JP2007269278A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造を用いて機械的に操舵感を向上させることができる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置は、操舵部材２と、操舵部材２に連結された入力軸９と、入力軸９と相対回転可能に連結された出力軸１０と、入力軸９および出力軸１０の相対回転に基づいて操舵トルクを検出するトルクセンサ１５と、トルクセンサ１５よりも操舵部材２側に設けられ、入力軸９に一定値の摩擦抵抗を与える摩擦抵抗付与機構２８とを備える。摩擦抵抗付与機構２８は、入力軸９の周面に摺接する摩擦部材２９を有し、摩擦部材２９は、コイルばね３２によって上記周面に押し付けられている。摩擦抵抗付与機構２８が入力軸９に摩擦抵抗を与えることにより、操舵部材２を介して運転者に操舵反力を付与することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車等の車両に用いられる車両用操舵装置に関するものである。

自動車の操舵装置として、電動モータや油圧ポンプ等により操舵補助力や路面からの操舵反力に相当する力を運転者へ与えることができるステアリング装置が知られている。このようなステアリング装置は、例えばステアリングホイール等の操舵部材に連結されたステアリングシャフトに、電動モータ等が発生する操舵補助力を伝達することにより、操舵補助等を行っている。

これらステアリング装置において、運転者へ所望の操舵感を付与するために、様々なステアリング内部モデルが考案されている。このステアリング内部モデルを応用し、操舵応答性を向上させる下記特許文献１〜３に示すような発明が知られている。
しかしながら、これらの手法のみでは所望の操舵補助力や操舵応答性を満足できても、運転者にはハンドルホイールから必要以上の粘性感（何か粘りのあるものがハンドルホイールにあるような力を感じ、ある種の重さも感じさせる）、弾性感（引き戻される力を感じ、ある種の粘りも感じさせる）、摩擦感（ハンドルを重く感じ、粘性感や弾性感を増長させることがある）等を感じてしまい、所望の操舵感を十分に満足できない場合がある。このような場合、対策として制御パラメータの変更などが生じ、必要以上の車両のチューニング工数を要する。

これらを解決する手段として下記特許文献４、特許文献５等が知られている。しかしながら特許文献４では、質量体がハンドルホイール近傍に配置されているため、運転者の邪魔になる或いは騒音発生などが懸念され、車両用パッケージ品としての汎用的な解決手段としては採用しがたい場合がある。また、特許文献５では、ハンドルホイールが周方向に振動するフラッタ発生要因として車両のアンバランス等に起因するステアリング系の共振が上げられており、曲げモーメントの発生をゴムカップリングなどにより防止することで、操舵時の不要な脈動を防止し操舵感の向上を図っているものの、粘性感・弾性感・摩擦感などに対する課題の解決手段が開示されていない。
特開平７−２７７２１１号公報 特開平７−２７７２１２号公報 特開平７−２５７３９６号公報 特開平６−１０７１８６号公報 特開平９−０３０４２９号公報

操舵感に対して、様々なステアリング内部モデルを応用し、具体的に定量的に操舵補助力や操舵反力を調節できる具体的な操舵機構を構成できても、運転者が感じ取る粘性・弾性・摩擦を定量的な操舵感として正確に捉えることは難しく、定量化出来たとしても、その相関関係を踏まえた具体的な操舵感の向上を可能とする機構を実現することは難しい。
本発明は、かかる背景のもとになされたものであり、単純な構造を用いて機械的に操舵感を向上させることができる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、運転者が操作する操舵部材（２）と、この操舵部材と一体回転する軸（２７，３６）と、運転者に操舵感を付与するための操舵感付与機構（２８）とを備え、この操舵感付与機構は、上記軸の回転に摩擦抵抗を与える摩擦抵抗付与機構（２８）を含む車両用操舵装置（１，１００）である。
本発明によれば、運転者は、操舵部材を介して所定の大きさの操舵反力を感じているので、例えば電動モータの慣性等によるアシスト力が運転者の操舵感に影響を与え難くなる。その結果、運転者の操舵感を向上することができる。

また、本発明において、上記摩擦抵抗付与機構は、上記軸の周面に摺接する摩擦部材（２９）を含む場合がある。この場合、操舵部材に近い部位に摩擦部材を摺接させることにより、簡単な構造で確実に操舵反力を付与することができる。
また、本発明において、上記摩擦抵抗を調整する摩擦抵抗調整部材（３３）を含む場合がある。この場合、摩擦抵抗を調整することにより、車両の要求に合わせて種々の操舵感を達成することができる。

また、本発明において、操舵部材の操舵量に応じて操舵補助力を発生する操舵補助アクチュエータ（１８）を備える場合がある。この場合、操舵補助アクチュエータとしての例えば電動モータの慣性の影響を相対的に小さくして、操舵感を向上させることができる。
また、本発明において、操舵部材と機械的に連結されていない転舵機構（Ｂ）と、転舵機構の転舵量に応じて操舵部材に操舵反力を付与するための反力アクチュエータ（３７）とを備える場合がある。この場合、反力アクチュエータに含まれる例えば電動モータの慣性の影響を相対的に小さくして、操舵感を向上させることができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態における車両用操舵装置としての電動パワーステアリング装置１の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結されたステアリングシャフト３と、中間軸４を介してステアリングシャフト３と連結されたピニオン軸５と、ピニオン軸５に形成されたピニオン歯６に噛み合うラック歯７を有し、自動車の左右方向に延びる転舵軸としてのラックバー８とを備える。ピニオン軸５およびラックバー８により転舵機構としてのラックアンドピニオン機構Ａが構成されている。

ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸９と、ピニオン軸５に連なる出力軸１０とに分割されている。これら入力軸９および出力軸１０はトーションバー１１を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。
ラックバー８は、図示しないブッシュおよびガイド部材を介して直線往復自在にハウジング１２に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング１２の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１３およびナックルアーム（図示せず）を介して操向輪１４が連結されている。

操舵部材２を操作することによりステアリングシャフト３が回転する。このステアリングシャフト３の回転は、ピニオン歯６およびラック歯７を介してラックバー８の車体の左右方向への直線往復運動に変換される。これにより、操向輪１４の転舵が達成される。
また、操舵部材２に与えられる操舵トルクは、入力軸９および出力軸１０間の相対回転変位量に基づいて、トーションバー１１の近傍に設けられたトルクセンサ１５が検出する。トルクセンサ１５が検出したトルク値は、ＥＣＵ１６（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）に与えられる。ＥＣＵ１６は、トルク値や図示しない車速センサから与えられる車速等に基づいて、内蔵の駆動回路を介して操舵補助アクチュエータとしての電動モータ１８を駆動制御する。

ＥＣＵ１６の制御によって出力される電動モータ１８の回転力は、減速機１９により増幅され、ステアリングシャフト３の出力軸１０に伝達される。出力軸１０に伝達された力は、ピニオン軸５を介してラックバー８に伝達され、操向輪１４が転舵される。これにより操舵が補助される。
図２は、図１の電動パワーステアリング装置１に備えられた減速機１９およびその近傍の構成を示す縦断面図である。また、図３は、図２におけるIII−III線に沿う横断面図であり、図４は、図３における摩擦抵抗付与機構の拡大断面図である。

図２を参照して、減速機１９は、電動モータ１８により回転駆動される駆動ギヤとしてのウォーム軸２０と、このウォーム軸２０に噛み合う従動ギヤとしてのウォームホイール２１とを備える。
ウォーム軸２０は、図示はしないが電動モータ１８の出力軸と同軸上に配置されており、継手を介して動力伝達可能に連結されている。これにより、ウォーム軸２０が回転駆動される。

ウォームホイール２１は、出力軸１０に一体回転可能に連結された環状の芯金２２と、芯金２２の周囲を取り囲み外周に歯が形成された合成樹脂部材２３とを備える。合成樹脂部材２３は、例えばインジェクション成形によって芯金２２に結合されている。芯金２２は、ステアリングシャフト３の出力軸１０に、例えば圧入によって嵌め合わされ、連結されている。これにより、ウォームホイール２１は、出力軸１０に対して一体回転可能に且つ軸方向移動不能にされている。

また、減速機１９を収容する筒状のギヤハウジングと、トルクセンサ１５を収容する筒状のセンサハウジングとを互いに組み合せて筒状のハウジング２４が構成されている。入力軸９、出力軸１０およびトーションバー１１は、ハウジング２４内に挿通されおり、入力軸９および出力軸１０は、複数の軸受２５を介してハウジング２４に回転自在に保持されている。さらに、入力軸９は、周囲にトルクセンサ３９が配置された第１の軸２６と、この第１の軸２６の外周に嵌め合わされ、操舵部材２に連結された筒状の第２の軸２７とを有している。

本実施形態の主な特徴は、運転者に対して良好な操舵感を付与するための操舵感付与機構を備えていることにある。本実施形態では、操舵感付与機構は、第２の軸２７に摩擦抵抗を与える摩擦抵抗付与機構２８によって構成されている。
図２および図３を参照して、摩擦抵抗付与機構２８は、操舵トルク検出機構としてのトルクセンサ１５よりも操舵部材２側に配置されている。また、摩擦抵抗付与機構２８は、第２の軸２７の周面に摺接する摩擦部材２９と、この摩擦部材２９を支持し、ハウジング２４に形成された案内孔３０内を進退可能に設けられた支持部材３１と、支持部材３１を介して第２の軸２７の周面に摩擦部材２９を付勢する付勢部材としてのコイルばね３２と、支持部材３１に対向し、案内孔３０内の入口付近で位置調節可能に螺合された摩擦抵抗調節部材としてのプラグ３３とを備えている。

摩擦部材２９は、図４に示すように、第２の軸２７の周面に沿う形状を有しており、第２の軸２７の周面に当接している。この状態で、摩擦部材２９は、コイルばね３２によって第２の軸２７の周面に向けて付勢され、押し付けられている。
プラグ３３は、支持部材３１と所定間隔をあけて対向しており、プラグ３３の外周に螺合されたナット３４によってハウジング２４に固定されている。コイルばね３２は、支持部材３１とプラグ３３との間に介在しており、支持部材３１およびプラグ３３に挟まれて弾性変形している。この弾性変形によるコイルばね３２の弾性反力によって、支持部材３１が第２の軸２７側へ押されている。

運転者が操舵部材２を操作することにより、第２の軸２７が回動し、摩擦部材２９と第２の軸２７との間に摩擦が生じる。これにより、第２の軸２７に摩擦抵抗が付与される。この摩擦抵抗は、第２の軸２７および操舵部材２を介して操舵反力として運転者に伝えられる。すなわち、摩擦抵抗付与機構２８が第２の軸２７に摩擦抵抗を与えることにより、一定値の操舵反力が操舵部材２を介して運転者に付与される。これにより、運転者は、上記一定値の操舵反力を感じているので、例えば電動モータ１８の慣性等によるアシスト力が運転者の操舵感に影響を与え難くなる。その結果、運転者の操舵感を向上することができる。

また、プラグ３３は、位置調節可能に案内孔３０に螺合されているので、プラグ３３のねじ込み量を変えることにより、案内孔３０に対するプラグ３３の相対位置を変えることができる。したがって、プラグ３３を変位させてコイルばね３２の弾性変形量を変えることにより、コイルばね３２から摩擦部材２９に付与される付勢力を変化させることができる。すなわち、プラグ３３と支持部材３１との上記所定間隔を狭めることにより、コイルばね３２の弾性変形量が増加して、上記付勢力が大きくなる。また、上記所定間隔を広げることにより、付勢部材の弾性変形量が減少して、上記付勢力が小さくなる。

このように、プラグ３３の位置を変えて操舵反力の大きさを調整し、車両の要求に合わせた種々の操舵感を設定することができる。また、プラグ３３の位置を変えるだけでよいので、簡単に操舵感の変更を行うことができる。さらに、摩擦抵抗付与機構２８は、操舵トルク検出機構としてのトルクセンサ１５よりも操舵部材２側に配置されているので、電動モータ１８からの操舵補助力を損失することなく、操舵感の向上を達成することができる。

図５は、本発明の別の実施形態における車両用操舵装置１００の概略構成を示す模式図であり、図６は、図５におけるVI−VI線に沿う断面を概略的に示した横断面図である。また、図７は、車両用操舵装置１００が操舵によって路面から受ける反力Ｆ１と、操舵部材２を介して運転者に付与される操舵反力Ｔｈとの関係を示す図である。
この図５〜図７において、前述の図１および図２に示された各部と同等の構成部分については、図１および図２と同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図５を参照して、この車両用操舵装置１００は、操舵部材２と転舵機構Ｂとの機械的な結合をなくし、操舵部材２の操作方向および操作量を検出するとともに、その検出結果に基づいて、転舵アクチュエータ３５から転舵機構Ｂに駆動力を与えるようにした、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システムを用いている。
操舵部材２は、車体４３に対して回転可能に支持された回転シャフト３６に連結されている。この回転シャフト３６の下部には、転舵機構Ｂの転舵量に応じた操舵反力を操舵部材２に付与するための反力アクチュエータ３７が、結合されている。反力アクチュエータ３７は、例えば、回転シャフト３６と一体回転する回転軸を有する電動モータ（図示せず）を含み、その電動モータのハウジングは車体４３に対して固定されている。

また、反力アクチュエータ３７の上方には、操舵部材２の操舵角度を検出するための操舵角センサ３８と、操舵部材２に与えられた操舵トルクを検出するためのトルクセンサ３９とが回転シャフト３６に沿って設けられている。操舵角センサ３８およびトルクセンサ３９によって検出された検出値は、制御装置４０に入力されるようになっている。
制御装置４０は、操舵角センサ３８およびトルクセンサ３９から入力された検出値や、車速等に基づいて転舵アクチュエータ３５を適切に制御し、転舵機構Ｂを駆動する。これにより、操向輪１４の転舵が行われる。また、制御装置４０は、操向輪１４の転舵角度を検出するための転舵角センサ（図示せず）から入力される検出値等に基づいて、反力アクチュエータ３７を制御する。これにより、転舵機構Ｂの転舵量に応じた操舵反力が回転シャフト３６および操舵部材２を介して運転者に与えられる。

運転者に対して良好な操舵感を付与するための操舵感付与機構は、本実施形態では、操舵部材２に連結された回転シャフト３６に摩擦抵抗を与える摩擦抵抗付与機構２８によって構成されている。摩擦抵抗付与機構２８は、例えば操舵角センサ３８およびトルクセンサ３９よりも操舵部材２側に設けられている。また、摩擦抵抗付与機構２８は、図６に示すように、回転シャフト３６が挿通される挿通孔４２を有し、車体４３に固定されたハウジング４１に保持されている。摩擦部材２９は、回転シャフト３６の周面に当接し、押し付けられている。

これにより、摩擦抵抗付与機構２８による摩擦抵抗が回転シャフト３６に与えられ、この摩擦抵抗は、回転シャフト３６および操舵部材２を介して、操舵反力として運転者に付与される。すなわち、運転者には、図７に示すように、反力アクチュエータ３７による操舵反力Ｔｍに、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆが加えられた操舵反力Ｔｈが付与されている。この操舵反力Ｔｈは、運転者が操舵部材２に与える入力トルクと等しい大きさの力である。したがって、反力アクチュエータ３７は、摩擦抵抗付与機構２８が設けられていない場合に比べて、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆの分だけ小さい操舵反力Ｔｍを出力すればよいので、小型の反力アクチュエータ３７を用いることができる。

また、反力アクチュエータ３７による操舵反力Ｔｍは、車両用操舵装置１００が操舵によって路面から受ける反力Ｆ１（転舵機構Ｂが路面から受ける反力）の増加に伴って大きくなるようにされている。一方、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆは、ハウジング４１に対するプラグ３３の相対位置、およびコイルばね３２のばね定数が一定の場合には、定まった大きさになるようにされている。

なお、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆは、上述のように、ハウジング４１に対してプラグ３３を相対移動させることにより調節することができる。また、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆは、コイルばね３２のばね定数を変えることによっても調節することができる。
具体的には、案内孔３０に対するプラグ３３のねじ込み量を小さくしたり、コイルばね３２のばね定数を小さくしたりすることにより、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆを小さくすることができる。また、案内孔３０に対するプラグ３３のねじ込み量を大きくしたり、コイルばね３２のばね定数を大きくしたりすることにより、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆを大きくすることができる。

例えば、ばね定数の大きいコイルばね３２を用いた場合には、図８に示すように（図中の１点鎖線）、摩擦抵抗としての操舵反力Ｔｆの調節幅が増加する。一方、ばね定数の小さいコイルばね３２を用いた場合には、図８において２点鎖線で示すように、操舵反力Ｔｆの微調整が容易である。なお、図８において、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力Ｔｆ（変位Ｘに対するコイルばね３２の反力）は、変位Ｘの増加に伴って線形的に大きくなっている。

なお、図１〜図４に示した実施形態においても、コイルばね３２のばね定数を適宜変えて、摩擦抵抗付与機構２８による操舵反力を調節してもよい。
この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態の電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図１の電動パワーステアリング装置に備えられた減速機およびその近傍の構成を示す断面図である。 図２におけるIII−III線に沿う横断面図である。 図３における摩擦抵抗付与機構の拡大断面図である。 本発明の別の実施形態における車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 図５におけるVI−VI線に沿う断面を概略的に示した概略断面図である。 上記車両用操舵装置が操舵によって路面から受ける反力と、操舵部材を介して運転者に付与される操舵反力との関係を示す図である。 コイルばねの変位と摩擦抵抗付与機構による操舵反力との関係を示す図である。

符号の説明

１・・・電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置）、２・・・操舵部材、１８・・・電動モータ（操舵補助アクチュエータ）、２７・・・第２の軸（軸）、２８・・・摩擦抵抗付与機構（操舵感付与機構）、２９・・・摩擦部材、３３・・・プラグ（摩擦抵抗調整部材）、３７・・・反力アクチュエータ、１００・・・車両用操舵装置、Ｂ・・・転舵機構

Claims (5)

1. 運転者が操作する操舵部材と、
   この操舵部材と一体回転する軸と、
   運転者に操舵感を付与するための操舵感付与機構とを備え、
   この操舵感付与機構は、上記軸の回転に摩擦抵抗を与える摩擦抵抗付与機構を含む車両用操舵装置。
2. 請求項１において、上記摩擦抵抗付与機構は、上記軸の周面に摺接する摩擦部材を含むことを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１また２において、上記摩擦抵抗を調整する摩擦抵抗調整部材を含むことを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項において、操舵部材の操舵量に応じて操舵補助力を発生する操舵補助アクチュエータを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 請求項１〜３の何れか１項において、操舵部材と機械的に連結されていない転舵機構と、転舵機構の転舵量に応じて操舵部材に操舵反力を付与するための反力アクチュエータとを備える車両用操舵装置。

Images