JP2024017084A - ステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者が転舵部の向きがストロークエンドに到達したことを簡便かつコンパクトな機構で感知し得るようにすることができるステアバイワイヤ方式のステアリング装置を提供する。【解決手段】内輪１６と、外輪１７と、内外輪１６、１７間に配置された係合子１８と、内輪１６の外周と外輪１７の内周との間に係合子１８を係合させる係合位置と当該係合を解除する解放位置との間を周方向に移動可能に配置された保持器１９と、保持器１９を前記解放位置に弾性的に保持しかつ内輪１６と一体に回転するように内輪１６および保持器１９に回り止めされたセンタリングばね２０と、を有するクラッチ機構７と、保持器１９に摩擦抵抗を与えてその軸周りの回転を阻止し、ステアリングホイール１の回転操作によって係合子１８を前記係合位置に移動させる摩擦抵抗部材８と、を有する構成とする。【選択図】図２

Description

この発明は、ステアリングホイールと転舵装置が機械的に切り離された状態で転舵を行なうステアバイワイヤ方式のステアリング装置に関する。

運転者によるステアリングホイールの回転操作に応じて転舵部（車両の転舵輪など）の向きを変化させるステアリング装置として、ステアバイワイヤ方式のものが知られている。

ステアバイワイヤ方式のステアリング装置（以下、ステアリング装置と略称する。）は、ステアリングホイールの操作量を検知する操舵センサと、ステアリングホイールに対して機械的に切り離して設けられた転舵アクチュエータとを有する。その転舵アクチュエータは、操舵センサで検知されるステアリングホイールの操作量に応じて作動し、転舵部の向きを変化させる。

この種のステアリング装置は、運転者によるステアリングホイールの操作量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アクチュエータの動作を制御することができる。このため、例えば、ステアリングホイールを操作したときの転舵部の向きの変化量を車両、船舶などの移動速度に応じて調整するといったように、車両、船舶などの運転状態に応じてステアリングホイールの操作量と転舵アクチュエータの動作量の対応関係を適切化することが可能である。

その反面、運転者によって回転操作されるステアリングホイールと、転舵部の向きを変化させる転舵アクチュエータとが機械的に切り離されているので、転舵部の向きがその移動限界（ストロークエンド）に到達したときであっても、運転者がさらにステアリングホイールを回転操作し得る。そのため、転舵部の向きがストロークエンドに到達したとき、その状況を運転者がステアリングホイールを通じて感知することを可能としたステアリング装置が提案されている。

例えば、下記特許文献１に開示されたステアリング装置は、ステアリングシャフトと同軸にステアリングホイールの操作範囲を規定するための２つの操作エンド規定機構（左側エンド規定機構、右側エンド規定機構）を備えている。各エンド規定機構は、ウォームホイールと、ウォームホイールと噛み合うウォームをそれぞれ備えている。各ウォームは、電動モータを有している。

各ウォームホイールには、片状のストッパ（左側ストッパ、右側ストッパ）が設けられる一方で、両ウォームホイールの間に設けられた被係止リングには、軸方向に突出する凸部が形成されている。ステアリングホイールを左旋回方向に操作すると凸部が左側ストッパに当接する一方で、右旋回方向に操作すると凸部が右側ストッパに当接し、各旋回方向への操作が禁止される（特許文献１の特に段落００２２～００２４、図２などを参照）。これにより、運転者は、転舵部の向きがストロークエンドに到達したことを、ステアリングホイールを通じて感知することができる。

特開２０２１－４１８２４号公報

ところで、特許文献１の構成においては、右回転停止用と左回転停止用に、それぞれウォーム、ウォームホイール、モータ、および、ストッパ機構を設ける必要があるため、コスト高になるとともに部品を設置するためのスペースが必要となり装置が大型化する問題がある。

この発明が解決しようとする課題は、運転者が転舵部の向きがストロークエンドに到達したことを簡便かつコンパクトな機構で感知し得るようにすることができるステアバイワイヤ方式のステアリング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、
運転者により回転操作されるステアリングホイールと、前記ステアリングホイールに接続されたステアリングシャフトと、前記ステアリングホイールの操作量を検出する操舵センサと、前記操舵センサの検出量に応じて転舵部の向きを変化させる転舵アクチュエータと、前記ステアリングホイールに操舵反力を与える反力モータと、を備えるステアリング装置において、
前記ステアリングシャフトとともに軸周りに回転する内輪と、前記内輪の外周側に配置された外輪と、前記内輪の外周と前記外輪の内周との間に配置された係合子と、前記係合子を保持して、前記内輪の外周と前記外輪の内周との間に前記係合子を係合させる係合位置と当該係合を解除する解放位置との間を周方向に移動可能に配置された保持器と、前記保持器を前記解放位置に弾性的に保持しかつ前記内輪と一体に回転するように前記内輪および前記保持器に回り止めされたセンタリングばねと、を有するクラッチ機構と、
前記保持器に摩擦抵抗を与えてその軸周りの回転を阻止し、前記ステアリングホイールの回転操作によって前記係合子を前記係合位置に移動させる摩擦抵抗部材と、
を有することを特徴とするステアリング装置を構成した。

このようにすると、摩擦抵抗部材によって保持器に摩擦抵抗を与えるという簡便かつコンパクトな機構により、ステアリングホイールが左右方向のいずれの方向への操作によってストロークエンドに到達したときでも、ステアリングホイールを通じて運転者がそのことを確実に感知することができる。

前記構成においては、
前記摩擦抵抗部材が、前記保持器の外周に沿う円弧状の摩擦リングと、ウォームと、前記ウォームによって軸周りに回転するウォームホイールと、前記ウォームホイール側に設けられた第一固定部と、前記外輪側に設けられた第二固定部と、を有し、前記摩擦リングの一端側が前記第一固定部に、他端側が前記第二固定部にそれぞれ固定されており、前記ウォームを一方向に動作させて前記第一固定部を前記第二固定部に対して周方向の一方向に相対回転させて、前記摩擦リングを前記保持器に接触させることによって前記保持器に摩擦抵抗を与える一方で、前記ウォームを他方向に動作させて前記第一固定部を前記第二固定部に対して周方向の他方向に相対回転させて、前記摩擦リングと前記保持器との間に隙間を生じさせることによって前記摩擦抵抗を解除する構成を採用することができる。

また、前記各構成においては、
前記ステアリングシャフトと前記クラッチ機構が同一の軸上に配置されている、または、前記ステアリングシャフトと前記クラッチ機構が異なる軸上に配置されている構成を採用することができる。

また、前記各構成においては、
前記保持器または前記摩擦抵抗部材の少なくとも一方に、両者の間の摩擦抵抗を向上させる表面処理が施されている構成を採用することができる。

この発明のステアリング装置は、上記の構成を採用したことにより、簡便かつコンパクトな機構により、ステアリングホイールが左右方向のいずれの方向への操作によってストロークエンドに到達したときでも、ステアリングホイールを通じて運転者がそのことを確実に感知することができる。

この発明に係るステアバイワイヤ方式のステアリング装置の一実施形態を模式的に示す図 図１に示すステアリング装置の要部を示す断面図 図１に示すステアリング装置のさらに要部を示す断面図 図３中のＩＶ－ＩＶ線に沿う断面図 図３中のＶ－Ｖ線に沿う断面図 図３中のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面図 図１に示すステアリング装置の動作状態を示す断面図 図１に示すステアリング装置の変形例（要部）を示す断面図

この発明に係るステアバイワイヤ方式のステアリング装置の一実施形態を図１から図７に基づいて説明する。このステアリング装置は、運転者によるステアリングホイール１の操作量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を制御することで、転舵部３としての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ステアリング装置である。

図１、図２に示すように、このステアリング装置は、運転者により回転操作されるステアリングホイール１と、ステアリングホイール１に接続されたステアリングシャフト４と、ステアリングホイール１の操作量を検出する操舵センサ５と、操舵センサ５の検出量に応じて転舵部３の向きを変化させる転舵アクチュエータ２と、ステアリングホイール１に操舵反力を与える反力モータ６と、を備え、ステアリングシャフト４の回転の許容と制限を切り替えるクラッチ機構７と、クラッチ機構７に対して摩擦抵抗を作用させる摩擦抵抗部材８を有することを特徴としている。

このステアリング装置には、転舵部３の転舵量を検出する転舵センサ９、車速などの走行データを取得する外部センサ１０、ステアリングシャフト４に作用する操舵トルクを検出するトルクセンサ１１、制御部１２を有している。操舵センサ５、転舵センサ９、外部センサ１０、トルクセンサ１１などで取得された各種データは制御部１２に集められ、その各種データに基づいて、転舵アクチュエータ２、反力モータ６、クラッチ機構７などの制御が行われる。

図２に示すように、ステアリングシャフト４は、ステアリングホイール１を回転操作したときに、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に接続されている。ステアリングシャフト４は筒状のケース１３内に収納されており、軸受１４を介してケース１３に対して軸周りに相対回転可能となっている。ケース１３の内部には、操舵センサ５が設けられている。

ステアリングシャフト４の下端側は筒状となっており、その内側にトーションバー１５が設けられている。ステアリングシャフト４とトーションバー１５は、スプライン嵌合によって軸周りに一体に回転するよう構成されている。ケース１３の内部には、トーションバー１５に作用するトルクを検出するトルクセンサ１１が設けられている。

図３に示すように、クラッチ機構７は、ステアリングシャフト４とともに軸周りに回転する内輪１６と、内輪１６の外周側に配置された外輪１７と、内輪１６の外周と外輪１７の内周との間に配置された係合子１８と、係合子１８を保持する保持器１９と、センタリングばね２０と、を有する。このクラッチ機構７は、ケース１３の下端に連結された筒状のハウジング２１の内部に収納されており、ステアリングシャフト４とは同一の軸上に配置されている。

内輪１６の軸心上端側にはトーションバー１５の下端部が、内輪１６の軸心下端側には反力モータ６のモータ軸２２が、それぞれスプライン嵌合している。これにより、反力モータ６の出力が、ステアリングホイール１に直接伝達されるようになっている。内輪１６と外輪１７の間には軸受２３が設けられており、内外輪１６、１７は軸周りに相対回転可能となっている。軸受２３の軸方向両端には止め輪２４がそれぞれ設けられており、軸受２３の内外輪１６、１７に対する軸方向の位置決めがなされている。

図４に示すように、外輪１７は、ハウジング２１に嵌め込まれている。外輪１７の外周とハウジング２１の内周には、それぞれキー溝が形成されている。このキー溝に共通のキー部材２５を嵌め込むことによって、ハウジング２１に対して外輪１７が回り止めされる。また、図３に示すように、ハウジング２１の内周には止め輪２６が設けられており、この止め輪２６が外輪１７の軸方向端部に当接することによって、外輪１７がハウジング２１から抜け出すのを防止している。

内輪１６の外周面には、周方向に９０度ピッチでカム面２７が形成されている。内輪１６のカム面２７は、外輪１７の内周の円筒面２８と対向している。カム面２７と円筒面２８との間には、このカム面２７の周方向中央から周方向両端に向かって径方向幅が次第に狭くなるくさび空間が形成されている。

保持器１９には、径方向に貫通するポケットが周方向に間隔をおいて複数（この実施形態では４個）形成されており、その各ポケットに係合子１８としてのローラが収容されている。保持器１９は、係合子１８をカム面２７の周方向中央から周方向に移動させることでカム面２７と円筒面２８との間に係合子１８を係合させる係合位置と、係合子１８をカム面２７の周方向中央に移動させることでカム面２７と円筒面２８との間での係合子１８の係合を解除する解放位置との間で、内輪１６に対して周方向に移動可能に支持されている。

図３に示すように、保持器１９は、内輪１６の外周面に設けられた止め輪２９によって、内輪１６と外輪１７の間の所定の軸方向位置に位置決めされている。保持器１９の外周面には、必要に応じて後述する摩擦リング３０の内周面との間の摩擦抵抗を向上させるための表面処理（コーティング膜形成処理や粗面化処理など）が施される。

図４に示すように、センタリングばね２０は、鋼線をＣ形に巻いたＣ形環状部３１と、Ｃ形環状部３１の両端からそれぞれ径方向外向きに延出する一対の延出部３２とを有する。Ｃ形環状部３１は、内輪１６の軸方向中央部に形成された円形のばね収容凹部３３に嵌め込まれている。一対の延出部３２は、ばね収容凹部３３から径方向外向きに貫通するように内輪１６の軸方向中央部に形成された径方向溝３４に挿入されている。

センタリングばね２０の延出部３２は、径方向溝３４の径方向外端から突出しており、その延出部３２の径方向溝３４からの突出部分が、保持器１９に形成された保持器溝３５に挿入されている。径方向溝３４と保持器溝３５は同じ周方向幅をもつように形成されている。センタリングばね２０の延出部３２は、径方向溝３４の内面と、保持器溝３５の内面にそれぞれ接触しており、その接触部分に作用する周方向の力によって保持器１９を解放位置に弾性保持している。

図５、図６に示すように、摩擦抵抗部材８は、保持器１９の外周に沿う半円弧状の一対の摩擦リング３０と、モータ３６によって駆動されるウォーム３７と、ウォーム３７によって軸周りに回転するウォームホイール３８と、ウォームホイール３８とともに軸周りに回転する円板状のスイッチ板３９と、ウォームホイール３８（スイッチ板３９）側に設けられた第一固定部４０としてのスイッチ板突起（以下、第一固定部４０と同じ符号を付する。）と、外輪１７側に設けられた第二固定部４１としてのピン（以下、第二固定部４１と同じ符号を付する。）と、を有している。

摩擦リング３０の周方向の一端には径方向外向きに屈曲するスイッチ板突起係止部４２が、他端には径方向外向きに巻回されたピン係止部４３がそれぞれ形成されている。摩擦リング３０の内周面には、必要に応じて保持器１９の外周面との間の摩擦抵抗を向上させるための表面処理（コーティング膜形成処理や粗面化処理など）が施される。

図２、図６に示すように、ウォームホイール３８は、ステアリングシャフト４と同一の軸上に配置されている。図３に示すように、内輪１６の外周面とウォームホイール３８の内周面との間には軸受４４が設けられており、内輪１６とウォームホイール３８は軸周りに相対回転可能となっている。この軸受４４は、内輪１６の外周面に設けられたスペーサ４５と止め輪４６によって所定の軸方向位置に保持されている。

図５に示すように、スイッチ板３９の表面外周縁の周方向１８０度の対向２か所には、外輪１７の端面に向かうようにスイッチ板突起４０が形成されている。各スイッチ板突起４０には、スリット状の隙間が形成されている。また、ピン４１は、外輪１７の軸方向端面の周方向１８０度の対向位置に、スイッチ板３９に向かうように２か所設けられている。スイッチ板突起係止部４２はスイッチ板突起４０の隙間に挿入される一方で、ピン４１はピン係止部４３に挿入される。

摩擦抵抗部材８の非動作時においては、スイッチ板突起４０とピン４１は図５に示す周方向位置関係となっている。このとき、保持器１９の外周面と摩擦リング３０の内周面との間に隙間が生じた状態となり、保持器１９と摩擦リング３０の間で摩擦が生じないようになっている。

上記実施形態に係るステアリング装置の動作について説明する。摩擦抵抗部材８の非動作時においては、保持器１９と摩擦リング３０の間で摩擦が生じないため、センタリングばね２０の作用によって保持器１９は図４に示す解放位置に常に弾性保持されている。このとき、運転者は、ステアリングシャフト４、トーションバー１５、および、内輪１６を介して直結された反力モータ６からの反力を、ステアリングホイール１を通じて直接感知することができる。

運転者によるステアリングホイール１の操作に伴って転舵部３の向きがその移動限界（ストロークエンド）に到達すると、摩擦抵抗部材８が動作して摩擦リング３０と保持器１９の間に摩擦抵抗を生じさせる。すなわち、モータ３６によってウォーム３７が駆動され、図７に示すように、このウォーム３７によってウォームホイール３８がスイッチ板３９とともに軸周りに回転する（図７中の反時計回りの矢印を参照）。その一方で、ピン４１は静止系である外輪１７に固定されているため、スイッチ板突起４０はピン４１と離間するように周方向に相対移動する。このとき、摩擦リング３０はピン４１を支点として回転し、保持器１９の外周面と摩擦リング３０の内周面が接触して摩擦抵抗が生じる。

この摩擦抵抗が生じた状態でステアリングホイール１がその移動限界の向きに操作されると、保持器１９が摩擦リング３０によって回り止めされているため、この保持器１９に対して内輪１６が相対回転する。すると、保持器１９がセンタリングばね２０の弾性力に抗して解放位置から係合位置に内輪１６に対して周方向に相対移動し、内輪１６の外周のカム面２７と外輪１７の内周の円筒面２８との間に係合子１８が係合した状態となって内輪１６の回転が阻止され、ステアリングホイール１がロックされた状態となる。

その一方で、操舵センサ５が、ステアリングホイール１がその移動限界の向きと逆方向に操作されたことを検知すると、モータ３６によってウォーム３７が逆方向に駆動され、ウォームホイール３８およびスイッチ板３９が軸周りの逆方向に回転する。すると、図５に示すように、摩擦リング３０が保持器１９から離れた状態となり、摩擦リング３０と保持器１９の間の摩擦抵抗が解消する。これにより、センタリングばね２０の作用によって保持器１９が内輪１６に対して中立状態（解放位置）に戻るため、係合子１８の係合が解除されて、ステアリングホイール１を自由に回転させることが可能となる。

上記においては、ステアリングホイール１を一方向に回転させることで転舵部３の向きがその移動限界に到達した場合について説明したが、ステアリングホイール１を他方向に回転させることで移動限界に到達した場合も同様である。

上記のステアリング装置においては、ステアリングホイール１を左右いずれの方向に回転させて転舵部３の向きが移動限界に到達した場合においても、共通の摩擦抵抗部材８で保持器１９に対して摩擦抵抗を与えることができるため、部品コストを抑制することができる。

また、上記のステアリング装置において採用したウォーム３７とウォームホイール３８を有する機構は逆効率が低く、ウォームホイール３８側からウォーム３７を動作させることは難しいという特性を有する。この特性を利用することによって、ウォーム３７を駆動するモータ３６への通電を停止した後も摩擦抵抗が生じた状態を維持することができ、その状態を維持するための電力消費を抑制することができる。さらに、イグニッションをオフ状態とするタイミングで摩擦抵抗部材８を作動させることにより、オフ状態とした後も摩擦抵抗状態を維持してハンドルロック機能をもたせることができる。

上記のステアリング装置の変形例を図８に示す。このステアリング装置の基本構成は上記と同じであるが、ステアリングシャフト４とクラッチ機構７、摩擦抵抗部材８、および、反力モータ６とが異なる軸上に配置された上でギア４７を介して動力伝達されている点で相違する。このようにすると、上記のステアリング装置と比較して、その軸方向長さをコンパクト化することが可能となる。

上記のステアリング装置では、係合子１８としてローラを例に挙げて説明したが、係合子１８としてボールやスプラグを用いることも可能である。

また、上記のステアリング装置では、ハウジング２１と外輪１７を別部材で構成したが、一体に構成することも可能である。

また、上記のステアリング装置では、車両用のステアリング装置を例示したが、例えば、転舵部３として舵を備えた船舶用のステアリング装置に適用することも可能である。

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
２ 転舵アクチュエータ
３ 転舵部
４ ステアリングシャフト
５ 操舵センサ
６ 反力モータ
７ クラッチ機構
８ 摩擦抵抗部材
１６ 内輪
１７ 外輪
１８ 係合子
１９ 保持器
２０ センタリングばね
３０ 摩擦リング
３７ ウォーム
３８ ウォームホイール
４０ 第一固定部（スイッチ板突起）
４１ 第二固定部（ピン）

Claims (5)

1. 運転者により回転操作されるステアリングホイール（１）と、前記ステアリングホイール（１）に接続されたステアリングシャフト（４）と、前記ステアリングホイール（１）の操作量を検出する操舵センサ（５）と、前記操舵センサ（５）の検出量に応じて転舵部（３）の向きを変化させる転舵アクチュエータ（２）と、前記ステアリングホイール（１）に操舵反力を与える反力モータ（６）と、を備えるステアリング装置において、
   前記ステアリングシャフト（４）とともに軸周りに回転する内輪（１６）と、前記内輪（１６）の外周側に配置された外輪（１７）と、前記内輪（１６）の外周と前記外輪（１７）の内周との間に配置された係合子（１８）と、前記係合子（１８）を保持して、前記内輪（１６）の外周と前記外輪（１７）の内周との間に前記係合子（１８）を係合させる係合位置と当該係合を解除する解放位置との間を周方向に移動可能に配置された保持器（１９）と、前記保持器（１９）を前記解放位置に弾性的に保持しかつ前記内輪（１６）と一体に回転するように前記内輪（１６）および前記保持器（１９）に回り止めされたセンタリングばね（２０）と、を有するクラッチ機構（７）と、
   前記保持器（１９）に摩擦抵抗を与えてその軸周りの回転を阻止し、前記ステアリングホイール（１）の回転操作によって前記係合子（１８）を前記係合位置に移動させる摩擦抵抗部材（８）と、
   を有することを特徴とするステアリング装置。
2. 前記摩擦抵抗部材（８）が、前記保持器（１９）の外周に沿う円弧状の摩擦リング（３０）と、ウォーム（３７）と、前記ウォーム（３７）によって軸周りに回転するウォームホイール（３８）と、前記ウォームホイール（３８）側に設けられた第一固定部（４０）と、前記外輪（１７）側に設けられた第二固定部（４１）と、を有し、前記摩擦リング（３０）の一端側が前記第一固定部（４０）に、他端側が前記第二固定部（４１）にそれぞれ固定されており、前記ウォーム（３７）を一方向に動作させて前記第一固定部（４０）を前記第二固定部（４１）に対して周方向の一方向に相対回転させて、前記摩擦リング（３０）を前記保持器（１９）に接触させることによって前記保持器（１９）に摩擦抵抗を与える一方で、前記ウォーム（３７）を他方向に動作させて前記第一固定部（４０）を前記第二固定部（４１）に対して周方向の他方向に相対回転させて、前記摩擦リング（３０）と前記保持器（１９）との間に隙間を生じさせることによって前記摩擦抵抗を解除する請求項１に記載のステアリング装置。
3. 前記ステアリングシャフト（４）と前記クラッチ機構（７）が同一の軸上に配置されている請求項１または２に記載のステアリング装置。
4. 前記ステアリングシャフト（４）と前記クラッチ機構（７）が異なる軸上に配置されている請求項１または２に記載のステアリング装置。
5. 前記保持器（１９）または前記摩擦抵抗部材（８）の少なくとも一方に、両者の間の摩擦抵抗を向上させる表面処理が施されている請求項１または２に記載のステアリング装置。

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