JP2000001196A - 水中推進装置及び水中移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、イルカの方向転回のメカニズムを用
い、このメカニズムを工学的に応用した水中推進システ
ムを実現することを目的とするものである。 【解決手段】水中生物、特に水棲ほ乳類のひれ振動推進
システムを用いることにより、高効率推進を可能にす
る。特にひれに働く揚力に加え、胴体及び尾へいを含む
横断面を翼型構造とし、尾へいの上下動に際し、この翼
断面形状を変位させて得られる、この胴体に働く揚力を
用い、水中における高効率推進を可能とするものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水中推進システム、
特にスクリューを用いない水中推進装置と、この水中推
進装置を用いた水中移動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の船舶はスクリュー推進装置を用い
て移動を行うための推力を得ている。これは、燃焼エン
ジンによりスクリューを回転させ、このスクリューの回
転に伴う水の反力を用いて推進するものである。尚、船
体は剛体であり、変型することはない。さらに、魚をモ
デルとした水中ロボットも開発されている。 この魚型
水中ロボットは横方向に尾ひれを振動させて推力を得る
ものである。また、魚型水中ロボットの方向制御とし
て、胸びれを用いるものが考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
レジャー用の推進装置としてスクリューを考えた場合、
ダイバーや水中生物を巻き込み、危険である。また、方
向転回が容易ではない。また、スクリューの場合、スク
リュー外周に生じるキャビテーションにより、所定の速
度以上で回転させることは困難であり、速度限界を生じ
る。高速艇では、このキャビテーションを発生させない
よう揚力を発生させない構造とし、高回転を行い高速を
実現する例もあるが、これは効率が悪い。

【０００４】一方、水棲生物が高効率に移動しているこ
とは知られている。例えば、ある種のイルカや鯨は、最
高速度６０ｋｍ以上で遊泳し、また、かじきまぐろは最
高速度１６０ｋｍで遊泳することも知られている。しか
しながら、その推進メカニズムは未だ十分には解明され
ていない。さらに、イルカは急停止、急転回を行うが、
この急転回を行うメカニズムは殆ど解明されていない。
尚、魚の場合、低速泳動や方向転回に胸鰭を用いてお
り、これを真似た魚型ロボットの例もあるが、イルカの
場合、胸鰭はさほど重要な役割を担ってはいない。本発
明は、イルカの方向転回のメカニズムを解明し、このメ
カニズムを工学的に応用した水中推進システムを実現す
ることを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】水中生物、特に水棲ほ乳
類のひれ振動推進システムを用いることにより、高効率
推進を可能にする。特にひれに働く揚力に加え、胴体及
び尾へいを含む横断面を翼型構造とし、尾へいの上下動
に際し、この翼断面形状を変位させ、相対水流に対する
迎え角を形成することにより、この胴体に働く揚力を用
い、水中における高効率推進を可能とするものである。

【０００６】

【実施例】本発明の水中推進装置をスキューバダイビン
グのアシスト装置として応用した一実施例を図を用いて
説明する。図１に本実施例の側面図、図２に上面図を示
す。胴体部１と尾へい部２及びひれ部３とで外形を構成
している。胴体部１は、ダイバーの体を流線形で包み込
む構造を成し、またダイバーを保持するベルトを有す
る。また、この胴体部１には尾へい部２を上下動させる
モータ４が固定されている。ダイバーの前方には、モー
タドライブユニット５が設けられている。このドライブ
ユニット５のケースには図示しないスタートスイッチ、
速度制御スイッチが設けられている。尾へい部２には複
数の動力伝達体６が設けられ、この動力伝達体６は変位
が位相差をもって生じるようバネ構造となっている。胴
体側に接続される動力伝達体６は、胴体部１に設けられ
たモータ４に一端が回転可能に取り付けられ、この動力
伝達体６の他端にはモータ４が回転可能に取り付けられ
ている。このモータ４には次の動力伝達体６の一端が接
続されている。尾ひれ側に接続される動力伝達体６の端
部にはモータは無く、尾ひれ３に直接接続される。尚、
ひれ部３は、ねじり巻バネにより回転可能に保持されて
もよい。また、尾へい部２にはダイバーの足の甲を乗せ
る保持部材７が左右に設けられており、これにより、方
向転回を行う。また、この尾へい部２の外周はゴム材に
て覆われており、図３ａに示すように上部に鋭角部を有
し、その断面は図３ｂに示すように上方に鋭角を有する
翼型となっている。胴体部１のモータ４及び、尾へい部
２のモータ４の位相を制御された協調回転運動により、
尾へい部２が上下運動（振動運動）され、尾ひれ３を上
下運動させる。このモータ４の回転数及び、位相を制御
することにより、推進速度が制御される。胴体部２、尾
へい部３を含む外形は横から見た断面、及び上から見た
断面は、共に翼型を成している。

【０００８】また、胴体部１にはバッテリ５が搭載され
る。このバッテリ５は海水バッテリを用いている。この
海水バッテリは電解質溶液として海水を用い、電極とし
てマグネシウム合金を用いるものであり、海水中の塩素
イオンとマグネシウムが反応し塩化マグネシウムとなり
電荷を放出する化学反応を利用するものである。

【０００９】続いて動作について説明する。ダイバー
は、前進したい場合モータの駆動（スタート）スイッチ
を動作させる。すると胴体１のモータ４及び尾ひれのモ
ータの位相を制御された回転に伴い、尾へい部２が上下
運動し、ひれ部３が水を押し、その反作用で前進する。
ひれ部３は弾性体であり、上下運動に伴い、相対水流に
対する迎え角が構成される。そのため揚力が発生し、こ
の揚力の進行方向成分が推進力となる。この上下運動に
際し、尾へい部２が、バネ構造であるため、モータの駆
動力は、さらに位相差をもって、ひれ部３に伝搬され
る。この位相差をもつことにより、剛体で構成された尾
へい部を上下動するより、より小さな力で駆動できる。
この上下運動に際し、低速の場合はひれの推進力でのみ
進行するが、速度を上げると、胴体自体が上下動を行
い、進行方向に対し、上方及び下方に傾斜する。この傾
斜の際、図４に示すように翼前縁が翼後縁より下に位置
した状態で翼型としてカンバーが上方に位置しないと揚
力Ｌは推力として働かない。図中左方向に進行する場
合、前縁が下方に傾斜した状態で、図とは逆にカンバー
が下方に位置していると揚力は右方向に発生し、進行に
対する抗力成分となる。従って、前縁が下方に傾斜した
状態では、カンバーを上方に位置させることにより、揚
力から推進成分を得られる。 同様に、前縁が上方に傾
斜した状態では、カンバーを下方に位置させることによ
り、揚力から推進成分を得られる。その推進状態を図５
に示す。

【０００８】方向転回したい場合、ダイバーは足の甲で
右または左の前記保持部に力を加えることにより、尾へ
い部２を捩る。この捩りにより上下動による水流に対
し、尾へい部の翼断面がむかえ角を形成するよう変位す
るため、水流に対する揚力が発生し、方向転回が行われ
る。相対水流に対し、翼断面を右回りに変位させた場
合、左方向に揚力が発生し、右方向に回転し左回りに変
位させた場合、右方向に揚力が発生し左方向に回転す
る。

【０００９】尚、尾へいをダイバーが捩る構成とした
が、他のアクチュエータにより、変位させてもよい。ま
た、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例
えば図６に示すように密閉型のパーソナルサブマリンと
してもよい。この実施例では、搭乗員の乗り込むキャビ
ンは２酸化炭素を除去する二酸化炭素吸着装置１０と、
酸素ボンベ１１と、浮力調節用のバラストタンク１２及
びこのバラストタンクへの水の出し入れを行うポンプ１
３を有している。このサブマリンでは、さらに姿勢安定
用の翼を左右に一対胴体下方に設けている。また、重量
調節用の重り１４を有し、例えば基本搭載重量を１００
ｋｇと設定した場合、搭乗員の体重が６０ｋｇであれ
ば、４０ｋｇの重りが搭載される。バラストタンク１２
は微調整用のタンクであり、海水との中性浮力を整える
よう、装置の比重が海水より小さい場合は、海水を導入
し、海水より大きい場合は空気や酸素を導入し、海水を
放出する。尚重りは、外に放出することができるように
保持され、緊急の場合放出することにより、急浮上する
ことが可能になる。

【００１０】尚、ひれ推進がスクリュー推進より効率的
である理由の１つに、ひれの方がスクリューに比べ、よ
り多量の水に運動量を与えられる点が上げられる。例え
ば、水中を移動する場合、水に対しｐ＝ｍｖの運動量を
与え、その反作用で推進すると考えてもよい。このと
き、運動エネルギーはＥ＝１／２ｍｖ２であり、ｐを一
定として考えた場合、速度ｖより、質量ｍを大きくした
方がより少ないエネルギーで済む。少量の水に大きな速
度を与えるより、大量の水に小さな速度を与える方がよ
り、エネルギー効率が高くできるため、ひれ推進が高効
率であると考えられる。また、スクリューの場合、高回
転で回転させることにより推力を得るが、イルカは周波
数１０Ｈｚ以下である。高回転より、低回転の方がより
高効率であり、この点も生物推進が高効率である理由の
１つと考えられる。

【００１１】尚、水中生物の推進メカニズムが、単純に
ひれ推進だけで高効率を達成しているとの考えもある
が、そうではなく、外形形状や柔らかな動作に起因する
点も大きい。この柔らかな動作とは、水棲ほ乳類で言え
ば背骨を用いた動きであり、駆動力が位相差をもって伝
搬する動きを言う。本願実施では、この柔らかな動きを
実現するため、バネ構造を有する尾へいを用い、かつ柔
軟なゴム材により外形を構成している。これにより、よ
り水中生物に近い高効率を達成している。

【００１２】また、イルカの泳動数が０．８２であり、
コイの０．７やフナの０．６より高いとの報告がある。
この泳動数は体長比速度を尾ひれの振動数で割った無次
元速度をいい、イルカの場合、尾ひれが１回往復運動す
ると、体長の８２％進むことを意味している。このイル
カの泳動数の高さは、イルカはひれの揚力だけでなく、
胴体に働く揚力を用いていることにもよる。

【００１３】

【発明の効果】本発明によれば、水中生物のメカニズム
を利用することにより、高効率でかつ環境にやさしい推
進システムを構築することが可能になるり、かつ急転回
急停止が行なえる、高機動性のある推進システムを構築
することが可能になる。

【００１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】１実施例の側面図

【図２】１実施例の上面図

【図３ａ】尾へい上面図

【図３ｂ】尾へい断面図

【図４】原理説明図

【図５】進行状態説明図

【図６】他の実施例を表す側面図

【符号の説明】

１ 胴体部 ２ 尾へい部 ３ 尾ひれ部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年９月１０日（１９９８．９．１
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】 １実施例の側面図

【図２】 １実施例の上面図

【図３】 （ａ）尾へい上面図 （ｂ）尾へい断面図

【図４】原理説明図

【図５】進行状態説明図

【図６】他の実施例を表す側面図

【符号の説明】 １ 胴体部 ２ 尾へい部 ３ 尾ひれ部

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図３ａ】

【図３ｂ】

【図４】

【図２】

【図５】

【図６】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 胴体部と、この胴体部に対し軸回転変位
   可能に接続された尾へい部と、前述の胴体部に対し前記
   尾へい部に上下移動を行わせるアクチュエータと、前記
   尾へい部の端部に設けられたひれ部と、前記アクチュエ
   ータに電力を供給する電源部とを有し、前記ひれ部の上
   下振動により推進力を得ると共に、前記胴体部と尾へい
   部を含む外形の横断面が翼型形状を成し、進行方向に対
   し、この翼型を傾斜させ、胴体に得られる揚力を推力と
   することを特徴とする水中推進装置。
2. 【請求項２】 前記尾へい部の表面は柔軟な材質の皮膜
   で覆われていることを特徴とする請求項１項記載の水中
   推進装置。
3. 【請求項３】 前記翼型の前縁を後縁より下方になるよ
   う傾斜させた場合、カンバーが上方となり、前記翼型の
   前縁を後縁より上方になるよう傾斜させた場合、カンバ
   ーが下方となるよう翼型を変位させることを特徴とする
   請求項１項記載の水中推進装置。
4. 【請求項４】 前記尾へい部は弾性構造を成し、アクチ
   ュエータによる上下駆動力が、位相差を持って、前記ひ
   れ部に伝搬することを特徴とする請求項１項記載の水中
   推進装置。
5. 【請求項５】 胴体部と、この胴体部に設けられた搭
   乗員保持部と、前記胴体部に変位可能に接続された尾へ
   い部と、前述の胴体部に対し前記尾へい部を上下移動を
   行わせるアクチュエータと、前記尾へい部の端部に設け
   られたひれ部と、前記アクチュエータに電力を供給する
   電源部とを有し、前記ひれ部の上下振動により推進力を
   得ると共に、前記胴体部と尾へい部を含む外形の横断面
   が翼型形状を成し、進行方向に対しこの翼型を傾斜さ
   せ、胴体に得られる揚力を推力とすることを特徴とする
   水中移動装置。