JP3817677B2 - 独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明はステアバイワイヤシステムに係り、特に独立型ステアバイワイヤシステム実現のためのステアリングアクチュエータに関する。

車両のパワーステアリングシステムは油圧式から電動油圧式を経て現在は電動式パワーステアリングシステムが広く使用されており、近い将来に高度化された電子制御によるステアバイワイヤ（ｓｔｅｅｒ−ｂｙ−ｗｉｒｅ）システムが実用化されると予想される。ステアバイワイヤシステムは、既存の電動パワーステアリングシステムからステアリングコラム部分を取り除き、ステアリングホイールにトルクと操向角を測定するセンサを設けて運転者の操向意図を感知し、これに従って別に設けられたモータなどのアクチュエータを作動させて操向力を発生させるようにしたものである。

すなわち、ステアリングコラムを通じる直接的な操向力伝達がなされる形態ではないため、両側の操向部がリンクを介して機構的に連結されている必要はない。従って、両側操向部が分離した独立型ステアバイワイヤシステムを開発するとエンジンルーム内により広い空間を確保しうる。
特開２００３−１６５４６０号公報

本発明の目的は、独立型ステアバイワイヤシステムの実現のために、両操向部にそれぞれ独立した操向力を提供し、小型でかつ軽量であること、ホイールから伝達される力によって逆に作動しないこと、安全のために精密な制御が可能であることの条件を満足するステアリングアクチュエータを提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明による独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータは、車体に固定されるハウジング（１１）と；ハウジング（１１）の内側に固定された固定子（１３ａ）と電流印加時にこの固定子（１３ａ）に対して回転する回転子（１３ｂ）とを備えた超音波モータ（１３）と；超音波モータ（１３）の中央部を貫通して前記ハウジング（１１）の外部に延長された端部がタイロッド（２）に連結されるステアリングロッド（１７）と；超音波モータ（１３）の回転運動をステアリングロッド（１７）の直線運動に変換する運動変換手段と、を備え；運動変換手段は、ハウジング（１１）の内側に固定されるリングギヤ（１２）と；超音波モータ（１３）の回転子（１３ｂ）にピン（１４）を介して設けられてリングギヤ（１２）の内周面に歯合される遊星ギヤ（１５）と；外周面に遊星ギヤ（１５）が歯合され、内周面にウォームギア（１６ａ）が形成されたサンギヤ（１６）と；サンギヤ（１６）のウォームギア（１６ａ）に歯合されるようにステアリングロッド（１７）に形成されたラック（１７ａ）と；を含んで成ることを特徴とする。

また、本発明による独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータは、車体に固定されるハウジング（３１）と；ハウジング（３１）の内側に固定された固定子（３２ａ）と電流印加時にこの固定子（３２ａ）に対して回転する回転子（３２ｂ）とを備えた超音波モータ（３２）と；超音波モータ（３２）の中央部を貫通して前記ハウジング（３１）の外部に延長された端部がタイロッド（２）に連結されるステアリングロッド（３５）と；超音波モータ（３２）の回転運動を前記ステアリングロッド（３５）の直線運動に変換する運動変換手段と、を備え；運動変換手段は、超音波モータ（３２）の回転子（３２ｂ）内側に一体に形成された回転子リングギヤ（３２ｃ）と；回転子リングギヤ（３２ｃ）に歯合されて回転し、その回転軸が前記ハウジング（３１）に固定された複数のピニオン（３３）と、
前記ピニオン（３３）にそれぞれ一体に連結されて形成されたウォームギア（３４）と；複数のウォームギア（３４）にそれぞれ歯合されるようにステアリングロッド（３５）に形成された複数のラック（３５ａ）とを含んで成ることを特徴とする。

このような独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータにおいて、ピニオン（３３）とウォームギア（３４）とは回転子（３２ｂ）の円周方向内側に３個以上が同一の間隔を置いて設けられることが好ましい。

また、ピニオン（３３）とウォームギア（３４）とは回転子（３２ｂ）の円周方向内側に３個が１２０゜ずつ同一の間隔を置いて設けられ；ステアリングロッド（３５）のラック（３５ａ）が形成された部分は６角断面の形状を有し、６角断面の１２０゜間隔で配置された３個の面にラック（３５ａ）がそれぞれ形成されることが好ましい。

本発明によれば、ホイールから伝達される力によって逆に駆動されることがなく、精密な制御が可能である。また、特にタイロッドを駆動するステアリングロッドがステアリングロッドの駆動源である超音波モータの回転軸と隣接または同一の位置に設けられるので、コンパクトな構成が可能である。これにより、エンジンルーム内により広い空間が確保できる。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図によって詳述する。

図１は独立型ステアバイワイヤシステムの概略構成図であり、ホイールが装着されたナックル１と、このナックル１を動かすタイロッド２とを含んだ両側ホイールの操向部が相互連結されず独立的に構成されている。エンジンルームを横切る従来のラックバーやその他のリンクが存在しないので、エンジンルーム内に広い空間を確保することができる。（符号３はステアリングホイール、４はトルクセンサ、操向角センサを含んでなる操向制御信号発生部である。）

一方、上記のように両側ホイールにそれぞれ独立的に構成された操向部に操向力を加えるためには、図１に示すように、タイロッド２を通じて操向力を入力するステアリングアクチュエータ１０が必要である。実施例１によるステアリングアクチュエータ１０は、車体に固定されるハウジングと、ハウジングの内側に固定された固定子と電流印加時にこの固定子に対して回転する回転子とを備えた超音波モータと、超音波モータの中央部を貫通してハウジングの外部に延長された端部がタイロッドに連結されるステアリングロッドと、超音波モータの回転運動をステアリングロッドの直線運動に変換する運動変換手段とを含んで構成される。

すなわち、図２と図３に示すように、ステアリングアクチュエータ１０は、基本的にハウジング１１の内部に設けられた超音波モータの回転運動が遊星ギヤ装置によってステアリングロッドに伝達される構造からなる。図２は、ステアリングアクチュエータ１０の構成図であり、図３は図２右側面図である。ハウジング１１は、独立した一側操向部のタイロッド２に連結されることが容易な周辺車体（またはフレーム）の適正な位置に装着される。ハウジング１１の内周面にはリングギヤ１２と超音波モータ１３の一構成部である固定子１３ａとが一体に結合されて、回転が不可能な状態に構成される。固定子１３ａの側面にこれと共に超音波モータ１３を構成する回転子１３ｂが位置され、この回転子１３ｂにはピン１４を介して遊星ギヤ１５が回転可能に装着される。遊星ギヤ１５は、リングギヤ１２の内周面に形成されたギヤ歯と、これらの内側部に位置するサンギヤ１６の外周面に形成されたギヤ歯とに同時に歯合される。サンギヤ１６の内周面にはウォームギア１６ａが形成され、このウォームギア１６ａには、サンギヤ１６の内側に位置されるステアリングロッド１７の上部面に形成されたラック１７ａが歯合される。ステアリングロッド１７の端部はハウジング１１の外部に延長されて、操向部の入力端になるタイロッド２に相互回動可能な状態で連結される。このように、実施例１での運動変換手段は、リングギヤ１２、遊星ギヤ１５、サンギヤ１６及びステアリングロッドに形成されたラック１７ａから構成されて、超音波モータの回転運動をステアリングロッドの直線運動に変換させるものである。

次に、実施例１の作用について説明する。前述した操向制御信号発生部４でのセンサ出力は、制御ユニット（図示せず）に入力され、演算過程を経て最終的には超音波モータ１３に供給される電流を制御する。超音波モータ（ＵＳＭ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｏｔｏｒ）は、すでに公知の技術であり、圧電セラミックによって押された状態で付いている固定子と回転子とからなり、圧電セラミックに電気信号を加えれば固定子は楕円形に振動（２０ｋＨｚ以上の超音波振動）するようになって、この振動は固定子に圧着されている回転子を押し出す効果をもたらす。このような原理によって、回転子が駆動されて、圧電セラミックに加えられる電気信号によって、回転の方向を希望通りに変えることができるため、ステアリングアクチュエータとして使用することができる。

従って、固定子１３ａに制御電流を印加すれば回転子１３ｂが回転し、この回転子１３ｂの回転によって、遊星ギヤ１５が固定されたリングギヤ１２の内周面に沿って公転しながら自転する。その結果、遊星ギヤ１５に歯合されたサンギヤ１６が回転する。（即ち、回転子１３ｂが一般的な遊星ギヤアセンブリーでキャリア（ｃａｒｒｉｅｒ）の役割をしており、その作動過程は遊星ギヤアセンブリーと同一である。

このようにサンギヤ１６が回転すれば、サンギヤ１６内側に形成されたウォームギア１６ａとステアリングロッド１７の上面に形成されたラック１７ａとの作用によって、サンギヤ１６の回転方向に沿って、ステアリングロッド１７が前進及び後進移動するようになる。よって、ステアリングロッド１７の端部に連結されたタイロッド２を押したり引き寄せたりする操作をなすことができるため、ホイールの走行方向を調整することができる。

一方、超音波モータ１３は、
（１）低速＆高トルク（一般モータが高速＆低トルク特性を有するのに比べて超音波モータはその反対の特性を有し、自ら１０〜１００ｒｐｍの低回転数で作動が可能であるため、別の減速器具が不要）である。
（２）自体固定（超音波モータは電気信号が加えられない場合、回転子が強力な固定状態を維持する）であり、自体としてブレーキ役割をするため特別のブレーキを必要としない。
（３）高反応性と高調整性（モータ自体の慣性が小さく、制動力が大きいため非常に高い反応性を有し、１／１０００秒未満の極めて短い時間遅延で、操縦性が非常に優秀で、高精密な位置制御及び速度制御が可能）である。
（４）無磁場（磁性部品を使用しないため磁場が発生せず、また磁場の影響も受けない）である。
（５）小型、軽量、無騒音（コイルが存在しないため構造が簡単で軽くて小型製作が可能で、さらに駆動騒音も小さい）である。
超音波モータのこのような特性は、独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータとして備えなければならない前記条件、すなわち小型＆軽量であること、逆転が防止されること、高精密な制御が可能であることのすべてを満足する。

一方、実施例２によるステアリングアクチュエータ１０は、次のように構成される。図４及び図５に示すように、ステアリングアクチュエータ１０は、車体に固定されるハウジング３１と、ハウジングの内側に固定された固定子３２ａと電流印加時にこの固定子に対して回転する回転子３２ｂとを備えた超音波モータ３２と、回転子３２ｂに一体に形成された回転子リングギヤ３２ｃに歯合されて回転しその回転軸はハウジング３１に固定された複数のピニオン３３と、ピニオン３３にそれぞれ一体に連結されて形成されたウォームギア３４と、複数のウォームギア３４にそれぞれ歯合される複数のラック３５ａとが備えられ、ハウジング３１の外部に延長された端部がタイロッドに連結されるステアリングロッド３５とを含んで構成されている。

すなわち、実施例２では、運動変換手段が回転子リングギヤ３２ｃと、複数のピニオン３３、ウォームギア３４及びステアリングロッド３５に形成された複数のラック３５ａからなり、超音波モータ３２の回転運動をステアリングロッド３５の直線運動に変換する。

ピニオン３３とウォームギア３４とは、もちろんその回転軸の軸方向には移動が制限された構造で、公知の技術であるテーパベアリングなどを使用してピニオン３３とウォームギア３４とに作用するスラスト荷重とラジアル荷重とをすべて支持する。ピニオン３３とウォームギア３４とは、回転子３２ｂの円周方向内側に３個以上が同一の間隔を置いて設けられており、ステアリングロッド３５の周りを囲むようになっている。

実施例２では、ピニオン３３とウォームギア３４とを、回転子３２ｂの円周方向内側に３個が１２０゜ずつ同一の間隔を有するように設置している。また、ステアリングロッド３５のラック３５ａが形成された部分は、６角断面の形状を有している。この６角断面の１２０゜間隔で配置された３個の面には、ウォームギア３４に歯合されるラック３５ａがそれぞれ形成される。３個のウォームギア３４によって、ステアリングロッド３５の周りが囲まれて拘束されるように構成している。

上記のように構成されるステアリングアクチュエータ１０も、前述した実施例１のように、操向制御信号発生部４でのセンサ出力によって超音波モータ３２に供給される電流によって作動する。すなわち、超音波モータ３２の固定子３２ａに制御電流が印加されれば、回転子３２ｂが回転し、回転子３２ｂの回転力は回転子リングギヤ３２ｃとピニオン３３とを介してウォームギア３４を回転させる。ウォームギア３４の回転力は、ステアリングロッド３５のラック３５ａを直線運動させるので、これによって、ステアリングロッド３５に連結されたタイロッドの操作ができる。

ここで、ピニオン３３及びウォームギア３４は、前述した実施例１とは違い、ハウジング３１に対して公転せずに自転だけしながら、ステアリングロッド３５を直線運動させることができる。従って、前述した実施例１よりは、もう少し簡単な構成によって、独立型ステアバイワイヤシステムを実現することができる。

本発明は、車両のステアリングシステムに適用することができる。

独立型ステアバイワイヤシステムの概略構成図である。 本発明によるステアリングアクチュエータの構成図である。（実施例１） 図２のリングギヤと固定子が省略された右側面図である。（実施例１） 本発明によるステアリングアクチュエータの構成図である。（実施例２） 図４の右側面図である。（実施例２）

符号の説明

１ ナックル
２ タイロッド
３ ステアリングホイール
４ 操向制御信号発生部
１０ ステアリングアクチュエータ
１１、３１ ハウジング
１２ リングギヤ
１３、３２ 超音波モータ
１３ａ、３２ａ 固定子
１３ｂ、３２ｂ 回転子
１４ ピン
１５ 遊星ギヤ
１６ サンギヤ
１６ａ、３４ ウォームギア
１７、３５ ステアリングロッド
１７ａ、３５ａ ラック
３２ｃ 回転子リングギヤ
３３ ピニオン

Claims (4)

1. 車体に固定されるハウジング（１１）と、
   前記ハウジング（１１）の内側に固定された固定子（１３ａ）と電流印加時にこの固定子（１３ａ）に対して回転する回転子（１３ｂ）とを備えた超音波モータ（１３）と、
   前記超音波モータ（１３）の中央部を貫通して前記ハウジング（１１）の外部に延長された端部がタイロッド（２）に連結されるステアリングロッド（１７）と、
   前記超音波モータ（１３）の回転運動を前記ステアリングロッド（１７）の直線運動に変換する運動変換手段と、を備え、
   前記運動変換手段は、ハウジング（１１）の内側に固定されるリングギヤ（１２）と、
   前記超音波モータ（１３）の回転子（１３ｂ）にピン（１４）を介して設けられてリングギヤ（１２）の内周面に歯合される遊星ギヤ（１５）と、
   外周面に遊星ギヤ（１５）が歯合され、内周面にウォームギア（１６ａ）が形成されたサンギヤ（１６）と、
   前記サンギヤ（１６）のウォームギア（１６ａ）に歯合されるようにステアリングロッド（１７）に形成されたラック（１７ａ）と、を含んで成ることを特徴とする独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータ。
2. 車体に固定されるハウジング（３１）と、
   前記ハウジング（３１）の内側に固定された固定子（３２ａ）と電流印加時にこの固定子（３２ａ）に対して回転する回転子（３２ｂ）とを備えた超音波モータ（３２）と、
   前記超音波モータ（３２）の中央部を貫通して前記ハウジング（３１）の外部に延長された端部がタイロッド（２）に連結されるステアリングロッド（３５）と、
   前記超音波モータ（３２）の回転運動を前記ステアリングロッド（３５）の直線運動に変換する運動変換手段と、を備え、
   前記運動変換手段は、前記超音波モータ（３２）の回転子（３２ｂ）内側に一体に形成された回転子リングギヤ（３２ｃ）と、
   前記回転子リングギヤ（３２ｃ）に歯合されて回転し、その回転軸が前記ハウジング（３１）に固定された複数のピニオン（３３）と、
   前記ピニオン（３３）にそれぞれ一体に連結されて形成されたウォームギア（３４）と、
   前記複数のウォームギア（３４）にそれぞれ歯合されるように前記ステアリングロッド（３５）に形成された複数のラック（３５ａ）と、を含んで成ることを特徴とする独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータ。
3. 前記ピニオン（３３）とウォームギア（３４）とは前記回転子（３２ｂ）の円周方向内側に３個以上が同一の間隔を置いて設けられることを特徴とする請求項２に記載の独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータ。
4. 前記ピニオン（３３）とウォームギア（３４）とは前記回転子（３２ｂ）の円周方向内側に３個が１２０゜ずつ同一の間隔を置いて設けられ、
   前記ステアリングロッド（３５）のラック（３５ａ）が形成された部分は６角断面の形状を有し、前記６角断面の１２０゜間隔で配置された３個の面に前記ラック（３５ａ）がそれぞれ形成されることを特徴とする請求項３に記載の独立型ステアバイワイヤシステムのステアリングアクチュエータ。

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