(57)【要約】【課題】  安全性に優れる飛行装置用モータユニットと飛行装置を提供する。【解決手段】  ブラシレスモータには、軸方向に並ぶ複数のステータと、これら複数のステータに対して回転するように支持されたロータと、ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、ステータ毎に巻かれた巻線コイルと、口ータに固定された磁石とを備える。また、駆動装置には、複数あるステータに応じた数の電子制御回路を備える。このようにしたブラシレスモータとその駆動装置とで飛行装置用モータユニットを構成し、飛行装置に搭載する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスモータと該ブラシレスモータの駆動装置とで構成される飛行装置用のモータユニットにおいて、
前記ブラシレスモータは、軸方向に並ぶ複数のステータと、これら複数のステータに対して回転するように支持されたロータと、前記ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、前記ステータ毎に巻かれた巻線コイルと、前記口ータに固定された磁石とを備え、
前記駆動装置は、前記ステータに応じた数の電子制御回路を備えることを特徴とする飛行装置用モータユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の飛行装置用モータユニットを搭載し、
前記ドライブシャフトに取り付けたプロペラを回転させて空中を飛行するものであることを特徴とする飛行装置。
【請求項３】
前記プロペラと前記飛行装置用モータユニットを３台以上搭載したマルチコプターであることを特徴とする請求項２記載の飛行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行装置用モータユニット及び、このモータユニットを駆動源とする飛行装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電動モータでプロペラを回転させて空中を飛行する装置として、無線操縦式のヘリコプターや飛行機、有人小型のグライダー機などがある。また、近年、複数のプロペラをバランスよく回転させることによって飛行するマルチコプターの開発が盛んに行われている。このマルチコプターは、例えば特許文献１に開示されているものがある。
【０００３】
特許文献２には、飛行装置の駆動源として適用するのに好ましい電動モータの構造が開示されている。この電動モータは、軸方向に複数のステータを配置した構造によって、比較的小さな径サイズでも大きな出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録第３１９７６８４号公報
【特許文献２】特許第５８９１５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電動モータでプロペラを回転させて空中を飛行する装置においては、電動モータの故障などによって全てのプロペラが停止に至った場合、当然ながら安全上大きな問題である。また、特許文献１などに開示されているマルチコプターにおいて、何らかのトラブルによって、複数あるうちの一組の電動モータとプロペラが停止した場合にも安全上問題がある。マルチコプターは隣接するモータのロータの回転方向を逆にすることで、回転反作用を打ち消しあってバランスを取っているため、１つのプロペラが停止した場合、そのままではバランスが取れなくなるためである。
【０００６】
引用文献２に開示されているモータは、軸方向に複数のステータを配置して巻線コイルを並列に接続しているので、何れかの巻線コイルが断線した場合であっても、直ちにモータが停止する可能性が低く、飛行装置に使用した場合の安全性に優れているといえるが、駆動装置の制御回路内の半導体素子の１つでも不具合が発生した場合には、モータの駆動は全く困難になる。したがって、飛行装置に用いる場合の安全性をより高めるために、更なる工夫が望まれる。
【０００７】
以上の事情を鑑み、本発明は、飛行装置の落下などの最悪な不具合を未然に防ぐことができる飛行装置用モータユニットと飛行装置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】
上記課題を解決するための一手段は、ブラシレスモータとブラシレスモータの駆動装置とで飛行装置用のモータユニットを構成した。また、このモータユニットを搭載して、プロペラの駆動源とした飛行装置を構成した。ブラシレスモータは、軸方向に並ぶ複数のステータと、これら複数のステータに対して回転するように支持されたロータと、このロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、ステータ毎に巻かれた巻線コイルと、口ータに固定された磁石とを備える。また、駆動装置はステータに応じた数の電子制御回路を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、安全性に優れる飛行装置用モータユニットと飛行装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本願発明の実施の形態に係わる飛行装置用モータユニットの構成図である。
【図２】従来の実施の形態に係わる回路図である。
【図３】本願発明の実施の形態に係わる回路図である。
【図４】本願発明の実施の形態に係わるマルチコプターを簡易的に示す斜視図である。
【図５】本願発明の実施の形態に係わる制御のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施の形態の特徴の一つは、ブラシレスモータとその駆動装置とで構成される飛行装置用モータユニットを、次のようにしたことにある。すなわち、ブラシレスモータには、軸方向に並ぶ複数のステータと、これら複数のステータに対して回転するように支持されたロータと、ロータに一体的に設けられたドライブシャフトと、ステータ毎に巻かれた巻線コイルと、口ータに固定された磁石とを備えた。また、駆動装置には、複数あるステータに応じた数の電子制御回路を備えた。
この構成によれば、駆動装置の電子制御回路の一つに不具合が発生して、一部の巻線コイルに電流が流れなくなった場合にも、正常な電子制御回路と巻線コイルによって、モータの回転を制御出来る。したがって、飛行装置の動力に使用した場合に、飛行装置の落下などの最悪な不具合を未然に防ぐことができる。
【００１２】
他の特徴としては、上記の飛行装置用モータユニットを搭載し、ドライブシャフトに取り付けたプロペラを回転させて空中を飛行する飛行装置としたことにある。
この構成によれば、飛行装置において、故障によって飛行中にプロペラの回転が停止するといったリスクが小さいので、高い安全性を得ることができる。
【００１３】
他の特徴としては、プロペラを取り付けた上記飛行装置用モータユニットを３台以上搭載したマルチコプターである飛行装置としたことにある。
この構成によれば、マルチコプターにおいて、モータの駆動装置の電子制御回路の一つに不具合が発生して、一部の巻線コイルに電流が流れなくなった場合にも、正常な電子制御回路によって、安定した飛行状態を保つことができる。
【００１４】
また、本実施の形態における飛行装置の制御方法に関して、飛行装置用モータユニットのブラシレスモータ内に複数備わるステータに対して、個別に対応する電子制御回路から駆動信号を送るステータの数を、状況によって変えることに特徴を有する。
この制御によって、状況に応じて、素早く必要とする出力を変えられるので、飛行装置の安全性を向上できることに加え、より俊敏な飛行動作を可能にするとともに、省エネルギーの面でも効果がある。
【００１５】
次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、本発明の一例を示す飛行装置用モータユニットの構成と、ブラシレスモータ部の構造を示す図である。この図１に示す飛行装置用モータユニットＡは、ブラシレスモータ１と駆動装置２とで構成されている。
【００１７】
ブラシレスモータ１と駆動装置２とはリード線で接続されており、ブラシレスモータ１のロータの位置情報などをもとに、出力する電圧を制御することで、ブラシレスモータ１のロータの回転を制御する。
【００１８】
ブラシレスモータ１は、軸方向に並ぶ複数（図１の例では３個）のステータ１０と、これら複数のステータ１０の周囲で回転するように支持されたロータ２０とを備える。そして、ロータ２０に一体的に設けられたドライブシャフト８０と、ステータ１０毎に巻かれた巻線コイル１１と、ステータ１０毎に対応してロータ２０に固定された磁石２１とを備える。また、複数のステータ１０に対し回転する回転支持部材９０と、軸方向の一端側から複数のステータを回転不能に固定支持する固定支持部材１００とを備える。巻線コイル１１と磁石２１との間の磁気作用により、ロータ２０、回転支持部材９０及びドライブシャフト８０を回転させるように構成される。
【００１９】
そして、このブラシレスモータ１は、複数のステータ１０の少なくとも一つ（ 図示例によれば全部）に、軸方向へわたる貫通部１０ｂを設け、該貫通部１０ｂに巻線コイル１１のリード線１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３を挿通し外部へ導くようにしている。
【００２０】
ドライブシャフト８０は、シャフト本体部８１と、該シャフト本体部８１を回転支持部材９０に接続する接続部８２とから一体に構成される。
【００２１】
シャフト本体部８１は、ロータ２０の中心部から一方（図１によれば上方向）へ突出する軸状の部材である。このシャフト本体部８１には、例えば、飛行装置においてはプロペラが固定される。
【００２２】
接続部８２は、横向き凹状の部材であり、ベアリング８２ａを介して固定支持部材１００に回転自在に支持されるとともに、止着具（例えばボルトやネジ等）によって回転支持部材９０の中心寄りに接続固定される。
【００２３】
回転支持部材９０は、図１に示すように、固定支持部材１００の一端側（図示例によれば上端側）の部分に環状に装着され、その中心側に円錐状ころ軸受け９１を介することで固定支持部材１００ に対し回転自在且つ軸方向へ離間しないように保持される。
【００２４】
この回転支持部材９０の外周部は、ロータ２０の一端側に接続固定されている。
また、この回転支持部材９０には、上記回転支持部材５０と略同様にして、送風羽（図示せず）を有する貫通孔９０ａが、周方向に間隔を置いて複数設けられる。そして、ロータ２０及び前記回転支持部材９０は、略凹状に構成される。
【００２５】
また、固定支持部材１００ は、ロータ２０を回転自在に支持する支持円盤部１０１と、該支持円盤部１０１の中心側から前記一端側へ突出して複数のステータ１０を支持するステータ支持突部１０２と、該ステータ支持突部１０２よりも更に前記一端側へ突出して回転支持部材９０を回転自在に支持する回転軸部１０３とから構成される（図１参照）。
【００２６】
支持円盤部１０１は、上記固定支持部材４０と略同様にして、リード線１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３を挿通するための複数の貫通孔１０１ａを有する。また、このステータ１０の外周部には、ベアリング２２を介して、ロータ２０を回転自在に支持している。
【００２７】
ステータ支持突部１０２は、支持円盤部１０１の中心部から一端側（図１によれば上側）へ略円筒状に突設される。このステータ支持突部１０２の外周には、軸方向に所定間隔を置いて、複数（図示例によれば３個）のステータ１０が固定される。この軸方向に並ぶステータ１０の数は、図１では、３個配置したが、例えば、４個、５個と増加して、容易に出力アップすることができる。
【００２８】
また、回転軸部１０３は、ステータ支持突部１０２よりも一回りほど縮径された筒状に形成される。この回転軸部１０３は、外周部に円錐状ころ軸受け９１を介して回転支持部材９０を回転自在且つ軸方向へ抜けないように支持する。さらに、この回転軸部１０３は、その先端から突出する軸状部材１０３ａの最突端部にベアリング８２ａを介することで、ドライブシャフト８０を回転自在に支持している。
【００２９】
そして、複数のステータ１０及び固定支持部材１００は、略凹状の回転支持部材９０及びロータ２０に対し嵌り合う略凸状に構成される。
【００３０】
そして、図１に示すように、図示例によれば一番上側のステータ１０における巻線コイル１１のリード線１１ａ１は、図示例によれば１つ下側の２つのステータ１０の貫通部１０ｂに挿通され、１つ下側のステータ１０における巻線コイル１１のリード線１１ａ２と合流する。さらに、２つ下側（図示例で１番下側）のステータ１０における巻線コイル１１のリード線１１ａ３と合流するようにして、固定支持部材１００の貫通孔１０１ａに挿通され外部へ導かれる。
【００３１】
尚、実際には、各ステータにおける巻線コイル１１は、３相のコイルであって、各ステータからは３相分のリード線が導かれる。
【００３２】
外部に導かれたリード線１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３は、駆動装置２に接続されている。
【００３３】
図１の構成では、センサレス駆動を想定しているが、少なくとも１つのステータ１０側に、磁気センサを配置して、ロータの磁極を直接検出する方法を採用することもできる。その場合、磁気センサの配線も、巻線コイルのリード線と同様、最終的に固定支持部材１００の貫通孔１０１ａに挿通され外部へ導くことができる。
【００３４】
図２は、ブラシレスモータ１を、ブラシレスモータ１を駆動するために１つの電子制御回路ｃに接続した状態を示す回路図である。
【００３５】
この図２に示した例によれば、ブラシレスモータ１の３個のステータ１０における各々の巻線コイルは並列に接続され、１つの電子制御回路ｃに接続されている。
【００３６】
電子制御回路ｃは、直流電源から、電流の方向を変えることで３相交流を作る基本的なインバータ回路である。６個のスイッチング素子でブリッジ回路を構成している。
【００３７】
図２によれば、ブラシレスモータ１のステータコイルは３組あるものの制御上は、１組のコイルの場合と同等であるので、電子制御回路ｃ内の半導体素子の一つでも不具合が発生した場合は、ブラシレスモータ１の駆動は全く困難となる。
【００３８】
図３は、ブラシレスモータ１を、ブラシレスモータ１を駆動するためにステータ１０に対応する数の電子制御回路を備える駆動装置に接続した状態を示す回路図である。
【００３９】
図３において、駆動装置２は、電子制御回路ｃ１，ｃ２，ｃ３を備えており、ブラシレスモータ１から外部に導かれたリード線１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３が接続されている。尚、図３では、電子制御回路ｃ１，ｃ２，ｃ３を簡略的に表しているが、図２に示す電子制御回路ｃと同様のインバータ回路である。
【００４０】
また、電子制御回路ｃ１，ｃ２，ｃ３には、上位コントローラＨが接続されている。上位コントローラＨは、状況と目的に応じて、動作させる電子制御回路と、その出力を選択して制御する。
【００４１】
駆動装置２の電子制御回路の一つに不具合が発生し、或いは、巻線コイルの断線、ショートなどによって、一部の巻線コイルに電流が流れなくなった場合にも、正常な電子制御回路と巻線コイルによって、ブラシレスモータ１が完全に停止することを防ぐことができる。
【００４２】
また、必要に応じて動作させる電子制御回路を増減することで、容易にブラシレスモータ１の出力を変えることができる。
【００４３】
尚、駆動装置２は、電子制御回路ｃ１，ｃ２，ｃ３などの構成要素を必ずしも１つの筐体内に収める必要はない。設計的に、複数の筐体に分けて配置したり、電子制御回路の基板をモータと一体的に配置してもよい。
【００４４】
図４は、ブラシレスモータ１を動力として適用した飛行装置の一形態であるマルチコプターＢを示す斜視図である。図示例によれば、マルチコプターＢは、ドライブシャフト８０にプロペラ８４を取り付けたブラシレスモータ１を４台使用している。
【００４５】
マルチコプターＢの本体ユニット７１にアーム７２が４本取り付けられている。各アーム７２の端部のモータ固定部７２ｂに、ブラシレスモータ１の固定支持部材１００が固定されている。
【００４６】
ブラシレスモータ１のリード線は、固定支持部材１００の貫通孔１０１ａから引き出され、アーム７２の内部を通り、本体ユニット７１内に配置されている駆動装置２に接続されている。このとき、各ステータ１０から導かれたリード線は、駆動装置２の中で、対応する個別の電子制御回路に繋がっている。（図示せず）
【００４７】
マルチコプターＢの本体ユニット７１の内部には、ブラシレスモータ１の駆動装置２の他、受信機、ジャイロセンサ、バッテリ等が収納されている。（図示せず）
【００４８】
マルチコプターＢの駆動時の動力の重み付けについて、仮に各ブラシレスモータ１の内部に配置されたステータ１０の数を５個とした場合を例として説明する。
【００４９】
図４に示すマルチコプターＢに配置された４つのブラシレスモータ１の中の１台において、対応する電子制御回路の不具合によって、５個あるステータ１０の内の１個についての巻線コイルに電流が流れない状態になったとき、５個中４個のステータ１０による駆動によってプロペラの回転をさせて、飛行状態を維持できる。
【００５０】
すなわち、駆動時の動力の重み付けを各「１」と仮定した場合、そのうちのモータ１個に対して、その５個のステータのうち１個が停止した場合、動力の重み付けとしては「４／５」となる。これに対し、ステータ又は電子制御回路が１つの従来の構成では「０」となる。したがって、マルチコプターＢによれば、モータの完全停止といった極端な不具合に対処できる。
【００５１】
マルチコプターＢの飛行中において、このように駆動装置の電子制御回路の不具合などによって、複数あるブラシレスモータの１つの一部の巻線コイルに電流が流れなくなった場合に飛行状態を維持するために自動で行われる処理フローを、図５に示した。
【００５２】
定常の飛行運転中、電子制御回路の不具合などによって出力が低下した場合、マルチコプターＢの挙動の変化、プロペラの回転数を検知するセンサなどにより、異常を検知する。
【００５３】
電流の無通電状態等の異常を検知して、問題のある電子制御回路及びステータの巻線コイルの相を特定する。
【００５４】
問題のある電子制御回路からの一部駆動信号によって、却ってブラシレスモータの回転の妨げとなることが無いように、問題のある電子制御回路への通電自体を切る。
【００５５】
電子制御回路から巻線コイルに駆動信号が送られていないステータを有するブラシレスモータのロータの出力レベルを確認する。
【００５６】
マルチコプターＢの飛行バランスを保つために全てのロータの出力レベルを合わせる。出力レベルを合わせる１つの方法として、例えば、ブラシレスモータ１個に対してステータ５個で、問題の生じた電子制御回路とステータの組合わせが１つの場合、全てのブラシレスモータについて、巻線コイルに通電するステータを５個中４個にするとよい。或いは、問題のある電子制御回路に対応するモータ側において、出力容量に余裕がある場合は、残り４個の正常な電子制御回路とステータの組合わせによる出力レベルを、他のブラシレスモータと同等となる様に上げることによっても対処できる。
【００５７】
尚、本実施例に係わる飛行装置であるマルチコプターＢは、電子制御回路等に不具合を生じた場合に限らず、駆動信号を送るステータの数を積極的に変更して、多彩な運動をさせることが可能である。具体的には、例えば、マルチコプターＢを急上昇させるときには、５個中５個（動力の重み付け「５／５」）全てのステータに駆動信号を送り、上昇後にその場で滞空飛行する場合には、５個中３個（動力の重み付け「３／５」）の駆動信号を送ることなどが考えられる。また、マルチコプターＢに重量物を運ばせる場合と、積載物の無い場合とで、駆動信号を送るステータの数を積極的に変更することも有効である。
【００５８】
上記実施例によれば、飛行装置用モータユニットＡは、構成するブラシレスモータに、いわゆるアウターロータ型で３相のブラシレスモータを用いて説明したが、インナーロータ型のブラシレスモータにも適用可能である。
【００５９】
また、同じく飛行装置用モータユニットＡを構成する駆動装置の電子制御回路として、３相の基本インバータ回路を用いたが、これに限定されるものでは無い。駆動装置自体も必ずしも１つの筐体に収める必要は無い。１つのモータにおける複数のステータ構造と各ステータに対応する電子制御手段を個別に備えることなどが本発明の要旨である。
【００６０】
その他、本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１：ブラシレスモータ
２：駆動装置
１０：ステータ
１１：巻線コイル
１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３：リード線
２０：ロータ
２１：磁石
７１：本体ユニット
７２：アーム
８０：ドライブシャフト
８４：プロペラ
９０：回転支持部材
１００：固定支持部材
Ａ：飛行装置用モータユニット
Ｂ：マルチコプター（飛行装置）
ｃ，ｃ1，ｃ2，ｃ3，：電子制御回路
Ｈ：上位コントローラ
【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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