JP2012035738A - ステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化および軽量化が可能で、違和感のない操舵フィーリングを実現できるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータを提供する。
【解決手段】 この反力トルクアクチュエータは、転舵用の操舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、前記ステアリングホイールに操舵反力を発生させるものである。操舵反力の発生源であるモータ２と、このモータ２の出力を反力トルクとしてステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達する減速機構３と、前記操作軸１ｂに伝達される反力トルクの変動を低減するトルクダンパ５とを備える。前記モータ２、減速機構３およびトルクダンパ５を前記操作軸１ｂと同一軸心上で連結する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、転舵用の操舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータに関する。

ステアバイワイヤ式操舵装置では、ステアリングホイールを操作する運連者が適度な手応えを感じるように、ステアリングホイールの操作軸の回転動作に対して反力トルク（ステアリングホイールの回転方向と逆方向に作用するトルク）を発生させる反力トルクアクチュエータが設けられる。

このような反力トルクアクチュエータとして、モータ直結型のもの（例えば特許文献１）や、複数軸に歯車を配置した減速機構を使用したもの（例えば特許文献２）や、サイクロイド減速機構を用いたもの（例えば特許文献３）などが提案されている。

特開２００８−１２６６８５号公報 特開２００６−１５８９１号公報 特開２００５−１９９３７号公報

特許文献１に開示されているモータ直結型の反力トルクアクチュエータは、その反力発生源であるモータをステアリングホイールの操作軸に直結させたものであるが、ステアバイワイヤ式でない操舵装置の場合と同様の操舵反力を発生させるためには、高コストで大型なモータを使用しなければならないという問題がある。

反力トルクアクチュエータにおいては、高回転は必要とせず高トルクが得られれば十分であるため、特許文献２に開示の反力トルクアクチュエータのように、反力発生源であるモータからステアリングホイールの操作軸へのトルク伝達に減速機構を使用することが有効である。しかし、特許文献２に開示の反力トルクアクチュエータでは、歯車を複数軸に配した減速機構を使用しているため、アクチュエータが大型化してしまい、ステアバイワイヤ式操舵装置における操舵機構の占めるスペースが増大するという問題がある。

これに対して、特許文献３に開示の反力トルクアクチュエータでは、減速機構としてサイクロイド減速機構を用いているので省スペース化が可能である。しかし、この場合、減速機構のギヤノイズやバックラッシによる振動、およびモータコギングが減速機構を介して増幅されてしまい、結果として操舵フィーリングの低下を招くといった問題が残る。なお、モータのコギングトルクの変動による操舵フィーリングの低下を低減するために、特許文献１に開示の反力トルクアクチュエータのように、トルクダンパが付与されたものもある。

この発明の目的は、小型化および軽量化が可能で、かつ違和感のない操舵フィーリングを実現できるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータを提供することである。

この発明のステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータは、転舵用の操舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、ステアリングホイールに操舵反力を発生させる反力トルクアクチュエータであって、操舵反力の発生源であるモータと、このモータの出力を反力トルクとして前記ステアリングホイールの操作軸に伝達する減速機構と、前記操作軸に伝達される反力トルクの変動を低減するトルクダンパとを備え、前記モータ、減速機構、およびトルクダンパを、前記操作軸と同一軸心上に配置して順に連結したことを特徴とする。
この構成の反力トルクアクチュエータによると、モータの出力を減速機構を経て所定の減速比で反力トルクとしてステアリングホイールの操作軸に伝達することで、ステアリングホイールに、その操舵角に応じた操舵反力を発生させる。モータの出力は減速機構の減速比でステアリングホイールの操作軸に伝達されるので、モータとして小型のものを用いてもステアリングホイールに十分大きい操舵反力を発生させることができる。
特に、この反力トルクアクチュエータでは、モータ、減速機構およびトルクダンパを、ステアリングホイールの操作軸と同一軸心上に配置して連結しているので、モータの小型化と相まって、装置全体の小型化および軽量化が可能である。また、トルクダンパを設けて、ステアリングホイールの操作軸に伝達される反力トルクの変動を低減するようにしたので、モータのコギングと減速機構のギヤノイズによる振動を低減して、ステアリングホイールでの操舵フィーリングの低下を防止でき、違和感のない操舵フィーリングを実現できる。

この発明において、前記減速機構は、遊星歯車減速機、波動歯車減速機、および遊星ローラ減速機のうちのいずれかからなるものであっても良い。これら遊星歯車減速機、波動歯車減速機、および遊星ローラ減速機であると、いずれも大きな減速比が得られ、より一層の小型化が図れる。

この発明において、前記ステアリングホイールの操作軸の回転可能な回転角の範囲を制限する回転制限機構を、前記操作軸と同一軸心上に設けても良い。ステアリングホイールの回転制限機構についても、操作軸と同一軸心上に設けることで、より一層の小型化が図れる。

前記回転制限機構が遊星歯車減速機からなり、前記操作軸から回転が入力される入力軸の回転に対して減速される回転部分で前記操作軸の回転制限を行うものとしても良い。

この場合に、前記回転制限機構は、前記入力軸の回転に対して減速した回転を前記操作軸の回転制限のみに用い、出力軸の回転数が入力軸の回転数と同一となる構造としても良い。減速した回転を回転制限のみに用い、また出力軸の回転数が入力軸の回転数と同一となる構造であると、出力軸と入力軸に一体の軸を用いることができる。これにより、回転制限機構を操作軸と同一軸心上に設けることが容易となる。

この発明において、前記トルクダンパは、オイルシールで密閉され前記ステアリングホイールの操作軸が貫通するハウジングの空間内に、粘性流体を封入したものであっても良い。この場合に、前記粘性流体が、シリコングリス、シリコンオイル、およびシリコンゲルのうちのいずれかであっても良い。粘性流体を用いたトルクダンパであると、モータのコギングと減速機構のギヤノイズによる振動の低減の効果に優れ、ステアリングホイールでの操舵フィーリングの低下をより効果的に防止することができる。

また、前記トルクダンパの構造において、前記操作軸の前記ハウジング貫通部の外径部分、または前記ハウジングの内壁部を歯切り形状としても良い。なお、この明細書で「歯切り形状」とは、表面が複数並ぶ歯部に分割された形状を言う。この場合、操作軸と粘性流体との間の摩擦、または粘性流体とハウジング内壁部との間の摩擦が増大するので、それだけトルクダンパのダンパ効果を向上させることができる。

この発明において、前記ステアリングホイールの操作軸の回転角度を検出する操舵角センサを設けても良い。この場合に、前記操舵角センサを２系統以上設け、各操舵角センサの検出値を相互に比較することで故障モードの検出を可能としても良い。

この発明において、前記モータ、減速機構、およびトルクダンパが、密閉されたハウジングで覆われていても良い。

この発明のステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータは、転舵用の操舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、前記ステアリングホイールに操舵反力を発生させる反力トルクアクチュエータであって、操舵反力の発生源であるモータと、このモータの出力を反力トルクとして前記ステアリングホイールの操作軸に伝達する減速機構と、前記操作軸に伝達される反力トルクの変動を低減するトルクダンパとを備え、前記モータ、減速機構、およびトルクダンパを、前記操作軸と同一軸心上に配置して順に連結したため、小型化および軽量化が可能で、かつ違和感のない操舵フィーリングを実現することができる。

この発明の一実施形態にかかるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータの概略構成を示す図である。 同反力トルクアクチュエータの外観斜視図である。 （Ａ）は同反力トルクアクチュエータにおける減速機の正面図、（Ｂ）は同断面図である。 図１におけるIV−IV矢視断面図である。 同反力トルクアクチュエータにおけるトルクダンパを省略した場合の反力トルクの変動を示すグラフである。 同反力トルクアクチュエータにおけるトルクダンパを省略しなかった場合の反力トルクの変動を示すグラフである。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１はこの実施形態の反力トルクアクチュエータの概略図を示し、図２はその外観斜視図を示す。この反力トルクアクチュエータは、転舵用の操舵軸（図示せず）と機械的に連結されていないステアリングホイール１で操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、ステアリングホイール１に操舵反力を発生させる装置である。ステアリングホイール１は、運転者が回転操作するハンドル１ａと、その回転中心に位置してハンドル１ａと一体に回転する操作軸１ｂとでなり、操作軸１ｂは密閉された筒状のハウジング９内に挿入されて、軸受２１，２２を介してハウジング９に回転自在に支持されている。この反力トルクアクチュエータは、操舵反力の発生源であるモータ２と、このモータ２の出力を反力トルクとしてステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達する減速機構３と、ステアリングホイール１の操作軸１ｂの回転を制限する回転制限機構４と、前記操作軸１ｂに伝達される反力トルクの変動を低減するトルクダンパ５とを備える。

前記モータ２、減速機構３、回転制限機構４およびトルクダンパ５は、ステアリングホイール１の操作軸１ｂと同一軸心上でこの配列順序に並べられて連結され、前記ハウジング９で覆われている。すなわち、モータ２は、その回転軸６がステアリングホイール１の操作軸１ｂと同一軸心上に並ぶように、操作軸１ｂの軸方向延長上に配置されて密閉されたハウジング９で覆われ、回転軸６が軸受７，８を介してハウジング９に支持されている。

減速機構３は、２つの遊星歯車減速機１０，１１を備える２段の遊星歯車減速機からなり、これもその回転中心が操作軸１ｂと同一軸心となるように、モータ２の出力側に配置される。これら２段の遊星歯車減速機１０，１１は、いずれも、サンギヤが入力段、インターナルギヤが固定、遊星キャリアが出力段となるように構成されており、１段目の遊星歯車減速機１０の入力段であるサンギヤの軸心にモータ２の回転軸６が連結される。このように、減速機構３を２段の遊星歯車減速機１０，１１で構成することにより、最適な減速比に設定することができる。なお、最適な減速比が設定できれば、遊星歯車減速機の段数は１段でも多段でも良い。減速機構３を遊星歯車減速機１０，１１で構成する代わりに、波動歯車減速機や遊星ローラ減速機で構成しても良い。

回転制限機構４は遊星歯車減速機１２からなり、減速機構３の出力側、つまり減速機構３の２段目の遊星歯車減速機１２に隣接して、操作軸１ａと同一軸心となるように配置される。図３（Ａ），（Ｂ）は、回転制限機構４を構成する遊星歯車減速機１２の正面図および断面図を示す。この遊星歯車減速機１２では、サンギヤ１２ａが入力段、複数の遊星ギヤ１２ｂを支持する遊星キャリア１２ｃが固定、インターナルギヤ１２ｄが出力段となるように構成されており、減速機構３における２段目の遊星歯車減速機１１の出力段となる遊星キャリアの回転軸１３がサンギヤ１２ａの軸心を貫通して、反力トルクアクチュエータの最終出力端となるステアリングホイール１の操作軸１ｂに直結されている。回転制限機構４を構成する遊星歯車減速機１２のインターナルギヤ１２ｄの片面には、図１のように係合部であるストッパピン１４が突設されている。このストッパピン１４がハウジング９の内壁部に固定されたストッパ１５に当接することで、ステアリングホイール１の操作軸１ｂの回転可能な角度範囲が所定角度に制限される。この回転制限機構４では、遊星歯車減速機１２の減速比を変更することにより、操作軸１ｂの回転角を任意に制限することが可能となる。ここでは、入力段であるサンギヤ１２ａの回転軸（減速機構３における出力段の回転軸１３に等しい）の回転に対して減速したインターナルギヤ１２ｄの回転が操作軸１ｂの回転制限に用いられている。

なお、ここでは、遊星歯車減速機１２の遊星キャリア１２ｃを固定し、インターナルギヤ１２ｄの出力を回転制限に用いているが、インターナルギヤ１２ｄを固定して、遊星キャリア１２ｃの出力を回転制限に用いても良い。このほか、回転制限機構４を構成する遊星歯車減速機において、その入力軸の回転に対して減速した回転を操作軸１ｂの回転制限にのみ用い、出力軸の回転数を入力軸の回転数と同一にしても良い。この場合、減速機構３の出力段の回転軸１３の回転を、回転制限機構４を経てそのまま操作軸１ｂに伝達でき、減速機構３と操作軸１ｂとの間に回転制限機構４が介在しても、モータ２の出力である反力トルクを減速機構３の減速比で操作軸１ｂに伝達できる。
また、ここでは、回転制限機構４を減速機構３の出力側に配置しているが、これに限らず減速機構３の入力側に配置しても良い。

トルクダンパ５は、ハウジング９内において、オイルシール１６で密閉されステアリングホイール１の操作軸１ｂが貫通する空間に粘性流体１７を封入して構成される。この場合の粘性流体１７として例えばシリコングリスが封入されるが、粘性流体１７として、そのほかシリコンオイルやシリコンゲルを使用しても良い。操作軸１ｂの前記ハウジング貫通部の外径部分は、図４に断面図で示すように歯切り形状とされている。この歯切り形状とすることで、操作軸１ｂと粘性流体１７の間の摩擦が増大して、ダンパ効果を上げることができる。歯切り形状は、歯車状の形状や、スプライン、セレーション、スパイラルなど、摩擦を増大させる形状であれば何れの形状でも良い。なお、この実施形態では、操作軸１ｂ側に歯切り加工を行っているが、ハウジング９の内壁面に歯切り加工を行っても同様の効果を得ることができる。

また、モータ２には、ステアリングホイール１の操作軸１ｂの回転角度を検出する２系統の操舵角センサ１８，１９が設けられている。これらの操舵角センサ１８，１９はモータ２の回転軸６の回転角度を検出する構成となっているが、モータ２の回転軸６の回転は減速機構３で設定される所定の減速比でステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達されるので、操舵角センサ１８，１９が検出するモータ２の回転軸６の回転角度から、操舵角を割り出すことができる。操舵角センサ１８，１９によって検出された操舵角は、ステアバイワイヤ式操舵装置の全体を制御するＥＣＵ（電気制御ユニット）２０に入力され、ＥＣＵ２０は検出された操舵角に応じた操舵反力を発生するようにモータ２の出力を制御する。ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータおよびその制御プログラムを含む電子回路等により構成される。

この実施形態では、ステアリングホイール１の操作軸１ｂの回転角度を検出する２系統の操舵角センサ１８，１９が設けられているので、これらの検出値を相互に比較することにより故障モードの検出が可能である。

この構成の反力トルクアクチュエータによると、操舵角センサ１８，１９の検出する操舵角に応じてＥＣＵ２０がモータ２の出力を制御する。モータ２の出力は減速機構３を経て所定の減速比で反力トルクとしてステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達される。これにより、ステアリングホイール１には、その操舵角に応じた操舵反力が発生する。モータ２の出力は減速機構３の減速比でステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達されるので、モータ２として小型のものを用いてもステアリングホイールに十分大きい操舵反力を発生させることができる。
特に、この反力トルクアクチュエータでは、モータ２、減速機構３、回転制限機構４およびトルクダンパ５を、ステアリグホイール１の操作軸１ｂと同一軸心上に配置して連結しているので、モータ２の小型化と相まって、装置全体の小型化および軽量化が可能である。また、トルクダンパ５を反力トルクアクチュエータの最終出力段に設けて、ステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達される反力トルクの変動を低減するようにしているので、モータ２のコギングと減速機構３のギヤノイズによる振動を低減して、ステアリングホイール１での操舵フィーリングの低下を防止でき、違和感のない操舵フィーリングを実現できる。

図５および図６は、この実施形態の反力トルクアクチュエータにおいて、トルクダンパ５を省略した場合と省略しない場合とで、モータ２からステアリングホイール１の操作軸１ｂに伝達される反力トルクのトルクリップルを比較して示したグラフである。トルクダンパ５を省略しない場合を示す図６のグラフでは、トルクダンパ５を省略した場合を示す図５のグラフに比べて、およそ５０％程度トルクリップルが低減している。つまり、トルクダンパ５による反力トルクの変動低減効果が高いことが分かる。

１…ステアリングホイール
１ｂ…ステアリングホイールの操作軸
２…モータ
３…減速機構
４…回転制限機構
５…トルクダンパ
９…ハウジング
１０，１１…減速機構の遊星歯車減速機
１２…回転制限機構の遊星歯車減速機
１４…ストッパピン
１５…ストッパ
１７…粘性流体
１８，１９…操舵角センサ

Claims (11)

1. 転舵用の操舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、前記ステアリングホイールに操舵反力を発生させる反力トルクアクチュエータであって、
   操舵反力の発生源であるモータと、このモータの出力を反力トルクとして前記ステアリングホイールの操作軸に伝達する減速機構と、前記操作軸に伝達される反力トルクの変動を低減するトルクダンパとを備え、前記モータ、減速機構、およびトルクダンパを、前記操作軸と同一軸心上に配置して順に連結したことを特徴とするステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記減速機構が、遊星歯車減速機、波動歯車減速機、および遊星ローラ減速機のうちのいずれかからなるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２において、前記ステアリングホイールの操作軸の回転可能な回転角の範囲を制限する回転制限機構を、前記操作軸と同一軸心上に設けたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
4. 請求項３において、前記回転制限機構が遊星歯車減速機からなり、前記操作軸から回転が入力される入力軸の回転に対して減速される回転部分で前記操作軸の回転制限を行うものとしたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
5. 請求項４において、前記回転制限機構は、前記入力軸の回転に対して減速した回転を前記操作軸の回転制限のみに用い、出力軸の回転数が入力軸の回転数と同一となる構造であるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記トルクダンパは、オイルシールで密閉され前記ステアリングホイールの操作軸が貫通するハウジングの空間内に、粘性流体を封入したものであるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
7. 請求項６において、前記粘性流体が、シリコングリス、シリコンオイル、およびシリコンゲルのうちのいずれかであるステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
8. 請求項６において、前記操作軸の前記ハウジング貫通部の外径部分、または前記ハウジングの内壁部を歯切り形状としたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記ステアリングホイールの操作軸の回転角度を検出する操舵角センサを設けたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
10. 請求項９において、前記操舵角センサを２系統以上設け、各操舵角センサの検出値を相互に比較することで故障モードの検出を可能としたステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記モータ、減速機構、およびトルクダンパが、密閉されたハウジングで覆われているステアバイワイヤ式操舵装置の反力トルクアクチュエータ。

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