(57)【要約】本発明は飛行体がホバリング中に受動的に安定であることを可能にするローターを公開する。本ローターはほぼ一定の幾何形状をもち、傾斜可能な形でそのローター軸に接合される。ローターブレードの外側部分は回転面に対して一定のピッチを有しており、ローターブレードの内側部分はローター軸に直角な基準面に対して一定のピッチを有する。
2006511399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚のブレードおよび中央軸を有するほぼ垂直なローター軸、ローター軸から外側に延びて、先端で終わる各ローターブレード、ローターが回転するときローターブレードの各先端が描く軌道で決まる回転面（Ａ）を有するローターよりなり、
回転面（Ａ）がローター軸に直角な基準面（Ｂ）に対して任意の方向に傾斜可能であり、
少なくとも１枚のローターブレードの一部あるいは２枚以上のローターブレードが前記基準面に対してほぼ一定のピッチ角度を有し、
少なくとも１枚のローターブレードの一部あるいは２枚以上のローターブレードが回転面に対してほぼ一定のピッチ角度を有する、揚力を生じるローター。
【請求項２】
回転面（Ａ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４２）を有するローターブレード（１１，１２）の部分がその先端領域にあるブレードの部分であり、かつ前記基準面（Ｂ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４１）を有するブレードの部分がブレードの内側部分である請求項１に記載のローター（１０）。
【請求項３】
ローターブレード（１１，１２）の少なくとも１枚が、前記ローターブレードを長さ方向に捻ることができる可撓性材料からできている請求項２に記載のローター（１０）。
【請求項４】
第１セットのローターブレード（１１）が、ローターブレード（１１）およびローター軸（１８）の両方にほぼ直角なヒンジ軸（４７）を持った第１の可撓的なあるいは回転可能なヒンジ（４６）によってローター軸に接合され、第２セットのローターブレード（１２）が、第１セットに直角に配置されてかつローターブレード（１２）およびローター軸（１８）の両方にほぼ直角なヒンジ軸（４９）を持った第２の可撓的なあるいは回転可能なヒンジ（４８）によってローター軸に接合され、さらに少なくともすべてのローターブレードの内側部分が、ローターが上下あるいは横に傾斜している時、前記基準面（Ｂ）に対して一定のままであるピッチ角度（４１）を有し、なおかつローターブレード（１１，１２）がその先端でローターを取り囲むリング（１５）に接合された請求項３に記載のローター（１０）。
【請求項５】
ローターブレード（１１，１２）が前記基準面（Ｂ）に対して上方に傾斜して、ローターに円錐形状（１６）を与える請求項４に記載のローター（１０）。
【請求項６】
ローターブレードの少なくとも１本が、相互に可撓的であるか又はヒンジ接合（２３）された２つ以上の要素（２１，２２）から構成され、かつ前記ローターブレードの少なくとも１つの要素（２２）が前記基準面（Ｂ）に対してほぼ一定のピッチ角度を有し、なおかつ前記ローターブレードの少なくとも別の１要素（２１）が回転面（Ａ）に対してほぼ一定のピッチ角度を有する請求項１に記載のローター。
【請求項７】
ホバリング中に飛行体を受動的に安定化するための方法で、飛行体が少なくとも１つの、揚力を生じるローター（１０）を使用し、前記ローターが少なくとも２枚のローターブレード（１１，１２）および、中心軸を有するほぼ垂直なローター軸（１８）、ローター軸から外側へ延び先端で終わる各ローターブレード、前記ローターの各先端が、ローターが回転する時に描く軌道で決まる回転面（Ａ）をもつローターから構成されており、
回転面（Ａ）がローター軸に直角な基準面（Ｂ）に対する任意の方向に傾斜可能であるようにローターを順応させ、
飛行体の水平移動によって生じる回転面（Ａ）の傾斜に応じて少なくとも１枚のローターブレード（１１，１２）の外側部分での揚力を増やし、
飛行体の水平移動によって生じる回転面（Ａ）の傾斜に応じて少なくとも１枚のローターブレード（１１，１２）の内側部分での揚力を減ずる手段を含み、これにより、飛行体の速度が落ちるにつれてローターを徐々に傾斜させて水平位置に戻すという各ステップからなる方法。
【請求項８】
ホバリング中に受動的に安定な飛行体で、前記飛行体は請求項１から請求項６に記載の少なくとも１つのローターを含む飛行体。
【請求項９】
請求項８に記載の飛行体で、さらに飛行体の傾斜が制御可能なように対応された手段を含む飛行体。
【請求項１０】
飛行体傾斜の手段が、前記ローターからある水平距離のところで前記飛行体に接合される、制御可能な垂直推力ベクトル（６４）を生じさせる手段である請求項９に記載の飛行体（５０）。
【請求項１１】
請求項９に記載の飛行体（８０）で、飛行体傾斜のための手段が、最初はローター下部に位置した重心をもつことからなり、飛行体の制御された傾斜を可能とするためローターに対して重心を移動させるよう重り（８１）がほぼ水平方向（８２）に制御可能な形で移動する飛行体（８０）。
【請求項１２】
請求項９に記載の飛行体（５０）で、お互い上下に配置された２枚のローター（５２，５４）と、同軸逆回転ローター組立をなす反対方向に回転する前記２枚のローターからなるもので、前記２枚のローターの回転速度（６９，７０）が、横揺れの制御を与えるよう相互に連携して制御可能な形で変えることができる飛行体（５０）。
【請求項１３】
請求項９に記載の飛行体（９０）で、推力ベクトル（９７）を生じさせるために適応され、横揺れの制御を与えるためにローターからある水平距離をおいた所で前記飛行体に横方向に接合される少なくともひとつの手段を含む飛行体（９０）。
【請求項１４】
請求項８から請求項１３に記載の飛行体で、遠隔制御の玩具ヘリコプターかあるいはその他任意の種類のホバリング型玩具飛行体かのどちらかであり、受動的に安定な飛行玩具である飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヘリコプターのような回転翼飛行体に関するもので、特に、受動的に安定なホバリング（空中で一定位置を保つこと）の可能なローター装置に関する。特に、ごく小規模な飛行体にふさわしい同軸ローター装置とそれらを制御する方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ヘリコプターのような回転翼飛行体は、垂直のローター軸まわりに回転して揚力あるいは上向きの推力を生じるローターによって支えられる。推力の方向はローターブレードがローター軸まわりに回転する時に、ブレードの先端が描く軌道によって決まる回転面に対して直角である。
【０００３】
従来のヘリコプターでは、すべてのローターブレードの角度ピッチ（あるいは、略してピッチ）を一括して変えることにより、ローターによる推力全体を変更できた。このピッチは、プロペラ空気動力学の分野で、ブレードとローター軸に直角な基準面との間の外側角（ｌａｔｅｒａｌ  ａｎｇｌｅ）で決まるものである。当該角度は回転に対する接線で測られるものであるので、ローターが傾いても変化はしない。
【０００４】
ローターブレードのピッチを一括変更することによって、ヘリコプターは垂直方向に制御できる。飛行の水平方向は、周期的にブレードのピッチを調節することによって変更できる。周期的にピッチを調節することは、個々のローターブレードがある特定の回転位置での最大値から、その反対側での最小値まで調節されることになる。これが、回転のある部分における揚力を他の部分よりも大きくすることになり、これによって回転面がローター軸に対して傾斜する。このように回転面が傾斜する時、最初の垂直方向推力も傾き、これによってヘリコプターを、下方に傾斜した回転面の方向に引っ張る水平成分が生ずる。
【０００５】
通常、ヘリコプターは、パイロットかあるいはジャイロスコープセンサにより能動的に制御されなくてはならない。各ブレードの角度ピッチを変更し制御するのに必要な手段は、複雑、高価でヘリコプターの重量を増加させる。
【０００６】
個々のブレードを制御しない、一定ピッチのローターは、より単純で、より軽量なヘリコプターあるいは飛行体を可能にする。しかしながら、本来的には一定ピッチのローターはホバリング中には不安定であり、別の制御手段が必要である。ある種の重量移動によって制御される一定ピッチ逆回転ローターを含む一定ピッチローターのついたヘリコプターが数例ある。
【０００７】
特許文献１（米国特許ＵＳＰ０６，１８２，９２３）はローター組立が胴体の長さ方向にスライドでき、同時に、横方向に傾斜できるヘリコプターを公開している。この組み合わせの目的は、ローターからの推力に対する重心を変更し、これにより、望む飛行方向にヘリコプターを傾斜させることである。また、もうひとつの一定ピッチ逆回転同軸ローターヘリコプターが特許文献２（米国特許ＵＳＰ０６，４６０，８０２）に公開されている。このヘリコプターではエンジンを含むローター組立が回転するよう胴体に接合されていて、任意の方向に傾斜させることができ、これにより飛行体を制御するものである。
【０００８】
カマン社（Ｋａｍａｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって設計され、製造された数台のヘリコプターにおいては、ローターブレードの内側部分は上述のローターに類似した一定ピッチを有する一方で、それらは長さ方向に捻ることができる。カマン社製ヘリコプターにおけるローターブレードは、周期的にピッチを変更するためブレードを捻るように改造した「自動制御フラップ」（ｓｅｒｖｏ  ｆｌａｐｓ）によって能動的に制御されて、これにより飛行方向を制御するものである。
【０００９】
一定ピッチローターの飛行体の制御は、また、ローターを通過する空気流を変えるために通気孔（ｖｅｎｔｓ）あるいはスロット（ｓｌｏｔｓ）を操作することにより行える。もうひとつの代替案は４本の別々のプロペラを用いるもので、２本、２本がそれぞれ反対方向に回転し、垂直中心軸に対して対角線上に配置したものである。各プロペラは、最初、飛行体を浮かすのに必要な、均等の垂直方向推力を生み出す。飛行体の片側のプロペラの推力を増やし、反対側のプロペラの推力を減らすことによって、飛行体を望む飛行方向に傾斜させて制御する。このアイデアは１９２０年に実物大の飛行体で初めて実現された。１９９７年に、類似のものだが、ごく小さな玩具の飛行体で、バッテリー駆動で遠隔操作のものが日本のキーエンス社（Ｋｅｙｅｎｃｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって紹介された。
【００１０】
上述の飛行体は単純な設計例であるが、これらは受動的に安定ではないので、熟練したパイロットや操作者が制御する必要がある。これらの多くは風の弱い条件下かあるいは屋内で操縦されている。
【００１１】
ホバリング中に受動的に安定な回転翼からなる玩具飛行体が特許文献３（米国特許ＵＳＰ０５，２９７，７５９）で公開されている。この飛行体は、実際には、大きな飛行ローターのため、制御に限界がある。
【００１２】
もうひとつ別の安定型玩具ヘリコプターが特許文献４（米国特許ＵＳＰ０６，６５９，３９５）に公開されている。この特許ではまた、ヘリコプターについて言及する時、ローターの代わりにプロペラあるいは主プロペラという語を用いている。ここで、あるヘリコプターでは、大型安定板（ｌａｒｇｅ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ  ｂａｒｓ）のついた通常の２枚ブレードローターに良く似たもので、プロペラブレードの先端に取付けられた、異なる種類のリングあるいは弓状安全具（ｓａｆｔｙ  ａｒｃｓ）を利用しており、安定確保のためにはプロペラ全体のピッチ変更を行うジャイロスコープの力に頼っている。弓状安全具の目的は、プロペラの安全確保とは別にあると説明されている。主プロペラが回転している時に、主プロペラが傾き（ブレードの縦軸に対して傾斜する）始めたら、弓状安全具は水平面を動き始める。弓状安全具の重量は、しかしながら、ブレードと平行な中心軸のピボットピンまわりにブレードを旋回させて、主プロペラを平たく真っ直ぐにするジャイロスコープ効果を生む。これは、プロペラが水平レベルを維持し、あるいは水平レベルに戻ることを確保するものである。このヘリコプターにおいて、プロペラブレードは水平面で軸から外側に円錐状にたれることなく延びるとともに、ブレードは捻れたり、あるいは、曲がったりせずに、プロペラ全長に沿ってピッチが変化するよう自由に回転する。
【００１３】
この玩具ヘリコプターの好ましい実施例において、プロペラは、実際、はばたき動作（上下に傾斜する）しないようにされている。この目的はプロペラの回転面を常時、有効に保ち、これによりヘリコプターが揺動状態になったり、あるいは不安定になるのを防ぐことのように思われる。しかしながら、この安定装置には、水平方向の制御の可能性に限界があり、正確な操縦のための余地がない。これは部分的には、プロペラとヘリコプターとが、プロペラを傾けようとする動きに抵抗する共通の１台のジャイロスコープ装置のように作用するという事実による。もし、水平移動を始めて、傾斜させる力がある時間の間ヘリコプターに働いた場合、正確な操縦が困難になり、ヘリコプターを止めるのに、等しく実質的に長い時間がかかるだろうと思われる。
【００１４】
はばたき動作の出来ないブレードを持つ上述の例のようにローター（プロペラ）に付随するもうひとつの問題は、もし、ヘリコプターが実際に外部の力が働いて傾くと、ローターは自重とジャイロスコープ効果のせいで横向きに傾くことである。横方向への傾斜は再び新たに力学上の力を生じさせ、さらに別の方向にローターを傾斜させる。その後、ローターはその安定化手段にもかかわらず、制御できなくなりヘリコプターはその安定性を失う。
【００１５】
上述の特許文献４（米国特許ＵＳＰ０６，６５９，３９５）で公開されているローターの代替設計案では、この数十年間、玩具ヘリコプターに使用されるものに似た円形リングが、ピボット軸（ｐｉｖｏｔｓ）を経由してローターブレードの先端部、あるいはフライバー（ｆｌｙ  ｂａｒｓ）を経由してローター中心に結合されている。これらのローターは多かれ少なかれ、上述のものと同じ原理に従って水平レベルを常時、維持しようとして機能している。これらは好ましい実施例と同様の限界点を有しているものと思われている。
【００１６】
多くの状況と応用においては、たとえ、前進速度の高速化や強風条件下で操縦できる能力を犠牲にしてでも、どんな形にせよ能動的な安定化を一切行わずとも、安定的である飛行体を持つことが望ましいだろう。
【００１７】
この背景により、ローターがこの種の安定性を可能にする必要性があると認められる。ローターはまた、周囲の空気に対して飛行体を一定位置に受動的に保てるべきである。最終的に、ローターは完全な水平制御への余地を残して、かつ正確に操縦することができるようにすべきである。
【特許文献１】米国特許  ＵＳＰ０６，１８２，９２３
【特許文献２】米国特許  ＵＳＰ０６，４６０，８０２
【特許文献３】米国特許  ＵＳＰ０５，２９７，７５９
【特許文献４】米国特許  ＵＳＰ０６，６５９，３９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、受動的に安定な回転翼飛行体に関する必要性を満足させることを目的として、単純な設計からなるローターを公開するもので、この設計はこのような飛行体の製造を可能にする。さらに、このローターは無駄のない軽量でかつ操作しやすい、理想的な遠隔操作の小型電動飛行体である逆回転同軸ローター装置に利用できる。
【００１９】
本発明で公開されるローターは、ローターが回転してある一定の基準面がローター軸に直角である時に、ローターブレードの先端が描く軌道によって決まる回転面を有する。本ローターは、受動的に安定なホバリングを含めて、飛行体に安定して持続する飛行を可能にさせるために必要な揚力を発生させることができる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の好ましい実施例では、ローターブレードは２枚のペアあるいはセットで用意された４枚のローターブレードからなる。これらのローターブレードは２つの中央部品に固定されるが、そのうち２枚のローターブレードはそれぞれ反対方向に延びて上部中央部品に固定され、もう２枚のローターブレードは最初のものと９０度の方向をなして、下部中央部品に固定される。それらはその先端でローター全体を取り囲むリングに固定される。ブレードは事前に決められたピッチで取付けられ、これらはローターが円錐形状をなすよう上方に傾斜している。各直交方向の中央部品は別々にヒンジ接合され、かつローターブレードの長さ方向に直角なヒンジ軸を伴った垂直ローター軸に接合される。ヒンジ接合はローター軸からのトルクでローターを回転させることを可能にし、同時に、ローターブレードの各セットに、はばたく（斜め上下動）ことを許すものである。しかしながら、ローターブレードすべての内側部分のピッチは、ローターが傾いている場合にも一定のままである。すべてのローターを取り囲むリングは、定義上、回転面内にあり、ローターブレードの先端がリングに固定されているので、それらの回転面についてのピッチ角度もまた固定される。このことは、回転面が傾く時に、ローターブレードは可撓性がなければならず、かつ長さ方向まわりに捻れなくてはならないことを意味する。
【００２１】
本発明は、安定性およびローターの動作を両方一緒に制御するための３つの異なる機能手段をよりどころとしている。
【００２２】
まず第１に、ローターブレードの各セットとローター軸との間のヒンジ接合が、可撓性のあるブレードと一緒に回転面を、ほぼ自由に基準面に対して任意の方向に傾斜させることを可能にすることである。
【００２３】
第２に、一部のローターブレードに基準面に対して一定ピッチを持たせることによって、ローターが、ローター軸及び飛行体に対して安定になっていることである。もし、ローターおよび回転面が傾いた場合には、ブレードは回転しながら上下の軌道を実際に描き、異なる回転部分では違う揚力を生じ、これにより、ローターは傾いて当初の位置に戻る。
【００２４】
第３に、水平に移動するローターでは、ローターブレードが回転している場所に応じた別々の相対的な対気速度を有していることである。ブレードが移動方向と同じ方向で前方に回転する場合の回転部分では、相対対気速度は増す。増した速度により、ローターを傾け始めようとする、あるいはもっと正確には回転面を前上方に傾けようとする揚力が増す。回転面が傾斜する場合に、垂直方向の推力もまた傾き、動きに逆らうように作用し、その動きを止めようとする水平成分が生ずる。回転面に対して一定ピッチであることは、傾こうとする傾向を増大させ、周囲の空気のわずかな動きでも確実に回転面を傾けさせるので重要である。
【００２５】
この傾斜傾向の増大は実際問題、ヘリコプターのローターの通常望まれる動作とは逆であり、実現可能な最大前進速度に限界をもたらす。この動きが止まるとき、ローター軸まわりでローターを安定にする第２手段がローターを再び最初の位置に戻す。
【００２６】
本発明のもうひとつの実施例では、同じ安定化効果が、ローターブレードを可撓的に曲がるかあるいは相互にヒンジ接合された２つの部分から構成することで得られることを開示している。ブレードの一部はローターに対して一定ピッチの角度をもち、もうひとつの部分はローターの大まかな動き（および回転面）に追随する。
【００２７】
本発明はまた、同軸の逆回転ローターを利用して、ホバリング中に受動的に安定で、前進飛行が可能な飛行体を明らかにしている。水平飛行は、重心の移動あるいは飛行体後部の小さなプロペラによる垂直方向推力によって飛行体全体を傾けることによってなされる。横揺れ（回転）時に飛行体を制御する手段と方法もまた明らかにされている。最後に、特別な目的あるいは操作に従った代替飛行体案について言及している。
【発明の効果】
【００２８】
たとえ、本発明の特徴が飛行体とヘリコプターに関連しているとしても、本発明は他の多くの応用分野において有益となろう。本発明は、あらゆる応用分野において、各部が電気的にせよ手動にせよいかなる能動的な制御も必要としないで、ホバリング中の安定を確保すべきである場合に、有利に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下では、本発明について検討し、添付図面を参照しながら好ましい実施例について説明する。いくつかの代替実施例について説明するが、熟練技術者が実現する別の応用類例や修正類例はここに包含される個々の請求項で明確にした通りの本発明の範囲内にある。
【００３０】
図１および図２には、本発明によるローターに関する好ましい実施例を示す。これは、屋内あるいは弱風の条件下で、自由に或いは遠隔操作で飛行する小型の飛行体に最適なものである。ローターは、ローターが回転する時にローターブレードの先端が描く軌道によって決まる回転面およびローター軸に直角な固定基準面を有している。
【００３１】
ローター（１０）は２つのペアあるいはセットにされた、４枚のカーブのついた薄板の、翼の形状をしたローターブレードからなる。この翼は容易に捻れて、かつ長さ方向の強度を維持できるローターブレードが得られるように選ばれる。このような開断面は極めて低い捻れ剛性を有するものとして知られており、ブレードが曲がったりあるいは壊れたりしないまま、ブレードの一端を回転させたりあるいは他端に対して捻れることを許容する。
【００３２】
ローターブレード（１１，１１，１２，１２）は２つの中央部品に固定され、２枚のローターブレード（１１，１１）はそれぞれ反対方向に拡がって上部中央部品（１３）に固定され、さらに残りのローターブレード（１２，１２）は最初のものと９０度の角度をなして下部中央部品（１４）に固定される。それらの先端で、ローターブレードはローター全体を取り囲むリング（１５）に固定される。ブレードは約２０度の予め決められたピッチの角度で取付けられており、それらは上方に６〜１２度（１６）傾いて円錐状にローターを構成している。
【００３３】
直交する中央部品（１３，１４）は別々に独立しており、垂直方向のローター軸（１８）にピン（１７，１９）を経由してヒンジ接合されている。ローター軸（１８）は最初に水平に位置する中央部品内の穴を貫通して伸び、穴は中央部品をそれらのヒンジ軸まわりに傾斜させうるだけの大きさを有している。ヒンジ軸は各ローターブレード（１１，１２）に直角であり、このヒンジ接合はローター軸（１８）からのトルクによりローター（１０）を回転させると同時に、ローターの各セットをはばたかせる（長さ方向で上下に傾かせる）ことを可能にする。
【００３４】
図５を参照してヒンジ、ヒンジ軸および一定ピッチに関する詳細を説明する。図５ａではその最初の位置にあるローターを示し、図５ｂでは傾いた位置でのローターを示す。傾斜可能な回転面が（Ａ）で、また固定基準面は（Ｂ）で記入されている。
【００３５】
ヒンジ（４６，４８）は図１、図２，および図３のようなピボットピン（１７，１９）か、あるいはある種の可撓性材料のいずれかで構成する任意の種類のヒンジでよい。ヒンジ軸（４７，４９）の向きはローターブレードの各セットのそれぞれと直角をなすことが必須であるが、それはそれとして、ヒンジ（４６，４８）はどのような種類のヒンジでも良い。しかしながら、ヒンジの内部摩擦あるいは固さは、ローター（１０）とローター軸（１８）との間に望まれない機械的な力を生じさせないようできるだけ小さくすべきである。ローターが自由に傾斜できるように、ヒンジ軸（４７，４９）の垂直位置が、ローターブレード（１１，１２）とおおよそ一列に並んでいることが重要である。もし、ヒンジ軸（４７，４９）がローターの下部に配置されると、ローターブレード（１１，１２）は捻れることができるだけで、曲がることはできないので、ローターの固定円錐形状のせいで自由な傾斜が制限される。
【００３６】
両ヒンジ（４６，４８）はハブ（４５）を経由してローター軸に接合される。ハブ（４５）は１セットの可撓性のあるヒンジかあるいは１セットのピボットピンのどちらを保持しても良いが、どのような種類のヒンジが使用されるかによって決まる。
【００３７】
ローターブレードの第１セット（１１）と連結された第１ヒンジ軸（４７）およびローターブレードの第２セット（１２）と連結された第１ヒンジ軸（４９）は、お互いに直角方向を向いている。それ故、回転中の任意の点で、いずれか１セット分のブレードが第１方向に傾斜する（先端が上下に動く）ことが可能となり、先端すべてがリング（１５）に固定されているので、残りのセットのブレードはこの傾斜の動きに順応するよう捻れなくてはならなくなる。図５ｂでは、ローターブレードの第２セット（１２）が捻れている一方で、第１セット（１１）は傾斜している。しかしながら、ローターブレードの第２セット（１２）はブレードが捻れているけれども、まだ自由に傾く余地があり、また、第１セットのブレード（１１）はこの第２の傾斜の動きに順応するよう捻れなくてはならない。各セットのローターブレードが独立して傾斜できるので、また、すべてのローターブレードが捻れることができるので、この組み合わせにより、ローター（１０）および回転面（Ａ）を、基準面（Ｂ）に対する任意の方向に傾斜できるようになる。回転面（Ａ）の任意の傾斜方向は、このように、同時に傾斜も捻れもするブレードを含めて、傾斜するブレードと捻れるブレードの組み合わせからなる。
【００３８】
ブレードは回転面（Ａ）の傾斜方向に順応するために捻れることを強いられるので、ブレードの内側部分のピッチ（４１）およびブレードの外側部分のピッチ（４２）は回転中、お互いに対して変化する。ブレードの内側部分のピッチ（４１）が基準面（Ｂ）に対して変わらず維持され、一方で、先端のピッチ（４２）が現在傾斜している回転面（Ａ）に対して変わらずに維持される。回転面（Ａ）がこのように傾斜する場合、各ローターブレード（１１，１２）はローターが回転するにつれ、傾斜と捻れの繰り返しを実際に受ける（上方への傾斜、反時計廻りの捻れ、下方への傾斜、時計廻りの捻れ）。
【００３９】
本発明はローターの安定性と動作を制御する３つの異なる手段に頼るものである。上述のローター１０はその受動的安定性を同じローターにおけるこれらの手段すべてを組み合わせて得るものである。
【００４０】
第１に、回転面（Ａ）は基準面（Ｂ）に対して任意の方向に傾斜可能である。
【００４１】
第２に、ローターブレード（１１，１２）の一部は基準面（Ｂ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４１）を有する。
【００４２】
第３に、ローターブレード（１１，１２）の一部は回転面（Ａ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４２）を有する。
【００４３】
ここで、ローターを受動的に安定にする理由と方法をより詳細に説明する。
【００４４】
第１に、回転面（Ａ）は基準面（Ｂ）に対する任意の方向に傾斜可能であるということである。ローター（１０）は、上述のように、ローターブレード（１１，１２）とリング（１５）の重量のせいでジャイロスコープの力による影響を受ける。ジャイロスコープの歳差運動の効果により、このローターのような回転物は傾斜する力を受ける時、横方向に傾く。もし、ローター（１０）がローター軸（１８）にもっと剛的に接合されていて、かつ空気動力学的な力がそれを軸に対して傾斜させようとしたならば、それを元に戻そうとする接合部からの機械的な力を受けるであろう。ジャイロスコープの歳差運動のせいで、ローターは実際に、それを元に戻そうとして最初の力に対して横方向に傾きはじめようとする。横方向への傾斜はまた新たな機械的な力を生み、ローターをまたまた別の方向に傾斜させようとする。ローターは容易に制御不能となってしまう。
【００４５】
ジャイロスコープの歳差運動に関する検討から分かることは、本発明のローター（１０）がほぼ一定した幾何形状を有するので、重要かつ必要な特徴のひとつは基準面（Ｂ）に対して任意の方向にほぼ自由に傾斜できるということである。この点は勿論、ローター（１０）とローター軸（１８）の間に何らかの機械的な力が生ずる可能性を減らし、いかなる揺動をも防ぐものである。
【００４６】
第２に、ローターブレード（１１，１２）の一部は、基準面（Ｂ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４１）を有しているということである。ローターは任意の方向に傾くことが可能であるので、これを安定化させることが必要不可欠である。ローター（１０）はローター軸（１８）に対して安定している。ローターはローター軸（１８）に対して安定しているので、ローター軸（１８）を傾けるかあるいはそのようなローターを採用している飛行体によって正確にローター（１０）を制御できる。飛行体の制御についてはのちほどさらに詳細に述べる。
【００４７】
ローター軸（１８）に関する安定性は、ローター（１０）は移動していないものと仮定して説明されている。しかしながら、安定化効果は移動するローターにおけるものと同じである。移動するローターでは次に述べるような別の影響もまたローターブレードに作用する。
【００４８】
もし、ローター（１０）が傾斜したとするなら、その内側部分、基準面（Ｂ）に対してほぼ一定ピッチ（４１）のブレードの部分は、回転面がその一番高い位置に向かう時、揚力を減らすであろうし、それに応じて反対側では揚力が増すであろう。これはブレードが傾斜した軌道に沿って回転しそれにつれて実際に角度を変え、つまり、揚力も変えるにつれて、基準面（Ｂ）に対して上下に動くと見られることができるためである。最高上昇速度および、それ故最低揚力もまた、ブレードが最高位置に達する前の９０度回転時に生じる。最大揚力は反対側で生じ、最低位置に達する前の９０度回転時に生じる。
【００４９】
上述のジャイロスコープの歳差運動により、ローター（１０）は揚力の差によって、これが無い場合に考えられる横方向にではなく、その最初の位置に戻って傾く。
【００５０】
第３に、ローターブレード（１１，１２）の一部は回転面（Ａ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４２）を有することである。ホバリング中の受動的安定性を実現するために、ローター（１０）はその周辺の空気に対するどんな動きにも逆らうよう作用する。水平に移動するローターでは、ローターブレードは回転に伴って異なる相対的な対気速度を有する。ブレードが動き（前進ブレード）として同じ方向に前進回転する回転の部分では、相対対気速度は反対側（後退ブレード）のものよりも速い。
【００５１】
最高相対速度、つまり、最高揚力もまた前進するブレードが前方移動方向に直角な横側に突き出る点で生ずることは明らかである。増えた揚力により回転面（Ａ）が傾き始める。ジャイロスコープの歳差運動のせいで、前進するブレードの増えた揚力は回転面（Ａ）を横側方向でなく、前方で上方に傾斜させる。
【００５２】
ローター（１０）の重要で欠かせない特徴は水平移動に対する応答として前面上方向に傾斜するこの傾向がさらに増すという点である。この特徴はローターブレードがローターブレード（１１，１２）の外側部分が回転面（Ａ）に対してほぼ一定のピッチ角度（４２）を持つよう捻れることによって行われる。もし、ローター（１０）が前面上方に傾斜するならば、横側に突き出るローターブレードの内側部分のピッチ（４１）は変化しないのに、ブレードに沿うピッチは、先端でそれらが現在傾斜している回転面（Ａ）に対する最初のピッチ（４２）になるまで追随するであろう。従来の一定ピッチローターに比べると、このことが本発明のローター（１０）に前進するブレードの揚力をさらに増し、後退ブレードの揚力をさらに減らす能力を与えるため、従って傾斜量が増えるのである。
【００５３】
最初に、ローター（１０）は、直接上方を向く推力をもつ。回転面（Ａ）は傾斜を始める時、推力がまた傾斜し、これにより、これを止めるように動きに逆らって作用する水平成分が生じる。円錐形（１６）のローター（１０）は、回転の前面部分にある時、ローターブレード（１１，１２）の揚力も増してこの傾斜傾向に寄与する。ローター（１０）は実際に、極めて遅い水平速度で傾斜を始めて、ローター軸（１８）が垂直に保たれる限り、ローターを周辺空気に対して実質的に一定位置に保つ。
【００５４】
任意の水平方向の移動に反応して傾斜させる増加した能力がこのローター（１０）を他のローターと違って特色づける点である。これは、実際、通常、望まれるヘリコプターローターの動作とは反対である。現状で既知の他のどんなローターも、本発明のローター（１０）と同じように傾斜して、周囲の空気に対して動きに逆らって作用するとは思われない。
【００５５】
ローター（１０）が水平に移動するとき、回転面（Ａ）が基準面（Ｂ）と線上に並ぼうとして、ローター軸（１８）に対してそれを安定化する第２の手段がやはり有効である。しかしながら、増加する傾斜傾向が支配的要因で、前進可能な最高速度を制限する。動きが鈍化する時、ローター軸（１８）に対するローター（１０）の安定性が、徐々にローターと回転面（Ａ）を基準面（Ｂ）に平行な水平レベルに戻す。
【００５６】
図１に示すローター（１０）では、水平移動に応じた上方に傾斜する能力に比べて、ローター軸（１８）に対する安定性の相対的な重要性は、前記ローターを採用する飛行体全体の幾何形状および重量とともに、ローターの回転速度、円錐の角度、重量、ローターブレード（１１，１２）の形状、剛性とによって、そしてこれらを取り囲むリング（１５）によって影響される。これらの要因はホバリング中の受動的安定性を得るようお互いに対して最適化されなくてはならない。
【００５７】
経験がそれを示した。遅い回転速度は、概して、より広く、そして先端でよりも根元で５０％から８０％も広くなるというローターブレードを必要とする。遅い回転速度はまた、もっと先端が重いローターブレードあるいはそれらを取り囲むリングを必要とする。周辺空気に対する高度な安定性は、より深い円錐化および長さ方向にたやすく捻れるローターブレードを必要とする。もし、水平移動に応じて上方に傾斜する能力に過度な優先度が与えられると、前進飛行に入ることやあるいは強風下で操作することが困難となるであろう。そのような場合には設計のある部分を変更したり、あるいは望まれる動作を維持するようパラメーターを操作することが必要となる。
【００５８】
ローターブレード（１１，１２）を取り囲むリング（１５）には３つの目的がある。第１に、ローターブレード（１１，１２）の外側部分のピッチ（４２）がローター（１０）の回転面に対して一定となるようローターブレードを支えることである。リングは当然、回転面内にある。第２に、運転中にローターブレード（１１，１２）の中あるいはその中間に異物が入るのを防いでローター（１０）を保護することである。第３に、固有の重量を利用するリング（１５）が遅い回転スピードでもローター（１０）の良好なジャイロスコープ的安定性を確保することである。
【００５９】
しかしながら、リング（１５）の様々な目的にもかかわらず、このようなリングの使用が本発明をなんら制限しない点に気付くことは重要である。周囲のリング無しでも機能するローターブレードつきのローターの設計を、本発明の少なくともあるひとつ請求項に従って行うことは可能である。
【００６０】
図４を参照して、ローターブレードの別の実施例が示されている。ローターブレードは２つの要素からなっている。ローターの残りの部分に対して一定ピッチを持った第１の要素（２１）（以下に説明される）、および第１の要素へ可撓的にあるいはヒンジ（２３）にて接合された第２の要素（２２）である。接合の目的は第１の要素（２１）と第２の要素（２２）を一列に並べることであり、同時に、２つの要素（２１，２２）にお互いに対してそれらのピッチを変えることができるようにすることである。接合はできるだけ摩擦あるいは固さが無いようにするべきである。  
【００６１】
第１の要素（２１）は一つの中央部品であるハブ（２４）に固定される。ハブ（２４）はローターにおけるすべてのローターブレードを保持する。最初に、ローターは、ハブ（２４）から延び、少し上方に傾斜したローターブレードである第１要素（２１）を持った固定形状のローターとして見ることができる。第１要素（２１）の後縁で、第２要素（２２）が接合されている。第２要素（２２）は、第１要素（２１）と同じ長さを有している。ハブ（２４）はジンバル（常平架；ｇｉｍｂａｌｓ）（２５）によってローター軸（２６）に接合されて、ローターを任意の方向に傾斜させることができる（回転面が基準面に対して任意の方向に傾斜できる）。第２要素（２２）は基準面およびローター軸（２６）に対しておおよそ一定のピッチを有する。これは第２要素（２２）の内側後端を小さなジンバル（２８）でリンク（２７）に接合することによって行われる。リンク（２７）はローター軸（２６）に平行であり、ローターブレードから下方に延び、２つの要素（２１，２２）間のヒンジ軸の背後へ、ある水平距離をおいて配置されている。下端部で、リンク（２７）は再び小さなジンバル（２８）でローター軸（２６）から外側へ水平に延びるバー（２９）に接合されている。
【００６２】
リンク（２７）の上部とローターブレードの第２要素（２２）を接合する上部の小型ジンバル（２８）は、ローター軸（２６）を貫通する軸上に、ローターブレード（２１，２２）の縦軸、およびローター軸（２６）の両軸に直角に配置される。これにより、ローターブレードは、第２要素（２２）のいかなる相対的な動き無しに上下に傾くことができる。しかしながら、もし、ローターが別の方向（上述の第１の実施例において、ローターブレードが捻れた方向）に傾斜するならば、その後端での第２要素（２２）が上下に動くのを防ぐ一方で、第１要素（２１）はローターの残りの部分と一緒に傾斜し、それ故、その代わりに基準面とローター軸（２６）に対するピッチがほとんど変わらないように保つ。２つの要素（２１，２２）からなる翼の形状はこの傾斜の動きの結果として実際に変化する。
【００６３】
図４におけるローターブレードを調査し、上記検討を続ける場合、これらのローターブレードからなるローターは図３に示す第１の実施例と同じ原理に沿って機能し、これによりホバリング中の受動的に安定な持続的飛行が可能になると理解できる。また、このローターはその周囲にあるリングの存在に関係なく機能することも理解できる。このローターブレードのもうひとつの重要な特徴は、２，３，４そして５枚のブレードつきローターに対して同じように機能するということである。熟練技術者がこの実施例の修正例や変型例を実現してもそれは本発明の範囲内である。
【００６４】
本発明はまた、同軸の逆回転ローターを有する別の飛行体を公開している。これらはホバリング中、受動的に安定で低速での前進飛行が可能である。安定したホバリングは飛行体の操作と制御を極めて単純にする。同軸逆回転ローターは非常にパワーに無駄がないことに加えて、ジャイロスコープ的なあるいは空気動力学的ないずれの効果も、制御の単純化だけでなくお互いにバランスを取り合う傾向にあるという利点も有する。傾斜可能なローターの固定された幾何形状もまた、ローターブレードを個別にはばたかせたり、あるいはその先行／遅れ（前方および後方へ）をとる必要を減らしたりする上、さらに飛行体の振動も無くする。
【００６５】
図６を参照すると本発明による飛行体（５０）の好ましい実施例が示されている。これは同軸の逆回転ローターを有する、電動で遠隔操作の小型ヘリコプターのような飛行体（５０）である。同軸ローター組立は上記記述で検討された第１実施例で開示されているものに類似した２つのローター（５２，５４）からなっている。２本のローターは、上部ローター（５２）用の内部軸（５１）および、下部ローター（５４）用の外部軸（５３）を利用してお互い上下に配置される。このローター組立の主たる利点は、それが後部ローターによるロータートルクの反作用を全く必要としないという点にある。反対方向（６９，７０）に回転するこの２本のローターは相互にバランスを取り合い、これにより、すべてのパワーが揚力を生むことに向けられる。飛行体が実質的に重いバッテリー（５５）を載せて運ぶので、ローター組立は非常に効率が良いということ、そして好ましくは、炭素繊維積層板あるいは同様の軽量材料で製造され飛行体全体の重量が軽いということが大切である。
【００６６】
飛行体（５０）は、操作者がコントロールスティック（図示せず）のついた送信器を用いて飛行体に搭載された受信器（５６）に制御信号を送ることで遠隔制御される。制御信号は順番に、主ローター組立駆動用の２つの電気モーター（５８）および（５９）に電気的に接続された電気速度調整器（５７）、および飛行体を傾斜させるため使用される推進プロペラ（６１）駆動用のひとつの小型電気モーター（６０）を制御する。すべての電気機器およびモーターは市販されており、従来技術とみなされる。ふたつの主モーター（５８，５９）は飛行体（５０）前面に並べて配置される。制御用小型推進プロペラ（６１）は、飛行体（５０）の主本体（６３）から後方に水平に延びる２本のロッド（６２）の間に配置される。このプロペラは、ローター軸およびローターを含めて、飛行体全体を傾斜させるよう作用することができる垂直推進ベクトル（６４）を与えるために水平に向けられる。飛行体（５０）は、地上にいる間は主本体（６３）から下方に延びる４本の伸縮可能な脚（６５）によって支えられる。
【００６７】
主電気モーター（５８，５９）はローター軸上にある大径の回転輪（６６）およびモーター軸上にある小径の回転輪（６７）からなる減速器を経由してローター軸（５１，５３）に接続され、この小径回転輪が十分な強度のゴムバンド（６８）を経由して大径回転輪を駆動する。２個の大径回転輪（６６）は、外側軸（５３）に接続された上部輪および内側軸（５１）に接続された下部輪とが一緒に近接して位置する。主ローターを駆動する２個のモーター（５８，５９）は反対方向になるが、同じ量のトルク出力を有する。モーター速度が増すに従いローター速度が増える時に推力が飛行体をついに浮上させることになる。
【００６８】
この飛行体の制御は極めて簡単である。
【００６９】
垂直には飛行体（５０）は２本の主ローターの速度（６９）および（７０）で制御される。上昇するために速度を上げると、これによってローター組立からの推力が増す。下降するには、速度を減らす。反対方向へローターを駆動するトルクは均衡するし、また飛行体は受動的に安定であるので、その他の制御入力は一切必要ない。
【００７０】
飛行体（５０）を左右に回転させる横揺れの制御は、単純にあるローターの速度（６９）を増し、他のローターの速度（７０）を同じ量だけ減ずることで行われる。飛行体（５０）はその後、速度が増したローターと反対方向に回転する。
【００７１】
水平には、飛行体（５０）は前方および後方に制御されるだけである。前進飛行に入るには飛行体（５０）の背後に位置する小型推進プロペラ（６１）の速度を増やす。このプロペラからの垂直推力（６４）はローター軸および主ローター組立を含めて飛行体全体を傾ける作用をする。ローターはほぼ自由に傾くことができるので、飛行体をローターに対して傾けるのも容易である。軸に対するローターの安定性はローターが飛行体（５０）と一緒に傾くということを確実にし、これにより主ローターからの全体推力に飛行体（５０）を前方に推進する水平成分が生じる。同じだが反対の作用が後方へ飛行体（５０）を推進する。もし、小型推進プロペラが実際にそれ自身が本発明による小型安定ローターであるならば、飛行体は横揺れ中、受動的にも安定であり得る。すなわち、もし、飛行体が回転し始めるならば、背後にある小型ローターが傾き、そしてそれからの当初の垂直推力が回転と逆に作用する水平成分を生む。
【００７２】
水平移動に逆らうローター固有の抵抗故に、最大到達速度には限界がある。飛行体（５０）を横に向けるためには飛行体をまず回転させることが必要で、然る後に望まれる方向の前進飛行に入ればよい。
【００７３】
全体としてみれば、飛行体（５０）操作におけるこれらの垂直、前方／後方そして横揺れ（機首の向き）の３方向の制御が極めて容易で直感的な方法であることに納得がいく。そして恐らく、この飛行体の存在の最大の特徴は、操作者が飛行中に、もし、飛行体の制御を失ったとしても、操作者はコントロールスティックをニュートラルの位置に戻して解除するだけで良く、飛行体（５０）は自力で停止し、安定なホバリング状態になることである。
【００７４】
本発明のその他の実施例類も実現できる。図７を参照すると代替飛行体（８０）案を見ることができる。これは前述のものに大変類似していて、その違いについてのみ説明する。飛行体後部に位置する小さな推進プロペラを有する代わりに、この飛行体は重りの移動によって飛行体を傾斜させることができる。飛行体の、分離した実質的に重い部分は、この場合ではそのバッテリー（８１）部は、受信器に電気的に接続されたサーボアクチュエータ（８３）によって制御可能状態で水平方向（８２）に移動させることができる。バッテリー（８１）の移動はローター組立に対する重心位置を変え、これにより、水平飛行を開始して持続させるよう飛行体（８０）とローター組立を傾斜させる。この飛行体は極めて単純であるが、それでも推進プロペラを用いる好ましい具体例の場合より少しだけ多くの電気機械部品を必要とする。飛行体を操作するための原理についてそれ以外は、前述のものと同じである。
【００７５】
本発明のもうひとつの実施例を図８に示す。この代替飛行体（９０）も前述のものに全く類似しているけれども、この両方の主ローターは小さな二重回転輪（９２）のついたより大きなひとつの電気モーター（９１）により駆動する。２本の駆動ゴムバンドの１本は、反対方向にローターが回転するように捻れている（９３）。両ローターは、今度は同じ速度で常に回転するので、横揺れの制御は他の手段によって提供される。飛行体（９０）の後部で、一つだった推進プロペラは、垂直（９６）および水平（９７）の両方の推進を提供するよう直交方向に向いている２枚のプロペラ（９４）、（９５）に置き換えられる。上述と同じ方法で垂直成分は飛行体（９０）を傾斜させるために使用され、水平成分は横揺れの制御を与えるために使用される。
【００７６】
本発明実施例の他の修正例が考えられる。説明されたすべての飛行体については、前進飛行に加えて横方向飛行も、飛行体を横方向に傾斜させる手段を利用することによって行うことができる。さらに、推力の発生手段は小さなプロペラ、噴射あるいは推力を発生させることの可能な任意の組み合わせで良い。水平飛行を得るための推力を発生させる手段はローター組立の近くに配置でき、望まれる方向に飛行体を推進する水平推進ベクトルを発生する。さらに別の実施例では、やはり横揺れに受動的安定をもたらす、前に述べたキーエンス社のもののような４枚のローターが飛行体のプロペラの代わりに用いられる。本発明のローターは従来のヘリコプターにおける能動的なサイクリックピッチ制御と組み合わせて実現できて、そしてもし必要ならヘリコプターは、受動的に安定なホバリング状態かあるいはある種の絶対安全な状態に入ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
たとえ、本発明の特徴が飛行体とヘリコプターに関連しているとしても、本発明は他の多くの応用分野において有益となろう。実は、本発明は、あらゆる応用分野において、各部が電気的にせよ手動にせよいかなる能動的な制御も必要としないで、ホバリング中の安定を確保すべきである場合に、有利に利用できる。このような応用例の実例はありえる。広告目的としては、飛行体がステッカー、垂れ幕、旗、ロゴや展示幕などを運ぶ場合が挙げられる。その他、飛行体がビデオカメラを含むひとそろいのセンサ類を積んでいる場合のあらゆる調査類、マイクロフォンやカメラを運ぶ映画やテレビ製作、ただ風と一緒に受動的に漂うだけで１組のセンサが設けられた飛行体を利用する環境上や測量上の任意の種類のデータ収集、遠隔操作か自由飛行のあらゆる種類の飛行玩具、大規模な場合では様々な種類の吊り上げ作戦や警察および軍事作戦、等を挙げることができる。
【００７８】
本発明の好ましい実施例が説明されるとともに、いくらかの代替案が提案された一方で、熟練技術者であれば、本発明の考え方から大きく分かれることなく、その他の変更を本発明の実施例に加えることができると認められる。それ故、本発明は公開された特定の実施例に限定されず、添付の独立した請求項に明記される本発明の範囲と意図に含まれる任意の修正を含むということが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】４枚ブレードローターの透視図である。
【図２】ａおよびｂは図１のローターの側面図であり、水平および傾斜した位置でのローターを示している。
【図３】ａは長さ軸に沿い捻れることのできるローターブレードの平面図で、ｂは背面図、ｃは側面図である。
【図４】ａは２つの接合部品を含むローターブレードの平面図、ｂは背面図、ｃおよびｄは側面図である。
【図５】ａおよびｂは水平および傾斜位置での、４枚ブレード付きローターの側面図である。
【図６】同軸ローター組立および制御用垂直推進プロペラを伴う飛行体の透視図である。
【図７】本発明の代替実施例を採用する飛行体の透視図である。
【図８】本発明の別の代替実施例を採用する飛行体の透視図である。
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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