JP2005170135A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シフト・バイ・ワイヤシステムにおいて、中立ズレを回避して操舵フィーリングの悪化を防止する。
【解決手段】 ＳＢＷコントローラは、検出された操舵角θとその時点に設定されているステアリングギア比の規定値との間に偏差が生じたとき、切り戻し操舵時において、ステアリングギア比の特性を、直線ｌから直線ｍに変更する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、操作入力手段とステアリング機構とが機械的に切り離された、いわゆるステア・バイ・ワイヤ方式による車両用操舵装置の技術分野に属する。

従来の車両用操舵装置は、操向輪が縁石等に接触してステアリングラックが切り増し方向に動かない状態（ロック状態）を、目標転舵角と実際の転舵角の偏差により判定し、偏差が所定値以上となったとき、反力アクチュエータにより最大反力を発生させ、過剰操舵を抑制している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８７３０８号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、ロック状態を目標転舵角と実転舵角の偏差で判定しているため、ステアリングラックが停止しているにもかかわらず、ステアリングホイールが切り増し方向へ進む状態が発生する。このとき、反力アクチュエータが最大反力を発生するまでに時間遅れがあるため、操舵速度によっては、ステアリングホイールがさらに切り増し操舵され、想定している偏差よりも大きく切れてしまう。この最終的に得られる偏差が中立ズレの原因となり、運転者の操舵フィーリングが悪化するという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、中立ズレを回避して操舵フィーリングの悪化を防止できる車両用操舵装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明では、操舵入力を受ける操作入力手段と、左右の操向輪を転舵させるステアリング機構と、を備え、前記操作入力手段とステアリング機構とが機械的に切り離された状態で、操作入力手段の操舵入力に応じて発生する電気信号にて前記ステアリング機構を作動させるようにした車両用操舵装置において、前記操作入力手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、前記操向輪の転舵角に対する操作入力手段の操舵角の比であるステアリングギア比を可変に制御するステアリングギア比制御手段と、前記操作入力手段の操舵方向を検出する操舵方向検出手段と、前記操作入力手段の切り増し操舵時に、検出された操舵角とその時点のステアリングギア比に基づく操舵角の規定値とに偏差が生じているかどうかを判定する中立ズレ判定手段と、検出された操舵角と前記操舵角の規定値とに偏差が生じているとき、操作入力手段の切り戻し操舵時に、操作入力手段の中立位置と操向輪の中立位置とが一致するようなステアリングギア比を設定し、前記ステアリング機構に対し、ステアリングギア比を前記操作入力手段の中立位置と操向輪の中立位置とが一致するようなステアリングギア比に変更する制御指令を出力するステアリングギア比変更手段と、を設けた。

本発明の車両用操舵装置にあっては、検出された操舵角とその時点のステアリングギア比に基づく操舵角の規定値とに偏差が生じているとき、操舵フィーリングに与える影響が少ない切り戻し操舵時において、操作入力手段の中立位置と操向輪の中立位置とが一致するようにステアリングギア比が変更されるため、中立ズレを回避して操舵フィーリングの悪化を防止できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図であり、この実施例１は、フェイルセーフのため操作入力手段とステアリング機構との間にクラッチを設けたステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システムの例である。

実施例１の車両用操舵装置は、図１に示すように、ステアリングホイール１（操作入力手段）、操作部２、操向輪３、転舵部４、クラッチ機構５、操舵角センサ（操舵角検出手段）７、反力アクチュエータ８、コラムシャフト９、転舵アクチュエータ１０、転舵角センサ１１、ピニオンシャフト１２、ステアリング機構１３、車速センサ１４、ステア・バイ・ワイヤコントローラ（ステアリングギア比制御手段）１５、転舵トルクセンサ１６、反力アクチュエータ駆動回路１７、クラッチ駆動回路１８、転舵アクチュエータ駆動回路１９を備えている。

前記操作部２には、上端部から順にステアリングホイール１、コラムシャフト９、クラッチ機構５が設けられている。そして、コラムシャフト９には、操舵角センサ７および反力アクチュエータ８が設けられている。

前記転舵部４には、ピニオンシャフト１２が設けられ、このピニオンシャフト１２の下端部には、ラック&ピニオン式によるステアリング機構１３が連結され、このステアリング機構１３の両側には、ラックの移動により転舵角が変えられる操向輪３，３が設けられている。

前記ピニオンシャフト１２には、転舵アクチュエータ１０と転舵角センサ１１と転舵トルクセンサ１６が設けられている。なお、転舵アクチュエータ１０は、ＤＣモータを用いているが、これはＡＣモータ等の他のモータを用いても良い。また、操舵角センサ７および転舵角センサ１１としては、レゾルバ式角度センサを用いているが、これはエンコーダ式角度センサ等を用いてもよい。

前記操作部２は、ステアリングホイール１を有し、前記転舵部４は、操向輪３，３を転舵する。前記クラッチ機構５は、摩擦トルクにより操舵トルクを伝達させる電磁クラッチであり、コラムシャフト９とピニオンシャフト１２との間に設けている。このクラッチ機構５は、フェイル等の必要時において、機械的に切り離されたステアリングホイール１と操向輪３，３とを連結するために設けられている。

前記ＳＢＷコントローラ１５は、検出された操舵角、車速等に基づいて、操向輪３，３の転舵角に対するステアリングホイール１の操舵角の比であるステアリングギア比を設定する。そして、設定されたステアリングギア比と操舵角に基づいて目標転舵角を算出し、算出した目標転舵角となるように転舵アクチュエータ駆動回路１９に対し、制御指令（電気信号）を出力する。なお、目標転舵角は、転舵角センサ１６により検出される実際の転舵角をフィードバックして補正される。

また、ＳＢＷコントローラ１５は、検出された転舵角、車速等に基づいて、反力アクチュエータ８の目標操舵反力を算出する。そして、算出された目標操舵反力となるように反力アクチュエータ駆動回路１７に対し、制御指令を出力する。

さらに、ＳＢＷコントローラ１５は、ステアリングホイール１の切り増し操舵時において、検出された操舵角とその時点のステアリングギア比に基づく操舵角の規定値とに偏差が生じたとき、切り戻し時にステアリングギア比を変更して中立ズレを防止する中立ズレ防止制御を実施する。

前記反力アクチュエータ駆動回路１７では、入力された制御指令に応じて、反力アクチュエータ８に駆動電流を出力する。また、転舵アクチュエータ駆動回路１９は、入力された制御指令に応じて、転舵アクチュエータ１０に駆動電流を出力する。

前記ＳＢＷコントローラ１５は、クラッチ駆動回路１８に対し、例えば、ＳＷＢシステムの電源が投入されると電源OFFにて接続されているクラッチ機構５を解放する制御指令を出力する。その後、ＳＷＢシステムが正常であると判断される限りクラッチ機構５の解放を維持する制御指令を出力し、ＳＢＷシステムに故障が発生したと判断されると、解放されているクラッチ機構５を接続する制御指令を出力する。クラッチ駆動回路１８は、入力された制御指令に応じてクラッチ機構５のソレノイドに電流を供給する。

次に、作用を説明する。
［中立ズレ防止制御処理］
図２は、ＳＢＷコントローラ１５で実行される中立ズレ防止制御処理の流れを示すフローチャートであり、以下、各ステップについて説明する。

ステップS101では、操舵角センサ７にて検出された操舵角が、設定されたステアリングギア比に基づく操舵角の規定値よりも大きいかどうかを判定する（中立ズレ判定手段に相当）。YESの場合にはステップS102へ移行し、NOの場合にはステップS105へ移行する。

ステップS102では、ステアリングホイール１が切り戻し操舵されているかどうかを判定する。YESの場合にはステップS103へ移行し、NOの場合にはステップS105へ移行する。

ステップS103では、ステアリングギア比を設定するマップとして、中立ズレを回避するための切り戻し用マップを設定し（ステアリングギア比変更手段に相当）、ステップS104へ移行する。

ステップS104では、操舵角が前記設定されたステアリングギア比に基づく操舵角の規定値以下となったか（通常の領域に戻ったか）どうかを判定する。YESの場合には本制御を終了し、NOの場合にはステップS103へ移行する。

ステップS105では、操舵角と車速等に基づいてステアリングギア比を設定する通常制御を実施し、本制御を終了する。

すなわち、実際の操舵角と設定されたステアリングギア比における操舵角の規定値との間に偏差が生じた場合、図２のフローチャートにおいて、ステップS101→ステップS102→ステップS103へと進む流れとなり、ステップS104において操舵角が規定値に戻るまで、ステップS103においてステアリングギア比が変更される。

［従来技術の問題点］
ステアリングホイールとステアリングラックとがコラムシャフトを介して機械的に連結された車両用操舵装置では、ステアリングホイールの回転に対し、ステアリングラックがある一定の比率で動作し、ラック移動がストップ状態（外力もしくは最大転舵位置）のとき、ステアリングホイールにラックがストップしているという情報が操舵反力として入力される。

ところが、ステアリングホイールとステアリングラックとが機械的に切り離されたステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングラックが最大転舵位置に到達している場合でも、ステアリングホイールは回転可能な状態が発生する。また、操向輪に入力される路面反力が、ステアリングホイールに伝達されないため。よって、反力アクチュエータにより路面反力を模する反力をステアリングホイールに出力している。

特開２００２−８７３０８号公報には、この反力アクチュエータを用いて、ラックがストップした際、転舵角と目標転舵角とのずれ量により対応し、最大反力を出力して運転者にロック状態を伝える技術が記載されている。また、特開２００３−６３４３４号公報には、ステアリングホイールのロックツーロック角度に応じて操舵反力を設定し、運転者の過剰操舵を防ぐ技術が記載されている。

図３は、従来技術における中立ズレ発生時の操舵角と転舵角との関係を示す図であり、図の直線ｌは、舵角比（転舵角δ／操舵角θ）の特性を示している。なお、ステアリングギア比は（１／舵角比）であるため、直線ｌはステアリングギア比の特性を示しているということもできる。

一般的に、ステアリングラックを動かす目標転舵角は、車速などの車両状態、各種センサに基づいて算出されるが、特にステアリングホイールの角度、つまり操舵角が大きく依存しているものとする。そのため、以降の説明では、ステアリングホイールの角度（操舵角）とラック移動量（転舵角）とを用いて示すものとする。

まず、図３(a)のようにステアリングが中立の状態から、右方向にステアリングホイールを切り増しして行くと、転舵角δはステアリングギア比の特性を示す直線ｌ上の点（図３(b)）を通過し、図３(c)に到達する。図３(a)から図３(c)までの領域を通常領域とする。

転舵角δが図３(c)に到達したとき、操向輪が縁石等に当接してステアリングラックがストップしたとする。このとき、従来の車両に搭載されているステアリング（コラムシャフト連結）では、この時点でラックがストップしていることを運転者は感じる。

この時点から、ある任意の角度（図３(d)）まではステアリングホイールが切り増し方向へ操作されたとする。このとき、ステアリングホイール側に搭載されている操作反力発生用の反力アクチュエータからは、ステアリングラックがストップしているという情報を含んだ反力トルクは出力されていない。

ステアリングラックがストップし、ある任意の角度（図３(e)）切り増したとき、ストッパ感を再現した反力が発生する。ただし、実際には偏差を検知して反力が実際に出力されるまでに遅れがあるため、偏差は規定しているものよりも増加してしまう。この増加分が、中立ズレの原因となる。

このとき、ステアリングギア比の特性は、直線ｌと同じ傾きαを有する直線ｌ'となり、操舵角θと転舵角δとの位置関係が直線ｌから外れているため、図３(d)またはその付近からステアリングホイールを中立方向へ戻した際、必ず中立ズレが発生する（図３(f)）。

ステア・バイ・ワイヤシステムでは、ステアリングホイール側とラック側が物理的に切り離されており、一意な関係を保っていない。そのため、中立ズレなどの発生は容易に考えられ、この現象は運転者の操舵フィーリングを阻害する要因となりえる。

［実施例１の中立ズレ防止制御作用］
図４に、実施例１の中立ズレ防止制御作用を示す。

上述した図３と同様に、図４(a)のステアリングの中立位置から、図４(b)のように操舵角を増加させて行く。
図４(c)の状態は、ステアリングラックがストップしたことを示す。そして、図４(d)は、運転者がさらに操舵し、ステアリングホイール１のみが動いたことを示す。

図４(d)の状態で、ステアリングホイール１を切り増し操舵すると、実際の転舵角δが直線ｌ（傾きα）上から外れ、すなわち目標転舵角と実際の転舵角δとの間に偏差が生じ、反力アクチュエータ８により、運転者にステアリングラックがストップしたことを通知するための操舵反力が発生する。

ここで、実施例１では、図４(d)の位置からステアリングホイール１を中立位置に戻すときに、切り増し操舵時に設定したステアリングギア比（図４の直線ｌ）よりもスロー（傾きβ<α）で、かつ、目標操舵角がゼロのとき目標転舵角がゼロとなる特性を有するステアリングギア比（図４と(a)とを結ぶ直線ｍ）を設定し、中立ズレを回避する。

これにより、運転者に与える違和感を最小限に抑えつつ、中立ズレを防止できる。なお、実施例１では、切り戻し途中で再び切り増しした場合、偏差領域（図４(c)から図４(d)までの領域）においては設定した線に沿って動作するものとする。また、通常領域においては、切り増し地点から最初から設定されている直線ｌに徐々に戻すものとする。

次に、効果を説明する。
実施例１の車両用操舵装置にあっては、以下の効果が得られる。

(1) 検出された操舵角θと設定されたステアリングギア比における規定値との間に偏差が生じた場合、操舵フィーリングに与える影響が少ない切り戻し操舵時において、偏差を無くすようにステアリングギア比を変更するため、中立ズレを回避して操舵フィーリングの悪化を防止できる。

図５に実施例２を示す。
実施例１では、変更するステアリングギア比の特性として、図４の(d)と(a)とを結ぶ直線ｍを用い、ステアリングギア比をスローな方向に持っていくことで、中立ズレを解消する例を示したが、実施例２では、比較的滑らかな曲線を用いて戻すものとする。

図５に示すように、実施例２のステアリングギア比の特性を示す直線ｎは、直線ｌと直線ｍとの間の領域内に形成されるものとする。この曲線ｎは、通常領域（図５(a)から図５(c)までの領域）で設定されるステアリングギア比の特性を示す直線ｌの方向に凸な指数曲線となるよう、任意に設定されるものとする。

すなわち、切り戻し操舵時のより早い段階において、ステアリングギア比の特性を、通常制御時のステアリングギア比の特性に近づけることができる。

次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の(1)の効果に加えて、以下の効果が得られる。

(2) 変更するステアリングギア比の特性として、通常制御時に設定されるステアリングギア比の特性を示す直線ｌの方向に凸となる指数曲線ｎを設定する。よって、切り戻し操舵時のステアリングギア比の特性を、通常制御時のステアリングギア比における操舵角と転舵角との関係に近い状態で実施でき、より自然な操舵フィーリングが得られる。

実施例３では、実施例１に対し、ステアリングギア比変更後、ステアリングホイール１が中立位置に戻る前に切り増し操舵されたとき、ステアリングギア比を変更前のステアリングギア比に戻す点で実施例１，２と異なる。

図６に実施例３の作用を示す。
実施例３では、図４に示した実施例１と同様に、実際の操舵角θと設定されたステアリングギア比における操舵角の規定値との間に偏差が生じた場合、中立位置に向かってステアリングギア比をスローなギア比に設定（図６の直線ｍ）する。

切り戻し操舵の途中、すなわち図６(e)の時点で切り増し操舵がなされた場合、実施例３では、ステアリングギア比の特性を元の直線ｌと同じ傾きを有する直線ｌ'に戻す。

このあと、図６(f)において切り戻し操舵がなされた場合は、ステアリングギア比の特性を、図６の(f)と(a)を結ぶ直線ｐのように変更することで、中立ズレを回避する。

次に、効果を説明する。
実施例３の車両用操舵装置にあっては、実施例１の(1)の効果に加えて、以下の効果が得られる。

(3) ステアリングギア比変更後、ステアリングホイール１が中立位置に戻る前に切り増し操舵がなされたとき、変更したステアリングギア比を変更前のギア比に戻すようにしたため、ステアリングギア比が前回のスローなギア比よりも多少クイックとなり、運転者により自然な操舵感を与えることができる。

（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１〜３に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は実施例１〜３に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。

例えば、実施例１〜３では、ステアリングホイール１とステアリング機構１３との間に、バックアップ用のクラッチ機構５を設けた例を示したが、本発明はバックアップ装置の有無に依存しない。

実施例１の車両用操舵装置を示す全体システム図である。 ＳＢＷコントローラ１５で実行される中立ズレ防止制御処理の流れを示すフローチャートである。 従来技術における中立ズレ発生時の操舵角と転舵角との関係を示す図である。 実施例１の中立ズレ防止制御作用を示す図である。 実施例２の中立ズレ防止制御作用を示す図である。 実施例３の中立ズレ防止制御作用を示す図である。

符号の説明

１ ステアリングホイール
２ 操作部
３ 操向輪
４ 転舵部
５ クラッチ機構
７ 操舵角センサ
８ 反力アクチュエータ
９ コラムシャフト
１０ 転舵アクチュエータ
１１ 転舵角センサ
１２ ピニオンシャフト
１３ ステアリング機構
１４ 車速センサ
１５ コントローラ
１６ 転舵トルクセンサ
１７ 反力アクチュエータ駆動回路
１８ クラッチ駆動回路
１９ 転舵アクチュエータ駆動回路

Claims (3)

1. 操舵入力を受ける操作入力手段と、左右の操向輪を転舵させるステアリング機構と、を備え、前記操作入力手段とステアリング機構とが機械的に切り離された状態で、操作入力手段の操舵入力に応じて発生する電気信号にて前記ステアリング機構を作動させるようにした車両用操舵装置において、
   前記操作入力手段の操舵角を検出する操舵角検出手段と、
   前記操向輪の転舵角に対する操作入力手段の操舵角の比であるステアリングギア比を可変に制御するステアリングギア比制御手段と、
   前記操作入力手段の操舵方向を検出する操舵方向検出手段と、
   前記操作入力手段の切り増し操舵時に、検出された操舵角とその時点のステアリングギア比に基づく操舵角の規定値とに偏差が生じているかどうかを判定する中立ズレ判定手段と、
   検出された操舵角と前記操舵角の規定値とに偏差が生じているとき、操作入力手段の切り戻し操舵時に、操作入力手段の中立位置と操向輪の中立位置とが一致するようなステアリングギア比を設定し、前記ステアリング機構に対し、ステアリングギア比を前記操作入力手段の中立位置と操向輪の中立位置とが一致するようなステアリングギア比に変更する制御指令を出力するステアリングギア比変更手段と、
   を設けたことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングギア比変更手段は、変更するステアリングギア比の特性が、変更前のステアリングギア比の特性を示す直線または曲線の方向に凸となる指数曲線となるように設定することを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
   前記ステアリングギア比変更手段は、ステアリングギア比を変更後、操作入力手段が中立位置に戻る前に切り増し操舵されたとき、ステアリングギア比を変更前のステアリングギア比に戻すことを特徴とする車両用操舵装置。

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