JP2013112090A - エネルギ蓄積型舵取装置 - Google Patents

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達也 石崎
Shuji Dobashi
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Abstract

【課題】舵取装置の舵軸駆動装置を小容量化かつ小型化し、舵軸駆動装置を省スペース化、省エネ化及び低コスト化する。
【解決手段】油ポンプ28を常時作動させ、油タンク24から作動油oを吸入し、アキュムレータ30内で作動油oが加圧状態となるように蓄積する。操舵時にアキュムレータ30から切換弁36を介して油室22a又は22bに作動油oを供給し、舵軸12を旋回させる。油ポンプ28によって舵軸12を直接旋回させず、アキュムレータ30に蓄積された高圧の作動油oで舵軸12を旋回させるので、油ポンプ28を省容量化、小型化できる。そのため、舵軸駆動装置を省スペース化、省エネ化及び低コスト化できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、舵軸回動エネルギを蓄積することで、小容量の駆動装置で舵軸を駆動可能にしたエネルギ蓄積型舵取装置に関する。
従来の船舶用舵取装置は、油圧アクチュエータで駆動される油圧式が主流であり、油圧式はラプソンスライド型とロータリーベーン型の2つに分類される。ラプソンスライド型は、特許文献1に開示されているように、舵軸を旋回駆動するチラーに接続された油圧アクチュエータを駆動することで、舵軸を旋回させるものである。ロータリーベーン型は、特許文献2に開示されているように、舵軸を囲むハウジングの内部に舵軸と一体の可動ベーンを備え、ハウジングと舵軸の間に、可動ベーンで仕切られた複数の作動室を形成している。複数の作動室のひとつに作動油を供給して、ロータを回動させるようにしている。
油圧式は船内への油漏れのリスクがある。そのため、近年、環境への配慮の観点から、作動油を使用しない電動式舵取装置に対するニーズが高まっている。特許文献3には、電動式舵取装置が提案されている。この舵取装置は、舵軸の上部に旋回環を装着し、該旋回環の外輪を大歯車に形成し、この大歯車に2個のピニオンを噛合させ、この2個のピニオンを互いに逆方向に回転する電動モータで、選択的に回転させるように構成している。
国際公開WO2010/052777A1公報 特開2011−73526号公報 特開2007−8189号公報
舵取装置は、400〜600t・mの大トルクを発生させる必要がある。そのため、電動式舵取装置は大容量の電動モータと大型の減速機を備える必要があり、舵軸上部に大型の構造物を設ける必要がある。従って、コスト面及び設置スペースの面から、現状、実用化が困難な状況にある。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、舵取装置の舵軸駆動装置を小容量化かつ小型化し、舵取装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を実現することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明のエネルギ蓄積型舵取装置は、舵軸回動エネルギを発生する動力発生装置と、舵軸回動エネルギを蓄積するエネルギ蓄積装置と、エネルギ蓄積装置に蓄積された舵軸回動エネルギを操舵量に応じて舵軸に伝達する動力伝達装置と、動力伝達装置から舵軸に伝達される舵軸回動エネルギの舵軸に対する旋回方向を切り換えることで、舵軸の旋回方向を切り換える切換装置とを備えているものである。
前記構成において、動力発生装置を稼働させ、動力発生装置で発生させた動力をエネルギ蓄積装置に蓄積しておき、この蓄積された舵軸回動エネルギで舵軸を旋回させる。舵取装置は、1時間に10数回小舵角で転舵するだけなので、時間平均すると、必要仕事量は少ない。従って、本発明では、小容量で小型の動力発生装置を常時稼働させることで、十分な舵軸回動エネルギを蓄積できる。そのため、動力発生装置を小型化できるので、舵軸駆動装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を可能にする。
本発明において、動力発生装置が、作動流体を吸入し高圧で吐出するポンプであり、エネルギ蓄積装置が、該ポンプから吐出した作動流体を受け入れ加圧状態で蓄積するアキュムレータであり、動力伝達装置が、舵軸に連結され舵軸を回動する流体圧アクチュエータであり、切換装置が、アキュムレータと流体圧アクチュエータとを結ぶ作動流体給排路の給排方向を切り換える切換弁であるとよい。ポンプを長時間稼働させて作動流体をアキュムレータに蓄積するので、ポンプの容量を大きくする必要はない。そのため、ポンプを小型化でき、舵軸駆動装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を可能とする。作動流体は潤滑油等の作動油又は空気等の不活性気体を用いることができる。
本発明において、動力発生装置が電動モータであり、エネルギ蓄積装置が、電動モータの出力軸に連結され、電動モータの回転により舵軸回動エネルギを蓄積するバネ装置であり、動力伝達装置が、舵軸の上端に結合された大径歯車と、大径歯車と噛合し、バネ装置に連結され、バネ装置の反力により回転されるピニオンとで構成され、切換装置が、バネ装置とピニオンとを連結又は遮断するクラッチであり、かかる構成の舵軸駆動装置が2組設けられ、一方の舵軸駆動装置で舵軸を正方向へ旋回し、他方の舵軸駆動装置で舵軸を逆方向へ旋回させるように構成されているとよい。
前記構成では、電動モータを回転させ、バネ装置に歪エネルギとして舵軸回動エネルギが蓄積される。バネ装置に蓄積された歪エネルギは、操舵時にバネ装置の反力として放出され、クラッチを介してピニオンを回転させ、ピニオン介して大径歯車を回転させる。電動モータの駆動速度は遅くても、電動モータを常時稼働させることで、バネ装置に十分な量の歪エネルギを蓄積できる。そのため、十分に減速された小型電動モータで舵軸を操舵可能になる。従って、舵軸駆動装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を達成できる。
本発明の舵取装置は、舵軸の主駆動装置又は補助用の駆動装置として用いることができる。本発明の舵取装置は、設置スペースを大きく取らないので、補助用として用いた場合でも、設置スペースを十分確保できる。
本発明によれば、動力発生装置で直接舵軸を駆動するのではなく、発生させた舵軸回動エネルギをエネルギ蓄積装置に蓄積しておき、舵軸を操舵する時、蓄積されたエネルギで舵軸を旋回させるので、小容量で小型の動力発生装置で舵軸を操舵可能になる。そのため、舵軸駆動機構の省スペース化、省エネ化及び低コスト化が可能になる。
本発明装置の第1実施形態に係る油圧式舵取装置の構成図である。 本発明装置の第2実施形態に係る電動式舵取装置の斜視図である。 前記第2実施形態の操作手順を示す図表である。 本発明装置を補助装置として用いた第3実施形態に係る電動式舵取装置の構成図である。 本発明装置を補助装置として用いた第4実施形態に係る電動式舵取装置の構成図である。 第4実施形態の変形例に係る電動式舵取装置の構成図である。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
(実施形態1)
本発明装置の第1実施形態に係る油圧式船舶用舵取装置10Aを図1に基づいて説明する。舵軸12は旋回駆動用チラー14を介して油圧アクチュエータ16によって旋回される。油圧アクチュエータ16は、ラム18と、ラム18の両端に設けられたシリンダ20a及び20bとからなる。シリンダ20a、20bはラム18との間に油室22a、22bを形成している。舵軸12の近傍に油タンク24が設けられ、油タンク24と油圧アクチュエータ16の油室22a、22bとを結ぶ油路26a、26bが配設されている。
油路26aには、油タンク24から作動油oを汲み上げ高圧で吐出する油ポンプ28が設けられている。油ポンプ28の下流側にはアキュムレータ30が設けられ、油ポンプ28から吐出された作動油oがアキュムレータ30の内部に高圧で供給される。作動油oが高圧で供給されることで、アキュムレータ30の内部空気が加圧され、加圧空気aとなって、作動油oの液面上方に加圧空気領域が形成される。アキュムレータ30の上流側に逆止弁32が設けられ、作動油oが油ポンプ28側へ逆流するのを防止している。アキュムレータ30の下流側油路26aに圧力センサー34が設けられ、アキュムレータ30内の圧力が許容値を超えないように監視している。圧力センサー34の下流側に、油室22a又は22bに作動油を送る切換弁36が設けられている。
かかる構成において、油ポンプ28を稼働し、アキュムレータ30内に作動油oを供給し、アキュムレータ30に作動油oを高圧状態で蓄積する。アキュムレータ30内の圧力が設定圧力となったら、油ポンプ28を停止する。舵軸12を操舵する時、切換弁36によってアキュムレータ30に蓄積された作動油oを油室22a又は22bに送り、ラム18を矢印a方向又は矢印b方向に移動させ、舵軸12を矢印a方向又は矢印b方向へ旋回させる。例えば、作動油を油室22aに送ることで、ラム18を矢印b方向へ移動させ、舵軸12を矢印b方向へ旋回させる。同時に、油室22bの作動油は油路26bを介して油タンク24に戻る。圧力センサー34の検出値が設定値より低下したら、油ポンプ28を稼働させてアキュムレータ30内に作動油oを供給し、アキュムレータ30内の圧力を設定値に戻す。
本実施形態によれば、油ポンプ28を舵軸12を直接駆動するために用いるのではなく、作動油をアキュムレータ30に加圧状態で蓄積するために用いているので、油ポンプ28の容量を大きくする必要がない。そのため、油ポンプ28を小型化できる。また、圧力センサー34でアキュムレータ30内の圧力を監視し、アキュムレータ30内の圧力が設定値に達したら、油ポンプ28を停止させる。これによって、油ポンプ28を余分に稼働させることがなくなり、省エネが可能になる。これによって、舵軸駆動装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を達成できる。
(実施形態2)
次に、本発明装置の第2実施形態に係る電動式舵取装置10Bを図2及び図3により説明する。図2において、舵軸12の上端に大径歯車38が一体に装着され、大径歯車38の両側に舵軸駆動装置40A及び40Bが設けられている。舵軸駆動装置40A及び40Bはほぼ同一の構成を有し、まず、舵軸駆動装置40Aを例に取ってその構成を説明する。上端に電動モータ42aが設けられ、電動モータ42aの出力軸44aは右回転し、つるまきバネ46aの中心側に位置した端部に接続されている。つるまきバネ46aの外周側に位置する他端48aは、つるまきバネ46aの下方に設けられた円盤50aに接続されている。
円盤50aの下面中心部には軸52aが固着され、軸52aはクラッチ54aに接続されている。軸52aとクラッチ54aの下部に接続された軸56aとは、クラッチ54aによって連結し又は連結状態が解除される。軸56aはピニオン60aに結合しており、ピニオン60aは大径歯車38と噛合している。円盤50aの外側に、舵軸12を旋回させない時円盤50aの回転を停止させるブレーキ60aが設けられている。
電動モータ42aは、矢印方向に右回転し、つるまきバネ46aの中心側端部を巻いていく。これによって、つるまきバネ46aにつるまきバネ46aの反力としての舵軸回動エネルギが蓄積されていく。舵軸回動エネルギを設定量蓄積したら、電動モータ42aを停止させる。操舵が必要な時、ブレーキ60aを解除すると共に、クラッチ54aによって軸52aと軸56aとを接続する。これによって、円盤50aがつるまきバネ46aの反力によって左方向に回転し、円盤50aの回転は、クラッチ54aを介してピニオン58aに伝達され、ピニオン58aを左方向へ回転させる。ピニオン58aが左方向(矢印c方向)へ回転することで、大径歯車38を右方向へ回転させる。
舵軸駆動装置40Bも舵軸駆動装置40Aと同様な構成を有する。電動モータ42bの出力軸44bはつるまきバネ46bの中心側端部に接続されている。電動モータ42bは矢印方向へ左回転し、つるまきバネ46bに舵軸回動エネルギを蓄積させる。つるまきバネ46bの外周側端部が円盤50bに接続されている。操舵が必要な時、円盤50bに対するブレーキ60bのブレーキ力を解除すると共に、クラッチ54bによって軸52bと軸56bとを接続する。これによって、円盤50bがつるまきバネ46bの反力によって右方向に回転し、円盤50bの回転は、クラッチ54bを介してピニオン58bに伝達され、ピニオン58bを右方向(矢印d方向)へ回転させる。ピニオン58bが右方向へ回転することで、大径歯車38を左方向へ回転させる。
このように、本実施形態では、舵軸駆動装置40Aによって舵軸12を右回転させ、舵軸駆動装置40Bによって舵軸12を左回転させるように、役割を分担している。
図3に、操作手順を示している。舵軸12を右回転させる時、円盤50aに対するブレーキ60aのブレーキ力を開放し、かつクラッチ54aを接続する。逆に、円盤50bに対するブレーキ60bのブレーキ力を保持し、かつクラッチ54bを開放(非接続)する。舵軸12を左回転させる時、ブレーキ60aの円盤50aに対するブレーキ力を保持し、かつクラッチ54aを開放(非接続)する。逆に、ブレーキ60bを開放し、クラッチ54bを接続する。舵軸12を操舵せずに固定する時、ブレーキ60a及び60bの円盤50a及び50bに対するブレーキ力を保持し、かつクラッチ54a及び54bを接続状態とする。
舵軸12の操舵は、1時間に10数回であり、かつ小舵角で転舵するだけであるので、時間平均すると、電動モータ42a、42bの必要仕事量は小さい。また、電動モータ42a、42bで直接舵軸12を駆動するわけではないので、電動モータ42a、42bは大容量を必要としない。本実施形態によれば、電動モータ42a、42bを常時稼働させることで、つるまきバネ46a、46bに十分舵軸回動エネルギを蓄積できるので、電動モータ42a、42bの容量を小さくできる。そのため、電動モータ42a、42bを小型化でき、従って、舵軸駆動装置の省スペース化、省エネ化及び低コスト化を達成できる。また、電動モータ42a、42bの回転速度は遅くてもよいので、十分に減速された小型電動モータでも用いることができる。
なお、本実施形態において、電動モータ42a、42bとつるまきバネ46a、46bとの間、円盤50a、50bとクラッチ54a、54bとの間、クラッチ54a、54bとピニオン58a、58bとの間のいずれかに、減速機を追設するようにしてもよい。
(実施形態3)
次に、本発明装置を補助装置として用いた第3実施形態に係る電動式舵取装置10Cを図4により説明する。電動式舵取装置10Cは、舵軸12の上端に旋回駆動用チラー14が舵軸12と一体に設けられ、チラー14の下方に大径歯車38が舵軸12と一体に設けられている。大径歯車38の両側に、大径歯車38と噛合するピニオン62a及び62bが設けられている。ピニオン62a、62bは、これらピニオンの下方に配置された電動モータ64a、64bの出力軸と接続され、該電動モータによって回転される。ピニオン64aとピニオン64bとは、互いに逆方向に回転し、一方のピニオンで大径歯車38を右回転させ、他方のピニオンで大径歯車38を左回転させる役割分担となっている。
大径歯車38には、舵軸12の操舵を停止させる時、大径歯車38の動きを止める空気駆動ブレーキ66が設けられている。大径歯車38、ピニオン62a、62b及び電動モータ64a、64b等で、舵軸12を駆動する主駆動装置を構成している。また、舵軸12を補助的に駆動する装置として、補助駆動装置70が設けられている。以下、補助駆動装置70の構成を説明する。空気シリンダ72のピストン74は、連結棒76を介してチラー14に連結され、ピストン74の往復動によってチラー14を左右両方向へ旋回可能になっている。
空気シリンダ72の左右空気室には、空気路78a及び78bが接続されている。空気路78aの入口空気ポンプ80が設けられ、空気ポンプ80は、空気取入口82から空気を取入れ、加圧空気を空気路78aに吐出する。アキュムレータ84は、加圧空気aを取入れ蓄圧する。アキュムレータ近傍の空気路78aに設けられた圧力センサー86でアキュムレータ84の圧力を監視し、それが設定値となったら、空気ポンプ80を停止する。空気ポンプ80とアキュムレータ84との間に逆止弁88を設けており、逆止弁88によって加圧空気が空気ポンプ80に逆流するのを防止している。
空気路78a、78bには切換弁90が設けられ、切換弁90によって空気路78aから供給される加圧空気aを空気シリンダ72の左右空気室のどちらかに切り換え供給する。加圧空気aの供給と共に、空気シリンダ72の左右空気室のどちらかから排出された空気は、空気路78bを通り、空気排出口92から外部へ排出される。空気ポンプ80の駆動装置は、船舶の推進器94の駆動装置96と回転力伝達装置98を介して接続されている。これによって、空気ポンプ80には推進器94の回転が伝達され、その回転を利用して駆動される。また、空気駆動ブレーキ66も、推進器94の回転を利用して空気を蓄圧し、蓄圧した加圧空気でブレーキ力を発揮させることができる。
かかる構成において、通常の舵軸12の操舵は、大径歯車38及びピニオン62a、62b、電動モータ64a、64b等で構成される主駆動装置を用いる。補助駆動装置70は、主駆動装置を構成する電動モータ64a、64bの出力時又は舵軸停止時のブレーキ力を補助するために用いられる。即ち、操舵開始時に主駆動装置の負荷トルクを補助し、あるいは操舵角固定時に舵軸12に作用するブレーキ力を補助するためなどに稼働される。これによって、電動モータ64a、64bの必要トルクを軽減できるため、電動モータ64a、64bの小容量化及び小型化が可能になる。
なお、本実施形態において、大径歯車38とブレーキデスクを兼用するようにしてもよい。これによって、設備費を軽減できる。
(実施形態4)
次に、本発明装置を補助装置として用いた第4実施形態に係る電動式舵取装置10Dを図5により説明する。電動式舵取装置10Dは、ボールネジ100が設けられ、ボールネジ100は、チラー14に設けられたナット(図示省略)と噛合し、回転してチラー14を左右に旋回可能にしている。ボールネジ100の先端に歯車102が取り付けられ、歯車102は電動モータ104の出力軸104aに取り付けられた歯車106と噛合している。電動モータ104が稼働すると、歯車106及び102を介してボールネジ100を回動させる。ボールネジ100の回転によりチラー14を右回転又は左回転する。電動モータ104は双方向回転の電動モータを用いる。前記構成の舵軸駆動機構を主駆動装置として用いている。
舵軸12には、舵軸12の旋回を停止させるためのブレーキ装置として、ブレーキデスク108と、空気駆動ブレーキ66とが設けられている。また、前記主駆動装置のほかに、補助駆動装置70が設けられている。補助駆動装置70は前記第3実施形態で用いられた補助駆動装置70と同一構成を有している。空気シリンダ72のピストン74は連結棒76を介してチラー14に接続されている。第3実施形態と同等に、補助駆動装置70は、主駆動装置の出力時又は舵軸停止時のブレーキ力を補助するために用いられる。
即ち、操舵開始時の電動モータ104の負荷トルクを補助し、あるいは操舵角固定時のブレーキ力を補助するためなどに稼働される。これによって、電動モータ104の必要トルクを軽減できるため、電動モータ104の小容量化及び小型化が可能になる。
次に、前記第4実施形態の変形例を図6により説明する。この電動式舵取装置10D´は、第4実施形態の構成と比べて、ブレーキデスク108と空気駆動ブレーキ66とからなるブレーキ装置の代わりに、パッド方式の空気駆動ブレーキ110を設けている。空気駆動ブレーキ110は、推進器の回転を利用して空気を蓄圧し、蓄圧した加圧空気でブレーキ力を発揮させることができる。その他の構成は第4実施形態と同一である。本変形例の作用効果は第4実施形態と同一である。
本発明によれば、舵取装置の舵軸駆動装置を小容量化かつ小型化でき、舵軸駆動装置を省スペース化、省エネ化及び低コスト化できる。
10A 油圧式舵取装置
10B、10C、10D、10D´ 電動式舵取装置
12 舵軸
14 チラー
16 油圧アクチュエータ
18 ラム
20a、20b シリンダ
22a、22b 油室
24 油タンク
26a、26b 油路
28 油ポンプ
30、84 アキュムレータ
32、88 逆止弁
34、86 圧力センサー
36、90 切換弁
38 大径歯車
40A、40B 舵軸駆動装置
42a、42b、64a、64b、104 電動モータ
44a、44b、104a 出力軸
46a、46b つるまきバネ
48a、48b 他端
50a、50b 円盤
52a、52b、56a、56b 軸
54a、54b クラッチ
58a、58b、64a、64b ピニオン
60a、60b ブレーキ
66,110 空気駆動ブレーキ
70 補助駆動装置
72 空気シリンダ
74 ピストン
76 連結棒
78a、78b 空気路
80 空気ポンプ
82 空気取入口
92 空気排出口
94 推進器
96 駆動装置
98 回転力伝達装置
100 ボールネジ
102、106 歯車
108 ブレーキデスク
a 加圧空気
o 作動油

Claims (5)

  1. 舵軸回動エネルギを発生する動力発生装置と、
    該舵軸回動エネルギを蓄積するエネルギ蓄積装置と、
    該エネルギ蓄積装置に蓄積された舵軸回動エネルギを操舵量に応じて舵軸に伝達する動力伝達装置と、
    該動力伝達装置から舵軸に伝達される舵軸回動エネルギの舵軸に対する旋回方向を切り換え、舵軸の旋回方向を切り換える切換装置とを備えていることを特徴とするエネルギ蓄積型舵取装置。
  2. 前記動力発生装置が、作動流体を吸入し高圧で吐出するポンプであり、
    前記エネルギ蓄積装置が、前記ポンプから吐出した作動流体を受け入れ加圧状態で蓄積するアキュムレータであり、
    前記動力伝達装置が、舵軸に連結され舵軸を回動する流体圧アクチュエータであり、
    前記切換装置が、前記アキュムレータと前記流体圧アクチュエータとを結ぶ作動流体給排路の給排方向を切り換える切換弁であることを特徴とする請求項1に記載のエネルギ蓄積型舵取装置。
  3. 前記作動流体が作動油又は不活性気体であることを特徴とする請求項2に記載のエネルギ蓄積型舵取装置。
  4. 前記動力発生装置が電動モータであり、
    前記エネルギ蓄積装置が、前記電動モータの出力軸に連結され、該電動モータの回転により舵軸回動エネルギを蓄積するバネ装置であり、
    前記動力伝達装置が、舵軸の上端に結合された大径歯車と、該大径歯車と噛合し、前記バネ装置に連結され、バネ装置の反力により回転されるピニオンとで構成され、
    前記切換装置が、前記バネ装置と前記ピニオンとを連結又は遮断するクラッチであり、
    前記構成の舵軸駆動装置が2組設けられ、一方の舵軸駆動装置で舵軸を正方向へ旋回し、他方の舵軸駆動装置で舵軸を逆方向へ旋回させるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のエネルギ蓄積型舵取装置。
  5. 前記エネルギ蓄積型舵取装置が舵軸を駆動するための補助動力装置として設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの項に記載のエネルギ蓄積型舵取装置。
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