JP4927372B2 - 小型船舶 - Google Patents

Description

本発明は、複数の船外機やスターンドライブ等の船舶推進機（以下単に船外機という）を備えた多機掛け船外機型の小型船舶に関する。

小型船舶の船尾に取付けられた船外機は、それ自体で舵の機能を有し、ハンドルの操舵角に応じた転舵角だけスイベル軸廻りに回転し、船体に対し船尾から推力を付与することにより転舵角に応じた方向に旋回する。このような船外機の舵切り動作を行うための電動ステアリング装置が特許文献１に開示されている。電動式の舵切り装置を用いることにより、ハンドル操舵角に応じた転舵角だけモータを駆動して船外機を転舵動作させることができる。これにより、容易に確実に舵切り動作を行うことができる。この場合、船外機出力が推力として船体に対し船尾側から作用する。この船外機出力は、操縦席にハンドルとともに備わるアクセルレバーの操作によって調整される。アクセルレバーは、中央に所定角度の中立範囲を有し、これより前側に倒すと前進シフト位置に移行し、前側へのレバー倒し角度に応じてスロットルが開いて前進出力が増加する。逆に後側に倒すと後進シフト位置に移行する。

船尾に２機の船外機を並列して取り付けた２機掛け船外機では、それぞれの船外機に対しアクセルレバーが備わり、船外機ごとに出力調整ができる。

図８は、多機掛け船外機（この例は２機掛け）による旋回動作の説明図である。（Ａ）は転舵角が大きい場合、（Ｂ）は転舵角が小さい場合を示す。
（Ａ）の場合、船体１の船尾板２に取付けられた２機の船外機３ａ，３ｂの各出力に応じた推力Ｆにより、旋回中心に対し回転モーメントＭ１，Ｍ２が作用する。この回転モーメントＭ１，Ｍ２は回転中心に対し、船体１を同じ方向に旋回させるように作用する。

一方、（Ｂ）の場合、船外機３ａ，３ｂの各推力Ｆによる回転モーメントＭ３，Ｍ４は回転中心に対し相互に逆方向に作用する。この例の場合、船外機３ａによる回転モーメントＭ３は、意図する旋回方向と逆方向に回転するように作用する。したがって、このような場合には、船外機３ａの出力を逆方向（後進側）に作用させた方が旋回動作については効率よくできる。しかし、出力を逆方向に作用させると、全体としての前進推力が小さくなり、低速の場合はほとんど問題ないが、速度が大きくなるとエネルギーロスや過度な速度低下を引き起こし、運転感覚を低下させる。特にフルスロットル付近の高速走行中には、一方を後進側にシフトすることは無理であり、また一方の出力を低下させて出力差により旋回すると、全体の推力低下によって速度が大きく低下し、運転感覚の低下が顕著になる。

したがって、２機掛け船外機の場合には、ハンドルによる操舵角操作とともに、各船外機のアクセルレバーを、操舵角及びそのときの速度や加速度あるいはシフト位置などの走行状態に応じて別々に操作する必要があり、非常に面倒である。
一方、２機掛け推進機において、各推進機の推進力の方向と強さを任意に設定できるようにした船舶用操縦装置が特許文献２に開示されている。この特許文献２の操縦装置は、ハンドルの他にジョイスティック等の全方向性指示器を備え、ジョイスティックにより指示された方向に応じて２機の推進機の操舵角をそれぞれ変えるとともにそれぞれの推力を変えて旋回動作させるものである。
しかし、この特許文献２の操縦装置では、ハンドルの他にジョイスティックを必要とし構造が複雑になる。また、各推進機の転舵方向、すなわち水平面内における推進機の推力の方向をそれぞれ変えるため、旋回半径や速度などによっては、各推進機の推力がキャンセルしあって、大きなエネルギーロスを生じる場合がある。

特許第２９５９０４４号公報 特開平１−２８５４８６号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、多機掛け船外機型の小型船舶において、旋回時にアクセルレバー操作を省略可能とし、速度などの走行状態に応じて各船外機の出力を調整し、ハンドル操作だけで容易に効率よく旋回できる小型船舶の提供を目的とする。

請求項１の発明は、ステアリングホイールと、該ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、船尾に取付けられた複数の船舶推進機と、各船舶推進機に連結された電動舵切り装置と、前記各船舶推進機の出力を制御する制御装置とを備えた小型船舶において、前記制御装置は、前記操舵角及び船の走行状態に応じて、前記各船舶推進機の出力、トリム角度又はプロペラの高さを調整し、船舶推進機全体での推力及びその方向を制御するものであり、前記電動舵切り装置の故障時に、転舵角を所定の角度で固定し、操舵角に応じて各船舶推進機の出力を調整してその出力差により走行方向を制御することを特徴とする小型船舶を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各船舶推進機の出力は、スロットル開度、点火時期、燃料噴射及びシフトのうち少なくとも１つを用いて調整されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記所定の角度は、故障時の転舵角であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記所定の角度は、中央に戻した転舵角であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、旋回時に操船者が、ステアリングホイールを操作すると、操舵角が変化し旋回方向や半径に応じた操舵角が検出される。これにより、操船者の旋回の意思が検出される。制御装置により予め、複数の船舶推進機が操舵角及び船の走行状態に応じた最適な出力差により方向変更するように各船舶推進機の出力を調整、あるいはトリム角調整による推力作用方向の上下方向の調整又はプロペラ高さ調整による推力作用点の上下方向の調整を行い、船舶推進機全体での推力及びその方向を制御することにより、操船者は個々の船舶推進機のアクセルレバーを操作することなく、ステアリング操作だけで、各船舶推進機の出力を的確に調整して推力差により船の走行状態に応じて容易に効率よく旋回あるいは外力に抗して直進走行する等の走行方向の制御ができる。特に低速時の小回り旋回が簡単なステアリング操作のみで容易にできる。
また、本発明によれば、電動舵切り装置が故障したとき、舵を所定の角度で固定し、舵を動かすことなく旋回や方向変更あるいは外力に抗して直進走行する等の走行方向の制御ができるため、舵切り装置が故障しても目的地に向けて確実に走行することができる。

請求項２の発明によれば、各船舶推進機は、それぞれスロットル開度、点火時期、燃料噴射（インジェクタの噴射タイミング及び噴射量等のデューティ制御）あるいはシフトのいずれかを用いて適正に出力制御される。

請求項３の発明によれば、電動舵切り装置が故障したとき、故障を検出したときの状態のまま舵を動かすことなく旋回や方向変更操作することができるため、舵切り装置が故障しても目的地に向けて確実に走行することができる。

請求項４の発明によれば、電動舵切り装置が故障したとき（舵を戻すことができる程度の故障）、舵を中央の直進状態の位置に戻した状態で舵を固定し、そのまま舵を動かすことなく旋回や方向変更操作して、左右方向にバランスよく旋回調整することができるため、舵切り装置が故障しても目的地に向けてさらに確実に走行することができる。

図１は、本発明に係る２機掛け船外機型の小型船舶の全体平面構成図である。
船体１の船尾板２に２機の船外機３ａ，３ｂがそれぞれクランプブラケット４を介して取付けられる。各船外機３ａ，３ｂは、スイベル軸（鉛直軸）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の前端部に電動モータ式の舵切り装置１５（図３参照）が連結される。舵切り装置１５の電動モータが矢印Ａのようにスライドすることにより、ステアリングブラケット５を介して船外機３ａ，３ｂが転舵角に応じてスイベル軸６廻りに回転する。各船外機３ａ，３ｂ及び舵切り装置１５は、それぞれコントローラ１１を介して制御装置（ＥＣＵ）１２に連結され、制御装置１２により船外機のエンジン出力制御及び舵切り装置１５の転舵角制御が行われる。
船外機３ａ，３ｂは、それぞれチルトシリンダ（図示しない）によりチルト軸廻りに回転可能であり、上陸時などにほぼ水平位置まで回転して引き上げられる。また、船外機３ａ，３ｂはそれぞれトリムシリンダ（図示しない）により上記チルト軸廻りに回転可能であり、航行中に船外機のトリム角を調整してプロペラの推力方向を鉛直面内で上下に回動して調整することができる（後述の図９参照）。
また、船外機３ａ，３ｂは、それぞれクランプブラケット４を介して船尾のトランサム（図示しない）に取付けられ、航行中に上下方向の位置が調整可能である（後述の図１０参照）。

操縦席に本発明でいうステアリングホイールとしてのハンドル７が備わる。ハンドル７の回転操作による操舵角は、ハンドル軸８を介して操舵角センサ９により検出される。検出された操舵角はケーブル１０を介して制御装置１２に送られる。ハンドル軸８には反力モータ１４が連結され、操舵角や外力状態に応じた反トルクが制御装置１２で演算され、この反トルクが反力モータ１４によりハンドル７に付与される。これにより、操船者に対し、船の走行状態に合せてハンドル操作に応じた反力が付与され、ハンドル操作したときの重い感じや軽い感じ等の運転感覚が得られる。

制御装置１２には、走行状態検出手段１６が接続される。走行状態検出手段１６は、速度センサ、姿勢センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサ、エンジン状態センサ、シフト位置センサ、アクセルセンサなどで構成される。速度センサによる速度の検出は、船底に設けた羽根車で直接水に対する速度を検出してもよいし、ＧＰＳにより地上に対する位置を計測して速度を演算してよいし、あるいはエンジンの回転数やスロットル開度から速度を予測して求めてもよい。姿勢センサは、ジャイロ等を用いて船体のロール角やピッチ角を検出して船の姿勢を検出する。ヨーレートセンサは、船の旋回状態を検出する。横加速度センサは、旋回時の遠心力を検出する。エンジン状態センサは、スロットル開度やエンジン回転数を検出する。シフト位置センサは、前進後進のシフト位置を検出する。アクセルセンサは、アクセルレバーからスロットル開度状態を検出する。走行状態としてさらに、加速度状態を速度データから演算して求めてもよい。また、各船外機の舵切り装置に荷重センサを設け、転舵時に船体に作用する外力を検出してもよい。外力は、舵切り装置のモータに設けたトルクセンサから検出してもよい。さらに、各船外機のエンジン出力軸あるいはプロペラ軸にトルクセンサを設け、各船外機の推力を走行状態データとして検出してもよい。このような走行状態検出手段１６により船の走行状態が検出され、そのデータは制御装置１２に送られる。

図２は、本発明に係る小型船舶の操舵制御系の要部構成図である。
ハンドル７の回転操作角度は操舵角センサ９で検出され、操舵角データが制御装置１２に入力される。制御装置１２には、前述の走行状態検出データが入力される。制御装置１２は、操舵角や走行状態データに応じてハンドルへの反力の目標トルクを算出し、反力モータ１４を駆動してハンドル７に反力を付与する。

２機の船外機３ａ，３ｂが船体の船尾板２（図１）に取付けられる。各船外機３ａ，３ｂの舵切り装置１５は、制御装置１２に接続され、制御装置１２から転舵角の指令値を受け、電動モータ（図示しない）を駆動して転舵動作させる。制御装置１２は、さらに各船外機３ａ，３ｂのエンジン（図示しない）に接続され、エンジンのスロットル開度や燃料噴射及び点火時期を制御して各船外機ごとに出力を制御する。
各船外機３ａ，３ｂはトランサム２７を介して船尾板２に取付けられ、後述（図１０）のように、各船外機の高さ位置が調整可能であり、プロペラ軸２５とともにプロペラ２６の高さ位置を変えることができる。
各船外機３ａ，３ｂにはトリムシリンダ２８が備わり、トリム動作可能である。トリム動作により、後述（図９）のように、プロペラ軸２５の上下方向の傾きを変えることができる。
本発明では、各船外機の出力調整又はトリム角調整又はプロペラの高さ位置調整により、舵切り装置１５による転舵動作をさせることなく、船の走行方向を制御することができる。

図３は、舵切り装置の構成図である。
舵切り装置１５を構成する電動モータ２０は、ＤＤ（Direct Drive）型モータであり、ネジ棒１９に装着され、このネジ棒１９に沿って摺動する。ネジ棒１９の両端は支持部材２２により船尾板（図示しない）に固定される。２３はクランプブラケットのクランプ部分であり、２４はチルト軸である。船外機３ａ，３ｂ（図１）のスイベル軸６にステアリングブラケット５が固定され、このステアリングブラケット５の前端部５ａに、連結ブラケット２１を介して電動モータ２０が連結される。

このような構成において、ハンドル操舵量に応じて電動モータ２０をネジ棒１９に沿って摺動させることにより、船外機がスイベル軸６廻りに回動して転舵することができる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係る２機掛け船外機型の小型船舶の旋回動作説明図である。
（Ａ）は、前述の図８（Ａ）と同様に転舵角が大きい場合であり、図８（Ａ）に比べ旋回方向内側の船外機３ａの出力に応じた推力Ｆａを小さくし、外側の船外機３ｂの推力Ｆｂを大きくしている。これにより、合計の推力を低下させることなく保持するとともに、旋回中心廻りの回転モーメントを大きくして小回りな旋回動作をさせることができる。

（Ｂ）は、前述の図８（Ｂ）と同様に転舵角が小さい場合である。図４（Ｂ）では、旋回方向内側の船外機３ａの出力方向を逆にして推力Ｆａを後進方向に作用させている。これにより、極低速の旋回時に、両船外機３ａ，３ｂの回転モーメントを同一方向にして合計の回転モーメントを大きくし、効率よく旋回することができる。

（Ｃ）は、転舵角が０°の場合に、両船外機３ａ，３ｂの出力差によって旋回する例を示す。船外機３ａの推力Ｆａより船外機３ｂの推力Ｆｂを大きくすることにより（Ｆａ＜Ｆｂ）、船は点線矢印で示すように旋回する。

図５は、本発明に係る小型船舶の旋回動作制御のフローチャートである。
ステップＳ１：
制御装置１２（図１、図２）による旋回動作制御が推力モードで行うか否かを判定する。推力モードは、予め設定されたプログラムにしたがって、複数の船外機に対しそれぞれ出力を調整して推力差を設け、この推力差により旋回する制御方法である。推力モードか否かは、推力モードオン・オフスイッチの状態で判断する。推力モードオン・オフスイッチは、例えば操縦席のアクセルレバーの近傍に備わる。この推力モードオン・オフスイッチによる判断に代えて、速度を検出し、低速時には自動的に推力モードとなるように設定してもよい。

ステップＳ２：
推力モードではない場合に、通常のハンドル操作とアクセルレバー操作により旋回動作する転舵制御モードで各船外機を制御する。

ステップＳ３：
推力モードの場合に、ハンドル操作によるハンドル回転操作角を操舵角センサ（図２）により検出する。これにより操船者の旋回しようとする意思が検出される。

ステップＳ４：
現時点でのアクセル状態を検出する。これは、アクセルレバーの位置又はスロットルバルブの開度を検出することにより検出できる。

ステップＳ５：
走行状態検出手段１６（図２）により速度等の走行状態を検出する。

ステップＳ６：
上記ステップＳ３〜Ｓ５で検出した操舵角、アクセル状態及び走行状態に応じて、各船外機の推力を設定する。これにより、走行状態に応じて、効率よく旋回できるように各船外機の出力が調整され、推力差が設定される。この場合、ハンドルの操舵角とともに特にアクセル状態を考慮して出力を調整し推力差を設定することが好ましい。また、操舵角に応じてその操舵角に対応する適度なヨーレート範囲を設定し、このヨーレート範囲内となるように出力を調整し推力差を設定することが好ましい。また、速度に応じて安定して効率よく旋回できるように、速度を考慮して推力差を設定することが好ましい（図６参照）。推力差を設定するときの各船外機の出力は、大きさだけでなく、前進後進のシフト方向も調整される。
さらにこの推力差は、各船外機のトリム角度及び／又はプロペラの高さを調整することにより変えることができる。トリム角度調整により、船体に対する各船外機の推力の作用方向が、鉛直面内で上下方向に変化して調整される（図９参照）。
プロペラの高さ調整により、船体に対する各船外機推力の作用点の上下方向の位置が調整される（図１０参照）。

ステップＳ７：
設定した推力差になるように、各船外機の出力を調整する。出力は、各船外機のスロットル開度、点火時期、燃料噴射（インジェクタの噴射タイミング及び噴射量等のデューティ制御）あるいはシフトのうちいずれか１つあるいは複数を用いて制御される。
さらに、前述のように、各船外機のトリム角度及び／又はプロペラの高さを調整することにより、推力差が制御される（図１１参照）。

図６は、速度に応じた推力差設定の説明図である。
図示したように、操舵角αに応じて推力差が設定される。操舵角αが０〜α１までの極小さい間は、推力差はもたせない。操舵角αがα１〜α２までの間では、操舵角に比例して推力差をもたせる。操舵角がα２以上になると推力差は一定に設定する。
また、速度が小さいほど推力差を大きくする。速度が小さいほど旋回半径を小さくして急旋回しても安定した旋回動作ができるからである。

図７は、本発明に係る小型船舶の故障モードを含む動作のフローチャートである。
このフローは、前述の図５のフローにおける推力モード判定ステップＳ１のＹｅｓの後に故障モード判定ステップＴ１を加えたものである。ステップＴ１で舵切り装置が故障か否かを判別する。故障の判別は、舵切り装置に設けた電動モータの位置センサによる検出値とモータの回転位置センサによる検出値が大きくずれている場合や、異常な検出値を示した場合、あるいは舵切り装置に設けた荷重センサが異常な値を示した場合などに故障と判別する。故障でなければそのまま前述のステップＳ４に進む。故障の場合にはステップＴ２に進む。

ステップＴ２では、舵切り装置の転舵角を固定して両船外機の出力差のみにより旋回動作させる。この場合、故障を検出した時点でモータを停止し、その位置で転舵角を固定し、以降ハンドルの操舵角に応じて両船外機の出力差を演算し、この出力差により旋回動作させる。故障検出時点で、モータが可動状態であれば、モータを駆動して転舵角をゼロの位置（舵切り装置が中央の位置で直進状態）に戻し、この中央位置で両船外機の出力差を演算して旋回動作させる。船外機を中央位置に戻してから出力差を設定することにより、左右方向にバランスよく旋回動作させることができる。
図９は、トリム角調整の説明図である。
（Ａ）は、船外機３の基準軸（例えばクランク軸芯）Ｃが垂直方向であって、トリム角がゼロの状態を示す。この状態では、プロペラ２６のプロペラ軸２５は水平であって、船体１に対するプロペラ２６による推力Ｆの方向は、水平方向前方である。
（Ｂ）は、上記（Ａ）の状態からトリムアップして、基準軸Ｃを垂直方向からθだけ前傾したトリム角θの状態を示す。この状態では、プロペラ軸２５は基準軸Cを含む鉛直面内でトリム角θだけ下方に傾く。したがって、船体１に対するプロペラ２６による推力Fの方向は、θだけ下方に傾く。これにより、船体１に対し、船首が上に持ち上がるモーメントが作用する（矢印B）。
図１０は、プロペラの高さ調整の説明図である。
船外機３は、クランプブラケット４を介してトランサム２７に取付けられる。トランサム２７は船外機３とともに船体１に対し上下に移動可能である。（A）及び（B）はそれぞれトランサム２７の上昇位置及び下降位置を示す。これにより、プロペラ軸２５の上下位置が調整可能になり、船体１に対するプロペラ２６の推力Fの作用点の上下位置が変わる。プロペラ２６の位置を下げることにより、（B）に示すように、船首が上に持ち上がるようなモーメントが作用する（矢印B）。
図１１は、船底の接水面の説明図である。
（Ａ）は、両船外機３ａ，３ｂが、同じトリム角且つ同じプロペラ高さの状態を示す。この場合には、斜線で示す接水面は左右均等である。
（B）は、一方の船外機３ｂをトリムアップした状態（図９（B））又はプロペラの高さを下げた状態（図１０（B））を示す。この状態では、船外機３ｂ側の接水面積が小さくなり、その分だけ接水抵抗が減少し、船体１に対し矢印Dのような旋回モーメントが作用する。
このように、トリム角又はプロペラ高さを調整することにより、船外機を転舵動作させることなく、旋回することができる。

本発明は、船外機やスターンドライブなどの船舶推進機を船尾に複数機取付けた小型船舶に対し適用できる。

本発明が適用される小型船舶の全体平面図。 本発明に係る操舵制御系の要部構成図。 本発明に係る舵切り装置の構成図。 本発明に係る小型船舶の旋回動作の説明図。 本発明に係る船外機の出力制御動作を示すフローチャート。 船外機の推力差の設定説明図。 故障モードの動作を説明するためのフローチャート。 多機掛け船外機型の小型船舶の旋回動作説明図。 トリム角調整の説明図。 プロペラ高さ調整の説明図。 船底の接水面の説明図。

符号の説明

１：船体、２：船尾板、３ａ，３ｂ：船外機、４：クランプブラケット、５：ステアリングブラケット、５ａ：前端部、６：スイベル軸、７：ハンドル、８：ハンドル軸、９：操舵角センサ、１０：信号ケーブル、１１：コントローラ、１２：制御装置、１４：反力モータ、１５：舵切り装置、１６：走行状態検出手段、１９：ネジ棒、２０：電動モータ、２１：連結ブラケット、２２：支持部材、２３：クランプ部、２４：チルト軸、２５：プロペラ軸、２６：プロペラ、２７：トランサム、２８：トリムシリンダ。

Claims (4)

1. ステアリングホイールと、該ステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、船尾に取付けられた複数の船舶推進機と、各船舶推進機に連結された電動舵切り装置と、前記各船舶推進機の出力を制御する制御装置とを備えた小型船舶において、
   前記制御装置は、前記操舵角及び船の走行状態に応じて、前記各船舶推進機の出力、トリム角度又はプロペラの高さを調整し、船舶推進機全体での推力及びその方向を制御するものであり、
   前記電動舵切り装置の故障時に、転舵角を所定の角度で固定し、操舵角に応じて各船舶推進機の出力を調整してその出力差により走行方向を制御することを特徴とする小型船舶。
2. 前記各船舶推進機の出力は、スロットル開度、点火時期、燃料噴射及びシフトのうち少なくとも１つを用いて調整されることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶。
3. 前記所定の角度は、故障時の転舵角であることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶。
4. 前記所定の角度は、中央に戻した転舵角であることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶。

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