JP7225886B2 - 飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、例えばマルチコプターなど、回転翼を有する飛行体に関する。

近年、小型でかつ無人飛行が可能な無人飛行体として、ドローン（マルチコプター）等が普及している。ドローンは、測量、災害救助、自然環境の研究、スポーツの中継、農薬散布等を始め、各種産業において活用されている。
ドローンの機体の構造には様々な形状があるが、一般に、ドローンは、本体部と、本体部から放射状に伸びる複数のフレーム部と、フレーム部の先端部に設けられた推進駆動部と、を備える。推進駆動部は、機体の飛行のための揚力および推力を発生させるユニットであり、回転翼であるプロペラ（ロータ）とプロペラを回転させるモータとを備える。

例えば特許文献１には、本体部からＸ字状に伸びる４本のフレームを有し、当該フレームの先端部にプロペラ（ロータ）を回転させるためのモータが取り付けられた無人回転翼機が開示されている。ここで、モータは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する３相ブラシレスＤＣモータであり、当該モータは、電子スピードコントローラ（ＥＳＣ）によって回転速度（回転数）が制御される。

特開２０１７－１３６９１４号公報

ドローンの寿命は、現状、墜落による破損や行方不明といった事故による要因が大きい。墜落の主な原因としては、飛行中の通信喪失、バッテリ切れ、モータの故障、操縦の未熟さなどがある。そのため、従来、ドローンの長寿命化という点に対しては、上記の点に注目した対応や改良が中心に行われてきた。
ところで、ドローンには、さまざまな電気部品ユニットが搭載されており、これら電気部品ユニットは、駆動時に発熱を伴う。そのため、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することも、ドローンの長寿命化を図るうえで重要な課題である。ところが、従来、この点についてはほとんど対策が講じられていない。

そこで、本発明は、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制し、飛行体の長寿命化を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る飛行体の一態様は、本体部と、前記本体部から伸びる複数のフレーム部と、前記フレーム部の先端部に設けられ、回転翼および前記回転翼が連結された回転軸を回転させるモータを有する推進駆動部と、前記推進駆動部を駆動するための電気部品ユニットと、を備える飛行体であって、前記回転翼の下方において前記回転軸に連結され、前記モータにより回転する送風ファンを備え、前記フレーム部は、内側に空間を有する中空部材であり、前記フレーム部の外部と前記空間とを連通する複数の給排気口を有し、前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記空間内であって、少なくとも２つの前記給排気口の間に配置されており、前記給排気口は、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部における前記回転翼に対向する位置に形成された第一の給排気口を含み、前記送風ファンは、前記外部の空気を、少なくとも１つの前記給排気口から前記空間内に取り込む。

このように、フレーム部を中空の構造として複数の給排気口を形成し、送風ファンによってフレーム部の内側に空気を取り込むことにより、フレーム部の内側に空気の流れを生じさせることができる。このフレーム部の内側を流れる風は、フレーム部の内側であって、２つの給排気口の間に配置された電気部品ユニットを冷却する冷却風として作用する。送風ファンは、回転翼が連結された回転軸に連結されており、モータによって回転翼とともに回転するため、モータの動作時、即ち飛行体の飛行時には、必ず冷却風を発生させることができる。
したがって、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することができる。これにより、電気部品ユニットの長寿命化を図ることができ、結果として、当該電気部品ユニットを搭載した飛行体の長寿命化を図ることができる。さらに、回転翼の回転と送風ファンの回転とを、１つのモータで行うことができるので、別途、送風ファンを回転させるためのモータを設ける必要がなく、飛行体の小型化、軽量化が図れる。

また、上記の飛行体において、前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部における前記送風ファンの近傍に形成された前記第一の給排気口と、前記本体部側の端部に形成された第二の給排気口との間に配置されていてもよい。
この場合、フレーム部の一端から他端までを、冷却風の通風路として有効利用することができる。また、送風ファンの近傍に第一の給排気口を配置することで、送風ファンによって、フレーム部の空間内に第一の給排気口を通る空気の流れを適切に生成することができる。

さらに、上記の飛行体において、前記モータは、前記フレーム部の前記空間内に配置されており、前記第一の給排気口は、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部の上面であって、前記モータの上方に形成されていてもよい。この場合、回転翼の下方で、かつモータの上方に配置された送風ファンによって、フレーム部の空間内に、第一の給排気口を通る空気の流れを確実に生成することができる。また、このときフレーム部の空間内を流れる風がモータを通過するように空気の流れを生成することができるため、モータを冷却する効果も得られる。
また、上記の飛行体において、前記電気部品ユニットは、前記第二の給排気口と前記モータとの間に配置されていてもよい。この場合、フレーム部の本体部側の端部に形成された第二の給排気口と、フレーム部の先端部に設けられた推進駆動部側との間のフレーム部の内側の空間内を、電気部品ユニットの配置場所として有効利用することができる。

さらにまた、上記の飛行体において、前記送風ファンは、前記外部の空気を、前記第二の給排気口から前記空間内に取り込み、前記第一の給排気口から送出することもできる。このように、送風ファンの送風方向を、フレーム部の空間内の空気が第一の給排気口から外部へ送出される方向としてもよい。
また、上記の飛行体において、前記送風ファンは、前記外部の空気を、前記第一の給排気口から前記空間内に取り込み、前記第二の給排気口から送出することもできる。このように、送風ファンの送風方向を、外部の空気が第一の給排気口からフレーム部の空間内に進入する方向としてもよい。
また、上記の飛行体において、前記フレーム部は、前記送風ファンにより前記空間内に取り込まれた空気が前記モータの内部を通過するように、前記空気の流れを規制する規制部をさらに備えてもよい。この場合、モータを確実に冷却することができる。

また、上記の飛行体において、前記送風ファンは、軸流ファンであってよい。軸流ファンは、回転軸に沿った（回転軸と平行な）風の流れを作り出すことができ、また、回転方向によって送風方向を変更可能であるため、フレーム部の空間内に所望の空気の流れを容易に作り出すことができる。
さらに、上記の飛行体において、前記送風ファンは、遠心ファンであってもよい。遠心ファンは、回転方向に依存しない風の流れを作り出すことができる。したがって、モータの回転方向によらずに、フレーム部の空間内に一定方向の空気の流れを容易に作り出すことができる。

また、上記の飛行体において、前記電気部品ユニットは、前記モータの回転速度を制御する速度制御ユニットを含んでもよい。
速度制御ユニットは、モータの回転速度を制御するために複数のスイッチング素子を備え、かなりの発熱が見込まれる。このように、発熱量の多い速度制御ユニットをフレーム部の内側に配置し、フレーム部の内側を流れる冷却風によって冷却する構造とすることで、速度制御ユニットの温度上昇を適切に抑制し、効果的に飛行体の長寿命化を図ることができる。

また、前記電気部品ユニットには、当該電気部品ユニットを冷却する冷却体が取り付けられていてもよい。この場合、より効率的に電気部品ユニットの温度上昇を抑制することができる。
さらに、上記の飛行体において、前記冷却体は、炭素繊維強化炭素複合材料により構成されていてもよい。炭素繊維強化炭素複合材料は、低密度で高熱伝導率を有する材料である。したがって、高い冷却効率を有する軽量な冷却体とすることができ、飛行体の重量を著しく増加することなく、効率的に電気部品ユニットを冷却することができる。

本発明によれば、モータの動作中、即ち飛行体の飛行中に、必ず送風ファンによりフレーム部の中空部分に風を取り込むことができる。したがって、電気部品ユニットを強制空冷することができ、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制し、電気部品ユニットの長寿命化を図ることができる。その結果、電気部品ユニットを搭載した飛行体の長寿命化を図ることができる。

本実施形態における飛行体の全体構成例を示す図である。 飛行体のシステム構成の概略を示す図である。 フレーム部の内部における風の流れを示す図である。 送風ファン（軸流ファン）の一例である。 軸流ファン取り付け時におけるモータとの位置関係を示す図である。 フレーム部に設けた規制部の一例である。 フレーム部の内部における風の流れを示す図である。 フレーム部の内部における風の流れの別の例を示す図である。 送風ファン（遠心ファン）の一例である。 送風ファン（遠心ファン）の別の例である。 遠心ファン取り付け時におけるモータとの位置関係を示す図である。 本実施形態における飛行体の別の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における飛行体１０の全体構成例を示す図である。本実施形態では、飛行体１０がドローン（マルチコプター）である場合について説明する。
ドローン１０は、本体部１１と、本体部１１から伸びる複数（本実施形態では、４本）のフレーム部１２と、を備える。さらに、ドローン１０は、フレーム部１２の先端部（本体部１１側ではない方の端部）にそれぞれ設けられた推進駆動部２０を備える。
推進駆動部２０は、機体の飛行のための揚力および推力を発生させるユニットであり、モータ２１と、モータ２１によって回転される回転翼（プロペラ、ロータともいう）２２とを備える。ここで、モータ２１は、３相ブラシレスＤＣモータであり、後述するコントローラ３２によって回転速度（回転数）が制御される。

本体部１１およびフレーム部１２には、種々の電気部品ユニットが搭載されている。具体的には、本体部１１には、受信ユニット３１、コントローラ３２、センサユニット３３およびバッテリユニット３４が搭載されている。また、フレーム部１２には、速度制御ユニット３５が搭載されている。
これら電気部品ユニットは、本体部１１およびフレーム部１２を構成する筐体（カバー等を含む）１３に覆われている。

図２は、ドローン１０のシステム構成の概略を示す図である。
受信ユニット３１は、操縦器（不図示）から送信される信号を受信し、受信した信号をコントローラ３２に出力する。ここで、操縦器は、操縦者がドローン１０の機体を遠隔から操作するための器具である。受信ユニット３１は、操縦者が操作する操縦器から送信される信号を受信するためのアンテナを備える。
コントローラ３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、受信ユニット３１により受信された信号やセンサユニット３３により検出された信号を受け取り、これらの信号に基づいてドローン１０の機体の飛行制御を行う。

センサユニット３３は、各種センサを備える。例えば、センサユニット３３は、ジャイロセンサ３３ａ、加速度センサ３３ｂ、気圧センサ３３ｃ、ＧＰＳセンサ３３ｄなどを備える。
ジャイロセンサ３３ａは、例えば３軸ジャイロであり、ドローン１０の機体のロール軸、ピッチ軸およびヨー軸のそれぞれの方向に対して傾きの変化量を検出する。加速度センサ３３ｂは、ドローン１０の機体の加速度を検出する。加速度センサ３３ｂは、例えばＸＹＺ軸の３方向の加速度を検出する３軸加速度であってよい。気圧センサ３３ｃは、気圧を検知し、検知した気圧に基づいてドローン１０の機体の高度を検出する。ＧＰＳセンサ３３ｄは、ドローン１０の機体の飛行位置を検出する。

コントローラ３２は、受信ユニット３１により受信された信号やセンサユニット３３により検出された信号に基づいて、各モータ２１の目標回転速度を決定し、各モータ２１の回転速度が目標回転速度に一致するように速度制御ユニット３５を制御する。
速度制御ユニット３５は、１個のモータ２１にそれぞれ対応して設けられている。各速度制御ユニット３５は、本実施例においては６個のスイッチング素子を有するインバータ回路と、スイッチング素子をオンオフ制御するための駆動回路（ゲートドライバ）とをそれぞれ備える。ここで、スイッチング素子は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等である。

コントローラ３２が、速度制御ユニット３５を介して各モータ２１の回転速度（回転数）を個別に制御することにより、ドローン１０は、離陸、着陸、前進、後退などの飛行制御、およびロール、ピッチ、ヨーイングなどの姿勢制御が行われる。
図２に示す各電気部品ユニット（３１、３２、３３、３５）には、図１に示すバッテリユニット３４から電力が供給される。バッテリユニット３４は、例えばリチウム充電池とすることができる。バッテリユニット３４は、機体の重心を安定させるために、本体部１１の下部中央に設けられている。バッテリユニット３４から各電気部品ユニットへの電力の供給は、配線によって直接行われてもよいし、ＰＭＵ（Power Management Unit）を介して行われてもよい。

上述したように、速度制御ユニット３５は、３相のモータを広い速度範囲で制御するために、それぞれ６個のスイッチング素子を有する。スイッチング素子は、電流が流れることで発熱する発熱体である。速度制御ユニット３５は、それぞれが６個のスイッチング素子を有するため、かなりの発熱が見込まれる。そのため、適切に冷却を行わないと、例えばスイッチング素子のジャンクション部の温度が一定温度を超え、スイッチング素子に不具合が生じるおそれがある。また、速度制御ユニット３５自体が高温となると、スイッチング素子だけでなく、この速度制御ユニット３５に含まれる他の電気部品の不具合発生の原因にもなり得る。

つまり、速度制御ユニット３５の長寿命化を実現するためには、スイッチング素子を適切に冷却し、速度制御ユニット３５の過度な温度上昇を抑制することが重要である。
本実施形態では、速度制御ユニット３５の温度上昇を抑制するために、フレーム部１２を中空の構造とし、速度制御ユニット３５を中空のフレーム部１２の内側に配置する。そして、中空のフレーム部１２の内側を冷却風通風路として利用し、速度制御ユニット３５をフレーム部１２の内側を通る冷却風によって冷却するようにする。
さらに、本実施形態では、モータ２１の回転軸と同軸に送風ファンを設け、中空のフレーム部１２の内側に積極的に冷却風を取り込むようにする。なお、図１において、送風ファンの図示は省略している。

図３は、フレーム部１２の断面構造の一例を示す図である。
フレーム部１２は、一方向に伸びる中空の（筒状の）部材である。フレーム部１２の長手方向に直交する方向における断面形状は、特に限定されるものではなく、フレーム部１２は角中空の構造であってもよいし、円中空の構造であってもよい。
フレーム部１２は、第一の給排気口１５と、第二の給排気口１６と、を備える。給排気口１５および１６は、フレーム部１２の外部とフレーム部１２の内側の空間とを連通させる給排気口であり、一方が給気口となる場合は、他方が排気口となる。

第一の給排気口１５は、フレーム部１２の推進駆動部２０側の端部に形成されており、第二の給排気口１６は、フレーム部１２の本体部１１側の端部に形成されている。速度制御ユニット３５は、フレーム部１２の内側であって、第一の給排気口１５と第二の給排気口１６との間に配置されている。また、モータ２１は、フレーム部１２の内側であって、第一の給排気口１５と速度制御ユニット３５との間に配置されている。つまり、速度制御ユニット３５は、モータ２１と第二の給排気口１６との間に配置されている。
より具体的には、第一の給排気口１５は、フレーム部１２の推進駆動部２０側における上面であって、回転翼２２の下方に形成されている。また、第二の給排気口１６は、フレーム部１２の本体部１１側における下面に形成されている。

モータ２１の回転軸２３には回転翼２２が連結されている。そして、モータ２１の回転軸２３と同じ軸であって、モータ２１と回転翼２２との間には、送風ファンとして軸流ファン２４が取り付けられている。
本実施形態では、フレーム部１２は、軸流ファン２４と同等の大きさを有する第一の給排気口１５を有し、軸流ファン２４は、第一の給排気口１５を塞ぐ位置に取り付けられている。
なお、軸流ファン２４は、フレーム部１２の内側に配置されていてもよいし、フレーム部１２の外側に配置されていてもよい。つまり、軸流ファン２４は、第一の給排気口１５を介して、フレーム部１２の外部からフレーム部１２の内側、もしくはその逆へ流れる風を生成できるように、第一の給排気口１５の近傍に配置されていればよい。

図４は、軸流ファン２４の一例を示す斜視図である。軸流ファン２４は、風を作り出す複数の羽根２４ａを備える。ここで、羽根２４ａは、円形の平板に切り込みを入れて折り曲げることで形成される。また、軸流ファン２４は、その中心部にモータ２１の回転軸２３に連結される連結部２４ｂを有する。
軸流ファン２４は、回転することにより、回転軸に沿った（回転軸と平行な）風の流れを作り出すことができる。

図５は、モータ２１の回転軸２３に軸流ファン２４を取り付けた図である。この図５において、軸流ファン２４は、羽根２４ａがモータ２１側に凸になるように取り付けられている。モータ２１の回転軸２３が一方向に回転すると、軸流ファン２４は回転軸２３を介して同方向に回転する。
軸流ファン２４では、回転方向によって風の流れる向きを変えることができる。つまり、軸流ファン２４の回転方向に応じて、モータ２１側から図５における軸流ファン２４の上方へ向けて送風したり、逆に図５における軸流ファン２４の上方からモータ２１側へ向けて送風したりすることができる。
なお、本実施形態において送風ファンとして使用する軸流ファンは、図４に示す形状のものに限定されない。

図３に戻り、同図は、軸流ファン２４が、軸流ファン２４の上方からモータ２１側に向かう風の流れを作り出す場合の冷却風の流れを示している。
ドローン１０は、モータ２１により回転翼２２を回転させることで飛行する。モータ２１が回転すると、モータ２１の回転軸２３に回転一体に連結された軸流ファン２４も回転する。すると、軸流ファン２４の回転により、第一の給排気口１５からフレーム部１２の内側に外気４１が取り込まれる。
フレーム部１２の内側に取り込まれた外気４１の一部は、冷却風４２となってモータ２１とフレーム部１２の内壁との間に進入する。また、フレーム部１２の内側に取り込まれた外気４１の一部は、冷却風４３となってモータ２１内部のコイルの隙間に進入する。モータ２１内部に進入した冷却風４３は、モータ２１内部のコイルの隙間を通過し、冷却風４４となってフレーム部１２の内側に進入する。
このとき、モータ２１は、モータ２１内部のコイルの隙間を流れる冷却風４３によって冷却される。

フレーム部１２の内側に取り込まれた冷却風４２および４４は、中空のフレーム部１２の内側を本体部１１側に向かって流れ、フレーム部１２の内側に配置された速度制御ユニット３５を冷却する。つまり、速度制御ユニット３５は、フレーム部１２の内側を流れる冷却風４５により、適切に冷却され温度の上昇が抑制される。
速度制御ユニット３５を冷却した風４６は、フレーム部１２の本体部１１側に形成された第二の給排気口１６から外部に排気される。

なお、軸流ファン２４によりフレーム部１２の内側に取り込まれる外気４１のうち、モータ２１内部に進入する空気が多いほどモータ２１の冷却効率は良い。そこで、図６に示すように、軸流ファン２４によりフレーム部１２の内側に取り込まれた外気４１がモータ２１の内部を通過するように空気の流れを規制する規制部１２ａを設けてもよい。規制部１２ａは、第一の給排気口１５から取り込まれた外気４１がモータ２１とフレーム部１２の内壁との間に進入することを抑制している。これにより、モータ２１を効果的に冷却することができる。ただし、規制部１２ａを形成する位置および形状は上記に限定されない。

図７は、図３の場合とは反対に、軸流ファン２４が、モータ２１側から軸流ファン２４の上方に向かう風の流れを作り出す場合の冷却風の流れを示している。
モータ２１が回転して軸流ファン２４が回転すると、第二の給排気口１６からフレーム部１２の内側に外気５１が取り込まれる。フレーム部１２の内側に取り込まれた風は、中空のフレーム部１２の内側をモータ２１側に向かって流れ、フレーム部１２の内側に配置された速度制御ユニット３５を冷却する。つまり、速度制御ユニット３５は、フレーム部１２の内側を流れる冷却風５２により、適切に冷却され温度の上昇が抑制される。

速度制御ユニット３５を冷却した冷却風５２の一部は、冷却風５３となってモータ２１とフレーム部１２の内壁の間に進入する。また、速度制御ユニット３５を冷却した冷却風５２の一部は、モータ２１の下方からモータ２１内部に進入し、冷却風５４となってモータ２１内部のコイルの隙間を通過する。このとき、モータ２１は、モータ２１内部のコイルの隙間を流れる冷却風５４によって冷却される。そして、冷却風５３および５４は、軸流ファン２４を介して、第一の給排気口１５から外部に排気される。

なお、第二の給排気口１６からフレーム部１２の内側に取り込まれ通風路１２ｂを流れる冷却風５２のうち、モータ２１内部に進入する空気が多いほどモータ２１の冷却効率は良い。そこで、本実施形態では、冷却風５２がモータ２１側に向かって流れる場合の通風路１２ｂの出口（通風路１２ｂのモータ２１側の開口）がモータ２１の下部に位置するように、フレーム部１２が形成されている。これにより、冷却風５２がモータ２１の下方からモータ２１内部に進入しやすくなる。また、通風路１２ｂの出口には、図７に示すように、通風路１２ｂを通過した冷却風５２がモータ２１の下方からモータ２１内部に進入し、モータ２１の内部を通過するように空気の流れを規制する規制部１２ｂ´を設けてもよい。規制部１２ｂ´は、通風路１２ｂを通過した冷却風５２が、モータ２１とフレーム部１２の内壁との間に進入することを抑制することができる。
これにより、モータ２１を効果的に冷却することができる。ただし、通風路１２ｂの形状や、規制部１２ｂ´を形成する位置および形状は上記に限定されない。

上述した図３～図７に示す例では、送風ファンとして軸流ファン２４を用いる場合について説明したが、送風ファンは、遠心式のファン（遠心ファン）であってもよい。
図８は、送風ファンとして遠心ファン２５を用いた場合のフレーム部１２の断面構造を示す図である。同図においては、遠心ファン２５として、シロッコファン（多翼ファン）を使用している。

遠心ファン（シロッコファン）２５は、図９に示すように、円周上に多数の羽根２５ａを有する。また、遠心ファン２５は、その中心部にモータ２１の回転軸２３に連結される連結部２５ｂを有する。遠心ファン２５が回転することにより作り出される風は、回転軸付近の空洞部（内側空洞部）から取り込まれて、回転軸に対して直角に遠心方向に流れ、羽根２５ａの外側へ排気される。
なお、送風ファンとして使用する遠心ファンは、図９に示すシロッコファン２５に限定されない。例えば、図１０に示すターボファン２５Ａを用いることもできる。

遠心ファン２５は、モータ２１の回転軸２３に取り付けられる。このとき、モータ２１の少なくとも一部が、遠心ファン２５の内側空洞部に入るように（遠心ファン２５がモータ２１に覆いかぶさるように）取り付けられる。図１１は、モータ２１に遠心ファン２５を取り付けた例である。なお、図１１は、遠心ファン２５がモータ２１に完全に覆いかぶさるように取り付けられた例を示している。
モータ２１の回転軸２３が一方向に回転すると、遠心ファン２５は回転軸２３を介して同方向に回転する。ここで、遠心ファン２５は、上述した軸流ファン２４とは異なり、回転方向によらずに風の流れる向きは同じである。つまり、遠心ファン２５は、どちらに回転しても内側空洞部からファン外側へ向かう方向に送風することができる。

以下、図８を用いて冷却風の流れについて説明する。
回転翼２２を回転させるためにモータ２１が回転すると、モータ２１の回転軸２３に回転一体に連結された遠心ファン２５も回転する。すると、遠心ファン２５は、風を内側空洞部の回転軸２３付近から取り入れて、羽根２５ａから外側へ排気する。したがって、遠心ファン２５が回転すると、遠心ファン２５の下方から内側空洞部に進入し、遠心ファン２５の羽根２５ａから出て遠心ファン２５の上方に向かう風の流れが形成される。

具体的には、遠心ファン２５が回転すると、第二の給排気口１６からフレーム部１２の内側に外気６１が取り込まれる。フレーム部１２の内側に取り込まれた風は、中空のフレーム部１２の内側をモータ２１側に向かって流れ、フレーム部１２の内側に配置された速度制御ユニット３５を冷却する。つまり、速度制御ユニット３５は、フレーム部１２の内側を流れる冷却風６２により、適切に冷却され温度の上昇が抑制される。
速度制御ユニット３５を冷却した冷却風６２の一部は、冷却風６３となってモータ２１の外側を通って遠心ファン２５の内側空洞部に進入する。また、速度制御ユニット３５を冷却した冷却風６２の一部は、モータ２１の下方からモータ２１内部に進入し、冷却風６４となってモータ２１内部のコイルの隙間を通過する。遠心ファン２５は、モータ２１に覆いかぶさっているので、モータ２１内部を通過した冷却風６４は、遠心ファン２５の内側空洞部に進入する。このとき、モータ２１は、モータ２１内部のコイルの隙間を流れる冷却風６４によって冷却される。

なお、図８に示す例では、図７に示す例と同様に、冷却風６２が流れる通風路１２ｃの出口がモータ２１の下部に位置するように、フレーム部１２が形成されている。これにより、第二の給排気口１６から取り込まれて通風路１２ｃを通る冷却風６２が、モータ２１の外側を進入することを抑制することができる。つまり、通風路１２ｃは、冷却風６２がモータ２１の内部を通過するように空気の流れを規制する規制部に対応している。これにより、モータ２１を効果的に冷却することができる。
ただし、通風路１２ｃの形状は、図８に示す形状に限定されない。また、規制部として、別途、冷却風６２がモータ２１の外側を進入することを抑制する部材を設けてもよい。

また、図８に示す例では、冷却風６２のうちモータ２１内部に進入しなかった冷却風が、遠心ファン２５の内側空洞部に進入するように（遠心ファン２５とフレーム部１２の内壁との間に進入しないように）空気の流れを規制する規制部１２ｄを設けている。規制部１２ｄは、遠心ファン２５の下端部における通風路の面積が、遠心ファン２５の下端部の面積と同等となるように規制することで、冷却風６２のうちモータ２１内部に進入しなかった冷却風が、モータ２１とフレーム部１２の内壁との間に進入することを抑制している。これにより、フレーム部１２の空間内における空気の流れを適切に生成することができ、第二の給排気口１６から取り込まれた外部の空気を第一の給排気口１５から送出することができる。ただし、規制部１２ｄを形成する位置および形状は上記に限定されない。

遠心ファン２５の内側空洞部に進入した冷却風６３および６４は、遠心ファン２５の羽根２５ａから排気され、遠心ファン２５とフレーム部１２の内壁との間を通る風６５となる。この風６５は、第一の給排気口から外部に排気される。
上述したように、遠心ファン２５の風の流れは、回転方向に依存しない。そのため送風ファンとして遠心ファン２５を使用する場合は、冷却風の流れは、図８に示す方向に限定される。
なお、図８に示す例では、第一の給排気口１５がフレーム部１２の上面に形成されているが、第一の給排気口１５は、フレーム部１２における遠心ファン２５の側面に対向する面１２ｅに形成されていてもよい。この場合、フレーム部１２の上面においては、回転軸２３の回転の妨げにならない程度の開口部のみを形成すればよい。その結果、例えば雨などの上方からの異物がフレーム部１２内へ侵入するのを抑制することができる。

以上のように、本実施形態におけるドローン１０は、本体部１１と、本体部１１から伸びる複数のフレーム部１２と、フレーム部１２の先端部にそれぞれ設けられた推進駆動部２０と、推進駆動部２０を駆動するための電気部品ユニットと、回転翼２２の下方（モータ２１側）において回転軸２３に連結され、モータ２１により回転する送風ファンと、を備える。ここで、フレーム部１２は、内側に空間を有する中空部材であり、フレーム部１２の外部と内側の空間とを連通する複数の給排気口を有する。また、電気部品ユニットは、フレーム部１２の内側（空間内）であって、少なくとも２つの給排気口の間に配置されている。そして、送風ファンは、外部の空気を、少なくとも１つの給排気口から空間内に取り込む。
具体的には、電気部品ユニットは、フレーム部１２の推進駆動部２０側の端部における送風ファンの近傍に形成された第一の給排気口１５と、本体部１１側の端部に形成された第二の給排気口１６との間に配置することができる。

このように、フレーム部１２を中空の構造として２つの給排気口１５、１６を形成し、送風ファンによってフレーム部１２の内側に空気を取り込むことにより、フレーム部１２の内側に空気の流れを積極的に生じさせることができる。このフレーム部１２の内側を流れる風は、フレーム部１２の内側であって、２つの給排気口１５、１６の間に配置された電気部品ユニットを冷却する冷却風として作用する。送風ファンは、回転翼２２が連結された回転軸２３に連結されており、モータ２１によって回転翼２２とともに回転する。そのため、モータ２１の動作時、即ちドローン１０の飛行時には、必ず冷却風を発生させることができる。
これにより、電気部品ユニットを強制空冷することができ、電気部品ユニットの温度上昇を適切に抑制することができる。したがって、電気部品ユニットの長寿命化を図ることができ、結果として、当該電気部品ユニットを搭載した飛行体の長寿命化を図ることができる。さらに、回転翼２２の回転と送風ファンの回転とを、１つのモータ２１で行うことができる。したがって、別途、送風ファンを回転させるためのモータを設ける必要がなく、ドローン１０の小型化、軽量化が図れる。

また、フレーム部１２の内側に配置する電気部品ユニットは、モータ２１の回転速度を制御する速度制御ユニット３５とすることができる。速度制御ユニット３５は、複数のモータ２１の回転速度を個別に制御するために、複数のモータ２１にそれぞれ対応して設けられる。また、モータ２１は３相ブラシレスＤＣモータであり、モータ２１の３相に流す電流を制御するために、速度制御ユニット３５は、それぞれ６個のスイッチング素子を備える。そのため、速度制御ユニット３５は、かなりの発熱が見込まれる。
しかしながら、本実施形態では、上記のように、モータ２１の動作中は必ず冷却風を発生させることができる。したがって、速度制御ユニット３５をフレーム部１２の内側に配置し、モータ２１の動作中は、必ずフレーム部１２の内側を冷却風が流れる構造とすることで、発熱量の多い速度制御ユニット３５の温度上昇を適切に抑制し、効果的にドローン１０の長寿命化を図ることができる。

また、速度制御ユニット３５をフレーム部１２の内側に配置することで、速度制御ユニット３５を本体部１１に配置された他の電気部品ユニットから離すことができる。これにより、速度制御ユニット３５が備えるスイッチング素子のスイッチングノイズが、他の電気部品ユニットの動作に対して悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

さらに、本実施形態において、モータ２１は、フレーム部１２の空間内に配置することができる。また、第一の給排気口１５は、フレーム部１２の推進駆動部２０側の端部の上面であって、モータ２１の上方に形成することができる。したがって、回転翼２２の下方で、かつモータ２１の上方に配置された送風ファンによって、フレーム部１２の空間内に、第一の給排気口１５を通る空気の流れを確実に生成することができる。
つまり、送風ファンは、外部の空気を第二の給排気口１６からフレーム部１２の空間内に取り込み、第一の給排気口１５から送出するような空気の流れや、外部の空気を第一の給排気口１５からフレーム部１２の空間内に取り込み、第二の給排気口１６から送出するような空気の流れを生成することができる。また、このときフレーム部１２の空間内を流れる風がモータ２１を通過するように空気の流れを生成することができるため、モータ２１を冷却する効果も得られる。

さらに、外部の空気を第二の給排気口１６からフレーム部１２の空間内に取り込み、第一の給排気口１５から上方へ送出するような空気の流れを生成した場合、第一の給排気口１５からの雨などの異物の侵入を抑制することができる。
また、外部の空気を第一の給排気口１５からフレーム部１２の空間内に取り込み、第二の給排気口１６から送出するような空気の流れを生成した場合、モータ２１を優先して冷却することができる。

ここで、送風ファンは、軸流ファン２４であってもよいし、遠心ファン２５であってもよい。軸流ファン２４は、回転軸２３に沿った（回転軸２３と平行な）風の流れを作り出すことができ、また、モータ２１の回転方向、また羽根２４ａの向きによって送風方向を変更可能である。そのため、送風ファンとして軸流ファン２４を用いた場合、フレーム部１２の空間内に所望の空気の流れを容易に作り出すことができる。一方、遠心ファン２５は、回転方向に依存しない風の流れを作り出すことができる。したがって、送風ファンとして遠心ファン２５を用いた場合、モータ２１の回転方向によらずに、フレーム部１２の空間内に一定方向の空気の流れを容易に作り出すことができる。

このように、本実施形態におけるドローン１０は、フレーム部１２の内側に確実に空気を流し、フレーム部１２の内側に配置された速度制御ユニット３５を適切に冷却することができる。

なお、速度制御ユニット３５をより効率的に冷却するために、速度制御ユニット３５の放熱面に、図３、図６～図８に示すように、熱伝導性に優れた冷却体３６を取り付けてもよい。なお、冷却体３６は、速度制御ユニット３５が備える発熱体となるスイッチング素子そのものに取り付けてもよいし、スイッチング素子が実装された基板に取り付けてもよい。
ここで、冷却体３６の材料としては、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）や、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）を用いることができる。ＣＦＲＰやＣ／Ｃコンポジットは、冷却体として一般に用いられる銅やアルミニウムよりも熱伝導率が高くかつ低密度（軽量）な材料である。
したがって、ＣＦＲＰやＣ／Ｃコンポジットを冷却体として使用することにより、冷却体を取り付けることによる機体の重量増加を抑制しつつ、効率良く速度制御ユニット３５を冷却することができる。

（変形例）
上記実施形態において説明した送風ファン２４、２５の配置位置、および第一の給排気口１５、第二の給排気口１６を形成する位置は一例であり、上記に限定されない。例えば、送風ファンはモータ２１の下方に配置されていてもよい。また、フレーム部１２には、第一の給排気口１５、第二の給排気口１６以外の給排気口が形成されていてもよい。つまり、回転翼２２の下方において回転軸２３に連結され、モータ２１により回転する送風ファンが、フレーム部１２に形成された少なくとも１つの給排気口から、外部の空気をフレーム部１２の内側の空間内に取り込むことができる構成であればよい。

さらに、上記実施形態においては、フレーム部１２の一部がモータ２１のハウジングとして機能してもよい。つまり、フレーム部１２の空間内に、ハウジングを有するモータ２１を配置するのではなく、ハウジングを除くステータ、ロータ等を有するモータ２１を配置するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、電気部品ユニット３５は、第二の給排気口１６とモータ２１との間に配置されている場合について説明したが、電気部品ユニット３５の配置位置は上記に限定されない。電気部品ユニット３５は、第一の給排気口１５と第二の給排気口１６との間に配置されていればよい。例えば、電気部品ユニット３５は、第一の給排気口１５とモータ２１との間に配置されていてもよい。ただし、電気部品ユニット３５は、第二の給排気口１６とモータ２１との間に配置されている方が、フレーム部１２の内側のスペースを有効利用できるため、好ましい。

さらに、上記実施形態においては、４つの回転翼２２を有するドローン１０について説明したが、回転翼の個数および構成は特に限定されない。
また、上記実施形態においては、飛行体がドローンである場合について説明したが、回転翼を有する飛行体であればマルチコプターに限定されない。また、飛行体は、無人回転翼機に限定されるものでもない。
さらに、上記実施形態においては、電気部品ユニットのうち、速度制御ユニット３５をフレーム部１２の内側（中空部分）に配置する場合について説明したが、推進駆動部２０を駆動するための他の電気部品ユニットを配置し、温度上昇を抑制する構造としてもよい。

さらに、上記実施形態においては、回転翼２２が、フレーム部１２およびモータ２１に対して上方に設けられた飛行体について説明したが、図１２に示すように、回転翼２２が、フレーム部１２およびモータ２１に対して下方に設けられるものもある。このような場合、回転翼２２に対するフレーム部１２およびモータ２１の上下方向の位置関係は、上記実施形態とは反対になる。そのため、回転翼２２の下方とは、回転翼２２に対してフレーム部１２側、または回転翼２２に対してモータ２１側を意味する。このような配置関係であっても、上記実施形態と同様の、送風ファン２４、２５による速度制御ユニット３５およびモータ２１の冷却を行うことができる。

１０…飛行体（ドローン）、１１…本体部、１２…フレーム部、１５…第一の給排気口）、１６…第二の給排気口、２０…推進駆動部、２１…モータ、２２…回転翼、２３…回転軸、２４…送風ファン（軸流ファン）、２５…送風ファン（遠心ファン）、３１…受信ユニット、３２…コントローラ、３３…センサユニット、３４…バッテリユニット、３５…速度制御ユニット ３６…冷却体

Claims (12)

1. 本体部と、前記本体部から伸びる複数のフレーム部と、前記フレーム部の先端部に設けられ、回転翼および前記回転翼が連結された回転軸を回転させるモータを有する推進駆動部と、前記推進駆動部を駆動するための電気部品ユニットと、を備える飛行体であって、
   前記回転翼の下方において前記回転軸に連結され、前記モータにより回転する送風ファンを備え、
   前記フレーム部は、内側に空間を有する中空部材であり、前記フレーム部の外部と前記空間とを連通する複数の給排気口を有し、
   前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記空間内であって、少なくとも２つの前記給排気口の間に配置されており、
   前記給排気口は、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部における前記回転翼に対向する位置に形成された第一の給排気口を含み、
   前記送風ファンは、前記外部の空気を、少なくとも１つの前記給排気口から前記空間内に取り込むことを特徴とする飛行体。
2. 前記電気部品ユニットは、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部における前記送風ファンの近傍に形成された前記第一の給排気口と、前記本体部側の端部に形成された第二の給排気口との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の飛行体。
3. 前記モータは、前記フレーム部の前記空間内に配置されており、
   前記第一の給排気口は、前記フレーム部の前記推進駆動部側の端部の上面であって、前記モータの上方に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の飛行体。
4. 前記電気部品ユニットは、前記第二の給排気口と前記モータとの間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の飛行体。
5. 前記送風ファンは、前記外部の空気を、前記第二の給排気口から前記空間内に取り込み、前記第一の給排気口から送出することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の飛行体。
6. 前記送風ファンは、前記外部の空気を、前記第一の給排気口から前記空間内に取り込み、前記第二の給排気口から送出することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の飛行体。
7. 前記フレーム部は、前記送風ファンにより前記空間内に取り込まれた空気が前記モータの内部を通過するように、前記空気の流れを規制する規制部をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の飛行体。
8. 前記送風ファンは、軸流ファンであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の飛行体。
9. 前記送風ファンは、遠心ファンであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の飛行体。
10. 前記電気部品ユニットは、前記モータの回転速度を制御する速度制御ユニットを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の飛行体。
11. 前記電気部品ユニットには、当該電気部品ユニットを冷却する冷却体が取り付けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の飛行体。
12. 前記冷却体は、炭素繊維強化炭素複合材料により構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の飛行体。

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