JP6993948B2

JP6993948B2 - 飛翔装置

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Publication number: JP6993948B2
Application number: JP2018170506A
Authority: JP
Inventors: 勇二石塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: JP2020040566A

Description

本発明は飛翔装置に関し、更に詳細には揚力発生装置が発生する揚力によって垂直に離着陸可能な飛翔装置に関する。

垂直に離着陸可能な飛翔装置として、平面視で円形の環状胴体と、環状胴体から当該環状胴体の中心に向けて延在する複数の梁によって支持された２重反転翼とを有する遠隔操作可能な無人航空機（例えば、特許文献１）や、乗員座席を有する機体の前後に各々複数の回転翼による揚力発生装置が設けられたもの（例えば、特許文献２）、同心円上に配置された複数の円環形状の各フレームに複数の揚力発生装置（ロータユニット）が設けられ、中心部に撮影用カメラ等が設けられた胴体部を有するもの（例えば、特許文献３）等が知られている。

特開２００１－２６２９６号公報特開２００５－１２５９７６号公報特開２０１４－２４０２４２号公報

飛翔装置は、飛行に必要な揚力の低減及び飛行時間の拡大のために、必要な強度及び剛性を確保した上で、軽量化及び小型化が重要な課題である。

本発明が解決しようとする課題は、飛翔装置において、必要な強度及び剛性を確保した上で、軽量化及び小型化を図ることである。

本発明の一つの実施形態による飛翔装置（１０）は、機体（１２）と、前記機体（１２）に取り付けられた少なくとも１個の揚力発生装置（３０）とを有する飛翔装置（１０）であって、前記揚力発生装置（３０）は、平面視で円環状のファンシュラウド（４０）と、前記ファンシュラウド（４０）に結合する基端（４２Ａ、４４Ａ）から当該ファンシュラウド（４０）の中心に向けて延出した複数の上側アーム（４２）及び複数の下側アーム（４４）と、前記ファンシュラウド（４０）の中心において前記複数の上側アーム（４２）及び前記複数の下側アーム（４４）によって支持された上側ファン支持部材（４６）及び下側ファン支持部材（４８）と、電動機（３２、３６）によって回転駆動される回転翼（３４、３８）を含み、前記上側ファン支持部材（４２）の下部及び前記下側ファン支持部材（４４）の上部に互いに同心且つ前記回転翼（３４、３８）が互いに対向するように設けられた上側電動ファン（３２、３４）及び下側電動ファン（３６、３８）とを含み、前記ファンシュラウド（４０）は、円周方向に分割された複数のシュラウド構成部材（６０）及び隣り合う前記シュラウド構成部材（６０）を互いに結合する複数の結合部材（６２）を含み、各結合部材（６２）が対応する前記上側アーム（４２）及び前記下側アーム（４４）の各々の前記基端（４２Ａ、４４Ａ）を支持し、前記複数の結合部材（６２）のうちの少なくとも一部に前記ファンシュラウド（４０）を前記機体（１２）に取り付けるための取付片（６４）が設けられている。

この構成によれば、飛翔装置（１０）として、必要な強度及び剛性を確保した上で、軽量化及び小型化が図られる。

上記飛翔装置（１０）において、好ましくは、前記上側アーム（４２）は前記基端（４２Ａ）から上方に向けて傾斜した傾斜部（４２Ｃ）及び当該傾斜部（４２Ｃ）の先端から水平に延在して前記上側ファン支持部材（４６）を接合される水平部（４２Ｄ）を含み、前記下側アーム（４４）は前記基端（４４Ａ）から下方に向けて傾斜した傾斜部（４４Ｃ）及び当該傾斜部（４４Ｃ）の先端から水平に延在して前記下側ファン支持部材（４８）を接合される水平部（４４Ｄ）を含む。

この構成によれば、上側アーム（４２）、下側アーム（４４）の傾斜部（４２Ｃ、４４Ｃ）の傾斜度により、上下の回転翼（３４、３８）の上下方向の間隔を自由に設定することができる。

上記飛翔装置（１０）において、好ましくは、各シュラウド構成部材（６０）は中空体により構成され、各結合部材（６２）は各シュラウド構成部材（６０）の各端部の中空部に内接嵌合し、各結合部材（６０）の外周面が面一に連続している。

この構成によれば、結合部材（６２）の外周面において段差に起因する気流の乱れが生じることがない。

上記飛翔装置（１０）において、好ましくは、各結合部材（６２）は隣り合う前記シュラウド構成部材（６０）の各々に結合され且つ互いに結合された２個の結合構成部材（６６、６８）により構成され、各結合部材（６２）は前記２個の結合構成部材（６６、６８）によって前記上側アーム（４２）及び前記下側アーム（４４）の各々の前記基端（４２Ａ、４４Ａ）を挟み込むことにより、前記基端（４２Ａ、４４Ａ）を支持している。

この構成によれば、簡単で軽量な構造で、隣り合うシュラウド構成部材（６０）同士の結合と、上側アーム（４２）及び下側アーム（４４）の支持とが行われる。

上記飛翔装置（１０）において、好ましくは、前記ファンシュラウド（４０）は、前記上側電動ファン（３２、３４）の前記回転翼（３４）及び前記下側電動ファン（３６、３８）の前記回転翼（３４）の外周を囲驍する上下方向長さの円筒内周面を含む。

この構成によれば、最小必要限度の円筒内周面（４０Ａ）をもって上下の回転翼（３４３８）の双方に対して損失が少ない流体力学的に最適なファン効率が得られる。

上記飛翔装置（１０）において、好ましくは、前記上側アーム（４２）及び前記下側アーム（４４）は各々中空構造であり、前記上側アーム（４２）及び前記下側アーム（４４）各々の内部に前記上側電動ファン（３２、３４）及び前記下側電動ファン（３６、３８）に対して電力を供給する電力ケーブル（１００、１１０）が配線されている。

この構成によれば、電力ケーブル（１００、１１０）が上側アーム（４２）、下側アーム（４４）に内装され、電力ケーブル（１００、１１０）の配線に特別な部品を必要としない。

本発明による飛翔装置によれば、必要な強度及び剛性を確保した上で、軽量化及び小型化を図ることができる。

本発明による飛翔装置の一つの実施形態を示す斜視図本実施形態による飛翔装置の平面図本実施形態による飛翔装置の揚力発生装置の斜視図同揚力発生装置の縦断面図同揚力発生装置の分解斜視図同揚力発生装置のファンシュラウドの要部の拡大斜視図同揚力発生装置のファン支持部材の斜視図

以下に、本発明による飛翔装置の一つの実施形態を、図１～図７を参照して説明する。

本実施形態による飛翔装置１０は、図１及び図２に示されているように、機体１２を有する。機体１２は、前後に長い直方形状の箱状の主部機体１４と、主部機体１４の前端から前方に延出し、前方に向かうに従って横幅が小さくなる切頭四角錘形状の箱状の前部機体１６と、主部機体１４の後端から後方に延出し、後方に向かうに従って横幅が小さくなる切頭四角錘形状の箱状の後部機体１８と、前後に長い直方体箱状をなして主部機体１４の左側に連接して設けられた左側機体２０と、前後に長い直方体箱状をなして主部機体１４の右側に連接して設けられた右側機体２２とを有する。

前部機体１６と後部機体１８とは主部機体１４の前後方向に延在する中心線に沿って設けられて前後対称の配置である。左側機体２０と右側機体２２とは、主部機体１４の左右両側にあって主部機体１４の高さの略１／２の高さを有し、左右対称の配置である。

主部機体１４上には箱状の座席台１３０が取り付けられている。座席台１３０には乗員用座席１３２が前向きに取り付けられている。座席台１３０の前部には乗員用座席１３２に着座した乗員のための左右のグリップ１３４を含む固定ハンドル１３６が取り付けられている。固定ハンドル１３６を含む乗員用座席１３２の近傍には飛行操縦装置（不図示）が設けられている。

主部機体１４、左側機体２０及び右側機体２２は、箱状をなしていて、内部に電源バッテリ（不図示）が収納されている。

座席台１３０は主部機体１４の一部をなす。座席台１３０には、３軸のジャイロセンサ１４０、３軸の加速度センサ１４２、飛行制御装置１４４及び自律飛行制御装置１４６が取り付けられている。ジャイロセンサ１４０は、機体１２の姿勢制御が容易且つ適切に行われるべく、平面視で機体１２の重心Ｇ或いは重心Ｇに近い位置に配置されている。

機体１２の下部には前後方向に長いそり構造の脚体２６が取り付けられている。

飛翔装置１０は、図２に示されているように、機体１２の重心Ｇを略中心とする半径Ｒ１による第１同心円Ｃ１上にあって機体１２の前部及び後部に各々左右対称に配置され且つ機体１２に取り付けられた４個の第１揚力発生装置３０と、機体１２の重心Ｇを略中心とする第１同心円Ｃ１より大径、つまり半径Ｒ１により大きい半径Ｒ２による第２同心円Ｃ２上且つ機体１２の前後方向に延在する中心軸線Ｘ上にあって機体１２の前方及び後方に配置され且つ機体１２に取り付けられた２個の第２揚力発生装置７０とを有する。

各第１揚力発生装置３０は、図１に示されているように、上下に互いに同心に配置された２重反転翼によるものであり、上側電動機３２と、上側電動機３２の回転軸に下向きに取り付けられて上側電動機３２によって回転駆動される上側回転翼３４と、上側電動機３２と同心配置の下側電動機３６と、下側電動機３６の回転軸に上向きに取り付けられて下側電動機３６によって回転駆動される下側回転翼３８と、上側回転翼３４及び下側回転翼３８の外周囲を一括して取り囲む平面視で円環形状の上下開放のファンシュラウド（ダクト）４０とを有する。上側回転翼３４と下側回転翼３８とは、同心配置で、上下に間隔（図４参照）をおいて互いに対向し、互いに反対方向に回転する。

このように、上側電動機３２及び上側回転翼３４によって上側電動ファンが構成され、下側電動機３６及び下側回転翼３８によって下側電動ファンが構成される。

各第１揚力発生装置３０は、実質的に互いに同一構造であり、その詳細を、図３～図７を参照して説明する。

各第１揚力発生装置３０は、ファンシュラウド４０に結合する基端４２Ａから当該ファンシュラウド４０の中心に向けて延出した３個の上側アーム４２と、ファンシュラウド４０に結合する基端４４Ａから当該ファンシュラウド４０の中心に向けて延出した３個の下側アーム４４と、ファンシュラウド４０の中心部において３個の上側アーム４２が互いに協働にして支持する略トリポート形の１個の上側ファン支持部材４６と、ファンシュラウド４０の中心部において３個の下側アーム４４が互いに協働して支持する略トリポート形の１個の下側ファン支持部材４８とを含む。

各上側アーム４２及び各下側アーム４４は、軽量化及び飛翔装置１０の昇降時の気流を阻害しないように、長円形の断面形状或いは翼断面形状の中空構造である。

各上側アーム４２は、基端４２Ａから上方に向けて傾斜した傾斜部４２Ｃ及び傾斜部４２Ｃの先端から水平に延在して上側ファン支持部材４６を接合される水平部４２Ｄを含む。各上側アーム４２と上側ファン支持部材４６との接合は、図７に示されているように、上側ファン支持部材４６に形成された上側アーム４２毎の筒状部５０に、対応する位置にある水平部４２Ｄの遊端（先端）４２Ｂが挿入嵌合され且つ筒状部５０と水平部４２Ｄとの挿入嵌合部が接着剤（不図示）によって接着されることにより行われている。これにより、接着が剥がれても上側アーム４２と上側ファン支持部材４６との接合が維持される。

上側ファン支持部材４６は底面部４６Ａを有し、底面部４６Ａに上側電動機３２がボルト（不図示）によって取り付けられる。上側アーム４２のうち、後述する機体１２に対する取付片６４を含むものには、上側電動機３２に電力を供給する電力ケーブル１００が通されている。電力ケーブル１００は上側アーム４２から上側ファン支持部材４６に形成されているケーブル通し孔４６Ｂ、４６Ｃを通過して上側電動機３２に至る。これにより、電力ケーブル１００が上側アーム４２及び上側ファン支持部材４６に内装され、電力ケーブル１００の配線に特別な部品を必要としない。

上側ファン支持部材４６には、上側ファン支持部材４６を内包すべく、先端が略円錐状をなす砲弾形状（流線形）の中空のスピナーキャップ５２（図３参照）が取り付けられている。これにより、飛翔装置１０の昇降時の上側ファン支持部材４６の部分における空気の流れ抵抗が低減する。

各下側アーム４４は、基端４４Ａから下方に向けて傾斜した傾斜部４４Ｃ及び傾斜部４４Ｃの先端から水平に延在して下側ファン支持部材４８（図７参照）を接合される水平部４４Ｄを含む。下側アーム４４及び下側ファン支持部材４８は上側ファン支持部材４６を上下反転したものであるから、各下側アーム４４と下側ファン支持部材４８との接合は、図７を援用して説明する。各下側アーム４４と下側ファン支持部材４８との接合は、下側ファン支持部材４８に形成された下側アーム４４毎の筒状部５４に、対応する位置にある水平部４４Ｄの遊端（先端）４４Ｂが挿入嵌合され且つ筒状部５４と水平部４４Ｄとの挿入嵌合部が接着剤（不図示）によって接着されることにより行われている。これにより、接着が剥がれても下側アーム４４と下側ファン支持部材４８との接合が維持される。

下側ファン支持部材４８は上面部４８Ａを有し、上面部４８Ａに下側電動機３６がボルト（不図示）によって取り付けられる。下側アーム４４のうち、後述する機体１２に対する取付片を含むものには、下側電動機３６に電力を供給する電力ケーブル１１０が通されている。電力ケーブル１１０は下側アーム４４から下側ファン支持部材４８に形成されているケーブル通し孔４８Ｂ、４８Ｃを通過して下側電動機３６に至る。これにより、電力ケーブル１１０が下側アーム４４及び下側ファン支持部材４８に内装され、電力ケーブル１１０の配線に特別な部品を必要としない。

下側ファン支持部材４８には、下側ファン支持部材４８を内包すべく、先端が略円錐状をなす砲弾形状（流線形）の中空のスピナーキャップ５６（図３参照）が取り付けられている。これにより、飛翔装置１０の昇降時の下側ファン支持部材４８の部分における空気の流れ抵抗が低減する。

ファンシュラウド４０は、図３～図６に示されているように、円周方向に３個に分割されたシュラウド構成部材６０及び３個の結合部材６２を含む。

各シュラウド構成部材６０は軽量化及び飛翔装置１０の上昇時の気流を阻害しないように上側が半円形したアーチ状の断面形状或いは翼断面形状を有する中空体により構造されている。３個のシュラウド構成部材６０の組み合わせによるファンシュラウド４０は、上側回転翼３４及び下側回転翼３８の外周を囲驍する上下方向長さの円筒内周面４０Ａ（図４参照）を含む。

各結合部材６２は２個の結合構成部材６６、６８により構成されている。結合構成部材６６、６８は、プレス成形品であり、板状部６６Ａ、６８Ａ及び板状部６６Ａ、６８Ａの外縁に沿って設けられた筒状の嵌合部６６Ｂ、６８Ｂを含み、嵌合部６６Ｂ、６８Ｂが隣り合い且つ突き合わされるシュラウド構成部材６０の端部から中空部内に挿入され、シュラウド構成部材６０の内周に各々嵌合、つまり内接嵌合し、接着剤（不図示）による接着によって隣り合うシュラウド構成部材６０の各々に結合される。結合構成部材６６及び６８は、互い正対する板状部６６Ａと６８Ａとを接着剤（不図示）によって接着されることにより、互いに結合される。

これにより、各結合部材６２の板状部６６Ａ、６８Ａは、隣り合うシュラウド構成部材６０間にバルクベッドのように存在し、ファンシュラウド４０の曲げ及び捩れの剛性を高める。また、各シュラウド構成部材６０の互いの外周面が面一に連続し、これら外周面において段差に起因する気流の乱れが生じることがない。

結合構成部材６６、６８の板状部６６Ａ、６８Ａには、上側アーム４２の基端４２Ａ、が嵌合する溝部６６Ｃ、６８Ｃ及び下側アーム４４の基端４４Ａが嵌合する溝部６６Ｄ、６８Ｄが設けられている。結合構成部材６６、６８は接着剤（不図示）による接着によって互い結合されることにより、溝部６６Ｃと６８Ｃ及び溝部６６Ｄと６８Ｄとの各々において、上側アーム４２の基端４２Ａ及び下側アーム４４の基端４４Ａを両側から挟み込んでサンドウィッチ構造により支持している。

溝部６６Ｃと６８Ｃ及び溝部６６Ｄと６８Ｄとは、各々ファンシュラウド４０の径方向外方に位置する側において溝部６６Ｅ、６８Ｅによって互いに接続されている。上側アーム４２、下側アーム４４に通された電力ケーブル１００、１１０は、溝部６６Ｅ、６８Ｅによる空間から機体１２の側に取り出される。

３個の結合部材６２のうちの２個の結合部材６２の結合構成部材６８は板状部６８Ａから外方に延出した上下２個の取付片６４を一体に有する。取付片６４は機体１２にボルト等によって固定されることにより、ファンシュラウド４０を周方向に離れた２箇所において機体１２に取り付けている。

かくして、各結合部材６２は、隣り合うシュラウド構成部材６０を互いに結合すると共に、各上側アーム４２及び各下側アーム４４の基端４２Ａ、４４Ａを支持する支持基部をなし、しかもそのうちの２個の結合部材６２はファンシュラウド４０を機体１２に取り付ける取付部材をなす。このことにより、第１揚力発生装置３０の構造が部品点数の削減のもとに簡単になると共に第１揚力発生装置３０の軽量化及び小型化が図られる。

上側電動機３２の下側に上側回転翼３４があり、下側電動機３６の上側にあって、上側回転翼３４と下側回転翼３８とが互いに対向しているから、上側回転翼３４と下側回転翼３８との上下方向の間隔の自由に設定でき、２重反転翼における揚力発生のための最適値に設定することができる。この上側回転翼３４と下側回転翼３８との上下方向の間隔は、上側アーム４２、下側アーム４４の傾斜部４２Ｃ、４４Ｃの傾斜度により設定することができる。

ファンシュラウド４０は、上側回転翼３４及び下側回転翼３８の外周を囲驍する上下方向長さの円筒内周面４０Ａを含むから、最小必要限度の円筒内周面４０Ａをもって上側回転翼３４及び下側回転翼３８の双方に対して損失が少ない流体力学的に最適なファン効率が得られる。

これらのことにより、必要な強度及び剛性を確保した上で、軽量化及び小型化が図られ、飛行に必要な揚力の低減し、飛行時間が拡大する。

第２揚力発生装置７０は第１揚力発生装置３０と実質的に同一の構造である。従って、第２揚力発生装置７０においても第１揚力発生装置３０と同一の効果が得られる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、ファンシュラウド４０の分割数は３個に限られることなく、それ以上の分割数或いは２個であってもよい。主部機体１４上に荷物の運搬のために荷台が設けられてもよい。第１揚力発生装置３０及び第２揚力発生装置７０の個数は、第１揚力発生装置３０が４個、第２揚力発生装置７０が２個に限られることはなく、第１揚力発生装置３０の個数をＮ個、第２揚力発生装置７０の個数をＭ個とした場合、Ｎ＞Ｍであればよい。上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０：飛翔装置
１２：機体
１４：主部機体
１６：前部機体
１８：後部機体
２０：左側機体
２２：右側機体
２６：脚体
３０：第１揚力発生装置
３２：上側電動機
３４：上側回転翼
３６：下側電動機
３８：下側回転翼
４０：ファンシュラウド
４２：上側アーム
４２Ａ：基端
４２Ｂ：遊端
４２Ｃ：傾斜部
４２Ｄ：水平部
４４：下側アーム
４４Ａ：基端
４４Ｂ：遊端
４４Ｃ：傾斜部
４４Ｄ：水平部
４６：上側ファン支持部材
４６Ａ：底面部
４６Ｂ：ケーブル通し孔
４６Ｃ：ケーブル通し孔
４８：下側ファン支持部材
４８Ａ：上面部
４８Ｂ：ケーブル通し孔
４８Ｃ：ケーブル通し孔
５０：筒状部
５２：スピナーキャップ
５４：筒状部
５６：スピナーキャップ
６０：シュラウド構成部材
６０Ａ：嵌合部
６２：各結合部材
６４：取付片
６６：結合構成部材
６６Ａ：板状部
６６Ｂ：嵌合部
６６Ｃ：溝部
６６Ｄ：溝部
６６Ｅ：溝部
６８：結合構成部材
６８Ａ：板状部
６８Ｂ：嵌合部
６８Ｃ：溝部
６８Ｄ：溝部
６８Ｅ：溝部
７０：第２揚力発生装置
１００：電力ケーブル
１１０：電力ケーブル
１３０：座席台
１３２：乗員用座席
１３４：グリップ
１３６：固定ハンドル
１４０：ジャイロセンサ
１４２：加速度センサ
１４４：飛行制御装置
１４６：自律飛行制御装置

Claims

機体と、前記機体に取り付けられた少なくとも１個の揚力発生装置とを有する飛翔装置であって、
前記揚力発生装置は、
平面視で円環状のファンシュラウドと、
前記ファンシュラウドに結合する基端から当該ファンシュラウドの中心に向けて延出した複数の上側アーム及び複数の下側アームと、
前記ファンシュラウドの中心において前記複数の上側アーム及び前記複数の下側アームによって支持された上側ファン支持部材及び下側ファン支持部材と、
電動機によって回転駆動される回転翼を含み、前記上側ファン支持部材の下部及び前記下側ファン支持部材の上部に互いに同心且つ前記回転翼が互いに対向するように設けられた上側電動ファン及び下側電動ファンとを含み、
前記ファンシュラウドは、円周方向に分割された複数のシュラウド構成部材及び隣り合う前記シュラウド構成部材を互いに結合する複数の結合部材を含み、各結合部材が対応する前記上側アーム及び前記下側アームの各々の前記基端を支持し、前記複数の結合部材のうちの少なくとも一部に前記ファンシュラウドを前記機体に取り付けるための取付片が設けられている飛翔装置。
前記上側アームは前記基端から上方に向けて傾斜した傾斜部及び当該傾斜部の先端から水平に延在して前記上側ファン支持部材を接合される水平部を含み、前記下側アームは前記基端から下方に向けて傾斜した傾斜部及び当該傾斜部の先端から水平に延在して前記下側ファン支持部材を接合される水平部を含む請求項１に記載の飛翔装置。
各シュラウド構成部材は中空体により構成され、各結合部材は各シュラウド構成部材の各端部の中空部に内接嵌合し、各結合部材の外周面が面一に連続している請求項１又は２に記載の飛翔装置。
各結合部材は隣り合う前記シュラウド構成部材の各々に結合され且つ互いに結合された２個の結合構成部材により構成され、各結合部材は前記２個の結合構成部材によって前記上側アーム及び前記下側アームの各々の前記基端を挟み込むことにより、前記基端を支持している請求項１～３の何れか一項に記載の飛翔装置。
前記ファンシュラウドは、前記上側電動ファンの前記回転翼及び前記下側電動ファンの前記回転翼の外周を囲驍する上下方向長さの円筒内周面を含む請求項１～４の何れか一項に記載の飛翔装置。
前記上側アーム及び前記下側アームは各々中空構造であり、前記上側アーム及び前記下側アーム各々の内部に前記上側電動ファン及び前記下側電動ファンに対して電力を供給する電力ケーブルが配線されている請求項１～５の何れか一項に記載の飛翔装置。