特開 2023-58792 ドローン

(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】P2023058792

(43)【公開日】2023-04-26

(54)【発明の名称】ドローン

(51)【国際特許分類】

   B64D 27/24 20060101AFI20230419BHJP

   B64C 27/08 20230101ALI20230419BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20230419BHJP

【ＦＩ】

B64D27/24

B64C27/08

B64C39/02

【審査請求】有

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021168510

(22)【出願日】2021-10-14

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-03-11

(71)【出願人】

【識別番号】594109934

【氏名又は名称】高藤 恭胤

(74)【代理人】

【識別番号】110000235

【氏名又は名称】弁理士法人 天城国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高藤 恭胤

(72)【発明者】

【氏名】川西 克司

(57)【要約】

【課題】ドローンの飛行時間を長くする。
【解決手段】実施形態に係るドローンは、プロペラと第１の直流モーターと電源と第２の直流モーターと制御部とを有する。第１の直流モーターは、プロペラを駆動する。電源は、第１の直流モーターに電力を供給する。第２の直流モーターは、第１の直流モーターの回転軸の回転に連動して回転する回転軸を有する。制御部は、第１の直流モーターを制御する。第２の直流モーターは、第２の直流モーターの回転軸の回転にともなって第２の直流モーターから出力される電流により電源を充電する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロペラと、
前記プロペラを駆動する第１の直流モーターと、
前記第１の直流モーターに電力を供給する電源と、
前記第１の直流モーターの回転軸の回転に連動して回転する回転軸を有する第２の直流モーターと、
前記第１の直流モーターを制御する制御部と、
を有し、
前記第２の直流モーターは、前記第２の直流モーターの前記回転軸の回転にともなって前記第２の直流モーターから出力される電流により前記電源を充電する、
ドローン。

【請求項2】

前記第１の直流モーターの回転軸と前記第２の直流モーターの回転軸とが、１本の回転軸で形成されている、
請求項１に記載のドローン。

【請求項3】

前記第２の直流モーターが出力する電流は、前記第１の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さと前記第２の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さとの比に基づいて決定される、
請求項１に記載のドローン。

【請求項4】

前記第１の直流モーターの回転軸の回転を前記第２の直流モーターの回転軸に伝える接続部を有する、
請求項１に記載のドローン。

【請求項5】

前記接続部は、
前記第１の直流モーターの回転軸に嵌合された第１の歯車と、
前記第２の直流モーターの回転軸に嵌合された第２の歯車と、
を含んで構成されており、
前記第２の直流モーターが出力する電流は、前記第１の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さと前記第２の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さとの比、および、前記第１の歯車の歯数と前記第２の歯車の歯数との比、に基づいて決定される、
請求項４に記載のドローン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ドローンに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、多くの分野においてドローンが利用されている。例えば、ドローンにカメラを搭載して遠隔操作することで、大型の有人ヘリコプターで飛行できない場所の撮影を行っている。また、ドローンを利用した宅配サービスの実証試験も進められている。

【0003】

ドローンは、搭載している蓄電池によりプロペラを駆動して飛行する。ドローンの飛行時間を長くするためには、蓄電池の容量を大きくする必要がある。しかし、蓄電池は、容量を大きくするほど重量が重くなる。重い蓄電池を搭載して飛行するためには、大きなプロペラと大きなモーターが必要となり、ドローンの製造コストが高くなるという問題がある。ドローンの飛行時間を長くすることは、大きな課題である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１１８４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上述の事情の下になされたもので、ドローンの飛行時間を長くすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、実施形態に係るドローンは、プロペラと第１の直流モーターと電源と第２の直流モーターと制御部とを有する。第１の直流モーターは、プロペラを駆動する。電源は、第１の直流モーターに電力を供給する。第２の直流モーターは、第１の直流モーターの回転軸の回転に連動して回転する回転軸を有する。制御部は、第１の直流モーターを制御する。第２の直流モーターは、第２の直流モーターの回転軸の回転にともなって第２の直流モーターから出力される電流により電源を充電する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態に係るドローンの外観図である。

【図2】実施形態に係るドローンのブロック図である。

【図3】実施形態に係る電源の構成図である。

【図4】実施形態に係る駆動部の斜視図である。

【図5】実施形態に係る帰還部の斜視図である。

【図6】実施形態に係る接続部について説明するための図である。

【図7】変形例に係るドローンについて説明するための図である。

【図8】実施形態に係る帰還部の出力電圧の測定回路である。

【図9】測定結果について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態に係るドローンについて、図を参照して説明する。説明にあたっては、相互に直行するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を適宜用いる。

【0009】

（実施形態１）
図１は、実施形態に係るドローン１の外観図である。ドローン１は、ドローン本体１０と複数のプロペラ２０を有する。図１では、プロペラ２０が４個ある場合を記載しているが、プロペラ２０の数は制限されない。ドローン本体１０には、電源、制御部等が搭載される。

【0010】

図２は、実施形態に係るドローン１のブロック図である。ドローン１は、電源３０，駆動部４０、プロペラ２０、帰還部５０、接続部６０、制御部７０を有する。

【0011】

図３は、電源３０の構成図である。電源３０は、内部に充電可能な蓄電池３１，ダイオード３２及びダイオード３３を有する。ダイオード３２及びダイオード３３は、電流方向を制限するための電流方向制限素子である。ダイオード３３は、蓄電池３１から帰還部５０を構成する第２の直流モーター５１の回転子に巻かれた巻き線に電流が流れることを制限する。なお、ダイオード３２は、省略することもできる。電源３０は、端子３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有する。蓄電池３１は、端子３０ａと３０ｂを介して、駆動部４０に直流電圧を印加する。また、蓄電池３１は、端子３０ｃと３０ｂを介して、帰還部５０によって充電される。

【0012】

図２に戻り、駆動部４０は、第１の直流モーター４１で構成される。図４は、駆動部４０を構成する第１の直流モーター４１の斜視図である。第１の直流モーター４１は、プロペラ２０を駆動する。第１の直流モーター４１は、複数のプロペラ２０それぞれに対して設けられる。ここでは、ドローン１が４個のプロペラ２０搭載しているので、駆動部４０は、４個の第１の直流モーター４１を備える。第１の直流モーター４１は、Ｘ軸方向を軸方向とする回転軸４２を有する。回転軸４２には、３極タイプの回転子が固定され、回転子には巻き線が巻かれる。回転子に巻かれた巻き線の一端は端子４３ａに、他端は端子４３ｂに接続される。端子４３ａは電源３０の端子３０ａに接続され、端子４３ｂは電源３０の端子３０ｂに接続される。第１の直流モーター４１は、回転子を覆うように配置された固定子（磁石）を備えている。回転子は、回転軸４２を軸として固定子が形成する磁界の中を回転する。

【0013】

図２に戻り、帰還部５０は、第２の直流モーター５１で構成される。図５は、帰還部５０を構成する第２の直流モーター５１の斜視図である。第２の直流モーター５１は、第１の直流モーター４１に対応して設けられる。ここでは、駆動部４０が４個の第１の直流モーター４１を備えているので、帰還部５０は、４個の第２の直流モーター５１を備える。第２の直流モーター５１は、第１の直流モーター４１の回転軸４２の回転に連動して回転する、Ｘ軸方向を軸方向とする回転軸５２を有する。回転軸５２には、３極タイプの回転子が固定され、回転子には巻き線が巻かれている。回転子に巻かれた巻き線の一端は端子５３ａに、他端は端子５３ｂに接続される。第２の直流モーター５１は、回転子を覆うように配置された固定子（磁石）を備えている。回転子は、回転軸５２を軸として固定子が形成する磁界の中を回転する。第２の直流モーター５１は、固定子の形成する磁界の中を回転子が回転することで、回転子に巻かれた巻き線に電流を発生する。ここでは、巻き線の両端に発生する電圧の電位の高い方の一端が接続されている端子を端子５３ａとし、電位の低い方の他端が接続されている端子を端子５３ｂとする。端子５３ａは、電源３０の端子３０ｃに接続され、端子５３ｂは、電源３０の端子３０ｂに接続される。

【0014】

図２に戻り、接続部６０は、第１の直流モーター４１の回転軸４２の回転を第２の直流モーター５１の回転軸５２に伝える。図６は、接続部６０について説明するための図である。接続部６０は、第１の歯車６１と第２の歯車６２とからなる。第１の歯車６１は、第１の直流モーター４１の回転軸４２に嵌合して設けられる。第２の歯車６２は、第２の直流モーター５１の回転軸５２に嵌合して設けられる。第１の歯車６１と第２の歯車６２は嵌合して配置され、第２の歯車６２は、第１の歯車６１の回転に連動して回転する。第１の歯車６１の歯数と第２の歯車６２の歯数の比をＮとする。

【0015】

図２に戻り、制御部７０は、通信部、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成される。ＲＯＭには、ドローン１の制御用プログラムが記憶されている。制御部７０は、通信部で受信した制御情報に基づいて、駆動部４０を制御してプロペラ２０を駆動することで、ドローン１の飛行を制御する。詳細には、制御部７０は、電源３０と駆動部４０との間に電子スイッチや抵抗を介在させ、駆動部４０を構成する第１の直流モーター４１に供給する電流を制御することで、複数の第１の直流モーター４１それぞれの回転速度や回転のオン・オフを制御する。

【0016】

次に、ドローン１の動作について説明する。制御部７０は、通信部で受信した制御情報に基づいて、駆動部４０を制御してプロペラ２０を駆動する。ドローン１は、プロペラ２０の回転に基づいて飛行する。

【0017】

図４に示す駆動部４０を構成する第１の直流モーター４１の回転軸４２は、電源３０から電力を供給されて回転する。詳細には、第１の直流モーター４１の回転軸４２は、フレミングの法則に基づき、第１の直流モーター４１を構成する回転子に巻かれた電流の流れる巻き線が第１の直流モーター４１を構成する固定子（永久磁石）が形成する磁場から受ける力によって回転する。巻き線に流れる電流が大きいほど回転軸４２は大きな回転速度を得ることができる。また、永久磁石の磁力が強いほど、回転軸４２は大きな回転速度を得ることができる。また、第１の直流モーター４１に流す電流が同じで巻き数が同じ場合、第１の直流モーター４１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ１が長いほど、回転軸４２は大きな回転速度を得ることができる。

【0018】

第２の直流モーター５１の回転軸５２は、第１の直流モーター４１の回転軸４２の回転速度と、接続部６０の第１の歯車６１の歯数と第２の歯車６２の歯数の比Ｎに応じた回転速度で回転する。第２の直流モーター５１を構成する固定子（永久磁石）が形成する磁場の中を回転軸５２に固定された回転子に巻かれた巻き線が回転することで、フレミングの法則に基づいて、第２の直流モーター５１の回転子に巻かれた巻き線に、回転軸５２の回転速度に比例した電流が発生する。第２の直流モーター５１は、第２の直流モーター５１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ２が長いほど大きな電流を発生する。また、第２の直流モーター５１は、第２の直流モーター５１の回転軸５２の回転速度が速いほど大きな電流を発生する。第２の直流モーター５１は、発生した電流により電源３０を充電する。

【0019】

（変形例）
上記の説明では、第１の歯車６１と第２の歯車６２とからなる接続部６０を介して、第１の直流モーター４１が第２の直流モーター５１の回転軸５２を回転する場合について説明した。しかし、接続部６０を省略することもできる。例えば、図７に示すように、第１の直流モーター４１の回転軸４２の＋Ｘ側の端部と第２の直流モーター５１の回転軸５２の－Ｘ側の端部とを直接接続する。もしくは、第１の直流モーター４１の回転軸４２を長くし、回転軸４２に第２の直流モーター５１の回転子を固定するようにしてもよい。

【0020】

（測定結果）
次に、第１の直流モーター４１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ１と第２の直流モーター５１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ２、および、帰還部５０を構成する第２の直流モーター５１の出力電圧との関係について測定した測定結果について説明する。図８は、測定に用いた測定回路である。図８に示されるように、測定回路では接続部６０を省略している。つまり、図７に示すように、第１の直流モーター４１の回転軸４２の＋Ｘ側の端部と第２の直流モーター５１の回転軸５２の－Ｘ側の端部とを直接接続している。

【0021】

図８に示される測定回路では、電源３０から駆動部４０を構成する第１の直流モーター４１の端子４３ａと端子４３ｂにＶ１＝６Ｖの直流電圧を印加している。負荷回路８０として１０ｋΩの抵抗を第２の直流モーター５１の端子５３ａと端子５３ｂに接続している。第２の直流モーター５１の出力電圧Ｖ２は、負荷回路８０の両端の電圧を測定した。

【0022】

第１の直流モーター４１は、長さＣ１＝７．７ｍ、直径０．３ｍｍの巻き線で作成されている。巻き線は、３極タイプの回転子に手巻きで巻かれている。巻き線の長さＣ２および直径を変えた複数の第２の直流モーター５１を作成し、第２の直流モーター５１の出力電圧を測定した。

【0023】

図９に、測定結果を示す。測定結果から、第２の直流モーター５１の巻き線の長さＣ２を長くするほど、第２の直流モーター５１の出力電圧が高くなる傾向があることが分かる。これは、第２の直流モーター５１の固定子（永久磁石）が形成する磁束を交差する第２の直流モーター５１の巻き線の長さＣ２が長いほど、フレミングの法則により、第２の直流モーター５１の巻き線に大きな電流が発生する。出力電圧は、発生した電流に負荷抵抗の値をかけた値となる。そのため、第２の直流モーター５１の巻き線の長さＣ２を長くするほど、第２の直流モーター５１の出力電圧が高くなると考えられる。

【0024】

また、測定結果から、第２の直流モーター５１の巻き線の直径を小さくするほど、第２の直流モーター５１の出力電圧が高くなる傾向がある。これは、巻き線の直径を小さくするほど、第２の直流モーター５１の巻き線と固定子である永久磁石との距離が近くなるためであると推測される。巻き線と固定子である永久磁石との距離が近くなるほど、巻き線は、強い磁界の中を移動することになる。したがって、巻き線の直径を小さくするほど、巻き線は強い磁界の中を移動することになり、フレミングの法則により、巻き線には大きな電流が発生すると考えられる。

【0025】

以上に説明したように、実施形態に係るドローン１は、プロペラ２０と、プロペラ２０を駆動する第１の直流モーター４１と、第１の直流モーター４１に電力を供給する電源３０と、第１の直流モーター４１の回転軸４２の回転に連動して回転する回転軸５２を有する第２の直流モーター５１と、第１の直流モーター４１を制御する制御部７０と、を有する。第２の直流モーター５１は、第２の直流モーター５１の回転軸５２の回転にともなって第２の直流モーター５１から出力される電流により電源３０を充電する。実施形態に係るドローン１は、第１の直流モーター４１の回転エネルギーの一部を第２の直流モーター５１を介して電源３０に帰還することで、ドローン１の飛行時間を長くすることができる。

【0026】

また、実施形態に係るドローン１は、第１の直流モーター４１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ１と第２の直流モーター５１を構成する回転子に巻かれた巻き線の長さＣ２との比に基づいて、第２の直流モーター５１から電源に充電される電流の大きさを決めることができる。

【0027】

また、実施形態に係るドローン１は、接続部６０を構成する第１の歯車６１の歯数と第２の歯車６２の歯数との比に基づいて、第２の直流モーター５１から電源に充電される電流の大きさを決めることができる。

【0028】

なお、上記の説明では、図３を用いて電源３０の構成について簡略的に説明したが、充放電を可能とするための電源３０の構成はこれに限定されない。

【0029】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0030】

１…ドローン
１０…ドローン本体
２０…プロペラ
３０…電源
３１…蓄電池
３２、３３…ダイオード（電流制限素子）
４０…駆動部
４１…第１の直流モーター
４２…第１の直流モーターの回転軸
５０…帰還部
５１…第２の直流モーター
５２…第２の直流モーターの回転軸
６０…接続部
６１…第１の歯車
６２…第２の歯車
７０…制御部
８０…負荷回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【手続補正書】

【提出日】2022-01-13

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0006】

上記課題を解決するために、実施形態に係るドローンは、プロペラと第１の直流モーターと電源と第２の直流モーターと制御部とを有する。第１の直流モーターは、プロペラを駆動する。電源は、第１の直流モーターに電力を供給する。第２の直流モーターは、第１の直流モーターの回転軸の回転に連動して回転する回転軸を有する。制御部は、第１の直流モーターを制御する。第１の直流モーターの回転軸と第２の直流モーターの回転軸とは、１本の回転軸で形成されている。第２の直流モーターは、第１の直流モーターの回転軸の回転にともなって回転する第２の直流モーターから出力される電流により電源を充電する。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロペラと、
前記プロペラを駆動する第１の直流モーターと、
前記第１の直流モーターに電力を供給する電源と、
前記第１の直流モーターの回転軸の回転に連動して回転する回転軸を有する第２の直流モーターと、
前記第１の直流モーターを制御する制御部と、
を有し、
前記第１の直流モーターの回転軸と前記第２の直流モーターの回転軸とは、１本の回転軸で形成されており、
前記第２の直流モーターは、前記第１の直流モーターの前記回転軸の回転にともなって回転する前記第２の直流モーターから出力される電流により前記電源を充電する、
ドローン。

【請求項2】

前記第２の直流モーターが出力する電流は、前記第１の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さと前記第２の直流モーターを構成する回転子に巻かれた巻き線の長さとの比に基づいて決定される、
請求項１に記載のドローン。