JP7475895B2 - 電動可変ピッチ式飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、垂直に上昇下降を行う飛行体に関し、プロペラの羽根の角度を電動可変ピッチ式にし、飛行の安定性の向上を目的とした電動可変ピッチ式飛行体に関する。

近年、無人航空機、いわゆるドローンの姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良が進み、無人航空機の性能や操作性が飛躍的に向上した。無人航空機の中でも、垂直離着陸機が可能なヘリコプターやマルチコプターは滑走路を必要としないという利点を有している。さらに、特に複数基のプロペラで飛行するマルチコプターは、ヘリコプターに比べローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が検討されている。
無人小形機の分野では広範囲に利用が進められているが、人間などが数人搭乗する大型の電動無人航空機の分野ではホバリングの時に飛行姿勢が不安定になる課題がある。この要因として推力はプロペラの回転数を変化させて行う為に横風などの外乱に対する時間応答性が低いことがあげられる。すなわち、ホバリング時の姿勢復元に時間遅れが生じ、飛行姿勢が不安定となる。これらの問題点を解決する為に多数のプロペラを取り付けて姿勢を安定させる方式も考案されているが、本来、２～３台程度の電動プロペラユニットで構成なされないとホバリング時に多くの電力を消費することになり航続距離などに影響を及ぼすことになる。この為、電動プロペラユニットの推力制御を回転数制御ではなく、プロペラのピッチを直接変化させて応答時間を短くし、飛行姿勢を安定させる技術が求められていた。

ところで、マルチコプターに採用されている一般的な回転翼型機は、垂直軸を有する上昇用の回転翼を有しているため、優れたホバリング能力を有している。また、水平飛行する際、機体の進行方向側を前下がりとなるように傾けて前方への推力を得ている。すなわち、回転翼型機は、水平方向における推力を得るために、前後の回転翼の回転数を変えて機体を傾け、回転翼のピッチ角を変えている。このように、回転翼のピッチ角を変えることで、回転翼型機は水平飛行が可能となっている。既存の可変ピッチプロペラ装置としては、例えば特許文献１および２に記載の装置がある。

特許第６５９２６７９号公報 特表２０１９－５１６６１９号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、可変ピッチ機構を有するプロペラの先端部に機械式回転同期機構を有する同期差動変速機と固定部に設けたピッチ可変用モーターにより、ホバリング状態の機体の推力を羽根のピッチを可変することにより瞬時に制御し、機体を安定せしめ問題点の解決をはかるものである。また、機械的回転同期機構の為、羽根のピッチを可変する時以外はピッチ可変用モーターは停止している為に消費電力が少なくて済む利点がある。また、羽根の可変ピッチ機構は、回転主軸の先端部にピッチ可変機構を設けることにより回転主軸の内側に貫通孔を設ける必要が無く、電動モーター以外の内燃機関やカスタービンなどのエンジンの動力でも電動可変ピッチ機構が設けることができる。

本発明は以下に示す通りである。
＜１＞垂直離着陸が可能な飛行体もしくはファンブレードを有する飛行体の可変ピッチプロペラ機構において、回転プロペラ機構部に機械式同期差動変速機を設けたことを特徴とする可変ピッチプロペラ機構。
＜２＞前記機械式同期差動変速機は、羽根回転用のモーターの出力軸側に設け、且つ、ピッチ可変用モーターを同期差動変速機の先端の静止部に設けたことを特徴とする、＜１＞に記載の可変ピッチプロペラ機構。
＜３＞請求項１の可変ピッチプロペラ機構において、可変ピッチ羽根及びピッチ可変機構を円筒形のダクトの内側に収納したことを特徴とする、＜１＞または＜２＞に記載の可変ピッチプロペラ機構。
＜４＞前記機械式同期差動変速機は、前記同期差動変速機の出力軸側にバックラッシュの少ない小型軽量の減速機を設けたことを特徴とする、＜１＞～＜３＞に記載の可変ピッチプロペラ機構。
＜５＞前記ピッチ可変用モーターをダクトの内側に設けた整流用ステーに取り付けたことを特徴とする、＜２＞～＜４＞に記載の可変ピッチプロペラ機構。
＜６＞前記＜１＞～＜５＞に記載の可変ピッチプロペラ機構において、プロペラを回転する動力は電動モーター、又は、ピストンエンジン又は、ジェットエンジン、又は、その他の内燃機関であることを特徴とする、可変ピッチプロペラ機構。

本発明によれば、下記（１）～（７）に代表される様々な効果が得られる。
（１）同期差動変速機を羽根回転用モーターの出力軸側に搭載することにより羽根のピッチ角度を素早く変化させることができる為、ホバリング状態時の横風等の外乱等に対して安定した姿勢制御が可能となる。
（２）同期差動変速機により、常に羽根回転用モーターと同期して回転する為に羽根ピッチのふらつきなどが無く、安定した推力が得られる。
（３）６～８枚程度の複数の羽根が取付可能になり、大きな推力が得られる。
（４）ピッチ可変用モーターは羽根のピッチ角を変えるときのみ動作し、それ以外では停止状態なので消費電力が極めて少ない。
（５）羽根は円筒形のダクト内に設けられている為、円周方向に生じる空気の流れを
抑制する為に同一トルクではダクト無しに比べてより大きな推力が得られる。
（６）羽根回転用モーターは、軸の中を中空にする必要が無い為に、電動モーターの他に内燃機関やガスタービンなどによる回転駆動が可能となり、安定したホバリングが可能となる。
（７）バックラッシュが少ない減速機を使用することにより精度の高い羽根ピッチ制御が可能となる。

本発明の第一実施形態での構成図。 本発明の第一実施形態としての同期差動変速機の断面図。 本発明の同期差動変速機の遊星ギヤの動作説明図。 本発明の同期差動変速機の遊星ギヤの動作説明図。 本発明の第一実施形態としての減速機の構成図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照にして説明する。

図１に本発明の第一実施形態での構成図を示す。
図１において、ダクト４の内部には、羽根回転用モーター６がダクト４の内側に固定されたステー７ｂに強固に支持されている。回転用モーター６には、回転用モーター出力軸６ａがあり、カップリング継手８を介してホルダー９が固定されている。
回転用モーター出力軸６ａが回転する際には前記カップリング継手８を介してホルダー９が同時に回転する。
ホルダー９の内側には同期差動変速機１と、同期差動変速機１の出力軸１１の回転数を減速し、回転トルクを増大する為の減速機３が設けられている。
減速機３の可変ピッチ用モーター出力軸１０の先端には傘歯車が取り付けられており、傘歯車を介して羽根５に回転力が伝達される。同期差動変速機１の上部には固定軸１６があり、ダクト４の内側に固定されたステー７ａに接続金具を介して固定されている。
また、ステー７ａには羽根のピッチを可変する為の可変ピッチ用モーター１０が取り付けられている。羽根５は図面の上面から見て平面上に等間隔で２～８枚が配置されており、同期差動変速機１の入力軸７が動作した場合、各羽根は同一角度で変化する様に設けられている。
羽根５のピッチを変更する以外は可変ピッチ用モーター２に接続されている入力軸７は静止状態を保っている。
減速機３はバックラッシュが少ない構造となっており、羽根の角度に大きな誤差が生じないようになっている。
回転用モーター６は電動モーター又はピストンエンジンなどの内燃機関、又は、ガスタービン等の駆動装置のいずれの形式でも良い。航空機に採用されているターボジェットエンジンのファン部分をホウン方式による可変ピッチ機構にした場合、最大推力と巡行時の軽負荷における速度調整が容易となり燃料消費が低減される。

本発明の第一実施形態としての同期差動変速機の構造を図２に示す。
図２に於いてホルダー９の頂部一体的に固定された同期差動変速機１は、ケース１５がホルダー９に固設されている。その頂壁に固定軸１６が貫挿され、軸受１６ａによって上記ケース１５が固定軸１６に対して回転可能としてある。上記固定軸１６には可変ピッチ用モーター２によって回動駆動される入力軸７が同心的に貫挿され、軸受１９及び軸支持２０により回動自在に支持されている。そして上記入力軸７の下部には第１の太陽歯車２１が一体的に形成されており、この第１の太陽歯車２１にはその第１の太陽歯車２１を中心として公転する複数個の第１の遊星歯車２２が嵌合されている。
一方、前記固定軸１６の下端には、固定太陽歯車２６が一体的に形成されており、この固定太陽歯車２６の外周には、固定太陽歯車２６に噛合して自転するとともに固定太陽歯車２６を中心として公転する複数の第２の遊星歯車２７が配置されている。また、前記ケース１５の内面側には、固定太陽歯車２６と同心状に配置された第１の内歯歯車３１が固着されており、この内歯歯車３１に上記複数の第２の遊星歯車２７が噛合されている。
また、前記複数の第１の遊星歯車２２には、第１の太陽歯車２１と同心状に配置された第２の内歯歯車３２が噛合されており、この大２の内歯歯車３２が入力軸７と同一直線状に配置され、ケース１５の底壁を貫通する出力軸１１に連結されている。

ところで、上記入力軸７には、第１の太陽歯車２１と固定太陽歯車２６の間においてスペーサー３３が軸受３４を介して軸支され、そのスペーサー３３の外周部の上下両面にそれぞれ軸受３５ａ、３５ｂを介して前記第２の遊星歯車２７及び第１の遊星歯車２２が配設されている。上記第２の遊星歯車２７の情報及び第１の遊星歯車２２の下方には、それぞれ入力軸７と同心状のリング３６、３７が配設されており、リング３６、スペーサー３３、及びリング３７に貫挿装着された支持軸３８に第２の遊星歯車２７及び第１の遊星歯車２２が回動可能に軸支されている。そこで、第１の太陽歯車２１と固定太陽歯車２６の歯数をそれぞれＺ１，Ｚ１‘とし、２組の歯車の歯数比をＺ１／Ｚ２＝Ｚ１’／Ｚ２‘＝１／Ｒの様に等しくする。
しかして、ホルダー９がω０の速度で回転している場合には、固定太陽歯車２６が固定状態であるので、第２の遊星歯車２７が、ホルダー９とともに回転する第１の内歯歯車３１によって駆動され、自転しながら公転軌跡４０上をω１の速度で図３に示す様に公転する。
一方、上記第２の遊星歯車２７が公転すると、第１の太陽歯車２１が停止している場合にはその回転力によって支軸３８を介して第１の遊星歯車２２が第１の太陽歯車２１のまわりに自転しながらω１‘の速度で公転させられ、その第１の遊星歯車２２の公転によって第２の内歯歯車３２及び出力軸１１がω０’速度で図４に示す様に回転させられる。

ところで、ホルダー９の回転速度即ち第１の内歯歯車３１の回転速度ω０と第２の遊星歯車２７の公転速度ω１との間には次の関係がある。
ω０＝（１＋Ｚ１’／Ｚ２‘）ω１
また、出力軸１１即ち第２の内歯歯車３２の回転速度ω０‘と第１の遊星歯車の公転速度ω１の間にも次の関係がある。
ω０‘＝（１＋Ｚ１／Ｚ２）ω１
一方、歯数には前述の様にＺ１／Ｚ２＝Ｚ１’／Ｚ２‘＝１／Ｒとしてあるのでω０＝ω０’となり、出力軸１１はホルダー９と一体のごとく同調回転することになる。
この為、図示はされていないが、出力軸１１と接続された減速機３の入力軸と可変ピッチ用モーター出力軸１０はホルダー９と同期を保った状態で回転することになり、可変ピッチ用モーター出力軸１０が静止している状態では、前記可変ピッチ用モーター出力軸１０はホルダー９と同期して回転する。この為、羽根５の端に設けられた傘歯車は静止状態を保持し、定められたピッチ角で保持される。同様に、可変ピッチ用モーター出力軸１０が回動した場合は回動された回転偏差分が減速機３を介して羽根５のピッチ可変機構に伝えられ所定の角度分だけピッチ角が変化する。

また、羽根ピッチを変化させるとき以外は可変ピッチモーター２の可変ピッチ用モーター出力軸１０は停止した状態を保持すれば良い。この為、羽根ピッチが一定で回転用モーター６が回転している時は、可変ピッチ用モーター２は保持トルクのみ有れば良いので消費電力が極めて少ない状態となる。可変ピッチ用モーター２には通常のモーターの他に停止時の保持機能を有する超音波モーターやブレーキ付きモーターを採用すれば保持トルクを維持する為の電力消費が不要となる為に低消費電力化が図れる。

図５に本発明の減速機の構成図を示す。
図５において、写真１は減速機の各構成部品を示す。
内歯歯車の様に内周側に噛合いの為の歯型がある。これをサーキュラスプライン４０と呼ぶ。サーキュラスプライン４０の内側に嵌合しながら回転する肉厚が薄く且つ弾性変形しながら回動する回転体をフレクスプライン４１と称す。フレクスプライン４１をサーキュラスプライン４０の内周側に押し付けて回動させる回転体がウエーブジェネレーター４２である。サーキュラスプライン４０とフレクスプラインの歯数は異なっており、この歯数の違いによりウエーブジェネレーター４２の回転数を大きく減速しながらサーキュラスプライン４０を回動せしめる。噛合う歯の数が多く、且つ、ウエーブジェネレーター４２により押し付けながら回動する為に極めてバックラッシュが少ない減速機となっており、ハーモニックドライブ（登録商標）減速機としてロボットなどの間接部分等に多用されている。
本発明では飛行体の可変ピッチ機構の減速機に使用される為の要件としては、小型軽量で且つ羽根５のピッチ角に誤差が生じないことが求められている。この為、本減速機を使用すれば小型軽量で大きな減速比が得られ、バックラッシュが少なくなり、羽根５のピッチ角を安定して制御可能にならしめる。

１ 同期差動変速機
２ 可変ピッチ用モーター
３ 減速機
４ ダクト
５ 羽根
６ 回転用モーター
６ａ 回転用モーター出力軸
７ 入力軸
７ａ ステー
７ｂ ステー
８ カップリング継手
９ ホルダー
１０ 可変ピッチ用モーター出力軸
１１ 出力軸
１５ ケース
１６ 固定軸
１６ａ 軸受
１９ 軸受
２０ 軸支持部
２１ 太陽歯車
２２ 遊星歯車
２６ 固定太陽歯車
２７ 遊星歯車
３１ 内歯歯車
３２ 内歯歯車
３３ スペーサー
３５ａ 軸受
３５ｂ 軸受
３６ リング
３７ リング
３８ 支持軸
４０ サーキュラスプライン
４１ フレクスプライン
４２ ウエーブジェネレーター
写真１ ハーモニックドライブ（登録商標）減速機

Claims (3)

1. 垂直離着陸が可能な飛行体の羽根のピッチ角を変更する可変ピッチプロペラ機構において、
   回転プロペラ機構部に、ピッチ可変用モーターによって前記羽根のピッチ角を変更する機械式同期差動変速機を設け、
   該機械式同期差動変速機は、羽根回転用の電動モーターの出力軸側に設け、且つ、前記ピッチ可変用モーターを前記機械同期差動変速機の先端の静止部に設けたことを特徴とする可変ピッチプロペラ機構。
2. 前記機械式同期差動変速機は、該機械式同期差動変速機の出力軸側に減速機を設けたもので、
   該減速機は、
   内周側に噛合いの為の歯型があるサーキュラスプラインと、
   該サーキュラスプラインの内側に弾性変形しながら噛合して回転するフレクスプラインと、
   該フレクスプラインを前記サーキュラスプラインの内周側に押し付けて回動させるウエーブジェネレーターとを有し、前記サーキュラスプラインの歯数と前記フレクスプラインの歯数とは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラ機構。
3. 可変ピッチ羽根及びピッチ可変機構を円筒形のダクトの内側に収納し、
   前記ピッチ可変用モーターを、前記ダクトの内側に設けた整流用ステーに取り付けたことを特徴とする請求項１または２に記載の可変ピッチプロペラ機構。