JP2008013005A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーステアリングシステムを利用して自動駐車を実行するときに、トルク不足が生じないこと。
【解決手段】操舵補助用の電動モータ１５が、減速機構１７を介してステアリングシャフト３の出力軸３ｂに動力を伝達する。減速機構１７の減速比は、減速比変更アクチュエータとしての電動モータ２３，４３によって変更可能である。上記の電動モータ１５を用いて自動駐車を実行するときに、減速機構１７の減速比を、高減速比である第１の減速比Ｒ１に設定し、操舵機構Ｐに高いアシストトルクを付加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーステアリングシステムを用いて自動駐車を実行する車両用操舵装置に関するものである。

従来より、パワーステアリングシステムを利用し、運転者のハンドル操作なしで、駐車を可能とする自動操舵制御装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−３４１５４３号公報

しかし、自動駐車中にパワーステアリングのトルクが不足した場合、自動駐車を中断せざるを得ず、このようにトルクが必要な場面での中断は、運転者の多大な負担となる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、パワーステアリングのトルク不足に起因して自動駐車が中断されるような事態の発生を防止することができる車両用操舵装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、減速比可変の減速機構を介して操舵機構に動力を伝達する電動モータと、この電動モータの駆動を制御する制御部とを備え、上記減速機構は、上記減速比を相対的に高い第１の減速比および相対的に低い第２の減速比に変更するための減速比変更アクチュエータを含み、上記制御部は、上記電動モータの動力により操舵を補助するパワーステアリングモードと、上記電動モータの動力を用いて車両の自動駐車を実行可能な駐車支援モードとを切り換え可能であり、上記制御部は、駐車支援モードのときの減速比を第１の減速比とするように、減速比変更アクチュエータを制御する機能を有することを特徴とするものである。

本発明では、自動駐車を実行するときは、相対的に高い減速比に設定されるので、操舵機構に高いアシストトルクを付加することが可能となる。したがって、トルク不足で自動操舵が中断するようなことがない。
また、上記制御部は、パワーステアリングモードにおいて、車両の据え切りのときの減速比を第１の減速比とするように、減速比変更アクチュエータを制御する機能を有する場合がある（請求項２）。自動駐車が実行されないときでも、据え切り動作等、高いアシストトルクが要求されるときには、減速機構を高減速比にすることで、据え切りを円滑に行うことが可能となる。

また、上記減速機構は、可変径プーリを含むベルト・プーリ機構を含み、上記減速比変更アクチュエータは、巻き掛けられたベルトに対する可変径プーリの有効半径を変更可能なアクチュエータを含む場合がある（請求項３）。この場合、簡単な構造で容易に減速比を変更することができる。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施の形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、車両用操舵装置１が、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結される中間軸５と、中間軸５に自在継手６を介して連結されるピニオンシャフト７と、ピニオンシャフト７の端部近傍に設けられたピニオン歯７ａに噛み合うラック歯８ａを有して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とを有している。ピニオンシャフト７およびラックバー８を含むラックアンドピニオン機構によって操舵機構Ｐが構成されている。

ラックバー８は車体に固定されるハウジング９内に図示しない複数の軸受を介して直線往復動自在に支持されている。ラックバー８の両端部はハウジング９の両側へ突出し、各端部にはそれぞれタイロッド１０が結合されている。各タイロッド１０は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する操向輪１１に連結されている。
操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン歯７ａおよびラック歯８ａによって、自動車の左右方向に沿ってのラックバー８の直線運動に変換される。これにより、操向輪１１の転舵が達成される。

ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸３ａと、ピニオンシャフト７に連なる出力軸３ｂとに分割されており、これら入、出力軸３ａ，３ｂはトーションバー３ｃを介して同一の軸線上で相対回転可能に互いに連結されている。
トーションバー３ｃを介する入、出力軸３ａ，３ｂ間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１２が設けられている。このトルクセンサ１２による検出信号は、制御部６０に与えられる。また、制御部６０には、車速を検出する車速センサ１３の検出信号および車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサ１４の検出信号が与えられる。さらに、制御部６０には、操舵補助用または駐車支援用として機能する電動モータ１５の回転角を検出する回転角センサ１６の検出信号が与えられるようになっている。

制御部６０は、電動モータ１５を用いて操舵補助するパワーステアリングモードと、パワーステアリングシステムを用いて自動駐車を実行する駐車支援モードとに切り換え可能とされている。制御部６０は、例えば、パワーステアリングモードのときには、トルクセンサ１２によるトルク検出結果や車速センサ１３による車速検出結果等に基づいて、電動モータ１５をトルク制御する。電動モータ１５の出力回転が、ベルト・プーリ機構を含む減速機構１７を介して減速されてピニオンシャフト７に伝達され、ラックバー８の直線運動に変換されて、操舵が補助される。

上記の減速機構１７の減速比は、後述する減速比変更アクチュエータとしての電動モータ２３，４３によって、変更可能とされている。
図示していないが、制御部６０は、ＣＰＵ、処理プログラムが書かれたＲＯＭ、そのプログラムの実行時の作業領域メモリであるＲＡＭ、およびＩ／Ｏインターフェースから構成されている。上記のトルクセンサ１２、車速センサ１３、ヨーレートセンサ１４および回転角センサ１６からの信号がＩ／Ｏインターフェースを介して入力され、後述する切り替え部７９への切り替え指令や操舵角設定値θ^* がＩ／Ｏインターフェースを介して出力されるようになっている。

図２を参照して、上記減速機構１７は、電動モータ１５により回転駆動される駆動プーリとしての第１の可変径プーリ１８と、ステアリングシャフト３の出力軸３ｂと一体回転可能に連結された従動プーリとしての第２の可変径プーリ１９と、第１および第２の可変径プーリ１８，１９に巻き回された無端状のベルト２０とを備える。
第１の可変径プーリ１８は、電動モータ１５の回転軸１５ａの同軸上に一体回転可能に設けられている。第１の可変径プーリ１８は、回転軸１５ａと一体回転可能で且つ回転軸１５ａに対する軸方向移動が規制された環状の第１のプーリ主体２１と、回転軸１５ａと一体回転可能で且つ回転軸１５ａに軸方向に移動可能に係合された環状の第２のプーリ主体２２と、第２のプーリ主体２２の回転軸１５ａ上の位置を調整するための減速比変更アクチュエータとしての電動モータ２３とを備える。

第１および第２のプーリ主体２１，２２は、相対向する伝動面２４，２５をそれぞれ有し、伝動面２４，２５間にベルト２０が挟持されている。伝動面２４，２５は、互いに逆向きに傾斜するテーパ状をなし、互いの間に、いわゆるＶ形溝を区画している。
第２のプーリ主体２２は回転軸１５ａに嵌合されたハブ２２ａを有し、このハブ２２ａは転がり軸受２６を介して回転自在に支持されている。転がり軸受２６の内輪２７は、ハブ２２ａと一体回転可能であり、ハブ２２ａに対する軸方向移動が規制されている。

転がり軸受２６の外輪２８は、スライダ２９によって支持されている。スライダ２９は、ガイド機構３０を介して回転軸１５ａの軸線に沿って移動可能に支持されており、また、スライダ２９が回転軸１５ａの軸線回りに回転することが規制されている。外輪２８およびスライダ２９は、軸方向に一体移動可能であり且つ相対回転不能である。
減速比変更アクチュエータとしての電動モータ２３のハウジングは、車体に固定されている。また、電動モータ２３の回転軸２３ａの外周には、ねじ３１が形成され、そのねじは、スライダ２９に形成されたねじ孔３２に螺合されている。これにより、電動モータ２３が駆動されると、回転軸２３ａの回転が、回転軸１５ａの軸方向に沿ってのスライダ２９の移動に変換されるようになっている。そのスライダ２９、転がり軸受２６および第２のプーリ主体２２が、回転軸１５ａの軸方向に一体移動し、これにより、第１および第２のプーリ主体２１，２２間の間隔が変更され、その結果、ベルト２０に対する第１の可変径プーリ１８の有効半径Ｅ１が変更されるようになっている。

第２の可変径プーリ１９は、ステアリングシャフト３の出力軸３ｂ上に一体回転可能に設けられている。第２の可変径プーリ１９は、出力軸３ｂと一体回転可能で且つ回転軸３ｂに対する軸方向移動が規制された環状の第１のプーリ主体４１と、回転軸３ｂと一体回転可能で且つ回転軸３ｂに軸方向に移動可能に嵌合された環状の第２のプーリ主体４２と、第２のプーリ主体４２の出力軸３ｂ上の位置を調整するための減速比変更アクチュエータとしての電動モータ４３とを備える。

第１および第２のプーリ主体４１，４２は、相対向する伝動面４４，４５をそれぞれ有し、伝動面４４，４５間にベルト２０が挟持されている。伝動面４４，４５は、互いに逆向きに傾斜するテーパ状をなし、互いの間に、いわゆるＶ形溝を区画している。
第２のプーリ主体４２は出力軸３ｂに外嵌されたハブ４２ａを有し、このハブ４２ａは転がり軸受４６を介して回転自在に支持されている。転がり軸受４６の内輪４７は、ハブ４２ａと一体回転可能であり、ハブ４２ａに対する軸方向移動が規制されている。

転がり軸受４６の外輪４８は、スライダ３９によって支持されている。スライダ３９は、ガイド機構５０を介して出力軸３ｂの軸線に沿って移動可能に支持されており、また、スライダ３９が出力軸３ｂの軸線回りに回転することが規制されている。外輪４８およびスライダ３９は、軸方向に一体移動可能であり且つ相対回転不能である。
減速比変更アクチュエータとしての電動モータ４３のハウジングは、車体に固定されている。また、電動モータ４３の回転軸４３ａの外周には、ねじ５１が形成され、そのねじは、スライダ３９に形成されたねじ孔５２に螺合されている。これにより、電動モータ４３が駆動されると、回転軸４３ａの回転が、出力軸３ｂの軸方向に沿ってのスライダ３９の移動に変換されるようになっている。そのスライダ３９と転がり軸受４６および第２のプーリ主体４２が、出力軸３ｂの軸方向に一体移動し、第１および第２のプーリ主体４１，４２間の間隔が変更され、ベルト２０に対する第２の可変径プーリ１９の有効半径Ｅ２が変更されるようになっている。

第１の可変径プーリ１８の第２のプーリ主体２２を第１のプーリ主体２１から遠ざけて、第１の可変径プーリ１８の有効半径Ｅ１を相対的に減少させる一方、第２の可変径プーリ１９の第２のプーリ主体４２を第１のプーリ主体４１に近づけて、第２の可変径プーリ１９の有効半径Ｅ２を相対的に増大させることにより、減速機構１７による減速比を相対的に高い減速比に変更することができる。具体的には、駐車支援モードのとき減速比が、相対的に高い第１の減速比Ｒ１に設定され、パワーステアリングモードのときの減速比が、相対的に低い第２の減速比Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）に設定されている。

図３は駐車支援のためのシステムの構成図である。本システムは、駐車データ７０、報知手段である報知部７２、据え切り手段である据え切り指令部７４、車両位置検出手段である車両位置検知部７６、操舵角設定手段である操舵角設定部７７、ハンドルの回転制御手段である回転制御部７８から構成される。回転制御部７８は、内部にモードを切り替える切り替え手段である切り替え部７９を有している。

上記構成において、駐車データ７０は、メモリに記憶された例えば左後方並列駐車の操舵角データである。例えば、図４に示すように右方向への操舵角＋θ1 、左方向への操舵角−θ2 、右方向への操舵角＋θ3 等が順に記憶されている。図３を参照して、据え切り指令部７４は、車両が停車中のみにハンドルを回転させる指令を出す役割をする。また、切り替え部７９への指令も出し、トルク制御部７３によってトルク制御が実行されるパワーステアリングモードを、自動操舵制御が実行される駐車支援モードに切り替える役割も果たしている。

操舵角設定部７７は、駐車データ７０中に記憶された操舵角を回転制御部７８に出力する役割をする。そして、回転制御部７８は操舵角設定部７７から設定された操舵角と電動モータ１５の回転角センサ１６の出力を比較し、精度よくハンドルを回転させる。すなわち、据え切りさせる。報知部７２は、運転者へ報知する役割をし、例えば所定音で据え切り後のアクセルタイミング、又周期音で移動後のブレーキタイミングを報知する。

車両位置検知部７６は、駐車開始位置を起点として現在の車両位置を検出する役割をする。例えば、アクセル報知後、ヨーレートセンサ１４より信号を受け取り、それを積分してヨー角を算出する。ハンドルの据え切り状態で、アクセルを踏み込めばヨー角が変化するのでそれにより車両位置が算出される。この場合の車両位置とは、ブレーキをかける位置、ハンドルを切り返す地点の意味である。各構成要素は、上記のような機能を有している。

次に、本実施の形態の自動駐車の動作を図５に示すフローチャートで説明する。この動作は、図６に示す左後方並列駐車する場合の動作である。図６において、Ａ地点は駐車開始点を意味し、Ｂ地点はハンドル切り返し点を意味し、Ｃ地点はハンドルを中立に戻して後退する後退開始点を意味する。又、右のグラフは、後述する一連の動作によって変化するパラメータのグラフである。（ａ）はヨー角速度の変化を示し、（ｂ）はヨー角の変化、（ｃ）は操舵角の変化を示している。

ステップＳ１でイグニッションスイッチをオンすると、ステップＳ２でパワーステアリングモードが出力され、パワーステアリングモードとなる。この状態から、停車中であること、および図示しないスイッチ（例えば後方並列駐車アシストスイッチ）が押されることを条件として（ステップＳ３）、駐車支援モードが据え切り指令部７４から出力される（ステップＳ４）。据え切りは、車両の停車中にハンドルを回転させることを意味し、停車状態確認後、切り替え部７９に出力される。これにより、パワーステアリングモードから駐車支援モードに切り替えられる。

この駐車支援モードへの切り替えに応じて、減速比変更アクチュエータとしての各電動モータ２３，４３に対して、減速機構１７の減速比を第１の減速比Ｒ１に変更する指令が出力される（ステップＳ５）。
次にステップＳ６に移行し、駐車データ７０から初めの操舵角＋θ1 を読み、操舵角設定部７７から回転制御部７８に出力する。これにより、据え切り動作が開始される。減速機構１７による減速比が高減速比である第１の減速比Ｒ１に設定されているので、ステアリングシャフト３の出力軸３ｂに対して高トルクを供給することができる。その結果、トルク不足を招いて、自動駐車が中断するようなことがない。

次に、ステップＳ７において据え切り動作の終了を確認する。これは、電動モータ１５の回転角センサ１６の値を読むことで判定される。ＮＯの場合は、終了までステップＳ７で待機する。ＹＥＳ、即ち終了の場合はステップＳ８に移行する。
ステップＳ８においては、例えばギアの位置を指示し、アクセルを踏み込むようブザー音、又は音声合成で報知する。これにより、車両は移動を開始する。

次に、ステップＳ９に移行し、車両位置検出部７６がヨー角を算出し、ステップＳ１０において、そのヨー角が所定値Ｂ’に近づいたか否かを判定する。ＹＥＳであれば、ステップＳ１１に移行し運転者にブレーキを踏むよう報知し、車両を停止させる。
この時のブレーキ報知は、例えば図７に示すヨー角グラフ（ａ）とブザー＆ＬＥＤのＯＮ／ＯＦＦグラフ（ｂ）で示される。すなわち、ヨー角が所定値Ｂ’に近づくにつれてブザー音とＬＥＤの点滅周期を短くし、所定値Ｂ’の到達点で連続音と連続点灯により注意を喚起する。これにより、運転者は予め停止点を感知し、スムーズに又正確に車両を停止させることができる。即ち、停止位置の誤差を少なくすることができる。

その後、ステップＳ６に戻り、次の駐車データから次の操舵角−θ2 を読む。これは、車両をＢ地点からＣ地点に移動させるためのデータである。そして、ステップＳ６〜ステップＳ１０の一連の動作を行う。
この時、ステップＳ１０ではヨー角（ヨーレートの積分値）は所定値Ｂ’を越えているのでステップＳ１２に至り、ここでヨー角が所定値Ｃ’に近づいたか否か判定する。ＮＯであれば、ステップＳ９〜ステップＳ１２を繰り返す。すなわち、ヨー角を算出し、ステップＳ１２においてヨー角が所定値Ｃ’に近づくまで待機する。ステップＳ１２において、ＹＥＳとなればステップＳ１３に移行し、ステップＳ１０と同様に運転者にブレーキを踏むよう報知し、車両を停止させる。報知方法も同様である。

次に、ステップＳ１４に移行し、駐車データ７０から次の（最後）操舵角を読み、据え切り指令を出力する。即ち、最後の操舵角＋θ3 を回転制御部７８に出力する。これにより、車両のハンドルの据え切りが開始される。
そして、ステップＳ１５において据え切り終了か否かを判定する。ＮＯであれば、終了までステップＳ１５で待機する。ＹＥＳであれば、この時点でハンドルは中立に戻される。最後にステップＳ１６に移行し、運転者にアクセルを踏むよう、即ち後退するように報知する。この段階（地点Ｃ）では、車両は他車輌又は駐車側線と平行の状態であるので、運転者は後方を確認して後退するだけでよい。すなわち、容易に後方並列駐車することができる。そして、Ｓ１７において、駐車支援モードが解除される。

以上示したように、本実施の形態では、操舵補助用の電動モータ１５を用いて自動駐車を実行するときに、電動モータ１５の動力をステアリングシャフト３の出力軸３ｂに伝達する減速機構１７の減速比を、高減速比である第１の減速比Ｒ１に設定する。したがって、自動駐車の実行途中でトルク不足に陥って、自動駐車が中断してしまうような事態の発生を確実に防止することができる。

また、本実施の形態では、ハンドルの切り返し点をヨー角から判定している。駐車時には、速度が遅く又移動距離が短いので、速度、車輪の回転角からその切り返しを正確に求めるのは、困難な場合がある。本実施の形態では、速度又車輪の回転角より感度のよいヨー角を用いているので、正確にその切り返し点を判定することができ、正確に駐車を支援することができる。

また、運転者がハンドル操作なしで、アクセル操作とブレーキ操作のみで車両を正確に駐車させることができるという利点がある。また、パワーステアリングシステムを有する車両であれば、容易に且つコスト安価に本発明を適用することができる。
なお、上記の実施の形態では、駐車支援モードのときに、減速機構１７の減速比を相対的に高い第１の減速比Ｒ１に変更したが、これに付加して、パワーステアリングモードのときに、車両の据え切りのための操舵に応じて、減速比を相対的に高い第１の減速比Ｒ１に設定するようにしてもよい。

具体的には、図８に示すように、パワーステアリングモードでは、まず、ステップＳ２１において、減速機構１７の減速比が相対的に低い第２の減速比Ｒ２に設定される。次いで、ステップＳ２２で、据え切り操作が行われるか否かが監視される。具体的には、運転者が、例えば据え切り実行スイッチをオンすることにより、減速比変更アクチュエータとしての電動モータ２３，４３が駆動されて、減速機構１７の減速比が相対的に高い第１の減速比Ｒ１に変更される。

これにより、操舵機構Ｐに高いアシストトルクが与えられた状態で、運転者によるハンドル操作で、容易に据え切りを実施することができる。
その後、据え切りの終了を待って（ステップＳ２４）、終了すれば、ステップＳ１に戻り、第２の減速比Ｒ２に戻す。
また、上記実施の形態では、アクセルとブレーキ操作の時期を運転者に報知させるようにして、車両の移動に関しては運転者が操作するようにしている。しかし、このアクセルとブレーキの操作を自動的に行うようにすることで、完全自動の駐車装置としても良い。また、上記実施の形態では左後方並列駐車する場合の例を示したが、勿論、右後方並列駐車する場合でも、縦列駐車する場合でもよい。予め、学習した駐車データがあれば、それに従って容易に各種駐車を行うことができる。

また、上記実施の形態では報知手段の報知は、音、および／または光の周期変化による報知であったが、勿論強度変化とすることもできる。または、強度変化と音声合成を合わせれば、より効果的に運転者に認識させることができる。
また、上記実施の形態ではヨーレートセンサからヨー角を算出して、ハンドルを切り替える車両位置を判断したが、精密な速度センサを有すればそれより移動距離を求めて、移動距離から車両位置を検出してもよい。

また、前輪、後輪の回転角から移動距離が正確に算出できればそれを利用し、車両位置を求めてもよい。さらに、画像情報から車両位置を求めても良い。これらによっても同等の結果が得られる。
また、減速機構１７として、遊星ギヤ機構その他の、差動機構を用いるようにしてもよい。

本発明の一実施の形態の車両用操舵装置の模式図である。 減速機構の一部破断側面図である。 車両用操舵装置において自動駐車を実行するためのシステムの構成図である。 駐車データの一例の構成図である。 自動駐車（左並列駐車）に係わる制御動作を説明するためのフローチャートである。 左並列駐車パターンと、各位置におけるヨー角速度変化（ａ）、ヨー角変化（ｂ）、操舵角変化（ｃ）の説明図である。 ヨー角と報知（ＯＮ／ＯＦＦ）周期の関係図である。 本発明の他の実施の形態のパワーステアリングモードでの減速比変更動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、３…ステアリングシャフト、３ｂ…出力軸、Ｐ…操舵機構、１２…トルクセンサ、１３…車速センサ、１４…ヨーレートセンサ、１５…電動モータ、１６…回転角センサ、１７…減速機構、１８…第１の可変径プーリ、１９…第２の可変径プーリ、２０…ベルト、Ｅ１，Ｅ２…有効半径、２３，４３…電動モータ（減速比変更アクチュエータ）、６０…制御部

Claims (3)

1. 減速比可変の減速機構を介して操舵機構に動力を伝達する電動モータと、
   この電動モータの駆動を制御する制御部とを備え、
   上記減速機構は、上記減速比を相対的に高い第１の減速比および相対的に低い第２の減速比に変更するための減速比変更アクチュエータを含み、
   上記制御部は、上記電動モータの動力により操舵を補助するパワーステアリングモードと、上記電動モータの動力を用いて車両の自動駐車を実行可能な駐車支援モードとを切り換え可能であり、
   上記制御部は、駐車支援モードのときの減速比を第１の減速比とするように、減速比変更アクチュエータを制御する機能を有することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１において、上記制御部は、パワーステアリングモードにおいて、車両の据え切りのときの減速比を第１の減速比とするように、減速比変更アクチュエータを制御する機能を有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２において、上記減速機構は、可変径プーリを含むベルト・プーリ機構を含み、上記減速比変更アクチュエータは、巻き掛けられたベルトに対する可変径プーリの有効半径を変更可能なアクチュエータを含むことを特徴とする車両用操舵装置。

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