JP2015089717A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した精度で転舵軸の位置を検出することが可能な車両用操舵装置を提供する。【解決手段】ステアリングホイールの操舵に応じて回転する転舵用モータ１３と、転舵用モータ１３から伝達する動力で軸方向に移動する転舵軸５とを有し、転舵軸５が軸方向に移動することで左右一対の転舵輪の向きを変化させる車両用操舵装置において、転舵軸５の位置を絶対位置として検出する絶対位置検出器１５を設ける。絶対位置検出器１５は、転舵軸５の軸方向に沿って軸直角方向に次第に変位する傾斜をもつように転舵軸５の外周に形成されたカム面３０と、カム面３０に接触した状態で転舵軸５の軸直角方向に移動可能に支持された従動体３１と、従動体３１をカム面３０に押し付けた状態に保持する付勢部材３２と、従動体３１の変位を検出する変位センサ３３とからなる。【選択図】図２

Description

この発明は、主として、ステアリングホイールと転舵輪の間を機械的に切り離した状態で転舵輪の転舵を行なうステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置に関する。

運転者によるステアリングホイールの操舵に応じて車両の転舵輪（一般には前輪）を転舵する車両用操舵装置として、ステアリングホイールの操舵に応じて回転する転舵用モータと、その転舵用モータから伝達する動力で軸方向に移動する転舵軸とを有し、転舵軸が軸方向に移動することで左右一対の転舵輪の向きを変化させるステアバイワイヤ方式のものが知られている（特許文献１、２）。

このステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置は、運転者によるステアリングホイールの操舵角をいったん電気信号に変換し、その電気信号に基づいて転舵用モータを制御するので、例えば、車両の走行速度に応じて転舵輪の動作を変化させることが可能であり、車両の走行安定性や運動性能の向上を可能とするものとして期待されている。

ところで、ステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置では、ステアリングホイールに対して転舵輪が機械的に切り離されているので、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の転舵角とが対応して変化するように転舵用モータを制御するには、ステアリングホイールの操舵角を検出するとともに、転舵軸の位置も検出することが必要となる。

ここで、転舵軸の位置を検出する手段として、例えば、転舵軸を最大のストロークで移動させたときの転舵用モータの回転を１回転未満の回転に減速して伝達する一般的な歯車減速機と、その歯車減速機で減速した回転が入力されるように歯車減速機に接続した回転角度センサとからなる絶対位置検出器を採用することが考えられる。

しかしながら、このような構成の絶対位置検出器を採用すると、歯車減速機の内部のバックラッシによって、転舵軸の位置の検出精度が不安定となる問題がある。

そこで、転舵軸の位置を安定した精度で検出する方法として、差動トランスやリニアポテンショメータを使用する方法も考えられるが、転舵軸の全ストロークにわたって転舵軸の位置を検出するには、長いストロークをもつ差動トランスやリニアポテンショメータを使用する必要があり、設置スペースおよび製造コストの観点から困難である。

特許第４１６５２１３号公報 特開２００９−２９２３３１号公報

この発明が解決しようとする課題は、安定した精度で転舵軸の位置を検出することが可能な車両用操舵装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明では、以下の構成を車両用操舵装置に採用している。
ステアリングホイールの操舵に応じて回転する転舵用モータと、その転舵用モータから伝達する動力で軸方向に移動する転舵軸とを有し、前記転舵軸が軸方向に移動することで左右一対の転舵輪の向きを変化させる車両用操舵装置において、
前記転舵軸の位置を絶対位置として検出する絶対位置検出器を設け、
その絶対位置検出器は、前記転舵軸の軸方向に沿って軸直角方向に次第に変位する傾斜をもつように前記転舵軸の外周に形成されたカム面と、そのカム面に接触した状態で前記転舵軸の軸直角方向に移動可能に支持された従動体と、その従動体を前記カム面に押し付けた状態に保持する付勢部材と、前記従動体の変位を検出する変位センサとからなることを特徴とする車両用操舵装置。

このようにすると、転舵軸が軸方向に移動したとき、従動体がカム面に押されて転舵軸の軸直角方向に次第に変位する。このとき、従動体の位置は、転舵軸の位置に対応して変化するので、変位センサで検出される従動体の位置に基づいて、転舵軸の位置を検出することが可能である。また、従動体がカム面の傾斜に沿って変位するとき、従動体は付勢部材でカム面に押し付けられた状態に保持されているので、従動体とカム面の間にガタが生じない。したがって、安定した精度をもって転舵軸の位置を検出することが可能である。

前記変位センサとしては、例えば、光学式のセンサを採用することも可能であるが、前記従動体に固定された磁石と、前記従動体の変位に応じて前記磁石からの距離が変化するように設けられた磁気センサとからなる磁気式のものを採用すると好ましい。このようにすると、磁気センサは光学式のセンサに比べて耐環境性に優れるため、変位センサの検出精度の安定性を確保することができる。

更に、前記磁石と前記磁気センサの間を仕切るように配置され、非磁性材料からなる隔離部材を設けると好ましい。このようにすると、転舵軸の潤滑剤等が磁気センサに付着するのを隔離部材によって防止することができるので、磁気センサが故障しにくくなり、変位センサの信頼性を高めることができる。

前記隔離部材としては、樹脂フィルムを採用することができる。このようにすると、非磁性金属からなる隔離部材を採用するよりも、容易に隔離部材の厚みを薄くすることができ、前記磁石と前記磁気センサを極めて近い位置まで近づけることが可能となる。

この発明の車両用操舵装置は、従動体がカム面の傾斜に沿って変位するとき、従動体が付勢部材でカム面に押し付けられた状態に保持されているので、従動体とカム面の間にガタが生じない。したがって、安定した精度をもって転舵軸の位置を検出することが可能である。

この発明の実施形態にかかる車両用操舵装置を示す概略図 図１の転舵アクチュエータを示す断面図 図２に示す絶対位置検出器の近傍の拡大断面図 図３に示す絶対位置検出器の変形例を示す拡大断面図 図３に示す絶対位置検出器の他の変形例を示す拡大断面図

図１に、この発明の実施形態にかかる車両用操舵装置を示す。この車両用操舵装置は、運転者によるステアリングホイール１の操舵角を電気信号に変換し、その電気信号に基づいて転舵アクチュエータ２を駆動することにより転舵輪３の向きを変化させるステアバイワイヤ方式のものである。

車両用操舵装置は、運転者により操舵されるステアリングホイール１と、車両の挙動に応じてステアリングホイール１に操舵反力を与える反力アクチュエータ４と、ステアリングホイール１の操舵角に応じて左右一対の転舵輪３（図では左右一対の前輪）の向きが変わるように転舵軸５を動かす転舵アクチュエータ２と、ステアリングホイール１と転舵アクチュエータ２の間で回転の伝達と遮断を切り替えるバックアップクラッチ６とを有する。

反力アクチュエータ４は、ステアリングホイール１と一体に回転するようにステアリングホイール１に接続した操舵軸７と、操舵軸７の回転角に基づいてステアリングホイール１の操舵角を検出する操舵角検出器８と、ステアリングホイール１に付与する操舵反力の元になる回転トルクを発生する反力モータ９と、反力モータ９で発生する回転トルクを増幅して操舵軸７に伝達する減速機１０と、ステアリングホイール１から操舵軸７に入力される回転をバックアップクラッチ６に伝達する操舵側連結軸１１とを有する。

転舵軸５は、その両端がナックルアーム１２を介して転舵輪３に連結され、転舵軸５が軸方向に移動すると、これに連動して左右一対の転舵輪３の向きが変化するようになっている。ここで、転舵軸５が軸方向の一方のストローク端から他方のストローク端まで移動するとき（すなわち転舵輪３を左右いずれかの側に最大の転舵角で転舵した状態から反対側に最大の転舵角で転舵した状態になるまで転舵軸５を軸方向に移動させたとき）、転舵軸５は、１３０ｍｍ程度軸方向に移動する。

バックアップクラッチ６は、図示しないコイルに通電したときに正逆両方向の回転の伝達をいずれも遮断し、コイルへの通電を停止したときに正逆両方向の回転をいずれも伝達する電磁クラッチである。このバックアップクラッチ６は、正常時は、ステアリングホイール１と転舵輪３の間を機械的に切り離した切り離し状態に保持し、異常時は、ステアリングホイール１と転舵輪３の間を機械的に接続した締結状態に切り替えられる。

図２に示すように、転舵アクチュエータ２は、転舵用モータ１３と、転舵用モータ１３から伝達する動力で軸方向に移動する転舵軸５と、転舵用モータ１３から伝達する回転を転舵軸５の軸方向移動に変換する運動変換機構１４と、転舵軸５の位置を絶対位置として検出する絶対位置検出器１５と、転舵用モータ１３の回転量を検出する回転検出器１６と、バックアップクラッチ６を介して操舵側連結軸１１に連結された転舵側連結軸１７とを有する。

転舵用モータ１３は、ステアリングホイール１の操舵に応じて回転するように制御される。すなわち、操舵角検出器８で検出されるステアリングホイール１の操舵角に対応して転舵輪３の転舵角が変化するように転舵用モータ１３は回転する。転舵用モータ１３のモータ軸１８には、転舵用モータ１３の回転量を検出する回転検出器１６が取り付けられている。回転検出器１６は、モータ軸１８が連続的に回転するときに一定角度ごとに出力信号が周期的に変化するセンサであり、例えば、レゾルバである。レゾルバは、モータ軸１８と一体に回転するロータ１６ａと、ロータ１６ａを囲むように設けられた環状のステータ１６ｂとからなる。ステータ１６ｂは、転舵アクチュエータ２のケース１９に固定されている。

運動変換機構１４は、転舵用モータ１３の回転が入力されるボールナット２０と、ボールナット２０にボール２１を介してねじ係合するねじ軸２２とからなるボールねじ機構である。ねじ軸２２は、転舵軸５に一体に形成されている。転舵用モータ１３のモータ軸１８には、駆動ギヤ２３が固定されている。駆動ギヤ２３は、ボールナット２０に固定された従動ギヤ２４と噛み合っており、この噛み合いによって、転舵用モータ１３の回転がボールナット２０に入力されるようになっている。

ボールナット２０は、軸方向に移動しないように保持されるとともに、軸受２７で回転可能に支持されている。一方、ねじ軸２２は、回転しないように回り止めされるとともに、軸方向に移動可能に支持されている。そのため、転舵用モータ１３の回転がボールナット２０に入力されると、そのボールナット２０の回転に応じてねじ軸２２が軸方向に移動し、このねじ軸２２と一体に転舵軸５も軸方向に移動する。

絶対位置検出器１５は、転舵軸５の位置を絶対位置として検出する。すなわち、絶対位置検出器１５は、現在までの転舵軸５の移動量の積算値に基づく相対位置（例えば、回転検出器１６で検出される転舵用モータ１３の回転積算量に相当する分の距離を、予め設定した転舵軸５の基準位置に対して加算または減算した位置）を転舵軸５の位置として検出するのではなく、現在の出力値のみに基づいて転舵軸５の位置を検出する検出器である。

転舵側連結軸１７には第１傘歯車２５が固定され、この第１傘歯車２５に噛み合う第２傘歯車２６がモータ軸１８に固定されている。

図３に示すように、絶対位置検出器１５は、転舵軸５の軸方向に沿って軸直角方向に次第に変位する傾斜をもつように転舵軸５の外周に形成されたカム面３０と、そのカム面３０に接触した状態で転舵軸５の軸直角方向に移動可能に支持された従動ピン３１と、その従動ピン３１をカム面３０に押し付けた状態に保持する付勢部材３２と、従動ピン３１の変位を検出する変位センサ３３とからなる。

カム面３０は、転舵軸５の軸方向の一端側から他端側に向かって次第に深くなるように形成されており、その軸方向の長さは、転舵軸５を軸方向の一方のストローク端から他方のストローク端まで移動させたときの移動量（この実施形態では１３０ｍｍ程度）よりも長く形成されている。また、カム面３０の傾斜の大きさは、転舵軸５が軸方向の一方のストローク端から他方のストローク端まで移動するときにカム面３０の傾斜に沿って移動する従動ピン３１の移動量（例えば１０ｍｍ程度）が、転舵軸５の軸方向の移動量（この実施形態では１３０ｍｍ程度）よりも小さくなる（好ましくは１０分の１以下になる）ように設定されている。すなわち、カム面３０は、転舵軸５が軸方向に移動したとき、その転舵軸５の移動量を一定の割合（好ましくは１０分の１以下）で縮小して従動ピン３１に伝達するようになっている。

従動ピン３１は、転舵軸５の軸方向に移動しないように転舵アクチュエータ２のケース１９に固定された滑り軸受３４で、転舵軸５の外周のカム面３０に向けて進退可能に支持されている。従動ピン３１の前端には、カム面３０に転がり接触するように回転可能に支持されたローラ３５が設けられている。従動ピン３１の外周には、付勢部材３２の一端を受けるばね座３６が固定されている。付勢部材３２の他端は滑り軸受３４で支持されている。付勢部材３２は、例えば、転舵軸５の軸直角方向に伸縮するように配置された圧縮コイルばねである。

本実施形態のように従動ピン３１の前端にローラ３５を設ける場合、従動ピン３１の長手方向（進退方向）を中心とした回転を拘束する手段（図示せず。例えば、従動ピン３１の外周に形成された長手方向の溝と、その溝に係合するように滑り軸受３４に設けられた突起など）を設けることにより、ローラ３５の回転方向とカム面３０の延在方向が常に一致するようにすると好ましい。このようにすると、従動ピン３１の動作が極めて安定したものとなる。

変位センサ３３は、従動ピン３１の後端に固定された永久磁石３３ａと、従動ピン３１の変位に応じて永久磁石３３ａからの距離が変化するように設けられた磁気センサ３３ｂとからなる。磁気センサ３３ｂは、永久磁石３３ａと対向するように配置され、転舵軸５の軸直角方向に移動しないように固定されている。転舵アクチュエータ２のケース１９には、従動ピン３１の後端を囲むように円筒穴３７が形成され、この円筒穴３７の転舵軸５から遠い側の端部に蓋３８が固定されている。磁気センサ３３ｂは、例えばホールＩＣである。磁気センサ３３ｂは、蓋３８に固定したプリント基板３９に実装されている。

この変位センサ３３は、従動ピン３１が転舵軸５の軸直角方向に変位すると、従動ピン３１の後端の永久磁石３３ａが従動ピン３１と一体に移動することによって、磁気センサ３３ｂを貫く磁束密度が変化する。そのため、磁気センサ３３ｂで検出される磁束密度に基づいて、従動ピン３１の位置を検出することができる。

この車両用操舵装置は、転舵用モータ１３が回転し、転舵軸５が軸方向に移動したとき、従動ピン３１がカム面３０に押されて転舵軸５の軸直角方向に変位する。このとき、従動ピン３１の位置は、転舵軸５の位置に対応して変化するので、変位センサ３３で検出される従動ピン３１の位置に基づいて、転舵軸５の位置を検出することが可能である。

そして、この車両用操舵装置は、電源が入っているときは、ステアリングホイール１と転舵輪３の間を機械的に切り離した状態で、操舵角検出器８で検出されるステアリングホイール１の操舵角と、転舵輪３の転舵角とが対応して変化するように転舵用モータ１３を制御する。このとき、上述の絶対位置検出器１５で検出される転舵軸５の位置を利用して、転舵用モータ１３の制御を行なう。

上記の車両用操舵装置は、従動ピン３１がカム面３０の傾斜に沿って変位するとき、従動ピン３１が付勢部材３２でカム面３０に押し付けられた状態に保持されているので、従動ピン３１とカム面３０の間にガタが生じない。したがって、安定した精度をもって転舵軸５の位置を検出することが可能である。

すなわち、転舵軸５の位置を検出する手段として、例えば、転舵軸５を最大のストロークで移動させたときの転舵用モータ１３の回転を１回転未満の回転に減速して伝達する一般的な歯車減速機と、その歯車減速機で減速した回転が入力されるように歯車減速機に接続した回転角度センサとからなる絶対位置検出器を採用することが考えられるが、このような構成の絶対位置検出器を採用すると、歯車減速機の内部のバックラッシによって、転舵軸５の位置の検出精度が不安定となる問題がある。これに対し、上記実施形態では、転舵軸５の軸方向の位置を、転舵軸５に形成されたカム面３０に沿って移動する従動ピン３１の位置に変換し、その従動ピン３１の位置に基づいて転舵軸５の軸方向位置を検出可能としている。そして、従動ピン３１は、付勢部材３２で常時カム面３０に押し付けた状態に保持されているので、従動ピン３１とカム面３０の間に、歯車減速機の内部のバックラッシのようなガタが生じず、安定した精度をもって転舵軸５の位置を検出することが可能である。

変位センサ３３としては、例えば、光学式のセンサを採用することも可能であるが、上記実施形態のように、従動ピン３１に固定された永久磁石３３ａと、従動ピン３１の変位に応じて磁石からの距離が変化するように設けられた磁気センサ３３ｂとからなる磁気式のものを採用すると好ましい。このようにすると、磁気センサ３３ｂは光学式のセンサに比べて耐環境性に優れるため、変位センサ３３の検出精度の安定性を確保することができる。

ところで、従動ピン３１とカム面３０の接触部や、従動ピン３１と滑り軸受３４の接触部は、通常、接触の摩擦を減らすためにグリース等の潤滑剤が塗布される。この潤滑剤が、円筒穴３７に入って磁気センサ３３ｂやプリント基板３９に付着してしまうと、磁気センサ３３ｂやプリント基板３９が故障する可能性が生じる。そこで、図４や図５に示すように、上記実施形態の変形例である絶対位置検出器１５を採用すると、磁気センサ３３ｂやプリント基板３９の故障に対する信頼性を高めることが可能となる。

図４に基づいて、上記実施形態の絶対位置検出器１５の変形例を説明する。以下、上記実施形態に対応する部分は同一の符号を付して説明を省略する。

ケース１９の円筒穴３７の中に、永久磁石３３ａと磁気センサ３３ｂの間を仕切る隔離部材４０が設けられている。隔離部材４０は、ケース１９の円筒穴３７の内周に嵌合する円筒部４０ａと、円筒部４０ａの一端を塞ぐように形成された仕切り板４０ｂとからなる。この隔離部材４０は、プリント基板３９の全体を覆っている。円筒部４０ａと仕切り板４０ｂは、非磁性材料（例えば樹脂）で一体に成形されている。隔離部材４０は、円筒穴３７の内周に形成された段差４１で支持され、これにより、仕切り板４０ｂと磁気センサ３３ｂの距離が一定に保持されている。

このように、非磁性材料からなる隔離部材４０によって永久磁石３３ａと磁気センサ３３ｂの間を仕切ると、転舵軸５の潤滑剤等が磁気センサ３３ｂに付着するのを隔離部材４０によって防止することができるので、磁気センサ３３ｂが故障しにくくなり、変位センサ３３の信頼性を高めることができる。

図５に基づいて、上記実施形態の絶対位置検出器１５の他の変形例を説明する。

ケース１９の円筒穴３７の中に、永久磁石３３ａと磁気センサ３３ｂの間を仕切る隔離部材４０が設けられている。隔離部材４０は、膜厚が１ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以下）とされた樹脂フィルムである。隔離部材４０は、環状の２つの挟持部材４２，４３で表裏から挟持されている。一方の挟持部材４２は、他方の挟持部材４３を嵌合保持する嵌合筒部４２ａを有する。このように、一方の挟持部材４２で他方の挟持部材４３を嵌合保持することにより、形崩れしやすいフィルム状の隔離部材４０の取り付けの作業性を高めることができる。挟持部材４３は、円筒穴３７の内周に形成された段差４１で支持され、これにより、隔離部材４０と磁気センサ３３ｂの距離が一定に保持されている。挟持部材４２と隔離部材４０の間に、ゴム等の弾性部材からなる環状のシール部材（図示せず）を挿入してもよい。これにより、隔離部材４０の外周部の密閉性を高めることができる。

このように、非磁性材料からなる隔離部材４０によって永久磁石３３ａと磁気センサ３３ｂの間を仕切ると、転舵軸５の潤滑剤等が磁気センサ３３ｂに付着するのを隔離部材４０によって防止することができるので、磁気センサ３３ｂが故障しにくくなり、変位センサ３３の信頼性を高めることができる。また、隔離部材４０として樹脂フィルムを採用すると、例えば、非磁性金属からなる隔離部材４０を採用するよりも、容易に隔離部材４０の厚みを薄くすることができる。そのため、磁石と磁気センサ３３ｂを極めて近い位置まで近づけることが可能である。

上記実施形態では、従動ピン３１の前端にローラ３５を設けたが、ローラ３５にかえて、従動ピン３１の前端に摩擦抵抗の少ない摺動部材（例えばフッ素樹脂を用いた部材）を設けてもよい。

上記実施形態では、転舵用モータ１３から伝達する回転を転舵軸５の軸方向移動に変換する運動変換機構１４として、ボールねじ機構を採用した車両用操舵装置を例に挙げて説明したが、ボールねじ機構にかえて、ボール２１を介さない滑りねじ機構を採用してもよい。また、ボールねじ機構にかえて、転舵用モータ１３の回転が入力されるピニオンと、そのピニオンに噛み合うように転舵軸５に一体に形成されたラックとからなるラックピニオン機構を採用することも可能である。この場合、転舵用モータ１３とラックピニオン機構の間には、転舵用モータ１３の回転を減速してラックピニオン機構に伝達する減速装置を組み込むことができる。

また、上記実施形態では、ステアリングホイール１と転舵輪３の間を機械的に切り離した切り離し状態と、ステアリングホイール１と転舵輪３の間を機械的に接続した状態とを切り替え可能なバックアップクラッチ６を設けた車両用操舵装置を例に挙げて説明したが、この発明は、バックアップクラッチ６が存在しない車両用操舵装置（すなわち、常時、ステアリングホイール１と転舵輪３の間が切り離されているもの）に適用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ステアリングホイール
３ 転舵輪
５ 転舵軸
１３ 転舵用モータ
１５ 絶対位置検出器
３０ カム面
３１ 従動ピン
３２ 付勢部材
３３ 変位センサ
３３ａ 永久磁石
３３ｂ 磁気センサ
３５ ローラ
４０ 隔離部材

Claims (5)

1. ステアリングホイール（１）の操舵に応じて回転する転舵用モータ（１３）と、その転舵用モータ（１３）から伝達する動力で軸方向に移動する転舵軸（５）とを有し、前記転舵軸（５）が軸方向に移動することで左右一対の転舵輪（３）の向きを変化させる車両用操舵装置において、
   前記転舵軸（５）の位置を絶対位置として検出する絶対位置検出器（１５）を設け、
   その絶対位置検出器（１５）は、前記転舵軸（５）の軸方向に沿って軸直角方向に次第に変位する傾斜をもつように前記転舵軸（５）の外周に形成されたカム面（３０）と、そのカム面（３０）に接触した状態で前記転舵軸（５）の軸直角方向に移動可能に支持された従動体（３１）と、その従動体（３１）を前記カム面（３０）に押し付けた状態に保持する付勢部材（３２）と、前記従動体（３１）の変位を検出する変位センサ（３３）とからなることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記従動体（３１）は、前記カム面（３０）に転がり接触するように回転可能に支持されたローラ（３５）を有する請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記変位センサ（３３）は、前記従動体（３１）に固定された磁石（３３ａ）と、前記従動体（３１）の変位に応じて前記磁石（３３ａ）からの距離が変化するように設けられた磁気センサ（３３ｂ）とからなる請求項１または２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記磁石（３３ａ）と前記磁気センサ（３３ｂ）の間を仕切るように配置され、非磁性材料からなる隔離部材（４０）を設けた請求項１から３のいずれかに記載の車両用操舵装置。
5. 前記隔離部材（４０）が、樹脂フィルムである請求項４に記載の車両用操舵装置。

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