JP7423213B2 - 舶用舵取機 - Google Patents

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Description

本発明は、舶用舵取機に関する。
従来から、舵板と連結された舵軸を回転させる油圧アクチュエータを含む舶用舵取機が知られている。例えば、特許文献１には、舵柄を介して舵軸を回転させるラムシリンダ型の２つの油圧アクチュエータを含む舶用舵取機が開示されている。各油圧アクチュエータは、舵柄と係合するピンが設けられたラムと、このラムの両端がそれぞれ挿入された一対のシリンダを含む。
特開２０１７－１４９１８１号公報
ところで、船体の中心線に対する舵板の角度である舵角が０度でない場合には、舵軸が回転中であるか停止中であるかに拘らず、船体を旋回させるトルクが舵軸に作用する。また、舵角が０度である場合でも、潮流や船体の揺動（ローリング、ピッチング、ヨーイング）などの影響で、舵軸にトルクが作用することがある。このため、舵軸に作用するトルクを把握したいという要望がある。
そこで、本発明は、舵軸に作用するトルクを把握することが可能な舶用舵取機を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の舶用舵取機は、舵板と連結された舵軸を回転させる油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータとの間に閉回路が形成されるように前記油圧アクチュエータと接続された、アキシャルピストン式の油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する電動モータと、前記電動モータへ供給される電力または電流を検出する第１検出器と、船体の中心線に対する前記舵板の角度である舵角を検出する第２検出器と、前記第１検出器で検出された電力または電流と前記第２検出器で検出された舵角とに基づいて前記舵軸に作用するトルクを算出するトルク算出器と、を備える、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、トルク算出器によって舵軸に作用するトルクが算出されるので、そのトルクを把握することができる。しかも、第１検出器および第２検出器としては電気的なセンサを用いることができるので、簡易な構成でトルクを算出することができる。
前記トルク算出器は、前記舵軸が停止中のときは前記舵軸が回転中のときよりも小さい運転係数を用いて前記トルクを算出してもよい。本発明の発明者らは、電動モータへ供給される電力と舵軸に作用するトルクとの関係は、舵軸が回転中か停止中かで大きくことなることを見出した。従って、トルクの算出に際して舵軸が回転中か停止中かで異なる値の運転係数を用いれば、トルクを正確に算出することができる。
例えば、前記油圧アクチュエータは、前記舵軸に固定された舵柄を介して前記舵軸を回転させるものであり、前記舵柄と係合するピンが設けられたラムと、前記ラムの両端がそれぞれ挿入された一対のシリンダを含んでもよい。
例えば、前記トルク算出器は、以下の式により前記舵軸に作用するトルクを算出してもよい。
Ｔ＝ｍ・Ｋ・（Ｗ－Ｗ０）／（ω・ｃｏｓθ）
Ｔ：舵軸に作用するトルク［N・m］
ｍ：前記運転係数
Ｋ：電動モータの効率
Ｗ：第１検出器で検出された電力、または第１検出器で検出された電流に基づいて
算出された電力［W］
Ｗ０：油圧ポンプの吐出流量がゼロのときに電動モータへ供給される電力［W］
ω：舵軸の角速度［rad/s］、ただし舵軸が停止中はω＝１
θ：第２検出器で検出された舵角［rad］
本発明によれば、舵軸に作用するトルクを把握することができる。
本発明の一実施形態に係る舶用舵取機の概略構成図である。
図１に、本発明の一実施形態に係る舶用舵取機１を示す。この舶用舵取機１は、舵板２１と連結された舵軸２２を回転させる油圧アクチュエータ３を含む。
本実施形態では、油圧アクチュエータ３が、舵軸２２に固定された舵柄２３を介して舵軸２２を回転させるラムシリンダ型である。また、本実施形態では、油圧アクチュエータ３の数が１つであるが、油圧アクチュエータ３の数は、油圧アクチュエータ３が舵軸２２を挟んで互いに平行となるように２つであってもよい。
具体的に、油圧アクチュエータ３は、舵軸２２の軸方向と直交する方向に延びる棒状のラム３１と、ラム３１の両端がそれぞれ挿入された一対のシリンダ３２を含む。ラム３１の中央には、ラム３１の中心線上にピン３３が設けられており、このピン３３が舵柄２３と係合している。
より詳しくは、舵柄２３には、舵軸２２から遠ざかる方向に開口する溝が設けられており、この溝にピン３３が挿入されている。ピン３３および舵柄２３は、舵軸２２とラム３１の間のリンク機構を構成する。
本実施形態では、油圧アクチュエータ３を作動させる圧力源として、２つの油圧ポンプ４が採用されている。ただし、油圧ポンプ４の数は１つであってもよい。２つの油圧ポンプ４は、油圧アクチュエータ３との間に閉回路が形成されるように油圧アクチュエータ３と接続されている。
各油圧ポンプ４は、回転するシリンダブロックに複数のピストン（ピストンの軸方向はシリンダブロックの軸方向と平行）が往復自在に保持されたアキシャルピストン式の油圧ポンプである。各油圧ポンプ４は、一方のシリンダ３２へ作動油を供給するとともに、他方のシリンダ３２から作動油を回収する。
本実施形態では、各油圧ポンプ４が、斜板がセンターから両方向に傾倒可能な可変容量型の斜板ポンプである。斜板の傾倒方向および角度は、操船者に操作される図略の操作装置からの出力に応じて図略のレギュレータにより変更される。各油圧ポンプ４は、電動モータ５により駆動される。本実施形態では、電動モータ５の回転数が一定である。
ただし、各油圧ポンプ４は、可変容量型の斜軸ポンプであってもよい。あるいは、各油圧ポンプ４が固定容量型であるとともに、電動モータ５がサーボモータであり、図略の操作装置からの出力に応じて油圧ポンプ４の回転方向および回転数が変更されてもよい。
各油圧ポンプ４は一対の給排ポートを有し、これらの給排ポートは一対の給排ライン４１により一対のシリンダ３２と接続されている。これにより油圧アクチュエータ３と２つの油圧ポンプ４との間で閉回路が形成されている。なお、その閉回路への作動油の補給のために、各給排ライン４１には、逆止弁４３が設けられたタンクライン４２が接続されている。
さらに、舶用舵取機１は、舵軸２２に作用するトルクＴを算出するトルク算出器７を含む。例えば、トルク算出器７は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリと、ＨＤＤなどのストレージと、ＣＰＵを有するコンピュータであり、ＲＯＭまたはＨＤＤに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行される。なお、トルク算出器７は、アナログ演算器であってもよい。
トルク算出器７は、一対の第１検出器６１，６２および第２検出器６３と電気的に接続されている。第１検出器６１，６２は、本実施形態では電力センサであり、２つの電動モータ５へ供給される電力Ｗ１，Ｗ２をそれぞれ検出する。第２検出器６３は、角度センサであり、船体の中心線１０に対する舵板２１の角度である舵角θを検出する。
本実施形態では、第２検出器６３が舵柄２３に設けられているが、第２検出器６３は舵軸２２に設けられてもよい。あるいは、ラム３１にストロークセンサが設けられて、このストロークセンサで検出されるストロークが舵角θに変換されることで、舵角θが検出されてもよい。換言すれば、第２検出器６３は、ストロークセンサと変換器とで構成されてもよい。
トルク算出器７は、第１検出器６１，６２で検出された電力Ｗ１，Ｗ２［W］と第２検出器６３で検出された舵角θ［rad］とに基づいて、舵軸２２に作用するトルクＴ［N・m］を算出する。本実施形態では、以下の式１により、トルク算出器７がトルクＴを算出する。
Ｔ＝ｍ・Ｋ・（Ｗ－Ｗ０）／（ω・ｃｏｓθ）・・・（式１）
ｍ：運転係数
Ｋ：電動モータ５の効率
Ｗ：電力Ｗ１，Ｗ２の合計値［W］
Ｗ０：油圧ポンプ４の吐出流量がゼロのときに双方の電動モータ５へ供給される電
力の合計値［W］
ω：舵軸２２の角速度［rad/s］、ただし舵軸２２が停止中はω＝１
運転係数ｍは、舵軸２２が回転中か停止中かで異なる値を持つ。より詳しくは、運転係数ｍは、舵軸２２が停止中のときは舵軸２２が回転中のときよりも小さい。例えば、運転係数ｍは、舵軸２２が回転中は０．６～１．０の範囲内で予め決定され、舵軸２２が停止中は０．１～０．５の範囲内で予め決定される。電動モータ５の効率Ｋは、例えば０．８５～０．９５である。舵軸２２の角速度ωは、舵角θを微分することで得られる。
以上説明したように、本実施形態の舶用舵取機１では、トルク算出器７によって舵軸２２に作用するトルクＴが算出されるので、そのトルクＴを把握することができる。しかも、第１検出器６１，６２および第２検出器６３としては電気的なセンサを用いることができるので、簡易な構成でトルクＴを算出することができる。
特に、トルクＴの算出に際しては舵軸２２が回転中か停止中かで異なる値の運転係数ｍが用いられるので、トルクＴを正確に算出することができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、前記実施形態では、第１検出器６１，６２が電力センサであったが、第１検出器６１，６２が電流センサであって２つの電動モータ５へ供給される電流Ａ１，Ａ２をそれぞれ検出してもよい。この場合、トルク算出器７は、第１検出器６１，６２で検出された電流Ａ１，Ａ２に基づいて双方の電動モータ５へ供給される電力Ｗ１，Ｗ２を算出し、これらを足し合わせて総電力Ｗを算出する。
また、油圧アクチュエータ３は、必ずしもラムシリンダ型である必要はなく、カップリングにより舵軸２２と連結される回転軸を有するロータリベーン型であってもよい。あるいは、油圧アクチュエータ３は、シリンダ内に配置されたピストンから延びるロッドの先端が舵柄２３とピン連結されるトランクピストン型であってもよい。
ロータリベーン型であってもトランクピストン型であっても、舵軸２２に作用するトルクＴは以下の式により算出可能である。
Ｔ＝ｍ・Ｋ・（Ｗ－Ｗ０）／ω
１ 舶用舵取機
１０ 中心線
２１ 舵板
２２ 舵軸
２３ 舵柄
３ 油圧アクチュエータ
３１ ラム
３２ シリンダ
３３ ピン
４ 油圧ポンプ
５ 電動モータ
６１，６２ 第１検出器
６３ 第２検出器
７ トルク算出器

Claims (4)

  1. 舵板と連結された舵軸を回転させる油圧アクチュエータと、
    前記油圧アクチュエータとの間に閉回路が形成されるように前記油圧アクチュエータと接続された、アキシャルピストン式の油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプを駆動する電動モータと、
    前記電動モータへ供給される電力または電流を検出する第１検出器と、
    船体の中心線に対する前記舵板の角度である舵角を検出する第２検出器と、
    前記第１検出器で検出された電力または電流と前記第２検出器で検出された舵角とに基づいて前記舵軸に作用するトルクを算出するトルク算出器と、
    を備える、舶用舵取機。
  2. 前記トルク算出器は、前記舵軸が停止中のときは前記舵軸が回転中のときよりも小さい運転係数を用いて前記トルクを算出する、請求項１に記載の舶用舵取機。
  3. 前記油圧アクチュエータは、前記舵軸に固定された舵柄を介して前記舵軸を回転させるものであり、前記舵柄と係合するピンが設けられたラムと、前記ラムの両端がそれぞれ挿入された一対のシリンダを含む、請求項２に記載の舶用舵取機。
  4. 前記トルク算出器は、以下の式により前記舵軸に作用するトルクを算出する、請求項３に記載の舶用舵取機。
    Ｔ＝ｍ・Ｋ・（Ｗ－Ｗ０）／（ω・ｃｏｓθ）
    Ｔ：舵軸に作用するトルク［N・m］
    ｍ：前記運転係数
    Ｋ：電動モータの効率
    Ｗ：第１検出器で検出された電力、または第１検出器で検出された電流に基づいて
    算出された電力［W］
    Ｗ０：油圧ポンプの吐出流量がゼロのときに電動モータへ供給される電力［W］
    ω：舵軸の角速度［rad/s］、ただし舵軸が停止中はω＝１
    θ：第２検出器で検出された舵角［rad］
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