JP6560012B2 - Window member and submersible - Google Patents
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Description
本発明は、窓部材および潜水機に関するものである。 The present invention relates to a window member and a diving machine.
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。 Investigations in areas where the pressure is significantly different from the ground, such as the deep sea and outer space, are progressing year by year. For example, in deep sea research, the capacity of submersibles has been improved by the advancement of science and technology in various fields, and the depth of the deep sea where diving research can be conducted is also increasing. It is efficient to conduct a survey using a diving machine while a person boarded the diving machine and actually confirms the state of the area outside the diving machine (the deep sea). A window member (view window) is provided in the shell.
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。 Non-Patent Document 1 below shows an example of a viewing window provided in a diving machine. The window member (view window) shown in Non-Patent Document 1 has a thick partial conical shape so that it can withstand high pressure, and is made of methacrylic resin having low hardness so that it can follow the deformation of the shell. Has been.
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。 A conventional window member uses a low-hardness material such as methacrylic resin with a large thickness that can be deformed with pressure. However, when the hardness is low in this way, for example, when the sample collides with a structure on the seabed or when a sample collected by an operation error collides, a slight scratch may occur on the surface of the window member. Since stress tends to concentrate on this flaw, as the depth of submergence increases, that is, as the pressure increases, there is a greater possibility that the destruction of the window member will start from such a flaw. The present invention aims to solve such problems.
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おり、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、サファイアからなる1つ以上の第2部材を有し、前記外側表面および前記1つ以上の第2部材のうち前記外側表面から最も離れた内側表面がともに外側に向けて凸の部分
球形状であり、前記外側表面と前記内側表面とを接続する端部が同一平面上にあり、前記端部で前記殻体に設置されていることを特徴とする窓部材を提供する。
The present application is a window member that is installed in a shell that accommodates a person or a light receiving device therein, and is used to guide light incident from an external region having a pressure different from that of the inside to the person or the light receiving device, One or more sapphire made of sapphire, wherein the outer surface exposed to the external region is made up of the surface of the first member made of sapphire, and is placed on the surface opposite to the outer surface of the first member. A portion of the outer surface and the one or more second members, the inner surfaces being furthest away from the outer surface and projecting outward.
There is provided a window member characterized in that it has a spherical shape, an end portion connecting the outer surface and the inner surface is on the same plane, and is installed on the shell at the end portion .
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上記の窓部材とを備えることを特徴とする潜水機を併せて提供する。 A submersible that submerses underwater in a state in which a person or a light receiving device is accommodated therein, the shell having one or more holes in which the person or the light receiving device is accommodated, and the shell A submarine characterized by comprising the above-described window member disposed in the hole of the body is also provided .
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。 According to the present invention, the window member is hardly damaged even if the pressure difference between the inside and the outside of the shell increases. Moreover, the submersible of this invention can suppress the crack etc. of the window member which generate | occur | produce when diving at a deep depth.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a diving machine 1 that is an embodiment of the diving machine of the present invention. A diving machine 1 shown in FIG. 1 includes a
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(Al2O3)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Al2O3純度(含有量)は99質量%以上であることが好ましい。
The diving machine 1 is a diving machine that dives underwater in a state where a person (not shown) or a light receiving device (not shown) is housed therein, and the person or the light receiving device is housed therein. A shell body 2 (cockpit) provided with a
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。
The diving machine 1 is used for diving deeply in the water and investigating the state of the underwater such as so-called deep sea. The submersible 1 includes a
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。
The
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。
Since the
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。
In the
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。
The
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。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating another embodiment of the window member. 3, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. For example, instead of maneuvering while observing the outside, it is not necessary to bring a face or a light receiving device close to a window member, such as a submersible that mainly monitors an external state mainly by an acoustic device such as sonar, as shown in FIG. In addition, the outer surface of the
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。
The
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。
Moreover, in the
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。
In the above embodiment, although the
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。
The
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。
In the embodiment shown in FIGS. 2, 3 (a), and 3 (b), the
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。
2 to 4, at least one of the second members (
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。
The sapphire member such as the
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。 In the above-described embodiment, the window member used for the submersible that the person enters and controls is described as an example. You may use for a spacecraft etc. Furthermore, it is not restricted to the apparatus used underwater, For example, it may be used for the apparatus used in space, for example, extremely low pressure, such as a spacecraft, an artificial satellite, and a spacecraft. The window member is not particularly limited as long as it is a window member that is installed in a shell that accommodates a person or a light receiving device and is used to guide light incident from an external region having a different pressure from the inside to the person or the light receiving device.
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。 While the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples. It goes without saying that various improvements and modifications may be made to the present invention without departing from the gist of the present invention.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
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おり、
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、サファイアからなる1つ以上の第2部材を有し、
前記外側表面および前記1つ以上の第2部材のうち前記外側表面から最も離れた内側表面がともに外側に向けて凸の部分球形状であり、
前記外側表面と前記内側表面とを接続する端部が同一平面上にあり、前記端部で前記殻体に設置されていることを特徴とする窓部材。 A window member that is installed in a shell that houses a person or a light receiving device, and that is used to guide light incident from an external region having a pressure different from that of the inside to the person or the light receiving device,
At least the outer surface exposed to the outer region is composed of the surface of the first member made of sapphire ,
Having one or more second members made of sapphire, overlaid on a surface opposite to the outer surface of the first member,
Of the outer surface and the one or more second members, the inner surface furthest away from the outer surface is a partially spherical shape that is convex outward.
The window member characterized by the end part which connects the said outer surface and the said inner surface being on the same plane, and being installed in the said shell at the said end part .
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請求項1または2に記載の窓部材とを備えることを特徴とする潜水機。 A diving machine that submerses underwater with a person or a light receiving device contained therein,
A shell provided with one or more holes in which the person or the light receiving device is accommodated;
A diving machine comprising: the window member according to claim 1 or 2 disposed in the hole of the shell.
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