JPH1016882A - フィン制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フィンに発生するキャビテーションを検出する
ことでキャビテーションを抑制するフィン制御装置を提
供すること。 【解決手段】水面近傍の水中で用いられるフィン１の傾
転角制御を行なうフィン制御装置であり、前記フィン１
の外板２０付近で発生するキャビテーションを検出する
キャビテーション発生検出手段（２２）と、このキャビ
テーション発生検出手段（２２）でキャビテーションの
発生を検出したとき、指令されたフィン角度が前記キャ
ビテーションの発生した時点のフィン角度を越える場合
に、前記指令されたフィン角度を前記キャビテーション
の発生した時点のフィン角度に維持するよう制御する制
御手段（２３）と、を具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可動フィンのキャ
ビテーションを防止するフィン制御装置に関し、例えば
フィンスタビライザのフィン制御や可動フィンを備える
高速水中翼船のフィン制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】波浪中における船体の横揺れ防止装置と
してフィンスタビライザが知られている。これは、船体
外部に張り出した可動フィンを傾転させ、船体に沿って
流れる水流に対してフィンの迎角を生じさせることによ
り得られる揚力を波外力に対向させることで、船体の横
揺れを防止するものである。

【０００３】図３は、従来のフィンスタビライザの構成
を示す図である。このフィンスタビライザは、船体１０
の横揺れ角速度ωH を横揺れセンサ１２から、船体１０
の海水に対する速力すなわち船速ＶH を航海用のログ等
の船速センサ１３から、各々減揺制御器１１に入力す
る。そして減揺制御器１１において、船体１０の横揺れ
角速度ωH に応じて、船体１０の横揺れを防止するのに
必要なフィン揚力ＬD を演算する。

【０００４】次に減揺制御器１１において、必要なフィ
ン揚力ＬD と船速ＶH から所要のフィンの迎角αD を下
式（１）から演算し（αD ＝…の形式で導く）、迎角制
限器１４を介してフィン駆動装置３，３へ指令フィン迎
角αD として出力する。

【０００５】 ＬD ＝（ρ／２）ＶH ² ＣL （αD ）Ａ …（１） ＣL （αD ）：揚力係数，αD の関数 Ａ：フィン面積 ρ：海水密度 フィン駆動装置３は、船が平水中を航行するときの水流
の方向にフィン１の弦が一致する方向をフィン傾転角β
F の中立位置（βF ＝０）として、フィン傾転角βF を
傾転角センサ（図示せず）により検出し、指令フィン迎
角αD の数値とフィン傾転角βF の数値偏差を縮小する
ようにフィン傾転角βF を修正し、ほぼαD ＝βF とみ
なせるようにフィン１の傾転を制御する。

【０００６】このように指令フィン迎角αD に追従する
ようにフィン傾転角βF を制御することで、必要なフィ
ン揚力ＬD に追従する実フィン揚力ＬF を発生させ、減
揺制御器１１に組み込まれた演算の意図する横揺れの低
下がほぼ達成される。

【０００７】ところで、船の吃水程度の浅海中でフィン
を傾転させたとき、フィンの迎角αF が大きくなり、あ
る一定の迎角（以下臨界迎角αCRと称す）に達すると、
キャビテーションが発生するようになる。なお臨界迎角
αCRは船速（船速の関数）に依存するが、ここでは船速
ＶH は一定としておく。

【０００８】図４は、フィンの迎角αF とフィンの揚力
ＬF との関係を示した図である。図４において、実線は
十分な深海中のフィンの迎角αF と揚力ＬF とのなす関
係を示している。図４において破線は、船の吃水程度の
浅海中に配置されたフィンの迎角αF と揚力ＬF とのな
す関係を示している。フィンの迎角αF が小さい範囲で
は、深海中と浅海中のフィンの揚力は一致しているが、
迎角αF が臨界迎角αCRを超えると浅海中の揚力ＬF が
深海中の揚力ＬF に比べて小さくなる。

【０００９】これは、浅海中のフィンにおいてその負圧
側側面の局所圧力が飽和水蒸気圧まで低下することによ
り、微少な水蒸気気泡から成るキャビテーションが発生
するためであり、その局所圧力が水蒸気圧以下に低下せ
ず、揚力の低下が生ずる。

【００１０】したがって図４において、実線と破線の分
岐点であるＰ点の迎角αCRを越えて迎角αF を大きくす
ると、キャビテーションが発生することになる。発生し
た水蒸気気泡はフィン表面に沿って流下し、圧力が上昇
しはじめるときに瞬時に壊滅する。このとき発生する圧
力は、気泡の近傍では金属を壊食するのに十分な圧力に
達する。このため、フィンの損傷防止、騒音の抑制の観
点から、キャビテーションの発生を防止する必要があ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のフィン
スタビライザでは、基本的には船体の横揺れに基いて演
算した指令フィン仰角αD が臨界フィン角αCRを越えた
場合に、指令フィン仰角αD を臨界フィン角αCRに等し
く制限することでキャビテーションの発生を防止してい
る。

【００１２】しかし波浪中を航行する場合、波による水
粒子の運動および船体の横揺れ等による船体と海水との
相対運動が生じており、フィンに流入する水流は、平水
中を航行する場合の水流の方向であるフィン傾転角βF
が０であるときのフィンの弦の方向と、その方向が異な
ってくる。この差は応々にして臨界フィン角αCRの２０
％程度になる。そしてフィンの傾転角βF とフィンの迎
角αF に上記の差だけの角度差が生じることになる。す
なわち、

【００１３】

【数１】

【００１４】

【数２】 Δα：波浪中でのフィンに流入する水流の、平水中にお
ける水流の方向からの偏差（Δαは正、負、両方の値を
とる）したがって、波浪中を航行する場合においてもキ
ャビテーションの発生を防止することができるよう、指
令フィン仰角αD は例えば０．８αCR以下になるように
迎角制限器１４を介して出力される。このようにして迎
角を制限することで指令揚力を制限することは、必要な
減揺揚力を確保するためにフィンの大型化、コストの増
加を招き問題になる。

【００１５】このような従来の技術の問題点は、フィン
に流入する水流の方向および流速を検出する手段を備え
ないことに起因する。しかし、個々のフィン直前の水流
の流速とその方向を確実に検出する手段には、例えば流
木との衝突あるいは海生物がその表面に繁殖することな
どへの対応が必要であり、経済的な面から実用に供され
ていない。本発明の目的は、フィンに発生するキャビテ
ーションを検出することでキャビテーションを抑制する
フィン制御装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のフィン制御装置は以下の如く
構成されている。 （１）本発明のフィン制御装置は、水面近傍の水中で用
いられるフィンの傾転角制御を行なうフィン制御装置で
あり、前記フィンの外板付近で発生するキャビテーショ
ンを検出するキャビテーション発生検出手段と、このキ
ャビテーション発生検出手段でキャビテーションの発生
を検出したとき、指令されたフィン角度が前記キャビテ
ーションの発生した時点のフィン角度を越える場合に、
前記指令されたフィン角度を前記キャビテーションの発
生した時点のフィン角度に維持するよう制御する制御手
段と、から構成されている。 （２）本発明のフィン制御装置は上記（１）に記載の装
置であり、かつ前記キャビテーション発生検出手段は、
前記フィンの内面に装着された超音波センサで検出され
た応力変動信号における超音波帯域信号をバンドパスフ
ィルタ処理した超音波信号の大きさに基づき、前記フィ
ンのキャビテーションの発生を検出するよう構成されて
いる。

【００１７】上記手段を講じた結果、それぞれ次のよう
な作用が生じる。 （１）本発明のフィン制御装置によれば、フィンの外板
付近で発生するキャビテーションを検出し、指令された
フィン角度が前記キャビテーションが発生した時点のフ
ィン角度を越える場合、前記指令されたフィン角度を前
記キャビテーションが発生した時点のフィン角度に維持
するよう制御するので、前記キャビテーションの発生を
キャビテーション気泡が壊滅する際生じる超音波により
検出することで、キャビテーションの発生が続いている
期間に亘って、指令迎角をキャビテーションが最初に発
生したときのフィン傾転角に制限することができる。 （２）本発明のフィン制御装置によれば、前記フィンの
内面に装着された超音波センサで検出された応力変動信
号における超音波帯域信号をバンドパスフィルタ処理し
た超音波信号の大きさに基づき、前記フィンのキャビテ
ーションの発生を検出するので、フィルタ処理された超
音波信号の出力が事前に検定されたキャビテーション発
生に対応する出力を越えた場合にキャビテーションの発
生を検出することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１の（ａ）は、本発明の実施の
形態に係るフィン制御装置であるフィンスタビライザを
装備した船体を示す平面図であり、図１の（ｂ）は超音
波センサを装備したフィンの断面図である。図１の
（ａ）および（ｂ）において、図４と同一な部分には同
一符号を付してある。

【００１９】船体外板１０の外側の海水中に張り出され
たフィン１，１は、それぞれフィン１，１に固定された
フィン軸２，２により船体内側に設置されたフィン駆動
装置３，３から回動自在に支持されている。フィン駆動
装置３は、入力した指令フィン迎角αD と現在のフィン
傾転角βF の差にほぼ比例した傾転速度でフィン軸２を
傾転させ、フィン傾転角βF の値を指令フィン迎角αD
の値に等しくするようにフィン１を傾転させる。減揺制
御器１１は、横揺れセンサ１２から船体の横揺れ角速度
ωH を入力するとともに、船速センサ１３から船速ＶH
を入力し、所要のフィンの迎角αD を出力する。

【００２０】本実施の形態では、減揺制御器１１の出力
である指令フィン仰角αD は個々のフィン１，１に付随
するキャビテーション制御器２３，２３にそれぞれ伝達
される。また、新たにピエゾ圧電素子等の応力検出器で
ある超音波センサ２１をフィン１の前縁に近い部分に装
着している。

【００２１】図１の（ｂ）は、超音波センサ２１の装着
例を示しており、フィン１の弦に対して対称位置でかつ
前縁に近い部分におけるフィン１の外板２０の内面に超
音波センサ２１の応力検出面を接着して装備している。
フィン１の上面と下面に超音波センサ２１を計二個装着
するのは、フィン１の頭上げ時のキャビテーションと頭
下げ時のキャビテーションを、それぞれキャビテーショ
ン発生位置に近い超音波センサ２１により効率よく検出
するためである。

【００２２】超音波センサ２１で検出したフィン外板２
０の応力変動信号は、対応するキャビテーション判定器
２２に伝達される。キャビテーション判定器２２は、応
力変動信号の数十ｋＨｚの部分をピックアップするバン
ドパスフィルタにより、入力した応力変動信号をフィル
タ処理する。次に、フィルタ処理された信号の出力が事
前に検定されたキャビテーション発生に対応する出力を
越えると、キャビテーション発生を示す信号をキャビテ
ーション判定器２２からキャビテーション制御器２３へ
出力するよう構成されている。

【００２３】キャビテーション制御器２３は、キャビテ
ーション判定器２２から入力するキャビテーション発生
信号およびフィン駆動装置３から入力したフィン傾転角
βFを利用し、減揺制御器１１から入力する指令フィン
仰角αD に必要な制限を加えフィン駆動装置３へ出力す
る。

【００２４】図２は、キャビテーション制御器２３の制
御手順を示すフローチャートである。以下、図２を基に
キャビテーション制御器２３の制御手順を説明する。キ
ャビテーション制御器２３は、まずステップＳ１０１で
減揺制御器１１から指令フィン仰角αD を、またフィン
駆動装置３から実際のフィン傾転角βF を入力する。次
にステップＳ１０２で、キャビテーション判定器２２か
らの入力に基づき、キャビテーションの発生の有無を判
定する。

【００２５】上記ステップＳ１０２でキャビテーション
が発生しない場合には、ステップＳ１０３で指令フィン
仰角αD をそのまま指令傾転角βD として出力する。キ
ャビテーションが発生している場合、ステップＳ２０１
で直前のタイムサイクルでキャビテーションが発生して
いた否かを判定する。前記ステップＳ２０１で直前のタ
イムステップでキャビテーションが発生していなかった
場合は、ステップＳ２０２で初めてキャビテーションが
発生したと判断し、今後維持すべきフィン傾転角βH を
現在のフィン傾転角βF に設定する。次に、ステップＳ
２０３で指令フィン傾転角βD を維持すべきフィン傾転
角βH に一致させる。

【００２６】上記ステップＳ２０１で、直前のタイムス
テップでキャビテーションが発生していた場合、ステッ
プＳ３０１で指令迎角αD の大きさが維持すべきフィン
傾転角βH の大きさよりも大きいか否かを判定する。こ
こで指令フィン仰角αD の大きさの方が大きい場合は、
ステップＳ２０３で指令フィン傾転角βD は維持すべき
フィン傾転角βH に一致させる。

【００２７】上記ステップＳ３０１で、指令フィン仰角
αD の大きさの方が小さい場合は、ステップＳ１０３で
指令フィン傾転角βD は指令迎角αD に一致させる。そ
して一般にこのルートを通る場合には、フィン傾転角β
F の大きさが漸次縮小され、キャビテーションが発生し
ていない場合の通常の制御（ステップＳ１０２→ステッ
プＳ１０３のルート）に戻る。以上の各ケースに決定さ
れた指令フィン傾転角βD は、ステップＳ４０１におい
てフィン駆動装置３へ出力され、次いで新たなタイムサ
イクルの演算が行なわれる。

【００２８】以上のようにしてフィン１にキャビテーシ
ョンが発生していない場合には、フィン傾転角βF は指
令迎角αD に等しくなるよう、またはキャビテーション
が発生した場合には最初にキャビテーションが発生した
時点のフィン傾転角βH 以上にフィン傾転角βF が増加
しないよう制御することができる。

【００２９】本実施の形態では従来と同様、直接フィン
直近の水流の方向と流速を検出することは放棄するが、
キャビテーションの発生をキャビテーション気泡が壊滅
するときに発生する超音波で検出し、フィンの迎角αF
が臨界迎角αCRに達したことを判断するキャビテーショ
ン判定器２２を有する。このキャビテーション判定器２
２によりキャビテーションの発生が検出された時点から
フィンの傾転角βF をキャビテーションの発生が検出さ
れた時点の傾転角βH に維持する制御を行なうことで、
フィン１に発生するキャビテーションを抑制することを
意図している。

【００３０】なお実際には、キャビテーションが発生す
ることを検出してから、フィンの傾転角をその角度に維
持するので、キャビテーションは発生しているが、図４
に示す迎角αCR近傍で発生するキャビテーションは、水
中に溶解している空気がガス化する所謂エアレーション
であり、気泡が壊滅する際の圧力も小さく、フィンの損
傷も問題とならない程度に収まるため、実用的にキャビ
テーション防止制御が行なえる。

【００３１】さらに、フィン表面の材質及びフィンの構
造が改善された場合、キャビテーションが発生しても良
いので、フィンの最大揚力（図４に示すＱ点）を利用す
る選択も可能になる。この場合、キャビテーションの発
生が検出された時点のフィンの傾転角βH に対して図４
のＰ点とＱ点の迎角の差を加えた次式（４）に示す傾転
角βST βST＝βH ＋（αST−αCR） …（４） に傾転角を制限することで、簡便な失速防止制御を行な
うことができる。

【００３２】また、実際にキャビテーションの発生を検
出して、指令フィン迎角αD がさらに大きくなる場合に
もフィン傾転角βF をキャビテーションの発生限界付近
に維持するよう制御できるため、指令フィン迎角αD を
従来の技術のように０．８αCR程度に制限する必要がな
くなり、フィンの揚力を有効に利用できることができ、
船体に装備するフィンの面積を２０％程度小さくするこ
とができる。また、キャビテーションに起因するフィン
の損傷を防ぐことができる。

【００３３】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施でき
る。 （実施の形態のまとめ）実施の形態に示された構成およ
び作用効果をまとめると次の通りである。 ［１］実施の形態に示されたフィン制御装置は、フィン
スタビライザ等水面近傍の水中で用いられるフィン１の
傾転角制御を行なうフィン制御装置であり、前記フィン
１の外板２０付近で発生するキャビテーションを検出す
るキャビテーション発生検出手段（２２）と、このキャ
ビテーション発生検出手段（２２）でキャビテーション
の発生を検出したとき、指令されたフィン角度が前記キ
ャビテーションの発生した時点のフィン角度を越える場
合に、前記指令されたフィン角度を前記キャビテーショ
ンの発生した時点のフィン角度に維持するよう制御する
制御手段（２３）と、から構成されている。

【００３４】このように上記フィン制御装置において
は、フィン１の外板２０付近で発生するキャビテーショ
ンを検出し、指令されたフィン角度が前記キャビテーシ
ョンが発生した時点のフィン角度を越える場合、前記指
令されたフィン角度を前記キャビテーションが発生した
時点のフィン角度に維持するよう制御するので、前記キ
ャビテーションの発生をキャビテーション気泡が壊滅す
る際生じる超音波により検出することで、キャビテーシ
ョンの発生が続いている期間に亘って、指令迎角をキャ
ビテーションが最初に発生したときのフィン傾転角に制
限することができる。 ［２］実施の形態に示されたフィン制御装置は上記
［１］に記載の装置であって、かつ前記キャビテーショ
ン発生検出手段（２２）は、前記フィン１の内面に装着
された超音波センサ２１で検出された応力変動信号にお
ける超音波帯域信号をバンドパスフィルタ処理した超音
波信号の大きさに基づき、前記フィン１のキャビテーシ
ョンの発生を検出するよう構成されている。

【００３５】このように上記フィン制御装置において
は、前記フィン１の内面に装着された超音波センサ２１
で検出された応力変動信号における超音波帯域信号をバ
ンドパスフィルタ処理した超音波信号の大きさに基づ
き、前記フィン１のキャビテーションの発生を検出する
ので、フィルタ処理された超音波信号の出力が事前に検
定されたキャビテーション発生に対応する出力を越えた
場合にキャビテーションの発生を検出することができ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、フィンに発生するキャ
ビテーションを検出することでキャビテーションを抑制
するフィン制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るフィン制御装置であ
るフィンスタビライザを装備した船体を示す図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は超音波センサを装備したフィ
ンの断面図。

【図２】本発明の実施の形態に係るフィン制御装置にお
けるキャビテーション制御器の制御手順を示すフローチ
ャート。

【図３】従来例に係るフィンスタビライザの構成を示す
図。

【図４】従来例に係るフィンの迎角とフィンの揚力との
関係を示した図。

【符号の説明】

１…フィン ２…フィン軸 ３…フィン駆動装置 １０…船体（外板） １１…減揺制御器 １２…横揺れセンサ １３…船速センサ １４…迎角制限器 ２０…船体（外板） ２１…超音波センサ ２２…キャビテーション判定器 ２３…キャビテーション制御器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水面近傍の水中で用いられるフィンの傾転
   角制御を行なうフィン制御装置であり、 前記フィンの外板付近で発生するキャビテーションを検
   出するキャビテーション発生検出手段と、 このキャビテーション発生検出手段でキャビテーション
   の発生を検出したとき、指令されたフィン角度が前記キ
   ャビテーションの発生した時点のフィン角度を越える場
   合に、前記指令されたフィン角度を前記キャビテーショ
   ンの発生した時点のフィン角度に維持するよう制御する
   制御手段と、 を具備したことを特徴とするフィン制御装置。
2. 【請求項２】前記キャビテーション発生検出手段は、前
   記フィンの内面に装着された超音波センサで検出された
   応力変動信号における超音波帯域信号をバンドパスフィ
   ルタ処理した超音波信号の大きさに基づき、前記フィン
   のキャビテーションの発生を検出することを特徴とする
   請求項１に記載のフィン制御装置。