JP6180055B1 - 飛行体 - Google Patents

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Abstract

【課題】安全性及び耐久性の高い飛行体を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の飛行体100は、無人で飛行できる飛行体100であって、張殻構造をなす球形状の外球1と、前記外球1に回転自在に支持され、前記外球1の中心を通り、モータ2からの動力を受けて回転軸3aを中心に回転する主軸部材3と、前記主軸部材3に取り付けられ、前記主軸部材3と一体となって回転する球形状の中球4と、前記外球1に設けられ、前記回転軸3aに直交する方向に対向する少なくとも一対の開口7、8と、前記一対の開口7、8の少なくとも一方に設けられ、前記回転軸3aに直交するプロペラ軸6aを中心に回転するプロペラ6と、を備える。【選択図】 図1

Description

本発明は、飛行体に関するものである。
従来、ドローンと呼ばれる飛行体が知られており、無人で飛行できる4つのロータを備えたマルチコプター型のものがある。
このような飛行体は、ロータ軸(プロペラ軸)が鉛直に設けられており、天空に向く推進力を得て、気流を地表に向けて発生させるものが主流である。
特許文献1に開示された飛行体は、4つのロータを籠状保護球体の内部に配置した飛行体であるが、その安全性や耐久性には改良する余地がある。
特許5837032号公報
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、安全性及び耐久性の高い飛行体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、以下の構成によって把握される。
(1)本発明の飛行体は、
無人で飛行できる飛行体であって、張殻構造をなす球形状の外球と、前記外球に回転自在に支持され、前記外球の中心を通り、モータからの動力を受けて回転軸を中心に回転する主軸部材と、前記主軸部材に取り付けられ、前記主軸部材と一体となって回転する球形状の中球と、前記外球に設けられ、前記回転軸に直交する方向に対向する少なくとも一対の開口と、前記一対の開口の少なくとも一方に設けられ、前記回転軸に直交するプロペラ軸を中心に回転するプロペラと、を備える。
(2)上記(1)の構成において、
前記一対の開口の一方は、空気を外球の外側から内側に流入させる流入口であり、他方は空気を外球の内側から外側に流出させる流出口である。
(3)上記(1)又は(2)の構成において、
前記中球の外側面には、ディンプルが設けられる。
(4)上記(1)から(3)のいずれかの構成において、
前記外球は、球形状を2分割した形状である第1半球体と第2半球体とを備える。
(5)上記(4)の構成において、
前記モータは、前記第1半球体と前記第2半球体との間に支持される。
(6)上記(4)の構成において、
前記一対の開口は、前記第1半球体と前記第2半球体との間に設けられる。
(7)上記(4)の構成において、
前記第1半球体における外側の面と内側の面との間の距離である厚さは、前記第2半球体の外側の面と内側の面との間の距離である厚さより大きい。
本発明によれば、安全性及び耐久性の高い飛行体を提供できる。
飛行体の斜視図である。 同上平面図である。 同上正面図である。 同上側面図である。 外球の説明図である。 中球の斜視図である。 同上平面図である。 同上正面図である。 同上側面図である。 中球の説明図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態(以下、実施形態)について詳細に説明する。
(実施形態)
図1は飛行体100を斜め上方から視下ろした斜視図であり、図2は飛行体100の平面図であり、図3は同正面図であり、図4は同側面図であり、図5は外球1の説明図であり、(a)は第1半球体11の説明図であり、(b)は筒状体13等の説明図であり、(c)は第2半球体12の説明図である。図6は中球4を斜め上方から視下ろした斜視図であり、図7は中球4の平面図であり、図8は同正面図であり、図9は同側面図であり、図10は中球4の説明図であり、(a)は第4半球体42の説明図であり、(b)は第3半球体41の説明図であり、(c)は第3半球体41と第4半球体42との接合部41s、42sの詳細断面図である。
なお、以下の説明では、外球1の中心oに近づく方向を内側と呼び、外球1の中心oから離れる方向を外側と呼ぶ場合がある。図3は飛行時の姿勢を示しており、図3において上が天空方向、下が地表方向、左右が水平方向を示す。
図1に示すように、飛行体100は、無人で飛行できる物体であり、張殻構造(躯体の外板に応力を受け持たせる構造であり、モノコック構造ともいう。)をなす球形状の外球1と、外球1に回転自在に支持され、外球1の中心oを通り、モータ2からの動力を受けて回転軸3aを中心に回転する主軸部材3と、主軸部材3に取り付けられ、主軸部材3と一体となって回転する球形状の中球4と、外球1に設けられ、回転軸3aに直交する方向に対向する少なくとも一対の開口7、8と、一対の開口7、8の少なくとも一方に設けられ、前記回転軸3aに直交するプロペラ軸6aを中心に回転するプロペラ6と、を備える。
飛行体100は、マグヌス効果によって生じる揚力によって浮上する。なお、マグヌス効果とは、回転している物体に回転軸と直角方向に流れが当るとき、物体は流れの方向と回転軸とがなす平面に対して直角の方向に力を受ける現象であり、例えば、反時計回りに回転する物体に右方から流れが当るとき、力は上向きに働き、力の大きさは流速及び物体の回転角速度に比例する。この原理を飛行体100に応用したときの作用については後述する。
以下、各部を個別に説明する。
(外球)
図1から図4に示すように、外球1は、球形状を2分割した形状である第1半球体11と第2半球体12との互いの縁端同士を嵌め合わせて、一体に組み立てたものであり、全体が略球形状である。
図5(a)に示すように、第1半球体11には、一対の半円形状の切り欠き11cが、縁端の対向する位置に設けられ、縁端の他の位置には第2半球体12と接合する接合部11sが設けられる。
第1半球体11の接合部11sとしては、例えば、第2半球体12の嵌合凹部に対して嵌め合わされる嵌合凸部としてよい。
また、第1半球体11には、縁端の他の位置の一方に、モータ2を支持するモータ支持部11mが設けられる。
さらに、第1半球体11には、縁端の他の位置の他方に、後述する主軸部材3を回転自在に支持する主軸受11bが設けられる。
第1半球体11と同様に、第2半球体12には、図5(c)に示すように、一対の半円形状の切り欠き12cが、縁端の対向する位置に設けられ、縁端の他の位置には第1半球体11と接合する図示しない接合部12sが設けられる。
第2半球体12の接合部12sとしては、例えば、第1半球体11の嵌合凸部に対して嵌め合わされる嵌合凹部としてよい。
また、第2半球体12には、縁端の他の位置の対向する位置の一方に、モータ2を支持する図示しないモータ支持部12mが設けられる。
さらに、第2半球体12には、第2半球体12の縁端の他の位置の対向する位置の他方に、後述する主軸部材3を回転自在に支持する図示しない主軸受12bが設けられる。
なお、主軸受及びモータ支持部は、第1半球体11と第2半球体12のいずれか一方にのみ設けてもよく、主軸受を第1半球体11と第2半球体12の一方に設け、モータ支持部を第1半球体11と第2半球体12の他方に設けてもよい。このように、主軸受及びモータ支持部の位置を設定することで、飛行体100の重心を調節できる。
そして、第1半球体11の縁端と第2半球体12の縁端と互いに向き合わせて、第1半球体11の切り欠き11cと第2半球体12の切り欠き12cとの位置を合わせた状態で互いに接合すると、図1から図3に示すように、第1半球体11と第2半球体12との間に、一対の開口7、8が設けられる。
一対の開口7、8の一方は、空気を外球1の外側から内側に流入させる流入口であり、他方は空気を外球1の内側から外側に流出させる流出口である。これにより、図3に示すように、開口7から開口8へ向けて外球1と中球4との間に気流A及び気流Bを発生させることができ、これらの気流と回転する中球4との相互作用により、マグヌス効果による揚力が得られる。
また、図5に示すように、開口7を構成する切り欠き11c及び切り欠き12cには、開口7の周縁に沿うようにして筒状体13の一端13aが固定される。
筒状体13の他端13bには、後述するプロペラ軸6aを支持するとともに、空気の流れを妨げずに流通させるための孔が設けられた有孔板14が固定される。これにより、外球1の内部を保護できる。さらに、有孔板14をハニカム構造とすると、空気の流れを妨げずに流通させるための孔が設けられると同時に、剛性を確保できるので、軽量化ができる。
同様に、開口8を構成する切り欠き11c及び切り欠き12cには、開口8の周縁に沿うようにして別の筒状体13の一端13aが固定され、その筒状体13の他端13bには、有孔板14が固定される。
有孔板14の中央には、回転軸3aに直交するプロペラ軸6aを軸支するプロペラ軸受15が固定される。
有孔板14の内側には、プロペラ軸6aに連結される出力軸を備え、プロペラ6を回転させる動力を与える、図示しないモータ6mが配置される。なお、プロペラ6を回転させる動力を、主軸部材3に動力を与えるモータ2から機械的に分岐させて得てもよい。その際は、プロペラ軸6aとモータ2との間に、リンクやギアやクラッチを適宜設ける。モータ2とモータ6mを駆動するバッテリは1箇所に集中させて分配してもよく、個別に設けてもよく、重心が所望の位置となるように調節する。
なお、開口7、8は、プロペラ6を外側から覆う、図示しない網状体を備えてもよい。
これにより、プロペラ6が障害物に接触することを防ぐことができ、プロペラ6の破損を防ぐことができる。また、網状体の網目は使用者の指等が入らないように、例えば5mm四方の大きさとすることで、更に安全性を向上できる。
(モータ)
モータ2は、図示はしないが、出力軸に連結されるロータ及び外球1に連結されるステータを備え、バッテリから給電されて駆動回路によって駆動される電動モータが用いられる。なお、バッテリは、飛行体100の重心を考慮して、外球1の内部に適切に配置する。例えば、バッテリを、外球1の内側の表面であって、モータ2が設けられる位置に対向する位置に配置して、バランスさせることにより、重心を飛行体100の中心に近づけてもよい。
図3及び図4に示すように、モータ2は、モータ支持部11mとモータ支持部12mの間に支持される。これにより、モータ2を外球1へ組み込む作業及びメンテナンスがし易くなる。
なお、モータ2を主軸部材3の両端に設けて、2つのモータ2によって主軸部材3を回転させてもよい。これにより、重心を中心oに近づけてバランスさせることができる。モータ2を第2半球体12の内側面の中央に設けてもよい。これにより、飛行体100の重心が、飛行時の姿勢(図3の姿勢)で中心o(外球1の図心)より地表側(図3の下側)になり、飛行時の姿勢が安定する。
(主軸部材)
主軸部材3は、両端が、モータ支持部11m、12m及び主軸受11b、12bを介して外球1に回転自在に支持され、外球1の中心oを通り、モータ2からの動力を受けて回転軸3aを中心に回転するものである。
図2及び図3に示すように、主軸部材3には、主軸部材3と一体となって回転する後述の球形状の中球4が固定される。
回転軸3aは、先述のプロペラ軸6aに対して水平面で直交している。これにより、プロペラ軸6aに沿って流入する気流に対して回転軸3aが水平面で直交するので、マグヌス効果によって生じる鉛直方向の揚力を効率的に発生させることができる。
なお、主軸部材3は、中球4を貫通して、外球1の一端から他端に渡って掛け渡されるものでよく、中球4を貫通せずに、中球4の外側に固定してもよい。前者は中球4の内側に主軸部材3がある分、剛性を向上でき、後者は中球4の内側に主軸部材3がない分、軽量化を図ることができる。また、主軸部材3の一端のみを外球1に回転自在に支持し、他端に中球4を固定することで中球4を片持ち支持してもよい。これにより、主軸部材3の両端を外球1に支持する構造に比べて、軽量化が図れる。
(中球)
図6から図9に示すように、中球4は、主軸部材3に固定され、主軸部材3と一体となって回転する球形状の中空体である。
図10(a)及び(b)に示すように、中球4は、球形状を2分割した形状である第3半球体41と第4半球体42との互いの縁端同士を嵌め合わせて、一体に組み立てたものであり、全体が略球形状である。なお、図10(c)は第3半球体41の接合部41s及び第4半球体42接合部42sの詳細断面図である。
図10(b)に示すように、第3半球体41の縁端には、第4半球体42と接合する嵌合凸部である接合部41sが設けられる。なお、第3半球体41の接合部41sとしては、例えば、第4半球体42の嵌合凸部に対して嵌め合わされる嵌合凹部としてよい。
同様に、図10(a)に示すように、第4半球体42の縁端には、第3半球体41と接合する嵌合凹部である接合部42sが設けられる。なお、第4半球体42の接合部42sとしては、例えば、第3半球体41の嵌合凹部に対して嵌め合わされる嵌合凸部としてよい。
このようにすることで、主軸部材3と中球4との組み立て及び分解がし易くなる。
中球4の内側は外側に対して気密となっており、図6から図9にて破線で示すように、内側の表面には、風圧が中球4の外側に作用しても中球4に過度の変形が生じないように、内側の表面に沿う補強リブ及び中球4の中心から放射状に延びて中球4の内側の表面に結合される補強梁が設けられる。なお、中球4の球状部分の剛性で十分であれば、補強リブや補強梁は無くてもよい。
中球4の外側の表面には、多数の凹状の窪みで形成されたディンプル43が設けられる。これにより、外側の表面の周囲に乱流が発生し易くなり、気流が外側の表面から剥離しにくくなるので、マグヌス効果を効率的に発揮できる。ディンプル43は多数の凸状の突起等であってもよく、中球4の外側の表面の流れが剥離しにくくするものであればよい。
以上のように、中球4が回転軸3aを中心として回転し、外球1と中球4との間に発生する気流との相互作用により、マグヌス効果による揚力を得ることができる。
また、中球4が回転軸3aを中心として回転することにより、ジャイロ効果(物体が自転運動をすると姿勢を乱されにくくなる現象)が発揮されるので、離陸時の姿勢を維持できる。また、中球4をジャイロセンサとして利用することで、姿勢制御の基準とすることができる。
なお、中球4は、第3半球体41の縁端と第4半球体42縁端の端面同士を接着して形成してもよく、第3半球体41と第4半球体42とを組み立てたものとせずに、シームレスの一体成形としてもよい。これにより、接合部41s及び接合部42sの部分を軽量化できる。
(プロペラ6)
図4に示すように、プロペラ6は、プロペラ軸6aと、プロペラ軸6aに固定される2枚のブレード6bを備える。
プロペラ軸6aは、有孔板14の内側に配置されたモータ6mの出力軸に連結される。
そして、モータ6mの動力によりプロペラ6が回転し、ブレード6bのピッチに応じて外球1の外側から内側へ空気を流入し、又は内側から外側へ空気を流出する。
プロペラ6は、開口7と開口8のそれぞれに収容されるようにして設けられる。これにより、ブレード6bが直接人体や障害物に接触する機会が減り、安全性及び耐久性が上がる。また、開口7と開口8の内側に収容されるので、プロペラ音が飛行体100の外側に拡散せず、静音化が図れる。
また、開口7に設けられたプロペラ6のブレード6bは、外球1の外側から内側へ空気を流入させるピッチとなっている。
これに対して、開口8に設けられたプロペラ6のブレード6bは、外球1の内側から外側へ空気を流出させるピッチとなっている。
なお、ブレード6bの枚数は、飛行体100の寸法の大きさや動力の大きさや要求される運動能力の大きさ等によって適宜設定されるものであり、二重反転プロペラとして飛行体100にかかるカウンタートルクを相殺したり、プロペラ効率を向上させたりしてもよい。開口7に配置されるプロペラ6の回転方向と開口8に配置されるプロペラ6の回転方向を逆にして、飛行体100にかかるカウンタートルクを相殺してもよい。
(作用)
以下、上記のように構成した飛行体100の作用を説明する。
(1)図3に示すように、飛行体100を、開口7及び開口8が水平方向で対向するように地表に設置する。
(2)モータ2を作動させて、モータ2の出力軸を、図3において反時計回りに回転させる。そうすると、出力軸に連結された主軸部材3が連動して回転し、主軸部材3に固定された中球4が主軸部材3と連動して反時計回りに回転する。
(3)また、モータ2を作動させると同時に、モータ6mを作動させると、モータ6mの出力軸が回転し、出力軸に連結されたプロペラ軸6aが連動して回転し、プロペラ軸6aに固定されたブレード6bが連動して回転する。
(4)そして、ブレード6bの回転により、流入した空気は、開口7から空気が流入し、中球4によって流れが変わり、開口8から流出され、図3において左向きの矢印で示すように、開口7から開口8に向かう気流A及び気流Bが発生する。
(5)中球4が反時計回りに回転しているので、マグヌス効果により、中球4には、図3において上向きの矢印で示すように揚力が作用する。
(6)中球4に作用する揚力は、主軸部材3を経て、主軸部材3を支持する外球1に作用するので、飛行体100に作用する揚力となる。
(7)飛行体100に作用する揚力が飛行体100の重量を超えると、飛行体100は地表から離陸して浮上し、図3に示す姿勢(図3の下が地表)で飛行する。
以上のような作用により飛行体100は飛行する。
したがって、飛行体100が適宜備える各種センサ、各種アクチュエータ及びそれらを統合制御する制御装置により、飛行体100の位置、速度及び/又は加速度を自動制御して、自由に飛行させることができる。
さらに、飛行体100に無線通信機を設けることにより、別途用意した無線操縦装置により、飛行体100を遠隔操作して姿勢や位置を制御したり、飛行体100にカメラを設けることにより、所望の画像を撮像したりできる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明に係る飛行体は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変化が可能である。
例えば、外球1における外側の球面の中心と、中球4における外側の球面の中心を通る中球4の回転軸3aとを一致させた状態で、外球1を構成する第1半球体11における外側の面と内側の面との間の距離である厚さを、第2半球体12の外側の面と内側の面との間の距離である厚さより大きくしてもよい。
これにより、第1半球体11の内側の面と中球4の外側の面との間の空間である図3における気流Aの流路の断面積が、第2半球体12の内側の面と中球4の外側の面との間の空間である気流Bの流路の断面積より狭くなり、気流Aの流速が気流Bの流速と比べて速くなるので、ベルヌイの定理に従い、中球4の上面の圧力が下面の圧力より低くなり、中球4に対して上向きに働く揚力がより効率よく得られる。
また、外球1と中球4との間の空間又は外球1の外側にフラップ等のアクチュエータを設け、飛行体100の姿勢を変えられるようにしてもよく、飛行体100に無線通信機を設け、飛行体100に向けて遠隔で操作信号を送信して、遠隔操作できるようにしてもよく、飛行体100にカメラを設け、無線通信機により撮像データを送信できるようにしてもよい。
また、飛行体100に高度センサやGPS等の位置センサや加速度センサを設け、プロペラ6を駆動するモータ6mの回転数や中球4を駆動するモータ2の回転数やフラップ等のアクチュエータの動きを制御する制御装置を設けて、飛行体100の高度や位置を自動制御又は遠隔操作してもよい。
飛行体100にジャイロセンサを設けるか又は中球4をジャイロセンサとして利用して、プロペラ6の回転速度や中球4の回転速度を制御する制御装置を設けて、制御装置により飛行体100の姿勢を自動制御又は遠隔操作してもよい。
本発明によれば、外球が張殻構造をなす球形状であるので、籠状のものとは異なり、外球と中球との間に発生させた気流が外球の外側に漏れて拡散されることなく、気流の流速を効率良く上げることができ、マグヌス効果によって生じる揚力が効率良く得られる。
本発明によれば、外球が球形状であるので、使用者が直接手に取っても、使用者が怪我を負うことがなく安全であり、使用者が直接手に取ってから空中に投げ放ち易い。よって、玩具として使用できる。また、外球が球形状であるので、墜落時に飛行体100が地表を転動することにより、衝撃時の応力ピークを低減でき、飛行体100の耐久性が向上する。
本発明によれば、外球が張殻構造をなす球形状であるので、障害物に衝突したり、地表に落下したり、地表を転がったりしても、外球全体に応力を分散でき、損傷を最小限にできる。
本発明によれば、外球及び中球がいずれも球形状であり、相似であるので、外球と中球との間に揚力の発生に必要な気流の流路を確保しつつ、全体をコンパクトにできる。
本発明によれば、中球の回転軸に直交するプロペラ軸を中心に回転するプロペラを設けたので、気流の方向と回転軸とがなす平面に対して直角の方向にマグヌス効果による揚力が発生し、離陸時及び飛行姿勢においてプロペラ軸が水平になり、ロータ軸(プロペラ軸)が鉛直に設けられて気流を地表に向けて下向きに発生させるものに比べて地表の粉塵を舞い上げにくい。また、上空を飛行しても、地表に向けた気流を発生しないので、地表にモータ音やプロペラ音が伝達しにくく静音化が図れる。さらに、ロータ軸が鉛直に設けられて気流を地表に向けて下向きに発生させるものに比べて省エネルギーで飛行できる。
本発明によれば、一対の開口の一方を、空気を外球の外側から内側に流入させる流入口とし、他方を空気を外球の内側から外側に流出させる流出口とするので、揚力の大きさに影響する外球と中球の間の気流速度を確保し易く、効率的に揚力を発生できる。
本発明によれば、中球の外側面にディンプルを設けたので、中球の外側の表面の周囲に乱流が発生し易くなり、気流が中球の外側面から剥離しにくくなるので、マグヌス効果を効率的に発揮でき、効率的に揚力を発生できる。
本発明によれば、外球が、球形状を2分割した形状である第1半球体と第2半球体とを備えるので、同形状とすることで生産性が上がり、組み立てがし易い。
本発明によれば、モータが、第1半球体と第2半球体との間に支持されるので、第1半球体と第2半球体とを同形状とすることで生産性が上がり、組み立て易く、メンテナンスし易い。
本発明によれば、一対の開口が、第1半球体と第2半球体との間に設けられるので、第1半球体と第2半球体とを同形状とすることで生産性が上がり、組み立て易く、メンテナンスし易い。
1 外球
2 モータ
3 主軸部材
3a 回転軸
4 中球
6 プロペラ
6a プロペラ軸
6b ブレード
6m モータ
7 開口
8 開口
11 第1半球体
11b 主軸受
11c 切り欠き
11m モータ支持部
11s 接合部
12 第2半球体
12b 主軸受
12c 切り欠き
12m モータ支持部
12s 接合部
13 筒状体
14 有孔板
15 プロペラ軸受
41 第3半球体
41s 接合部
42 第4半球体
42s 接合部
43 ディンプル
100 飛行体
A 気流
B 気流
o 中心

Claims (7)

  1. 無人で飛行できる飛行体であって、
    張殻構造をなす球形状の外球と、
    前記外球に回転自在に支持され、前記外球の中心を通り、モータからの動力を受けて回転軸を中心に回転する主軸部材と、
    前記主軸部材に取り付けられ、前記主軸部材と一体となって回転する球形状の中球と、
    前記外球に設けられ、前記回転軸に直交する方向に対向する少なくとも一対の開口と、
    前記一対の開口の少なくとも一方に設けられ、前記回転軸に直交するプロペラ軸を中心に回転するプロペラと、を備える
    ことを特徴とする飛行体。
  2. 前記一対の開口の一方は、空気を外球の外側から内側に流入させる流入口であり、他方は空気を外球の内側から外側に流出させる流出口である
    ことを特徴とする請求項1に記載の飛行体。
  3. 前記中球の外側面には、ディンプルが設けられる
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の飛行体。
  4. 前記外球は、球形状を2分割した形状である第1半球体と第2半球体とを備える
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の飛行体。
  5. 前記モータは、前記第1半球体と前記第2半球体との間に支持される
    ことを特徴とする請求項4に記載の飛行体。
  6. 前記一対の開口は、前記第1半球体と前記第2半球体との間に設けられる
    ことを特徴とする請求項4に記載の飛行体。
  7. 前記第1半球体における外側の面と内側の面との間の距離である厚さは、前記第2半球体の外側の面と内側の面との間の距離である厚さより大きい
    ことを特徴とする請求項4に記載の飛行体。
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