JP2008126685A - 操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイレクトドライブモータを適用しながら運転者の操舵フィーリングの低下を防止することができるステアバイワイヤ式の操舵装置を提供する。
【解決手段】ステアリングホイール２とステアリングホイール２に操舵反力を電動モータ３で発生させる操舵反力発生部４とを有する操舵機構５と、転舵輪１１と転舵輪１１を転舵させる転舵制御部１２とを有する転舵機構１３とが独立して構成されたステアバイワイヤ式の操舵装置であって、前記操舵機構５の電動モータ３はダイレクトドライブモータで構成され、該ダイレクトドライブモータのロータ３ｅにダイナミックダンパ７を連結した構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステアリングホイールと該ステアリングホイールに操舵反力を電動モータで発生させる操舵反力発生部とを有する操舵機構と、転舵輪と該転舵輪を転舵させる転舵制御部とを有する転舵機構とが独立して構成されたステアバイワイヤ式の操舵装置に関する。

この種のステアバイワイヤ式の操舵装置としては、例えば運転者の操作するステアリングホイールと、車輪の角度を変える転舵機構が互いに独立して動作できる構成であり、ステアリングホイールに操舵反力を発生させるモータを有する車両用操舵装置において、モータは外側にロータを配置し、該ロータの内側にステータを配置したアウターロータ構造とし、モータの回転軸とステアリングホイールの回転軸とを一致させると共に、ステアリングホイールをモータのロータに接続した構成を有するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１８２０６１号公報（第１頁、図１）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、ステアリングホイールに操舵反力を発生させるモータとしてダイレクトドライブモータを使用しているので、応答性がよく、減速機の摩擦もないため、運転者に正確な操舵反力を与えることができるものであるが、ダイレクトドライブモータでは、モータのトルク変動（コギングトルクや制御ノイズ）が減速機の摩擦で消えないため、トルク変動が直接運転者に伝達されて操舵フィーリングの低下を招くという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ダイレクトドライブモータを適用しながら運転者の操舵フィーリングの低下を防止することができるステアバイワイヤ式の操舵装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る操舵装置は、ステアリングホイールと該ステアリングホイールに操舵反力を電動モータで発生させる操舵反力発生部とを有する操舵機構と、転舵輪と該転舵輪を転舵させる転舵制御部とを有する転舵機構とが独立して構成されたステアバイワイヤ式の操舵装置であって、前記操舵機構の電動モータはダイレクトドライブモータで構成され、該ダイレクトドライブモータのロータにダイナミックダンパを連結したことを特徴としている。

また、請求項２に係る操舵装置は、請求項１に係る発明において、前記ダイナミックダンパが、前記ロータに粘性材を介して連結された慣性体で構成されていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係る操舵装置は、請求項２に係る発明において、前記粘性材が、シリコンゴム、シリコンゲル、シリコンオイルの何れか１つであることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係る操舵装置は、請求項１乃至３の何れか１つに係る発明において、前記ダイレクトドライブモータは、分数スロット構成とされていることを特徴としている。

本発明によれば、ステアリングホイールに対して操舵反力を発生する電動モータをダイレクトドライブモータで構成し、このダイレクトドライブモータのロータにダイナミックダンパを連結したので、このダイナミックダンパのロータに対する付加慣性を軸系の共振周波数付近のトルク変動を抑制できるように設定することにより、運転者に違和感を与えるトルク変動に基づく操舵フィーリングの低下を確実に防止することができるという効果が得られる。

ここで、ダイナミックダンパをダイレクトドライブモータのロータに粘性材を介して連結した慣性体で構成することにより、ロータと付加慣性の慣性モーメント比及び粘性係数を設定することで、より正確にトルク変動を抑制して操舵フィーリングの低下をより確実に防止することができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す全体構成図であって、図中、１は車両の操舵装置である。この操舵装置１は、運転者が操舵するステアリングホイール２と、このステアリングホイール２に操舵反力を発生させる電動モータとしての操舵反力用モータ３を有する操舵反力発生部４とを備えた操舵機構５と、転舵輪１１とこの転舵輪１１を転舵させる転舵制御部１２とを有する転舵機構１３とを備え、操舵機構５と転舵機構１３とが互いに機械的に切り離されて独立したステアバイワイヤ式に構成されている。

操舵機構５の操舵反力用モータ３は、固定部に固定されたモータハウジング３ａと、このモータハウジング３ａに所定間隔を保って配設された転がり軸受３ｂ及び３ｃに回転自在に配設されたモータハウジング３ａを貫通する出力軸３ｄと、この出力軸３ｄの転がり軸受３ｂ及び３ｃ間に配設されたロータ３ｅと、このロータ３ｅの外周側にモータハウジング３ａに固定されたステータ３ｆとでインナーロータ形のダイレクトドライブモータ（ロータが減速機などを介さず直接的にステアリングホイール２に取付られたモータ）に構成されている。ここで、操舵反力用モータ３としては、２０極１８スロットのステータのスロット数を極対数で割り切ることができない分数スロットモータが適用されている。

そして、出力軸３ｄの車両後方側に一体に形成されたステアリングシャフト６の先端にステアリングホイール２が連結されている。
また、出力軸３ｄの車両前方側端部にダイナミックダンパ（動吸振器）７が配設されている。このダイナミックダンパ７は、出力軸３ｄに温度により粘性の変化が少ない粘性材８を介して連結された慣性体９を備えている。ここで、粘性材８としては操舵装置１の使用環境の温度範囲が−４０℃〜＋８０℃と広範囲に亘ることにより、温度による粘性変化の少ないシリコンを主材とした高粘度のシリコンゴム、シリコンゲル及びシリコンオイルの何れか１つで構成されている。そして、粘性材８の粘性係数及びロータと慣性体９との慣性モーメント比がステアリングシャフト６の共振周波数（ｆｚ＝４０〜４００Ｈｚ程度）付近でのトルク変動を抑制できるように設定されている。このときの慣性体９の慣性はロータ３ｅの慣性の１／１０程度であればよく、操舵機構５の体積増加を小さく抑えることができると共に、モータ制御の低分解能による振動も抑制することができる。

なお、慣性モーメント比は、大きく取って十分な減衰を得る場合もあり、０．０５〜１程度の範囲が使用される。
また、転舵機構１３を構成する転舵制御部１２は、車体側部材（図示せず）に固定されたモータハウジング１４ａを有する転舵用モータ１４と、この転舵用モータの１４のロータ１４ｂに連結されたボールナット１５ａとこのボールナット１５ａに螺合するボールねじ軸１５ｂとを有するボールねじ機構１５を有し、ボールねじ軸１５ｂの両端がタイロッド１６を介して転舵輪１１に連結されている。

そして、操舵反力発生部４の操舵反力用モータ３及び転舵制御部１２の転舵用モータ１４が制御装置２１によって駆動制御される。この制御装置２１には、操舵機構５のステアリングシャフト６の回転角を操舵角θとして検出する舵角センサ２２、ステアリングシャフト６に伝達される操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ２３、ボールねじ機構１５の移動量に基づいて転舵角Φを検出する転舵角センサ２４及び車速Ｖｓを検出する車速センサ２５からの各検出信号が入力され、これら検出信号に基づいて操舵反力用モータ３を操舵反力を与えるように駆動制御すると共に、転舵用モータ１４をステアリングホイール２の操舵角に応じて転舵輪１１の転舵角となるように駆動制御する。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
運転者がステアリングホイール２を操舵すると、これに応じて舵角センサ２２から操舵角θに応じた舵角検出信号が出力されると共に、車速センサ２５で検出した車速Ｖｓが制御装置２１に入力される。このため、制御装置２１で操舵角θと車速Ｖｓに応じて設定されるギヤ比を乗算した目標舵角を算出し、算出した目標舵角と転舵角センサ２４で検出した実転舵角との偏差から転舵電流指令値を算出し、算出した転舵電流指令値に基づいて転舵用モータ１４を駆動制御することにより、ボールねじ軸１５ｂを移動させて転舵輪１１を転舵する。

このとき、操舵角θと車速Ｖｓとに基づいて操舵反力を算出する反力マップを参照して目標反力トルクを算出し、この目標反力トルクと操舵トルクセンサ２３で検出した操舵トルクＴとの偏差から操舵反力電流指令値を算出し、算出した操舵反力電流指令値に基づいて操舵反力用モータ３を駆動制御することにより、この操舵反力用モータ３で、セルフアライニングトルク等に応じた操舵反力を発生させる。

このように、制御装置２１で操舵反力用モータ３を制御して操舵反力制御を行っている際に、ステアリングシャフト６の回転に応じてダイナミックダンパ７が作動することにより、ステアリングシャフト６の共振周波数ｆｚ領域での共振を確実に抑制することができる。
このようにダイナミックダンパ７でステアリングシャフト６の共振周波ｆｚ付近のトルク変動を抑制する理由は、以下の通りである。

操舵機構５での操舵フィーリングを確保するためには、ステアリングホイール２に伝達される人が感じる微小な振動を抑制する必要がある。この微小な振動は、操舵反力用モータ３のロータ３ｅとステアリングホイール２との間のステアリングシャフト６に人が感じやすい周波数の捩れ共振があると共に、操舵反力用モータ３で分解能（電流センサ、角度センサの分解能や、演算やＡＤ変換などの分解能）の影響によるトルク変動や、高い周波数のコギングトルクが発生し、これが共振周波数と重なって操舵フィーリングを低下させる。

捩れ共振の発生要因としては、ロータ３ｅとステアリングホイール２との間はステアリングシャフト６で直接的に結合されてはいるが、その間に十分高い捩れ剛性を持たせることは困難であるために問題となる。剛結合できない原因は、衝突安全性のための変形ストローク（コラプスストローク）を確保するためにステアリングシャフト６が長くなったり、ステアリングホイール２の図示しないテレスコピック構造などのためスライド機構が存在したりすることなどによる。さらにステアリングホイール２及び操舵反力用モータ３間にトーションバーを用いた操舵トルクセンサ２３を使用することによる捩れ剛性の低下もある。

問題となる共振周波数は、ステアリングホイール２を人が把持して感じる周波数であり、ロータの慣性Ｊｒ（ｋｇ・ｍ²）と捩れバネ定数ｋ［Ｎ・ｍ／ｒａｄ］によって決まる共振周波数ｆｚ＝√（ｋ／Ｊｒ）［Ｈｚ］である。
慣性Ｊｒやバネ定数ｋが共振周波数ｆｚに与える影響は１／２乗であるので、共振周波数ｆｚは慣性Ｊｒやバネ定数ｋの数値を大きく変えないと変動しない。しかし、モータ体格やトルクが限定されているので慣性Ｊｒは極端に変えることはできず、構造の制約からステアリングシャフト６の剛性を表すバネ定数ｋも極端に変えられない。ここで、共振周波数は４０〜４００Ｈｚ程度となり、人が振動として感じやすい周波数となってしまう。

この操舵反力用モータ３で発生する分解能の影響によるトルク変動や高周波数のコギングトルクの発生は、高分解能且つ高速サンプルのトルク制御を行うことにより解消することはできるが、このためには高速、高精度の電流センサ、ＡＤ変換器や角度センサを用い、高速度のマイクロコンピュータやデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）で制御する必要があり、コストアップとなることから制御で振動を抑制することは実質的にはできない。

また、ステアリングシャフト６に摩擦を与えて振動を減らすことが考えられるが、この場合にはダイレクトドライブモータ構成の操舵反力用モータ３における制御性のよさが失われることになり好ましくない。
このため、本実施形態のようにダイナミックダンパ７を使用することにより、小さな付加慣性で、問題となる共振周波数ｆｚ領域の振動のみを効果的に減衰させることができる。

また、操舵反力用モータ３として分数モータを適用することにより、巻線係数が高くなり、モータ体格を小さくすることができる。しかし、分数スロットモータは高周波のコギングが問題となる。分数スロットモータの１回転当りのトルク変動数はスロット数と極数の最小公倍数となるため、分数スロットモータではコギング周波数が高くなる。この成分のコギング（トルク変動）は非常に小さいが、共振周波数域と重なると操舵フィーリングの低下をもたらす。

本実施形態では、２０極１８スロットの分数スロットモータを適用しており、コギングの基本振動数は１回転当り１８０回となる。ステアリングホイール２を回すと、コギング周波数は０〜５００Ｈｚ程度となり、前述した捩れ共振周波数ｆｚ領域と重なることになる。
しかしながら、本実施形態では、ダイナミックダンパ７で前述したように捩れ共振周波数ｆｚ領域での振動を減衰させることができるので、コギング振動も併せて抑制することができる。ダイナミックダンパ７の慣性はロータの慣性の１割程度であればよく、体格のアップを小さく抑制することができ、モータ制御の分解能による振動も抑制でき、分数スロットのダイレクトドライブモータ構成の操舵反力用モータ３と組合せることにより、巻線係数が高くして、モータ体格を小さくすることができるので、共振周波数ｆｚ域での振動を抑制しながら操舵機構５全体の構成を小型化することができる。

このように操舵反力用モータ３の出力軸３ｄにダイナミックダンパ７を連結した場合とダイナミックダンパ７を連結しない場合とでは、ステアリングホイール２を５０ｄｅｇ／ｓ程度の回転角速度で低速回転させた場合には図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダイナミックダンパ７の有無にかかわらず共振によるトルク変動は殆ど生じない。この図２のようなトルク変動は、値が小さく変化が緩やか（周波数が低い）なため、人間には感じない（１回転当り１８山の変動でロータ磁石の不均一モードによるもの）。

しかしながら、ステアリングホイール２を３００ｄｅｇ／ｓ程度の回転角速度で高速回転させた場合には、ダイナミックダンパ７を設けたときには図３（ａ）に示すように、５０ｄｅｇ／ｓ程度の回転角速度の回転と同様に共振を生じることはないが、ダイナミックダンパ７を設けないときには、図３（ｂ）に示すように全回転角度領域で大きな共振を生じている。この図３（ｂ）のようなトルク変動は、周波数が高く人が振動として感じてしまう。

この図３から明らかなように、ダイレクトドライブモータで構成される操舵反力用モータ３のロータ３ｅにダイナミックダンパ７を連結することにより、共振周波数ｆｚ領域での共振を確実に抑制することができ、ステアリングホイール６に共振周波ｆｚ領域での振動が伝達されることを確実に抑制して、操舵フィーリングの低下を確実に抑制することができると共に、共振周波数ｆｚ領域と重なるコギング周波数を有する分数スロットモータを適用することが可能となり、操舵機構５全体を小型化することができる。

なお、上記実施形態においては、操舵反力用モータ３としてインナーロータ形モータを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、アウターロータ形モータを適用することもできる。
また、上記実施形態においては、分数スロットモータを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ステータのスロット数が極対数で割り切れる整数スロットモータや、突極のないスロットレスモータにも適用することもできる。

さらに、上記実施形態においては、ダイナミックダンパ７を出力軸３ｄの車両前方側に連結する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、出力軸３ｄのステアリングホイール２側やモータハウジング３ａ内に連結するようにしてもよい。ダイナミックダンパはロータの軸方向の一端又は両端やロータ外径側などに直接的に取付けてもよく、ロータ慣性に対して直接的に取付けることが望ましい。要はロータ慣性に対してダイナミックダンパが作用できればよいものである。

さらに、上記施形態においては、粘性材８としてシリコンを主体とする材料を使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、−４０℃〜＋８０℃の温度範囲で粘性の変化が少ないものであれば任意の粘性材を適用することができる。ここで、粘性材とはゴムやゲルのように粘弾性を持つものであってもよい。さらに、ダイナミックダンパ７はゴムやゲルの慣性体で構成するようにしてもよい。

さらにまた、上記実施形態においては、制御装置２１で、車速センサ２５で検出した車速Ｖｓに基づいて目標転舵角及び目標操舵反力トルクを設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、舵角センサ２２で検出した操舵角θを微分して操舵角速度ωｓを算出し、この操舵角速度ωｓに所定の起電力定数Ｋｅｓを乗算した値となる端子電圧Ｖｓを算出し、この端子電圧Ｖｓと操舵反力用モータ３のインダクタンスＬｓと抵抗Ｒｓとから操舵反力用モータ３に流れる電流Ｉｓを算出する一方、転舵用モータ１４の転舵角Φから転舵用モータ１４のインダクタンスＬｒ、抵抗Ｒｒ及び所定の起電力定数Ｋｅｒを用いて転舵用モータ１４に流れる電流Ｉｒを算出する。これら電流ＩｓとＩｒとの差で、操舵反力用モータにおいて反力を発生させ、転舵用モータ１４において転舵力を発生させるようにしてもよく、要は転舵機構１３の転舵用モータ１４を操舵機構５のステアリングホイール２の操舵角θに一致するように駆動し、このときの路面状況に応じた操舵反力を生じるように操舵反力用モータ３を駆動するようにすればよいものである。

本発明の一実施形態を示す全体構成図である。 操舵反力用モータを低角速度で回転させた場合におけるダイナミックダンパの有無による回転角度とトルクとの関係を示す特性線図である。 操舵反力用モータを高角速度で回転させた場合におけるダイナミックダンパの有無による回転角度とトルクとの関係を示す特性線図である。

符号の説明

１…操舵装置、２…ステアリングホイール、３…操舵反力モータ、４…操舵反力発生部、５…操舵機構、６…ステアリングシャフト、７…ダイナミックダンパ、８…粘性材、９…慣性体、１１…転舵輪、１２…転舵制御部、１３…転舵機構、１４…転舵用モータ、１５…ボールねじ軸、１６…タイロッド、２１…制御装置、２２…舵角センサ、２３…操舵トルクセンサ、２４…転舵角センサ、２５…車速センサ

Claims (4)

1. ステアリングホイールと該ステアリングホイールに操舵反力を電動モータで発生させる操舵反力発生部とを有する操舵機構と、転舵輪と該転舵輪を転舵させる転舵制御部とを有する転舵機構とが独立して構成されたステアバイワイヤ式の操舵装置であって、
   前記操舵機構の電動モータはダイレクトドライブモータで構成され、該ダイレクトドライブモータのロータにダイナミックダンパを連結したことを特徴とする操舵装置。
2. 前記ダイナミックダンパは、前記ロータに粘性材を介して連結された慣性体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の操舵装置。
3. 前記粘性材は、シリコンゴム、シリコンゲル、シリコンオイルの何れか１つであることを特徴とする請求項２に記載の操舵装置。
4. 前記ダイレクトドライブモータは、分数スロット構成とされていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の操舵装置。

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