JP2012046178A - 波力 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】波力式のウォータビークルが、表面のフロート11と、沈むスウィマ21と、フロートとスウィマを連結する連係具31とを具えており、スウィマは、波の動作により上下に移動する。スウィマは、スウィマが上下に移動するときに水と相互作用し、ビークルを前方に進ませる力を生成する1以上のフィン213,214を具えている。人を必要としないビークルは、通信113,114及び制御装置217を具えることができ、これにより、ビークルは送信された信号により案内されるコースを進むことができ、ビークル上のセンサからのデータを記録又は送信することができる。
【選択図】図1
Description
本出願は、2006年1月20日に出願された米国暫定特許出願第60/760,893(登録簿 JUP 001)、2006年5月18日に出願された米国暫定特許出願第11/4306447(登録簿 JUP 001−1)、2006年9月1日に出願された米国暫定特許出願第60/841,834(登録簿 JUP 001−2)の優先権を主張する。これらの各出願の開示全体は、参照によりここに組み込まれている。
前記フロート、スウィマ及び連係具は、前記ビークルが水中にある場合に、(i)前記フロートが水面上又は水面近くにあり、(ii)前記スウィマが前記フロートより下に位置し、(iii)前記連係具が張力を受けることができるように構成されており、
前記スウィマが、
(2a)長さ方向の軸を有するスウィマ本体部と、
(2b)フィンシステムであって、(a)前記本体部に固定され、(b)フィンを具え、(c)装置が波を伝える水の中にある場合に、
(i)前記波の運動により変化する構成を有し、
(ii)水と相互作用して、前記スウィマを水平成分を有する方向(以降、単に「水平方向」と称する)に移動させる力を生成するフィンシステムとを具える。
(A)フィンシステムがフィン、例えば、回転軸(例えば、スウィマ本体部の長さ方向の軸を概略的に横断する回転軸)を中心に回転する概略薄板状のフィンを具え、前記回転軸が、前記装置が波を伝える水の中にあるときに変化する前記スウィマ本体部との空間的な関係を有すること。
(B)前記フィンシステムが、(i)フィン、例えば、回転軸(例えば、スウィマ本体部の長さ方向の軸を概略的に横断する回転軸)を中心に回転する概略薄板状のフィンと、(ii)前記フィンの一部ではない弾性要素であって、弾性的に変形し、前記ビークルが波を伝える水の中にあるときに前記フィンシステムの構成の変化に影響を与える弾性要素(例えば、金属製のコイルばね、金属製の板ばね、金属製のトーションバー、又は天然又は人工のゴムバンドなどの弾性の構成要素)を具えること。
(C)前記フィンシステムが、フィン、例えば(i)(中心部が、スウィマ本体部と所定の空間的な関係を有する回転軸を中心に回転する可能性を有する)前記スウィマ本体部と所定の空間的な関係を有する相対的に硬質の中心部と、(ii)相対的に変形可能な船外部とを具える先端を有する概略薄板状で弾性的に変形可能なフィンを具えること。
(D)前記フィンシステムが、2つの概略薄板状のフィン、例えば、それぞれが左右対称である2つの概略薄板状で弾性的に変形可能なフィンを具え、各フィンが、前記スウィマ本体部の長さ方向の軸と概略的に整列した回転軸を中心に回転すること(このようなフィンは、魚の胸びれ又は鳥の翼と同じような方法で作動し、ここでは「「胸」びれ(フィン)」と称する)。
前記連係具は、以下の特徴の一方又は双方を有することが好適である。
(E)前記連係具が、弾性的に変形可能な部材を具えること。
(F)前記連係具が、データ及び/又は電力を送る構成要素を具えること。
前記スウィマ本体部は、以下の特徴の1又はそれ以上を有することが好適である。
(G)前記スウィマ本体部が、実質的に硬質の前部と、相対的に可撓性のある垂直面上の中央部と、実質的に硬質の船尾部とを具え、前記連係具が、例えば前部に固定され、前記フィンシステムが、例えば前部に取り付けられること。
(H)前記スウィマ本体部が、電気設備、通信設備、記録設備、制御電子機器、ステアリング装置、及びセンサから選択した1又はそれ以上の要素を具えること。
(I)前記スウィマ本体部が、水平面上の前記スウィマ本体部の方向に影響を及ぼす実質的に垂直なフィンを具えること。このようなフィンは、抵抗力をバランスさせ、連係具により一方へ引っ張られたときにスウィマの回転を制限するのに有用である。一実施例では、スウィマ本体部は、スウィマを操舵するために作動可能な所定の前方のフィンと後方のフィンを具えている。同様の実施例では、スウィマ本体部の一部は、相対的に小さな水平領域と、相対的に大きな垂直領域、例えば、スウィマ本体部の後方端部におけるスウィマを操舵するのに作動可能な部材などを有する。
(J)前記スウィマ本体部が、概略管状ハウジングを具え、前記フィンシステムが前記ハウジングの両サイドに延在する胸びれ(フィン)を具えること。
フィン又は回転軸を中心に回転する他の構成要素、又は回転可能に取り付けられ、又は回転可能に固定される構成要素について言及する場合、これは単一の軸についての回転の可能性だけでなく、(必要に応じて互いに平行でもよい)2つ以上の軸についての回転から生じる回転の可能性や、例えば、可撓性のあるフィンの一部が固定され、可撓性のあるフィンの残りが固定位置に対して移動するときに、回転がフィン又は他の構成要素の隣接する部分の連続的な相対運動に関連する可能性を含む。
前記スウィマが、ビークルが波を伝える水の中にあるときに、水と相互作用してビークルを水平方向に移動させる力を生じさせ、
前記フロートが、衛星を利用した位置センサを具えており、
前記スウィマが、(a)水平面上の方向を検知するセンサと、(b)ステアリングアクチュエータとを具えており、
前記コンピュータシステムが、(a)位置センサ、水平センサ、及び舵に接続され、(b)(b)前記位置センサ及び前記水平センサから受信した信号に応じて、あるいは前記ビークル上のセンサから受信した信号に応じて、前記ステアリングアクチュエータを制御する命令を含む、あるいは含むようにプログラム可能である。本発明の第2の態様のウォータビークルでは、スウィマは、本発明の第1の態様に係る本体部及びフィンシステムを具えることが好適であるが、ビークルを水平方向に移動させる力を生じさせる別の手段を具えることができる。
スウィマ本体部はしばしば、概略円筒形状であり、またはフィンシステムがスウィマを水の中で引っ張るときの抵抗を最小限にするために選択された他の形状である。しばしばスウィマ本体部は単一であるが、本体部の軸が整列した状態で、あるいは互いに平行で離設した状態で、好適にはしっかりと互いに固定された複数の本体部であってもよい。本体部は、ビークルが水中にある場合に、概略的に水平な長さ方向の軸を有することが好適である。
フロートは、これが具える構成要素を念頭に入れつつ、有用な大きさ及び形状、これが使用される方法、水及び風に対する抵抗を最小限にする妥当性を有することができる。フロートの長さは、例えばスウィマの長さの0.5から0.9倍よりも小さく、ほぼ同じ、例えば0.9から1.1倍、あるいは例えば1.1から4倍よりも大きくすることができる。フロートの長さは、例えば少なくとも1フィート(0.3m)、例えば3から10フィート(1から3m)、又は4から6フィート(1.2から1.9m)とすることができるが、波により実質的に移動することができない大きさでない限り、実質的にこれよりも大きく、例えば最大で1000フィート(300m)またはそれ以上にすることができる。フロートの幅は、例えば少なくとも0.3フィート(1m)又は少なくとも2フィート(1.9m)、最大で例えばフロートの長さの0.3倍とすることができる。任意で、フロートは重心より上に浮心を有する。フロートは、例えば、20から500ポンド(9から225kg、例えば約80ポンド(36kg))の浮力を有することができ、及び/又はスウィマの湿重量の2から4倍の浮力とすることができる。
連係具は、フロートとスウィマを機構的に接続し、この目的のために、好適な破壊強度、例えば少なくとも500ポンド(225kg)又は少なくとも1500ポンド(675kg)の伸張部材を具える。例えば、伸張部材は、金属、例えばステンレス鋼、及び/又は高分子組成、例えばKeviar又はスペクトル(Spectra)で構成することができる。しばしば、負荷を負わず、電力及び/又はデータを送る1又はそれ以上の部材、例えば1又はそれ以上の絶縁電気コンダクタのツイストペア、光ファイバ、又は音響ケーブルを具えることができる。通常、連係具は張力負荷のみを支持するが、本発明は、連係具が圧縮に抵抗する可能性を有し、例えば、ロッドである。
スウィマが波力により移動するとき、フィンシステムの構成は、水の表面上の波に応じたサイクルで変化する。通常、必ずではないが、各サイクルでの構成の変化は実質的に同じである。各サイクルにおける構成の変化は通常、実質的に連続的であるが、非連続とすることもできる(すなわち、構成が同じである場合に各サイクルにおいて1以上の周期が存在し得る)。少なくとも周期の一部では、フィンシステムは水と相互に影響して、スウィマを水平方向に押す力を生成する。いくつかの実施例では、フィンシステムは、横軸を中心に回転するフィンを具える。他の実施例では、フィンシステムは、長さ方向の軸を中心に回転する一対のフィンを具えている。いずれか一方の事例では、スウィマが上昇及び下降するとき、フィンは、任意で弾性的に湾曲することができ、スウィマの前方への突出を強化する。
最適な滑走角度は海の状態に応じて変わる。風又は表層流がフロートを後方に引っ張る場合、急な滑走角度は、前方の動作を実現する必要がある。反対に、風及び流れが有利な場合、細い滑走角度は、各滑走サイクルで移動する距離を増加させることができる。
(a)少なくとも部分的に弾性的に変形可能であり、
(b)少なくとも部分的に実質的に硬質であり、
(c)相対的に硬質な前方部と中央部、及び/又は相対的に弾性的に変形可能な後方部を具え、
(d)相対的に弾性的に変形可能な前方部と、相対的に硬質の中央部と、相対的に弾性的に変形可能な後方部とを具え、
(e)魚又は鯨の尾の形状と同様の形状を具え、
(f)第1の構成では、フィンが概略水平面上の概略平面であり、
(g)第2の構成では、フィンが概略薄板状で下に湾曲しており、第2の構成は、連係具に概略的に垂直な平面上の軸を中心とし、スウィマの長さ方向の軸に対して概略直角のフィンの湾曲及び/又は回転により生じ、
(h)波の谷がフロートを落下させることによりスウィマが下に沈むとき、フィンシステムは第2の構成から第3の構成に変化し、第3の構成は概略薄板状で上に湾曲している、これらの特性のうち1又はそれ以上を有することが好適である。
(1)フィンシステムが、同じ又は異なり、同じ水平面上に配置され、又は2以上の異なる面に配置された複数のフィンを具え、
(2)フィンシステムが、フレームに取り付けられる複数のフィン、例えば、軸方向に整列した背骨(spine)の両脇に取り付けられる複数のフィン、または整列したサイドレールの間に取り付けられる複数のフィンを具え、
(3)フィンシステムが一対のフィンを具え、このフィンが、
(i)スウィマ本体部の反対側から延在し、
(ii)スウィマ本体部に固定され、第1の構成と第2の構成の間を移動でき、第2の構成のフィンの位置は、第1の構成のフィンの位置に対して上側に延在し、
(iv)ばね又は他の弾力性のある回復手段により、第2の構成から第1の構成に付勢され、
(4)フィンシステムは一対のフィンを具え、連係具が2つの脚を有する逆V字型の部分を具え、各脚がフィンの一方に固定され、
(5)フィンシステムが尾のフィンを具えることを含む。
(i)硬質の構成要素が、本体部にしっかりと固定される。
(ii)硬質の構成要素が、本体部の上側に配置され、単一の連係具、又は逆Y字型の構成を有する連係具の一の脚が固定される。
(iii)少なくとも1のフィンシステムがこれに固定される。1以上のフィンシステムが存在する場合、システムは、上下に及び/又は隣りに取り付けできる。
(iv)硬質の構成要素は、第2の硬質の構成要素を具えるサポートシステムの第1の構成要素である。第1の構成要素は、概略的に垂直な平面上の本体部の上に配置され、これに直接的に固定され、第2の構成要素は、第1の構成要素に直接固定され、これに固定された1又それ以上のフィンシステムを有する。第2の構成要素は、任意で第1の構成要素に固定され、概略垂直面上の第1の構成要素に対して回転でき、この回転は任意で、弾性的に復元可能な部材、例えばばね又はトーションバーの影響を受け得る。連係具の少なくとも一部は任意で、第2の構成要素に固定され、連係具を上に引っ張ることにより、弾性的に復元する部材が変形する。さらに回転の範囲は任意で、伸張不可能な部材により制限される。
いくつかの実施例では、概略平坦なフィン又は一対の概略平坦なフィンは、横方向に弾性的に変形する(また、整列した方向に弾性的に変形する)。いくつかの事例では、このようなフィンは、スウィマ本体部の実質的に垂直方向の動作なしで、垂直方向に移動できる。これらは、魚の胸びれ、又は鳥の翼と同じような方法ではためく。胸びれは、軸方向に整列した長さ方向の軸を中心に回転するのが好適である。任意で胸びれの表面は、水平面に対して、又は長さ方向の軸及び翼桁を介した軸を横切る平面に対して、回転及び/又は湾曲する。
(a)露出した機構を具えず、生物の付着に対する耐性を有する滑らかな外側本体部。
(b)寿命を長くするために特定の位置の疲労を最小限にすることができる広範囲に亘る湾曲部。
(c)速度を増加可能な全体的に流線型の形状。
(d)ビークルの慣性が前進への切替を阻止することがないように、連係具の張力の突然の増加が即座にフィンに伝わる。
(e)フィンの先端が線の取り付け位置を超えて延在し、この範囲におけるウィングの翼桁が相対的に硬質であり、フィンの先端部が連係具よりも大きく移動する。これにより、小さな連係具の運動により大きな推進力が発生する。
ウォータビークルの一部とし得る付加的な構成要素は、限定ではないが、以下の段落1から14に記載する構成要素を含む。いくつかの構成要素、例えば電子制御装置は、フロート及びスウィマの一方又は双方の一部とすることができる。大きくあるいは重いアイテム、例えば、バッテリーや、イメージング又はマッピング装置、及びハイドロホン及びソナー装置などの動作が制限され、及び/又は風やノイズから保護されるときに最もよく動作する装置は、スウィマの一部であることが好ましい。他の構成要素、例えば太陽光収集手段、無線ナビゲーションアンテナ、ビーコン、気象センサは、フロートの一部であることが好適である。
(1)例えば、デジタル又はアナログ無線信号を送信及び/又は受信する通信装置、例えば、
(i)ビークルの一部である監視又は送信装置により収集されるデータを示す信号を送信し、
(ii)基地局(例えば、船又は地上局)から、あるいはナビゲーション装置、例えば、グローバルポジショニングシステム(GPS)又はソーナーブイ若しくは無線ブイなどの衛星ナビゲーション装置からの信号、例えば命令を受信し、
(iii)例えば衛星を介して信号を受信局に送信し、
(iv)ビークルの位置の影響を受ける信号を送信する通信装置。
(2)信号、例えばデジタル又はアナログ信号、例えば、これらの信号は、
(i)衛星ナビゲーションシステム、例えばGPSからの信号の影響を受け、
(ii)例えば衛星を介してビークルから受信局に送信され、
(iii)ビークルの位置の影響を受け、
(iv)ビークルの一部であるセンサ、例えば、スウィマに取り付けられるハイドロホンの影響を受ける信号を記録する記録装置。
(3)ビークルの一部を形成する装置を制御する制御電子機器。
(4)例えば、フロートの一部を形成する舵及び/又はスウィマの一部を形成する舵などのステアリング手段であって、例えば、(例えば連係具がフロートに取り付けられる位置の後ろに抵抗の中心を維持するための)フロートに固定された舵、及び/又はスウィマに取り付けられ、ビークル内で生じる例えば磁気コンパス又はジャイロスコープからの信号、及び/又はビークルの一部を形成する通信装置により受信される信号に応答する舵用アクチュエータを具える舵若しくは他のステアリング手段である。
(5)例えば、バッテリー又は燃料電池、好適には、例えばフロートに取り付けられた太陽電池からの出力により再充電可能な電力源である電力源。バッテリーは重いため、スウィマのコンテナ本体部内に配置することが好適である。例えは、4から16ボルトの鉛酸蓄電池とすることができる。
(6)太陽エネルギー、例えばフロートに取り付けられるソーラーパネル又は太陽電池を利用する手段。
(7)センサ、この語は、観測可能な状況の変化を報告又はこれに応答する装置を示すのに用いられる。したがって、センサは様々な科学又は監視装置、例えば、コンパス、ジャイロスコープ、温度センサ、圧力センサ、いずれの種類、例えば可視光、紫外線、又は赤外線などの電磁気放射用のセンサ、化学センサ、例えば塩分センサ、磁気探知機、生物学的センサ、地質学的センサ、水流センサ、深度センサ、速度計、海底をイメージ化する装置、天気又は他の気候の変化、例えば風速、降雨量若しくは気圧用のセンサ、又はハイドロホン(例えば、鯨又は他の水生生物により生じる音を監視するハイドロホン)とすることができる。
(8)補助推進手段、例えば、モータ駆動式スラスタ。
(9)補助姿勢制御手段、例えば、フラップ。
(10)フロートの浮心を可逆的に変更する手段。このような手段は、例えば、例えば、浮力を増加させるために空気を注入可能であり、浮力を減少させるために空気を抜くことができるチャンバ、及び/又は浮力を減少させるために水を満たし、浮力を増加させるために水を拭くことができるチャンバを具える。この方法では、フロートは水を所望のレベル(水面下を含む)に維持できる。浮力を減少させることは、例えば、不利な気象条件がビークルを危険にさらす場合、特にビークルが相対的に小さい場合に有用である。このようなチャンバは、例えば、ビークル自体のセンサからの入力、又は無線信号からの入力に応答するコンピュータにより制御されるバルブ、例えば逆止め弁を具えることができる。このようなチャンバを膨張及び/又は収縮させる必要のあるエネルギーは、フロートにぶつかる波から、フロートとスウィマの相対運動により生じる波力から、及び/又は蓄えられた電力から直接的に得ることができる。例えば、チャンバは、波がぶつかるとポンプとして作動し、バルブの位置に応じてチャンバを充填または空にする可撓性のある部分を具えることができる。代替的に又は加えて、フロートは、波が高いときであって波が低くないときに水が出入り可能な1又はそれ以上の入口と、波が低いときに水を排出可能な1又はそれ以上の出口と、を有する1又はそれ以上のチャンバを具えることができる。
(11)標本、例えば、水、空気、水生生物、海洋動物、植物、無機物などの標本を収集する設備。
(12)風のエネルギーを利用して、例えばバッテリーを再充電する装置。
(13)補助的な電気装置、例えば、光、ビーコン、又はプロペラを駆動するモータ。
(14)スウィマの運動の一部又は総てを電気エネルギーに変換する手段。
本発明のいくつかの利用では、ビークルは、フロート又はスウィマに取り付けられたコンピュータを利用して所望の地理的なパスに沿って案内される。コンピュータは、例えば、
(a)(i)磁気コンパス又はジャイロスコープからの入力、(ii)衛星ナビゲーションシステム、例えばGPS(好適にはフロートに取り付けられる)からの入力、(iii)予めコンピュータにプログラムされ、及び/又は無線命令によりコンピュータに入力される地理的座標を処理し、
(b)(i)フロート及びスウィマの一方又は双方の舵、好適にはスウィマの舵を制御する舵制御システムへの、(ii)ビークルが補助制御又は推進手段である場合に、これらの手段への命令を出力するために利用できる。コンピュータへの入力は、例えば、風及び流れを考慮した他の供給源から利用可能なデータを含むことができる。
(a)ビークル自体に取り付けられたセンサからの入力、又は1又はそれ以上が本発明のビークルであるビークルのネットワークからの入力を処理し、
(b)(i)フロート及びスウィマの一方又は双方の舵、好適にはスウィマの舵を制御する舵制御システムへの、(ii)ビークルが補助制御又は推進手段である場合に、これらの手段への命令を出力するために利用できる。この方法では、例えば、ハイドロホン、磁気計、又はビークル上の他のセンサは、水中、水上、又は海底のオブジェクト、例えば、船、他の浮かんでいる又は沈んでいるオブジェクト、又は鯨若しくは他の海洋生物の存在を特定することができ、ビークルは、そのオブジェクトに関連するパスに従うように、そのオブジェクトの動作又は存在を追跡するように案内される。
スウィマを容易に保管及び移送するために、フィンとスウィマ本体部との間の取り付け位置は、例えば、フィンの軸が本体の軸と平行な状態でスウィマをキャニスタ内に格納可能なピボットジョイントを具えてもよい。フィンは動作位置に固定された後に、このジョイントはバネ付きでもよく、また戻り止め等を具えてもよい。
図1は、連係具31によりスウィマ21に連結したフロート11を示している。フロートは、ソーラーパネル112、GPSレシーバ113、アンテナ114、及び電子ボックス115が設けられた本体部111を具えている。舵116がフロートの後方に固定されている。逆Y字型の下側の脚311及び312を有する連係具31は、フロートとスウィマを連結する。このスウィマは、ノーズコーン212を有する本体部211を具える。フィンシステム213及び214が、本体部211の外側に取り付けられている。連係具の脚311用の電気に関する開口部215、バッテリー216、制御電子機器217、舵用サーボ機構218、及び舵のロッド用開口部219が、本体部211内に収容されている。舵222がスウィマ本体部の後方に取り付けられており、舵を駆動するロッド221により制御される。
Claims (7)
- フィンシステムであって、
(1)長さ方向の軸を有するフレームと、
(2)複数のフィンであって、各フィンが(i)前記フレームに取り付けられ、(ii)前記フレームの長さ方向の軸を横断する回転軸を中心に回転可能な複数のフィンと、
(3)(i)フィンの一部ではなく、(ii)少なくとも1つのフィンに連結され、(iii)前記フィンが前記回転軸を中心に回転するときに形状を変化し、これにより前記フィンの回転を制御するか、または制御するのを補助する、少なくとも1つの弾性的に変形可能な構成要素とを具えることを特徴とするフィンシステム。 - 請求項1に記載のフィンシステムにおいて、(i)前記フレームが硬質のバーを具え、(ii)前記フィンの各々が前記硬質のバーの両側に横断して延在する概略薄板状のフィンであり、(iii)前記システムが複数の前記弾性的に変形可能な構成要素を具え、各弾性的に変形可能な構成要素が前記フレームと1つのフィンに連結することを特徴とするフィンシステム。
- 請求項2に記載のフィンシステムにおいて、各弾性的に変形可能な構成要素が(i)自身が連結される前記フィンの回転する横軸の後ろの前記フレームの固定位置、(ii)自身が連結される前記フィンの回転する横軸の後ろに連結される前記フィンの固定位置から延在することを特徴とするフィンシステム。
- 請求項1乃至3の何れか1項に記載のフィンシステムにおいて、前記弾性的に変形可能な構成要素が静止した位置から何れかの方向で少なくとも1つのフィンの回転に抵抗するばねであることを特徴とするフィンシステム。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載のフィンシステムが、3乃至10の実質的に同一の概略薄板状のフィンを具え、前記フィンの各々が少なくとも部分的に実質的に硬質であることを特徴とするフィンシステム。
- 波力式ウォータビークルであって、
(1)(a)信号を受信する通信装置と、(b)衛星を利用した位置センサとを具えるフロートと、
(2)長さ方向の軸を有し、(a)フィンシステムと、(b)水平面上の方向を検知する水平センサと、(c)ステアリングアクチュエータとを具えるスウィマと、
(3)前記フロートと前記スウィマを接続する連係具と、
(4)(a)前記位置センサ、前記水平センサ、及び前記舵に接続され、(b)前記位置センサおよび前記水平センサから受信した信号に応じて、あるいは前記ビークル上のセンサから受信した信号に応じて、前記ステアリングアクチュエータを制御する命令を含むか、あるいは含むようプログラム可能なコンピュータシステムとを具え、
前記フロート、スウィマおよび舵は、前記ビークルが水中にあるとき、(i)前記フロートが水面上又は水面近くにあり、(ii)前記スウィマが前記フロートの下に沈み、(iii)前記連係具が張力を受けるように構成されており、
前記フィンシステムが請求項1乃至5の何れか1項に記載のものであることを特徴とする波力式ウォータビークル。 - 請求項6に記載の波力式ウォータビークルの機能を制御する方法であって、当該方法が前記ビークルの通信装置に信号を送信するステップを含むことを特徴とする方法。
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