JP5403663B2

JP5403663B2 - 定水深浮遊体

Info

Publication number: JP5403663B2
Application number: JP2009073102A
Authority: JP
Inventors: 弘之宮本; 博樹入江; 祐志上久保
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010221922A

Description

本発明は、定水深制御機構を備えた定水深浮遊体に関し、特に省電力で水深制御可能な定水深制御機構を備えた定水深浮遊体に関する。

従来、潮流や水質等を調べるための浮遊体が種々提案されている。例えば、下記特許文献１には、海洋環境状態を測定する水面に繋留されたブイが開示されている。

特開２００７−２５３８８８号公報

ところで、近年、沿岸海域や湾内において赤潮が発生し、漁業や養殖業に深刻な被害を与えており、赤潮の発生や被害を抑制するために、赤潮の発生要因や発生した赤潮の広がり方の研究が行われている。このような研究においては、潮流等のデータが必要とされている。

ここで、潮流等のデータを取得するために上記特許文献１に記載されているブイを用いる場合、当該ブイを繋留するための繋留フロートを設置する必要があり、また、当該ブイは水面に繋留されるため、広範囲の潮流等のデータを取得することができない。そこで、潮流によって移動する浮遊体を用いてデータを取得することができれば、上記の問題は解決することができると考えられる。

しかしながら、海面を浮遊すると風や波の影響を受けてしまい、潮流等のデータを高精度に取得できないおそれがあるため、浮遊体を海中の所定水深に潜水させる機構が必要となる。また潮流は、潮の干満・月の満ち欠け・地球の公転等の影響を受けるため、長期間にわたってデータを取得する必要があり、そのためには、省電力で浮遊体の水深制御を行う機構が必要となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、省電力で水深制御可能な定水深制御機構を備えた定水深浮遊体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、下方開口のハウジングと、該ハウジングの中空部に収納され、当該中空部の中空容積を変化させることにより、浮力を制御する定水深制御機構と、前記中空部に収納されたコントロールユニットと、を備えた定水深浮遊体であって、前記定水深制御機構は、前記ハウジングに固定されたモータと、該モータの回転軸の端部に固設した雄ネジと、該雄ネジと螺合する雌ネジと、中央部に前記雌ネジを固設した固定部と、該固定部に固設されたピストンと、前記ハウジングに両端部が固定された状態で前記雄ネジに平行に配設されるとともに前記固定部と溝噛合することで前記雌ネジの回転運動を制限するガイド棒と、前記ピストンを昇降可能に収納するシリンダと、を有し、前記モータによる前記シリンダ内の前記ピストンの昇降運動により、当該シリンダの底部に設けた給排水孔を介して前記シリンダ内への注水量を調整し、前記定水深浮遊体の浮力制御を行うべく構成され、前記コントロールユニットは、外部と通信可能な通信部と、当該通信部及び前記定水深制御機構を制御する制御部を有し、前記制御部は、所定のタイミングで、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出するように、前記定水深制御機構を制御し、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出している状態において、前記通信部を動作させることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、モータの回転運動を効率的にピストンの昇降運動に変換することができるので、省電力で水深制御を行うことが可能となる。また、定水深浮遊体の一部が水面から露出するような水深制御が可能となるので、当該定水深浮遊体の一部が水面から露出した状態で外部と通信を行うことができる。

また、請求項２に係る発明は、定水深浮遊体であって、前記コントロールユニットは、発光部を有し、前記制御部は、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出している状態において、前記発光部を発光させることを特徴とする。

本発明によれば、省電力で水深制御可能な定水深制御機構を備えた定水深浮遊体を提供することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体が海中を浮遊している様子を示す説明図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体の一部が海面から露出し、定水深浮遊体が外部と通信を行っている様子を示す説明図である。（ａ）は、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体の全体斜視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体の定水深制御機構の斜視図である。（ａ）は、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体の定水深制御機構の上部拡大斜視図であり、（ｂ）は、同図（ａ）のＡＡ矢視断面図である。本発明の実施形態に係る定水深浮遊体の側面図である。本発明の実施形態に係る定水深浮遊体のコントロールユニット等のブロック図である。水深制御処理及び通信制御処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る定水深浮遊体について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

［１．定水深浮遊体の概要］
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る定水深浮遊体１００は、海中に潜水し、潮流によって海中を浮遊する。定水深浮遊体１００の水深は、定水深浮遊体１００の中空部に収納される定水深制御機構４０により所定水深となるように制御されている。また、定水深制御機構４０は、省電力で水深制御を行うことができる。

また、図１（ｂ）に示すように、所定タイミングになると、定水深浮遊体１００の上部が海面に露出し、ＧＰＳから位置情報を取得し、当該位置情報と定水深浮遊体１００が取得した水質情報を観測システムに送信する。また、発光部６７が発光することにより、周囲に定水深浮遊体１００の存在を知らせることができる。また、観測システムは、受信した情報に基いて潮流等のデータを分析する。

このように定水深浮遊体１００は、風や波の影響を受けることなく、潮流によって海中を浮遊し、所定タイミングごとに位置情報や水質情報を研究データとして観測システムに送信することができる。また、定水深制御機構４０は、省電力で水深制御を行うことができる。

［２．定水深浮遊体１００の構成］
次に、本実施形態の定水深浮遊体１００の構成について、図２〜図５を参照にしつつ具体的に説明する。図２（ａ）は定水深浮遊体１００の全体斜視図であり、同図（ｂ）は定水深浮遊体１００の定水深制御機構４０の斜視図であり、図３（ａ）は、定水深制御機構４０の上部拡大図であり、同図（ｂ）はＡＡ矢視断面図であり、図４は定水深浮遊体１００の側面図であり、図５はコントロールユニット等のブロック図である。

定水深浮遊体１００は、ハウジング３０と定水深制御機構４０とコントロールユニット６０とから構成されている。

ハウジング３０は、円筒状に形成され、蓋部１１と第１円筒部１２と第２円筒部１６と第３円筒部１９とから構成されている。また、ハウジング３０の高さは５０〜８０ｃｍであり、円筒の直径は約１５ｃｍである。なお、本実施形態において、ハウジング３０の大きさは特に限定されない。

蓋部１１及び第１円筒部１２はアクリル製であり、蓋部１１と第１円筒部１２の上端外周に形成されたフランジ部１３とがボルト等により密着している。これにより、蓋部１１と第１円筒部１２との接合部からハウジング３０内部に海水が浸水することを防いでいる。なお、蓋部１１と第１円筒部１２のフランジ部１３とを接着剤により密着してもよい。

第１円筒部１２の所定箇所には取圧孔１５が形成され、第１円筒部１２の内周面のうち取圧孔１５に対応する位置には、圧力センサ７１が配置されている（図４参照）。なお、取圧孔１５の大きさは適宜設定することができる。圧力センサ７１によって取得された圧力値は、後述のコントロールユニット６０によって定水深浮遊体１００の現在の水深を求める際に用いられる。

第１円筒部１２によって形成されたハウジング３０の内部空間（中空部）には、コントロールユニット６０が収納されている。コントロールユニット６０は、図５に示すように、制御部６１と通信部６５とタイマ６６と発光部６７と電源部６８から構成されている。

制御部６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６２と作業用ＲＡＭ（Random Access Memory）６３と各種プログラムを記録するＲＯＭ６４等から構成され、制御部６１は、ＣＰＵ６２がＲＯＭ６４に記憶された各種プログラムを読み出して実行することにより、定水深浮遊体１００全体を統括制御する。
ＲＡＭ６３には、定水深浮遊体１００を制御するために必要な情報が記憶される。

通信部６５はＧＰＳや観測システムと通信を行うためのものであり、通信部６５として公知の種々のデバイスを用いることができる。
タイマ６６は、定水深浮遊体１００が外部と通信するタイミングを決定する際に用いられる。
発光部６７は、例えばＬＥＤで構成され、定水深浮遊体１００の上部が海面に露出しているときに発光し、周囲に定水深浮遊体１００の存在を知らせるために用いられる。
電源部６８は、定水深浮遊体１００の動作に必要な電源を供給するためのものであり、電源部６８として公知の種々の電池を用いることができる。

また、コントロールユニット６０には、後述するモータ４２と圧力センサ７１と水質センサ７２とが接続されている。
制御部６１は、モータ４２の回転方向及び回転量を制御することにより、後述するように定水深浮遊体１００の浮力を制御することができる。
圧力センサ７１が取得した圧力値は、ＲＡＭ６３の所定領域に所定タイミングごとに書き込まれる。
水質センサ７２が取得した水質値（例えば、塩分値や酸素濃度）は、水質情報としてＲＡＭ６３の所定領域に所定タイミングごとに書き込まれる。なお、水質センサ７２は、定水深浮遊体１００の所定の位置に設置することができる。

説明を図２に戻す。
第２円筒部１６はアクリル製であり、第１円筒部１２の下端外周に形成されたフランジ部１４と第２円筒部１６の上端外周に形成されたフランジ部１７とがボルト等により密着している。これにより、第１円筒部１２と第２円筒部１６の接合部からハウジング３０内部に海水が浸水することを防いでいる。なお、第１円筒部１２のフランジ部１４と第２円筒部１６のフランジ部１７とを接着剤により密着してもよい。

第２円筒部１６によって形成されたハウジング３０の内部空間（中空部）には、回転軸４３を有するモータ４２と、回転軸４３の端部に固設した雄ネジ４４と、雄ネジ４４と螺合する雌ネジ４５と、中央部に雌ネジ４５を固設した固定部５０と、固定部５０に固設されたピストン４６の一部が収納されている。また、モータ４２の上部は、固定部４１を介して第２円筒部１６の上端内周部に固定されている。

第３円筒部１９はアクリル製であり、第２円筒部１６の下端外周に形成されたフランジ部１８と第３円筒部１９の上端外周に形成されたフランジ部２０とがボルト等により密着している。これにより、第２円筒部１６と第３円筒部１９の接合部からハウジング３０内部に海水が浸水することを防いでいる。なお、第２円筒部１６のフランジ部１８と第３円筒部１９のフランジ部２０とを接着剤により密着してもよい。

また、第３円筒部１９の所定箇所の外周にはバラスト２１が固設され、バラスト２１によって定水深浮遊体１００が常に縦長方向に直立するように重心が調整されている。なお、バラスト２１の位置や形状は適宜変更可能である。

第３円筒部１９によって形成されたハウジング３０の内部空間（中空部）には、ピストン４６が昇降可能なシリンダ４７が収納されている。また、シリンダ４７の上部外周に形成されたフランジ部４８と第３円筒部１９の上端内縁とが密着されている。これにより、シリンダ４７と第３円筒部１９との接合部から海水が浸水することを防いでいる。また、第３円筒部１９の下端には開口部２２が設けられ、開口部２２から中空部に海水が流入する。また、シリンダ４７の下端部には、第３円筒部１９の開口部２２と連通した給排水孔４９が設けられており、給排水孔４９を介してシリンダ内に海水が給水され、また、シリンダ内の海水が排水される。

また、ピストン４６の下端部にはシール部５４が配設され、シール部５４の外周部とピストン４６の内周面とが密着している。これにより、ピストン４６とシリンダ４７との間に隙間を生じさせないので、ハウジング３０内部に海水が浸水することを防いでいる。

また、ガイド棒５２が雄ネジ４４に平行して配設され、その両端部はそれぞれ固定部４１とフランジ部４８によって固定されている。また、固定部５０の切欠部５１とガイド棒５２とが溝噛合するので、固定部５０に固設された雌ネジ４５の回転運動が制限され、雄ネジ４４と雌ネジ４５の共回転を防ぎ、雄ネジ４４の回転運動が雌ネジ４５の昇降運動に変換される。なお、固定部５０の形状は適宜変更可能である。

また、図４に示すように、ピストン４６の位置に応じて、シリンダ４７内の海水の注水量が変化する。図４（ａ）のようにピストン４６が下がった状態では、シリンダ４７内の注水量が少なくなることで定水深浮遊体１００の中空部の中空容積が大きくなり、その結果、定水深浮遊体１００の浮力が大きくなって定水深浮遊体１００は浮上する。

一方、図４（ｂ）のようにピストン４６が上がった状態では、シリンダ４７内の海水の注水量が多くなることで定水深浮遊体１００の中空部の中空容積が小さくなり、その結果、定水深浮遊体１００の浮力が小さくなって定水深浮遊体１００は潜水する。

定水深浮遊体１００が以上のように構成されることにより、定水深浮遊体１００の水深は、シリンダ４７内への海水の注水量に基く浮力によって制御され、また、当該注水量はピストン４６のシリンダ４７内における位置によって制御される。ここで、定水深浮遊体１００を長時間駆動させるためには、省電力でピストン４６の位置制御を行う必要がある。

［３．定水深制御機構４０の動作の説明］
次に、定水深制御機構４０の動作について具体的に説明する。
モータ４２は、例えばＤＣモータで構成され、制御部６１からの制御信号に基いて、モータ４２の回転方向及び回転量が制御される。

回転軸４３の端部には雄ネジ４４が固設され、回転軸４３の回転とともに回転する。以下では、雄ネジ４４として右ネジ（右回転すると、ネジの溝が下向きに進む方向（ネジ締めの方向）に力が働くネジ）を用いた場合について説明する。

上述したとおり、ピストン４６の上部には固定部５０が固設されており、固定部５０の中央部には雌ネジ４５が固設されており、雌ネジ４５は雄ネジ４４と螺合している。また、上述したとおりモータ４２がハウジング３０に固定されているので、モータ４２が右回転して雄ネジ４４の溝が下向きに進もうとすると、雌ネジ４５が相対的に上に移動する。また、雌ネジ４５には、上述したとおりピストン４６が固設されているので、雌ネジ４５の移動とともにピストン４６についても上に移動する。

そして、ピストン４６が上に移動することで、シリンダ４７内の注水量が多くなることで定水深浮遊体１００の中空部の中空容積が小さくなり、その結果、定水深浮遊体１００の浮力が小さくなって定水深浮遊体１００は潜水する。

一方、モータ４２が左回転して雄ネジ４４の溝が上向きに進もうとすると、雌ネジ４５が相対的に下に移動する。また、雌ネジ４５には、上述したとおりピストン４６が固設されているので、雌ネジ４５の移動とともにピストン４６についても下に移動する。

そして、ピストン４６が下に移動することで、シリンダ４７内の注水量が少なくなることで定水深浮遊体１００の中空部の中空容積が大きくなり、その結果、定水深浮遊体１００の浮力が大きくなって定水深浮遊体１００は浮上する。

定水深制御機構４０が以上のように構成されることにより、モータ４２の回転方向及び回転量に基いて、定水深浮遊体１００の水深を制御することができる。なお、ピストン４６の移動によりハウジング３０内の圧力は変動するが、ハウジング３０の強度は、この圧力変動に耐久するように構成されている。

また、以上のように構成することで、モータ４２の回転運動を雄ネジ４４及び雌ネジ４５を介してピストン４６の昇降運動に変換することにより、エネルギーの変換ロスを小さくすることができ、その結果、省電力でピストン４６の位置制御を行うことができる。これにより、定水深浮遊体１００を長時間駆動させることができる。また、省電力でピストン４６の位置制御を行うことにより電源部６８を小さくすることができるので、定水深浮遊体１００全体の重量を軽くすることができ、その結果、定水深浮遊体１００の水深制御が容易になる。

［４．定水深浮遊体１００の制御］
定水深浮遊体１００の制御について具体的に説明する。制御部６１は、定水深浮遊体１００の水深を制御する水深制御処理と、定水深浮遊体１００が外部と通信を行う通信制御処理を実行する。また、水深制御処理と通信制御処理とは並行して実行される。

まず、水深制御処理について図６のフローチャートを参照して説明する。

水深制御処理は、定水深浮遊体１００が駆動している間、所定周期で繰り返し実行されている。

ステップＳ１０１において、制御部６１は、水深の目標値をＲＡＭ６３から取得する。なお、水深の目標値は定水深浮遊体１００の駆動開始時に予め定められているものとする。また、後述する通信制御処理によって変更される。

ステップＳ１０２において、制御部６１は、水深の現在値をＲＡＭ６３から取得する。ＲＡＭ６３に記憶されている水深の現在値は、圧力センサ７１によって取得された圧力値より変換されたものである。

ステップＳ１０３において、制御部６１は、モータ４２の制御量を算出する。ここで、目標値と現在値との差分値がゼロであれば、モータ４２の制御量は「０」となる。また、目標値の方が大きい場合は、定水深浮遊体１００を潜水させるために、モータ４２の回転方向を「右」とする。また、回転量は、前記差分値の絶対値によって定められる。
一方、現在値の方が大きい場合は、定水深浮遊体１００を浮上させるために、モータ４２の回転方向を「左」とする。また、回転量は、前記差分値の絶対値によって定められる。

ステップＳ１０４において、制御部６１は、算出した制御量に対応する制御信号をモータ４２に出力することによりモータ４２を制御する。

以上説明した水深制御処理によって、制御部６１は定水深浮遊体１００の水深制御を行うことができる。

次に、通信制御処理について説明する。通信制御処理は、タイマ６６が計時した時刻が予め定められた時刻になると、制御部６１によって実行される。また、当該定められた時刻は、ＲＡＭ６３に記憶されているものとする。

ステップＳ２０１において、制御部６１は、水深の目標値をＲＡＭ６３に設定する。水深の目標値は、定水深浮遊体１００の上部が海面に露出する水深値である。また、ＲＡＭ６３に設定されていた過去の目標値は、ＲＡＭ６３の所定領域に退避させる。

ステップＳ２０２において、制御部６１は、水深の現在値をＲＡＭ６３から取得する。ＲＡＭ６３に記憶されている水深の現在値は、圧力センサ７１によって取得された圧力値より変換されたものである。

ステップＳ２０３において、制御部６１は、水深の現在値と目標値とが一致しているか否か、すなわち、定水深浮遊体１００の上部が海面に露出したか否かを判断する。この処理において、両者が一致していないと判断した場合は（Ｓ２０３：ＮＯ）、制御部６１は、処理をＳ２０２に戻す。これにより、定水深浮遊体１００の上部が海面に露出するまでの間、Ｓ２０２とＳ２０３の処理が繰り返されることになる。また、Ｓ２０２とＳ２０３の処理が繰り返されている間、上述した水深制御処理によって定水深浮遊体１００は浮上し続ける。

ステップＳ２０４において、制御部６１は、発光部６７を制御して定水深浮遊体１００の発光制御を行う。具体的には、制御部６１は、発光部６７に対し発光を指示する制御信号を出力する。これにより、周囲に定水深浮遊体１００の存在を知らせることができる。

ステップＳ２０５において、制御部６１は、通信部６５を制御して定水深浮遊体１００の通信制御を行う。具体的には、制御部６１は、通信部６５を介してＧＰＳからの信号を取得し現在位置を位置情報として取得する。そして、この位置情報とＲＡＭ６３に記憶されている水質情報とを、通信部６５を介して観測システムに送信する。

ステップＳ２０６において、制御部６１は、Ｓ２０１で退避させた過去の水深の目標値を新たな水深の目標値としてＲＡＭ６３に設定する。これにより、定水深浮遊体１００は、水深制御処理によって、元の水深まで潜水することになる。

以上説明した通信制御処理によって、定水深浮遊体１００は、所定タイミングごとに海面まで浮上し、位置情報と水質情報を観測システムに送信することできる。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、シリンダ４７内部の海水量を制御することで定水深浮遊体１００の中空部の中空容積、すなわち定水深浮遊体１００の浮力を制御することができ、この結果、定水深浮遊体１００の水深を制御することができる。また、モータ４２の回転運動を雄ネジ４４及び雌ネジ４５を介してピストン４６の昇降運動に変換することにより、エネルギーの変換ロスを小さくすることができ、その結果、省電力でピストン４６の位置制御を行うことができる。これにより、定水深浮遊体１００を長時間駆動させることができる。また、定水深浮遊体１００は、公知のデバイスや部材を用いることができるので、低コストで作成することができる。
また、風や波の影響を受けずに高精度のデータを取得し、観測システムに送信することができるので、赤潮の発生や被害を抑制するための様々な研究に貢献することができる。

本発明に係る実施の一形態について具体的に説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。特に、定水深浮遊体１００の形状は適宜変更可能である。

１００…定水深浮遊体
４０ …定水深制御機構
４２ …モータ
４６ …ピストン
４７ …シリンダ
６１ …制御部
６５ …通信部

Claims

下方開口のハウジングと、該ハウジングの中空部に収納され、当該中空部の中空容積を変化させることにより、浮力を制御する定水深制御機構と、前記中空部に収納されたコントロールユニットと、を備えた定水深浮遊体であって、
前記定水深制御機構は、前記ハウジングに固定されたモータと、該モータの回転軸の端部に固設した雄ネジと、該雄ネジと螺合する雌ネジと、中央部に前記雌ネジを固設した固定部と、該固定部に固設されたピストンと、前記ハウジングに両端部が固定された状態で前記雄ネジに平行に配設されるとともに前記固定部と溝噛合することで前記雌ネジの回転運動を制限するガイド棒と、前記ピストンを昇降可能に収納するシリンダと、を有し、前記モータによる前記シリンダ内の前記ピストンの昇降運動により、当該シリンダの底部に設けた給排水孔を介して前記シリンダ内への注水量を調整し、前記定水深浮遊体の浮力制御を行うべく構成され、
前記コントロールユニットは、外部と通信可能な通信部と、当該通信部及び前記定水深制御機構を制御する制御部を有し、
前記制御部は、所定のタイミングで、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出するように、前記定水深制御機構を制御し、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出している状態において、前記通信部を動作させる、
ことを特徴とする定水深浮遊体。
前記コントロールユニットは、発光部を有し、
前記制御部は、前記定水深浮遊体の一部が水面から露出している状態において、前記発光部を発光させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の定水深浮遊体。