JP2008001205A - 船用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】転舵反力を精度良く検出することのできる船用操舵装置を提供すること。
【解決手段】舵取り部材としての船外機４を転舵するための転舵機構５を備える。転舵機構５は、ステアリングホイール等の操舵部材３と機械的に連結されていない。転舵用アクチュエータ６の回転運動が、ボールねじ機構等の変換機構１１によって、軸７に沿っての移動体１０の直線運動に変換され、さらに、リンク機構１３を介して、転舵中心軸１２回りの船外機４の回動（転舵動作）に変換される。軸７の両端部に負荷される荷重を軸力センサ２３，２４によって検出し、検出値に基づいて転舵反力を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、操舵部材と舵取り部材が機械的に連結されていない船用操舵装置に関するものである。

船の推進装置として、船外機と船内機とがある。
船内機では、船体内部に、船に推進力を与える動力装置と舵取り装置が備えられている。動力装置と舵取り装置とは、一体に設けられる場合と、別体に設けられて、互いの間が動力伝達装置を介して連結される場合とがある。
船外機では、船体に対して外付けの船外機本体に、動力装置を備えている。モーターボート等の小型船舶を例にとると、独立した舵は設けられておらず、船外機自体に、舵取り機構が備えられている。具体的には、船外機本体の向きを変えることにより、舵取りが行われる。

特に小型のモーターボートの場合には、船外機本体に取り付けられたハンドルバーを介して、操縦者が直接、操舵するようになっている。
また、運転席に設けられたステアリングホイール等の操舵部材の回転を、プッシュプルケーブル等により舵取部材に機械的に伝達して、船外機本体を操舵する場合もある（例えば特許文献１，２を参照）。

また、近年、運転席のステアリングホイール等の操舵部材と船外機とを機械的に連結しない構成の船用操舵装置が提案されている（例えば特許文献３を参照）。
特許第２５０９０１５号公報 特許第３１８９１９０号公報 特許第２９５９０４４号公報

ケーブル等を用いて、ステアリングホイール等の操舵部材と舵取り部材とを機械的に連結する特許文献１では、ケーブルを伝わって転舵反力が操舵部材に伝わるが、直接伝わるので、船と海水との相対速度が速くて舵取り部材が受ける流水抵抗による転舵反力が大きい場合には、運転士が操舵部材に与えるべき操舵入力トルクが大きくなり過ぎる。
これを回避するために、例えば特許文献２のような油圧ポンプ等による操舵アシスト機構を付加した場合、アシスト力付与の影響で、流水抵抗による転舵反力情報を運転士に十分に伝えきれないことが予想される。

一方、ステアリングホイール等の操舵部材と舵取り部材とが機械的に連結されていない特許文献３では、安価で保守が容易であるという利点があるものの、操縦者は流水抵抗による転舵反力情報を得ることができない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、操舵部材と舵取り機構が機械的に連結されていない船用操舵装置において、転舵反力を正確に検出することである。

上記課題を解決するため、本発明は、舵取り部材（４）の転舵反力に応じた軸力（Ｆ）を受ける軸（７）を含む転舵機構（５）と、この転舵機構（５）に機械的に連結されていない操舵部材（３）と、上記軸（７）が受ける軸力（Ｆ）を検出するための軸力検出手段（２３，２４）とを備えたことを特徴とするものである。
本発明では、軸が受ける軸力を検出することによって、転舵反力を容易且つ正確に検出することができる。このように正確に検出された転舵反力を用いることで、操舵部材と舵取り部材とが機械的に連結されていない船用操舵装置において、例えば、検出精度の良い転舵反力に応じた適切な反力制御や転舵制御も可能となる。

上記軸力検出手段が複数設けられた場合には、複数の軸力検出手段を用いて、転舵反力をより精度の良く検出することが可能となる。 また、本発明は、上記転舵機構（５）は、転舵用アクチュエータ（６）によって駆動されて上記軸（７）の軸長方向に移動し、移動に伴って上記軸（７）に軸力（Ｆ）を生じさせる移動体（１０）と、この移動体（１０）および舵取り部材（４）を互いに連結するリンク機構（１３）とを含み、上記軸（７）の第１および第２の端部（７ａ，７ｂ）は、船体（２）に取り付けられた第１および第２の取付部材（８，９）に、それぞれ、連結されており、上記軸力検出手段（２３，２４）は、上記軸（７）の各端部（７ａ，７ｂ）と各端部（７ａ，７ｂ）にそれぞれ対応する取付部材（８，９）との間に作用する荷重を、それぞれ、検出するための一対の荷重検出手段（２３，２４）を含む場合がある。

この場合、上記軸の軸方向の何れの方向に向かう軸力が作用しても、これを一対の荷重検出手段で分担して受け、全体としての軸力を検出することができる。例えば、移動体が上記軸上を第２の端部側に移動した場合、上記軸は、第１の端部側に向かう軸力を受ける。したがって、上記軸の第１の端部に対応する荷重検出手段は、圧縮荷重を検出し、上記軸の第２の端部に対応する荷重検出手段は、引張り荷重を検出する。圧縮荷重および引張り荷重の絶対値の合力が軸力に相当するので、この合力を求めることにより、正確な軸力を把握することができる。

また、本発明は、上記転舵機構（５）は、転舵用アクチュエータ（６）によって駆動されて上記軸（７）の軸長方向に移動し、移動に伴って上記軸（７）に軸力（Ｆ）を生じさせる移動体（１０）と、この移動体（１０）および舵取り部材（４）を互いに連結するリンク機構（１３）とを含み、上記軸（７）の第１および第２の端部（７ａ，７ｂ）は、上記軸（７）に平行なチルト中心軸（３７）の回りに揺動自在に支持された第１および第２の取付部材（８，９）に、それぞれ、連結されており、上記第１の取付部材（８）は、上記（７）軸およびチルト中心軸（３７）の何れか一方に、軸方向相対移動不能に連結されるとともに、他方に、軸方向相対移動自在に連結されており、上記第２の取付部材（９）は、上記軸（７）およびチルト中心軸（３７）に、軸方向相対移動不能に連結されており、上記軸力検出手段（２３，２４）は、上記軸（７）の第２の端部（７ｂ）と第２の取付部材（９）との間に作用する荷重を検出するための荷重検出手段（２４）を含む場合がある。

この場合、移動体が上記軸の軸方向の何れの方向に移動しても、常に、上記軸の第２の端部と第２の取付部材との連結部分に、負荷が作用し、上記軸の第１の端部と第１の取付部材との連結部分には、負荷が作用しない。したがって、第２の端部に対応して設けられた単一の荷重検出手段のみで、軸に働く軸力を検出することが可能となる。
また、本発明において、上記転舵用アクチュエータ（６）の回転駆動力を、移動体（１０）を上記軸（７）の軸長方向に移動させる力に変換するための変換機構（１１）を含む場合がある。例えば、電動モータの駆動力を、ボールねじ機構、ラックアンドピニオン機構等の変換機構を用いて、移動体を移動させる力に変換することができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る船用操舵装置１が適用された船の模式図である。図１を参照して、船体２の前部には、ステアリングホイール等の操舵部材３が取り付けられている。また、船体２の後部には、舵取り部材を兼用する推進ユニットとしての船外機４と、船外機４の向きを変えることにより、転舵を達成するための転舵機構５とが設けられている。船外機４は、プロペラ４ａと、プロペラ４ａを図示しないドライブシャフトを介して駆動するための内燃機関４ｂを内蔵した船外機本体４ｃとを備えている。

本実施の形態の船用操舵装置１では、操舵部材３と転舵機構５との機械的な結合をなくしている。転舵機構５は、操舵部材３の操作に応じて駆動される、例えば、ブラシレスモータ等の電動モータからなる転舵用アクチュエータ６を有している。転舵機構５は、転舵用アクチュエータ６の駆動力を用いて、船外機４の向きを変えることにより、転舵する。 船体２の幅方向Ｗ１（船体２の中心線Ｃ１と直交する方向に相当）に沿って延びる軸７の第１の端部７ａおよび第２の端部７ｂが、それぞれ対応する第１の取付ブラケット８（第１の取付部材）および第２の取付ブラケット９（第２の取付部材）を介して、それぞれ船体２に固定されている。

軸７には、上記の転舵用アクチュエータ６を内蔵し、軸７の軸長方向（船体２の幅方向Ｗ１に相当）に沿って移動可能な移動体１０が設けられている。この移動体１０と軸７とは、例えばボールねじ機構からなる変換機構１１を介して互いに連結されている。一方、船外機本体４ｃは、転舵中心軸１２の回りに回動自在に船体２に取り付けられており、船外機本体４ｃと移動体１０とは、伝達機構としてのリンク機構１３を介して、互いに連結されている。

リンク機構１３は、一端が移動体１０に固定された第１ブラケット１４と、船外機本体４ｃに固定された一端（図示せず）を有し、船外機本体４ｃとともに、転舵中心軸１２の回りに回動自在な第２ブラケット１５とを備えている。第１ブラケット１４の他端と第２ブラケット１５の他端とは、連結軸１６を介して回動自在に連結されている。
転舵用アクチュエータ６が駆動されると、その転舵用アクチュエータ６の駆動力は、変換機構１１を介して、軸７の軸長方向への、移動体１０の直線運動に変換される。さらに、この移動体１０の直線運動は、リンク機構１３を介して、転舵中心軸１２回りの船外機４の、転舵方向Ｘ１への回動に変換され、転舵が達成されるようになっている。

図１を参照して、操舵部材３は、船体２に対して回転可能に支承された回転シャフト１７の一端に連結されている。この回転シャフト１７には、操舵部材３に操作反力を与えるための反力用アクチュエータ１８が設けられている。反力用アクチュエータ１８は、回転シャフト１７と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。
操舵部材３の操作入力値を検出するために、回転シャフト１７に関連して、操舵部材３の操舵角を検出するための操舵角センサ２０が設けられている。

また、転舵機構５に含まれる、上記の軸７に関連して、転舵角（船外機４の向き）を検出するための転舵角センサ２２が設けられている。また、転舵反力に関連する、上記軸７の軸力を検出するための一対の軸力センサ２３，２４が設けられている。
また、船体２の航行速度（船速）を検出する船速センサ２５、転舵用アクチュエータ６に供給される駆動電流を検出する電流センサ２６、反力用アクチュエータ８に供給される駆動電流を検出する電流センサ２７が設けられている。

転舵用アクチュエータ６は、マイクロコンピュータ等を含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成された主制御部２８から、駆動回路２９を介して駆動電流の供給を受けるようになっている。また、反力用アクチュエータ１８は、マイクロコンピュータ等を含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成された反力制御部３０から、駆動回路３１を介して駆動電流の供給を受けるようになっている。主制御部２８と反力制御部３０とは、例えばＣＡＮ（Controller Area Netwark)を用いた通信ライン３２を介して、必要な信号の授受を行うことができるようになっている。

主制御部２８には、操舵角センサ２０、転舵角センサ２２、軸力センサ２３，２４、船速センサ２５の出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて、主制御部２８は、転舵用アクチュエータ６を適切に制御する。
主制御部２８は、例えば、軸力センサ２３，２４による検出結果を用いて軸７に働く軸力（転舵反力に相当）を演算し、その演算結果に応じた反力指示信号を、通信ライン３２を介して、反力制御部３０に出力する。反力制御部３０は、取得された情報に基づいて、電流センサ２７による検出結果を参照しながら、反力用アクチュエータ１８をフィードバック制御し、これにより、操舵部材３に、その操作方向と逆方向の力（反力）を付与する動作をなす。

次いで、船外機４を船体２に支持する構造について説明する。図２を参照して、船外機本体４ｃは、一対のクランプブラケット３３，３４とスイベルブラケット３５とによって、船体２に支持されている。各クランプブラケット３３，３４は、船体２のトランサム（後尾板）３６を把持することによって船体２に固定されている。スイベルブラケット３５は、クランプブラケット３３，３４に、水平回動中心軸としてのチルト中心軸３７の回りに、チルト方向Ｙ１に回動自在に連結されている。

チルト中心軸３７は、一対の取付ブラケット８，９間に架設された状態で、一対のクランプブラケット３３，３４に貫通されている。各取付ブラケット８，９と対応するクランプブラケット３３，３４との間には、それぞれ、ワッシャ３８が介在している。各取付ブラケット８，９の、対応するクランプブラケット３３，３４への取付は、スイベルブラケット３５に両クランプブラケット３３，３４を軸支するための上記チルト中心軸３７の両端部に螺合されるナット３９によって、共締め状態でなされている。

船外機本体４ｃは、スイベルブラケット３５に、上記の転舵中心軸１２の回りに回動自在に取り付けられている。これにより、船外機４を転舵中心軸１２の回りに可動させることによって、転舵角（船体２の中心線Ｃ１に対して推進力の方向がなす角）を変化させることができる。また、スイベルブラケット３５をチルト中心軸３７回りに回動させることによって、船外機４のトリム角（水平面に対して推進力の方向がなす方向）を変化させることができる。

移動体１０は、軸７を挿通させる筒状のハウジングによって構成されている。変換機構１１は、軸７に形成されたねじ軸１１ａと、図示しないボールを介して、上記ねじ軸１１ａと螺合する回転筒としてのボールナット１１ｂとにより構成されている。ボールナット１１ｂは、移動体１０の内周に保持された一対の軸受４０によって、回転可能に且つ軸方向移動不能に保持されている。

転舵用アクチュエータ６を構成するブラシレスモータは、可動部６ａと、固定部６ｂとを備えている。可動部６ａは、例えば、ボールナット１１ｂの外周に固定された筒状のマグネットからなる。固定部６ｂは、例えば、可動部６ａの周囲を隙間を設けて取り囲む環状に配列され且つ移動体１０の内周に固定された複数のヨークに、コイルを巻き付けて構成されている。

第１のブラケット１４に設けられる、連結軸１６のための連結孔１４ａは、船体の中心線Ｃ１と平行に延びる長孔に形成されている。
図３Ａおよび図３Ｂを参照して、上記の軸７の第１および第２の端部７ａ，７ｂは、それぞれ、対応する軸力センサ２３，２４を介して、対応する取付ブラケット８，９に固定されている。具体的には、軸力センサ２３，２４は、荷重検出手段としての、例えばロードセルによって構成されており、各軸力センサ２３，２４の一方の端面には、ねじ軸４１が突出形成され、他方の端面には、ねじ筒４２が突出形成されている。

各軸力センサ２３，２４のねじ軸４１は、軸７の対応する端部７ａ，７ｂから延設されたねじ筒４３に螺合している。また、各軸力センサ２３，２４のねじ筒４２には、対応するブラケット８，９のねじ挿通孔４４に挿通された固定ねじ４５が螺合している。これにより、各軸力センサ２３，２４には、軸方向の双方向の荷重を検出することができるようになっている。

次いで、図４のフローチャートを参照して、軸７に働く軸力を求めるための主制御部２８による処理の流れを説明する。
まず、軸７の左右の軸力センサ２３，２４からの信号に基づいて、左軸力ＦＬおよび右軸力ＦＲが検出される（ステップＳ１）。次いで、検出された左軸力ＦＬと右軸力ＦＲに基づいて、軸７に働く軸力Ｆが求められる（ステップＳ２）。

具体的には、式Ｆ＝ＦＲ＋（−ＦＬ）により、演算される。ただし、引っ張り側を正とし、圧縮側を負としている。
次いで、求められた軸力Ｆに応じた反力指示信号が、通信ライン３２を介して、反力制御部３０へ出力される（ステップＳ３）。
操舵部材３が、図５に示すように、左回りに操舵トルクＴが付与されて左操舵されるときは、移動体１０が、右の軸力センサ２４側へ移動し、軸７は左方への軸力Ｆを受けることになる。この場合、左の軸力センサ２３は圧縮荷重（すなわち、検出される左軸力ＦＬは負となる）を受け、右の軸力センサ２４は引っ張り荷重（すなわち、検出される右軸力ＦＲは正となる）を受ける。したがって、求められた軸力Ｆは、正（Ｆ＞０）となる。

求められた軸力Ｆの情報は、通信ライン３２を介して、反力制御部３０に与えられる。反力制御部３０では、与えられた軸力Ｆが正（Ｆ＞０）であるので、操舵部材３に右回りに、与えられた軸力Ｆの大きさに応じた反力Ｒを与えることになる。
なお、上記では、軸７に働く軸力Ｆが、操舵時の移動体１０の移動による負荷によるものに則して説明したが、転舵時の船外機４が流水から受ける外力も、軸力７に軸力Ｆを生じさせる。したがって、軸力Ｆを検出することにより、実質的な転舵反力を検出することができるわけである。

なお、船外機４に流木等が衝突して、転舵機構５に過大な逆入力が加えられた場合に、すなわち、軸力Ｆが所定の範囲を逸脱する場合（Ｆ＜下限値Ｆｍｉｎ、または、上限値Ｆｍａｘ＜Ｆ）に、反力用アクチュエータ１８によって操舵部材３にパルスや振動を与えるようにし、これにより、操舵部材３を介して操縦者に異常を知らせるような反力制御を実施することが可能である。また、軸力Ｆが所定の範囲を逸脱する場合（Ｆ＜下限値Ｆｍｉｎ、または、上限値Ｆｍａｘ＜Ｆ）に、舵取り部材である船外機４の転舵位置を中点に戻したり、中点に近づけたりする転舵制御を実施することが可能である。

このように、本実施の形態によれば、転舵機構５に含まれる軸７が受ける軸力Ｆを検出することによって、転舵反力を容易且つ正確に検出することができる。これにより、検出精度の良い転舵反力に応じた適切な反力制御や転舵制御が可能となる。
また、一対の軸力センサ２３，２４を用いて軸力を検出するので、転舵反力をより精度の良く検出することができる。

また、転舵力は、船外機４自身の動力に依存しない転舵用アクチュエータ６によって発生されるので、船外機４の運転状態に拘らず、航行条件に適した転舵力を発生させることができる。
次いで、図６は、本発明の別の実施の形態の転舵機構を示している。図６を参照して、本実施の形態が図２の実施の形態と異なるのは、下記である。すなわち、例えば左の軸力センサを廃止して、軸７の第１の端部７ａを第１の取付ブラケット８に直接固定している。したがって、軸力センサとしては、右の軸力センサ２４が唯一設けられている。

また、第１の取付ブラケット８は、チルト中心軸３７に、軸方向相対移動自在に連結されている。具体的には、チルト中心軸３７の軸方向に関して、第１の取付ブラケット８と対応するクランプブラケット３３との間に、隙間４６が設けられ、第１の取付ブラケット８とナット３９との間に、隙間４７が設けられている。
これにより、軸７に働く軸力Ｆの全体が、軸力センサ２４に引っ張り荷重または圧縮荷重として負荷されるようにされている。したがって、軸力Ｆは右軸力ＦＲと等しくなる（Ｆ＝ＦＲ）。他の構成については、図２の実施の形態と同様であるので、図２と共通の構成については、図２と同じ符号を図６に付して、その説明を省略している。

本実施の形態においても、図２の実施の形態と同様に、検出精度の良い転舵反力に応じた適切な反力制御や転舵制御が可能となる。
図６の実施の形態においては、第１の取付ブラケット８を、チルト中心軸３７に対して軸方向相対移動自在に連結したが、第１のブラケット８は、軸７およびチルト中心軸３７の何れ一方に対して、軸方向相対移動自在に連結されていればよい。

したがって、図７に示すように、第１の取付ブラケット８を、軸７に対して軸方向相対移動自在に連結するようにしてもよい。この場合、取付ブラケット８と軸７の第１の端部７ａとの間に、隙間４９が形成され、取付ブラケット８を貫通して軸７の第１の端部７ａにねじ込まれたボルト４８の頭部と取付ブラケット８との間に、隙間５０が形成されている。

また、図示していないが、第１の取付ブラケット８を、軸７およびチルト中心軸３７の双方に、軸方向相対移動不能に連結し、第２の取付ブラケット９を、軸７およびチルト中心軸３７の何れか一方に対して、軸方向相対移動自在に連結するようにしてもよい。この場合、軸力センサは、軸７の第１の端部７ａと第１の取付ブラケット８との間のみに配置されることになる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、変換機構として、ボールねじ機構に代えて、ラックアンドピニオン機構を用いるようにしてもよい。また、本発明の船用操舵装置を、いわゆる船内機によって推進力を得る船に適用するようにしてもよい。その他、請求の範囲記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施の形態の船用操舵装置が適用された船の模式図である。 転舵機構の概略断面図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、軸の左右の端部への、軸力センサの取付構造を示す断面図である。 ＥＣＵによる制御の流れを示すフローチャートである。 操舵時に、操舵部材に負荷される力、並びに転舵機構の軸および軸力センサに負荷される力の関係を説明するための模式図である。 本発明の別の実施の形態の船要素操舵装置の転舵機構の概略断面図である。 本発明のさらに別の実施の形態の船要素操舵装置の転舵機構の概略断面図である。

符号の説明

１…船用操舵装置、２…船体、３…操舵部材、４…船外機（舵取り部材）、５…転舵機構、６…転舵用アクチュエータ、７…軸、７ａ…第１の端部、７ｂ…第２の端部、８…第１の取付ブラケット（第１の取付部材）、９…第２の取付ブラケット（第２の取付部材）、１０…移動体、１１…変換機構、１２…転舵中心軸、１３…リンク機構、１８…反力用アクチュエータ、２０…操舵角センサ、２２…転舵角センサ、２３，２４…軸力センサ（軸力検出手段。荷重検出手段）、２５…船速センサ、２８…主制御部、３０…反力制御部、３３，３４…クランプブラケット、３５…スイベルブラケット、３７…チルト中心軸

Claims (5)

1. 舵取り部材の転舵反力に応じた軸力を受ける軸を含む転舵機構と、
   この転舵機構に機械的に連結されていない操舵部材と、
   上記軸が受ける軸力を検出するための軸力検出手段とを備えたことを特徴とする船用操舵装置。
2. 請求項１において、上記軸力検出手段が複数設けられたことを特徴とする船用操舵装置。
3. 請求項１において、上記転舵機構は、転舵用アクチュエータによって駆動されて上記軸の軸長方向に移動し、移動に伴って上記軸に軸力を生じさせる移動体と、この移動体および舵取り部材を互いに連結するリンク機構とを含み、
   上記軸の第１および第２の端部は、船体に取り付けられた第１および第２の取付部材に、それぞれ、連結されており、
   上記軸力検出手段は、上記軸の各端部と各端部にそれぞれ対応する取付部材との間に作用する荷重を、それぞれ、検出するための一対の荷重検出手段を含むことを特徴とする船用操舵装置。
4. 請求項１において、上記転舵機構は、転舵用アクチュエータによって駆動されて上記軸の軸長方向に移動し、移動に伴って上記軸に軸力を生じさせる移動体と、この移動体および舵取り部材を互いに連結するリンク機構とを含み、
   上記軸の第１および第２の端部は、上記軸に平行なチルト中心軸の回りに揺動自在に支持された第１および第２の取付部材に、それぞれ、連結されており、
   上記第１の取付部材は、上記軸およびチルト中心軸の何れか一方に、軸方向相対移動不能に連結されるとともに、他方に、軸方向相対移動自在に連結されており、
   上記第２の取付部材は、上記軸およびチルト中心軸に、軸方向相対移動不能に連結されており、
   上記軸力検出手段は、上記軸の第２の端部と第２の取付部材との間に作用する荷重を検出するための荷重検出手段を含むことを特徴とする船用操舵装置。
5. 請求項３または４において、上記転舵用アクチュエータの回転駆動力を、移動体を上記軸の軸長方向に移動させる力に変換するための変換機構を含むことを特徴とする船用操舵装置。

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