JP2019003485A - 反力提示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトが操作前の元の初期位置に戻る際のオーバーシュート抑制を可能にした反力提示装置を提供する。
【解決手段】反力提示装置１は、シャフト３の回動操作時に、シャフト３に操作反力を付与する付勢部材２１（コイルばね２３）を備える。コイルばね２３は、シャフト３に減速用のギヤ機構１３を介して連結された回動軸１４の外周に取り付けられている。反力提示装置１は、回動操作されるシャフト３に対して操作反力を付与可能なダンパ機構３９を備える。ダンパ機構３９は、例えばロータリダンパであって、シャフト３に取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、シャフトに操作反力を付与する反力提示装置に関する。

従来、例えば回動操作されるシャフト等に操作反力を付与可能な反力提示装置が周知である（特許文献１等参照）。特許文献１は、シャフトの回動操作時、コイルばねがねじられることで生じる付勢力を、シャフトの操作反力として付与する。

特許第６０８１７３７号公報

ステアリングホイールが中立位置（初期位置）から操作された後にステアリングホイールから手が離されると、コイルばねの付勢力によって、シャフトが中立位置に戻る動きをとる。このとき、コイルばねの付勢力によってステアリングホイールが中立位置を超えて反対側に回ってしまう現象、いわゆるオーバーシュートが発生してしまう問題があった。

本発明の目的は、シャフトが操作前の元の初期位置に戻る際のオーバーシュート抑制を可能にした反力提示装置を提供することにある。

前記問題点を解決する反力提示装置は、シャフトが回動操作されると、減速用のギヤ機構を介して回動軸が回り、当該回動軸と連動する付勢部材により、前記シャフトに操作反力を付与する構成であって、前記操作反力の伝達経路上に配置され、前記シャフトに対して操作荷重を付与するダンパ機構を備えた。

本構成によれば、シャフトが初期位置から回って、その後、付勢部材の付勢力によって初期位置に戻る動きをとったとき、ダンパ機構の反力が利いて、シャフトが初期位置に止まり易くなる。よって、シャフトが元の初期位置に戻る際のオーバーシュートを生じ難くすることが可能となる。

前記反力提示装置において、前記シャフト及び前記回動軸は、互いの回動軸心が平行に配置された２軸構造をなし、前記ギヤ機構は、はすば歯車であり、前記付勢部材は、内径孔に前記回動軸が挿し込まれたコイルばねであることが好ましい。この構成によれば、小型でも十分なトルクを伝達することが可能なはすば歯車を使用するので、反力提示装置の装置サイズを小型化することが可能となる。また、シャフト及び回動軸の２軸が平行に並んだ簡素な構造の反力提示装置とすることも可能となる。さらに、コイルばねを用いた簡素な構成により、シャフトに操作反力を付与することも可能となる。

前記反力提示装置において、前記ダンパ機構は、前記シャフトに取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、シャフトが初期位置から回動操作されるとき、ダンパ機構の反力をシャフトに直接付与することが可能となる。よって、シャフトの回動操作時にシャフトに反力が生じない区間、いわゆる空走角を、小さく抑えることが可能となる。

前記反力提示装置において、前記ダンパ機構は、回動運動する前記シャフトに操作荷重を付与可能なロータリダンパであることが好ましい。この構成によれば、ダンパ機構の構成を、ロータリダンパを用いた簡素な構成とすることが可能となる。

本発明によれば、シャフトが操作前の元の初期位置に戻る際のオーバーシュートを生じ難くすることができる。

一実施形態の反力提示装置の斜視図。 反力提示装置の縦断面図。 反力提示装置の分解斜視図。 図２のII−II線断面図。 反力提示装置を背面側から見たときの分解斜視図。 シャフトが一方向に回動操作されたときの反力提示装置の作動図。 シャフトが他方向に回動操作されたときの反力提示装置の作動図。 ダンパ機構の配置位置の説明時に用いる操作系の概念図。 シャフトが中立位置に戻る際の舵角変化のグラフであって、（ａ）は従来の図、（ｂ）は本例の図。 舵角に対するトルクの変化を示す操舵トルク線図。

以下、反力提示装置の一実施形態を図１〜図１０に従って説明する。
図１に示すように、反力提示装置１は、中空状のハウジング２と、ハウジング２に回動可能に組み付けられたシャフト３とを備える。本例の反力提示装置１は、シャフト３の回動操作量を電気信号によって検出して車輪の操舵量を切り替えるステアバイワイヤ式の車両に使用される。また、車両は、例えば１〜２人乗りの小型車の一種であるモビリティ車両であることが好ましい。

ハウジング２は、ハウジング本体４と、ハウジング本体４の開口を塞ぐ蓋部５とを備える。蓋部５は、複数の締結部６を介してハウジング本体４に取り付け固定されている。蓋部５の側壁には、反力提示装置１の奥行き方向（図１のＸ軸方向）に延設された筒状部７が形成され、この筒状部７の開口部８にシャフト３が回動軸心Ｌ１回りに回動可能に挿通されている。シャフト３の先端部には、例えばステアリングホイールの軸部（図示略）が連結固定される。

図２及び図３に示すように、シャフト３は、一対の軸受１１，１２を介してハウジング２に回動可能に組み付けられている。本例の場合、一方の軸受１１が蓋部５（筒状部７）に取り付けられ、他方の軸受１２がハウジング本体４に取り付けられている。シャフト３は、一対の軸受１１，１２を介して、反力提示装置１の奥行き方向（図２及び図３のＸ軸方向）に沿って延びる回動軸心Ｌ１回りに回動する。

反力提示装置１は、減速用のギヤ機構１３を介してシャフト３と連動する回動軸１４を備える。回動軸１４は、ハウジング２の内部において、一対の軸受１５，１６を介してハウジング２に回動可能に組み付けられている。本例の場合、一方の軸受１５が蓋部５に取り付けられ、他方の軸受１６がハウジング本体４に取り付けられている。回動軸１４は、自身の回動軸心Ｌ２とシャフト３の回動軸心Ｌ１とが平行する向きをとるように配置されている。このように、本例の反力提示装置１は、シャフト３の回動軸心Ｌ１と回動軸１４の回動軸心Ｌ２とが平行に配置された２軸構造をなしている。

ギヤ機構１３は、シャフト３に設けられた第１ギヤ部１９と、回動軸１４に設けられた第２ギヤ部２０とを備える。ギヤ機構１３は、はすば歯車であることが好ましい。ギヤ機構１３は、第１ギヤ部１９がシャフト３の中央位置に配置され、第２ギヤ部２０が回動軸１４の端部に配置されている。シャフト３が回動操作されたとき、シャフト３の回動力がギヤ機構１３を通じて減速されて回動軸１４に入力されることにより、回動軸１４がシャフト３とともに回動する。

反力提示装置１は、シャフト３の回動操作時にシャフト３に対して操作反力を付与する付勢部材２１を備える。本例の付勢部材２１は、内径孔２２に回動軸１４が挿し込まれたコイルばね２３である。本例の場合、略円筒状の支持筒２４の貫通孔２５に回動軸１４が回動可能に挿し込まれ、この支持筒２４にコイルばね２３が外嵌されている。コイルばね２３は、支持筒２４に形成されたフランジ２６に一端が接触され、支持筒２４の端部に取り付けられたフレーム２７で他端が抜け止めされることにより、支持筒２４に取り付けられている。フレーム２７は、リング状の止め具２８によって回動軸１４に取り付け固定されている。

図２〜図４に示すように、回動軸１４には、回動軸１４の回動に同期して付勢部材２１を作動させるガイド部３１が設けられている。ガイド部３１は、回動軸１４の回動軸心Ｌ２に沿って延びる棒形状に形成されている。本例のガイド部３１は、コイルばね２３の一端２３ａ及び他端２３ｂの間のスペースに配置されるようにして延びている。ガイド部３１は、一端が第２ギヤ部２０に固定され、他端がフレーム２７の切欠溝３２に挿し込まれている。

図４に示すように、ハウジング２（ハウジング本体４）の内部には、ガイド部３１がコイルばね２３の一方の端部を持ち上げた際にコイルばね２３の他方の端部を支持する受け部３３が設けられている。本例の受け部３３は、付勢部材２１側に突出した突状に形成され、回動軸１４の軸方向（図４の軸心Ｌ２方向）に沿って一帯に配置されている。受け部３３は、ガイド部３１の近傍において、コイルばね２３の一端２３ａ及び他端２３ｂの間のスペースに配置されるように延びている。受け部３３の一対の側壁は、ハウジング２の奥に向かうに従って両者間の幅が広がっていくテーパ状に形成されている。

図２及び図３に戻り、反力提示装置１は、回動軸１４を最大回動位置で止めるストッパ機構３６を備える。ストッパ機構３６は、シャフト３の回転範囲を超えて回動軸１４が回らないようにする。本例のストッパ機構３６は、ハウジング２の蓋部５の内面に突設されたストッパ部３７と、回動軸１４（第２ギヤ部２０）に凹設された案内溝３８とを備える。ストッパ部３７は、突起状に形成され、案内溝３８内に挿し込まれている。案内溝３８は、回動軸１４の回動時にストッパ部３７が移動する経路に沿って円弧状に形成されている。ストッパ部３７は、シャフト３が回動の中立位置をとる際に案内溝３８の経路中央に位置するように配置されている。

図２及び図５に示すように、反力提示装置１は、回動操作されるシャフト３に対して操作荷重を付与可能なダンパ機構３９を備える。ダンパ機構３９は、例えばロータリダンパであることが好ましい。ダンパ機構３９は、ハウジング２の外部において、略円板状の本体部４０の中央の貫通孔４１にシャフト３の端部が挿し込まれるようにしてシャフト３に取り付けられている。ダンパ機構３９は、複数（本例は２つ）の締結部４２によってハウジング本体４の側壁４ａに取り付け固定されている。ダンパ機構３９は、シャフト３が初期位置（本例は中立位置）に戻る際に逆側に余分に回ってしまうオーバーシュートを緩和する。

反力提示装置１は、シャフト３の回転角を検出する回転角検出部４５を備える。回転角検出部４５は、いわゆるステアリングアングルセンサであって、ブラケット４６を介してハウジング２の外側に取り付けられている。回転角検出部４５は、中立位置から左右に各々３回転半ずつ回動操作が可能なシャフト３の回転角を検出する。回転角検出部４５は、筐体４７の中央に貫通された孔部４８が形成され、その孔部４８内に、シャフト３と同期回動するようにシャフト３の端部に取り付け固定された被検出部４９が配置されている。被検出部４９は、締結部５０によってシャフト３の端部に固定されている。回転角検出部４５は、シャフト３と同期回動する被検出部４９の回転を検出することにより、シャフト３の回転角を検出する。

ブラケット４６は、ハウジング２側の面が開口した有底箱状に形成され、回転角検出部４５の孔部４８に沿うように開口された孔部５３が形成されている。ブラケット４６は、複数（本例は３つ）の締結部５４を介してハウジング本体４の側壁４ａに取り付け固定されている。締結部５４は、例えばねじであることが好ましい。本例の場合、ブラケット４６は、複数（本例は２つ）の仮止め部５５を通じてハウジング２に位置決めされた後、締結部５４によってハウジング２に固定される。

ハウジング２の端部には、回転角検出部４５及びブラケット４６を保護する外部カバー５６が、複数のスナップフィット部５７を介して取り付け固定されている。なお、外部カバー５６は、複数の位置決め部５８によりハウジング２に位置決めされた後、スナップフィット部５７によってハウジング２に取り付け固定される。

軸受１１とハウジング２（蓋部５）との間には、シャフト３の軸方向（図２のＸ軸方向）における「がたつき」を抑えるがたつき抑制部材６１が設けられている。がたつき抑制部材６１は、例えば皿ばねからなる。がたつき抑制部材６１は、シャフト３の軸方向（図２の矢印Ｘ１方向）に沿って軸受１１を押さえ付けることによって、シャフト３の軸方向におけるがたつきを抑制する。軸受１５とハウジング２（蓋部５）との間には、回動軸１４の軸方向（図２等のＸ軸方向）のがたつきを抑えるがたつき抑制部材６５が設けられている。がたつき抑制部材６５も、皿ばねであることが好ましい。

図８に、ダンパ機構３９が配置される位置条件を図示する。同図に示されるように、ダンパ機構３９（ロータリダンパ）は、操作反力の伝達経路Ｌｋ上に配置されることが好ましい。操作反力の伝達経路Ｌｋは、大別すると、ステアリングホイールからシャフト３に至る伝達経路Ｌｋ１と、シャフト３からギヤ機構１３を経由してコイルばね２３に至る伝達経路Ｌｋ２とから構築される。本例の場合、ダンパ機構３９は、ステアリングホイールからシャフト３に至る伝達経路Ｌｋ１上に配置されている。

次に、図６，図７，図９及び図１０を用いて、本発明の実施例である反力提示装置１の作用及び効果を説明する。
図６に示すように、シャフト３が一方向（図６の矢印Ａ１方向）に回動操作されると、その回転がギヤ機構１３によって減速されて回動軸１４に伝達され、回動軸１４が一方向（図６の矢印Ｂ１方向）に回動する。このとき、ガイド部３１がコイルばね２３の他端２３ｂを押し上げるとともに、コイルばね２３の一端２３ａが受け部３３に接触して一端２３ａの動きが止められる。これにより、コイルばね２３がガイド部３１の押し上げによって矢印Ｂ１方向に圧縮され、このとき生じる付勢力がシャフト３への操作反力として付与される。

シャフト３が一方向（図６の矢印Ａ１方向）に回動操作されたときには、ダンパ機構３９によって、シャフト３に反対方向の負荷が付与される。このように、シャフト３が図中の矢印Ａ１方向に回動操作されたときには、コイルばね２３及びダンパ機構３９の作動により、図中の矢印Ａ１方向に対して反対方向の操作反力がシャフト３に付与される。なお、シャフト３は、ストッパ部３７が案内溝３８の一方の端縁３８ａに接触するまで回動操作が許容される。

図７に示すように、シャフト３が他方向（図７の矢印Ａ２方向）に回動操作されると、その回転がギヤ機構１３によって減速されて回動軸１４に伝達され、回動軸１４が他方向（図７の矢印Ｂ２方向）に回動する。このとき、ガイド部３１がコイルばね２３の一端２３ａを押し上げるとともに、コイルばね２３の他端２３ｂが受け部３３に接触して他端２３ｂの動きが止められる。これにより、コイルばね２３がガイド部３１の押し上げよって矢印Ｂ２方向に圧縮され、このとき生じる付勢力がシャフト３への操作反力として付与される。

また、シャフト３が他方向（図７の矢印Ａ２方向）に回動操作されたときには、ダンパ機構３９によって、シャフト３に反対方向の負荷が付与される。このように、シャフト３が図中の矢印Ａ２方向に回動操作されたときには、コイルばね２３及びダンパ機構３９の作動により、図中の矢印Ａ２方向に対して反対方向の操作反力がシャフト３に付与される。なお、シャフト３は、ストッパ部３７が案内溝３８の他方の端縁３８ｂに接触するまで回動操作が許容される。

図９（ａ）に、従来の位置付けの反力提示装置の舵角変化図を図示する。従来の位置付けの反力提示装置では、ダンパ機構３９がないものとする。同図に示されるように、従来の位置付けの反力提示装置では、シャフト３を中央位置に戻し操作したときに、舵角が中立位置よりも所定量余分に回ってしまうオーバーシュートが発生し易くなることが分かる。

図９（ｂ）に、本例の反力提示装置１の舵角変化図を図示する。同図に示されるように、本例の反力提示装置１には、ダンパ機構３９が設けられているので、中立位置から回動操作されたシャフト３が元の中立位置に戻る際、ダンパ機構３９の操作反力があることによって、シャフト３の中立位置への収束性が向上することが分かる。よって、オーバーシュートが生じ難くなる。

図１０に、本例の反力提示装置１の操舵トルク線図を図示する。なお、操舵トルクは、ステアリングホイールを操舵したときにユーザに付与される反力（操作反力）であり、操舵トルク線図は、舵角変化に応じた操舵トルクの変化図である。同図からも分かるように、シャフト３の回動操作時、ダンパ機構３９の操作反力が利いて、操作トルクが直ぐに上昇するので、空走角θｒが小さく済む。また、シャフト３にダンパ機構３９からトルクを直接付与するようにすれば、ギヤバックラッシの影響を受け難くなり、異音や急激なトルク立ち上がりを生じ難くすることも可能となる。

さて、本例の場合、ステアリングホイールが操作されてシャフト３が中立位置（初期位置）から回り、その後、ステアリングホイールから手が離され、コイルばね２３の付勢力によってシャフト３が中立位置に戻る動きをとったとする。このとき、ダンパ機構３９の反力（トルク）が利いて、シャフト３が中立位置に止まり易くなる。よって、シャフト３が元の中立位置に戻る際のオーバーシュートを生じ難くすることができる。

シャフト３及び回動軸１４は、互いの回動軸心Ｌ１，Ｌ２が平行に配置された２軸構造をなし、ギヤ機構１３は、はすば歯車であり、付勢部材２１は、内径孔２２に回動軸１４が挿し込まれたコイルばね２３である。このため、小型でも十分なトルクを伝達することが可能なはすば歯車を使用するので、反力提示装置１の装置サイズを小型化することができる。また、シャフト３及び回動軸１４の２軸が平行に並んだ簡素な構造の反力提示装置１とすることもできる。さらに、コイルばね２３を用いた簡素な構成により、シャフト３に操作反力を付与することもできる。

ダンパ機構３９は、シャフト３に取り付けられている。これにより、シャフト３が中立位置から回動操作されるとき、ダンパ機構３９の反力（トルク）をシャフト３に直接付与することが可能となる。よって、シャフト３の回動操作時にシャフト３に反力が生じない区間、いわゆる空走角θｒを、小さく抑えることが可能となる。

ダンパ機構３９は、回動運動するシャフト３に反力を付与可能なロータリダンパである。よって、ダンパ機構３９の構成を、ロータリダンパを使用した簡素な構成とすることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・初期位置は、例えばシャフト３が一方向のみに回動操作可能な場合、中立位置ではなく、シャフト３のホーム位置としてもよい。

・ギヤ機構１３は、はすば歯車に限定されず、例えば平歯車などの他の歯車に変更可能である。
・軸受１１，１２，１５，１６は、ころがり軸受、すべり軸受のどちらでもよい。また、軸受の種類も特に限定されるものではない。

・シャフト３及び回動軸１４は、平行配置されることに限定されず、これらの回動軸心Ｌ１，Ｌ２同士が所定の傾きを持った配置状態としてもよい。
・付勢部材２１は、コイルばね２３に限定されず、シャフト３に操作反力を付与できるものであればよい。

・がたつき抑制部材６１，６５は、皿ばねに限定されず、例えばスペーサ等の他の部材に変更してもよい。
・ストッパ機構３６が設けられる位置は、シャフト３や回動軸１４の回動を制限できる箇所であれば、どこに配置されてもよい。

・ダンパ機構３９は、シャフト３に直接取り付けられることに限定されず、反力提示装置１の操作反力の伝達経路Ｌｋ上であれば、どこに配置されてもよい。
・反力提示装置１は、モビリティ車両に適用されることに限定されず、他の種類の車両に使用されてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（イ）前記反力提示装置において、前記ダンパ機構は、少なくとも前記シャフト、前記回動軸、前記ギヤ機構及び前記付勢部材を収納するハウジングの外部に取り付けられている。この構成によれば、ハウジング内にダンパ機構を収納せずに済むので、ハウジングを小型化するのに有利となる。

１…反力提示装置、２…ハウジング、３…シャフト、１３…ギヤ機構、１４…回動軸、１９…第１ギヤ部、２０…第２ギヤ部、２１…付勢部材、２２…内径孔、２３…コイルばね、３９…ダンパ機構、Ｌ１，Ｌ２…回動軸心、Ｌｋ…伝達経路。

Claims (4)

1. シャフトが回動操作されると、減速用のギヤ機構を介して回動軸が回り、当該回動軸と連動する付勢部材により、前記シャフトに操作反力を付与する反力提示装置であって、
   前記操作反力の伝達経路上に配置され、前記シャフトに対して操作荷重を付与するダンパ機構を備えた反力提示装置。
2. 前記シャフト及び前記回動軸は、互いの回動軸心が平行に配置された２軸構造をなし、
   前記ギヤ機構は、はすば歯車であり、
   前記付勢部材は、内径孔に前記回動軸が挿し込まれたコイルばねである
   請求項１に記載の反力提示装置。
3. 前記ダンパ機構は、前記シャフトに取り付けられている
   請求項１又は２に記載の反力提示装置。
4. 前記ダンパ機構は、回動運動する前記シャフトに操作荷重を付与可能なロータリダンパである
   請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の反力提示装置。