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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】P2023177997
(43)【公開日】2023-12-14
(54)【発明の名称】ドローン及びその駆動方法
(51)【国際特許分類】
B64D 27/24 20060101AFI20231207BHJP
B64C 27/08 20230101ALI20231207BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20231207BHJP
H02K 7/10 20060101ALI20231207BHJP
H02K 7/102 20060101ALI20231207BHJP
H02K 7/106 20060101ALI20231207BHJP
【ＦＩ】
B64D27/24
B64C27/08
B64C39/02
H02K7/10 A
H02K7/102
H02K7/106
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022091004
(22)【出願日】2022-06-03
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】森元 瑛樹
【テーマコード（参考）】
5H607
【Ｆターム（参考）】
5H607BB01
5H607BB07
5H607BB14
5H607CC03
5H607EE07
5H607EE08
5H607EE26
(57)【要約】
【課題】簡便な構成で、垂直離陸時と水平飛行時のそれぞれにおいて飛行に適した推力を得ることができるドローンを提供する。
【解決手段】ドローン２０００は、本体１０００と原動ロータ１０と受動ロータ２０とを有する磁気ギアードモータ１００と第１及び第２回転翼１３１０，１３２０とを備えている。第１回転翼１３１０は原動ロータ１０の回転とともに、第２回転翼１３２０は受動ロータ２０の回転とともにそれぞれ回転する。第２回転翼１３２０は受動ロータ２０の回転に応じて開閉自在である。磁気ギアードモータ１００は、受動ロータ２０及び原動ロータ１０が互いに同調して回転する第１モードと、原動ロータ１０が回転する間に、受動ロータ２０が原動ロータ１０の回転から脱調状態となる第２モードのいずれかで動作可能に構成されている。
【選択図】図２
【解決手段】ドローン２０００は、本体１０００と原動ロータ１０と受動ロータ２０とを有する磁気ギアードモータ１００と第１及び第２回転翼１３１０，１３２０とを備えている。第１回転翼１３１０は原動ロータ１０の回転とともに、第２回転翼１３２０は受動ロータ２０の回転とともにそれぞれ回転する。第２回転翼１３２０は受動ロータ２０の回転に応じて開閉自在である。磁気ギアードモータ１００は、受動ロータ２０及び原動ロータ１０が互いに同調して回転する第１モードと、原動ロータ１０が回転する間に、受動ロータ２０が原動ロータ１０の回転から脱調状態となる第２モードのいずれかで動作可能に構成されている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
本体と、
前記本体に連結された磁気ギアードモータと、
前記磁気ギアードモータに連結された回転翼と、を少なくとも備え、
前記回転翼は、
前記磁気ギアードモータの第１出力軸に連結された第１回転翼と、
前記磁気ギアードモータの第２出力軸に連結された第２回転翼と、を有し、
前記第１回転翼は、前記第１出力軸の回転とともに回転し、
前記第２回転翼は、前記第２出力軸の回転とともに回転し、かつ前記第２出力軸の回転に応じて開閉自在に構成され、
前記第２回転翼が開いた場合の直径は、前記第１回転翼の直径よりも大きく、
前記磁気ギアードモータは、
前記第１出力軸を有する原動ロータと、
前記第２出力軸を有する受動ロータと、
前記原動ロータ及び前記受動ロータとそれぞれ磁気的に結合されたステータと、を少なくとも有し、
前記第１出力軸は、前記原動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸の長手方向である軸方向回りに回転可能に構成され、
前記第２出力軸は、前記受動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸と同軸に配置され、
前記磁気ギアードモータは、さらに、
前記受動ロータ及び前記原動ロータが互いに同調して回転する第１モードと、
前記原動ロータが回転する間に、前記受動ロータが前記原動ロータの回転から脱調状態となる第２モードのいずれかのモードで動作可能に構成されていることを特徴とするドローン。
前記本体に連結された磁気ギアードモータと、
前記磁気ギアードモータに連結された回転翼と、を少なくとも備え、
前記回転翼は、
前記磁気ギアードモータの第１出力軸に連結された第１回転翼と、
前記磁気ギアードモータの第２出力軸に連結された第２回転翼と、を有し、
前記第１回転翼は、前記第１出力軸の回転とともに回転し、
前記第２回転翼は、前記第２出力軸の回転とともに回転し、かつ前記第２出力軸の回転に応じて開閉自在に構成され、
前記第２回転翼が開いた場合の直径は、前記第１回転翼の直径よりも大きく、
前記磁気ギアードモータは、
前記第１出力軸を有する原動ロータと、
前記第２出力軸を有する受動ロータと、
前記原動ロータ及び前記受動ロータとそれぞれ磁気的に結合されたステータと、を少なくとも有し、
前記第１出力軸は、前記原動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸の長手方向である軸方向回りに回転可能に構成され、
前記第２出力軸は、前記受動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸と同軸に配置され、
前記磁気ギアードモータは、さらに、
前記受動ロータ及び前記原動ロータが互いに同調して回転する第１モードと、
前記原動ロータが回転する間に、前記受動ロータが前記原動ロータの回転から脱調状態となる第２モードのいずれかのモードで動作可能に構成されていることを特徴とするドローン。
【請求項2】
請求項１に記載のドローンにおいて、
前記磁気ギアードモータは、磁気ギアとモータとで構成され、
前記磁気ギアは、前記第１出力軸を有する前記原動ロータと、前記第２出力軸を有する前記受動ロータと、前記ステータと、を少なくとも有し、
前記第１出力軸は、前記モータの回転軸に回転一体に接続され、前記モータの回転とともに回転することを特徴とするドローン。
前記磁気ギアードモータは、磁気ギアとモータとで構成され、
前記磁気ギアは、前記第１出力軸を有する前記原動ロータと、前記第２出力軸を有する前記受動ロータと、前記ステータと、を少なくとも有し、
前記第１出力軸は、前記モータの回転軸に回転一体に接続され、前記モータの回転とともに回転することを特徴とするドローン。
【請求項3】
請求項１に記載のドローンにおいて、
前記原動ロータから前記第１出力軸が突出する方向を第１方向とするとき、
前記第１出力軸及び前記第２出力軸は、ともに前記第１方向に沿って突出していることを特徴とするドローン。
前記原動ロータから前記第１出力軸が突出する方向を第１方向とするとき、
前記第１出力軸及び前記第２出力軸は、ともに前記第１方向に沿って突出していることを特徴とするドローン。
【請求項4】
請求項１に記載のドローンにおいて、
前記原動ロータから前記第１出力軸が突出する方向を第１方向とするとき、
前記第２出力軸は、前記第１方向と反対側に突出していることを特徴とするドローン。
前記原動ロータから前記第１出力軸が突出する方向を第１方向とするとき、
前記第２出力軸は、前記第１方向と反対側に突出していることを特徴とするドローン。
【請求項5】
請求項１に記載のドローンにおいて、
前記第２回転翼は、付勢部材を介して前記第２出力軸に連結されており、
前記磁気ギアードモータが前記第２モードで動作しているか、または動作していない場合、前記第２回転翼は、前記付勢部材により閉じた状態になっていることを特徴とするドローン。
前記第２回転翼は、付勢部材を介して前記第２出力軸に連結されており、
前記磁気ギアードモータが前記第２モードで動作しているか、または動作していない場合、前記第２回転翼は、前記付勢部材により閉じた状態になっていることを特徴とするドローン。
【請求項6】
請求項１に記載のドローンの駆動方法であって、
前記磁気ギアードモータは、ブレーキをさらに備え、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ブレーキを動作させて、前記受動ロータの回転を制動するか、または前記受動ロータを静止固定することを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータは、ブレーキをさらに備え、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ブレーキを動作させて、前記受動ロータの回転を制動するか、または前記受動ロータを静止固定することを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項7】
請求項１に記載のドローンの駆動方法であって、
前記磁気ギアードモータは、ブレーキをさらに備え、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記受動ロータにはずみを付けた後に、前記ブレーキを動作させて、前記原動ロータの回転を制動するか、または前記原動ロータを静止固定することを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータは、ブレーキをさらに備え、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記受動ロータにはずみを付けた後に、前記ブレーキを動作させて、前記原動ロータの回転を制動するか、または前記原動ロータを静止固定することを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項8】
請求項１に記載のドローンの駆動方法であって、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ステータで発生する回転磁界を強めることで、前記原動ロータの回転を所定値以上に加速させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ステータで発生する回転磁界を強めることで、前記原動ロータの回転を所定値以上に加速させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項9】
請求項１に記載のドローンの駆動方法であって、
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ステータで発生する回転磁界の回転方向を反転させることで、前記原動ロータの回転方向を反転させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させる場合、
前記ステータで発生する回転磁界の回転方向を反転させることで、前記原動ロータの回転方向を反転させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項10】
請求項９に記載のドローンの駆動方法において、
前記ステータで発生する回転磁界の回転方向を複数回反転させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記ステータで発生する回転磁界の回転方向を複数回反転させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項11】
請求項６に記載のドローンの駆動方法において、
前記磁気ギアードモータの回転指令に、前記原動ロータと前記受動ロータとの磁気的結合に関する共振周波数の脈動成分を重畳させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータの回転指令に、前記原動ロータと前記受動ロータとの磁気的結合に関する共振周波数の脈動成分を重畳させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第１モードから前記第２モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項12】
請求項６に記載のドローンの駆動方法において、
前記原動ロータの回転を減速するか、または、前記原動ロータの回転を一時的に停止して、前記受動ロータの回転と同調させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第２モードから前記第１モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記原動ロータの回転を減速するか、または、前記原動ロータの回転を一時的に停止して、前記受動ロータの回転と同調させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第２モードから前記第１モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【請求項13】
請求項６に記載のドローンの駆動方法において、
前記磁気ギアードモータは、前記受動ロータを回転させる回転機構をさらに備え、
前記回転機構を駆動して、前記受動ロータを前記原動ロータとの回転同調速度に近づけるように回転させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第２モードから前記第１モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
前記磁気ギアードモータは、前記受動ロータを回転させる回転機構をさらに備え、
前記回転機構を駆動して、前記受動ロータを前記原動ロータとの回転同調速度に近づけるように回転させることで、前記磁気ギアードモータの動作モードを前記第２モードから前記第１モードに移行させることを特徴とするドローンの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ドローン及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、モータに連結された回転翼を有する飛行装置（以下、ドローンという）の利用が広まりつつあり、ドローンの構造や駆動に関する提案が多くなされている。
【0003】
例えば、特許文献１には、同軸に配置された第１ロータと第２ロータにそれぞれ連結された第１プロペラと第２プロペラとを有するドローンが開示されている。第１ロータには、ステータで発生した回転磁界と逆方向に回転するのを妨げる第１負荷トルクが作用する。また、第２ロータには、ステータで発生した回転磁界と同方向に回転するのを妨げる第２負荷トルクが作用する。このことにより、回転磁界と第１ロータと第２ロータとは、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転する。また、第１ロータと第２ロータとは、互いに反対方向に回転するように構成されており、これに応じて、第１プロペラと第２プロペラも、互いに反対方向に回転する、いわゆる、二重反転スクリュー機構となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００９－１１３５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、ドローンの推力発生機構として、二重反転スクリュー機構を用いた場合、垂直離着陸時の推力は大きくすることができるが、水平飛行時に空気抵抗が増えてドローンを効率良く運転できないという課題があった。
【0006】
本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、簡便な構成で、垂直離陸時と水平飛行時のそれぞれにおいて飛行に適した推力が得られるドローン及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本開示に係るドローンは、本体と、前記本体に連結された磁気ギアードモータと、前記磁気ギアードモータに連結された回転翼と、を少なくとも備え、前記回転翼は、前記磁気ギアードモータの第１出力軸に連結された第１回転翼と、前記磁気ギアードモータの第２出力軸に連結された第２回転翼と、を有し、前記第１回転翼は、前記第１出力軸の回転とともに回転し、前記第２回転翼は、前記第２出力軸の回転とともに回転し、かつ前記第２出力軸の回転に応じて開閉自在に構成され、前記第２回転翼が開いた場合の直径は、前記第１回転翼の直径よりも大きく、前記磁気ギアードモータは、前記第１出力軸を有する原動ロータと、前記第２出力軸を有する受動ロータと、前記原動ロータ及び前記受動ロータとそれぞれ磁気的に結合されたステータと、を少なくとも有し、前記第１出力軸は、前記原動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸の長手方向である軸方向回りに回転可能に構成され、前記第２出力軸は、前記受動ロータと回転一体に設けられるとともに、前記第１出力軸と同軸に配置され、前記磁気ギアードモータは、さらに、前記受動ロータ及び前記原動ロータが互いに同調して回転する第１モードと、前記原動ロータが回転する間に、前記受動ロータが前記原動ロータの回転から脱調状態となる第２モードのいずれかのモードで動作可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、簡便な構成で、垂直離陸時と水平飛行時のそれぞれにおいて飛行に適した推力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施形態１に係るドローンの平面図である。
【図2】ドローンの要部の断面模式図である。
【図3A】第２回転翼の開閉状態を示す模式図である。
【図3B】付勢部材を設けた場合の第２回転翼の開閉状態を示す模式図である。
【図4】垂直離陸時と水平飛行時の磁気ギアードモータ、第１回転翼及び第２回転翼の状態を示す模式図である。
【図5】別の磁気ギアードモータの要部の断面模式図である。
【図6】磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図である。
【図7】磁気ギアードモータの別の脱調方法を説明する模式図である。
【図8】ブレーキの一例を示す模式図である。
【図9】磁気ギアードモータの回転同調の復帰方法を説明する模式図である。
【図10】変形例１に係る磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図である。
【図11】原動ロータと受動ロータとの磁気的結合状態を説明する模式図である。
【図12】磁気ギアードモータの伝達関数のボード線図である。
【図13】変形例１に係る磁気ギアードモータの動作シミュレーション結果を示す図である。
【図14】変形例１に係る磁気ギアードモータの回転同調の復帰方法を説明する模式図である。
【図15】実施形態２に係るドローンの要部の断面模式図である。
【図16A】実施形態２に係る第１モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示す図である。
【図16B】第２モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示す図である。
【図17A】変形例２に係る第１のドローンの要部の断面模式図である。
【図17B】変形例２に係る第２のドローンの要部の断面模式図である。
【図17C】変形例２に係る第３のドローンの要部の断面模式図である。
【図17D】変形例２に係る第４のドローンの要部の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【0011】
（実施形態１）
［ドローン及び磁気ギアードモータの構成］
図１は、実施形態１に係るドローンの平面図を示し、図２は、ドローンの要部の断面模式図を示す。図３Ａは、第２回転翼の開閉状態を示す模式図であり、図３Ｂは、付勢部材を設けた場合の第２回転翼の開閉状態を示す模式図である。図４は、垂直離陸時と水平飛行時の磁気ギアードモータ、第１回転翼及び第２回転翼の状態を示す模式図である。図５は、別の磁気ギアードモータの要部の断面模式図を示す。
［ドローン及び磁気ギアードモータの構成］
図１は、実施形態１に係るドローンの平面図を示し、図２は、ドローンの要部の断面模式図を示す。図３Ａは、第２回転翼の開閉状態を示す模式図であり、図３Ｂは、付勢部材を設けた場合の第２回転翼の開閉状態を示す模式図である。図４は、垂直離陸時と水平飛行時の磁気ギアードモータ、第１回転翼及び第２回転翼の状態を示す模式図である。図５は、別の磁気ギアードモータの要部の断面模式図を示す。
【0012】
なお、図２及び図５に示す磁気ギアードモータ１００，２００は、他の構成部品、例えば、軸受等を備えているが、説明の便宜上、これら以外の部品については図示及び説明を省略する。また、磁気ギアードモータ１００，２００を構成する各部品は、形状を簡略化して図示しており、実際の形状とは異なっている。
【0013】
なお、以降の説明において、磁気ギア３００または磁気ギアードモータ１００の軸心を通る方向であって、第１出力軸１１，３１１及び第２出力軸２１，３２１の長手方向を軸方向と呼ぶことがある。ステータ３０，３３０の外周方向を周方向と呼ぶことがある。ステータ３０，３３０の半径方向を径方向と呼ぶことがある。また、軸方向において、図２に示すように、原動ロータ１０から第１出力軸１１が突出する方向を第１方向と呼ぶことがある。なお、本実施形態では、第１方向は、ドローン２０００が垂直離着陸する方向である。一方、ドローン２０００が水平飛行する方向を第２方向（図４参照）と呼ぶ。なお、後で述べるように、ドローン２０００が水平飛行する場合は、原動ロータ１０から第１出力軸１１が突出する方向が第２方向となる。
【0014】
図１に示すように、ドローン２０００は、本体１０００と４本のアーム１１００と方向制御部１２００とを有している。４本のアーム１１００のそれぞれは、本体１０００に接続され、方向制御部１２００は、アーム１１００の先端にそれぞれ設けられている。また、方向制御部１２００のそれぞれに、磁気ギアードモータ１００とこれに連結された第１回転翼１３１０と第２回転翼１３２０とが設けられている。なお、以降の説明において、第１回転翼１３１０と第２回転翼１３２０とを総称して回転翼１３００と呼ぶことがある。
【0015】
本体１０００は、バッテリーと通信部と制御部（いずれも図示せず）とを有している。バッテリーは、制御部と通信部に電力を供給する。また、バッテリーは、方向制御部１２００と磁気ギアードモータ１００のそれぞれに駆動電力を供給する。
【0016】
通信部は、外部からの制御情報、例えば、図示しないコントローラからの操作信号を受け取って制御部に送る。なお、コントローラは、操作者が携帯して移動可能に構成されたモバイルデバイスであることが好ましい。モバイルデバイスとして、ドローン２０００の運転プログラムがインストールされた公知のスマートフォン等を用いてもよい。
【0017】
制御部は、通信部から受け取った操作信号に基づいて、磁気ギアードモータ１００と方向制御部１２００のそれぞれの動作を制御する。特に、制御部は、垂直離着陸と水平飛行のそれぞれの開始、終了時において、磁気ギアードモータ１００と方向制御部１２００との連動動作を制御する。制御部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成される。制御部にRAM（Random Access Memory）やROM（Read Only Memory）等のメモリが記憶部として組み込まれていてもよい。メモリに、ドローン２０００の運転プログラムが記憶され、通信部から送られた信号に基づいて、運転プログラムが起動し、磁気ギアードモータ１００と方向制御部１２００のそれぞれの動作を制御してもよい。
【0018】
アーム１１００は、所定の強度と剛性を有する棒状の部材であり、一端が本体１０００に接続されている。方向制御部１２００は、アーム１１００によって支持され、本体１０００に連結される。
【0019】
方向制御部１２００は、制御部からの制御信号に基づいて、ドローン２０００の移動方向を変更させる。アーム１１００と方向制御部１２００との接続部分は回転軸（図示せず）が設けられており、方向制御部１２００は当該回転軸の回りに所定の角度だけ回転可能に構成されている。なお、当該回転軸は、アーム１１００または方向制御部１２００に設けられた図示しないモータによって回転する。
【0020】
方向制御部１２００が所定の角度、回転することで、磁気ギアードモータ１００やこれに連結された回転翼１３００の姿勢が変化し、ドローン２０００の移動方向が変更される。これについては後でさらに述べる。
【0021】
磁気ギアードモータ１００は、第１出力軸１１に連結された第１回転翼１３１０を第１出力軸１１の周りに、第２出力軸２１に連結された第２回転翼１３２０を第２出力軸２１の周りにそれぞれ回転させる。なお、磁気ギアードモータ１００に代えて、図５に示す磁気ギアードモータ２００を用いてもよい。磁気ギアードモータ１００，２００の構造については後で述べる。
【0022】
第１回転翼１３１０は、プレート１３１１に接続された２枚の板状の翼である。第１回転翼１３１０は、プレート１３１１を介して磁気ギアードモータ１００の第１出力軸１１に連結されている。プレート１３１１は第１出力軸１１に回転一体に連結されている。このことにより、第１回転翼１３１０は第１出力軸１１の回転とともに回転する。なお、第１回転翼１３１０の枚数は、２枚以上であればよく、３枚でも４枚でもよい。回転時に生じる第１回転翼１３１０の推力に要求される仕様に応じて適宜変更される。
【0023】
第２回転翼１３２０は、プレート１３２１に連結された２枚の板状の翼である。第２回転翼１３２０は、プレート１３２１を介して磁気ギアードモータ１００の第２出力軸２１に連結されている。プレート１３２１は第２出力軸２１に回転一体に連結されている。このことにより、第２回転翼１３２０は第２出力軸２１の回転とともに回転する。ただし、第２回転翼１３２０とプレート１３２１とはヒンジ１３２２を介して連結されており、第２出力軸２１が回転動作をしていない場合、第２回転翼１３２０は閉じた状態になっている。なお、第２回転翼１３２０の枚数は、２枚以上であればよく、３枚でも４枚でもよい。回転時に生じる第２回転翼１３２０の推力に要求される仕様に応じて適宜変更される。
【0024】
なお、本願明細書において、図３Ａに破線で示すように、第２回転翼１３２０が「閉じた状態」とは、第２回転翼１３２０が、ヒンジ１３２２を支点としてプレート１３２１の表面と直交するように変位した状態を言う。一方、第２回転翼１３２０が「開いた状態」とは、図３Ａに実線で示すように、第２回転翼１３２０が、ヒンジ１３２２を支点としてプレート１３２１の表面と平行になるように変位した状態を言う。
【0025】
なお、本願明細書において、「直交」または「平行」とは、比較対象同士が厳密な意味で直交または平行であることまでも意味するものではない。例えば、第２回転翼１３２０が開いた状態である場合、軸方向と交差する方向から見て、第２回転翼１３２０の表面とプレート１３２１の表面とがなす角度が数度～十数度の範囲になっていてもよい。同様に、第２回転翼１３２０が閉じた状態である場合、軸方向と交差する方向から見て、第２回転翼１３２０の表面とプレート１３２１の表面とがなす角度が９０度から数度～十数度差し引いた範囲になっていてもよい。
【0026】
なお、ドローン２０００の移動方向を垂直方向から水平方向に切り替える場合、磁気ギアードモータ１００の動作モードも切り替える。第２回転翼１３２０の開閉状態は、磁気ギアードモータ１００の動作モードによって決まるため、第２回転翼１３２０の開閉状態もドローン２０００の移動方向に応じて変化する。これらについては後で説明する。
【0027】
［磁気ギアードモータの構成］
図２に示すように、磁気ギアードモータ１００は、モータケース４０の内部に原動ロータ１０と受動ロータ２０とステータ３０とを少なくとも備えている。
図２に示すように、磁気ギアードモータ１００は、モータケース４０の内部に原動ロータ１０と受動ロータ２０とステータ３０とを少なくとも備えている。
【0028】
ステータ３０は、磁気ギアードモータ１００の軸心に配置されており、図示しない外部電源から供給された電力により、時間的に変動する回転磁界を発生させる。
【0029】
受動ロータ２０は、ステータ３０の径方向外側に、ステータ３０と所定の間隔をあけて配置されている。受動ロータ２０は、軸心部分が中空である中空構造の第２出力軸２１を有しており、第２出力軸２１は、第１方向に沿ってモータケース４０の外部に突出している。
【0030】
原動ロータ１０は、受動ロータ２０の径方向内側に、受動ロータ２０と所定の間隔をあけて配置されている。原動ロータ１０は、第１出力軸１１を有しており、第１出力軸１１は、第１方向に沿ってモータケース４０の外部に突出している。第１出力軸１１は、第２出力軸２１の内部に第２出力軸２１と所定の間隔をあけて収容されている。
【0031】
原動ロータ１０は、ステータ３０と磁気的に結合されており、ステータ３０で発生した回転磁界により、磁気ギアードモータ１００の軸心回り、つまり、軸方向回りに回転する。第１出力軸１１は、原動ロータ１０と回転一体に設けられているため、原動ロータ１０とともに回転する。なお、磁気ギアードモータ１００の軸心は、原動ロータ１０及び第１出力軸１１の軸心に相当する。
【0032】
受動ロータ２０は、ステータ３０及び原動ロータ１０と磁気的に結合されており、原動ロータ１０が回転すると、速度比Ｇｒにしたがって、軸方向回りに回転する。第２出力軸２１は、受動ロータ２０と回転一体に設けられているため、受動ロータ２０とともに回転する。なお、速度比Ｇｒは、以下に示す式（１）で表される。
【0033】
｜Ｇｒ｜＝ Ｎｌ／Ｎｈ ・・・（１）
ここで、Ｎｈは、原動ロータ１０の極対数であり、Ｎｌは、受動ロータ２０の極対数または極数である。受動ロータ２０が永久磁石で構成されていれば、Ｎｌとして、受動ロータ２０の極対数が適用される。受動ロータ２０が磁性体で構成されていれば、Ｎｌとして、受動ロータ２０の極数が適用される。
ここで、Ｎｈは、原動ロータ１０の極対数であり、Ｎｌは、受動ロータ２０の極対数または極数である。受動ロータ２０が永久磁石で構成されていれば、Ｎｌとして、受動ロータ２０の極対数が適用される。受動ロータ２０が磁性体で構成されていれば、Ｎｌとして、受動ロータ２０の極数が適用される。
【0034】
つまり、式（２）に示すように、受動ロータ２０の回転速度Ｖｌは、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈを速度比Ｇｒで除した値となる。
【0035】
Ｖｌ＝Ｖｈ／Ｇｒ ・・・（２）
なお、式（１）から明らかなように、極対数Ｎｈが極対数Ｎｌよりも小さければ、速度比Ｇｒは１よりも大きくなる。つまり、受動ロータ２０の回転速度Ｖｌは、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈよりも低下する。一方、極対数Ｎｈが極対数Ｎｌよりも大きければ、速度比Ｇｒは１よりも小さくなる。つまり、受動ロータ２０の回転速度Ｖｌは、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈよりも上昇する。
なお、式（１）から明らかなように、極対数Ｎｈが極対数Ｎｌよりも小さければ、速度比Ｇｒは１よりも大きくなる。つまり、受動ロータ２０の回転速度Ｖｌは、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈよりも低下する。一方、極対数Ｎｈが極対数Ｎｌよりも大きければ、速度比Ｇｒは１よりも小さくなる。つまり、受動ロータ２０の回転速度Ｖｌは、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈよりも上昇する。
【0036】
言い換えると、受動ロータ２０は、変速比Ｇｒの仮想的な磁気ギアを介して原動ロータ１０に結合している。仮想的な磁気ギアが、原動ロータ１０の回転速度Ｖｈを減速して受動ロータ２０に伝達する場合、受動ロータ２０には原動ロータ１０よりも大きな回転トルクが発生する。
【0037】
また、磁気ギアードモータ１００は、図５に示すように、磁気ギア３００とモータ４００とが独立して設けられた構造であってもよい。
【0038】
図５に示す磁気ギアードモータ２００では、モータ４００の回転軸４１１に対して、磁気ギア３００の第１出力軸３１１が回転一体に連結されている。モータ４００は、モータケース４３０の内部にロータ４１０とステータ４２０とを有している。ロータ４１０は、モータ４００の軸心に配置され、回転軸４１１はロータ４１０と回転一体に設けられている。ステータ４２０は、ロータ４１０の径方向外側に、ロータ４１０と所定の間隔をあけて配置されている。ステータ４２０は、図示しない外部電源から供給された電力により、時間的に変動する回転磁界を発生させる。なお、図５に示す磁気ギアードモータ２００においても、原動ロータ３１０の径方向外側に受動ロータ３２０が配置されている。よって、第１出力軸３１１の径方向外側に第２出力軸３２１が配置される。つまり、第２回転翼１３２０が閉じた状態になっても、第１回転翼１３１０の回転を妨げないように配置される。
【0039】
ロータ４１０は、ステータ４２０と磁気的に結合されており、ステータ４２０で発生した回転磁界により、モータ４００の軸心の回りに回転する。回転軸４１１は、ロータ４１０と回転一体に設けられているため、ロータ４１０とともに回転する。
【0040】
磁気ギア３００は、ギアケース３４０の内部に、原動ロータ３１０と受動ロータ３２０とステータ３３０とを備えている。受動ロータ３２０は、磁気ギア３００の軸心に配置され、第２出力軸３２１を有している。第２出力軸３２１は、ギアケース３４０の外部に突出している。
【0041】
原動ロータ３１０は、受動ロータ３２０の径方向外側に、受動ロータ３２０と所定の間隔をあけて配置されている。原動ロータ３１０は、軸心部分が中空である中空構造の第１出力軸３１１を有しており、第１出力軸３１１は、第１方向に沿ってギアケース３４０の外部に突出している。第２出力軸３２１は、第１出力軸３１１の内部に第１出力軸３１１と所定の間隔をあけて収容されている。また、第２出力軸３２１も第１方向に沿ってギアケース３４０の外部に突出している。
【0042】
ステータ３３０は、原動ロータ３１０の径方向外側に、原動ロータ３１０と所定の間隔をあけて配置されている。ステータ３３０は、図示しない外部電源から供給された電力により、時間的に変動する回転磁界を発生させる。
【0043】
前述したように、磁気ギア３００の第１出力軸３１１は、モータ４００の回転軸４１１とともに回転する。一方、受動ロータ３２０は、原動ロータ３１０及びステータ３３０と磁気的に連結されていることにより、原動ロータ３１０が回転することで速度比Ｇｒにしたがって回転する。また、受動ロータ３２０は、磁気ギア３００の軸心回り、つまり、軸方向回りに回転する。なお、磁気ギア３００の軸心は、原動ロータ３１０及び第１出力軸３１１の軸心に相当する。第２出力軸３２１は、受動ロータ３２０と回転一体に設けられているため、受動ロータ３２０とともに回転する。この場合、第２出力軸３２１の回転速度Ｖｌは、前述したように、原動ロータ３１０の回転速度Ｖｈを速度比Ｇｒで除した値となる。
【0044】
なお、磁気ギアードモータ１００において、ステータ３０と原動ロータ１０と受動ロータ２０との配置関係は、図２に示す形に特に限定されない。同様に、磁気ギア３００において、ステータ３３０と原動ロータ３１０と受動ロータ３２０との配置関係は、図５に示す形に特に限定されない。例えば、図１に示す磁気ギアードモータ１００において、ステータ３０が径方向で最外側に配置されもよい。また、ステータ３０の内側に原動ロータ１０が配置され、さらにその内側に受動ロータ２０が配置されるようにしてもよい。
【0045】
図２に示す磁気ギアードモータ１００は、２つの異なる動作モードで動作可能に構成されている。第１モード（両軸駆動モード）では、第１出力軸１１と第２出力軸２１がともに回転する。この場合、前述したように、受動ロータ２０と原動ロータ１０とが互いに同調して回転する。つまり、受動ロータ２０及び第２出力軸２１が速度比Ｇｒにしたがって回転する。
【0046】
第２モード（片軸駆動モード）では、第１出力軸１１及び第２出力軸２１の一方が回転する。一方で、第１出力軸１１及び第２出力軸２１の他方が一方の回転から脱調する。例えば、図２に示す磁気ギアードモータ１００において、第１出力軸１１は、ステータ３０が発生させる回転磁界により回転する。一方、受動ロータ２０及び第２出力軸２１は、原動ロータ１０及び第１出力軸１１の回転から脱調する。場合によっては、受動ロータ２０及び第２出力軸２１は、回転を停止する。
【0047】
図５に示す磁気ギアードモータ２００も同様に、第１モード（両軸駆動モード）と第２モード（片軸駆動モード）のいずれかで動作可能に構成されている。磁気ギアードモータ２００において、第１出力軸３１１は、モータ４００の回転軸４１１とともに回転する。磁気ギアードモータ２００が第１モードで動作する場合、受動ロータ３２０及び第２出力軸３２１は、原動ロータ１０と同調して回転する。つまり、受動ロータ２０及び第２出力軸３２１が速度比Ｇｒにしたがって回転する。
【0048】
一方、磁気ギアードモータ２００が第２モードで動作する場合、受動ロータ３２０及び第２出力軸３２１は、原動ロータ３１０及び第１出力軸３１１の回転から脱調して、回転を停止する。
【0049】
なお、通常、磁気ギアードモータ１００，２００において、原動ロータ１０，３１０は高速かつ低トルクで回転し、受動ロータ２０，３２０は、原動ロータ１０，３１０に比べて低速かつ高トルクで回転する。また、第１モード及び第２モードの両方の動作モードで、基本的に、原動ロータ１０，３１０及び第１出力軸１１，３１１が回転する。
【0050】
また、原動ロータ１０，３１０の回転方向は一方向に限定されず、例えば、時計回り方向と反時計回り方向のいずれにも回転可能に構成されている。同様に、受動ロータ２０，３２０は、時計回り方向と反時計回り方向のいずれにも回転可能に構成されている。
【0051】
［ドローンの動作］
前述したように、ドローン２０００は、垂直離着陸及び水平飛行がそれぞれ可能なように構成されている。垂直離陸時には、図４の上側の図に示すように、４本のアーム１１００のそれぞれに連結された磁気ギアードモータ１００において、第１出力軸１１及び第２出力軸２１の長手方向である第１方向が、鉛直方向となる。さらに、それぞれの磁気ギアードモータ１００は、第１モードで動作する。つまり、第１出力軸１１と第２出力軸２１がともに回転し、さらに、第２出力軸２１は、第１出力軸１１の回転速度を速度比Ｇｒで除した値の回転速度で回転する。
前述したように、ドローン２０００は、垂直離着陸及び水平飛行がそれぞれ可能なように構成されている。垂直離陸時には、図４の上側の図に示すように、４本のアーム１１００のそれぞれに連結された磁気ギアードモータ１００において、第１出力軸１１及び第２出力軸２１の長手方向である第１方向が、鉛直方向となる。さらに、それぞれの磁気ギアードモータ１００は、第１モードで動作する。つまり、第１出力軸１１と第２出力軸２１がともに回転し、さらに、第２出力軸２１は、第１出力軸１１の回転速度を速度比Ｇｒで除した値の回転速度で回転する。
【0052】
この場合、遠心力を受けて、第２回転翼１３２０は開いた状態となる。また、前述したように、受動ロータ２０は、原動ロータ１０に比べて低速かつ高トルクで回転する。さらに、第２回転翼１３２０が開いた場合、第２回転翼１３２０の直径は、第１回転翼１３１０の直径よりも大きくなるように設計されている。
【0053】
つまり、第２回転翼１３２０が回転することで、第１回転翼１３１０の回転による推力と合わせて、ドローン２０００は垂直方向に大きな推力を受けることができ、スムーズに垂直離着陸を行うことができる。
【0054】
一方、水平飛行時には、方向制御部１２００の回転軸を駆動させて、本体１０００及びアーム１１００に対して、方向制御部１２００及びこれに設置された磁気ギアードモータ１００の姿勢を変化させる。具体的には、図４の下側の図に示すように、もとの姿勢から９０度回転した状態に磁気ギアードモータ１００の姿勢を変化させる。
【0055】
さらに、この状態で磁気ギアードモータ１００を第２モードで動作させる。そうすると、受動ロータ２０及び第２出力軸２１は、原動ロータ１０及び第１出力軸１１の回転から脱調する。このため、第２回転翼１３２０も第１回転翼１３１０の回転から脱調して、回転速度が低下する。さらに、遠心力の低下や空気抵抗の影響で第２回転翼１３２０は回転を停止し、図４の下側の図に示すように閉じた状態になる。
【0056】
水平飛行時は、垂直離着陸時に比べて、推力が小さくてもよい。よって、高速かつ低トルクで回転する第１回転翼１３１０のみを用いても、水平飛行に十分な推力を得ることができる。
【0057】
なお、第１回転翼１３１０の回転速度と第２回転翼１３２０の回転速度とを、それぞれ、ドローン２０００の水平飛行や垂直離着陸に適した値にするにあたって、前述の速度比Ｇｒが調整される。原動ロータ１０の極対数Ｎｈと、受動ロータ２０の極対数または極数Ｎｌとを適宜、変更することで、速度比Ｇｒは簡便に調整することができる。
【0058】
また、４本のアーム１１００のそれぞれに連結された方向制御部１２００の姿勢をそれぞれ独立して制御できることが好ましい。このようにすることで、ドローン２０００の移動方向を細かく制御することができる。
【0059】
なお、図４の下側の図に示すように、水平飛行時には、第２回転翼１３２０は閉じた状態を維持しているのが好ましい。しかし、重力や空気抵抗の影響で、第２回転翼１３２０が開いた状態になってしまう場合がある。開いた状態の第２回転翼１３２０が空気抵抗を受けることで、ドローン２０００の水平飛行に悪影響を与えるおそれがある。例えば、所望の速度で水平飛行できない場合がありうる。また、風量や風向によっては、所望の方向に水平飛行できない場合がありうる。
【0060】
このような不具合が発生するのを防止するため、第２回転翼１３２０の回転速度または回転トルクが所定値以上にならない場合は、強制的に第２回転翼１３２０を閉じた状態に維持するのが好ましい。
【0061】
例えば、図３Ｂに示すように、第２回転翼１３２０と第２出力軸２１との間をコイルばね１３３０で連結するようにしてもよい。このようにすることで、第２回転翼１３２０に対して開く方向に加わる力が、コイルばね１３３０の張力を超えない限り、第２回転翼１３２０は閉じた状態に維持される。したがって、適切な張力のコイルばね１３３０を用いることにより、第２回転翼１３２０の回転速度または回転トルクが所定値以上にならない場合は、強制的に第２回転翼１３２０を閉じた状態に維持することができる。
【0062】
なお、図３Ｂに示す例では、第２回転翼１３２０を第２出力軸２１に向かって付勢する付勢部材として、コイルばね１３３０を用いたが、他の部材を用いてもよい。例えば、ゴム等の伸縮性のある弾性体を用いてもよいし、磁石を用いてもよい。例えば、第２出力軸２１に磁石を配置し、金属製の第２回転翼１３２０が磁石に対して所定の距離以内に近づいたときに、磁石の吸引力により第２回転翼１３２０が閉じた状態になるようにしてもよい。あるいは、第２出力軸２１と第２回転翼１３２０のそれぞれに磁石を配置し、それぞれの磁石同士が所定の距離以内に近づいたときに、磁石の吸引力により第２回転翼１３２０が閉じた状態になるようにしてもよい。
【0063】
また、第１回転翼１３１０を第１出力軸１１に向かって付勢する付勢部材（図示せず）を別途、設けるようにしてもよい。このようにすることで、垂直離着陸時等の低速飛行時に第１回転翼１３１０を閉じた状態に維持できる。このようにすることで、垂直離着陸時等の大きな推力を要する場合に、推力が比較的小さい第１回転翼１３１０でエネルギーが消費されるのを抑制し、ドローン２０００の飛行時のエネルギー効率を向上させることができる。
【0064】
以上説明したように、ドローン２０００の運転モードは、磁気ギアードモータ１００の動作モードに応じて変更される。よって、ドローン２０００の駆動方法をさらに説明するため、磁気ギアードモータ１００の脱調方法及び復調方法について以下に述べる。
【0065】
［ドローンの駆動方法］
図６は、磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図を、図７は、別の脱調方法を説明する模式図を、図８は、ブレーキの一例をそれぞれ示す。図９は、磁気ギアードモータの回転同調の復帰方法を説明する模式図を示す。なお、図６，７，９及び以降に示す図１０，１４において、モータケース４０の図示を省略している。
図６は、磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図を、図７は、別の脱調方法を説明する模式図を、図８は、ブレーキの一例をそれぞれ示す。図９は、磁気ギアードモータの回転同調の復帰方法を説明する模式図を示す。なお、図６，７，９及び以降に示す図１０，１４において、モータケース４０の図示を省略している。
【0066】
ドローン２０００を両軸駆動モードで運転するか片軸駆動モードで運転するかは、前述したように、磁気ギアードモータ１００，２００を第１モードで動作させるか第２モードで動作させるかによって決まる。したがって、ドローン２０００の駆動方法を説明するにあたって、磁気ギアードモータ１００，２００の脱調方法あるいは回転同期の復調方法を以下に説明する。
【0067】
前述した通り、受動ロータ２０は、ステータ３０及び原動ロータ１０とそれぞれ磁気的に結合されている。よって、磁気ギアードモータ１００が第１モードで動作する場合は、原動ロータ１０及び第１出力軸１１が回転すると、速度比Ｇｒにしたがって、受動ロータ２０及び第２出力軸２１も回転する。
【0068】
一方、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させる場合は、受動ロータ２０及び原動ロータ１０の一方の回転を、他方の回転から脱調させる必要がある。この手法は様々であり、本実施形態ではそのうちのいくつかを説明する。
【0069】
まず、図６に示すように、磁気ギアードモータ１００にブレーキ５０を搭載し、ブレーキ５０を動作させることで、受動ロータ２０の回転を制動するか、または受動ロータ２０を静止固定する方法がある。前者の場合、磁気ギアードモータ１００にコントローラ（図示せず）から第２モードへの移行命令が出力されると、ブレーキ５０が動作して受動ロータ２０に当接し、受動ロータ２０の回転を制動する。例えば、図８に示すように電磁式のブレーキ５０を用いると、応答速度を高めることができる。なお、図８に示すブレーキ５０は、コイル５１に通電することで、受動ロータ２０とブレーキ５０の本体部５２との間に吸引力が働き、本体部５２が受動ロータ２０に当接して、受動ロータ２０の回転を制動する。または、受動ロータ２０を静止固定する。
【0070】
なお、ブレーキ５０の構造は図８に示した例に特に限定されない。例えば、磁気摩擦を利用した公知のヒステリシスブレーキや磁力と機械的摩擦を利用した公知のパウダーブレーキ等を利用することができる。また、ブレーキ５０の構造を、受動ロータ２０の当接面に対しピンや凹凸（いずれも図示せず）を噛み合わせることで、受動ロータ２０の回転を固定する機械的なロック機構としてもよい。
【0071】
また、図７に示すように、磁気ギアードモータ１００にブレーキ５０を搭載し、受動ロータ２０を回してはずみを付けた後に、原動ロータ１０の回転を制動するか、または原動ロータ１０を静止固定してもよい。ブレーキ５０の構造は、図８に示したものでもよいし、前述した他の構造であってもよい。
【0072】
前者の方法、つまり、受動ロータ２０の回転を制動するか、受動ロータ２０を静止固定する方法は、原動ロータ１０に蓄積された慣性エネルギーを利用して、原動ロータ１０と同調して回転していた受動ロータ２０の回転を強制的に制動する。このようにして、原動ロータ１０を脱調させる。また、原動ロータ１０に脱調トルク以上の電流トルクを発生させることで、原動ロータ１０を脱調させてもよい。また、原動ロータ１０に蓄積された慣性エネルギーを利用しつつ、原動ロータ１０に脱調トルク以上の電流トルクを発生させてもよい。この場合も、原動ロータ１０を脱調させることができる。
【0073】
なお、受動ロータ２０をブレーキ５０で制働するか、または静止固定させないと、発生した電流トルクにより、原動ロータ１０に回転加速度が生じてしまう。
【0074】
一方、後者の方法、つまり、原動ロータ１０の回転を制動するか、原動ロータ１０を静止固定する方法は、受動ロータ２０に蓄積された慣性エネルギーを利用している。つまり、受動ロータ２０と同調して回転していた原動ロータ１０の回転を強制的に制動することで、受動ロータ２０に脱調トルク以上のトルクが加わり、受動ロータ２０が脱調する。
【0075】
一方、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させる場合、磁気ギアードモータ１００の回転同調を復帰させる必要がある。この手法も様々であり、本実施形態ではそのうちのいくつかを説明する。
【0076】
まず、図９に示すように、原動ロータ１０を減速して、受動ロータ２０の回転と同調させる方法がある。また、原動ロータ１０の回転を一時的に停止して、受動ロータ２０の回転と同調させる方法がある。これらの方法により、受動ロータ２０の回転と原動ロータ１０の回転とを再び同調させることができる。
【0077】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るドローン２０００は、本体１０００と、本体１０００に連結された磁気ギアードモータ１００と、磁気ギアードモータ１００に連結された回転翼１３００と、を少なくとも備えている。なお、磁気ギアードモータ１００は、アーム１１００と方向制御部１２００とを介して、本体１０００に連結されている。
以上説明したように、本実施形態に係るドローン２０００は、本体１０００と、本体１０００に連結された磁気ギアードモータ１００と、磁気ギアードモータ１００に連結された回転翼１３００と、を少なくとも備えている。なお、磁気ギアードモータ１００は、アーム１１００と方向制御部１２００とを介して、本体１０００に連結されている。
【0078】
回転翼１３００は、磁気ギアードモータ１００の第１出力軸１１に連結された第１回転翼１３１０と、磁気ギアードモータ１００の第２出力軸２１に連結された第２回転翼１３２０と、を有している。
【0079】
第１回転翼１３１０は、第１出力軸１１の回転とともに回転し、第２回転翼１３２０は、第２出力軸２１の回転とともに回転し、かつ第２出力軸２１の回転に応じて開閉自在に構成されている。また、第２回転翼１３２０が開いた場合の直径は、第１回転翼１３１０の直径よりも大きくなるように設定されている。
【0080】
磁気ギアードモータ１００は、第１出力軸１１を有する原動ロータ１０と、第２出力軸２１を有する受動ロータ２０と、原動ロータ１０及び受動ロータ２０とそれぞれ磁気的に結合されたステータ３０と、を少なくとも備えている。
【0081】
第１出力軸１１は、原動ロータ１０と回転一体に設けられている。第２出力軸２１は、受動ロータ２０と回転一体に設けられるとともに、第１出力軸１１と同軸に配置されている。
【0082】
磁気ギアードモータ１００は、受動ロータ２０及び原動ロータ１０が互いに同調して回転する第１モード（両軸駆動モード）と、原動ロータ１０が回転する間に、受動ロータ２０が原動ロータ１０の回転から脱調状態となる第２モード（片軸駆動モード）のいずれかのモードで動作可能に構成されている。
【0083】
ドローン２０００をこのように構成することで、垂直離陸時と水平飛行時のそれぞれにおいて飛行に適した推力を得ることができる。特に、垂直離陸時は、第１モード（両軸駆動モード）で、大径の第２回転翼１３２０と小径の第１回転翼１３１０とが同時に回転する。仮想的な磁気ギア効果で減速され高トルクとなる受動ロータ２０の回転により大径の第２回転翼１３２０を回転させるため、高い推力を得ることができる。水平飛行時には、磁気ギアードモータ１００，２００を第２モード（片軸駆動モード）で動作させるため、受動ロータ２０に連結された第２回転翼１３２０は、第１出力軸１１，３１１の回転から脱調する。その結果、第２回転翼１３２０の回転は停止し、第２回転翼１３２０は開いた状態から閉じた状態に移行する。このことにより、第２回転翼１３２０による空気抵抗の影響を抑制でき、水平飛行時の推力低下を抑制してドローン２０００を高速で飛行することができる。
【0084】
また、本実施形態によれば、磁気ギアードモータ１００，２００において、磁気ギアの原理にしたがって、原動ロータ１０，３１０と受動ロータ２０，３２０との間で、回転トルクと回転数で決まる出力特性の差を簡便に生じさせることができる。このことにより、垂直離着陸時と水平飛行時の両方に適したドローン２０００の設計を容易に行うことができる。
【0085】
なお、磁気ギアードモータ２００は、磁気ギア３００とモータ４００とを備えていてもよい。この場合、磁気ギア３００は、第１出力軸３１１を有する原動ロータ３１０と、第２出力軸３２１を有する受動ロータ３２０と、原動ロータ３１０及び受動ロータ３２０とそれぞれ磁気的に結合されたステータ３３０と、を少なくとも備えている。
【0086】
第１出力軸３１１は、原動ロータ３１０と回転一体に設けられている。第２出力軸３２１は、受動ロータ３２０と回転一体に設けられるとともに、第１出力軸３１１と同軸に配置されている。また、原動ロータ３１０及び第１出力軸３１１は、外力、この場合は、モータ４００の回転駆動力を受けて軸方向回りに回転可能に構成されている。
【0087】
また、磁気ギア３００は、受動ロータ３２０及び原動ロータ３１０が互いに同調して回転する第１モード（両軸駆動モード）と、原動ロータ１０が回転する間に、受動ロータ２０が原動ロータ１０の回転から脱調状態となる第２モード（片軸駆動モード）のいずれかのモードで動作可能に構成されている。
【0088】
モータ４００は、回転軸４１１を有するロータ４１０とステータ４２０とを少なくとも備えている。磁気ギア３００の第１出力軸３１１は、モータ４００の回転軸４１１に回転一体に接続されている。原動ロータ３１０及び第１出力軸３１１は、モータ４００の回転とともに回転する。
【0089】
磁気ギアードモータ１００，２００や磁気ギア３００をこのように構成することで、磁気ギアードモータ１００，２００の出力特性を可変にできる。また、高速回転する原動ロータ１０，３１０に対して、受動ロータ２０，３２０を低速回転させるにあたって、クラッチや減速機等を設けたり、出力特性の異なる２種類のモータを用いたりする必要が無く、磁気ギアードモータ１００，２００の小型化及び軽量化が図れる。
【0090】
つまり、磁気ギアードモータ１００，２００の構造を簡素化できるため、磁気ギアードモータ１００，２００、ひいては、ドローン２０００の故障リスクを低減できる。
【0091】
また、磁気ギアードモータ１００は、ブレーキ５０をさらに備えていてもよい。その場合、本実施形態に係るドローン２０００の駆動方法は、以下のステップを有する。
【0092】
磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させる場合、ブレーキ５０を動作させて、受動ロータ２０の回転を制動するか、または受動ロータ２０を静止固定する。
【0093】
このようにすることで、原動ロータ１０に蓄積された慣性エネルギーに起因して、原動ロータ１０に脱調トルク以上のトルクが加わり、原動ロータ１０が脱調する。このことにより、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させることができる。このことにより、第２回転翼１３２０を第１回転翼１３１０の回転から脱調させて、第２回転翼１３２０の回転を停止させることができる。その結果、ドローン２０００を水平飛行に適した動作モードで運転することができる。
【0094】
なお、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させる場合、受動ロータ２０にはずみを付けた後に、ブレーキ５０を動作させて、受動ロータ２０の回転を制動するか、または受動ロータ２０を静止固定してもよい。
【0095】
また、本実施形態に係るドローン２０００の駆動方法は、以下のステップを備えていてもよい。つまり、原動ロータ１０の回転を減速して、受動ロータ２０の回転と同調させることで、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させるようにしてもよい。
【0096】
このようにすることで、第２モードから第１モードへの移行を簡便かつ確実に行うことができる。
【0097】
なお、原動ロータ１０の回転を一時的に停止して、受動ロータ２０の回転と同調させることで、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させてもよい。このことにより、第１回転翼１３１０の回転に同調させて、第２回転翼１３２０を回転させることができる。その結果、ドローン２０００を垂直離着陸に適した動作モードで運転することができる。
【0098】
＜変形例１＞
図１０は、変形例１に係る磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図を示す。なお、図１０及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図１０は、変形例１に係る磁気ギアードモータの脱調方法を説明する模式図を示す。なお、図１０及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0099】
前述したように、原動ロータ１０及び受動ロータ２０の一方を脱調させる方法、つまり、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させる方法は、実施形態１に示した方法に特に限定されない。
【0100】
例えば、図１０の左側の図に示すように、ステータ３０に設けられたコイル（図示せず）に大電流を流し、ステータ３０で発生する回転磁界を強めるようにしてもよい。この場合、原動ロータ１０の回転が所定値以上に急加速するため、受動ロータ２０の回転が脱調し、動作モードが第２モードに移行する。
【0101】
また、図１０の右側の図に示すように、ステータ３０で発生する回転磁界の回転方向を反転させることで、原動ロータ１０の回転方向を急反転させるようにしてもよい。この場合、ステータ３０で発生する回転磁界の回転方向を複数回反転させてもよい。このようにすることで、原動ロータ１０は正転と反転を繰り返すため、受動ロータ２０の回転が容易に脱調し、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードに移行させることができる。
【0102】
また、磁気ギアードモータ１００の回転指令に特定の周波数成分を重畳させることで、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第１モードから第２モードに移行させてもよい。なお、ここで言う回転指令とは、速度指令またはトルク指令である。
【0103】
【0104】
図１１に示すように、受動ロータ２０と原動ロータ１０の磁気的結合状態を模式的に示した場合、両者の間に所定の共振周波数を有する磁気ばね７０が仮想的に存在していると言える。したがって、磁気ギアードモータ１００の回転指令にこの共振周波数と略同じ周波数成分を重畳させると、受動ロータ２０と原動ロータ１０との間に共振が起こり、受動ロータ２０と原動ロータ１０の回転位相差が振動する。その振動の振幅が所定値を超えたとき、原動ロータ１０及び受動ロータ２０の回転が同調しなくなる。
【0105】
図１２に示す例で言えば、回転指令の周波数が１００Ｈｚとなる近傍で、受動ロータ２０のゲインが大きく変動する。なお、ここで言う「ゲイン」とは、周波数伝達関数の入出力の振幅比である。図１２から明らかなように、この傾向は、磁気ギアードモータ１００内の各構成部品を数式モデル化したシミュレーション結果及び実機を用いた検証結果の両方に共通して見られた。
【0106】
なお、図１１に示すように、原動ロータ１０は、慣性モーメントＪＭを有する回転体としてモデル化される。受動ロータ２０は、慣性モーメントＪＬを有する回転体としてモデル化される。原動ロータ１０と受動ロータ２０の磁気結合は、原動ロータ１０と受動ロータ２０を連結するばね定数Ｋを有する磁気ばね７０としてモデル化される。
【0107】
原動ロータ１０は、回転トルクＴＭと磁気ばね７０からの回転トルクＴＣを受けて、角速度ωＭで回転する。一方、受動ロータ２０は、磁気ばね７０からの回転トルクＴＣと出力軸側からの反作用回転トルクＴＬを受けて、角速度ωＬで回転する。
【0108】
したがって、磁気ギアードモータ１００は、２慣性系の運動モデルとなり、原動ロータ１０の慣性モーメントＪＭ、受動ロータ２０の慣性モーメントＪＬ、磁気ばね７０のばね定数Ｋに依存する共振周波数を持つ。
【0109】
つまり、磁気ギアードモータ１００の回転指令に周波数が１００Ｈｚ程度の成分を重畳させることで、受動ロータ２０の回転が原動ロータ１０の回転から脱調する。その結果、磁気ギアードモータ１００の動作モードが第１モードから第２モードに移行する。この方法によれば、磁気ギアードモータ１００の動作モードを簡便に移行させることができる。
【0110】
図１３は、変形例１に係る磁気ギアードモータの動作シミュレーション結果を示す。
【0111】
図１３に示す例では、原動ロータ１０の速度指令値を、０秒から８秒までの間に徐々に引き上げて増加させる。８秒から２０秒までの間は、速度指令値を１５５０ｒ．ｐ．ｍ．に保つ。なお、この時点で、受動ロータ２０との回転速度比は７．７５となった。２０秒を過ぎてから、速度指令値に共振周波数の脈動成分を重畳させる。その結果、受動ロータ２０が脱力し、受動ロータ２０に生じている摩擦等の損失によって、受動ロータ２０の運動エネルギーが徐々に減少する。これを受けて、図１３に示すように、受動ロータ２０の回転数が低下し、受動ロータ２０が脱調するに至ることが確かめられた。
【0112】
以上説明したように、本変形例の方法によれば、第２回転翼１３２０を第１回転翼１３１０の回転から脱調させて、第２回転翼１３２０の回転を停止させることができる。その結果、ドローン２０００を水平飛行に適した動作モードで運転することができる。
【0113】
また、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させる方法も、実施形態１に示した方法に特に限定されない。
【0114】
図１４は、変形例１に係る磁気ギアードモータの回転同調の復帰方法を説明する模式図を示す。
【0115】
例えば、図１４に示すように、磁気ギアードモータ１００に回転機構５００を設けてもよい。回転機構５００は、モータ（図示せず）と回転軸５１１とを有する回転部５１０と、回転軸５１１の先端に接続された歯車５２０とを有している。歯車５２０は、受動ロータ２０の外周面２０ａに当接している。なお、図示しないが、受動ロータ２０の外周面２０ａには、外周方向にわたって歯車５２０と噛み合う複数の歯（図示せず）が設けられている。
【0116】
受動ロータ２０が回転停止している状態で、回転機構５００を駆動すると、回転部５１０の回転に応じて歯車５２０が回転し、歯車５２０と噛み合った受動ロータ２０も回転する。受動ロータ２０の回転速度を原動ロータ１０との回転同調速度に近づけることで、原動ロータ１０の回転と受動ロータ２０の回転とが同調し、磁気ギアードモータ１００の動作モードが第２モードから第１モードに移行する。
【0117】
つまり、本変形例の方法によれば、第１回転翼１３１０の回転に同調させて、第２回転翼１３２０を回転させることができる。その結果、ドローン２０００を垂直離着陸に適した動作モードで運転することができる。
【0118】
（実施形態２）
図１５は、実施形態２に係るドローンの要部の断面模式図を示し、図１６Ａは、実施形態２に係る第１モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示し、図１６Ｂは、第２モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示す。
図１５は、実施形態２に係るドローンの要部の断面模式図を示し、図１６Ａは、実施形態２に係る第１モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示し、図１６Ｂは、第２モードで動作時の磁気ギアードモータの一例を示す。
【0119】
実施形態１に示す磁気ギアードモータ１００，２００では、第１出力軸１１，３１１及び第２出力軸２１，３２１は、ともに軸方向に沿って、かつ同じ方向に突出している。
【0120】
しかし、本実施形態の磁気ギアードモータ１００は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、第１出力軸１１と第２出力軸２１とが、軸方向に沿って互いに反対方向に突出するように設けられている。つまり、第２出力軸２１が、第１出力軸１１と同軸に設けられる一方、第１方向と反対側に突出している。そのため、図１５に示すように、第１回転翼１３１０と第２回転翼１３２０は、軸方向に沿って、モータケース４０を挟んで互いに離間して、磁気ギアードモータ１００にそれぞれ連結される。
【0121】
なお、本実施形態に示す磁気ギアードモータ１００において、第２回転翼１３２０が閉じた状態になった場合、第２回転翼１３２０がアーム１１００と衝突しないようにする必要がある。このため、ステータ３０は、受動ロータ２０よりも径方向外側に配置される。ただし、アーム１１００から磁気ギアードモータ１００までの軸方向に沿った距離が十分に確保されている場合は、この限りではない。よって、ステータ３０を受動ロータ２０よりも径方向内側に配置することもありうる。
【0122】
ドローン２０００をこのように構成することで、第１回転翼１３１０と第２回転翼１３２０との距離を、実施形態１に示す構成に比べて遠ざけることができる。このことにより、磁気ギアードモータ１００の動作モードが移行した場合に、第２回転翼１３２０の開閉状態の変化が第１回転翼１３１０の回転を妨げにくくすることができる。
【0123】
なお、実施形態１及び本実施形態に示す例では、磁気ギアードモータ１００が第１モードで動作する場合、第２出力軸２１の回転速度ωｂを５００ｒ．ｐ．ｍ．～３，０００ｒ．ｐ．ｍ．としている。この場合、第１出力軸１１の回転速度ωａは、ωｂのギア比倍となる。また、磁気ギアードモータ１００が第２モードで動作する場合、第１出力軸１１の回転速度ωａは、３０，０００ｒ．ｐ．ｍ．である。ただし、これらの値は、特に限定されず、適宜別の値を取りうる。なお、第２出力軸２１の回転トルクＴｂが、第１出力軸１１の回転トルクＴａよりも大きい値であることは言うまでもない。
【0124】
＜変形例２＞
図１７Ａ～１７Ｄは、変形例２に係る第１～第４のドローンの要部の断面模式図を示す。なお、説明の便宜上、図１７Ａ～１７Ｄにおいて、モータケース４０及びプレート１３１１，１３２１の図示及び説明を省略している。
図１７Ａ～１７Ｄは、変形例２に係る第１～第４のドローンの要部の断面模式図を示す。なお、説明の便宜上、図１７Ａ～１７Ｄにおいて、モータケース４０及びプレート１３１１，１３２１の図示及び説明を省略している。
【0125】
実施形態１，２及び変形例１では、磁気的に結合する３つの部品、つまり、原動ロータ１０と受動ロータ２０とステータ３０とが、径方向に並んで配置された磁気ギアードモータ１００を示した。
【0126】
しかし、磁気ギアードモータ１００の構造は、特にこれに限定されず、図１７Ａ～１７Ｄに示すように、当該３つの部品が軸方向にも並んで配置されていてもよい。
【0127】
例えば、図１７Ａに示すように、中央に位置するステータ３０に対して、軸方向の一方側に原動ロータ１０を設け、他方側に受動ロータ２０を設けてもよい。また、図１７Ｂに示すように、軸方向に対向して原動ロータ１０と受動ロータ２０とを配置し、これらの径方向外側にステータ３０を配置してもよい。
【0128】
なお、図１７Ａ及び図１７Ｂに示す構造によれば、例えば、原動ロータ１０と受動ロータ２０を両方とも永久磁石で構成する場合において、両方のロータの回転方向を逆にしつつ、脱調トルクを大きくする設計が容易となる。
【0129】
図１７Ｃに示すように、中央に位置する受動ロータ２０に対して、軸方向の一方側に原動ロータ１０を設け、他方側にステータ３０を設けてもよい。また、図１７Ｄに示すように、軸方向に対向して原動ロータ１０とステータ３０とを配置し、これらの径方向外側に受動ロータ２０を配置してもよい。
【0130】
なお、図１７Ｃ及び図１７Ｄに示す構造によれば、例えば径方向に３つの部品を配置するアウターロータ構造の磁気ギアードモータ１００と比較して、脱調トルクを大きくしつつ、受動ロータ２０に連結された第２回転翼１３２０と原動ロータ１０に連結された第１回転翼１３１０との衝突を回避することが容易となる。
【0131】
なお、図１７Ａ及び図１７Ｂに示す磁気ギアードモータ１００では、受動ロータ２０で発生した磁束は、ステータ３０を通って、さらに原動ロータ１０に流れる。また、図１７Ｃ及び図１７Ｄに示す磁気ギアードモータ１００では、ステータ３０で発生した磁束は、受動ロータ２０を通って、さらに原動ロータ１０に流れる。すなわち、３つの部品の磁気的な結合は、図中に示される磁束の流れの向きに沿って生じており、動力の伝達が行われる。
【0132】
また、図１７Ａ～１７Ｄに示す磁気ギアードモータ１００のいずれにおいても、径方向に部品を並べるよりも、モータの直径を小さく設計することができる。
【0133】
また、図１７Ａ及び図１７Ｄに示すドローン２０００において、受動ロータ２０に対して、図示しないプレート１３２１を介して第２回転翼１３２０が連結される構成を示した。ただし、この例に特に限定されず、図１５に示すように、受動ロータ２０に第２出力軸２１が連結され、第２出力軸２１に対してプレート１３２１を介して第２回転翼１３２０が連結されてもよい。その場合、第２出力軸２１が、軸方向に沿って、かつ第１出力軸１１と反対側に突出していることは言うまでもない。
【0134】
また、図５に示す磁気ギアードモータ２００、つまり、磁気ギア３００を備えた磁気ギアードモータ２００においても、図１７Ａ～１７Ｄに示すのと同様に、原動ロータ１０と受動ロータ２０とステータ３０とが、軸方向にも並んで配置されていてもよい。
【0135】
（その他の実施形態）
実施形態１，２及び変形例１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。例えば、図２に示す磁気ギアードモータ２００に、変形例に示す回転の脱調方法や回転同調の復帰方法を適用してもよい。また、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させるにあたって、図９に示す方法と図１４に示す方法とを組み合わせてもよい。
実施形態１，２及び変形例１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。例えば、図２に示す磁気ギアードモータ２００に、変形例に示す回転の脱調方法や回転同調の復帰方法を適用してもよい。また、磁気ギアードモータ１００の動作モードを第２モードから第１モードに移行させるにあたって、図９に示す方法と図１４に示す方法とを組み合わせてもよい。
【0136】
また、実施形態１や変形例１に示すドローン２０００において、第２回転翼１３２０が閉じた状態になった場合に、第１回転翼１３１０の回転を妨げないようにできれば、受動ロータ２０が原動ロータ１０よりも径方向内側に配置されてもよい。例えば、プレート１３２１の径方向の長さを調整することで、受動ロータ２０を原動ロータ１０よりも径方向内側に配置しうる。
【0137】
なお、ドローン２０００において、本体１０００の形状は、図１に示したものに特に限定されない。例えば、本体１０００の形状が公知のヘリコプターや飛行機と同様であってもよい。また、本体に接続されるアーム１１００の本数も、図１に示したものに特に限定されない。
【0138】
なお、アーム１１００を省略して、本体１０００に直接、磁気ギアードモータ１００と回転翼１３００とを取り付けてもよい。また、本体１０００から軸方向に沿って突出するアーム１１００が設けられ、その先端に、方向制御部１２００と磁気ギアードモータ１００と回転翼１３００とを取り付けてもよい。
【0139】
なお、本体１０００に取り付けられる磁気ギアードモータ１００と回転翼１３００との組が複数ある場合、それぞれが方向制御部１２００を介して本体１０００に取り付けられるのが好ましい。このようにすることで、ドローン２０００の移動方向を複数通りに制御できる。
【産業上の利用可能性】
【0140】
本開示のドローンは、簡便な構成で、垂直離陸時と水平飛行時のそれぞれにおいて飛行に適した推力を得ることができ、有用である。
【符号の説明】
【0141】
１０ 原動ロータ
１１ 第１出力軸
２０ 受動ロータ
２１ 第２出力軸
３０ ステータ
４０ モータケース
５０ ブレーキ
７０ 磁気ばね
１００ 磁気ギアードモータ
２００ 磁気ギアードモータ
３００ 磁気ギア
３１０ 原動ロータ
３１１ 第１出力軸
３２０ 受動ロータ
３２１ 第２出力軸
３３０ ステータ
３４０ ギアケース
４００ モータ
４１０ ロータ
４２０ ステータ
４３０ モータケース
５００ 回転機構
５１０ 回転部
５１１ 回転軸
５２０ 歯車
１０００ 本体
１１００ アーム
１２００ 方向制御部
１３００ 回転翼
１３１０ 第１回転翼
１３１１ プレート
１３２０ 第２回転翼
１３２１ プレート
１３２２ ヒンジ
１３３０ コイルばね（付勢部材）
２０００ ドローン
１１ 第１出力軸
２０ 受動ロータ
２１ 第２出力軸
３０ ステータ
４０ モータケース
５０ ブレーキ
７０ 磁気ばね
１００ 磁気ギアードモータ
２００ 磁気ギアードモータ
３００ 磁気ギア
３１０ 原動ロータ
３１１ 第１出力軸
３２０ 受動ロータ
３２１ 第２出力軸
３３０ ステータ
３４０ ギアケース
４００ モータ
４１０ ロータ
４２０ ステータ
４３０ モータケース
５００ 回転機構
５１０ 回転部
５１１ 回転軸
５２０ 歯車
１０００ 本体
１１００ アーム
１２００ 方向制御部
１３００ 回転翼
１３１０ 第１回転翼
１３１１ プレート
１３２０ 第２回転翼
１３２１ プレート
１３２２ ヒンジ
１３３０ コイルばね（付勢部材）
２０００ ドローン
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
