JP2005254848A - 電動操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 船が受ける外力をハンドルに伝達することにより、操船者に外力を感じさせ、この外力による船の動きに迅速に対処でき、さらに船に対し作用するパドルラダー効果による力を、電力消費を増大することなく、ハンドルに対する反力から除去して左右均等な反力を付与できる電動操舵装置を提供する。
【解決手段】 電動モータにより駆動される舵取装置１５と、この舵取装置１５を操作するハンドル７と、このハンドル７の操作に応じた反力をこのハンドルに付与する反トルクモータ１１と、操舵したときに船に作用する外力を検出する荷重センサー１６と、この荷重センサー１６の出力に応じて前記反トルクモータ１１の目標トルクを算出する反トルク演算回路１７とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、小型船舶等の電動操舵装置に関する。

船外機の操舵装置として電動モータを用いた電動ステアリング装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載の電動ステアリング装置は、ハンドルの操作回転角度及び回転方向を検出するセンサと、このセンサからの検出信号に基づき操舵装置の電動モータを制御するコントローラを備え、ハンドルをセンサ及びコントローラを介して電動モータに電気的に接続している。これにより、ハンドル操作量に応じて電動モータを駆動して船を操舵することができる。

しかし、この特許文献１の電動操舵装置では、ハンドル操作により操舵装置を駆動して舵取り動作を行ない船を操舵することができるが、操舵したときに水流などから加えられる外力がハンドルに戻ってこないため、外力に応じた操作感覚（ハンドルを切ったときの操作速度や操作角度による重い感じ軽い感じ等の操作感覚あるいは、波や風等の外力の影響によるハンドル操作の感覚）が得られない。このため、操舵による船の運転感覚が得られないため、船に作用する外力が認識しにくく、外力による船の動きに対し迅速に対応できなかった。

一方、船舶においては、プロペラの回転に起因して、舵（例えば船外機本体）に対し一定の偏倚力が作用し、船を常に一定方向に偏って進ませようとする力が作用すること（パドルラダー効果）が知られている。このようなパドルラダー効果は例えば特許文献２に記載されている（この文献ではジャイロ効果と称している）。このパドルラダー効果のため、ハンドルの中立位置（操舵角ゼロ）において、船は常に一定方向（右又は左）に一定角度だけ偏った方向に進行する。

特許文献２では、このパドルラダー効果（ジャイロ効果）に対処して、パドルラダー効果と反対の方向に一定のトルクを付与しながらハンドル操作角に応じた操舵トルクを付与している。しかし、この操舵駆動方法では、パドルラダー効果をキャンセルする方向に常に一定トルクを電動モータに付与していなければならないため、消費電力が大きくなる。

また、この特許文献２では、上記特許文献１と同様に、操舵量に応じた反力がハンドルに戻ってこないため、ハンドル操作に応じた操作感覚が得られず、操舵による運転感覚が得られないため、運転状況が認識しにくく、外力作用による船の動きに迅速に対処できない。

一方、自動車の舵取装置が特許文献３に記載されている。この舵取装置は、自動車のステアリング装置で、反力モータを設け、車速やヨーレートなどの検出結果に基づいてハンドルに付与する反トルクを算出して反力モータを駆動して反力を与えるものである。

しかし、この特許文献３は、タイヤに対し左右均等に反力が加わる地面からの反力をハンドルが受けるように反力モータを制御するものであって、この自動車の制御方法を、前述のパドルラダー効果による力を受ける船舶に対し単に適用することはできない。

特許第２７３９２０８号公報 特許第２９５９０４４号公報 特開平１０−２２６３４６号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、船が受ける外力をハンドルに伝達することにより、操船者に外力を感じさせ、この外力による船の動きに迅速に対処でき、さらに船に対し作用するパドルラダー効果による力を、電力消費を増大することなく、ハンドルに対する反力から除去して左右均等な反力を付与できる電動操舵装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、船舶の進行方向を変えるため電動アクチュエータによって駆動される舵取装置と、繰船者によって操作され、操作量に応じた駆動信号を前記電動アクチュエータに与えるために前記電動アクチュエータと電気的に接続されたハンドルと、航走中に船に作用する外力を検出する荷重センサーと、前記ハンドルに反力を付与する反トルクモータと、前記荷重センサーの出力に応じて前記反トルクモータの目標トルクを算出する反トルク演算回路とを備えたことを特徴とする電動操舵装置を提供する。

請求項２の発明では、前記反トルク演算回路は、前記荷重センサーの出力からパドルラダー効果による力を差し引いて目標トルクを算出することを特徴としている。

請求項３の発明では、前記反トルクモータによる反力の強さを調整可能としたことを特徴としている。

請求項４の発明では、前記反トルク演算回路は、船速に応じて目標トルクを算出することを特徴としている。

請求項５の発明では、推進力を発生する推進装置を有し、前記舵取装置は、前記推進装置を回動して推進力の方向を変えることにより操舵を行うことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ハンドル操作により舵取装置の電動アクチュエータが駆動され、ハンドル操作量に対応して操舵されるとともに、船に作用する外力が検出され、この検出された外力に基づいてハンドルに対し反トルクが付与される。したがって、操船者は、水流などによって船に加えられる外力をハンドルを通して感じることができ、この外力に対応する船の動きを認識して迅速に対応することができる。
なお、アクチュエータは、電動モータあるいは電動油圧ポンプ等のように電動駆動部を含む駆動装置である。

請求項２の発明によれば、船に対する外力からパドルラダー効果による力を差し引いてハンドルへ反力を付与するため、風や波等の外力のみを検出できるとともに、消費電力を増大させることなく、ハンドルの左右方向の回転操作に対し均等に反力を付与することができ、左右のバランスがとれた適切な運転感覚で操舵することができる。

請求項３の発明によれば、ハンドルへ加えられる反力の強さを調整して操船者が感じる外力の大きさを調整したり、ハンドルへ加えられる反力をゼロにすることができる。これにより、操船者の好みや腕力あるいは疲労状態、及び運転状況などに応じてハンドル操作しやすいように外力に対応したハンドルへ加えられる反トルクの大きさを設定できる。

請求項４の発明によれば、ハンドルへ加えられる反トルクを船速データに基づいて演算するため、例えば速度が速いときに大きな反トルクを発生させて外力に対する感度を高めて高速走行時に迅速で安定した操船操作をすることができ、また船の安定走行に影響が小さいときには反トルクを小さくして省電力を図ることができる。

請求項５の発明によれば、舵取装置が推進装置を操舵軸廻りに回動させることにより推進方向が変えられ操舵することができる。推進装置は、例えば船外機やスターンドライブである。

図１は、本発明が適用される船外機を備えた小型船舶の全体平面図である。
船体１の船尾板２にクランプブラケット４を介して船外機本体３が取り付けられる。船外機本体３は、スイベル軸（操舵軸）６廻りに回転可能である。スイベル軸６の上端部にステアリングブラケット５が固定される。ステアリングブラケット５の端部５ａに舵取装置１５が連結される。この舵取装置１５は、例えばＤＤ（Direct Drive）型電動モータからなり、船尾板２と平行に設けたネジ軸（不図示）に沿ってモータ本体（不図示）がスライド動作する。このモータ本体にステアリングブラケット５を連結してモータ本体のスライド動作に連動して船外機本体３をスイベル軸６廻りに回転させる。

船体１の運転席にハンドル７が備わり、そのハンドル軸８の根元にハンドル制御部１３が備わり、内部にハンドル操作角センサー９及び反トルクモータ１１が設けられる。ハンドル制御部１３は信号ケーブル１０を介してコントローラ１２に接続され、コントローラ１２は舵取装置１５に接続される。

コントローラ１２は、ハンドル操作角センサー９からの検出信号に基づいて操舵トルクを演算し、電気指令信号として舵取装置１５に送信して舵取装置１５を駆動し、船外機本体３をスイベル軸６廻りに回転させて操舵する。

さらにコントローラ１２は、船外機本体３又は舵取装置１５に設けた荷重センサー（図２参照）により船外機本体３に作用する外力（スイベル軸６に加わる回転トルク）を検出し、この外力に基づいて、後述のように、外力に対応してハンドルに加える反力を反トルクモータ１１からハンドル７に作用させるための反トルクの目標値を演算する。そして、この目標トルクとなるように反トルクモータ１１を駆動し、これによりハンドル７に外力に応じた反力を付与する。

図２は、本発明の実施形態に係る操舵装置のブロック構成図である。
操船者によりハンドル７が操作されると、その回転角がハンドル操作角センサー９で検出され、その検出信号に基づいてコントローラ（ＥＣＵ）１２の操舵トルク演算回路２１が操舵トルクを演算し、舵取装置１５の電動モータ（不図示）を駆動する。これにより船外機本体３がスイベル軸６廻りに回動して船の方向が変わる。

このような操舵時に、船外機本体３に対し、風や波などが作用する力や船外機本体３の回動の抵抗力として作用する力等の外力Ｆが作用する。さらに船外機本体３に対し、プロペラ１４の回転作用により発生するパドルラダー効果に起因する一定方向の一定の力Ｆ’が作用する。この船外機本体３に作用する外力Ｆ及びパドルラダー効果による力Ｆ’の合力Ｆ”が、船外機本体３に連結された舵取装置１５に作用する。

舵取装置１５に荷重センサー１６が設けられ、外力Ｆ及びパドルラダー効果による力Ｆ’の合力Ｆ”を検出する。合力Ｆ”の検出データは、コントローラ１２の反トルク演算回路１７に送信される。反トルク演算回路１７にはさらに、例えばトリム角やプロペラサイズ等の船の情報１８と、船速を検出する速度センサー１９からの検出データ及びエンジン回転数センサー２０からのエンジン回転数データが入力される。反トルク演算回路１７は、前述の合力Ｆ”の検出データとともにこれらの船の情報や船速及びエンジン回転数の検出データに基づいて、ハンドル７へ加えられる反力の目標トルクを算出する。算出された目標トルクは、電気指令信号として反トルクモータ１１に送信され、これを駆動してハンドル７へ反力を付与する。

上記荷重センサー１６についてさらに説明すると、この荷重センサー１６で検出する力は、舵（船外機本体）の操舵軸に加わる回転トルクであり、これは水流などから舵が受ける外力と、船体が受ける外力とから発生する回転トルクとなる。したがって、舵を回動操作しない場合でも、水流などにより船体を回転させようとする力が加われば操舵軸に回転トルクが加わる場合もある。この荷重センサーは、軸トルクを直接検出する軸トルクセンサーであってもよいし、あるいは操舵装置の軸トルクが伝達される部分を歪みセンサのような検出手段で測定してもよい。

ここで、ハンドルへ加えられる反トルクを船速データを含めて演算するため、例えば速度が速いときに大きな反トルクを発生させて外力に対する感度を高めて高速走行時に迅速で安定した操船操作をすることができ、また船の安定走行に影響が小さいときには反トルクを小さくして省電力を図ることができる。

図３は、船に対する外力の説明図である。横軸は時間、縦軸は外力である。

（Ａ）は、走行中に船外機本体３に作用する外力Ｆを示す。この例は図２に示したように右側から作用する力を正方向として示す。

（Ｂ）は、外力Ｆとパドルラダー効果による力Ｆ’の合力Ｆ”を示す。パドルラダー効果による力Ｆ’は、プロペラサイズや運転中のトリム角及び船速やエンジン回転数などの条件によって定まり、条件が一定なら一定値を保つ。図は一定条件下のＦ’を示す。なお、この場合、右側からＦ’が作用すると、船外機本体３は左側に振られるため、船体は右向きに偏って進行する。この一定の力Ｆ’を（Ａ）に示す外力Ｆに加えた合力Ｆ”が荷重センサー１６（図２）で検出される。

図４は、反トルク演算処理の説明図である。これは反トルク演算回路１７（図２）における処理を示す。

（Ａ）は、前述の図３（Ｂ）で検出された外力の合力Ｆ”を補正して目標トルクを算出するときの説明グラフである。すなわち、目標トルクＴは、点線で示す補正がない場合（検出されたＦ”そのまま）のデータからパドルラダー効果による力Ｆ’を差し引いた値を出力したものである。このようにパドルラダー効果による力を差し引いた状態で目標トルクＴが算出され、反トルクモータ１１（図２）によりハンドルに反力が加えられる。

（Ｂ）は、ハンドルに加えられる反力のグラフである。
図示したように、ハンドルに対する反力の回転トルクは、点線で示す補正がない場合（図３（Ｂ）に相当）から上記（Ａ）で説明したようにパドルラダー効果による力を差し引いて補正した場合のグラフ（実線）で表される。

このようにパドルラダー効果による力を差し引いて補正演算することにより、出力エネルギーが小さくなって、反トルクモータ１１（図１、図２）の消費電力が低く抑えられる。また、ハンドルの左右いずれか一方の回転方向に偏って作用するパドルラダー効果による力が除去されるため、左右の回転方向に対し均等な反力が付与される。したがって、操船者に対し左右のバランスがとれたハンドル手ごたえが戻り、適切な運転感覚で操舵することができる。

また、ハンドルへ加えられる反力の強さを調整して操船者が感じる外力の大きさを調整したり、ハンドルに対する反力をゼロにできるように反力調整手段を設けてもよい。これにより、操船者の好みや腕力あるいは疲労状態、及び運転状況などに応じてハンドル操作しやすいように外力に対応したハンドルへ加えられる反トルクの大きさを設定できる。

図５は、従来技術と本発明を対比した説明図である。（Ａ）は従来技術（特許第２７３９２０８号）の場合、（Ｂ）は本発明の場合のそれぞれパドルラダー効果による力の処理方法を示す。（Ａ）（Ｂ）において、（ア）は演算処理前の入力データであり、（Ａ）ではハンドル操作角に対応して演算した操舵トルクであり、（Ｂ）では船の回転トルク（外力の合力Ｆ”）である。

（イ）は、演算処理内容であり、（Ａ）ではパドルラダー効果による力（斜線部）を加えて補正し、（Ｂ）ではパドルラダー効果による力（斜線部）を差し引いて補正している。

（ウ）は出力データを示し、（Ａ）では入力（ア）に対しパドルラダー効果の力の分を加えるため出力が大きくなり電動モータの駆動エネルギーが大きくなる。すなわち、（Ａ）ではハンドル操作角に応じた操舵トルクに加えて、船に対して常に作用しているパドルラダー効果による力を打ち消すためにこれに対抗する力を常に付与しなければならない。一方（Ｂ）では、入力（ア）に対しパドルラダー効果の力の分を差し引くため出力が小さくなり、反トルクモータの駆動エネルギーが小さくなる。なお、上記説明から分かるとおり、（Ａ）は、操舵用の電動モータを駆動するときの操舵トルク算出におけるパドルラダー効果による力の補正を示すものであるのに対し、（Ｂ）は、舵取装置の電動モータを駆動して操舵したときにその反力を算出するときのパドルラダー効果による力の補正を示すものであり、（Ａ）（Ｂ）は補正演算プロセスの目的が異なっている。

本発明は、特に船外機やスターンドライブ等の推進装置で駆動される小型船舶の電動ステアリング装置等の操舵装置に対し有効に適用できる。

本発明の実施形態の全体平面図。 本発明の実施形態に係る電動操舵装置のブロック図。 船に作用する外力の説明図。 反トルク演算処理の説明図。 従来技術と本発明を対比した説明図。

符号の説明

１：船体、２：船尾板、３：船外機本体、４：クランプブラケット、
５：ステアリングブラケット、５ａ：端部、６：スイベル軸、７：ハンドル、
８：ハンドル軸、９：ハンドル操作角センサー、１０：信号ケーブル、
１１：反トルクモータ、１２：コントローラ、１３：ハンドル制御装置、
１４：プロペラ、１５：舵取装置、１６：荷重センサー、
１７：反トルク演算回路、１８：船の情報、１９：速度センサー、
２０：エンジン回転数センサー、２１：操舵トルク演算回路。

Claims (5)

1. 船舶の進行方向を変えるため電動アクチュエータによって駆動される舵取装置と、
   繰船者によって操作され、操作量に応じた駆動信号を前記電動アクチュエータに与えるために前記電動アクチュエータと電気的に接続されたハンドルと、
   航走中に船に作用する外力を検出する荷重センサーと、
   前記ハンドルに反力を付与する反トルクモータと、
   前記荷重センサーの出力に応じて前記反トルクモータの目標トルクを算出する反トルク演算回路とを備えたことを特徴とする船舶の操舵装置。
2. 前記反トルク演算回路は、前記荷重センサーの出力からパドルラダー効果による力を差し引いて目標トルクを算出することを特徴とする請求項１に記載の船舶の操舵装置。
3. 前記反トルクモータによる反力の強さを調整可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶の操舵装置。
4. 前記反トルク演算回路は、船速に応じて目標トルクを算出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の船舶の操舵装置。
5. 推進力を発生する推進装置を有し、前記舵取装置は、前記推進装置を回動して推進力の方向を変えることにより操舵を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の船舶の操舵装置。
   

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