(57)【要約】【課題】ステアバイワイヤ方式の船において、操舵に違和感のない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は、ステアリングホイール等の操舵部材３とは機械的に連結されていない。目標操舵反力算出部３３は、検出された操舵角θに応じて算出された操舵角対応成分に、検出されたヨーレートγに応じて算出されたヨーレート対応成分および検出された横加速度Ｇｙに応じて算出された横加速度対応成分を付加して、目標操舵反力を算出する。【選択図】図２
2008001206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操舵部材と、操舵部材とは機械的に連結されていない転舵機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段と、船体の挙動量を検出する船体挙動量検出手段と、目標操舵反力に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータと、操舵角検出手段により検出された操舵角および船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に基づいて目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出部とを備えたことを特徴とする船用操舵装置。
【請求項２】
請求項１において、上記目標操舵反力は、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて算出された操舵角対応成分に、船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に応じて算出された船体挙動量対応成分を付加して算出されることを特徴とする船用操舵装置。
【請求項３】
請求項２において、上記船体挙動量検出手段は、船体のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、船体の横加速度を検出する横加速度検出手段とを含み、
船体挙動量対応成分は、ヨーレート検出手段によって検出されたヨーレートに応じて算出されたヨーレート対応成分と、横加速度検出手段によって検出された横加速度に応じて算出された横加速度対応成分とを含むことを特徴とする船用操舵装置。
【請求項４】
請求項３において、上記船体挙動量対応成分は、上記ヨーレート対応成分および上記横加速度対応成分の線形和として算出されることを特徴とする船用操舵装置。
【請求項５】
操舵部材と、操舵部材とは機械的に連結されていない転舵機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段と、船体の挙動量を検出する船体挙動量検出手段と、目標操舵反力に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータと、操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出部と、目標操舵反力算出部により算出された目標操舵反力を、船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に応じて補正する目標操舵反力補正部とを備えたことを特徴とする船用操舵装置。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項において、上記目標操舵反力に応じた制御電流を出力する電流出力手段を備え、上記反力用アクチュエータは、上記電流出力手段から出力された制御電流の供給を受ける電動モータを含むことを特徴とする船用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船用操舵装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。  
【０００３】
特に小型のモータボートの場合には、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、ロープ、滑車、プッシュプルケーブル等により伝達して、船外機本体を操舵する場合もある（特許文献１，２参照）。
特許文献１の船用操舵装置では、船外機に備えられた電動モータを、操舵部材の操作に応じて駆動することにより、船外機に転舵を行わせるようにしている。
【０００４】
特許文献２の船用操舵装置では、操舵部材の操作に応じて駆動された油圧シリンダによって、リンク機構を介して船外機に転舵を行わせるようにしている。
ところで、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、いわゆるステアバイワイヤ方式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）。
【０００５】
特許文献３の船用操舵装置では、ステアリングホイール等の操舵部材の操舵角に基づいて制御された電動モータによって、船外機の転舵力を発生させるようにしている。
【特許文献１】特許第２５０９０１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２４９７９１号公報
【特許文献３】特許第２９５９０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ステアバイワイヤ方式では、操縦者が、操舵部材を介して船の状況を把握することは非常に困難である。すなわち、操舵部材と転舵部材とが機械的に連結されている従来の操舵装置と比較した場合、操縦者は、操舵に違和感を感じることになる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ステアバイワイヤ方式の船において、操縦に違和感のない船用操舵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、操舵部材と、操舵部材とは機械的に連結されていない転舵機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段と、船体の挙動量を検出する船体挙動量検出手段と、目標操舵反力に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータと、操舵角検出手段により検出された操舵角および船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に基づいて目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明では、反力用アクチュエータから操舵部材に与えられる反力に、船体の挙動が反映されているので、操舵部材を操作する操縦者は、船の状況を把握することができる。したがって、操舵部材と転舵機構が機械的に連結されていた従来の操舵装置と同様の操舵感を操縦者に与えることができ、その結果、操縦者が操舵に違和感を感じることがない。
上記目標操舵反力は、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて算出された操舵角対応成分に、船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に応じて算出された船体挙動量対応成分を付加して算出されるようにしてもよい（請求項２）。
【０００９】
また、上記船体挙動量検出手段は、船体のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、船体の横加速度を検出する横加速度検出手段とを含み、船体挙動量対応成分は、ヨーレート検出手段によって検出されたヨーレートに応じて算出されたヨーレート対応成分と、横加速度検出手段によって検出された横加速度に応じて算出された横加速度対応成分とを用いて算出される場合がある（請求項３）。この場合、ヨーレートと横加速度という、船体挙動に関する２つのパラメータが、目標操舵反力に反映されるので、操舵部材を操作する操縦者は、船の状況をより確実に把握することができる。
【００１０】
また、上記船体挙動量対応成分は、上記ヨーレート対応成分および上記横加速度対応成分の線形和として算出される場合がある（請求項４）。一般に、ヨーレートは、低い船速での航行においては比較的大きな値となるが、高い船速での航行では、ほとんどヨーレートが発生しない。一方、横加速度は、高い船速での航行においては比較的大きな値となるが、低い船速での航行では、ほとんど横加速度が発生しない。これに対して、本発明では、低速ではヨーレート分解能＞横加速度分解能となるためヨーレートに主に応じた操舵反力を発生することができ、高速では横加速度分解能＞ヨーレート分解能となるため横加速度に主に応じた操舵反力を発生することができる。したがって、操舵反力に占めるヨーレートと横加速度の寄与する割合が、船速によって自動的に変化するようにでき、横加速度とヨーレートの一方のみを使用する場合や、両方とも使用しない場合よりも、好適な操舵反力が発生することになる。よって、船速の高低にかかわらず好適な操舵反力を発生させることにより良好な操舵フィーリングを確保することができる。
【００１１】
また、本発明は、操舵部材と、操舵部材とは機械的に連結されていない転舵機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段と、船体の挙動量を検出する船体挙動量検出手段と、目標操舵反力に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータと、操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出部と、目標操舵反力算出部により算出された目標操舵反力を、船体挙動量検出手段により検出された船体挙動量に応じて補正する目標操舵反力補正部とを備える場合がある（請求項５）。この場合にも、反力用アクチュエータから操舵部材に与えられる反力に、船体の挙動が反映されているので、操舵部材を操作する操縦者は、船の状況を把握することができる。したがって、操縦者が操舵に違和感を感じることがない。
【００１２】
上記目標操舵反力に応じた制御電流を出力する電流出力手段を備え、上記反力用アクチュエータは、上記電流出力手段から出力された制御電流の供給を受ける電動モータを含む場合がある（請求項６）。この場合、迅速且つ精度良く操舵部材に操舵反力を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。        
【００１６】
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。
【００１７】
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。
回転シャフト１７の他端と船体２との間には、渦巻きばね等からなる弾性部材１９が介在しており、この弾性部材１９は、回転シャフト１７を介して操舵部材３を中立位置に付勢している。反力用アクチュエータ１８が回転シャフト１７にトルクを付加していないときに、弾性部材１９の弾性力によって、操舵部材２が中立位置（直進操舵位置に相当）に復帰させられる。
【００１８】
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操舵角検出手段としての操舵角センサ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上の移動体１０の位置に関連して、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、船体２のヨーレート（角速度。回頭速度）を検出するためのヨーレート検出手段としてのヨーレートセンサ２３と、船体２の横加速度を検出する横加速度検出手段としての横加速度センサ２４とが設けられている。また、船体２の航行速度（船速）を検出する船速センサ２５が設けられている。
【００１９】
マイクロコンピュータ等を含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成された制御部２８には、操舵角センサ２０、転舵角センサ２２、ヨーレートセンサ２３、横加速度センサ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、制御部２８は、転舵用アクチュエータ６および反力用アクチュエータ１８をそれぞれ対応する駆動回路２９，３０を介して適切に制御する。
【００２０】
図２は主たる制御の内容を説明するためのブロック図である。制御部２８は、コンピュータが所定のプログラム処理を実行することによってソフトウエア的に実現される複数の機能処理部を有している。
すなわち、制御部２８は、目標転舵角を算出する目標転舵角算出部３１と、目標転舵角および実転舵角（転舵角センサ２２により実際に検出された転舵角）に基づいて転舵用アクチュエータ６を制御するための転舵角制御部３２と、目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出手段としての目標操舵反力算出部３３と、目標操舵反力に基づいて反力用アクチュエータ１８を制御するための反力制御部３４とを有している。
【００２１】
目標転舵角算出部３１は、操舵角センサ２０により検出された操舵角、および船速センサ２５により検出された船速を入力し、取得した情報に基づいて目標転舵角を算出する。算出された目標転舵角は転舵角制御部３２に与えられる。転舵角制御部３２は、取得した情報に基づいて、転舵角センサ２２による検出結果（実転舵角）を参照しながら、転舵用アクチュエータ６をフィードバック制御する。
【００２２】
目標操舵反力算出部３３は、例えば、操舵角センサ２０により検出された操舵角θに応じた操舵角対応成分Ｋ１・Ｆ１、ヨーレートセンサ２３により検出されたヨーレートγに応じたヨーレート対応成分Ｋ２・Ｆ２、および横加速度センサ２４により検出された横加速度Ｇｙに応じた横加速度対応成分Ｋ３・Ｆ３を加算して、目標操舵反力Ｆが算出される。すなわち、目標操舵反力Ｆは、
Ｆ＝Ｋ１・Ｆ１＋Ｋ２・Ｆ２＋Ｋ３・Ｆ３    …（１）
の式を用いて算出される。
【００２３】
ここで、Ｆ１は、検出された操舵角θを下記の式（２）に代入して算出される第１の操舵反力であり、Ｋ１は第１の操舵反力Ｆ１に対応する係数である。
Ｆ１＝Func1  (θ）    …（２）
Func1  (θ）としては、例えば一次式を用いることができる。すなわち、Ｆ１＝ａ・θ（ａは係数。図３（ａ）参照）。上記の係数ａは、操舵角θの範囲毎に異なる複数の係数ａ１，ａ２，…を含むものであってもよい。例えばθが−θ１≦θ≦＋θ１（θ１は正）の範囲内で相対的な大きな変化勾配が得られるようにしてもよい（図３（ｂ）参照）。
【００２４】
また、Ｆ２は、検出されたヨーレートγを下記の式（３）に代入して算出される第２の操舵反力であり、Ｋ２は第２の操舵反力Ｆ２に対応する係数である。
Ｆ２＝Func2  (γ）  …（３）
Func2  (γ）としては、例えば一次式を用いることができる。すなわち、Ｆ２＝ｂ・γ（ｂは係数）。上記の係数ｂは、ヨーレートγの範囲毎に異なる複数の係数ｂ１，ｂ２，…を含むものであってもよい。例えばγが−γ１≦θ≦＋γ１（γ１は正）の範囲内で相対的な大きな変化勾配が得られるようにしてもよい。
【００２５】
また、Ｆ３は、検出された横加速度Ｇｙを下記の式（４）に代入して算出される第３の操舵反力であり、Ｋ３は第３の操舵反力Ｆ３に対応する係数である。
Ｆ３＝Func3  (θ）  …（４）
Func3  (Ｇｙ）としては、例えば一次式を用いることができる。すなわち、Ｆ３＝ｃ・Ｇｙ（ｃは係数）。上記の係数ｃは、横加速度Ｇｙの範囲毎に異なる複数の係数ｃ１，ｃ２，…を含むものであってもよい。例えばＧｙが−Ｇｙ１≦Ｇｙ≦＋Ｇｙ１（Ｇｙ１は正）の範囲内で相対的な大きな変化勾配が得られるようにしてもよい。
【００２６】
目標操舵反力算出部３３は、算出した目標操舵反力Ｆに応じた反力指示信号を、反力制御部３４に出力する。反力制御部３４は、目標操舵反力算出部３３から出力される目標操舵反力値に応じて反力用アクチュエータ１８に対する目標電流を決定する目標電流設定部３５と、その目標電流に応じて反力用アクチュエータ１８に出力する電流を制御する出力電流制御部３６とを含んでいる。出力電流制御部３６からの電流制御信号が、駆動回路３０に入力され、駆動回路３０は、反力用アクチュエータ１８を例えばＰＷＭ制御によって駆動するようになっている。また、駆動回路３０と出力電流制御部３６との間で出力電流のフィードバック制御が行われるようになっている。
【００２７】
このようにして駆動された反力用アクチュエータ１８が、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。
本実施の形態によれば、反力用アクチュエータ１８から操舵部材３に与えられる反力に、船体２の挙動が反映されているので、操舵部材３を操作する操縦者は、船の状況を把握することができる。したがって、操舵部材と転舵機構が機械的に連結されていた従来の操舵装置と同様の操舵感を操縦者に与えることができ、その結果、操縦者が操舵に違和感を感じることがない。
【００２８】
特に、ヨーレートと横加速度という、船体挙動に関する２つのパラメータが、操舵反力に反映されるので、操舵部材３を操作する操縦者は、船の状況をより確実に把握することができる。
また、操舵反力Ｆの船体挙動量対応成分（Ｋ２・Ｆ２＋Ｋ３・Ｆ３）が、ヨーレート対応成分Ｋ２・Ｆ２および横加速度対応成分Ｋ３・Ｆ３の線形和として算出されるので、下記の利点がある。
【００２９】
すなわち、低速ではヨーレート分解能＞横加速度分解能となるためヨーレートに主に応じた操舵反力を発生することができ、高速では横加速度分解能＞ヨーレート分解能となるため横加速度に主に応じた操舵反力を発生することができる。したがって、操舵反力に占めるヨーレートと横加速度の寄与する割合が、船速によって自動的に変化するようにでき、横加速度とヨーレートの一方のみを使用する場合や、両方とも使用しない場合よりも、好適な操舵反力が発生することになる。よって、船速の高低にかかわらず好適な操舵反力を発生させることにより良好な操舵フィーリングを確保することができる。
【００３０】
なお、第１、第２および第３の操舵反力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３にそれぞれ対応する係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、それぞれ予め定められる値を用いてもよいし、船速センサ２５により検出された船速に応じて、予め定めるマップ、或いは関数式を用いて求められる値であってもよい。
次いで、図４は本発明の別の実施の形態の制御の内容を示すためのブロック図である。図４を参照して、本実施の形態では、制御部２８が、操舵角センサ２０により検出された操舵角に基づいて目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出部３７と、ヨーレートセンサ２３により検出されたヨーレートおよび横加速度センサ２４により検出された横加速度に応じて目標操舵反力補正量を算出する目標操舵反力補正量算出部３８と、目標操舵反力算出部３７により算出された目標操舵反力を、目標操舵反力補正量算出部３８により算出された補正量を用いて補正する目標操舵反力補正部３９とを備えている。
【００３１】
目標操舵反力算出部３７は、下記の式（５）を用いて、目標操舵反力Ｆを算出する。
Ｆ＝Func1  (θ）  …（５）
目標操舵反力補正量算出部３８は、下記の式（６）を用いて、補正量δを算出する。
δ＝Ｋ４・Func2  (γ）＋Ｋ５・Func3  (Ｇｙ）  …（６）
ここで、Ｋ４、Ｋ５は係数である。また、各関数式Func1  (θ）、Func2  (γ）、Func3  (Ｇｙ）としては、先の実施の形態で用いたものと同様のものを用いることができる。
【００３２】
目標操舵反力補正部３９では、目標操舵反力算出部３７により算出された目標操舵反力Ｆ、および目標操舵反力補正量算出部３８により算出された補正量δを下記の式（７）に代入して、目標操舵反力Ｆを補正し、補正された目標操舵反力Ｆａを得る。
Ｆａ＝Ｆ＋γ    …（７）
本実施の形態においても、反力用アクチュエータ１８から操舵部材３に与えられる反力に、船体２の挙動が反映されているので、操舵部材３を操作する操縦者は、船の状況を把握することができる。したがって、操縦者が操舵に違和感を感じることがない。
【００３３】
なお、上記の係数Ｋ４，Ｋ５は、それぞれ予め定められる値を用いてもよいし、船速センサ２５により検出された船速に応じて、予め定めるマップ、或いは関数式を用いて求められる値であってもよい。
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】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。
【図２】船用操舵装置の要部のブロック図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、検出された操舵角とこれに基づく操舵反力との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の別の実施の形態の船用操舵装置の要部のブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
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、１８…反力用アクチュエータ、２０…操舵角センサ（操舵角検出手段）、２３…ヨーレートセンサ（ヨーレート検出手段。船体挙動量検出手段）、２４…横加速度センサ（横加速度検出手段。船体挙動量検出手段）、２８…転舵角制御部、３３…目標操舵反力算出部、３４…反力制御部、３５…目標電流設定部、３６…出力電流制御部（電流出力手段）、θ…操舵角、γ…ヨーレート（船体挙動量）、Ｇｙ…横加速度（船体挙動量）、Ｆ…目標操舵反力、Ｋ１・Ｆ１…操舵角対応成分、Ｋ２・Ｆ２…ヨーレート対応成分（船体挙動量対応成分）、Ｋ３・Ｆ３…横加速度対応成分（船体挙動量対応成分）、３７…目標操舵反力算出部、３８…目標操舵反力補正量算出部、３９…目標操舵反力補正部、Ｆａ…補正された目標操舵反力、δ…補正量
【図１】
2008001206.tif 000003
【図２】
2008001206.tif 000004
【図３】
2008001206.tif 000005
【図４】
2008001206.tif 000006