(57)【要約】【課題】航続距離が長く、騒音が低く、飛行が安定した回転翼式飛行体を提供すること。【解決手段】本発明の回転翼式飛行体１は、螺旋形状の回転翼１０において、静止中または回転中に螺旋の長さを変更する螺旋長変更部４０を有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋形状の回転翼において、
静止中または回転中に螺旋の長さを変更する手段を有する、
ことを特徴とする回転翼。
【請求項２】
請求項１記載の回転翼において、
前記螺旋は、アルキメデスの螺旋である、
ことを特徴とする回転翼。
【請求項３】
請求項１または２記載の回転翼において、
互いに巻き方向が異なる２つの螺旋を、その中心を対極として１つの回転軸に取り付けた、
ことを特徴とする回転翼。
【請求項４】
回転翼を有し、垂直に離着陸が可能な回転翼式飛行体において、
請求項１から３のいずれか１項に記載の回転翼を有する、
ことを特徴とする回転翼式飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転翼および回転翼式飛行体に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転面が水平となる複数のプロペラを有し、鉛直方向に揚力を発生することで、垂直に離着陸が可能なマルチコプターと呼ばれる飛行体がある（たとえば、特許文献１参照）。昨今では、無線操縦または自律制御で、マルチコプターによって、空中撮影などの作業を行うものが普及している。なお、プロペラは固定翼の飛行機における推進機であり、ヘリコプタなどが有する垂直に離着陸するための揚力を発生するプロペラについては、固定翼の飛行機における推進機としてのプロペラと区別するために、これを回転翼と称する。すなわち、上述のような飛行体を回転翼式飛行体と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−６４７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の回転翼式飛行体には、第一に、航続距離が固定翼機に比べて短いという課題がある。これは、滑空できる翼がないため、常に回転翼を運動させなければならず、バッテリまたは燃料の消耗が激しいためである。
【０００５】
回転翼式飛行体には、第二に、騒音を低減できないという課題がある。たとえば、直径が７インチの回転翼式飛行体の回転翼が５０００ｒｐｍで回転する場合、回転翼の先端部における円周方向の速度は、時速約１４０ｋｍになる。一般に、空気は、時速１００ｋｍを超えると急激に粘性が増加すると言われており、これが風切音を大きくする一因になっている。
【０００６】
回転翼式飛行体には、第三に、飛行が不安定になり易いという課題がある。回転翼はグライダなどの翼とは異なり、常に高速で運動することで揚力を発生する。回転翼端の速度と同程度あるいは、それ以上の速度の突風を受けると揚力は大いに攪乱される。この攪乱が飛行不安定の一因である。
【０００７】
本発明は、上述した課題の一つまたは複数を解決することができる回転翼および回転翼式飛行体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の観点は、螺旋形状の回転翼において、静止中または回転中に螺旋の長さを変更する手段を有するものである。
【０００９】
上述の回転翼において、たとえば、螺旋は、アルキメデスの螺旋である。
【００１０】
上述の回転翼において、互いに巻き方向が異なる２つの螺旋を、その中心を対極として１つの回転軸に取り付けたものとすることができる。
【００１１】
本発明の第二の観点は、回転翼を有し、垂直に離着陸が可能な回転翼式飛行体において、上述の回転翼を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、航続距離を長くすること、騒音を低減すること、飛行を安定にすることの一つまたは複数を実現することができる回転翼および回転翼式飛行体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転翼式飛行体の全体構成図である。
【図２】アルキメデスの螺旋の切り取り線を示す図である。
【図３】図２に示す切り取り線に沿って切り出したアルキメデスの螺旋を示す図である。
【図４】互いに巻き方向が異なる２つの螺旋を、その中心を対極として１つの回転軸に取り付けた状態の回転翼を示す図である。
【図５】図４に示す回転翼の螺旋長さを短くした状態を示す図である。
【図６】図４、図５に示す回転翼の螺旋長さを０にした状態を示す図である。
【図７】回転翼の「揚力モード」における水平面と回転翼の曲面の接線のベクトル（螺旋移動力）との成す角φを示す図である。
【図８】回転翼の「揚力モード」における回転力と螺旋移動力と揚力との関係をベクトルで示す図である。
【図９】回転翼の「帆走モード」における回転翼の形状を示す図である。
【図１０】回転翼式飛行体の利用例としてのマルチコプターの上面図である。
【図１１】図１０に示すマルチコプターの斜視図である。
【図１２】図１０、図１１に示すマルチコプターが「揚力モード」で飛行している状態を示す図である。
【図１３】図１０、図１１に示すマルチコプターが一部の回転翼を「滑空モード」にして飛行している状態を示す図である。
【図１４】図１０、図１１に示すマルチコプターが一部の回転翼を「帆走モード」にして飛行している状態を示す図である。
【図１５】従来の２軸対称の回転翼と気流との関係を示す図である。
【図１６】本実施の形態に係る回転翼と気流との関係を示す図である。
【図１７】その他の実施の形態に係る回転翼式飛行体の全体構成図である。
【図１８】図１７の回転翼式飛行体の利用例としてのマルチコプターの上面図である。
【図１９】図１８のマルチコプターの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（全体構成について）
本発明の実施の形態に係る回転翼式飛行体１の全体構成を図１に示す。
【００１５】
回転翼式飛行体１は、螺旋形状の回転翼１０と、回転軸２０と、駆動部３０と、螺旋長変更部４０と、制御部５０と、を有する。図１において、回転翼式飛行体１の駆動部３０側を下部とし、その反対側を上部とする。制御部５０は、駆動部３０と螺旋長変更部４０を制御する。制御部５０と駆動部３０および螺旋長変更部４０との間の信号伝達経路の配線については図示を省略する。
【００１６】
螺旋形状の回転翼１０の回転中心の上部側は、回転軸２０に固定治具１１により、回転軸２０の回転と共に回転翼１０も回転するように取り付けられている。回転翼１０の回転中心の下部側は、回転軸２０が貫通するスペーサ１２に取り付けられる。スペーサ１２は、回転軸２０には固定されておらず、回転軸２０上を自由に移動することができる。スペーサ１２は、螺旋長変更部４０のアーム４１に支持されている。回転軸２０は、制御部５０によって回転制御される駆動部３０によって回転駆動される。駆動部３０は、たとえばモータである。螺旋形状の回転翼１０の回転軸２０は、回転翼１０の回転中心すなわち重心を通らなければならない。
【００１７】
螺旋長変更部４０は、アーム４１と、可動部４２と、固定部４３とを有する。可動部４２と固定部４３は、リニアモータを構成し、制御部５０の制御によって、固定部４３上を可動部４２が直線的に上下方向に移動する。可動部４２にはアーム４１が取り付けられており、アーム４１がスペーサ１２を上下方向に移動させる。スペーサ１２が上下方向に移動することで、回転翼１０の螺旋の長さを変更することができる。なお、リニアモータは、リニア超音波モータ（たとえば特許第５６８３６４３号参照）を採用することができる。
【００１８】
（回転翼１０について）
回転翼１０は、アルキメデスの螺旋形状を有する。アルキメデスの螺旋は、図２に示すように、（ｘ，ｙ）座標上において、以下の式で記述される渦巻状の線で１枚のシートを切り出すことにより得ることができる。
ｘ＝θｃｏｓθ
ｙ＝θｓｉｎθ
（θは媒介変数）
図２に示すシートから切り出されたアルキメデスの螺旋は、回転軸２０の軸方向に、図２に示す平面から螺旋の中心に相当する先端を引き伸ばす長さｚを加えることで、図３に示すように、立体の螺旋形状の回転翼１０の一部を得ることができる。
【００１９】
上述のシートの材質としては、長さｚ方向に軸長を調節できるようにするには、適度の弾性変形が可能であり、軽量かつ高剛性であることが好ましい。たとえば、シートの材質として、抗張力鋼板としてのステンレス、アルミ合金、炭素繊維を含んだＣＣコンポジット(Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite)、ガラス状カーボンＦＲＰ(Fiber-Reinforced Plastics)などが適用可能である。
【００２０】
回転翼１０は、図４に示すように、互いに巻き方向が異なる２つの螺旋１０ａ，１０ｂを、その中心を対極として１つの回転軸２０に取り付けた状態である。螺旋１０ａは、図３に示す螺旋であり、螺旋１０ｂは、螺旋１０ａと同じ形状で反対巻の螺旋である。
【００２１】
長さｚは、材料強度を考慮して上限を設定する。一般的には、回転速度が高いほど、回転時間が長いほど、さらに、外周半径が大きいほど、上限を低くすることが好ましい。
【００２２】
回転翼１０は、回転軸２０の軸方向から見た場合、隙間無く連なり、全体として円を形成する。回転翼１０の剛性を高めるためには、左巻きの螺旋１０ａと右巻きの螺旋１０ｂの最外周部分同士で接着して概略そろばん玉状の螺旋とし、それぞれの頂部を対極にして回転軸２０に取り付ける。図３の例では、長さｚを１１ｃｍ、最大直径を１０．５ｃｍ、巻数８回で右巻きである。図４の例では、長さｚを５ｃｍとした。図６の例では、長さｚを０ｃｍとした。
【００２３】
本実施の形態では、抗張力鋼板として、厚さ０．１ｍｍのステンレスシートから、図２に示す切り取り線に沿って炭酸ガスレーザで２枚の螺旋を切り出した。右巻き螺旋の中心から描いた直径７インチの円内に螺旋の外周が収まるようにし、はみ出す部分を回転中心と重心の中心が一致するように切除した。左巻きと右巻きの螺旋を４巻き目でそれぞれ切断し、それぞれの切断部を約１０ｍｍ重ね合わせてスポット溶接で接合し、図４と同様の形状の螺旋状の回転翼１０を得た。両端については、外径２．５ｍｍ、内径２．２ｍｍ、全長３ｃｍの回転軸２０が通る穴を開けた。
【００２４】
回転軸２０は、たとえば、外径２．５ｍｍ、内径２．２ｍｍ、全長３ｃｍのアルミニュウム製のパイプを採用した。このアルミパイプに回転翼１０の両極が通っており、駆動部３０のモータ側の極は、リング状のスペーサ１２でガイドされ、反対の極は固定治具１１によりアルミパイプに固定されている。リニア超音波モータを使った螺旋長変更部４０により、スペーサ１２が上下動して長さｚを調節する。これにより、長さｚは、０ｃｍから２．４ｃｍの範囲で変更することができる。
【００２５】
（飛行モードについて）
回転翼１０は、長さｚに応じて、「滑空モード」、「揚力モード」、「帆走モード」の３つの飛行モードに切り替えることができる。
【００２６】
「滑空モード」
図６に示すように、長さｚが０ｃｍであるとき、回転翼１０は、ほぼ平板状になる。平板状の回転翼１０は、回転翼式飛行体１における固定翼またはパラシュートとして作用する。このような飛行モードを「滑空モード」と称する。
【００２７】
「揚力モード」
図７および図８に示すように、回転翼１０の長さｚが０ｃｍを超えた所定の範囲内においては、水平面に平行な回転力のベクトルと、回転翼１０の曲面の接線のベクトル（螺旋移動力）との合力として揚力のベクトルが発生する。このような飛行モードを「揚力モード」と称する。
【００２８】
「揚力モード」となる長さｚの範囲の上限は、以下のような要因によって決定される。長さｚが０ｃｍから徐々に長くなるに連れ、回転翼１０を形成する螺旋の曲面が水平面に対して徐々に傾斜を増していく。これに伴い、回転翼１０を形成する螺旋の曲面が揚力を発生する効率は徐々に低くなり、やがて、図８に示すベクトルの関係は不成立となる。このようにして、図８に示すベクトルの関係が不成立になる直前の長さｚの値が「揚力モード」となる長さｚの上限値である。
【００２９】
「帆走モード」
回転翼１０の長さｚが上述した「揚力モード」となる長さｚの上限値を超え、回転翼１０の材質の強度の限界として最大の長さｚとなる範囲を「帆走モード」と称する。「帆走モード」では、図９に示すように、回転翼１０の螺旋形状は伸び切り、１本の帯に近い状態になる。回転翼１０がこのような帯状になると、回転翼式飛行体１は、回転翼１０に風を受けて風上から風下へと移動することができる。あるいは、「帆走モード」の回転翼１０は、「揚力モード」で高速飛行中におけるエアブレーキとしても作用する。
【００３０】
なお、これらの飛行モードは、離散的に選択できるものではなく、揚力モードにおいては、常に混在しているが、後述するマルチコプターのように、複数の回転翼１０が取り付けられている場合、長さｚの調節により、それぞれの回転翼１０を別々の飛行モードを優位にして、姿勢制御や進行方向を調節することもできる。また、これらの飛行モードは、長さｚが一定であっても、回転翼１０の回転速度を調節することで、それらの混在の割合をある程度制御できる。
【００３１】
（利用例について）
回転翼式飛行体１の利用例を図１０〜図１４を参照しながら説明する。図１０は、回転翼式飛行体１を利用したマルチコプター１ａの上面図である。図１１は、マルチコプター１ａの斜視図である。マルチコプター１ａは、胴体６０に４つのアーム部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを有し、各アーム部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄには、回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有する。図１で説明した螺旋長変更部４０の駆動部３０、可動部４２、および固定部４３は、各アーム部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄの先端部付近の内部に、図１１に破線の四角で示すように、螺旋長変更部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとしてそれぞれ設けられている。さらに、図１で説明した螺旋長変更部４０のアーム４１は、螺旋長変更部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとの間に、図１１に破線で示すように設けられている。なお、回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとアーム４１との間には、不図示のスペーサ１２（図１参照）が設けられている。また、図１で説明した制御部５０は、胴体６０の内部に１つ設けられており、４つの螺旋長変更部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを個別に制御することができる。
【００３２】
回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは回転軸２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに取り付けられ、回転軸２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの下端は、アーム部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ内にある螺旋長変更部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄの不図示の駆動部３０に接続される。回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの上端は、不図示の固定治具１１（図１参照）によって回転軸２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに固定され、回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの下端は、不図示のスペーサ１２によって、螺旋長変更部４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄのアーム４１に支持されている。
【００３３】
胴体６０には、図１１に示すように、脚部６１とカメラ装置６２が取り付けられており、マルチコプター１ａは、無線操縦または自律制御によって、空中撮影を行うことができる。
【００３４】
４つの回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを「揚力モード」に設定して飛行する状況を図１２に示す。図１２の例では、回転翼１０ｂから回転翼１０ｄに向かう方向を進行方向として飛行している。このような場合には、回転翼１０ｄの揚力に比べて回転翼１０ｂを大きくする。回転翼１０ａ，１０ｃの揚力は同じでよい。これによりマルチコプター１ａは、回転翼１０ｄ側に前傾する姿勢をとり、回転翼１０ｂから回転翼１０ｄに向かう方向を進行方向として飛行することができる。これによれば、マルチコプター１ａは、最高速度での飛行が可能になる。
【００３５】
２つの回転翼１０ａ，１０ｃを「滑空モード」に設定し、他の２つの回転翼１０ｂ，１０ｄを「揚力モード」に設定して飛行する状況を図１３に示す。これによれば、マルチコプター１ａは、「滑空モード」に設定した回転翼１０ａ，１０ｃが下から上に向って吹き上げる上昇気流によって押し上げられて揚力を発生するので、低エネルギ飛行が可能になる。なお、上昇気流が強ければ、４つの回転翼１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを全て「滑空モード」に設定して空中に留まることも可能である。
【００３６】
２つの回転翼１０ａ，１０ｃを「帆走モード」に設定し、他の２つの回転翼１０ｂ，１０ｄを「揚力モード」に設定して飛行する状況を図１４に示す。これによれば、マルチコプター１ａは、後方から前方に向かって吹く追い風などを利用して「帆走モード」に設定した回転翼１０ａ，１０ｃが推力を得ることにより、低エネルギ飛行が可能になる。あるいは、図１２に示すように、全ての回転翼１０ａ〜１０ｄを「揚力モード」に設定して飛行中において、回転翼１０ａ〜１０ｄのいずれか１つまたは複数を「帆走モード」に設定することにより、「帆走モード」に設定した回転翼１０ａ〜１０ｄをエアブレーキとすることができる。
【００３７】
（実施例１）
ＤＪＩ社製のＰｈａｎｔｏｍ３を、晴天時に、高度１００ｍ、半径５０ｍの円周上を時速３０ｋｍ／ｈで１時間飛行させたところ、バッテリの充電残量は満充電時の７０％であった。つぎに、同機体の従来の回転翼を取り外し、代わりに、回転翼１０を装着し、上記と同じ条件で飛行させたところ、バッテリの充電残量は満充電時の９０％であった。
【００３８】
（実施例２）
実施例１と同じ実験を雨天時に行ったところ、既存の機体では、バッテリの充電残量は、満充電時の６０％であったのに対し、回転翼１０を装着した機体では、バッテリの充電残量は、満充電時の７５％であった。
【００３９】
（実施例３）
ＤＪＩ社製のＰｈａｎｔｏｍ３を、地上から１ｍの高さでホバリングさせたとき、２ｍの距離から騒音を測定したところ、６０ｄＢであった。つぎに、同機体の従来の回転翼を取り外し、代わりに、回転翼１０を装着し、上記と同じ条件で騒音を測定したところ、５０ｄＢであった。
【００４０】
（効果について）
以上説明したように、本実施の形態に係る回転翼１０を利用したマルチコプター１ａによれば、以下のような効果を有する。
【００４１】
「航続距離が長くなる」
従来の回転翼は、揚力を得るため、常に回転していなくてはならない。これに対し、回転翼１０を利用したマルチコプター１ａは、「帆走モード」や「滑空モード」を取り入れることにより、風況に応じて風のエネルギから揚力および推力を補うことができるので、バッテリまたは燃料の消費を節約することができる。これにより、マルチコプター１ａは、航続距離を長くすることができる。
【００４２】
「運転騒音が小さくなる」
従来の回転翼は、揚力を得るため、常に回転しており、常時モータまたはエンジンの稼働音と風切音が発生する。これに対し、回転翼１０を利用したマルチコプター１ａは、螺旋状回転翼の特性として低い回転速度で従来の回転翼と同等の揚力が得られるのに加え、「帆走モード」や「滑空モード」を取り入れることにより、さらに回転速度を落とすことができる。これにより、マルチコプター１ａは、モータまたはエンジンの稼働音と風切音の両方を小さくすることができる。
【００４３】
「操縦安定性が向上する」
マルチコプターがしばしば操縦性を失って落下する原因のひとつは、建物の周辺で発生する気流の乱れがある。マルチコプターが気流の乱れに巻き込まれると、突発的に横風を受けたり、下降風を受けたりする。特に、図１５に示すように、回転翼が２軸対称である場合、翼の先端の回転速度を上回る横風が当たると、図１５の上段の図に示すように、翼の瞬間的な位置と横風が平行になった瞬間、空回りとなって揚力を失う。一方、図１６に示すように、回転翼１０では、いかなる方向の横風に対しても常に揚力に寄与することができる。
【００４４】
さらには、「帆走モード」や「滑空モード」が有効な風況においては、これら２つのモードのいずれかひとつ、あるいは２つの組合せで不安定な姿勢からの復元力が高くなるので、操縦安定性も高まる。
【００４５】
このことを直径１５ｃｍ（約６インチ）の２軸対称の２枚の回転翼について考察する。５０００ｒｐｍで回転しているとき、翼先端の回転円接線方向の速度は、約１４０ｋｍ／ｈである。最大風速が２０ｍ／秒、すなわち７２ｋｍ／ｈを超える風況は稀ではない。風向が翼先端の回転円接線方向と逆方向のとき、回転翼の一端の空気に対する相対速度は半減するのに対し、他端の同速度は約５０％増加する。このように、２軸対称の回転翼の揚力は風況によって攪乱を受け易い。一方、回転翼１０を利用したマルチコプター１ａは、上述のように、全方位で回転翼１０が風を切っているので、攪乱されにくく、その分、操縦安定性が向上する。
【００４６】
（その他の実施の形態について）
上述した実施の形態は、その要旨を逸脱しない限りにおいて、様々に変更が可能である。たとえば、図１７に示すように、回転翼式飛行体１ｂとして、偏心緩和用高剛性バネ７０を回転軸２０の上端部に装着してもよい。このときには、図１８および図１９に示すように、マルチコプター１ｃは、偏心緩和用高剛性バネ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄを取り付けるためのステー７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄを有する。これによれば、回転軸２０を駆動部３０側と偏心緩和用高剛性バネ７０側の両端で支持することができるので、回転軸２０の偏心を緩和することができる。
【００４７】
また、回転翼１０が高速で回転する際に、風圧などによる変形によって、回転軸２０の偏心が発生する場合には、駆動部３０のモータをデジタルモータとし、このデジタルモータで望ましくない回転モードを打ち消す周波数制御を行うようにしてもよい。なお、駆動部３０をエンジンとした場合には、燃料噴射のタイミングなどで上述の周波数制御を行うことができる。
【００４８】
さらに、機械的対策として、回転翼１０の回転軸２０と駆動部３０のモータの回転軸（不図示）との接合部に、カプラを取り付けてもよい。カプラは、回転軸２０と駆動部３０のモータの回転軸の双方に加わる瞬間的な応力を緩和するものでよく、たとえば、クラッチやマグネットカプリングなどである。
【符号の説明】
【００４９】
１…回転翼式飛行体、１０…回転翼、２０…回転軸、３０…駆動部、４０…螺旋長変更部（螺旋の長さを変更する手段）、１ａ…マルチコプター（回転翼式飛行体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2018030390.tif 000013
【図１２】
2018030390.tif 000014
【図１３】
2018030390.tif 000015
【図１４】
2018030390.tif 000016
【図１５】
2018030390.tif 000017
【図１６】
2018030390.tif 000018
【図１７】
2018030390.tif 000019
【図１８】
2018030390.tif 000020
【図１９】
2018030390.tif 000021