JP2006290061A - 操舵系伝達比可変装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる操舵系伝達比可変装置を提供する。
【解決手段】 舵角センサ７４で検出した舵角θssに、モータ角度センサ３６で検出したモータ角度を減速比（１／５０）で乗算したアクト角度θACTを加算した値と、ピニオン角センサ７６の検出角度θｐとの差分θdiffは、舵角θss＋アクト角度θACTが３６０°（１回転）で、３６０°を減速機構のギヤ比（１／５０）を乗算した値（７．２°）となる。このため、差分θdiffが、７．２°よりも小さい際に（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、１回転未満とし（Ｓ３６）、大きい際に（Ｓ３２：Ｎｏ）、１回転以上とすることで（Ｓ３８、Ｓ４０）、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ステアリングの舵角に対する操舵輪の切れ角を運転状況に応じて変更する操舵系伝達比可変装置に関する。

この種の操舵系伝達比可変装置は、自動車の操舵系にアクチュエータを連結し、ステアリングの舵角、車速その他の運転情報に応じてアクチュエータを駆動制御することで、ステアリングの舵角に対する操舵輪の切れ角を運転状況に応じて変更する構成になっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２６８７４１号公報

ここで、操舵系伝達比可変装置のセンサで、操舵輪の切れ角を運転状況に応じて変更するためには、舵角を検出する舵角センサと、アクチュエータ（モータ）の回転角度を検出するモータ角度センサとが必要となる。更に、この舵角センサ、モータ角度センサのいずれかに故障が発生したことを検出し、フェイルセーフを実現するためには、更に、１個、回転角センサ（例えば、ピニオン軸の回転角度を検出するピニオン角センサ）を付加することが要求される。

しかしながら、ピニオン軸は、通常±２．５程度回転するため、ピニオン角センサとしては多回転を検出できる絶対角センサが必要になる。多回転の絶対角センサは、メカニカルな減速機構を備え、絶対角のセンサと共に減速機構で減速した回転数を検出する回転数センサ、更に減速機構のバックラッシュ補正用のセンサ、即ち、減速機構と３個のセンサを備える必要があり、０〜３６０°を検出する絶対角センサと比較して、非常に高価で複雑な機構を備えるものになる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる操舵系伝達比可変装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、ステアリング１２の舵角θssに対する操舵輪２６の切れ角を運転状況に応じて変更する操舵系伝達比可変装置１０において、
前記ステアリング１２に連結されたステアリングシャフト１４側に設けられ、舵角θssを検出する舵角センサ７４と、
ピニオン軸１６の回転角度θｐを検出するピニオン角センサ７６と、
操舵輪の切れ角を変更するためのモータ３４と、
該モータ３４の回転角度を検出するモータ角度センサ３６と、
前記モータ３４の回転を１／５０に減速して出力すると共に、減速した出力θACT及び前記ステアリングシャフト側の回転θssを所定ギヤ比５０／５１で前記ピニオン軸１６側に伝達する減速機構３２と、
前記舵角センサ７４と、前記モータ角度センサ３６と、前記ピニオン角センサ７６との出力から少なくとも前記ピニオン軸１６の回転数ｎおよび舵角センサ７４での回転数の一方を求める演算手段６２と、を備えることを技術的特徴とする。

請求項１の操舵系伝達比可変装置では、舵角センサと、モータ角度センサと、ピニオン角センサとの出力からピニオン軸の回転数を求める。このため、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。また、求めたピニオン軸の回転数から舵角の回転数を求めるため、舵角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。これにより、廉価なピニオン角センサ及び舵角センサを用いて操舵系伝達比可変装置のフェイルセーフを実現することができる。

請求項２の操舵系伝達比可変装置では、舵角センサで検出した舵角に、モータ角度センサで検出したモータ角度を減速比で乗算した角度を加算した値と、ピニオン角センサの検出角度との差分に基づきピニオン軸の回転数を求める。即ち、舵角センサで検出した舵角に、モータ角度センサで検出したモータ角度を減速比で乗算した角度を加算した値（減速機入力）は、減速機構を介して、所定ギヤ比でピニオン軸側に出力（減速機出力）されるため、減速機入力と減速機出力との差分に基づき演算を行うことでピニオン軸の回転数を求めることが可能である。これにより、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。

請求項３の操舵系伝達比可変装置では、舵角センサで検出した舵角に、モータ角度センサで検出したモータ角度を減速比で乗算した角度を加算した値と、ピニオン角センサの検出角度との差分が、ピニオン軸の１回転で発生する角度差分よりも小さい際に、回転数を１回転未満とし、前記差分が、ピニオン軸の１回転で発生する角度差分よりも大きい際に１回転以上とすることで、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。

請求項４では、舵角センサで検出した舵角と、モータ角度センサで検出したモータ角度とを用いて演算により求めたピニオン軸角度と、演算手段により求めたピニオン軸回転数及びピニオン角センサの検出角度により演算されたピニオン軸角度とが一致するかを判断し、不一致の際に、操舵輪の切れ角の変更を停止する。このため、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、操舵系伝達比可変装置のフェイルセーフを実現できる。

本発明の実施形態に係る操舵系伝達比可変装置を図１〜図５を参照して説明する。図１は、実施形態に係る操舵系伝達比可変装置１０の全体構成を示す説明図である。ステアリング１２は、ステアリングシャフト１４に固定され、ステアリングシャフト１４は、舵角に対する操舵輪２６の切れ角を運転状況に応じて変更するアクチュエータ３０の入力側に接続されている。アクチュエータ３０は、差動式の減速機３２と、その減速機３２を駆動するサーボモータ３４とから構成されている。アクチュエータ３０の出力側は、ピニオンシャフト１６に接続され、ピニオンシャフトの先端のピニオンギヤ１８は、ラック２０に噛合している。ラック２０の両端からはタイロッド２２、２２が延びており、これらタイロッド２２、２２が左右の操舵輪２６，２６の回転支持部２４，２４に連結されている。

図２は、アクチュエータ３０の部分破断斜視図である。減速機３２は、ハーモニックドライブ（登録商標）からなり、一端有底の円筒状のボディ４２と、そのボディ４２の内側に収容された一端有底の円筒状の出力回転部４０と、さらに、その出力回転部４０の内側に収容された入力回転部４４とを備える。ボディ４２の内周面には、例えば歯数１０２の差動歯４０ａが形成され、出力回転部４０の外周面には、例えば歯数１００の差動歯４２ａが形成されている。入力回転部４４は、偏心円板の外側にベアリングを嵌合してなり、その偏心円板にはサーボモータ３４におけるロータ３４Ｒの一端が固定されている。そして、入力回転部４４は、出力回転部４０を内周面の一部を押圧しており、ロータ３４Ｒが回転することでその押圧部分が変化する。

出力回転部４０のうち入力回転部４４の周りを覆う周壁は、可撓性を有して局所的にボディ４２の内周面に押し付け可能となっている。これにより、入力回転部４４の回転に伴って出力回転部４０とボディ４２との差動歯４０ａ、４２ａの噛合部分が変化し、入力回転部４４が一回転する毎に、差動歯４０ａ、４２ａの歯数の差分相当分[〔１０２−１００）÷１００〕×１００／１０２＝（１／５０）×（５０／５１）]、出力回転部４０が回転する。即ち、ロータ３４Ｒが５１回転することで、出力回転部４０が１回転する減速機構が構成されている。

減速機３２のボディ４２には、サーボモータ３４のステータ３４Ｓが一体化されている。サーボモータ３４の減速機３２と反対側の基端部には、ロータ３４Ｒを回転不能にロックするためのメカロック４８が設けられている。

サーボモータ３４のステータ３４Ｓにはケーシング５０が固定されており、そのケーシング５０のうち減速機３２と反対側には、ステアリング１２（図１参照）側からの入力側ステアリングシャフト１４が固定されている。これにより、サーボモータ３４のステータ３４Ｓ及び減速機３２のボディ４２とがステアリング１２と共に回転する。

また、減速機３２の出力回転部４０にはピニオンシャフト（ピニオン軸）１６が固定されている。ピニオンシャフト１６は、入力側ステアリングシャフト１４と同軸上に配され、そのピニオンシャフト１６の先端には、図１に示すように、ピニオンギヤ１８が連結されている。即ち、上述したハーモニックドライブ（登録商標）からなる減速機３２により、ステアリングシャフト１４の回転は、５０／５１にされてピニオンシャフト１６を回転させ、一方、上述したようにサーボモータ３４の回転は、（１／５０）×（５０／５１）に減速されてピニオンシャフト１６を回転させる。このサーボモータ３４によるピニオンシャフト１６の回転に伴って左右の操舵輪２６，２６の切れ角が変更される。

図１に示すように、アクチュエータ３０のサーボモータ３４は、ＥＣＵ６０により制御される。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ６２、ＥＥＰＲＯＭ６４、ＲＯＭ６６、ＲＡＭ６８及びサーボモータ３４を駆動するモータ駆動回路７０を備える。ＥＣＵ６０には、車速センサ７２からの車速Ｖ、ステアリングシャフト１４側に取り付けられた舵角センサ７４からの舵角θss、サーボモータ３４に取り付けられたモータ角度センサ３６からのモータ角度θm、ピニオンギヤ１８側に取り付けられピニオン角センサ７６からのピニオン角θp等の運転情報が取り込まれている。そして、ＥＣＵ６０は、ステアリング１２の舵角θsに対する操舵輪２６の切れ角が運転状況に応じて変化するように、サーボモータ３４を駆動している。

本実施形態では、ピニオン角センサ７６として多回転では無い角度センサを用いて多回転のピニオン角θpを検出している。この原理について図３のグラフを用いて説明する。
ここで、ピニオンギヤ１８は、例えば、正逆に２．５回転できるように構成されており、ピニオン角θpは、±９００°の範囲で変化する。図３（Ａ）のグラフは、縦軸に０〜３６０°の角度を、横軸に０〜９００°の多回転の角度が取られている。図中で、一点鎖線は、舵角センサ７４からの舵角θss、サーボモータ３４に取り付けられたモータ角度センサ３６からのモータ角度θmに上述した減速比を乗算（×１／５０）したアクト角θACTを加算した値を示す。即ち、ステアリングシャフト１４の回転角度に対して、サーボモータ３４により切り足し（又は切り戻し）た角度を加えた値である。一方、点線は、ピニオン角θpを示している。ここでは、ピニオン角θpを舵角θss＋アクト角θACTに対応させて示してある。

上述したように、減速機３２によりステアリングシャフト１４（舵角θss）の回転は５０／５１にされ、サーボモータ３４の回転は、減速された１／５０（＝アクト角θACT）が更に×（５０／５１）にされ、ピニオンシャフト１６を回転させる。このため、舵角θss＋アクト角θACTが３６０°になった時点で、ピニオン角θpは３５２．９°（３６０°−３６０°×１／５１）になり、θss＋θACTとθpとの差はピニオン角θpが増えるに従いリニアに大きく成っていく。

図３（Ｂ）のグラフでは、図３（Ａ）中の点線（ピニオン角θp）と共に、θss＋θACTとθpとの角度差θdiffを二点鎖線で示している。本実施形態では、ピニオンギヤ１８が一回転する前（０〜３６０°）は、角度差θdiffが０〜７．１°（３６０×１／５１）の範囲にあり、１回転し２回転する前（３６０〜７２０°）は、角度差θdiffが７．１°〜１４．２°の範囲にあり、２回転した後（７２０°〜）は、角度差θdiffが１４．２°超となる。これにより、例えば、ピニオン角センサ７６で９０°が検出されている状態で、角度差θdiffが１．８°（０〜７．１°）であれば、一回転する前であり、多回転での９０°であることが特定できる。また、角度差θdiffが９°（７．１°〜１４．２°）であれば、一回転後であり、多回転での４５０°とする。一方、角度差θdiffが１６．２°（１４．２°〜）であれば、２回転後であり、多回転での８１０°とする。

このピニオン角θpを求めるためのＣＰＵ６２での処理について図４のフローチャートを参照して説明する。
先ず、θss＋θACTとθpとの角度差θdiffを、（θss0＋θACT）−θp0の式より求める（Ｓ１２）。ここで、θss0は多回転では無い０〜３６０°の舵角を、θp0は０〜３６０°のピニオン角を表している。次に、角度差θdiffがプラスかマイナスかを判断する（Ｓ１４）。ここで、プラスの場合（＞０）には（Ｓ１４：Ｎｏ）、角度差θdiffが７．１°未満か判断し（Ｓ３２）、７．１°未満の際には（Ｓ３２：Ｙｅｓ）、回転数ｎを０にする（Ｓ３６）。一方、７．１以上の場合には（Ｓ３２：Ｎｏ）、角度差θdiffが１４．２°未満か判断し（Ｓ３４）、１４．２°未満の際には（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、回転数ｎを１にし（Ｓ３８）、１４．２°以上の際には（Ｓ３４：Ｎｏ）、回転数ｎを２にする（Ｓ４０）。

他方、上述したＳ１４の判断で角度差θdiffがマイナスの場合（＜０）には（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、角度差θdiffが−７．１°超か判断し（Ｓ２２）、７．１°超の際には（Ｓ２２：Ｙｅｓ）、回転数ｎを−１にする（Ｓ２６）。一方、７．１以下の場合には（Ｓ２２：Ｎｏ）、角度差θdiffが−１４．２°超か判断し（Ｓ２４）、−１４．２°超の際には（Ｓ２４：Ｙｅｓ）、回転数ｎを−２にし（Ｓ２８）、−１４．２°以下の際には（Ｓ２４：Ｎｏ）、回転数ｎを−３にする（Ｓ３０）。最後に、多回転でのピニオン角θｐを（ｎ×３６０°）＋ピニオン角（０〜３６０°）θｐ0の演算により求める（Ｓ４２）。

本実施形態では、多回転では無い０〜３６０°の角度センサを用いて多回転でのピニオン角θｐを求めることができる。同様な演算により、多回転では無い０〜３６０°の角度センサを用いて多回転での舵角θssを求めることができる。

本実施形態では、演算により求めたピニオン角θｐを用いてフェイルセーフを実現している。即ち、舵角センサ７４、モータ角度センサ３６が共に正常であるかを監視し、この何れかに故障が発生した際に、ステアリングの舵角に対する操舵輪の切れ角の変更を停止し、ステアリングの舵角に対してリニアに操舵輪の切れ角が変わるようにする。

ＣＰＵ６２によるフェイルセーフ処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。
先ず、図４を参照して上述した処理で演算したピニオン角θｐが、舵角θssにアクト角θACTを加えた値に、ギヤ比５０／５１を乗算した角度と等しいか、即ち、演算したピニオン角θｐが、舵角θssとアクト角θACTとから求められるピニオン角度と等しいかを判断する（Ｓ５２）。ここで、等しい場合には（Ｓ５２：Ｙｅｓ）、処理を終了する。他方、等しくない場合には（Ｓ５２：Ｎｏ）、舵角センサ７４、モータ角度センサ３６の何れかが故障したと判断して、サーボモータ３４を停止すると共に（Ｓ５４）、図２中に示すメカロック４８によりロータ３４Ｒを回転不能にロックする（Ｓ５６）。

本実施形態では、ピニオン角センサに多回転の絶対角センサを用いることなく、多回転の絶対角を検出することができる。これにより、廉価なピニオン角センサを用いて操舵系伝達比可変装置のフェイルセーフを実現することができる。

上述した実施形態では、舵角センサ、ピニオン角センサとして共に、０〜３６０°の角度センサを用いたが、何れかに多回転の角度センサを用いることも可能である。また、上述した実施形態では、減速機３２としてハーモニックドライブ（登録商標）を用いる例を挙げたが、本発明の構成は、舵角θssにアクト角θACTを加えた角度と、ピニオン角θpとの間でリニアに角度差θdiffが発生する種々の機構に適用可能であることは、言うまでもない。

本発明の実施形態に係る操舵系伝達比可変装置の説明図である。 アクチュエータの部分破断斜視図である。 （Ａ）は舵角θsにアクト角θACTを加算した値と、ピニオン角θpとを示すグラフであり、（Ｂ）は舵角θsにアクト角θACTを加算した値と、ピニオン角θpとの差分θdiffを示すグラフである。 ピニオン軸回転数演算のフローチャートである。 フェイルセーフ処理のフローチャートである。

符号の説明

１０ 操舵系伝達比可変装置
１２ ステアリング
１６ ピニオンシャフト（ピニオン軸）
３０ アクチュエータ（減速機構）
３２ 減速機
２６ 操舵輪
３６ モータセンサ
７４ 舵角センサ
７６ ピニオン軸センサ

Claims (4)

1. ステアリングの舵角に対する操舵輪の切れ角を運転状況に応じて変更する操舵系伝達比可変装置において、
   前記ステアリングに連結されたステアリングシャフト側に設けられ、舵角を検出する舵角センサと、
   ピニオン軸の回転角度を検出するピニオン角センサと、
   操舵輪の切れ角を変更するためのモータと、
   該モータの回転角度を検出するモータ角度センサと、
   前記モータの回転を減速して出力すると共に、減速した出力及び前記ステアリングシャフト側の回転を所定ギヤ比で前記ピニオン軸側に伝達する減速機構と、
   前記舵角センサと、前記モータ角度センサと、前記ピニオン角センサとの出力から少なくとも前記ピニオン軸の回転数および舵角センサでの回転数の一方を求める演算手段と、を備えることを特徴とする操舵系伝達比可変装置。
2. 前記演算手段は、前記舵角センサで検出した舵角に、前記モータ角度センサで検出したモータ角度を前記減速比で乗算した角度を加算した値と、前記ピニオン角センサの検出角度との差分に基づき、前記ピニオン軸の回転数を求めることを特徴とする請求項１の操舵系伝達比可変装置。
3. 前記演算手段は、前記差分が、前記ピニオン軸の１回転で発生する角度差分よりも小さい際に、前記ピニオン軸の回転数を１回転未満とし、
   前記差分が、前記ピニオン軸の１回転で発生する角度差分よりも大きい際に、前記ピニオン軸の回転数を１回転以上とすることを特徴とする請求項２の操舵系伝達比可変装置。
4. 前記舵角センサで検出した舵角と、前記モータ角度センサで検出したモータ角度を前記減速比で乗算した角度とを加算した値を、前記減速機構の前記所定ギヤ比で乗算することでピニオン軸角度を演算により求め、
   演算により求めたピニオン軸角度と、前記演算手段により求めた回転数及び前記ピニオン角センサの検出角度とにより演算されたピニオン軸角度とが一致するかを判断し、
   不一致の際に、操舵輪の切れ角の変更を停止する停止手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１の操舵系伝達比可変装置。

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