JP7409177B2 - 推力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は推力発生装置に関する。

無人飛行装置の一例としてマルチコプターが特許文献１に開示されている。特許文献１のマルチコプターは、４基のロータを備えている。各ロータは、鉛直方向に延びる回転軸を有し、当該回転軸に対して直角な方向（水平方向）に複数の回転翼（ブレード）が設けられている。マルチコプターは、ロータの回転翼により生成される揚力により飛行する。回転翼のピッチ角は可変である。特許文献１では、ロータの回転翼はロータハブにボルトで固定されている。マルチコプターを構成する他の部品や部材も、所定部位にボルトで固定されている。

特許６６１７２５９号公報

部材・部品を取り付けるボルトは埃や雨などに晒されると劣化の進行が速くなる。飛行装置は多くの回転する部材・部品を有するので、ボルトの破損等により回転する部材・部品が所定位置から離脱すると危険である。よって、部材・部品を取り付けるボルトは、外部環境からの影響を出来る限り受けないように設けることが望ましい。
本発明は、上記した課題に鑑み、推力発生装置においてボルトが使用される場合、ボルトに対する外的環境の影響を低減することを目的とする。

本発明の１つの態様による推力発生装置は、所定の軸を中心に回転可能な回転翼と、前記所定の軸上に設けられ、前記回転翼を支持するハブと、固定部材により前記ハブに固定されて、前記ハブを前記所定の軸回りに回転させる第１モータと、前記第１モータの近傍に設けられ、前記回転翼のピッチ角を変化させる回転運動を発生させる第２モータと、前記第２モータの回転運動を直線運動に変換する第１変換部と、前記第１変換部で変換された直線運動を、前記ピッチ角を変化させる回転運動に変換する第２変換部とを備え、前記第１変換部の少なくとも一部は前記第１モータ内に収容され、前記第２変換部の少なくとも一部は前記ハブ内に収容され、前記ハブは内部に中空部を有し、前記固定部材は前記中空部から前記第１モータに延びる。

前記第１モータがロータとステータを有する場合、前記第１モータのロータが前記ハブに固定されてもよい。
前記第１モータは、前記ハブと前記第１モータとを所定距離隔てるためのスペーサ部材を介して前記ハブに固定されてもよい。この場合、前記スペーサ部材は前記固定部材を通過させる孔を有してもよい。
前記スペーサ部材はフランジ部を有してもよい。この場合、フランジ部は第２固定部材により第１モータに固定されてもよい。

本発明によれば、第１モータをハブに固定する固定部材は、ハブの中空部から第１モータに延びるので、固定部材は外部環境からの影響を受け難い。よって、推力発生装置の安全性を向上することができる。

図１（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置に回転翼を取り付けた状態を示す斜視図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、実施形態に係る推力発生装置に取り付けられた回転翼のピッチ角を変化させた状態を示す側面図である。 図２は、図１（ａ）の推力発生装置を回転軸の一端側から見たときの構成を分解して示す斜視図である。 図３は、図１（ａ）に示す推力発生装置を回転軸の他端側から見たときの構成を分解して示す斜視図である。 図４（ａ）は、図２に示す推力発生装置の組み立て後の構成を示す斜視図、図４（ｂ）は、図３に示す推力発生装置の組み立て後の構成を示す斜視図である。 図５（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置の構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図である。 図６（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置の構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図である。 図７（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置の推力発生用モータの構成を示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ－Ｃ線に沿って切断した断面図である。 図８（ａ）は、図６のピッチ可変用モータ、回転伝達部および回転直動変換部の構成を示す斜視図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の回転直動変換部を支持する支持部材および直動案内部を除去した構成を示す斜視図である。 図９は、図８（ａ）のピッチ可変用モータ、回転伝達部および回転直動変換部の構成を示す平面図である。 図１０（ａ）は、図９のＤ－Ｄ線に沿って切断した断面図、図１０（ｂ）は、図９のＥ－Ｅ線に沿って切断した断面図である。 図１１（ａ）は、図１（ｂ）の回転翼のピッチ角に対応した直動体の位置を示す斜視図、図１１（ｂ）は、図１（ｃ）の回転翼のピッチ角に対応した直動体の位置を示す斜視図である。 図１２は、図１（ｂ）のハブの構成を分解して示す斜視図である。 図１３は、推力発生用モータのロータと、エクステンションと、ハブケースと、ハブ取り付け用ボルトとを示す展開斜視図である。 図１４はハブケースを推力発生用モータの軸方向から見た図である。 図１５は変形例を示す斜視図であり、図４（ｂ）と同様の斜視図である。 図１６は、図１５に示した変形例の断面図であり、図５（ｂ）と同様の断面を示している。 図１７は、図１５に示した変形例の他の断面図であり、図６（ｂ）と同様の断面を示している。 図１８は、図１５に示した変形例の斜視図であり、図１３と同様の展開斜視図である。 図１９は、図１５に示した変形例のエクステンションと、ハブケースと、ハブ取り付け用ボルトを示す展開斜視図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の構成に必須のものとは限らない。実施形態の構成は、本発明が適用される装置の仕様や各種条件（使用条件、使用環境等）によって適宜修正または変更され得る。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定され、以下の個別の実施形態によって限定されない。また、以下の説明に用いる図面は、各構成を分かり易くするため、実際の構造と縮尺および形状などを異ならせることがある。

以下の説明では、推力発生装置で駆動される回転翼が３枚の場合を例にとるが、推力発生装置で駆動される回転翼は、必ずしも３枚に限定されることなく、Ｎ（Ｎは正の整数）枚であればよい。
図１（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置に回転翼を取り付けた状態を示す斜視図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、実施形態に係る推力発生装置に取り付けられた回転翼のピッチ角を変化させた状態を示す側面図、図２および図３は、図１（ａ）の推力発生装置の構成を分解して示す斜視図、図４（ａ）および図４（ｂ）は、図２および図３の推力発生装置の組み立て後の構成を示す斜視図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）において、推力発生装置１は、回転翼Ｈ１～Ｈ３を電動で駆動する。回転翼Ｈ１～Ｈ３は、グリップＰ１～Ｐ３をそれぞれ介して推力発生装置１に装着される。グリップＰ１～Ｐ３は、推力発生装置１から水平方向に放射状に延びるように回転翼Ｈ１～Ｈ３を支持する。推力発生装置１は、装着面１Ａを介して飛翔体に装着される。推力発生装置１が装着された飛翔体は、例えば、モータで飛行するマルチコプター、飛行機、回転翼機および飛行機能を備える自動車などの飛行可能な機体または車体である。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図２、図３、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、推力発生装置１は、推力発生用モータ（第１モータ）２、ピッチ可変用モータ（第２モータ）５、回転伝達部６、回転直動変換部（第１変換部）７、直動回転変換部（第２変換部）８、エクステンション９およびハブ１０を備える。推力発生用モータ２は、ステータ２Ａ、ロータ２Ｂおよびフレーム２Ｃを備える。また、ロータ２Ｂは内径側にロータ軸４および中空部３Ａ、３Ｂを備える。

推力発生用モータ２は、回転翼Ｈ１～Ｈ３の推力Ｆを発生させる。ステータ２Ａは、電磁鋼鈑と巻線により構成され、ロータ２Ｂの外側に位置する。ステータ２Ａは、フレーム２Ｃに固定されている。推力発生用モータ２の装着面１Ａは、フレーム２Ｃに設けることができる。装着面１Ａは、回転伝達部６をフレーム２Ｃ内に挿入可能な開口１Ｂを備える。支持部１Ｃは、フレーム２Ｃの外枠から内側に向かって放射状に延びる。フレーム２Ｃの内径部は円筒形状であり、軸受Ｕ１を介してロータ軸４を回転自在に支持する。フレーム２Ｃは、例えばジュラルミンなどの合金で形成することができる。

ロータ２Ｂの内径側にはロータ軸４が形成されている。ロータ軸４は、軸受Ｕ１を介してフレーム２Ｃに回転自在に支持されており、回転軸Ｓ０の軸回りに回転する。中空部３Ａ、３Ｂは、推力発生用モータ２内に位置する。また、中空部３Ａは、ロータ２Ｂの円周方向に沿ってロータ２Ｂとロータ軸４の間に位置する。中空部３Ｂは、ロータ軸４の軸方向に沿ってロータ軸４内径側に位置する。

ピッチ可変用モータ５は、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を変化させる回転運動を発生させる。ピッチ可変用モータ５は、フレーム２Ｃに固定される。ピッチ可変用モータ５の少なくとも一部は、推力発生用モータ２内に収容される。このとき、ピッチ可変用モータ５は、中空部３Ａに位置することができる。ピッチ可変用モータ５の回転軸は、推力発生用モータ２の回転軸Ｓ０と並列に位置することができる。

回転伝達部６は、ピッチ可変用モータ５で発生された回転運動を推力発生用モータ２の回転軸Ｓ０に対して垂直方向に伝える。すなわち、ピッチ可変用モータ５の回転軸と、推力発生用モータ２の回転軸Ｓ０は平行な異なる軸であり、回転伝達部６によりピッチ可変用モータ５で発生された回転運動を、推力発生用モータ２の回転軸Ｓ０の軸上に伝達する。回転伝達部６は、フレーム２Ｃに固定される。回転伝達部６の少なくとも一部は、推力発生用モータ２内に収容される。

回転直動変換部７は、ピッチ可変用モータ５で発生され、回転伝達部６を介して伝えられた回転運動を、回転軸Ｓ０の軸方向の直線運動に変換する。回転直動変換部７の少なくとも一部は、推力発生用モータ２内に収容される。このとき、回転直動変換部７の少なくとも一部は、中空部３Ｂ内に位置することができる。この場合、回転直動変換部７の少なくとも一部は、回転軸Ｓ０の軸方向に沿って中空部３Ｂから回転翼Ｈ１～Ｈ３側に突出させることができる。回転直動変換部７は、フレーム２Ｃに固定される。

直動回転変換部８は、回転直動変換部７で変換された直線運動を、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りの回転運動に変換する。直動回転変換部８は、推力発生用モータ２の外部に位置する。

エクステンション９は、回転軸Ｓ０の軸方向において、推力発生用モータ２と回転翼Ｈ１～Ｈ３との間の間隔を保つためのスペーサである。エクステンション９は、回転翼Ｈ１～Ｈ３が推力発生用モータ２に衝突するのを防止する。エクステンション９は、ロータ２Ｂの端面に固定される。

ハブ１０は、直動回転変換部８を収容するとともに、グリップＰ１～Ｐ３がハブ１０から突出した状態でグリップＰ１～Ｐ３を支持する。ハブ１０は、エクステンション９を介して、ロータ２Ｂの端面に固定される。すなわち、ハブ１０は、ロータ２Ｂを介して回転軸Ｓ０の軸回りに回転可能な状態でフレーム２Ｃに支持される。ハブ１０は、グリップＰ１～Ｐ３を介し、回転軸Ｓ０の軸方向に対して垂直方向に回転翼Ｈ１～Ｈ３を支持する。

推力発生用モータ２が動作すると、ロータ２Ｂが回転軸Ｓ０を中心に回転することで、回転翼Ｈ１～Ｈ３が回転する。そして、各回転翼Ｈ１～Ｈ３の回転Ｒ１～Ｒ３に伴って回転翼Ｈ１～Ｈ３の推力Ｆが発生する。

ここで、ピッチ可変用モータ５、回転伝達部６および回転直動変換部７は、フレーム２Ｃに固定される。このため、ロータ２Ｂが回転しても、ピッチ可変用モータ５、回転伝達部６および回転直動変換部７は、回転軸Ｓ０の軸回りに回転しない。

また、ピッチ可変用モータ５が動作すると、各回転翼Ｈ１～Ｈ３は、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りに回転し、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が変化する。このとき、ピッチ可変用モータ５の回転運動は、回転伝達部６を介して回転直動変換部７に伝えられる。そして、ピッチ可変用モータ５の回転運動は、回転直動変換部７によって、回転軸Ｓ０の軸方向の直線運動に変換される。そして、回転直動変換部７で変換された直線運動は、直動回転変換部８によって、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りの３つの回転運動に変換される。そして、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の回転運動は、グリップＰ１～Ｐ３をそれぞれ介し、各回転翼Ｈ１～Ｈ３に伝えられ、各回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が変化される。

ここで、推力発生装置１は、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を可変とすることにより、推力を変化させることができる。また、推力発生装置１は、ピッチ角θ１～θ３を可変とすることにより、推力変化の応答速度を早めることで飛翔体の安定性を向上させることが可能となるとともに、ブレード長を長くすることなく、飛翔体に必要な推力を確保することができ、推力発生装置１の大型化および重量増を抑制することができる。また、各状況で必要な推力は固定ピッチと比較した場合、推力発生用モータ２の低い回転数で発生できるので、回転数に依存する騒音を抑制することができる。

また、推力発生装置１は、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を電動で可変とすることにより、油圧を用いる必要がなくなる。このため、油の給排を制御する油圧制御ユニットおよび回転体に対してオイルシールを行うための複雑な回転シール機構を設ける必要がなくなり、推力発生装置１の大型化を抑制することが可能となるとともに、推力発生装置１のメンテナンス性を向上させることができる。

さらに、回転直動変換部７の少なくとも一部を、推力発生用モータ２内に収容することにより、回転軸Ｓ０の軸方向において推力発生用モータ２からの回転直動変換部７の突出量を減らすことができる。このため、推力発生用モータ２で回転翼Ｈ１～Ｈ３の推力を発生させ、ピッチ可変用モータ５で回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を可変とした場合においても、回転軸Ｓ０の軸方向に推力発生装置１をコンパクト化することが可能となる。

さらに、回転直動変換部７の少なくとも一部を、中空部３Ｂ内に収容することにより、推力発生用モータ２を回転軸Ｓ０の軸方向に大型化することなく、回転直動変換部７の少なくとも一部を推力発生用モータ２内に収容することができ、回転軸Ｓ０の軸方向に推力発生装置１をコンパクト化することが可能となる。

さらに、ピッチ可変用モータ５で発生された回転運動を、回転伝達部６を介して伝えることにより、推力発生用モータ２の回転軸Ｓ０とピッチ可変用モータ５の回転軸を並列に配置することが可能となり、ピッチ可変用モータ５を推力発生用モータ２内に収容することが可能となる。

さらに、直動回転変換部８をハブ１０内に収容することにより、回転軸Ｓ０の軸方向に推力発生装置１をコンパクト化することが可能となるとともに、直動回転変換部８が外部に露出するのを防止することが可能となる。

以下、回転伝達部６、回転直動変換部７および直動回転変換部８の構成および動作について、より具体的に説明する。
図５（ａ）および図６（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置の構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ－Ａ線に沿って切断した断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ－Ｂ線に沿って切断した断面図、図７（ａ）は、実施形態に係る推力発生装置の推力発生用モータの構成を示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＣ－Ｃ線に沿って切断した断面図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）において、ロータ２Ｂは、軸受Ｕ１を介し、回転軸Ｓ０の軸回りに回転可能な状態でフレーム２Ｃにて支持されている。また、推力発生用モータ２内において、ロータ２Ｂとロータ軸４の間には中空部３Ａが設けられ、ロータ軸４内には中空部３Ｂが設けられている。

また、図２、図３、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）および図６（ｂ）において、回転伝達部６は、歯車Ｇ１～Ｇ３および支持部材ＢＪ１～ＢＪ３を備える。歯車Ｇ１～Ｇ３は、ピッチ可変用モータ５の回転運動を回転直動変換部７に伝える。歯車Ｇ１は、ボールねじ軸７Ｆの一端に取り付けられる。歯車Ｇ３は、ピッチ可変用モータ５の回転軸に取り付けられる。歯車Ｇ２は、歯車Ｇ１と歯車Ｇ３の間で歯車Ｇ１、Ｇ３と噛み合う位置に設けられる。

フレーム２Ｃは、支持部材ＢＪ１を介し、歯車Ｇ１およびボールねじ軸７Ｆが回転可能な状態で歯車Ｇ１および回転直動変換部７を支持する。また、フレーム２Ｃは、支持部材ＢＪ３を介し、歯車Ｇ３およびピッチ可変用モータ５の回転軸を回転可能な状態で支持する。また、フレーム２Ｃは、支持部材ＢＪ１、ＢＪ２を介し、歯車Ｇ２を回転可能な状態で支持する。このとき、歯車Ｇ２は、支持部材ＢＪ１、ＢＪ２で挟み込まれた状態で、歯車Ｇ１、Ｇ３と噛み合う位置に配置される。歯車Ｇ１～Ｇ３の材料は例えば炭素鋼であり、支持部材ＢＪ１～ＢＪ３の材料は、例えば、アルミ合金である。なお、回転伝達部の機構として、歯車の代わりにベルトを用いてもよい。

回転直動変換部７の回転直動変換機構として、ボールねじを用いることができる。回転直動変換部７の回転直動変換機構として、すべりねじを用いるようにしてもよい。回転直動変換部７は、直動伝達軸７Ｄ、直動案内部７Ｅ、ボールねじ軸７Ｆおよびボールねじナット７Ｇを備える。

直動案内部７Ｅは、回転軸Ｓ０に沿って直線運動する方向にボールねじナット７Ｇおよび直動伝達軸７Ｄを案内する。このとき、直動案内部７Ｅは、ボールねじ軸７Ｆの回転に伴ってボールねじナット７Ｇが回転運動するのを規制する。直動案内部７Ｅは、支持部材ＢＪ１から突出する形状である。直動案内部７Ｅは、支持部材ＢＪ１と一体的に設けることができる。

ボールねじ軸７Ｆは、軸受Ｕ２を介し、回転可能な状態で支持部材ＢＪ１にて支持されている。ボールねじ軸７Ｆは、転動体を介してボールねじナット７Ｇと螺合した状態で歯車Ｇ１とともに回転し、ボールねじナット７Ｇを直線運動させる。

ボールねじナット７Ｇは、ボールねじ軸７Ｆの回転運動に伴って直線運動し、その直線運動を直動伝達軸７Ｄに伝える。

直動伝達軸７Ｄは、ボールねじナット７Ｇの直線運動を直動回転変換部８に伝える。直動伝達軸７Ｄは、ボールねじナット７Ｇに固定され、直動伝達軸７Ｄの先端は、軸受Ｕ３の内輪に挿入される。直動伝達軸７Ｄは、ボールねじナット７Ｇおよびボールねじ軸７Ｆの一部を内包する形状である。

直動回転変換部８の直動回転変換機構として、ラックピニオンを用いることができる。直動回転変換部８は、直動体１１、ラックＡ１～Ａ３、ケース２１、支持軸Ｍ１～Ｍ３、軸受Ｅ１～Ｅ３、アダプタＤ１～Ｄ３およびピニオンＢ１～Ｂ３を備える。

直動体１１は、軸受Ｕ３を介し、直動伝達軸７Ｄの軸回りに回転可能な状態で支持される。このとき、直動体１１は、直動伝達軸７Ｄとともに、回転軸Ｓ０の軸方向に沿って直線運動可能である。

ラックＡ１～Ａ３は、直動体１１にて支持される。各ラックＡ１～Ａ３は、ピニオンＢ１～Ｂ３とそれぞれ噛み合った状態で直動体１１とともに直線運動し、ピニオンＢ１～Ｂ３をそれぞれ回転運動させる。

各支持軸Ｍ１～Ｍ３は、推力発生装置１から水平方向に放射状に突出するようにグリップＰ１～Ｐ３をそれぞれ支持する。各支持軸Ｍ１～Ｍ３は、軸受Ｅ１～Ｅ３をそれぞれ介し、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りに回転可能な状態でケース２１にて保持される。グリップＰ１と支持軸Ｍ１は一体的に設け、グリップＰ２と支持軸Ｍ２は一体的に設け、グリップＰ３と支持軸Ｍ３は一体的に設けることができる。グリップＰ１～Ｐ３と支持軸Ｍ１～Ｅ３の材料は、例えば、ジュラルミンである。グリップＰ１～Ｐ３と支持軸Ｍ１～Ｅ３の耐久性を増大させるため、グリップＰ１～Ｐ３と支持軸Ｍ１～Ｅ３の材料として、例えば、チタンを用いてもよい。

各ピニオンＢ１～Ｂ３は、各支持軸Ｍ１～Ｍ３にそれぞれ固定される。各ピニオンＢ１～Ｂ３は、各ラックＡ１～Ａ３の直線運動に伴って回転運動し、その回転運動を各支持軸Ｍ１～Ｍ３に伝える。ピニオンＢ１～Ｂ３およびラックＡ１～Ａ３の材料は、例えば、クロムモリブデン鋼である。

ケース２１は、ハブ１０の一部として用いることができる。ケース２１は、直動体１１、ラックＡ１～Ａ３、支持軸Ｍ１～Ｍ３、軸受Ｅ１～Ｅ３、アダプタＤ１～Ｄ３およびピニオンＢ１～Ｂ３を収容する。ケース２１は、エクステンション９を介してロータ２Ｂの端面に固定される。また、ケース２１は、回転軸Ｓ０の軸回りの回転時に回転翼Ｈ１～Ｈ３にかかる遠心力に対抗して各支持軸Ｍ１～Ｍ３を支持することができる。

各アダプタＤ１～Ｄ３は、支持軸Ｍ１～Ｍ３と軸受Ｅ１～Ｅ３との間に設けられ、支持軸Ｍ１～Ｍ３にてそれぞれ支持される。各アダプタＤ１～Ｄ３の内周面は、支持軸Ｍ１～Ｍ３の外周面に沿うように形成され、各アダプタＤ１～Ｄ３の外周面は、軸受Ｅ１～Ｅ３の内周面に沿うように形成される。これにより、各アダプタＤ１～Ｄ３は、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の径の変化に対応しつつ、各軸受Ｅ１～Ｅ３の内周側で各支持軸Ｍ１～Ｍ３を支持させることができる。ケース２１およびアダプタＤ１～Ｄ３の材料は、例えば、ジュラルミンである。各軸受Ｕ３、Ｅ１～Ｅ３は、例えば、複列アンギュラ玉軸受を用いることができる。

エクステンション９は、フランジ９Ａを備える。フランジ９Ａは、エクステンション９と一体的に設けることができる。エクステンション９は、フランジ９Ａを介し、ロータ２Ｂの端面に取り付け可能である。ここで、ボルトＪ６にてフランジ９Ａをロータ２Ｂにねじ止めすることで、エクステンション９をロータ２Ｂに固定することができる。エクステンション９およびフランジ９Ａの材料は、例えば、ジュラルミンである。

ピッチ可変用モータ５が回転すると、ピッチ可変用モータ５の回転運動に伴って歯車Ｇ１～Ｇ３が回転する。そして、歯車Ｇ１の回転運動に伴ってボールねじ軸７Ｆが回転し、ボールねじ軸７Ｆの回転運動に伴って、ボールねじナット７Ｇとともに直動伝達軸７Ｄが直線運動する。このとき、ボールねじナット７Ｇおよび直動伝達軸７Ｄの運動は、直動案内部７Ｅにて案内され、推力発生装置１内において、回転軸Ｓ０の軸方向に沿った直線運動に制限される。

直動伝達軸７Ｄの直線運動は、直動体１１に伝えられ、直動伝達軸７Ｄの直線運動に伴って、直動体１１とともに各ラックＡ１～Ａ３が直線運動する。このとき、各ラックＡ１～Ａ３は、ピニオンＢ１～Ｂ３とそれぞれ噛み合った状態で直線運動し、各ピニオンＢ１～Ｂ３を回転させる。各ピニオンＢ１～Ｂ３の回転運動に伴って、各支持軸Ｍ１～Ｍ３がそれぞれの軸回りに回転する。そして、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の回転運動は、グリップＰ１～Ｐ３をそれぞれ介し、各回転翼Ｈ１～Ｈ３に伝えられ、各回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が変化される。

ここで、回転直動変換部７の回転直動変換機構としてボールねじを用いることにより、すべりねじを用いた場合に比べて、ピッチ可変に必要な駆動トルクを低減することができ、ピッチ可変用モータ５の省電力化を図ることができる。
また、直動回転変換部８の直動回転変換機構として、ラックピニオンを用いることにより、各ラックＡ１～Ａ３の長手方向を直動体１１の直動方向に揃えることが可能となるとともに、各ピニオンＢ１～Ｂ３の円周方向を各支持軸Ｍ１～Ｍ３の円周方向に揃えることが可能となる。このため、３個のラックピニオンの配置をコンパクトにまとめることができ、各回転翼Ｈ１～Ｈ３に対応して３個のラックピニオンを設けた場合においても、ハブ１０の大型化を抑制しつつ、直動回転変換部８をハブ１０内に収容することが可能となる。

以下、回転伝達部６および回転直動変換部７の構成および動作について、さらに具体的に説明する。
図８（ａ）は、図６のピッチ可変用モータ、回転伝達部および回転直動変換部の構成を示す斜視図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の回転直動変換部を支持する支持部材および直動案内部を除去した構成を示す斜視図、図９は、図８（ａ）のピッチ可変用モータ、回転伝達部および回転直動変換部の構成を示す平面図、図１０（ａ）は、図９のＤ－Ｄ線に沿って切断した断面図、図１０（ｂ）は、図９のＥ－Ｅ線に沿って切断した断面図である。

図８（ａ）、図８（ｂ）、図９、図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、支持部材ＢＪ１は、ボルトＪ１によりフレーム２Ｃに固定することができる。ボルトＪ１は、例えば、支持部材ＢＪ１の四隅に配置することができる。支持部材ＢＪ２は、支持部材ＢＪ１との間に歯車Ｇ２を挟み込んだ状態で、ボルトＪ２と支柱３１により支持部材ＢＪ１に固定する。ボルトＪ２は、例えば、支持部材ＢＪ２の両端に配置することができる。歯車Ｇ２の両軸端は、軸受を介して支持部材ＢＪ１およびＢＪ２に対し回転自在に支持される。支持部材ＢＪ３は、ボルトＪ３によりフレーム２Ｃに固定することができる。ボルトＪ３は、例えば、支持部材ＢＪ３の端部の２か所に配置することができる。また、支持部材ＢＪ３は、ボルトＪ４によりピッチ可変用モータ５を固定することができる。

ボールねじナット７Ｇは、フランジ７Ａを備える。フランジ７Ａは、円筒を平行な二平面で切り取った形状であり、直動案内部７Ｅの開口部にフランジ７Ａの突出部が配置される。フランジ７Ａは、ボールねじナット７Ｇと一体的に設けることができる。
直動伝達軸７Ｄは、フランジ７Ｂおよび案内面７Ｃを備える。案内面７Ｃは、摺動部材７Ｈを備える。フランジ７Ｂおよび案内面７Ｃは、円筒を平行な二平面で切り取った形状であり、直動案内部７Ｅの開口部にフランジ７Ｂが配置される。

フランジ７Ｂの平坦面と案内面７Ｃは一体の平面であってもよい。この平坦面は、互いに反対方向を向く２つの面であってもよい。フランジ７Ａ、７Ｂの突出部には、ボルトＪ５を挿入可能な領域を設けることができる。フランジ７Ａ、７Ｂが重なった状態で、ボルトＪ５にてフランジ７Ａをフランジ７Ｂに固定することにより、直動伝達軸７Ｄをボールねじナット７Ｇに固定することができる。

また、フランジ７Ｂの平坦面または案内面７Ｃには、摺動部材７Ｈを挿入可能な凹部を設けることができる。そして、その凹部に摺動部材７Ｈを挿入し、接着剤などでフランジ７Ｂに固定することができる。このとき、摺動部材７Ｈは、平坦面から突出する。摺動部材７Ｈの材料は、例えば、樹脂である。

一方、直動案内部７Ｅの内側には、フランジ７Ａ、７Ｂおよび案内面７Ｃの平坦面と対向する平面を設けることができる。そして、直動伝達軸７Ｄの直線運動に伴って摺動部材７Ｈが直動案内部７Ｅの平面を摺動することにより、直動伝達軸７Ｄの運動を回転軸Ｓ０の軸方向に制限することができる。

ここで、フランジ７Ａ、７Ｂの外周部の一部および案内面７Ｃに平坦面を設けるとともに、ボルトＪ５を挿入可能な突出部をフランジ７Ａ、７Ｂに設け、突出部を直動案内部７Ｅの開口部に配置することにより、直動案内部７Ｅの外径を小さくすることができ、推力発生用モータ２内のロータ軸４の径の増大を抑制しつつ、回転直動変換部７をロータ軸４内に収納することが可能となる。

以下、直動回転変換部８の構成および動作について、さらに具体的に説明する。
図１１（ａ）は、図１（ｂ）の回転翼のピッチ角に対応した直動体の位置を示す斜視図、図１１（ｂ）は、図１（ｃ）の回転翼のピッチ角に対応した直動体の位置を示す斜視図、図１２は、図１（ｂ）のハブの構成を分解して示す斜視図である。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１２において、直動回転変換部８は、その直動方向の移動範囲を制限するため、ベース１３、リフトガイドＴ１～Ｔ３およびナットＳ１～Ｓ３を備える。ベース１３は、直動伝達軸７Ｄの先端を通過可能な開口１４を備える。直動体１１は、開口１２、開口Ｖ１～Ｖ３および面Ｚ１～Ｚ３を備える。ハブ１０は、ケース２１、外蓋２２および中蓋２３を備える。ケース２１は、収容部２１Ａ、中空部Ｑ１～Ｑ３、開口２１Ｂおよび開口Ｋ１～Ｋ３（開口Ｋ３は図示を省略）を備える。中蓋２３は、貫通孔２３Ａを備える。

各面Ｚ１～Ｚ３は、直動体１１が回転軸Ｓ０の軸回りに３回の回転対称となる位置に設けられる。３回の回転対称では、回転軸Ｓ０の軸回りに直動体１１を１２０°だけ回転させる度に、回転後の形状を回転前の形状に重ねることができる。各面Ｚ１～Ｚ３は、ラックＡ１～Ａ３をそれぞれ支持可能である。このとき、各面Ｚ１～Ｚ３は、各ラックＡ１～Ａ３の歯がピニオンＢ１～Ｂ３の歯の方向を向く位置で各ラックＡ１～Ａ３を支持する。
開口１２には軸受Ｕ３が挿入され、さらに軸受Ｕ３の内輪には直動伝達軸７Ｄが挿入される。各開口Ｖ１～Ｖ３は、リフトガイドＴ１～Ｔ３をそれぞれ挿入可能である。

直動体１１は、軸受Ｕ３の外輪で支持され、直動伝達軸７Ｄの先端はナット１５により軸受Ｕ３の内輪に固定される。軸受Ｕ３の外輪は、例えば、Ｃ型留め輪１６にて直動体１１に取り付けることができる。

ベース１３は、リフトガイドＴ１～Ｔ３を直立した状態で支持する。リフトガイドＴ１～Ｔ３は、ベース１３と一体的に設けることができる。ベース１３の平面形状は、直動体１１の平面形状と等しくすることができる。各開口Ｖ１～Ｖ３の位置は、リフトガイドＴ１～Ｔ３の位置に対応させることができる。

開口２１Ｂは、ラックＡ１～Ａ３が取り付けられた直動体１１をベース１３とともに収容部２１Ａに挿入可能である。各開口Ｋ１～Ｋ３は、各支持軸Ｍ１～Ｍ３をケース２１内に挿入可能である。

収容部２１Ａは、ラックＡ１～Ａ３が取り付けられた直動体１１をベース１３とともにケース２１内に収容する。収容部２１Ａは、例えば、ケース２１内に設けられた中空部または凹部である。収容部２１Ａの平面形状は、ベース１３の平面形状に対応させることができる。このとき、収容部２１Ａの平面形状は、回転軸Ｓ０の軸回りに３回の回転対称とすることができる。

一方、各支持軸Ｍ１～Ｍ３を挿入可能な開口Ｋ１～Ｋ３は、収容部２１Ａの外側の円周面に沿って配置することができる。このとき、支持軸Ｍ１、ピニオンＢ１、軸受Ｅ１およびアダプタＤ１を挿入可能な中空部Ｑ１と、支持軸Ｍ２、ピニオンＢ２、軸受Ｅ２およびアダプタＤ２を挿入可能な中空部Ｑ２と、支持軸Ｍ３、ピニオンＢ３、軸受Ｅ３およびアダプタＤ３を挿入可能な中空部Ｑ３をケース２１に設けることができる。各中空部Ｑ１～Ｑ３には、開口２１Ｂを介し、支持軸Ｍ１～Ｍ３、ピニオンＢ１～Ｂ３、軸受Ｅ１～Ｅ３およびアダプタＤ１～Ｄ３をそれぞれ挿入可能である。

リフトガイドＴ１～Ｔ３の先端は、貫通孔２３Ａを介して中蓋２３の外側に突出する。そして、リフトガイドＴ１～Ｔ３の先端が中蓋２３の外側に突出した状態で、ナットＳ１～Ｓ３が各リフトガイドＴ１～Ｔ３の先端に装着されることで、収容部２１Ａ内にベース１３を配置することができる。

中蓋２３は、ケース２１にて支持される。中蓋２３は、ボルトＪ７にてケース２１に固定することができる。外蓋２２は、中蓋２３をカバーする。外蓋２２は、中蓋２３に固定することができる。中蓋２３の材料は、例えば、ジュラルミン、外蓋２２の材料は、例えば、樹脂である。

直動伝達軸７Ｄの直線運動に伴って、直動体１１とともに各ラックＡ１～Ａ３が直線運動する。このとき、直動体１１の運動は、リフトガイドＴ１～Ｔ３にて案内されるとともに、直動体１１の直動方向の移動範囲が、ベース１３およびナットＳ１～Ｓ３にて制限される。各ラックＡ１～Ａ３の直線運動に伴ってピニオンＢ１～Ｂ３がそれぞれ回転運動し、ピニオンＢ１～Ｂ３の回転運動に伴って、各支持軸Ｍ１～Ｍ３がそれぞれの軸回りに回転する。そして、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の回転運動に伴って各回転翼Ｈ１～Ｈ３が回転し、各回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が変化される。例えば、直動体１１が図１１（ａ）の位置にあるときは、各回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が図１（ｂ）に示すように設定され、直動体１１が図１１（ｂ）の位置にあるときは、各回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３が図１（ｃ）に示すように設定される。

ここで、回転軸Ｓ０の軸回りに３回の回転対称となる位置に各面Ｚ１～Ｚ３を設け、ラックＡ１～Ａ３を各面Ｚ１～Ｚ３に配置することにより、１個の直動体１１を直線運動させることで、３個の各支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りの３個の回転運動を発生させることができる。このため、直動回転変換部８をハブ１０内に収容することを可能としつつ、３枚の回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチを可変とすることができる。

上記の実施形態においては、各回転翼Ｈ１～Ｈ３は推力発生装置１の真下に配置され、推力発生装置１は飛翔体の機体の下部に装着されるが、各回転翼Ｈ１～Ｈ３は推力発生装置１の真上に配置され、推力発生装置１は飛翔体の機体の上部に装着されてもよい。

図１３は、図３に示した部品のうち、推力発生用モータ２のロータ２Ｂと、エクステンション９と、ハブ１０のケース２１と、ハブ取り付け用ボルトJ１０とを示している。図１３では、ケース２１から外蓋２２と中蓋２３が取り外されている。尚、ボルトＪ１０は実際には３本あるが、図１３には１本しか示されていない。図１４はケース２１を、推力発生用モータ２の軸方向の下から見た図である。ケース２１の収容部２１Ａの底部２１Ｅには、直動伝達軸７Ｄ（図５（ｂ））が通過する開口２１Ｇが形成されている。

図１４に示すように、ケース２１の収容部２１Ａの底部２１Ｅには、ボルトＪ１０を通すための孔２１Ｆが３つ形成されている。図１３及び図１４から分かるように、３つの孔２１Ｆは、エクステンション９の下端面９Ｃに形成された３つの孔９Ｄに対応する孔である。３つの孔９Ｄは、エクステンション９の周方向に等間隔で形成されている（つまり、周方向に１２０度間隔で形成されている）。３つの孔９Ｄは、貫通孔である。３本のボルトＪ１０が３つの孔２１Ｆと３つの孔９Ｄを通過し、ロータ２Ｂの端面２Ｂ１に形成された３つの雌ネジ孔２Ｂ２に螺合することにより、ケース２１がエクステンション９を介して推力発生用モータ２に（より具体的にはロータ２Ｂ）に固定される。

図１３に示すように、エクステンション９の下端面９Ｃには、３つの孔９Ｄの間に、３つのピン孔９Ｆが形成されている。ピン孔９Ｆは貫通孔ではなく、所定の深さを有する孔である。ピン孔９Ｆには位置決め用ピンＪ１１（図１９）が挿入される。ピン孔９Ｆに挿入された位置決め用ピンＪ１１は、エクステンション９の下端面９Ｃから所定の高さだけ突出する。位置決め用ピンＪ１１の突出部分は、ケース２１に形成された孔（図示せず）に嵌合する。この嵌合により、エクステンション９がケース２１に対して位置決めされる。

ケース２１の収容部２１Ａは、ケース２１の内部に形成された中空空間（中空部）であり、ボルトＪ１０は収容部２１Ａから推力発生用モータ２に延びている。図１３及び図５（ｂ）から分かるように、ケース２１（ハブ１０）はボルトＪ１０により推力発生用モータ２に固定される。尚、推力発生用モータ２はボルトＪ１０によりハブ１０に固定されていると表現することもできる。

エクステンション９のフランジ９Ａには、ボルトＪ６（図５）が通過する孔９Ａ１が６つ形成されている。６つの孔９Ａ１は、フランジ９Ａの周方向に等間隔で形成されている。ボルトＪ６は孔９Ａ１を通って、ロータ２Ｂの第２端面２Ｂ３に形成された孔２Ｂ４に螺合する。本実施形態では、エクステンション９は、ボルトＪ６とボルトＪ１０によりロータ２Ｂに固定されている。ボルトＪ１０がエクステンション９の本体をロータ２Ｂに固定し、ボルトＪ６がエクステンション９のフランジ９Ａをロータ２Ｂに固定している。エクステンション９は、ボルトＪ６とボルトＪ１０によりロータ２Ｂに固定されるので、エクステンション９の固定を強固にすることができる。
ボルトＪ１０の頭部は、ケース２１の内部に位置している。つまりハブ１０を固定するボルトＪ１０は、推力発生装置１の外面に位置していない（外部に露出していない）。従って、ボルトＪ１０が埃や雨などに晒される可能性は低い。よって、ボルトＪ１０に対する外部環境の影響を低減できる。

＜変形例＞
上記した実施形態では、エクステンション９がフランジ９Ａを有していたが、エクステンション９はフランジ９Ａを有さなくてもよい。つまり、エクステンション９に大きな負荷が作用しない場合には、フランジ９Ａを省略することにより、エクステンション９とロータ２Ｂとの間の固定を上記した実施形態より簡略化してもよい。エクステンションがフランジ９Ａを有さない構成について、図１５～図１９を参照して説明する。図１５～図１９において、上記した実施形態と同様な部品や構成には同様の符号をつける。本変形例では、エクステンションに符号１０９を付ける。
図１５は図４（ｂ）に対応する図である。図１６は図５（ｂ）に対応する図である。図１７は図６（ｂ）に対応する図である。図１８は図１３に対応する図である。図１９は、エクステンション１０９と、ハブ１０のケース２１と、ハブ取り付け用ボルトJ１０と、位置決めピンＪ１１とを示している。エクステンション１０９はほぼ円筒形状を有している。尚、図１９のエクステンション１０９とハブケース２１の位置関係は、図１８のエクステンション１０９とハブケース２１の位置関係と上下が逆である。

図１６～図１９に示すように、本変形例では、エクステンション１０９はボルトＪ１０によりロータ２Ｂに固定される。本変形例では、エクステンション１０９はフランジ９Ａを有さないので、エクステンション１０９の形状を簡素化できる。従って、エクステンション１０９の製造工程も簡素化できる。また、フランジ９Ａがないので、フランジ９Ａをロータ２Ｂに固定するためのボルトＪ６が不要になる。
本変形例においてもハブ１０は、ケース２１の内部のボルトＪ１０によりロータ２Ｂに固定されている。従って、ボルトＪ１０が埃や雨などに晒される可能性は低い。よって、ボルトＪ１０に対する外部環境の影響を低減できる。

尚、上記した実施形態及び変形例では、ロータ２Ｂとハブ１０の間にエクステンション９、１０９を設けたが、エクステンション９、１０９を設けなくてもよい場合もある。例えば、回転翼Ｈ１～Ｈ３の形状や大きさによっては（あるいは、ロータ２Ｂの端面２Ｂ１、２Ｂ３の形状やケース２１の形状によっては）、エクステンション９、１０９が無くても回転翼Ｈ１～Ｈ３が推力発生用モータ２に接触・衝突しない場合がある。そのような場合には、エクステンション９、１０９を省略してもよい。エクステンション９、１０９が省略された構成であっても、ハブ１０をロータ２Ｂに固定するボルトＪ１０がケース２１の内部に位置する構成は変わらない。

１…推力発生装置、Ｈ１～Ｈ３…回転翼、Ｐ１～Ｐ３…グリップ、２…推力発生用モータ、２Ａ…ステータ、２Ｂ…ロータ、２Ｃ…フレーム、３Ａ、３Ｂ…中空部、４…ロータ軸、５…ピッチ可変用モータ、６…回転伝達部、７…回転直動変換部、８…直動回転変換部、９…エクステンション、１０９…エクステンション

Claims (4)

1. 所定の軸を中心に回転可能な回転翼と、
   前記所定の軸上に設けられ、前記回転翼を支持するハブと、
   固定部材により前記ハブに固定されて、前記ハブを前記所定の軸回りに回転させる第１モータと、
   前記第１モータの近傍に設けられ、前記回転翼のピッチ角を変化させる回転運動を発生させる第２モータと、
   前記第２モータの回転運動を直線運動に変換する第１変換部と、
   前記第１変換部で変換された直線運動を、前記ピッチ角を変化させる回転運動に変換する第２変換部とを備え、
   前記第１変換部の少なくとも一部は前記第１モータ内に収容され、前記第２変換部の少なくとも一部は前記ハブ内に収容され、
   前記ハブは内部に中空部を有し、前記固定部材は前記中空部から前記第１モータに延びることを特徴とする推力発生装置。
2. 前記第１モータはロータとステータを有し、前記第１モータのロータが前記ハブに固定されることを特徴とする請求項１に記載の推力発生装置。
3. 前記第１モータは、前記ハブと前記第１モータとを所定距離隔てるためのスペーサ部材を介して前記ハブに固定され、前記スペーサ部材は前記固定部材を通過させる孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載の推力発生装置。
4. 前記スペーサ部材はフランジ部を有し、前記フランジ部は第２固定部材により第１モータに固定されることを特徴とする請求項３に記載の推力発生装置。

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