JP2694213B2 - 動力舵取装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は舵輪操作に要する力を電動モータの回転力に
より補助する電動式の動力舵取装置（パワーステアリン
グ）に関する。

〔従来の技術〕

舵輪に加えられた操舵トルクの検出結果に基づいて操
舵補助用のモータを駆動し、自動車の操舵に要する力を
該モータの回転力により補助せしめ、運転者に快適な操
舵感覚を提供する電動式の動力舵取装置が開発されてい
る。

この動力舵取装置は、車体の左右方向に延設され、そ
の両端部を各別のタイロッドを介して左右の車輪に夫々
連結してなるラック軸と、該ラック軸の中途部において
これと噛合された舵輪に連動連結されたピニオンとから
なり、舵輪の回動操作に伴うピニオンの回動を、ラック
軸の長さ方向への移動に変換して舵取りを行わせるラッ
ク・ピニオン式の舵取機構を備えた自動車においては、
操舵補助用のモータの配設位置により以下の２通りに大
別される。即ち、前記ピニオンの軸をラック軸との噛合
位置から更に延長し、その延長部に適宜の減速装置を介
して回転力を伝達するように前記モータを配設したもの
と、前記ピニオンの噛合位置と異なる軸長方向位置にお
いて前記ラック軸に噛合する補助ピニオンを設け、該補
助ピニオンに適宜の減速装置を介して回転力を伝達する
ように前記モータを配設したものとであり、ラック軸に
噛合するピニオンの数に従って、前者が１ピニオン式、
後者が２ピニオン式と夫々称される。

このように前述のいずれの動力舵取装置においても、
操舵補助用のモータの回転力を減速装置を介してピニオ
ンの軸の延長部又は補助ピニオンに伝達しているので、
モータの慣性と、減速装置の出力側からモータをから回
しする場合に与えられる大きな摩擦抵抗とにより、操舵
フィーリング上好ましくない特性が舵輪の操作に現れる
という問題があった。

この問題を解決するものとして、例えば特開昭55−76
760号公報に開示されたものがある。これは、トルク信
号の微分信号をアシスト特性に加算しておこなものであ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら前記発明においては、トルク信号の微分
信号を用いているので、トルクループ系の安定に必要な
特性と、モータの慣性を打ち消すための特性とを単独に
選択することができず、最適なモータの慣性の打ち消し
特性を得ることができないという問題があった。

この発明は斯かる事情によりなされたものであり、舵
輪の角加速度に応じてモータの制御電流を変化させるこ
とにより、モータの慣性を相殺し、操舵フィーリングの
向上した動力舵取装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る動力舵取装置は、舵輪の回動を舵取り
のための左右方向への運動に変換する操舵機構と、前記
舵輪側に連結された入力軸と前記操舵機構側に連結され
た出力軸とを連結するトーションバーと、該トーション
バーの捩れによって生じる入力軸と出力軸との相対回転
変位に基づいて前記舵輪に加えられたトルクを検出する
トルクセンサと、該トルクセンサの出力に応じて制御さ
れる操舵補助用のモータとを備えた動力舵取装置におい
て、前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段
と、該回転速度検出手段によって検出された回転速度の
一次微分に対応する値と前記トルクセンサによって検出
されたトルクの二次微分に対応する値とを加算して前記
舵輪の角加速度を求める角加速度演算手段と、前記角加
速度に関連して定められた電流を、前記モータを制御す
る電流に加算する補正手段とを備えることを特徴とす
る。

〔作用〕

この発明においては、舵輪の角加速度を、モータの回
転速度を検出する回転速度検出手段によって検出された
回転速度の一次微分に対応する値とトルクセンサによっ
て検出されたトルクの二次微分に対応する値とを加算し
て求め、この角加速度に関連して定められた電流をモー
タ制御電流に加算する補正手段によって補正出来、モー
タにその慣性を打ち消すに十分な電流を印加できる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。第１図は本発明に係る動力舵取装置の一部破断正面
図、第２図は第１図のII−II線による拡大断面図、第３
図は回転検出器の構造を示す第１図のIII−III線による
拡大断面図である。

図において１はラック軸であり、長手方向を左右方向
として車体の一部に固設され筒状をなすラック軸ケース
２にこれと同心をなして内挿されている。また３はピニ
オン軸であり、ラック軸ケース２の一端部近傍に連設し
たピニオン軸ケース４の内部にラック軸１に対してその
軸心を斜交させた状態に軸支されている。

該ピニオン軸３は、第２図に示す如く、トーションバ
ー５を介して同軸上に連結された上軸3aと下軸3bとから
なり、上軸3aは玉軸受40によりピニオン軸ケース４内に
支承され、その上端部を図示しないユニバーサルジョイ
ントを介して舵輪に連動連結してある。また下軸3bは、
ピニオン軸ケース４の下側開口部からその下部を適長突
出させた状態で、上端部近傍位置を４点接触玉軸受41に
よりピニオン軸ケース４内に支承されている。前記４点
接触玉軸受41は、下軸3bの下端部側からこれに外嵌さ
れ、下軸3bの上端部近傍に形成した段部と、下端部側か
ら外嵌され外周面にかしめて固定されたカラー42とによ
り、その内輪の両側を挾持されて下軸3bの外側に軸長方
向に位置決めされた後、下軸3bと共に前記下側開口部か
らピニオン軸ケース４に内嵌され、該ケース４の下部に
形成された環状肩部と、前記開口部から該ケース４に螺
合されたロックナット43とにより、その外輪の両側を挾
持されてピニオン軸ケース４の内側に軸長方向に位置決
めされ、下軸3bに作用するラジアル荷重及び両方向のス
ラスト荷重を負荷する。

ピニオン軸ケース４から突出された前記下軸3bの中途
部には、その軸長方向に適宜の長さに亘るピニオン歯30
が形成されており、該ピニオン歯30は、ピニオン軸ケー
ス４が前記ラック軸ケース２の上側に固定ボルト44によ
り固着された場合に、該ラック軸ケース２の内部におい
て、前記ラック軸１の一端部寄りの位置に軸長方向に適
長に亘って形成されたラック歯10に噛合し、下軸3bとラ
ック軸１とを互いの軸心を斜交させた状態で係合せしめ
ている。前記下軸3bは、ラック軸１との係合位置よりも
更に下方に延長され、その下端部には、これと同軸をな
し、その歯形成面を下向きとして大傘歯車31が嵌装され
ており、該大傘歯車31を囲撓する態様にてラック軸ケー
ス２の下側に連設された傘歯車ハウジング20内に針状こ
ろ軸受33により支承せしめてある。従って下軸3bは、前
記４点接触玉軸受41と針状ころ軸受33とによりラック歯
10とピニオン歯30との噛合位置の両側において支承され
ることになり、該噛合位置において下軸3bに生じる撓み
量は所定の許容範囲内に保たれる。

更にラック歯10とピニオン歯30との噛合位置には、こ
れらが隙間なく噛合されるように、ピニオン軸３に向か
う押しばね11の付勢力によりラック軸１を押圧する押圧
子12が設けてあり、ラック軸１は、前記噛合位置におい
て押圧子12と下軸3bとにて半径方向両側から挾持された
状態で支承されると共に、ピニオン軸ケース４との連設
位置と逆側のラック軸ケース２の端部に内嵌した軸受ブ
ッシュ13により支承されており、ラック軸ケース２の内
部においてその軸長方向に移動自在となっている。ラッ
ク軸ケース２の両側に夫々突出されたラック軸１の左右
両端部は、各別の玉継手14,14を介して、図示しない左
右の車輪に夫々連なるタイロッド15,15に連結されてお
り、ラック軸１の軸長方向への移動により車輪が左，右
に舵取りされるようになっている。

第２図中の６は、舵輪に加えられる操舵トルクを検出
するトルクセンサであり、前記上軸3aに外嵌されこれと
共に回動し、その下側端面に上軸3aの軸心を中心とする
環状の抵抗体を形成してなる抵抗体保持部材60と、前記
下軸3bに外嵌されこれと共に回動し、その上側端面に前
記抵抗体上の半径方向の一点に摺接する検出子を形成し
てなる検出子保持部材61とにてポテンシオメータを構成
してなるものである。ピニオン軸３の上軸3aは舵輪の回
動に応じてその軸心廻りに回動するが、下軸3bには車輪
に作用する路面抵抗がラック軸１を介して作用してお
り、両軸間に介装したトーションバー５には舵輪に加え
られた操舵トルクに応じた捩れが生じる。トルクセンサ
６は、該トーションバー５の捩れに伴って上軸3aと下軸
3bとの間に生じる周方向の相対変位を前記検出子と抵抗
体との摺接位置に対応する電位として出力するものであ
り、トーションバー５に捩れが生じていない場合、換言
すれば舵輪操作がなされていない場合に所定の基準電位
を出力するように初期調整されている。トルクセンサ６
の出力信号は制御部７に入力されており、制御部７はこ
の信号を前記基準電位と比較して前記操舵トルクの方向
及びその大きさを認識し、後述する如く配設された操舵
補助用のモータ８に駆動信号を発する。

操舵補助用のモータ８は、電磁クラッチ16、遊星ギヤ
減速装置９及び前記大傘歯車31に噛合するこれよりも小
径の小傘歯車32を介して前記下軸3bにその回転力を伝達
するものである。

電磁クラッチ16は円環状をなし、モータ８の中間ケー
ス81に固着されたコイル部161と、モータ８の回転軸80
の一側にこれと同軸をなして外嵌され、該回転軸80と共
に回転する主動部162と、円板状をなし該主動部162と対
向し、コイル部161への通電による電磁力により主動部1
62と係着する係脱部163とから構成されており、モータ
８の回転力の係脱を行っている。

遊星ギヤ減速装置９は、係脱部163に内嵌し、回転す
ると共に太陽ギヤを有し、その一端を主動部に内嵌され
た軸受に支承され、他端を後述する遊星キャリア93に内
嵌された軸受に支承された太陽軸90と、前記モータ８の
ケーシング端面82に回転軸80と同軸をなして固着された
円環状をなす外環91と、該外環91の内周面及び前記太陽
軸90の太陽ギヤ外周面に夫々転接し、各別の軸心廻りに
自転すると共に太陽ギヤの軸心廻りに公転する複数個の
遊星ギヤ92,92…と、これらの遊星ギヤ92,92…を夫々軸
支する遊星キャリヤ93とから構成され、前記モータ８よ
りも小なる外径を有し、回転軸80の一側に該モータ８及
び電磁クラッチ16と一体化されている。遊星ギヤ減速装
置９の出力軸94は、モータ８の回転軸80と同軸上に位置
する前記遊星キャリヤ93の軸心位置に嵌入，固定され、
ケーシングの外部に適長突出させてある。該出力軸94の
先端部には前記小傘歯車32が、その歯形成面を先端側に
向けて嵌装されており、該小傘歯車32は、出力軸94と共
に前記遊星ギヤ92,92…の公転に応じて回転するように
なっている。

前記モータ８と電磁クラッチ16と遊星ギヤ減速装置９
とは、これらの軸心がラック軸１の軸心と略平行をなし
た状態で、小傘歯車32を内側として前記傘歯車ハウジン
グ20に内嵌され、該ハウジング20の内部において前記小
傘歯車32が前記下軸3bの下端部に嵌装された大傘歯車31
に噛合させてあり、またラック軸ケース２の外側に設け
たブラケット2aに固着させてある。大傘歯車31と小傘歯
車32との間のバックラッシ調整は、遊星ギヤ減速装置９
を傘歯車ハウジング20に内嵌する際に、遊星ギヤ減速装
置９のケーシングと傘歯車ハウジング20との突合せ部に
介装するシムの厚さ及び／又は枚数を変更することによ
り容易に行い得る。

またモータ８の回転軸80の他側にはモータ８の回転位
置を検出する回転検出器17が設けられ、該回転検出器17
はモータ８の回転軸80の他側に外嵌された円板状をな
し、Ｎ極,S極を各２極有する磁石板170と、その周囲に
所定の取付角度β（本実施例ではβ＝135゜）をなし取
付けられた２つのリードスイッチ171,171とから構成さ
れる。第４図は回転検出器の出力波形を示す波形図であ
る。２つのリードスイッチ171,171は取付角度βを135゜
となし取付けられているので出力波形は90度位相がずれ
て出力される。これが１回転で各々４波形出力されるの
でその立上がりと立下がりとを検出することによりこの
回転検出器17は１回転の1/16の分解能を有することとな
る。

また回転検出器17は、タコジェネレータ等の従来の回
転検出器と比べ、回転数０から検出可能でありロータの
相対位置が検出できる。またフォトインタラプタ型のロ
ータリエンコーダに比べ小型であり、高温に対しても強
く、経年変化が少なく価格も安くなる。さらに出力波形
がパルス出力となるのでマイクロコンピュータ等のCPU
に簡単にその検出結果が取り込める。

また制御部７には前述したトルクセンサ６の出力信号
のほかに回転検出器17の出力信号及び車速を検出する車
速検出器18の出力信号が入力されており、ここで後述す
る制御がなされモータ８及び電磁クラッチ16を駆動する
駆動信号が出力される。

次に制御部７での制御について説明する。

第５図は制御部の構成及び制御動作をしめすブロック
線図である。

トルクセンサ６のトルク検出信号は、その位相を進
め、系を安定化するための位相補償部71a、舵輪の回転
の角加速度を検出する角加速度検出部71b、操舵機構
の中点を決定するための中点決定部71c及びモータ８の
ロックを検出するロック検出部71fに夫々入力されてい
る。

また、車速検出器18の車速検出信号は、ロック検出部
71f、中点決定部71c、位相補償部71aの出力信号と後述
する変化電流Iaとが与えられ、トルクと変化電流Iaと車
速とに応じてモータ８へ指示電流Ｉを決定する指示電流
関数部73a、角加速度検出部71bから出力された舵輪の角
加速度が与えられ、角加速度と車速と応じて、モー
タ８の加減速時の慣性力と車輌の足まわりの慣性力とを
補正する補正電流Icを決定する補正電流関数部73b及び
後述する舵角決定部71dから出力された舵角θが与えら
れ、舵角θと車速とに応じて、指示電流Ｉの特性を変化
させる変化電流Iaを決定する変化電流関数部73cに夫々
入力されている。

また、回転検出器17の回転検出信号は、ロック検出部
71f、中点決定部71c、角加速度検出部71b及び回転検出
信号と中点決定部71cの中点位置とから舵角θを決定す
る舵角決定部71dに入力されている。

ロック検出部71fは入力された回転検出信号、車速検
出信号及びトルク検出信号により、トルク及び車速が各
別の所定値より大きいときにモータ８の回転を検出し、
それによりロックの有無を検出するものであり、その出
力信号は駆動回路72bを介して電磁クラッチ16に与えら
れる。

また指示電流関数部73aの出力信号は加算器74aに入力
され、そこで、補正電流関数部73bの出力信号が加算さ
れ、加算結果が誤差増幅器74bに与えられる。

該誤差増幅器74bでは、前記加算結果からモータ８の
消費電流を検出する電流検出回路71eからのフィードバ
ック信号と比較され、その結果がPWM（Pulse−Width Mo
dulation:パルス幅変調）駆動回路72aを介してモータ８
に与えられる。

次に動作について説明する。

第６図はロック検出の制御を示すフローチャートであ
り、ステップ10で、図示しないイグニッションスイッチ
オンの立ち上がりか否かを判定し、立ち上がりでないと
きは、ステップ11で車速検出器18の車速Ｖを読み込む。
その車速Ｖが車速閾値V_S1より大きいか否かをステップ1
2で判定し、大きいときは次のステップ13でトルクセン
サ６からの操舵トルクＴを読み込む。その操舵トルクＴ
がトルク閾値T_S1より大きいか否かをステップ14で判定
し、大きいときは回転検出器17からのモータ８の回転位
置をステップ15で読み込み、その値によりステップ16で
モータ８が回転しているか否かを判定し、回転している
ときはリターンし、回転していないときはモータ８がロ
ックしていると判定し、ステップ17で電磁クラッチをオ
フし、モータ８と遊星ギヤ減速装置９との結合を切離
し、操舵機構をモータ８から自由にする。そしてステッ
プ18で図示しないロックアラームを点灯しリターンす
る。

一方ステップ10で立ち上がりと判定されたときは、ス
テップ19で電磁クラッチ16がオフされ、ステップ20でモ
ータ８がオンする。モータ８がオンするとステップ21で
所定時間の経過が判定され、その後回転検出器17からの
モータ８の回転位置をステップ22で読み込み、その値に
よりステップ23でモータ８が回転しているか否かを判定
し、回転しているときは、ステップ24でモータ８をオフ
し、ステップ25で電磁クラッチ16をオンする。ステップ
23でモータ８が回転していないと判定されたときは、ス
テップ26でロックアラームを点灯しリターンする。

次に本発明の要旨である角加速度検出及びそれを用い
たモータ慣性制御について説明する。

第７図は角加速度の算出及びそれを用いたモータ慣性
の制御を示すフローチャートである。

最初にステップ30でトルクセンサ６からのトルクＴを
読み込み、次にステップ31で角加速度検出部71bにて回
転検出器17からのモータ８の回転速度ω_ｍを読み込み、
ステップ32で下記演算により舵輪の角加速度を求め
る。

Ｔ＝Ｋ（θ_ｉ−θ_０） ここでＫはトーションバーのばね定数 ｎは減速比 次にステップ33で求めた角加速度と車速Ｖとによ
り、予め補正電流関数部73bにて定められたモータ８の
慣性力と車輪の足まわりの慣性力とによる影響を補正す
る補正電流Icをもとめる。次にステップ34で求められた
補正電流Icを加算器74aに入力し指示電流関数部73aで求
められた指示電流Ｉと加算する。これによりモータ８に
よる操舵補助開始時及び終了時等の角加速度が検出され
たときに、その慣性力及び足まわりの慣性力に応じた補
正電流Icが指示電流Ｉに加算されるので、操舵フィーリ
ングの向上が図られる。

次に舵輪の中点の演算及びそれを用いた舵輪の戻し制
御について説明する。

第８図は舵輪の戻し制御、第９図は舵輪の中点の演
算、第10図は舵輪の左右位置の決定手順を夫々示すフロ
ーチャートである。また第11図は指示電流関数部でのモ
ータ電流とトルクとの関係の特性を示すグラフであり、
縦軸に指示電流Ｉを、また横軸にトルクＴをとってい
る。さらに破線は車速大のときの特性を、また一点鎖線
は車速小のときの特性を示している。

第８図において、最初にステップ40でトルクＴを読み
込み、そのトルクＴが不感帯内か否かをステップ41で判
定し、不感帯にトルクＴが入ってるときは、ステップ42
で後述する中点演算ルーチンが終了したか否かを判定す
る。中点演算が終了しているときは、ステップ43でモー
タ８の回転位置を回転検出器17から読み込み、次にステ
ップ44でその回転位置と中点とにより舵角決定部71dに
て舵角θを決定する。舵角θが定まるとステップ45で舵
角θと車速Ｖとにより変化電流Iaを変化電流関数部73c
にて求め、指示電流関数部73aで指示電流Ｉの値及び方
向を算出する。

一方ステップ41で不感帯でないと判定されたときはリ
ターンし、ステップ42で中点演算が終了していないとき
は、ステップ46でモータ８の回転位置を回転検出器から
読み込み、ステップ47で後述する左右決定ルーチンにお
いて定められた舵角最小値により変化電流Iaを算出し、
指示電流Ｉの値及び方向を算出する。

また第９図に示す中点演算ルーチンではステップ50で
車速Ｖを読み込み、ステップ51で車速Ｖが閾値V_S2より
大きいか否かを判定し、大きいときはステップ52で車速
に応じたトルク設定値T_S2を定めて、次にステップ53で
トルクＴを読み込み、ステップ54でトルクＴがトルク設
定値T_S2より小さいか否を判定する。小さいときはステ
ップ55で小さいときの回数をカウントしてステップ56で
そのときのモータ８の回転位置を読み込む。そして、ス
テップ57で回転位置を前回までの回転位置の合計に加算
してその加算結果をカウント回数で除算して舵角中点を
求め、舵角中点の値を更新する。またステップ51で車速
Ｖが閾値V_S2より小さいとき、又はトルクＴがトルク設
定値T_S2より大きいときはリターンする。

しかしこの中点演算は演算時間に多くの時間を必要と
するので、演算が終了するまでは次に説明する左右決定
ルーチンにより戻し制御を行う。

第10図に示す左右決定ルーチンではステップ60で車速
Ｖを読み込み車速Ｖが閾値V_S3より大きいか否かをステ
ップ61で判定し、大きいときはトルクＴをステップ62で
読み込み、ステップ63でトルクＴを積分し、その積分値
の方向が右か否か判定する。右のときはステップ65で舵
角最小値の右の値を更新し、左のときはステップ64で舵
角最小値の左の値を更新しリターンする。

一方第11図に示す如く戻し制御において、舵角θによ
り変化電流Iaが求まると、それと車速Ｖとに応じてトル
クが不感帯内にあるときの舵輪の戻し制御時の指示電流
Ｉを変化させる。例えば車速Ｖが大のときは破線に示す
如く、トルクＴが不感帯に入ると指示電流Ｉの増加割合
を大きくし、中点への戻りを速くするようにモータ８を
制御し、逆に車速が小のときは一点鎖線に示す如くトル
クＴが不感帯に入ると、指示電流Ｉの増加割合を小さく
し、中点への戻りを遅くするようにモータ８を制御す
る。

なお本実施例では舵角検出手段として、モータに取付
けた回転検出器とトルクセンサとを用いたが、この発明
はこれに限るものではなく、舵角検出手段は舵輪の上部
軸の回動角度を検出できるものであればどのような手段
でもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したとおり、モータの回転速度を検出する回
転速度検出手段で検出された回転速度の一次微分に対応
する値とトルクセンサによって検出されたトルクの二次
微分に対応する値とを加算して舵輪の角加速度を演算
し、それに応じた電流をモータの制御電流に加算するこ
とにより、モータの慣性力を打ち消すことができ、操舵
フィーリングが向上する等優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る動力舵取装置の一実施例を示す一
部破断正面図、第２図は第１図のII−II線による拡大断
面図、第３図は回転検出器の構造を示す第１図のIII−I
II線による拡大断面図、第４図は回転検出器の出力波形
を示す波形図、第５図は制御部の構成及び動作を示すブ
ロック線図、第６〜第10図は各制御動作を説明するフロ
ーチャート、第11図は指示電流関数部でのモータ電流と
トルクとの関係の特性を示すグラフである。 ６……トルクセンサ、８……モータ、17……回転検出
器、71b……角加速度検出部、73b……補正電流関数部、
74a……加算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ６２Ｄ 119:00 137:00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】舵輪の回動を舵取りのための左右方向への
   運動に変換する操舵機構と、 前記舵輪側に連結された入力軸と前記操舵機構側に連結
   された出力軸とを連結するトーションバーと、 該トーションバーの捩れによって生じる入力軸と出力軸
   との相対回転変位に基づいて前記舵輪に加えられたトル
   クを検出するトルクセンサと、 該トルクセンサの出力に応じて制御される操舵補助用の
   モータとを備えた動力舵取装置において、 前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、 該回転速度検出手段によって検出された回転速度の一次
   微分に対応する値と前記トルクセンサによって検出され
   たトルクの二次微分に対応する値とを加算して前記舵輪
   の角加速度を求める角加速度演算手段と、 前記角加速度に関連して定められた電流を、前記モータ
   を制御する電流に加算する補正手段と を備えることを特徴とする動力舵取装置。