JP2017053456A - 水中アクチュエータ及びそれを備える潜水機 - Google Patents

水中アクチュエータ及びそれを備える潜水機 Download PDF

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Abstract

【課題】双方向への駆動を可能にする水中アクチュエータとそれを備える潜水機を提供する。【解決手段】水中アクチュエータ１Ａは、水中に浸されるハウジング１１と、前記ハウジングの内部に形成されたシリンダ室１２と、前記シリンダ室に摺動可能に収容され、前記シリンダ室を第１受圧室１７と第２受圧室１８に区画するピストン１３と、前記ピストンから前記第１受圧室側に延びて前記ハウジングを貫通するロッド１４と、前記ハウジングの内部に形成され、内部の圧力が前記ハウジングの外部の水圧より低く保たれた逃し室３１と、前記第２受圧室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第１切換部と、前記第２受圧室と前記逃し室との連通および遮断を切り換える第２切換部とを有する切換機構と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、水中で使用される水中アクチュエータ及びそれを備える潜水機に関する。
海底資源開発の作業フィールドでは、海面下で種々の作業を実施するための水中アクチュエータが用いられている。例えば、特許文献１には、錘に係留させた水中測定機器を水中観測後に回収するために、錘に繋がれたロープを保持した状態を解除して、錘と水中測定機器とを切り離す水中切離装置が開示されている。この水中切離装置は、モータを駆動してフック固定ピンを解除位置に移動させるように構成されており、これにより、ロープを保持したフックの固定状態が解除されて、支持ピンを軸に自重でフックが下方に回動する。
特開２０１１−６３１５９号公報
しかしながら、特許文献１に開示された水中切離装置では、フックの自重によってフックを回動させる構成であるため、一度フックが回動すると回動前の位置にフックを戻すことができない。このため、自重を利用した水中アクチュエータは、双方向への駆動を要する作業に利用することができない。
そこで、本発明は、双方向への駆動を可能にする水中アクチュエータとそれを備える潜水機を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る水中アクチュエータは、水中に浸されるハウジングと、前記ハウジングの内部に形成されたシリンダ室と、前記シリンダ室に摺動可能に収容され、前記シリンダ室を第１受圧室と第２受圧室に区画するピストンと、前記ピストンから前記第１受圧室側に延びて前記ハウジングを貫通するロッドと、前記ハウジングの内部に形成され、内部の圧力が前記ハウジングの外部の水圧より低く保たれた逃し室と、前記第２受圧室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第１切換部と、前記第２受圧室と前記逃し室との連通および遮断を切り換える第２切換部とを有する切換機構と、を備える。
上記の構成によれば、水中アクチュエータが水中にあるときに、第１切換部により第２受圧室をハウジングの外部と連通させれば、第２受圧室に導かれる水圧によって、ピストンを第１受圧室側へと移動させてロッドをハウジングから伸長させることができる。一方、第２切換部により第２受圧室を逃し室と連通させれば、ロッドの先端に作用する水圧によって、ピストンを第２受圧室側へと移動させてロッドをハウジング内に後退させることができる。このように、第２受圧室とハウジングの外部との連通および遮断、並びに、第２受圧室と逃し室との連通および遮断を切り換えることにより、ロッドを双方向へと駆動させることができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記ハウジングの内部には、前記ハウジングの外部から前記第２受圧室に水を導くための第１流路と、前記第２受圧室から前記逃し室へと水を逃すための第２流路が形成されており、前記第１切換部は、前記第１流路に設けられ、前記第２切換部は、前記第２流路に設けられてもよい。
上記水中アクチュエータにおいて、前記第１流路および前記第２流路は、前記第２受圧室側で共通している共通流路を含んでもよい。この構成によれば、流路を共通化してハウジング内部の構成をより簡易にすることができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記共通流路には、絞り機構が設けられていてもよい。この構成によれば、絞り機構により第２受圧室へ流入する又は第２受圧室から流出する水の流速を制限してロッドの作動速度を規定することができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記ハウジングの内部には、前記共通流路を介して前記第２受圧室とつながる摺動室が形成されており、前記切換機構は、前記摺動室を摺動する単一のスプールであってもよい。この構成によれば、単一のスプールが摺動室を摺動することによって、第２受圧室とハウジングの外部との連通および遮断、並びに、第２受圧室と逃し室との連通および遮断の切換を実現できるため、切換機構を構成部品の少ない簡易な構成にすることができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記スプールは、前記摺動室をその一端から他端に向かって順に、第１位置、第２位置、および第３位置へと移動し、前記スプールが第１位置にあるとき、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、前記スプールが第１位置から第２位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部に連通させ、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断したままにし、前記スプールが第２位置から第３位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室に連通させてもよい。この構成によれば、スプールを一方向に移動させる構成で、ロッドの双方向への駆動を実現することができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記切換機構は、更に、前記逃し室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第３切換部を有してもよい。この構成によれば、第３切換部により逃し室をハウジングの外部に連通させた状態で、水中アクチュエータを上昇させると、ハウジングの外部の水圧の減少とともに、逃し室の内部圧を減少させることができる。これにより、洋上において、逃し室の圧力を低減させた状態で水中アクチュエータを回収することができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記切換機構は、更に、前記逃し室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第３切換部を有し、前記スプールは、前記摺動室をその一端から他端に向かって順に、第１位置、第２位置、第３位置および第４位置へと移動し、前記スプールが第１位置にあるとき、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記スプールが第１位置から第２位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部に連通させ、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断したままにし、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、前記スプールが第２位置から第３位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室に連通させ、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、前記スプールが第３位置から第４位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部に連通させてもよい。この構成によれば、スプールを一方向に移動させる構成で、ロッドの双方向への駆動と、水中アクチュエータの安全な回収を実現することができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記第１受圧室には、圧縮性流体が封入されており、前記シリンダ室は、前記ピストンがロッド伸長位置とロッド後退位置との間で移動する領域であって、前記第１受圧室の一部および前記第２受圧室を構成する移動領域と、前記ピストンが前記ロッド後退位置から前記ロッド伸長位置に移動したときに前記移動領域の圧縮性流体が流入する領域であって、前記第１受圧室の残りを構成する予備領域とを有し、前記ピストンが前記ロッド後退位置から前記ロッド伸長位置に移動したときに、前記予備領域の圧力は、前記ハウジングの外部の水圧より低くてもよい。この構成によれば、ピストンをロッド後退位置からロッド伸長位置まで確実に移動させることができる。
上記水中アクチュエータにおいて、前記ピストンは、ロッド伸長位置とロッド後退位置との間で移動し、前記シリンダ室には、前記ロッド伸長位置にある前記ピストンに当接する緩衝材、および／または、前記ロッド後退位置にある前記ピストンに当接する緩衝材が設けられていてもよい。この構成によれば、ピストンが作動してロッド伸長位置および／またはロッド後退位置で停止するときの衝撃を緩衝材に吸収させることができる。
本発明の一態様に係る潜水機は、前記切換機構が単一のスプールである上記水中アクチュエータと、前記スプールを摺動させる駆動装置と、を備える。この構成によれば、水中アクチュエータを簡易な構成にすることができる。
また、本発明の別の態様に係る潜水機は、前記スプールが前記摺動室を第１位置、第２位置、および第３位置へと移動する構成の上記水中アクチュエータと、前記スプールを押圧するための駆動軸を有する電動アクチュエータと、を備え、前記スプールと前記駆動軸とが非連結である。この構成によれば、スプールと駆動軸とが非連結であるため、潜水機からの水中アクチュエータの取り外しが容易に行える。
本発明によれば、双方向への駆動を可能にする水中アクチュエータとそれを備える潜水機を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る水中アクチュエータの概略構成図である。 図１の水中アクチュエータの第２受圧室とハウジングの外部とを連通させた状態を示す図である。 図１の水中アクチュエータの第２受圧室と逃し室とを連通させた状態を示す図である。 図１の水中アクチュエータの逃し室とハウジングの外部とを連通させた状態を示す図である。 変形例に係る水中アクチュエータの概略回路図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る水中アクチュエータ１Ａの概略構成を説明するための図であり、図２〜図４は、水中アクチュエータ１Ａが備える後述の切換機構による切換動作を説明するための図である。図１〜図４では、水中アクチュエータ１Ａは、潜水機２の下部に取り付けられた状態で示されている。以下の説明では、水中アクチュエータ１Ａを駆動させる位置まで潜水機２が水中（例えば海水中）に潜水した状態にあるものとして説明する。また、以下の説明では、説明の便宜上、図１の上向きを「上」と定義し、下向きを「下」と定義する。
図１に示すように、水中アクチュエータ１Ａは、潜水機２の下部に取り外し可能に装着されている。潜水機２は、例えば洋上の母船とケーブルで繋がれた遠隔操作型無人潜水機（ROV; Remotely Operated Vehicle）であり、例えば自律型無人潜水機（AUV; Autonomous Underwater Vehicle）である。但し、潜水機２は、有人機であってもよい。潜水機２には、例えば海底作業や海底調査のために、図示しない駆動装置や測定機器、監視機器等が搭載されている。
本実施形態に係る水中アクチュエータ１Ａは、水中に浸されるハウジング１１と、ハウジング１１の内部に形成されたシリンダ室１２とを有する。また、ハウジング１１には、シリンダ室１２に上下方向に摺動可能に収容されたピストン１３と、ピストン１３に接続されたロッド１４が備わっている。
ハウジング１１は、耐圧性を有している。ハウジング１１は、上下方向に長い略直方体状である。ハウジング１１には、その一側面に第１開口１１ａが設けられており、上面に第２開口１１ｂが設けられている。これら第１開口１１ａ及び第２開口１１ｂを通って、ハウジング１１の外部Ｗから内部へと水が流入したり、ハウジング１１の内部から外部Ｗへと水またはハウジング１１に内在していた気体が流出したりする。なお、本実施形態では、潜水機２の内部とハウジング１１の外部Ｗとが連通しており、ハウジング１１の外部Ｗの水は潜水機２の内部を介して第２開口１１ｂを通過する。
ハウジング１１は、シリンダ室１２が内部に形成された第１ケーシング１５と、後述の逃し室３１が内部に形成された第２ケーシング１６とに分離可能に構成されている。
シリンダ室１２は、ピストン１３により、第１受圧室１７と第２受圧室１８に上下に区画されている。ロッド１４は、ピストン１３から第１受圧室１７側に直線状に延びて、ハウジング１１の下部に形成された貫通孔１１ｃを介してハウジング１１を貫通している。ロッド１４は、シリンダ室１２内でピストン１３の第１受圧室１７側の面と接続された基端部１４ａを有する。また、ロッド１４は、基端部１４ａとは反対側の端部であって、ハウジング１１の外部Ｗに配置されたロッド先端部１４ｂを有する。ロッド先端部１４ｂには、例えば、マジックハンド機構、ジャッキ機構、またはサンプラ装置などが、リンク装置を介して接続されている（いずれも図示せず）。貫通孔１１ｃの周りには、ロッド１４を摺動自在に支持するとともに、第１受圧室１７を密封するためのシール材（図示せず）が設けられている。第１受圧室１７は、他のどの空間からも遮断された密閉空間を形成している。
ロッド１４は、ピストン１３が第１受圧室１７側へ移動するとハウジング１１外方へと伸長し、ピストン１３が第２受圧室１８側へ移動するとハウジング１１内方へと後退する。シリンダ室１２は、ロッド１４を後退させたロッド後退位置（図１参照）からロッド１４を伸長させたロッド伸長位置（図２参照）までの範囲内でピストン１３が移動することができるように形成されている。
シリンダ室１２の第１受圧室１７には、ロッド伸長位置にあるピストン１３に当接するように緩衝材２７が設けられている。また、シリンダ室１２の第２受圧室１８には、ロッド後退位置にあるピストン１３に当接する緩衝材２８が設けられている。緩衝材２７は、ピストン１３がロッド後退位置から作動してロッド伸長位置で停止するときの衝撃を吸収し、緩衝材２８は、ピストン１３がロッド伸長位置から作動してロッド後退位置で停止するときの衝撃を吸収する。
ロッド１４が駆動される前である水中アクチュエータ１Ａの初期状態では、ピストン１３は、ロッド後退位置にあるように配置されている。また、水中アクチュエータ１Ａが初期状態にあるとき、第１受圧室１７および第２受圧室１８には、圧縮性流体が封入されている。圧縮性流体は、例えば空気である。また、水中アクチュエータ１Ａが初期状態にあるとき、第１受圧室１７および第２受圧室１８の内部圧は、例えば大気圧に保たれている。
シリンダ室１２は、ピストン１３がロッド伸長位置とロッド後退位置との間で移動する移動領域２０と、ピストン１３がロッド後退位置からロッド伸長位置に移動したときに移動領域２０の圧縮性流体が流入する予備領域２１とを有する。移動領域２０は、第１受圧室１７の一部および第２受圧室１８を構成し、予備領域２１は、第１受圧室１７の残りを構成する。予備領域２１は、ピストン１３がロッド後退位置からロッド伸長位置に移動したときに、予備領域２１の圧力がハウジング１１の外部Ｗの水圧より低い状態を維持するのに十分な体積を有している。このため、ピストン１３は、ロッド後退位置からロッド伸長位置まで確実に移動することができる。また、予備領域２１は、ピストン１３がロッド後退位置からロッド伸長位置へと移動した際の断熱圧縮による第１受圧室１７内の温度上昇を、許容範囲内（例えばハウジング１１やピストン１３、ロッド１４等の使用温度範囲内）に抑える役割を果たす。この実施形態では、予備領域２１は、上下方向に移動するピストン１３の移動領域に対して水平に並んで配置されている。但し、予備領域２１は、ピストン１３の移動領域の下方に配置されていてもよい。
ハウジング１１の内部には、逃し室３１が形成されている。逃し室３１は、その内部の圧力がハウジング１１の外部Ｗの水圧より低く保たれている。水中アクチュエータ１Ａが初期状態にあるとき、逃し室３１には、圧縮性流体（例えば空気）が封入されており、逃し室３１の内部圧は、例えば大気圧に保たれている。逃し室３１の容積は、ピストン１３がロッド伸長位置からロッド後退位置に移動する間、第２受圧室１８側からピストン１３にかかる力より、第１受圧室１７側から直接的におよびロッド１４を介してピストン１３にかかる力の方が大きい状態を維持するのに十分な容積である。
ハウジング１１の内部には、ハウジング１１の外部Ｗから第２受圧室１８に水を導くための第１流路Ｆ１と、第２受圧室１８から逃し室３１へと水を逃すための第２流路Ｆ２と、ハウジング１１の外部Ｗと逃し室３１とを連通するための第３流路Ｆ３とが形成されている。第１流路Ｆ１は、第１開口１１ａから第２受圧室１８へと延びる流路である。第２流路Ｆ２は、第２受圧室１８から逃し室３１へと延びる流路である。第３流路Ｆ３は、第２開口１１ｂから逃し室３１へと延びる流路である。
第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２は、第２受圧室１８側で共通した部分であって、第２受圧室１８の流出入口２３から延びる共通流路２２を有する。共通流路２２における第２受圧室１８側末端部の流出入口２３には、第２受圧室１８へ流入する又は第２受圧室１８から流出する水の流速を制限するための絞り機構２５が設けられている。但し、絞り機構２５は、共通流路２２のどの箇所に設けられていてもよい。また、第２流路Ｆ２および第３流路Ｆ３は、逃し室３１側で共通した部分であって、逃し室３１の流出入口３２から延びる共通流路３３を有する。
ハウジング１１の内部には、ハウジング１１の外部Ｗ、第２受圧室１８および逃し室３１の３つの空間のそれぞれの間の連通および遮断を切り換える切換機構が設けられている。切換機構は、第２受圧室１８とハウジング１１の外部Ｗとの連通および遮断を切り換える第１切換部と、第２受圧室１８と逃し室３１との連通および遮断を切り換える第２切換部と、逃し室３１とハウジング１１の外部Ｗとの連通および遮断を切り換える第３切換部とを有する。以下、本実施形態における切換機構について詳しく説明する。
ハウジング１１の内部には、共通流路２２を介して第２受圧室１８とつながる摺動室４１が形成されている。本実施形態における切換機構は、この摺動室４１を摺動する単一のスプール４２である。また、該スプール４２の上方には、駆動装置としての電動アクチュエータ５１が配置されている。
摺動室４１は、ハウジング１１の上面の第２開口１１ｂから下方に向かって延びた筒状の内周面を有する。摺動室４１は、その下端部で上述の第１開口１１ａとつながるように形成されている。また、摺動室４１は、第１開口１１ａとの接続箇所より上方で、第２受圧室１８の流出入口２３から延びる共通流路２２とつながっている。また、摺動室４１は、共通流路２２との接続箇所より上方で、逃し室３１の流出入口３２から延びる共通流路３３とつながっている。
スプール４２は、第２開口１１ｂから摺動室４１に挿通されており、電動アクチュエータ５１により下方へ移動させられる。スプール４２は、下から上に向かって順に、即ち移動方向先頭から移動方向後尾に向かって順に、第１ランド部４３ａと、第２ランド部４３ｂと、第３ランド部４３ｃと、それらを連結する軸部４４とを有している。第１ランド部４３ａ、第２ランド部４３ｂ及び第３ランド部４３ｃは、それぞれ、摺動室４１の内周面に接する外周面を有する。軸部４４は、その上端部４４ａで電動アクチュエータ５１の駆動軸５２の下端部５２ａに当接している。
電動アクチュエータ５１は、潜水機２に備え付けられており、第２開口１１ｂの上方に配置されている。電動アクチュエータ５１は、駆動軸５２を上下方向に移動させてその位置を制御する。駆動軸５２に当接されたスプール４２は、駆動軸５２によって、摺動室４１に沿って下方に押圧される。但し、駆動軸５２とスプール４２とは非連結でなくてもよく、例えば、駆動軸５２とスプール４２とは、駆動軸５２の移動によって、スプール４２が摺動室４１に沿って上方にも移動するように連結していてもよい。
本実施形態では、スプール４２が、摺動室４１の上端部から下端部に向かう方向に沿って順に、第１位置、第２位置、第３位置および第４位置へと移動する。スプール４２は、電動アクチュエータ５１により移動された位置に応じて、ハウジング１１の外部Ｗ、第２受圧室１８および逃し室３１の３つの空間のそれぞれの間の連通および遮断を切り換える。
スプール４２が第１位置にあるとき、第１切換部は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断し、第２切換部は、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断し、第３切換部は、逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗから遮断する。スプール４２が第１位置から第２位置に移動すると、第１切換部は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗに連通させ、第２切換部は、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断したままにし、第３切換部は、逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗから遮断したままにする。スプール４２が第２位置から第３位置に移動すると、第１切換部は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断し、第２切換部は、第２受圧室１８を逃し室３１に連通させ、第３切換部は、逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗから遮断したままにする。スプール４２が第３位置から第４位置に移動すると、第１切換部は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断したままにし、第２切換部は、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断し、第３切換部は、逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗに連通させる。
本実施形態において、スプール４２の第１ランド部４３ａ、第２ランド部４３ｂ及び第３ランド部４３ｃが、その位置に応じて、上述の第１切換部、第２切換部、第３切換部として機能する。
ロッド１４が駆動される前である水中アクチュエータ１Ａの初期状態では、スプール４２は第１位置にある。図１に示すように、スプール４２が第１位置にあるとき、上記３つの空間のそれぞれの間のどの２つの間も連通していない完全に遮断された状態にある。より詳しくは、第１ランド部４３ａが、ハウジング１１の外部Ｗと第２受圧室１８との間を遮断している。また、第２ランド部４３ｂが第２受圧室１８と逃し室３１との間を遮断している。また、第３ランド部４３ｃが逃し室３１とハウジング１１の外部Ｗとの間を遮断している。
図２に示すように、スプール４２が第２位置にあるとき、上記３つの空間のそれぞれの間の連通状態は、第２受圧室１８とハウジング１１の外部Ｗとが連通し、それ以外は遮断した状態にある。より詳しくは、第１ランド部４３ａは、第２受圧室１８およびハウジング１１の外部Ｗの両方が、摺動室４１における第１ランド部４３ａと第２ランド部４３ｂとの間の空間に連通するように配置される。また、第２ランド部４３ｂは、第２受圧室１８と逃し室３１との間を遮断している。また、第３ランド部４３ｃは、逃し室３１とハウジング１１の外部Ｗとの間を遮断している。
図３に示すように、スプール４２が第３位置にあるとき、上記３つの空間のそれぞれの間の連通状態は、第２受圧室１８と逃し室３１とが連通し、それ以外は遮断した状態にある。より詳しくは、第２ランド部４３ｂは、第２受圧室１８および逃し室３１の両方が、摺動室４１における第２ランド部４３ｂと第３ランド部４３ｃとの間の空間に連通するように配置される。また、第２ランド部４３ｂは、第２受圧室１８とハウジング１１の外部Ｗとの間を遮断している。また、第３ランド部４３ｃは、逃し室３１とハウジング１１の外部Ｗとの間を遮断している。
図４に示すように、スプール４２が第４位置にあるとき、上記３つの空間のそれぞれの間の連通状態は、逃し室３１とハウジング１１の外部Ｗとが連通し、それ以外は遮断した状態にある。より詳しくは、第３ランド部４３ｃは、逃し室３１が摺動室４１における第３ランド部４３ｃと第２開口１１ｂの間の空間に連通するように配置される。また、第２ランド部４３ｂは、第２受圧室１８とハウジング１１の外部Ｗとの間を遮断している。また、第３ランド部４３ｃが逃し室３１と第２受圧室１８との間を遮断している。
次に、水中アクチュエータ１Ａにおけるロッド１４の双方向駆動について切換機構での切換動作順に沿って説明する。
潜水機２が潜水する前は、潜水機２に取り付けられた水中アクチュエータ１Ａは初期状態にあり、図１に示すように、ロッド１４をハウジング１１内に後退させた状態、即ち、ピストン１３がロッド後退位置にある状態で、スプール４２が第１位置にあるように配置されている。潜水機２が潜水している間、水中アクチュエータ１Ａのロッド先端部１４ｂには、ハウジング１１の外部Ｗの水圧が作用している。
図２に示すように、ロッド１４をロッド後退位置からロッド伸長位置へと駆動させるために、電動アクチュエータ５１がスプール４２を第１位置から第２位置へと下方に移動させる。スプール４２が第２位置に配置されることにより、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗに連通させて、ハウジング１１の外部Ｗの水が第１開口１１ａを通って第２受圧室１８へと供給される。これにより、第１受圧室１７側から直接的におよびロッド１４を介してピストン１３にかかる力より第２受圧室１８側からピストン１３にかかる力の方を大きくして、ロッド１４を第１受圧室１７側へと駆動させることができる。
図３に示すように、ロッド１４をロッド伸長位置からロッド後退位置へと駆動させるために、電動アクチュエータ５１がスプール４２を第２位置から第３位置へと更に下方に移動させる。スプール４２が第３位置に配置されることにより、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断するとともに、第２受圧室１８を逃し室３１に連通させて、第２受圧室１８内の水を逃し室３１に逃す。これにより、第２受圧室１８の内部圧を低減させて、第２受圧室１８側からピストン１３にかかる力より第１受圧室１７側から直接的におよびロッド１４を介してピストン１３にかかる力の方を大きくして、ロッド１４を第２受圧室１８側へと駆動させることができる。
作業を終えた潜水機２を水面に向かって上昇させる前に、図４に示すように、電動アクチュエータ５１がスプール４２を第３位置から第４位置へと更に下方に移動させる。スプール４２が第４位置に配置されることにより、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断するとともに、逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗに連通させて、逃し室３１の内部圧をハウジング１１の外部Ｗと同じ圧力にする。この状態で、潜水機２が水面に向かって上昇すると、水中アクチュエータ１Ａが水面に近づくにつれて、逃し室３１の内部圧も低減していく。こうして、洋上において、逃し室３１の圧力を低減させた状態で水中アクチュエータ１Ａを潜水機２から取り外して回収することができる。
以上説明したように、本実施形態では、水中アクチュエータ１Ａが水中にあるときに、スプール４２を第１位置から第２位置へと移動させて第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗと連通させれば、ハウジング１１の外部Ｗの水を第２受圧室１８に導くことができる。これにより、第２受圧室１８に導かれる水圧によって、ピストン１３を第１受圧室１７側へと移動させてロッド１４をハウジング１１から伸長させることができる。
一方、スプール４２を第２位置から第３位置へと移動させて第２受圧室１８を逃し室３１と連通させれば、第２受圧室１８内の水を逃し室３１に逃して、第２受圧室１８の内部圧を低減させることができる。これにより、ロッド先端部１４ｂに作用する水圧によって、ピストン１３を第２受圧室１８側へと移動させてロッド１４をハウジング１１内に後退させることができる。
このように、第２受圧室１８とハウジング１１の外部Ｗとの連通および遮断、並びに、第２受圧室１８と逃し室３１との連通および遮断を切り換えることにより、ロッド１４を双方向へと駆動させることができる。
また、本実施形態では、スプール４２を第３位置から第４位置へと移動させて逃し室３１をハウジング１１の外部Ｗと連通させれば、逃し室３１の内部圧をハウジング１１の外部Ｗと同じ圧力にすることができる。これにより、洋上において、逃し室３１の圧力を低減させた安全な状態で水中アクチュエータ１Ａを潜水機２から取り外して回収することができる。
また、本実施形態では、第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２が第２受圧室１８側で共通している共通流路２２を含んでいるため、ハウジング１１の内部構成をより簡易にすることができる。
また、本実施形態では、切換機構が、第１切換部、第２切換部および第３切換部のいずれの機能も有する単一のスプール４２であるため、切換機構を構成部品の少ない簡易な構成にすることができる。
また、本実施形態では、スプール４２を一方向に移動させる構成で、ロッド１４の双方向への駆動と、水中アクチュエータ１Ａの安全な回収を実現することができる。このため、スプール４２の軸４４と電動アクチュエータ５１の駆動軸５２とを連結する必要がなく、潜水機２からの水中アクチュエータ１Ａの取り外しも容易に行える。また、電動アクチュエータ５１が潜水機２側に搭載されているため、水中アクチュエータ１Ａをコンパクトにすることができるとともに、水中アクチュエータ１Ａ側に電気的構成が不要となり、水中アクチュエータ１Ａを簡易な構成にすることができる。
潜水機２は、水中アクチュエータ１Ａを備えるため、双方向への駆動を要する作業を水中で実施することができる。また、水中アクチュエータ１Ａが潜水機２に取り外し可能に備えられているため、水中アクチュエータ１Ａを使用済みのものから使用前のものに容易に交換できる。また、ハウジング１１は、シリンダ室１２が内部に形成された第１ケーシング１５と、後述の逃し室３１が内部に形成された第２ケーシング１６とに分離可能に構成されているため、第２ケーシング１６のみを交換することができる。
また、本実施形態の水中アクチュエータ１Ａが水圧を利用してロッド１４を駆動させる構成であるため、駆動に要するエネルギーを低減することができる。このため、上記潜水機２が、例えば、内蔵された電池等をエネルギー源とする自律型無人潜水機である場合などに特に有用である。
上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、潜水機２に対するピストンの移動方向は上下方向でなくてもよく、例えば水中アクチュエータ１Ａは、水平方向にロッド１４を往復する構成であってもよい。また、ハウジング１１内のシリンダ室１２、逃し室３１、切換機構の配置や向き、ハウジング１１の形状、第１開口１１ａや第２開口１１ｂの配置等も上記実施形態には限定されない。ハウジング１１の内部に形成された流路も上記の構成に限定されず、例えば第１流路Ｆ１および第２流路Ｆ２は共通の流路を有していなくてもよい。また、水中アクチュエータ１Ａにおいて、切換機構は、第３切換部を有さない構成であってもよい。また、上記実施形態において、第１受圧室１７に封入された流体は圧縮性流体であったが、例えば、シリンダ室１２の構成が、ピストン１３がロッド後退位置からロッド伸長位置に移動した分だけ予備領域２１の体積が拡大する構成である場合、第１受圧室１７に封入された流体は、非圧縮性流体であってもよい。
また、水中アクチュエータ１Ａが初期状態にあるときの第１受圧室１７、第２受圧室１８および逃し室３１の内部圧は、大気圧でなくてもよく、例えば、ロッド１４の断面積やロッド１４を駆動する際のハウジング１１の外部Ｗの水圧等を考慮して、ロッド１４を双方向駆動するのに最適な圧力に設定されてもよい。
また、上記実施形態では、駆動装置としての電動アクチュエータ５１は、潜水機２に搭載されていたが、駆動装置は水中アクチュエータ１Ａに設けられていてもよい。また、シリンダ室１２には緩衝材２７，２８はなくてもよいし、いずれか一方のみが設けられていてもよい。
また、シリンダ室１２は予備領域２１を有さない構成であってもよく、この場合、初期状態にある水中アクチュエータ１Ａのピストン１３は、ロッド後退位置から、第１受圧室１７側からピストン１３にかかる力と第２受圧室１８側からピストン１３にかかる力とが釣り合った位置まで移動して、ロッド１４を伸長させる。但し、シリンダ室１２が予備領域２１を有する構成である場合、ロッド１４のストローク範囲を予め定めた範囲に設定することができる。
上記実施形態では、切換機構が第１切換部、第２切換部および第３切換部のいずれの機能も有する単一のスプール４２であったが、切換機構は、第１切換部、第２切換部および第３切換部がそれぞれ独立して操作される構成であってもよい。例えば、切換機構は、第１切換部に対応するスプールと、それとは別の第２切換部に対応するスプールとを有する構成であってもよい。
また、切換機構はスプール以外の機構であってもよい。その一例として、図５に、変形例に係る水中アクチュエータ１Ｂの概略回路図を示す。水中アクチュエータ１Ｂでは、第１流路Ｆ１のうち共通流路２２を除いた部分６１、および、第２流路Ｆ２のうち共通流路２２を除いた部分６２に、それぞれ、切換機構としての電磁遮断弁７１，７２が設けられている。第１流路Ｆ１の電磁遮断弁７１は、第１切換部として機能し、第２流路Ｆ２の電磁遮断弁７２は、第２切換部として機能する。これら電磁遮断弁７１，７２は、それぞれ、潜水機２に設けた図示しない制御装置と電気的に接続されている。これら電磁遮断弁７１，７２は、該制御装置からの指令電流により各流路Ｆ１，Ｆ２を連通したり遮断したりする。
水中アクチュエータ１Ｂが初期状態にあるときは、電磁遮断弁７１は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断し、電磁遮断弁７２は、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断している。
次に、ロッド１４をロッド後退位置からロッド伸長位置へと駆動させるために、電磁遮断弁７１は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗに連通させ、電磁遮断弁７２は、第２受圧室１８を逃し室３１から遮断したままにする。
その後、ロッド１４をロッド伸長位置からロッド後退位置へと駆動させるために、電磁遮断弁７１は、第２受圧室１８をハウジング１１の外部Ｗから遮断し、電磁遮断弁７２は、第２受圧室１８を逃し室３１に連通させる。
このように、切換機構が電磁遮断弁である水中アクチュエータ１Ｂでも、上述のように切換動作を行うことにより、切換機構がスプールである水中アクチュエータ１Ａと同様、双方向にロッド１４を駆動させることができる。
また、水中アクチュエータ１Ｂにおいて、逃し室３１には、ハウジング１１の外部Ｗとの連通および遮断を切り換える第３切換部として機能する開閉弁が設けられていてもよい。この場合、回収のために水中アクチュエータ１Ｂを水面へと上昇させる前に、水中アクチュエータ１Ａでの切換機構と同様の切換動作により、洋上において、逃し室３１の圧力を低減させた安全な状態で水中アクチュエータ１Ｂを回収することができる。
また、逃し室３１が十分な容積を有している場合、駆動装置に連結したロッド１４を往復駆動させて、ピストン１３がロッド伸長位置からロッド後退位置に移動した後も、更に、ロッド１４を往復駆動させることができる。ここでの「十分な容積」とは、例えば、逃し室３１及び第２流路Ｆ２とで構成される領域に、シリンダ室１２の移動領域２０の２倍の体積の水が内在していても、第２受圧室１８側からピストン１３にかかる力より第１受圧室１７側からピストン１３にかかる力の方が大きい状態を維持するのに十分な容積である。また、上記実施形態において、ハウジング１１内に形成された逃し室３１は１つであったが、複数の逃し室を有しており、一回のロッドの往復駆動ごとに、使用される逃し室が順次切り換わる構成であってもよい。この構成によれば、逃し室の数と同じ回数のロッド往復駆動を確実に実現することができる。
１Ａ，１Ｂ 水中アクチュエータ
２ 潜水機
１１ ハウジング
１２ シリンダ室
１３ ピストン
１４ ロッド
１７ 第１受圧室
１８ 第２受圧室
２０ 移動領域
２１ 予備領域
２２ 共通流路
２５ 絞り機構
２７，２８ 緩衝材
３１ 逃し室
４１ 摺動室
４２ スプール
４３ａ 第１ランド部
４３ｂ 第２ランド部
４３ｃ 第３ランド部
５１ 電動アクチュエータ
５２ 駆動軸
７１，７２ 電磁遮断弁
Ｆ１ 第１流路
Ｆ２ 第２流路

Claims (12)

  1. 水中に浸されるハウジングと、
    前記ハウジングの内部に形成されたシリンダ室と、
    前記シリンダ室に摺動可能に収容され、前記シリンダ室を第１受圧室と第２受圧室に区画するピストンと、
    前記ピストンから前記第１受圧室側に延びて前記ハウジングを貫通するロッドと、
    前記ハウジングの内部に形成され、内部の圧力が前記ハウジングの外部の水圧より低く保たれた逃し室と、
    前記第２受圧室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第１切換部と、前記第２受圧室と前記逃し室との連通および遮断を切り換える第２切換部とを有する切換機構と、を備える、水中アクチュエータ。
  2. 前記ハウジングの内部には、前記ハウジングの外部から前記第２受圧室に水を導くための第１流路と、前記第２受圧室から前記逃し室へと水を逃すための第２流路が形成されており、
    前記第１切換部は、前記第１流路に設けられ、前記第２切換部は、前記第２流路に設けられた、請求項１に記載の水中アクチュエータ。
  3. 前記第１流路および前記第２流路は、前記第２受圧室側で共通している共通流路を含む、請求項２に記載の水中アクチュエータ。
  4. 前記共通流路には、絞り機構が設けられている、請求項２又は３に記載の水中アクチュエータ。
  5. 前記ハウジングの内部には、前記共通流路を介して前記第２受圧室とつながる摺動室が形成されており、
    前記切換機構は、前記摺動室を摺動する単一のスプールである、請求項３又は４に記載の水中アクチュエータ。
  6. 前記スプールは、前記摺動室をその一端から他端に向かって順に、第１位置、第２位置、および第３位置へと移動し、
    前記スプールが第１位置にあるとき、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、
    前記スプールが第１位置から第２位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部に連通させ、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断したままにし、
    前記スプールが第２位置から第３位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室に連通させる、請求項５に記載の水中アクチュエータ。
  7. 前記切換機構は、更に、前記逃し室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第３切換部を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水中アクチュエータ。
  8. 前記切換機構は、更に、前記逃し室と前記ハウジングの外部との連通および遮断を切り換える第３切換部を有し、
    前記スプールは、前記摺動室をその一端から他端に向かって順に、第１位置、第２位置、第３位置および第４位置へと移動し、
    前記スプールが第１位置にあるとき、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断し、
    前記スプールが第１位置から第２位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部に連通させ、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断したままにし、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、
    前記スプールが第２位置から第３位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断し、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室に連通させ、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、
    前記スプールが第３位置から第４位置に移動すると、前記第１切換部は、前記第２受圧室を前記ハウジングの外部から遮断したままにし、前記第２切換部は、前記第２受圧室を前記逃し室から遮断し、前記第３切換部は、前記逃し室を前記ハウジングの外部に連通させる、請求項５又は６に記載の水中アクチュエータ。
  9. 前記第１受圧室には、圧縮性流体が封入されており、
    前記シリンダ室は、前記ピストンがロッド伸長位置とロッド後退位置との間で移動する領域であって、前記第１受圧室の一部および前記第２受圧室を構成する移動領域と、前記ピストンが前記ロッド後退位置から前記ロッド伸長位置に移動したときに前記移動領域の圧縮性流体が流入する領域であって、前記第１受圧室の残りを構成する予備領域とを有し、
    前記ピストンが前記ロッド後退位置から前記ロッド伸長位置に移動したときに、前記予備領域の圧力は、前記ハウジングの外部の水圧より低い、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水中アクチュエータ。
  10. 前記ピストンは、ロッド伸長位置とロッド後退位置との間で移動し、
    前記シリンダ室には、前記ロッド伸長位置にある前記ピストンに当接する緩衝材、および／または、前記ロッド後退位置にある前記ピストンに当接する緩衝材が設けられている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の水中アクチュエータ。
  11. 請求項５又は６に記載の水中アクチュエータと、
    前記スプールを摺動させる駆動装置と、を備える、潜水機。
  12. 請求項６に記載の水中アクチュエータと、
    前記スプールを押圧するための駆動軸を有する電動アクチュエータと、を備え、
    前記スプールと前記駆動軸とが非連結である、潜水機。
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