(57)【要約】  【課題】モーターボートや潜水艇等の流体中の移動装置であってスクリュプロペラのような弊害をなくすことができ、しかも推力制御、すなわち速度制御ができる推進装置、およびその推進装置を搭載した移動装置を提供する。  【解決手段】流体内をフィン３３の揺動により推進する装置において、駆動源３４に連結する剛体棒３７が、フィン３３と連結するコイルバネ３ａの中空に、進退可能に挿入保持されて、該駆動源３４と該フィン３３とが連結し、該剛体棒３７の該コイルバネ３ａへの挿入程度によって、該コイルバネ３ａの揺動有効長が変化し、推力が可変なことを特徴とする推進装置、およびその推進装置を搭載した移動装置である。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体内をフィンの揺動により推進する装置において、揺動駆動源に連結する剛体棒が、フィンと連結するコイルバネの中空に、進退可能に挿入保持されて、該揺動駆動源と該フィンとが連結し、該剛体棒の該コイルバネへの挿入程度によって、該コイルバネの揺動有効長が変化し、推力が可変なことを特徴とする推進装置。
【請求項２】
該剛体棒の該コイルバネへの前記進退可能な挿入保持は、該揺動駆動源と同一源の駆動力によってなされ、該揺動駆動源への駆動力制御に連動して前記した挿入程度が連動することを特徴とする請求項１に記載の推進装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の推進装置を搭載したことを特徴とする流体中の移動装置。
【請求項４】
該推進装置が操舵手段に連結していることを特徴とする請求項３に記載の流体中の移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体内をフィンの揺動により推進し推力が可変な推進装置、およびその推進装置を搭載した、例えばモーターボートや潜水艇等の流体中の移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中や水上を移動するモーターボートや潜水艇等の推進装置としては、スクリュプロペラが広く用いられているが、高速で回転することによって水中の生物に危険をもたらし、水圧が水の飽和水蒸気圧以下になって生じるキャビテーションを引きおこすという問題がある。
【０００３】
魚類など、体の後部にある尾部の屈曲運動を模擬した水中の推進機構は、スクリュプロペラの欠点を補う新たな水中屈曲推進機構として有効であり、例えばイルカのヒレの形状のフィンを屈曲させて推力を得るようにした推進機構が特許文献１に提案されている。とくに、フィンの弾性的な変形が推進に大きく寄与するため、特許文献２に示す魚ひれ型水中推進装置のように、尾ひれと本体の間にバネを介在させ、尾ひれが弾性的に変形する機構が提案されている。
【０００４】
そのバネと推進装置について詳細に記載されている非特許文献１では、推進効率や推進力に寄与する最適なバネ定数があり、それは推進速度などによって変化する記載されている。したがって、変化する環境や推進の目的によって最適な様々なバネの交換が必要になる。当然、動作させながらバネを交換することは不可能である。
【０００５】
そこで、バネ定数が動的に変化するような、可変剛性の機構が必要となる。コイルバネに対し、コイル間に板を設けることにより有効長さを変化させることにより、バネの圧縮・引っ張り方向のバネ定数を変化させるものは、特許文献５に示されているが、機構が複雑になり、バネ定数の変化速度も低いことが予想される。
【０００６】
板バネに対して有効長さを変化させるものはあるが（特許文献３）、フィンへ応用したものはない。
【０００７】
流体内推進への応用として、２枚の弾性フィンを用意し、その弾性フィン間の吸着力を電磁石で制御することで、２枚の弾性フィンの剛性を動的に変化できる機構が本件発明の発明者により特許文献４（未公開）に示すとおり出願されている。しかし、大きな吸着力を発生するには電磁石の大型化、大電流を必要とするのであまり好ましくない。
【０００８】
【特許文献１】特開平８―１２６７２０号公報
【特許文献２】特開昭５６―８６８９０号公報
【特許文献３】特開２０００―１４１７１７号公報
【特許文献４】特願２００３―１２２９０５号
【特許文献５】特開平６―５８３５５号公報
【非特許文献１】シップアンドオーシャン財団、抵抗と推進の流体力学、1996、p178-187
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述の問題点を考慮し、例えばモーターボートや潜水艇等の流体中の移動装置であってスクリュプロペラのような弊害をなくすことができ、しかも推力制御、すなわち速度制御ができる推進装置、およびその推進装置を搭載した移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した問題点を解決するためになされた特許請求の範囲の請求項１に係る発明は、流体内をフィンの揺動により推進する装置において、駆動源に連結する剛体棒が、フィンと連結するコイルバネの中空に、進退可能に挿入保持されて、該駆動源と該フィンとが連結し、該剛体棒の該コイルバネへの挿入程度によって、該コイルバネの揺動有効長が変化し、推力が可変なことを特徴とする推進装置である。
【００１１】
同じく請求項２に係る発明は、該剛体棒の該コイルバネへの前記進退可能な挿入保持は、該駆動源の駆動力によってなされ、揺動駆動源への駆動力制御に連動して前記した挿入程度が連動することを特徴とする請求項１に記載の推進装置である。
【００１２】
同じく請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の推進装置を搭載したことを特徴とする流体中の移動装置である。
【００１３】
同じく請求項４に係る発明は、該推進装置が操舵手段に連結していることを特徴とする請求項３に記載の流体中の移動装置である。
【００１４】
すなわち、２リンクのフィンの接合部にあるコイルバネの中に剛体棒が全て入っている場合は、バネとしての働きがなくなり、剛体フィンとして働くが、剛体棒が入っている長さを短くすると、すなわち、バネの有効長さが大きくなると、バネの横方向の弾性変形量が大きくなり、見かけの剛性が低くなる。これにより、フィンの見かけの剛性を動的に変化させることに成功した。推進機構として用いるには、揺動を発生するため、基部に回転機構（例えばモータ）を設ける必要がある。
【００１５】
推進機構としてさらに有効な推力と効率を得るには、フィンの揺動（ピッチング）だけでなく、フィンの平行移動（ヒービング）も必要となる。その場合、基部の回転機構をさらに回転機構で支持することで可能となる。
【００１６】
この機構を団扇に適用する場合、バネの有効長さの調節によって、使用者や使用状況によって変化する好みの弾性を調節できる高性能な団扇を作成することができる。さらに動的に有効長さを変化させることも用途によっては可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の推進装置によれば、バネの有効長さを変化することにより、バネの弾性変形を変化させることができるフィンができ、この機構をもつフィンを流体内推進機構に採用することにより、従来のフィン型の推進機構と比較して比して広い推進速度域で高効率が得られる。
【発明の実施の形態】
【００１８】
図１に、本発明の動的に有効長さを変化できるバネの構成を示す。支持されている部分をのぞくバネ１１の自然長さは２６ｍｍであり、半径は４ｍｍ、コイルの直径は１ｍｍ、コイルの巻き数は２６である。
【００１９】
図２にバネ１１の先端に横加重が加わった場合における、バネの有効長さに対するバネの曲がり角度の変化をしめす。これより、バネの有効長さが大きくなると曲がり角度が大きくなり、見かけの剛性が低くなるのがわかる。
【００２０】
図３に本発明の有効長さを変化できるバネを用いたフィン推進装置の構成を示す。フィンは水中に位置し、基部側のボックスフィン３１は長さ１２０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ２５ｍｍのアルミ箱に透明アクリルのカバー３２が付いている。先頭側のフィン３３は塩化ビニル製で、長さ１２０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ３ｍｍ（コイルバネ３aの長さは２６ｍｍ）である。基部側のボックスフィン３１の中にはモータ３４があり、その動力を接合部３ｂに介してすべりねじ３５に伝える。すべりねじ３５にはナット３６がかみ合っており、ナット３６に剛体棒３７が接合されている。すなわち、モータ３４の回転運動が剛体棒３７の往復運動に変換されている。モータ３４の防水のため、ゴムリング３８でシーリングしている。基部についているシャフト３９が回転することにより、このボックスフィン３１とフィン３３は揺動することになる。
【００２１】
図４に、本発明のフィン推進装置の駆動および推進力測定系の構成図を示す。ボックスフィン３１とコイルばね３ａ、フィン３２は水槽４２の水中にあるように位置し、これにシャフト３９を介して接続されているＤＣサーボモータ４１ａが回転運動することによって、ボックスフィン３１とコイルばね３ａに接続されたフィン３２を揺動させることができ、推進力を発生する。従って、このＤＣサーボモータ４１ａの回転を制御することで、ボックスフィン３１の揺動角速度及び揺動の角度振幅を決めることができる。また、コイルばね３aの有効長さを変えるため、剛体棒３７の位置決めをするモータ３４の制御は、パーソナルコンピュータ４３からＡＤ/ＤＡ変換器４９ｂを介して、ドライバ４４に信号を送ることによりおこなう。
【００２２】
ＤＣサーボモータ４１ａを支持する板４５は、リニアブッシュ４６を介したレール４６ａで支持され、左右に自由に動くことができる。これを接続棒４７を介してロードセル４８で拘束し、そこに加わる力を推進力として検出する。ロードセル４８からひずみ増幅器４９により増幅された電圧値を、ＤＣサーボモータ４１ａへの出力信号に同期させて、パーソナルコンピュータ４３に取り込む。
【００２３】
図５に、本発明のフィン推進装置の、水中における揺動運動１周期の形状を９分割して示す。なお、運動周波数は０．２５Ｈｚ、揺動の角度振幅は６０°である．同図では３通りのバネ有効長さで行っている。図５（ａ）は、有効長さＨ＝０（ほぼ剛体）の場合、図５（ｂ）は、有効長さＨ＝５L／６、すなわち有効長さが自然長の約８３％の場合、図５（ｃ）は、効長さＨ＝Ｌ、すなわち有効長さがバネの自然長の場合である。
【００２４】
図５（ａ）では、コイルバネ３ａの部分が曲がらず、常にボックスフィン３１とフィン３３が直線状である。図５（ｂ）では、コイルバネ３ａの部分が曲がり、図５（ｃ）では、その曲がりがさらに大きくなっている。これにより、有効長さを変えることにより、コイルバネ３ａの見かけの剛性を変化させることができた。
【００２５】
推進力の測定結果として、このフィン推進装置の推進力の、運動１周期における平均値は、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）の条件で、それぞれ０．１２Ｎ、０．１７Ｎ、０．１６Ｎである。従って、図５（ｂ）の条件が一番大きな推進力が得られた。これは、剛性フィンよりも弾性をもたせたフィンによる推進装置の方が推進力が大きく、適切な弾性の度合い（バネの有効長さ、見かけの剛性）が存在していることを示している。
【００２６】
この結果は、剛体棒３７を動的に動かしていない状態であるが、常に運転している状態で、剛体棒３７を動的に動かすことは可能である。さらに、周期的な運動をしているので、その運動の位相に対して有効長さを変化できるように、剛体棒３７の長さを変化させることも可能で、さらに有効な推進力特性を得ることができる。
【００２７】
図６に、本発明の推進装置を搭載し、魚を模した移動装置の実施例を示す。移動装置のフィン６５は、魚の尾びれのような形状とする。本体６１の中にあるモータ６６は、その回転を歯車６４を介して回転軸６７に伝達する。回転軸６７に接続されたフィン６５が揺動運動を行う。様々な推進速度域において、最適な有効長さ（見かけの剛性）を変化できることにより、広い推進速度域で推進の効率を上げることが可能である。
【００２８】
この推進機構移動装置でのフィン６５は、回転軸６７の揺動運動（ピッチング）のみで駆動されるが、回転軸６７が左右に往復運動（ヒービング）する機構をさらに付加することにより、フィン６５の運動が魚の尾びれの運動にさらに近くなり、効率がもっと高い弾性振動翼流体内推進機構を実現することが可能である。
【００２９】
図７に本発明の推進装置に使用される、有効長さを変化できるコイルバネを備えたフィンに相当する団扇を示す。剛体棒はねじ７２についており、ねじ７２を動かすことにより有効長さを変化させて好みの弾性の度合いを調節できる。フィン７４は剛体でなくてもよく、従来の素材でもよい。
【００３０】
なお、図８に示すように、コイルバネの代わりに２枚の板バネ８１を用意し、その間に剛体板８２が動く構造でもよい。剛体板８２の位置決めは、固定用穴８６を設ければよい。
【００３１】
これらの団扇は、今までの団扇よりも好みの弾性の度合いを調節できる高性能な団扇、この機構を利用したさらに高性能な団扇な達成された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】動的に有効長さを変化できるバネの構成図である。
【００３３】
【図２】有効長さを変化できるバネの先端に横加重が加わった場合における、バネの有効長さに対するバネの曲がり角度の変化を示すグラフである。
【００３４】
【図３】本発明の推進装置の実施例を示す斜視図である。
【００３５】
【図４】本発明の推進装置の駆動制御のブロック構成図である。
【００３６】
【図５】本発明の動的に有効長さを変化できるバネを用いたフィンの水中における揺動運動１周期の形状を示す図である。
【００３７】
【図６】本発明の移動装置の実施例を示す斜視図である。
【００３８】
【図７】本発明の有効長さを変化できるバネを備えた団扇である。
【００３９】
【図８】本発明の有効長さを変化できるコイルバネの代わりに有効長さを変化できる２枚の板バネを備えた団扇である。
【符号の説明】
【００４０】
１１    バネ
１２    剛体棒
１３    支持台
１４    板
Ｌ      ばね自然長
Ｈ      ばね有効長さ（可変）
Ｑ      横加重
γ      ばねの曲げ角度
３１    ボックスフィン
３２    透明カバー
３３    フィン
３４    モータ
３５    すべりねじ
３６    ナット
３７    剛体棒
３８    ゴムリング
３９    シャフト
３ａ    コイルバネ
３ｂ    接合部
３ｃ    水
Ａ      ばね部詳細
４１ａ  ＤＣサーボモータ
４２    水槽
４３    パーソナルコンピュータ
４４    ドライバ
４５    板
４６    リニアブッシュ
４７    接続棒
４８    ロードセル
４９    ひずみ増幅器
４９ａ  サーボアンプ
４９ｂ  ＡＤ／ＤＡ変換器
６１    本体
６４    歯車
６５    フィン
６６    モータ
６７    回転軸
６８    軸受
７２    ねじ
７３    柄
７４    フィン
８１    板バネ
８２    剛体板
８３    柄
８５    剛体棒固定用留め具
８６    固定用穴
Ｂ      側面断面図 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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