(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のフロートの縦横比が１６％以下の円もしくは円に等価な形状のフロートを有し、波形勾配値が０．０８以下の砕波しない条件下において、浮揚・浮遊構造体の重心Ｇが少なくとも前記フロート下面より下方に来るように、しかも、水線が少なくとも前記フロートの高さ以内に絶えず位置するように、前記フロートを本体に対して配置したことを特徴とする波面追従式浮揚・浮遊構造体。
【請求項２】
波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(a) フロートの直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロートの高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
の条件を充足するものとしたことを特徴とする請求項１記載の波面追従式浮揚・浮遊構造体。
【請求項３】
波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(c) フロートの乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
の条件を充足するものとしたことを特徴とする請求項１記載の波面追従式浮揚・浮遊構造体。
【請求項４】
波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(a) フロートの直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロートの高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
(c) フロートの乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
の条件を全て充足するものとしたことを特徴とする請求項１記載の波面追従式浮揚・浮遊構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブイや浮桟橋、浮体式の海洋施設など水面に設置される浮揚・浮遊構造体に関し、特に、波面追従性に優れた浮揚・浮遊構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、波浪、気圧、海面水温を計測するための機器を搭載している漂流式海洋気象ブイなど水面に設置される浮揚・浮遊構造体において、揺れを抑制するための技術が種々提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１、非特許文献２、特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】「橋梁」、円盤型ブイの最適形状・重量について、橋梁編纂会、１９７３年（昭和４８年）１２月、ｐ．２〜４、
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２７３８７号公報
【０００５】
【非特許文献２】「九州大学応用力学研究所所報」、海面ブイシステムの開発、第５２号、１９８０年（昭和５５年）９月、ｐ．６２
【０００６】
【特許文献２】特開２００５−２０６０１０号公報
【０００７】
非特許文献１記載の「円盤型ブイ」は円筒形部分と円錐台部分とからなるフロートを有するブイで、主として急潮流用、大型航路用、浮漁礁用に利用されている。また、特許文献１記載のブイは、前記「円盤型ブイ」の下方にリング状ダンパーを取り付けたものである。また、非特許文献２記載の浮標は円盤状フロートから下方に長く延び出させた柱体の下端に十字状のフィンを取り付けたものである。さらに、特許文献２記載の浮体構造物は表面ブイから下方に長く延び出させた連結材の下端に水没する動揺抑制板を水平状に配置するとともに、前記動揺抑制板に上下揺れの固有周期を規定する開放部を形成したものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１記載の最も一般的な「円盤型ブイ」は波面追従性が比較的良好であるが、転覆しやすいという欠点を有している。また、「円盤型ブイ」の下方にリング状ダンパーを取り付けたもの（特許文献１）は浅い所で不安定であり、ダンパーを取り付けた効果を発揮し得ないという欠点を有している。さらに、非特許文献２記載の浮標や特許文献２記載の浮体構造物は非常に長大で大型であるという欠点を有している。
【０００９】
このような浮揚・浮遊構造体は海域に設置されるところから、揺れが起こる。最も一般的な「円盤型ブイ」の固有周期は、通常、０．５〜８秒程度で、それに対して海洋波の波周期は０．１〜３０秒程度であり（さざ波、風浪、うねりの順で大きくなる）、浮揚・浮遊構造体がこの波と同調して揺れる現象が生じる。この揺れを同調揺れと称するが、その場合の浮揚・浮遊構造体の揺れは極めて大きいものとなる。
【００１０】
浮揚・浮遊構造体の揺れは、回転運動の主要な要素である縦揺れと並進運動の主要な要素である上下揺れとに大別されるが、上述した漂流式海洋気象ブイを例に挙げると、計測された波浪、気圧、海面水温の各データは通信衛星を経由して受信局にリアルタイムで送信され、また、このブイに搭載されているＧＰＳ（Global Positioning System）受信機によって観測時のブイの位置も観測データとともに送られてくるようになっている。
【００１１】
ところが、このブイでは、前記揺れ、特に同調揺れの影響で受信、送信機能が低下し、データの精度が悪くなり、また、データ取得率などの通信信頼性が低下するという問題が生じている。
本発明は、このような揺れ、特に同調揺れを抑制して波面追従性に優れた浮揚・浮遊構造体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明では、板状のフロートの縦横比が１６％以下の円もしくは円に等価な形状のフロートを有し、波形勾配値が０．０８以下の砕波しない条件下において、浮揚・浮遊構造体の重心Ｇが少なくとも前記フロート下面より下方に来るように、しかも、水線が少なくとも前記フロートの高さ以内に絶えず位置するように、前記フロートを本体に対して配置したものである。
このようにすると、浮揚・浮遊構造体の本体付近においてフロート下面に付加質量効果が生じるとともに、浮揚・浮遊構造体の重心Ｇから離れたフロートの外端エッジ付近の運動で造波減衰力が生じ、揺れの同調時を含む範囲で縦揺れ、上下揺れを抑制することができる。そして、この場合には、浮揚・浮遊構造体が波面傾斜以上に傾くことがなく、しかも、波面以上に上下動しないため、波面追従性に優れたものとなる。
従って、本発明を特に漂流式海洋気象ブイに適用すれば、波浪、気圧、海面水温などのデータの精度が上がるのみならず、通信に関する信頼性も大幅に向上する。
【００１３】
波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(a) フロートの直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロートの高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
の条件を充足するものとするのが良い。この場合には、少なくとも浮揚・浮遊構造体の縦揺れが低減される。
【００１４】
この２つの条件(a)，(b)を充足する場合において、フロートの直径Ｄfが最小でフロートの高さＨfが最大の場合におけるフロートの縦横比は１６％、フロートの直径Ｄfが最大でフロートの高さＨfが最小の場合におけるフロートの縦横比は１０％となるから、従来の一般的なフロートの縦横比の数値（２０％以上）に比べて明らかに小さく、本発明のフロートが従来のものより薄いことが分かる。
【００１５】
また、波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(c) フロートの乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
の条件を充足するものとするのが良い。この場合には、少なくとも浮揚・浮遊構造体の上下揺れが低減される。
【００１６】
なお、フロートの吃水ｆdはフロートの高さＨfとフロートの乾舷ｆaとからおのずと定まるので、その条件に適合するようにフロートの吃水ｆdを設定すれば、少なくとも浮揚・浮遊構造体の造波減衰力が低下することがないのみならず、スラミングで浮揚・浮遊構造体が破損、振動するのを防止できる。
【００１７】
波と同調して浮揚・浮遊構造体が揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(a) フロートの直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロートの高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
(c) フロートの乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
の条件を全て充足するものとするのが最良である。この場合には、浮揚・浮遊構造体の波面追従性が最も良好となり、最も理想的な浮揚・浮遊構造体となる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、板状のフロートの縦横比が１６％以下の円もしくは円に等価な形状のフロートの働きで、波面追従性に優れたものとすることができる。特に、本発明を漂流式海洋気象ブイに適用すれば、波浪、気圧、海面水温などのデータの精度が上がるのみならず、通信に関する信頼性も大幅に向上する。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、少なくとも浮揚・浮遊構造体の縦揺れが低減される。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、少なくとも浮揚・浮遊構造体の上下揺れが低減される。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、浮揚・浮遊構造体の波面追従性が最も良好となり、最も理想的な浮揚・浮遊構造体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の最も好ましい実施の形態について、以下詳細に説明する。一般に、水面に設置される浮揚・浮遊構造体としては、ブイや浮桟橋、浮体式の海洋施設などを挙げることができるが、ここでは、その中でも最も縦揺れと上下揺れを生じやすいブイに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２３】
図１に、水面に設置される浮揚・浮遊構造体の一例としてのブイの概要を示す。ここでは、真円形の板状のフロート１を円筒形の本体２の周囲に配置した最も一般的なブイを示す。そして、ブイの縦揺れ、上下揺れをできるだけ少なくし、また、フロート１の上面に波がかかるのを防止し、さらに、フロート１の底面が水面から出ないようにし、究極の目的であるブイの波面追従性を良好ならしめるためには、ブイをどのように設計すれば良いかについて発明者等は鋭意研究、検討を重ねて来た。そして、ブイの動きが板状のフロート１の直径、フロート１の高さ、フロート１の乾舷に関するパラメータと極めて密接な関連性があることを実験から見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２４】
すなわち、この実験を通じてフロート１の直径Ｄf、フロート１の高さＨf、フロート１の乾舷ｆaが、波と同調してブイが揺れたときの波長Ｌwoとそれぞれ関連性があることを見出した。また、フロート１は必ずしも真円形でなくても円に等価な形状（面積が円と同じ大きさとなる形状）であっても良く、また、本体２は通常の円筒形に限定されないことも、実験を通じて推定することができた。
【００２５】
次に、最も一般的な真円形の板状のフロート１を円筒形の本体２の周囲に配置したブイを用いて、水槽実験して得られた成果について以下詳細に説明する。
先ず、フロート１の直径Ｄf及びフロート１の高さＨfと、波と同調してブイが揺れたときの波長Ｌwoとの関係について考察する。
【００２６】
波高Ｈwoを６ｃｍに設定した水槽において、波の周期Ｔwを０．７秒〜２．２秒の範囲内で９通りに変化させ、波と同調したときの従来型のブイ（ブイ２と表わす）と本発明型の一例としてのブイ（ブイ５と表わす）の縦揺れ、上下揺れの特性を調べた。その結果を図３と図４に示す。
縦揺れの固有周期Ｔoφと上下揺れの固有周期Ｔohは、一般に、以下の式(1)，(2)で表わすことができるので、実験に用いた従来型のブイと本発明型の一例としてのブイから計算した数値をそれぞれの式に代入し、縦揺れの固有周期Ｔoφと上下揺れの固有周期Ｔohを求めた。また、実際の波浪にあっては、砕波しない最大波形勾配値（波高Ｈwo／波長Ｌwo）は通常０．０７〜０．０８程度であるので、その範囲内の１つの数値０．０７に設定して計算した。
【００２７】
【数１】
0004566916.tif 000002
【００２８】
【数２】
0004566916.tif 000003
【００２９】
なお、縦揺れ時の波長Ｌwoと固有周期Ｔoφとの関係は、海洋波の波長と周期との基本的関係式より以下の式(3)で表わすことができる。
【００３０】
【数３】
0004566916.tif 000004
【００３１】
図３のグラフにおける縦軸（Ｙ軸）は波面傾斜に対する縦揺れ振幅、図４のグラフにおける縦軸（Ｙ軸）は波高に対する上下揺れの振幅であり、波面傾斜に対する縦揺れの倍率、波高に対する上下揺れの倍率がそれぞれ１．０に近づくほど、波浪中のブイの波面追従性が良好であるということができる。
従って、両図から明らかなように、少なくとも本発明型の一例としてのブイ（ブイ５と表わす）が従来型のブイ（ブイ２と表わす）に比べてブイの波面追従性が良好で、ブイとして理想的であることが分かる。
【００３２】
波浪中におけるブイの波面追従性の面で理想的な本発明型の一例としてのブイ（ブイ５と表わす）と従来型のブイ（ブイ２と表わす）の縦揺れ時の波長Ｌwo、フロート１の直径Ｄf、フロートの高さＨfなど、最低限必要な個々のパラメータについての測定結果を、表１に対比する形で示す。
【００３３】
【表１】
0004566916.tif 000005
【００３４】
この表からも明らかなように、波浪中におけるブイの波面追従性の面で理想的なブイのフロート径比（フロート１の直径Ｄf／同調揺れ時の波長Ｌwo）、フロート高さ比（フロート１の高さＨf／同調揺れ時の波長Ｌwo）、フロート乾舷比（水線からフロート１の上面までの高さｆa／同調揺れ時の波長Ｌwo）の数値が判明した。
【００３５】
次に、上記実験で使用した本発明型の一例としてのブイ（ブイ５と表わす）と従来型のブイ（ブイ２と表わす）以外に、３種類のブイ（ブイ１、ブイ３、ブイ４と表わす）を用意し、各ブイが波と同調して揺れた時のフロートの直径Ｄf、縦揺れ時及び上下揺れ時の波高Ｈwo・同調揺れ時の波長Ｌwo、縦揺れ時のフロート径比（フロートの直径Ｄf／同調揺れ時の波長Ｌwo）について、上記実験と全く同じ要領で測定した結果を、本発明型の一例としてのブイ（ブイ５と表わす）と従来型のブイ（ブイ２と表わす）とともに表２に示す。
【００３６】
【表２】
0004566916.tif 000006
【００３７】
そして、ブイが波と同調したときの縦揺れ時の波面傾斜に対する縦揺れ振幅を縦軸（Ｙ軸）とし、フロート径比（フロート１の直径Ｄf／同調揺れ時の波長Ｌwo）を横軸（Ｘ軸）にして、表２に示す数値をグラフ上にそれぞれプロットした。図５がそのグラフである。
このグラフからも分かるように、縦揺れ時のフロート径比（フロート１の直径Ｄf／同調揺れ時の波長Ｌwo）が０．５〜０．７程度の範囲内であれば、波面傾斜に対する縦揺れの倍率が波浪中におけるブイの波面追従性の面で最も理想的な数値である１．０に近似することと符合する。従って、波浪中におけるブイの波面追従性の面でフロート１の直径Ｄfを同調揺れ時の波長Ｌwoの５０〜７０％にすべきことが明らかになった。
【００３８】
これを式に表わすと、次式(4)のようになる。そして、ブイ４、５はいずれもこの範囲内にあるので、ブイが波と同調したときの縦揺れに関しては、ブイ４、５は本発明に包含されることになる。
なお、フロート径比（フロート１の直径Ｄf／同調揺れ時の波長Ｌwo）が７０％以上に大きくなればなるほど、縦揺れ時の波面傾斜に対する縦揺れの倍率は１．０に近づくが、フロート１の直径Ｄfがただ単に大きくなるばかりで無駄になるだけなので、好ましくない。
【００３９】
【数４】
0004566916.tif 000007
【００４０】
一方、現実の波浪にあっては、上述したように、砕波しない最大波形勾配値（波高Ｈwo／波長Ｌwo）は通常０．０７〜０．０８程度であり、また、実際の規則的な波の形は、波高が小さい間は正弦波形に近いが、波高が大きくなるに連れて波の峰が高まって鋭くなり、波の谷が浅く平べったくなる。そして、微小振幅波では波の山と谷との割合が通常５：５であるが、波高が高くなるとこの割合が６：４から７：３になることが知られている（ストークス波理論など）。
【００４１】
このような波の中にあって、ブイが揺動してもフロート１の上面に水がかからず、フロート１の底面が水面から出ないことが要求される。フロート１の上面に水がかかると、水の重量、浮力で上下揺れが増加し、フロート１の底面が水面から出ると、造波減衰力が低下するのみならず、スラミングでブイが破損、振動するおそれがあるからである。
【００４２】
これらの条件を満たすためには、図６から明らかなように、フロート１の高さＨfは波と同調してブイが揺れた時の波高Ｈwomaxと同じであること、フロート１の乾舷ｆaは波高の山の高さ（距離）と同じであることが一般的に要求される。これらを式に表わすと、以下の式(5)、(6)、(7)で表わすことができる。
【００４３】
【数５】
0004566916.tif 000008
【００４４】
【数６】
0004566916.tif 000009
【００４５】
【数７】
0004566916.tif 000010
【００４６】
そして、少なくとも上記計算式(4)，(6)，(7)を充足するようにフロート１の直径Ｄf、フロート１の高さＨf、フロート１の乾舷ｆaを設定すれば、ブイの波面追従性が良好であることを理論的に証明することができる。換言すると、波と同調してブイが揺れた時の波長をＬwoとしたとき、それらの条件とは以下の(a)〜(c)である。
(a) フロート１の直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロート１の高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
(c) フロート１の乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
【００４７】
しかも、これらの計算式から導き出された数値は、水槽実験に用いた本発明型ブイ（ブイ４、５と表わす）における実測値（表１、表２参照）とも符合するので、本発明が理論的にも正しいことが証明された。
【００４８】
水槽実験によってさらに詳細に検討すると、波と同調してブイが揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(a) フロート１の直径Ｄfを波長Ｌwoの５０〜７０％とする。
(b) フロート１の高さＨfを波長Ｌwoの７〜８％とする。
の条件を充足すれば、少なくともブイの縦揺れが低減されることも分かった。
【００４９】
この２つの条件(a)，(b)を充足する場合において、フロートの直径Ｄfが最小でフロートの高さＨfが最大の場合におけるフロートの縦横比は１６％、フロートの直径Ｄfが最大でフロートの高さＨfが最小の場合におけるフロートの縦横比は１０％であるから、従来の一般的なフロートの縦横比の数値（２０％以上）に比べて明らかに小さい。従って、本発明型ブイ（ブイ４、５と表わす）のフロートが従来のものより明らかに薄いことが分かる。
【００５０】
また、波と同調してブイが揺れた時の波長をＬwoとしたとき、
(c) フロート１の乾舷ｆaを波長Ｌwoの４〜６％とする。
の条件を充足すれば、少なくともブイの上下揺れが低減されることも分かった。
【００５１】
なお、フロートの吃水ｆdはフロートの高さＨfとフロートの乾舷ｆaとからおのずと定まるので、その条件に適合するようにフロートの吃水ｆdを設定すれば、少なくともブイの造波減衰力が低下することがないのみならず、スラミングでブイが破損、振動するのを防止できる。
【００５２】
そして、上記条件(a)〜(c)を全て充足するようにフロート１の直径Ｄf、フロート１の高さＨf、フロート１の乾舷ｆaを設定すれば、ブイの波面追従性が最も良好となり、最も理想的なブイとなることが分かった。
【００５３】
なお、本発明においては、板状のフロートの縦横比が従来のものより薄い円もしくは円に等価な形状のフロートとすることができるが、フロートの直径を大きくした場合には、直径を大きくしたフロート部分に必要な機器を搭載することができるので、有利である。特に、フロートの直径を大きくしたブイを漂流式海洋気象ブイに適用すれば、計測された波浪、気圧、海面水温の各データを通信衛星を介して受信局に送信したり、あるいは、搭載されているＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を作動させるための太陽電池を直径の大きくしたフロート部分に搭載することができるので、極めて有利である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
ここでは、漂流式海洋気象ブイに適用した場合について説明したが、係留索取付位置をブイの重心付近にすれば、係留式のブイにも適用できる。また、係留式である・ないにかかわらず、各種の観測ブイや航路ブイなどにも広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】水面に設置される浮揚・浮遊構造体の一例として、真円形の板状のフロートを本体の周囲に配置した最も一般的なブイの概要を示す斜視図である。
【図２】最も一般的なブイの主要部の寸法を示す図で、(a)は正面図、(b)はその一部の拡大図である。
【図３】ブイの縦揺れ特性を示すグラフで、従来型（ブイ２と表わす）と本発明型（ブイ５と表わす）を対比して示す。
【図４】ブイの上下揺れ特性を示すグラフで、従来型（ブイ２と表わす）と本発明型（ブイ５と表わす）を対比して示す。
【図５】波と同調したときのブイの縦揺れとフロート径の比率を示すグラフである。
【図６】板状のフロートと波の関係を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…フロート、２…本体、Ｌwo…波と同調してブイが揺れた時の波長、Ｄf…フロートの直径、Ｈf…フロートの高さ、ｆa…フロートの乾舷、ｆd…フロートの吃水。
【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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