JP6751537B2 - ハイブリッド有人飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、飛行体に関し、特に、エンジンと電気モータを併用した期間を有する有人飛行体に関する。

特許文献１には、自動二輪車に関する技術が提案されている。

特開２０１６−２１０３２８号公報 特開２０１５−０４７９６５号公報 米国特許出願公開第２０１６／０１７６２５６号明細書

特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、タイヤの回転力を道路等に加えることによって車体を前進させるものであるが、摩擦力等、エネルギーロスが多い。一方で、特許文献３のように、車全体を飛行させることによって、このようなエネルギーロスを減らすとともに、移動に対する制約をなくす技術も提案されている。

本発明は、新たな移動手段としての飛行体を提供することを一つの目的とする。

本発明によれば、
エンジン及びモータと、
前記エンジンによって揚力を発生させる第１回転翼部と、
前記モータによって少なくとも前後方向の推進力を発生させる第２回転翼部と、
前記エンジン及び前記モータを制御する制御部と、を備える、
ハイブリッド有人飛行体。が得られる。

本発明によれば、新たな移動手段としての飛行体が得られる。

本発明の実施の形態による飛行体の概略図である。 図１の飛行体の機能ブロック図である。 図１の飛行体の他の機能ブロック図である。 本発明による飛行体の変形例によるブロック図である。 本発明による飛行体の他の変形例による概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の他の変形例による概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の他の変形例による概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の発電モードによる概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の発電モードによる概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の発電モードによる概念的なブロック図である。 本発明による飛行体の発電モードによる概念的なブロック図である。

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飛行体は、以下のような構成を備える。
［項目１］
エンジン及びモータと、
前記エンジンによって揚力を発生させる第１回転翼部と、
前記モータによって少なくとも前後方向の推進力を発生させる第２回転翼部と、
前記エンジン及び前記モータを制御する制御部と、を備える、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目２］
請求項１に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記エンジンに接続された発電機と、
前記発電機によって発電された電力を蓄積するバッテリーとを更に備えている、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目３］
請求項２に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
蓄積された前記電力を外部へ供給するための給電端子を更に備えている、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目４］
請求項３に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記制御部は、前記電力を前記外部へ供給中は、前記第１回転翼部の回転を停止する、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目５］
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記モータは、前記バッテリーからの電力供給を受ける、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目６］
請求項２乃至請求項５に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記バッテリーは、前記ハイブリッド有人飛行体の減速時において、少なくとも前記第２回転翼部による回生電力を利用して充電される、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目７］
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記制御部は、前記第２回転翼部を利用して、少なくとも水平方向における姿勢を制御する、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目８］
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記第１回転翼部は、夫々、少なくとも上下方向に推進力を発生させる、前側第１回転翼部と後側第１回転翼部とを備えており、
前記第２回転翼部は、夫々、少なくとも水平方向に推進力を発生させる、前側の左右夫々に設けられた前側第２回転翼部と、後側の左右夫々に設けられた後側第２回転翼部とを備えている、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目９］
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記第１回転翼部は、二重反転プロペラである、
ハイブリッド有人飛行体。
［項目１０］
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
前記ハイブリッド有人飛行体の下部に設けられた車輪を備えており、
所定の条件において前記車輪を利用して走行可能である、
ハイブリッド有人飛行体。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本発明の実施の形態による飛行体について、図面を参照しながら説明する。

＜概要＞
本発明の実施の形態による飛行体１は、人が乗ることのできる飛行体であり、所謂ホバーバイク、エアロバイク等と呼ばれることがある。飛行体１は、人を乗せた状態で地上５０ｃｍ乃至１００ｃｍ程度の高さを浮上し、移動することが可能である。

＜飛行モード＞
本実施の形態による飛行体１は、図１に示されるように、前後方向に長い本体部２を備えている。本体部２は、２つのプロペラ４と、４つのプロペラ５とを備えている。本実施の形態によるプロペラ５は飛行体１を垂直方向に浮上させるために利用するものであり、プロペラ４は飛行体１の前進及び後進、方向転換などに主に利用される。

プロペラ５は、前後に１基ずつ設けられている。プロペラ５は、図示しないエンジンの動力を受けて回転する。プロペラ５が回転することによって、飛行体１は地面から離陸する。なお、プロペラ５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。本実施の形態によるプロペラ５は、直径１．５ｍのものを使用している。

プロペラ４は、前側の左右の夫々の２か所と、後側の左右の夫々の２か所との合計４か所に設けられている。プロペラ４は、モータ６の動力を受けて回転する。プロペラ４は、前後方向に推力を生じさせる。これにより、飛行体１は前進及び後進を行うことができる。また、上述したプロペラ５によって飛行体１が浮上した際に、プロペラ４は、飛行体１の姿勢制御を行う機能を有している（詳しくは後述する）。

本実施の形態によるプロペラ５は、上下２組のプロペラを互いに反対方向に回転させる所謂二重反転プロペラである。また、プロペラ４及びプロペラ５共に細長い形状を有する任意の羽根（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。また、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。更に本実施の形態においては、固定ピッチ、可変ピッチいずれも採用可能である。

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。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。

図２に示されるように、本実施の形態によるエンジンＰはガソリンで駆動する。飛行体１は、プロペラＲ（プロペラ５）及びエンジンＰと、当該エンジンＰにガソリン（混合燃料）を供給するためのガソリンタンクと、エンジンの動力を利用して発電を行うジェネレータ及び供給される電力を調整するパワーコントロールユニットを備えている。

また、飛行体１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）を含んでおり、当該センサで取得したデータは制御部に出力される。制御部は、取得したデータを利用してエンジンの出力等の計算を行う。

図示されるように、エンジンＰの動力は、図示しない発電機を介して電力としてバッテリーＢにも供給される。バッテリーＢの電力はモータＭに供給され、プロペラＲｓ（プロペラ４）が回転する。バッテリコントローラは、バッテリーの電源管理を行う。モータＭには、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が接続されており、フライトコントローラからの制御に基づいてモータの回転を制御する。

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。また、飛行体１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）を含んでおり、当該センサで取得したデータはフライトコントローラに出力される。

図１に戻り、飛行体１に乗車運転を行う際、ユーザはシート８に座り、前傾姿勢をとりながら運転する。

図３に示されるように、本実施の形態においては、エンジンＰの動力が２つのプロペラＲ（図１における前側プロペラ５及び後側プロペラ５）に伝達され、プロペラＲを回転させ飛行体１を浮上させる。エンジンＰは、同時に、図示しない発電機を介して２つのバッテリーＢに電力も供給する。バッテリーＢは、夫々、２つのモータＭに電力を供給し、合計４つのプロペラＲｓを回転させる。バッテリーの個数や接続関係は一例であり、これ以外の構成であってもよい。

浮上用のプロペラＲの回転数、姿勢制御のためのプロペラＲｓの回転数について、制御部（図２参照）により制御される。なお、図２において、モータＭを制御するフライトコントローラは制御部と別体とされているが一体であってもよい。

（実施例）
以下、本発明の実施例について、特に使用されているエンジンの仕様について説明する。エンジンの出力については、以下の数式１及び数式２を基礎式として用いた。

ただし、各変数は以下のとおりである。

飛行体が浮上するためには、以下の数式３が成り立つ必要があり、数式３をＰについて整理すると、数式４が得られる。

本実施の形態においては、上述した数式に基づいて、直径１．５ｍのプロペラと直径２．０ｍのプロペラを使用した。各プロペラの仕様及びエンジン特性については、夫々以下の表１及び表２のとおりである。

本発明による飛行体は、例えば、図４に示される処理系統としてもよい。図４に示されるブロック図によれば、エンジンＰの出力は図示しない発電機を介して４つのバッテリーＢに電力を供給する。バッテリーＢは、夫々、モータＭに電力を供給することによって２つのプロペラＲ及び４つのプロペラＲｓを回転させる。

また、図５乃至図７を参照して、本実施の形態による動力関連のブロック図の変形例を更に説明する。なお、図においては説明を簡単にするために、各部品（モータＭ、バッテリーＢ、プロペラＲ／Ｒｓなど）は一つのみ示されているが、実際には必要な個数存在してよく、また、必要に応じて部品の統合／分離（一体／別体）がされていてもよい。

図５に示される方式は、図４と同様に、所謂シリーズ方式（直列方式）の動力機関である。シリーズ方式（直列方式）は、エンジンＰを発電のみに使用し、エンジンＰによって発電された電力をモータＭに供給し、プロペラＲ／Ｒｓの駆動と回生のみに使用する。Ｒ／Ｒｓは飛行体の減速時／停止時等においてプロペラ（特にプロペラＲｓ）の回転抵抗を利用した回生エネルギーを蓄電池に充電することが可能である。なお、エンジンＰで発電した際の余剰電力により発生した電力をバッテリーＢに蓄えることも可能である。

本方式によれば、エンジンＰは最良燃料消費率となる領域以外も使用する（燃費が悪化する）ことになるが、プロペラＲ／Ｒｓとトランスミッションで接続されていないため、求められた出力に対しては最も効率の良い領域を使うことが出来る。

図６に示される方式は、所謂パラレル方式（並列方式）の動力機関である。パラレル方式（並列方式）は、搭載している複数の動力源を車輪の駆動に使用する方式である。エンジン出力＝トルク×回転数の関係にあるため、エンジンの低回転時には十分なパワーが得られないばかりかアイドリングを含めて効率が悪く、排出ガスの浄化能力も落ちる。一方、モータは起動時に最大トルクを発生するものが多いため、発進時や急加速時など、エンジンが苦手とする熱効率が悪く有害排出物の多い範囲をモータに受け持たせるといった、両者のメリットを生かした方式である。

図６に示される方式では、プロペラＲ／Ｒｓは、エンジンＰ又はモータＭからの動力が供給される。本実施の形態においては、トランスミッションを有しており、それを介してプロペラＲ／Ｒｓの駆動を行い、同時にモータＭを用いた発電（充電）も行う。回生ブレーキの発電機としても用いられるモータＭは、発進から中速域までを受け持ち、車両総重量に比較して小型で出力も小さいものでも採用可能である。このため、バッテリーの容量も少なくて済むという利点がある。バッテリーの残量が少ない場合は、通常の内燃車と同様に全速度域にわたってエンジンＰのみでの走行が可能である。このように、従来の内燃車を主とした構成のため、モーターアシスト方式とも呼ばれる。

なお、本方式は、一般に、モータ１基で実現可能という設置重量および体積面と、エンジンによる直接駆動もできるなどの効率面でシリーズ方式よりも優れている。ただし、双方の動力源の利点を活かすための構造や制御が複雑とされ、モータ１機ゆえに発電と駆動を同時にできないという欠点がある（モータの使用頻度が高まるほど充電時間が短くなる）。また、ハイブリッドシステム自体には速度を制御する機能が盛り込まれておらず、通常の自動車と同じトランスミッションが必要という、他方式にない欠点もある。

図７に示される方式は、所謂スプリット方式（動力分割方式）では、プロペラＲ／Ｒｓは、エンジンＰから直接動力が供給される場合と、エンジンＰから発電機を介して電力が供給されたバッテリーＢにより駆動されるモータＭから動力が供給される場合との２つの方法を有している。

スプリット方式（動力分割方式）は、エンジンＰからの動力をプラネタリーギア等を用いた動力分割機構により分割（スプリット）し、発電機と車輪の駆動へ振り分けたり、エンジンＰとモータＭからの駆動力を自由に合成することが可能な方式である。発進時や低速走行時にはバッテリーＢに蓄えられた電気でＥＶ走行、通常走行時にはエンジンＰを最大トルク近辺の燃料消費率の低い回転域で使用し、プラネタリーギアを介した発電機で同時にバッテリーＢへも充電を行いながら速度制御を行う。燃費悪化の原因となるエンジン出力の変化を極力抑えていることもこの方式の特徴である。

スプリット式は動力分割機構（遊星ギア）を用いて、発電機とモータの回転制御を行うことでトランスミッションの役割を持たせることができるため、従来型のトランスミッションは特に必要ない（搭載できないわけではない）。

＜発電モード＞
図８に示されるように、飛行体１は、例えば、災害時などにおいては、発電モードとして機能する。この場合、例えば、飛行体１は、地上に設置された状態で、各種の給電を行う。

飛行体１は、上述したバッテリーＢから外部へ電力を供給することとしてもよい（図３乃至図７参照）。この場合、外部へ電源を供給する端子をバッテリーに取り付けることとすればよい。なお、バッテリーから供給する電力のコントロール（電圧、電流、位相等）は、必要に応じて別途コンバーターを介することとすればよく、既に存在している種々の技術を適用可能である。

詳細を図８乃至図１１を参照して説明する。図８に示されるように、エンジンＰから供給された動力を（図示しない）発電機を介して専用の（別の）バッテリーＢｔに供給する。バッテリーＢｔには、外部出力用の端子Ｔが設けられており、外部機器を当該端子Ｔに接続することによって外部機器に電力が供給される。

なお、上述したように、エンジンＰは、プロペラＲに動力を供給することとしていたが、給電中においては、プロペラＲへの動力供給を停止することとしてもよい。これにより、給電効率を上げることができる。

図９に示されるように、所謂シリーズ方式（直列方式）の動力機関においてもエンジンＰによって発電された電力をバッテリーＢに供給し、バッテリーＢに外部端子Ｔを取り付けることとすればよい。

図１０に示されるように、所謂パラレル方式（並列方式）の動力機関においてもエンジンＰによって発電された電力をバッテリーＢに供給し、バッテリーＢに外部端子Ｔを取り付けることとすればよい。

図１１に示されるように、所謂スプリット方式（動力分割方式）の動力機関においても、エンジンＰから発電機を介して電力が供給されたバッテリーＢに外部端子Ｔを設けることとしてもよい。

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 飛行体
２ 本体部
３ 脚部
４、５ プロペラ
６ モータ
７ ハンドル
８ シート

Claims (10)

1. 前後方向に伸びて形成される本体部と、
   エンジン及びモータと、
   前記本体部に設けられ前記エンジンによって揚力を発生させる第１回転翼部と、
   前記モータによって少なくとも前後方向の推進力を発生させる第２回転翼部と、
   前記エンジン及び前記モータを制御する制御部と、を備え、
   前記本体部の一部が前記第１回転翼部の上方を跨ぐように、前記第１回転翼部が設けられ、
   前記第１回転翼部は、前記本体部の前端および後端に、夫々、少なくとも上下方向に推進力を発生させる、一の前側第１回転翼部と一の後側第１回転翼部とを備えており、
   前記第２回転翼部は、夫々、少なくとも水平方向に推進力を発生させる、前記前側第１回転翼部の左右夫々に設けられた一対の前側第２回転翼部と、前記後側第１回転翼部の左右夫々に設けられた一対の後側第２回転翼部とを備えている、
   ハイブリッド有人飛行体。
2. 請求項１に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記エンジンに接続された発電機と、
   前記発電機によって発電された電力を蓄積するバッテリーとを更に備えている、
   ハイブリッド有人飛行体。
3. 請求項２に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   蓄積された前記電力を外部へ供給するための給電端子を更に備えている、
   ハイブリッド有人飛行体。
4. 請求項３に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記制御部は、前記電力を前記外部へ供給中は、前記第１回転翼部の回転を停止する、ハイブリッド有人飛行体。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記モータは、前記バッテリーからの電力供給を受ける、
   ハイブリッド有人飛行体。
6. 請求項２乃至請求項５に記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記バッテリーは、前記ハイブリッド有人飛行体の減速時において、少なくとも前記第２回転翼部による回生電力を利用して充電される、
   ハイブリッド有人飛行体。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記制御部は、前記第２回転翼部の回転数を制御することにより、少なくとも水平方向における姿勢を制御する、
   ハイブリッド有人飛行体。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記前側第１回転翼部と前記後側第１回転翼部の間には、前記本体部に跨って運転するためのシートが設けられる、
   ハイブリッド有人飛行体。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
   前記第１回転翼部は、二重反転プロペラである、
   ハイブリッド有人飛行体。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のハイブリッド有人飛行体であって、
    前記ハイブリッド有人飛行体の下部に設けられた車輪を備えており、
    所定の条件において前記車輪を利用して走行可能である、
    ハイブリッド有人飛行体。