(57)【要約】【課題】船舶を操舵制御するための船舶用操舵システム用のアクチュエータを提供する。【解決手段】船舶の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータは、操舵位置を検出する絶対位置センサと、モータの位置を検出する相対位置センサと、を備える。操舵制御ユニットは、絶対位置センサの信号に基づいて相対位置センサを較正し、前記アクチュエータの動作に伴って相対位置を累積した累積位置を、前記絶対位置センサの信号に基づく前記相対位置センサの較正により初期化する。【選択図】図２３
2019199253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータであって、
ハウジングと、
往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、
前記出力シャフトを前記ハウジングに対して往復動させるモータと、
操舵位置を検出する絶対位置センサと、
前記モータの位置を検出する相対位置センサと、
前記絶対位置センサの信号に基づいて前記相対位置センサを較正し、前記アクチュエータの動作に伴って相対位置を累積した累積位置を、前記絶対位置センサの信号に基づく前記相対位置センサの較正により初期化する操舵制御ユニットと、を備える、アクチュエータ。
【請求項２】
前記操舵制御ユニットは、故障検知のために、前記絶対位置センサの信号と前記累積位置とを比較する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記操舵制御ユニットは、前記アクチュエータの起動時に、前記相対位置センサの前記累積位置を前記絶対位置センサを用いて初期化する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記操舵制御ユニットは、操舵方向の変更中に前記累積位置および前記操舵位置を監視して、バックラッシュを測定する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記操舵制御ユニットは、最初の操舵動作中にバックラッシュを監視し、前記累積位置を再初期化することによってバックラッシュを補償する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記操舵制御ユニットは、前記累積位置の初期化後であって、バックラッシュを補償する前に、前記アクチュエータの操舵範囲を制限する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記操舵制御ユニットは、前記累積位置を前記アクチュエータの位置制御に使用する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記操舵制御ユニットは、前記絶対位置センサまたは前記相対位置センサが故障した場合、前記アクチュエータの位置制御のために余剰センサを使用する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
船舶の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータであって、
ハウジングと、
往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、
磁場を形成するロータと、磁場を形成するステータと、を有し、前記ハウジング内に配置されており、前記ロータの回転により、前記出力シャフトを前記ロータに対して軸方向に平行移動させ、前記出力シャフトを前記ハウジングに対して往復動させるモータと、
前記ロータの位置を検出するためのセンサと、
前記ステータにエネルギーを与えることによって、前記センサによって検出された前記ロータの位置に基づいて、前記ステータの前記磁場を前記ロータの前記磁場に揃え、前記ロータの位置を保持する操舵制御ユニットと、を備える、アクチュエータ。
【請求項１０】
前記モータは、少なくとも二相モータであり、
前記操舵制御ユニットは、前記モータの少なくとも１つの相にＰＷＭを印加することによって前記ステータにエネルギーを与え、前記ロータの位置を揃え、保持する磁場を発生させる、請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記操舵制御ユニットは、最小ＰＷＭを印加して、バックドライブトルクに対抗する保持トルクを生成する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記操舵制御ユニットは、船舶の速度、エンジン回転速度、および操舵位置のうちの少なくとも１つの関数として前記最小ＰＷＭを決定する、請求項１１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記操舵制御ユニットは、前記バックドライブトルクに対抗するために印加される前記最小ＰＷＭを増加または減少させる、請求項１１に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記操舵制御ユニットは、バックドライブを検出する位置センサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定する、請求項１３に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記操舵制御ユニットは、バックドライブトルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定する、請求項１３に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
舵柄を有する推進ユニットと、
ハウジングと、往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、を含み、前記推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるアクチュエータと、
前記出力シャフトを前記ハウジングに対して往復動させるモータと、
前記モータに電力を供給する電源と、
前記電源の容量を検出するためのセンサと、
前記電源の容量に対して前記モータへの電圧を制御することによって、前記モータに供給される最大電力を制限する操舵制御ユニットと、を備える、船舶用操舵システム。
【請求項１７】
前記操舵制御ユニットは、バッテリ電流が、第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンのいずれにあるかに基づいて、ＰＷＭを増加または減少させることによって前記モータに供給される最大電力を制限する、請求項１６に記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
前記操舵制御ユニットは、前記バッテリ電流が前記第１のゾーンにある場合、ＰＷＭを減少させる、請求項１７に記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
前記操舵制御ユニットは、前記バッテリ電流が前記第２のゾーンにある場合、ＰＷＭを増加または減少させる、請求項１７に記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記操舵制御ユニットは、前記バッテリ電流が前記第３のゾーンにある場合、ＰＷＭの増加を止める、請求項１７に記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
第１の推進ユニットと、第２の推進ユニットと、操舵制御ユニットと、を備え、
前記第１の推進ユニットは、舵柄と、前記第１の推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、前記第１の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサと、を有し、
前記第２の推進ユニットは、舵柄と、前記第２の推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、前記第２の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサと、を有し、、
前記操舵制御ユニットは、前記第１の推進ユニットの操舵位置と前記第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて前記第１の推進ユニットに操舵動作させるように、前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御し、前記第２の推進ユニットの操舵位置に対して前記第１の推進ユニットの操舵動作を減速させることによって、前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御する、船舶用操舵システム。
【請求項２２】
前記操舵制御ユニットは、エンジン目標舵角位置スケジューラに基づいて前記第１の推進ユニットに操舵動作させるように前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御する、請求項２１に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２３】
前記操舵制御ユニットは、前記第１の推進ユニットの操舵位置と前記第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて前記第１の推進ユニットの操舵動作を一時停止させるように前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータをさらに制御する、請求項２１に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２４】
前記操舵制御ユニットは、前記アクチュエータが最高速度まで動作可能な第１の状態と、前記アクチュエータが減速曲線によって決定された最高制限速度まで動作可能な第２の状態と、前記アクチュエータが第１の方向にさらに移動することを防止する第３の状態と、のうちの１つにおいて、前記第１の推進ユニットに操舵動作させるように前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御する、請求項２１に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２５】
前記操舵制御ユニットは、前記操舵動作の方向に基づいて前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御し、前記第１の推進ユニットを操舵動作させる、請求項２４に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２６】
前記の状態間での移行は、前記第１の推進ユニットの操舵位置と前記第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて行われる、請求項２４に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２７】
第１の推進ユニットと、第２の推進ユニットと、トー角設定装置と、操舵制御ユニットと、を備え、
前記第１の推進ユニットは、舵柄と、前記第１の推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、前記第１の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサと、を有し、
前記第２の推進ユニットは、舵柄と、前記第２の推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、前記第２の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサと、を有し、
前記トー角設定装置は、前記第１の推進ユニットと前記第２の推進ユニットとの間のトー角を設定し、
前記操舵制御ユニットは、操舵位置コマンドを受け、前記操舵位置コマンドに基づいて、前記トー角を修正する、船舶用操舵システム。
【請求項２８】
前記操舵制御ユニットは、前記第１の推進ユニットおよび第２の推進ユニットのそれぞれについて、前記トー角とエンジン目標舵角とを、前記トー角に基づいて変更する、請求項２７に記載の船舶用操舵システム。
【請求項２９】
前記エンジン目標舵角は、船舶目標舵角に依存する、請求項２８に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３０】
舵柄を有する推進ユニットと、
ハウジングと、往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、を含み、前記推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるアクチュエータと、
前記出力シャフトを前記ハウジングに対して往復動させるモータと、
操舵位置を検出する絶対位置センサと、
前記モータの位置を検出する相対位置センサと、
前記絶対位置センサの信号に基づいて前記相対位置センサを較正し、前記アクチュエータの動作に伴って相対位置を累積した累積位置を、前記絶対位置センサの信号に基づく前記相対位置センサの較正により初期化する操舵制御ユニットと、を備える、船舶用操舵システム。
【請求項３１】
前記操舵制御ユニットは、故障検知のために、前記絶対位置センサの信号と前記累積位置とを比較する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３２】
前記操舵制御ユニットは、前記アクチュエータの起動時に、前記相対位置センサの前記累積位置を前記絶対位置センサを用いて初期化する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３３】
前記操舵制御ユニットは、操舵方向の変更中に前記累積位置および前記操舵位置を監視して、バックラッシュを測定する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３４】
前記操舵制御ユニットは、最初の操舵動作中にバックラッシュを監視し、前記累積位置を再初期化することによってバックラッシュを補償する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３５】
前記操舵制御ユニットは、前記累積位置の初期化後であって、バックラッシュを補償する前に、前記アクチュエータの操舵範囲を制限する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３６】
前記操舵制御ユニットは、前記累積位置を前記アクチュエータの位置制御に使用する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３７】
前記操舵制御ユニットは、前記絶対位置センサまたは前記相対位置センサが故障した場合、前記アクチュエータの位置制御のために余剰センサを使用する、請求項３０に記載の船舶用操舵システム。
【請求項３８】
舵柄を有する推進ユニットと、
ハウジングと、往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、を含み、前記推進ユニットの前記舵柄に操舵動作させるアクチュエータと、
磁場を形成するロータと、磁場を形成するステータと、を有し、前記ハウジング内に配置されており、前記ロータの回転により、前記出力シャフトを前記ロータに対して軸方向に平行移動させ、前記出力シャフトを前記ハウジングに対して往復動させる、モータと、
前記ロータの位置を検出するためのセンサと、
前記ステータにエネルギーを与えることによって、前記センサによって検出された前記ロータの位置に基づいて、前記ステータの前記磁場を前記ロータの前記磁場に揃える、操舵制御ユニットと、を備える、船舶用操舵システム。
【請求項３９】
前記モータは、少なくとも二相モータであり、
前記操舵制御ユニットは、前記モータの少なくとも１つの相にＰＷＭを印加することによって前記ステータにエネルギーを与え、前記ロータの位置を揃え、保持する磁場を発生させる、請求項３８に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４０】
前記操舵制御ユニットは、最小ＰＷＭを印加して、バックドライブトルクに対抗する保持トルクを生成する、請求項３９に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４１】
前記操舵制御ユニットは、船舶の速度、エンジン回転速度、および操舵位置のうちの少なくとも１つの関数として前記最小ＰＷＭを決定する、請求項３９に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４２】
前記操舵制御ユニットは、前記バックドライブトルクに対抗するために印加される前記最小ＰＷＭを増加または減少させる、請求項３９に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４３】
前記操舵制御ユニットは、バックドライブを検出する位置センサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定する、請求項４２に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４４】
前記操舵制御ユニットは、バックドライブトルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定する、請求項４２に記載の船舶用操舵システム。
【請求項４５】
前記操舵制御ユニットは、前記第１の推進ユニットが前記第２の推進ユニットに向かって移動しているときに前記第１の推進ユニットに操舵動作させるように前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御する、請求項２５に記載の船舶用操舵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関し、特に、船舶を操舵するための船舶用操舵システム用のアクチュエータに関する。
本発明および請求項に係る発明は、請求項に係る発明の有効出願日またはそれ以前に有効であった共同研究契約の１以上の当事者によって、またはその代わりに開発され創作されたものである。請求項に係る発明は、共同研究契約の範囲内で実施された活動の結果物であり、共同研究契約の当事者は、ヤマハ発動機株式会社、マリーン アクイジション コーポレーションおよびマリーン カナダ アクイジション インコーポレイテッドである。
【背景技術】
【０００２】
ダビッドソン（Davidson）らの名前で２０１７年４月２０日に公開された特許文献１は、ハウジングと、往復動可能にハウジングに収容された出力シャフトとを備える、電動アクチュエータを開示している。スクリューアセンブリは、ハウジング内に配置され、出力シャフトに結合されている。スクリューアセンブリは、複数の環状ローラと、複数の環状ローラに取り囲まれた中央スクリューとを含む。環状ローラは、中央スクリューを中心に回転可能である。モータは、ステータおよびロータを含む。ロータは、環状ローラに噛み合う内穴を有する。ロータの回転により、中央スクリューは、ロータに対して軸方向に平行移動し、出力シャフトは、ハウジングに対して往復動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／０１０６９５９号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１３／１１２３２０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、船舶を操舵制御するための船舶用操舵システム用のアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、船舶の推進ユニットの舵柄（tiller）に操舵動作させるためのアクチュエータを提供する。電動アクチュエータは、ハウジングと、往復動可能に前記ハウジングに収容された出力シャフトと、を備える。モータは、出力シャフトをハウジングに対して往復運動させる。絶対位置センサは、操舵位置を検出し、相対位置センサは、モータの位置を検出する。操舵制御ユニットは、絶対位置センサの信号に基づいて相対位置センサを較正する。絶対位置センサの信号に基づく相対位置センサの較正は、アクチュエータの動作に伴って相対位置を累積した累積位置を初期化する。
【０００６】
操舵制御ユニットは、故障検知のために、絶対位置センサの信号と累積位置とを比較してもよい。操舵制御ユニットは、アクチュエータの起動時に、相対位置センサの累積位置を絶対位置センサを用いて初期化してもよい。操舵制御ユニットは、操舵方向の変更中に累積位置および操舵位置を監視して、バックラッシュを測定してもよい。操舵制御ユニットは、最初の操舵動作中にバックラッシュを監視し、累積位置を再初期化することによって、バックラッシュを補償してもよい。操舵制御ユニットは、累積位置の初期化後であって、バックラッシュを補償する前に、アクチュエータの操舵範囲を制限してもよい。操舵制御ユニットは、累積位置をアクチュエータの位置制御に使用してもよい。操舵制御ユニットは、絶対位置センサまたは相対位置センサが故障した場合、アクチュエータの位置制御のために余剰センサを使用してもよい。
【０００７】
また、船舶の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータを提供する。アクチュエータは、ハウジングと、往復動可能にハウジングに収容された出力シャフトとを含む。モータは、ハウジング内に配置されている。モータは、ロータおよびステータを有する。ロータは、磁場を形成し、ステータは、磁場を形成する。ロータの回転は、出力シャフトをロータに対して軸方向に平行移動させ、出力シャフトをハウジングに対して往復動させる。センサは、ロータの位置を検出する。操舵制御ユニットは、ステータにエネルギーを与えることによって、ロータの位置を検出するためにセンサによって検出されたロータの位置に基づいて、ステータの磁場をロータの磁場に揃え、ロータの位置を保持する。モータは、少なくとも二相モータ（相の数が２つ以上のモータ）であってもよく、操舵制御ユニットは、モータの少なくとも１つの相にＰＷＭを印加することによってステータにエネルギーを与え、ロータの位置を揃え、保持する磁場を発生してもよい。操舵制御ユニットは、船舶の速度、エンジン回転速度、および操舵位置のうちの少なくとも１つの関数としての最小ＰＷＭを印加して、バックドライブトルク（back driving torque）に対抗する保持トルクを生成してもよい。操舵制御ユニットは、バックドライブトルクに対抗するために印加される最小ＰＷＭを増加または減少させてもよい。操舵制御ユニットは、バックドライブ（back drive）を検出する位置センサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定してもよい。操舵制御ユニットは、バックドライブトルクを検出するトルクセンサからの信号に基づいて、ＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定してもよい。
【０００８】
舵柄を有する推進ユニットと、推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、を備える、船舶用操舵システムをさらに提供する。アクチュエータは、ハウジングと、往復動可能にハウジングに収容された出力シャフトとを含む。モータは、出力シャフトをハウジングに対して往復動させる。電源は、モータに電力を供給し、センサは、電源の容量を検出する。操舵制御ユニットは、電源の容量に応じてモータへの電圧を制御することによって、モータに供給される最大電力を制限する。操舵制御ユニットは、バッテリ電流が第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンのいずれにあるかに基づいて、ＰＷＭを増加または減少させることによって、モータに供給される最大電力を制限してもよい。操舵制御ユニットは、バッテリ電流が第１のゾーンにある場合、ＰＷＭを減少させてもよい。操舵制御ユニットは、バッテリ電流が第２のゾーンにある場合、ＰＷＭを増加または減少させてもよい。操舵制御ユニットは、バッテリ電流が第３のゾーンにある場合、ＰＷＭの増加を止めてもよい。
【０００９】
第１の推進ユニットと、第２の推進ユニットと、を備える、船舶用操舵システムをさらに提供する。第１の推進ユニットは、舵柄と、第１の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、第１の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサとを有する。第２の推進ユニットは、舵柄と、第２の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、第２の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサとを有する。操舵制御ユニットは、第１の推進ユニットの操舵位置と第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて第１の推進ユニットに操舵動作させるように、第１の推進ユニットのアクチュエータを制御する。操舵制御ユニットは、第２の推進ユニットの操舵位置に対して第１の推進ユニットの操舵動作を減速させることによって、第１の推進ユニットのアクチュエータを制御する。
【００１０】
操舵制御ユニットは、エンジン目標舵角位置スケジューラに基づいて第１の推進ユニットが操舵動作するように第１の推進ユニットのアクチュエータを制御してもよい。操舵制御ユニットは、第１の推進ユニットの操舵位置と第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて第１の推進ユニットの操舵動作を一時停止させるように第１の推進ユニットのアクチュエータを制御してもよい。操舵制御ユニットは、アクチュエータが最高速度まで動作可能な第１の状態と、アクチュエータが減速曲線によって決定された最高制限速度まで動作可能な第２の状態と、およびアクチュエータが第１の方向にさらに移動することを防止する第３の状態と、のうちの１つにおいて、第１の推進ユニットに操舵動作させるように第１の推進ユニットのアクチュエータを制御してもよい。操舵制御ユニットは、前記操舵動作の方向に基づいて前記第１の推進ユニットの前記アクチュエータを制御し、前記第１の推進ユニットを操舵動作させてもよい。操舵制御ユニットは、第１の推進ユニットが第２の推進ユニットに向かって移動しているときに第１の推進ユニットの操舵動作を与えるように第１の推進ユニットのアクチュエータを制御してもよい。前記の状態間での移行は、第１の推進ユニットの操舵位置と第２の推進ユニットの操舵位置との相対的な関係に基づいて行われる。
【００１１】
第１の推進ユニットと、第２の推進ユニットと、を備える、船舶用操舵システムをさらにまた提供する。第１の推進ユニットは、舵柄と、推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、第１の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサとを有する。第２の推進ユニットは、舵柄と、第２の推進ユニットの舵柄に操舵動作させるためのアクチュエータと、第２の推進ユニットの操舵位置を検出するための位置センサとを有する。トー角設定装置は、第１の推進ユニットと第２の推進ユニットとの間のトー角を設定する。操舵制御ユニットは、操舵位置コマンドを受ける。操舵制御ユニットは、操舵位置コマンドに基づいて、トー角を修正してもよい。操舵制御ユニットは、第１の推進ユニットおよび第２の推進ユニットのそれぞれについて、トー角とエンジン目標舵角とを、トー角に基づいて変更する。エンジン目標舵角は、船舶目標舵角に依存してもよい。
【００１２】
本発明は、添付図面を参照しながら、単なる一例としてのみ与えられる本発明の実施形態の以下の説明からより容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電動アクチュエータをそれぞれ有する複数の推進ユニットを備えた船舶の斜視図である。
【図２】図１の推進ユニットのうちの１つの電動アクチュエータの第１の側面の斜視図である。
【図３】図１の推進ユニットのうちの１つの電動アクチュエータの第２の側面の斜視図である。
【図４】図２および図３の電動アクチュエータの分解斜視図である。
【図５】図２および図３の電動アクチュエータの縦断面図である。
【図６】図２および図３の電動アクチュエータの部分分解斜視図である。
【図７】図２および図３の電動アクチュエータのステータの斜視図である。
【図８Ａ】図２および図３の電動アクチュエータの電気コネクタの斜視図である。
【図８Ｂ】図２および図３の電動アクチュエータの電気コネクタの別の斜視図である。
【図９】図２および図３の電動アクチュエータの操舵制御ユニット用のカバーの内側の斜視図である。
【図１０】図２および図３の電動アクチュエータ用のロータアセンブリの分解斜視図である。
【図１１】図２および図３の電動アクチュエータ用の出力シャフトの分解斜視図である。
【図１２】図２および図３の電動アクチュエータ用のブレーキの分解斜視図である。
【図１３】図２および図３の電動アクチュエータのブレーキの部分分解斜視図である。
【図１４】図２および図３の電動アクチュエータのブレーキの別の部分分解斜視図である。
【図１５】押付位置にある図２および図３の電動アクチュエータ用のブレーキの部分断面立面図である。
【図１６】図１５のブレーキの空隙の拡大図である。
【図１７】解放位置にある図２および図３の電動アクチュエータ用のブレーキの部分断面立面図である。
【図１８】図１７のブレーキの空隙の拡大図である。
【図１９】図２および図３の電動アクチュエータ用のエンドグランドの分解斜視図である。
【図２０】図２および図３の電動アクチュエータ用のエンドグランドの部分断面立面図である。
【図２１】図２０のエンドグランドのフローティングシールハウジングの一部の拡大図である。
【図２２】図２の２２−２２線に沿う断面図である。
【図２３】図２および図３の電動アクチュエータの操舵制御ユニットのブロック図である。
【図２４】図２および図３の電動アクチュエータによって用いられる検出方法の初期化ロジックを示す模式図である。
【図２５】図２および図３の電動アクチュエータにおいて、操舵制御ユニットがステータにエネルギーを与えて、ステータの磁場をロータの磁場に揃える場合のＰＷＭデューティサイクルを時間の関数として示すグラフである。
【図２６】保持トルクが図２および図３の電動アクチュエータに付与されている外部トルク以上である場合のステータおよび静止しているロータを示す模式図である。
【図２７】保持トルクが図２および図３の電動アクチュエータに付与されている外部トルク未満の場合のステータおよびバックドライブしているロータを示す模式図である。
【図２８】図２および図３の電動アクチュエータに付与されている外部トルクに対抗するために保持トルクが増大された場合のステータおよび停止しているロータを示す模式図である。
【図２９】図２および図３のアクチュエータの位置を保持するために操舵制御ユニットが保持トルクを制御するときの操舵制御ユニットの状態を示す状態図である。
【図３０】図２および図３の電動アクチュエータによって用いられる電流制限方法のロジックを示すブロック図である。
【図３１】図２および図３の電動アクチュエータの３ゾーン電流制限方式を示すグラフである。
【図３２】図２および図３のアクチュエータによって用いられる、エンジンの衝突を防止するための３段階プロセスのロジックを示すブロック図である。
【図３３】図１の船舶の推進ユニット用の目標アクチュエータ位置スケジューラを示すグラフである。
【図３４Ａ】左舷エンジンが負荷によって減速し、左舷中央エンジンがエンジンの衝突を防止するために減速していることを示す模式図である。
【図３４Ｂ】左舷エンジンが負荷によって減速し、左舷中央エンジンがエンジンの衝突を防止するために減速していることを示す模式図である。
【図３５】図１の船舶におけるエンジンの停止線およびエンジンの減速線の、隣接エンジンに対する関係を示すグラフである。
【図３６】図２および図３の電動アクチュエータによって用いられる、エンジンの衝突を防止するための３段階プロセスの状態図である。
【図３７】図２および図３の電動アクチュエータによって用いられる、エンジンの衝突を防止するための３段階プロセスの可変トー角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面のうち、まず、図１を参照すると、この例では４機の船外エンジン（船外機）の形態である複数の推進ユニット、すなわち、左舷エンジン１２、左舷中央エンジン１４ａ、右舷中央エンジン１４ｂおよび右舷エンジン１６を備えた船舶１０が示されている。しかしながら、他の例では、推進ユニットは、任意の数または形態の推進ユニットであってもよい。船舶１０は、また、ヘルム２２に取り付けられたステアリングホイール２０を支持する制御ステーション１８、制御ヘッド２４、およびジョイスティック２６を備えている。制御ステーション１８は従来のものであり、特許文献２に開示されているような、ステアリングホイール２０およびヘルム２２、または、ジョイスティック２６を用い、左舷エンジン１２、左舷中央エンジン１４ａ、右舷中央エンジン１４ｂ、および右舷エンジン１６を操舵する。特許文献２の開示は、参照により本明細書に援用される。制御ステーション１８は、第１の表示インターフェース２８および第２の表示インターフェース３０をさらに含む。この例では、第１の表示インターフェースは、ナビゲーション情報を表示する表示インターフェースであり、第２の表示インターフェースは、船内システム情報を表示する表示インターフェースである。
【００１５】
左舷エンジン１２、左舷中央エンジン１４ａ、右舷中央エンジン１４ｂ、および右舷エンジン１６のそれぞれには、それぞれのエンジンを操舵する電動アクチュエータが備えられている。図２および図３は、左舷エンジン１２の電動アクチュエータ４０を示す。左舷中央エンジン１４ａ、右舷中央エンジン１４ｂ、および右舷エンジン１６のための電動アクチュエータは、構造および機能において左舷エンジン１２のための電動アクチュエータ４０と実質的に同一であることは、当業者に理解されるであろう。したがって、左舷中央エンジン１４ａ、右舷中央エンジン１４ｂ、および右舷エンジン１６のための電動アクチュエータは、本明細書では詳細に説明しない。電動アクチュエータ４０は、ハウジング４２の他に、往復動可能にハウジング４２に収容された出力シャフト４４を含む。電動アクチュエータ４０が左舷エンジン１２に取り付けられると、出力シャフト４４の軸方向運動が船舶１０に対して防止される一方、ハウジング４２が出力シャフト４４に沿って、船舶１０に対して直線的に往復動することは、当業者に理解されるであろう。ハウジング４２のこの相対的な直線的運動は、左舷エンジン１２の舵柄（tiller）４６に操舵力を与え、従来と同様に左舷エンジン１２を操舵する。
【００１６】
ハウジング４２に取り付けられた結合アセンブリ４８が存在する。結合アセンブリ４８は、この例では、ボールジョイントアセンブリであり、ハウジング４２を左舷エンジン１２の舵柄４６に結合させる。ハウジング４２には操舵制御ユニット５０も取り付けられている。したがって、操舵制御ユニット５０は、従来のように船舶１０の他の場所にあるのとは対照的に、電動アクチュエータ４０と一体である。操舵制御ユニット５０を船舶１０の制御ステーションと通信させる入力部、例えば、入力部５２が存在する。操舵制御ユニット５０を電動アクチュエータ４０と一体化すると、従来のシステムでは必要な多数のワイヤ／ハーネスの必要性がなくなって配線が簡素化され、操舵制御ユニットとアクチュエータとの間の電圧降下が減少する。
【００１７】
図４は、電動アクチュエータ４０の分解図であり、この例では、操舵制御ユニット５０のカバー５４が、操舵制御ユニット５０の内部５６の電気部品を覆っており、操舵制御ユニット５０の内部５６が、アクチュエータハウジング４２と一体になっている。ガスケット５８は、カバー５４と操舵制御ユニット５０の内部５６との間で用いられており、操舵制御ユニット５０およびアクチュエータハウジング４２を密閉している。電動アクチュエータ４０は、以下の一般的な構成要素、すなわち、図５に最もよく示されるように、ハウジング４２の内部６６に配置されたステータ６０、ロータアセンブリ６２、およびブレーキ６４をさらに含む。ハウジング４２は、両端において、エンドグランド（end gland）６８およびエンドグランド７０によって密閉されている。操舵制御ユニット５０の電気部品は、ハウジング４２内に配置されている部品から概ね離されている。しかしながら、図６を参照すると、電気コネクタ７２は、ハウジング４２に設けられた開口７４内に延びており、ステータ６０を操舵制御ユニット５０に電気的に接続している。ガスケット７６は、電気コネクタ７２の周りに用いられている。
【００１８】
ステータ６０は、複数のセグメント、例えば、ほぼ環状の形態で配置されたセグメント７８ａおよび７８ｂを含み、この例では、保持リング８０によって最初からほぼ環状の形状に保持されている。セグメント７８ａおよび７８ｂは、ハウジング４２に収容され、保持リング８０が取り除かれる。セグメントは、その後、エポキシ樹脂（図示せず）でステータの周りを固める（potting）ことによって、ハウジング４２内にほぼ環状の形態で保持されてもよい。エポキシ樹脂は、ガスケット７６によってハウジング４２の内部６６に密閉される。セグメントは、ステータ６０を異なるサイズのハウジングに適合させるために、遊びを伴ったほぼ環状の形態で最初から配置されてもよい。セグメントのそれぞれは、別々の電気巻線コイルを有しており、例えば、図示されたコイル８２ａおよび８２ｂは、それぞれ、セグメント７８ａおよび７８ｂ用である。この配置により、端部の回動を減少させることができる。ステータ６０は、また、図７に最もよく示されるように、複数の開口、例えば、開口８６ａおよび８６ｂを有するリードフレーム８４を含み、コイル８２ａおよび８２ｂは、それぞれ、開口８６ａおよび８６ｂを通って、電気コネクタ７２によって操舵制御ユニット５０に圧着および配線される。ステータ６０のリードフレーム８４は、また、図７に示す複数の開口９０ａ、９０ｂ、および９０ｃを有する部分８８を含み、開口９０ａ、９０ｂ、および９０ｃは、電気コネクタ７２によってステータ６０の位置合わせおよび接続を行うために、それぞれの締結具９２ａ、９２ｂ、および９２ｃを収容している。電気コネクタ７２には、ステータ６０と電気コネクタ７２との位置合わせを可能にするダウエルピン（dowel pin）９３ａおよび９３ｂが挿入される。電気コネクタ７２には、また、電気コネクタを適所に保持する複数の締結具９４ａ、９４ｂ、９４ｃ、および９４ｄが挿入される。この配置は、操舵制御ユニット５０の内部５６の電気部品をハウジング４２の内部６６の部品から離す。
【００１９】
電気コネクタ７２は、図８Ａおよび図８Ｂに詳細に示されている。電気コネクタ７２は、複数のセンサを有する転流センサボード、この例では、１つの列をなす複数のホール効果センサを有するホール効果センサボード９６を含む。この例では、電動アクチュエータ４０が三相電気モータを有するため、３組のホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃが存在する。交流電流は、正から負状態への曲線に従って経時的に変動する。三相電流のそれぞれの成分は、同じパターンに従うが、時間的に離間している。それぞれの電流相は、３組のホール効果センサ群をすべて使用する。３組のホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃは、１対１の関係で、３つのホール効果センサ接続部１００ａ、１００ｂ、および１００ｃに結合されている。電気コネクタ７２は、また、複数のモータ接続部１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃおよび対応するモータピン１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、ならびに複数のブレーキ接続部１０４ａ、１０４ｂおよび対応するブレーキピン１０５ａ、１０５ｂを有する。
【００２０】
次に図９を参照すると、操舵制御ユニット５０のカバー５４の内側部分１０２には、第１の接続部１０６および第２の接続部１０８が設けられている。第１の接続部１０６は、ホール効果センサ接続部１００ａ、１００ｂおよび１００ｃ、ならびにブレーキピン１０５ａおよび１０５ｂに接続している。第２の接続部１０８は、モータ接続部１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃに接続している。それによって、操舵制御ユニット５０は、ステータ６０、ロータアセンブリ６２、およびホール効果センサボード９６、を含むモータに接続される。ロータアセンブリ６２は、図１０に最もよく示されており、複数の磁石、例えば、磁石スリーブ１１０にほぼ環状に接着されている磁石１１１ａおよび１１１ｂを収容する複数のスロット（図示せず）が設けられた磁石スリーブ１１０を有する第１のロータ部材１０９を含む。保持リング１１３は、磁石１１１ａおよび１１１ｂを予備的に保持している。磁石スリーブ１１０は、内面にねじが形成された穴１１４を有する第２の回転部材１１２に取り付けられている。アンギュラコンタクト軸受１１６を設けることにより、ロータアセンブリ６２は回転するようになっている。ロックワッシャ１１８およびロックナット１２０も設けられている。
【００２１】
ホール効果センサボード９６は、磁石１１１ａ、１１１ｂの相対位置を検出し、ステータ６０とタイミングが合わされる。ホール効果センサボード９６は、それぞれの方向に進んだタイミングで時間調整される。ホール効果センサボード９６は、磁石１１１ａ、１１１ｂの相対位置を検出し、ステータ６０とタイミングが合わされる。ホール効果センサボード９６は、それぞれの方向に進んでタイミング調整される。したがって、ステータ６０は、発生した磁場が磁石１１１ａおよび１１１ｂの回転位置のわずかに前方にあり、前記磁場が磁石１１１ａおよび１１１ｂを引っ張って、ロータアセンブリ６２を回転させるように、モータ接続部１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃによって動力が与えられる。図８Ａにおけるホール効果センサ群の第１の組と呼ばれる、ホール効果センサボード９６上のホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃのそれぞれの組は、第１のホール効果センサ９９ａと、余剰のオフセットした第２のホール効果センサ９９ｂとを有している。３組のホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃのそれぞれにおける１つ目のホール効果センサは、第１の回転方向に進んだタイミングのために配置されており、３組のホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃのそれぞれにおける２つ目のホール効果センサは、第２の回転方向に進んだタイミングのために配置されている。第１の回転方向と第２の回転方向は、互いに反対であり、ロータアセンブリ６２の回転に基づいて、互いに反対である船舶１０の２つの操舵方向にそれぞれ対応付けられている。ホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃのそれぞれの組における２つの異なるホール効果センサを使用することにより、ホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃのそれぞれの組は、第１の回転方向に進んだタイミングと第２の回転方向に進んだタイミングを可能にしながら、製造公差を「吸収」することができる。さらに、ホール効果センサ群９８ａ、９８ｂ、および９８ｃの任意の組における複数のホール効果センサのうちの１つが故障した場合、この複数のホール効果センサのうちの他の１つはフェイルセーフとして機能してもよい。
【００２２】
図５に示すように、ロータアセンブリ６２は、図１１に詳細に示す出力シャフト４４を収容し、この例では、出力シャフト４４は、ローラスクリューアセンブリ１２２、第１のシャフト部１２４、および第２のシャフト部１２６を含む。ローラスクリューアセンブリ１２２は、中央スクリュー１２８と、中央スクリューの周りを遊星のように回転することができるが、中央スクリュー１２８に対して軸方向に平行移動しない複数のローラ、例えば、ローラ１３０ａおよび１３０ｂとを有する。ローラ１３０ａと１３０ｂは、環状のエンドプレート１３１ａと１３１ｂによって位置合わせされている。ローラスクリューアセンブリ１２２は、図１０に示されている内面にねじが形成された、ロータアセンブリ６２の穴１１４に収容されている。ロータアセンブリ６２の回転は、図３および図４に示す出力シャフト４４をハウジング４２に対して往復動させる。電動アクチュエータ４０が左舷エンジン１２に取り付けられると、出力シャフト４４の軸方向運動が船舶１０に対して防止される一方、ハウジング４２が出力シャフト４４に沿って船舶１０に対して直線的に往復動する。ハウジング４２のこの相対的な直線的運動は、左舷エンジン１２の舵柄４６に操舵力を与え、従来と同様に左舷エンジン１２を操舵する。緊急時は、通常動作時に出力シャフトの回転を防止するロックナット（図示せず）を緩めて、出力シャフト４４を手動で回転させてもよい。
【００２３】
電動アクチュエータ４０のブレーキ６４は、図１２に詳細に示されている。ブレーキ６４は、電磁回路１４２を収容する環状本体１４０を有する。電磁回路１４２は、磁石リテーナ１４４と、複数の磁石、例えば、永久磁石１４８ａおよび１４８ｂを保持する磁石ホルダ１４６と、ブレーキコイルアセンブリ１５０とを含む。磁石リテーナ１４４は、磁石および磁場を保持する。磁石リテーナ１４４、磁石ホルダ１４６、および永久磁石１４８ａおよび１４８ｂは、図１３に詳細に示されている。他の例では、環状磁気リングが存在してもよい。図１２を再び参照すると、ブレーキ６４は、ベアリング１５４に圧入されているハブ１５２をさらに含む。ベアリング１５４は、環状本体１４０にすきまばめされている。ベアリング１５４は、ハブ１５２と同心の環状本体１４０を保持する。これにより、ブレーキアセンブリ６４は、ロータ部材６２をハウジング４２に位置合わせする。ブレーキアセンブリ６４は、ロータ部材６２およびハウジング４２と一体化される前に、サブアセンブリー（部分組立品）として組み立てられ、製造時のモジュールとして試験されてもよい。保持リング１５６は、バックアップ保持として機能する。ベアリング１５４は、ハブ１５２がロータアセンブリ６２とともに回転するようにしている。複数の屈曲部、例えば、弓形屈曲部１５８ａ、１５８ｂ、および１５８ｃは、ハブ１５２によって径方向に保持され、ハブ１５２とともに回転する。環状のブレーキパッド１６０は、電磁石回路１４２とハブ１５２との間に配置されている。ブレーキパッド１６０は、屈曲部１５８ａ、１５８ｂ、および１５８ｃによってハブ１５２に連結されている。したがって、ブレーキパッド１６０も、ハブ１５２とともに回転する。ハブ１５２、ブレーキパッド１６０、ならびに屈曲部１５８ａ、１５８ｂ、および１５８ｃは、図１４に詳細に示されている。
【００２４】
図１５および図１６は、本体１４０と磁石リテーナ１４４との間の環状空間または環帯空間１６２内に配置されたコイルアセンブリ１５０を示す。環帯空間１６２は、コイルアセンブリ１５０よりも断面が大きい。これにより、コイルアセンブリ１５０が環帯空間１６２内を移動できるので、電動アクチュエータ４０の組み立て中に、コイルアセンブリ１５０のコネクタ１６４を電気コネクタ７２と位置合わせして、図８Ｂに示されるブレーキ接続部１０４ａおよび１０４ｂに接続することができる。環帯空間１６２内のコイルアセンブリ１５０の動きは、回転および／または径方向の動きであってもよい。本体１４０と磁石リテーナ１４４との間には、また、空隙１６６が存在する。
【００２５】
永久磁石１４８ａおよび１４８ｂは、ブレーキパッド１６０が第１の摩擦面１６８および第２の摩擦面１７０に接する押付位置にブレーキパッド１６０を引っ張る磁場を発生させる。この例では、第１の摩擦面１６８は本体１４０の肩部であり、第２の摩擦面１７０は、磁石リテーナ１４４の環状面である。ブレーキトルク、またはブレーキパッド１６０と第１の摩擦面１６８および第２の摩擦面１７０との間の摩擦力は、ロータアセンブリ６２にねじり結合されているハブ１５２の回転を防止するのに十分である。したがって、図１５および図１６に示すように、ブレーキ６４は、コイルアセンブリ１５０にエネルギーが供給されて、ブレーキパッド１６０が解放位置に移動するまで、通常は押付位置にある。
【００２６】
図１７および図１８は、解放位置にあるブレーキ６４を示しており、コイルアセンブリ１５０にエネルギーが与えられ、永久磁石１４８ａおよび１４８ｂが発生する磁場を向け直すのに十分な磁場をコイルアセンブリ１５０が発生している。屈曲部１５８ａ、１５８ｂ、および１５８ｃは、第１の摩擦面１６８および第２の摩擦面１７０から離れたブレーキパッド１６０を解放位置に付勢している。ブレーキパッド停止部１７２は、この例では、ハブ１５２の環状リップであり、環状リップは、ブレーキ６４が解放位置にあるときに、第１の摩擦面１６８および第２の摩擦面１７０から離れたブレーキパッド１６０の移動を、ハブ１５２が自由に回転できるように制限する。ブレーキパッド停止部１７２は、ブレーキ６４が解放位置にある場合の第１の摩擦面１６８および第２の摩擦面１７０からのブレーキパッド１６０の最大距離を設定する。最大距離は、ブレーキ６４が再接合できるように設定されている。
【００２７】
コイルアセンブリ１５０は、電流を受けることによってエネルギーをもらう。しかしながら、この例では、ブレーキ６４は、コイルアセンブリ１５０に供給される電流が第１のしきい値電流と第２のしきい値電流との間にある場合にのみ解放位置に作動される。第１のしきい値電流は、例えば約０．６アンペアであってもよく、第２のしきい値電流は約１．２アンペアであってもよく、または、第１のしきい値電流は約０．８アンペアであってもよく、第２のしきい値電流は約１．０アンペアであってもよい。このような電流は、電流の引き込み（current draw）の設計限界内でブレーキ６４の一貫した解放を確実にする。
【００２８】
本体１４０と磁石リテーナ１４４との間の空隙１６６は、ブレーキが解放位置にある場合にブレーキ強度および電流しきい値を設定する。これにより、所望の最小ブレーキトルクを維持しながら、ブレーキを解放位置に移動させるのに必要な電流が最小限に抑えられる。ブレーキトルクは、電動アクチュエータ４０のモータの出力トルクよりも小さくてもよい。この場合、電動アクチュエータ４０のモータは、ブレーキが故障したときにブレーキ６４を無効にできる。ブレーキトルクは、バックドライブトルクよりも大きくてもよい。この場合、ブレーキ６４は、モータが故障したときに出力シャフト４４の動きを制限できる。ブレーキは、船舶を牽引する際に重要である、船舶に搭載されたエンジンの動きの制限も行うことができる。
【００２９】
ブレーキ６４は、コイルアセンブリ１５０に供給される電圧の極性を反転させるためのＨブリッジを操舵制御ユニット内に備えていてもよい。この場合、ブレーキ６４が解放位置から押付位置に作動する速度が上昇する。ブレーキトルクも増加する。Ｏリング１７４は、回転減衰力を与えるためにロータアセンブリの外周に嵌められている。ブレーキ６４の本体１４０にある支持レッジ（support ledge）１７６は、ブレーキ６４の熱膨張を最小にする。
【００３０】
エンドグランド６８は、図１９〜図２１に詳細に示されている。エンドグランド６８は、環状本体１７８を含む。環状本体１７８は、フローティングシールハウジング（floating seal housing）１８０およびブッシング１８２を収容する。ブッシング１８２は、内側シール１８４と外側シール１８６との間に配置されている。内側シール１８４には内側シール付勢部１８８が設けられ、外側シール１８６には外側シール付勢部１９０が設けられている。外側シール１８６および外側シール付勢部１９０は、シールハウジング１８０における溝１９２に収容されている。環状本体１７８とシールハウジング１８０との間には、シール、この例では、Ｏリング１９４が配置されている。Ｏリング１９４は、シールハウジング１８０の凹状壁１９８上にある。これにより、フローティングシールハウジング１８４に対してＯリング１９４がセンタリングされる。シールハウジング１８０には、第１のラジアルリップ２００および第２のラジアルリップ２０２が設けられる。第１のラジアルリップ２００は弾性を有しており、エンドグランド６８内へのシールハウジング１８０の取り付けを容易にする。第２のラジアルリップ２０２は、鋭角の縁を有しており、この縁は、出力シャフト４４からごみを掻き取るためのスクレーパとして機能し、安定性および出力シャフト追跡（output shaft tracking）を提供する。シールハウジング１８０には、また、Ｏリング１９４の取り付けを容易にする面取り部２０４が設けられている。シールハウジング１８０の後壁２０６は、安定性のために環状本体１７８にぴったり重なっている。シールハウジング１８０の後方ヒール部２０８は、出力シャフト４４と同心であり、剛性のある低摩耗材料で形成されている。Ｏリング１９４は、出力シャフト４４からシールハウジング１８０に負荷が加わったときに、シールハウジング１８０が径方向に移動できるようにしている。これにより、シールハウジング１８０の第２のラジアルリップ２０２および後方ヒール部２０８の摩耗が軽減される。
【００３１】
図２２は、ティラーアーム４６に結合された電動アクチュエータ４０を示す。磁気位置目標物（magnetic position target）２１０は、操舵制御ユニット５０内の結合アセンブリ４８に取り付けられており、絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂは、電動アクチュエータ４０に取り付けられている。絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂは、磁気位置目標物２１０の位置に基づいて操舵位置を検出する。操舵位置は、操舵角と呼ばれる場合がある。操舵動作がティラーアーム４６に与えられると、操舵制御ユニット５０ならびに絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂは、出力シャフト４４に対して軸方向に動く。操舵動作がティラーアーム４６に与えられると、結合アセンブリ４８および磁気位置目標物２１０は回転する。結合アセンブリ４８は、磁気位置目標物２１０の湾曲面２１６を駆動する湾曲面２１４を有する。湾曲面２１４および湾曲面２１６は、製造公差および外部荷重による潜在的な回転ずれに対処するために、出力シャフト４４の軸方向の回転自由度を確保する。
【００３２】
絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂは、図２３に示すように操舵制御ユニット５０内に配置されたマイクロコントローラ２１８に操舵位置を信号で伝達する。相対位置センサ２２０は、マイクロコントローラ２１８にモータ（Ｍ）の位置を信号で伝達する。絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂは、この例では、異方性磁気抵抗センサの形態であり、相対位置センサ２２０は、この例では、ホール効果センサであるが、任意の好適な絶対位置センサおよび相対位置センサを使用してもよい。相対位置センサ２２０は、図８Ａに示されるホール効果センサボード上のホール効果センサのうちの１つ以上であってもよい。操舵制御ユニット５０は、絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂを含む複数の絶対位置センサの関係に基づいて、アクチュエータストロークを通じた複数点を用いて累積位置を較正する。累積位置のこのマップは、不揮発性メモリ２４２に記憶される。これにより、累積操舵位置をマイクロコントローラ２１８に信号で伝達し、次いで、アクチュエータ４０が時間をかけて動くに従って相対位置を累積した累積位置を初期化する。
【００３３】
累積位置は、図２４に示すように、起動時に、好ましくは、モータおよびブレーキが作動していない場合に初期化される。これにより、累積位置の初期化精度が高くなる。バックラッシュは、単一の操舵位置に両側から接近した後、この操舵位置における累積位置の信号と絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂの信号とを比較することによって測定することができる。バックラッシュは、主として、絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂが配置されている操舵軸線に沿って、舵柄とアクチュエータとの間の接合部に生じる。相対位置センサ２２０が配置されている出力シャフトの軸線に沿って最小限のバックラッシュが生じる。操舵制御ユニット５０は、初期の操舵動作中にバックラッシュを監視して、バックラッシュを吸収する著しい操舵動作があったかどうかを判定する。操舵制御ユニット５０は、絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂの値を比較して、バックラッシュの大きさを判定する。次に、操舵制御ユニット５０は、累積位置を再初期化することによりバックラッシュを補償する。操舵制御ユニット５０は、バックラッシュを吸収するために操舵範囲を制限し、バックラッシュが補償された後、全操舵範囲を有効化してもよい。操舵制御ユニット５０は、また、測定されたバックラッシュを不揮発性メモリ２４２に記憶して、経時的なバックラッシュの変化を監視してもよい。不揮発性メモリに記憶されたこの情報は、警告またはサービスリマインダを提供するために用いられ得る。操舵制御ユニット５０は、バックラッシュが許容可能な安全しきい値を超えた場合、アクチュエータの性能を低下させてもよい。
【００３４】
絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂと相対位置センサ２２０との組み合わせの使用により、それぞれのセンサが故障検知のために他のセンサと比較される３重の余剰性がもたらされる。この例では、操舵制御ユニット５０は、絶対位置センサ２１２ａおよび２１２ｂの信号と累積位置とを比較して故障を検知する。追加の累積位置を提供するために追加の絶対位置センサおよび相対位置センサを使用すると、使用されるセンサの数に基づいて複数の余剰性が生じることになる。例えば、図２３を参照すると、モータ電圧センサ２３６は、モータの相対位置を判定するために、モータの転流時に、ステータ相の逆起電力波形を測定してもよい。これにより、操舵制御ユニット５０は、モータ電圧センサを追加の相対位置センサとして使用することが可能となる。
【００３５】
操舵位置は、操舵制御ユニット５０によって連続的に監視される。従来のように操舵位置誤差を最小にするために、ＰＩＤ位置閉ループ制御が用いられる。操舵制御ユニット５０は、ステータ６０にエネルギーを与えて、ロータ６２の磁場２２８の前方に磁場２２６を生成する。これにより、回転トルクが生じる。これは、転流と呼ばれる従来のモータ動作である。操舵制御ユニット５０は、操舵位置誤差が所望のしきい値誤差に最小化されると、相転流の進行を停止させる。次に、操舵制御ユニット５０は、図２５〜図２８に示すように、ステータ６０の磁場２２６をロータアセンブリ６２の磁場２２８に揃えて、ロータアセンブリ６２を回転させる回転トルクを最小にするために、ステータ６０にエネルギーを与える。操舵制御ユニット５０は、三相交流の三相のうちの一つを選択して、保持ＰＷＭを印加する。これは、時間の関数としてステータ６０に印加されるＰＷＭデューティサイクルを示すグラフである図２５に最もよく示されている。
【００３６】
前記の説明は、累積位置が始動時に初期化され、バックラッシュを補償するために初期操舵動作後に再初期化されることを述べている。しかしながら、操舵制御ユニット５０は、特定の初期化条件が満たされない場合に初期化を遅らせるか、または特定のトリガイベントの後に再初期化することを選択してもよい。例えば、故障したセンサが動作中に回復した後などである。
【００３７】
図２５を特に参照し、図２９に示される状態を参照すると、操舵制御ユニット５０は、時間Ｔ０と時間Ｔ１との間で駆動状態であり、その間に操舵制御ユニット５０はＰＷＭを印加するので転流が存在する。時間Ｔ１で所望の操舵位置に到達し、操舵制御ユニットは、保持状態に移行する。操舵制御ユニットは、保持状態の間に保持ＰＷＭを印加する。操舵制御ユニット５０は、三相電流の第一の相に正のＰＷＭおよび電流を印加し、三相電流の第二の相に負のＰＷＭおよび電流を印加することにより、保持ＰＷＭを印加する。保持ＰＷＭは、時間Ｔ１で最初に印加されたときは比較的高いが、保持状態でバックドライブ（出力側から入力側に伝達された力により生じる動作）を制限するために、時間Ｔ３で最小保持ＰＷＭに達するまで、時間Ｔ２中のトルク低減状態の間、制御された速度で低減される。バックドライブ保持ＰＷＭは、バックドライブトルク（バックドライブを発生させるトルク）を打ち消す、すなわち、ロータアセンブリ６２の位置を保持する保持トルクを生成する。保持トルクは、モータを回転させず、且つ、バックドライブトルクよりも大きい値になりうる。図２６は、バックドライブトルクに対抗する保持トルクを示す。操舵制御ユニット５０は、船舶の速度、エンジン回転速度、および操舵位置のうちの少なくとも１つの関数として最小保持ＰＷＭを設定してもよい。図２３を再び参照すると、船舶の速度は、船速センサ２５０によって検出されてもよく、エンジン回転速度は、エンジン回転速度センサ２５２によって検出されてもよい。
【００３８】
しかしながら、バックドライブトルクは、ラダー負荷に正比例し、ラダー負荷は、プロペラトルク、船体動特性、エンジン取付構造、舵角（rudder angle）、エンジン回転速度、および船舶のトルクの関数である。したがって、バックドライブトルクは、特にターン時および／または高速時に、著しく変動する場合がある。したがって、バックドライブトルクは、保持ＰＷＭおよび保持トルクよりも大きくなる場合がある。この場合、バックドライブが発生する。外部トルクに対抗する保持トルクを維持し、モータの回転を停止するために、位相を変えてもよい。操舵制御ユニット５０は、図２９に示す状態図に従ってバックドライブを監視し、トルク増加状態を移行させる。したがって、最小保持ＰＷＭは、時間Ｔ４で始まるトルク増加状態の間に、バックドライブトルクが保持ＰＷＭ以下であり、バックドライブが時間Ｔ５で停止して保持状態に戻るまで、制御された速度で増加してもよい。操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ２２４があってもよい。操舵制御ユニット５０は、バックドライブトルクを検出する操舵トルクセンサ２２４からの信号に基づいてＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定してもよい。操舵制御ユニット５０は、また、バックドライブを検出することができる位置センサ２２０からの信号に基づいてＰＷＭ増加の大きさおよび割合を判定してもよい。
【００３９】
保持ＰＷＭは、好ましくは、バックドライブトルクに対抗する保持トルクを生成するのに十分であるが、電流消費の非効率性を回避するのに必要なレベルよりも高くないレベルまでできるだけ小さくすべきである。最小保持ＰＷＭをエンジン回転速度に基づいて必要に応じて増加させてもよい。この場合、アクチュエータの位置誤差と電流の引き込みが最小限に抑えられ、エンジンがオーバーヒートする可能性が低下する。
【００４０】
図２３を再び参照すると、この例では、アクチュエータ４０に電力を供給するバッテリ２３０の形態の電源が存在する。バッテリ２３０の状態を検出する複数のセンサ、この例では、電圧センサ２３２および電流センサ２３４が存在する。電圧センサ２３２および／または電流センサ２３４は、バッテリ２３０の容量を検出してもよい。電圧センサ２３２および／または電流センサ２３４は、バッテリ２３０の容量に関してマイクロコントローラ２１８に信号で伝達してもよく、操舵制御ユニット５０は、バッテリ２３０の容量に応じてモータへの電圧を制御することによってモータに供給される最大電力を制限する。
【００４１】
バッテリの電流の引き込みは、図３０に示される３ゾーン電流制限方式を用いることによって制限されてもよい。３ゾーン電流制限方式は、ＰＷＭ制限を使用して、モータに加わり得る最大ＰＷＭを制御する。操舵制御ユニットは、最大ＰＷＭまでの任意のＰＷＭを供給することができる。ＰＷＭ制限は、事前に定義されたスルーレートだけ減少ゾーン内で減少する。減少ゾーンの目的は、バッテリ電流を許容しきい値未満に減少させ、制限することである。ＰＷＭは、スルーレート制御ＰＷＭコマンドに従って正常／回復ゾーン内で増加または減少することが許可されている。正常／回復ゾーンの目的は、ＰＷＭが正常レベルに回復し、ＰＷＭコマンドに従うことを可能にすることである。ＰＷＭ制限は、保持ゾーンでは増加が防止されるが、ＰＷＭは、保持ゾーンでは減少してもよい。保持ゾーンの目的は、ＰＷＭの増加を防止することによって、電流の増加を維持するまたは減速させることである。保持ゾーンは、バッテリ電流の変動と過度の電圧降下を減らす。これにより、最大バッテリ電流出力が増加する。図３０は、電流制限方法のロジックを示すブロック図である。
【００４２】
３ゾーン電流制限方式のゾーンは、例えば、図３１に示されるようにバッテリ電流に基づいてもよい。減少ゾーンは、バッテリ電流が９８アンペアを超える場合である。正常／回復ゾーンは、バッテリ電流が９３アンペア未満の場合である。保持ゾーンは、バッテリ電流が９３アンペアから９８アンペアまでの場合である。図３１は、また、用いられている３ゾーン電流制限方式の例を示す。ＰＷＭおよびバッテリ電流は、時間Ｔ１の間、正常／回復ゾーンで増加することが許可されている。ＰＷＭは、時間Ｔ２の間、保持ゾーン内で安定して保持される。ＰＷＭは、時間Ｔ３の間、減少ゾーンで減少する。これにより、モータ電圧（Ｖｍ）が低下する。モータ電流の低下は、バッテリ電流（ＩＢ）の低下をもたらし、これによって、バッテリ電流制限の目標が達成される。時間Ｔ４の間における急激なトルクおよび電流のリップル（ripple）の結果、バッテリ電流（ＩＢ）は低下し続ける。しかし、ＰＷＭは一定のままである。バッテリ電流（ＩＢ）が時間Ｔ５の間に正常／回復ゾーンに達すると、時間Ｔ６における保持ゾーンにおいて、ＰＷＭは、ＰＷＭおよびバッテリ電流が安定するまでわずかに増加する。
【００４３】
図３２に示されるように、操舵制御ユニット５０は、エンジン回転速度を低下させるための３段階プロセスと、エンジンの衝突を防止するためのポーズアクチュエータムーブメント（pause actuator movement）とを用いてもよい。図３３に示すように、各エンジンは、スケジューラ工程中に生成される、それ自身のエンジン目標舵角位置スケジューラを有する。エンジン目標舵角スケジュールは、船舶目標舵角操舵位置コマンドに基づく。スケジューラは、エンジンの形状、エンジン間の距離、および操舵角によって規定される衝突点によって定義されるので、すべてのエンジンがそれぞれのエンジン目標舵角スケジュールで動作すると、エンジンの衝突はないはずである。
【００４４】
しかしながら、図３４Ａおよび図３４Ｂに示すように、ある一つのエンジンが、より多くの負荷を受ける場合があり、減速する場合がある。図３４Ａでは、複数のエンジンが回動し始めており、左舷エンジン１２および内側左舷エンジン１４ａがそれぞれのスケジューラに基づいて動作している。複数のスケジューラは、同じエンジン目標舵角θを有するため、エンジンの衝突は生じないはずである。しかしながら、図３４Ｂでは、左舷エンジン１２は負荷のために減速している。したがって、図３５に示される減速線と停止線との間の離間距離に応じて、内側左舷エンジン１４ａをレシオメトリック（ratiometric）に減速させることを含む減速工程が存在する。
【００４５】
図３５は、エンジンの停止線および減速線と右舷の隣接エンジンとの関係を示す図である。Ｙ軸は、本エンジンの操舵位置であり、Ｘ軸は、隣接エンジンの操舵位置である。操舵制御ユニット５０は、どこで本エンジンの操舵動作を減速させて一時停止させるかを判定するためにマップを使用する。例えば、隣接エンジンが右舷エンジンであり、隣接エンジンの操舵位置が３０°である場合、左舷エンジンは、減速する前に２２°までしか移動できず、操舵の一時停止が必要な前に２４°移動する。ただし、同じ左舷エンジンが左舷方向に舵を取っている場合は、操舵の減速や一時停止の制限はない。内側左舷エンジン１４ａは、左舷エンジン１２の操舵位置に対して減速する。一時停止工程では、アクチュエータの動きを制限するために、アクチュエータのブレーキまたは保持ＰＷＭが適用される。
【００４６】
先導エンジンと後続エンジンとは、異なる挙動を示し、後続エンジンのみがエンジン速度を低下させ、アクチュエータの動きを停止させる。操舵制御ユニット５０は、エンジンが目標アクチュエータ位置に近づいたときにエンジン速度を低下させアクチュエータの動きを停止させるために、それぞれのエンジンの位置および隣接エンジンの相対位置を監視する。図２３を再び参照すると、例えば、操舵制御ユニット５０は、前述のように絶対センサ２１２ａおよび２１２ｂならびに相対センサ２２０に基づいてエンジンの相対位置を判定してもよいし、隣接エンジンの位置センサ２５４に基づいて相対位置を判定してもよい。図３６は、操舵制御ユニットが３つの状態でアクチュエータを動作させることを示している。正常状態では、アクチュエータは、制限なく最高速度まで動作することが可能である。減速状態では、アクチュエータは、減速曲線によって決定された最高制限速度まで動作することが可能である。減速状態では、最高速度制限は、方向にも依存する。待機状態では、アクチュエータは、第１の方向にさらに移動することが防止される。しかしながら、待機状態では、アクチュエータは、第１の方向とは反対の第２の方向に移動することが可能である。
【００４７】
隣接エンジン間の距離は、正常状態と、減速状態と、待機状態と、の間での移行を引き起こすために用いられる。より速い最高速度が可能となる状態に戻る距離は、より遅い状態に移行するための距離と同じであるか、またはそれより大きくてもよい。隣接するアクチュエータが既定の側になければ、アクチュエータは、この既定の側に向かって移動しているときに、常にこの状態にある。この３段階プロセスは、エンジン間の離間距離をより小さくでき、これによって、より多くのエンジンを船舶に搭載できる。
【００４８】
図３７は、操舵制御ユニット５０のトー角ロジックが船舶目標舵角２６０に依存することを示す可変トー図である。船舶目標舵角が０°のとき、トー角２６２は、その最大値にあり、トー設定に等しい。この例では、トー角は、それぞれのエンジンのエンジン目標舵角を修正し、２つのハードストップ（すなわち、船舶目標舵角＝＋／−３０°）で、最小トー値までレシオメトリックに減少する。この例では、最小トー値は、ハードストップで０°と定義されている。負のトー角はトーインを示し、正のトー角はトーアウトを示す。これは、大型エンジンであり、離間距離が小さいときに特に有利である。舵角が最小または最大となるハードオーバー操舵におけるこれらのシステムに関して、ゼロ以外のトー値は、回動中の外側のエンジンの操舵範囲を減少させ、それによって、回動半径などの操舵性能に影響を及ぼす場合がある。しかしながら、他の例では、他のパラメータが使用されてもよい。
【００４９】
当業者であれば理解されるように、前述の詳細な説明の多くは、例示に過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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