JP2016203866A

JP2016203866A - 窓部材および潜水機

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Publication number: JP2016203866A
Application number: JP2015089555A
Authority: JP
Inventors: 幹裕梅原; Mikihiro Umehara
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: JP6560012B2

Abstract

【課題】殻体の内部と外部とで圧力差が大きくなっても破損し難い窓部材および潜水機を提供する。
【解決手段】人物または受光デバイスを内部に収容する殻体2に設置されて、前記内部と圧力が異なる外部領域から入射する光を前記人物または前記受光デバイスに導くために用いる窓部材10であって、少なくとも前記外部領域に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材の表面で構成されていることを特徴とする窓部材を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窓部材および潜水機に関するものである。

深海や宇宙空間など、圧力が地上と大きく異なる領域の調査は年々進んでいる。例えば深海の調査では、多様な分野の科学技術の進展によって潜水機の能力向上が進み、潜水調査することができる深海の深さも大きくなっている。潜水機による調査は、人物が潜水機に搭乗し、潜水機の外の領域（深海）の様子を実際に目で確認しながら行うことが効率的であり、潜水機には人物が収容される殻体に窓部材（覗き窓）が設けられている。

下記非特許文献１には、潜水機に設けられる覗き窓の一例が示されている。非特許文献１に示されている窓部材（覗き窓）は、高い圧力に耐えられるように厚肉の部分円錐形状を有し、殻体の変形に追随できるように硬度が低いメタクリル樹脂で構成されている。

田代省三、"深海に挑む"、海と地球の情報誌 Blue Earth, 2008年3-4月号［online］、2008年3月、独立行政法人海洋研究開発機構特、［平成２７年４月２２日検索］、インターネット＜URL：http://www.godac.jamstec.go.jp/catalog/data/doc_catalog/media/be94_all.pdf＞

従来の窓部材は、圧力にともなって変形できる、メタクリル樹脂のような低い硬度の材料を、厚さを大きくして用いている。しかし、このように硬度が低い場合、例えば海底の構造物に衝突したり、操作ミスで採取したサンプルが衝突した場合など、窓部材の表面にわずかな傷が生じる場合があった。この傷には応力が集中し易いので、潜航する深度が深く、すなわちかかる圧力が大きくなるにつれ、このような傷を起点に窓部材の破壊が進行する虞が大きくなる。本発明は、このような課題を解決することを目的とする。

本願は、人物または受光デバイスを内部に収容する殻体に設置されて、前記内部と圧力が異なる外部領域から入射する光を前記人物または前記受光デバイスに導くために用いる窓部材であって、少なくとも前記外部領域に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材の表面で構成されていることを特徴とする窓部材を提供する。

また、人物または受光デバイスを内部に収容した状態で水中に潜航する潜水機であって、前記人物または前記受光デバイスが収容される、１つ以上の孔部が設けられた殻体と、前記殻体の前記孔部に配置された窓部材とを備え、前記窓部材は、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材の表面で構成されていることを特徴とする潜水機を併せて提供する。

本発明によれば、殻体の内部と外部とで圧力差が大きくなっても窓部材が破損し難い。また本発明の潜水機は、深い深度に潜航した場合に発生する、窓部材の割れ等を抑制することができる。

本発明の潜水機の一実施形態である潜水機の構成を説明する概略断面図である。（ａ）は潜水機１の窓部材１０周辺の拡大正面図、（ｂ）は拡大断面図である。窓部材の他の実施形態について説明する断面図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、窓部材の他の実施形態について説明する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の潜水機の一実施形態である潜水機１の構成を説明する概略断面図である。図１に示す潜水機１は、本発明の窓部材の一実施形態である窓部材１０を備えて構成されている。図２（ａ）は潜水機１の窓部材１０周辺の拡大上面図、（ｂ）は拡大断面図である。

潜水機１は、人物（図示せず）または受光デバイス（図示せず）を内部に収容した状態で水中に潜航する潜水機であって、人物または前記受光デバイスが収容される、１つ以上の孔部２０が設けられた殻体２（操縦室）と、殻体２の孔部２０を塞ぐように配置された窓部材１０とを備え、窓部材１０は、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材１２の表面で構成されている。本明細書においてサファイアとは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする単結晶体のことをいう。また本明細書において「主成分」として含む場合は、具体的には少なくとも５０質量％、好ましくは７０質量％含むことをいう。傷がよりつき難く、割れや欠け等をより確実に抑制する点で、第１部材１２のサファイアのＡｌ_２Ｏ_３純度（含有量）は９９質量％以上であることが好ましい。

潜水機１は、水中に深く潜航して、いわゆる深海などの水中の様子を調査するために用いられる。潜水機１は、殻体２、前探ソナー５、送受信機６、電気式推進装置７、投光器８、電池システム９、配電部１７を具備している。配電部１７を介して電池システム１０の電力を電気式推進装置７へ供給することで潜水機１は航行する。潜水機１は、送受信機６で外部（例示：洋上の母船）と連絡可能である。

殻体２は例えばチタン合金等からなり、全体的に球状の外周面および球状の内周面を有する殻体形状を有する。殻体２の内部には、例えば潜水機１の操縦者である人物が収容される（乗り込む）。殻体２に収容された操縦者は、投光器８で前方を照らしつつ、前探ソナー５によって前方の障害物を確認したり、窓部材１０から見える外の様子を参照しながら、潜水機１を操縦したり、図示しないカメラやマニュピレーター等を用いて、外の様子を撮影したり、外にある試料の採取等を行う。窓部材１０は上面視で直径が約３０ｃｍ程度の円形状であり、全体の厚さが約１ｃｍ〜１０ｃｍ程度と比較的薄い。

殻体２は深海の大きな水圧に耐えるため、全体的な外周面の形状は、圧力が部分的に集中し難い球状となっている。また殻体２には、操縦者が外側を確認するために、孔部２０および孔部２０に配置された窓部材１０が設けられている。孔部２０の開口の縁には、例えば金属や樹脂等からなる、サファイアに比べてヤング率が比較的低い枠体２２が設置されている。窓部材１０は、孔部２０を塞ぐように、端部が枠体２２に当接されて配置されている。本実施形態では、窓部材１０の端部と枠体２２との間に、例えば金属や樹脂等からなる、窓部材１０や枠体２２に比べてヤング率が低い、リング状のシールリング部材２６が複数配置されている。潜水機１が水中深くに潜航した際、窓部材１０全体を枠体２２に押さえつけるような水圧が窓部材１０にかかる。枠体２２と窓部材１０が直接当接している場合、例えば枠体２２の表面に微小な凸部があると、この凸部と窓部材１０の当接部分に応力が集中してかかり、この応力集中部分を起点にクラックが進行する虞もある。シ
ールリング部材２６を設け、この水圧によってシールリング部材２６が弾性変形する構成とすることで、窓部材１０の端部に局所的に大きな圧力がかることを抑制することができる。

本実施形態の窓部材１０は、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材１２の表面で構成されているので、窓部材の表面が非常に硬く傷が付き難い。このため、傷等への水圧の集中が生じ難いので、潜水機１が水深深くまで潜航した場合も、窓部材の破損が生じ難い。特に、海底や海溝の壁面近くまで接近して、海底や壁面のサンプルを採取する作業など、窓部材と海底や壁面とが接触する虞が高い作業を、より高い安全性を保ちつつ実施することができる。窓部材１０を備える潜水機１は、水中での各種作業において高い安全マージンを確保できるので、従来に比べてより深い水深で、海底面や壁面により近づいて作業することができる。

窓部材１０は、外側表面（すなわち第１部材１２の外側表面）が外側に向けて凸の部分球形状となっている。これにより、外側表面に局所的に水圧が集中することを抑制し、窓部材１０の耐圧性を高くしている。また窓部材１０は、外側表面と反対の側の内側表面が外側に向けて凸の部分球形状となっている。すなわち窓部材１０は、外側表面も内側表面も球形状となっており、例えば操縦者が内側表面に顔を近づけることで、窓部材１０の外側の様子を比較的広い範囲にわたって確認することができる。例えば、カメラ等の受光デバイスを搭載して遠隔操作で水中を調査する水中探査機などの潜水機でも、広い視野を確保することができる。

図３は、窓部材の他の実施形態について説明する断面図である。図３では図２と同様の構成については図２と同じ符号で示している。例えば、外部を観察しながら操縦するのではなく、いわゆるソナーなどの音響デバイスを主体に外部の様子をモニタする潜水機など、窓部材に顔や受光デバイスを近づける必要がなく、図３に示すように、窓部材１０の外側表面は、外側に向けて凸の部分球形状ではなく例えば平坦であってもよく、形状についても特に限定はされない。

窓部材１０は、第１部材１２の外側表面と反対側の面（すなわち内側表面）に重ねて配置された、１つ以上の第２部材を有する。第２部材は第１部材と同様の材質（すなわちサファイア）であってもよいし、第１部材と異なる材質であってもよい。本実施形態の窓部材１０では、第１部材１２と同様の形状、すなわち外側表面および内側表面がいずれも球形状である、プレート状の第２部材１４が第１部材１２の内側表面に重ねて配置されている。このように水中に露出する外側表面を有する第１部材１２の内側表面に、第２部材１４を重ねて配置することで、第１部材１２にかかる水圧が第２部材１４にも分散してかかることになり、第１部材１２に割れ等が発生する可能性を低減することができる。また、窓部材の外側にクラック等が発生しても最外表面の第１部材でクラックの進行を止めることができ、内側まで割れて水が浸入することを抑制することができる。このように第１部材１２が破損した場合も、第２部材１４によって水等の浸入を阻止できるので、殻体２の内側への水の浸入等をより確実に防ぐことができる。

また、図２に示す窓部材１０では、第１部材１２および第２部材１４がいずれもサファイアからなる。第１部材１２に加えて第２部材１４もサファイアからなることで、第１部材１２が破損した場合にも、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる第２部材１４の表面で構成されることになり、外側表面に生じた傷等に起因した窓部材１０の破壊が生じ難い。

以上の実施形態では、窓部材１０は、第１部材１２に１つの第２部材（第２部材１４）が重ねられた例を示したが、第２部材の数は特に限定されず複数あってもよい。第２部材
が複数ある場合も、各第２部材は第１部材と同様の材質（すなわちサファイア）であってもよく、複数の第２部材の全部またはいくつかがサファイアと異なる材質であってもよい。図４（ａ）（ｂ）はそれぞれ、窓部材の他の実施形態について説明する断面図である。図４（ａ）（ｂ）でも図２と同様の構成については図２と同じ符号で示している。図４（ａ）に示す他の実施形態のように、第２部材１４に加えて、もう１つの第２部材（第２部材１６）を配置してもよいし、図４（ｂ）に示すように、さらにもう１つ以上の第２部材（第２部材１８）を重ねて配置してもよい。また第１部材１２のみで窓部材１０を構成してもよく、第２部材の数は特に限定されない。

上述の各実施形態の窓部材１０は、第１部材１２と第２部材（第２部材１４）の間、および第２部材同士の間の少なくとも１つ以上に配置された、サファイアよりもヤング率が小さい接合層２４を有する。接合層２４は、第１部材と第２部材や、第２部材同士を接合している層であり、樹脂等を主成分とする例えば透光性の接着剤等からなる。第１部材１２と第２部材の間、および第２部材同士の間を、例えばエポキシ樹脂を主成分とする接着剤を用いて接合した場合など、硬化した接着剤を接合層２４として残せばよい。このサファイアよりもヤング率が小さい接合層２４は、外部からの衝撃を緩和するクッションのように機能するので、窓部材１０の破損をより確実に抑制することができる。

図２、図３（ａ）（ｂ）に示す実施形態では、窓部材１０は、第１部材１２、第２部材１４、第２部材１６、第２部材１８がいずれもサファイアからなっていてもよい。第１部材１２に加えて第２部材１４、第２部材１６、第２部材１８がいずれもサファイアからなることで、外側の部材が破損した場合も、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる部材の表面で構成されることになり、外側表面に生じた傷等に起因した窓部材１０の破壊が生じ難い。

また図２〜図４に示す各実施形態では、第２部材（第２部材１４、第２部材１６、第２部材１８）の少なくとも１つが、サファイアよりもヤング率が小さくてもよい。例えば第２部材を、サファイアよりもヤング率が小さい、アクリルやメタクリル等の部材で構成してもよいし、樹脂からなるフィルム状の部材で構成してもよい。この場合、サファイアよりもヤング率が小さい第２部材が、衝撃を吸収するクッションの機能をもつので、第１部材１２の破損が発生し難い。

第１部材１２等のサファイアからなる部材は、例えばＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed. Growth Method）やＫＰ(kyropoulo)法やＣＺ(czochralski)法など、公知のサファイア結晶成長技術によって得た大型のサファイア単結晶体を機械加工することで作製することができる。例えばいわゆるマシンニングセンタ装置を用いたフライス加工等によって、大型のサファイア単結晶体を加工して球状の表面を有する第１部材１２や、その他の第２部材等を作製することができる。具体的には、ダイヤモンド砥粒を付着させたいわゆるダイヤモンド電着ツールを回転させながら動かして研削加工することで作製することができる。なお、研削加工の後に、全体を例えば１６５０℃まで昇温して、約３時間例えば１５００〜１８００℃の温度を維持するアニール処理を行うことが好ましい。このアニール加工によって、表面や内部に残留していた内部応力を低減することができる。

上述の実施形態では、人物が乗り込んで操縦する潜水機に用いる窓部材を例に説明したが、人物が乗り込む潜水機ではなく、カメラ等の受光デバイスを搭載して遠隔操作で水中を調査する水中探査機などに用いてもよく、さらには水中で使用する装置に限らず、例えば宇宙船や人工衛星や探査機など、圧力が極端に低い例えば宇宙空間で使用する装置に用いれもよい。窓部材は、人物または受光デバイスを内部に収容する殻体に設置されて、内部と圧力が異なる外部領域から入射する光を人物または受光デバイスに導くために用いる窓部材であれば特に限定されない。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１潜水機
２殻体
５前探ソナー
６送受信機
７電気式推進装置
８投光器
９電池システム
１０窓部材
１２第１部材
１４、１６、１８第２部材
１７配電部
２０孔部
２２枠体
２４接合層

Claims

人物または受光デバイスを内部に収容する殻体に設置されて、前記内部と圧力が異なる外部領域から入射する光を前記人物または前記受光デバイスに導くために用いる窓部材であって、
少なくとも前記外部領域に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材の表面で構成されていることを特徴とする窓部材。
前記外側表面が外側に向けて凸の部分球形状であることを特徴とする請求項１記載の窓部材。
前記外側表面と反対の側の内側表面が外側に向けて凸の部分球形状であることを特徴とする請求項２記載の窓部材。
前記第１部材の前記外側表面と反対側の面に重ねて配置された、１つ以上の第２部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窓部材。
複数の前記第２部材がいずれもサファイアからなることを特徴とする請求項４記載の窓部材。
前記第１部材と前記第２部材の間、および前記第２部材同士の間の少なくとも１つ以上に配置された、サファイアよりもヤング率が小さい接合層を有することを特徴とする請求項５記載の窓部材。
前記第２部材の少なくとも１つが、サファイアよりもヤング率が小さいことを特徴とする請求項４記載の窓部材。
人物または受光デバイスを内部に収容した状態で水中に潜航する潜水機であって、
前記人物または前記受光デバイスが収容される、１つ以上の孔部が設けられた殻体と、
前記殻体の前記孔部に配置された窓部材とを備え、
前記窓部材は、少なくとも水中に露出する外側表面が、サファイアからなる第１部材の表面で構成されていることを特徴とする潜水機。