JP2004322808A - ステア・バイ・ワイヤ式操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、操舵開始時における消費電力を低減することができるＳＢＷ式操舵装置の実現を課題とする。
【解決手段】ステア・バイ・ワイヤ式操舵装置Ｍは、ハンドル１と、ハンドル１とは機械的に切り離され、ハンドル１の操作量に応じてタイヤＴｉを転舵させる転舵機構４とを有している。そして、ハンドル１には操舵反力を与える反力アクチュエータとしてビスカスカップリング２と、このビスカスカップリング２を制駆動する反力モータ３とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステアリングギヤボックス（転舵機構）と操作子とが直接連結されていないステア・バイ・ワイヤ式操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の転舵輪を転舵する運転操作装置として、従来から有るハンドルを操作子とするステアリングシステムが知られている。このステアリングシステムでは、ハンドルの回転運動がステアリングギヤボックスにおいてラック軸の直線運動に変換され、ラック軸に連結されたリンク機構を駆動させることで転舵輪を転舵するものである。
【０００３】
このような従来の運転操作装置においては、ハンドルと転舵機構とが機械的に連結されていることから、車室内でのハンドルの配設位置が限定され、車室内部のレイアウトの自由度が制限されるという問題があり、また、機械的な連結を実現するために設ける連結部材が、車両の軽量化の実現を阻害するという問題があった。
【０００４】
このような問題を解消するため、ハンドルを転舵機構と機械的に連結せずに、転舵機構に転舵用のアクチュエータを配し、このアクチュエータを、ハンドルの操作方向及び操舵角の検出結果に基づいて電気的に制御して、転舵機構にハンドルの操舵角に見合う転舵角を加えて、ハンドルの操作に応じた転舵を行わせる構成としたいわゆるステア・バイ・ワイヤ（Ｓｔｅｅｒ Ｂｙ Ｗｉｒｅ 、以後ＳＢＷで表す）方式が用いられるようになっている（特許文献１参照。）。
【０００５】
以上のようなＳＢＷ方式の操舵装置は、前記した問題を解消し得るという利点に加えて、ハンドルの操舵角と転舵アクチュエータの動作量との対応関係が機械的な制約を受けずに設定できることから、車速の高低、旋回程度、加減速の有無等、自動車の走行状態に応じた操舵特性の変更に柔軟に対応でき、設計自由度が向上するという利点を有している。なお、転舵機構に転舵力を加える転舵アクチュエータとしては、走行状態に応じた転舵特性の変更制御の容易性を考慮して、一般的に、電動モータが用いられる。
【０００６】
このようなＳＢＷ方式の操舵装置では、操作子であるハンドルは転舵機構に機械的に連結されていないため、機械的にハンドルと転舵機構とが連結された従来の構造と比べ、その操舵に違和感を与えるという問題があった。この問題を解決するため、従来では反力モータによりハンドルに反力を与えるようにしている（たとえば、特許文献２参照。）。そして、このように反力モータでハンドルに反力を与えることで、ハンドルと転舵機構とがあたかも機械的に連結されているかのような感覚で転舵操作を行うことが可能となっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１−２３３１７０号公報（第３〜５頁、第２図）
【特許文献２】
特開平１０−１９４１５２号公報（第３〜８頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のＳＢＷ方式の操舵装置では、反力モータでハンドル反力をすべて発生させていたため、ハンドルを操舵した瞬間から、操舵機構内の反力モータと、ステアリングギヤボックスに設置された操舵モータとが同時に電力を消費するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、操舵開始時における消費電力を低減することができるＳＢＷ式操舵装置の実現を課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するため、本発明は、運転者に操作される車両の操作子と、前記操作子とは機械的に切り離され、前記操作子の操作量に応じて転舵輪を転舵させる転舵機構とを有するステア・バイ・ワイヤ式操舵装置において、前記操作子には操舵反力を与える反力アクチュエータが備えられ、この反力アクチュエータはビスカスカップリングと、前記ビスカスカップリングを制駆動する反力モータとを有することを特徴とする。
【００１１】
ここで、「ビスカスカップリング」とは、液体（流体）の粘性を利用したトルク伝達機構であり、たとえば複数のプレートを有するインナーシャフトと前記複数のプレート間に配設される複数のプレートを有するアウターハウジングとの間に液体を封入させた機構などをいう。
【００１２】
本発明によれば、操作子の操舵開始時には、ビスカスカップリングの粘性によって操作子に所定の反力を与えることができるので、操舵開始から常に反力モータで反力を与える必要がなくなり、操作開始時における消費電力を低減することができる。さらに、ビスカスカップリングを用いたことによって、油圧によりハンドル反力を与えるような従来の油圧パワステの構造に比べ、液体をポンプで循環させる必要がないため、燃費性能の向上に大きく貢献する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態にかかるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）式操舵装置について添付図面を参照して詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係るＳＢＷ式操舵装置の概略構成図、図２はＳＢＷ式操舵装置の操作側機構を示す断面図である。また、図３は図２の操作側機構の一部を拡大して示す拡大断面図、図４はＳＢＷ式操舵装置のビスカスカップリングの詳細を示す拡大断面図である。さらに、図５はＳＢＷ式操舵装置のストッパー機構の詳細を示す拡大断面図、図６はＳＢＷ式操舵装置の制御を行うＥＣＵとこれに接続される周辺機器を示すブロック図である。
【００１４】
図１に示すように、ＳＢＷ式操舵装置Ｍは、運転者が車両を操作するためのハンドル（操作子）１と、このハンドル１に操舵反力を与える反力アクチュエータであるビスカスカップリング２および反力モータ３と、ハンドル１とは機械的に切り離されて配設される転舵機構４とを主に有している。そして、このＳＢＷ式操舵装置Ｍでは、ハンドル１の操作量が電気信号として転舵機構４に送信されることで、この転舵機構４がハンドル１の操作量に応じてタイヤ（転舵輪）Ｔｉ，Ｔｉを転舵させている。
【００１５】
次に、ＳＢＷ式操舵装置Ｍの操作側の機構について図２および図３を参照して詳細に説明する。
図２に示すように、操作側機構ＰＭは、ハンドル１（図１参照）に連結される第一シャフトＳ１と、この第一シャフトＳ１に同軸に連結される第二シャフトＳ２と、第一シャフトＳ１の一部を覆うコラムハウジングＨ１と、三つの部材で構成されて第二シャフトＳ２を覆うハウジングＨ２とを主に有している。第一シャフトＳ１とコラムハウジングＨ１との間には、ハンドル１の微小操舵時の振動（ガタ感）を抑えるために、弾性部材であるフリクションラバーＲが設けられている。
【００１６】
図３に示すように、ハウジングＨ２内には、第一シャフトＳ１側から順にトルクセンサＴｓ、ビスカスカップリング２、ストッパー機構５、およびハンドル回転角度センサＨｓが主に設けられている。ここで、トルクセンサＴｓは、ハンドル１の操舵に応じて第二シャフトＳ２に加わるトルクを検出するものであり、また、ハンドル回転角度センサＨｓは、ハンドル１の操舵に応じた回転角度を検出するものである。なお、ハンドル回転角度センサＨｓとしては、たとえばレゾルバやエンコーダなどが用いられるが、本発明はこれに限定されず、どのようなものを用いてもよい。
【００１７】
ビスカスカップリング２は、図４に示すように、インプットシャフト２１、内側プレート２２、外側プレート２３、およびアウトプットハウジング２４を主に備えている。インプットシャフト２１は、その内周面に形成されたキー溝２１ａが第二シャフトＳ２の外周面に形成されたキー（図示せず）に係合することにより、第二シャフトＳ２に回転不能な状態で取り付けられている。また、このインプットシャフト２１の外周面には、略リング状に形成された内側プレート２２が所定の間隔をおいて複数接合されている。
【００１８】
アウトプットハウジング２４は、ベアリングＢｅなどによってインプットシャフト２１に回転可能な状態で取り付けられており、その内周面に略リング状に形成された外側プレート２３が前記複数の内側プレート２２の間に配置されるように接合されている。そして、アウトプットハウジング２４とインプットシャフト２１との間には、内側プレート２２および外側プレート２３を収納するための空間Ａが形成されており、この空間Ａには所定の粘性をもつオイルが封入されている。なお、このビスカスカップリング２の機械特性は、以下のようになっている。
Ｔ＝Ｃ・Δω
（Ｔ：伝達トルク、Ｃ：粘性係数、Δω：インプットシャフト２１とアウトプットハウジング２４との回転角速度差）
そして、このような特性を利用することで、ハンドル１の操舵開始時にインプットシャフト２１とアウトプットハウジング２４との回転角速度差Δωが発生して、ハンドル１に反力として伝達トルクＴが与えられることとなる。なお、粘性係数Ｃは、ハンドル１の操舵開始時などの通常操舵時における好ましい伝達トルクＴを予め設定しておくとともに、そのときの回転角速度差Δωを実験により取得することなどによって、これらの値に基づいて適正な値に設定しておく。
【００１９】
また、アウトプットハウジング２４の一端面２４ａには、その外周面に歯Ｗ１１を有するウォームホイールＷ１がボルトＢｏにより締結されている。そして、このウォームホイールＷ１には、図３に示すように、その回転方向とは異なる回転方向で回転するウォームギヤＷ２が噛合するとともに、このウォームギヤＷ２にはこれと同軸に配設される反力モータ３が連結されている。なお、ウォームホイールＷ１とウォームギヤＷ２とのギヤ比はウォームホイールＷ１側からは回転されず、反力モータ３からのみ回転可能なセルフロックギヤ比になっている。
【００２０】
反力モータ３は、ウォームギヤＷ２およびウォームホイールＷ１を介してビスカスカップリング２の制駆動（制動または駆動）を行うものであり、後記するＥＣＵ６により適宜制御されている。また、ウォームギヤＷ２の同軸上には、モータ回転位置センサＭｓ（図６参照）が設けられている。なお、このモータ回転位置センサＭｓとしては、たとえばホールＩＣ、レゾルバ、またはエンコーダなどが用いられるが、本発明はこれに限定されず、どのようなものを用いてもよい。
【００２１】
そして、このようにビスカスカップリング２に反力モータ３を連結させることで、たとえばハンドル１（インプットシャフト２１）の回転方向とは反対方向にアウトプットハウジング２４を反力モータ３で回転させた場合にはトルク（ハンドル反力）が増大し、ハンドル１と同じ方向に回転させた場合にはトルクが減少することとなる。また、ハンドル１を所定の角度で停止（保舵）させる場合には、それまでのハンドルの回転方向とは反対方向に、反力モータ３で反力を調整しながらアウトプットハウジング２４を回転させることによってトルク（保舵力）を発生させる。さらに、その後ハンドル１を戻す場合には、ハンドル１の中立位置までハンドル１を自動的に戻すセルフアライニングトルクに相当する戻しトルクが、反力モータ３からビスカスカップリング２やシャフトＳ１，Ｓ２を介してハンドル１に伝達されることとなる。
【００２２】
図３に示すように、ストッパー機構５は、第一ギヤ５１、第二ギヤ５２、ストッパーボルト５３、右回転用ストッパープレート１８、および左回転用ストッパープレート１９（図５参照）を主に備えている。第一ギヤ５１は、その内周面に形成されたキーが第二シャフトＳ２の外周面に形成されたキー溝に係合することにより第二シャフトＳ２に回転不能な状態で取り付けられている。また、この第一ギヤ５１には、第二ギヤ５２が噛み合っている。
【００２３】
ストッパーボルト５３は、第二ギヤ５２の両面を貫通するように第二ギヤ５２の適所に取り付けられている。また、図５に示すように、右回転用ストッパープレート１８は、第二ギヤ５２の一端面５２ａ側に配置されるように、ハウジングＨ２に固定され、左回転用ストッパープレート１９は、第二ギヤ５２の他端面５２ｂ（図３参照）側に配置されるように、ハウジングＨ２に固定されている。そして、これらのストッパープレート１８，１９には、ストッパーボルト５３が当接する箇所に弾性部材であるクッションラバーＣＲが設けられており、これによりストッパーボルト５３の当接時の衝撃を吸収している。
【００２４】
また、図６に示すように、ＥＣＵ（電子制御装置）６は、操舵制御機構センサＰｓ、転舵アクチュエータセンサ７、操舵力変更スイッチＳｎ、およびヨーレートセンサＹｓから出力される信号を受信し、これらの信号を選択的に利用して反力モータ３や、転舵機構４内に設けられる転舵アシストモータ４１または転舵モータ４２を適宜制御するものである。ここで、操舵制御機構センサＰｓは操作側機構ＰＭ（図２参照）側のセンサ群であり、転舵アクチュエータセンサ７は転舵機構４（図１参照）側のセンサ群である。そして、操舵制御機構センサＰｓでは、トルクセンサＴｓにより検出される操舵トルク、ハンドル回転角度センサＨｓにより検出されるハンドル回転角、またはモータ回転位置センサＭｓにより検出される反力モータ３の回転方向における位置を示す信号をＥＣＵ６に出力している。
【００２５】
また、転舵アクチュエータセンサ７では、車速センサ７１によって検出される車速、転舵アシストモータ４１の電流値７２、転舵アシストモータ４１の電圧値７３、トルクセンサ７４で検出される路面からの反力に対応するセルフアライニングトルク、回転角度センサ７５で検出される転舵モータ４２の回転位置、ポテンショメータ７６で検出されるタイヤＴｉの転舵角に対応するラック軸の変位を示す信号をＥＣＵ６に出力している。
【００２６】
ＥＣＵ６は操舵側のトルクセンサＴｓとハンドル回転角度センサＨｓから運転者の操舵要求を検知し、転舵側の回転角度センサ７５、ポテンショメータ７６からタイヤＴｉの転舵の状況を検知し、さらに、車速、旋回の程度、加減速の程度、自動車の走行状態、路面の状態等に応じて転舵特性を柔軟に可変しながら反力モータ３、転舵モータ４２、転舵アシストモータ４１を制御する。ここで転舵モータ４２は主としてハンドル１の回転角度にしたがってタイヤＴｉを転舵させ、転舵アシストモータ４１は主としてハンドル１からの操舵トルクにしたがって転舵モータ４２によるタイヤＴｉの転舵をアシストするものである。
【００２７】
ＥＣＵ６はまた、運転者が操舵を開始したと判断した場合には、反力モータ３を停止して、ビスカスカップリング２の粘性によって発生するトルクのみをハンドル反力とする。なお、運転者が操舵力変更スイッチＳｎを用いて反力モータ３を停止するように指示しても良い。
【００２８】
次に、本実施形態のＳＢＷ式操舵装置Ｍを操作したときの作用について説明する。
図２に示すように運転者がハンドル１（図１参照）の操舵を開始すると、まず、操舵トルクが第一シャフトＳ１に伝達され、続いてトルクセンサＴｓに伝達され、さらには第二シャフトＳ２にも伝達される。このとき、第二シャフトＳ２の操舵角はハンドル回転角度センサＨｓで検出され、操舵トルクはトルクセンサＴｓで検出される。ハンドル回転角度センサＨｓ、トルクセンサＴｓの検出値は、図６に示すＥＣＵ６に出力され、ＥＣＵ６はこれらの信号に基づいて転舵アシストモータ４１または転舵モータ４２や、反力モータ３を制御する。そして、この操舵開始時においては、ＥＣＵ６から反力モータ３には、制御信号が出力されず、反力モータ３が停止した状態となっている。
【００２９】
このように反力モータ３が停止した状態では、前記したセルフロックギヤ比で形成されたウォームホイールＷ１とウォームギヤＷ２が回転不能となるため、ビスカスカップリング２のアウトプットハウジング２４も回転しない。これにより、ビスカスカップリング２中のオイルによる粘性抵抗がそのままハンドル１への反力となり、運転者が所定の反力を受けた状態でハンドル操作を行うこととなる。言い換えると、第二シャフトＳ２が受けたトルクは、ビスカスカップリング２とウォームホイールＷ１を介してウォームギヤＷ２に伝達されるが、このウォームギヤＷ２はウォームホイールＷ１側からは回転させることができないので、このトルクがそのままハンドル反力として運転者に与えられることとなる。
【００３０】
なお、このときトルクセンサＴｓからの信号に基づいて、運転者へ与える反力が小さいとＥＣＵ６が判断した場合には、このＥＣＵ６により反力モータ３を駆動させ、アウトプットハウジング２４をインプットシャフト２１の回転方向とは逆方向に回転させる。このように反力モータ３を駆動させると、アウトプットハウジング２４とインプットシャフト２１との間の回転角速度差Δωが大きくなるため、前記の式より伝達トルクＴ、すなわちハンドル１に与えられる反力が大きくなる。
【００３１】
このように、回転角速度差Δωを反力モータ３を用いて変化させ、伝達トルクＴに当たるハンドル反力を変化させることにより、ハンドル１に加わる反力が調整されるとともに、運転者のハンドル操作がアシストされることとなる。すなわち、ハンドル１（インプットシャフト２１）の回転方向とは反対方向にアウトプットハウジング２４を反力モータ３で回転させた場合は、ハンドル反力が増大し、ハンドル１の回転方向と同じ方向にアウトプットハウジング２４を反力モータ３で回転させた場合はハンドル反力が減少することとなる。
【００３２】
具体的には、ＥＣＵ６が大きなハンドル反力を運転者に与える必要があると判断した場合には、より早い速度で反力モータ３を回転させて、回転角速度差Δωを大きくすることにより、より大きなハンドル反力を発生させる。また、車庫入れなどの低速運転時にハンドル反力を小さくしたいとＥＣＵ６が判断した場合には、アウトプットハウジング２４をハンドル１の操舵方向と同じ方向に回転するように、反力モータ３に指令を出すことによってハンドル反力が小さくなる。さらに、運転者が意図的に操舵トルク（操舵力）を重くしたいと考えたときや、軽くしたいと考えた場合には、操舵力変更スイッチＳｎ（図６参照）を切り替えることで、ＥＣＵ６が判断して条件を変更することができる。
【００３３】
また、ハンドル１を操作停止の保舵状態にした場合には、それまでのハンドル１の回転方向とは逆方向にアウトプットハウジング２４を回転させることによって保舵力に当たるトルクを発生させる。具体的には、運転者が操舵を停止して保舵状態になったとＥＣＵ６が判断した場合、転舵アクチュエータセンサ７の各センサ７１〜７６の情報、操舵制御機構センサＰｓの各センサＴｓ，Ｈｓ，Ｍｓの情報、および車体のヨーレートセンサＹｓ（設置されていない場合は除く）の情報から、最適なハンドル反力値を計算し、反力モータ３へ作動指令を送る。このとき反力モータ３は、いままでハンドル１が回転していた方向とは反対の方向に、ビスカスカップリング２のアウトプットハウジング２４を回転させることにより、運転者の操作に対してハンドル反力を与える。なお、このハンドル１の保舵時においては、反力モータ３からのトルクはビスカスカップリング２内のオイルを介してインプットシャフト２１に伝達されるので、反力モータ３は回転し続けた状態となっている。
【００３４】
そして、その後、ハンドル１の戻し操作をした場合には、中立位置までハンドル１を戻すセルフアライニングトルクに相当する戻しトルクを反力モータ３がアウトプットハウジング２４を介してインプットシャフト２１に伝達する。すなわち、運転者がハンドル１を戻す操作を始めた場合には、転舵側のトルクセンサ７４で検出したセルフアライニングトルクによる路面からの反力値を基準にしてハンドル１に与える反力をＥＣＵ６が判断し、そのハンドル反力を反力モータ３に指示してハンドル１が中立位置に戻るまで回転させる。
【００３５】
また、ハンドル１を所定の角度以上回転させようとした場合、第二シャフトＳ２に連動して回転していた第二ギヤ５２の回転は、ストッパーボルト５３と右回転用ストッパープレート１８または左回転用ストッパープレート１９とが当接することで止められる。これにより、ハンドル１の回転が規制されることとなる。
【００３６】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ハンドル１の操舵開始時には、反力モータ３を停止させ、ビスカスカップリング２からの粘性抵抗のみを操舵反力として得るので、反力モータ３が常に働いている状況をなくして、電力の消費を抑えることができる。また、ハンドル１の保舵時において反力モータ３が回転し続けるので、従来において反力モータを回転させない状態でトルクを発生させるために大型化する必要があった反力モータを小型化（軽量化）することができる。さらに、反力モータ３が故障したような場合でも、ビスカスカップリング２によって操舵反力を与えることができる。また、ビスカスカップリングを用いたことによって、油圧によりハンドル反力を与えるような従来の油圧パワステの構造に比べ、液体をポンプで循環させる必要がないため、燃費性能の向上に大きく貢献する。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態にそって説明したが、本発明はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな対応を採り得ることは勿論である。
ストッパー機構５は、本実施形態のような構造に限らず、たとえば、図７に示すような構造であってもよい。すなわち、第二シャフトＳ２の径方向外側に向かってその一部８１が突出するストッパー部材８を第二シャフトＳ２に回転不能な状態で取り付け、その一部８１にストッパーボルト５３を取り付け、このストッパーボルト５３をハウジングＨ２の一部を突出させて形成したストッパー部Ｈ２１に当接させるような構造にしてもよい。この構造によれば、ハンドル１の右回転および左回転がストッパー部Ｈ２１の大きさに応じて１８０度以内で規制されることとなる。
【００３８】
本実施形態では、ビスカスカップリング２と反力モータ３とがウォームホイールＷ１およびウォームギヤＷ２を介して連結されているが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、ビスカスカップリングに対して反力モータを同軸に、かつその外周を覆うように配設して、ビスカスカップリングのアウトプットハウジングを反力モータで回転させる構造であってもよい。ただし、この場合も、ビスカスカップリング２側から反力モータ３を回転させることがないようにする必要がある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ハンドルに操舵反力を与える反力アクチュエータを、ビスカスカップリングと反力モータで構成したので、通常の操舵時は反力をビスカスカップリングからの反力だけにすることができ、反力モータに常に電気を供給しておく必要がなくなるので電力消費を低減することができる。さらに、ビスカスカップリングを用いたことによって、油圧によりハンドル反力を与えるような従来の油圧パワステの構造に比べ、液体をポンプで循環させる必要がないため、燃費性能の向上に大きく貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るＳＢＷ式操舵装置の操舵反力発生機構の概略構成図である。
【図２】ＳＢＷ式操舵装置の操作側機構を示す断面図である。
【図３】図２の操作側機構の一部を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】ＳＢＷ式操舵装置のビスカスカップリングの詳細を示す拡大断面図である。
【図５】ＳＢＷ式操舵装置のストッパー機構の詳細を示す拡大断面図である。
【図６】ＳＢＷ式操舵装置の制御を行うＥＣＵとこれに接続される周辺機器を示すブロック図である。
【図７】ストッパー機構の他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｍ ＳＢＷ式操舵装置
１ ハンドル（操作子）
２ ビスカスカップリング（反力アクチュエータ）
３ 反力モータ（反力アクチュエータ）
４ 転舵機構

Claims (1)

1. 運転者に操作される車両の操作子と、前記操作子とは機械的に切り離され、前記操作子の操作量に応じて転舵輪を転舵させる転舵機構とを有するステア・バイ・ワイヤ式操舵装置において、
   前記操作子には操舵反力を与える反力アクチュエータが備えられ、この反力アクチュエータはビスカスカップリングと、前記ビスカスカップリングを制駆動する反力モータとを有することを特徴とするステア・バイ・ワイヤ式操舵装置。

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