JP7468018B2 - 推力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、推力発生装置に関する。

油圧を用いることなく、電動でプロペラ（回転翼）のピッチを変更する技術としては、例えば、特許文献１に開示がある。この技術では、回転主軸が中空状に形成され、この回転主軸内に操作ロッドが軸線方向にのみ移動可能に同心状に配設され、その操作ロッドの下端に固着されたアームが、リンクおよびレバー機構を介して羽根の各支持軸に連結されている。そして、操作ロッドを軸線方向に往復移動させることによって、リンクおよびレバー機構を介して各羽根の取付角度が変化される。

特開平５－８７０３７号公報

マルチコプター、飛行機、回転翼機、飛行可能な自動車などの飛行可能な機体では安全性の観点から高い信頼性が求められる。

そこで、本発明は、高い信頼性を有する推力発生装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様に係る推力発生装置は、複数の回転翼を回転させて推力を発生させる推力発生モータと、前記回転翼のピッチ角を変更する複数のピッチ角変更モータと、前記複数のピッチ角変更モータにそれぞれ連結された複数の回転伝達部と、単一の直動軸と運動変換機構を有し、前記運動変換機構が複数の回転伝達部と前記直動軸に連結可能であって、少なくとも１つの回転伝達部の回転を前記直動軸の直線運動に変換する、第１の運動変換部と、前記直動軸の直線運動を回転運動に変換して、前記回転翼のピッチ角を変更する第２の運動変換部とを備える。
この態様においては、第１の運動変換部が複数のピッチ角変更モータの回転運動を単一の直動軸の直線運動に変換可能であり、いずれかのピッチ角変更モータが故障した場合、他のピッチ角変更モータの回転運動を用いて、回転翼のピッチ角を変更することが可能である。したがって、推力発生装置は高い信頼性を有する。

好ましくは、前記第１の運動変換部の前記運動変換機構は、前記複数の回転伝達部に常時連結されており、前記複数の回転伝達部の回転を前記直動軸の直線運動に変換可能である。
この場合には、いずれかのピッチ角変更モータが故障した場合、即座に他のピッチ角変更モータによって、回転翼のピッチ角を変更することが可能である。

好ましくは、前記ピッチ角変更モータは、前記推力発生モータの内部に配置され、前記推力発生モータの静止部材に固定されている。
この場合には、推力発生装置の大型化を抑制することができる。

図１は、回転翼が取り付けられた実施形態に係る推力発生装置を示す斜視図である。 図２は、回転翼が取り付けられた実施形態に係る推力発生装置を示す側面図である。 図３は、回転翼が取り付けられた実施形態に係る推力発生装置を示す側面図である。 図４は、実施形態に係る推力発生装置の分解斜視図である。 図５は、他の方向から見た実施形態に係る推力発生装置の分解斜視図である。 図６は、実施形態に係る推力発生装置の平面図である。 図７は、図６のVII-VII線矢視断面図である。 図８は、実施形態に係る推力発生装置の２つの回転伝達部と回転直動変換部の平面図である。 図９は、図８のIX-IX線矢視断面図である。 図１０は、図８のX-X線矢視断面図である。 図１１は、実施形態に係る推力発生装置の２つの回転伝達部と回転直動変換部の斜視図である。 図１２は、実施形態に係る推力発生装置の直動回転変換部の直動体を示す斜視図であり、直動体の位置は図２の回転翼のピッチ角に対応する。 図１３は、直動体を示す斜視図であり、直動体の位置は図３の回転翼のピッチ角に対応する。 図１４は、実施形態に係る推力発生装置のハブの分解斜視図である。

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。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。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。

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は、回転翼が取り付けられた実施形態に係る推力発生装置を示す斜視図である。図２および図３は、回転翼が取り付けられた実施形態に係る推力発生装置を示す側面図であり、回転翼のピッチ角が異なる。

図１から図３に示すように、推力発生装置１は、複数の回転翼Ｈ１～Ｈ３を有するロータまたはプロペラＲを回転させる。プロペラＲは推力発生装置１の真下に配置されている。プロペラＲは、グリップＰ１～Ｐ３を有し、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、上方の装着部１Ａを介して飛翔体の機体に装着される。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。図示しないが、飛翔体の機体には、プロペラＲが取り付けられた複数の推力発生装置１が装着されてよい。

推力発生装置１は、推力発生モータ２、２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂ、および運動伝達ユニット６を備える。推力発生モータ２は、プロペラＲを回転させて、飛翔体に与えられる推力を発生させる。２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの各々は、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を変更する。回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角θ１～θ３を変更することにより、飛翔体に与えられる推力を変化させることができる。運動伝達ユニット６は、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転運動を回転翼Ｈ１～Ｈ３に伝達する。

図４および図５は、推力発生装置１の分解斜視図である。図６は推力発生装置１の平面図であり、図７は図６のVII－VII線矢視断面図である。図４から図７に示すように、推力発生モータ２は、ステータ２Ａ、ロータ２Ｂおよびフレーム２Ｃを備える。ロータ２Ｂは、径方向内側にロータ軸４および中空部３Ａ，３Ｂ，３Ｃを備える。

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、ステータ２Ａの外側に配置されたフレーム２Ｃの円環部に固定されている。推力発生装置１の装着部１Ａは、フレーム２Ｃの中央に設けることができる。装着部１Ａは開口１Ｂを備え、開口１Ｂには運動伝達ユニット６が挿入される。装着部１Ａは、放射状に延びる複数のスポーク１Ｃを介して円環部に連結されている。フレーム２Ｃには内側円筒部１Ｄが形成されており、内側円筒部１Ｄは軸受Ｕ１を介してロータ軸４を回転自在に支持する。円環部、装着部１Ａ、スポーク１Ｃおよび内側円筒部１Ｄを含むフレーム２Ｃは、例えば、ジュラルミンなどの合金の切削加工で形成することができる。

推力発生モータ２のロータ２Ｂは、放射状に延びる複数のスポーク２Ｄを介してロータ軸４に連結されている。ロータ２Ｂは、中心軸線Ｓ０（図２および図３参照）を中心としてロータ軸４とともに回転する。ロータ２Ｂとロータ軸４は、軸受Ｕ１を介して、フレーム２Ｃに支持されている。

中空部３Ａ，３Ｂは、ロータ２Ｂとロータ軸４の間に設けられている。中空部３Ａ，３Ｂには、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂがそれぞれ配置されている。ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂはフレーム２Ｃに固定されている。但し、理解の容易のため、図４および図５では、ピッチ角変更モータ５Ｂの図示が省略されている。

中空部３Ｃは、ロータ軸４の中心孔であり、ロータ軸４の軸線方向に沿って延びている。中空部３Ｃには、運動伝達ユニット６の一部が挿入されている。

推力発生モータ２のロータ軸４の下端面には、中空円筒であるエクステンション９が固定され、エクステンション９は、ロータＲのハブ１０に固定されている。したがって、ハブ１０は、中心軸線Ｓ０周りに回転可能な状態でフレーム２Ｃに支持される。ハブ１０には、回転翼Ｈ１～Ｈ３を支持するグリップＰ１～Ｐ３が取り付けられている。このようにして、推力発生モータ２は、回転翼Ｈ１～Ｈ３を有するプロペラＲを回転させる。すなわち、推力発生モータ２が動作して、ロータ２Ｂが回転すると、ロータ軸４が回転し、中心軸線Ｓ０を中心として回転翼Ｈ１～Ｈ３が回転する。回転翼Ｈ１～Ｈ３の回転に伴って、飛翔体に与えられる推力が発生する。

エクステンション９は、推力発生装置１の軸線方向において、推力発生モータ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って、回転翼Ｈ１～Ｈ３が推力発生モータ２に衝突するのを防止する。エクステンション９の材料は、例えば、ジュラルミンである。

回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更するピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂは、推力発生モータ２のフレーム２Ｃに固定されており、推力発生モータ２の内部、具体的には、中空部３Ａ，３Ｂにそれぞれ配置されている。ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転軸は、推力発生モータ２のロータ軸４と同様に鉛直方向に延びる。すなわち、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転軸とロータ軸４は平行な異なる軸である。

次に、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転運動を回転翼Ｈ１～Ｈ３に伝達する運動伝達ユニット６を説明する。運動伝達ユニット６は、回転伝達部６Ａ，６Ｂ、回転直動変換部７、および直動回転変換部８を備える。

回転伝達部６Ａは、ピッチ角変更モータ５Ａの回転軸の回転を回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに伝達する。回転伝達部６Ｂは、ピッチ角変更モータ５Ｂの回転軸の回転を回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに伝達する。ボールねじ軸７Ｆは、推力発生装置１の中心軸線Ｓ０に沿って鉛直方向に延び、ロータ軸４の中心孔である中空部３Ｃ内に配置されている。したがって、回転伝達部６Ａはピッチ角変更モータ５Ａの回転運動を中心軸線Ｓ０上の軸に伝達し、回転伝達部６Ｂはピッチ角変更モータ５Ｂの回転運動を中心軸線Ｓ０上の軸に伝達する。各回転伝達部は、ピッチ角変更モータの回転軸の回転に伴って回転する回転部材を有する。回転伝達部６Ａ，６Ｂはフレーム２Ｃに固定される。

回転直動変換部（第１の運動変換部）７は、推力発生装置１の中心軸線Ｓ０に沿って鉛直方向に延びる直動伝達軸（直動軸）７Ｄと、回転伝達部６Ａ，６Ｂの回転を直動伝達軸７Ｄの直線運動に変換する運動変換機構を有する。回転直動変換部７の運動変換機構は、回転伝達部６Ａ，６Ｂと直動伝達軸７Ｄに連結されている。この運動変換機構は、直動伝達軸７Ｄの上方に同軸に配置されたボールねじ軸７Ｆを有する。回転直動変換部７の上部は、推力発生モータ２内に収容されているが、回転直動変換部７の下部は、推力発生モータ２から下方に突出する。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（第２の運動変換部）８は、回転直動変換部７の直動伝達軸７Ｄの直線運動を回転運動に変換して、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更する。直動回転変換部８は、推力発生用モータ２の下方に位置する。

ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂ、回転伝達部６Ａ，６Ｂおよび回転直動変換部７は、推力発生モータ２のフレーム（静止部材）２Ｃに固定される。このため、ロータ軸４が回転しても、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂ、回転伝達部６Ａ，６Ｂおよび回転直動変換部７は、ロータ軸４の周りに回転しない。一方、直動回転変換部８は、ロータ軸４に支持される。このため、直動回転変換部８は、ロータ軸４の回転に伴ってロータ軸４の周りに回転する。

図８～図１１に示すように、回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆの上端には、歯車Ｇ１が固定されている。回転伝達部６Ａは、歯車Ｇ２，Ｇ３を有しており、歯車Ｇ３はピッチ角変更モータ５Ａの回転軸に固定され、歯車Ｇ２は歯車Ｇ３と歯車Ｇ１に噛み合わせられている。回転伝達部６Ｂも歯車Ｇ２，Ｇ３を有しており、歯車Ｇ３はピッチ角変更モータ５Ｂの回転軸に固定され、歯車Ｇ２は歯車Ｇ３と歯車Ｇ１に噛み合わせられている。したがって、回転伝達部６Ａにおいて、歯車Ｇ３，Ｇ２はピッチ角変更モータ５Ａの回転運動を歯車Ｇ１に固定されたボールねじ軸７Ｆに伝達することが可能であり、回転伝達部６Ｂにおいて、歯車Ｇ３，Ｇ２はピッチ角変更モータ５Ｂの回転運動を歯車Ｇ１に固定されたボールねじ軸７Ｆに伝達することが可能である。歯車Ｇ１～Ｇ３の材料は、例えば、炭素鋼である。

回転直動変換部７は支持部材Ｆ１に支持されている。図４、図６および図７に示すように、支持部材Ｆ１は、推力発生モータ２のフレーム２Ｃの装着部１Ａの開口１Ｂの中に配置されている。支持部材Ｆ１は、例えば４つのボルトＪ１（図８～図１１参照）によってフレーム２Ｃに支持されている。ボルトＪ１は、例えば、支持部材Ｆ１の四隅に配置することができる。また、推力発生モータ２の中空部３Ａ，３Ｂには、２つの支持部材Ｆ３がそれぞれ配置されている。これらの支持部材Ｆ３もボルトＪ３（図８、図９、図１１参照）によってフレーム２Ｃに支持されている。中空部３Ａ内の支持部材Ｆ３にはボルトＪ４によってピッチ角変更モータ５Ａが固定され、中空部３Ｂ内の支持部材Ｆ３にはボルトＪ４によってピッチ角変更モータ５Ｂが固定されている（図８～図１１参照）。

図８～図１１に示すように、支持部材Ｆ１には２つの支持部材Ｆ２がボルトＪ２によって支持されており、支持部材Ｆ１と一方の支持部材Ｆ２は、回転伝達部６Ａの歯車Ｇ２を回転可能に支持し、支持部材Ｆ１と他方の支持部材Ｆ２は、回転伝達部６Ｂの歯車Ｇ２を回転可能に支持する。支持部材Ｆ１～Ｆ３の材料は、例えば、アルミニウム合金である。

この実施形態では、回転伝達部６Ａにおいて、歯車がピッチ角変更モータ５Ａの回転運動を回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに伝達し、回転伝達部６Ｂにおいて、歯車がピッチ角変更モータ５Ｂの回転運動を回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに伝達する。しかし、各回転伝達部は、ベルト・プーリ機構またはチェーン・スプロケットを有してもよい。具体的には、ボールねじ軸７Ｆに複数のプーリを固定し、１つのプーリとピッチ角変更モータ５Ａの回転軸に固定されたプーリにベルトを巻き、他の１つのプーリとピッチ角変更モータ５Ｂの回転軸に固定されたプーリにベルトを巻いてもよい。ベルトとしてタイミングベルトを使用してもよい。ボールねじ軸７Ｆに複数のスプロケットを固定し、１つのスプロケットとピッチ角変更モータ５Ａの回転軸に固定されたスプロケットにチェーンを巻き、他の１つのスプロケットとピッチ角変更モータ５Ｂの回転軸に固定されたスプロケットにチェーンを巻いてもよい。

この実施形態では、回転直動変換部７は、運動変換機構としてボールねじを用いて、ボールねじ軸７Ｆの回転運動を直動伝達軸７Ｄの直線運動に変換する。運動変換機構は、ボールねじ軸７Ｆ、ボールねじナット７Ｇおよび一対の直動案内部７Ｅを備える。但し、ボールねじの代わりに、すべりねじ、またはその他の送りねじを用いてもよい。この実施形態では、回転直動変換部７の運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、ピッチ角変更に要する駆動トルクを低減することができ、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの省電力化を図ることができる。

ボールねじ軸７Ｆは、鉛直方向に延びている。ボールねじ軸７Ｆは、図７に示すように、支持部材Ｆ１に固定された軸受Ｕ２によって回転可能に支持されており、歯車Ｇ１の回転に伴ってボールねじ軸７Ｆの長手軸線を中心にして回転する。

図９および図１０に示すように、ボールねじナット７Ｇは、ボールねじ軸７Ｆに噛み合わせられている。ボールねじナット７Ｇも鉛直方向に延びており、ボールねじナット７Ｇの下方に配置された鉛直方向に延びる直動伝達軸７Ｄに固定されている。

図９から図１１に示すように、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄは、支持部材Ｆ１から突出する一対の平行な長尺な板壁である直動案内部７Ｅに挟まれており、一対の直動案内部７Ｅによって回転しないように規制されている。ボールねじ軸７Ｆの回転に伴って、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄは、ボールねじ軸７Ｆの軸線方向に沿って鉛直方向に直線運動する。直動案内部７Ｅは、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄの直線運動を許容する。換言すれば、直動案内部７Ｅは、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄを直線運動するよう案内する。したがって、歯車Ｇ１とともにボールねじ軸７Ｆが回転すると、直動案内部７Ｅに案内されて、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄが鉛直方向に直線運動する。直動案内部７Ｅは支持部材Ｆ１と一体的に設けることができる。

図９および図１０に示すように、直動伝達軸７Ｄの上部には、鉛直方向に延びる空洞が形成されており、この空洞に、ボールねじ軸７Ｆに噛み合わせられたボールねじナット７Ｇが挿入されている。

図１０および図１１に示すように、直動伝達軸７Ｄの上部の外周面には、２つの被案内平坦面７Ｃが形成されている。２つの被案内平坦面７Ｃは、互いに平行であり、２つの直動案内部７Ｅに対してそれぞれ対向する。

図１０に示すように、被案内平坦面７Ｃの各々には凹部が形成され、凹部には低摩擦材料、例えばフッ素樹脂から形成された摺動部材７Ｈが嵌め込まれている。摺動部材７Ｈの一部は凹部から突出し、直動案内部７Ｅに摺動可能に接触する。したがって、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄが鉛直方向に直線運動する時、摺動部材７Ｈは直動案内部７Ｅとの摩擦を減少させる。摺動部材７Ｈは凹部に接着剤などで固定してもよい。

図９から図１１に示すように、ボールねじナット７Ｇの上端にはフランジ７Ａが形成され、直動伝達軸７Ｄの上端にもフランジ７Ｂが形成されている。フランジ７Ａ，７Ｂは、円筒を平行な二平面で切り取った形状であり、フランジ７Ａ，７Ｂの円弧状の突出部分は、一対の直動案内部７Ｅの間から露出している。フランジ７Ａ，７ＢはボルトＪ５によって固定されており、したがって直動伝達軸７Ｄはボールねじナット７Ｇに固定されている。

一方、図１０に示すように、フランジ７Ａ，７Ｂの平面部分は、２つの直動案内部７Ｅに対してそれぞれ対向する。フランジ７Ａの平面部分は、被案内平坦面７Ｃと面一である。フランジ７Ｂの平面部分は、被案内平坦面７Ｃの一部であり、ここに形成された凹部に摺動部材７Ｈが嵌め込まれている。このように、フランジ７Ａ，７Ｂに平面部分を設けることにより、一対の直動案内部７Ｅの外径を小さくすることができ、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である。

図７に示すように、直動伝達軸７Ｄの上部を含む回転直動変換部７の大部分は推力発生モータ２の内部に配置されている一方、直動伝達軸７Ｄの下部は中空円筒であるエクステンション９の内部空間を貫通し、さらにプロペラＲのハブ１０の内部に到達する。

直動伝達軸７Ｄの下部は、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更するために、回転直動変換部７の直線運動を回転運動に変換する直動回転変換部８に連結されている。この実施形態では、直動回転変換部８は、運動変換機構としてラックピニオンを用いて、回転直動変換部７の直動伝達軸７Ｄの直線運動を回転運動に変換する。

図４および図５に示すように、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、シャフトアダプタＤ１～Ｄ３およびピニオンＢ１～Ｂ３を備える。

直動体１１は正三角柱の形状を有し、その中央には空洞が形成されている。図７に示すように、直動伝達軸７Ｄの下端は、軸受Ｕ３の内輪に嵌め込まれており、軸受Ｕ３の外輪は直動体１１の空洞に嵌め込まれている。したがって、直動体１１は直動伝達軸７Ｄの周りを回転可能であり、直動伝達軸７Ｄとともに鉛直方向に直線運動する。軸受Ｕ３としては、例えば、複列アンギュラ玉軸受を用いることができる。

ラックＡ１～Ａ３は、直動体１１の３つのコーナーに固定されており、直動体１１とともに直線運動する。ラックＡ１～Ａ３は、それぞれピニオンＢ１～Ｂ３と噛み合わせられ、ピニオンＢ１～Ｂ３は、直動体１１とラックＡ１～Ａ３の直線運動に伴って、同時に回転運動させられる。

支持軸Ｍ１～Ｍ３は、プロペラＲの回転翼Ｈ１～Ｈ３を支持するグリップＰ１～Ｐ３の延長線上にそれぞれ配置されている。すなわち、支持軸Ｍ１～Ｍ３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グリップＰ１～Ｐ３をそれぞれ支持する。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～Ｍ３の材料は、例えば、ジュラルミンである。但し、グリップＰ１～Ｐ３と支持軸Ｍ１～Ｍ３の耐久性を増大させるため、グリップＰ１～Ｐ３と支持軸Ｍ１～Ｍ３の材料として、例えば、チタンを用いてもよい。

支持軸Ｍ１～Ｍ３は、ケース２１に固定された軸受Ｅ１～Ｅ３によって、支持軸Ｍ１～Ｍ３の軸回りに回転可能に支持されている。Ｅ１～Ｅ３としては、例えば、複列アンギュラ玉軸受を用いることができる。

ピニオンＢ１～Ｂ３は、それぞれ支持軸Ｍ１～Ｍ３の先端に固定されている。したがって、直動体１１とラックＡ１～Ａ３の直線運動に伴って、ピニオンＢ１～Ｂ３が回転すると、支持軸Ｍ１～Ｍ３もグリップＰ１～Ｐ３とともに回転する。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、プロペラＲのハブ１０の一部である。ケース２１は、直動体１１、ラックＡ１～Ａ３、支持軸Ｍ１～Ｍ３、軸受Ｅ１～Ｅ３、シャフトアダプタＤ１～Ｄ３およびピニオンＢ１～Ｂ３を収容する。したがって、ケース２１は、直動回転変換部８のケースであるとみなすこともできる。

ケース２１の上部は、中空円筒であるエクステンション９の下端に固定され、エクステンション９の上端は、推力発生モータ２のロータ軸４に固定されている。したがって、ケース２１はロータ２Ｂとロータ軸４とともに、推力発生装置１の軸線周りに回転する。

ケース２１に固定された軸受Ｅ１～Ｅ３は、推力発生装置１の軸線周りの回転時に、回転翼Ｈ１～Ｈ３にかかる遠心力に対抗して支持軸Ｍ１～Ｍ３を支持することができる。

シャフトアダプタＤ１～Ｄ３は、それぞれ支持軸Ｍ１～Ｍ３の外側、かつ軸受Ｅ１～Ｅ３の内側に配置され、それぞれ支持軸Ｍ１～Ｍ３に支持される。各シャフトアダプタＤ１～Ｄ３の内周面は、径が変化する支持軸Ｍ１～Ｍ３の外周面にフィットするように形成され、各シャフトアダプタＤ１～Ｄ３の外周面は、円柱形の軸受Ｅ１～Ｅ３の内周面にフィットするように形成される。シャフトアダプタＤ１～Ｄ３により、各支持軸Ｍ１～Ｍ３の径の変化に対応しつつ、軸受Ｅ１～Ｅ３は支持軸Ｍ１～Ｍ３を支持することができる。ケース２１およびシャフトアダプタＤ１～Ｄ３の材料は、例えば、ジュラルミンである。

ケース２１に収容された、直動体１１、ラックＡ１～Ａ３、支持軸Ｍ１～Ｍ３、軸受Ｅ１～Ｅ３、シャフトアダプタＤ１～Ｄ３およびピニオンＢ１～Ｂ３は、ケース２１とともに、推力発生装置１の軸線周りに回転する。上記の通り、直動体１１は軸受Ｕ３の外輪に固定され、軸受Ｕ３の内輪に固定された直動伝達軸７Ｄとは独立して、推力発生装置１の軸線周りに回転することが可能である。図７に示すように、軸受Ｕ３の内輪は、例えば、ナット１５によって直動伝達軸７Ｄの下端に固定することができ、軸受Ｕ３の外輪は、例えば、Ｃ型留め輪１６にて直動体１１に固定することができる。

図１２は、図２の回転翼のピッチ角に対応した直動体１１の位置を示し、図１３は、図３の回転翼のピッチ角に対応した直動体１１の位置を示す。図１２および図１３に示すように、直動回転変換部８は、直動体１１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、輪郭が直動体１１の輪郭と同じ正三角形の板であり、ベース１３の中央には、直動伝達軸７Ｄの下端が通過可能な貫通した開口１４が形成されている。ベース１３は、鉛直方向に延びる棒である互いに平行なリフトガイドＴ１～Ｔ３を支持する。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。

正三角柱の形状を有する直動体１１は、３つの側面Ｚ１～Ｚ３を有する。側面Ｚ１～Ｚ３には、ラックＡ１～Ａ３がそれぞれ固定されている。直動体１１の中央には、空洞１２が形成され、空洞１２には、軸受Ｕ３（図７参照）が配置されている。

直動体１１の３つのコーナーには、開口Ｖ１～Ｖ３がそれぞれ形成されている。開口Ｖ１～Ｖ３には、ベース１３に固定されたリフトガイドＴ１～Ｔ３がそれぞれ挿入される。リフトガイドＴ１～Ｔ３の下端には、ナットＳ１～Ｓ３がそれぞれ装着される。

図１４はハブ１０の分解斜視図である。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、開口２１Ｂ、中空部Ｑ１～Ｑ３および開口Ｋ１～Ｋ３（図４および図５参照）を備える。

収容部２１Ａは、ケース２１の中央に形成されており、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の平面形状に対応し、ほぼ正三角形にすることができる。開口２１Ｂは、開口２１Ｂを通じて、収容部２１ＡにラックＡ１～Ａ３が取り付けられた直動体１１とベース１３を配備するために形成されている。

中空部Ｑ１～Ｑ３は、収容部２１Ａの外側に１２０度の角間隔をおいて配置され、収容部２１Ａに連通する。中空部Ｑ１には、支持軸Ｍ１、ピニオンＢ１、軸受Ｅ１およびシャフトアダプタＤ１が配置され、中空部Ｑ２には、支持軸Ｍ２、ピニオンＢ２、軸受Ｅ２およびシャフトアダプタＤ２が配置され、中空部Ｑ３には、支持軸Ｍ３、ピニオンＢ３、軸受Ｅ３およびシャフトアダプタＤ３が配置される。これらの中空部Ｑ１～Ｑ３には、開口２１Ｂと収容部２１Ａを通じて、ピニオンＢ１～Ｂ３、軸受Ｅ１～Ｅ３およびシャフトアダプタＤ１～Ｄ３を配備することが可能である。

開口Ｋ１～Ｋ３は、ケース２１の外側面に１２０度の角間隔をおいて形成されており、それぞれ中空部Ｑ１～Ｑ３に連通する。支持軸Ｍ１～Ｍ３をそれぞれ開口Ｋ１～Ｋ３に挿入することにより、支持軸Ｍ１～Ｍ３を収容部２１Ａ内に配備することが可能である。

中蓋２３は、複数のボルトＪ７によってケース２１に固定される。さらに中蓋２３をカバーする外蓋２２が中蓋２３に固定される。中蓋２３の材料は、例えば、ジュラルミンであり、外蓋２２の材料は、例えば、樹脂である。

中蓋２３には、複数の貫通孔２３Ａが形成されている。リフトガイドＴ１～Ｔ３（図１２および図１３参照）の下端は、中蓋２３の貫通孔２３Ａにそれぞれ挿入されて、中蓋２３の外側に突出する。中蓋２３の外側において、リフトガイドＴ１～Ｔ３の下端にはナットＳ１～Ｓ３が装着される。これにより、ケース２１の収容部２１Ａに配置されたベース１３をケース２１の上壁に固定することができる。

上記の構成の下、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂが回転すると、回転伝達部６Ａにおいて、歯車Ｇ３，Ｇ２がピッチ角変更モータ５Ａの回転運動を歯車Ｇ１に伝達し、回転伝達部６Ｂにおいて、歯車Ｇ３，Ｇ２がピッチ角変更モータ５Ｂの回転運動を回転直動変換部７の歯車Ｇ１に伝達する（図８～図１１参照）。歯車Ｇ１は、回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに固定されているので、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転運動はボールねじ軸７Ｆに伝達される。ボールねじ軸７Ｆが回転すると、ボールねじナット７Ｇと直動伝達軸７Ｄは、直動案内部７Ｅに案内されて、鉛直方向に直線運動する（図９～図１１参照）。

直動伝達軸７Ｄの直線運動は、直動体１１に伝達される。直動伝達軸７Ｄの直線運動に伴って、直動体１１とともに直動体１１に固定されたラックＡ１～Ａ３が鉛直方向に直線運動する。直動体１１とともにラックＡ１～Ａ３が直線運動するとき、リフトガイドＴ１～Ｔ３は、直動体１１を案内する（図１２および図１３参照）。直動体１１の移動範囲は、ベース１３およびナットＳ１～Ｓ３にて制限される。ラックＡ１～Ａ３には、それぞれピニオンＢ１～Ｂ３が噛み合わせられており、ラックＡ１～Ａ３が直線運動すると、支持軸Ｍ１～Ｍ３に固定されたピニオンＢ１～Ｂ３が同時に回転する（図４および図５参照）。したがって、ピニオンＢ１～Ｂ３の回転運動に伴って、支持軸Ｍ１～Ｍ３がそれぞれの軸線周りに回転する。支持軸Ｍ１～Ｍ３には、回転翼Ｈ１～Ｈ３を支持するグリップＰ１～Ｐ３が取り付けられており、支持軸Ｍ１～Ｍ３の回転運動は回転翼Ｈ１～Ｈ３に伝達される。したがって、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角が同時に変更される。例えば、直動体１１が図１２の位置にあるときは、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角が図２に示すように設定され、直動体１１が図１３の位置にあるときは、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角が図３に示すように設定される。

推力発生装置１は、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転角ひいては回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更することにより、飛翔体に与えられる推力を変化させることができる。ピッチ角の変更により推力を変化させることで、推力発生モータ２の回転数を変えて推力を変化させる方法に比べ、推力変化の応答速度を高めることができ、飛翔体の安定性を向上させることが可能である。また、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更することにより、飛翔体に与えられる推力を変更できるので、回転翼Ｈ１～Ｈ３を大きくする必要がなく、推力発生モータ２の回転数を過剰に増加させる必要もない。回転翼Ｈ１～Ｈ３を大きくする必要がないので、飛翔体の大型化および重量増を抑制することができる。また、推力発生モータ２の回転数の増加が抑制されるので、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では、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を電動で変更することにより、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の維持および修理を容易にすることができる。

この実施形態では、直動回転変換部８の運動変換機構として、ラックピニオンを用いることにより、ラックＡ１～Ａ３の各々の長手方向を直動体１１の直動方向に揃えることが可能であり、ピニオンＢ１～Ｂ３の各々を支持軸と同心に揃えることが可能である。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、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である。

この実施形態では、２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転運動を回転伝達部６Ａ，６Ｂが単一の歯車Ｇ１に伝達し、回転直動変換部７がその回転運動を単一の直動伝達軸７Ｄの直線運動に変換可能である。このため、いずれかのピッチ角変更モータが故障した場合、他のピッチ角変更モータの回転運動を用いて、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更することが可能である。したがって、推力発生装置は高い信頼性を有する。

回転直動変換部７の運動機構は、２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂにそれぞれ連結された回転伝達部６Ａ，６Ｂに常時連結されている。すなわち、回転直動変換部７のボールねじ軸７Ｆに固定された歯車Ｇ１は、回転伝達部６Ａ，６Ｂの歯車Ｇ２に常時噛み合わせられ、２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂの回転に伴って回転可能な状態にある。したがって、いずれかのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂが故障した場合、即座に他のピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂによって、回転翼Ｈ１～Ｈ３のピッチ角を変更することが可能である。

２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂが正常である場合、２つのピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂを同じ回転角度となるよう駆動してもよい。あるいは、いずれかのピッチ角変更モータのみを駆動し、他のピッチ角変更モータを非駆動としてもよい。後者の場合、非駆動のピッチ角変更モータは、歯車Ｇ１によって従動回転させられる。

いずれの場合も、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂは、角度制御によって駆動されるのが好ましい。角度制御によれば、いずれかのピッチ角変更モータが故障した際に、自動的に他のピッチ角変更モータの負荷動力が増えるため、制御系を簡便に構成することが可能である。

この実施形態では、ピッチ角変更モータ５Ａ，５Ｂは、推力発生モータ２の内部に配置され、推力発生モータ２のフレーム２Ｃに固定されている。したがって、推力発生装置１の大型化を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。

例えば、上記の実施形態においては、ピッチ角変更モータの数は２であるが、３以上のピッチ角変更モータを推力発生装置１に設けて、これらのピッチ角変更モータの回転運動を直動伝達軸７Ｄの直線運動に変換してもよい。

上記の実施形態においては、プロペラＲ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、プロペラＲ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。

１ 推力発生装置
２ 推力発生モータ
２Ａ ステータ
２Ｂ ロータ
２Ｃ フレーム
Ｒ プロペラ
Ｈ１～Ｈ３ 回転翼
Ｐ１～Ｐ３ グリップ
４ ロータ軸
５Ａ，５Ｂ ピッチ角変更モータ
６ 運動伝達ユニット
６Ａ，６Ｂ 回転伝達部
７ 回転直動変換部
７Ｄ 直動伝達軸
７Ｆ ボールねじ軸
８ 直動回転変換部

Claims (2)

1. 複数の回転翼を回転させて推力を発生させる推力発生モータと、
   前記回転翼のピッチ角を変更する複数のピッチ角変更モータと、
   前記複数のピッチ角変更モータにそれぞれ連結された複数の回転伝達部と、
   単一の直動軸と運動変換機構を有し、前記運動変換機構が前記複数の回転伝達部と前記直動軸に連結可能であって、少なくとも１つの回転伝達部の回転を前記直動軸の直線運動に変換する、第１の運動変換部と、
   前記直動軸の直線運動を回転運動に変換して、前記回転翼のピッチ角を変更する第２の運動変換部とを
   備え、
   前記ピッチ角変更モータは、前記推力発生モータの内部に配置され、前記推力発生モータの静止部材に固定されていることを特徴とする推力発生装置。
2. 前記第１の運動変換部の前記運動変換機構は、前記複数の回転伝達部に常時連結されており、前記複数の回転伝達部の回転を前記直動軸の直線運動に変換可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の推力発生装置。

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