JPS5951474B2 - 魚ひれ型水中推進装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転運動を往復運動に変えるスコッチョーク機
構により駆動レバーを左右動させ、この駆動レバーの遊
端に固定した尾部を弾性皮膜により水密的に推進器本体
に連結し、前記尾部にヒンジされたひれ部と一体の舵取
レバーを尾部の溝孔内に突出させ、この舵取レバーの遊
端を尾部の中心線上に設けた支点とスプリングにより連
結した推進機構とを具備したものより成り、尾部の左右
動に対してひれ部は追随し乍らスプリングの弾性により
進行方向に適当な迎え角をもって常に進行方向の推力を
発生させるようにした魚ひれ型水中推進装置に係る。

魚類や海洋補乳類が、等連作線運動を行う際の速度は、
その発生する推進力と遊泳時に受けるであろう流動抵抗
とのつりあいによって定まるが、カジキやイルカ等にこ
れをあてはめた場合、その体重から予想しうる推進力に
較べてかなり早い速度で遊泳することが以前より指摘さ
れており、イルカは２０〜３０ノツｌ−／時、カジキマ
グロは４０．７７１〜７時で航行するとされており、こ
れを説明しようとする研究もすでにいくつかなされてい
るが、現在のところ明瞭な説明は未だ得られていない。

本発明者は数種の淡水魚の流動抵抗の測定、泳動運動の
観察および自動機械魚による実験等、数項目にわたる研
究を行った結果、従来の回転軸に取付けたスクリューに
よる推進方式より魚ひれ型の尾部を左右動させて推進す
る水中推進器を提案するものである。

本発明者は以十、の如き着想の下に整流水槽内で鯉を自
由に遊泳させ乍ら、この泳動運動をステレオ的高速映画
撮影を行って鯉の泳動運動の一周期フイルムの４コマ毎
に得られた鯉の泳動運動曲線を求めた。

この鯉の泳動運動曲線を分析し、鯉の泳動運動における
尾部とひれ部との運動曲線と同じような運動曲線を描く
自動機械魚を試作し、これを池中に浮べ電波操縦装置等
により自動操縦することに成功した。

かかる自動機械魚を製作する他の一つの目的は、自己推
進運動を行う物体（魚類）の抗力と推力を分離して測定
することが、既知の推力（モータ出力）を有する機械魚
によってはじめて可能となるからに他ならない。

魚類が推力を発生させる方法を大別すると、体全体の変
形運動に主として依存するうなぎ型と、尾ひれの揺動運
動による揚力発生に主として依存するあじ型にわけるこ
とができるが、マグロやカジキ、或はイルカ、クジラ等
の高速遊泳動物の泳法は「あじ型」に分類される。

従って本発明者の試作した機械魚の水中推進装置もあじ
型すなわちひれ部を左右動させる方式を採用することに
し、体形は比較的軸対称型に近いマグロの体型にならっ
て、装置を試作しこれを水中に浮べ自動操縦してその運
動機構と推進力との関係を調査した。

第１図、第２図は本発明者の試作した機械魚形の水中推
進装置の横断面および縦断面図を示し、第３図Ａおよび
Ｂは推進機構の詳細を示す説明図である。

第１図において、１は流線形をもった魚の胴体部と同様
の曲線をもった装置本体を示す。

本発明においては、この装置の胴体１の先端にアンテナ
２を設け、胴体１を適当な隔壁３． ４． ５により仕
切り、アンテナ２に接続された受信部６と、受信機によ
り開閉制御されるバッテリー７と、バッテリーに接続さ
れた電動機８と、この電動機により駆動される変速機９
とを設ける。

本発明においてはこの変速機９の回転軸に連結せられる
回転円板１０Ａとこの円板のピンＩＯＢに掛合して直線
運動をする受動部１０Ｃとより成るスコッチョーク機構
１０を設け、この受動部１０Ｃにレバー１１の一端を連
結し、レバー１１の中間を枢軸１２により支持し、レバ
ー１１の他端に尾部１３を連結し、尾部１３の端末に枢
軸１４により尾ひれ部１５を連結し、尾ひれ部１５の基
部より内方にアーム１６を延長し、尾部１３の内部に形
成した溝孔部１７に突出させ、アームの遊端１６Ａを尾
部の中心線上の支点１３Ａにつるまきばね１８を介して
連結したものより成る。

１９は尾部１３と胴体１とを連結する弾性皮膜である。

１５Ａは水平尾ひれである。

そして上述の推進機構による尾部１３の左右動に対応し
て尾ひれ部１５が揺動する時、その尾ひれ部１５が相対
水流Ｖｒに対して失速しない範囲に前記スプリング１８
の張設荷重を正の値に設定する。

本発明の推進機構の原理を第３Ａ図および第３Ｂ図につ
いて説明する。

スコッチョーク機構１０の回転円板部１０Ａが回転され
ると、円板上に植立したピンＩＯＢと噛合う受動部１０
Ｃが左右方向に駆動される。

この左右動はレバー１１を介して尾部１３に伝動され、
尾部１３の端末に枢着した尾ひれ部１５が左右方向に駆
動される。

胴体１は水中に潜航可能なように気密とし、その浮力と
重力とが釣り合う状態におくと、尾部１３が矢印Ａの如
く時計方向に旋回すると、尾ひれ１５は水の抵抗により
傾動しようとする。

然し、尾ひれ］５の基部より尾部１３の溝孔部１７の方
向に突出したアーム１６の端末はコイルバネ１８により
尾部１３の中心線上に位置する支点１３Ａに拘束されて
いるので、尾ひれ１５は適当な角度傾斜した状態で水を
推すことになる。

この場合、尾ひれ１５は水流に対し背面に急な水の流れ
を生ずるために、その背面に負圧が生じこれが揚力とな
る。

これに対し尾ひれの腹面には水の主流方向の力と尾ひれ
の運動の分力を合成した相対流が生じ、これが尾ひれ１
５の腹面に正の圧力が生ずる。

一般に揚力となる負の圧力の絶対値が腹面の正の圧力の
絶対値より大きくなるが、両者相まって大きな揚力とな
り、胴体に当る水の流体抵抗に打勝つ推進力が生じる。

本発明の自動機械魚では水中に浮遊する胴体にかかる浮
力と重力とが釣り合うことを前提としているので、胴体
に当る水の流体抵抗に打勝つだけの推進力がありさえす
れば前進が可能である。

本発明の自動機械魚によると浮力を重力と釣り合わせる
ために、胴体部１の重力は浮力により開放され、水中に
浮遊している状態となる。

従って飛行船と同様の原理で、水中に浮遊し、浮沈上下
かできるので僅少な推進力で少くとも２０ノット以上の
高速走航が可能となるのである。

本発明においては以上のように、モータの回転運動はス
コッチョーク機構によって尾部の左右揺動運動に変換さ
れる。

尾ひれはヒンジおよびっるまきばねによって尾部に接合
されているが、尾部の揺動運動に追随しながら周囲流体
の抵抗とつるまきばねの弾性力によって尾部との接合角
度か上動的に調整される機構となっている。

つるまきばねのばね定数を選択することにより、揺動運
動中の刻々において、尾ひれと周囲水流との相対角度（
迎え角）を最適に保ち、常に機械魚の進行方向に揚力を
発生させることが可能となる。

迎え角を適当な値に保つということは、第３Ｂ図に示す
相対水流の速度ベクトルＶｒと尾ひれ（剛体具）１５の
なす角（すなわち翼理論でいう迎え角）αが常に適当な
正の値を保ち、その結果Ｖｒに直角に発生する流体力学
的揚力Ｆｌが常に離行方向に傾くことを条件としたもの
であり、通常スプリング１８に初期張力が与えられれば
（コイルの最短取付状態において正の張力があれば）こ
の条件は満足される。

ただし初期張力および弾性係数が過小であれば、αは零
に近づき揚力Ｆ１は小さくなる（この場合Ｆ１はαに比
例する）。

また逆にスプリング１８の張力が過大であればαも過大
となり翼は失速し、揚力Ｆ１はまた著しく小さくなる。

本発明では、上述の推進機構による尾部１３の左右動に
対応して尾ひれ部１５が揺動する時、その尾ひれ部１５
が相対水流Ｖｒに対して失速しない範囲に前記スプリン
グ１８の張力荷重を正の値に設定したため、常に適当な
迎え角が得られるのである。

第３Ａ図は、機械魚の尾ひれ１５が進向方向の左側へほ
ぼいっばい振られた瞬間の胴体部１、尾部１３、尾ひれ
１５およびつるまきばね１８の状況によって本機構の作
動原理を示したものである。

また第３Ｂ図は、同左向揺動か゛中間位置を通過する瞬
間の周囲流体の相対流れを示し、推力の発生機構を理論
的に説明したものである。

すなわち第３Ｂ図において、Ｖｗは機械魚の進行速度に
等しい水流の絶対速度であり、Ｖｆは尾ひれの左向き瞬
間速度を示す。

そうするとＶｗとＶｆのベクトル和によって水流は図示
するように、尾ひれに対して相対速度Ｖｒをもつことに
なる。

このときもしつるまきばね１８が無いと仮定すれば、尾
ひれは水流に対して何ら抵抗せず図中記号αで示す迎え
角は零になってしまうが、本図によればつるまきばね１
８の弾性力によって迎え角αは一定の値に保たれること
になる。

したがって図示するように尾ひれを通過する水流は、あ
たかも航空機の翼を通過する気流のように、尾ひれによ
ってその向きを後方へ曲げられるために、その反作用と
して尾ひれに大きな揚力Ｆｌを作用することになる。

当然、図示するように、揚力Ｆ１の軸方向成分子が推進
力として機械魚の進向方向へ作用するものである。

理論計算によれば、この推進力Ｔは常に正となり、尾ひ
れの左右揺動運動の１周期中に２回のピークを有する正
弦波状の変化曲線を描くことがわかる。

第４Ａ図は試作した体長３９ｃｍの機械魚の遊泳運動の
一例を１周期分について高速度カメラフィルムより再現
したものである。

図中一点鎖線はこの場合の機械魚の遊泳速度Ｕが尾ひれ
の揺動周波数ｆと体長ｌの積の０．６３倍に達したこと
を示している。

無次元数ｕ ／ ｆ・１について発明者はこれを泳動数
（Ｓｗｉｍｍｉｎｇ Ｎｕｍｂｅｒ）と名づけ、記号Ｓ
ｗを宛てることを提唱している。

すなわち泳動数とは魚が尾ひれの−かきによって体長の
何倍進むかを示すもので、魚の遊泳能力を表わす無次元
数である。

第４Ａ図における泳動数０．６３は、本機械魚がよく泳
ぐ魚の代表であるマス（Ｓｗ中０．６２）やウグイ （
Ｓｗ中０．６３）等と同程度の遊泳能力を有することを
意味している。

ただし鯉（Ｓｗキ０．７０）やイルカ（Ｓｗ中０．８２
）にはなお及は゛ない。

本発明者は機械魚に使用するつるまきばねの最適弾性を
求めるために弾性係数の異なる数個のばねによって実験
を行っているが、第４Ｂ図はその一例でつるまきばね弾
性係数ｋ ＝ ２２．４ｇ ／ｃｍのものについて、横
軸に尾ひれの揺動周波数ｆ、縦軸に対体長比速度ｕ ／
ｌをもって示したものである。

同図によれば泳動数Ｓｗは約０．６７にまで達している
ことがわかる。

第４Ｃ図は横軸につるまきばね弾性係数ｋ、縦軸に機械
魚の泳動効率ηすなわち推進力×速度を内蔵モータの所
用動力で除した値を示しているが、本図は、本小型機械
魚の効率的な最適ばね定数は約１５ｇ ７ｍｍであるこ
とを表わしている。

本発明者の試作した長さ２．５９ｍの大型機械魚ひれ型
水中推進装置によると、時速１０ノツトが出せることが
判明し、直流電動機のモータ効率を上げること、減速機
の減速比を大きくすること、この推進器を取付けるボー
１〜の船形および船底の流体抵抗を減せば、数倍のスピ
ードアップも可能であることが確められた。

従来、ひれ型の推進装置については、魚の尾ひれ等の観
察結果より、如何にして魚と同程度の可撓性を有する尾
ひれが製作できるかと云う点、すなわち可撓性材料（ゴ
ム等）の選択に議論が集中されてきており、実際そのよ
うな可撓性尾ひれを有する機械前の製作も−、二行われ
てきている。

本発明の推進装置の特徴は、尾ひれの運動に対してつる
まきばねの弾性を利用した新しい推進機構を採用するこ
とによって尾ひれ材料に対する制限を解除し、在来の金
属材料等の可撓性をもたない材料によって胴体、尾部尾
ひれが製作できるようにしたところに新規特徴があり、
本機構によって始めてひれ型推進装置の実用化が現実的
になったものである。

第５図は本発明のひれ型水中推進装置を船外機式水中推
進装置として使用する場合の実施の他の一例を示すもの
で、１は船体、２０は船用エンジン、２１は減速機、２
２は伝動装置、２３は円筒支柱、２４は水中推進装置胴
体である。

本実施例においては、伝動装置２２の末端にスコッチョ
ーク機構２５を連結して、回転運動を左右の直線運動に
変換し、スコッチョーク機構２５の遊端に連結したレバ
ー２６の他端に尾部２７を連結し、尾部２７の遊端に尾
ひれ部２８を枢軸２９によりひれ部２８が左右動可能な
ように枢支し、ひれ部２８より突設したアーム３０を尾
部の空洞の方に突出させ、その遊端をつるまきばね３１
により尾部の中心線上に位置させた前記レバーの端末に
固定したものである。

本実施例の動作原理は第１図について説明したのと全く
同じである。

エンジン２０の回転運動は減速機２１で減速され、伝動
装置２２によりスコッチョーク機構２５に伝動され、こ
のスコッチョーク機構２５により回転運動が直線運動に
変換され、この直線運動がレバー２６を介して尾部に伝
えられ、尾部の左右運動に変換される。

尾部の末端に設けられた尾ひれ２８は枢軸２９により左
右動することができるように枢支してあり、かつつるま
きばね３１により尾部に接合されているので、尾部の揺
動運動に追随し乍ら、周囲流体の抵抗とつるまきばねの
弾性力により尾部との接合角度が自動的に調整される。

つるまきばねの定数を適当に選択することにより揺動運
動中の刻々において尾ひれと周囲水流との相対角度（迎
え角）を最適に保ち、常に水中推進装置の進行方向に揚
力を発生させることが可能となるのである。

以上は船の装備エンジンと減速機とを船」二にとりつけ
、操舵は装置全体を船体に対して回転させて行う。

３２はフレキシブル部、３３は必要に応じて取付けるセ
ンターボードである。

第６図に示すものは本発明の水中推進装置を船に取付け
た状態を示し、船の装備エンジン、減速機、スコッチョ
ーク機構、主レバーの一部を船上に取付け、フレキシブ
ル部をスリップリングにかえて、推進装置全体を左右動
できるようにしたものである。

第６図中、第５図と同じ符号は同一部分を示すものとす
る。

スコッチョーク機構２５の回転部は減速機２１を介して
エンジン２０に連結し、スコッチョーク機構の他方の直
線運動部はレバー２６に連結し、レバー２６の垂直軸部
２６Ａを回転可能に軸受けし、この垂直軸部２６Ａに尾
部２７を固着し、尾部２７と本体との間はスリップリン
グ３３および円筒支柱２３とにより連結し、レバー２６
の左右動に応じて尾部２７が左右動し、尾ひれ部２８が
これに従動するようにしたものである。

、動作原理は第５図の実施例において述べたと同様であ
る。

第７図はスコッチョークを取外して手摺船への取付は状
態を示した本発明の実施の他の一例を示すものである。

４１は主レバー、４２は主レバーの中間を枢支する回転
軸、４３はその回転軸を支持する軸受、４４は回転軸の
下端に固着したフレーム、４５はフレームの遊端と主レ
バー４１の遊端を連結するフレーム支柱で、この支柱に
軸受４６を介して尾ひれ４７を枢支し、この尾ひれ４７
より内方に突出したアーム４８の遊端をつるまきばね４
９により回転軸４２に設けた支点５０に連結したもので
ある。

本実施例の作動原理は第５図と同様である。

フレーム４４は主レバー４１の延長部と回転軸４２およ
び支柱４５と共に尾部を形成し、この尾部に支柱４５に
より尾ひれ４７を枢支し、尾ひれ４７の運動をつるまき
ばね２９により拘束すると、第１図乃至第６図に示した
装置と同じような揚力と推進力が得られるのである。

本実施例において、レバー４１の基部にスコツチョーク
機構と、減速機およびエンジンを取付けると自動水中推
進装置となる。

第８図は双胴型水中翼船に応用した場合を示し、５１は
船体で、この船体内にエンジン５２、変速機５３を取付
け、エンジンの回転を変速機５３より伝動装置５４を介
して支柱５５を通じて下方に導き、下方側軸５６にスコ
ッチョーク機構５７を連結し、スコッチョーク機構５７
に連結したレバー５８の遊端に尾部５９を連結し、尾部
５９の遊端に尾ひれ６０を軸６１により枢支し、尾ひれ
６０より内方に突出したアーム６２の遊端に連結したつ
るまきばね６３により尾部５９の中心線上の支点に連結
し、尾ひれ６０が水流に対し迎え角をもって左右動する
ことにより推進力を発生するようにしたものである。

６４は水中推進機胴体、６５はこの胴体より左右に突出
した水平翼部、６６は尾部に突設した水平尾翼を示す。

６７は尾部５９と胴体６４とを連結するフレキシブル部
を示す。

本発明はスコッチョーク機構により回転運動を直線運動
に変えて尾部を左右動させ、尾部に縦方向に枢支した尾
ひれが迎え角を最適に保って左右動することになり、船
体が左右動することなく、高速走行が可能となる新規な
水中推進装置を提供できる工業上人なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の横断面図、第２図は同縦断面図、
第３Ａ図および第３Ｂ図は推進機構の詳細を示す説明図
、第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は本発明を実施す
るために試作した自動機械前の遊泳状態を示す高速度カ
メラフィルムによる分析図、第５図ないし第８図は本発
明の実施の他の一例態様を示す説明図である。 １・・・・・・装置本体、２・・・・・・アンテナ、３
． ４． ５・・・・・・隔壁、６・・・・・・受信部
、７・・・・・・バッテリー、８・・・・・・電動機、
９・・・・・・変速機、１０・・・・・・スコッチョー
ク機構、ＩＯＡ・・・・・・円板、ＩＯＢ・・・・・・
ピン、１０Ｃ・・・・・・受動部、１１・・・・・・レ
バー、１２・・・・・・枢軸、１３・・・・・・尾部、
１４・・・・・・枢軸、１５・・・・・・尾ひれ部、１
６・・・・・・アーム、１６Ａ・・・・・・アームの遊
端、１７・・・・・・空胴部、１８・・・・・・つるま
きばね、１９・・・・・・可撓部、１５Ａ・・・・・・
水平吊ひれ、２０・・・・・・船用エンジン、２１・・
・・・・減速機、２２・・・・・・伝動装置、２３・・
・・・・円筒支柱、２４・・・・・・水中推進装置胴体
、２５・・・・・・スコッチョーク機構、２６・・・・
・・レバー、２７・・・・・・尾部、２８・・・・・・
尾ひれ部、２９・・・・・・枢軸、３０・・・・・・ア
ーム、３１・・・・・・つるまきばね、３２・・・・・
・フレキシブル部、３３・・・・・・センターボード、
４１・・・・・・主レバー、４２・・・・・・回転軸、
４３・・・・・・軸受、４４・・・・・・フレーム、４
５・・・・・・フレーム支柱、４６・・・・・・軸受、
４７・・・・・・尾ひれ、４８・・・・・・アーム、４
９・・・・・・つるまきばね、５０・・・・・・支点、
５１・・・・・・船体、５２・・・・・・エンジン、５
３・・・・・・変速機、５４・・・・・・伝動装置、５
５・・・・・・支柱、５６・・・・・・側軸、５７・・
・・・・スコッチョーク機構、５８・・・・・・レバー
、５９・・・・・・尾部、６０・・・・・・尾ひれ、６
１・・・・・・軸、６２・・・・・・アーム、６３・・
・・・・つるまきばね、６４・・・・・・水中推進機胴
体、６５・・・・・・水平翼部、６６・・・・・・水平
尾翼、６７・・・・・・可撓部、Ｖｗ・・・・・・水流
の絶対速度、Ｖｆ・・・・・・尾ひれの瞬間速度、Ｖｒ
・・・・・・水流の尾ひれに対する相対速度、α・・・
・・・迎え角、Ｆｌ・・・・・・揚力、Ｔ・・・・・・
推進力、ω・・・・・・水流、Ｕ・・・・・・遊泳速度
、ｆ・・・・・・尾ひれの揺動周波数、１・・・・・・
体長、Ｓｗ・・・・・・泳動数、ｋ・・・・・・弾性係
数、η・・・・・・泳動効率。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流線形匣体より成る推進器本体と、この中に取付け
   た原動機と、原動機の回転軸又はこれと適当な伝動機構
   を介して連結された被動軸に取付けた回転運動を往復運
   動に変えるスコッチョーク機構と、このスコッチョーク
   機構と一端が連結せられかつ中間点に固定ヒンジをもっ
   た駆動レバーと、該駆動レバーの遊端に一体に取付けた
   尾部と、尾部にヒンジされた剛体の尾ひれ部とを具備し
   、前記尾部の中心部に溝孔を設けてこの部分に尾ひれ部
   と一体のレバーを突出させ、このレバーの遊端をスプリ
   ングにより尾部の中心線上の一支点に連結した推進機構
   とより成り、前記推進機構による尾部の左右動に対応し
   て尾ひれ部が揺動する時、その尾ひれ部が相対水流に対
   して失速しない範囲に前記スプリングの張設荷重を正の
   値に設定したことを特徴とする魚ひれ型水中推進装置。