JP6969716B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、マルチローターヘリコプターのような飛行体のための、発電機が利用するエンジンを始動させるエンジン始動装置に関する。

無人探査ヘリコプターなどのＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、米国などで軍事利用を目的として研究されてきた。

近年では、リチウムイオンバッテリー技術が急速に発展してきており、ＬｉＰｏ（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｐｏｌｙｍｅｒ）バッテリーなどのバッテリーを搭載するＵＡＶが農薬散布作業などの農業利用を目的として実用化されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−７６６７６号公報

ところで、本発明者は、ＵＡＶのような飛行体がさまざまな利用を目的としてより広く実用化されることが望ましいと考えている。

より具体的には、本発明者は、ドローンとも呼ばれる、マルチローターヘリコプターのような飛行体が、たとえば、長距離商品配送作業などに利用されることが望ましいと考えている。

しかしながら、発電機がバッテリーと組合わせられているＵＡＶのためのハイブリッドシステムは、長距離商品配送作業などに適しているが、発電機が利用するエンジンを始動させるためのスターターモーターを内蔵しているエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターをしばしば必要とする。

本発明者は、このようなエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターにおいては、装置重量が大きくなりやすく、安全な使用のための技量がある程度は要求されることに気付いた。

本発明は、上述された従来の課題を考慮し、発電機が利用するエンジンを始動させるためのスターターモーターを内蔵しているエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターを不要とすることができるエンジン始動装置を提供することを目的とする。

第１の本発明は、エンジンを利用して発電を行う発電機を備えた飛行体のためのエンジン始動装置であって、
前記エンジンを始動させるとき、前記発電機への給電をオンオフするエンジン始動給電スイッチを備え、
前記給電が前記エンジン始動給電スイッチによりオンされると、前記発電機の発電ローターが前記発電機の発電ステーターに対して回転することにより、前記エンジンのエンジンクランクシャフトが回転させられることを特徴とするエンジン始動装置である。

第２の本発明は、前記発電機への前記給電を行うバッテリーは、内蔵されている、または前記飛行体へ搭載されていることを特徴とする第１の本発明のエンジン始動装置である。

第３の本発明は、前記飛行体の飛行モーターを前記発電機と電気的に接続する飛行モーター電気回路が、設けられており、
前記エンジン始動給電スイッチを前記発電機と電気的に接続可能であるエンジン始動給電コネクターが、前記飛行モーター電気回路に設けられていることを特徴とする第１の本発明のエンジン始動装置である。

第４の本発明は、前記エンジン始動給電スイッチが前記エンジン始動給電コネクターにより前記発電機と電気的に接続される場合には、前記エンジン始動給電スイッチが前記発電機と電気的に接続されるとともに、前記飛行モーターは前記発電機と電気的に切断され、
前記エンジン始動給電スイッチが前記エンジン始動給電コネクターにより前記発電機と電気的に接続されない場合には、前記エンジン始動給電スイッチが前記発電機と電気的に切断されるとともに、前記飛行モーターは前記発電機と電気的に接続されることを特徴とする第３の本発明のエンジン始動装置である。

第５の本発明は、前記飛行モーター電気回路の一部は、前記飛行体の機体外部へ引出されており、
前記エンジン始動給電コネクターは、前記引出された飛行モーター電気回路の端部に設けられていることを特徴とする第３の本発明のエンジン始動装置である。

本発明により、発電機が利用するエンジンを始動させるためのスターターモーターを内蔵しているエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターを不要とすることが可能なエンジン始動装置を提供することができる。

本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステムの模式的な斜視図 本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステムのエンジン始動装置近傍の部分ブロック図 本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステムの飛行モーターと発電機との間の電気的接続のオンオフの説明図（その一） 本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステムの飛行モーターと発電機との間の電気的接続のオンオフの説明図（その二） 本発明における実施の形態の変形例のマルチローターヘリコプターシステムの模式的な斜視図 本発明における実施の形態の変形例のマルチローターヘリコプターシステムのエンジン始動装置近傍の部分ブロック図

以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。

マルチローターヘリコプター２００は、本発明における飛行体の例である。

発電機２１０は、本発明における発電機の例である。発電ローター２１１は、本発明における発電ローターの例である。発電ステーター２１２は、本発明における発電ステーターの例である。エンジン２１３は本発明におけるエンジンの例であり、エンジンクランクシャフト２１３ｓは本発明におけるエンジンクランクシャフトの例である。飛行モーター電気回路２５０は、本発明における飛行モーター電気回路の例である。エンジン始動給電コネクター２６０は、本発明におけるエンジン始動給電コネクターの例である。

エンジン始動装置３００は、本発明におけるエンジン始動装置の例である。

バッテリー３１０は、本発明におけるバッテリーの例である。エンジン始動給電スイッチ３２０は、本発明におけるエンジン始動給電スイッチの例である。

はじめに、図１および２を参照しながら、本実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００の構成および動作について具体的に説明する。

ここに、図１は本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００の模式的な斜視図であり、図２は本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００のエンジン始動装置３００近傍の部分ブロック図である。

本実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００の動作について説明しながら、本発明に関連した発明のマルチローターヘリコプターエンジン始動方法についても説明する。

多くの産業用ＵＡＶにおいては、リチウムイオンバッテリーを利用するバッテリー駆動型ＵＡＶシステムが採用されている。農薬散布用マルチローター型ＵＡＶの最大無着陸飛行時間は、カメラユニットのような３キログラムのペイロードでおよそ２時間であり、１０キログラムのペイロードでおよそ２０分である。１０キログラムのペイロードで１０時間の最大無着陸飛行時間を実現するバッテリー技術が期待されるが、重量体積エネルギー密度の制約があるので、２時間を超える最大無着陸飛行時間をバッテリー駆動型ＵＡＶシステムにより実現することは困難である。

一方、ガソリンのオクタン価は高いので、ガソリンエンジンにより代表される内燃機関の駆動装置を利用して大きなエネルギーを取出すことができる可能性はあるが、装置重量が大きくなりやすい。

本発明者は、ＵＡＶのための超小型軽量ハイブリッドシステムの実用化が望ましいと考えている。

ヘリコプターバッテリー２２０は、発電機２１０を利用して充電され、プロペラー２４１を駆動する飛行モーター２４０へ電力を供給する。プロペラー２４１の数は、４であるが、１であってもよいし、安全性を考慮して５以上であってもよい。

ヘリコプターバッテリーコントローラー２３０は、ヘリコプターバッテリー２２０の動作制御を行うコントローラーである。

２つのエンジン気筒２１３ｃを有するガソリンエンジンのようなエンジン２１３の部品として、点火プラグ、エアクリーナー、および、動力伝達ベルト機構を介して取出されたエンジン動力で駆動されて冷却風Ｗでエンジン気筒２１３ｃを冷却する２つのエンジン空冷ファン装置２１３ｆなどが効率的に配置されており、超小型化および軽量化が実現される。このような動力伝達ベルト機構のベルトテンションは発電時の負荷バランスを考慮して調節可能であり、エンジン空冷ファン装置２１３ｆの側の負荷が発電ローター２１１の側の負荷と釣合ってエンジン２１３の負担が小さい負荷平衡状態が達成される。

エンジン始動装置３００は、エンジン２１３を利用して発電を行う発電機２１０を有するマルチローターヘリコプター２００のための装置である。

本実施の形態においては、後述されるように、装置重量が大きくなりやすく、安全な使用のための技量がある程度は要求される、スターターモーターを内蔵しているエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターは、不要である。

つぎに、図２を主として参照しながら、本実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００の構成および動作についてより具体的に説明する。

エンジン始動給電スイッチ３２０は、エンジン２１３を始動させるとき、発電機２１０への給電をオンオフするスイッチである。

給電がエンジン始動給電スイッチ３２０によりオンされると、発電機２１０の発電ローター２１１が発電機２１０の発電ステーター２１２に対して回転することにより、エンジン２１３のエンジンクランクシャフト２１３ｓが回転させられる。

バッテリー３１０は、エンジン２１３を始動させるとき、発電ローター２１１への給電を行うが、発電ステーター２１２への給電を行ってもよい。

電子スピードコントローラー３３０は、本来の発電機構成部材としてではなく、スターターモーター構成部材として利用される発電ローター２１１のモーター回転速度をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によるバッテリー電圧オンオフで変化させるために、バッテリー３１０の動作制御を行うコントローラーである。

発電ローター２１１および発電ステーター２１２は、本来の発電機構成部材としてではなく、エンジン２１３を始動させるとき、エンジンクランクシャフト２１３ｓを回転させるためのスターターモーター構成部材として利用されるので、専用のスターターモーターは全く不要であり、エンジン始動装置３００の装置重量は大きくならない。そして、軽量化を阻害しやすい、エンジン２１３を始動させるためのリコイルスターターのようなヘリコプター搭載型エンジンスターターも不要であることは、言うまでもない。

エンジン始動給電スイッチ３２０は、ユーザーによるボタン押下げが行われている比較的に短い期間においてのみ給電がオンされる、復帰スプリング部材などを利用するボタン型プッシュオンスイッチである。エンジン２１３が始動された後、給電はエンジン始動給電スイッチ３２０により速やかにオフされるので、エンジン２１３による通常の発電動作はスムーズに開始される。

エンジン始動給電スイッチ３２０のユーザー操作は機械操作に不慣れな初心者などにとっても極めて容易であるので、エンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターが内蔵しているスターターモーターへの巻込みのような事故はほぼ全く発生し得ないのみならず、安全な使用のための技量も要求されない。

本実施の形態においては、発電機２１０への給電を行うバッテリー３１０は、内蔵されている。

なお、変形例の形態においては、発電機２１０への給電を行うバッテリー３１０は、マルチローターヘリコプター２００へ搭載されていてもよい。

より具体的に述べると、つぎの通りである。

エンジン始動装置３００のポータブル本体筐体３４０は、エンジン始動給電スイッチ３２０および電子スピードコントローラー３３０のみならずバッテリー３１０も収納するが、バッテリー３１０を収納しなくてもよい。エンジン始動装置３００そのものが、マルチローターヘリコプター２００へ搭載されていてもよい。

もちろん、ヘリコプターバッテリー２２０が、バッテリー３１０の代わりに発電機２１０への給電を行ってもよい。

マルチローターヘリコプター２００の飛行モーター２４０を発電機２１０と電気的に接続する飛行モーター電気回路２５０が、設けられている。エンジン始動給電スイッチ３２０を発電機２１０と電気的に接続可能であるエンジン始動給電コネクター２６０が、飛行モーター電気回路２５０に設けられている。

エンジン始動給電コネクター２６０は、工具などが取付けに必要とされることもあるので、エンジン始動装置３００の使用の前にあらかじめマルチローターヘリコプター２００へ取付けられていることが望ましい。

エンジン始動給電スイッチ３２０がエンジン始動給電コネクター２６０により発電機２１０と電気的に接続される場合には、エンジン始動給電スイッチ３２０が発電機２１０と電気的に接続されるとともに、飛行モーター２４０は発電機２１０と電気的に切断される。エンジン始動給電スイッチ３２０がエンジン始動給電コネクター２６０により発電機２１０と電気的に接続されない場合には、エンジン始動給電スイッチ３２０が発電機２１０と電気的に切断されるとともに、飛行モーター２４０は発電機２１０と電気的に接続される。

より具体的に述べると、つぎの通りである。

飛行モーター２４０と発電機２１０との間の電気的な接続状態Ｓを切替える接続スイッチ２５２は、図３に示されているように接続スイッチ当接スティック部材２５３の押しにより機械的にオフされ、図４に示されているように接続スイッチ復帰スプリング部材（図示せず）の戻しにより機械的にオンされる。

ここに、図３および４は、本発明における実施の形態のマルチローターヘリコプターシステム１００の飛行モーター２４０と発電機２１０との間の電気的接続のオンオフの説明図（その一および二）である。

ユーザーがマルチローターヘリコプター２００の機体へ近づいているとき、飛行モーター２４０の意図しない危険な回転開始を抑制する、このような電気的接続のオンオフが自動制御、半自動制御または手動制御で行われてもよいことは、言うまでもない。

エンジン２１３が始動されるとき、給電がエンジン始動給電スイッチ３２０によりオンされると、ヘリコプターバッテリーコントローラー２３０はヘリコプターバッテリー２２０と発電機２１０との間の電気的接続をオフするための自動制御を行ってもよい。これは、ヘリコプターバッテリー２２０が充電される、通常の発電動作とは異なるエンジン２１３の動作により、ヘリコプターバッテリー２２０にとって電気的に望ましくない現象が発生し得るからである。このようなヘリコプターバッテリー２２０と発電機２１０との間の電気的接続が半自動制御または手動制御でオフされてもよいことは、言うまでもない。

エンジン２１３が始動された後、ヘリコプターバッテリーコントローラー２３０はヘリコプターバッテリー２２０と発電機２１０との間の電気的接続をオンするための自動制御を行ってもよい。これは、ヘリコプターバッテリー２２０が充電される、エンジン２１３による通常の発電動作が無駄にならないからである。このようなヘリコプターバッテリー２２０と発電機２１０との間の電気的接続が半自動制御または手動制御でオンされてもよいことは、言うまでもない。

飛行モーター電気回路２５０の一部は、マルチローターヘリコプター２００の機体外部へ引出されている。エンジン始動給電コネクター２６０は、引出された飛行モーター電気回路２５０の端部に設けられている。

より具体的に述べると、つぎの通りである。

エンジン始動給電コネクター２６０は、エンジン始動装置３００の外表面に設けられた差込み口と容易に脱着可能である、飛行モーター電気回路２５０のケーブル２５１の先端部分へ取付けられている。

ポータブル本体筐体３４０が飛行開始までにケーブル２５１から取外されれば、ケーブル２５１は軽量であるので、エンジン始動装置３００は飛行モーター２４０の重量負担にならない。

そして、ケーブル２５１は長尺部材であるので、ユーザーはポータブル本体筐体３４０の取外しのためにマルチローターヘリコプター２００の機体へ近づく必要がなく、飛行モーター２４０の意図しない回転開始にともなう危険はほとんど全くない。

エンジン始動給電コネクター２６０のみならず、飛行モーター電気回路２５０のケーブル２５１などは、エンジン始動装置３００の付属コンポーネントとして販売されてもよいし、別売りされてもよい。

飛行モーター電気回路２５０のケーブル２５１の根本部分はマルチローターヘリコプター２００の外表面に設けられた差込み口と容易に脱着可能であってもよく、そのような差込み口は、マルチローターヘリコプター２００の外部へ露出する箇所へ取付けられていてもよいし、取外し可能なヘリコプター本体ボンネットで覆われている箇所へ取付けられていてもよいし、開閉可能な防水カバーまたは脱着可能な防水キャップなどで覆われていてもよい。

もちろん、図５および６に示されているように、エンジン始動給電コネクター２６０は、エンジン始動装置３００のケーブルの先端部分などが容易に脱着可能であるように、マルチローターヘリコプター２００の外表面に設けられた差込み口へ取付けられていてもよい。

ここに、図５は本発明における実施の形態の変形例のマルチローターヘリコプターシステム１００の模式的な斜視図であり、図６は本発明における実施の形態の変形例のマルチローターヘリコプターシステム１００のエンジン始動装置３００近傍の部分ブロック図である。

なお、本発明に関連した発明のプログラムは、上述された本発明に関連した発明のマルチローターヘリコプターエンジン始動方法の全部または一部のステップ（または工程、動作および作用など）の動作をコンピューターに実行させるためのプログラムであって、コンピューターと協働して動作するプログラムである。

また、本発明に関連した発明の記録媒体は、上述された本発明に関連した発明のマルチローターヘリコプターエンジン始動方法の全部または一部のステップ（または工程、動作および作用など）の全部または一部の動作をコンピューターに実行させるためのプログラムを記録した記録媒体であり、読取られたプログラムがコンピューターと協働して利用されるコンピューター読取り可能な記録媒体である。

なお、上述された「一部のステップ（または工程、動作および作用など）」は、それらの複数のステップの内の一つまたはいくつかのステップを意味する。

また、上述された「ステップ（または工程、動作および作用など）の動作」は、上述されたステップの全部または一部の動作を意味する。

また、本発明に関連した発明のプログラムの一利用形態は、インターネット、光、電波または音波などのような伝送媒体の中を伝送され、コンピューターにより読取られ、コンピューターと協働して動作するという形態であってもよい。

また、記録媒体としては、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などが含まれる。

また、コンピューターは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのような純然たるハードウェアに限らず、ファームウェア、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、そしてさらに周辺機器を含んでもよい。

なお、上述されたように、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現されてもよいし、ハードウェア的に実現されてもよい。

本発明におけるエンジン始動装置は、発電機が利用するエンジンを始動させるためのスターターモーターを内蔵しているエンジンシャフト装着式ポータブルエンジンスターターを不要とすることができ、マルチローターヘリコプターのような飛行体のための、発電機が利用するエンジンを始動させるエンジン始動装置に利用する目的に有用である。

１００ マルチローターヘリコプターシステム
２００ マルチローターヘリコプター
２１０ 発電機
２１１ 発電ローター
２１２ 発電ステーター
２１３ エンジン
２１３ｓ エンジンクランクシャフト
２１３ｃ エンジン気筒
２１３ｆ エンジン空冷ファン装置
２２０ ヘリコプターバッテリー
２３０ ヘリコプターバッテリーコントローラー
２４０ 飛行モーター
２４１ プロペラー
２５０ 飛行モーター電気回路
２５１ ケーブル
２５２ 接続スイッチ
２５３ 接続スイッチ当接スティック部材
２６０ エンジン始動給電コネクター
３００ エンジン始動装置
３１０ バッテリー
３２０ エンジン始動給電スイッチ
３３０ 電子スピードコントローラー
３４０ ポータブル本体筐体
Ｗ 冷却風
Ｓ 接続状態

Claims (1)

1. エンジンを利用して発電を行う発電機を備えた飛行体のためのエンジン始動装置であって、
   前記エンジンを始動させるとき、前記発電機への給電をオンオフするエンジン始動給電スイッチを備え、
   前記給電が前記エンジン始動給電スイッチによりオンされると、前記発電機の発電ローターが前記発電機の発電ステーターに対して回転することにより、前記エンジンのエンジンクランクシャフトが回転させられ、
   前記発電機への前記給電を行うバッテリーは、内蔵されており、
   電気回路切換え動作を行うエンジン始動給電コネクターが、前記飛行体の機体外部へ引出されたケーブルの先端部分に、前記バッテリーの側の差込み口と脱着可能であるように設けられており、
   前記飛行体の飛行モーターを前記エンジン始動給電コネクターへ電気的に接続する第１の飛行モーター電気回路と、前記発電機を前記エンジン始動給電コネクターへ電気的に接続する第２の飛行モーター電気回路と、により、前記ケーブルは構成されており、
   前記エンジン始動給電コネクターの前記差込み口への取付けにともなう前記電気回路切換え動作により、前記バッテリーが前記第２の飛行モーター電気回路を経由して前記発電機と電気的に接続されるとともに、前記飛行モーターは前記発電機と電気的に切断され、
   前記エンジン始動給電コネクターの前記差込み口からの取外しにともなう前記電気回路切換え動作により、前記バッテリーが前記発電機と電気的に切断されるとともに、前記飛行モーターは前記第１の飛行モーター電気回路および前記第２の飛行モーター電気回路を経由して前記発電機と電気的に接続されることを特徴とするエンジン始動装置。

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