JP2012131327A

JP2012131327A - 車両用操舵装置

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Publication number: JP2012131327A
Application number: JP2010284445A
Authority: JP
Inventors: Daruma Kawachi; 達磨河内
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: EP2657103A4; CN103269938A; EP2657103A1; US20130275010A1; WO2012086677A1; JP5664214B2; EP2657103B1; US8682538B2; CN103269938B

Abstract

【課題】角度センサを用いることなくステアリングホイールを所望のチルト位置に移動させることができる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】上端にステアリングホイール１が取り付けられたステアリングシャフト５の所定位置へのチルト動作をモータ１５の駆動力を用いて行う車両用操舵装置。チルト動作時にステアリングシャフト５を移動させることができるチルト駆動モータ１５と、このチルト駆動モータ１５の駆動を制御する制御部とを備えている。制御部は、その内部にステアリングシャフト５を回転可能に支持するステアリングコラム７ａ７ｂに発生する、チルト駆動モータ１５のトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラム７ａ７ｂの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からチルト変位量が決まるように、チルト駆動モータ１５を駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は車両用操舵装置に関する。さらに詳しくは、記憶されたチルト位置（及びテレスコ位置）へのステアリングホイールの移動をモータ駆動により行うことができる車両用操舵装置に関する。

車両用操舵装置の分野では、近年、操舵部材であるステアリングホイールの位置をドライバ毎の最適な位置に自動調整することができるものが提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。

かかる車両用操舵装置では、ドライバにとって最適なステアリングホイールの位置（ドライバポジション）を予め記憶させておき、ダッシュボードに設けられた操作パネルの選択スイッチなどの操作により、記憶された位置へステアリングホイールがモータ駆動によって移動される。

特開昭６３−２６５７６６公報特開平５−２２９３７５公報

前述したモータ駆動による位置制御可能な車両用操舵装置では、角度センサを用いてチルト位置を検出し、この検出結果に基づいてモータの駆動を制御しているが、角度センサは高価であるので、当該車両用操舵装置は、一部の高級車に採用されているに過ぎず、一般車への普及は進んでいない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、角度センサを用いることなくステアリングホイールを所望のチルト位置に移動させることができる車両用操舵装置を提供することを目的としている。

（１）本発明の車両用操舵装置は、上端にステアリングホイールが取り付けられたステアリングシャフトの所定位置へのチルト動作をモータの駆動力を用いて行う車両用操舵装置であって、
チルト動作時に前記ステアリングシャフトを移動させることができるチルト駆動モータと、
このチルト駆動モータの駆動を制御する制御部と
を備えており、
前記制御部は、その内部に前記ステアリングシャフトを回転可能に支持するステアリングコラムに発生する、前記チルト駆動モータのトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からチルト変位量が決まるように、当該チルト駆動モータを駆動させることを特徴としている。

本発明の車両用操舵装置では、ステアリングコラムに発生する、前記チルト駆動モータのトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からチルト変位量が決まるように、オープン制御によってチルト駆動モータの駆動が制御される。このため、従来の高価な角度センサを用いることなく、チルト位置制御を行うことができる。

（２）前記（１）の車両用操舵装置において、前記制御部は、チルト変位量θに応じて、前記チルト駆動モータへの所定の通電パターンにおける通電時間を調整することで前記ステアリングコラムを目標位置までチルト動作させるように構成されていることが好ましい。この場合、チルト駆動モータへの通電時間を調整することで、ステアリングコラムを目標位置まで移動させることができる。

（３）前記（１）又は（２）の車両用操舵装置において、前記制御部は、所定値を超える操舵トルクがチルト動作中に検出されたときに、前記ステアリングコラムをチルト動作の初期位置に戻すように前記チルト駆動モータを駆動させることが好ましい。オープン制御を行う場合、大きな外力（操舵トルク）がステアリングコラムに作用すると、制御後の位置が記憶された最適位置からずれてしまう恐れがあるが、所定値を超える操舵トルクがチルト動作中に検出されたときに、ステアリングコラムをチルト動作の初期位置に戻すことで、このような位置ずれを防止することができる。初期位置に戻したステアリングコラムに対しては、再度、前述したオープン制御によって、記憶されている最適なチルト位置に移動させることができる。

（４）前記（３）の車両用操舵装置において、前記ステアリングコラムの初期位置への復帰を検出するセンサを備えていることが好ましい。この場合、当該センサの検出に基づいてステアリングコラムを確実に所定の初期位置に戻すことができる。

（５）前記（１）〜（４）の車両操舵装置において、前記ステアリングコラムをテレスコ動作させることができるテレスコ駆動モータを備えており、
前記制御部は、このテレスコ駆動モータの駆動を制御し、且つ、前記ステアリングコラムに発生する、前記テレスコ駆動モータのトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からテレスコ変位量が決まるように、当該テレスコ駆動モータを駆動させることが好ましい。この場合、チルト動作だけでなく、テレスコ動作についても記憶された最適なテレスコ位置にステアリングホイールを移動させることができる。

（６）前記（１）〜（５）の車両用操舵装置において、操舵補助用のモータが、前記チルト駆動モータ及びテレスコ駆動モータとしても機能することが好ましい。この場合、１つのモータが、操舵補助用のモータ、チルト駆動モータ及びテレスコ駆動モータを兼用することで装置の部品点数を減らすことができる。

本発明の車両用操舵装置によれば、角度センサを用いることなくステアリングホイールを所望のチルト位置に移動させることができる。

本発明の車両用操舵装置の一実施の形態の部分説明図である。本発明の車両用操舵装置を用いたチルト位置制御のフローチャートである。通電パターンの説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の車両用操舵装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る車両用操舵装置の部分説明図である。車両用操舵装置である電動パワーステアリング装置は、ドライバにより操舵されるステアリングホイール１と、このステアリングホイール１の操舵に連動して転舵輪２を転舵させる操舵機構３と、ドライバによる操舵の補助を行う操舵補助機構４と、ステアリングホイール１と操舵機構３とを連結し、当該ステアリングホイール１の回動を操舵機構３に伝達するステアリングシャフト５及び中間軸６とを備えている。

ステアリングシャフト５は、上部ステアリングシャフト５ａと下部ステアリングシャフト５ｂとからなっており、上部ステアリングシャフト５ａの一端（上端）にステアリングホイール１が連結されており、他端にテレスコープ駆動部１０及び自在継手（図示せず）を介して下部ステアリングシャフト５ｂが連結されている。

上部ステアリングシャフト５ａは、筒状の上部ステアリングコラム７ａ内に配設された前記テレスコープ駆動部１０内を挿通している。上部ステアリングシャフト５ａは、テレスコープ駆動部１０に上下に伸縮し得るが回転はできないように連結されている。一方、このテレスコープ駆動部１０は、上部ステアリングコラム７ａに回転自在に支持されている。したがって、上部ステアリングシャフト５ａは、テレスコープ駆動部１０を介して当該上部ステアリングコラム７ａ内で回転自在に支持されている。上部ステアリングコラム７ａは、下部ステアリングコラム７ｂの上端部に回動軸８を介して上下回転自在に取り付けられている。下部ステアリングコラム７ｂは、車両のシャーシ９に固定されている。
テレスコープ駆動部１０は、テレスコ駆動モータ（図示せず）を備えており、例えばウォーム機構と送りねじ機構などを用いて前記上部ステアリングシャフト５ａを軸方向に沿って進退駆動させる。

下部ステアリングコラム７ｂには、上部ステアリングコラム７ａ、すなわちステアリングホイール１にチルト動作をさせるチルト駆動部１１が設けられている。チルト駆動部１１には、ロッド１２が軸方向に進退自在に設けられており、このロッド１２の先端部が、上部ステアリングコラム７ａに一体に形成されたアーム部１３にピン１４を介して軸方向に進退自在に取り付けられている。チルト駆動部１１は、チルト駆動モータ１５を備えており、このチルト駆動モータ１５を回転駆動させることにより図示しないウォーム機構と送りねじ機構などを介してロッド１２が伸縮させられる。ロッド１２が伸びると、図１において一点鎖線で示されるように、上部ステアリングコラム７ａが上方に回転し、ステアリングホイール１が最上部の退避位置まで移動し、逆に、ロッド１２が縮むと、図１において実線で示されるように、上部ステアリングコラム７ａが下方に回転し、上部ステアリングシャフト５ａが上部ステアリングコラム７ａの軸とほぼ同軸となる位置まで移動する。

操舵機構３は、入力軸としてのピニオン軸１６と、出力軸としてのラック軸１７とを備えている。前記中間軸６は、ピニオン軸１６に連結されており、ステアリングホイール１の回動は、前記ステアリングシャフト５及び中間軸６を介してピニオン軸１６に伝達される。これにより、ピニオン軸１６が回動する。ピニオン軸１６の回動は、後述するピニオンとラック軸１７との噛み合いにより当該ラック軸１７の軸方向の移動に変換され、その結果、ラック軸１７に連結された転舵輪２が転舵される。

ピニオン軸１６は、前記中間軸６に継手１８を介して連結された入力軸１９と、この入力軸１９にトーションバー２０を介して連結された出力軸２１と、この出力軸２１の端部（下端）に形成されたピニオン２２とを備えている。入力軸１９及び出力軸２１は、トーションバー２２を介して同一直線上において相対回転可能に連結されている。これにより、ステアリングホイール１の回動により入力軸１９にその軸線廻りの回転トルクが入力されると、トーションバー２２が、弾性ねじり変形しつつ当該回転トルクを出力軸２１に伝達する。

トーションバー２２の周囲にはトルクセンサ２３が配設されており、このトルクセンサ２３は、入力軸１９及び出力軸２１間の相対回転変位量に基づいてドライバによる操舵トルクを検出するように構成されている。トルクセンサ２３により検出された操舵トルクは、車両に装備されているＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２４に入力される。

操舵補助機構４は、操舵トルクなどに応じた操舵補助力を操舵機構３に与えるものであり、操舵補助用の電動モータ２５と、この電動モータ２５の動力を操舵機構３のラック軸１３に伝達するための伝達機構２６とを備えている。この伝達機構２６は、電動モータ２５の回転を減速させてラック軸１３に伝達するギヤなどからなる減速機構２７と、この減速機構２７から伝達された回転をラック軸１３の軸方向移動に変換するための変換機構としてのボールねじ機構２８とを含んでいる。

ドライバによりステアリングホイール１が操舵されると、トーションバー２０の周囲に配設されたトルクセンサ２３によって操舵トルクが検出され、検出された操舵トルクはＥＣＵ２４に入力される。このＥＣＵ２４は、入力された検出結果や、図示しない車速センサから入力される車速などに基づいて電動モータ２５の駆動を制御する。これにより、操舵トルクや車速などに基づく動力が電動モータ２５から出力される。出力された動力は、伝達機構２６を構成する減速機構２７及びボールねじ機構２８により、操舵補助力としてラック軸１３に伝達され、ドライバの操舵が補助される。

前記チルト駆動モータ１５、テレスコ駆動モータ及び操舵補助用の電動モータ２５は、ＥＣＵ２４に接続されており、このＥＣＵ２４の制御部によって、その駆動が制御されるように構成されている。

本実施の形態に係る電動パワーステアリング装置では、ステアリングホイール１の位置を、当該車両を運転するドライバにとって最適な位置に制御することができる。この最適な位置は、一又は複数のドライバについて、予めＥＣＵ２４の記憶部に記憶させておくことができる。この記憶部への記憶は、ステアリングホイール１が所望の位置にあるときに、例えばダッシュボードに設けられた操作パネル（図示せず）の設定スイッチを操作するなど公知の手法により行うことができる。

ステアリングホイール１のチルト位置の制御は、上部ステアリングコラム７ａに発生する、前記チルト駆動モータ１５のトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からチルト変位量が決まるように当該チルト駆動モータ１５の駆動を制御することで行われる。

ステアリングホイール１を含めたチルト駆動側を、チルト変位θ分だけ変位させようとすると、当該チルト駆動側には、チルト駆動側分の全長Ｌに、チルト駆動側の全質量であるｍｇ（ｇは重力加速度）及びその形状に応じた慣性Ｊ（チルト慣性）に基づく力が必要である。

また、チルト駆動側の先端部（例えば、ステアリングホイール）に着目すると、この先端部はチルト駆動軸である回動軸７の回転に対して、遅れながら追従することが考えられる。このような共通の部品において、或る点の変位速度ｖに対して、別の点の変位速度ｖ´が遅れるような特性は粘性と呼ばれ、この粘性が前記回動軸７を基点としてチルト駆動側に働く可能性があり、これをチルト粘性Ｃと呼ぶことにする。

今、チルト駆動モータ１５のモータ電圧をＶ、モータ抵抗をＲ、モータ電流をＩ、逆起電力係数をｋ、モータ回転角速度をω、モータトルクをＴｍ、トルク定数をＧ、減速比をｎ、チルト駆動側にかかる負荷（操舵トルク）をＴ負荷とすれば、以下の式（１）〜（４）が成り立ち、このうち運動方程式である式（３）より、チルト駆動モータ１５のモータトルクと操舵トルクとの偏差（ｎ・Ｔｍ±Ｔ負荷）がチルト駆動側の慣性量及び粘性量の和（Ｊθ´´＋Ｃθ´）となる。
Ｖ＝Ｒ・Ｉ＋ｋ・ω ・・・・・・（１）
Ｔｍ＝Ｇ・Ｉ・・・・・・（２）
ｎ・Ｔｍ±Ｔ負荷＝Ｊ・θ´´＋Ｃ・θ´ ・・・・・・（３）
ω＝ｎ・θ´ ・・・・・・（４）

以上の式（１）〜（４）より、チルト駆動モータの電流Ｉとチルト角度θとを変数にもつ方程式θ＝ｆ（Ｉ）を導くことができ、チルト駆動側に作用する負荷に変動がない場合、チルト駆動モータ１５の電流Ｉに対しチルト角度θが一意に決まるので、予め設定した電流パターンを用いてオープン制御を行うことで、ステアリングホイール１の位置を所望のチルト位置へ移動させることができる。

電流パターンとしては、例えば図３に示される台形状のパターンとすることができ、この場合、電流の立ち上げ部分Ａと下降部分Ｂを除いた一定値部分Ｃの時間ｔを変えることで、チルト角度θを変えることができる。電流特性上、前記立ち上げ部分Ａと下降部分Ｂとの和は略一定であり、既知であるので、この部分を考慮した通電時間を設定することで、チルト角度θを変えることができる。

チルト駆動モータ１５がチルト駆動側を駆動するために必要なトルクＴｍにより、チルト変位量θの時間微分をｄθ／ｄｔ（＝θ´）とすると、Ｊθ´´＋Ｃθ´分の機械的な変位になる。

ここで、ドライバがステアリングホイール１を操舵したとすると、操舵トルク（Ｔ負荷）がチルト駆動側の慣性や粘性に追加される。ここで、操舵トルクＴ負荷は、一時的に作用する負荷であるので、チルト駆動モータ１５に必要な目標トルクＴ´をＴｍ±Ｔ負荷とすれば、操舵トルクが働いても、その分を含む不必要なモータトルクを発生させようとせずに、記憶部に記憶された目標位置に到達するために必要な駆動トルクだけを生じさせることができる。

ここで、予め設定された通電パターンは、前述したようにチルト角度θに応じて通電時間が決められているが、目標トルクＴ´に応じた電流値を通電パターンにおける一定の電流値に対する補正値として加えてチルト駆動モータを駆動させることで、チルト駆動モータの負荷変動、すなわち操舵トルク変動が生じても、決められた通電時間通りにステアリングコラムを目標のチルト位置に到達させることができる。

ただし、負荷変動が大きすぎると、制御後の位置が目標位置とずれるため、所定値を超える外力変動があった場合には、チルト制御は中断して、ステアリングコラムを初期位置に移動させることが好ましい。

図２は、そのような初期位置への移動を含むチルト位置制御のフローチャートである。
ドライバによってチルト制御のスタートスイッチが操作されると、ステップＳ１において、ＥＣＵ２４の制御部は、ドライバに対し、ステアリングホイール１周辺に手を置かないように警告を発する。この警告は、ダッシュボードに設けられた操作パネルに表示したり、音声を発したりすることで行うことができる。

ついで、ステップＳ２において、ＥＣＵ２４の記憶部に予め記憶されている前記ドライバの最適なチルト位置へ上部ステアリングコラム５ａを移動させる制御が行われる。
チルト制御が開始されると、常時、操舵トルクの検出が監視され、電動パワーステアリング装置Ｐのトルクセンサ２３によりトルクが検出されると（ステップＳ３）、前記制御部は、検出されたトルク値の絶対値が所定の閾値未満であるか否かの判断を行う（ステップＳ４）。

ステップＳ４において、ＥＣＵ２４の制御部は、検出されたトルク値の絶対値が所定の閾値未満である（Ｙｅｓ）と判断すると、ステップＳ５へ処理を進め、このステップＳ５において、所定のチルト位置制御が終了したか否かの判断を行う。ステップＳ５において、制御部は、所定のチルト位置制御が終了した（Ｙｅｓ）と判断すると、処理を終了させる。ステップＳ５において、所定のチルト位置制御が終了していない（Ｎｏ）と判断されると、ステップＳ２に戻り、チルト位置メモリー制御が継続される。

一方、ステップＳ４において、制御部は、検出されたトルク値の絶対値が所定の閾値以上である（Ｎｏ）と判断すると、ステップＳ６へ処理を進め、当該ステップＳ６において、ドライバへ異常があったことを警告する。この警告は、ステップＳ１における警告と同様にダッシュボードに設けられた操作パネルに表示したり、音声を発したりすることで行うことができる。

ついで、ＥＣＵ２４の制御部は、チルト駆動モータ１５を駆動させて上部ステアリングコラム５ａを所定の初期位置へ戻す。この場合、前記所定の初期位置の近傍には、上部ステアリングコラム５ａが当該初期位置へ戻ったときに、当該上部ステアリングコラム５ａの一部と接触ないし当接し得るリミットスイッチや、当該上部ステアリングコラム５ａの接近を検知し得る近接スイッチなどを設けることが好ましい。
ステップＳ７において、ステアリングコラムが初期位置で戻されると、ステップＳ１へ戻って、再度、前述したチルト位置メモリー制御が繰り返されるので、正確なチルト角度を決定することができる。

〔その他の変形例〕
なお、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更が可能である。例えば、前述した実施の形態では、上部ステアリングコラムが最も上方にあるときを初期位置としているが、上部ステアリングコラムが最も下方にあるときを初期位置としてもよい。

また、前述した実施の形態では、チルト駆動モータ、テレスコ駆動モータ及び操舵補助用のモータを別々に設けているが、操舵補助用のモータに、チルト駆動モータ及びテレスコ駆動モータを兼用させることもできる。

また、前述した実施の形態では、チルト位置の制御をオープン制御により行っているが、テレスコ位置についても同様にしてオープン制御を行うことができる。

１：ステアリングホイール、２：転舵輪、３：操舵機構、４：操舵補助機構、５：ステアリングシャフト、５ａ：上部ステアリングシャフト、５ｂ：下部ステアリングシャフト、６：中間軸、７ａ：上部ステアリングコラム、７ｂ：下部ステアリングコラム、８：回動軸、９：シャーシ、１０：テレスコープ駆動部、１１：チルト駆動部、１２：ロッド、１３：アーム部、１４：ピン、１５：チルト駆動モータ、１６：ピニオン軸、１７：ラック軸、１８：継手、１９：入力軸、２０：トーションバー、２１：出力軸、２２：ピニオン、２３：トルクセンサ、２４：ＥＣＵ、２５：電動モータ、２６：伝達機構、２７：減速機構、２８：ボールねじ機構

Claims

上端にステアリングホイールが取り付けられたステアリングシャフトの所定位置へのチルト動作をモータの駆動力を用いて行う車両用操舵装置であって、
チルト動作時に前記ステアリングシャフトを移動させることができるチルト駆動モータと、
このチルト駆動モータの駆動を制御する制御部と
を備えており、
前記制御部は、その内部に前記ステアリングシャフトを回転可能に支持するステアリングコラムに発生する、前記チルト駆動モータのトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からチルト変位量が決まるように、当該チルト駆動モータを駆動させることを特徴とする、車両用操舵装置。
前記制御部は、チルト変位量θに応じて、前記チルト駆動モータへの所定の通電パターンにおける通電時間を調整することで前記ステアリングコラムを目標位置までチルト動作させるように構成されている、請求項１に記載の車両用操舵装置。
前記制御部は、所定値を超える操舵トルクがチルト動作中に検出されたときに、前記ステアリングコラムをチルト動作の初期位置に戻すように前記チルト駆動モータを駆動させる、請求項１又は２に記載の車両用操舵装置。
前記ステアリングコラムの初期位置への復帰を検出するセンサを備えている請求項３に記載の車両用操舵装置。
前記ステアリングコラムをテレスコ動作させることができるテレスコ駆動モータを備えており、
前記制御部は、このテレスコ駆動モータの駆動を制御し、且つ、前記ステアリングコラムに発生する、前記テレスコ駆動モータのトルクと操舵トルクとの合力により、ステアリングコラムの慣性及び粘性を考慮した機械システムの開伝達関数からテレスコ変位量が決まるように、当該テレスコ駆動モータを駆動させる、請求項１〜４のいずれかに記載の車両用操舵装置。
操舵補助用のモータが、前記チルト駆動モータ及びテレスコ駆動モータとしても機能する、請求項１〜５のいずれかに記載の車両用操舵装置。