(57)【要約】【課題】原動機からの回転翼の回転駆動は駆動主軸を通って直接伝えられるサイクロイダル・プロペラの制御機構を提供する。【解決手段】サイクロイダル・プロペラの制御ロッド１３の変位を得るため、駆動主軸１４によって貫通されたスリップ・リング１６をリングのラジアル方向に二次元的に変位させることによって、スリップ・リング１６の従動側のリングに各々取り付けられた制御ロッド１３をスリップ・リング１６の変位量とその方向に従って変位し、プロペラの回転翼の迎え角を制御することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイクロイダル・プロペラの制御ロッドの変位を得るため、駆動主軸によって貫通されたスリップ・リングをリングのラジアル方向に二次元的に変位させることによって、スリップ・リングの従動側のリングに各々取り付けられた制御ロッドをスリップ・リングの変位量とその方向に従って変位し、プロペラの回転翼の迎え角を制御することを特徴とするサイクロイダル・プロペラの制御機構。
【請求項２】
スリップ・リングの駆動側のリングはそのリングの開口面内で二次元的に縦横独立な直動（並進）運動によって必要な変位量を与えることを特徴とする請求項１記載のサイクロイダル・プロペラの制御機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高推力全方位可変推進機として知られ、海上船舶に適用され高い操船性能を示したサイクロイダル・プロペラの制御機構に係り、おもに航空分野へ適用可能なサイクロイダル・プロペラの制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サイクロイダル・プロペラは、造船技術分野ではホイト・シュナイダー・プロペラと一般に呼ばれている。このプロペラは比較的小さい制御操作力で３６０°の全方位の望む方向に、瞬時に全推力の方向を向けたり、その推力レベルの加減を自由に出来る特性を持っている。このプロペラの全機構を軽量化できれば航空機用のプロペラとして、有人、無人の垂直離着陸機など多方面に適用できる。空中で駆動した場合は、ヘリコプタのプロペラと比べて騒音も少なく大きな推力が得られるのが特徴である。海上船舶用には高い強度が必要で搭載重量が航空機と比べて桁違いに大きいため重量の嵩む制御機構でも許容されるが、同プロペラの全体機構が複雑なため部品点数も多く、航空用には極度の軽量化が必要となる。
【０００３】
航空機の１つとしての飛行船は環境に優しく安全で省エネルギー的であり、現在社会のニーズにあった乗り物の一つとして脚光を浴びてきた。例えば、この飛行船を小型化し、運動性能を飛躍的に高めれば、手軽でしかも安全な飛行への欲求を満たし、自家用機として使うことができる。（例えば、非特許文献１参照）
【０００４】
しかし、従来から飛行船に用いられてきたような方向可変のダクテド・ファンなどの推進機を使用したのでは応答が遅いので運動性能の向上は望めない。
【０００５】
そこで航空用としては全く新しい推進機として、サイクロイダル・プロペラを適用する。サイクロイダル・プロペラを装着したタグ飛行船については、発明者が提案してきた。（例えば、特許文献１参照）
【０００６】
船体重心と浮心をほぼ一致させた飛行船にこの推進機を搭載すれば、理論上船体重心を回転軸とした宙返りも可能となる。サイクロダル・プロペラとは、一定速度で回転する翼の迎え角を制御することによって推力を得る推進装置のことである。その構想は１８２８年までさかのぼることができ、船舶分野においては１９３１年にフォイト・シュナイダー・プロペラという名前で実用化されている。日本でも１９３６年に連絡船の曳き船として初めて第一鉄栄丸に搭載された。
【０００７】
このプロペラの利点として、
（１）小さな制御力で３６０度任意の方向に瞬時に大きな推力を発生することができる
（２）船体を停止の状態からそのまま横行できる
（３）船体のほぼ真ん中を中心として旋回が可能である
（４）舵が不要である
などが挙げられる。実際このプロペラの効率は、回転中各翼がずっと一定の推力を発生しているわけではないので、船舶用のスクリュープロペラの効率を１００％としたとき、全速走行で約８５％、低速走行では約２５％まで落ちると言われているが、舵が不要なので、その分、全体の推進効率では約１０％有利ではある。（例えば、非特許文献２参照）
【０００８】
また回転中つねに迎え角が変化しているので制御機構も非常に複雑である。にもかかわらず、その制御能力の高さからタグボートや艦艇に使用されてきた。（例えば、非特許文献３参照）
【０００９】
そのころから航空機分野への使用も検討されてきた。１９２３年、飛行中に嵐に襲われ遭難したアメリカ海軍の飛行船Ｓｈｅｎａｎｄｏａｈは、当初サイクロイダル・プロペラを搭載する予定だった。もし搭載していれば遭難は免れたであろうと言われている。
【００１０】
第二次世界大戦中も、アメリカ軍においてサイクロイダル・プロペラに関する実験が行われており、飛行船のみならず飛行機やヘリコプター等への搭載計画が数多く存在した。（例えば、非特許文献４参照）
【００１１】
その例の１つは、１９４０年代に計画された、サイクロイダル・プロペラを搭載した飛行機である。機体先端におかれたガスタービン・エンジンによってプロペラを回転させ、前後のプロペラを反対方向に回すことにより反力を打ち消しあう構造になっている。しかし、これに限らず、この時期に実際に飛行に成功したという報告はない。
【００１２】
近年においては、１９９７年アメリカ海軍が無人機の推進システムとしてサイクロイダル・プロペラの研究を開始し、２００１年にはサイクロイダル・プロペラを直径約７フィートの気球に取り付けて、２分３０秒間の飛行に成功している。（例えば、非特許文献５参照）しかし、この推進機を搭載した有人飛行については未だ報告がない。
【００１３】
サイクロイダル・プロペラの制御のためには、駆動主軸で支持され回転する回転翼と、駆動主軸の先端と回転翼間にある軸受け周りにこの翼の傾きを作り出して翼の方向を偏向させる制御ロッドおよび、この制御ロッドの結合点を制御ロッドの回転面内で必要な量を二次元的に移動させる制御機構を持つ。
【００１４】
サイクロイダル・プロペラの動作の基本原理を図５（ａ）（ｂ）に示す。ただし、点Ｏは翼回転中心で、点Ｎは制御ロッド結合点を表している。点Ｏと点Ｎが一致している図５（ａ）では、各翼は流れに対して迎え角ゼロで回転しているので推力を発生しない。一方、図５（ｂ）では点Ｎが点Ｏの下側にずれていることがわかる。これにより、Ｂ、Ｄの位置では迎え角ゼロであるが、Ｂ→Ｃ→Ｄ、Ｄ→Ａ→Ｂに向かう間に翼は迎え角を持ち、共に図の上方向に推力を発生することがわかる。このようにサイクロイダル・プロペラは翼の制御中心Ｎを変位するだけで瞬時に任意の方向へ推力を発生することができるのである。
【００１５】
図３は前述の２００１年初飛行の気球に取り付けられた航空機用のサイクロイダル・プロペラの制御機構の第１の例である。この機構では制御棒３５の操作端からの二次元の制御移動量を制御ロッド３１ａ，３１ａ，・・を介して回転翼３２，３２，・・に伝えて迎角制御を行なうために、回転翼３２，３２，・・を駆動アーム３３，３３，・・を介して支持する駆動主軸３４を中空にして、その中を制御棒３５を通している。この為、駆動主軸３４は太いパイプもしくはリングとなり、これを支持する軸受けの寸法は大きくなり全体構造が重くなる。尚、回転翼３２には制御ロッド３１ａの先端に設けられた軸受３２ａと、駆動アーム３３の先端に設けられた軸受３２ｂが取付けられており、制御ロッド３１ａにより、回転翼３２は迎角制御が可能となっている。また、駆動主軸３４は原動機３６の回転軸３６ａに固定された駆動歯車３６ｂで駆動主軸３４に同軸に固定された歯車３７とともに回転駆動される。
【００１６】
図４はやはり、従来から海上船舶で使われてきたサイクロイダル・プロペラの制御機構の第２の例である。この例は回転翼４１，４１，・・が４枚の場合の例であるが、４枚の回転翼全体をすべて同方向に回転させるために各回転翼４１，４１，・・の付け根側に突出する各軸４１ａ，４１ａ，・・は原動機４２の回転軸４２ａに固定された駆動歯車４２ｂで一方向に回転駆動される歯車４３上に付いている。一方、これら各軸４１ａ，４１ａ，・・は、それぞれ長孔４４ａを有する平板状の連結部材４４，４４，・・により、相互に連結され、それぞれの回転翼４１，４１，・・のピッチ角は独立に変化し、迎え角が変化する様、制御棒４５によって駆動制御される。制御棒４５は回転歯車４３に常に垂直であるが、制御操作によって歯車の端面上を二次元的に駆動し回転翼４１，４１，・・の迎角制御を行なう。
【００１７】
【非特許文献１】
恩田昌彦著，アクロバット人力飛行船、日本機械学会昇降機・遊戯施設等の最近の技術と進歩技術講演会講演論文集（Ｎｏ．０１−５８）Ｐ．３７〜Ｐ．４０（２００２．１．２４）
【００１８】
【特許文献１】
特開２００２−４６６９４号公報
【００１９】
【非特許文献２】
大串雅信著，理論船舶工学（下巻）、海文堂出版、Ｐ．２２５〜Ｐ．２２８（１９７５）
【００２０】
【非特許文献３】
2004224147.tif 000003
１７５号Ｐ．６３３〜Ｐ．６３７（１９３６．１０）
【００２１】
【非特許文献４】
Ｒｅｖｉｅｗ  ａｎｄ  Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｆｔｉｎｇ  Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ−Ａｘｉｓ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ−Ｗｉｎｇ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  （ＨＡＲＷＡＳ）、Ａｅｒｏｐｈｙｓｉｃｓ  Ｃｏ．，  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．  （１９６９．３）
【００２２】
【非特許文献５】
Ｒｏｙ  Ｐ．  Ｇｉｂｂｅｎｓ：Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｆｌｙｉｎｇ  ａ  ｒａｄｉｏ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｌｉｇｈｔｅｒ  ｔｈａｎ  ａｉｒｃｒａｆｔ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｂｙ  ｃｙｃｌｏｉｄａｌ  ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ、４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｉｒｓｈｉｐ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，  ２００２、Ｐａｐｅｒ  Ａ−１
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサイクロイダル・プロペラの制御機構では、原動機からのすべての回転翼を同時に回転させるためには歯車もしくはベルト伝達などを介して行わなければならず、このための重量増加と伝達パワーの損失が生じるため改善が望まれていた。
【００２４】
上記課題を解決するために本発明は、原動機からの回転翼の回転駆動は駆動主軸を通って直接伝えられるサイクロイダル・プロペラの制御機構を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、サイクロイダル・プロペラの制御ロッドの変位を得るため、駆動主軸によって貫通されたスリップ・リングをリングのラジアル方向に二次元的に変位させることによって、スリップ・リングの従動側のリングに各々取り付けられた制御ロッドをスリップ・リングの変位量とその方向に従って変位し、プロペラの回転翼の迎え角を制御することを特徴とするサイクロイダル・プロペラの制御機構である。
【００２６】
また、請求項２記載の発明は、スリップ・リングの駆動側のリングはそのリングの開口面内で二次元的に縦横独立な直動（並進）運動によって必要な変位量を与えることを特徴とする請求項１記載のサイクロイダル・プロペラの制御機構である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る実施の形態の一例を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係るサイクロイダル・プロペラの制御機構の概略図、図２は本発明の要部の概略図である。
【００２８】
図１において、回転翼１２，１２，・・は通常複数であり、この図の場合は４枚の例で、その中の３組の回転翼と駆動アーム１１と制御ロッド１３のみを示している。回転翼１２，１２，・・は、駆動主軸１４に直角に固定された駆動アーム１１により支持されている。駆動アーム１１はその先端に軸受１２ａがあり、その軸受１２ａは通常は各回転翼１２，１２，・・の空力中心の位置（通常は翼の前縁から後縁に向かった翼弦長の１／４の点）廻りに回転翼１２，１２，・・を偏角させることが出来、これにより回転翼１２，１２，・・が駆動主軸１４を回転軸とする原動機１５によって回転運動をしている最中に、翼に当たる気流の迎角を変化させることが出来る。
【００２９】
この回転翼１２，１２，・・の迎角を変化させるように制御する機構は、回転翼１２，１２，・・を支持し駆動する駆動アーム１１の支持点にある軸受け１２ａの廻りに回転翼１２，１２，・・を偏角させる機構である。この駆動アーム１１先端の軸受１２ａから、この場合は、回転翼１２，１２，・・の弦上の一定距離後縁にある支持箇所に制御ロッド１３の先端が軸受１２ｂを介して接続している。回転翼１２，１２，・・弦上の駆動アーム１１の軸受１２ａの位置と制御ロッド１３の軸受１２ｂの位置は反対になっていても良い。その制御ロッド１３は回転翼１２，１２，・・の翼弦にほぼ直角で、回転翼１２，１２，・・の回転面内にほぼあり、その面内で変位運動できるようになっている。制御ロッド１３の変位はスリップリング１６を介して行われ、スリップリング１６は駆動アーム１１および制御ロッド１３の回転面と平行な面内を二次元的に変位移動させることが出来る。スリップリング１６の役目は回転翼１２，１２，・・の回転に伴い、制御ロッド１３が回転する運動と、回転はしない制御操作端を分離することである。
【００３０】
図２において、機体（ビークル）本体側にある制御操作板１７は、回転翼１２，１２，・・と共に回転させることはできない。従ってスリップリング１６は回転翼１２，１２，・・と共に回転する従動側のリング１６ａと、回転はせず本体側に対しては駆動主軸に垂直な面内で二次元的に変位をさせられる駆動側の軸受リング１６ｂとからなる。
【００３１】
例えば、図２に示すように機体（ビークル）本体２７の中央部には、孔２１が設けられ、孔２１内に同軸に連続して嵌合されたベアリング２１ａ，２１ａには駆動主軸１４が嵌合されて、機体本体２７に対して回転運動が可能に固定されている。スリップリング１６の駆動側のリング１６ｂは一端にフランジ（制御操作板１７）を有する筒体で摺動用ベアリング２２を介して機体本体２７の前面に取付けられている。駆動側のリング１６ｂの外周面には、ベアリング２３を介して従動側のリング１６ａが複数（図では４つ）取り付けられている。各従動側のリング１６ａ，１６ａ，・・には、それぞれ制御ロッド１３，１３，・・が取り付けられている。
【００３２】
スリップリング１６の、機体本体２７側にある制御操作板１７に対して回転運動をしない方の駆動側のリング１６ｂは制御ロッド１３の回転面と平行な面内を二次元的に変位するように２つの制御用モータ２４，２５などで二次元的に独立に駆動され変位させられる。（２４ａは制御用モータ２４の回転を直動運動に変換する駆動機構である。）この制御のための駆動法は制御モータの回転を直動運動に変換して正逆運動方向への指令でスリップリング１６を二次元直動運動させる。これら２組により、二次元の独立の直動運動を行う。あるいはスリップリングをワイヤーなどで引きながら手動で直動運動させることも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、本発明は、サイクロイダル・プロペラの制御ロッドの変位を得るため、駆動主軸によって貫通されたスリップ・リングをリングのラジアル方向に二次元的に変位させることによって、スリップ・リングの従動側のリングに各々取り付けられた制御ロッドをスリップ・リングの変位量とその方向に従って変位し、プロペラの回転翼の迎え角を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るサイクロイダル・プロペラの制御機構の概略図である。
【図２】本発明の要部の概略図である。
【図３】従来のサイクロイダル・プロペラの制御機構の第１の例を示す概略図である。
【図４】従来のサイクロイダル・プロペラの制御機構の第２の例を示す概略図である。
【図５】（ａ）（ｂ）はサイクロイダル・プロペラの動作の基本原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１１  駆動アーム
１２  回転翼
１２ａ，１２ｂ  軸受
１３  制御ロッド
１４  駆動主軸
１５  原動機
１６  スリップリング
１６ａ  従動側のリング
１６ｂ  駆動側のリング
１７  制御操作板
２１  孔
２１ａ，２１ａ  ベアリング
２２  摺動用ベアリング
２３  ベアリング
２４，２５  制御用モータ
２７  機体本体
【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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