JP7006930B2 - 回転翼機 - Google Patents

Description

本発明は、回転翼機に関する。

近年、様々な用途に利用されるドローン（Ｄｒｏｎｅ）や無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの回転翼機（以下、単に「回転翼機」と総称する）を利用した様々なサービスが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１５６９７号公報

本発明は、飛行効率を向上し得る新たな構造を有る回転翼機を提供することを一つの目的とする。

そこで、本発明は、飛行効率を向上し得る回転翼機を提供することを一つの目的とする。

本発明によれば、
少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
前記前側モータに含まれるモータの出力特性と、前記後ろ側モータに含まれるモータの出力特性は異なる、
回転翼機が得られる。

本発明によれば、飛行効率を向上し得る回転翼機を提供し得る。

本発明による回転翼機の側面図である。 図１の回転翼機の他の側面図である。 図１の回転翼機を上方から見た図である。 図１の回転翼機の斜視図である。 本発明による他の回転翼機である。 図１の回転翼機の使用例を示す図である。 図１の回転翼機の使用例を示す他の図である。 図１の回転翼機の使用例を示す他の図である。 図１の回転翼機の使用例を示す他の図である。 図１の回転翼機の機能ブロック図である。

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による回転翼機は、以下のような構成を備える。
［項目１］
少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
前記前側モータに含まれるモータの出力特性と、前記後ろ側モータに含まれるモータの出力特性は異なる、
回転翼機。
［項目２］
請求項１に記載の回転翼機であって、
前記回転翼による推力中心よりも下方に設けられた搭載部を更に有しており、
前記後ろ側モータに含まれるモータの出力特性は、前記前側モータに含まれるモータの出力特性よりも高い、
回転翼機。
［項目３］
請求項１に記載の回転翼機であって、
前記回転翼による推力中心よりも上方に設けられた搭載部を更に有しており、
前記後ろ側モータに含まれるモータの出力特性は、前記前側モータに含まれるモータの出力特性よりも小さい、
回転翼機。
［項目４］
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転翼機であって、
当該回転翼機は、２つの前側モータと、２つの後側モータとを有している、
回転翼機。
［項目５］
請求項１に記載の回転翼機であって、
少なくとも前記前側モータ又は後側モータのいずれかは、更に複数のグループ化されたモータを含んでおり、
各グループ同士の出力特性は異なる、
回転翼機。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本発明の実施の形態による回転翼機について、図面を参照しながら説明する。

＜本発明による実施の形態の詳細＞
図２に示されるように、本発明の実施の形態による回転翼機１は、プロペラ１１Ｆ、１１Ｂ（推力発生部：回転翼）と、プロペラ１１Ｆ、１１Ｂを回転させるためのモータと、モータが取り付けられているアーム１０とを備えている。

なお、図示されている回転翼機１０は、本発明の構造の説明を容易にするため簡略化されて描かれており、例えば、制御部等の詳しい構成は図示していない。

回転翼機１は図の矢印Ｄの方向（－ＹＸ方向）を進行方向としている（詳しくは後述する）。

なお、以下の説明において、以下の定義に従って用語を使い分けることがある。
前後方向：＋Ｙ方向及び－Ｙ方向
上下方向（または鉛直方向）：＋Ｚ方向及びＺ方向
左右方向（または水平方向）：＋Ｘ方向及び－Ｘ方向
進行方向（前方）：－Ｙ方向
後退方向（後方）：＋Ｙ方向
上昇方向（上方）：＋Ｚ方向
下降方向（下方）：－Ｚ方向

プロペラ１１Ｆ、１１Ｂは、モータからの出力を受けて回転する。プロペラ１１Ｆ、１１Ｂが回転することによって、回転翼機１を出発地から離陸させ、水平移動させ、目的地に着陸させるための推進力が発生する。なお、プロペラ１１Ｆ、１１Ｂは、右方向への回転、停止及び左方向への回転が可能である。

本発明のプロペラ１１Ｆ、１１Ｂは、任意の羽根（回転子）の数（例えば、１、２、３、４、またはそれ以上の羽根）でよい。なお、プロペラ１１Ｆと、プロペラ１１Ｂとの関係については後述する。羽根の形状は、平らな形状、曲がった形状、よじれた形状、テーパ形状、またはそれらの組み合わせ等の任意の形状が可能である。

なお、羽根の形状は変化可能である（例えば、伸縮、折りたたみ、折り曲げ等）。羽根は対称的（同一の上部及び下部表面を有する）または非対称的（異なる形状の上部及び下部表面を有する）であってもよい。

羽根はエアホイル、ウイング、または羽根が空中を移動される時に動的空気力（例えば、揚力、推力）を生成するために好適な幾何学形状に形成可能である。羽根の幾何学形状は、揚力及び推力を増加させ、抗力を削減する等の、羽根の動的空気特性を最適化するために適宜選択可能である。

モータは、プロペラ１１Ｆ、１１Ｂの回転を生じさせるものであり、例えば、駆動ユニットは、電気モータ又はエンジン等を含むことが可能である。羽根は、モータによって駆動可能であり、時計方向に及び／または反時計方向に、モータの回転軸（例えば、モータの長軸）の周りに回転する。

羽根は、すべて同一方向に回転可能であるし、独立して回転することも可能である。羽根のいくつかは一方の方向に回転し、他の羽根は他方方向に回転する。羽根は、同一回転数ですべて回転することも可能であり、夫々異なる回転数で回転することも可能である。回転数は移動体の寸法（例えば、大きさ、重さ）や制御状態（速さ、移動方向等）に基づいて自動又は手動により定めることができる。

アーム１０は、それぞれ対応するモータ及びプロペラ１１Ｆ、１１Ｂを支持している部材である。アーム１には、回転翼機の飛行状態、飛行方向等を示すためにＬＥＤ等の発色体を設けることとしてもよい。本実施の形態によるアーム１は、カーボン、ステンレス、アルミニウム、マグネシウム等またはこれらの合金又は組合わせ等から適宜選択される素材で形成することが可能である。

図１乃至図４に示されるように、回転翼機１は、少なくとも進行方向Ｄ（第１方向）に沿って前進可能な回転翼機である。本実施の形態においては、回転翼機１は、２つの前側モータ及びプロペラ１０Ｆと、２つの後側モータ及びプロペラ１０Ｂとを有している。

特に、図３に示されているように、進行方向Ｄに沿って見た場合（即ち、仮想境界Ｌを境に前の領域と後の領域とを比較した場合）、前側に位置するプロペラ１１Ｆのダイヤ（プロペラの回転直径）Ｌｆは、後側に位置するプロペラ１１Ｂのダイヤ（プロペラの回転直径）Ｌｂよりも小さい。

即ち、本実施の形態による回転翼機の前側モータ１０Ｆに含まれるモータの出力特性と、後側モータ１０Ｂに含まれるモータの出力特性とは異なっている。

なお、図５に示されるように、進行方向Ｄに沿って見た場合に、最も前側に位置しているプロペラ１１Ｔ、プロペラ１１Ｆ、プロペラ１１Ｍ、プロペラ１１Ｂ、そして最も後ろ側に位置しているプロペラ１１Ｌの全てのダイヤをこの順に大きなものとしてもよい。換言すれば、図示されるモータ及びプロペラは、前方から順に同一サイズのダイヤを有するプロペラを含む複数のグループで構成されている。

続いて、図６乃至図９を参照して、実際の飛行状態を説明する。図６及び図７に示されるように、アーム１０の下方には搭載部が設けられており、搭載物（荷物等）Ｌが搭載される。この時、回転翼機全体の重心はプロペラ１１Ｆ及びプロペラ１１Ｂにより生じる推力（揚力）の中心（推力中心）よりも下方に位置している。

図７に示されるように、回転翼機１の前進時においては、機体の傾きによって、図６に示されるホバリング状態よりも重心は後方にずれることとなる。この際、前側のモータ・プロペラ１１Ｆにかかる力（負荷）よりも、後側のモータ・プロペラ１１Ｂにかかる力（負荷）の方が大きくなる。

しかしながら、本実施の形態においては、前側のプロペラ１１Ｆ小さくし、後側のプロペラ１１Ｂを大きくすることにより、同じ出力で後側のプロペラ１１Ｂによって生じる推力を大きくすることができる。

一方、図８及び図９に示される回転翼機は、図６及び図７に示される回転翼機とプロペラの配置が逆になっている。アーム１０の上方に搭載部が設けられており、搭載物（荷物等）がＬ搭載される。この時、回転翼機全体の重心はプロペラ１１Ｆ及びプロペラ１１Ｂにより生じる推力（揚力）の中心（推力中心）よりも上方に位置している。

図９に示されるように、回転翼機１の前進時においては、機体の傾きによって、図８に示されるホバリング状態よりも重心は前方にずれることとなる。この際、後側のモータ・プロペラ１１Ｆにかかる力（負荷）よりも、前側のモータ・プロペラ１１Ｂにかかる力（負荷）の方が大きくなる。

しかしながら、本実施の形態においては、前側に大きいプロペラ１１Ｂを使用し、後側に小さいプロペラ１１Ｆを使用することにより、同じ出力で前側のプロペラ１１Ｂによって生じる推力を大きくすることができる。

なお、推力の調整は、同一のモータを使いつつプロペラのダイヤを変えること、同一のプロペラを使用しつつ低出力のモータと高出力のモータとを区別して用いることとしてもよい。また、プロペラのピッチを変更することとしてもよいし、ブレードの枚数を変更する等が例示できる。

上述した回転翼機は、図１０に示される機能ブロックを有している。なお、図１０の機能ブロックは最低限の参考構成である。フライトコントローラは、所謂処理ユニットである。処理ユニットは、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央処理ユニット（ＣＰＵ））などの１つ以上のプロセッサを有することができる。処理ユニットは、図示しないメモリを有しており、当該メモリにアクセス可能である。メモリは、１つ以上のステップを行うために処理ユニットが実行可能であるロジック、コード、および／またはプログラム命令を記憶している。メモリは、例えば、ＳＤカードやランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラやセンサ類から取得したデータは、メモリに直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ等で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。

処理ユニットは、回転翼機の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θ_ｘ、θ_ｙ及びθ_ｚ）を有する回転翼機の空間的配置、速度、および／または加速度を調整するために回転翼機の推進機構（モータ等）を制御する。制御モジュールは、搭載部、センサ類の状態のうちの１つ以上を制御することができる。

処理ユニットは、１つ以上の外部のデバイス（例えば、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器）からのデータを送信および／または受け取るように構成された送受信部と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。例えば、送受信部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの１つ以上を利用することができる。送受信部は、センサ類で取得したデータ、処理ユニットが生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの１つ以上を送信および／または受け取ることができる。

本実施の形態によるセンサ類は、慣性センサ（加速度センサ、ジャイロセンサ）、ＧＰＳセンサ、近接センサ（例えば、ライダー）、またはビジョン／イメージセンサ（例えば、カメラ）を含み得る。

本発明の回転翼機は、宅配業務専用の回転翼機としての利用、及び倉庫、工場内における産業用の回転翼機としての利用が期待できる。また、本発明の回転翼機は、マルチコプター・ドローン等の飛行機関連産業において利用することができ、さらに、本発明は、カメラ等を搭載した空撮用の回転翼機としても好適に使用することができる他、セキュリティ分野、農業、インフラ監視等の様々な産業にも利用することができる。

上述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができると共に、本発明にはその均等物が含まれることは言うまでもない。

１、１’ 回転翼機
１０ アーム
１１Ｆ、１１Ｂ プロペラ

Claims (6)

1. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記回転翼による推力中心よりも下方に機体重心が位置し、
   前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力は、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力よりも大きい、
   回転翼機。
2. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記回転翼による推力中心よりも上方に機体重心が位置し、
   前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力は、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力よりも小さい、
   回転翼機。
3. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記後側モータに取り付けられた前記回転翼のダイヤは、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼のダイヤよりも大きい、
   回転翼機。
4. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記後側モータに取り付けられた前記回転翼は、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼とピッチが異なる、
   回転翼機。
5. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記後側モータに取り付けられた前記回転翼は、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼とブレードの枚数が異なる、
   回転翼機。
6. 少なくとも第１方向に沿って前進可能な回転翼機であって、アーム部と、当該アーム部に取り付けられている複数のモータと、当該モータの夫々に取り付けられている回転翼とを備えており、
   前記複数のモータは、少なくとも前記第１方向に沿ってみた場合に、前側に位置する一以上の前側モータと後側に位置する一以上の後側モータとによって構成されており、
   前記前側モータ及び前記後側モータ、または、前記前側モータに取り付けられた前記回転翼及び前記後側モータに取り付けられた前記回転翼、のうち少なくとも何れか一方の構成が互いに異なることにより、前記前側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力と、前記後側モータに含まれるモータ及び当該モータに取り付けられた前記回転翼により得られる推力が、互いに異なり、
   前記前側モータに取り付けられた前記回転翼のダイヤと、前記後側モータに取り付けられた前記回転翼のダイヤは同一であり、
   前記後側モータは、前記前側モータよりも定格出力が高い、
   回転翼機。

Images