(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインマストに取り付けられたロータヘッドのブレードのピッチ角を変化させて飛行するヘリコプタのロータヘッドにおいて、
メインマストに固着されたヨークの左右両側に、ブレードを支持するブレードホルダーがそれぞれ取り付けられ、
メインマストの外周にピッチプレートユニットが当該メインマストの外周面に沿って摺動自在に装着され、このピッチプレートユニットとブレードホルダーとがピッチリンクを介して接続され、
メインマストの側方にはピッチレバーがメインマストと直交する軸方向周りに回転自在に支持され、且つその外周面から突出した一対のアーム部をメインマストの左右両側に臨ませて取り付けられているとともに当該ピッチレバーの回転軸にサーボモータの出力軸が直結され、
前記サーボモータを作動させてその出力軸に直結したピッチレバーを回転したときにメインマストの左右両側でピッチレバーのアーム部が回転変位するのに連動してピッチプレートユニットがメインマストに沿って上昇又は下降し、これに伴いブレードホルダーが傾動してブレードのピッチ角が変化せしめられるように設けられた構成を有することを特徴とするヘリコプタのロータヘッド。
【請求項２】
ピッチプレートユニットは、リング形の主体部の外周面に腕部を突設してなるピッチプレートと円筒形のピッチプレートボスからなり、ピッチプレートはピッチプレートボスの上面から突出した首部に回転自在に支持されているとともに、ピッチプレートの両腕部がブレードホルダーに設けられたピッチアームにピッチリンクを介して接続され、ピッチプレートボスの外周面にピッチレバーのアーム部が回転自在に軸支して接続された構成を有することを特徴とする請求項１に記載のヘリコプタのロータヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のロータヘッドを備えたマルチロータ型ヘリコプタ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のロータヘッドを備えた、遠隔制御若しくは自律制御によって無人で又は有人で飛行するヘリコプタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルロータ型ヘリコプタやマルチロータ型ヘリコプタ（以下、「マルチコプタ」という。）のロータヘッドの構造に関する。本発明は、遠隔制御や自律制御によって飛行する無人ヘリコプタや有人ヘリコプタに適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
三つ以上のロータを備えたマルチコプタは、シングルロータ型のヘリコプタと比較して機構が簡単で製作が容易であり、主として空撮や人が立ち入ることのできない海辺や火口の調査、災害時の上空からの情報収集などの主として上空から地上の情報を収集する利用分野に、シングルロータ型のヘリコプタに代えて利用が進んできている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００３】
かかるマルチコプタは、通常、ブレードの角度を固定し、各メインロータを駆動するモータの回転速度を制御することで飛行するように構成されているが、有人式のマルチコプタにあっては、飛行中にロータを駆動するエンジンやモータが故障したときにオートローテーションの操作により着陸することができるように、メインロータの迎え角を制御することができるようにした構成のものも提案されている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２２７０１６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２４０２４２号公報
【特許文献３】実用新案登録第３２０１１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、遠隔制御によって飛行するマルチコプタでは、ブレードの角度を固定した固定ピッチであるため、下降中に飛行姿勢を崩して墜落したり、上昇気流の中に入ったり強風を受けたりしたときに制御不能となってハンチング墜落したりする事故の発生率が比較的高かった。
【０００６】
このような事故は、ブレードの角度を適宜に制御する可変ピッチ機構を採用することでその発生率の低減が図れると考えられるが、前記有人式のマルチコプタのように、メインロータの上方に配置された迎え角制御モジュール、下方に配置されたギアボックス、リニアサーボモータ及び連結シャフトなどの部材を組み合わせて可変ピッチ機構を構成したのでは、部材点数が多いため機体の重量が増すとともにリンク機構に発生し易い「たわみ」の影響を受けて制御精度が低下し易く、そのため精密な調整が必要となり、また、機構が複雑なため機体の組み立てやメンテナンスに手間を要するという問題がある。機構が複雑で簡単に製作できないのでは、マルチコプタを利用するメリットは損なわれることとなる。
マルチコプタ以外のヘリコプタにおいても、可変ピッチ機構を少ない部材で、且つリンク機構に発生する「たわみ」の影響をできるだけ抑えて構成することが、ピッチ角を制御する精度を高めて飛行安定性の向上を図る上で望ましい。
【０００７】
本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、マルチコプタを含むヘリコプタの可変ピッチ機構を部材点数が少ない簡易な構成とするとともに、精密な調整をしなくともブレードのピッチ角を正確に制御することができるようにして飛行動作を安定させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため本発明は、メインマストに取り付けられたロータヘッドのブレードのピッチ角を変化させて飛行するヘリコプタのロータヘッドにおいて、
メインマストに固着されたヨークの左右両側に、ブレードを支持するブレードホルダーがそれぞれ取り付けられ、
メインマストの外周にピッチプレートユニットが当該メインマストの外周面に沿って摺動自在に装着され、このピッチプレートユニットとブレードホルダーとがピッチリンクを介して接続され、
メインマストの側方にはピッチレバーがメインマストと直交する軸方向周りに回転自在に支持され、且つその外周面両側から突出したアーム部をメインマストの左右両側に臨ませて取り付けられているとともに当該ピッチレバーの回転軸にサーボモータの出力軸が直結され、
前記サーボモータを作動させてその出力軸に直結したピッチレバーを回転したときにメインマストの左右両側でピッチレバーのアーム部が回転するのに連動してピッチプレートユニットがメインマストに沿って上昇又は下降し、これに伴いブレードホルダーが傾動してブレードのピッチ角が変化せしめられるように設けられた構成を有することを特徴とする。
【０００９】
前記メインマストの左右両側に臨ませたピッチレバーの一対のアーム部は、ピッチプレートユニットの下部を支持するように設置し、アーム部の回転変位に連動してピッチプレートユニットがメインマストに沿って昇降するように設けてもよい。また、ピッチプレートユニットを上下分割構造とし、上部がブレードホルダーと一体に回転するように形成し、その下部の外周にピッチレバーのアーム部を軸支して留め付け、ピッチレバーの回転運動がピッチプレートユニットを上下動させる運動に変換されるように設けてもよい。
例えば前記構成のロータヘッドにおいて、ピッチプレートユニットは、リング形の主体部の外周面に腕部を突設してなるピッチプレートと円筒形のピッチプレートボスからなり、ピッチプレートはピッチプレートボスの上面から突出した首部に回転自在に支持されているとともに、ピッチプレートの両腕部がブレードホルダーに設けられたピッチアームにピッチリンクを介して接続され、ピッチプレートボスの外周面にピッチレバーのアーム部が回転自在に軸支して接続された構成とすることができる。
【００１０】
また、前記構成のロータヘッドは、マルチコプタのロータヘッドに適用することができる。また、遠隔制御や自律制御によって飛行する無人ヘリコプタ、或いは有人ヘリコプタのロータヘッドとしても適用可能である。
【００１１】
本発明によれば、サーボモータを作動したときの出力軸の回転変位が、当該出力軸と一体に回転するピッチレバーのアーム部からピッチプレートユニットに伝達されて、前記回転運動がピッチプレートユニットをメインマストに沿って上昇又は下降させる運動に変換され、ピッチプレートユニットの上方又は下方への変位に連動してブレードホルダーが傾動して、ブレードのピッチ角を変化させることができる。
ピッチプレートユニットをピッチプレートボスとピッチプレートにより構成した場合、サーボモータの回転変位がピッチレバーからピッチプレートボスへ伝達されて、ピッチプレートボス及びピッチプレートを上下に変位せしめるように変換され、ピッチプレートの上方又は下方への変位に連動してブレードホルダーが傾動し、ブレードのピッチ角が変化する。
【００１２】
本発明は、サーボモータの出力軸に直結したピッチレバーのアーム部がメインマストの両側でサーボモータの回転に連動して回転し、その回転変位がピッチプレートユニットをメインマストに沿って上下に昇降させる運動に変換され、ピッチプレートユニットの上下動に応じてブレードのピッチ角が変化するように設けられているので、可変ピッチ機構を構成する部材点数が少なくて済み、構成が簡易で機体の軽量化を図ることが可能である。また、部材同士の連結部位が少ないのでリンク機構に発生する「たわみ」の影響が抑えられ、精密な調整をしなくともピッチ角を正確に制御して飛行動作を安定させることができる。
【００１３】
また、本発明をマルチコプタに適用した場合、可変ピッチとすることで強風などの外乱に強くなって飛行動作が安定し、飛行中に機体の姿勢が乱れてもどんな姿勢からでも復帰可能となり、下降中に飛行姿勢を崩して墜落するような事故の発生を防ぐことができる。また、上昇気流の中でも安定して下降させることが可能となり、上空から地上の情報を収集するなど利用分野における産業用機としての信頼性を向上させることができる。
また、ピッチ角を適宜に制御可能なので、機体の上部を下方に向けて、つまり機体の上下を逆さまにした状態での飛行が可能となり、例えばカメラなどのペイロードを機体の上側に搭載し、上空で機体を逆さまにし、カメラを下向きにして撮影することも可能となり、この場合、カメラの設置作業やメンテナンスなどの便宜が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のロータヘッドを装備したマルチコプタの一実施形態の外観図である。
【図２】図１のマルチコプタの各アーム部で支持された駆動部の外観図である。
【図３】図２とは方向が異なる駆動部の外観図である。
【図４】構成部材を展開して示した駆動部の外観図である。
【図５】図２に示された状態からブレードのピッチ角をプラス方向へ変化させたときの駆動部の外観図である。
【図６】図２に示された状態からブレードのピッチ角をマイナス方向へ変化させたときの駆動部の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好適な一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明のロータヘッドを装備した一実施形態のマルチコプタを示しており、このマルチコプタ１は、本体部２の周側面に平面視十字形に突設された四本のアーム部３の先端で電動モータ６とロータヘッドユニット７からなる駆動部４を支持し、遠隔制御により各ロータヘッドユニット７のブレード１４の回転速度とピッチ角を制御して上空を飛行するように構成してある。符番５は各アーム部３の周囲を囲うようにアーム部３のカバーに一体に取り付けられたガード枠である。
【００１６】
本体部２は、受信機、フライトコントローラ、バッテリー、姿勢センサなどの部材を装備して構成され、送信機から発せられた操縦信号を受信機で受信し、受信した信号とセンサ信号を処理して、各アーム部３に設けられた電動モータ６と後述するサーボモータ１９に駆動信号を供給するように設けてある。
【００１７】
各アーム部３の先端に設けられた駆動部４は、メインマスト６１となる出力軸を上方に向けて設置された電動モータ６と、メインマスト６１廻りに設けられたロータヘッドユニット７により構成されている。電動モータ６の上面には、後述するピッチレバー１８とサーボモータ１９を支持するサーボマウントプレート８を取り付けてある。
【００１８】
ロータヘッドユニット７は、メインマスト６１の上端でブレード１４を支持するロータヘッド９と、ブレード１４のピッチ角を変化させる可変ピッチ機構１５により構成されている。
【００１９】
図４に示されるように、ロータヘッド９は、メインマスト６１の上端外周に嵌め込まれ、ドーム１０を介してボルト１１でメインマスト６１に一体に固着されたヨーク１２と、ヨーク１２の左右両側に、メインマスト６１と直交する軸方向の周りに回転自在に取り付けられた一対のブレードホルダー１３，１３と、両ブレードホルダー１３，１３の端部にボルト１１で一体に留め付けられたブレード１４，１４により構成されている。
【００２０】
可変ピッチ機構１５は、メインマスト６１の外周に当該メインマスト６１の外周面に沿って上下に摺動自在に装着されたピッチプレート１６及びピッチプレートボス１７と、サーボマウントプレート８上に取り付けられたピッチレバー１８及びサーボモータ１９の各部材により構成されている。
【００２１】
詳しくは、ピッチプレート１６は、メインマスト６１の外径より若干大きな内径の孔部を有するリング形の主体部１６ａの外周面にアーム部１６ｂ，１６ｂを突設した形状に形成され、一端がブレードホルダー１３，１３に設けられたピッチアーム１３ａに回転自在に軸支して接続されたピッチリンク２０，２０の他端部を両アーム部１６ｂ，１６ｂに軸支してブレードホルダー１３に接続され、ロータヘッド９と一体に回転するように取り付けてある。
【００２２】
ピッチプレートボス１７は、メインマスト６１の外周であってピッチプレート１６の下側に装着された、メインマスト６１の外径より若干大きな内径を有する円筒形の部材であり、その上端から突出した首部にピッチプレート１６が嵌められてピッチプレート１６を回転自在に支持して取り付けてある。ピッチプレートボス１７の左右両側には、後述するピッチレバー１８のアーム部１８ａ，１８ａが回転自在に軸支して接続してあり、両アーム部１８ａ，１８ａの変位に伴ってメインマスト６１の外周面に沿って上下に摺動変位し得るようになっている。
【００２３】
ピッチレバー１８は、その孔部１８ｂ内にサーボモータ１９の出力軸に固着されたシャフト２２を通し且つ直結して、メインマスト６１の側方であってサーボマウントプレート８の上面に設けられた座部８ａ，８ａの間で、サーボモータ１９の出力軸と一体に、メインマスト６１と直交する軸方向周りに回転するように取り付けてある。また、ピッチレバー１８の軸方向に沿った両端外周面には、当該軸方向と直交する方向にアーム部１８ａ，１８ａが突出されており、ピッチレバー１８が座部８ａ，８ａ間に支持された状態で、メインマスト６１の左右両側にアーム部１８，１８ａが対向して臨むように配置され、且つ前記通りピッチプレートボス１７の左右両側にアーム部１８ａ，１８ａを回転自在に軸支して接続してある。
【００２４】
サーボモータ１９は、その出力軸をアジャストホーン２１にシャフト２２及びアジャストプラグ２３を連結して構成し、前記座部８ａ，８ａ間に配置されたピッチレバー１８の孔部１８ｂにシャフト２２を通し、且つセットスクリュー２４でピッチレバー１８をシャフト２２の外周面に一体に固着して、サーボマウントプレート８上に取り付けてある。なお、シャフト２２が貫通する座部８ａ，８ａの孔部内周にはベアリングを装着してある。
【００２５】
このように構成されたロータヘッドユニット７は、サーボモータ１９を作動させてその出力軸に直結したピッチレバー１８を回転させることで、ピッチプレートボス１７とピッチプレートボス１７の上端で支持されたピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って上方又は下方へ変位させ、これに伴いピッチプレート１６に接続したブレードホルダー１３，１３が傾動して、ブレード１４，１４のピッチ角を変化させることができる。
【００２６】
すなわち、サーボモータ１９を作動したときの出力軸の回転変位は、当該出力軸と一体に回転するピッチレバー１８からピッチプレートボス１７へと伝達される過程で、ピッチプレートボス１７及びピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って上下に変位せしめるように変換され、ピッチプレート１６の上方又は下方への変位に連動して、ピッチプレート１６とピッチリンク２０，２０を介して接続したブレードホルダー１３，１３がヨーク１２の側方でメインマスト６１と直交する軸方向廻りに傾動し、ブレード１４，１４のピッチ角が変化せしめられる。
【００２７】
図５は、ブレード１４，１４のピッチ角が中立にある図２に示した状態から、サーボモータ１９を作動させピッチプレートボス１７及びピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って上昇させ、ブレード１４，１４のピッチ角をプラス方向へ変化させた状態を示しており、図６は、これとは反対にピッチプレートボス１７及びピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って下降させ、ブレード１４，１４のピッチ角をマイナス方向へ変化させた状態を示している。
【００２８】
このように、サーボモータ１９の出力軸に直結したピッチレバー１８のアーム部１８ａ，１８ａがメインマスト６１の両側でサーボモータ１９の回転に連動して回転し、その回転変位がピッチプレートボス１７及びピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って上下に昇降させる運動に変換されてブレード１４のピッチ角が変化するように設けることで、可変ピッチ機構を構成する部材点数が少なくて済み、構成が簡易で機体の軽量化が図られ、リンク機構に発生する「たわみ」の影響を抑えつつピッチ角を正確に制御して飛行動作を安定させることが可能となる。
【００２９】
本形態のマルチコプタ１によれば、ブレード１４，１４のピッチ角を適宜な角度に制御することができるように構成されているので、強風などの外乱に強くなって飛行動作が安定し、飛行中に機体の姿勢が乱れてもどんな姿勢からでも復帰可能となり、また、上昇気流の中でも安定して下降させることができ、産業用機としての信頼性を向上させることが可能である。
【００３０】
なお、図示した形態は一例であり、本発明のマルチコプタは、三つ以上のロータを装備するものであれば、ロータの配置を適宜に設定して他の適宜な形態で構成することが可能である。また、本形態ではマルチコプタとして四つのブレードを備えたクアドコプタを例示したが、六つのブレードを備えたヘキサコプタや八つのブレードを備えたオクタコプタにも適用可能である。
また、ピッチプレート１６とピッチプレートボス１７を一体に設けられていてもよい。すなわち、メインマスト６１の左右両側に臨ませたピッチレバー１８の一対のアーム部１８ａ，１８ａを、ピッチプレート１６とピッチプレートボス１７を一体に設けたピッチプレートユニットの下部を支持するように設置し、前記アーム部１８ａ，１８ａの回転変位に連動してピッチプレートユニットがメインマスト６１に沿って昇降するように設けてもよい。
さらに、シングル型ヘリコプタなどのマルチコプタ以外のヘリコプタや、遠隔御や自律制御によって飛行する無人ヘリコプタ、有人ヘリコプタにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  マルチコプタ、２  本体部、３  アーム部、４  駆動部、５  ガード枠、６  電動モータ、６１  メインマスト、７  ロータヘッドユニット、８  サーボマウントプレート、９  ロータヘッド、１０  ドーム、１１  ボルト、１２  ヨーク、１３  ブレードホルダー、１４  ブレード、１５  可変ピッチ機構、１６  ピッチプレート、１７  ピッチプレートボス、１８  ピッチレバー、１９  サーボモータ、２０  ピッチリンク、２１  アジャストホーン、２２  シャフト、２３  アジャストクランプ、２４  セットスクリュー
【要約】
【課題】ヘリコプタの可変ピッチ機構を、部材点数が少ない簡易な構成とするとともに精密な調整をしなくともブレードのピッチ角を正確に制御することができるように構成する。
【解決手段】メインマスト６１の外周に、ピッチプレート１６とピッチプレートボス１７を摺動自在に装着し、ピッチプレートボス１７を上下動させるピッチレバー１８にサーボモータ１９の出力軸を直結する。サーボモータ１９を作動させてピッチレバー１８を回転させることでピッチプレートボス１７とピッチプレート１６をメインマスト６１に沿って上方又は下方へ変位させ、ピッチプレート１６に接続したブレードホルダー１３，１３を傾動せしめてブレード１４，１４のピッチ角を変化させる。
【選択図】図４【図１】
0006006452.tif 000002
【図２】
0006006452.tif 000003
【図３】
0006006452.tif 000004
【図４】
0006006452.tif 000005
【図５】
0006006452.tif 000006
【図６】
0006006452.tif 000007