JP6589100B1 - フレーム組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を図りつつモータを放熱することができる回転翼フレーム組立体を提供する。【解決手段】回転翼機用のフレーム組立体１は、回転翼２１を回転させるモータを制御する制御回路を実装可能なプリント基板であるボトムプレート１１を備えている。ボトムプレートは、モータを搭載可能であり、搭載されたモータを冷却するための冷却構造として、全体にわたって（ただし回路が形成される部分を除く）銅箔が配される。伝熱性の銅箔を回路と連通させることで、回路の熱を拡散させることができる。かかる構成によれば、軽量化を図りつつモータを放熱することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、フレーム組立体に関する。

複数のプロペラを有する無人飛行体が各種の分野で使われている。プロペラはモータにより回転される。モータの故障を防止するためにモータの放熱が考慮される。特許文献１には、モータの上端に放熱防水蓋を設け、放熱防水蓋から放出される気流によりモータの放熱を行う無人航空機が開示されている。

特表２０１７−５３５４７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の無人航空機では放熱防水蓋を各モータに取り付けるため重量増が不可避である。

本発明は、このような背景を鑑みてなされたものであり、軽量化を図りつつモータを放熱することのできるフレーム組立体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、回転翼機用のフレーム組立体であって、回転翼を回転させるモータを制御する制御回路を実装可能なプリント基板を備え、前記プリント基板は、前記モータを搭載可能であり、搭載された前記モータを冷却するための冷却構造を備えることとする。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、軽量化を図りつつモータを放熱することができる。

本発明の一実施形態に係るフレーム組立体１の下面図である。 本発明の一実施形態に係るフレーム組立体１の上面図である。 本発明の一実施形態に係るフレーム組立体１の斜視図である。 ボトムプレート１１にモータ２０を搭載した状態のモータマウント１１１の断面を表す模式図である。 モータマウント１１１近傍の拡大図である。 制御回路１９からの熱伝導を説明する図である。 塗料１４１を削った状態を表すモータマウント１１１の斜視図である。 図７のＡ−Ａ断面図である。 放熱ＶＩＡ２４を設けた場合のモータマウント１１１の断面図である。

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による飛行体は、以下のような構成を備える。

［項目１］
回転翼機用のフレーム組立体であって、
回転翼を回転させるモータを制御する制御回路を実装可能なプリント基板を備え、
前記プリント基板は、前記モータを搭載可能であり、搭載された前記モータを冷却するための冷却構造を備えること、
を特徴とするフレーム組立体。

［項目２］
請求項１に記載のフレーム組立体であって、
前記プリント基板は伝熱層を含み、
前記冷却構造は、前記モータの搭載面に前記伝熱層を暴露していること、
を特徴とするフレーム組立体。

［項目３］
請求項２に記載のフレーム組立体であって、
前記伝熱層は金属であること、
を特徴とするフレーム組立体。

［項目４］
請求項１に記載のフレーム組立体であって、
前記プリント基板は伝熱層を含み、
前記伝熱層は、前記制御回路が実装される部分と前記冷却構造が設けられる部分との間で連通していること、
を特徴とするフレーム組立体。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本発明の一実施形態に係るフレーム組立体１について、図面を参照しながら説明する。本実施形態のフレーム組立体１は、飛行体のフレームを構成する。図１は本実施形態に係るフレーム組立体１の下面図であり、図２は本実施形態に係るフレーム組立体１の上面図である。図３は本実施形態に係るフレーム組立体１の斜視図である。図１および図２の紙面における上下方向が、飛行体の前後方向である。

フレーム組立体１は、ボトムプレート１１と、ボトムプレート１１に略平行なトッププレート１２とを備える。ボトムプレート１１は、両面に回路が形成される銅コア基板のプリント基板である。ボトムプレート１１には、例えばモータ２０の制御を行うフライトコントローラなどの電子部品が実装される。本実施形態では、ボトムプレート１１の中央部１１５の前後中央部分にフライトコントローラを含む制御回路１９が実装される。図１の例では、制御回路１９が実装される部分の下部には、制御回路１９を保護するカバー１８が配されている。ボトムプレート１１は、繊維強化された基板の上に銅箔および回路パターンが形成され、表層に絶縁層（レジスト）が形成される。基板は、例えばガラスエポキシ基板（ＦＲ４；Flame Retardant Type 4）である。ボトムプレート１１上で電子部品が配置されて半田付けが行われる部分には絶縁層が設けられず、銅箔にメッキが施される。本実施形態では、トッププレート１２もボトムプレート１１と同じプリント基板であるものとする。本実施形態のフレーム組立体１では、ボトムプレート１１およびトッププレート１２は、全体にわたって（ただし回路が形成される部分を除く）銅箔が配される。銅箔の張力を利用してボトムプレー１１およびトッププレート１２の曲げ強度を高めることができる。さらに、伝熱性の銅箔を回路と連通させることで、回路の熱を拡散させることもできる。すなわち、一般的にプリント基板の銅箔部分は回路やノイズシールドを構成するために使用されるところ、本実施形態のフレーム組立体１では、フレームの補強と放熱とにも利用している。なお、ボトムプレート１１は、銅などの金属をコアとするメタルコア基板またはメタルベース基板であってもよい。

ボトムプレート１１は、モータ２０を実装可能である４つのモータマウント１１１を備える。図１ないし図３では、モータマウント１１１にはモータ２０が搭載された状態が示されている。モータマウント１１１はアーム１１２および１１３により支持される。アーム１１２および１１３は、ボトムプレート１１と一体的に形成される。アーム１１２および１１３は、ボトムプレート１１の外側に湾曲している。これにより、側面方向での衝突時に側面からの力に耐えることができる。

複数のモータマウント１１１を備えるボトムプレート１１は点対称になっている。これにより、飛行体の操作時には、操縦者に重心のブレを感じにくくさせることができる。さらに、フレーム組立体１は前後対称でありかつ左右対称である。これにより、飛行体の制御特性の対称性が確保され、操作の違和感を低減することが可能となり、さらには、飛行体の落下時においても、水平を保ちやすくすることができる。したがって、飛行体の落下時には空気抵抗で減速することが期待され、破損被害を少なくすることができる。

モータマウント１１１はモータ２０の底面と同一または底面よりも大きく形成される。これにより、衝突時にモータ２０を保護することができる。

ボトムプレート１１の前後方向端部にはプロペラガード１１４が設けられ、トッププレート１２の前後方向端部にはプロペラガード１２１が設けられる。プロペラガード１１４および１２１は、飛行体の衝突時に、モータ２０に取り付けられる回転翼（プロペラ）２１とモータ２０とを保護する。

アーム１１２およびアーム１１３は、略直線上に配置され、モータマウント１１１から略逆方向に延在する。すなわち、アーム１１２およびアーム１１３は、モータマウント１１１を略対向する位置で支持する。アーム１１２およびアーム１１３がモータマウント１１１を略対向する位置で支持することにより、モータマウント１１１を安定的に支持することが可能となる。したがって、モータ２０が回転した場合にも、プロペラ２１による推力に反発する応力に耐え得る。また、モータ２０の動作に起因する振動を抑制し得る。よって、フレーム組立体１の強度を向上するとともに、モータ２０を安定させて、ひいては飛行体の飛行を安定させることができる。また、プロペラの後流を遮るアームの面積を減らしエネルギ効率を向上することができる。なお、アーム１１２およびアーム１１３は、直線上になくてもよいが、幾何的に、２つある支持点の中点と作用点（モータ２０の中心）を結ぶ線が片持ちアームと等価となり、２つのアーム１１２および１１３が直線に近づくほど、片持ちアームの場合で言うアームの長さが短くなり撓みにくくなる。計算上、アーム１１２およびアーム１１３により形成される鋭角は２０度以下であることが好適である。

アーム１１２および１１３は、ボトムプレート１１の絶縁層に含まれる強化繊維の長手方向に延在する。これにより、ボトムプレート１１の絶縁層の強度を効果的に活かすことができる。

ボトムプレート１１の左右それぞれにおいて、前後のアーム１１３の間にはブリッジ１１９が設けられる。これによりフレーム組立体１のねじれ剛性が向上される。

アーム１１２、モータマウント１１１、アーム１１３、中央部１１５およびプロペラガード１１４により開口部１２０が形成される。開口部１２０を設けることにより、プロペラ２１が回転された場合に発生する気流を遮らないようにすることができ、またフレーム組立体１を軽量化することができる。

ボトムプレート１１のプロペラガード１１４は、カメラガード１１７の張力とアーム１１２の支持とにより、フレーム組立体１が前方または前方斜め方向からの力を受けた場合にその応力に耐える剛性を確保する。また、トッププレート１２のプロペラガード１２１は、カメラガード１２３の張力により、フレーム組立体１が前方または前方斜め方向からの力を受けた場合にその応力に耐える剛性を確保する。プロペラガード１２１の剛性は、プロペラガード１１４の剛性よりも低いため、ボトムプレート１１のプロペラガード１１４の外側端部１１８は、トッププレート１２のプロペラガード１２１の端部１２４よりも外側に突出している。

ボトムプレート１１の中央部１１５上の前方端部近傍には、カメラ３０が搭載可能である。ボトムプレート１１の前方端部には凹部１１６が形成され、トッププレート１２の前方端部にも同様の凹部１２２が形成される。カメラ３０が搭載された場合にそのカメラ３０がフレーム組立体１から突出しないように、ボトムプレート１１およびトッププレート１２にはそれぞれカメラガード１１７および１２３が設けられる。これにより、衝突時にカメラ３０を保護することができる。なお、凹部１１６および１２２は、ボトムプレート１１がカメラ３０の画角に入らないように、左右端部がテーパー形状となっている。

カメラ３０が中央部１１５に搭載されることから、ロール操作時におけるカメラ３０による重心のズレが抑制される。したがって、飛行体に安定的な飛行をもたらすことが可能となる。また、本実施形態では、カメラ３０を搭載した飛行体の重心はカメラ３０の重心と略一致するものとする。これにより、飛行体の飛行時において、カメラ３０により撮影された一人称視点（First Person View；ＦＰＶ）での映像の違和感を低減することができる。

ボトムプレート１１とトッププレート１２との間には、ボトムプレート１１およびトッププレート１２に略垂直な２つの垂直プレート１３と複数のスペーサ１４とが配され、ボトムプレート１１とトッププレート１２とが離間される。垂直プレート１３もボトムプレート１１およびトッププレート１２と同一のプリント基板とすることができる。２つの垂直プレート１３の間にもスペーサ１６が配される。ボトムプレート１１とトッププレート１２とが離間する距離は、モータ２０にプロペラ２１を搭載した高さ以上であるものとする。垂直プレート１３は板状であり、飛行体の上下移動時における空気抵抗を減らすことができる。

スペーサ１４は、ねじ１５と螺合し、ねじ１５によりボトムプレート１１およびトッププレート１２のそれぞれに係合される。スペーサ１６は、ねじ１７と螺合し、ねじ１７により垂直プレート１３に係合される。ボトムプレート１１、トッププレート１２および垂直プレート１３に設けられるねじ穴の直径は、ねじ１５および１７の直径よりも大きくする。これにより、フレーム組立体１に衝撃が与えられた場合にも、ねじ１５および１７にほとんど負荷がかからないようにすることができる。よって、剛性の高いねじ１５および１７からの応力がボトムプレート１１、トッププレート１２および垂直プレート１３のねじ穴部分に集中することを回避し、破損を防止することができる。

ボトムプレート１１には前側嵌合部１３１および後ろ側嵌合部１３２の場所にそれぞれスリットが設けられ、垂直プレート１３の突出部と嵌合する。トッププレート１２にも前側嵌合部１３３および後ろ側嵌合部１３４の場所にそれぞれスリットが設けられ、垂直プレート１３の突出部と嵌合する。これにより、ボトムプレート１１と、垂直プレート１３と、トッププレート１２とが箱型構造を構成することになる。したがって、フレーム組立体１全体としての強度を確保することができる。その一方で、ボトムプレート１１およびトッププレート１２と垂直プレート１３とは嵌合により箱型構造を構成し、ねじなどを用いた螺合や接着剤による接着等の処理を施す必要がなく、ねじ等の余計な部材を追加する必要がないので、フレーム組立体１を軽量に保つことができる。また、各嵌合部１３１、１３２、１３３および１３４の近傍にはスペーサ１４が設けられる。フレーム組立体１が衝撃を受け、ボトムプレート１１やトッププレート１２に撓みが発生すると、嵌合部１３１、１３２、１３３および１３４における嵌合が外れることがあるが、スペーサ１４を各嵌合部１３１、１３２、１３３および１３４の近傍に設けることで、嵌合部の変形量が小さくなることが期待され、嵌合を強化することができる。

垂直プレート１３とボトムプレート１１とは応力受容部１３５において当接する。開口部１２０の外縁は２つの円弧部分１３６および１３７を含み、応力受容部１３５は円弧部分１３６および１３７の接続部分に設けられる。応力受容部１３５は、垂直プレート１３からの応力を受容するように構成される。円弧部分１３６および１３７の半径は異なり、ボトムプレート１１の中心に近い円弧部分１３７の半径が円弧部分１３６の半径よりも短い。これにより当接部１３６において、垂直プレート１３から応力を受ける面積を広げることが可能となり、フレーム組立体１の強度を向上することができる。

図４は、ボトムプレート１１にモータ２０を搭載した状態のモータマウント１１１の断面を表す模式図である。ボトムプレート１１は、エポキシガラス層１４３を含み、エポキシガラス層１４３の上下には銅箔１４２が配され、銅箔１４２の外面に絶縁層となる塗料１４１が塗布され、この塗料１４１の表面に回路が配される。モータ２０は、上面の塗料１４１の外面に載置され、ボトムプレート１１を貫通するねじ２２により固定される。ねじ２２が挿入されるねじ穴はスルーホール加工してもよい。ねじ２２が金属や高熱伝導性樹脂など熱伝導性を有する素材である場合、モータ２０の熱はねじ２２を介して矢印２１１が示すように銅箔１４２に伝達され、熱伝導部分２１２においてねじ２２から銅箔１４２に熱が伝導し、矢印２１３が示すように銅箔１４２を通じて熱拡散される。

図５は、図２の点線部分で表示される左下モータマウント１１１近傍の拡大図である。上述のとおり、モータ２０の熱はねじ２２を介して銅箔１４２に伝達される。アーム１１２においては矢印１５２の方向に熱伝導し、アーム１１３においては矢印１５３の方向に熱伝導する。ここでプロペラ２１は点線の円１５１で示される範囲を回転し、プロペラ２１の回転により生じる気流は下方向に流れる。すなわち、プロペラ２１の回転により生じた気流はアーム１１２および１１３に向かって流れる。したがって、アーム１１２および１１３が気流により冷却される。つまり、プロペラ２１の下に配置されるアーム１１２および１１３は、アーム１１２および１１３の内部に配される銅箔１４２を伝達される熱を冷却する機能を有する。

図６は、制御回路１９からの熱伝導を説明する図である。ボトムプレート１１の銅箔１４２は、制御回路１９が実装される中央部分１５の前後中央部と各アーム１１３との間で連通する。したがって、制御回路１９（の少なくとも一部）により発せられる熱は、矢印１５４ないし１５７で示す方向に拡散される。上述したようにプロペラ２１の回転による気流はアーム１３を冷却するため、少なくともアーム１１３は制御回路１９の冷却構造としても機能する。

以上説明したように、本実施形態のフレーム組立体１では、熱伝導層である銅箔１４２を含むボトムプレート１１上に、伝熱性のねじ２２によりモータ２０をねじ止めすることで、プロペラ２１により生ずる気流を冷却に用いるという冷却構造を形成することができる。モータ２０は高熱になると、磁力低下による性能劣化、ひいては銅損や鉄損などの故障が発生し得るところ、本実施形態のフレーム組立体１によれば、ボトムプレート１１の銅箔１４２を利用した冷却構造を構成することができるので、冷却部品を追加することなく、フレーム組立体１を軽量に保ちながらも、モータ２０を冷却することができる。したがって、モータ２０の故障を抑止し、モータ２０の性能劣化を防ぐことができるので、フレーム組立体１が適用された飛行体の安全性を高めることができるとともに、性能を向上することができる。

また、モータ２０と銅箔１４２とを直接接触させることでさらに冷却効率を上げることができる。具体的には、モータマウント１１１において塗料１４１を削り、モータ２０の底面２３と銅箔１４２とを当接させる。図７は塗料１４１を削った状態を表すモータマウント１１１の斜視図であり、図８は図７のＡ−Ａ断面図である。モータマウント１１１の上面にある塗料１４１を削り、銅箔１４２の上面に暴露面１４８を形成する。モータ２０をモータマウント１１１に搭載した場合、モータ２０の底面２３が暴露面１４８に当接する。これにより、発熱体であるモータ２０と、熱伝導層である銅箔１４２とが接触する接触面積を大きくすることができる。モータ２０からの熱は、底面２３と暴露面１４８とが当接する領域２１４においてモータ２０から銅箔１４２に直接伝導する。したがって、ねじ２２を介する場合よりも熱伝導率は高く、モータ２０が接触する銅箔１４２において矢印２１３に示すように伝導する熱量が大きくなる。したがって、モータ２０の熱をより速く拡散させることが可能となり、モータ２０をより効果的に冷却することができる。発明者が測定したところでは、暴露面１４８の削り出しをする前においてモータ２０の温度は７０度から９０度程度の温度であったが、暴露面１４８を削り出しを行った後には、モータ２０の温度は３０度から４０度程度に保たれた。このように、冷却構造に暴露面１４８を設けることにより、モータ２０の冷却効率が向上する。

さらに、ボトムプレート１１１に放熱ＶＩＡ２４を設けることにより放熱効果を高めることができる。図９は、放熱ＶＩＡ２４を設けた場合のモータマウント１１１の断面図である。上述したように、モータ２０からの熱は、モータ２０の底面２３と銅箔１４２とが接触する領域２１４においてモータ２０から銅箔１４２に直接伝導する。放熱ＶＩＡ２４をモータマウント１１１の近傍に設けることにより、伝導した熱は矢印２１３のように銅箔１４２を移動し、放熱ＶＩＡ２４を通り、矢印２１６に示すように他の銅箔１４２にも伝導するようにすることができる。したがって、より放熱効果が向上することが期待される。

また、矢印２１６にも示すように、モータ２０の底面２３と直接接触しない銅箔１４２（図９の下段の銅箔１４２）から、モータ２０の底面２３と当接する銅箔１４２（図９の上段の銅箔１４２）の方向にも熱は伝導する。したがって、ねじ２２を介して伝導した熱を、鉛直方向にも拡散させることが可能となり、より効果的な放熱効果が期待される。

なお、放熱ＶＩＡ２４は、発熱体であるモータ２０の近傍に設けることが好適である。たとえば、モータ２０の底面２３と当接する暴露面１４８の位置に放熱ＶＩＡ２４を設けるようにしてもよい。また、放熱ＶＩＡ２４は、図５の円１５１が示す範囲に含まれる場所に設けることが好適である。この場合、放熱ＶＩＡ２４にはプロペラ２１からの気流が当たることになるため、冷却効果を向上させることができる。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば、本実施形態では、ボトムプレート１１とトッププレート１２とは略平行であるものとしたが、不等間隔に離間して配されてもよい。また、ボトムプレート１１およびトッププレート１２は、平面状でなく湾曲していてもよい。

また、本実施形態では、モータマウント１１１はボトムプレート１１に４つ設けられるものしたが、これに限らず、任意の数の複数のモータマウント１１１を設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、プロペラガード１１４は前後方向に対してプロペラ２１を保護するが、側面（左右方向）に対しては、別体のプロペラガードを装着することでプロペラ２１を保護することが可能である。プロペラガード１１４はボトムプレート１１と一体的に形成されてアーム１１３に対する応力を分散することができる一方で、側面のプロペラガードについては、一体的に形成せずに着脱可能部品とすることで、飛行体としての軽量化を図ることができる。また衝突時に損傷の可能性が高いプロペラガードを容易に交換することができる。

また、本実施形態では、アーム１１２および１１３はいずれも強化繊維の長手方向に延在するものとしたが、一方のみが強化繊維の長手方向に延在し、他方は異なる方向に延在するようにしてもよい。

また、本実施形態では、カメラ３０を搭載した飛行体の重心はカメラ３０の重心と略一致するものとしたが、カメラ３０の重心は、ボトムプレート１１の前後方向の中心線上にあればよい。この場合、少なくとも飛行体のロール操作時におけるＦＰＶの違和感を軽減することができる。

また、本実施形態では、ボトムプレート１１とトッププレート１２と垂直プレート１３とがプリント基板であるものとしたが、トッププレート１２および垂直プレート１３の少なくともいずれかは別の素材としてもよい。例えば、トッププレート１２および垂直プレート１３の少なくともいずれかは、銅箔を設けないガラス繊維を含めたエポキシ樹脂の板とすることができる。

１ フレーム組立体
１１ ボトムプレート
１２ トッププレート
１３ 垂直プレート
１４ スペーサ
２０ モータ
２１ プロペラ
２２ ねじ
２３ 底面
２４ 放熱ＶＩＡ
３０ カメラ
１１１ モータマウント
１１２ アーム
１１３ アーム
１１４ プロペラガード
１１５ 中央部
１１６ 凹部
１１７ カメラガード
１１８ 外側端部
１１９ ブリッジ
１２０ 開口部
１２１ プロペラガード
１２２ 凹部
１２３ カメラガード
１２４ 端部
１３１ 前側嵌合部
１３２ 後ろ側嵌合部
１３３ 前側嵌合部
１３４ 後ろ側嵌合部
１３５ 応力受容部
１４１ 塗料
１４２ 銅箔
１４３ エポキシガラス層
１４８ 暴露面

Claims (3)

1. 回転翼機用のフレーム組立体であって、
   回転翼を回転させるモータを制御する制御回路を実装可能なプリント基板を備え、前記プリント基板は伝熱層を含み、前記伝熱層の表層には絶縁層が形成され、
   前記プリント基板は、前記モータを搭載可能であり、搭載された前記モータを冷却するための冷却構造を備え、前記冷却構造では、前記モータの搭載面の前記絶縁層が削られて前記伝熱層が暴露されること、
   を特徴とするフレーム組立体。
2. 請求項１に記載のフレーム組立体であって、
   前記伝熱層は金属であること、
   を特徴とするフレーム組立体。
3. 請求項１に記載のフレーム組立体であって、
   前記伝熱層は、前記制御回路が実装される部分と前記冷却構造が設けられる部分との間で連通していること、
   を特徴とするフレーム組立体。