WO2011078362A1

WO2011078362A1 - 水中作業装置及び水中用歪計測装置

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Publication number: WO2011078362A1
Application number: PCT/JP2010/073431
Authority: WO
Inventors: 久男伊藤; 英一郎荒木; 和男古屋
Original assignee: 独立行政法人海洋研究開発機構; サイスモテック株式会社
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-06-30
Also published as: JP5403611B2; US20130008257A1; AU2010336216A1; CN102792125A; JP2011133435A; EP2518438A1; US8739633B2

Abstract

　外圧の変化に応じて容器の内圧を容易に変更する。　歪計測装置１００では、筺体部５３に設けられた筒状の開口部５３Ａに取り付けられたピストン５４が外部の圧力に対応して摺動する。これにより、外部の圧力とのバランスを取るように調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の体積が変動することで、内圧が変更される。そして、上記の歪計測装置１００では、ピストン５４の摺動のみによって、外圧の変化に応じて調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の内圧が変更されることから、内圧の調整を容易に行うことができる。また、上記の圧力バランス機構５１は、簡単な構成によって実現されるため、高温・高圧な環境下でも外圧と内圧の調整を容易に行うことができる。

Description

水中作業装置及び水中用歪計測装置

　本発明は、水中作業装置及び水中用歪計測装置に関する。

　従来から、地震予測等を目的とし、地盤の歪みの測定等による地殻変動の観測が行われている。このような地盤の歪みを測定する方法の一つとしては、例えば特許文献１に記載の歪検知装置のように、その内部に流体が充填された検知装置を陸上に設けられた孔内に挿入し、孔の形状変化による孔内の体積変化を内部の流体によって検知する方法が知られている。さらに、近年では陸上における歪みの測定に加えて、海底等の水底でも歪みの測定を行うことで、地殻内の応力の変化をより詳細に把握することが検討されている。

特表平１１－５１２８２８号公報

　しかしながら、特許文献１記載の歪検知装置は陸上に設けられた孔内での測定を目的とした装置であり、水底での測定のように高圧環境下でこの歪検知装置を使用した場合には水圧による外圧と検知装置の内圧との差が大きくなるため、歪検知装置が破損するおそれがある。したがって、水中で用いられる装置では外圧に応じて容器の内圧の調整を行うことが求められる。

　本発明は上記を鑑みてなされたものであり、外圧の変化に応じて容器の内圧を容易に変更することが可能な水中作業装置及び水中用歪計測装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に係る水中作業装置は、水中での作業に用いられる水中作業装置であって、内部に流体が収容された容器と、容器の一部を構成すると共に、外部と連通する筒状の開口部を有する外筒部と、外筒部の内側において開口部を塞ぐように設けられると共に、外部の圧力に対応して摺動可能なピストンと、を備えることを特徴とする。

　上記の水中作業装置によれば、外筒部における筒状の開口部に取り付けられたピストンが外部の圧力に対応して摺動することによって、外部の圧力とのバランスを取るように容器の内部の体積が変動し、容器の内圧が変更される。そして、上記の水中作業装置では、ピストンの摺動のみによって外圧の変化に応じて容器の内圧が変更されることから、内圧の調整を容易に行うことができる。

　上記作用を効果的に奏する構成として、水中用歪計測装置が挙げられる。具体的には、本発明に係る水中用歪計測装置は、内部に流体が収容された容器と、容器の一部を構成すると共に、外部と連通する筒状の開口部を有する外筒部と、外筒部の内側において開口部を塞ぐように設けられると共に、外部の圧力に対応して摺動可能なピストンと、容器の内圧を測定する計測部と、を備え、容器は、外部の圧力に応じて変形可能な部材から形成された受感部を含んで構成され、この受感部の変形によって容器の内部の体積が変動することを特徴とする。

　上記の水中用歪計測装置では、外筒部における筒状の開口部に取り付けられたピストンが外部の圧力に対応して摺動することによって、容器の内部の体積が変動し、容器の内圧が変更される。このように、ピストンの摺動のみによって外圧の変化に応じて容器の内圧が変更されて、外圧と内圧との差を小さくすることができるため、上記の水中用歪計測装置では、外部の圧力に応じて変形可能な部材から形成される受感部を容器の一部として含むことが可能となり、水中のような高圧環境下であっても受感部の変形による圧力変化を測定することが可能となる。

　ここで、上記の水中用歪計測装置は、受感部の変位を検知する変位計をさらに備える態様とすることができる。

　上記のように、受感部の変位を検知する変位計をさらに備えることにより、容器の内圧の変化では検知することが困難な変位の計測も可能となり、より高い精度で歪計測を行うことが可能となる。

　さらに、変位計は、受感部に沿って複数設けられていることが好ましい。

　上記のように、受感部に沿って変位計を複数備える態様とすることで、変位計の取り付け位置毎に変位を測定することができるため、受感部の変形をより詳細に把握することができ、歪計測の精度をさらに高めることができる。

　ここで、上記の作用を効果的に奏する構成として、具体的には、受感部の形状は筒状であり、複数の変位計は、受感部の軸方向に沿ってそれぞれ設けられている態様が挙げられる。

　また、上記の作用を効果的に奏する他の構成として、具体的には、受感部の形状は筒状であり、複数の変位計は、受感部の軸に直交する面の外周に沿ってそれぞれ設けられている態様が挙げられる。

　ここで、複数の変位計は、面の中心に対して対称に配置されるように、面の外周に沿ってそれぞれ設けられていることもできる。この場合、種々の方向の変位を変位計によってより高精度に検知することが可能となる。

　また、上記の作用を効果的に奏する他の構成として、具体的には、受感部の形状は筒状であり、複数の変位計は、受感部の軸方向に沿って螺旋状となるようにそれぞれ設けられている態様が挙げられる。

　また、上記の歪計測装置の容器の内部は、第１の空間と第２の空間とに区切られていて、第１の空間に対して外筒部及びピストンが設けられ、第２の空間に対して受感部が設けられ、計測部は、容器のうち第２の空間の内圧を測定し、当該第１の空間と第２の空間との接続及び切断を切り替えるバルブ機構をさらに備える態様とすることができる。

　上記のように、容器の内部が第１の空間と第２の空間とに区切られていて、外筒部及びピストンは第１の空間に対して取り付けられると共に、第１の空間と第２の空間との接続及び切断を切り替えるバルブ機構を備えることで、第１の空間は外圧の変化に由来するピストンの摺動に対応してその内圧が変化する一方、バルブ機構によって第１の空間と第２の空間とが切断されている場合には、第２の空間は第１の空間の内圧の変動を受けない状態となる。上記の構成によれば、例えば、歪計測装置の受感部が第２の空間に設けられ、バルブ機構によって第１の空間と第２の空間とが切断された状態で、第２の空間の内圧を計測部により測定することができる。したがって、ピストンが摺動することで容器の第１の空間及び第２の空間の内圧が外圧と一致するように変動することができ、外圧の変化に応じて内圧を変更することが可能であると共に、地盤の歪の発生により引き起こされる第２の空間に設けられた受感部の変動を高い精度で計測することができ、より高い精度で歪計測を行うことができる。

　ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、バルブ機構は、筒状部材と、筒状部材の内部に筒状部材の軸線方向に移動可能に設けられる柱状部材と、柱状部材を移動させる動力部と、を備え、筒状部材は、筒状部材の側面に筒状部材の内部と第２の空間との間を接続させるための開口を有し、柱状部材は、一端が第１の空間に接続されると共に他端が柱状部材の側面に設けられた連結口とされた流路を有し、連結口は、柱状部材が筒状部材の内部の所定の位置にあるときには開口と連通し、柱状部材が筒状部材の内部の所定の位置以外にあるときには開口と連通しない態様が挙げられる。

　本発明によれば、外圧の変化に応じて容器の内圧を変更することが可能な水中作業装置及び水中用歪計測装置が提供される。

実施形態に係るバルブ機構が取り付けられた歪計測装置の概略断面図である。歪計測装置を構成する計測部の概略断面図である。歪測定装置を構成する圧力調整部の概略断面図である。差動変位計の概略構成図である。バルブ機構の外観を示す概略図である。図５紙面に対して垂直方向からバルブ機構を見たときの断面図である。図６のVII－VII線におけるバルブスリーブの断面図である。図６のVIII－VIII線におけるバルブプランジャの断面図である。動力部の駆動によるバルブ機構の動作を説明する図である。動力部が駆動せずにバルブ機構のバルブプランジャが移動する場合について説明する図である。

　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

　図１は、実施形態に係るバルブ機構６０が取り付けられた歪計測装置１００の概略断面図であり、図２は、歪計測装置１００を構成する計測部３０の概略断面図であり、図３は、歪計測装置１００を構成する圧力調整部５０の概略断面図である。まず、図１～図３を用いて、本実施形態に係るバルブ機構及びこのバルブ機構が取り付けられた歪計測装置の構成について説明する。

　本実施形態に係る歪計測装置１００は、水中で用いられて、略円柱状の本体の側面形状の変化等から地盤の歪を計測する装置であり、特に水深２０００ｍ以上の深海のように高圧であり、且つ温度が１２５℃以上となるような高温の環境下での測定に好適に用いられる装置である。この歪計測装置１００は、図１に示すように、水底の地盤１に形成された垂直方向に延びる縦穴２の内部に挿入される。この歪計測装置１００は、例えば、直径約２００ｍｍ、長さ約３．８ｍの装置であり、例えば水深２０００ｍ以上の水底の地盤１に設けられた深さ約３５００ｍの縦穴２に挿入して用いられる。そして、歪計測装置１００を縦穴２の内部に設置した後、縦穴２の内部をセメント３で充填することにより、歪計測装置１００は地盤１と一体化され、この状態で地盤１の歪の計測が行われる。

　この歪計測装置１００は、図１に示すように、計測部３０、検知部１０及び圧力調整部５０を含んで構成され、歪計測装置１００を縦穴２に挿入したときに、上方から下方に向かってこの順となるように配置されている。さらに、歪計測装置１００の計測部３０、検知部１０及び圧力調整部５０の内部を通過するようにセメント配管７０が設けられている。このセメント配管７０は、縦穴２の内部に歪計測装置１００を配置した後にその周囲を充填するためのセメントを供給するための管である。また、歪計測装置１００の上方の計測部３０の周囲と、下方の圧力調整部５０の周囲には、スタビライザ羽４０（４０Ａ，４０Ｂ）が複数個取り付けられている。このスタビライザ羽４０は、歪計測装置１００をガイドして縦穴２の中央に歪計測装置１００を配置するために取り付けられたものであると
共に、歪計測装置１００本体が縦穴２と衝突して破損することを防止するためのものである。

　次に、歪計測装置１００に含まれる検知部１０、計測部３０、及び圧力調整部５０について説明する。

　検知部１０は、歪計測装置１００の周囲の地盤１の歪による変位を検知する機能を有する。この検知部１０は、セメント配管７０をその内部に有する内筒１１と、内筒１１の外面（側面）を覆うように設けられた外筒１３（容器、受感部）とを含んで構成される。そして、内筒１１の外面と外筒１３の内面との間は離間して設けられている。また、検知部１０の下方は、後述の圧力調整部５０が設けられていて、検知部１０の上方は、後述の計測部３０が設けられている。このため、内筒１１の外面と外筒１３の内面との間には、略円筒状（リング状）の空間である受感領域（第２の空間）１５が形成されていて、この受感領域１５にはシリコンオイルＬが充填されている。このシリコンオイルＬは、外筒１３の下方に設けられた注入口１９から受感領域１５の内部に充填される。また、この受感領域１５と後述の調整オイル収容領域５２（第１の空間）との間にはバルブ機構６０が設けられていて、バルブ機構６０により受感領域１５と調整オイル収容領域５２とが接続されている場合には、シリコンオイルＬは、両領域を移動する。このように調整オイル収容領域５２と受感領域１５とは流体が充填されている領域であって、この受感領域１５を覆う外筒１３及び調整オイル収容領域５２を覆う筺体部５３は、このシリコンオイルＬを収容する容器として機能する。なお、シリコンオイルＬを注入するための注入口１９は、通常は閉じられていて、シリコンオイルＬの充填時にのみ開口される。

　検知部１０の内筒１１は、直径約２００ｍｍ、長さ約２ｍのステンレスからなる剛性の高い部材である。一方、外筒１３は、厚さ約２．７ｍｍのステンレスからなり、地盤１の変化等によって歪計測装置１００の周囲に歪が生じた場合には、その歪に応じて変形可能とされている。したがって、周囲の歪によって外筒１３が変形（弾性変形）し、内筒１１側へ凹んだ場合には、受感領域１５の体積が小さくなって受感領域１５の内圧が上昇する。そして、この内圧の変化を後述の計測部３０が計測することによって、歪計測装置１００の周囲の歪の分析が行われる。この外筒１３は非常に薄い部材であるが、後述の圧力バランス機構５１によって、歪計測装置１００の外圧と受感領域１５の内圧との圧力差が小さくなるように調整されているため、圧力差に由来する破損が防止され、歪による微小な変形を感知することが可能となっている。

　さらに、歪計測装置１００の側面の検知部１０の表面には差動変位計２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）が取り付けられている。この差動変位計２０の構成を図４に示す。図４に示すように、差動変位計２０はいわゆる差動トランス方式の変位計であって、外筒１３から外部へ露出するセンサヘッド２０１と、このセンサヘッド２０１に接続すると共に、受感領域１５の内部に設けられてセンサヘッド２０１と連動して移動する可動鉄心２０２と、可動鉄心２０２の周囲を覆うように設けられた１次コイル２０３及び２つの２次コイル２０４と、を備える。この１次コイル２０３及び２つの２次コイル２０４は、内筒１１の内部に設けられる。また、可動鉄心２０２は受感領域１５の内部に配置されるように、可動鉄心２０２の周囲において受感領域１５が内部へ突出する構成とされている。そして、１次コイル２０３を交流（一定周波数電圧）で励磁した状態で、歪の発生等によりセンサヘッド２０１が移動した場合には、センサヘッド２０１に連動して可動鉄心２０２が移動することにより、２次コイル２０４に誘起電圧が発生する。差動変位計２０は、この誘起電圧の検出を、変位の発生として検知する。このような構成を有する差動変位計２０では、高感度・高分解能な計測が可能とされる。

　ここで、歪計測装置１００の外圧と受感領域１５の内圧との圧力差が大きい場合には、歪の発生によるセンサヘッド２０１の移動を正確に検出することが困難となるため、差動変位計２０を歪計測装置１００に適用することは困難である。しかしながら、本実施形態の歪計測装置１００では、後述の圧力バランス機構５１によって、歪計測装置１００の外圧と受感領域１５の内圧との圧力差が小さくなるように調整されているため、歪の発生によるセンサヘッド２０１の微小な移動を内部に設けられた差動変位計２０により高精度で検知することができる。

　本実施形態の歪計測装置１００では、検知部１０の延在方向（上下方向）に沿った３つの位置に上記の差動変位計２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）が取り付けられる。さらに、それぞれの位置での外筒１３の円周状の外面に沿って、差動変位計２０が３箇所ずつ取り付けられる。したがって、本実施形態の歪計測装置１００には、差動変位計２０が９個取り付けられ、これらの差動変位計２０による測定結果は、解析部（図示せず）に送られて、後述の圧力計による歪の発生量の測定結果と共に地盤１で発生した歪についての詳細な解析、特に歪の発生方向やその大きさ等の解析に用いられる。したがって、本実施形態の歪計測装置１００のように、差動変位計２０を複数個異なる位置に配置することで、テンソルである歪についての多成分の計測が可能となり、受感領域１５の圧力変動（体積変動）を引き起こした歪が発生した方角や高さ（深さ）及びその大きさ等を測定することができる。

　なお、この差動変位計２０の数や取付け位置は、測定対象の地盤１の特性等を考慮して適宜変更される。取付け位置の例としては、例えば、検知部１０を構成する外筒１３の軸方向に沿った配置や、外筒１３の外面のうち外筒１３の軸に対して直交する面の外周に沿った配置や、外筒１３の軸方向に沿って螺旋状となるような配置等が挙げられる。また、外筒１３の軸に対して直交する面の外周である外筒１３の円周状の外面に沿って複数の差動変位計２０を配置する場合、外筒１３の中心に対して対称となるように差動変位計２０を配置することができる。この場合、種々の方向の変位を差動変位計２０によってより高精度に検知することが可能となる。

　次に、計測部３０について説明する。計測部３０は、上記の検知部１０の受感領域１５の圧力変動（体積変動）の大きさを測定し、歪の大きさを計測する機能を有する。図２に示すように、計測部３０は、耐圧外筒３１と、圧力計収納部３２とを含んで構成される。圧力計収納部３２は、検知部１０の外筒１３とほぼ同じ外径の耐圧外筒３１に収容されていて、耐圧外筒３１の内部には、さらにセメント配管７０が設けられている。圧力計収納部３２の内部には、受感領域１５内のシリコンオイルＬの圧力を測定するための水晶圧力計（商品名：PARO、型式：Submersible Depth Sensors 8B7000-2、Paroscientific社製）が収容されており、圧力計収納部３２に収容された圧力計の測定部と受感領域１５とを接続する流路３３が設けられている。この圧力計による測定結果は、解析部へ送られて、上述のように差動変位計２０による測定結果と共に地盤１で発生した歪の解析に用いられる。上記の圧力計による歪の測定方法及び検知部１０と計測部３０とを接続する構成は、従来の歪計の構成と同様である。

　また、計測部３０内の圧力計収納部３２の周囲及び圧力計収納部３２の上方は受感領域１５と接続していて、シリコンオイルＬが充填されている。そして、圧力計収納部３２の上方であって受感領域１５と接続している領域の上部には圧力受板３７が設けられていて、受感領域１５内のシリコンオイルＬが歪計測装置１００の上方へ行かないようにせき止める機能を有している。そして、圧力受板３７の上方には解析部（図示せず）が設けられ、上述の差動変位計２０による測定結果と、圧力計収納部３２内の圧力計による測定結果とを用いて、地盤１で発生した歪についての解析及び解析結果の保存が行われる。この解析部による解析結果は、例えば、無線又は有線通信によって地上に設けられた詳細な分析を行うためのシステムへ送信される。なお、計測部３０に含まれる各機器等の制御や、後述の動力部６５の制御は制御部（図示せず）によって行われる。この制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び外部記憶装置から構成され、ＣＰＵは、所定の演算処理を行う演算プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と演算処理の際に各種データを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを有していて、これらが機能することにより、計測部３０に含まれる各機器等の制御や、動力部６５の制御が行われる。

　次に、圧力調整部５０について説明する。圧力調整部５０は、受感領域１５内部の圧力の調整を行う機能を有する。本実施形態に係る歪計測装置１００は、上述のように水底に設けられた縦穴の底部に取り付けられるため、歪計測装置１００の周囲の圧力は地上の圧力に比べて非常に大きく約１００ＭＰａとなり、また、周囲の温度も１２５℃程度まで上昇する。したがって、歪計測装置１００の受感領域１５に対して地上でシリコンオイルＬを充填し、これを測定位置である水底の縦穴の底部に移動させた場合、受感領域１５の内部のシリコンオイルＬの圧力に対して歪計測装置１００の周囲の外圧が非常に大きくなり、地盤の歪のような微小な変化を適切に測定することができない。また、歪計測装置１００によって歪を計測する際には、受感領域１５の圧力変動（体積変動）を検知することで歪を測定することから、歪以外の理由によって受感領域１５の圧力が変動すると、測定精度が低下する。これらの理由から、歪計測装置１００に対して、外圧の変化に応じて受感領域１５内部の圧力を調整する機能を有する圧力調整部５０が設けられている。

　この圧力調整部５０は、図３に示すように、歪計測装置１００の周囲の外圧に応じて、受感領域１５に接続可能である調整オイル収容領域（第１の空間）５２の圧力を変動させる圧力バランス機構５１と、調整オイル収容領域（第１の空間）５２と受感領域（第２の空間）１５との接続及び切断を切替えるバルブ機構６０と、を備える。

　圧力バランス機構５１は、歪計測装置１００の側面を形成する円筒状の筺体部５３と、筺体部５３の内部に設けられた筒状の開口部５３Ａを摺動可能なピストン５４によって構成される。より具体的には、本実施形態の歪計測装置１００の内部にはセメント配管７０が設けられているため、ピストン５４は、筺体部５３の内面とセメント配管７０の外側表面とを塞ぐようなドーナツ型の形状とされている。そして、筺体部５３の内部のうち、このピストン５４よりも上方側（受感領域１５側）は調整オイル収容領域５２とされていて、ピストン５４よりも下方側は泥水収容領域５５とされている。調整オイル収容領域５２にはシリコンオイルＬが注入されていて、後述のバルブ機構６０によって調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続されている場合には、シリコンオイルＬがその内部を移動する。また、泥水収容領域５５には、外部の泥水（流体）を供給する泥水注入孔５６が接続されている。これにより、泥水収容領域５５内部の圧力と歪計測装置１００の周囲の外圧とは等しくされている。すなわち、この圧力バランス機構５１の筺体部５３は、外部と連通する開口部５３Ａを備える外筒部として機能する。

　ここで、歪計測装置１００の周囲の外圧が上昇すると、泥水収容領域５５内部の圧力も上昇するため、泥水収容領域５５の容積を大きくする方向、すなわち上方へ向かってピストン５４を移動させる力が生じる。そしてピストン５４が上方へ移動すると、調整オイル収容領域５２の体積が小さくなり、調整オイル収容領域５２側の内部の圧力が上昇する。ここで、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続している場合には双方の圧力が上昇する。そして、泥水収容領域５５側の圧力と、調整オイル収容領域５２側の圧力が等しくなった位置でピストン５４は保持される。このように、圧力バランス機構５１は、外圧の変動に応じて、内圧と外圧と等しくなる位置までピストン５４が移動することで、外圧に応じた内圧の調整を行う機能を有する。

　次に、バルブ機構６０について説明する。バルブ機構６０は調整オイル収容領域５２に対して接続する流路５９が設けられた隔壁５８の上方に接するように設けられ、検知部１０の内部の受感領域１５に接する位置に設けられている。このバルブ機構６０の構成及び動作について図５～図８を用いて説明する。図５は、バルブ機構の外観を示す概略図であり、図６は、バルブ機構の構成を説明する概略断面図（図５紙面に対して垂直方向からバルブ機構６０を見たときの断面図）であり、図７は、バルブ機構に含まれるバルブプランジャの構成を説明する断面図（図６のVII－VII線における断面図）であり、図８は、バルブ機構に含まれるバルブスリーブの構成を説明する断面図（図６のVIII－VIII線における断面図）である。

　図５及び図６に示すように、バルブ機構６０は、バルブホルダ（バルブベース、筒状部材）６１と、バルブスリーブ（第１の部材）６２と、バルブプランジャ（第２の部材）６３と、バルブネジ６４と、動力部６５と、を含んで構成される。バルブスリーブ６２は、バルブホルダ６１の内部に設けられてバルブホルダ６１の内部を軸線方向（図示上下方向）に移動可能である略円筒状の部材である。また、バルブプランジャ６３は、バルブスリーブ６２の内側に設けられた部材である。また、バルブネジ６４は、バルブホルダ６１の隔壁５８に対して離間して設けられた端部側に設けられた底部６１Ａの開口６１Ｂに対して挿入されて、バルブホルダ６１の軸線方向に沿って延びると開口６１Ｂに対して摺動可能とされ、さらに、バルブスリーブ６２に対してネジ留めにより固定された部材である。そして、動力部６５は、バルブホルダ６１の外側でバルブネジ６４と接続されて、バルブネジ６４をバルブホルダ６１の軸線方向に沿って移動させる動力部６５と、を備える。バルブスリーブ６２とバルブプランジャ６３とは弾性部材６６によって接続されている。図５に示すように、バルブホルダ６１の下方側の端部は、隔壁５８と接するように取り付けられることで、バルブホルダ６１の内側と隔壁５８とに囲まれた空間にバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３が設けられた構成となる。

　バルブホルダ６１は略円筒状の部材であって、隔壁５８に対して離間して設けられた端部側（図示上方）は中央に開口６１Ｂを有する底部６１Ａとなっている。この開口６１Ｂの径は、バルブホルダ６１の内径よりも小さい。また、バルブホルダ６１は、側面に軸線方向に沿って延びるスリット６１０を備える。このスリット６１０の外側（バルブホルダ６１の外側）は、図３に示すように受感領域１５と接している。すなわち、このスリット６１０は受感領域１５とバルブホルダ６１の内部とを接続する開口とされている。

　図５に戻って、バルブホルダ６１の外側には、スリット６１０の延在方向に対して垂直に交わるように、側面に互いに離間した２本の溝が設けられ、この２本の溝のそれぞれに２本のリング６７Ａ，６７Ｂが取り付けられている。このリング６７Ａ，６７Ｂは、例えば電気伝導性を有する金属からなり、バルブホルダ６１の内部に収容されるバルブスリーブ６２の位置を検知する検知手段の一部として機能する。この検知手段としての機能については後述する。

　バルブスリーブ６２は、図７に示すように略円筒状の部材であって、一端側（図示上方）は、中央に開口６２Ｂを有する底部６２Ａとなっている。そして、この開口６２Ｂには、バルブホルダ６１の軸線方向に延びるバルブネジ６２がネジ留めされている。そして、バルブスリーブの外側の側面には、外側に突出する突起部６２Ｃを有し、この突起部６２Ｃは、絶縁体で被覆された導線６２Ｄを介して動力部６５と接続されている。そして、バルブスリーブ６２は、この突起部６２Ｃはバルブホルダ６１の内側からスリット６１０を介して、且つ、バルブホルダ６１の側面に取り付けられたリング６７Ａ，６７Ｂの間から外方へ突出するように、バルブホルダ６１の内部に取り付けられる。そして、バルブスリーブ６２の内側には、バルブプランジャ６３が挿入される。そして、バルブスリーブ６２がバルブホルダ６１内を移動し、突起部６２Ｃがリング６７Ａ，６７Ｂと接触した場合にはこれを動力部６５に伝達する。すなわち、突起部６２Ｃ及び導線６２Ｄは、検知手段の一部として機能する。この検知手段としての機能については後述する。

　また、上記のバルブスリーブ６２は、底部６２Ａが設けられた側とは逆の端部（図示下方）にバルブホルダ６１の内面と当接するフランジ部６２Ｅを有する。バルブホルダ６１のスリット６１０は、フランジ部６２Ｅよりも下方まで延びて設けられている。具体的には、図５に示すように、バルブホルダ６１の外側からスリット６１０内を見たときに、バルブプランジャ６３が見えるような位置まで延びるように設けられている。このような構成を有することで、後述のバルブプランジャ６３に設けられた流路の連結口６３Ｃと、受感領域１５と接する開口であるスリット６１０とが連通できるようになっている。なお、受感領域１５と接続し、連結口６３Ｃと連通する開口をスリット６１０とは別に設ける構成としてもよい。

　バルブプランジャ６３は、図８に示すように円柱状の部材であって、その内部に流路６３Ａを備える。この流路６３Ａは、一端側（下方側）の開口６３Ｂがバルブプランジャ６３の端部に設けられていて、この開口６３Ｂは、図３に示すように、調整オイル収容領域５２に対して接続する流路５９に対して接続する。また、流路６３Ａの他端側（上方側）は、バルブプランジャ６３の側面に設けられた連結口６３Ｃとされている。そして、このバルブプランジャ６３は、図６に示すように、流路６３Ａの開口６３Ｂが設けられた端部とは逆側の端部（図６における上方側の端部）に弾性部材６６が取り付けられていて、この弾性部材６６を介してバルブスリーブ６２の内面と接続されている。弾性部材６６としては、例えばコイルバネ等が好適に用いられる。弾性部材６６としてばねを用いる場合、ばね定数は、歪計測装置１００において許容可能な外圧と受感領域１５の内圧との差を考慮して選定される。すなわち、弾性部材６６は、歪計測装置１００の外圧と受感領域１５の内圧との差を小さくするために駆動するものであるから、例えば所定の値よりも圧力差が大きくなると歪計測装置１００の構成部品が破損する可能性がある場合には、当該圧力差を超えない圧力で縮むようにばね定数が選定される。

　図５，６に戻って、動力部６５は、例えば耐高圧モータ等からなり、バルブネジ６４をバルブホルダ６１の軸線方向に沿って移動させる機能を有する。そして、動力部６５がバルブネジ６４を移動させることで、バルブネジ６４に対してネジ留め固定されたバルブスリーブ６２も移動する。さらに、バルブプランジャ６３の一端側（図示上方）がバルブスリーブ６２の内面と弾性部材６６によって連結されているため、バルブスリーブ６２の移動に対応して移動する。すなわち、上記のバルブスリーブ６２とバルブプランジャ６３は、バルブホルダ６１の内部で軸線方向に移動可能とされた柱状部材として機能する。動力部６５の駆動は、制御部（図示せず）からの指示によって開始され、リング６７Ｂと突起部６３Ｃとが接触したことにより発生する電位の変化が導線６２Ｄを介して動力部６５に通知されることで、バルブスリーブ６２が所定の位置まで移動したことを検知して停止される。

　上記の構成を有するバルブ機構６０の動作について、図９，図１０を用いて説明する。図９は、動力部６５の駆動によるバルブ機構６０の動作を説明する図であり、図１０は、動力部６５が駆動せずにバルブ機構６０のバルブプランジャ６３が移動する場合について説明する図である。

　まず、図９を用いて、動力部６５の駆動によるバルブ機構６０の動作を説明する。図９（Ａ）は、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続されている状態を説明する図であり、図９（Ｂ）は調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断されている状態を説明する図である。この動力部６５の駆動によるバルブ機構６０の動作は、計測に用いるために歪計測装置１００を地上から計測位置である水底の地盤１にある縦穴２の底部まで降下させた後、計測を開始する前に行われる。

　ここで、歪計測装置１００を地上から計測位置の縦穴２の底部まで移動させる間は、歪計測装置１００の周囲の外圧が大きく変動することから、受感領域１５と調整オイル収容領域５２とを連通させることによる圧力調整を圧力バランス機構５１によって行う。ここでの連通とは、具体的には、調整オイル収容領域５２、隔壁５８内の流路５９、バルブプランジャ６３内の流路６３Ａ、バルブホルダ６１の内部及び受感領域１５の間をシリコンオイルＬが流通可能となることをいう。地上から計測位置の縦穴２の底部まで歪計測装置１００を降下させる際には、歪計測装置１００の降下に伴って外圧が大きくなる。この外圧の上昇に伴って、泥水収容領域５５の圧力も大きくなるため、泥水収容領域５５の圧力と調整オイル収容領域５２の圧力とが等しくなるように圧力バランス機構５１のピストン５４が上方へ移動する。このピストン５４の移動は外圧の上昇に伴って連続的に行われる。

　上記の間、すなわち、歪計測を行う位置に向けて歪計測装置１００を降下させる間は、図９（Ａ）に示すように、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続される位置にバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３とが配置される。具体的には、バルブスリーブ６２の側面に取り付けられた突起部６２Ｃは、バルブホルダ６１の周囲に取り付けられた２つのリングのうち、上方のリング６７Ａと接する位置となるようにバルブスリーブ６２が配置される。そして、内部のバルブプランジャ６３の連結口６３Ｃと、バルブホルダ６１のスリット６１０とが連通することにより、バルブプランジャ６３の開口６３Ｂと接続する流路５９と、バルブプランジャ６３内の流路６３Ａと、を介して調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続された（連通した）状態となり、調整オイル収容領域５２の圧力と同一となるように受感領域１５の圧力が変更される。したがって、外圧（泥水の圧力）の上昇に伴って圧力バランス機構５１のピストン５４が調整オイル収容領域５２の圧力を高めるように上方へ移動し、調整オイル収容領域５２内の圧力と、この調整オイル収容領域５２に接続する受感領域１５の圧力とが互いに等しくなるように、圧力が変動する。

　次に、バルブ機構６０により調整オイル収容領域５２と受感領域１５とを切断する場合について説明する。歪計測装置１００を縦穴２の底部に設置し、歪計測装置１００の周囲にセメントを充填した後に歪の計測を開始する際には、受感領域１５と調整オイル収容領域５２とを切断することで、受感領域１５は、検知部１０の外筒１３からの歪の影響のみによって体積が変動する構成とさせる。したがって、動力部６５の駆動によるバルブ機構６０の動作は、歪計測装置１００が計測のために安定な状態で設置された時点、すなわち、縦穴２に歪計測装置１００を設置し、周囲にセメントを充填した後に行われる。なお、歪計測装置１００の周囲にセメントを充填した後も泥水収容領域５５は泥水注入孔５６を介して外部と接続されていることから、圧力バランス機構５１のピストン５４は、外圧の変動に応じて上下方向に移動可能であるが、バルブ機構６０によって受感領域１５と調整オイル収容領域５２とが切断されることから、受感領域１５と調整オイル収容領域５２との間の圧力差がある一定の値を超えるまでは、ピストン５４の移動による調整オイル収容領域５２の圧力変化は受感領域１５には伝達されない。

　バルブ機構６０の動作としては、歪計測を行う位置、すなわち縦穴２の底部に歪計測装置１００を載置し、セメントにより周囲を充填した後、図９（Ｂ）に示すように、制御部の指示によって動力部６５が駆動することによって、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断される位置にバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３とが移動される。具体的には、セメントの充填終了を検知した制御部が動力部６５に対して指示することによって動力部６５が駆動を開始し、バルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３は下方に移動され、バルブスリーブ６２の側面に取り付けられた突起部６２Ｃが、バルブホルダ６１の周囲に取り付けられた２つのリングのうち、下方のリング６７Ｂと接する位置まで移動する。このとき、内部のバルブプランジャ６３の連結口６３Ｃが隔壁５８の内壁と
対向する位置まで移動するため、連結口６３Ｃとバルブホルダ６１のスリット６１０とが連通しない状態となる。これによって、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断され、シリコンオイルＬが内部を移動できなくなる。そして、突起部６２Ｃとリング６７Ｂとが接触したことが導線６２Ｄを介して動力部６５に伝達されると、動力部６５は駆動を停止し、バルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３の移動が停止される。このように、動力部６５は、突起部６２Ｃとリング６７Ｂとの接触を検知することでバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３の移動を停止させるため、動力部６５の駆動の停止に係る複雑な制御プログラム等を備えておく必要がなく、且つ動力部６５の不要な駆動による電力の消費を抑制することができる。

　次に、図１０を用いて、動力部６５が駆動せずにバルブ機構６０のバルブプランジャ６３が移動する場合を説明する。これは、歪計測装置１００を縦穴２の底部に載置し周囲にセメントを充填し、図９（Ｂ）に示すように動力部６５の駆動によってバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３は下方に移動させて調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断された状態で、歪計測装置１００の周囲の環境の変化（例えば水温の変化等）によって、歪計測装置１００の外圧が大きくなった場合に発生する。外圧が大きくなった場合は、圧力バランス機構５１のピストン５４が移動することにより、泥水収容領域５５及び調整オイル収容領域５２の内圧が等しくなる。このとき、図９（Ｂ）に示すように、調整オイル収容領域５２と受感領域１５の間は切断されていることから、外圧の変動に応じて受感領域１５内の圧力が変動することはない。しかしながら、外圧の変動が大きい場合（例えば、内圧と外圧の差が５ＭＰａ以上となる場合）を放置しておくと、検知部１０を構成する外筒１３は非常に薄いため、圧力差によって破損する可能性がある。

　これに対して、本実施形態の歪計測装置１００では、受感領域１５内部の圧力に対して調整オイル収容領域５２内部の圧力が大きい場合には、弾性部材６６が縮む構成となっている。そして、図１０に示すように、受感領域１５内部の圧力と外圧に応じて変動する調整オイル収容領域５２内部の圧力との差が所定の値より大きくなった場合に、弾性部材６６が縮むことによって、バルブプランジャ６３の連結口６３Ｃと、バルブホルダ６１のスリット６１０とが連通し、バルブプランジャ６３の開口６３Ｂと接続する流路５９と、バルブプランジャ６３内の流路６３Ａと、を介して調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続される。そして、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との圧力差が小さくなるように受感領域１５内部の圧力が変動される。そして、圧力差が所定の値より小さくなると、弾性部材６６の復元力によって、図９（Ｂ）に示すように、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断された状態に戻る。

　このように、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断を動力部６５の駆動によって切り替えない場合であっても、外圧の変化に由来する調整オイル収容領域５２と受感領域１５との圧力差が所定値を超えた場合に、バルブプランジャ６３が移動する構成を有することから、動力部６５の駆動に頼らない圧力調整を簡単な構成によって実現でき、検知部１０の外筒１３の破損を防止することができる。

　以上のように、本実施形態に係る歪計測装置１００では、筺体部５３に設けられた筒状の開口部５３Ａに取り付けられたピストン５４が外部の圧力に対応して摺動する。これにより、外部の圧力とのバランスを取るように調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の体積が変動することで、内圧が変更される。そして、上記の歪計測装置１００では、ピストン５４の摺動のみによって、外圧の変化に応じて調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の内圧が変更されることから、内圧の調整を容易に行うことができる。また、上記の圧力バランス機構５１は、簡単な構成によって実現されるため、高温・高圧な環境下でも外圧と内圧の調整を容易に行うことができる。

　そして、上記の歪計測装置１００では、圧力バランス機構５１におけるピストン５４の摺動のみによって、外圧の変化に応じて、外圧と内圧との差を小さくするように、調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の内圧が変更されるため、外部の圧力に応じて変形（弾性変形）可能な部材から形成される外筒１３を、受感領域１５を覆う容器の一部として含むことが可能となり、水中のような高圧環境下であっても外筒１３の変形による圧力変化を測定することが可能となる。

　また、上記の歪計測装置１００では、外筒１３の変位を検知する差動変位計２０をさらに備えることにより、外筒１３の変形による受感領域１５の内圧の変化では検知することが困難な変位の計測も可能となり、より高い精度で歪計測を行うことが可能となる。また、上記の歪計測装置１００のように、外筒１３に対応して差動変位計２０を複数備える態様とすることで、差動変位計２０の取り付け位置毎にその変位を測定することができるため、外筒１３の変形をより詳細に把握することができ、歪計測の精度をさらに高めることができる。

　また、上記の歪計測装置１００では、シリコンオイルＬが収容される領域が調整オイル収容領域（第１の空間）５２と受感領域（第２の空間）１５とに区切られていて、外部と接続する筺体５３（外筒部）及びピストン５４は調整オイル収容領域５２に対して取り付けられると共に、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断を切り替えるバルブ機構６０をこれらの間に備えることで、調整オイル収容領域５２は外圧の変化に由来するピストン５４の摺動に対応してその内圧が変化する一方、バルブ機構６０によって調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断されている場合には、受感領域１５は調整オイル収容領域５２の内圧の変動を受けない状態となる。上記の構成によれば、歪計測装置１００の受感部として機能する外筒１３が受感領域１５側に設けられ、バルブ機構６０によって調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断された状態で、受感領域１５の内圧を計測することができる。したがって、ピストン５４が摺動することで容器の調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の内圧が外圧と一致するように変動することができ、外圧の変化に応じてその内圧を変更することが可能であると共に、受感領域１５側に設けられた外筒１３において地盤の歪の発生により引き起こされる変動を高い精度で計測することができ、より高い精度で歪計測を行うことができる。

　そして、本実施形態の歪計測装置１００のバルブ機構６０によれば、動力部６５の駆動によってバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３からなる柱状部材がバルブホルダ６１の内部を移動し、所定の位置にあるときには、バルブプランジャ６３の流路６３Ａに設けられた連結口６３Ｃとバルブホルダ６１のスリット６１０とが連通することで調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが接続されて、調整オイル収容領域５２及び受感領域１５の内圧が互いに異なる場合にはこれを等しくするように圧力が変動する。一方、所定の位置以外にあるときには、連結口６３Ｃとスリット６１０とが連通しないことにより、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続が切断され、圧力の変動が行われない状態となる。そして、上記の調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断の切
替えは、動力部６５によるバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３の移動のみによって行われるため、高温高圧な環境下であっても、圧力の調整を容易に行うことができる。

　また、上記のバルブ機構６０は、従来、水底等の高圧環境下での圧力調整に用いられていたソレノイドバルブと比較して、小電流で駆動することができるという利点があるため、水底に長期間設置する等の理由により供給電力が制限されている装置に好適に用いられる。また、上記のバルブ機構６０は、バルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３の移動速度を抑制することで接続／切断の切り替えを滑らかに行うことができ、ソレノイドバルブと比較して接続／切断の切り替え動作時にバルブに由来して発生する圧力変動を小さくすることができる。このため、上記の歪計測装置１００のように、微小な圧力変化を測定する装置において好適に使用することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の歪計測装置及びこの歪計測装置に取り付けられたバルブ機構は種々の変更を行うことができる。

　例えば、上記実施形態の歪計測装置１００に含まれるバルブ機構６０は、バルブホルダ６１の内部にバルブスリーブ６２及びバルブプランジャ６３の２つの部材が挿入されているが、バルブスリーブ６２とバルブプランジャ６３とは一体化されていてもよく、一体化された部材が動力部６５によって駆動することで、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断の切替えを行う構成であってもよい。

　また、上記実施形態の歪計測装置１００におけるバルブ機構６０では、バルブプランジャ６３の連結口６３Ｃがバルブホルダ６１の内部と接続しない位置までバルブプランジャ６３が移動することによって、調整オイル収容領域５２と受感領域１５とが切断される構成について説明したが、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断の切替えは他の構成によっても実現できる。例えば、上記実施形態のようにバルブプランジャ６３に設けられた流路の連結口６３Ｃと、バルブホルダ６１の開口とが当接するような構成とされている場合には、これらが重なるような位置ではない場合には調整オイル収容領域５２と受感領域１５とは切断される。このように、上記実施形態のバルブ機構６０には、調整オイル収容領域５２と受感領域１５との接続及び切断の切替えを実現する種々の構成を利用することができる。

　また、上記実施形態では、バルブ機構６０を歪計測装置１００に適用した構成について説明しているが、バルブ機構６０は、歪計測装置１００以外の装置に適用することができる。すなわち、上記実施形態のバルブ機構６０は、２つの空間の接続及び切断を切り替える用途において、種々の装置で用いることができる。また、上記実施形態の歪計測装置１００で用いられる圧力バランス機構５１は他の水中作業装置に適用することができる。また、バルブ機構６０で接続／切断の切り替えが行われる受感領域１５及び調整オイル収容領域５２の２つの空間には、シリコンオイルＬに代えて、鉱油、アルキルベンゼン、ポリブデン、アルキルナフタレン、アルキイルジフェニルエタン等の熱膨張係数が小さく（１×１０^－４以下）且つ粘性が低い（１００ｃｐｓ以下）絶縁油を充填してもよく、また、液体であるシリコンオイルＬに代えて種々の流体が充填された構成であってもよい。

　１…地盤、２…縦穴、１０…検知部、１１…内筒、１３…外筒（容器、受感部）、１５…受感領域（第２の空間）、２０…差動変位計、３０…計測部、５０…圧力調整部、５１…圧力バランス機構、５２…調整オイル収容領域（第１の空間）、５３…筺体部（容器、外筒部）、５３Ａ…開口部、６０…バルブ機構、６１…バルブホルダ（筒状部材）、６２…バルブスリーブ（第１の部材）、６２Ｃ…突起部、６３…バルブプランジャ（第２の部材）、６３Ａ…流路、６３Ｂ…開口、６３Ｃ…連結口、６４…バルブネジ、６５…動力部、６６…弾性部材、１００…歪計測装置。

Claims

　水中での作業に用いられる水中作業装置であって、
　内部に流体が収容された容器と、
　前記容器の一部を構成すると共に、外部と連通する筒状の開口部を有する外筒部と、
　前記外筒部の内側において前記開口部を塞ぐように設けられると共に、外部の圧力に対応して摺動可能なピストンと、
　を備えることを特徴とする水中作業装置。
　内部に流体が収容された容器と、
　前記容器の一部を構成すると共に、外部と連通する筒状の開口部を有する外筒部と、
　前記外筒部の内側において前記開口部を塞ぐように設けられると共に、外部の圧力に対応して摺動可能なピストンと、
　前記容器の内圧を計測する計測部と、
　を備え、
　前記容器は、外部の圧力に応じて変形可能な部材から形成された受感部を含んで構成され、この受感部の変形によって前記容器の内部の体積が変動する
　ことを特徴とする水中用歪計測装置。
　前記受感部の変位を検知する変位計をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の水中用歪計測装置。
　前記変位計は、前記受感部に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項３記載の水中用歪計測装置。
　前記受感部の形状は筒状であり、
　前記複数の変位計は、前記受感部の軸方向に沿ってそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項４記載の水中用歪計測装置。
　前記受感部の形状は筒状であり、
　前記複数の変位計は、前記受感部の軸に直交する面の外周に沿ってそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項４記載の水中用歪計測装置。
　前記複数の変位計は、前記面の中心に対して対称に配置されるように、前記面の外周に沿ってそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項６記載の水中用歪計測装置。
　前記受感部の形状は筒状であり、
　前記複数の変位計は、前記受感部の軸方向に沿って螺旋状となるようにそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項４記載の水中用歪計測装置。
　前記容器の内部は、第１の空間と第２の空間とに区切られていて、
　前記第１の空間に対して前記外筒部及び前記ピストンが設けられ、
　前記第２の空間に対して前記受感部が設けられ、
　前記計測部は、前記容器のうち前記第２の空間の内圧を測定し、
　当該第１の空間と第２の空間との接続及び切断を切り替えるバルブ機構をさらに備えることを特徴とする請求項２～８のいずれか一項に記載の水中用歪計測装置。
　前記バルブ機構は、
　筒状部材と、
　前記筒状部材の内部に前記筒状部材の軸線方向に移動可能に設けられる柱状部材と、
　前記柱状部材を移動させる動力部と、
　を備え、
　前記筒状部材は、前記筒状部材の側面に前記筒状部材の内部と前記第２の空間との間を接続させるための開口を有し、
　前記柱状部材は、一端が前記第１の空間に接続されると共に他端が前記柱状部材の側面に設けられた連結口とされた流路を有し、
　前記連結口は、前記柱状部材が前記筒状部材の内部の所定の位置にあるときには前記開口と連通し、前記柱状部材が前記筒状部材の内部の前記所定の位置以外にあるときには前記開口と連通しない
　ことを特徴とする請求項９記載の水中用歪計測装置。