１０３、２０３の回転は、共通キャリア１０４によって回転自在に支持されている各プラネタリーギヤ１０２、２０２を介して、それぞれ、サンギヤ１０１、２０１に伝達される。従って、サンギヤ１０１に連結されている上ロータ５のロータシャフト５１と、サンギヤ２０１に連結されている下ロータ６のロータシャフト６１は、逆方向に等速回転する。このようにして、上下のロータ５、６は通常運転時には、逆方向に等速回転する。

（ヨーコントロール機構）
次に、駆動部３にはヨーコントロール機構３００が備わっている。ヨーコントロール機構３００は、第１および第２の遊星歯車機構１００、２００の共通キャリア１０４を回転させる差動回転発生機構である。この機構は、モータ３０１と、共通キャリア１０４の外周面に形成した外歯歯車３０２と、モータ３０１の出力軸３０３と外歯歯車３０２の間を連結している歯車減速機３１０とを備えている。歯車減速機３１０の減速回転出力軸には歯車３１１が取り付けられており、この歯車３１１は伝達歯車３１２を介して、外歯歯車３０２に連結されている。

モータ３０１を駆動すると、その出力軸３０３の回転が、歯車減速機３１０を介して共通キャリア１０４に伝達され、この共通キャリア１０４を所定の方向に所定の速度で回転させる。この結果、第１および第２の遊星歯車機構１００、２００のサンギヤ１０１、２０１の間に差動運動が発生し、一方のサンギヤが他方のサンギヤよりも高速回転する。よって、上下のロータ５、６は、共通キャリア１０４の回転速度に対応した速度差で逆方向に回転することになる。このために、回転中心軸線４０ａの回りに、速度差に応じたモーメント力が発生して、機体２は、回転中心軸線４０ａを中心として、低速回転するロータの回転方向に向きを変えることになる。

従って、モータ３０１の駆動速度、回転方向を制御する制御スイッチ等をパイロットの操作可能な位置に配置しておけば、機体２のヨーコントロールを行うことができる。

（操縦機構）
次に、図３を参照して操縦機構１１について説明する。操縦機構１１は、上ロータ５および下ロータ６を回転自在に支持している垂直シャフト４０を重力方向に対して前後左右に傾斜させることにより上ロータ５、下ロータ６のブレード回転面を傾斜させてヘリコプタ１の推進方向を制御するものである。

操縦機構１１は、機体ベース１３と、この機体ベース１３の上面に取り付けられている操縦補助ユニット１４と、機体ベース１３の下面から吊り下げられている前後揺動機構４００と、この前後揺動機構４００から吊り下げられている左右揺動機構５００と、機体ベース１３に固定した操縦用スティック１２とを備えている。

操縦補助ユニット１４は直動機構から構成されており、駆動モータ１５と、この駆動モータ１５によってヘリコプタが前後方向に直線往復移動するスライダ１６とを備えている。スライダ１６には駆動部３が搭載されており、駆動部３の垂直シャフト４０は垂直な姿勢で軸受け１７を介して回転自在の状態で取り付けられている。スライダ１６は図３に示すように、垂直シャフト４０の回転中心軸線４０ａが、操縦機構１１の中心軸線１１ａに一致した初期位置から後方に所定量だけスライド可能である。

前後揺動機構４００は、機体ベース１３から吊り下がっているガイドレール４０２と、このガイドレール４０２に沿ってスライド可能なスライダ４０３を備えている。ガイドレール４０２は、中心軸線１１ａを上方に延長させた延長線上の中心点Ｏを中心とする所定角度を張る円弧形状をした一定幅のレールである。スライダ４０３は、ガイドレール４０２に対峙している側面にガイドレール４０２の断面形状と相補的な断面形状をしたレール溝４０４が形成されている。ガイドレール４０２およびレール溝４０４の断面形状は、これらが横方向には外れないように設定されている。

左右揺動機構５００も同様な構造となっており、前後揺動機構４００のスライダ４０３から吊り下げられているガイドレール５０２と、このガイドレール５０２に沿ってスライド可能なスライダ５０３を備えている。スライダ５０３はパイプフレーム７の上端に固定されている。ガイドレール５０２は、中心点Ｏを中心とする円弧形状をした一定の幅のレールであり、図において紙面と垂直な方向（機体左右方向）に延びている。スライダ５０３は、ガイドレール５０２に対峙している側面に、ガイドレール５０２の断面形状と相補的な断面形状をしたレール溝５０４が形成されている。ガイドレール５０２およびレール溝５０４の断面形状は、これらが前後方向には外れないようなに設定されている。

この構成の操縦機構１１において、初期状態においては、図３に示すように、垂直シャフト４０の回転中心軸線４０ａと、操作機構１１の中心軸線１１ａが一致している。この状態で機体２が浮上すると、垂直シャフト４０の下側の機体ベース１３の下からは、前後揺動機構４００のスライダ４０３が前後に揺動自在の状態で吊り下げられた状態になる。また、この下側の左右揺動機構５００のスライダ５０３は左右に揺動自在の状態で吊り下げられた状態になる。なお、上側に左右揺動機構５００を配置し、下側に前後揺動機構を配置する代わりに、上下逆の配置を採用してもよいことは勿論である。

この状態で、パイロットＰが操縦用スティック１２を前後あるいは左右に操作すると、前後揺動機構４００のスライダ４０３は回転中心軸線４０ａ上の中心点Ｏを中心として前後に揺動し、左右揺動機構５００のスライダ５０３も同一の中心点Ｏを中心として左右に揺動する。この結果、垂直シャフト４０が前後あるいは左右に傾斜する。従って、そこに取り付けられている上ロータ５、下ロータ６も水平面に対して傾斜するので、ヘリコプタ１の進行方向を制御することができる。また、操縦用スティック１２への操作力を解除すると、重力の作用によって、垂直シャフト４０は垂直状態（重心方向に一致する方向）に自動的に戻る。よって、ヘリコプタ１はホバーリング状態に戻る。

操縦用スティック１２を操作して垂直シャフト４０を傾斜させてロータシャフト５１、６１が傾斜すると、それらに取り付けられている上ロータ５および下ロータ６の回転面が傾き、傾き方向の水平分力により、当該分力方向にヘリコプタ１を進めることができる。この場合、進行方向の飛行速度に伴う揚力増に起因して、操縦用スティック１２が重くなる（大きな操作力が必要になる）。

すなわち、図５（ａ）に示すように、ホバーリング状態では、上下のロータ５、６の回転による発生推力は上向きの垂直成分（揚力）のみであり、ヘリコプタ１の重心位置Ｏ１が垂直線分の延長線上に位置している。これに対して、前進飛行時では進行方向への水平分力を発生させるために上下のロータ５、６が進行方向に傾斜する。この結果、図５（ｂ）に示すように、上下のロータ５、６による推力の発生中心点Ｏ２が、重心位置Ｏ１を通る垂線上から前方に所定量（δ）ずれてしまい、操縦用スティック１２が重くなってしまう。

本例では、操縦補助ユニット１４に垂直シャフト４０を含む駆動部３が搭載されている。前進飛行時においては、操縦補助ユニット１４を駆動して、駆動部３を初期位置から後方に移動させるようにしている。この結果、図５（ｃ）に示すように、上下のロータ５、６の推力の発生中心点Ｏ２を後方に移動させて重心位置Ｏ１に一致あるいは接近させることができる。この結果、前進飛行時などにおける操縦用スティック１２の操作力の増加分をキャンセルあるいは抑制することができ、常に小さな操作力によってヘリコプタ１を操縦することができる。

ここで、操縦用スティック１２に加わる操作力を検出し、この操作力を予め定めた値以下に保持できるように、操縦補助ユニット１４による駆動部３の移動位置を制御すればよい。例えば、図５に示すように、操縦用スティック１２に歪計Ｓを取り付けておき、歪計Ｓが予め定めた値以上にならないように、駆動部３の位置を制御すればよい。

ここで、本例では、前後方向にスライド可能な操縦補助ユニット１４を採用しているが、前後方向と共に左右方向にスライド可能な操作補助ユニットを採用してもよい。例えば、対地速度が１０ｍ／ｓのときに横風が１０ｍ／ｓあるとすると、相対風は斜め前方から約１４ｍ／ｓとなる。このような場合に対応できるように、左右方向にスライドできる操縦補助ユニットを搭載しておくことが望ましい。例えば、本例における前後揺動機構および左右揺動機構の場合と同様に、前後方向にスライド可能なスライド機構と左右方向にスライド可能なスライド機構とを上下に配置すればよい。

本発明を適用した一人乗りヘリコプタの全体構成図である。 駆動部を示す平面図である。 駆動部および操縦機構を示す部分側面図である。 駆動部を示す部分縦断面図である。 操縦補助ユニットの動作説明図である。

符号の説明

１ 一人乗りヘリコプタ
２ 機体
３ 駆動部
３Ａ マフラ
４、４（１）〜４（４） エンジンユニット
５ 上ロータ
６ 下ロータ
７ パイプフレーム
８ 座席部
９ スタンド
９Ａ 燃料タンク
９ａ、９ｂ、９ｃ 車輪
１０ 駆動力伝達機構
１１ 操縦機構
１１ａ 中心軸線
１２ 操縦用スティック
１３ 機体ベース
１４ 操縦補助ユニット
１５ 駆動モータ
１６ スライダ
１７ 軸受け
４０ 垂直シャフト
４０ａ 回転中心軸線
４１ エンジン本体
４２ クランク軸
４３ クラッチ機構
４４ 回転出力軸
４５ 一方向クラッチ
４６ 非常用電動モータ
４６Ａ 発電機
４７ モータロータ
４８ モータステータ
４９ 始動用モータ
５１、６１ ロータシャフト
５２、６２ ロータハブ
５４、５４、６３、６４ ブレード
７１、７２ クラウンギヤ
７３ 駆動ピニオン
１００ 第１の遊星歯車機構
１０１ サンギヤ
１０２ プラネタリーギヤ
１０３ インターナルギヤ
１０４ 共通キャリア
２００ 第２の遊星歯車機構
２０１ サンギヤ
２０２ プラネタリーギヤ
２０３ インターナルギヤ
３００ ヨーコントール機構
３０１ モータ
３０２ 外歯歯車
３０３ 出力軸
３１０ 歯車減速機
３１１ 歯車
３１２ 伝達歯車
４００ 前後揺動機構
４０２ ガイドレール
４０３ スライダ
４０４ レール溝
５００ 左右揺動機構
５０２ ガイドレール
５０３ スライダ
５０４ レール溝
Ｓ 歪計

Claims (2)

1. 共通の回転中心軸線の回りに逆方向に回転する上ロータおよび下ロータを備えた固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて、
   前記上ロータおよび前記下ロータを回転自在に支持している垂直シャフトと、
   前記垂直シャフトを支持していると共に前記上ロータおよび前記下ロータを回転駆動するための駆動部と、
   前記垂直シャフトを重心方向に対して前後左右に傾斜させることにより前記上ロータおよび前記下ロータのブレードの形成する回転面を傾斜させるための操縦用スティックを備えた操縦機構と、
   前記上ロータおよび前記下ロータの回転により発生する推力の中心点が、前記操縦用スティックの操作によって移動した場合に、当該中心点を通る垂線に、前記ヘリコプタの重心を通る垂線が一致する方向に、前記駆動部を相対的にスライドさせる操縦補助ユニットとを有していることを特徴とする固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ。
2. 請求項１に記載の固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタにおいて、
   前記操縦用スティックに作用する操作力を検出するための検出器を有し、
   前記操縦補助ユニットは、前記検出器の検出値が予め定めた値以下となるように、前記駆動部をスライドさせることを特徴とする固定ピッチ式同軸２重反転型ヘリコプタ。

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