JP5416301B1 - ロータヘッド及び無人ヘリコプタ - Google Patents

Abstract

【課題】無人ヘリコプタのロータヘッドを、従来のものよりも慣性モーメントが少なくなるように構成して飛行性能を向上させ、機体に付着した塵埃などがロータヘッドの内部の軸受けに付着し難い構造とする。
【解決手段】マスト４に取り付けられたヨーク７の内部に、フェザリングスピンドル８の一側の軸部８２と、フェザリングスピンドル８２の軸心上に並設されるラジアル軸受け１１，１３及びとスラスト軸受け１２を装填してフェザリングスピンドル８を回転自在に支持し、ヨーク７から突出したフェザリングスピンドル８の他側の軸部８２に、ロータブレード５を支持するブレードホルダー９を締結固定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線操縦による遠隔制御や自律制御によって飛行する産業用やホビー用の無人ヘリコプタのロータヘッドの構造に関する。

メインロータブレードのピッチ角を周期的に変化させるサイクリックピッチコントロールにより機体の前後軸及び左右軸周りの向きを制御して飛行する無人ヘリコプタのロータヘッドとして、例えば図４に示されるように、マスト１００に取り付けたヨーク１０１からマスト１００の径方向外方に向けてフェザリングスピンドル１０２を突設させ、ヨーク１０１から突出したフェザリングスピンドル１０２の軸部に、適宜な間隔を開けて前記スピンドルの軸心１０２Ａ上に並設された一対のラジアル軸受け１０３，１０３とスラスト軸受け１０４とにより、ロータブレード１０６を支持するブレードホルダー１０５を前記軸心周りに回転自在に支持した構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

他のロータヘッドとして、例えば図５に示されるように、マスト１００に取り付けたヨーク１０１の内部にブレードホルダー１０５の軸部１０５ａを挿入し、この軸部１０５ａの端部に固着したボルト１０７とヨーク１０１の端部内面との間に、スラスト軸受け形の二つのベアリング軸受け１０８，１０８を設置して、ヨーク１０１にブレードホルダー１０５を回転自在に軸支させた構成のものが知られている（例えば特許文献２参照）。

特開平４−３８２９８号公報 特開平１０−１００９９７号公報

メインロータの可変ピッチ機構を実現する従来のロータヘッドは、その多くが前記図４に示されるように、ヨーク１０１の内部で固定したフェザリングスピンドル１０２をヨーク１０１から突出させ、ヨーク１０１から突出したフェザリングスピンドル１０２の軸部周面に軸受けを介してブレードホルダー１０５を取り付けて構成されている。
この構成では、ブレードホルダー１０５とフェザリングスピンドル１０２の接続部に複数の軸受けが配置されてロータヘッド全体の直径寸法が大きくなるため、必然的にロータヘッドの重量及び慣性モーメントが大きくなり、メインロータブレードのピッチ角の制御応答性の向上を図ろうとしても機構上限界がある。

また、図４に示されたロータヘッドは、ブレードホルダー１０５をフェザリングスピンドル１０２に回転自在に支持させるための全ての軸受けを、ブレードホルダー１０４内に配置して構成されている。
このようにブレードホルダー１０５内に全ての軸受けを配置した構成では、ロータヘッドの組み立てが容易になるというメリットはあるものの、重量な複数の軸受けがメインロータの回転面内の外側、つまりマスト１００から比較的離れた位置にあることから、慣性モーメントをさらに増加させ、無人ヘリコプタの機体への負荷が増大することとなる。無人ヘリコプタの飛行性能を高めるためには、マスト１００周りで慣性モーメントを低下させ、機体に及ぼす負荷を軽減させる必要がある。
さらに、同図に示されるロータヘッドを備えた無人ヘリコプタを農薬などの薬剤の散布に使用した場合に、機体に付着した薬剤がメインロータの遠心力でブレードホルダー１０５の内部に入り込み、軸受けに薬剤が付着することで摩擦が増大して軸受けを破損させ易いことから、軸受けが設置されたブレードホルダー１０５内のメンテンスを頻繁に行う必要がある。

前記図５に示されたロータヘッドのように、ヨーク１０１の内部に軸受けを配置すれば、薬剤の付着を原因とした軸受けの破損頻度は低下するが、このロータヘッドでは、ブレードホルダー１０５の軸部１０５ａがスラスト軸受け形の二つのベアリング軸受け１０８，１０８で支持されているだけなので、ブレードホルダー１０５の回転軸がぶれてしまい、メインロータのピッチ角を正確に制御することができないという実用上の問題がある。

本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、無人ヘリコプタのロータヘッドにおいて、従来のものよりも慣性モーメントが少なくなるように構成することで無人ヘリコプタの飛行性能を向上させるとともに、薬剤などの機体に付着した粉体や流体、塵埃などがロータヘッドの内部に設置された軸受けに付着し難い構造として軸受けの早期劣化を防止し、メンテナンスを含めた無人ヘリコプタの運用上の便宜向上を図ることを課題とする。

前記課題を解決するための本発明のロータヘッドは、マストに取り付けられてロータブレードを支持する無人ヘリコプタのロータヘッドであって、
マストに一体に取り付けられ内部を円形断面の中空部としたヨークの筒状部の端部に開口部が設けられ、
この筒状部の端部に留めネジを留め付けて固定されることにより開口部を閉鎖するキャップが当該筒状部に着脱自在に設けられ、
一側の端部にフランジ部が設けられたフェザリングスピンドルが、そのフランジ部が設けられた側の端部がヨークの筒状部の内部に挿入され、他側の端部が、当該フェザリングスピンドルの軸部を前記キャップの中央に前記軸部が貫通する大きさで形成された通孔に通してヨークの外方へ突出され、
前記ヨークの中空部内周面とフェザリングスピンドルの軸部外周面との間に装填された複数の軸受けで、ヨークの軸心方向周りにフェザリングスピンドルが回転自在に支持され、
ヨークから突出した前記フェザリングスピンドルの軸部に、ロータブレードを支持するブレードホルダーが取り付けられた構成を有することを特徴とする。

前記ロータヘッドは、フェザリングスピンドルのフランジ部とヨークの端部との間に、前記フランジ部側からラジアル軸受け、スラスト軸受け及びラジアル軸受けを各軸受けの間にカラーを挟んで設置した構成とすることができる。

前記構成のロータヘッドによれば、ヨークの内部にフェザリングスピンドルを軸支する全ての軸受けを設置して構成してあるので、ブレードホルダー内に軸受けを設置した従来のロータヘッドよりも全体の直径寸法を小さくなり、ロータヘッドの構成材料が削減されて軽量化し、慣性モーメントが小さくなってメインロータブレードの制御応答性が向上する。
また、比較的重量な構造部材がロータヘッドの回転中心に近づけて配置されていることにより、遠心力が抑えられるので強度の確保がし易くなり、さらに、ロータヘッド全体の直径寸法が小さいので、従来のロータヘッドを用いて同じメインロータ直径に設定した場合よりも、ロータブレードの面積が大きく確保され、より多くの揚力（推力）を発生させることが可能となる。

また、前記ヨークの端部に開口部を設けるとともに、内部にフェザリングスピンドルの軸部が貫通する通孔を備えていてヨークの端部に取り付けて開口部を閉鎖するキャップを着脱自在に設けた構成のロータヘッドによれば、ヨークの端部からキャップを取り外した状態で、ヨークの開口部からその内部に、フェザリングスピンドルの一側の端部とその軸部周面に嵌着させた軸受けを圧入して設置し、その後、通孔にフェザリングスピンドルの軸部を貫通させたキャップをヨークの端部に取り付けて開口部を閉鎖し、ヨークから突出したフェザリングスピンドルの軸部にブレードホルダーを固定することによりロータヘッドを構成することができる。また、フェザリングスピンドルからブレードホルダーを取り外した後、ヨーク内に軸受けを封入しているキャップをヨークの端部から取り外してヨークの開口部を開放することで、軸受けを交換するなどのメンテナンス作業を容易に行うことができる。

また、本発明の無人ヘリコプタは、前記構成のロータヘッドを具備した構成を有することを特徴とする。
前記構成のロータヘッドを具備した無人ヘリコプタは、機体に搭載したメインロータの駆動源であるエンジン又は電動モータを作動してマストを回転し、マストと一体にメインロータが回転することで生じる揚力によって機体を空中に浮き上がらせるとともに、ヨークに回転自在に取り付けられたブレードホルダーをスワッシュプレートやピッチアームなどを介して適宜に回転させることにより、ロータブレードのピッチ角を周期的に変化させるサイクリックピッチコントロールがなされ、機体の前後軸及び左右軸周りの向きを制御して、無人ヘリコプタを所望の方向へ飛行させることができるように構成される。

本発明のロータヘッドによれば、従来のものよりも重量物がマストに近づけて配置されるようにするべく、ヨークの内部にフェザリングスピンドルを軸支する全ての軸受けを設置して構成してあるので、メインロータが回転したときのマスト周りの慣性モーメントが小さくなって機体にかかる負荷が少なくなり、これにより無人ヘリコプタの飛行性能を高めることができる。
また、全ての軸受けがヨークの内部に設置してあるので、機体に付着した塵埃や流体物などがメインロータの遠心力によりヨーク内部に入り込むことは少なく、無人ヘリコプタを薬剤の散布に使用した場合に薬剤がヨーク内部の軸受けに付着し難くなって、薬剤の付着により軸受けが早期に劣化することを効果的に防止することができる。

本発明のロータヘッドを具備した一実施形態の無人ヘリコプタの正面図と側面図である。 本発明の一実施形態のロータヘッドのヨークとブレードホルダーの接続部の拡大断面図である。 図１の無人ヘリコプタのロータブレードを外した状態における上側ロータヘッド部の外観図である。 従来の一例のロータヘッドの要部拡大断面図である。 従来の他の例のロータヘッドの要部拡大断面図である。

本発明の好適な一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明のロータヘッドを装備した無人ヘリコプタの一実施形態の外観を示している。
この無人ヘリコプタ１は、機体２の上方に上下のメインロータ３，３を同軸上で互いに逆回転するように配置した同軸反転式のヘリコプタであり、無線操縦による遠隔制御により上下のメインロータ３，３のピッチ角を周期的に変化させ、機体２の前後軸及び左右軸周りの向きを制御して飛行するように構成してある。

すなわち、図示した無人ヘリコプタ１は、中空なロアマストの内部にロアマストよりも長いアッパーマストを装填して同軸に配置してなるマスト４を機体２の中央に設置し、機体２の上方に突出したアッパーとロアの両マストに、ロータブレード５を支持させたロータヘッド６をそれぞれ取り付けて上下のメインロータ３，３を構成し、機体２に設けた電動モータを作動して両マストを互いに逆回転させ、両マストと一体に上下のメインロータ３，３がそれぞれ同軸上で互いに逆回転することで飛行に必要な揚力が発生するように設けてある。

図２は上下のメインロータ３，３を構成するロータヘッド６の要部断面を示している。
このロータヘッド６は、マスト４に取り付けられるヨーク７の内部でフェザリングスピンドル８を回転自在に軸支し、ヨーク７の端部から外方へ突出したフェザリングスピンドル８の軸部８２に、ロータブレード５を支持するブレードホルダー９を一体に締結固定して構成してある。

詳しくは、ヨーク７は、内部を円形断面の中空部７１ａとし、且つ端部を開口部７１ｂとした筒状部７１と、筒状部７１の端部に複数の留めネジ１０を留め付けて固定されることにより開口部７１ｂを閉鎖するキャップ７２を有し、前記中空部７１ａの中心軸（軸心）Ａがマスト４の半径方向に沿うように配置してマスト４の外周面に一体に取り付けてある。キャップ７２は、その外周面に留めネジ１０が挿通するネジ孔（図示せず）が複数形成され、その中央にはフェザリングスピンドル８の軸部８２が貫通する大きさの通孔７２ａが形成してある。

フェザリングスピンドル８は、図２に示されるように、その一側の端部にフランジ部８１が設けられ、他端部側の軸部８２には、ブレードホルダー９を固定するためのロックピン１７が挿通する通孔８２ａを設けて形成してある。フェザリングスピンドル８は、そのフランジ部８１が設けられた側の端部が後述する複数の軸受けとともにヨーク７の内部に装填されて、その軸心方向廻りで回転自在に支持されるように設けてある。

ブレードホルダー９は、一側にロータブレード５を一体に取り付けて支持するブレード支持部を備え、フェザリングスピンドル８の軸部８２の外周面に装着し、且つ前記軸部８２に形成された通孔８２ａと当該ブレードホルダー９の装着対応位置に形成された通孔（図示せず）にロックピン１７を嵌着することにより、フェザリングスピンドル８の軸部８２に締結固定されるように形成してある。

ヨーク７の中空部７１ａ内には、前記フェザリングスピンドル８のフランジ部８１側の端部とともに複数の軸受けが装填される。すなわち、図２に示されるように、前記フランジ部８１とヨーク７の端部に取り付けられたキャップ７２との間に、フランジ部８１側からラジアル軸受け１１、スラスト軸受け１２及びラジアル軸受け１３を、各軸受けの間にカラー１４，１５を挟んで、且つフェザリングスピンドル８の軸部８２の外周面とヨーク７の中空部７１ａの内周面間に圧入して設置し、これら軸受けでフェザリングスピンドル８の軸心Ｂをヨーク７の筒状部７１の中心軸Ａ上に配置し、当該中心軸Ａ周りにフェザリングスピンドル８が回転自在に軸支されるように設けてある。同図中、符番１６は前記軸部８２の外周面に嵌着させたリングである。

ロータヘッド６は、キャップ７２を取り外してヨーク７の中空部７１ａを開放させた状態で、その開口部７１ｂから中空部７１ａ内に、フェザリングスピンドル８のフランジ部８１側の端部と軸部８２の周面に嵌着させた前記ラジアル軸受け１１，１３及びスラスト軸受け１２を圧入して設置し、その後、通孔７２ａにフェザリングスピンドル８の他側の軸部８２を貫通させたキャップ７２をヨーク７の開口部７１ｂに被せるとともにヨーク７の端部に留めネジ１０を螺合して取り付け、キャップ７２で中空部７１ａを閉鎖し、その後、ヨーク７から突出したフェザリングスピンドル８の軸部８２にブレードホルダー９を締結固定することにより組み立てられる。軸受け１１，１２，１３を交換するなどのメンテナンスは、フェザリングスピンドル８からブレードホルダー９を取り外した後、前記中空部７１ａ内に軸受けを封入しているキャップ７２をヨーク７の端部から取り外して開口部７１ｂを開放することにより行うことができる。

そして、ロータヘッド６は、図３に示されるように、そのブレードホルダー９の外面にピッチアーム１８が取り付けられ、スワッシュプレート１９のマスト４周りの傾動動作をミキシングアーム２０やアジャストロッド２１などのリンク機構を介してピッチアーム１８に伝達し、ピッチアーム１８とともにブレードホルダー９及びフェザリングスピンドル８が、前記ヨーク７の筒状部７１の中心軸Ａ周りに回転することで、ブレードホルダー９に支持されたロータブレード５のピッチ角を周期的に変化させるサイクリックピッチコントロールがなされるようになっている。

本形態のロータヘッド６によれば、ヨーク７の内部にフェザリングスピンドル８を軸支する全ての軸受け１１，１２，１３を設置して構成してあるので、メインロータ３が回転したときのマスト４周りの慣性モーメントが小さくなって機体２にかかる負荷が少なくなり、これにより無人ヘリコプタ１の飛行性能を高めることができる。
また、全ての軸受け１１，１２，１３がヨーク７の内部に設置してあるので、機体２に付着した塵埃や流体物などがメインロータ３の遠心力によりヨーク７の内部に入り込むことは少なく、塵埃などの付着によりフェザリングスピンドル８を支持する前記軸受け１１，１２，１３が早期に劣化することを効果的に防止することができる。

なお、図示した形態は一例であり、本発明のロータヘッドは他の適宜な形態の無人ヘリコプタに適用することが可能である。実施例では同軸反転式のＲ／Ｃヘリに本発明を適用したが、シングルロータ式のＲ／Ｃヘリや、自律制御によって飛行するヘリコプタにも適用可能である。

１ 無人ヘリコプタ、２ 機体、３ メインロータ、４ マスト、５ ロータブレード、６ ロータヘッド、７ ヨーク、７１ 筒状部、７１ａ 中空部、７１ｂ 開口部、７２ キャップ、７２ａ 通孔、８ フェザリングスピンドル、８１ フランジ部、８２ 軸部、８２ａ 通孔、９ ブレードホルダー、１０ 留めネジ、１１，１３ ラジアル軸受け、１２ スラスト軸受け、１４，１５ カラー、１６ リング、１７ ロックピン、１８ ピッチアーム、１９ スワッシュプレート、２０ ミキシングアーム、２１ アジャストロッド

Claims (3)

1. マスト（４）に取り付けられてロータブレード（５）を支持する無人ヘリコプタのロータヘッド（６）において、
   マスト（４）に一体に取り付けられ内部を円形断面の中空部（７１ａ）としたヨーク（７）の筒状部（７１）の端部に開口部（７１ｂ）が設けられ、
   この筒状部（７１）の端部に留めネジ（１０）を留め付けて固定されることにより開口部（７１ｂ）を閉鎖するキャップ（７２）が当該筒状部（７１）に着脱自在に設けられ、
   一側の端部にフランジ部（８１）が設けられたフェザリングスピンドル（８）が、そのフランジ部（８１）が設けられた側の端部がヨーク（７）の筒状部（７１）の内部に挿入され、他側の端部が、当該フェザリングスピンドル（８）の軸部（８２）を前記キャップ（７２）の中央に前記軸部（８２）が貫通する大きさで形成された通孔（７２ａ）に通してヨーク（７）の外方へ突出され、
   前記ヨーク（７）の中空部（７１ａ）内周面とフェザリングスピンドル（８）の軸部（８２）外周面との間に装填された複数の軸受けで、ヨーク（７）の軸心方向周りにフェザリングスピンドル（８）が回転自在に支持され、
   ヨーク（７）から突出した前記フェザリングスピンドル（８）の軸部（８２）に、ロータブレード（５）を支持するブレードホルダー（９）が取り付けられた構成を有することを特徴とする無人ヘリコプタのロータヘッド。
2. フェザリングスピンドル（８）のフランジ部（８１）とヨーク（７）のキャップ（７２）が取り付けられる側の端部との間に、前記フランジ部（８１）側からラジアル軸受け（１１）、スラスト軸受け（１２）及びラジアル軸受け（１３）を各軸受けの間にカラー（１４，１５）を挟んで設置した構成を有する請求項１に記載の無人ヘリコプタのロータヘッド。
3. 請求項１又は２に記載のロータヘッドを具備した構成を有する無人ヘリコプタ。