JP2001030933A

JP2001030933A - 電気式パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2001030933A
Application number: JP20350699A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Watanabe; 敏之渡辺
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2001-02-06
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP4132439B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電気式パワーステアリング装置において、常
に軽いハンドル操作を可能とすると共に、操舵輪が最大
舵角に達した際に生ずる衝撃を低減することができる手
段を提供すること。【解決手段】本発明による電気式パワーステアリング
装置は、操舵輪２６の舵角を検出するセンサ４２と、操
舵輪が最大舵角に接近して減衰開始角度を越えた場合に
電動モータ４４の駆動力を減衰させる手段１６と、操舵
輪に作用する操舵負荷を検出する手段５２と、操舵輪の
操舵速度を検出する手段と、操舵負荷及び操舵輪の操舵
速度に応じて減衰開始舵角を設定する手段１６とを備え
ることを特徴とする。このように減衰開始舵角を適宜変
更することで、最大舵角での衝撃を最小とすると共に、
ハンドル操作を最大舵角まで軽快に行うことが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気式パワーステ
アリング装置に関し、特に、操舵輪が最大舵角、いわゆ
るステアリングエンドに達した際に生ずる衝撃を低減す
るための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気式パワーステアリング装置は、電動
モータ等を利用して補助操舵力を発生し、運転者により
ハンドル（ステアリングホイール）に加えられる操舵力
を補助ないしは軽減しようとするものである。一般的な
電気式パワーステアリング装置は、電動モータを駆動源
とした電動アシスト装置を用いており、ハンドルに加え
られた操舵力に応じて電動アシスト装置の出力ロッドを
進退させ、この出力ロッドの先端部が接続されたベルク
ランク、タイロッド及びナックルアームを介して操舵輪
を操舵するようになっている（図１を参照）。

【０００３】また、従来一般の電気式パワーステアリン
グ装置においては、最大舵角を設定するために、ナック
ルアームに接してその動きを規制するストッパが車体側
に設けられている。

【０００４】このストッパは剛体構造であるため、ナッ
クルアームが接触した際に衝撃が発生する。特に、電気
式パワーステアリング装置においては、運転者による操
舵力の他に、電動モータによる補助操舵力が付加されて
いるため、電動モータの回転が一瞬にして停止すること
により生ずる衝撃力は極めて大きなものとなることがあ
る。このような衝撃は振動となり運転者に不快感を与え
ることはもとより、パワーステアリング装置の構成要素
に不具合を生じさせるおそれがある。

【０００５】かかる問題に対しては、例えば特開平９−
５８４９１号公報等に示されているように、操舵輪が最
大舵角の手前、所定の舵角（減衰開始舵角）に達したな
らば、電動モータに供給する駆動電力を低下させてモー
タ駆動力を減衰させるという手段が提案されている。こ
の手段によれば、操舵輪が減衰開始舵角を越えると、電
動モータの駆動力が減衰されるので、ナックルアームが
ストッパに接した際の衝撃が小さくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
９−５８４９１号公報に記載のように、一定の減衰開始
舵角から電動モータの駆動力を減衰しても、時として大
きな衝撃が発生したり、逆に早期にハンドルが重くなっ
たりすることがある。

【０００７】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、電気式パワーステアリング装置において、常
に軽いハンドル操作を可能とすると共に、操舵輪が最大
舵角に達した際に生ずる衝撃を低減することができる手
段を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は種々検討した結果、上記問題点の原因
が、操舵輪の操舵速度（水平方向の回動の角速度）と、
接地面等から操舵輪に作用する負荷（以下「操舵負荷」
という）にあると考えた。すなわち、操舵輪の操舵速度
が高速である場合や操舵負荷が小さい場合には、モータ
駆動力が減じられても、慣性により操舵輪の操舵速度を
十分に落とすことができず、ナックルアームとストッパ
とが強く衝突すると考えられる。また、逆に操舵輪の操
舵速度が低速であり又は操舵負荷が大きい場合、操舵輪
を最大舵角まで操舵するための仕事量は相当に大きくな
るため、電動モータの補助操舵力は最大舵角の近傍まで
低下させず、維持することが望ましい。

【０００９】そこで、本発明は、ハンドル操作に基づき
電動モータを制御し、電動モータの駆動力を利用して操
舵輪を操舵する電気式パワーステアリング装置におい
て、操舵輪の舵角を検出する舵角検出手段と、操舵輪が
所定の最大舵角に接近して減衰開始角度を越えたことが
舵角検出手段により検出された場合に、電動モータの駆
動力を減衰させる減衰手段と、操舵輪に作用する負荷を
検出する操舵負荷検出手段と、操舵輪の操舵速度を検出
する操舵速度検出手段と、操舵負荷検出手段により検出
された操舵輪に対する操舵負荷、及び、操舵速度検出手
段により検出された操舵輪の操舵速度に応じて減衰開始
舵角を設定する減衰開始舵角設定手段とを備えることを
特徴としている。

【００１０】このように、操舵速度と操舵負荷とに基づ
いて減衰開始舵角を適宜変更することで、最大舵角での
衝撃を最小とすると共に、ハンドル操作を最大舵角まで
軽快に行うことが可能となる。

【００１１】なお、電動モータの駆動力を減衰する減衰
手段は、電動モータの駆動電力を低下させる手段が好ま
しい。

【００１２】また、操舵速度は、専用のセンサを設けず
とも、舵角検出手段により検出された舵角から操舵速度
を演算により求めることができる。

【００１３】操舵負荷検出手段については、操舵輪の負
荷は電動モータに作用する負荷に対応するので、電動モ
ータに流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段とす
ることが好適である。

【００１４】更に、減衰開始舵角は、負荷電流検出手段
により検出される負荷電流と、操舵速度検出手段により
検出される操舵速度とを変数とする関数に基づいて設定
することが、簡便な手段であり、好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態について詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明が適用されたフォークリフ
ト用の電気式パワーステアリング装置の一実施形態を示
しており、図中、符号１０は、運転者により回転操作さ
れるハンドルを示している。このハンドル１０には、ス
テアリングシャフト１２の上端が結合されている。ステ
アリングシャフト１２には、ハンドル１０の回転操作に
より加えられたトルク及び回転方向を検出するためのト
ルクセンサ１４が、ハンドル操作状態検出手段として介
設されている。トルクセンサ１４の検出信号は、パワー
ステアリング装置全体の制御を担うマイクロコンピュー
タを主体とした制御装置１６に送られるようになってい
る。

【００１７】ステアリングシャフト１２の下端は、ギヤ
ボックス１８及びピットマンアーム２０を介してドラッ
グリンク２２，２４に接続されている。ステアリングシ
ャフト１２の回転運動はギアボックス１８及びピットマ
ンアーム２０により直線運動に変換され、ドラッグリン
ク２２，２４はその長手方向に沿って直線的に往復動さ
れる。

【００１８】ドラッグリンク２４の先端部は、操舵輪２
６を支持し操舵する操舵機構の入力部であるベルクラン
ク２８に、後述の電動アシスト装置３０の出力ロッド３
２を介して接続されている。ベルクランク２８は、リア
アクスルビーム３４の中央部に取り付けられており、ド
ラッグリンク２４を往復動させることで水平方向におい
て回動されるようになっている。リアアクスルビーム３
４の左右の各端部には、キングピン３６によりナックル
アーム３８が水平方向において回動可能に取り付けられ
ており、ナックルアーム３８はベルクランク２８にタイ
ロッド４０を介して接続されている。また、各ナックル
アーム３８には操舵輪２６である後車輪が回転可能に支
持されている。従って、ハンドル１０を回転操作し、そ
の操舵力をステアリングシャフト１２からドラッグリン
ク２４を経てベルクランク２８に伝え、これを回動させ
ると、タイロッド４０を介してナックルアーム３８、ひ
いては操舵輪２６が回動（操舵）される。

【００１９】なお、操舵輪２６の最大舵角を設定するた
めに、ナックルアーム３８に接してその動きを規制する
ストッパ（図示しない）がリアアクスルビーム３４に一
体形成されている。

【００２０】また、舵角を検出する舵角センサ（舵角検
出手段）４２として、キングピン３６の回転量を検出す
るポテンショメータが設けられている。舵角センサ４２
としては種々あるが、構造が簡単であり耐久性に優れて
いることから、ポテンショメータが好ましい。舵角セン
サ４２の舵角検出信号は制御装置１６に入力され、本パ
ワーステアリング装置の制御に供される。

【００２１】電気式パワーステアリング装置は、更に、
運転者による操舵力を補助ないしは軽減するための補助
操舵力を発生する電動アシスト装置３０を備えている。
図示の電動アシスト装置３０は、電気モータ（以下、単
に「モータ」という）４４の駆動力を補助操舵力として
利用するものであり、ハウジング４６内部のピニオン・
ラック機構やボールねじ機構等の運動変換機構（図示し
ない）によって、モータ４４の回転軸の回転運動を出力
ロッド３２の直線運動に変換するよう構成されている。
出力ロッド３２はハウジング４６から進退可能に突出し
ており、その先端部はドラッグリンク２４の先端部と結
合してベルクランク２８に接続されている。ハウジング
４６は機台（図示しない）に支持されているので、モー
タ４４を駆動して出力ロッド３２をハウジング４６に対
して進退させると、ベルクランク２８を回動させること
ができ、これによってハンドル１０からドラッグリンク
２４を経てベルクランク２８に伝えられる運転者による
操舵力を補助することが可能となる。

【００２２】モータ４４の駆動は制御装置１６により制
御される。より詳細には、図２に示すように、モータ４
４には、バッテリ４８と、バッテリ４８からモータ４４
に供給される駆動電流をオンオフ制御するチョッパ回路
５０とが接続されており、制御装置１６からチョッパ回
路５０に駆動制御信号を発して駆動電流をオンオフ制御
することで、モータ４４の駆動を制御するようになって
いる。制御装置１６の駆動制御信号は、例えばパルス信
号であり、そのデューティ比を変化させることにより、
チョッパ回路５０による駆動電流のオンオフのデューテ
ィ比を変え、モータ４４の駆動力を増減することができ
る。

【００２３】チョッパ回路５０には、負荷器であるモー
タ４４に流れる電流（負荷電流）を検出する負荷電流検
出回路５２が直列に接続されている。モータ４４には、
接地面等から操舵輪２６に加わる負荷（操舵負荷）が伝
わるため、その操舵負荷の大きさに応じて負荷電流が変
動する。従って、負荷電流検出回路５２は、操舵負荷の
大きさを検出する操舵負荷検出手段として機能するもの
である。負荷電流検出回路５２としては図２には示さな
いが、例えばチョッパ回路５０に直列に接続された抵抗
器からなるものが考えられ、この抵抗器の両端の電位差
を検出することにより、モータ４４を流れる負荷電流を
検出することができる。抵抗器からの出力はＡ／Ｄ変換
器によりデジタル化され、制御装置１６に入力される。

【００２４】制御装置１６は、前述したようにマイクロ
コンピュータを主体として構成されたものである。すな
わち、制御装置は、入出力部、中央演算処理部（ＣＰ
Ｕ）、記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ）を備えている。記憶部
のＲＯＭには、ハンドル操作時のトルクセンサ１４、舵
角センサ４２及び負荷電流検出回路５２からの検出信号
に基づきモータ４４を制御するプログラム等が記憶され
ている。

【００２５】次に、上記構成の電気式パワーステアリン
グ装置の作用について説明する。

【００２６】操舵輪２６の舵角がゼロの状態、すなわち
直進状態から、運転者がハンドル１０を一方向に回転操
作した場合、その操舵力はステアリングシャフト１２、
ギヤボックス１８及びピットマンアーム２０を通してド
ラッグリンク２２，２４に伝えられ、ベルクランク２８
が回動して操舵輪２６の舵角が変更される。また、これ
と同時に、ステアリングシャフト１２に加えられたトル
クがトルクセンサ１４により検出され、制御装置１６は
そのトルク検出信号から補助操舵力を決定し、電動アシ
スト装置３０のモータ４４を駆動させ、ドラッグリンク
２４の移動方向と同方向に、出力ロッド３２を移動させ
る。これにより、ベルクランク２８には、ドラッグリン
ク２４からの操舵力のみならず、電動アシスト装置３０
からの補助操舵力が付加され、運転者は軽い力でハンド
ル１０を回転操作することが可能となる。

【００２７】このようなハンドル１０の回転操作を同方
向に続けると、操舵輪２６は、同方向側の最大舵角θ
_MAXに接近する。本実施形態においては、先に示した従
来構成と同様に、操舵輪が最大舵角θ_MAXの手前の減衰
開始舵角θ_Sに達したならば、図３に示すように、モー
タ４４に供給される駆動電流のデューティ比を舵角の増
加に伴って徐々に減じてモータ駆動力を減衰し、ナック
ルアーム３８とストッパとが衝突することによる衝撃を
低減することを図っている。

【００２８】一方、本実施形態は、従来構成と異なり、
減衰開始舵角θ_Sが可変となっており、操舵輪２６の操
舵速度（回動の角速度ω＝ｄθ／ｄｔ）と、負荷電流Ｉ
_M、すなわち操舵輪２６に作用する操舵負荷の大きさと
に応じて操舵開始舵角θ_Sを制御装置１６により設定す
ることとしている。詳細には、制御装置１６は、操舵輪
２６が最大舵角θ_MAXの手前の所定舵角θ_Jに達したこと
を舵角センサ４２の出力信号から認識したならば、その
時点の操舵輪２６の瞬間操舵速度ωを舵角センサ４２の
出力信号から演算処理により求めると共に、負荷電流検
出回路５２の検出値Ｉ_Mを操舵負荷として読み取り、こ
れらの値から減衰開始舵角θ_Sを決定する。

【００２９】なお、前記所定舵角θ_Jは適宜定めてよい
が、減衰開始舵角の最小値θ_MINと同じ値又は僅かにそ
の手前の角度とすることが好ましい。この実施形態で
は、θ_Jはθ_MINと同じ値をとるものとした。また、減衰
開始舵角の最小値θ_MINについても適宜定め得る角度で
あるが、モータ４４に供給される駆動電流のデューティ
比が最大であり、負荷電流（操舵負荷）Ｉ_Mが最小で、
且つ、最大の操舵速度ωにあるときに最適なものとして
選定される値が好ましい。

【００３０】操舵速度ωが高速である場合、或いは、負
荷電流Ｉ_Mが小さい場合には、モータ４４の駆動力を減
衰しても慣性により操舵輪２６の回動が十分に減速され
ないことがあるため、減衰開始舵角θ_Sと最大舵角θ_MAX
との間の角度差Δθは大きくすることが好ましい。逆
に、操舵速度ωが低速である場合、或いは、負荷電流Ｉ
_Mが大きい場合には、操舵輪が最大舵角θ_MAXに達する前
に電動アシスト装置３０からの補助操舵力が有効に働か
ないことがあるので、減衰開始舵角θ_Sと最大舵角θ_MAX
との間の角度差Δθを小さくすることが好ましい。この
ことから、舵角速度ωと負荷電流Ｉ_Mを変数とする関数
により最大舵角θ_MAXと好適な減衰開始舵角θ_Sとの間の
角度差Δθを表すことができると考え、本実施形態にお
いては、減衰開始舵角θ_Sを次式で求めることとした。

【００３１】 θ_S＝θ_MAX−Δθ ＝θ_MAX−ｆ（ω，Ｉ_M）・・・（１）ｆ（ω，Ｉ_M）の具体的な式については様々な条件から
色々な形を採るものであるが、本実施形態では次のよう
にして定めた。

【００３２】まず、負荷電流（操舵負荷）Ｉ_Mを一定と
し、図４に示すように操舵速度ωの増加に伴って角度差
Δθが一次関数的に増加するよう減衰開始舵角θ_Sを変
化させるというシミュレーションを行った。図４は、負
荷電流Ｉ_Mが最小である場合を示し、最高の操舵速度ω
_MAXでは角度差Δθは最大値（θ_MAX−θ_MIN）となるも
のとした。かかる場合、最大舵角θ_MAXまでハンドルを
軽く操作することができ、最大舵角θ_MAXにおける衝撃
力は十分に低減されるという結果が出た。

【００３３】また、操舵速度ωを最高速、一定とし、図
５の如く負荷電流Ｉ_Mの増加に伴って角度差Δθが直線
的に減じるように減衰開始舵角θ_Sを変化させた。この
シミュレーションも、上記と同様、良好な結果が得られ
た。

【００３４】更に、次の式（２）に示すように、図４の
グラフを描く一次関数ｇ（ω）に図５のグラフを描く負
荷電流Ｉ_Mの一次関数ｈ（Ｉ_M）を乗じたものを角度差Δ
θとし、式（１）から式（３）を求めた。式（２）は、
図５における右側の縦軸に示すように、関数ｈ（Ｉ_M）
を関数ｇ（ω）により求められる角度差の補正値（最大
値は１）としてとらえたものである。式（３）から求め
られる減衰開始舵角θ _Sもシミュレーションにおいて良
好な結果となった。

【００３５】 Δθ＝ｆ（ω，Ｉ_M）＝ｇ（ω）・ｈ（Ｉ_M）・・・（２） ∴ θ_S＝θ_MAX−ｇ（ω）・ｈ（Ｉ_M）・・・（３）以上述べたようにして得られた式（３）は、制御装置１
６のＲＯＭに記憶されている。前述したように、制御装
置１６は、操舵輪２６が最大舵角θ_MAXの近傍の所定舵
角θ_J（＝θ_MIN）と達したことを舵角センサ４２からの
信号により認識したならば、その時点の操舵輪２６の瞬
間操舵速度ωを舵角センサ４２の出力信号から演算し、
同時に負荷電流検出回路５２の検出値Ｉ_Mを入力し、Ｒ
ＯＭに記憶された式（３）から操舵開始舵角θ_Sを演算
し、設定する。

【００３６】そして、更に操舵輪２６が同方向に操舵さ
れ、前記の減衰開始舵角θ_Sに達したならば、制御装置
１６はその状態を舵角センサ４２からの検出信号により
認識し、その時点から、モータ４４の駆動力を減衰す
る。本実施形態では、最大舵角θ_MAXに達した時におけ
るモータ４４の駆動電流のデューティ比が予め制御装置
１６のＲＯＭに記憶されており、操舵輪２６が減衰開始
舵角θ_Sに達した時点から、舵角が大きくなるに従って
デューティ比が徐々に減じるよう、モータ４４のチョッ
パ回路５０に駆動制御信号を発するようにしている。

【００３７】このように、適当な減衰開始舵角θ_Sを選
定し、そこからモータ駆動力を減衰することとしている
ので、操舵輪２６が最大舵角θ_MAXに達した際、ナック
ルアーム３８とストッパが接しても、操舵輪２６の操舵
速度は十分に減速されているので、衝撃は極く僅かであ
る。また、モータ４４による補助操舵力も最大舵角θ
_MAXまで有効であるので、運転者は軽い力でハンドル操
作を行うことが可能となる。

【００３８】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない
ことは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、モ
ータ駆動力を徐々に減衰するようにしているが、図３に
おいて点線で示すように、急峻にデューティ比を減じて
もよい。また、上記実施形態では、モータ４４に対する
駆動電流のデューティ比を減じることでモータ駆動力を
減衰させているが、電圧を減じる等、他の手段により駆
動電力を低減してモータ駆動力を減衰する手段を採るこ
ともできる。

【００３９】更に、式（３）のような演算式を予め求
め、その式から算出することとしているが、負荷電流、
操舵速度、減衰開始角度等のデータを予めシミュレーシ
ョンや実際の試験により採取してマップを形成してお
き、そのマップから最適な減衰開始舵角θ_Sを求めるよ
うにしてもよい。また、減衰開始舵角θ_Sを求めるパラ
メータについては、負荷電流及び操舵速度以外の他のパ
ラメータの導入を妨げるものではない。なお、負荷電流
は、操舵輪に作用する操舵負荷に相当する値として用い
ているので、操舵負荷を歪センサ等から検出してもよ
い。

【００４０】更に、本発明による電気式パワーステアリ
ング装置はフォークリフトに限られず、他の車両にも適
用可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、操
舵輪が最大舵角に達した際の衝撃を効果的に低減するこ
とができる。従って、衝撃による様々な弊害、例えば運
転者に不快感を与える振動の発生やパワーステアリング
装置の構成部材の破損等を防止ないしは緩和することが
できる。

【００４２】また、本発明によれば、操舵輪が最大舵角
に達するまで、モータによる補助操作力が有効に作用す
るため、軽快にハンドル操作を行うことができ、車両の
操作性が向上するという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用可能な電気式パワーステアリング
装置の一実施形態を概略的に示す斜視図である。

【図２】本発明による電気式パワーステアリング装置に
おける電動モータとその制御系の関係を概略的に示すブ
ロック図である。

【図３】本発明によるモータ駆動力の減衰の仕方を示
す、舵角とデューティ比との関係のグラフである。

【図４】負荷電流を一定とした場合における操舵速度と
角度差（最大舵角と減衰開始舵角の差）との間の関係を
示すグラフである。

【図５】操舵速度を一定とした場合における負荷電流と
角度差（最大舵角と減衰開始舵角の差）との間の関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１０…ハンドル、１４…トルクセンサ、１６…制御装置
（減衰手段、減衰開始舵角設定手段、操舵速度検出手
段、演算手段）、２６…操舵輪、３０…電動アシスト装
置、４２…舵角センサ（舵角検出手段）、４４…電動モ
ータ、４８…バッテリ、５０…チョッパ回路、５２…負
荷電流検出回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハンドル操作に基づき電動モータを制御
し、該電動モータの駆動力を利用して操舵輪を操舵する
電気式パワーステアリング装置において、前記操舵輪の舵角を検出する舵角検出手段と、前記操舵輪が所定の最大舵角に接近して減衰開始角度を
越えたことが前記舵角検出手段により検出された場合
に、前記電動モータの駆動力を減衰させる減衰手段と、前記操舵輪に作用する負荷を検出する操舵負荷検出手段
と、前記操舵輪の操舵速度を検出する操舵速度検出手段と、前記操舵負荷検出手段により検出された前記操舵輪に対
する負荷、及び、前記操舵速度検出手段により検出され
た前記操舵輪の操舵速度に応じて前記減衰開始舵角を設
定する減衰開始舵角設定手段と、を備えることを特徴と
する電気式パワーステアリング装置。
【請求項２】前記減衰手段が前記電動モータの駆動電
力を低下させる手段であることを特徴とする請求項１に
記載の電気式パワーステアリング装置。
【請求項３】前記操舵速度検出手段が、前記舵角検出
手段により検出された舵角から操舵速度を演算により求
める演算手段であることを特徴とする請求項１又は２に
記載の電気式パワーステアリング装置。
【請求項４】前記操舵負荷検出手段が前記電動モータ
を流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段であるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電
気式パワーステアリング装置。
【請求項５】前記減衰開始舵角設定手段が、前記負荷
電流検出手段により検出される負荷電流と、前記操舵速
度検出手段により検出される操舵速度とを変数とする関
数から前記減衰開始角度を設定することを特徴とする請
求項４に記載の電気式パワーステアリング装置。