JP2019127152A - ステアリングホイール及び振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者が感じやすい振動を発生させること。
【解決手段】環状のリムと、前記リムに内蔵される振動機構と、前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより前記リムを振動させる、ステアリングホイール。ステアリングホイール用の振動装置であって、振動機構と、前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより、ステアリングホイールのリムを振動させる、振動装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、ステアリングホイール及び振動装置に関する。

従来、ステアリングホイールに設けられる圧電素子等の振動子を駆動することによって、運転者に振動で警告する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１６１６６７号公報

しかしながら、圧電素子の振動振幅は比較的小さいため、従来の技術では、運転者が振動を感じ難い場合がある。そこで、本開示は、運転者が感じやすい振動を発生させることが可能なステアリングホイール及び振動装置を提供する。

本開示は、
環状のリムと、
前記リムに内蔵される振動機構と、
前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、
前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、
前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより前記リムを振動させる、ステアリングホイールを提供する。

また、本開示は、
ステアリングホイール用の振動装置であって、
振動機構と、前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、
前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、
前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより、ステアリングホイールのリムを振動させる、振動装置を提供する。

本開示に係るステアリングホイール又は振動装置によれば、増幅機構が圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動してリムを振動させるので、リムの振動振幅が大きくなり、運転者が感じやすい振動を発生させることができる。

ステアリングホイールの構成の一例を示す正面図である。 図１のＡ−Ａにおけるリムの断面図である。 第１の実施形態における振動機構の構成の一例を示す図である。 圧電素子の第１の構成例を示す図である。 圧電素子の第２の構成例を示す図である。 圧電素子を振動させる第１の電圧波形例を示す図である。 圧電素子を振動させる第２の電圧波形例を示す図である。 第２の実施形態における振動機構の構成の一例を示す図である。 第２の実施形態における振動機構の構成の一変形例を示す図である。 第３の実施形態における振動機構の構成の一例を示す図である。

以下、本開示に係る実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、互いに直交する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、それぞれ、Ｘ軸に平行な方向、Ｙ軸に平行な方向及びＺ軸に平行な方向を表す。ＸＹ平面、ＹＺ平面、ＺＸ平面は、それぞれ、Ｘ軸とＹ軸を含む仮想平面、Ｙ軸とＺ軸とを含む仮想平面、Ｚ軸とＸ軸とを含む仮想平面を表す。

図１は、ステアリングホイールの構成の一例を示す正面図である。図１に示されるステアリングホイール４０は、車両を操舵するために運転者により操作される操作部材である。ステアリングホイール４０は、例えば、リム５０、ハブ７０、右スポーク６１、左スポーク６２及び下スポーク６３を備える。

リム５０は、運転者に把持される環状の部分であり、例えば、円環状に形成された部分でもよいし、楕円等のその他の環状形状に形成された部分でもよい。リムは、グリップとも呼ばれる。

リム５０は、右リム部５１、左リム部５２、上リム部５３、下リム部５４、右上リム部５５、左上リム部５６、右下リム部５７、左下リム部５８を有する。

なお、ステアリングホイール４０において、「上」「下」「左」「右」は、ステアリングホイール４０を中立位置（車両を直進させる位置）にした状態で、ステアリングホイール４０を正面側（運転者側）からの視点で見たときの向きを表す。図１でリム５０に描かれた梨地模様は、これらの各リム部の大凡の範囲を示す。

右リム部５１は、ステアリングホイール４０の中心を通り左右方向に延びる仮想線に対して、上下に所定角度（例えば、５０°）ずつ広がった右側部分である。左リム部５２は、ステアリングホイール４０の中心を通り左右方向に延びる仮想線に対して、上下に所定角度（例えば、５０°）ずつ広がった左側部分である。上リム部５３は、ステアリングホイール４０の中心を通り上下方向に延びる仮想線に対して、左右に所定角度（例えば、２０°）ずつ広がった上側部分である。下リム部５４は、ステアリングホイール４０の中心を通り上下方向に延びる仮想線に対して、左右に所定角度（例えば、２０°）ずつ広がった下側部分である。右上リム部５５は、右リム部５１と上リム部５３との間の右上部分である。左上リム部５６は、左リム部５２と上リム部５３との間の左上部分である。右下リム部５７は、右リム部５１と下リム部５４との間の右下部分である。左下リム部５８は、左リム部５２と下リム部５４との間の左下部分である。

ハブ７０は、リム５０の内側中央部に位置する部分である。ハブ７０には、車体側のステアリングシャフトが結合されるとともに、エアバッグモジュールが固定されるホーンプレートが取り付けられる。ハブ７０は、リム５０に対してステアリングシャフト側（運転者から見て奥側）にオフセットしている。

右スポーク６１は、ハブ７０の右側部とリム５０の右側部とを連結する部分である。左スポーク６２は、ハブ７０の左側部とリム５０の左側部とを連結する部分である。下スポーク６３は、ハブ７０部の下側部とリム５０の下側部とを連結する部分である。なお、スポークの本数は、３本に限られず、例えば４本でもよい。

ステアリングホイール４０は、ステアリングホイール４０のリム５０を振動させる振動装置１００を備える。振動装置１００は、リム５０を振動させる振動機構１０と、振動機構１０を制御する振動制御部１１とを備える。

振動機構１０は、リム５０に内蔵されている。振動機構１０がリム５０を振動させることによって、リム５０を把持する運転者に対して注意を喚起することができる。本実施形態では、振動機構１０は、下リム部５４に内蔵されている。右リム部５１及び左リム部５２が運転者に把持される頻度は、リム５０のうちの他のリム部の頻度に比べて高い。また、下リム部５４は、右リム部５１までの長さと左リム部５２までの長さとが略等しい箇所に位置する。したがって、振動機構１０が下リム部５４に配置されていることによって、振動機構１０による振動を右リム部５１と左リム部５２に略均等に伝えることができる。その結果、例えば、右手と左手とで感じる振動の強さが相違することによる運転者の違和感を緩和することができる。

振動機構１０が下リム部５４に配置される場合と同様の考えに基づき、振動機構１０は、上リム部５３に配置されてもよい。振動機構１０が上リム部５３に配置されていることによって、振動機構１０による振動を右リム部５１と左リム部５２に略均等に伝えることができる。

なお、振動機構１０は、リム５０のうち、下リム部５４及び上リム部５３以外の他のリム部に配置されてもよい。また、リム５０に配置される振動機構１０の個数は、一つに限られず複数でもよい。

振動制御部１１は、振動機構１０が振動するように振動機構１０に印加する電圧を制御する。本実施形態では、振動制御部１１は、ハブ７０に設けられている。振動機構１０を振動させる電圧は、振動制御部１１と振動機構１０とを結ぶ少なくとも一本の配線５９を介して印加される。配線５９は、例えば、左スポーク６２と左リム部５２と左下リム部５８とを経由する。しかしながら、配線５９の経路は、この経路に限られず、他の経路（例えば、下スポーク６３を経由する経路、右スポーク６１を経由する経路など）でもよい。

なお、振動制御部１１は、ハブ７０以外の箇所に設けられてもよく、例えば、リム５０に内蔵されてもよいし、右スポーク６１、左スポーク６２又は下スポーク６３に設けられてもよい。

図２は、図１のＡ−Ａにおけるリムの断面図である。リム５０は、環状の芯材である芯金４３と、芯金４３を被覆する被覆部４５とを有する。リム５０に内蔵される芯金４３は、ＹＺ平面に略Ｕ字状の断面を有し、芯金４３の外周は、被覆部４５によって覆われている。芯金４３は、例えば、マグネシウム合金又はアルミニウム合金等の金属によって形成されている。被覆部４５は、芯金４３よりも柔らかい素材によって形成されており、例えば、ウレタン樹脂等の弾性の樹脂材によって形成されている。

芯金４３は、リム５０の環状形状に沿って延在する溝部４６を有し、Ｘ軸方向に沿って位置する振動機構１０は、溝部４６に配置されている。振動機構１０が溝部４６に配置されていることによって、リム５０が振動機構１０の配置により太くなることを抑制することができる。

図３は、第１の実施形態における振動機構の構成の一例を示す図である。図３は、リム５０の円周方向に平行なＺＸ平面における部分断面図である。振動機構１０Ａは、振動機構１０の一例であり、芯金４３に台座３０を介して固定されている。台座３０は、溶接又はボルト等による少なくとも一つの結合部３１により、芯金４３に固定される。芯金４３は、第１の壁部４１と第２の壁部４２とを有し、振動機構１０Ａは、第１の壁部４１と第２の壁部４２との間に形成される溝部４６に配置されている。振動機構１０Ａは、圧電素子８０と、増幅機構２０とを有する。

圧電素子８０は、振動制御部１１（図１参照）によって印加される電圧に応じて振動する。増幅機構２０は、圧電素子８０の振動を増幅し、圧電素子８０の振動よりも大きな振動で振動する。増幅機構２０の振動は、台座３０を介して芯金４３に伝わるため、リム５０も振動する。このように、増幅機構２０が圧電素子８０の振動よりも大きな振幅で振動してリム５０を振動させるので、リム５０を把持する運転者は振動を感じやすくなる。

振動制御部１１は、運転者に振動で知らせるべき状態が検知されたとき、圧電素子８０を振動させる電圧を圧電素子８０に印加する。振動制御部１１は、例えば、ステアリングホイール４０の振動を指令する振動指令信号を振動装置１００の外部のコンピュータ（例えば、ＥＣＵなど）から受信したとき、運転者に振動で知らせるべき状態と検知する。振動装置１００の外部のコンピュータは、例えば、自車の運転者の異常（例えば、居眠りや脇見など）が検出された場合、又は、自車の周囲の障害物（例えば、他車や歩行者など）と衝突するおそれがあると予測された場合、振動指令信号を出力する。

図３に示される第１の実施形態では、圧電素子８０は、芯金４３に固定される根元部２４と、根元部２４とは反対側の先端部２３とを有するカンチレバー構造を備える。これにより、先端部２３は、振動制御部１１が圧電素子８０に印加する電圧に応じて、根元部２４を支点に反る。図３では、圧電素子８０の根元部２４は、台座３０に固定され、台座３０を介して芯金４３に間接的に固定されている。したがって、カンチレバー構造の圧電素子８０の振動（例えば、リム５０の円周方向の振動）は、根元部２４及び台座３０を介して、芯金４３に伝達する。

第１の実施形態では、増幅機構２０は、先端部２３に取り付けられる少なくとも一つの慣性体２１を有し、慣性体２１の振動を利用してリム５０を振動させる。慣性体２１の振動（例えば、リム５０の円周方向の振動）は、根元部２４及び台座３０を介して、芯金４３に伝達する。慣性体２１が先端部２３に直接又は間接的に取り付けられることにより、圧電素子８０の振動の増幅度合いが増すので、芯金４３に伝達する振動の強度が高まる。

また、図３では、慣性体２１は、少なくとも一つの弾性体２２を介して先端部２３に取り付けられている。弾性体２２は、圧電素子８０の振動によって弾性変形する弾性部の一例である。増幅機構２０は、弾性体２２の弾性を利用して圧電素子８０の振動を増幅する。弾性体２２の具体例として、ばね、ゴムなどが挙げられる。

慣性体２１が弾性体２２を介して圧電素子８０の先端部２３に固定されていると、圧電素子８０が電圧印加により変形する振動時に、慣性体２１の振動振幅は、弾性体２２により助長される。よって、圧電素子８０の振動の増幅度合いはさらに増すので、芯金４３に伝達する振動の強度がさらに高まる。

また、リム５０の固有振動数で慣性体２１が共振するように、慣性体２１の質量と弾性体２２の弾性率との少なくとも一方が調整されてもよい。これにより、芯金４３に伝達する振動の強度が高まるので、リム５０の振動振幅を大きくすることができる。

なお、圧電素子８０及び慣性体２１の振動方向は、リム５０の円周方向（Ｘ軸方向）とは異なる方向でもよく、例えば、リム５０の法線方向（Ｚ軸方向）でもよいし、リム５０の径方向（Ｙ軸方向）でもよい。

図４は、圧電素子の第１の構成例を示す図である。圧電素子８０Ａは、圧電素子８０の一例である。圧電素子８０Ａは、板厚方向に印加する電圧の極性の違いによって伸縮する２つの圧電体８１，８２と、圧電体８１，８２を挟む３つの電極８３〜８５とを有するバイモルフ型の圧電素子の一例である。圧電素子８０Ａは、長方形の薄板の２枚の圧電体８１，８２を組み合わせた構造を有する。

圧電体８１，８２のそれぞれに極性の異なる電圧を３つの電極８３〜８５により同時に印加すると、圧電素子８０Ａの長手方向において、圧電体８１は縮むのに対し圧電体８２は伸びるので、圧電素子８０Ａは、圧電体８２側が突出するように湾曲する。振動制御部１１は、圧電体８１，８２のそれぞれに印加する電圧の極性を反転させることを繰り返すことによって、圧電素子８０Ａを左右に振動させることが可能となる。

振動制御部１１は、例えば、極性の異なる電圧を発生させる電源部１３と、圧電体８１，８２に印加する電圧の極性を切り替える駆動部１７と、駆動部１７での電圧極性の切り替えを制御する制御部１２とを有する。

例えば、制御部１２は、運転者に振動で知らせるべき状態か否かを検知する論理回路である。制御部１２は、運転者に振動で知らせるべき状態が検知されたとき、駆動部１７内のスイッチ１４〜１６をスイッチングさせて、圧電体８１，８２に印加する電圧の極性を切り替える。

なお、圧電素子８０Ａの構造は、２つの電極で一つの圧電体を挟んだモノモルフ型でもよい。

図５は、圧電素子の第２の構成例を示す図である。圧電素子８０Ｂは、圧電素子８０の一例である。圧電素子８０Ｂは、分極の向きが交互になるように複数の圧電体を板厚方向に重ね合わせた積層型の圧電素子の一例である。圧電素子８０Ｂは、２列の積層された複数の圧電体を組み合わせた構造を有し、列全体が縮む第１番目の列の複数の圧電体８９と、列全体が伸びる第２番目の列の複数の圧電体９０と、３つの電極８６〜８８とを有する。

図６は、圧電素子８０Ｂを振動させる第１の電圧波形例を示す図である。この電圧波形で圧電素子８０Ｂを駆動する場合、電極８６は、グランドに固定される。振動制御部１１は、電極８７と電極８８に交互に電圧を印加することによって、圧電素子８０Ｂを振動させることができる。

図７は、圧電素子８０Ｂを振動させる第２の電圧波形例を示す図である。この電圧波形で圧電素子８０Ｂを駆動する場合、電極８６は、グランドに固定される。振動制御部１１は、電極８７に正電圧（＋Ｖ）を印加したあとに電極８８に負電圧（−Ｖ）を印加することを交互に繰り返すことによって、圧電素子８０Ｂを振動させることができる。

図８は、第２の実施形態における振動機構の構成の一例を示す図である。図８は、４つの圧電素子１８１〜１８４を組み込んだ振動機構１０Ｂを示す斜視図である。振動機構１０Ｂは、４つの節点１９５〜１９８が設けられる菱形の骨組構造１９０を含む増幅機構８０Ｃを備える。振動機構１０Ｂは、４つの圧電素子１８１〜１８４のそれぞれが、対応する部材１９１〜１９４を押すことで、パンタグラフ状の骨組構造１９０が長手方向に伸びることを利用してステアリングホイール４０に振動を与える。ここで使われる圧電素子１８１〜１８４は、バイモルフ型でも積層型でもよいが、振動を伝える効果を上げるためには、積層型が好ましい。

節点１９５〜１９８は、圧電素子１８１〜１８４の振動によって弾性変形する弾性部である。増幅機構８０Ｃは、節点１９５〜１９８の弾性を利用して圧電素子１８１〜１８４の振動を増幅する。増幅機構８０Ｃは、節点１９５〜１９８間の部材１９１〜１９４が圧電素子１８１〜１８４の振動によって可動することによりリム５０を振動させる。

増幅機構８０Ｃの骨組構造１９０の振動部位である部材１９１〜１９４に導通可能な最適な位置に圧電素子１８１〜１８４が設置されている。部材１９１〜１９４は、配線１８９ｅによりグランドに接続されている。圧電素子１８１〜１８４は、配線１８９ａ〜１８９ｄにより、振動制御部１１に接続されている。

圧電素子１８１〜１８４に正の電圧が振動制御部１１により印加されると、圧電素子１８１〜１８４が伸びることによって、骨組構造１９０が菱形の短手方向につぶれる方向に部材１９１〜１９４に対して荷重が加わる。これにより、菱形の短手方向に対向する一対の節点１９５，１９６が互いに近づき、菱形の長手方向に対向する一対の節点１９７，１９８が互いに離れるように、骨組構造１９０が可動する。このように、菱形の長手方向に大きな荷重が発生し、菱形の長手方向の力がリム５０の芯金４３の壁に伝達する。例えば、骨組構造１９０は、骨組構造１９０の長手方向の少なくとも一方の端部（例えば、節点１９７，１９８の少なくとも一方）をリム５０の芯金４３の壁に接触させることにより、リム５０を振動させる。このように、振動制御部１１は、圧電素子１８１〜１８４に強弱またはサイクルを変えた電圧を印加することで、ステアリングホイール４０の振動態様を自在に変えることができる。

圧電素子１８１〜１８４及び骨組構造１９０は、リテーナ１３０に保持される。リテーナ１３０は、取り付け孔１３２を有し、取り付け孔１３２に挿入されるボルトによって、芯金４３に固定される。また、リテーナ１３０は、骨組構造１９０を保持する保持穴１３１を有する。

図９は、第２の実施形態における振動機構の構成の一変形例を示す図である。振動機構の骨組構造は、菱形に限られず、菱形以外の形状でもよい。図９の振動機構は、３つの節点１９５，１９７，１９８が設けられる山形の骨組構造を含む増幅機構８０Ｄを備える。図９の振動機構は、２つの圧電素子１８２，１８３のそれぞれが、対応する部材１９２，１９３を押すことで、山形の骨組構造が長手方向に伸びることを利用して、ステアリングホイール４０に振動を与える。

図１０は、第３の実施形態における振動機構の構成の一変形例を示す図である。図１０の振動機構８０Ｅは、振動制御部１１によって配線１８９ｂを介して印加される電圧に応じて振動する圧電素子１８２と、圧電素子１８２の振動を増幅する部材１９２とを有する。部材１９２は、圧電素子１８２の振動よりも大きな振幅で振動することにより、リム５０の芯金４３を振動させる増幅機構の一例である。このような振動機構の構成でも、リム５０を把持する運転者は振動を感じやすくなる。

第３に実施形態における部材１９２は、台座１３３に固定される根元部と、部材１９２が反ることにより芯金４３に接触する先端部とを有するカンチレバーである。台座１３３は、芯金４３に固定されている。部材１９２の先端部の振動が芯金４３に伝達することで、リム５０を振動させることができる。

以上、ステアリングホイール及び振動装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 振動機構
１１ 振動制御部
１２ 制御部
１３ 電源部
１７ 駆動部
２０ 増幅機構
２１ 慣性体
２２ 弾性体
２３ 先端部
２４ 根元部
３０ 台座
３１ 結合部
４０ ステアリングホイール
４１ 第１の壁部
４２ 第２の壁部
４３ 芯金
４５ 被覆部
４６ 溝部
５０ リム
５９ 配線
７０ ハブ
８０，８０Ａ，８０Ｂ，１８１〜１８４ 圧電素子
８０Ｃ，８０Ｄ，８０Ｅ 増幅機構
８１，８２ 圧電体
８３，８４，８５ 電極
１３０ リテーナ
１３１ 保持穴
１９０ 骨組構造
１９１〜１９４ 部材
１９５〜１９８ 節点

Claims (11)

1. 環状のリムと、
   前記リムに内蔵される振動機構と、
   前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、
   前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、
   前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより前記リムを振動させる、ステアリングホイール。
2. 前記圧電素子は、前記リムの芯金に固定される根元部と、前記根元部とは反対側の先端部とを有するカンチレバー構造を備える、請求項１に記載のステアリングホイール。
3. 前記増幅機構は、前記先端部に取り付けられる少なくとも一つの慣性体を有し、前記慣性体の振動を利用して前記リムを振動させる、請求項２に記載のステアリングホイール。
4. 前記慣性体は、少なくとも一つの弾性体を介して前記先端部に取り付けられる、請求項３に記載のステアリングホイール。
5. 前記慣性体は、前記リムの固有振動数で共振する、請求項３又は４に記載のステアリングホイール。
6. 前記増幅機構は、前記圧電素子の振動によって弾性変形する少なくとも一つの弾性部を有し、前記弾性部の弾性を利用して前記圧電素子の振動を増幅する、請求項１に記載のステアリングホイール。
7. 前記増幅機構は、前記弾性部が節点に設けられる骨組構造を備え、前記骨組構造の節点間の部材が前記圧電素子の振動によって可動することにより前記リムを振動させる、請求項６に記載のステアリングホイール。
8. 前記骨組構造の形状は、菱形であり、
   前記骨組構造は、菱形の短手方向に前記圧電素子によりつぶれることにより菱形の長手方向の力を前記リムの芯金に伝達する、請求項７に記載のステアリングホイール。
9. 前記骨組構造は、前記骨組構造の長手方向の少なくとも一方の端部を前記リムの芯金に接触させることにより、前記リムを振動させる、請求項８に記載のステアリングホイール。
10. 前記振動制御部は、運転者に振動で知らせるべき状態が検知されたとき、前記圧電素子を振動させる電圧を前記圧電素子に印加する、請求項１から９のいずれか一項に記載のステアリングホイール。
11. ステアリングホイール用の振動装置であって、
    振動機構と、前記振動機構を制御する振動制御部とを備え、
    前記振動機構は、前記振動制御部によって印加される電圧に応じて振動する少なくとも一つの圧電素子と、前記圧電素子の振動を増幅する増幅機構とを有し、
    前記増幅機構は、前記圧電素子の振動よりも大きな振幅で振動することにより、ステアリングホイールのリムを振動させる、振動装置。

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