(57)【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、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角を制御する転舵角制御部と、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応じて反力用アクチュエータの駆動を制御する反力制御部とを備え、反力制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角の中立位置を含む所定範囲に、上記反力用アクチュエータが反力を付与しない不感帯を設けることにより、反力用アクチュエータの駆動を制御し、
船速を検出する船速検出手段を備え、上記反力制御部は、船速検出手段により検出された船速に応じて不感帯幅を変更する機能を有することを特徴とする船用操舵装置。
【請求項２】
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、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角を制御する転舵角制御部と、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応じて反力用アクチュエータの駆動を制御する反力制御部とを備え、反力制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角の中立位置を含む所定範囲に、上記反力用アクチュエータが反力を付与しない不感帯を設けることにより、反力用アクチュエータの駆動を制御し、
操舵部材の操舵速度を検出する操舵速度検出手段を備え、上記反力制御部は、操舵速度検出手段により検出された操舵速度に応じて不感帯幅を変更する機能を有することを特徴とする船用操舵装置。
【請求項３】
請求項１または２において、上記転舵角制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角が上記不感帯にあるときに、転舵角の変更を制限する機能を有する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、請求項１の発明は、操舵部材（３）と、操舵部材とは機械的に連結されていない転舵機構（５）と、操舵部材の操舵角（θ）を検出する操舵角検出手段（２０）と、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角（β）を制御する転舵角制御部（３２）と、操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータ（１８）と、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて反力用アクチュエータの駆動を制御する反力制御部（３４）とを備え、反力制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角の中立位置を含む所定範囲に、上記反力用アクチュエータが反力を付与しない不感帯を設けることにより、反力用アクチュエータの駆動を制御し、船速を検出する船速検出手段を備え、上記反力制御部は、船速検出手段により検出された船速に応じて不感帯幅を変更する機能を有することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、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、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角を制御する転舵角制御部と、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応じて反力用アクチュエータの駆動を制御する反力制御部とを備え、反力制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角の中立位置を含む所定範囲に、上記反力用アクチュエータが反力を付与しない不感帯を設けることにより、反力用アクチュエータの駆動を制御し、操舵部材の操舵速度を検出する操舵速度検出手段を備え、上記反力制御部は、操舵速度検出手段により検出された操舵速度に応じて不感帯幅を変更する機能を有することを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２において、上記転舵角制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角が上記不感帯にあるときに、転舵角の変更を制限する機能を有することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１および請求項２の各発明では、操舵角の実質的な中立位置を不感帯内に収めることができるので、真の中立位置でない位置で反力の方向が切り換えられることがない。したがって、操舵に違和感がない。仮に、船体の旋回中に、操舵部材から手を離したとしても、操舵部材が中立位置をオーバーシュートするようなことがなく、収斂性がよい。
【０００９】
ところで、船体の航行速度（船速）や操舵部材の操作の速度（操舵速度）にかかわらず、不感帯幅を一定としている場合、操舵部材の操作に対して過剰な応答性で転舵動作が行われ、その結果、船体の挙動をコントロールし難くなるおそれがある。
これに対して、請求項１のように、船速（Ｖ）を検出する船速検出手段（２４）を備え、上記反力制御部は、船速検出手段により検出された船速に応じて不感帯幅を変更する機能を有していれば、好ましい。具体的には、船速が相対的に大きいときに、不感帯幅を相対的に広くするようにすることが好ましい。
【００１０】
また、請求項２のように、操舵部材の操舵速度（ｄθ／ｄｔ）を検出する操舵速度検出手段を備え、上記反力制御部は、操舵速度検出手段により検出された操舵速度に応じて不感帯幅を変更する機能を有していれば、好ましい。具体的には、操舵速度が相対的に速いときに、不感帯幅を相対的に広くするようにすることが好ましい。
また、請求項３のように、上記転舵角制御部は、操舵角検出手段により検出された操舵角が上記不感帯にあるときに、転舵角の変更を制限する機能を有する場合には、直進航行中の船体の左右にふらつきの発生を防止することができる。
なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。        
【００１４】
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。
【００１５】
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。図示していないが、電動モータのケーシングは船体２の適宜部に固定されている。              
【００１６】
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。
【００１７】
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ための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。操舵角センサ２０は例えばロータリーエンコーダからなる。
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γ（船体２の中心線Ｃ１に対する船外機４の向き）を検出するための転舵角検出手段としての転舵角センサ２２が設けられている。転舵角センサ２２として、リニアーエンコーダ、ポテンショメータ等が用いられる。また、船体２の航行速度（船速）を検出する船速センサ２４が設けられている。
【００１８】
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、船速センサ２４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。
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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θ、および船速センサ２４により検出された船速Ｖ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。
【００２１】
目標操舵反力算出部３３が算出する目標操舵反力（トルク）は、例えば、図３に示すように、操舵部材３の操舵角θの中立位置を含む所定範囲に、反力がゼロになる不感帯を有し、その不感帯幅Ｗは、船速センサ２４からの入力として与えられる船速Ｖの高低に応じて増減するような特性を有している。また、船速Ｖが異なる場合の不感帯外の特性は、その一次関数の部分を平行移動させた特性となっている。
【００２２】
目標操舵反力算出部３３は、および船速センサ２４により検出された船速Ｖを入力し、その船速Ｖに応じて決定された不感帯幅Ｗを有する特性を求め、求めた特性を用いて、操舵角センサ２０により検出された操舵角θに応じた目標操舵反力Ｆを算出する。
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。
【００２３】
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。
次いで、制御部２８の制御の流れを示すフローチャートである。制御部２８は、まず船速センサ２４からの船速Ｖを読み込み（ステップＳ１）、その船速Ｖに応じて、下記の式（１）を用いて、不感帯幅Ｗを決定する（ステップＳ２）。
【００２４】
Ｗ＝Ｋ×Func1 （Ｖ）      …（１）
Ｋは、船体２および転舵機構５の特性に応じて決定された比例定数である。関数Func1 （Ｖ）は、例えば、船速Ｖのマイナスａ乗として、式Func1 （Ｖ）＝Ｖ-aで表される場合がある。ただし、上記の乗数ａは正の定数であって、０＜ａ＜３の不等式を満たすことが好ましい。
【００２５】
次いで、操舵角θ−目標操舵反力Ｆの特性を決定する（ステップＳ３）。すなわち、
操舵角θが−（Ｗ／２）≦θ≦（Ｗ／２）の範囲では、目標操舵反力Ｆを下記の式（２）のように零として、不感帯とする。
Ｆ＝０          …（２）
また、不感帯外の反力の特性を下記の式（３）、（４）を用いて決定する。すなわち、  操舵角θが（Ｗ／２）よりも大きい領域では、すなわち、（Ｗ／２）＜θの領域では、  Ｆ＝ｅ×〔θ−（Ｗ／２）〕      …（３）
操舵角θが−（Ｗ／２）よりも小さい領域では、すなわち、θ＜−（Ｗ／２）の領域では、
Ｆ＝−ｅ×〔θ＋（Ｗ／２）〕    …（４）
ここで、式（３）、（４）において、ｅは正の定数である。
【００２６】
次に、操舵角センサ２０から操舵角θを読み込み（ステップＳ４）、その操舵角θに応じた目標操舵反力Ｆを、対応する式（２）、（３）または（４）から求める（ステップＳ５）。
これにより、求められた目標操舵反力Ｆに応じた目標電流値が設定され（ステップＳ６）。その目標電流値に等しい電流が反力アクチュエータ１４に流れるように、反力アクチュエータ１８の駆動回路３０が制御される（ステップＳ７）。
【００２７】
一方、転舵制御に関しては、図５に示すように、操舵角センサ２０から操舵角θを読み込むとともに（ステップＳ１０）、上記反力制御により決定された不感帯幅Ｗを読み込む（ステップＳ１１）。
次いで、ステップＳ１２において、操作角θが不感帯内にあるか否かが判断される。すなわち、θの絶対値が不感帯幅Ｗの半分未満であるか否かが判断される。
【００２８】
操作角θが不感帯内にあるとき、すなわち｜θ｜≦（Ｗ／２）であるときには、転舵制御部３２による転舵角γの変更を禁止する（ステップＳ１３）。操作角θが不感帯外にあるとき、すなわち｜θ｜＞（Ｗ／２）であるときには、通常の転舵制御を実施する（ステップＳ１４）。
本実施の形態によれば、操舵反力に関して操舵角θの実質的な中立位置を不感帯内に収めることができるので、真の中立位置でない位置で反力の方向が切り換えられることがない。したがって、操舵に違和感がない。また、船体２の旋回中に、運転者が操舵部材３から手を離したとしても、操舵部材３が中立位置をオーバーシュートするようなことがなく、したがって、収斂性がよい。
【００２９】
特に、高速で航行しているときには、操舵反力に関して違和感を生じない程度に不感帯の幅を広くすることにより、違和感のない自然な操舵フィーリングを得ることができる。  また、操舵角θが不感帯内にあるときには、転舵角の変更が禁止されるので、この点からも、操舵に違和感がない。
次いで、図６は本発明の別の実施の形態において、目標操舵反力Ｆの不感帯幅Ｗを変更するための制御の流れを示している。制御部２８は、船速センサ２４からの船速Ｖを読み込む（ステップＳ２１）。次いで、操舵角センサ２０から操舵角θを読み込み（ステップＳ２２）、その操舵角θを微分演算処理することにより操舵速度ｄθ／ｄｔを検出する（ステップＳ２３）。
【００３０】
次いで、読み込まれた船速Ｖおよび検出された操舵速度ｄθ／ｄｔに応じて、下記の式（５）を用いて、不感帯幅Ｗを決定する（ステップＳ２４）。
Ｗ＝Ｋ×Func1 （Ｖ）×Func2 （ｄθ／ｄｔ）      …（５）
Ｋは、船体２および転舵機構５の特性に応じて決定された比例定数である。関数Func1 （Ｖ）は、例えば、船速Ｖのマイナスａ乗として、式Func1 （Ｖ）＝Ｖ-aで表される場合がある。ただし、上記の乗数ａは正の定数であって、０＜ａ＜３の不等式を満たすことが好ましい。
【００３１】
Func2 （ｄθ／ｄｔ）は、例えば、操舵速度ｄθ／ｄｔのマイナスｂ乗として、式Func2 （ｄθ／ｄｔ）＝（ｄθ／ｄｔ）-bで表される場合がある。ただし、上記の乗数ｂは正の定数であって、０＜ｂ＜３の不等式を満たすことが好ましい。
これにより、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、操舵速度ｄθ／ｄｔが小さいときには、不感帯幅Ｗが小さくされ、操舵速度ｄθ／ｄｔが大きいときには、不感帯幅Ｗが大きくされる。また、船速Ｖが小さいときには、不感帯幅Ｗが小さくされ、船速Ｖが大きいときには、不感帯幅Ｗが大きくされる。
【００３２】
したがって、船速Ｖが大きく、且つ操舵速度ｄθ／ｄｔが小さい場合には、不感帯幅Ｗが小さくされるので、高速航行中の緩やかな操舵操作に対しては、良好な応答性で反力付与が行われる。一方、高速航行中であっても、水上の障害物を避けるため等で素早い操舵操作が行われたときには、不感帯幅Ｗが大きくされるので、その素早い操舵操作に対して過剰な応答性が操舵反力が付与されるおそれがない。したがって、運転者が操舵に違和感を感じることがない。
【００３３】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、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】船速毎の操舵角と目標操舵反力の関係を示す特性図である。
【図４】反力制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】転舵制御に関するフローチャートである。
【図６】本発明の別の実施の形態において、不感帯幅を決定するためのフローチャートである。
【図７】図７Ａは船速が相対的に小さいときの操舵角と目標操舵反力の関係を示す特性図であり、図７Ｂは船速が相対的に大きいときの操舵角と目標操舵反力の関係を示す特性図である。
【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）、２２…転舵角センサ（転舵角検出手段）、２４…船速センサ（船速検出手段）、２８…制御部、３２…転舵角制御部、３３…目標操舵反力算出部、３４…反力制御部、θ…操舵角、γ…転舵角、Ｆ…目標操舵反力、ｄθ／ｄｔ…操舵速度。
【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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