JP6663723B2 - ピッチ変更装置およびこれを用いる飛行装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピッチ変更装置およびこれを用いる飛行装置に関する。

近年、いわゆるドローンと称される飛行装置の普及が進んでいる。このドローンは、複数のスラスタを備えている。スラスタは、回転することにより推進力を発生するプロペラと、このプロペラを駆動するモータとで構成されている。このようにスラスタを複数備えるドローンの場合、スラスタで発生する推進力すなわちモータの回転数を制御することにより、上昇および下降、旋回、ならびにロールなど各種の運動姿勢を制御している。そのため、ドローンに用いられるスラスタでは、プロペラはモータの駆動軸部材で直接駆動されている。

一方、スラスタで発生する推進力をより精密にするためには、駆動軸部材に取り付けられているプロペラのピッチを制御することが好ましい。しかしながら、例えば特許文献１に開示されているような従来のピッチ変更装置は、複雑なリンク機構を用いてプロペラのピッチを変更している。そのため、従来のピッチ変更装置は、構造が複雑化し、体格の大型化および重量の増加を招くという問題がある。その結果、従来のピッチ変更装置は、小型化および軽量化が望まれるドローンへの搭載が困難である。また、従来のピッチ変更装置は、ピッチを変更するための動力源からプロペラまでの距離が大きい。つまり、駆動源から作用部分までのリンク機構は、長くなり、数が増加する傾向にある。そのため、駆動源からの入力に対する作用部分すなわちプロペラ部分での変化量が大きくなりやすい。その結果、変更するピッチの精度が低下しやすいという問題がある。

特開２０１４−０７６６７４号公報

そこで、本発明の目的は、構造が簡単で小型であり、精度の向上が容易なピッチ変更装置およびこれを用いた飛行装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、プロペラは、ｚ軸方向へ延びる駆動軸部材によって駆動される。ピッチを変更する駆動力を発生するサーボモータは、ｚ軸と垂直なｘ軸を中心に回転する。ｘ軸を中心とするサーボモータの回転は、レバー部材によってｘ軸を中心とする旋回に変換される。すなわち、レバー部材は、一方の端部がサーボモータに接続され、ｘ軸から径方向外側へ延びている。このレバー部材は、サーボモータと反対側の端部がリンク部材に接続されている。サーボモータによってレバー部材が旋回すると、この旋回はリンク部材によってｙ軸方向およびｚ軸方向の移動に変換される。すなわち、ｘ軸を中心とするサーボモータの回転は、レバー部材およびリンク部材によって、駆動軸部材に沿ったｚ軸方向、およびｙ軸方向の移動へ変換される。そして、リンク部材は、変更部材に接続している。変更部材は、一方の端部つまり力の入力側がリンク部材に接続し、他方の端部つまり力の出力側がプロペラの駆動軸部材側の端部に接続している。サーボモータの回転によって旋回したレバー部材の移動は、リンク部材によってｙ軸およびｚ軸方向の移動に変換される。変更部材は、リンク部材のｙ軸およびｚ軸方向の移動を、ｚ軸方向の移動へ変換する。さらに、変更部材は、このｙ軸方向の移動によって、プロペラをｘ軸と平行なプロペラピッチ軸を中心として回転させる。これにより、プロペラは、プロペラピッチ軸を中心として回転し、ピッチが変更される。このように、請求項１記載の発明では、サーボモータの回転力は、レバー部材、リンク部材および変更部材を通してプロペラへ伝達され、プロペラのピッチを変更する。そのため、サーボモータの回転力は、レバー部材、リンク部材および変更部材という簡単な構成でプロペラへ伝達される。したがって、構造を簡単かつ小型にすることができる。

また、請求項１記載の発明では、サーボモータからプロペラのピッチを変更する変更部材までの距離が小さく、接続部分も低減される。したがって、ピッチの変更精度を高めることができる。

一実施形態によるピッチ変更装置を示す概略図 一実施形態によるピッチ変更装置を適用した飛行装置を示す模式図 一実施形態によるピッチ変更装置を示す概略的な斜視図 図３の矢印ＩＶ方向から見た矢視図 図３の矢印Ｖ方向から見た矢視図 一実施形態によるピッチ変更装置において、サーボモータの回転軸部材が反時計方向へ回転した状態を示す模式図 一実施形態によるピッチ変更装置において、サーボモータが図６のように回転したとき、プロペラのピッチが変更される状態を示す概略図 一実施形態によるピッチ変更装置において、サーボモータの回転軸部材が時計方向へ回転した状態を示す模式図 一実施形態によるピッチ変更装置において、サーボモータが図８のように回転したとき、プロペラのピッチが変更される状態を示す概略図 一実施形態によるピッチ変更装置および従来技術において、サーボモータの回転角度とピッチ角度との関係を示す概略図

以下、ピッチ変更装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、ピッチ変更装置を適用した飛行装置の一例を図２に示す。
図２に示すように飛行装置１０は、機体本体１１、腕部１２およびスラスタ１３を備えている。機体本体１１は、飛行装置１０の重心位置に設けられている。腕部１２は、この機体本体１１から径方向外側へ延びている。腕部１２は、機体本体１１を中心に放射状に設けられている。スラスタ１３は、この腕部１２の先端、すなわち機体本体１１と反対側の端部に設けられている。機体本体１１は、内部に図示しない制御部およびバッテリなどを収容している。図示しない制御部は、図示しない航法センサで取得した飛行装置１０の姿勢、および外部から飛行装置１０へ送信された指示などに基づいてスラスタ１３を制御し、飛行装置１０の飛行を制御する。スラスタ１３は、図１に示すようにモータ１４、駆動軸部材１５およびプロペラ１６を備えている。モータ１４は、プロペラ１６を駆動する駆動源であり、例えば機体本体１１に収容された図示しないバッテリなどを電源とする。駆動軸部材１５は、モータ１４の回転をプロペラ１６に伝達する。プロペラ１６は、この駆動軸部材１５から径方向外側へ延びている。

次に、飛行装置１０が備えるピッチ変更装置２０について詳細に説明する。飛行装置１０のプロペラ１６は、駆動軸部材１５から径方向へ延びる一対の羽根部材１６１および羽根部材１６２を有している。
ピッチ変更装置２０は、図１、図３〜図５に示すようにサーボモータ２１、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を備えている。ピッチ変更装置２０は、プロペラ１６の根元、すなわちプロペラ１６の駆動軸部材１５側の端部に設けられており、プロペラ１６のピッチを変更する。本実施形態では、図１および図３に示すようにスラスタ１３の駆動軸部材１５の中心軸が延びる方向を「ｚ軸」と定義する。また、この「ｚ軸」に垂直な平面は「ｘ−ｙ平面」と定義し、プロペラ１６の旋回範囲はこの仮想的な「ｘ−ｙ平面」と平行に設定される。したがって、「ｘ軸」は図１および図３において紙面の左右方向へ延び、「ｙ軸」は図１および図３において紙面の表裏方向へ延びている。

サーボモータ２１は、回転軸部材２５を有している。回転軸部材２５の中心は、ｘ軸と平行に延びている。サーボモータ２１の回転軸部材２５は、通電によってｘ軸と平行な軸ｐ１を中心に回転する。レバー部材２２は、このサーボモータ２１の回転軸部材２５に取り付けられている。具体的には、レバー部材２２は、一方の端部が回転軸部材２５に取り付けられている。これにより、レバー部材２２は、回転軸部材２５から径方向外側へ延びている。サーボモータ２１の回転軸部材２５がｘ軸と平行な軸ｐ１を中心に回転すると、この回転軸部材２５の回転はレバー部材２２によって軸ｐ１を中心とする旋回に変換される。

リンク部材２３は、レバー部材２２の回転軸部材２５と反対側の端部に接続されている。すなわち、レバー部材２２は、回転軸部材２５の径方向において、一方の端部が回転軸部材２５に取り付けられ、他方の端部がリンク部材２３に固定されている。リンク部材２３は、駆動軸部材１５の外周側に、駆動軸部材１５の少なくとも一部を周方向へ覆うように設けられている。本実施形態の場合、リンク部材２３は、図４に示すようにｚ軸方向の端部から見た形状が略Ｕ字形状であり、内側に駆動軸部材１５を収容している。リンク部材２３は、ｚ軸方向へ半筒状に延びている。

変更部材２４は、筒状部２６、腕部２７および腕部２８を有している。筒状部２６、腕部２７および腕部２８は、一体に構成されている。筒状部２６は、駆動軸部材１５の径方向外側に設けられている。本実施形態の場合、筒状部２６は、内径が駆動軸部材１５の外径よりもわずかに大きく、駆動軸部材１５を案内としてｚ軸方向へ摺動可能である。すなわち、筒状部２６は、内側に駆動軸部材１５が挿入されており、駆動軸部材１５に案内されてｚ軸方向へ移動する。腕部２７は、この筒状部２６から径方向外側へ突出するとともに、ｚ軸方向の上方すなわちプロペラ１６側へ延びている。腕部２８も、腕部２７と同様に筒状部２６から径方向外側へ突出するとともに、プロペラ１６側へ延びている。腕部２７と腕部２８とは、駆動軸部材１５の中心軸を対象点として点対称に設けられている。

変更部材２４は、ｚ軸方向の一方の端部すなわちプロペラ１６と反対側となる筒状部２６の端部においてリンク部材２３と接続している。リンク部材２３と変更部材２４とは、ピン部材２９で接続されている。リンク部材２３と変更部材２４とは、このピン部材２９を軸として相対的に回転可能である。すなわち、リンク部材２３および変更部材２４は、ピン部材２９の中心であるｘ軸と平行な軸ｐ２を中心に相対的に回転することができる。

変更部材２４は、ｚ軸方向の他方の端部すなわちプロペラ１６側の端部となる腕部２７および腕部２８においてプロペラ１６と接続している。プロペラ１６は、ｘ軸と平行に延びるピッチ軸部材３１を中心に回転可能である。このピッチ軸部材３１は、その中心軸がｘ軸と平行なプロペラピッチ軸ｐ３と一致する。そのため、変更部材２４の腕部２７および腕部２８がｚ軸方向へ移動すると、プロペラ１６はプロペラピッチ軸ｐ３を中心として回転する。具体的には、プロペラ１６の羽根部材１６１および羽根部材１６２は、ピッチ軸部材３１を中心に回転可能である。このプロペラ１６の羽根部材１６１は、変更部材２４の腕部２７に接続している。同様に、プロペラ１６の羽根部材１６２は、変更部材２４の腕部２８に接続している。これにより、変更部材２４がｚ軸方向へ上下に移動すると、羽根部材１６１および羽根部材１６２はプロペラピッチ軸ｐ３を中心に回転する。

次に、上記の構成によるピッチ変更装置２０の具体的な作動について詳細に説明する。
サーボモータ２１に通電すると、サーボモータ２１の回転軸部材２５は図６に示すようにｘ軸と平行な軸ｐ１を中心に回転する。図６の場合、サーボモータ２１の回転軸部材２５は、半時計回りにθ°回転している。サーボモータ２１の回転軸部材２５の回転によって回転軸部材２５に取り付けられているレバー部材２２は、軸ｐ１を中心に旋回する。これにより、図７に示すようにレバー部材２２の先端すなわちリンク部材２３側の端部は、プロペラ１６側へｚ軸方向に移動する。

旋回によってレバー部材２２の端部がｚ軸方向へ移動すると、リンク部材２３はプロペラ側へｚ軸方向に移動する。このとき、リンク部材２３は、駆動軸部材１５と接しておらず、かつピン部材２９で変更部材２４と軸ｐ２を中心に回転可能に接続されている。そのため、リンク部材２３は、ｚ軸方向だけでなく、ｙ軸方向にも移動する。サーボモータ２１の回転軸部材２５図６に示すように回転するとき、リンク部材２３はｙ軸方向において図７の紙面後方へ移動する。

上述のようにリンク部材２３がｙ軸方向およびｚ軸方向へ移動するとき、変更部材２４はリンク部材２３から移動が伝達される。すなわち、リンク部材２３のｙ軸方向およびｚ軸方向の移動は、ピン部材２９による接続部分を経由して変更部材２４に伝達される。変更部材２４は、筒状部２６が駆動軸部材１５に沿ってｚ軸方向へ摺動する。そのため、変更部材２４は、ｙ軸方向への移動が制限される。これにより、リンク部材２３のｙ軸方向およびｚ軸方向の移動は、変更部材２４によってｚ軸方向に沿った移動に変換される。このとき、リンク部材２３と変更部材２４は、ピン部材２９によって軸ｐ２を中心に相対的に回転可能である。したがって、リンク部材２３のｙ軸方向およびｚ軸方向の移動は、変更部材２４のｚ軸方向の移動に滑らかに変換される。このように、サーボモータ２１の回転軸部材２５が図６に示すように回転するとき、変更部材２４はｚ軸方向へプロペラ１６側、すなわち図７の上方へ移動する。

変更部材２４は、ｚ軸方向へ移動することにより、羽根部材１６１および羽根部材１６２を、プロペラピッチ軸ｐ３を中心として回転させる。すなわち、変更部材２４の腕部２７は、羽根部材１６１の根元すなわち駆動軸部材１５側の端部においてｚ軸に沿った接線方向で接続している。同様に、腕部２８は、羽根部材１６２の根元に接線方向で接続している。そのため、腕部２７が図７においてｚ軸の上方へ移動すると、羽根部材１６１はプロペラピッチ軸ｐ３を中心として図７の紙面奥方向へ回転する。また、腕部２８が図７においてｚ軸の上方へ移動すると、羽根部材１６２はプロペラピッチ軸ｐ３を中心として図７の紙面手前方向へ回転する。このように、変更部材２４は、ｚ軸方向の移動によって、羽根部材１６１および羽根部材１６２を、プロペラピッチ軸ｐ３を中心とした対称な回転に変換する。

上述の例とは反対に、サーボモータ２１の回転軸部材２５が図８の時計回りに回転すると、レバー部材２２の先端はｚ軸方向においてプロペラ１６と反対側へ移動する。そのため、リンク部材２３は、ｚ軸方向においてプロペラ１６と反対側へ移動するとともに、ｙ軸方向において図９の紙面後方へ移動する。ここで、リンク部材２３のｚ軸方向の移動は、変更部材２４のｚ軸方向への移動に変換される。そのため、サーボモータ２１の回転軸部材２５が図８の時計回りに回転すると、変更部材２４はｚ軸の下方すなわちプロペラ１６と反対側へ移動する。その結果、プロペラ１６の羽根部材１６１はプロペラピッチ軸ｐ３を中心に紙面手前方向に回転し、プロペラ１６の羽根部材１６２はプロペラピッチ軸ｐ３を中心に紙面奥方向へ回転する。

このように、サーボモータ２１の回転軸部材２５の回転は、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を通してプロペラ１６の羽根部材１６１および羽根部材１６２へ伝達される。これにより、サーボモータ２１の回転軸部材２５が回転すると、プロペラ１６の羽根部材１６１および羽根部材１６２は、プロペラピッチ軸ｐ３を中心に対称に回転する。上記のような構成により、一実施形態のピッチ変更装置２０は、図１０に示すように上記の従来技術と比較して、プロペラ１６のピッチの変更の精度が向上している。すなわち、一実施形態の場合、サーボモータ２１の回転軸部材２５の回転角度に対して、プロペラ１６のピッチ角度はほぼ直線的に変化する。そのため、一実施形態は、非線形に変化する従来技術と比較して、プロペラ１６のピッチ角度を制御しやすく、その精度も向上する。

一実施形態では、サーボモータ２１の回転力は、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４を通してプロペラ１６へ伝達され、プロペラ１６のピッチを変更する。そのため、サーボモータ２１の回転力は、レバー部材２２、リンク部材２３および変更部材２４という簡単な構成でプロペラ１６へ伝達される。したがって、構造を簡単にすることができるとともに、小型にすることができる。
また、一実施形態では、サーボモータ２１からプロペラ１６のピッチを変更する変更部材２４までの距離が小さく、接続部分の数も低減される。したがって、部品の寸法誤差に起因する精度の低下が抑制され、プロペラ１６のピッチの変更精度を高めることができる。

一実施形態では、リンク部材２３は、モータ１４の駆動力をプロペラ１６へ伝達する駆動軸部材１５から径方向で離れて設けられている。そのため、レバー部材２２の旋回によってリンク部材２３が駆動されると、リンク部材２３は、ｚ軸方向だけでなくｙ軸方向にも移動する。これにより、サーボモータ２１の回転量は、リンク部材２３のｙ軸方向への移動量に応じて減じられつつリンク部材２３のｚ軸方向の移動に変換される。したがって、サーボモータ２１の回転軸部材２５の回転を減速して伝達することができ、プロペラ１６のピッチをより精度よく制御することができる。

一実施形態では、変更部材２４は、駆動軸部材１５と摺動しながらｚ軸方向へ移動する。そのため、リンク部材２３のｙ軸方向およびｚ軸方向の移動は、変更部材２４によって駆動軸部材１５に沿ったｚ軸方向の移動に変換される。これにより、変更部材２４は、駆動軸部材１５に沿って高い精度でｚ軸方向へ移動する。したがって、プロペラ１６のピッチを高い精度で制御することができる。
一実施形態では、飛行装置１０は、上述のピッチ変更装置２０を備えている。そのため、飛行装置１０のスラスタ１３は、プロペラ１６のピッチを変更するための機構が小型化および軽量化される。したがって、飛行装置１０のペイロードに影響を与えることなく、精度の高い飛行姿勢、および姿勢の制御を達成することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０は飛行装置、１５は駆動軸部材、１６はプロペラ、２０はピッチ変更装置、２１はサーボモータ、２２はレバー部材、２３はリンク部材、２４は変更部材を示す。

Claims (3)

1. ｚ軸方向に延びる駆動軸部材（１５）を中心に回転するプロペラ（１６）のピッチを変更するピッチ変更装置（２０）であって、
   前記ｚ軸方向に垂直なｘ軸方向を中心に回転し、前記プロペラ（１６）のピッチへ変更する駆動力を発生するサーボモータ（２１）と、
   前記サーボモータ（２１）の回転を前記ｘ軸方向を中心とする旋回に変換するレバー部材（２２）と、
   前記レバー部材（２２）の前記サーボモータ（２１）と反対側に接続され、前記レバー部材（２２）の旋回を、前記ｚ軸方向の移動、および前記ｚ軸に垂直なｙ軸方向への移動に変換するリンク部材（２３）と、
   一方の端部が前記リンク部材（２３）と前記ｘ軸方向で相対的に回転可能に接続され、他方の端部が前記プロペラ（１６）の前記駆動軸部材（１５）側の端部に接続され、前記リンク部材（２３）の前記ｙ軸方向および前記ｚ軸方向の移動を前記ｚ軸方向の移動に変換し、前記ｚ軸方向の動きによって前記ｘ軸と平行なプロペラピッチ軸を中心に前記プロペラ（１６）を回転して前記プロペラ（１６）のピッチを変更するとともに、前記駆動軸部材（１５）を案内として前記ｚ軸方向へ前記駆動軸部材（１５）と摺動する変更部材（２４）と、
   を備え、
   前記変更部材（２４）は、
   前記駆動軸部材（１５）の径方向外側に設けられ、内径が前記駆動軸部材（１５）の外径よりもわずかに大きく、前記駆動軸部材（１５）を案内として摺動する筒状部（２６）と、
   前記筒状部（２６）と一体に構成され、前記筒状部から径方向外側へ突出するとともに、前記ｚ軸方向に上側である前記プロペラ（１６）側に延び、前記駆動軸部材（１５）の中心軸を対象点として点対称に設けられている腕部（２７）および腕部（２８）と、を有し、
   前記腕部（２７）の前記筒状部（２６）と反対側の端部が前記プロペラ（１６）の羽根部材（１６１）に接続し、前記腕部（２８）の前記筒状部（２６）と反対側の端部が前記プロペラ（１６）の羽根部材（１６２）に接続しているピッチ変更装置。
2. 前記リンク部材（２３）は、前記駆動軸部材（１５）の径方向において前記駆動軸部材（１５）から離れて設けられている請求項１記載のピッチ変更装置。
3. 請求項１または２記載のピッチ変更装置を備える飛行装置。

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