JP2005096527A - 減速機付動力舵取装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変速比が変化可能な減速機付動力舵取装置を、ステアバイワイヤ方式の動力舵取装置に適用する。
【解決手段】 作動状態に応じて変速比を変化させて操舵出力軸２４に伝達する変速装置２０の操舵入力軸２２を回転駆動する操舵用モータ５６は、操舵ハンドル５０の操舵角に基づき電子制御装置５５によりフィードバック制御される。変速装置は、操舵入力軸の全回転数を１回転以下に減速して中間軸２３に伝達する減速機構３０と、中間軸の回転を変化する増速比で増速させて操舵出力軸２４に伝達する遊星歯車増速機構４０よりなり、遊星歯車増速機構はその増速機キャリア４１をギヤ比制御用モータ５８により駆動することにより増速比を変化させる。フィードバック制御のための回転角センサ５７は減速された中間軸２３の回転角度を検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車などの車両の操向車輪を操向するための操舵ハンドルの回転が機械的に伝達されないように操舵入力軸を電子制御装置を介して操舵用モータにより駆動するようにしたステアバイワイヤ方式の減速機付動力舵取装置、特にタイロッドなどを介して操向車輪を操向する操舵出力作動部材と操舵入力軸の間に作動状態に応じて変速比を変化させることが可能な変速機を設けた減速機付動力舵取装置に関する。

自動車などに使用する舵取装置には、車両の作動状態に応じた適切な操舵特性を与えるために、操舵ハンドルと操舵出力作動部材の間の変速比を車両の作動状態に応じて変化させることが要望されている。このような要望に対応する技術としては、例えばラック−ピニオン式の舵取装置において、操舵ハンドルに連結される入力シャフトとラックシャフトに連結されるピニオンにそれぞれ歯数の異なる入力及び出力サンギヤを結合し、この各サンギヤにそれぞれプラネタリギヤを噛合させるとともに、各プラネタリギヤを同軸に一体結合して共通のギヤキャリアに回転自在に支持し、このギヤキャリアの外周にウォームホイールを形成し、このウォームホイールと噛合するウォームをモータにより回転させて入力シャフトからピニオンへの減速比を変化させるようにしたものがある（特許文献１）。この種の舵取装置では、ラックシャフトの全ストロークに対する入力シャフトの全回転数は１回転以上になっている。
特開昭６０−２０９３６２号公報（第３頁、第４頁、第１図、第２図）。

ステアバイワイヤ方式の動力舵取装置では、操舵ハンドルの回転と関連して操舵入力軸（入力シャフト）を駆動する操舵用モータは、操舵入力軸の絶対的な回転角度を検出してフィードバック制御する必要がある。しかしながら、操舵入力軸の回転数は前述のように１回転以上であるので、操舵用モータにより駆動される操舵入力軸の回転角度をそのまま検出したのでは、回転角度の検出値は１回転毎に０に戻り、操舵用モータの絶対的な回転角度を検出することはできない。従って前述した特許文献１の技術は、そのままではステアバイワイヤ方式の動力舵取装置に直ちに適用することができないという問題がある。

本発明は、操舵用モータにより駆動される操舵入力軸の回転を操舵出力作動部材を介して操向車輪を操向する操舵出力軸に変速比を変化させて伝達する変速装置に工夫を加えることにより、このような問題を解決することを目的とする。

このために、本発明による減速機付動力舵取装置は、操舵入力軸と、操舵出力作動部材を介して操向車輪を操向する操舵出力軸を有し、操舵入力軸の回転を車両の作動状態に応じて変速比を変化させて操舵出力軸に伝達する変速装置を備えてなる減速機付動力舵取装置において、操舵入力軸を回転駆動する操舵用モータと、操舵ハンドルの操舵角に基づいて操舵用モータの作動をフィードバック制御する電子制御装置を備えてなり、変速装置は、操舵入力軸の全回転数を１回転以下に減速して操舵出力軸と同軸的に設けられた中間軸に伝達する減速機構と、中間軸の回転を増速させるとともにその増速比を車両の作動状態に応じて変化させて操舵出力軸に伝達する遊星歯車増速機構と、この両機構を収容するケーシングよりなるものとし、遊星歯車増速機構は、中間軸と同軸的にケーシングに回転自在に支持された増速機キャリアと、互いに同軸的に固定されて増速機キャリアに中間軸と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に支持された第１及び第２増速プラネタリギヤと、中間軸に固定されて第１増速プラネタリギヤと噛合する増速機入力サンギヤと、操舵出力軸に固定されて第２増速プラネタリギヤと噛合する増速機出力サンギヤよりなり、増速機キャリアを車両の作動状態に応じて作動されるギヤ比制御用モータにより回転させることにより増速比を変化させるものとし、ケーシングにはフィードバック制御のために中間軸の回転角度を検出する回転角センサを設けたことを特徴とするものである。

前項に記載の減速機付動力舵取装置は、操舵入力軸を中間軸と同軸的に配置し、減速機構は、操舵入力軸に固定された減速機キャリアと、互いに同軸的に固定されて減速機キャリアに操舵入力軸と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に支持された第１及び第２減速プラネタリギヤと、ケーシングに固定されて第１減速プラネタリギヤと噛合する減速機固定サンギヤと、中間軸に固定されて第２減速プラネタリギヤと噛合する減速機出力サンギヤよりなる遊星歯車減速機構とすることが望ましい。

前２項に記載の減速機付動力舵取装置は、減速機固定及び減速機出力サンギヤを第１及び第２減速プラネタリギヤが内側から噛合される内歯ギヤとし、回転角センサは減速機出力サンギヤの外周に接近させてこれに固定された中間軸の回転角度を検出することが望ましい。

上述のように、本発明によれば、減速機構は操舵用モータにより回転駆動される操舵入力軸の全回転数を１回転以下に減速して中間軸に伝達しているので、この中間軸の回転角度を回転角センサにより検出することにより、操舵入力軸の絶対的な回転角度を直ちに検出することができる。従って電子制御装置は、このようにして検出した操舵入力軸の絶対的な回転角度を操舵ハンドルの操舵角と比較することにより、操舵用モータの作動をフィードバック制御することができる。またこのように減速された中間軸の回転は遊星歯車増速機構により増速されて操舵出力軸に伝達されるので、操舵出力軸の回転角度は操舵出力作動部材を介して操向車輪を操向するのに適切な値となる。遊星歯車増速機構は、車両の作動状態に応じてギヤ比制御用モータを作動させて増速機キャリアを回転させることにより増速比を変化させて、車両の作動状態に応じた適切な操舵特性を与えることができる。

操舵入力軸を中間軸と同軸的に配置し、減速機構を遊星歯車減速機構とした請求項２の発明によれば、遊星歯車減速機構と遊星歯車増速機構は互いに同軸的に配置され、変速装置は全体として円筒形に近い整った形状となるので、車両への搭載性が向上する。

減速機固定及び減速機出力サンギヤを内歯ギヤとし、回転角センサは減速機出力サンギヤの外周に接近させてこれに固定された中間軸の回転角度を検出するようにした請求項３の発明によれば、回転角センサは中間軸の回転軸線から離れた減速機出力サンギヤの外周で中間軸の回転角度を検出するので、回転角度の検出精度は向上し、またケーシングに対する回転角センサの取付構造も簡単になる。

次に、図１及び図２により、本発明による減速機付動力舵取装置の最良の形態を説明する。この実施形態の減速機付舵取装置は、図１に示すように、細長い筒状のハウジング１０を有し、軸線方向の一部に長手方向に沿ってラック１２が形成されたラックシャフト（操舵出力作動部材）１１がハウジング１０に軸線方向移動可能に案内支持され、ラックシャフト１１の両端はそれぞれタイロッド１４を介して左右の前輪（操向車輪）１５に連結されている。またハウジング１０の一側に取り付けられた変速装置２０は、操舵用モータ５６により駆動される操舵入力軸２２（図２参照。図示の実施形態では操舵用モータ５６の出力軸である）の回転を減速して操舵出力軸２４に伝達するものであり、ラックシャフト１１と斜めに交差する操舵出力軸２４の先端部に同軸的に固定されたピニオン１３はラック１２と噛合して、ラックシャフト１１を軸線方向に移動させるようになっている。

図１に示すように、操舵ハンドル５０には、その回転角度を検出する舵角センサ５１と、作動状態に応じた適切なトルク反力を操舵ハンドル５０に与えるトルク反力機構５２が設けられている。電子制御装置５５は、舵角センサ５１により検出された操舵ハンドル５０の回転角度に基づいて演算した制御量を操舵用モータ５６に出力して操舵入力軸２２を回転駆動すると同時に、後述する回転角センサ５７により検出された操舵入力軸２２の回転角度を入力して、操舵用モータ５６の作動をフィードバック制御するものである。

変速装置２０は、図２に示すように、ハウジング１０に一体的に固定されたケーシング２１を有している。ケーシング２１にはそれぞれ回転自在に、操舵入力軸２２と中間軸２３と操舵出力軸２４が同軸的に直列に設けられ、操舵入力軸２２と中間軸２３の間には遊星歯車減速機構（減速機構）３０が、また中間軸２３と操舵出力軸２４の間には遊星歯車増速機構４０がそれぞれ設けられている。

遊星歯車減速機構３０は、操舵入力軸２２の先端部に固定されたキャリア３１を有しており、互いに同軸的に固定された複数組（例えば３組）の第１及び第２減速プラネタリギヤ３３，３４は、操舵入力軸２２と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に減速機キャリア３１に支持されている。各第１減速プラネタリギヤ３３は操舵入力軸２２と同軸的にケーシング２１に固定された内歯の減速機固定サンギヤ３２に内側から噛合され、各第２減速プラネタリギヤ３４は中間軸２３の前端部に同軸的に固定された内歯の減速機出力サンギヤ３５に内側から噛合されている。減速機固定サンギヤ３２に対する第１減速プラネタリギヤ３３の歯数比と減速機出力サンギヤ３５に対する第２減速プラネタリギヤ３４の歯数比は、前者の歯数比の方が小となっているので、操舵入力軸２２の回転速度はこれらの歯数比に応じた一定の減速比で減速されて減速機出力サンギヤ３５及び中間軸２３に伝達される。

ラックシャフト１１の全ストロークに対応する操舵入力軸２２の全回転数は、前述のように１回転以上であるが、前述した各歯数比及びそれにより与えられる減速比は、この操舵入力軸２２の全回転数が１回転以下に減速されて減速機出力サンギヤ３５及び中間軸２３に伝達されるように設定するものとする。内歯の減速機出力サンギヤ３５の外周面には円周方向に沿って回転角度検出用のパターン（例えば光学的または磁気的などの）が設けられ、ケーシング２１にはこのパターンを読み取って減速機出力サンギヤ３５及びこれに固定された中間軸２３の回転角度を検出する回転角センサ５７が設けられている。

遊星歯車増速機構４０は、中間軸２３及び操舵出力軸２４の間にこれらと同軸的に回転自在にケーシング２１に支持された増速機キャリア４１を有しており、互いに同軸的に固定された複数組（例えば３組）の第１及び第２増速プラネタリギヤ４３、４４は、中間軸２３と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に増速機キャリア４１に支持されている。各第１増速プラネタリギヤ４３は中間軸２３の後端部に同軸的に固定された外歯の増速機入力サンギヤ４２に噛合され、各第２増速プラネタリギヤ４４は操舵出力軸２４の前端部に同軸的に固定された外歯の減速機出力サンギヤ３５に噛合されている。増速機キャリア４１の外周に同軸的に形成された制御ドリブンギヤ４１ａは、ギヤ比制御用モータ５８の出力軸であるギヤ比制御入力軸２５に同軸的に固定された制御ドライブギヤ２６と噛合されて回転駆動されるようになっている。このギヤ比制御用モータ５８にはロック機構（図示省略）が設けられている。操舵用モータ５６及びギヤ比制御用モータ５８は、例えばブラシレスＤＣサーボモータを使用すればよい。

増速機入力サンギヤ４２に対する第１増速プラネタリギヤ４３の歯数比と増速機出力サンギヤ４５に対する第２増速プラネタリギヤ４４の歯数比は、前者の歯数比の方が小となっているので、ギヤ比制御用モータ５８がロック機構によりロックされて増速機キャリア４１が停止されている状態では、中間軸２３の回転速度はこれらの歯数比に応じた一定の増速比で増速されて操舵出力軸２４に伝達される。またロックを解除してギヤ比制御用モータ５８により増速機キャリア４１を回転させれば、その回転方向が入力軸２３の回転方向と同一ならば増速比は減少し逆ならば増速比は増大し、キャリア３１の回転速度が大きければ増速比の変化は増大される。

次に上述した実施形態の作動の説明をする。操舵ハンドル５０が回転されれば、電子制御装置５５は舵角センサ５１が検出した操舵ハンドル５０の回転角度に基づいて演算した制御量を操舵用モータ５６に出力して操舵入力軸２２をその制御量に相当する回転角度だけ回転させ、回転角センサ５７は遊星歯車減速機構３０により所定の減速比だけ減速された減速機出力サンギヤ３５（及び中間軸２３）の回転角度を検出し、電子制御装置５５はこの減速機出力サンギヤ３５の回転角度を入力して、操舵用モータ５６による操舵入力軸２２の回転をフィードバック制御する。操舵入力軸２２の回転は遊星歯車減速機構３０により一定の減速比で減速されて中間軸２３に伝達され、この中間軸２３の回転は車両の作動状態に応じて増速比が変化する遊星歯車増速機構４０により増速されて操舵出力軸２４に伝達され、操舵出力軸２４とともに回転するピニオン１３がラック１２を介してラックシャフト１１を軸線方向に移動させ、両端のタイロッド１４を介して左右の前輪１５を操向する。

電子制御装置５５によるフィードバック制御を行うには操舵入力軸２２の絶対的な回転角度を検出する必要があるが、ラックシャフト１１の全ストロークに対する操舵入力軸２２の全回転数は１回転以上であるので、操舵入力軸２２の回転角度をそのまま検出したのでは、回転角度の検出値は１回転毎に０に戻り、絶対的な回転角度を検出することができない。しかし上述した実施形態では、操舵入力軸２２の全回転数が１回転以下となるように減速された減速機出力サンギヤ３５及び中間軸２３の回転角度を回転角センサ５７により検出しているので、回転角センサ５７により検出される回転角度の検出値が０に戻ることはなく、この検出値を遊星歯車減速機構３０の減速比で除することにより操舵入力軸２２の絶対的な回転角度を検出することができる。そして電子制御装置５５は、このようにして回転角センサ５７により検出した操舵入力軸２２の絶対的な回転角度を舵角センサ５１により検出した操舵ハンドル５０の操舵角度と比較することにより操舵入力軸２２の回転をフィードバック制御する。

このように減速された中間軸２３の回転は、遊星歯車増速機構４０により増速されて操舵出力軸２４に伝達されるので、操舵出力軸２４の回転角度はピニオン１３及びラックシャフト１１を介して操向車輪１５を操向するのに適切な値となる。

電子制御装置５５は、車速センサ、ヨーレートセンサ、横加速度センサなどの各種センサなどにより検出された車両の作動状態に基づいて遊星歯車増速機構４０の増速比の制御を行うか否かを判断し、増速比の制御を行うと判断した場合はギヤ比制御用モータ５８のロック機構を解除し、検出された車両の作動状態に応じてギヤ比制御用モータ５８を作動させ、ギヤ比制御入力軸２５及び制御ドライブギヤ２６を介して増速機キャリア４１を回転させることにより増速比を変化させ。これにより車速やヨーレートや横加速度などの車両の作動状態に応じた適切な操舵特性が得られる。

上述した実施形態では操舵入力軸２２を中間軸２３と同軸的に配置し、互いに同軸的に固定された第１及び第２減速プラネタリギヤ３３，３４を操舵入力軸２２に固定された減速機キャリア３１に回転自在に支持させ、第１減速プラネタリギヤ３３は減速機固定サンギヤ３２に噛合させ、第２減速プラネタリギヤ３４は中間軸２３に固定された減速機出力サンギヤ３５に噛合させた遊星歯車減速機構３０により、操舵入力軸２２の回転を減速して中間軸２３に伝達しており、このようにすれば遊星歯車減速機構３０は遊星歯車増速機構４０と同軸的に配置され、変速装置２０は全体として円筒形に近い整った形状となり、半径方向一側に部分的に張り出す部分がなくなるので、車両への搭載性は向上する。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、遊星歯車形式以外の減速機構３０を使用して実施することも可能である。

また上述した実施形態では、減速機固定及び減速機出力サンギヤ３２，３５は第１及び第２減速プラネタリギヤ３３，３４が内側から噛合される内歯ギヤとし、回転角センサ５７は減速機出力サンギヤ３５の外周に接近させて中間軸２３の回転角度を検出するようにしており、このようにすれば回転角センサ５７は中間軸２３の回転軸線から離れた減速機出力サンギヤ３５の外周で中間軸２３の回転角度を検出するので、回転角度の検出精度は向上し、またケーシング２１に対する回転角センサ５７の取付構造も簡単になる。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、減速機固定及び減速機出力サンギヤ３２，３５を外歯歯車として実施することも可能である。

なお、この種のステアバイワイヤ方式の舵取装置では操舵ハンドル５０の回転が操舵入力軸２２に機械的に伝達されないので、操舵用モータ５６が故障してロックすると操向車輪１５の操向ができなくなるという問題がある。しかしながら上述した実施形態によれば、このような故障の場合には、回転角センサ５７により検出した操舵入力軸２２の絶対的な回転角度と舵角センサ５１により検出した操舵ハンドル５０の操舵角度の比較結果に異常が生じるので、電子制御装置５５がこのような異常を検出して、舵角センサ５１により検出された操舵ハンドル５０の操舵角度に応じてギヤ比制御用モータ５８を作動させるようにギヤ比制御用モータ５８に対する制御を切り換えることにより、操向車輪１５の操向ができなくなるという問題は解消される。すなわちこの実施形態によれば、操舵用モータ５６のロックに対するフェールセーフ機能を与えることができる。

また上述した実施形態では、遊星歯車増速機構４０の増速機キャリア４１を駆動する制御ドライブギヤ２６と制御ドリブンギヤ４１ａは平歯車（またははすば歯車）としたが、ウォームとウォームホイールを用いて増速機キャリア４１を駆動するようにしてもよく、そのようにすれば増速機キャリア４１側からギヤ比制御入力軸２５を逆駆動することはできないので、ギヤ比制御用モータ５８に設けるロック機構は不要となる。

また上述した実施形態では、ギヤ比制御用モータ５８は電子制御装置５５により制御するものとして説明したが、ギヤ比制御用モータ５８は電子制御装置５５とは別の電子制御装置により制御するようにしてもよい。

本発明による減速機付動力舵取装置の最良の実施形態の全体構造を示す説明図である。 図１に示す実施形態の変速装置及びその周辺の構造を示す説明図である。

符号の説明

１１…操舵出力作動部材（ラックシャフト）、１５…操向車輪（前輪）、２０…変速装置、２１…ケーシング、２２…操舵入力軸、２３…中間軸、２４…操舵出力軸、３０…減速機構(遊星歯車減速機構)、３１…減速機キャリア、３２…減速機固定サンギヤ、３３…第１減速プラネタリギヤ、３４…第２減速プラネタリギヤ、３５…減速機出力サンギヤ、４０…遊星歯車増速機構、４１…増速機キャリア、４２増速機入力サンギヤ、４３…第１増速プラネタリギヤ、４４…第２増速プラネタリギヤ、４５…増速機出力サンギヤ、５０…操舵ハンドル、５５…電子制御装置、５６…操舵用モータ、５７…回転角センサ、５８…ギヤ比制御用モータ。

Claims (3)

1. 操舵入力軸と、操舵出力作動部材を介して操向車輪を操向する操舵出力軸を有し、前記操舵入力軸の回転を車両の作動状態に応じて変速比を変化させて前記操舵出力軸に伝達する変速装置を備えてなる減速機付動力舵取装置において、
   前記操舵入力軸を回転駆動する操舵用モータと、操舵ハンドルの操舵角に基づいて前記操舵用モータの作動をフィードバック制御する電子制御装置を備えてなり、
   前記変速装置は、前記前記操舵入力軸の全回転数を１回転以下に減速して前記操舵出力軸と同軸的に設けられた中間軸に伝達する減速機構と、前記中間軸の回転を増速させるとともにその増速比を車両の作動状態に応じて変化させて前記操舵出力軸に伝達する遊星歯車増速機構と、この両機構を収容するケーシングよりなるものとし、
   前記遊星歯車増速機構は、前記中間軸と同軸的に前記ケーシングに回転自在に支持された増速機キャリアと、互いに同軸的に固定されて前記増速機キャリアに前記中間軸と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に支持された第１及び第２増速プラネタリギヤと、前記中間軸に固定されて前記第１増速プラネタリギヤと噛合する増速機入力サンギヤと、前記操舵出力軸に固定されて前記第２増速プラネタリギヤと噛合する増速機出力サンギヤよりなり、前記増速機キャリアを車両の作動状態に応じて作動されるギヤ比制御用モータにより回転させることにより増速比を変化させるものとし、
   前記ケーシングには前記フィードバック制御のために前記中間軸の回転角度を検出する回転角センサを設けた
   ことを特徴とする減速機付動力舵取装置。
2. 請求項１に記載の減速機付動力舵取装置において、前記操舵入力軸は前記中間軸と同軸的に配置し、前記減速機構は、前記操舵入力軸に固定された減速機キャリアと、互いに同軸的に固定されて前記減速機キャリアに前記操舵入力軸と平行で半径方向に所定距離離れた軸線回りに回転自在に支持された第１及び第２減速プラネタリギヤと、前記ケーシングに固定されて前記第１減速プラネタリギヤと噛合する減速機固定サンギヤと、前記中間軸に固定されて前記第２減速プラネタリギヤと噛合する減速機出力サンギヤよりなる遊星歯車減速機構としたことを特徴とする減速機付動力舵取装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の減速機付動力舵取装置において、前記減速機固定及び減速機出力サンギヤは前記第１及び第２減速プラネタリギヤが内側から噛合される内歯ギヤとし、前記回転角センサは前記減速機出力サンギヤの外周に接近させてこれに固定された前記中間軸の回転角度を検出することを特徴とする減速機付動力舵取装置。

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