JP7236171B2

JP7236171B2 - プロペラ

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Publication number: JP7236171B2
Application number: JP2021553714A
Authority: JP
Inventors: アンヴァンホ; ディンクアンググエン
Original assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology
Current assignee: Japan Advanced Institute of Science and Technology
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: WO2021085588A1; JPWO2021085588A1

Description

本発明は、プロペラに関する。

飛行機のプロペラは、回転軸に取り付けられた複数の回転翼（羽根）を備え、これらの羽根が回転することで推力又は揚力を得る装置である。
プロペラは、小型の無人航空機、所謂ドローンにも用いられる。

このようなプロペラとして、特許文献１には、ドローンのホバリングに適した形状の回転翼を備えるものが記載されている。
このプロペラは、回転軸近くの翼弦を長く形成してホバリングに適する安定性を有する回転翼を備える。

特許文献２には、可撓性を有する材料により構成されているプロペラが記載されている。
このプロペラの回転軸及び回転翼は、可撓性を有する材料で構成されている。

国際公開第２０１７／１４６０２８号特開２０１９－１０４３６９号公報

特許文献１に記載されたプロペラは、飛行時間及び荷重を最大化するために最適化された形状の翼を備える。
このプロペラの翼は、飛行時間及び荷重の最大化のため、変化しない形状に形成される。このため、特許文献１に記載されたプロペラの剛性は高く、プロペラが他の物体に衝突したときに、翼が永続的に変形するという問題がある。

特許文献２に記載されたプロペラの翼は全体として可撓性を有するため、回転速度が大きくなると、翼がねじれたり、プロペラ全体に振動が発生したりして、継続的に変形するという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑み、回転中に変形しても元の形状に戻りやすいプロペラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係るプロペラは、
中心部と、
前記中心部から連続的に滑らかに径方向外側に向けて突出するように形成された移行部と、
前記移行部と連続的に滑らかに接続された可撓性を有する部材を含む屈曲部と、
前記屈曲部と接続され、当該屈曲部から連続的に滑らかに前記径方向外側に延びるように形成されている羽根と、
前記屈曲部の内部に配置され、前記移行部と前記羽根との間に張られた繊維と、
前記羽根の回転方向の前側に位置する前縁部と、を備え、
前記中心部、前記移行部及び前記羽根の可撓性が前記屈曲部の可撓性よりも低い。

本発明によれば、回転中に変形しても元の形状に戻りやすいプロペラが提供される。

第１の実施の形態に係るプロペラの斜視図である。図１Ａに示すプロペラの平面図である。図１Ａに示すプロペラの正面図である。図１Ａに示すプロペラの側面図である。図１Ａに示すプロペラの製造方法の流れを示すフローチャートである。比較例に係るプロペラの斜視図である。図１Ａに示すプロペラと図３Ａに示すプロペラを比較する実験の測定結果を示すグラフである。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図３Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す図である。図３Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図３Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図３Ａに示すプロペラが障害物と接触する前後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す別の図である。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す別の図である。別の比較例に係るプロペラの平面図である。別の比較例に係るプロペラの平面図である。別の比較例に係るプロペラの平面図である。図７Ｂに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す図である。図７Ｃに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す図である。図７Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の画像を示す図である。図７Ａから図７Ｃに示すプロペラ同士を比較する別の実験の測定結果を示すグラフである。別の比較例に係るプロペラの平面図である。別の比較例に係るプロペラの平面図である。別の比較例に係るプロペラの平面図である。図９Ａから図９Ｃに示すプロペラ同士を比較するシミュレーション結果を示すグラフである。別の比較例に係るプロペラの斜視図である。図７Ｂに示すプロペラの翼部の先端の位置を示す図である。図１０Ａに示すプロペラの翼部の先端の位置を示す図である。図７Ｂに示すプロペラの翼部の先端の位置を示す別の図である。図１０Ａに示すプロペラの翼部の先端の位置を示す別の図である。図７Ｂに示すプロペラと図１０Ａに示すプロペラを比較する別の実験の測定結果を示すグラフである。実験により計測された揚力と予測された揚力とを比較するグラフである。実験により計測された揚力と予測された揚力とを比較する別のグラフである。図１Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の別の画像を示す図である。図３Ａに示すプロペラが障害物と接触した直後の別の画像を示す図である。図１Ａに示すプロペラと図３Ａに示すプロペラを比較する別の実験の測定結果を示すグラフである。第２の実施の形態に係るプロペラの平面図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るプロペラ１、２１を、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るプロペラ１は、例えば、ドローンに取り付けられる、二枚羽根のプロペラである。

プロペラ１は、図１Ａに示すように、回転することのできる中心部であるハブ１１と、ハブ１１から互いに外側に延びる一対の羽根を含む翼部１２と、ハブ１１と翼部１２とを屈曲可能に接続する屈曲部１３と、翼部１２の縁に設けられた変形可能エッジ１４と、屈曲部１３に埋設され、ハブ１１と翼部１２とを接続する繊維状の複数の腱１５と、を備える。

以下、図１Ａに示した、翼部１２の延びる方向を＋Ｙ方向、揚力を生ずる方向を＋Ｚ方向、Ｙ方向及びＺ方向に垂直な方向を＋Ｘ方向として説明する。

図１Ａ、図１Ｂに示すように、ハブ１１は、プロペラ１の中心に配置されている。ハブ１１は、プロペラ１の回転軸をプロペラ１の他の部材と結合する中心部である。ハブ１１の中央において、図示しないモータＭの回転軸との接続のための孔ＨがＺ方向にねじ切りされている。ハブ１１は、円環Ｒとその円環Ｒから連続的に滑らかに径方向外側に向けて突出するように形成された移行部Ｔとを含む。移行部Ｔの一端において、ハブ１１は屈曲部１３と接続されている。ハブ１１は、剛性の高い硬質プラスチックの素材、例えば、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ（ポリ乳酸、polylactic acid）樹脂を含む。

翼部１２は、ハブ１１と同様に、剛性の高い硬質プラスチックの素材を含む。
翼部１２は、後述する変形可能エッジ１４と一体としてプロペラ１の回転翼（ブレード）として機能する形状に形成されている。
なお、プロペラ１の具体的な形状は、理論的に又はシミュレーションにより計算されてもよく、図１Ａから図１Ｄに示した形状に限定されるものではない。

屈曲部１３は、ハブ１１及び翼部１２に比べて可撓性の高い素材、例えば、シリコーンゴムを含む。また、屈曲部１３の剛性は、ハブ１１及び翼部１２の剛性よりも低い。屈曲部１３は、ハブ１１と翼部１２との間に配置されており、ハブ１１の外側に位置する移行部Ｔと翼部１２の内側とを滑らかに接続する連続的に変化する形状に形成されている。屈曲部１３が撓むことで、翼部１２は、上下方向及び回転方向に変位することができる。

図１Ｂ、図１Ｃに示すように、変形可能エッジ１４は、翼部１２の回転方向Ｄの縁に設けられている前縁部である。回転方向Ｄは、プロペラ１においては反時計回りである。
変形可能エッジ１４は、屈曲部１３と同様に、ハブ１１及び翼部１２に比べて可撓性の高い素材、例えば、シリコーンゴムを含む。変形可能エッジ１４の剛性は、ハブ１１及び翼部１２の剛性よりも低い。
なお、翼部１２は、請求項における後翼部の一例であり、変形可能エッジ１４は、請求項における前縁部の一例である。

腱１５は、柔軟かつ強度の高い繊維素材、例えば、ナイロン繊維を含む糸状の部材である。腱１５は、図１Ａ～図１Ｃにおいて破線で示したように、ハブ１１と翼部１２との間に複数張られており、それらの周囲が屈曲部１３に覆われている。腱１５の剛性は、屈曲部１３の剛性よりも低く、腱１５の可撓性は、屈曲部１３の可撓性よりも高い。

このように、プロペラ１においては、ハブ１１及び翼部１２の可撓性が低い一方で、屈曲部１３の可撓性が高く、強度の高い腱１５が翼部１２をハブ１１と接続している。このため、プロペラ１が外力を受けると、翼部１２及び変形可能エッジ１４はその外力によって変位するが、その外力がなくなると、速やかにもとの位置に復帰する。また、プロペラ１は、部分的に可撓性を有する素材を含むにとどまるので、可撓性を有する素材で全体が構成される場合に比べ、回転に伴う捻れや振動が低減される。

次に、図２を参照して、プロペラ１の製造方法を説明する。
まず、プロペラ１の形状を設計する（ステップＳ１）。具体的には、例えば、数値計算ソフトウェア、シミュレータ、ＣＡＤ（Computer Aided Design）ソフトウェア等を用いて、プロペラ１の各部品、すなわち、ハブ１１、翼部１２、屈曲部１３、変形可能エッジ１４等の形状を設計する。

ステップＳ１で生成された設計データと３Ｄプリンタを用いて、硬い部品、すなわち、ハブ１１及び翼部１２の３Ｄプリントを行う（ステップＳ２）。
なお、３Ｄプリンタを用いず、後述する成形のステップにおける方法と同様に、型を用いた成形を行うことで硬い部品を形成してもよい。

硬い部品と腱１５を接着して、プロペラ１の骨格であるフレームを形成する（ステップＳ３）。具体的には、ハブ１１と翼部１２の互いに向かい合う面には小孔が形成されているので、これらの小孔に接着剤を塗布した腱１５を差し込んで固定する。なお、接着には、硬い部品と腱１５の両方に適した接着剤を用いる。

型に、ステップＳ３で形成されたフレームを載せて位置決めする（ステップＳ４）。このステップで用いられる型は、設計のステップで生成されたハブ１１、翼部１２、屈曲部１３及び変形可能エッジ１４の占める空間のデータから、予め３Ｄプリント等の方法で形成される。

成形を行う（ステップＳ５）。例えば、主材と硬化剤を混合したものを型に流し込み、固まるまで静かに保持する。

成形物を型から分離する（ステップＳ６）。このステップで、成形物から余分な部分、所謂バリを取り除いておく。

ハブ１１、翼部１２、屈曲部１３及び変形可能エッジ１４の相互に接する部分に接着剤を塗布して接着する微調整を行う（ステップＳ７）。これにより、プロペラ１の硬い部品と軟らかい部品とがより強固に接続される。
以上の工程を経て、プロペラ１が完成する。

これまで述べてきた構成及び製造方法によって製造されたプロペラ１の特性を調べる実験について説明する。

（第１の実験）
プロペラ１の回転速度を変化させた場合にプロペラ１によって生成される揚力を測定する実験を行った。
プロペラ１によって生成される揚力を正確に測定するため、デジタルフォースゲージを用いて、プロペラ１の揚力を引張力として計測した。
また、図３Ａに示すように、プロペラ１と同一の形状を有し、硬い素材のみでできている従来のプロペラ１０１を比較例として用いた。

以下のプロペラを回転させる実験では、モータＭの回転軸にプロペラを接続し、モータＭに供給する電流を変化させることでモータＭの回転数を任意に設定できるようにした。以下の実験では、プロペラはモータＭに直接接続されているから、プロペラの回転速度は、モータＭの回転速度と等しい。

図３Ｂに、モータＭの回転速度（ｒｐｍ）に対する揚力（Ｎ）の関係を示す。
図３Ｂに示すように、回転速度を大きくすると、プロペラ１によって生成される揚力は、従来のプロペラ１０１によって生成される揚力と同様に、直線的に大きくなるという結果が得られた。
また、同じ回転速度で比較すると、プロペラ１を用いて得られる揚力は、従来のプロペラ１０１を用いて得られる揚力に対して、約２２．６％小さい。しかし、回転速度を上げることで、プロペラ１でも従来のプロペラ１０１と同程度の揚力が得られるという結果が得られた。

この実験から、以下のことが理解される。
柔軟なプロペラ１によって生成される揚力は、同一の形状を有する従来のプロペラ１０１によって生成される揚力より小さい。しかし、回転速度を上げることで、柔軟なプロペラ１は、従来のプロペラ１０１と同程度の揚力を生成することができる。このため、従来のプロペラ１０１を柔軟なプロペラ１に置き換えてもドローンの飛行に支障は生じないと考えられる。

（第２の実験）
回転翼を障害物に接触させた場合における障害物の損傷の有無、及びプロペラ１と従来のプロペラ１０１の損傷の程度をそれぞれ調べる実験を行った。
障害物として、幅３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのポリプロピレン製のリボンを用いた。このリボンをＺ方向に張り、リボンの中央付近にプロペラ１又はプロペラ１０１の先端が衝突するように、プロペラ１又はプロペラ１０１を配置した。また、プロペラ１の回転速度を３２００ｒｐｍ、プロペラ１０１の回転速度を２８００ｒｐｍに設定した。これらの回転速度は、プロペラ１、１０１の最高速度であり、第１の実験の結果から理解されるように、いずれも約１．３Ｎの揚力を生じる条件として設定されたものである。

図４Ａ～４Ｄ、図５Ａ～５Ｄは、それぞれ、プロペラ１とプロペラ１０１がリボンに接触する瞬間の前後に撮影されたハイスピードカメラの画像である。図４Ａ～４Ｄ、図５Ａ～５Ｄは、いずれも、時間が経過した順に並べられている。

図４Ａ、図５Ａの時点では、プロペラ１及びプロペラ１０１は、どちらもまだリボンと接触していない。
図４Ｂ、図５Ｂの時点で、プロペラ１及びプロペラ１０１は、それぞれリボンと接触した。
図４Ｃ、図５Ｃの時点で、プロペラ１の翼部１２は撓んでいるものの、リボンの形状は変化していない。また、この時点で、プロペラ１０１の回転翼は撓んでいないが、リボンの形状は折れ曲がるように変化している。
図４Ｄ、図５Ｄから、プロペラ１の翼部１２は撓んでおらず、リボンの形状も変化していないこと、プロペラ１０１の回転翼は撓んでいないが、リボンは完全に破断したことが理解される。

この実験から、同じ揚力を生じる高い回転速度において、プロペラ１が障害物に接触してもプロペラ１自身及び接触した対象に損傷は生じないが、プロペラ１０１は接触した対象に損傷を与える場合があることが理解される。

（第３の実験）
障害物にプロペラ１を接触させた場合におけるプロペラ１の変形を調べる実験を行った。
障害物として、ナイロン繊維のコアを埋め込んだ人の指の模型を用いた。また、プロペラ１の回転速度を３２００ｒｐｍに設定した。

図６Ａ～６Ｅは、それぞれ、プロペラ１が障害物に接触した後に撮影されたハイスピードカメラの画像である。図６Ａ～６Ｅは、時間が経過した順に並べられている。

図６Ａ及び図６Ｂに示した画像は、それぞれ、プロペラ１の翼部１２の一方が障害物と接触した直後の画像、もう片方が障害物と接触した直後の画像である。これらの画像から、翼部１２が障害物と接触すると、プロペラ１は、屈曲部１３において大きく曲がることが理解される。
図６Ｃに示した画像は、プロペラ１を回転させたまま障害物を上方に引き抜く途中の画像である。この画像から、翼部１２が障害物を避けるように下方に捻れることが理解される。
図６Ｄ及び図６Ｅに示した画像は、障害物を取り去った直後の画像である。これらの画像から、障害物を取り去ると、翼部１２及び屈曲部１３の形状が復帰することが理解される。
なお、図６Ａに示した画像が撮影されてから図６Ｅに示した画像が撮影されるまでに経過した時間は約０．４秒であるため、プロペラ１が障害物と衝突して変形してから元の形状に復帰するまでに要する時間も約０．４秒である。

この実験から、人の手の指と接触した場合において、プロペラ１によれば、屈曲部１３が折れ曲がり、捻れ、もとに戻ることで、１秒に満たない比較的短時間の間に障害物との接触による衝撃力が吸収されることが理解される。

（第４の実験）
屈曲部１３の形状を変えて、プロペラ１が障害物と衝突した後に元の形状に復帰するまでの時間と、プロペラ１が生成する揚力の大きさを調べる実験を行った。
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃにそれぞれ示すように、比較例に係るプロペラ２０１、３０１、４０１は、屈曲部１３と同一の外形形状を備える。
プロペラ２０１～４０１の屈曲部２１３～４１３は、腱１５を６本ずつ備える。屈曲部２１３～４１３の直径は、いずれも０．６２ｍｍである。屈曲部２１３～４１３の長さは互いに異なっており、屈曲部２１３の長さはＬ１＝６ｍｍ、屈曲部３１３の長さはＬ２＝１２ｍｍ、屈曲部４１３の長さは、Ｌ３＝１８ｍｍである。

なお、図１Ａに示したプロペラ１の屈曲部１３の長さは、Ｌ２＝１２ｍｍである。
屈曲部２１３～４１３は、屈曲部１３と同様に可撓性を有する材料を含むが、屈曲部１３に比べて硬い材料を用いて造形されている。

図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃに、人の指を模した樹脂製の角柱にプロペラ３０１、４０１、２０１をそれぞれ衝突させた直後の形状の変化を示す。例えば、「Frame n」は、衝突した瞬間における画像を表し、「Frame n+1」は、衝突した瞬間から１フレーム分の時間を経過した後の画像を表す。隣接するフレーム間の時間的な間隔は等しく、約１ミリ秒である。
理解を容易にするため、図８Ａ～８Ｃには、代表的なフレームのみを示した。

図８Ａに示したように、屈曲部３１３の長さがＬ２＝１２ｍｍである場合には、Frame n+234に相当する時間、すなわち、衝突から０．２４４秒を経過すると、プロペラ３０１は元の形状に復帰した。
これに対し、図８Ｂに示したように、屈曲部４１３の長さがＬ３＝１８ｍｍである場合には、プロペラ４０１は、元の形状に復帰するまでに、Frame n+328に相当する時間、すなわち、衝突から０．３４２秒の時間を要した。
また、図８Ｃに示したように、屈曲部２１３の長さがＬ１＝６ｍｍである場合には、衝突により、プロペラ２０１は、不可逆的な損傷を受けたため、元の形状に復帰しなかった。

この結果から、屈曲部２１３～４１３を短くすれば、障害物と衝突した後に元の形状に復帰するまでの時間を短縮することができること、及び屈曲部２１３～４１３を短くし過ぎると、障害物に対して脆弱になることが理解される。特に、長さＬ２＝１２ｍｍの屈曲部３１３を備えるプロペラ３０１は、障害物から受ける衝撃力を素早く吸収することができることが理解される。

図８Ｄは、プロペラ２０１～４０１が生成する揚力を、モータＭの回転速度を変えて計測したものである。
ほとんど全てのモータＭの回転数において、プロペラ２０１、３０１、４０１の順に大きい揚力を生じた。

この結果から、屈曲部２１３～４１３が短いほど、又はモータの回転速度が高いほど、プロペラ２０１～４０１は大きな揚力を生じることが理解される。

揚力の大きさと障害物に対する耐性を両立する観点から、プロペラ１の屈曲部１３の長さをＬ２＝１２ｍｍ以上とすることが望ましいことが理解される。

（第５の実験）
変形可能エッジ１４を備えないプロペラについて、屈曲部１３の長さを変えた場合に発生する揚力を調べるシミュレーション実験を行った。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように、比較例に係るプロペラ５０１、６０１、７０１の屈曲部５１３～７１３の長さは、それぞれ、Ｌ１＝６ｍｍ、Ｌ２＝１２ｍｍ、Ｌ３＝１８ｍｍである。
プロペラ２０１～４０１と比較して、プロペラ５０１～７０１は、変形可能エッジ１４を備えない点において異なる。

図９Ｄに示すように、モータＭの回転速度が２０００ｒｐｍから３５００ｒｐｍという比較的高い範囲では、揚力の大きさは、屈曲部５１３～７１３の長さＬ１～Ｌ３にほとんど依存しないというシミュレーション結果が得られた。

この結果は、モータＭの回転速度が高い場合には、プロペラ５０１～７０１に働く遠心力が大きくなり、屈曲部５１３～７１３の形状に関わらず、腱１５に支えられてプロペラ５０１～７０１全体の形状が安定するためであると考えられる。

なお、図８Ｄと図９Ｄから、屈曲部の長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３が等しいもの同士で比較すると、ほとんど全てのモータＭの回転数において、プロペラ５０１～７０１は、プロペラ２０１～４０１に比べて大きな揚力を発生させることも理解される。

（第６の実験）
プロペラ１が腱１５を備える場合と備えない場合とを比較する実験を行った。
図１０Ａに示すように、比較例に係るプロペラ８０１の屈曲部８１３は、腱を備えない。
屈曲部８１３は、ハブ１１及び翼部１２と重なり合って配置され、屈曲部８１３とハブ１１、屈曲部８１３と翼部１２がそれぞれ接合されている。
Ｓ部拡大図に示すように、屈曲部８１３のうち、ハブ１１と重なり合った部分、翼部１２と重なり合った部分のそれぞれに、ピン８１６が矢印で示す方向に打ち込まれている。

図７Ｂに示したように、比較例に係るプロペラ３０１は、プロペラ８０１と同等の形状に形成されている。プロペラ３０１は、屈曲部３１３に、屈曲部１３と同様に腱１５を備える。

図１０Ｂに示すように、プロペラ３０１の翼部１２の先端は、回転軸に平行に配置された定規の目盛りで、４３．５ｍｍを指している。
図１０Ｃに示すように、プロペラ８０１の翼部１２の先端は、回転軸に平行に配置された定規の目盛りで、３５．５ｍｍを指している。

プロペラ３０１、８０１を回転させない静止状態において、プロペラ８０１においては、プロペラ３０１に比べ、翼部１２の先端が８．０ｍｍ下がっている。

これは、プロペラ８０１は、腱１５を備えないことにより、翼部１２の自重の影響をより大きく受けるためであると考えられる。
このため、腱１５は、プロペラ１の剛性を向上させることに寄与していることが理解される。

図１１Ａ、図１１Ｂは、静止状態において、プロペラ８０１、３０１の翼部１２の先端部が同一の位置に達するまで変形させるために必要な力の大きさを計測したものである。

図１１Ａに示すように、プロペラ３０１の翼部１２の先端は、回転軸に平行に配置された定規の目盛りで、６７．０ｍｍを指していた。プロペラ３０１の翼部１２の先端を基準位置まで２３．０ｍｍ押し下げるために必要な力の大きさは０．１２０Ｎであった。
図１１Ｂに示すように、プロペラ８０１の翼部１２の先端は、回転軸に平行に配置された定規の目盛りで、５８．５ｍｍを指していた。プロペラ８０１の翼部１２の先端を基準位置まで１６．５ｍｍ押し下げるために必要な力の大きさは０．０３９Ｎであった。

この実験から、腱１５を備えるプロペラ３０１を基準位置まで変形させるために必要な力の大きさは、腱を備えないプロペラ８０１を同じ基準位置まで変形させるために必要な力の大きさの約３倍であることが理解される。
このため、腱１５は、プロペラ１の剛性を向上させることに寄与していることが理解される。また、屈曲部１３の材料、腱１５の材料及び直径、腱１５の数等が、プロペラ１の剛性に影響を与えることが推測される。

次に、図１１Ｃに示すように、回転状態において、プロペラ８０１は、プロペラ３０１に比べて小さい揚力を生成するという結果が得られた。
また、モータＭの回転速度が大きくなるにつれて、プロペラ８０１とプロペラ３０１が生成する揚力の大きさの差が大きくなるという結果が得られた。
さらに、２０００ｒｐｍを超えるモータＭの回転速度では、腱１５を備えないプロペラ８０１の屈曲部８１３が損傷するため、測定自体を行うことができなかった。
これらの結果が得られたのは、腱１５を備えないプロペラ８０１は、腱１５を備えるプロペラ３０１に比べて、モータＭの回転速度が大きくなるにつれて遠心力の影響を強く受けるためであると考えられる。
このため、腱１５は、高い回転速度において、プロペラ１全体の形状を維持し、プロペラ１の揚力を向上させることに寄与していることが理解される。

図１１Ｄ、図１１Ｅは、プロペラ８０１、３０１が発生させる揚力の大きさをシミュレーションと比較したものである。
シミュレーションでは、モータＭの回転速度が大きくなれば、揚力も大きくなることが予想された。実験結果は、ほぼシミュレーションに沿うものであり、モータＭの回転速度が大きくなれば、プロペラ８０１、３０１によって生成される揚力も大きくなった。

この実験から、プロペラ１によって生成される揚力の大きさは、シミュレーションによって予測された期待通りのものであることが示された。

（第７の実験）
ドローンを飛行させ、プロペラ１と従来のプロペラ１０１を障害物に接触させた場合における衝撃力の違いを調べる実験を行った。

図１２Ａ、図１２Ｂに示すように、力センサＦＳの先端には硬い障害物ＲＯが接続され、ドローンＤＲにはプロペラ１、１０１が取り付けられている。プロペラ１、１０１を回転させてドローンＤＲを飛行させながら障害物ＲＯの衝突領域ＣＡに衝突させ、プロペラ１、１０１によって障害物に加えられた衝撃力を、力センサＦＳを介して読み取った。

図１２Ｃに示すように、プロペラ１、１０１のいずれも、衝突した瞬間から約３ｍｓ経過後に最大の衝撃力を硬い障害物ＲＯに与えた。プロペラ１が硬い障害物ＲＯに与えた最大の衝撃力は約１０Ｎであり、プロペラ１０１が硬い障害物ＲＯに与えた最大の衝撃力は約６７Ｎであった。
また、ほぼ全ての時間において、プロペラ１が硬い障害物ＲＯに与えた衝撃力の大きさは、プロペラ１０１が硬い障害物ＲＯに与えた衝撃力の大きさを超えなかった。

この実験から、プロペラ１によれば、実際に飛行するドローンが障害物と衝突しても、従来のプロペラ１０１と比べて衝撃力を与えにくいことが理解される。

（第２の実施の形態）
プロペラ１は、２つの羽根を有するものとして説明されたが、羽根の数はこれに限られない。
本発明の第２の実施の形態に係るプロペラ２１は、図１３に示すように、２対で合計４枚の羽根を有する。これらの４枚の羽根のそれぞれの形状は、プロペラ１の羽根、すなわち、翼部１２、屈曲部１３及び変形可能エッジ１４と同一である。４枚の羽根は、プロペラ１と異なり、回転軸を中心として９０°ごとに配置されている。
プロペラ２１によれば、羽根の面積がより大きいため、２枚羽根のプロペラ１に比べて飛行時の振動を低減することができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１９年１０月３１日に出願された日本国特許出願特願２０１９－１９８１４３号に基づく。本明細書中に、日本国特許出願特願２０１９－１９８１４３号の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を参照として取り込むものとする。

１、２１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１プロペラ
１１ハブ
１２翼部
１３、２１３、３１３、４１３、５１３、６１３、７１３、８１３屈曲部
１４変形可能エッジ
１５腱
８１６ピン
Ｍモータ
Ｄ回転方向
Ｈ孔
Ｒ円環
Ｔ移行部
ＣＡ衝突領域
ＤＲドローン
ＦＳ力センサ
ＲＯ硬い障害物

Claims

中心部と、
前記中心部から連続的に滑らかに径方向外側に向けて突出するように形成された移行部と、
前記移行部と連続的に滑らかに接続された可撓性を有する部材を含む屈曲部と、
前記屈曲部と接続され、当該屈曲部から連続的に滑らかに前記径方向外側に延びるように形成されている羽根と、
前記屈曲部の内部に配置され、前記移行部と前記羽根との間に張られた繊維と、
前記羽根の回転方向の前側に位置する前縁部と、を備え、
前記中心部、前記移行部及び前記羽根の可撓性が前記屈曲部の可撓性よりも低い、
プロペラ。