JP2023051233A - 操舵システムおよびこれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の改善および走行安定性の向上を図ることができる操舵システムおよびこれを備えた車両を提供する。【解決手段】操舵システムは、ハブユニット本体、前記ハブユニット本体を転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材、および前記ハブユニット本体を回転駆動させる操舵用アクチュエータを有する操舵機能付ハブユニットを備え、前記操舵用アクチュエータは、モータと、直動機構とを有し、前記ハブユニット本体が回転駆動される、操舵システムであって、三相の電源線を経由して前記操舵用アクチュエータの前記モータが、入力された電流指令信号に応じた電流を出力するように、前記モータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部と、前記電源線の三相のうちの少なくともいずれか二相を短絡させるリレー回路を備え、前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、前記リレー回路を動作させる。【選択図】図１０

Description

本発明は、操舵システムおよびこれを備えた車両に関し、走行状況に合わせ車輪を適切な操舵角に制御する技術に関する。

一般的な自動車等の車両は、ハンドルとステアリング装置（または操舵装置）が機械的に接続され、また、ステアリング装置の両端はタイロッドによってそれぞれの左右輪に繋がっている。そのため、ハンドルの動きによる左右輪の切れ角度は初期の設定によって決まる。車両のジオメトリには、(1) 左右輪の切れ角度が同じである「パラレルジオメトリ」、(2) 車両の旋回中心を１か所にするために旋回内輪車輪角度を旋回外輪車輪角度よりも大きく切る「アッカーマンジオメトリ」が知られている。

アッカーマンジオメトリは、車両に作用する遠心力を無視できるような低速域での旋回において、車両をスムーズに旋回させるために、各輪が共通の一点を中心として旋回するように左右輪の舵角差を設定している。しかし、遠心力を無視できない高速域の旋回においては、車輪は遠心力とつり合う方向にコーナリングフォースを発生させることが望ましいため、アッカーマンジオメトリよりもパラレルジオメトリとすることが好ましい。

前述したように一般的な車両の操舵装置は機械的に車輪と接続されているため、一般的には固定された単一のステアリングジオメトリしか取ることができず、アッカーマンジオメトリとパラレルジオメトリとの中間的なジオメトリに設定されることが多い。しかし、この場合、低速域では左右輪の舵角差が不足して外輪の舵角が過大となり、高速域では内輪の舵角が過大となる。このように内外輪の車輪横力配分に不要な偏りがあると、走行抵抗の悪化による燃費悪化及びタイヤの早期摩耗の原因となり、また内外輪を効率的に利用できないので、コーナリングのスムーズさが損なわれるといった課題がある。

そこで、車速や旋回Ｇに応じて車輪の切れ角を変更し、低速域ではアッカーマンジオメトリを、高速域ではパラレルジオメトリと任意に選択することで、走行抵抗を増大させることがなく、また低速でのスムーズな旋回性と高速でのコーナリング性能とを両立させることを可能とする技術が提案されている。

独国特許出願公開第１０２０１２２０６３３７号明細書 特開２０１４－０６１７４４号公報

特許文献１では、モータを２個使ってタイヤのトー角とキャンバー角を複雑に制御している。特許文献２は、転舵軸に対しハブベアリングを片持ち支持しているため、剛性が低下し、過大な走行Ｇの発生によってステアリングジオメトリが変化してしまう可能性がある。また、転舵軸上に減速機を設けた場合、モータを含めてサイズが大きくなる。モータ等のサイズが大きくなると車輪の内周部に全体を配置することが困難となる。また、減速比の大きい減速機を設けた場合、応答性が悪化する。

上記のように従来の操舵機能を備えた機構は、車両において車輪のトー角またはキャンバー角を任意に変更することを目的としているため、モータおよび減速機構が複数必要になり複雑な構成となっている。また、剛性を確保することが困難となり、剛性を確保するためには大型化する必要があり重くなる。また、キングピン軸と、操舵機能を備えた機構の転舵軸が一致する場合は、構成要素部品がハブユニットの後方（車体内側）に配置されるために全体のサイズが大きくなり重くなる。

加えて、走行中の車両において、操舵機能付ハブユニットのシステム異常のうちの、例えばセンサの異常、制御装置の異常、またはモータの異常等によって、操舵用アクチュエータのモータを停止させるためにモータの電流を遮断した場合、モータが惰性で回転してしまい、操舵用アクチュエータ中の直動機構が台形ねじのストロークエンドまで移動してしまい破損する恐れがある。モータの惰性回転を瞬時に停止するには、例えば転舵用アクチュエータのモータの入力側に接続したブリッジ回路のスイッチング素子を、Low側のUVW相全てオン(導通状態)、High側のUVW相全てオフにして三相短絡させ、ブレーキを作動させる必要がある。しかし、モータ回転中に電源が失陥した場合（システム異常に含む）、スイッチング素子を駆動させる電力を供給できなくなり、このブレーキ作動ができない。

したがって、本発明の目的は、上述のような点を改善することで、燃費の改善および走行安定性の向上を図ることができる操舵システムおよびこれを備えた車両を提供することである。

この発明の操舵システムは、
車輪を回転支持するハブベアリングを有するハブユニット本体、懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材、および前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータを有する操舵機能付ハブユニットを備え、
前記操舵用アクチュエータは、モータと、このモータの回転出力を出力ロッドの直進運動に変換する直動機構とを有し、前記出力ロッドが進退することで、前記ハブユニット本体が前記転舵軸心回りに回転駆動される、
操舵システムであって、
三相の電源線を経由して前記操舵用アクチュエータの前記モータが、入力された電流指令信号に応じた電流を出力するように、前記モータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部と、
前記電源線の三相のうちの少なくともいずれか二相を短絡させるリレー回路を備え、
前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、前記リレー回路を動作させる。

この構成によると、前記操舵機能付ハブユニット内の前記転舵軸心で前記ハブユニット本体は回転自在に保持されている。また、前記操舵機能付ハブユニット内に配置される前記操舵用アクチュエータのモータの回転により直動機構の出力ロッドが進退することで、前記ハブユニット本体が転舵軸心回りに回転駆動されることにより操舵される。このとき車両の挙動を制御するためには、正確に車輪の舵角を制御する必要があると共に、異常時には車輪の角度を初期状態に戻して、制御を停止させる必要がある。しかし上記構成により、簡単な構造でハブユニットに取り付けられた車輪のトー角度を任意に変更すること等が可能となる。例えば、車両の走行条件に応じて、左右の車輪を独立して角度を任意に変更することができるため、車両の運動性能を向上させ、安定に走行することが可能となる。また、適切な車輪角度を設定することで燃費を改善することも可能となる。以上により、燃費の改善および走行安定性の向上を図ることができる。

加えて、この構成によると、前記アクチュエータ駆動制御部が前記モータを駆動制御するのに使用する三相の電源線において、予期しない電源欠陥等による前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、前記リレー回路の種類によっては、前記リレー回路を動作させて前記電源線の三相のうちの少なくともいずれか二相を短絡させうる（短絡ブレーキ）。当該リレー回路の短絡を用いた短絡ブレーキを採用することで、予期しない電源失陥時等による前記モータの異常発生時にモータの惰性回転によるオーバーシュートを抑えることで、機械の可動範囲を超えて動作することによる破損を防ぐことができる。

前記リレー回路に半導体素子を含むリレーが使用されてもよい。これにより、高速にリレー回路のオンオフ動作が可能となる。また、前記リレー回路のリレーが１つのコイルと、２つの接点を有してもよい。これにより、複数のリレーを１つの部品とすることができ、小型化できる。

前記アクチュエータ駆動制御部は、複数のスイッチング素子を有し、該複数のスイッチング素子のオンオフ動作により、前記操舵用アクチュエータの前記モータを駆動制御し、
前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、電源を失陥した場合には、前記リレー回路を動作させ、電源を失陥していない場合には、前記複数のスイッチング素子のうちのLow側をすべてオン動作させ、High側をすべてオフ動作させてもよい。これにより、電源失陥以外の時は前記複数のスイッチング素子のうちのLow側をすべてオン動作させ、High側をすべてオフ動作させ、電源失陥時は上記リレー回路により短絡ブレーキを発生させることで、短絡ブレーキを各々発生できる。

前記制御装置は、前記操舵機能付ハブユニットの前記操舵用アクチュエータを制御する制御装置を備え、前記制御装置は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する操舵制御部と、この操舵制御部から入力された前記電流指令信号に応じた電流を出力して前記操舵用アクチュエータを駆動制御する前記アクチュエータ駆動制御部とを有してもよい。この構成によると、操舵機能付ハブユニットの操舵用アクチュエータを簡単な構成で制御することができる。

この発明の車両は、この発明の上記いずれかの構成の操舵システムを備えた車両であり、前記操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持されている。そのため、この発明の操舵システムにつき前述した各効果が得られる。前輪は一般的に操舵輪とされるが、操舵輪に操舵機能付ハブユニットを適用した場合は、走行中におけるトー角調整に効果的である。また、後輪は一般的に非操舵輪とされるが、非操舵輪に適用した場合は、非操舵輪の若干の操舵によって低速走行時における最小回転半径の低減を図ることができる。

この発明の操舵システムは、車輪を回転支持するハブベアリングを有するハブユニット本体、懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材、および前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータを有する操舵機能付ハブユニットを備え、前記操舵用アクチュエータは、モータと、このモータの回転出力を出力ロッドの直進運動に変換する直動機構とを有し、前記出力ロッドが進退することで、前記ハブユニット本体が前記転舵軸心回りに回転駆動される、操舵システムであって、三相の電源線を経由して前記操舵用アクチュエータの前記モータが、入力された電流指令信号に応じた電流を出力するように、前記モータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部と、前記電源線の三相のうちの少なくともいずれか二相を短絡させるリレー回路とを備え、前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、前記リレー回路を動作させる。これにより、燃費の改善および走行安定性の向上を図ることができる。

この発明の車両は、この発明の上記いずれかの構成の操舵システムを備えた車両であり、前記操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持されたため、燃費の改善および走行安定性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る操舵システムの操舵機能付ハブユニットおよびその周辺の構成を示す縦断面図である。 同操舵機能付ハブユニットの水平断面図および制御系のブロック図である。 同操舵機能付ハブユニットの外観を示す斜視図である。 同操舵機能付ハブユニットの側面図である。 同操舵機能付ハブユニットの平面図である。 図４のVI-VI線断面図である。 同操舵システムを備えた車両の一例の模式平面図である。 いずれかの操舵システムを備えた車両の他の例の模式平面図である。 いずれかの操舵システムを備えた車両のさらに他の例の模式平面図である。 同操舵システムの短絡ブレーキを用いたモータの入力側を示す電源線の結線図である。 同操舵システムのモータの制御を示すフローチャートである。 同操舵システムの電源失陥時の動作を説明する波形図である。

本発明の一実施形態に係る操舵システムを図を参照して説明する。この操舵システムは、操舵機能付ハブユニットと、この操舵機能付ハブユニットの操舵用アクチュエータを制御する後述する制御装置とを備える。この操舵システムは車両に搭載される。

＜操舵機能付ハブユニットの概略構造＞
図１に示すように、この操舵機能付ハブユニット１は、ハブユニット本体２と、ユニット支持部材３と、操舵用アクチュエータ５とを備える。足回りフレーム部品であるナックル６に一体にユニット支持部材３が設けられている。このユニット支持部材３のインボード側に、操舵用アクチュエータ５が設けられ、ユニット支持部材３のアウトボード側に、ハブユニット本体２が設けられる。操舵機能付ハブユニット１を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向外側をアウトボード側といい、車両の車幅方向中央側をインボード側という。なお、操舵機能付ハブユニット１を単に、ハブユニット１と言う場合がある。

図２および図３に示すように、ハブユニット本体２と操舵用アクチュエータ５とはジョイント部８により連結されている。通常、このジョイント部８は、防水、防塵のために図示外のブーツが取り付けられている。

図１に示すように、ハブユニット本体２は、上下方向に延びる転舵軸心Ａ回りに回転（回転）自在なように、上下二箇所で回転許容支持部品４，４を介してユニット支持部材３に支持されている。すなわち、転舵軸心Ａは、ハブユニット本体２側に存在し、車輪９の回転軸心Ｏとは異なる軸心であり、主な操舵を行うキングピン軸とも異なっている。通常の車両は、車両走行の直進安定性の向上を目的としてキングピン角度が１０～２０度で設定されているが、この実施形態の操舵機能付ハブユニット１は、前記キングピン角度とは別の角度（軸）の転舵軸を有する。車輪９は、ホイール９ａとタイヤ９ｂとを備える。

＜操舵機能付ハブユニット１の設置箇所＞
この操舵機能付ハブユニット１は、この実施形態では操舵輪、具体的には図７に示すように、車両１０の前輪９Ｆのステアリング装置１１による操舵に付加して左右輪個別に微小な角度（約±５ｄｅｇ）を操舵させる機構として、懸架装置１２のナックル６に一体に設けられる。但し、操舵輪の操舵機能付ハブユニット１において、車両制御の要求によっては、前記微小な角度に限らず例えば１０°～２０°等の比較的大きな角度を左右輪個別に採ることもある。これは、後述する図８、図９に示す操舵機能付ハブユニット１についても同様である。

図７に示すように、ステアリング装置１１は、車体に取り付けられ、運転者のハンドル１１ａの操作、または図示外の自動運転装置、運転支援装置の指令等によって動作し、その進退するタイロッド１４が、図２のユニット支持部材３のステアリング結合部６ｄ（後述する）に連結されている。ステアリング装置１１は、ラック・ピニオン式等とされるが、どのタイプのステアリング装置でも構わない。また、タイロッド１４が連結する位置は、車軸よりも前方（前引き）、車軸よりも後方（後引き）等、いずれであってもよい。懸架装置１２は、例えば、ショックアブソーバをナックル６に直接固定するストラット式サスペンション機構を適用しているが、ダブルウィッシュボーン式サスペンション機構、マルチリンク式サスペンション機構、その他のサスペンション機構を適用してもよい。

＜ハブユニット本体２について＞
図１に示すように、ハブユニット本体２は、車輪９の支持用のハブベアリング１５と、転舵軸部付き円環部であるアウターリング１６と、操舵力受け部であるアーム部１７（図３）とを備える。図１のハブベアリング１５は、内輪１８と、外輪１９と、これら内外輪１８，１９間に介在したボール等の転動体２０とを有し、車体側の部材と車輪９とを繋ぐ役目をしている。

このハブベアリング１５は、図示の例では、外輪１９が固定輪、内輪１８が回転輪となり、転動体２０が複列とされたアンギュラ玉軸受とされている。内輪１８は、図６に示すハブフランジ１８ａａを有しアウトボード側の軌道面を構成するハブ輪部１８ａと、インボード側の軌道面を構成する内輪部１８ｂとを有する。図１に示すように、ハブフランジ１８ａａに、車輪９のホイール９ａがブレーキロータ２１ａと重なり状態でボルト固定されている。内輪１８は、回転軸心Ｏ回りに回転する。

図６に示すように、アウターリング（転舵軸部付き円環部）１６は、外輪１９の外周面に嵌合された円環部１６ａと、この円環部１６ａの外周から上下に突出して設けられたトラニオン軸状の転舵軸部１６ｂ，１６ｂとを有する。上下の取付軸部である各転舵軸部１６ｂは、転舵軸心Ａに同軸に設けられる。

図２に示すように、ブレーキ２１は、ブレーキロータ２１ａと、ブレーキキャリパ２１ｂとを有する。ブレーキキャリパ２１ｂは、外輪１９に一体にアーム状に突出して形成された上下二箇所のブレーキキャリパ取付部２２（図４）に取付けられる。

＜回転許容支持部品およびユニット支持部材について＞
図６に示すように、各回転許容支持部品４は転がり軸受から成る。この例では、転がり軸受として、円すいころ軸受が適用されている。転がり軸受は、転舵軸部１６ｂの外周に嵌合された内輪４ａと、ユニット支持部材３に嵌合された外輪４ｂと、内外輪４ａ，４ｂ間に介在する複数の転動体４ｃとを有する。

ユニット支持部材３は、図３に示すようなユニット支持部材本体３Ａと、ユニット支持部材結合体３Ｂとを有する。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端に、略リング形状のユニット支持部材結合体３Ｂが着脱自在に固定されている。ユニット支持部材結合体３Ｂのインボード側側面のうち上下の部分には、図６に示すような、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３Ｂａがそれぞれ形成されている。

図５および図６に示すように、ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端のうち上下の部分には、部分的な凹球面状の嵌合孔形成部３Ａａがそれぞれ形成されている。ユニット支持部材本体３Ａのアウトボード側端にユニット支持部材結合体３Ｂが固定され、各上下の部分につき、嵌合孔形成部３Ａａ，３Ｂａが互いに組み合わされることにより、全周に連なる嵌合孔が形成される。この嵌合孔に外輪４ｂが嵌合されている。なお図３において、ユニット支持部材３を一点鎖線の網掛けで表す。

図６に示すように、各転舵軸部１６ｂは、中空軸とされて内周孔内に雌ねじ部が径方向に延びるように形成され、この雌ねじ部に螺合するボルト２３が設けられている。内輪４ａの端面に円板状の押圧部材２４を介在させ、前記雌ねじ部に螺合するボルト２３の締付けにより、内輪４ａの端面に押圧力を付与することで、各回転許容支持部品４にそれぞれ予圧を与えている。すなわち、車両の重量などの外力がハブユニットに作用した場合でも予圧が抜けないように初期予圧が設定されている。これにより各回転許容支持部品４の剛性を高め得る。なお、回転許容支持部品４の転がり軸受は、最大負荷等の条件によっては円すいころ軸受に代えてアンギュラ玉軸受または四点接触玉軸受を用いてもよい。その場合も、上記と同様に予圧を与えることができる。

図１に示すように、上下の転舵軸部１６ｂ，１６ｂは、それぞれ回転許容支持部品４，４を介してユニット支持部材３に支持され、各回転許容支持部品４が車輪９のホイール９ａ内に位置する。この例では、各回転許容支持部品４が、ホイール９ａ内でこのホイール９ａの幅方向中間付近に配置される。

図２に示すように、アーム部１７は、ハブベアリング１５の外輪１９に補助的な操舵力を与える作用点となる部位であり、アウターリング１６または外輪１９の外周の一部に一体に突出する。アーム部１７は、ジョイント部８を介して、操舵用アクチュエータ５の直動出力部となる出力ロッド２５ａに回転自在に連結されている。これにより、操舵用アクチュエータ５の出力ロッド２５ａが進退（直進運動）することで、ハブユニット本体２が転舵軸心Ａ回りに回転（回転）、例えば補助操舵させられる。

＜操舵用アクチュエータ５＞
図２および図３に示すように、操舵用アクチュエータ５は、ハブユニット本体２を転舵軸心Ａ（図１）回りに回転（回転）駆動させる回転駆動源としてのモータ２６と、このモータ２６の回転を減速する減速機２７と、この減速機２７の正逆の回転出力を出力ロッド２５ａの往復直線動作（直進運動）に変換する直動機構２５とを備える。モータ２６は、例えば永久磁石型同期モータとされるが、直流モータであっても、誘導モータであってもよい。

＜減速機２７＞
減速機２７は、ベルト伝達機構等の巻き掛け式伝達機構またはギヤ列等を用いることができ、図２の例ではベルト伝達機構が用いられている。減速機２７は、ドライブプーリ２７ａ，ドリブンプーリ２７ｂと、ベルト２７ｃとを有する。モータ２６のロータ軸２６ｂにドライブプーリ２７ａが結合され、直動機構２５の回転自在なナット部３５に、ドリブンプーリ２７ｂが設けられている。このドリブンプーリ２７ｂは、前記ロータ軸２６ｂに平行に配置されている。モータ２６の駆動力は、ドライブプーリ２７ａからベルト２７ｃを介してドリブンプーリ２７ｂに伝達される。前記各ドライブプーリ２７ａ，ドリブンプーリ２７ｂとベルト２７ｃとで、巻き掛け式の減速機２７が構成される。

＜直動機構２５について＞
図２に示す直動機構２５は、台形ねじまたは三角ねじ等の滑りねじ式の送りねじ機構を用いることができ、本実施形態では台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構３３が用いられている。前記滑りねじの内部には、グリースが封入されている。この直動機構２５は、送りねじ機構３３、回転支持軸受２８と、回り止め部品４３、およびこれらの構成部品を覆うアクチュエータケース３４を有する。

送りねじ機構３３は、ナット部３５と、ねじ軸である前記出力ロッド２５ａと、すべり軸受３７とを有する。出力ロッド２５ａは、回り止め部品４３によってユニット支持部材３に対して回り止めされている。ナット部３５は、この外周部の軸方向中間部にドリブンプーリ２７ｂが設けられて軸方向両側の回転支持軸受２８，２８によりユニット支持部材３に回転自在に支持されている。このナット部３５の内周に雌ねじ部（不図示）が設けられている。出力ロッド２５ａの外周には、ナット部３５の前記雌ねじ部に噛み合う雄ねじ部（不図示）が設けられている。

ナット部３５の軸方向両端には、出力ロッド２５ａが摺動可能に貫通するすべり軸受３７，３７が設けられている。各すべり軸受３７は、出力ロッド２５ａの軸方向の移動をガイドすると共に、タイヤ側からの外力が出力ロッド２５ａに入力された場合、出力ロッド２５ａにラジアル方向の力が負荷されることを防止する。

回転支持軸受２８として、この例では、二個の円すいころ軸受が、ドリブンプーリ２７ｂを介して、正面合わせで組み合わされている。これらの回転支持軸受２８，２８の配置は、背面合わせ、正面合わせのどちらでもよいが、組付け性やシム等による予圧調整の容易さより、正面合わせの配置が好ましい。なお、回転支持軸受２８をアンギュラ玉軸受としてもよい。この場合にも、回転支持軸受２８，２８の配置は、背面合わせ、正面合わせのどちらでもよい。

また図２に示すように、回り止め部品４３は、出力ロッド２５ａの後端部であるインボード側端部に設けられた軸状部材である。この回り止め部品４３は、出力ロッド２５ａのインボード側端部において、例えば、上下方向および出力ロッド２５ａの軸方向にそれぞれ直交する方向に延びるように、出力ロッド２５ａに貫通状に嵌合固定されている。回り止め部品４３の外周における軸方向両端部には、環状のすべり軸受（不図示）が嵌合されている。

直動機構２５は、前記台形ねじの滑りねじを用いた送りねじ機構を備えるため、タイヤ９ｂからの逆入力の防止効果を高め得る。モータ２６、減速機２７および直動機構２５を備えた操舵用アクチュエータ５は、サブアセンブリとして組み立てられてケース６ｂにボルト等により着脱自在に取り付けられる。本実施形態の操舵用アクチュエータ５は、モータ２６、減速機２７および直動機構２５を備えているが、減速機が省略される場合もある。つまりモータ２６の駆動力を、減速機を介さず直接に直動機構２５へ伝達する機構も可能である。また、直動機構２５には、本実施形態に示す台形ねじの他、ボールねじまたはラックアンドピニオン機構等、回転運動を直動運動に変換可能な機構が使用できる。

車輪９の角度をより正確に制御するためには、モータ２６の回転角度と直動機構２５の位置を把握することが求められる。そこでこの操舵機能付ハブユニット１には、以下の位置センサ、角度センサが設けられている。

＜位置センサ＞
図２に示すように、前記アクチュエータケース３４には、直動機構２５の位置を検出する位置センサ４４が設けられている。位置センサ４４は、出力ロッド２５ａの軸方向の移動量を検出（監視）し位置センサ値として出力可能である。位置センサ４４は、磁気式、光学式、静電容量式等の各種のセンサを用いることができるが、この実施形態では、磁気センサが用いられている。アクチュエータケース３４内に固定された基板（不図示）に、位置センサ４４が固定される。したがって、位置センサ４４は、出力ロッド２５ａの進退に伴う前記永久磁石の磁場の変化を読み取り、出力ロッド２５ａの進退位置を検出する。なお前記ボルトを省略して回り止め部品４３に直接永久磁石を固定してもよい。

＜角度センサ＞
図２に示すように、モータ２６のモータケース２６ａには、前記モータ２６の回転角度を検出し二以上の角度センサ値を出力可能な角度センサ５４が設けられている。角度センサ５４は、基板（不図示）を介してモータケース２６ａに固定されている。モータ２６のロータ軸２６ｂのインボード側端部には、このロータ軸２６ｂと一体で回転する角度センサ用測定ターゲットとなる永久磁石が固定されている。角度センサ５４と永久磁石とは所定のアキシアルギャップを隔てて互いに対向する。磁気センサである角度センサ５４は、前記ロータ軸２６ｂの回転に伴う前記永久磁石の磁場の変化を読み取り、モータ２６の回転角度を検出する。なお角度センサ５４は、前述のアキシアルギャップ型の磁気センサに限定されるものではなく、いわゆるラジアルギャップ型の磁気センサを適用することも可能である。

＜その他の機構的構成＞
図２に示すように、ケース６ｂは、ユニット支持部材３の一部として、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ケース６ｂは、有底筒状に形成され、モータ２６を支持するモータ収容部と、直動機構２５を支持する直動機構収容部が設けられている。前記モータ収容部には、モータ２６をケース内所定位置に支持する嵌合孔が形成されている。前記直動機構収容部には、直動機構２５をケース内所定位置に支持する嵌合孔、および出力ロッド２５ａの進退を許す貫通孔等が形成されている。

図３に示すように、ユニット支持部材本体３Ａは、前記ケース６ｂ、ショックアブソーバの取り付け部となるショックアブソーバ取り付け部６ｃ、およびステアリング装置１１（図２）の結合部となるステアリング装置結合部６ｄを有する。これらショックアブソーバ取り付け部６ｃおよびステアリング装置結合部６ｄも、ユニット支持部材本体３Ａに一体に形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における上部に、ショックアブソーバ取り付け部６ｃが突出するように形成されている。ユニット支持部材本体３Ａの外表面部における側面部には、ステアリング装置結合部６ｄが突出するように形成されている。

＜制御系について＞
図２に示すように、操舵機能付ハブユニット１の操舵用アクチュエータ５を制御する前出の制御装置２９は、操舵制御部３０と、アクチュエータ駆動制御部３１とを有する。操舵制御部３０は、上位制御部３２から与えられた補助操舵角指令信号（操舵角指令信号）に応じた電流指令信号を出力する。上位制御部３２は操舵制御部３０の上位の制御手段であり、この上位制御部３２として、例えば、車両全般を制御する電気制御ユニット（Vehicle Control Unit,略称ＶＣＵ）が適用される。アクチュエータ駆動制御部３１は、例えば後述の三相の電源線を経由して、操舵制御部３０から入力された電流指令信号に応じた電流を出力し、操舵用アクチュエータ５を駆動制御する。すなわちアクチュエータ駆動制御部３１は、モータ２６のコイルに供給する電力を制御する。このアクチュエータ駆動制御部３１は、例えば、スイッチング素子を用いたブリッジ回路（図１０）を構成し、前記スイッチング素子のＯＮ－ＯＦＦデューティ比によりモータ印加電圧を決定するＰＷＭ制御を行う。これにより、運転者のハンドル操作による操舵に付加して、車輪９を微小に角度変化することができる。直線走行時にも、それぞれの場面に合わせてトー角の量を調整し得る。よって、運動性能および燃費向上を達成しうる。なお操舵システムは、運転者のハンドル操作に代えて、図示外の自動運転装置、運転支援装置の指令等によって操舵用アクチュエータ５，５を動作させてもよい。

図１０に、三相の電源線ＰＷａにより操舵用アクチュエータ５のモータ２６を駆動制御するアクチュエータ駆動制御部３１を示す。具体的には、電源線ＰＷａに短絡ブレーキを用いた本実施形態のモータ２６の入力側を示す結線図である。モータ２６の入力側には、6個のスイッチング素子で構成されているブリッジ回路（インバータ回路）ＩＮＶが接続されている。ブリッジ回路ＩＮＶは、直流電源Ｅから見て、＋側（Ｈｉｇｈ側）の電線Ｈｉに接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と、－側（Ｌｏｗ側）の電線Ｌｏに接続されたスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６とを含む。なお、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４は、Ｕ相の電源線ＰＷｕに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５は、Ｖ相の電源線ＰＷｖに、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６は、Ｗ相の電源線ＰＷｗに接続されている。

また、本実施形態のモータ２６の入力側のＵ相とＶ相との間、および、Ｖ相とＷ相との間には、各々、コイルＣｏｌ１、Ｃｏｌ２を有してコイル印加電圧が印加されとき接点Ｃｎｔ１，Ｃｎｔ２を開く（オフ状態）ｂ接点方式のリレー１ＲＥＬ１、およびリレー２ＲＥＬ２が各々接続されている。よって、通常時（正常時）は、リレー１ＲＥＬ１、リレー２ＲＥＬ２の各コイルＣｏｌ１、Ｃｏｌ２には、電源Ｅから電力供給されているため、接点Ｃｎｔ１，Ｃｎｔ２はオフ状態である。モータの異常発生時、特に、電源Ｅを失陥した場合には、リレー１ＲＥＬ１、リレー２ＲＥＬ２の各コイルＣｏｌ１、Ｃｏｌ２への電源からの電力供給が失われるため、接点Ｃｎｔ１，Ｃｎｔ２はオン状態（接点閉状態または導通状態）となり、モータ２６に上記短絡ブレーキが発生する。なお、電源失陥した場合でなくても、電源Ｅからの電力供給を停止することで、接点Ｃｎｔ１，Ｃｎｔ２をオン状態とでき、モータ２６に上記短絡ブレーキを発生しうる。リレー１ＲＥＬ１とリレー２ＲＥＬ２とで、リレー回路ＲＥＬＡを構成する。なおリレー１ＲＥＬ１、およびリレー２ＲＥＬ２は、各々半導体素子を含むリレーであってもよい。またリレー１ＲＥＬ１およびリレー２ＲＥＬ２は、１つのコイルと２つの接点を有する１つの部品で構成されていてもよい。本実施形態では、U-V間とV-W間にリレーを設けているが、V-W間とW-U間、W-U間とU-V間にリレーを設けてもよい。また本実施形態では、リレー回路ＲＥＬＡが動作するとは、リレー１ＲＥＬ１およびリレー２ＲＥＬ２が各々、接点Ｃｎｔ１，Ｃｎｔ２においてオン状態となることである。

図１１に、本発明のリレー回路ＲＥＬＡの動作を含めたモータ２６における短絡ブレーキ作動までのフローチャートを示す。車両の走行中、電源が正常であるか否か判断される(Ｓ１)。 電源が正常である場合（Ｓ１でＹｅｓ）に例えばセンサの異常、制御装置の異常、またはモータの異常等のシステム異常が発生すると(Ｓ２でＹｅｓ)、High側のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ３を全てオフとし、Low側のＱ４～Ｑ６を全てオンにする(Ｓ３)。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相間が（Ｌｏｗ側で）短絡され(Ｓ６)、発電作用によってモータ２６の回転を妨げる方向にモータへトルクがかかり、短絡ブレーキが作動する(Ｓ７)。なお、High側のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ３を全てオンとし、Low側のＱ４～Ｑ６を全てオフとしてもよいが、感電等の面からLow側を全てオンとする短絡が好ましい。

一方で、上記モータ異常のシステム異常等の原因で電源失陥した場合(電源異常。Ｓ１でＮｏ)、モータ入力側のＵ－Ｖ相間、およびＶ－Ｗ相間に接続した各リレーＲＥｌ１、ＲＥＬ２のコイルへの電力供給が断たれ(Ｓ４)、ｂ接点方式のリレー１ＲＥＬ１、およびリレー２ＲＥＬ２の接点がオンする(Ｓ５)。これによって、ＵＶＷの三相間が短絡され(Ｓ６)、発電作用によってモータ２６の回転を妨げる方向にモータへトルクがかかり、短絡ブレーキが作動する(Ｓ７)。なお、リレー１ＲＥＬ１、リレー２ＲＥＬ２は、電源が復帰した場合にオフとなりＵＶＷの三相間短絡が解除される。また、High側のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ３がオフ状態、Low側のＱ４～Ｑ６がオン状態となっている場合は、システム復帰時にリセット信号により解消され、ＵＶＷの三相間短絡が解除される。

図１２に本実施形態の電源失陥時の動作を示す。タイヤ角度が指令位置（指令角度）へ遷移している場合に(ａ)、時刻Ｔｂに上記モータ異常のシステム異常等により電源が失陥した場合(ｂ)、モータの回転を停止する側に促進する外力を発生させる電流が流れず、本実施形態の短絡ブレーキが適用されていない場合、モータは惰性で回転してしまい、異常発生角度(ｂ)から(ｃ)で示す波形の角度まで大きくオーバーシュートする。一方、本実施形態の短絡ブレーキが適用されている場合、ｂ接点方式のリレー１ＲＥＬ１、およびリレー２ＲＥＬ２の接点がオンすることでＵＶＷの三相間が短絡された結果モータ２６の回転を妨げる方向にモータへトルクがかかり、モータが電気的に停止する（短絡ブレーキ作動）。これにより、異常発生角度(ｂ)から(ｄ)で示す波形の角度で停止することができる。

なお、上記モータ異常のシステム異常等が発生したが、電源失陥しなかった場合も、High側のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ３を全てオフとし、Low側のＱ４～Ｑ６を全てオンにすることで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相間が（Ｌｏｗ側で）短絡されるので、図１２と同様の効果を奏することができる。この様に、システム異常の際、スイッチング素子およびリレーの両方を採用する短絡ブレーキ作動を行うことで、予期しない電源欠陥時にも短絡ブレーキを作動することが可能となる。

＜作用効果＞
本実施形態の操舵システムでは、操舵機能付ハブユニット１は、車輪を回転支持するハブベアリング１５を有するハブユニット本体２とユニット支持部材３と操舵用アクチュエータ５を備え、前記ハブユニット本体２は、上下方向に延びる転舵軸の軸心回りに回転自在に回転許容支持部品を介して前記ユニット支持部材３に支持され、操舵用アクチュエータ５の駆動により前記転舵軸の軸心回りに回転（回転）させられる。この構成を前輪に適用した場合、ステアリング装置により運転者のハンドル操作で、車輪はナックルおよびユニット支持部材３とともに操舵されるが、この操舵に付加する形で転舵軸の軸心Ａ回りに僅かな角度等の所定角度の転舵を車輪毎に独立して行える。また、この構成を後輪に適用した場合は、転舵機能により、前輪と同様に僅かな角度の転舵を車輪毎に独立して行える。後輪に適用した場合は、舵角を前輪と同じ位相にすると、転舵時に発生するヨーを抑え、車両の安定性を高めることができる。さらに、直線走行時にも左右独立でトー角度を調整することで、走行安定性を確保することができる。

上述のように、前記操舵用アクチュエータ５により、ハブユニット本体２を転舵軸の軸心Ａ回りに一定の範囲で自由に回転させることができ、車両の走行状況に応じて、例えば車輪のトー角を任意に変更することができる。また、旋回走行時に、走行速度に応じて左右輪の操舵角の舵角差を変えることができる。例えば、高速域の旋回走行においてはパラレルジオメトリとし、低速域の旋回走行においてはアッカーマンジオメトリとする等、走行中にステアリングジオメトリを変化させることができる。このように走行中に車輪角度を自由に変更することができるため、車両の運動性能を向上させ、安定に走行することが可能となる。さらに、左右の操舵輪の操舵角度を適切に変えることで、旋回走行における車両の旋回半径を小さくし、小回り性能を向上させることもできる。さらに直線走行時にも、それぞれの場面に合わせてトー角度の量を調整することで、低速時にはタイヤをまっすぐに向け抵抗を小さくし燃費を悪化させることなく、高速時にはタイヤ角度をトーインとし走行安定性を確保するなど調整が可能である。

また本実施形態では、操舵用アクチュエータ５のモータ２６に、ブリッジ回路（インバータ回路）を構成するスイッチング素子のＨｉｇｈ側またはＬｏｗ側の全てをオンまたはオフとする短絡ブレーキ、またリレーの短絡による短絡ブレーキを採用する。本実施形態の短絡ブレーキを採用することで、操舵機能付ハブユニット１は、システム異常時にモータを停止させた際に、モータ回転の自然停止では車輪が機械の可動範囲を超えて動作してしまう場合に、これによる破損を防ぐことが可能になる。

＜非操舵輪への適用について＞
操舵機能付ハブユニット１は、非操舵輪に対して用いてもよい。例えば、図８に示すように、前輪操舵の車両において、後輪９Ｒを支持する懸架装置１２Ｒの車輪用軸受設置部となる足回りフレーム部品６Ｒに設定し、後輪操舵に用いてもよい。非操舵輪の操舵機能付ハブユニット１において、車両制御の要求によっては、前述の微小な操舵角度に限らず例えば１０°～２０°等の比較的大きな角度を左右輪個別に採ることもある。その他図９に示すように、操舵機能付ハブユニット１を、操舵輪である左右の前輪９Ｆ，９Ｆおよび非操舵輪である左右の後輪９Ｒ，９Ｒにそれぞれ用いてもよい。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、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。この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…操舵機能付ハブユニット、２…ハブユニット本体、３…ユニット支持部材、５…操舵用アクチュエータ、６…ナックル（足回りフレーム部品）、９…車輪、９Ｆ…前輪、９Ｒ…後輪、１５…ハブベアリング、２５…直動機構、２５ａ…出力ロッド、２６…モータ、２９…制御装置、３０…操舵制御部、３１…アクチュエータ駆動制御部、３２…上位制御部、４４…位置センサ、５４…角度センサ、ＩＮＶ…ブリッジ回路（インバータ回路）、ＰＷａ…三相の電源線、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６…スイッチング素子、ＲＥＬ１、ＲＥＬ２…リレー、ＲＥＬＡ…リレー回路

Claims (6)

1. 車輪を回転支持するハブベアリングを有するハブユニット本体、懸架装置の足回りフレーム部品に設けられ前記ハブユニット本体を上下方向に延びる転舵軸心回りに回転自在に支持するユニット支持部材、および前記ハブユニット本体を前記転舵軸心回りに回転駆動させる操舵用アクチュエータを有する操舵機能付ハブユニットを備え、
   前記操舵用アクチュエータは、モータと、このモータの回転出力を出力ロッドの直進運動に変換する直動機構とを有し、前記出力ロッドが進退することで、前記ハブユニット本体が前記転舵軸心回りに回転駆動される、
   操舵システムであって、
   三相の電源線を経由して前記操舵用アクチュエータの前記モータが、入力された電流指令信号に応じた電流を出力するように、前記モータを駆動制御するアクチュエータ駆動制御部と、
   前記電源線の三相のうちの少なくともいずれか二相を短絡させるリレー回路を備え、
   前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、前記リレー回路を動作させる、操舵システム。
2. 請求項１に記載の操舵システムにおいて、前記リレー回路に半導体素子を含むリレーが使用される、操舵システム。
3. 請求項１に記載の操舵システムにおいて、前記リレー回路のリレーが１つのコイルと、２つの接点を有する、操舵システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の操舵システムにおいて、
   前記アクチュエータ駆動制御部は、複数のスイッチング素子を有し、該複数のスイッチング素子のオンオフ動作により、前記操舵用アクチュエータの前記モータを駆動制御し、
   前記操舵用アクチュエータの前記モータの異常発生時に、電源を失陥した場合には、前記リレー回路を動作させ、電源を失陥していない場合には、前記複数のスイッチング素子のうちのLow側をすべてオン動作させ、High側をすべてオフ動作させる、操舵システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の操舵システムにおいて、前記操舵機能付ハブユニットの前記操舵用アクチュエータを制御する制御装置を備え、前記制御装置は、与えられた操舵角指令信号に応じた電流指令信号を出力する操舵制御部と、この操舵制御部から入力された前記電流指令信号に応じた電流を出力して前記操舵用アクチュエータを駆動制御する前記アクチュエータ駆動制御部とを有する、操舵システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の操舵システムを備えた車両であり、前記操舵機能付ハブユニットを用いて前輪および後輪のいずれか一方または両方が支持された、車両。

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