JP2007314011A - 航走体システム - Google Patents

Abstract

【課題】推進力と耐久性とに優れた航走体を提供する。
【解決手段】本発明の航走体システムは、本体１と、本体１に設けられた胸びれ２と、胸びれ２を駆動する胸びれ駆動機構６とを具備する。胸びれ２は、翼幅方向に延伸するように設けられた、弾性を有する腹側スパー１２及び背側スパー１３と、前記翼幅方向に交わる翼弦方向に延伸するように設けられた、腹側スパー１２と背側スパー１３を連結するリブ１４とを備えている。腹側スパー１２及び背側スパー１３の、胸びれ２の先端の側に位置する端部は相互に接合されている。胸びれ駆動機構６は、腹側スパー１２の、胸びれ２の根元の側に位置する端部を翼長方向に駆動するように構成されている。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、振動翼によって推進力を発生して液体（例えば、水や液体メタン）の表面や液中を航走する航走体システムに関する。

船舶や水中航走体の推進力を発生するために最も広く採用されている推進機構は、スクリュープロペラである。しかし、スクリュープロペラは、本質的に、翼の高速な動きによるキャビテーション（泡立ち）の発生が避けがたい。キャビテーションの発生は、スクリュープロペラの騒音を増大させ、また、スクリュープロペラの耐久性を低下させるため好ましくない。

キャビテーションの発生を低減するための有力なアプローチの一つが、プロペラの代わりに振動翼によって推進力を発生することである。振動翼は、比較的に低速な動きによって推進力を発生可能であり、このような特性は、キャビテーションの低減に有効である。振動翼は、最も典型的には、船舶や水中航走体の尾部に設けられた「尾ひれ」として使用される。近年では、特開２００１−２１３３９２号公報や、特開平１０−２５０６８６号公報に開示されているように、エイのように側面で振動翼を羽ばたかせる振動翼推進機構が提案されている。これらの公報に開示されている振動翼推進機構では、湾曲機能を有する多数の駆動ユニットが連結されて振動翼の内部に設けられている。振動翼の内部に設けられた駆動ユニットの湾曲により、振動翼が駆動される。

推進力を発生するために使用される振動翼に要求される特性は、強力な推進力を得ながら、耐久性を向上することである。しかしながら、現状では、このような観点からの振動翼の構造についての検討は充分になされているとはいえない。上述の特開２００１−２１３３９２号公報や特開平１０−２５０６８６号公報に開示されている振動翼推進機構は複雑な構造を有しており、耐久性の向上について考慮した構成とはいえない。
特開２００１−２１３３９２号公報 特開平１０−２５０６８６号公報

したがって、本発明の目的は、推進力と耐久性とに優れた航走体を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明の航走体システムは、本体（１）と、本体（１）に設けられた少なくとも一の振動翼（２、３）と、振動翼（２、３）を駆動する翼駆動機構（６、７）とを具備する。振動翼（２、３）は、翼幅方向に延伸するように設けられた、弾性を有する第１スパー（１２、１６）及び第２スパー（１３、１７）と、前記翼幅方向に交わる翼弦方向に延伸するように設けられた、前記第１スパー（１２、１６）及び前記第２スパー（１３、１７）を連結するリブ（１４、１８）とを備えている。前記第１スパー（１２、１６）及び前記第２スパー（１３、１７）の、前記振動翼の先端の側に位置する端部は相互に接合され、前記翼駆動機構は、前記第１スパー（１２、１６）及び前記第２スパー（１３、１７）のうちの少なくとも一方の、前記振動翼（２、３）の翼根の側に位置する端部を翼幅方向に駆動するように構成されている。

好適には、前記翼駆動機構（６、７）は、前記第２スパー（１３、１６）を固定的に支持しながら、前記第１スパー（１３、１７）を前記翼幅方向に駆動するように構成される。

また、前記リブ（１４、１８）が前記第１スパー（１２、１６）及び前記第２スパー（１３、１６）の間に連結された連結部分（１４ａ、１８ａ）と前記連結部分（１４ａ、１８ａ）の尾部に接続された、弾性を有する弾性プレート（１４ｂ、１８ｂ）とを備え、前記弾性プレート（１４ｂ、１８ｂ）の前記振動翼（２−４）の振動方向の剛性が前記連結部分よりも低く、前記振動方法に柔軟に振動可能に形成されていることも好ましい。

当該航走体システムに複数の振動翼（２、３）が搭載されている場合、当該航走体システムは、前記翼駆動機構（６、７）を制御することによって当該航走体システムの位置及び姿勢を前記複数の振動翼（２、３）の振動によって制御する制御装置（１１）を具備していることが好ましい。特に、前記制御装置（１１）は、当該航走体システムの位置及び姿勢を、前記複数の振動翼（２、３）の振動によって一定に保つように制御することができるように構成されていることが好ましい。また、当該航走体システムが撮像装置（５）を備えている場合には、前記制御装置（１１）は、当該航走体システムの位置及び姿勢を、前記撮像装置（５）の位置を一定に保ったまま、前記撮像装置（５）の撮像方向が変更されるように当該航走体システムの位置及び姿勢を制御することができるように構成されていることが好ましい。

好適には、前記航走体システムは、本体（１）の側部に設けられた２枚の振動翼（２）と、本体（１）の尾部に設けられた尾ひれ（４）とを備えることが好適である。この場合、尾ひれ（４）は、その振動中心の方向を制御可能に構成されていることが好適である。

本発明によれば、推進力と耐久性とに優れた航走体を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態の航走体システム１０の構成を示す図である。本実施形態の航走体システム１０は、イルカの形状を模した水中航走体であり、ひれを模した複数の振動翼を備えている。より具体的には、航走体システム１０は、本体１と、２枚の胸びれ２（１枚のみ図示）と、背びれ３と、尾ひれ４とを備えている。胸びれ２、背びれ３、及び尾ひれ４は、いずれも、振動可能に構成されている。胸びれ２は、本体１の側部に、左右対称に設けられ、背びれ３は、本体１の背部に設けられている。胸びれ２、及び背びれ３は、補助的に推進力を発生すると共に、航走体システム１０の姿勢の制御のために使用される。尾ひれ４は、本体１の尾部に設けられており、航走体システム１０の推進力は、主として尾ひれ４によって発生される。加えて、本体１の前方部分の目に相当する位置には、ＣＣＤ（charge coupled device）のような撮像装置５が設けられている。

図２は、航走体システム１０の制御／駆動システムの構成を示すブロック図である。航走体システム１０の制御／駆動システムは、胸びれ駆動装置６と、背びれ駆動装置７と、尾ひれ駆動装置８と、慣性航法装置９と、制御装置１１とを備えている。胸びれ駆動装置６、背びれ駆動装置７、及び尾ひれ駆動装置８は、それぞれ、胸びれ２、背びれ３、及び尾ひれ４を駆動する。慣性航法装置９は、ジャイロと加速度センサとを備えており、航走体システム１０の位置、速度、及び、姿勢を検出する。制御装置１１は、慣性航法装置９によって得られた航走体システム１０の位置、速度、及び、姿勢を用いて、胸びれ駆動装置６と、背びれ駆動装置７と、尾ひれ駆動装置８とを制御する。制御装置１１は、更に、撮像装置５を制御して、所望の画像を撮像する。

本実施形態の航走体システム１０の特徴の一つは、胸びれ２、背びれ３の構造、及びその駆動方法にある。以下、胸びれ２、背びれ３の構造、及びその駆動方法について詳細に説明する。

図３Ａは、胸びれ２の内部の構造を示す上面図であり、図３Ｂは、胸びれ２を前から見た断面図である。図３Ａに示されているように、胸びれ２は、翼幅方向に延伸するように設けられた腹側スパー（桁）１２と、背側スパー１３と、翼幅方向と交差する翼弦方向に延伸するように設けられたリブ１４とを備えている。本実施形態では、２対の腹側スパー１２及び背側スパー１３が設けられている。図３Ｂに示されているように、リブ１４は、腹側スパー１２と背側スパー１３とを連結しており、胸びれ２の強度を有効に高める。胸びれ２の表面は、外皮１５によって被覆されている。外皮１５は、可とう性がある材料、例えば、ネオプレーンゴムで形成されている。外皮１５が腹側スパー１２、背側スパー１３及びリブ１４によって支持されることにより、胸びれ２に所望の翼型が与えられている。

図３Ｂに示されているように、腹側スパー１２は、胸びれ２の表面に沿って腹側に設けられ、背側スパー１３は、胸びれ２の表面に沿って背側に設けられている。腹側スパー１２、及び背側スパー１３は、その翼端側の端が互いに接続されており、翼根側の端が胸びれ駆動装置６に接続されている。腹側スパー１２、及び背側スパー１３は、弾性を有する材料、例えば、ポリプロピレンや、アルミ合金で形成されており、胸びれ駆動装置６によって駆動されると、翼幅方向及び翼弦方向に垂直な方向（以下、振動方向という）に振動する。

図４Ｂは、リブ１４の構造を示す上面図である。リブ１４は、胸びれ２の翼型に対応する形状を有している。詳細には、リブ１４は、腹側スパー１２及び背側スパー１３の間に連結された連結部分１４ａと、連結部分１４ａの尾部に接合された２枚の弾性プレート１４ｂとで構成されている。連結部分１４ａは、板状の形状を有しており、腹側スパー１２、及び背側スパー１３と、概ね直角に交わるように配置されている。連結部分１４ａは、胸びれ２の振動方向（即ち、翼幅方向及び翼弦方向に垂直な方向）の剛性を保つ役割を有している。弾性プレート１４ｂは、連結部分１４ａと垂直に交わる板状の形状を有しており、胸びれ２の後縁部分の形状を保つ役割を有している。弾性プレート１４ｂは、連結部分１４ａよりも胸びれ２の振動方向についての剛性が低く、柔軟に振動可能なように形成されている。

一実施形態では、リブ１４と、腹側スパー１２及び背側スパー１３とは、翼断面内である程度回転可能であるように、連結索（図示されない）によって緩やかに連結されている。リブ１４が、腹側スパー１２及び背側スパー１３に対して回転可能であることは、胸びれ２の動きをしなやかにするために好適である。リブ１４が腹側スパー１２及び背側スパー１３に対して回転可能にしつつ、腹側スパー１２及び背側スパー１３が翼弦方向（前後方向）に過剰に動きすぎることを防ぐために、リブ１４の連結部分１４ａには、溝１４ｃ、１４ｄが設けられている。腹側スパー１２及び背側スパー１３は、溝１４ｃ、１４ｄに嵌め込まれている。

図５は、胸びれ２の運動を説明する概念図である。胸びれ駆動装置６は、背側スパー１３を固定的に保持したまま、腹側スパー１２の翼根の側の端を翼幅方向に振動させる。具体的には、腹側スパー１２の端が外側（翼端の側）に駆動されると、図５の（ａ）に示されているように、腹側スパー１２、及び背側スパー１３は背側に反る。一方、図５の（ｃ）に示されているように、腹側スパー１２の端が内側に駆動されると、腹側スパー１２、及び背側スパー１３は腹側に反る。このような過程を繰り返すことにより、腹側スパー１２、及び背側スパー１３を振動させることができる。腹側スパー１２、及び背側スパー１３の上下方向の振動は、時間的に遅れてリブ１４の弾性プレート１４ｂに伝わって、弾性プレート１４ｂを上下方向に柔軟に振動させる。これにより、水流が発生し、推進力が生まれる。

このような胸びれ２の構造、及びその駆動方法の利点は、強力な推進力と耐久性とを両立できる点である。腹側スパー１２及び背側スパー１３をリブ１４によって連結する構造は、簡単な構造で胸びれ２の振動方向の剛性を高め、胸びれ２を強力な動力で駆動可能にする。これは、推進力を有効に向上させ、さらに、耐久性の向上にも有効である。更に、背側スパー１３を固定的に保持しつつ腹側スパー１２の端を翼幅方向に駆動する胸びれ２の駆動方法によれば、胸びれ２をそれぞれ一つの駆動機構で駆動可能である。これは、構造を簡単化することによって耐久性を向上させる上、強力な推進力の実現を可能にする。

リブ１４の尾部に設けられた弾性プレート１４ｂは、推進力を一層に向上することに寄与している。胸びれ２の振動によって発生された水流は、弾性プレート１４ｂによって効率よく後方に向けられる。これにより、推進力が一層に向上されている。

一方、図６Ａは、背びれ３の内部の構造を示す側面図であり、図６Ｂは、背びれ３を前から見た断面図である。図６Ａ、図６Ｂに示されているように、背びれ３は、形状は異なるものの、胸びれ２と概略的に同じ構成を有している。図６Ａに示されているように、背びれ３は、翼幅方向に延伸するように設けられた一対の板状のスパー１６、１７と、翼幅方向と交差する翼弦方向に延伸するように設けられたリブ１８とを備えている。リブ１８は、胸びれ２のリブ１４と同様の構造を有している。図６Ｂに示されているように、スパー１６、１７は、その翼端側の端が互いに接続されており、翼根側の端が背びれ駆動装置７に接続されている。背びれ３の表面は、外皮１９によって被覆されている。外皮１９は、可とう性がある材料、例えば、ネオプレーンゴムで形成されている。外皮１９がスパー１６、１７及びリブ１８によって支持されることにより、背びれ３に所望の翼型が与えられている。

背びれ３は、胸びれ２とは異なり、スパー１６、１７の両方の翼根側の端において背びれ駆動装置７によって駆動される。例えば、図６Ｂに示されているように、左側のスパー１６が外側に、右側のスパー１７が内側に駆動されると、背びれ３は右側に反る。逆に、左側のスパー１６が内側に、右側のスパー１７が外側に駆動されると、背びれ３は左側に反る。この過程が繰り返されることにより、背びれ３は横方向に振動される。

このような構成の背びれ３は、胸びれ２と同様に、強力な推進力の発生と耐久性の向上とを同時に実現することができる。

本実施形態の航走体システム１０は、複数の振動翼（即ち、２枚の胸びれ２、背びれ３及び尾ひれ４）を用いて、推進方向の制御を行う。推進方向の制御は、胸びれ３２及び尾ひれ３４の振動中心の角度を制御することによって行われる。左に旋回する場合、左の胸びれ３２の振動中心が下側に、右の胸びれ３２の振動中心が上側に向けられる。右に旋回する場合は、逆に、左の胸びれ３２の振動中心が上側に、右ひれ３３の振動中心が下側に向けられる。また、上に旋回する場合には、尾ひれ３４の振動中心が上側に向けられ、下に旋回する場合には、尾ひれ３４の振動中心が下側に向けられる。このように、左ひれ３２、右ひれ３３及び尾ひれ３４の振動中心の角度を制御することにより、航走体システム３０の進行方向を自在に制御可能である。

加えて、本実施形態の航走体システム１０は、それが静止しているときの位置及び姿勢の制御を、２枚の胸びれ２、背びれ３を用いて行うことができる。位置及び姿勢の制御は、典型的には、下記のようにして行われる。制御装置１１は、実現したい航走体システム１０の運動に合わせて、位置の目標値及び姿勢の目標値（例えば、３つの余弦角の目標値）を発生する。更に、制御装置１１は、慣性航法装置９によって測定さられた位置及び姿勢と、位置及び姿勢の目標値との偏差に応答して、フィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）によって胸びれ駆動装置６と背びれ駆動装置７とを制御する。具体的には、制御装置１１は、位置及び姿勢の測定値と、位置及び姿勢の目標値との偏差に応答して、胸びれ２及び背びれ３の振動の周波数及び、振動中心の方向を制御する。これにより、航走体システム１０の姿勢を所望に制御することができる。

このような制御によれば、２枚の胸びれ２と背びれ３の振動を適切に制御することにより、航走体システム１０の位置及び姿勢を一定に保つような制御を動的に行うことができる。一般的な水中航走体では、位置及び姿勢を安定に保つためには、碇や（振動しない）水中翼が使用される。しかし、潮の流れにより、ある程度、位置及び姿勢が動くことは避けられない。本実施形態の航走体システム１０では、２枚の胸びれ２と背びれ３の振動を適切に制御することにより、積極的に位置及び姿勢を一定に保つような制御を行うことができる。

また、本実施形態の航走体システム１０によれば、２枚の胸びれ２と背びれ３の振動を適切に制御することにより、撮像装置５の位置を一定に保ったまま、撮像装置５の撮像方向を変えるような航走体システム１０の位置及び姿勢の制御を実現することができる。これは、撮像装置５によって画像を得るために好適である。

なお、上述の実施形態では、胸びれに２対、背びれに１対のスパーが設けられている構造が提示されているが、ひれに設けられるスパーの数は、適宜に調節可能である。また、リブの数も、適宜に調整可能であることは明らかである。

また、上述の実施形態では、航走体システム１０は、水中を航走する水中航走体として記述されているが、他の液体、例えば、液体メタン中を航走する航走体としても使用されることも可能である。液体メタンが表面に存在する惑星の存在が知られており、本発明の航走体システムは、惑星上の液体メタンを航走する航走体として使用することが可能である。

図１は、本発明の第１の実施形態の航走体システムの構成を示す斜視図である。 図２は、第１の実施形態の航走体システムの制御／駆動システムの構成を示すブロック図である。 図３Ａは、第１の実施形態の航走体システムの胸びれの構造を示す上面図である。 図３Ｂは、第１の実施形態の航走体システムの胸びれの構造を示す断面図である。 図４Ａは、胸びれのリブの構造を示す側面図である。 図４Ｂは、胸びれのリブの構造を示す上面図である。 図５は、胸びれの駆動方法を示す概念図である。 図６Ａは、第１の実施形態の航走体システムの背びれの構造を示す上面図である。 図６Ｂは、第１の実施形態の航走体システムの背びれの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０：航走体システム
１：本体
２：胸びれ
３：背びれ
４：尾ひれ
５：撮像装置
６：胸びれ駆動装置
７：背びれ駆動装置
８：尾ひれ駆動装置
９：慣性航法装置
１１：制御装置
１２：腹側スパー
１３：背側スパー
１４：リブ
１４ａ：連結部分
１４ｂ：弾性プレート
１４ｃ、１４ｄ：溝
１５：外皮
１６、１７：スパー
１８：リブ
１９：外皮

Claims (7)

1. 本体と、
   前記本体に設けられた少なくとも一の振動翼と、
   前記振動翼を駆動する翼駆動機構
   とを具備し、
   前記振動翼は、
   翼幅方向に延伸するように設けられた、弾性を有する第１スパー及び第２スパーと、
   前記翼幅方向に交わる翼弦方向に延伸するように設けられた、前記第１スパー及び前記第２スパーを連結するリブ
   とを備え、
   前記第１スパー及び前記第２スパーの、前記振動翼の先端の側に位置する端部は相互に接合され、
   前記翼駆動機構は、前記第１スパー及び前記第２スパーのうちの少なくとも一方の、前記振動翼の翼根の側に位置する端部を翼幅方向に駆動する
   航走体システム。
2. 請求項１に記載の航走体システムであって、
   前記リブは、
   前記第１スパー及び前記第２スパーの間に連結された連結部分と、
   前記連結部分の尾部に接続された、弾性を有する弾性プレート
   とを備え、
   前記弾性プレートは、前記振動翼の振動方向の剛性が前記連結部分よりも低く、前記振動方法に柔軟に振動可能に形成された
   航走体システム。
3. 請求項１に記載の航走体システムであって、
   前記翼駆動機構は、前記第２スパーを固定的に支持しながら、前記第１スパーを前記翼幅方向に駆動するように構成された
   航走体システム。
4. 請求項１に記載の航走体システムであって、
   更に、
   前記翼駆動機構による前記少なくとも一の振動翼の駆動を制御する制御装置を具備し、
   前記少なくとも一の振動翼は複数であり、
   前記制御装置は、当該航走体システムの位置及び姿勢を、前記複数の振動翼の振動によって制御する
   航走体システム。
5. 請求項４に記載の航走体システムであって、
   前記制御装置は、当該航走体システムの位置及び姿勢を、前記複数の振動翼の振動によって一定に保つように制御することができるように構成された
   航走体システム。
6. 請求項４に記載の航走体システムであって、
   更に、
   撮像装置を備え、
   前記制御装置は、当該航走体システムの位置及び姿勢を、前記撮像装置の位置を一定に保ったまま、前記撮像装置の撮像方向が変更されるように当該航走体システムの位置及び姿勢を制御することができるように構成された
   航走体システム。
7. 請求項１に記載の航走体システムであって、
   前記少なくとも一の振動翼は、
   前記本体の側部に設けられた２枚の振動翼と、
   前記本体の尾部に設けられた尾ひれ
   とを備え、
   前記尾ひれは、その振動中心の方向を制御可能に構成されている
   航走体システム。

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