JP2008179271A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵部材に加えられる操舵トルクをトーションバーを用いることなく高精度に検出可能とし、操舵の応答性を向上すると共に、操舵部材への路面情報の伝達を良好とし、良好な操舵感が得られる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】操舵のために回転操作される操舵部材４を、ステアリング軸３の一端に相対回転可能に取り付けた可動ハブ42から放射状に延びる支持スポーク43により支持されたリム44を、ステアリング軸３の一端に固定された固定ハブ41から放射状に延びる係合スポーク46に係合した構成とする。係合スポーク46とリム44との係合部に力センサ６を介装し、この力センサ６によりリム44の周方向に加わる力を検出して、この検出結果に基づいて操舵部材４に加えられる操舵トルクを算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、操舵のために回転操作される操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段を備える車両用操舵装置に関する。

車両の操舵は、ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作を、該操舵部材が取り付けられたステアリング軸を介して舵取機構に伝え、該舵取機構の動作により操舵用の車輪を転舵させることによりなされる。このような操舵を行わせるための車両用操舵装置として、近年、操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段と、舵取機構に操舵補助力を加えるモータとを備え、トルク検出手段により検出される操舵トルクの方向及び大きさに基づいて前記モータを駆動制御することにより、操舵部材の回転操作に要する運転者の労力負担の軽減を図った電動パワーステアリング装置が広く普及している（例えば、特許文献１参照）。

前記トルク検出手段は、従来一般的に、操舵部材と舵取機構とを連結するステアリング軸の中途を、操舵部材の側の第１軸と舵取機構の側の第２軸とに分割し、これらを細径のトーションバーにより同軸上に連結して、このトーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に生じる相対角変位を媒介として操舵トルクを検出するように構成されている。
特開２００３−１１８３３号公報

以上の如きトルク検出手段において、第１，第２軸を連結するトーションバーは、操舵トルクの作用により生じる第１，第２軸の相対角変位を大とし、検出精度を高めるために必要な構成要素であるが、この種のトルク検出手段を備える車両用操舵装置においては、操舵部材の回転操作がなされてから操舵トルクが検出されるまでの間にトーションバーの捩れに要する時間遅れが生じ、例えば、操舵の開始時、又は一方向から他方向への切り返し操舵時に、操舵補助用のモータにより舵取機構に加えられる操舵補助力の応答が遅れ、操舵感の悪化を招くという問題がある。

一方、凹凸路等の悪路を車両が走行する場合、路面からの振動が、舵取機構、ステアリング軸を介して操舵部材に伝わり、更に、凍結路面等の低μ路を車両が走行する場合、路面反力の急減が同様にして操舵部材に伝わり、操舵部材を操作する運転者に路面情報（ロードインフォメーション）として体感される。運転者は、この種の路面情報を体感することにより、走行中の路面の状況を正確に認識して的確なステアリング操作を行うことが可能となる。ところが、前述したトルク検出手段を備える車両用操舵装置においては、路面情報の伝達時にトーションバーがダンパとしての作用をなすことから、運転者が体感し得る路面情報が不足し、的確なステアリング操作が妨げられ操舵感の悪化を招来するという問題もある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、操舵部材に加えられる操舵トルクをトーションバーを用いることなく高精度に検出可能なトルク検出手段を備え、操舵部材の回転操作に応じた舵取機構の応答性の向上を図ると共に、舵取機構から操舵部材への路面情報の伝達を阻害する虞れもなく、良好な操舵感が得られる車両用操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の第１発明に係る車両用操舵装置は、ステアリング軸の一端に取り付けてあり操舵のために回転操作される操舵部材と、該操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段とを備える車両用操舵装置において、前記操舵部材は、前記ステアリング軸の一端に固定された固定ハブと、前記ステアリング軸の一端に同軸上での相対回転可能に取り付けられた可動ハブと、該可動ハブから放射状に延びる支持スポークの先端に固定支持され、前記固定ハブから放射状に延びる係合スポークの先端に係合するリムとを備え、前記トルク検出手段は、前記係合スポークに前記リムの周方向に加わる力を検出する力センサと、該力センサの検出結果に基づいて前記操舵トルクを算出するトルク算出手段とを備えることを特徴とする。

また本発明の第２発明に係る車両用操舵装置は、第１発明における力センサが、前記係合スポークと前記リムとの係合部に介装してあることを特徴とする。

更に本発明の第３発明に係る車両用操舵装置は、第１又は第２発明における係合スポーク及び力センサが、前記固定ハブ及びリムの周方向に複数設けてあることを特徴とする。

本発明の第１発明に係る車両用操舵装置においては、操舵のために回転操作される操舵部材を、ステアリング軸の一端に相対回転可能に取り付けた可動ハブから延びる支持スポークに固定支持したリムを、ステアリング軸の一端に固定した固定ハブに係合スポークを介して連結して構成し、リムの周方向に係合スポークに加わる力を力センサにより検出した結果に基づいて操舵トルクを算出しているから、ステアリング軸の中途のトーションバーを不要とした構成により操舵部材に加えられる操舵トルクを検出することができ、操舵の応答性を高め、また操舵部材への路面情報の伝達を確実に行わせて、運転者に良好な操舵感を体感させることが可能となる。

第２発明に係る車両用操舵装置においては、リムと係合スポークとの係合部に力センサを介装したから、リムの周長の範囲内にて力センサを無理なく配置することができ、この力センサによる検出結果を用いて高精度の操舵トルクの検出が可能となる。

第３発明に係る車両用操舵装置においては、係合スポーク及び力センサを複数設け、複数か所にて得られる周方向力の検出結果に基づいて操舵トルクを求める構成としたから、操舵トルクの検出精度を高めることができ、また異常発生時の補償機能を果たすことが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係る車両用操舵装置の全体構成を示す模式図である。本図に示す車両用操舵装置は、車体の左右方向に延設されたラックハウジング10の内部に軸長方向への移動自在に支持されたラック軸１と、ラックハウジング10の中途に交叉するピニオンハウジング20の内部に回転自在に支持されたピニオン軸２とを有するラックピニオン式の舵取機構を備えている。

ラック軸１の両端は、ラックハウジング10の両側から外部に突出され、操舵用の車輪としての左右の前輪12，12に各別のタイロッド11，11を介して連結してある。ピニオン軸２の一端は、ピニオンハウジング20の上部から外側に突出され、上位置に対向するステアリング軸３の下端に連結されている。ピニオンハウジング20の内部に延びるピニオン軸２の下半部には、図示しないピニオンが形成されており、該ピニオンは、ラックハウジング10との交叉部において、ラック軸１の外面に適長に亘って形成された図示しないラックに噛合させてある。

ステアリング軸３は、筒形をなすハウジング30の内部に回転自在に支持され、該ハウジング30を介して、図示しない車室の内部に前方を下とした傾斜姿勢を保って取り付けてある。ステアリング軸３の両端は、ハウジング30の上下両側から外部に突出しており、下方への突出端は、前述の如くピニオン軸２の上端に連結されている。一方ハウジング30の上方へのステアリング軸３の突出端には、後述の如く構成された操舵部材４が、車室の内部の運転者に対面するように取り付けてある。

以上の構成によりステアリング軸３は、上端に取り付けた操舵部材４の回転操作に応じ回転し、この回転がピニオン軸２に伝達され、該ピニオン軸２が軸周りに回転する。ピニオン軸２が回転した場合、下半部に設けたピニオンの回転がラックとの噛合部において運動変換され、ラック軸１がラックハウジング10内にて軸長方向に移動する。このように生じるラック軸１の移動は、両端のタイロッド11，11を介して左右の前輪12，12に伝わり、これらの前輪12，12が転舵される。

図１に示す車両用操舵装置は、以上のように実行される操舵を補助する操舵補助用のモータ５と、操舵部材４に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段とを備える電動パワーステアリング装置として構成されている。

操舵補助用のモータ５は、ハウジング30の下端部近傍の外側に軸心を略直交させて取り付けてあり、ハウジング30の内部に延びる出力軸の回転を、例えば、ウォーム及びウォームホイールを備えるウォームギヤ減速機により減速してステアリング軸３に伝え、該ステアリング軸３に回転力を付与するように伝動構成されている。この構成により操舵補助用のモータ５の回転力は、ステアリング軸３に減速伝動され、該ステアリング軸３の下端に連結されたピニオン軸２を介してラック軸１に伝えられ、該ラック軸１の移動により前述の如くなされる操舵を補助することができる。

操舵トルクを検出するトルク検出手段は、操舵部材４に後述の如く設けられた力センサ６，６…を備えている。力センサ６，６…の出力は、図１に示すようにアシスト制御部７に与えられている。アシスト制御部７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従うＣＰＵの動作により後述するアシスト制御を実行するＥＣＵであり、操舵部材４に加えられる操舵トルクは、力センサ６，６…の検出結果を用い、アシスト制御部７において後述の如く算出される。

本発明に係る車両用操舵装置の特徴は、トルク検出手段としての力センサ６，６…の配置を含めた操舵部材４の構成にある。図２は、操舵部材４の取り付け部近傍の要部拡大断面図、図３は、操舵部材の取り付け状態を示す上方からの平面図、図４は、同じく下方からの平面図である。

図２に示すようにステアリング軸３の上端部には、２段に段落ち加工された上嵌合部31及び下嵌合部32が設けてあり、上嵌合部31には固定ハブ41が外嵌され、下嵌合部32には可動ハブ42が外嵌されている。上嵌合部31に外嵌された固定ハブ41は、上嵌合部31の上半部外周に設けたねじ部に螺合する止めナット33の締め付けにより上嵌合部31の下側段部との間に挾持し、上嵌合部31及びステアリング軸３と一体に固定されている。一方、下嵌合部32に外嵌された可動ハブ42は、固定ハブ41の下面と下嵌合部32の下側段部との間にて軸長方向に位置決めし、下嵌合部32及びステアリング軸３に対する相対回転を可能として取り付けてある。

なお、固定ハブ41の固定及び可動ハブ42の取り付けは、上記の構成に限らず、適宜の構成により実現することができる。例えば、上嵌合部31の外周及び固定ハブ41の内周にスプラインを設け、このスプラインの係合下にて固定ハブ41を上嵌合部31に外嵌する構成により、周方向の拘束を強化した固定状態が得られる。また、可動ハブ42の上下、及び可動ハブ42と下嵌合部32との嵌合部に低摩擦係数を有する滑り板を介装する構成により、相対回転が可能な状態を維持しながら、径方向及び軸長方向のガタ付きを排除した取り付けが可能となる。

図３及び図４に示すように、可動ハブ42は、外周の相対向する２か所に、径方向外向きに放射状をなして延びる２本の支持スポーク43，43を備えており、これらの支持スポーク43，43の先端には、円環状をなすリム44が、可動ハブ42と同軸をなすように固定支持されている。

リム44の内周には、支持スポーク43，43による支持部から外れた位置に、内向きに所定幅の開口を有する係合溝45，45が形成されており、これらの係合溝45，45の両側壁には、各２つの力センサ６，６が固定されている。力センサ６は、感圧面に押圧力が加えられたとき、この押圧力の大小に応じて大小に変化する出力を発する公知のロードセルであり、夫々の係合溝45，45内の力センサ６，６は、夫々の感圧面がリム44の周方向に所定の対向幅を隔てて対向するように位置決めして固定されている。

固定ハブ41も同様に、外周の相対向する２カ所に、径方向外向きに放射状をなして延びる２本の係合スポーク46，46を備えている。これらの係合スポーク46，46の先端は、リム44と重なる位置にまで達しており、該リム44の内周に設けた係合溝45，45の夫々に係合され、夫々の係合溝45，45の側壁に固定された力センサ６，６の感圧面に当接させてある。なお図１、図２には、可動ハブ42及び支持スポーク43とリム44との連結状態を右半部に示し、固定ハブ41及び係合スポーク46，46とリム44との連結状態を左半部に示してある。

以上の如く構成された操舵部材４は、リム44を把持して回転操作され、この回転操作に応じて前述したようにステアリング軸３が回転し、この回転がラック軸１の軸長方向の移動に変換されて操舵がなされる。操舵部材４のリム44は、支持スポーク43，43を介して可動ハブ42に固定支持されているが、可動ハブ42は、ステアリング軸３の下嵌合部32に相対回転可能に外嵌されており、リム44の回転操作は、可動ハブ42を介してステアリング軸３に伝えられることはない。可動ハブ42及び支持スポーク43，43は、リム44を、ステアリング軸３と同軸上に位置決め支持する機能を果たす。

一方操舵部材４のリム44は、固定ハブ41から延設された係合スポーク46，46に係合されており、固定ハブ41は、ステアリング軸３の上嵌合部31に固定されている。従って、リム44の回転操作は、係合スポーク46，46及び固定ハブ41を介してステアリング軸３に伝達されることとなり、ステアリング軸３は、固定ハブ41と共に軸回りに回転する。

係合スポーク46，46は、リム44に設けた各別の係合溝45，45に係合しており、これらの係合部においては、夫々の係合溝45，45の幅方向、即ち、リム44の周方向の両側から力センサ６，６が当接させてある。従って、リム44の回転が係合スポーク46，46に伝達されるとき、夫々の係合スポーク46，46は、回転方向の下流側に当接する力センサ６に押し付けられ、同側の力センサ６の出力が増大する。

例えば、操舵部材４が、図３中に矢符にて示す向きに回転操作された場合、図の右側の係合スポーク46は、下位置に当接する力センサ６に押し付けられ、図の左側の係合スポーク46は、上位置に当接する力センサ６に押し付けられ、これらの力センサ６，６には、リム44の周方向に力Ｆが加わる。この力Ｆの大きさは、リム44に加えられる回転操作力と略等しく、操舵部材４に加えられる操舵トルクは、係合スポーク46の両側の力センサ６，６の出力変化により求まる作用力Ｆに作用点の半径Ｒ（図３参照）を乗じることにより、方向を含めて算出することができる。

このような操舵トルクの算出は、前述したように、力センサ６，６…の出力が与えられるアシスト制御部７においてなされる。操舵トルクの算出に用いる作用点の半径Ｒは、リム44に設けた係合溝45，45内での力センサ６，６…の固定位置により定まる定数である。なお、組み立て時における力センサ６，６…の取り付け誤差の影響を排除するために、夫々の力センサ６，６…毎に半径Ｒを実測し、アシスト制御部７に予め設定しておくのが望ましい。

アシスト制御部７の出力は、図１に示すように、操舵補助用のモータ５に制御指令として与えられる。またアシスト制御部７には、操舵補助用のモータ５に付設したモータ電流センサ50から、該モータ５の駆動電流の検出値が与えられ、更に、車両の各部に設けた走行状態センサ70から、車速、ヨーレート等、操舵に影響を及ぼす走行状態の検出結果が与えられる。

アシスト制御部７は、操舵部材４に設けられた力センサ６，６…の出力を適宜のサンプリング周期にて取り込み、これらの出力を用いて操舵部材４に加えられる操舵トルクを算出し、算出された操舵トルクをＲＯＭに記憶させてある補助力マップに適用して、操舵補助用のモータ５に発生させるべき操舵補助力を算出し、この操舵補助力を発生すべく、操舵補助用のモータ５に制御指令を発し、該モータ５を駆動せしめる公知のアシスト制御動作をなす。このアシスト制御動作は、電流センサ50から与えられるモータ５の駆動電流の検出値を用いたフィードバック制御により行われ、この制御動作に応じてモータ５が発生する操舵補助力がラック軸１に加えられ、前述の如く操舵を補助することができる。

目標補助力の算出に用いる補助力マップは、車速、ヨーレート等、操舵に影響を与える走行状態毎に設定してあり、走行状態センサ70による走行状態の検出結果は、補助力マップの選定に用いられる。これにより、走行状態に応じて適正な操舵補助が実行される。

本発明に係る車両用操舵装置においては、前述の如く構成された操舵部材４に設けた力センサ６により係合スポーク46に加わるリム44の周方向の作用力を検出し、この検出結果に基づいて操舵部材４に加わる操舵トルクを求めており、ステアリング軸３の中途に低剛性のトーションバーを用いることなく操舵トルクを検出することができる。力センサ６として、前述の如くロードセルを用いた場合、係合スポーク46の押し付けによる感圧面の変位はわずかである。

従って、操舵部材４の回転操作は、遅れを伴うことなくステアリング軸３を介して舵取機構に伝わり、また力センサ６，６…の出力変化も速やかに生じるから、操舵の開始時、又は一方向から他方向への切り返し操舵時に、操舵補助用のモータ５により舵取機構に加えられる操舵補助力の応答遅れが大幅に緩和されて、操舵部材４を操作する運転者に良好な操舵感を体感させることができる。また力センサ６，６…は、ステアリング軸３から操舵部材４への力伝達に際してもダンパとして作用せず、操舵部材４を操作する運転者に十分な路面情報が伝わるようになり、路面の状況を正確に認識して的確な操舵を行わせることができる。

なお、力センサ６，６…は、固定ハブ41から放射状に延びる係合スポーク46，46の適宜部位に設けることができ、同様に操舵トルクの算出が可能となるが、係合スポーク46，46の中途部、又は係合スポーク46，46と固定ハブ41との連結部においては、力センサ６，６の配設が難しいことから、実施の形態に示すように、係合スポーク46，46とリム44との係合部に力センサ６，６を配設するのが望ましい。

また以上の実施の形態においては、可動ハブ42から放射状に延びる支持スポーク43、及び固定ハブ42から放射状に延びる係合スポーク46を各２本としてあるが、これらは、ステアリング軸３と同軸上にリム44を支持することが可能であり、また力センサ６による安定した力検出が可能であれば、各１本であってもよく、更には、リム44の周上への配設に支障を来さない範囲において、各３本以上の支持スポーク43及び係合スポーク46を設けることも可能である。

実施の形態に示すように、係合スポーク46を複数設け、これらの夫々に力センサ６を配した場合、例えば、夫々の力センサ６の検出結果の平均値を操舵トルクの算出に用いることにより、個々の特性の相違の影響を緩和して操舵トルクの検出精度を高めることが可能となり、また夫々の検出結果の相互比較により力センサ６の異常を判定し、異常な検出結果に基づく誤ったアシスト制御の実行を未然に防止することが可能である。

本発明に係る車両用操舵装置の全体構成を示す模式図である。 操舵部材の取り付け部近傍の要部拡大断面図である。 操舵部材の取り付け状態を示す上方からの平面図である。 操舵部材の取り付け状態を示す下方からの平面図である。

符号の説明

３ ステアリング軸、４ 操舵部材、６ 力センサ（トルク検出手段）、７ アシスト制御部（トルク検出手段）、41 固定ハブ、42 可動ハブ、43 支持スポーク、
44 リム、45 係合溝（係合部）、46 係合スポーク

Claims (3)

1. ステアリング軸の一端に取り付けてあり操舵のために回転操作される操舵部材と、該操舵部材に加えられる操舵トルクを検出するトルク検出手段とを備える車両用操舵装置において、
   前記操舵部材は、前記ステアリング軸の一端に固定された固定ハブと、前記ステアリング軸の一端に同軸上での相対回転可能に取り付けられた可動ハブと、該可動ハブから放射状に延びる支持スポークの先端に固定支持され、前記固定ハブから放射状に延びる係合スポークの先端に係合するリムとを備え、
   前記トルク検出手段は、前記係合スポークに前記リムの周方向に加わる力を検出する力センサと、該力センサの検出結果に基づいて前記操舵トルクを算出するトルク算出手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記力センサは、前記係合スポークと前記リムとの係合部に介装してある請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記係合スポーク及び力センサは、前記固定ハブ及びリムの周方向に複数設けてある請求項１又は請求項２記載の車両用操舵装置。

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