JP2021175655A

JP2021175655A - 無人飛行体

Info

Publication number: JP2021175655A
Application number: JP2020097258A
Authority: JP
Inventors: 俊夫大橋; Toshio Ohashi
Original assignee: Industry Network Co Ltd
Current assignee: Industry Network Co Ltd
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2020-05-01
Publication date: 2021-11-04

Abstract

【課題】動力伝達部を構成するベルトの振れやばたつきを抑え、飛行体の大型化に対応できる、安定飛行が可能な無人飛行体を提供する。【解決手段】無人飛行体１０は、機体の略中心に配設された原動部１２と、原動部１２を取り囲むように配設され、機体に推力を与える複数のローター１５と、原動部１２からの動力を複数のローター１５各々に伝える複数の動力伝達部１４とを有する。そして動力伝達部１４は、原動部１２に連結する原動側プーリー２０と、ローター１５に連結するローター側プーリー２３と、原動側プーリー２０とローター側プーリー２３の間に設けた少なくとも一つの中間プーリー２１を備え、原動側プーリー２０と中間プーリー２１、および中間プーリー２１とローター側プーリー２３の間に掛けられた歯付ベルト２４、２５を介して動力が伝達されている。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行体に関する。

ドローンと称される無人飛行体の応用が様々な分野で検討されている。このような無人飛行体は、既に周知のように、電動機またはエンジンといった原動機を用いて、複数のローターを回転させ、制御部であるコントローラーが、複数あるローター個々の回転速度、もしくはピッチ角、または回転速度とピッチ角双方を制御することで、機体の姿勢制御や操舵を行っている。原動機などからローターへの動力伝達部の構成としては、傘状歯車と回転シャフトを用いたシャフト方式、チェーンによるもの、ベルトによるもの等が提案されている。例えば、下記特許文献１には、エンジンとメインローター間にベルトを掛けて、動力を伝達することが開示されている。

特開２０１９−０５９３６２号公報

無人飛行体では、当然ではあるが、ペイロードの向上のために、推力を上げることと機体の軽量化が欠かせず、上述した各種動力伝達方法のなかでも、ベルトによる動力伝達方法が軽量化に適している。

しかしながら、本発明者が開発中のベルト伝達方式の無人飛行機は、次のような課題を有している。すなわち開発中の無人飛行体は１００ｋｇ以上の推力を必要としており、４個または６個のローターを備え、且つローターの回転径は１ｍを超えるものとなり、回転速度も最大数千ｒｐｍを要し、原動機側の駆動プーリーとローター側の従動プーリーの距離は１ｍを超えるものとなっている。このため、両プーリー間に掛けたベルトに小刻みな振動が生じ、特に外乱と共振すると大きなばたつきが生じ、ベルトのプーリーに対する巻き付け角が変動し、それに伴って動力が正確に伝わらないことによるローター回転速度の低下、ベルトとプーリー間の滑りによるベルト寿命の低下が生じている。

特に、複数のローターを備えた無人飛行機においては、風等による外乱がローター各々に対して均一にかかるわけでないので、各ローターの回転速度はより一層正確に制御されなければならない。それにもかかわらず、上述のような負荷の大きいローターに対しては回転速度の低下が増幅されてしまい、しいては、飛行の安定性が失われる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、飛行の安定性を有する無人飛行体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の無人飛行体は、機体の略中心に配設された原動部と、原動部を取り囲むように配設され、機体に推力を与える複数のローターと、原動部からの動力を前記複数のローター各々に伝える複数の動力伝達部とを有し、動力伝達部は、原動部に連結する原動側プーリーと、ローターに連結するローター側プーリーと、原動側プーリーとローター側プーリーの間に設けた少なくとも一つの中間プーリーを備え、原動側プーリーと中間プーリー、および中間プーリーとローター側プーリーの間に掛けられた歯付ベルトを介して駆動力が伝達される。

また、本発明における無人飛行体では、中間プーリーを回転可能に支持する中間プーリー軸を、原動側プーリーの中心軸およびローター側プーリーの中心軸に対して傾斜可能としている。

このように、本発明の無人飛行体によれば、機体の略中心に配設された原動機と原動機を取り囲むように配設された複数のローター各々の間が離れていても、中間プーリーを設けることにより、プーリー間に掛けるベルト長を短くすることができ、その長さの凡そ二乗に比例してベルトの固有振動数が上がるため、外乱との共振がなくなり、ベルトの小刻みな振れと大きなばたつきを軽減する。さらに加えて、ベルトとして歯付ベルトを用いることで、対応するプーリーとの間での滑りをなくし、より一層の正確な動力伝達とベルト寿命の確保を実現している。

更にまた、中間プーリー軸を、原動側プーリー回転軸およびローター側プーリー回転軸に対して傾斜可能とすることでベルトに捩じりを与えることでき、ベルト寸法およびプーリー間距離における生産上生じる寸法誤差、およびベルトの経時変化から生じるベルト長さと弾性率の変化に起因するベルトの弛みを抑止できる。すなわち、ベルトに張力を付与するためのテンションプーリーを別に設けることなく、軽量化を維持しつつ、簡単な構造で、ベルトの剛性を上げるとともに、張力も調整でき、歯付ベルトでも起こりえる歯飛びを防止することができる。

以上のように、本発明者が開発中の、原動機とローター間が離れた大型の無人飛行機であっても、さらに、生産上の寸法誤差、経時変化上の変化、また風等による外乱に際しても、各ローターの回転速度を正確に制御することができ、安定した飛行を実現できる。

本発明の実施形態にかかる無人飛行体の外観を模式的に示した斜視図である。図１の実施形態を上面側から見た外観を模式的に示した平面図である。図１の実施形態にかかる無人飛行体に組み込まれる動力伝達部を示した図である。本発明の無人飛行体に組み込まれる動力伝達部の第１の変形例を示した図である。本発明の無人飛行体に組み込まれる動力伝達部の第２の変形例を示した図である。本発明の無人飛行体に組み込まれる動力伝達部の第３の変形例を示した図である。

以下、図１〜図３を参照しながら本発明の実施形態にかかる無人飛行体について説明する。図１または図２において、無人飛行体１０は、フレーム１１と、フレーム１１の略中央部に配設した電動機またはエンジンからなる原動部１２と、図示していない電池または燃料タンクと、原動部１２を囲むよう配設された６個のローター１５を備え、原動部１２の動力は放射状に延びる動力伝達部１４を介して各ローター１５に伝達される。尚、以下では、原動部として、グローエンジン、２サイクルエンジン、４サイクルエンジンなどに代表されるエンジンを用いた実施形態について説明する。

この種の無人飛行体では、搭載された制御装置が、同様に搭載されたセンサー群からの信号を受けて、機体の傾きや回転、飛行中の位置情報等を得ることができるよう構成されている。各ローター１５は、前記制御装置からの制御信号に基づいて、アクチュエータを内蔵した可変ピッチ機構１６によって、ローター１５のピッチ角を変えることで、機体の回転等の姿勢制御および操舵が行われる。

フレーム１１に搭載された動力伝達部１４は、原動部１２の出力を６個のローター１５の各々に動力分配するための歯車列からなる動力分配部１３と、動力分配部１３に連結して動力分配部１３から回転動力を受ける原動側プーリー２０と、中間プーリー２１と、中間プーリー２１を回転可能に軸支する中間プーリー軸２２と、ローター１５に連結するローター側プーリー２３と、および原動側プーリー２０と中間プーリー２１の間、および中間プーリー２１とローター側プーリー２３の間にかけられた歯付ベルト２４、２５とを有している。ここで、原動側プーリー２０、中間プーリー２１、ローター側プーリー２３は、いずれも歯付ベルト２４、２５にかみ合う歯形を周面にもった歯付プーリーである。また、原動側プーリー２０とローター側プーリー２３の中心軸は、図３において共に垂直方向となっており、中間プーリー軸２２は、原動側プーリー２０の中心軸およびローター側プーリー２３の中心軸に対して左右両方向に対して、それぞれ０度〜１８０度の範囲で傾斜可能となっており、傾斜させた後に固定される。

図３に示すように、中間プーリー２１は、中間プーリー軸２２に回転可能に軸支されており、中間プーリー軸２２はフレーム１１に固定されている。原動側プーリー２０と中間プーリー２１の間に歯付ベルト２４が、また、中間プーリー２１とローター側プーリー２３の間に歯付ベルト２５が掛けられている。大型の無人飛行体においては、ローターの回転径が少なくとも１ｍ以上を要し、同一面上にある複数のローターが干渉しないためには、原動側プーリー２０とローター側プーリー２３は凡そ１ｍは最低限必要である。中間プーリー２１は、原動側プーリー２０とローター側プーリー２３の凡そ中間点に設けられ、更なる大型機では、複数の中間プーリーを配設する場合もある。なお、原動側プーリー２０の中心軸と、中間プーリー軸２２と、ローター側プーリー２３の中心軸の３つの軸は、互いに平行に伸びるように配置されている。

図４は、本発明に係る無人飛行体に組み込まれるベルトを用いた動力伝達部１４の第１の変形例を示したものである。図４において、原動側プーリー２０と中間プーリー２１との間には歯付ベルト２４が間隔を空けて２本掛けられており、中間プーリー２１とローター側プーリー２３との間には、１本の歯付ベルト２５を掛けたもので、中間プーリー軸２２にかかる荷重に対する偏りを改善したものである。なお、原動側プーリー２０の中心軸と、中間プーリー軸２２と、ローター側プーリー２３の中心軸の３つの軸は、互いに平行に伸びるように配置されている。

図５は、本発明に係る無人飛行体に組み込まれるベルトを用いた動力伝達部１４の第２の変形例を示したもので、中間プーリー軸２２は、原動側プーリー２０およびローター側プーリー２３の中心軸に対して角度αで傾斜しており、歯付ベルト２４、２５にはねじれが生じベルトへのテンションも得られている。なお、角度αをここでは例えば２０度としているが他の角度としてもよい。角度αは機構上、左右両方向に対して、それぞれ０度〜１８０度の範囲で調整可能であり、調整後は固定される。なお、原動側プーリー２０の中心軸と、ローター側プーリー２３の中心軸とは互いに平行となるように配置されている。

図６は、図５における角度αを凡そ９０度に設定した、本発明に係る無人飛行体に組み込まれるベルトを用いた動力伝達部１４の第３の変形例を示したものである。なお、原動側プーリー２０の中心軸と、ローター側プーリー２３の中心軸とは互いに平行となるように配置されている。なお、角度αをここでは９０度としているが４０度、７０度、１００度、１５０度、１８０度等他の角度としてもよい。

以上の実施形態や変形例の無人飛行体１０は、ベルトの長さが短くなり、ベルトにからむ各種の問題が無くなり、または軽減し、飛行が安定する。また角度αを持たすことで飛行の安定性がさらに増すこととなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を加えることができる。例えば、ローターの回転径が大きな飛行体においては、中間プーリーを２か所に配設することが有効である。また、ベルトテンショナーとの併用もまた可能である。

また、原動側プーリー２０の中心軸と、中間プーリー軸２２と、ローター側プーリー２３の中心軸は、各プーリー２０、２２、２３と一体的に回転する回転軸としたり、各プーリー２０、２２、２３が各軸を中心として回転する固定軸としたりしてもよい。また角度αは、中間プーリー軸２２を傾斜させて発生させているが、原動側プーリー２０と、ローター側プーリー２３の中心軸の一方または両者を傾斜させることで発生させるようにしてもよい。

１０無人飛行体
１１フレーム
１２原動部
１３動力分配部
１４動力伝達部
１５ローター
１６可変ピッチ機構
２０原動側プーリー
２１中間プーリー
２２中間プーリー軸
２３ローター側プーリー
２４歯付ベルト
２５歯付ベルト

Claims

機体の略中心に配設された原動部と、前記原動機部取り囲むように配設され、機体に推力を与える複数のローターと、前記原動部からの動力を前記複数のローター各々に伝える複数の動力伝達部とを有する無人飛行体において、前記動力伝達部は、前記原動部に連結する原動側プーリーと、前記ローターに連結するローター側プーリーと、前記原動側プーリーと前記ローター側プーリーの間に設けた少なくとも一つの中間プーリーとを備え、前記原動側プーリーと前記中間プーリー、および前記中間プーリーと前記ローター側プーリーの間に掛けられた歯付ベルトを介して駆動力が伝達されることを特徴とする無人飛行体。
前記中間プーリーを回転可能に支持する中間プーリー軸は、前記原動側プーリーの中心軸および前記ローター側プーリーの中心軸に対して傾斜可能であることを特徴とする請求項１に記載の無人飛行体。