特開2016-222031(P2016-222031A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-222031(P2016-222031A)
(43)【公開日】2016年12月28日
(54)【発明の名称】電動式航空機および電源装置
(51)【国際特許分類】
   B64D 27/24 20060101AFI20161205BHJP
   B64C 27/08 20060101ALI20161205BHJP
   B64C 39/02 20060101ALI20161205BHJP
【FI】
   B64D27/24
   B64C27/08
   B64C39/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2015-108195(P2015-108195)
(22)【出願日】2015年5月28日
(71)【出願人】
【識別番号】000002185
【氏名又は名称】ソニー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100082762
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 正知
(74)【代理人】
【識別番号】100123973
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 拓真
(72)【発明者】
【氏名】酒井 広隆
(72)【発明者】
【氏名】森 靖
(72)【発明者】
【氏名】楠見 泰之
(72)【発明者】
【氏名】三澤 大樹
(57)【要約】
【課題】電動式航空機を軽量化する。
【解決手段】複数の回転翼と、回転翼をそれぞれ回転させるモータと、回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、モータの回転を制御するモータ制御部と、モータの対毎に電力を供給する複数の電力供給ラインと、電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリモジュールとを備えた電動式航空機である。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の回転翼と、
前記回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
前記回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、
前記モータの回転を制御するモータ制御部と、
前記モータの対毎に電力を供給する複数の電力供給ラインと、
前記電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリモジュールとを備えた電動式航空機。
【請求項2】
対向する前記回転翼の対を複数有し、
前記回転翼の複数の対と複数の前記バッテリモジュールとが等しい数とされた請求項1に記載の電動式航空機。
【請求項3】
前記回転翼の対は、180度で対向する回転翼からなる請求項2に記載の電動式航空機。
【請求項4】
複数の前記バッテリモジュールの容量を均一化する容量均一化回路を設けた請求項1に記載の電動式航空機
【請求項5】
複数の前記バッテリモジュールが中心開口を生じるように配置された請求項1に記載の電動式航空機。
【請求項6】
前記支持軸の位置より下方の位置に、前記バッテリモジュールが取り付けられる請求項1に記載の電動式航空機。
【請求項7】
前記支持軸の中心から前記回転翼の中心位置までの長さをaとするときに、前記支持軸の位置と前記バッテリモジュールの位置との差が(a/4)から(a/2)の範囲に設定される請求項6に記載の電動式航空機。
【請求項8】
回転翼を回転させるモータの対毎に電力を供給する電力供給ラインを複数有し、
それぞれの前記電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリーモジュールを有する電源装置。
【請求項9】
複数の前記バッテリモジュールの容量を均一化する容量均一化回路を設けた請求項8に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、2以上の回転翼を有する回転翼機(マルチコプター)であって、特に、電動式航空機および電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
この種類の電動式航空機の一つである無人航空機は、ドローン等と称されており、二次電池および電池制御回路を含むバッテリモジュールによってモータを回転させ、モータによって回転翼を回転させるものであった。例えば特許文献1には、回転翼を有する無人航空機が記載されている。従来の無人航空機は、玩具等の比較的軽いものであった。近年では、重い荷物等を運ぶ需要が増えてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2010−120641号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
重い荷物を運ぶ際に、電力不足と飛行中のバランスが問題とされてきた。電力不足によって、飛行時間や運ぶ荷物の重さが制限され、商用の無人航空機が普及しない問題があった。電力不足を補うためには、バッテリモジュールとして大出力のものが使用される。例えば円筒型リチウムイオン二次電池を100本以上のように多数使用して大電力化が図られている。さらに、空中でのバランス維持が非常に難しく、風などの影響でバランスを崩し落下してしまうことも荷物を運ぶ用途の無人航空機が普及しない理由でもある。
【0005】
運搬物が重くなればなるほど、駆動モータやプロペラも大きくなり、重くなる。そして、それに対応するバッテリモジュール側も大電流用の電気的構成とする必要がある。さらに、落下、振動等に対応する機体を構成するために、重量が重くなる問題があった。
【0006】
したがって、本開示の目的は、軽量化が図られた電動式航空機および電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述の課題を解決するために、本開示は、複数の回転翼と、回転翼をそれぞれ回転させるモータと、回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、モータの回転を制御するモータ制御部と、モータ制御部に電源を供給する複数のバッテリモジュールとを備える電動式航空機である。
また、本開示は、回転翼を回転させるモータの対毎に電力を供給する電力供給ラインを複数有し、それぞれの電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリーモジュールを有する電源装置である。
【発明の効果】
【0008】
少なくとも一つの実施形態によれば、複数のバッテリモジュールからモータ制御部に電源を供給するので、供給電力が少なくなり、重量のある大電力供給ライン、大型の回路等を設けないでよい。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、この発明中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、以下の説明における例示された効果によりこの発明の内容が限定して解釈されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本開示の第1の実施の形態による無人航空機の構成を示す平面図である。
図2】無人航空機の構成を示す正面図である。
図3】バッテリ部の構成の一例および他の例の説明に用いる略線図である。
図4】本開示を説明するためのグラフである。
図5】本開示の第1の実施の形態のブロック図である。
図6】本開示の第1の実施の形態の変形例を示すブロック図である。
図7】本開示の第2の実施の形態のブロック図である。
図8】本開示の第2の実施の形態の変形例を示すブロック図である。
図9】参考例のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に説明する実施の形態は、本開示の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されている。しかしながら、本開示の範囲は、以下の説明において、特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。
なお、本開示の説明は、下記の順序にしたがってなされる。
<1.第1の実施の形態>
<2.第2の実施の形態>
<3.変形例>
【0011】
<1.第1の実施の形態>
図1は、第1の実施の形態の無人航空機の平面図であり、図2は、第1の実施の形態の無人航空機の正面図である。中心部としての円筒状または角筒状の胴体部1と、胴体部1の上部に固定された支持軸2a〜2fとから機体が構成される。一例として、胴体部1が6角筒状とされ、胴体部1の中心から6本の支持軸2a〜2fが等角間隔で放射状に延びるようになされている。胴体部1および支持軸2a〜2fは、軽量で強度の高い材料から構成されている。
【0012】
さらに、胴体部1および支持軸2a〜2fからなる機体は、その重心が支持軸2a〜2fの中心を通る鉛直線上にくるように、各構成部品の形状、配置等が設計される。さらに、この鉛直線上に重心がくるように、回路ユニット5およびバッテリ部6が取り付けられる。
【0013】
第1の実施の形態では、回転翼およびモータの数が6個とされている。しかしながら、4個の回転翼およびモータを有する構成、或いは8個以上の回転翼およびモータを有する構成でもよい。
【0014】
支持軸2a〜2fの先端部には、回転翼の駆動源としてのモータ3a〜3fがそれぞれ取り付けられている。モータ3a〜3fの回転軸に回転翼4a〜4fが取り付けられている。各モータを制御するためのモータ制御回路を含む回路ユニット5が支持軸2a〜2fが交わる中心部に取り付けられている。
【0015】
さらに、胴体部1の下側の位置に動力源としてのバッテリ部6が配置されている。バッテリ部6は、後述するように、180度の対向間隔を有するモータおよび回転翼の対に対して電力を供給するように3個のバッテリモジュールを有している。各バッテリモジュールは、例えばリチウムイオン二次電池と充放電を制御するバッテリ制御回路とを有する。すなわち、モータ3aおよび回転翼4aと、モータ3dおよび回転翼4dとが対を構成する。同様に、(モータ3b,回転翼4b)と(モータ3e,回転翼4e)とが対を構成し、(モータ3c,回転翼4c)と(モータ3f,回転翼4f)とが対を構成する。これらの対とバッテリモジュールとが等しい数とされている。
【0016】
バッテリ部6は、胴体部1の例えば内部に着脱自在に取り付けられていける。バッテリ部6は、図3に示すように、機体の重心位置である中心に対して対称の形状を有すると共に、中心開口7を有するような配置、外形を有する。図3Aは、平面形状が中心開口7の周囲に正六角形となるような中空状のケース8を設け、ケース8内にバッテリモジュールを収納する例である。図3Bに示すように、分離したケース8aおよび8b内にバッテリモジュールを収納してもよい。
【0017】
バッテリ部6の重心と機体の重心とを一致させることによって、重心の安定性が増加する。さらに、中心開口7を有するので、飛行時に中心開口7を風が通り抜けることで、風などの影響を軽減することが可能となる。その結果、姿勢制御が容易となり、飛行時間を長くすることができ、さらにバッテリの温度上昇も抑制することができる。
【0018】
バッテリ部6は、図2に示すように、支持軸2a〜2fの水平位置に対して低い位置に配置される。水平位置に対してバッテリ部6の位置がa/4〜a/2の距離低くされる。ここで、aは、機体の中心位置b(支持軸2a〜2fの交点)から回転翼4a〜4fの回転中心までの距離である。このような位置関係とすることによって、バッテリ部6の質量により復元力を得ることができる。すなわち、バッテリ部6の質量にかかる重力により、支点bを中心に駆動軸が水平を保つ方向に力が加わるためである。これと共に、機体を傾けるように制御する場合の必要なモータ出力が大きくなりすぎることを防止することができる。
【0019】
図4は、バッテリ部6の位置を横軸とした場合の復元力および前傾に必要なモータ出力(縦軸)を示すものである。グラフを見やすいものとするために、復元力を線形軸で示し、傾けるためのモータ出力を対数軸で示している。例えばバッテリ部6がa/8の位置に設置されていた場合と比べて、a/4の位置に設置されている場合は、てこの原理により2倍の復元力を得られるので、姿勢の安定性を確保するためには、支点bに対して電池パックを離した構成にすることが好ましい。
【0020】
一方、無人航空機が前進するためには、機体を前傾姿勢とする必要が有るので、例えばaの位置にバッテリ部6を設置すると、a/2に設置した場合と比較して2倍の復元力に対抗して前傾させる力が必要となる。このため、モータの出力が上昇し、そのモータに電力を供給するバッテリモジュールが大きくなる問題が有る。このような関係から、バッテリ部6による復元力と機体を前傾姿勢とするためのモータ出力とのバランスを良くするためには、バッテリ部6の設置位置が(a/4〜a/2)である。
【0021】
一般的にドローンと呼ばれるような無人航空機は、モータ制御回路によってモータの出力を制御して所望の航行を可能としている。例えば、空中に静止しているホバーリングの状態では、機体に搭載されたジャイロ装置を用いて傾きを検知し、機体が下がった側のモータ出力を増加させ、上がった側のモータ出力を低下させることによって、機体を水平に保つようにしている。さらに、前進の際には、進行方向のモータ出力を低下、逆方向のモータ出力を増加させることによって、前傾姿勢を取らせ、進行方向への推進力を発生させるようにしている。このような無人航空機の姿勢制御および推進制御において、上述したようなバッテリ部6の設置位置は、機体の安定性と制御の容易性とのバランスをとることができる。
【0022】
さらに、これらの制御において、180度の対向位置に存在するモータおよび回転翼の対において、一方の回転数と他方の回転数とが逆の方向に制御される関係が多い。この点を考慮して、本開示では、対毎に電力を供給するバッテリモジュールを設けている。
【0023】
図5は、本開示の第1の実施の形態のシステムの構成例を示す。バッテリ部6は、3個のバッテリモジュール11ad、11be、11cfとを有する。これらのバッテリモジュール11ad、11be、11cfは、バッテリ部6を構成する。上述したように、バッテリモジュール11ad、11be、11cfは、中心開口7を有する形状とされている。
【0024】
バッテリモジュール11adの出力電力がモータ制御回路12adに供給される。モータ制御回路12adに対してモータ3a、3dが接続される。モータ3a、3dが回転翼4a、4dを回転させる。バッテリモジュール11beの出力電力がモータ制御回路12beに供給される。モータ制御回路12beに対してモータ3b、3eが接続される。モータ3b、3eが回転翼4b、4eを回転させる。バッテリモジュール11cfの出力電力がモータ制御回路12cfに供給される。モータ制御回路12cfに対してモータ3c、3fが接続される。モータ3c、3fが回転翼4c、4fを回転させる。
【0025】
さらに、図5および以下の図において省略しているが、無人航空機の全体を制御する全体コントローラ、姿勢を検出する姿勢センサ等が設けられており、上昇や降下、前進、後退等を行うことができるようにされている。
【0026】
例えば図1の無人航空機では、モータの対向する組が3個あるため、バッテリモジュールとモータ制御回路と対向するモータとからなる構成要素が3組備えられている。かかる本開示と異なるシステム構成の参考例を図9に示す。例えば一つのバッテリモジュール15の出力電力がモータ制御回路16に供給され、モータ制御回路16が6個のモータ3a〜3fに対して電力を分配するようになされている。さらに、モータ制御回路16においては、6個のモータ3a〜3fに電力を分配する構成である。バッテリモジュール15が並列接続された3個のバッテリモジュールの構成の場合もある。
【0027】
図9に示す参考例の構成では、バッテリモジュール15からの電力が6個のモータに供給される。したがって、バッテリモジュール15からモータ制御回路16に供給される電流が大きな値となる。さらに、モータ制御回路16の内部を流れる電流を大きな値となる。大電流に対応できるケーブル、回路部品等は、一般的に大型且つ重いものとなり、無人航空機の重量を増加させる。
【0028】
本開示の第1の実施の形態では、各バッテリモジュールがモータ制御回路12ad、12be、12cfに供給する電流を参考例の構成の約1/3とすることができる。これにより、電流経路の部材や回路部品について、許容電流値を低く設定することができ、システムを軽量化することができる。その結果、無人航空機を軽量化することができる。
【0029】
さらに、無人航空機では、上述したように、180度対向の対の回転翼において、一方の回転数を増加させる場合は、他方の回転数を減少させるように、逆の方向に回転翼(モータ)が制御されることが多い。したがって、対のモータに対して共通のバッテリモジュールから電力を供給するようにすれば、複数の対に対応するバッテリモジュールの間で容量の減少を平均化することができる。
【0030】
図6は、本開示の第1の実施の形態の変形例のシステム構成を示す。図5と比較すると、バッテリモジュール11ad、11be、11cfに対して、容量均一化回路13を設けている点が相違している。容量均一化回路13は、バッテリモジュール11ad、11be、11cfのそれぞれの電圧を監視する回路と、電圧の関係に基づいてバッテリモジュール11ad、11be、11cf間で、容量を均一化するためのスイッチング素子とを有する。例えば無人航空機の重心が複数の回転翼の中心位置に設計されていても、搭載物の重心が中心位置にない場合には、姿勢制御のために特定のモータに対する負荷が大きくなり、そのモータを駆動するバッテリモジュールの容量が極端に減少する。この結果、飛行時間が想定されるものより短くなる事態が発生する。容量均一化回路13による容量補正によって、かかる問題を回避することができる。
【0031】
<2.第2の実施の形態>
図7を参照して本開示の第2の実施の形態について説明する。無人航空機の構成は、図1に示すように、6個の回転翼4a〜4fを備えるものである。第1の実施の形態では、モータ制御回路を対毎に分離しているのに対して、第2の実施の形態では、対毎に制御を行うが、構成上は、一つのモータ制御回路12としている。例えばモータ制御回路12では、制御用のマイクロコンピュータを複数の対で共用するようになされる。モータ制御回路12における電力供給系統は、各対で分離されており、各電力供給系統を通じて各バッテリモジュールから対のモータに電力が供給される。
【0032】
第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様に、対のモータに対して共通のバッテリモジュールから電力を供給するようにするので、複数の対に対応するバッテリモジュールの間で容量の減少を平均化することができる。
【0033】
さらに、バッテリ部6の重心と機体の重心とを一致させることによって、重心の安定性が増加する。さらに、バッテリ部6が中心開口7を有するので、姿勢制御が容易となり、飛行時間を長くすることができる。さらに、バッテリ部6の位置を支持軸2a〜2fの水平位置に対して低い位置(a/4〜a/2の距離)とすることによって、バッテリ部6による復元力と機体を前傾姿勢とするためのモータ出力とのバランスを良くすることができる。
【0034】
図8は、第2の実施の形態の変形例である。第1の実施の形態と同様に、特定のバッテリモジュールの容量の減少を防止するための容量均一化回路13がモータ制御回路12の内部に構成されている。
【0035】
なお、本開示は、以下のような構成も取ることができる。
(1)
複数の回転翼と、
前記回転翼をそれぞれ回転させるモータと、
前記回転翼およびモータをそれぞれ支持する支持軸と、
前記モータの回転を制御するモータ制御部と、
前記モータの対毎に電力を供給する複数の電力供給ラインと、
前記電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリモジュールとを備えた電動式航空機。
(2)
対向する前記回転翼の対を複数有し、
前記回転翼の複数の対と複数の前記バッテリモジュールとが等しい数とされた(1)に記載の電動式航空機。
(3)
前記回転翼の対は、180度で対向する回転翼からなる(2)に記載の電動式航空機。
(4)
複数の前記バッテリモジュールの容量を均一化する容量均一化回路を設けた(1)乃至(3)の何れかに記載の電動式航空機
(5)
複数の前記バッテリモジュールが中心開口を生じるように配置された(1)乃至(4)の何れかに記載の電動式航空機。
(6)
前記支持軸の位置より下方の位置に、前記バッテリモジュールが取り付けられる(1)乃至(5)の何れかに記載の電動式航空機。
(7)
前記支持軸の中心から前記回転翼の中心位置までの長さをaとするときに、前記支持軸の位置と前記バッテリモジュールの位置との差が(a/4)から(a/2)の範囲に設定される(6)に記載の電動式航空機。
(8)
回転翼を回転させるモータの対毎に電力を供給する電力供給ラインを複数有し、
それぞれの前記電力供給ライン毎に接続される複数のバッテリーモジュールを有する電源装置。
(9)
複数の前記バッテリモジュールの容量を均一化する容量均一化回路を設けた(8)に記載の電源装置。
【0036】
<3.変形例>
以上、本開示の実施の形態について具体的に説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えは本開示は、荷物の運搬用に限らず、撮影機材を搭載する電動式航空機、農薬の散布等の用途の電動式航空機に対しても適用することができる。
【0037】
また、上述の実施の形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本開示の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【0038】
1・・・胴体部
2a〜2f・・・支持軸
3a〜3f・・・モータ
4a〜4f・・・回転翼
5・・・回路ユニット
6・・・バッテリ部
7・・・中心開口
11a〜11f・・・バッテリモジュール
12a〜12f・・・モータ制御回路
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9