(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と、この胴体部に対し軸回転変位可能に接続された尾へい部と、前述の胴体部に対し前記尾へい部に上下移動を行わせるアクチュエータと、前記尾へい部の端部に設けられたひれ部と、前記アクチュエータに電力を供給する電源部とを有し、前記ひれ部の上下振動により推進力を得ると共に、前記尾へい部の外形は断面が翼型形状を成し、前記上下動の方向に対し、むかえ角を成すよう変位させて上下動を行うことにより、左右の方向変化を行うことを特徴とする水中推進装置。
【請求項２】
胴体部と、この胴体部に設けられた搭乗員保持部と、前記胴体部に変位可能に接続された尾へい部と、前述の胴体部に対し前記尾へい部に上下移動を行わせるアクチュエータと、前記尾へい部の端部に設けられたひれ部と、前記アクチュエータに電力を供給する電源部とを有し、前記ひれ部の上下振動により推進力を得ると共に、前記尾へい部の外形は断面が翼型形状を成し、前記上下動の方向に対し、むかえ角を成すよう変位させて上下動を行うことにより、左右の方向変化を行うことを特徴とする水中推進装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水中推進システム、特にスクリューを用いない水中推進装置と、この水中推進装置を用いた水中移動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の船舶はスクリュー推進装置を用いて移動を行うための推力を得ている。
これは、燃焼エンジンによりスクリューを回転させ、このスクリューの回転に伴う水の反力を用いて推進するものである。
また、現在の船舶では、方向変化には舵を用いている。
尚、船体は剛体であり、変型することはない。
さらに、魚をモデルとした水中ロボットも開発されている。  この魚型水中ロボットは横方向に尾ひれを振動させて推力を得るものである。
また、魚型水中ロボットの方向制御として、胸びれを用いるものが考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばレジャー用の推進装置としてスクリューを考えた場合、ダイバーや水中生物を巻き込み、危険である。
また、方向転回が容易ではない。
例えば、船の場合、海面の抵抗は船のつくり出す波によって増加する。  この造波抵抗を低減するために船頭を鋭角にしている。
この船頭構造が船を曲がりにくくしている。
また、船に限らず潜水艦でも、方向変化を船尾の小さな舵のみで、ここに作用する水からの反力により、方向変化の力を得ており、方向変化のための大きな力を得ることが困難である。
また、スクリューの場合、スクリュー外周に生じるキャビテーションにより、所定の速度以上で回転させることは困難であり、速度限界を生じる。
高速艇では、このキャビテーションを発生させないよう揚力を発生させない構造とし、高回転を行い高速を実現する例もあるが、これは効率が悪い。
現在の船舶は上述のように、旋回半径が極めて大きい。
【０００４】
一方、水棲生物が高効率に移動していることは知られている。
例えば、ある種のイルカや鯨は、最高速度６０ｋｍ以上で遊泳し、  また、かじきまぐろは最高速度１６０ｋｍで遊泳することも知られている。
しかしながら、その推進メカニズムは未だ十分には解明されていない。
さらに、イルカは急停止、急転回を行うが、この急転回を行うメカニズムは殆ど解明されていない。
尚、魚の場合、低速泳動や方向転回に胸鰭を用いており、これを真似た魚型ロボットの例もあるが、イルカの場合、胸鰭はさほど重要な役割を担ってはいない。
本発明は、イルカの方向転回のメカニズムを解明し、このメカニズムを工学的に応用した水中推進システムを実現することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
水中生物、特に水棲ほ乳類のひれ振動推進システムを用いることにより、急転回を可能にする。
第２の発明は、特に尾へい断面を翼型構造とし、尾へいの上下動に際し、尾へいに上下水流に対する迎え角を形成することにより、この尾へいに働く揚力を用い、水中における急転回を可能とするものである。
また第３の発明は、装置の胴体及び尾へいを囲む上方から見た断面を翼型構造とし、この翼型を水平方向に変位させ、進行時の相対水流対する迎え角を形成することにより、この尾へいに働く揚力を用い、水中における急転回を可能とするものである。
更に第４及び第５の発明はこれらの方向転回システムを用いて、乗り物を構成するものである。
【０００６】
【実施例】
本発明の水中推進装置をスキューバダイビングのアシスト装置として応用した一実施例を図を用いて説明する。
図１に本実施例の側面図、図２に上面図を示す。
胴体部１と尾へい部２及びひれ部３とで外形を構成している。
胴体部１は、ダイバーの体を流線形で包み込む構造を成し、またダイバーを保持するベルトを有する。
また、この胴体部１には尾へい部２を上下動させるモータ４が固定されている。
ダイバーの前方には、モータドライブユニット５が設けられている。
このドライブユニット５のケースには図示しないスタートスイッチ、速度制御スイッチが設けられている。
尾へい部２には複数の動力伝達体６が設けられ、この動力伝達体６は変位が位相差をもって生じるようバネ構造となっている。
胴体側に接続される動力伝達体６は、胴体部１に設けられたモータ４に一端が回転可能に取り付けられ、この動力伝達体６の他端にはモータ４が回転可能に取り付けられている。
このモータ４には次の動力伝達体６の一端が接続されている。
尾ひれ側に接続される動力伝達体６の端部にはモータは無く、尾ひれ３に直接接続される。
尚、ひれ部３は、ねじり巻バネにより回転可能に保持されてもよい。
また、尾へい部２にはダイバーの足の甲を乗せる保持部材８が左右に設けられており、これにより、方向転回を行う。
また、この尾へい部の外周はゴム材にて覆われており、図３ａに示すように上部に鋭角部を有し、その断面は図３ｂに示すように上方に鋭角を有する翼型となっている。
胴体部１のモータ４及び、尾へい部２のモータ４の位相を制御された協調回転運動により、尾へい部２が上下運動（振動運動）され、尾ひれ３を上下運動させる。
このモータ４の回転数及び、位相を制御することにより、推進速度が制御される。
胴体部２、尾へい部３を含む外形は横から見た断面、及び上から見た断面は、共に翼型を成している。
【０００７】
また、胴体部１にはバッテリ５が搭載される。
このバッテリ５は海水バッテリを用いている。
この海水バッテリは電解質溶液として海水を用い、電極としてマグネシウム合金を用いるものであり、海水中の塩素イオンとマグネシウムが反応し塩化マグネシウムとなり電荷を放出する化学反応を利用するものである。
【０００８】
続いて動作について説明する。
ダイバーは、前進したい場合モータの駆動（スタート）スイッチを動作させる。
すると胴体１のモータ４及び尾ひれのモータの位相を制御された回転に伴い、尾へい部が上下運動し、ひれ部が水を押し、その反作用で前進する。
ひれ部は弾性体であり、上下運動に伴い、相対水流に対する迎え角が構成される。
そのため揚力が発生し、この揚力の進行方向成分が推進力となる。
この上下運動に際し、尾へい部２が、バネ構造であるため、モータの駆動力は、さらに位相差をもって、ひれ部３に伝搬される。
【０００９】
方向転回したい場合、ダイバーは足の甲で右または左の前記保持部に力を加えることにより、尾へい部２を捩る。
図４に示すように、この捩りにより上下動による水流に対し、尾へい部の翼断面がむかえ角を形成するよう変位するため、相対Ｖ水流に対する揚力Ｌが発生し、方向転回が行われる。
相対水流Ｖに対し、翼断面を右回りに変位させた場合、左方向に揚力が発生し、右方向に回転し左回りに変位させた場合、右方向に揚力が発生し左方向に回転する。
【０００１０】
一定の速度以上で航行している状態で方向転回したい場合、ダイバーは足で右または左の前記保持部に力を加えることにより、尾へい部２を水平方向に変位させる。
現実には、尾へい部２だけでなく、重心を中心に胴体１の方向も変位する。
図５に示すように、この変位により進行方向の相対水流Ｖに対し、前記上方から見た翼断面がむかえ角を形成するよう変位するため、相対水流Ｖに対する揚力Ｌが発生し、方向転回が行われる。
水流に対し、翼断面胴体頭部を右回りに変位させた場合、左方向に揚力が発生し右方向に回転し、左回りに変位させた場合、右方向に揚力が発生し左方向に回転する。
これは、翼型の変位により、相対水流に対する翼型の迎え角がマイナスになり、モーメント作用点がひれ側の方に変化するためである。
【００１１】
尚、尾へいをダイバーが捩る構成としたが、他のアクチュエータにより、変位させてもよい。
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば図６に示すように密閉型のパーソナルサブマリンとしてもよい。
この実施例では、搭乗員の乗り込むキャビンは２酸化炭素を除去する二酸化炭素吸着装置１０と、酸素ボンベ１１と、浮力調節用のバラストタンク１２及びこのバラストタンクへの水の出し入れを行うポンプ１３を有している。
また、重量調節用の重り１４を有し、例えば基本搭載重量を１００ｋｇと設定した場合、搭乗員の体重が６０ｋｇであれば、４０ｋｇの重りが搭載される。
バラストタンク１２は微調整用のタンクであり、海水との中性浮力を整えるよう、装置の比重が海水より小さい場合は、海水を導入し、海水より大きい場合は空気や酸素を導入し、海水を放出する。
尚重りは、外に放出することができるように保持され、緊急の場合放出することにより、急浮上することが可能になる。
【００１２】
尚、ひれ推進がスクリュー推進より効率的である理由の１つに、ひれの方がスクリューに比べ、より多量の水に運動量を与えられる点が上げられる。
例えば、水中を移動する場合、水に対しｐ＝ｍｖの運動量を与え、その反作用で推進すると考えてもよい。
このとき、運動エネルギーはＥ＝１／２ｍｖ２であり、ｐを一定として考えた場合、速度ｖより、質量ｍを大きくした方がより少ないエネルギーで済む。
少量の水に大きな速度を与えるより、大量の水に小さな速度を与える方がより、エネルギー効率が高くできるため、ひれ推進が高効率であると考えられる。
また、スクリューの場合、高回転で回転させることにより推力を得るが、イルカは周波数１０Ｈｚ以下である。
高回転より、低回転の方がより高効率であり、この点も生物推進が高効率である理由の１つと考えられる。
【００１３】
尚、水中生物の推進メカニズムが、単純にひれ推進だけで高効率を達成しているとの考えもあるが、そうではなく、外形形状や柔らかな動作に起因する点も大きいと考えられる。
この柔らかな動作とは、水棲ほ乳類で言えば背骨を用いた動きであり、駆動力が位相差をもって伝搬する動きを言う。
本願実施では、この柔らかな動きを実現するため、バネ構造を有する尾へいを用い、かつ柔軟なゴム材により外形を構成している。
これにより本実施例では、より水中生物に近い高効率を達成している。
【００１４】
また、イルカの泳動数が０．８２であり、コイの０．７やフナの０．６より高いとの報告がある。
この泳動数は体長比速度を尾ひれの振動数で割った無次元速度をいい、イルカの場合、尾ひれが１回往復運動すると、体長の８２％進むことを意味している。
このイルカの泳動数の高さは、イルカはひれの揚力だけでなく、胴体に働く揚力を用いているからだとも考えられる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、水中生物のメカニズムを利用することにより、高効率でかつ環境にやさしい推進システムを構築することが可能になるり、かつ急転回急停止が行なえる、高機動性のある推進システム及び、水中移動体を構築することが可能になる。
【００１３】
【図面の簡単な説明】
【図１】１実施例の側面図
【図２】１実施例の上面図
【図３】（ａ）尾へい上面図
（ｂ）尾へい断面図
【図４】第１の方向転回原理説明図
【図５】第２の方向転回原理説明図
【図６】は他の実施例を表す側面図
【符号の説明】
１  胴体部
２  尾へい部
３  尾ひれ部
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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