(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体と翼と推進器とを備えた機体を有し、
前記翼は、前記推進器の作動により前記機体を前進沈降させ、推進器の停止時は浮力により前記機体を前進浮上させるように前記胴体に設けられ、
前記胴体の水平状態において、前記機体の重心よりも浮力中心が前方にあり、
前記推進器は、前記浮力中心よりも前方に位置し、前記胴体の水平状態に対して前方下方に推力を生じさせるものであり、
前記推進器の駆動源としてソーラー発電装置が設けられていることを特徴とするソーラー水中グライダー。
【請求項２】
前記胴体の水平状態において、前記翼も水平になるよう前記胴体に固定されていることを特徴とする請求項１記載のソーラー水中グライダー。
【請求項３】
前記ソーラー発電装置は、前記翼の上面に設けられたソーラー発電パネルを有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一つに記載のソーラー水中グライダー。
【請求項４】
前記ソーラー発電装置は、前記胴体の上部に設けられたソーラー発電パネルを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のソーラー水中グライダー。
【請求項５】
胴体と翼と推進器とを備えた機体を有し、前記胴体の水平状態において、前記機体の重心よりも浮力中心が前方にあり、前記推進器は、前記浮力中心よりも前方に位置し、前記胴体の水平状態に対して前方下方に推力を生じさせるものである水中航走体の潜航方法において、
前記推進器による推力と翼により、所定水深まで前進沈降し、前記推進器を停止して浮力と翼により前進浮上することを特徴とする水中航走体の潜航方法。
【請求項６】
前記推進器はソーラー発電装置により駆動され、前記ソーラー発電装置からの動力供給および停止が繰り返されて、前記前進沈降および前進浮上が繰り返されることを特徴とする請求項５記載の水中航走体の潜航方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中航走体（ソーラー水中グライダー）及びその潜航方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋は地球表面の約７割を占め、現在、人類が直面している地球温暖化などの環境問題やエネルギー問題、食糧問題などの解決の鍵を握るといわれている。平成１９年４月に「海洋基本法」が成立、同年７月から施行され、海洋の調査研究・管理・開発の必要性・重要性が改めて認識されているところである。
【０００３】
海洋の調査・研究は、船舶による直接的計測、人工衛星などによる間接的計測に加え、最近では海中ロボットを用いた探査が広く行われるようになってきた。電源の供給やリアルタイムでの操作が可能な有索式潜水機（ＲＯＶ：Remotely Operated Vehicle）では調査範囲が限定されることから、自律型海中ロボット（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle）の研究開発が行われ、近年、その性能が飛躍的に向上したことから、さまざまな分野で活躍をしている。海中では電磁波の減衰が大きく、ＧＰＳなどの測位も利用できないことから、ロボットそのものを如何に賢くする（自己の経験に基づいて次の行動を決定する）かが課題となっている。
【０００４】
この種のＡＵＶに適用できる技術として、特開２００３−１３５８６５号公報（特許文献１）に記載のものがある。この特許文献１に示すものは、推進器、浮力調整装置及び動力源（バッテリー）等を備えた潜水艇であった。
【０００５】
推進器を備えないで、前進沈下および前進浮上するものとして、特開２００７−２７６６０９号公報（特許文献２）に記載の水中グライダーが公知である。
【０００６】
図４に示すものは、前記水中グライダーである。
この水中グライダーは、胴体４０の左右に主翼４１を有し、この左右の主翼４１の取付角度χを自在に動かせるようにすることで、運動性能の向上を実現した主翼独立制御型水中グライダーである。この水中グライダーには、浮力を調整するための機構（浮力調整装置又は浮力エンジンという）が必要で、ベント弁を開いてバラストタンク内の空気を抜いて注水・潜入し、圧縮した窒素ガスをバラストタンク内にブローすることで排水・浮上ができるようになっている。高圧ポンプを使って海水や油をバラストタンクに取り入れることによって注排水を行って浮力調整するものや、バラスト（錘）を水中で投棄して浮上する（一度きりの潜航に限られる）ものなどがある。
【０００７】
この水中グライダーの潜航原理は図示の如く、機体に働く流体力（揚力Ｌ・抗力Ｄ）の作用を利用して推進するのである。主翼４１に迎角αを持たせるために機体の姿勢を制御する必要があり、機体内部に搭載したウエイト（バッテリーなど）を前後に移動させて、重心をシフトさせる（重心位置制御装置という）ようになっている。重力Ｗと浮力Ｆの差（Ｗ−Ｆ：実質重量という）と機体に働く流体力（揚力Ｌ、抗力Ｄ）が釣り合うように、白抜き矢印方向に一定速度Ｖで潜航を行う。図中のθは機体（胴体４０）の姿勢角である。
【０００８】
前記水中グライダーを潜航させるには、浮力調整装置、重心位置制御装置、迎角調整装置などの機構が必要不可欠であるが、特許文献１のものに比べると、推進器などを必要としないために、製作コストや保守整備が著しく容易であるという特徴があった。
【０００９】
また、動力源としてのバッテリーに代わるものとして、水中玩具ではあるが、例えば、特開２００１−７０６６７号公報（特許文献３）に示すソーラー発電装置を備えたものが公知である。この特許文献３に記載の水中玩具は、ゆっくり沈下するように容積が調整されたフロートと、推進器と、ソーラー発電装置とを備えていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１３５８６５号公報
【特許文献２】特開２００７−２７６６０９号公報
【特許文献３】特開２００１−７０６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記特許文献１記載の潜水艇は、推進器、浮力調整装置及び動力源を備えているため、構造が複雑で、かつ、長時間の潜航は不可能であった。
【００１２】
前記特許文献２記載の水中グライダーでは、推進器を備えない分、前記特許文献１記載のものに比べて構造は簡素化されているが、浮力調整装置や重心位置制御装置及び動力源等を必要とするため、構造が複雑でかつ長時間の潜航には限界があった。
【００１３】
一方、特許文献３に記載のソーラー発電装置を備えたものをＡＵＶに適用すれば、太陽光が届く限り長時間の潜航が可能であるが、太陽光が届かなくなると、その場において真っ直ぐ下方に沈下するより仕方のないものであった。また、前記特許文献２記載の水中グライダーの動力源としてソーラー発電装置を用いても、浮力調整装置の加圧気体が消費されてしまえば、それ以上の潜航は不可能となるものであった。
【００１４】
そこで、本発明は、前記従来技術の問題点を克服し、エネルギー効率の向上を図った水中航走体を提供することを目的とする。
【００１５】
また、浮力調整装置や重心位置制御装置を設けることなく、前進沈降・前進浮上を繰り返す潜航を行うことができる、構造が簡単な水中航走体を提供することを目的とする。
【００１６】
さらに、太陽光が届く限り、前記潜航を行うことができる水中航走体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。すなわち、本発明の水中航走体（ソーラー水中グライダー）の特徴とするところは、胴体と翼と推進器とを備えた機体を有し、前記翼は、前記推進器の作動により前記機体を前進沈降させ、推進器の停止時は浮力により前記機体を前進浮上させるように前記胴体に設けられ、前記胴体の水平状態において、前記機体の重心よりも浮力中心が前方にあり、前記推進器は、前記浮力中心よりも前方に位置し、前記胴体の水平状態に対して前方下方に推力を生じさせるものであり、前記推進器の駆動源としてソーラー発電装置が設けられている点にある。
【００１９】
前記胴体の水平状態において、前記翼も水平になるよう前記胴体に固定されていることが好ましい。
【００２０】
前記ソーラー発電装置は、前記翼の上面に設けられたソーラー発電パネルを有することが好ましい。
【００２１】
前記ソーラー発電装置は、前記胴体の上部に設けられたソーラー発電パネルを有することもできる。
【００２２】
本発明の、水中航走体の潜航方法の特徴とするところは、胴体と翼と推進器とを備えた機体を有し、前記胴体の水平状態において、前記機体の重心よりも浮力中心が前方にあり、前記推進器は、前記浮力中心よりも前方に位置し、前記胴体の水平状態に対して前方下方に推力を生じさせるものである水中航走体の潜航方法において、前記推進器による推力と翼により、所定水深まで前進沈降し、前記推進器を停止して浮力と翼により前進浮上する点にある。
【００２３】
前記推進器はソーラー発電装置により駆動され、前記ソーラー発電装置からの動力供給および停止が繰り返されて、前記前進沈降および前進浮上が繰り返されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、動力源を必要とする推進器は前進沈降のときに使用され、前進浮上の時の動力源は浮力であるので、前記特許文献１記載の推進器を常時使用するものに比べ、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【００２５】
本発明によれば、浮力調整装置や重心位置制御装置を必要としないので、前記特許文献２のものに比べ、構造が簡単にして前進沈降及び前進浮上が繰り返される潜航が可能となる。
【００２６】
さらに、動力源としてソーラー発電装置を用いることにより、太陽光が届く限り、前記潜航が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態を示す水中航走体(ソーラー水中グライダー)の斜視図である。
【図２】図１に示す水中航走体の側面図である。
【図３】本発明実施の形態の水中航走体の潜航方法を示す説明図である。
【図４】従来の水中グライダーの潜航原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示す如く、水中航走体は、胴体１と翼２と推進器(スラスター)３とを備えた機体を有する。この実施の形態の水中航走体は、グライダーのような大きな翼２を有しているため水中グライダーとも呼ばれる。
【００２９】
前記胴体１は、水中航走体の機体の一部を構成し、前後方向に長い略円筒状を呈している。胴体１の先頭部分は、流体抵抗を軽減するため、流線型に形成されている。胴体１の内部は空洞に形成され、その内部は気密及び水密が保たれて、その内部に所定の機器が収納されている。
【００３０】
前記翼２は、胴体１の前後方向の略中央部から左右両側に、略水平方向に突設されている。翼２の前縁は、左右方向先端に行くに従い後方に後退している。翼２の後縁は、前後方向に対して略直角に外方に延びている。すなわち、翼２の胴体取付部の前後方向の幅は、先端の幅よりも広い。翼２の上面及び下面は、上下対称な翼型に形成されているが、この形状に限定されるものではない。翼２は胴体１に固定的に設けられているが、前記特許文献２に示すように、翼２の取付角を可変に制御可能とすることもできる。
【００３１】
なお、空気に比べて約８００倍の密度を持つ水中では、小さな翼でもグライディングすることは可能であるが、高い揚坑比（小さなグライディング角度）を求めたり、自在な動きをさせたりする場合には、翼面積を大きくとることが有効である。この実施の形態では、大きな翼面積をとる構成とされている。
【００３２】
前記胴体１の後部には、垂直尾翼４が設けられている。この垂直尾翼４は、固定式であり、直進安定性を確保するためのものである。しかし、垂直尾翼を可変に制御可能として、進行方向を制御することもできる。なお、水平尾翼は設けられていないが、設けることもできる。
【００３３】
前記推進器３は、水中航走体を潜入（前進沈降）させるに必要な推力を得るためのものである。推進器３は、翼よりも前方の胴体１の左右両側に一対設けられている。この推進器３は、モータと、該モータで回転されるプロペラとを有し、プロペラの外周域には推進効率を高めるためのシュラウドリングが設けられているが、図２では、そのシュラウドリングは省略され、プロペラ５が示されている。
【００３４】
この推進器(スラスター)３は、モータ駆動のプロペラに限られず、ジェット水排出のもの等であってもよい。
【００３５】
前記推進器３へ動力を供給するための駆動源が設けられている。この実施の形態では、駆動源としてソーラー発電装置が設けられている。したがって、この水中航走体はソーラー水中グライダーと呼ばれる。
【００３６】
なお、前記推進器３の駆動源としては、前記ソーラー発電装置に限られず、胴体内に設けたバッテリー等とすることもできる。
【００３７】
前記ソーラー発電装置は、ソーラー発電パネル６やその他関連機器を有するが、図示省略されている。ソーラー発電パネル６は前記翼２の上面に貼り付けられている。またソーラー発電パネル６は、前記胴体１の内部上面にも設けられている。したがって、ソーラー発電パネル６を設置する胴体１部分は透明板で形成されている。ソーラー発電パネル６により発電された電気は、胴体１内に設けられた蓄電手段（例えば、コンデンサーなど）等を介して、所定の電圧・電流として推進器３のモータに供給される。
【００３８】
ソーラー発電装置は、水面から所定深さまでは発電可能なものである。ソーラー発電パネル６として、海中では太陽光の吸収・減衰が大きく、波長の短い青色の成分のみを透過するため、この帯域の太陽光を吸収しやすい「アモルファスシリコン太陽電池」を採用した。海面での広帯域の太陽光をより効率よく利用するためには、ハイブリッド型太陽電池などを採用することもできる。
【００３９】
図２に示す如く、前記胴体１の水平状態（機体の姿勢角度θ＝０）において、該航走体の重心Ｇよりも浮力中心Ｂが前方にある。
【００４０】
前記推進器３は、前記浮力中心Ｂより前方に位置する。推進器３は、前記胴体１の水平状態に対して前方下方に推力を生じさせるように、取付角χで固定的に設けられている。なお、この取付角χを可変に制御可能とすることもできる。
【００４１】
なお、この実施の形態では前記翼２は、胴体１が水平方向に進むとき、取付角＝０となるように胴体１に固定されている。
【００４２】
図３は、本実施の形態の水中航走体の潜航原理を示すものである。
図３の「（ａ）つりあい状態」に示す如く、前記水中航走体は、水に浮かべた「つりあい状態」において、胴体１の先頭部分が水面上に浮かび、その他の部分は水中に沈み、推進器３が略水平状態を呈するよう構成されている。図２の胴体１が水平状態においては、浮力の中心Ｂは、重心Ｇよりも前方にあったが、図３の水中における「つりあい状態」では、浮力中心Ｂと重心Ｇとは同一鉛直線上に位置することになり、胴体１は前方が上方を指向する傾斜状態で安定している。したがって、この安定状態で翼２は所定の迎角を有することになる。
【００４３】
図３（ａ）において、胴体１の水面下の体積をＶとし、胴体１前部の水面上に露出する部分の体積をδＶとすると、浮力中心Ｂは、体積Ｖの中心となる。浮力Ｆと重量Ｗはつりあっていて、Ｆ＝Ｗ＝ρｇＶである。ここに、ρは雰囲気水（機体が排除した水）の密度ｇは重力加速度である。
【００４４】
推進器３の取付角度χ（図２参照）は、このつりあい状態において略水平になるように設定される。
【００４５】
このつりあい状態において、推進器３が作動すると、その推力Ｔによって機体は押し沈められる。
【００４６】
なお、前記「推進器３が略水平状態になるように設ける」点は、本件発明の要件ではなく、推進器３による前進により発生する「流体力」により、機体が沈下するよう設けられていればよい。また、最適な取付角χは、推進力や流体力との関係から決まるものであるので、実験等により求めるのが効率的である。
【００４７】
推進器３への動力は、ソーラー発電装置により供給され、太陽光が存在する限り動力を得ることができる。
【００４８】
図３の「（ｂ）スラスター作動（潜入）」に示す如く、潜入時は機体前部も水面下に没するため、浮力中心Ｂ’（体積中心）は若干前方に移動する。このときの浮力Ｆ’は、Ｆ’＝ρｇ（Ｖ＋δＶ）となる。浮力Ｆ’と重量Ｗの差（予備浮力という）は、δＦ＝ρｇδＶである。このとき、浮力Ｆ’と重量Ｗ、推力Ｔおよび機体全体に働く揚力Ｌ、抗力Ｄがつりあって、定常速度Ｖで点線矢印方向へ前進沈降（潜入）を行う。なお、潜入時は胴体１及び翼２に対する迎角があることによって機体全体に流体力（揚力Ｌ、抗力Ｄ）が生じる。
【００４９】
所定水深まで達すると、太陽光が届かなくなり、ソーラー発電パネル６による発電が停止され、蓄電量がなくなると、推進器３の作動は停止する。
【００５０】
図３の「（ｃ）スラスター停止（浮上）」に示すように、推進器３が停止すると、予備浮力δＦによって浮上を開始する。このとき、浮力Ｆ’と重量Ｗと機体全体に働く揚力Ｌ、抗力Ｄがつりあって、定常速度Ｖ’（潜入速度Ｖと同じとは限らない）で点線矢印方向に前進浮上する。
【００５１】
所定水深まで浮上すると、ふたたび太陽光発電によって（充電を行い）、推進器３を作動させて潜入を行う。本実施の形態の水中航走体は、十分な太陽光がある限り、潜入と浮上を繰り返しながら、長期間、広範囲にわたって潜航を続けることができる。
【００５２】
したがって、前記翼２は、前記胴体１を前記推進器３の作動により前進沈降させ、推進器３の停止時は浮力により前進浮上させるものである。
【００５３】
このような潜航を行うことにより、潜入時のみ推進器３への動力を提供すればよいので、潜入と浮上時の両方に動力を提供するものに比べ、エネルギー効率の向上が図れる。
【００５４】
なお、前記実施の形態では、推進器を浮力中心よりも前方位置に配したが、これに限定されず、その他の位置であっても、その推力により、機首を下方に姿勢変更できるものであれば良い。
【００５５】
次に、前記水中航走体による潜航方法の実施の形態につき説明する。
この潜航方法は、胴体１と翼２と推進器３とを有した水中航走体の潜航方法であって、前記推進器３による推力と翼２により、所定水深まで前進沈降し、前記推進器３を停止して浮力と翼２により前進浮上するものである。  
【００５６】
前記推進器３は、ソーラー発電装置により駆動され、前記ソーラー発電装置は、水面から所定水深までは発電可能であり、前記前進沈降は、発電可能水深で行われ、発電不能水深に達したとき、前記前進浮上が行われる。
【００５７】
前記構成の水中航走体は、太陽光の届く範囲（浅海域）での運用に適している。例えば、太陽光の影響を受けるプランクトンの動態を知ることは、海洋の物理過程の解明にとって非常に重要で、群知能海中ロボットとして複数機の水中グライダーを展開すれば、地球規模での海洋研究にとって非常に有利な手段となり得る。海洋観測船から海中にセンサーを入れることで、塩分濃度（電気伝導率）や水温、溶存酸素などの鉛直方向プロファイラーを得ることは以前からされているが、海洋の物理過程を解明するためには、準水平方向のデータ収集が強く求められており、それに適した運用を行うことができる。
【００５８】
なお、前記実施の形態では、翼や推進器の取り付けは固定的なものとしたが、その取付角度を制御可能とすることにより、よりスムーズな潜入・浮上を実現することが可能である。
【００５９】
また、本発明の潜航方法によれば、潜入・浮上の両方に推進器を用いる従来のものに比べ、エネルギー効率の向上が図られるものである。
【００６０】
太陽光発電を利用することにより、運用時間に制限のあった自律型海中ロボット（ＡＵＶ）の運用時間を飛躍的に延ばすことが可能になる。
【００６１】
重心位置調整装置などの圧力容器（機体）を貫通するような構造・機構は、海中ロボットの保守性・信頼性を著しく損なう可能性もあるが、本実施の形態による水中航走体は、浮力調整装置や重心移動機構などを必要とせず、極めて単純な構造とすることができるため、安価に製作ができ、保守整備が容易になるという海中ロボットにとって非常に大きな利点がある。
【００６２】
なお、本発明の潜航方法に用いる水中航走体としてはソーラー水中グライダーに限定されるものではなく、バッテリー駆動の水中グライダーであっても良い。
【００６３】
今回開示された実施の形態はすべ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。本発明の範囲は上記した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およ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。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、海洋の調査・研究に係わる産業に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  胴体、２  翼、３  推進器、６  ソーラー発電パネル。
【図１】
0005504499.tif 000002
【図２】
0005504499.tif 000003
【図３】
0005504499.tif 000004
【図４】
0005504499.tif 000005