(57)【要約】      （修正有）【課題】浮上速度が速く、フレーム材の耐硫酸性が良好なフリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムの提供。【解決手段】フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムに用いるフレーム材として、有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材の少なくとも長辺側両端部を、ガラスクロス基材エポキシ樹脂含浸積層板又はガラスクロス基材フェノール樹脂含浸積層板からなる棒材で補強した構造とし、その比重を１．０以下とする軽量材及び軽量フレーム材。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材の少なくとも長辺側両端部を、ガラスクロス基材エポキシ樹脂含浸積層板又はガラスクロス基材フェノール樹脂含浸積層板からなる棒材で補強した構造を有し、その比重が１．０以下であることを特徴とする軽量材。
【請求項２】
請求項1記載の軽量材に、複数の耐圧ガラス球が装着可能なように、複数の貫通孔を設けたフリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用軽量フレーム材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量で化学的な耐久性を兼ね備えた樹脂板を、強度と剛性の高い樹脂積層板で補強した構造を有する複合材料からなる軽量材に関する。そして、該軽量材に、複数の耐圧ガラス球が装着できるよう複数の貫通孔を設けた、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査機用に好適な軽量フレーム材に関する。
【背景技術】
【０００２】
深海探査機としては、有人で操縦する深海探査艇（例えば、しんかい６５００：潜航深度６，５００ｍ）、無人で遠隔操作する深海探査機（例えば、かいこう：潜航深度７，０００ｍ）及び自律型無人探査機（例えば、うらしま：潜航深度３，５００ｍ）などがある。この他、遠隔操作型水中探査ロボット（潜航深度３，０００ｍなど）がある。
【０００３】
これらはいずれも頑丈な合金製耐圧容器の中に探査・観測用機器を内蔵し、有人の操縦、無人の遠隔操作又は無人で決められたプログラムにそって自律的に移動し、観測する機能を有するものである。これら深海探査艇は、ＷＥＢ上に公開された情報によると、建造に多額の費用を要する。「しんかい６５００」の建造費は１２５億円、「うらしま」の建造費は２６億円、「かいこう」の遠隔操作ビークルは１８億円であり、遠隔操作型水中探査ロボットでも約４億円の建造費である。
【０００４】
これらとは対照的に、約３５年前から、安価な深海探査システムとして、フリーフォール方式の耐圧ガラス球入り深海探査システムが検討され、一部実証試験も実施されている。この深海探査システムは、複数個の耐圧ガラス球を用意し、各耐圧ガラス球の中に、ビデオカメラ、照明器具及び送受信用通信機などを内蔵したもので、重錘（おもり）を利用して自由落下によって深海まで到達させ、周辺の画像や映像等の情報を取得し、通信によって信号化した画像、映像等を送受信するものである。深海における観測を終えた後は、重錘を切り離し、自らの浮力で浮上し、浮上位置をＧＰＳで知らせるという仕組みになっている。耐圧ガラス球が耐圧性能を有することから、約４，０００ｍの深海を観測することが可能であって、実際に最大深度３，４００ｍの海底を観測した実績がある。複数個の耐圧ガラス球の中にそれぞれ照明、ビデオカメラ及び送受信機器を収納できることから、安価なシステムでありながら、鮮明な映像をリアルタイムで撮影し送信できる点で、有用性が高い。
【０００５】
近年になって、地震の予兆現象の観測や海洋資源開発の重要性から、深海観測の必要性が高まり、多くの地点を安価に長期間にわたって観測できるシステムとして、フリーフォール方式の耐圧ガラス球入り深海探査システムが見直されてきている。例えば、独立行政法人海洋研究開発機構（ＪＡＭＳＴＥＣ）と東京下町の町工場による「江戸っ子1号プロジェクト」では、改良した耐圧ガラス球を用いたフリーフォール式深海探査システムが、最大深度約８，０００ｍの海底で、深海魚などの３次元映像をリアルに映し出し、大きな反響を呼んだ。この探査機には海底の泥を採取するための採泥機も取り付けられていて、レヤアースやメタンハイドレートなどの海底資源の調査や探索にも威力を発揮するものと期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２４５９４４
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】耐圧ガラス球を用いた深海カメラシステムの試作について、海洋科学技術センター試験報告書（１）、２６−３１（１９７７）
【非特許文献２】フリーフォール方式耐圧ガラス球入り深海カメラシステム、海洋科学技術センター報告書（３）、２４−２８（１９７９）
【非特許文献３】往還型深海探査機「江戸っ子1号」開発計画、第２３回海洋工学シンポジウム（平成２４年8月２，３日）日本海洋工学会・日本船舶海洋工学会
【非特許文献４】フリーフォール型深海探査シャトルビークル「江戸っ子1号」実海域実験、ＪＡＭＳＴＥＣニュース、https://www.jamstec.go.jp/j/jamstec_news/20131220/
【非特許文献５】独ＲＡＭＰＦ社ＲＡＫＵ−ＴＯＯＬ（登録商標である）ＷＢ−０７００の製品安全データシート
【非特許文献６】日光化成社樹脂積層板ＮＬ−ＥＧの製品安全データシート
【非特許文献７】増補版ポリマー辞典、ポリマー辞典編集委員会編（２０１１年５月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献２によると、非特許文献１で報告されたプロトタイプのフリーフォール方式カメラシステムは、「抵抗係数が大きいため、落下及び浮上速度が比較的遅く、水中重量１２ｋｇの重錘を使用した場合の落下速度は０．９３ｍ／ｓ、浮上速度は０．６ｍ／ｓ程度であった。水深数１００ｍ程度の海域で使用するのであればこの程度の落下および浮上速度で十分であるが、水深数１，０００ｍといった大深度深海で使用する場合は、より大きな落下および浮上速度が必要となる。」と記載されている。
【０００９】
「江戸っ子１号プロジェクト」は、東京都内と千葉県の中小企業５社、2つの大学及びＪＡＭＳＴＥＣが東京東信用金庫の橋渡しによって連携して、日本海溝の８，０００ｍの超深海が探査可能な、安価で操作しやすいフリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムの開発を行ったものであるが、その開発計画を記載した非特許文献３によると、「江戸っ子１号」のシステム形状デザインにおいて、「落下速度については、海底に衝突しないようにするために制限があるため、浮上速度を向上させるような形状が望ましい」とされ、「浮上時は、浮力をできるだけ稼いで、毎分９０ｍ程度を目指している。」と記載されている。これは、短時間での沈降及び浮上による観測や回収の効率化を目指すためである。
【００１０】
そして、「江戸っ子1号」の実海域実験結果を報告した非特許文献４によると、深海探査システムの落下速度は約１．１ｍ／秒（６６ｍ／分）であったと記載され、浮上速度については、３号機は約７，８００ｍの海底から、切り離しコマンド送信後、約２時間で浮上したことから、６５ｍ／分（約１．１ｍ／秒）であったと推定され、４号機は同じく約７，８００ｍの海底から約３時間で浮上したことから、約４３ｍ／分（約０．７ｍ／秒）であったと推定される。これらの浮上速度の値は、目標とした毎分９０ｍの２／３以下であったと考えられる。すなわち、浮上速度は、目標値に対して未達であった。
【００１１】
また、非特許文献４によると、深海探査システムに装着された３つの耐圧ガラス球が、それぞれビデオカメラ用、ＬＥＤ照明用及び送受信機用（トランスポンダ用）として用いられ、これら耐圧ガラス球は、保護用のカバー（ハードハットという）を介して、金属アルミニウム製フレームに取り付けられている。本発明者らは、当初より江戸っ子１号計画に協力してきており、前記実海域実験に参加した参加者から、フレーム材が金属アルミ製であったことの他、多くの実験の様子をヒアリングにより入手している。なお、金属アルミニウムの比重は、約２．７である。
【００１２】
さらに、前記「江戸っ子１号」の実海域実験の参加者から、今後の課題の一つとして、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムが海底において、長期間にわたって採泥しレヤアースやメタンハイドレートの調査を行う際に、海底の熱水噴出孔から発生する硫化水素や硫酸によって、フレーム材であるアルミニウムが腐食する問題のあることが挙げられている。
【００１３】
なお、特許文献１は、「江戸っ子１号」の開発段階の発明であるが、複数個の耐圧ガラス球がジョイントで結合された構造を有している。実施例では、正三角形の頂点の位置にそれぞれガラス球が配置され、ジョイントで結合されている。このような構造は、耐圧ガラス球の固定が不安定であって、沈降速度及び浮上速度が共に低速となってしまうことから、このような構造は採用されず、最終的には非特許文献４に記載された構造が採用され、実海域実験においても使用された。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために本発明は、有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材の少なくとも長辺側両端部を、ガラスクロス基材エポキシ樹脂含浸積層板又はガラスクロス基材フェノール樹脂含浸積層板からなる棒材で補強した構造を有し、その比重が１．０以下であることを特徴とする軽量材を開示する。
【００１５】
本発明は、基本構造として、有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材を用いる。有機系中空フィラーとしては、アクリル樹脂、スチレン樹脂又はエポキシ樹脂などの中空粒子や中空繊維を用いることができる。このような板材は「ケミカルウッド」と呼ばれ、真空成型用の板材として市販されているが、本発明者らは、該板材の少なくとも長辺側両端部をガラスクロス基材エポキシ樹脂含浸積層板又はガラスクロス基材フェノール樹脂含浸積層板からなる棒材で補強することによって該板材の機械的強度を高めるとともに、その比重を１．０以下とすることによって、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用フレーム材として好適であるばかりでなく、広範な用途にも応用可能な軽量材を開発することに成功した
【００１６】
本発明において、補強用棒材に用いる積層板は、ガラスクロスを基材として、エポキシ樹脂又はフェノール樹脂を含浸させたのち、重ね合せて加熱加圧することによって得られる積層板を用いるのが好適である。該積層板は、水に不溶であって、積層板の中で最高グレードの曲げ強さ、圧縮強さ、引張強さを有する。そして、積層板からなる棒材の断面を正方形又は長方形とすれば、前記板材に取り付けやすい。このような構造とすることにより、結城中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物の軽量性を活かしながら、優れた機械的強度を有した軽量材とすることができる。
【００１７】
本発明における軽量材は、前記したように板材と補強用棒材からなる複合材であるが、その組み合わせによる比重は１．０以下でなければならない。比重を１．０以下とすることによって、軽量であって取り扱いやすい汎用的な材料とすることができ、加えて、水中で浮力を必要とする用途に好適な材料となるからである。
【００１８】
本発明において、前記板材の比重は、非特許文献５に記載によると、０．６７〜０．７３とされている。一方、補強用棒材として用いる前記積層板の比重は、非特許文献６によると、１．８０〜２．０とされている。従って、このような板材及び積層板を用いた本発明の軽量材においては、Ｖ１を前記板材の容積、Ｖ２を前記積層板からなる補強用棒材の容積として、それぞれについて比重が最も大きくなる厳しい条件を選び、これらを組み合わせた本発明の軽量材の比重を１．０以下にするという条件から、０．７３×Ｖ１＋２．０×Ｖ２＝１．０×（Ｖ１＋Ｖ２）という計算式が成立する。そして、この計算式からＶ２／Ｖ１を求めると、Ｖ２／Ｖ１を２７％以下とすれば、本発明の軽量材の比重を１．０以下にすることができる。
【００１９】
本発明の望ましい形態においては、前記板材の長辺側両端部の外縁（コバ）に溝を設け、前記積層板からなる棒材を装着する。板材の厚みをＴ１、棒材の厚みをＴ２とすると、Ｔ２／Ｔ１は０．３〜０．７程度であることが望ましい。棒材の厚みが薄すぎると補強効果が不十分になり、逆に棒材の厚みが厚すぎると板材が破損してしまうおそれが高くなるからである。
【００２０】
又、本発明において、前記積層板からなる棒材の前記板材への装着深さは２０〜２５ｍｍもあれば十分な補強効果が得られる。積層板からなる棒材は、前記板材にねじれの力や撓みの力が働くのを防止するのに十分強い剛性と曲げ強度を有しているからである。
【００２１】
前記軽量材に、複数の耐圧ガラス球が装着可能なように複数の貫通孔を設けることにより、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用として好適な軽量フレーム材とすることができる。従来のフリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムでは、十分な浮力が得られず、また今後必要とされる耐硫酸性を有していないという課題があるが、前記軽量材に耐圧ガラス球を装着するための複数の貫通孔を設けた軽量フレーム材は、以下の理由から、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用に好適であると考えられる。
【００２２】
第一の理由は、前記軽量材の比重が１．０以下であって、水よりもはるかに軽く、極めて軽量な点であることから、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムに用いることにより、浮力を得やすく、浮上速度の向上に繋がるからである。非特許文献２においても、フレーム材としてＦＲＰ（ファイバー強化プラスチック）を用いることが提案されているが、同じ樹脂材であってもＦＲＰの比重は、最も軽量なもの（アラミドファイバー強化プラスチック）であっても１．４を超えていることから、十分な浮力を得るには適していない。
【００２３】
第二の理由は、前記軽量材に用いる板材である「ケミカルウッド」を製造するＲＡＭＰＦ社から入手したデータによると、有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる「ケミカルウッド」は、水に不溶であって、浸水試験によっても重量変化がわずか１％程度しかなく、吸水によっても曲げ弾性率が最大で１５％程度しか低下しない点である。
【００２４】
第三の理由は、「ケミカルウッド」を構成するエポキシ樹脂硬化物が耐硫酸性に優れる点であって、非特許文献５によると、７０℃の温度で１０〜３０％の硫酸に浸漬しても、ほとんど影響を受けない。
【００２５】
フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用軽量フレーム材においては、前記板材の中央部に設けられる貫通孔に耐圧ガラス球が設置され、該耐圧ガラス球を保護する硬質樹脂製カバー（ハードハット）によって軽量フレーム材に固定される。この場合、耐圧ガラス球を取り付ける部分の板材は貫通孔に相当する容積分が切り取られることになるので、比重を１．０以下にするためには、残された板材の容積Ｖ１Ｒと棒材の容積Ｖ２の比Ｖ１Ｒ／Ｖ２を少なくとも１／０．２７にする必要がある。
【００２６】
なお、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムにおいて、複数個設置される耐圧ガラス球の配置としては、軽量フレーム材の長さ方向の中心線上に一直線に並んでいる方が、抵抗が少なく、沈降時にも浮上時にも、その沈降速度及び浮上速度が最大になると考えられる。従って、軽量フレーム材に耐圧ガラス球を装着するための貫通孔を設ける場合、これら貫通孔は長さ方向の中心線上に一直線に設けるのがよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、比重が１．０以下という軽量で、強度と剛性の高い軽量材を得ることができる。この軽量材を、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用軽量フレーム材として用いた場合、ねじれや撓みに強く、かつ十分な浮力が得られるので、深海探査システムを回収する際の浮上速度を速くすることができ、迅速な回収が可能となる。
【００２８】
また、軽量フレーム材の比重が小さく、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムを軽量にできる、かつ浮力を得やすくなることの付随的効果として、耐圧ガラス球に内蔵できるビデオカメラ、照明器具、送受信用通信機等の重量に余裕が生まれることとなり、その他の計測機器を内蔵させることも可能になる。
【００２９】
本発明の軽量材は十分な耐水性及び耐久性を有しており、耐硫酸性にも優れることから、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システム用軽量フレーム材として用いた場合に、海底の熱水噴出孔の近傍での調査に際しても、フレーム材が腐食するおそれがなく、長期にわたった観測・調査が可能になるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の軽量材の構造を示す図である。
【図２】本発明の軽量材に、耐圧ガラス球を取り付けるための貫通孔を設けた深海探査システム用軽量フレーム材を示す図である。
【図３】本発明の深海探査システム用軽量フレーム材に保護カバー（ハードハット）を介して耐圧ガラス球を取り付けたフリーフォール式深海探査システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００３２】
有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材として、長さ１，５００ｍｍ×幅５００ｍｍ×厚み５０ｍｍの独ＲＡＭＰＦ社製ＲＡＫＵ−ＴＯＯＬ（登録商標である）ＷＢ−０７００を用意した。長辺側の両端部の厚み５０ｍｍの板材の中央に、厚み２０ｍｍ、深さ２０ｍｍの溝を形成した。次に、日光化成社製ガラスクロス基材エポキシ樹脂積層板（製品名ＮＬ−ＥＧ）を２０×２０×５００ｍｍの寸法に切断し、前記板材に設けた溝に装着し、接着した後、四偶を丸く仕上げることによって、本発明の軽量フレーム材を得た（図１）。この軽量フレーム材の比重を測定したところ、０．７３であった。
【００３３】
次に、軽量フレーム材の中央部に直径１３インチのガラス球が３個装着できるよう、図１に示した軽量材の中央３か所に八角形状の穴を設けた（図２）。この状態での比重を測定したところ、０．７９であった。そして、耐圧ガラス球をハードハットに装着し、ハードハットを軽量フレーム材にボルトで留めることによって、フリーフォール式耐圧ガラス球入り深海探査システムを製作した。沈降用重錘、位置安定具などが装着されている（図３）。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・本発明の軽量材
２・・・耐圧ガラス球を取り付けるための3か所の貫通孔を設けたフリーフォール式深海探査システム用軽量フレーム材
３・・・本発明のフリーフォール式ガラス球入り深海探査システム用軽量フレーム材を用いたフリーフォール式ガラス球入り海底探査機
１１・・・有機系中空フィラーとエポキシ樹脂硬化物からなる板材
１２・・・ガラスクロス基材エポキシ樹脂含浸積層板からなる補強用棒材
２１・・・板材に設けた棒材取付け用溝部
２２・・・板材に設けた耐圧ガラス球取付け用貫通孔
２３・・・硬質樹脂製カバー（ハードハット）取付孔
３１・・・耐圧ガラス球
３２・・・耐圧ガラス球保護用硬質樹脂製カバー（ハードハット）
３３・・・重錘
３４・・・位置安定具
【図３】
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【図１】
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【図２】
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