JP2010070083A - パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵輪の操舵角度をハンドルにフィードバックすると共に、電源をオフにするとハンドルを操作できない。
【解決手段】ハンドル装置１は、ハンドル５の旋回角度に応じて回転する入力軸１０と、フィードバック軸１１と、フィードバック軸１１に設けたウォームホイール２１と、ウォームホイール２１に連結するウォーム２０と、ウォーム２０を回転するフィードバック駆動部１３と、入力軸１０とフィードバック軸１１とのずれ角度を規制する規制部１５と、ずれ角度を検出するずれ角度センサ１２とを備える。操舵駆動装置は、操舵輪を操舵方向に駆動する操舵輪駆動部と、操舵輪の操舵角度を検出する操舵角度センサとを備える。制御部は、ずれ角度センサ１２からの信号に基づいて操舵輪駆動部を駆動して、操舵角度センサからの信号に基づいてフィードバック駆動部１３を駆動して、入力軸１０の回転に追従してフィードバック軸１１を回転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハンドルの旋回角度に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置に関する。

フォークリフト等の産業車両は、ハンドルの旋回角度に応じて、操舵輪の操舵方向の駆動を制御するパワーステアリング装置を備える。パワーステアリング装置は、ハンドルと操舵輪とを機械的リンクで連結する機械式と、ハンドルと操舵輪とを機械的には連結しないステアバイワイヤ式とがある。

ステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置は、ハンドルの旋回角度をセンサーで検出して、この旋回角度に応じて、駆動モータで操舵輪を操舵する（例えば、特許文献１及び特許文献２）。このパワーステアリング装置は、操舵輪が道路の縁石等に当接したりして旋回できなくてもハンドルを旋回できるようになっているので、ハンドルの方向と操舵輪の方向とが一致しないことがあり操作性に劣る。

また、操舵輪からの反力をハンドルにフィードバックするパワーステアリング装置がある（例えば、特許文献３）。このパワーステアリング装置は、操舵輪の操舵方向を検出して、操舵輪からの反力を操舵反力アクチュエータでハンドルにフィードバックして、ハンドルと操舵輪との角度の一致性を図っている。しかし、反力アクチュエータの構成については考慮されていないので、電気式モータやブレーキ等を採用したとき、電源をオフにしてもハンドルを操作できて、電源がオフのときにハンドルを旋回してしまうと、電源をオンにしたときに、ハンドルと操舵輪の方向とが大きくずれていることがある。
特開２００４−２０３０７５号公報 特開２０００−３５１３７９号公報 特開２００６−１５１０７３号公報、段落番号００１８、図１等

そこで、本発明が解決しようとする課題は、操舵輪の操舵角度をハンドルにフィードバックすると共に、電源をオフにするとハンドルを操作できないステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置を提供することである。

本発明は、ハンドルの旋回角度に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置において、
ハンドルに連結するハンドル装置と、
操舵輪に連結する操舵駆動装置と、
ハンドル装置と操舵駆動装置とを制御する制御部とを備える。
ハンドル装置は、
ハンドルの旋回角度に応じて回転する入力軸と、
入力軸と同一軸に設けたフィードバック軸と、
フィードバック軸に設けたウォームホイールと、
ウォームホイールに連結するウォームと、
ウォームを回転するフィードバック駆動部と、
入力軸とフィードバック軸とのずれ角度を所定範囲に規制する規制部と、
ずれ角度を検出するずれ角度センサとを備える。
操舵駆動装置は、
操舵輪を操舵方向に駆動する操舵輪駆動部と、
操舵輪の操舵角度を検出する操舵角度センサとを備える。
制御部は、
ずれ角度センサからのずれ角度信号に基づいて操舵輪駆動部を駆動して、操舵角度センサからの操舵角度信号に基づいてフィードバック駆動部を駆動して、入力軸の回転に追従してフィードバック軸を回転する。

好ましくは、ずれ角度を中立位置に付勢するための付勢部を備えている。

制御部は、旋回角度が、直進位置からステアリングエンドに向かう所定の第１範囲のとき、フィードバック軸の回転角度が操舵角度と略一致するように制御し、第１範囲から外れた第２範囲のとき、フィードバック軸の回転角度が操舵角度と異なるように制御する。

本発明に係るステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置は、ずれ角度センサからの信号に基づいて操舵輪駆動部を駆動し、操舵角度センサからの信号に基づいてフィードバック駆動部を駆動する。よって、ハンドル旋回による入力軸の回転に追従して、フィードバック軸が回転する。さらに、規制部は、入力軸とフィードバック軸との相対的なずれ角度を所定角度に規制するので、入力軸（ハンドル）がフィードバック軸（操舵輪）よりも所定角度以上に先行して回転しない。これにより、操舵輪の操舵角度をハンドルにフィードバックできる。

さらに、フィードバック軸は、ウォームを介してウォームホイールに連結している。ウォームは、フィードバック駆動部で回転する。ウォームホイールからウォームへの回転力は伝動しないので、フィードバック軸は、フィードバック駆動部の駆動力でのみ回転する。即ち、電源をオフにすると、フィードバック駆動部が停止して、フィードバック軸の回転が規制される。さらに、規制部が入力軸とフィードバック軸との相対的なずれ角度を所定角度に規制するので、入力軸の回転は規制されてハンドル旋回できない。これにより、電源がオフのときにはハンドルは旋回しないので、電源をオンにした際に、ハンドルと操舵輪との方向が大きくずれていることはない。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係るステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置について説明する。

［全体構成］
図１は、フォークリフトを示す側面図である。図１において、本発明に係るパワーステアリング装置に関係する部分は実線で、それ以外の部分は二点鎖線で表す。
図１に示すように、フォークリフトは、車体１００、シート１０１、フォーク１０２及びマスト１０３を備える。オペレーターは、シート１０１に着座して、フォーク１０２をマスト１０３に沿って昇降する等の操作を行う。

フォークリフトは、ハンドル５、前輪１０４及び操舵輪（後輪）６を備える。シート１０１に着座したオペレーターは、ハンドル５を旋回して、操舵輪６を操舵方向（直進方向から左右方向）に回転駆動する。フォークリフトは、ハンドル５に連結されたハンドル装置１、操舵輪６に連結された操舵駆動装置３、ハンドル装置１と操舵駆動装置３とを制御する制御部４を備える。

［操舵駆動装置］
操舵駆動装置３は、電動シリンダやＥＰＳモータ等からなる操舵輪駆動部３０を備える。操舵駆動装置３は、操舵輪６に連結され、軸中心に操舵方向へ回転するための操舵回転軸３２を備える。操舵輪駆動部３０は、歯車装置やリンク機構等からなる減速機構（連動機構）３３を介して、操舵回転軸３２へ駆動力を伝動する。

制御部４は、後で詳説する通り、ハンドル５の旋回に基づくハンドル装置１からの信号に応じて、操舵輪駆動部３０を駆動して、減速機構３３及び操舵回転軸３２を介して、操舵輪６を操舵方向に駆動する。操舵駆動装置３は、操舵輪６の操舵方向における操舵角度θ４を検出するための操舵角度センサ３１を備える。制御部４は、操舵角度θ４に基づく操舵角度センサ３１からの信号に応じて、ハンドル装置１を駆動する。

［ハンドル装置］
図２は、ハンドル装置を示す図である。図２（ａ）は側面断面図、図２（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。

図２に示すように、ハンドル装置１は、車体１００に固定されたハウジング部１９を備える。ハンドル装置１は、ハンドル５に連結された入力軸１０を備える。入力軸１０は、ハウジング部１９に設けられた軸受１０ａを介して、上下方向に延びる中心軸１１０の周りを回転自在に構成される。ハンドル５の旋回角度に同期して、入力軸１０は、中心軸１１０周りに回転する。

ハンドル装置１は、フィードバック軸１１を備える。フィードバック軸１１は、ハウジング部１９に設けられた軸受１１ａを介して、中心軸１１０の周りを回転自在に構成される。さらに、フィードバック軸１１は、入力軸１０と同一軸心である中心軸１１０周りを入力軸１０に独立して互いに回転する。

ハンドル装置１は、ずれ角度センサ１２を備える。ずれ角度センサ１２は、入力軸１０の回転角度θ１とフィードバック軸１１の回転角度θ２との相対的なずれ角度Δθ（θ１−θ２）を検出する。ずれ角度センサ１２は、ピックアップギア１２０を備える。ピックアップギア１２０は、中心軸１１０方向に移動自在に構成される。ピックアップギア１２０は、はすば歯車１２１と平歯車１２２とを有する。

入力軸１０は、はすば歯車１２３を有し、ピックアップギアのはすば歯車１２１と噛み合う。また、フィードバック軸１１は、平歯車１２５を有し、ピックアップギアの平歯車１２２と噛み合う。これにより、入力軸１０とフィードバック軸１１とのずれ角度Δθに比例して、ピックアップギア１２０は、中心軸１１０方向（上下方向）に移動する。

ずれ角度センサ１２は、ポテンショメータ１２６を備える。ポテンショメータ１２６がピックアップギア１２０の上下位置を検出することにより、ずれ角度センサ１２は、入力軸１０とフィードバック軸１１とのずれ角度Δθを検出する。

なお、ずれ角度センサ１２は、上記の構成に限らず、例えば、入力軸の回転角θ１を検出する回転センサと、フィードバック軸の回転角θ２を検出する回転センサとを備え、これらの回転角θ１、θ２の差Δθを演算する装置から構成してもよい。

ハンドル装置１は、ウォーム部２を備える。ウォーム部２は、ウォームホイール２１を備える。ウォームホイール２１は、フィードバック軸１１に設けられる。ウォーム部２は、ウォーム２０を備える。ウォーム２０は、ハウジング部１９に設けられた軸受２０ａを介して回転自在に構成される。そして、ハンドル装置１は、フィードバック駆動部１３を備える。フィードバック駆動部１３は、ウォーム２０を回転駆動する。

ウォーム部２は、ウォーム２０の回転によってウォームホイール２１を回転する。即ち、ウォーム部２は、ウォーム２０が回転しない限り、ウォームホイール２１が回転しないようになっている。そして、ウォーム２０はフィードバック駆動部１３で回転駆動するよう構成されているので、フィードバック軸１１は、フィードバック駆動部１３の出力に応じて回転する。

ハンドル装置１は、フィードバック軸角度センサ１４を備える。フィードバック軸角度センサ１４は、フィードバック軸１１の回転角度θ２を検出する。

［規制部］
図３は、規制部を示し、図２（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
ハンドル装置１は、入力軸１０とフィードバック軸１１とのずれ角度Δθを所定角度範囲（−θ３〜＋θ３）に規制するための規制部１５を備える（図２）。規制部１５は、入力軸１０とフィードバック軸１１とに設けられる。

従って、フィードバック軸１１の回転を停止した際、規制部１５は、入力軸１０の回転を所定角度範囲（−θ３〜＋θ３）に規制できるので、実質的に、入力軸１０の回転を停止して、ハンドル５の旋回を不能にできる。

図３に示すように、規制部１５は、中心ピン１５０及びストッパーピン１５１を備える。中心ピン１５０は、入力軸１０の中心（中心軸１１０）に設けられる。ストッパーピン１５１は、入力軸１０の両側に対向して設けられる。規制部１５は、中心ピン１５０を挟んで両側に一対の板バネからなる付勢部１５２を備える。

規制部１５は、第１当接部１５３及び第２当接部１５４を備える。第１当接部１５３は、入力軸１０に設けられる。第２当接部１５４は、フィードバック軸１１に設けられる。第１当接部１５３及び第２当接部１５４は、円弧状で平行に設けられる。本例では、中心ピン１５０の周りに、４つの第１当接部１５３及び第２当接部１５４が間隔を置いて設けられる。それぞれの第１当接部１５３及び第２当接部１５４の間に、ストッパーピン１５１及び付勢部１５２が配置される。

上記の通り、入力軸１０には、中心ピン１５０、ストッパーピン１５１及び第１当接部１５３が設けられる。そして、フィードバック軸１１には、第２当接部１５４が設けられる。従って、入力軸１０を回転すると、中心ピン１５０の周りをストッパーピン１５１及び第１当接部１５３が旋回する。

図３（ｂ）は、入力軸とフィードバック軸とのずれ角度Δθが０（中立位置）のときを示す。中立位置は、ハンドル５を所定の位置から左右どちらにも旋回しない位置である。中立位置では、ストッパーピン１５１は、第２当接部１５４に当接しない。そして、付勢部１５２は、第１当接部１５３及び第２当接部１５４を付勢しない。

図３（ａ）は、入力軸とフィードバック軸とのずれ角度Δθが−θ３（図左回り）のときを示す。ハンドル５（入力軸１０）を中心位置から左側（図左回り）に回転すると、第２当接部１５４に対して相対的に、ストッパピン１５１及び第１当接部１５３が、中心ピン１５０を中心に左側に回転する。

従って、入力軸１０は、ストッパピン１５１が第２当接部１５４に当たるまで（ずれ角度Δθが−θ３になるまで）回転可能である。そして、入力軸１０が回転すると、付勢部１５２は、一方側（固定端側となる）が第２当接部１５４で当接した状態で、他方側（自由端側となる）が第１当接部１５３で押されて、付勢力が蓄えられる。そのため、オペレーターがハンドル５の旋回を止めると、付勢部１５２の元に戻ろうとする付勢力によって、中立位置（図３（ｂ））に戻る。

図３（ｃ）は、入力軸とフィードバック軸とのずれ角度Δθが＋θ３（図右回り）のときを示す。ハンドル５（入力軸１０）を中心位置から右側（図右回り）に回転すると、上記の左回りと同様に、入力軸１０は、ストッパピン１５１が第２当接部１５４に当たるまで（ずれ角度Δθが＋θ３になるまで）回転可能である。また、オペレーターがハンドル５の旋回を止めると、付勢部１５２の元に戻ろうとする付勢力によって、中立位置（図３（ｂ））に戻る。

なお、規制部１５は、上記構成に限らず、レールとピンの組合せ等の公知技術で構成できる。また、付勢部１５２は、板バネに限らず、ねじりコイルバネ等で構成できる。

［パワーステアリング装置］
図４は、パワーステアリング装置を示すブロック図である。
図４に示すように、パワーステアリング装置は、ハンドル装置１、制御部４及び操舵駆動装置３を備える。ハンドル装置１及び操舵駆動装置３は、上記の通り構成される。また、制御部４は、ステアリングコントローラ４０及びフィードバックコントローラ４１を備える。

オペレーターがハンドル５を旋回すると、それに応じて、入力軸１０は、回転角度θ１だけ回転する。ずれ角度センサ１２は、入力軸の回転角度θ１とフィードバック軸の回転角度θ２とのずれ角度Δθを検出する。ずれ角度センサ１２は、ステアリングコントローラ４０へずれ角度Δθの信号を出力する（図２（ａ））。

ステアリングコントローラ４０は、ずれ角度Δθに基づいて、操舵輪駆動部３０を駆動する。ステアリングコントローラ４０は、ずれ角度Δθが−Δθ（左回り）のとき、操舵回転軸３２が右回りに回転するように操舵輪駆動部３０を駆動し、ずれ角度Δθが＋Δθ（右回り）のとき、操舵回転軸３２が左回りに回転するように操舵輪駆動部３０を駆動する。

この操舵回転軸３２の左右回転に応じて、操舵輪６が操舵方向へ旋回する。そして、操舵角度センサ３１は、操舵輪６（操舵回転軸３２）の操舵角度（回転角度）θ４を検出する。操舵角度センサ３１は、フィードバックコントローラ４１へ操舵角度θ４の信号を出力する。

フィードバックコントローラ４１は、操舵角度センサ３１からの操舵輪の操舵角度θ４の信号を入力する。フィードバックコントローラ４１は、操舵角度θ４と予め設定された所定関数ｆ（θ）とに基づいて、フィードバック軸１１が回転角度θ２だけ回転するように、フィードバック駆動部１３を制御する。

さらに、フィードバックコントローラ４１は、フィードバック軸角度センサ１４からのフィードバック軸の回転角度θ２の信号を入力する。これにより、フィードバックコントローラ４は、フィードバック軸１１が目標とする（所定関数ｆ（θ）に基づいて）回転角度θ２で回転しているかを判定して、ずれている場合は一致するように制御する。

このように、入力軸１０の回転に追従するように、フィードバック軸１１が回転するので、規制部１５で入力軸１０とフィードバック軸１１とのずれ角度Δθを所定角度範囲に規制しても、操舵輪６が左右ステアリングエンドになるまでハンドル５を旋回できる。

さらに、フィードバック軸１１は、ウォーム２０を介してウォームホイール２１に連結している。ウォームホイール２１からウォーム２０へ回転は伝動しないので、フィードバック軸１１は、フィードバック駆動部１３の駆動でのみ回転する（図２）。

フォークリフトは、バッテリー等の電源７を備えており（図１）、電源７の電力によって各駆動部１３，３０等を駆動する。そのため、電源をオフにすると、フィードバック駆動部１３が停止して、フィードバック軸１１の回転が規制される。そして、規制部１５が入力軸とフィードバック軸との相対的なずれ角度Δθを所定角度に規制するので、入力軸１０の回転は規制されてハンドル５の旋回ができない。これにより、電源をオンした際に、ハンドル５と操舵輪６との方向が大きくずれることはない。

［所定関数ｆ（θ）］
図５は、所定関数ｆ（θ）を説明するためのグラフ図である。上記の通り、フィードバックコントローラ４１は、入力される操舵角度θ４と予め設定した所定関数ｆ（θ）とに基づいて、フィードバック軸１１の回転角度θ２を設定する。

操舵角度θ４は、右回りでは０（直進方向）から＋θ４２（右側ステアリングエンド）まで、左回りでは０（直進方向）から−θ４２（左側ステアリングエンド）までとなる。第１所定関数ｆ１（θ）は、折れ線関数からなっており、操舵角度θ４が＋θ４１と−θ４１となる点（０＜｜θ４１｜＜｜θ４２｜）で折れた直線折れ関数になっている。

操舵角度θ４が−θ４１から＋θ４１の範囲（第１範囲Ｓ１）では、比例定数が１．０の直線関数となっており、回転角度θ２は旋回角度θ４と一致する（｜θ４１｜＝｜θ２１｜）。また、操舵角度θ４が−θ４２から−θ４１の範囲及び＋θ４１から＋θ４２の範囲（第２範囲Ｓ２）では、比例定数が１．０よりも小さな直線関数となっており、回転角度θ２は旋回角度θ４よりも小さい（｜θ４２｜＞｜θ２２｜）。

従って、第１範囲Ｓ１では、回転角度θ２は操舵角度θ４と一致するので、直進方向から小さく旋回する範囲では、オペレーターは、ハンドル５の旋回と同期するステアリング感度を得ることができる。また、第２範囲Ｓ２では、回転角度θ２は操舵角度θ４より小さいので、直進方向から大きく旋回する範囲では、オペレーターは、ハンドル５の旋回に敏感なステアリング感度を得ることができる。そのため、オペレーターは、少ないハンドルの回転数で操舵輪を操舵できる。

第２所定関数ｆ２（θ）は、上記第１所定関数ｆ１（θ）を連続的に曲線状に変化させた曲線関数からなっており、同様の特性を有する（図の二点鎖線）。
また、第２範囲Ｓ２において、回転角度θ２が操舵角度θ４より大きくなるようにして（｜θ４２｜＜｜θ２２｜）、ステアリング感度を鈍くすることもできる。

フォークリフトを示す側面図である。 ハンドル装置を示す図である。 規制部を示す断面図である。 パワーステアリング装置を示すブロック図である。 所定関数ｆ（θ）を説明するためのグラフ図である。

符号の説明

１ ハンドル装置
１０ 入力軸
１２ ずれ角度センサ
１１ フィードバック軸
１３ フィードバック駆動部
１４ フィードバック軸角度センサ
１５ 規制部
１１０ 中心軸
２ ウォーム部
２０ ウォーム
２１ ウォームホイール
３ 操舵駆動装置
３０ 操舵輪駆動部
３１ 操舵角度センサ
４ 制御部
５ ハンドル
４０ ステアリングコントローラ
４１ フィードバックコントローラ
６ 操舵輪
ｆ（θ） 所定関数
θ１ 入力軸の回転角度
θ２ フィードバック軸の回転角度
Δθ 入力軸とフィードバック軸とのずれ角度

Claims (3)

1. ハンドルの旋回角度に応じて操舵輪を操舵方向に駆動するステアバイワイヤ式のパワーステアリング装置において、
   前記ハンドルに連結するハンドル装置と、
   前記操舵輪に連結する操舵駆動装置と、
   前記ハンドル装置と前記操舵駆動装置とを制御する制御部とを備え、
   前記ハンドル装置は、
   前記ハンドルの旋回角度に応じて回転する入力軸と、
   前記入力軸と同一軸に設けたフィードバック軸と、
   前記フィードバック軸に設けたウォームホイールと、
   前記ウォームホイールに連結するウォームと、
   前記ウォームを回転するフィードバック駆動部と、
   前記入力軸と前記フィードバック軸とのずれ角度を所定範囲に規制する規制部と、
   前記ずれ角度を検出するずれ角度センサとを備え、
   前記操舵駆動装置は、
   前記操舵輪を操舵方向に駆動する操舵輪駆動部と、
   前記操舵輪の操舵角度を検出する操舵角度センサとを備え、
   前記制御部は、
   前記ずれ角度センサからのずれ角度信号に基づいて前記操舵輪駆動部を駆動して、前記操舵角度センサからの操舵角度信号に基づいて前記フィードバック駆動部を駆動して、前記入力軸の回転に追従して前記フィードバック軸を回転することを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 前記ずれ角度を中立位置に付勢するための付勢部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
3. 前記制御部は、前記旋回角度が、直進位置からステアリングエンドに向かう所定の第１範囲のとき、前記フィードバック軸の回転角度が前記操舵角度と略一致するように制御し、前記第１範囲から外れた第２範囲のとき、前記フィードバック軸の回転角度が前記操舵角度と異なるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーステアリング装置。

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