JP4140346B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システムのように、ステアリングホイール等の操作部材に対してアクチュエータからの力を与えることができる構成の車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、ステアリングホイールと舵取り用の車輪を転舵するための舵取り機構との間の機械的な結合をなくし、ステアリングホイールの操作角を検出するとともに、その検出結果に基づいて、操舵アクチュエータからのトルクを舵取り機構に与えることによって、舵取り用の車輪の転舵を達成するようにしたシステム（いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システム）が提案されている（たとえば、下記特許文献１）。
【０００３】
操舵アクチュエータは、マイクロコンピュータを含む構成の制御装置によって制御されるようになっている。すなわち、車両のイグニッションキースイッチがオン状態の間、ステアリングホイールの操作角を検出する操作角センサおよび舵取り用の車輪の転舵角を検出する転舵角センサの各検出信号が制御装置に入力されている。制御装置は、それらの入力信号に基づいて、舵取り用の車輪の転舵角がステアリングホイールの操作角に対応するように、操舵アクチュエータを制御する。
【０００４】
一方、ステアリングホイールに操作反力を与えるために、ステアリングシャフトには、反力アクチュエータが付設されている。制御装置は、操作角等に応じて反力アクチュエータを駆動制御することにより、ステアリングホイールに操作反力を与える。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１９８４５３号公報
【特許文献２】
特開平１０−３２４１２０号公報
【特許文献３】
特開平１１−２０４２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
運転者は、車両を運転するために、意識的または無意識に、次のような情報を用いている。
▲１▼ タイヤの状態（摩耗具合：グリップ力の低下）
▲２▼ 路面の状態（滑りやすい路面、不整路、波状路、轍路）
▲３▼ 車両の異常（駆動系や足回りの部品の各部の異常、緩み、消耗
▲４▼ 走行インフラから受けた情報
運転者は、これらの情報を視覚、聴覚、座面の振動および操作端（ステアリングホイール、コントロールスティックなど）を操作するときの反力などから感知している。
【０００７】
ところが、ステアリングギヤとハンドルコラムとが直結していないステア・バイ・ワイヤシステムにおいては、ステアリングホイールから舵取り機構までが機械的に連結された通常型のステアリング機構の場合とは異なり、操舵トルク伝達系での軸力やトルクの実値をステアリングホイールを介して運転者にフィードバックすることができない。
そのため、上記のような情報の運転者への伝達が不十分になる傾向にある。このことは、ステア・バイ・ワイヤシステムに限らず、車両の快適性や運動性能を高めるための各種の技術（ステア・バイ・ワイヤ技術の他、制動系、駆動系または懸架系の改良技術など）において共通の課題となっており、運転ストレスを増加させる一因となるおそれがある。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、運転者に必要な情報を伝達することができ、これにより、快適な運転環境を提供できる車両用操舵装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、運転者によって操作される操作部材（１，２２）の操作に応じて、舵取り車輪（５，２９）を転舵させるための舵取り機構（４，６，７，２４）を作動させる車両用操舵装置であって、上記運転者への情報伝達のために、上記操作部材に目標反力トルク値に応じた反力トルクを加えるアクチュエータ（９，４０）と、車両のタイヤに加わる負荷であるタイヤ負荷を検出する負荷検出手段（ＳＬ，ＳＲ，ＳＰ）と、操舵方向外側に位置するタイヤを特定する特定手段（１４）と、上記舵取り機構に作用する物理量を検出する舵取り機構系検出手段（Ｓ３，Ｓ４，Ｓ１２）と、車両の運動状態に関わる物理量を検出する車両状態検出手段（Ｓ５〜Ｓ１１）と、上記負荷検出手段、舵取り機構系検出手段および車両状態検出手段のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、上記アクチュエータを制御する制御手段（１４，Ｃ）と、上記負荷検出手段、舵取り機構系検出手段および車両状態検出手段のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、運転者に所定の教示を与える教示手段（１９，７０）とを含み、上記負荷検出手段は、タイヤの右側サイドウォール部（５２Ｒ）の応力を検出する右側応力センサ（ＳＲ）と、タイヤの左側サイドウォール部（５２Ｌ）の応力を検出する左側応力センサ（ＳＬ）とを含み、上記制御手段は、少なくとも上記負荷検出手段の検出結果に基づいて上記アクチュエータを制御するものであり、当該負荷検出手段の検出結果に基づいて上記アクチュエータを制御するときに、上記特定手段によって特定されたタイヤの操舵方向外側となるタイヤの上記右側応力センサおよび左側応力センサの検出値の差（ΔＴ）の一階時間微分値または二階時間微分値に基づき、上記アクチュエータを駆動制御するものであり、上記制御手段は、さらに、操舵系または転舵系に異常があるか否かを判定する手段（Ａ６，Ａ７，Ａ９）と、操舵系または転舵系に異常があると判定されると、補正トルク値を通常時の目標反力トルク値に加える手段（Ａ１０）とを含むものであることを特徴とする車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
【００１０】
この構成によれば、アクチュエータを、舵取り機構に作用する物理量（転舵軸に働く軸力など）に応じて制御することにより、操作部材から舵取り機構までが機械的に連結された車両用操舵装置の場合に操作部材から運転者に伝えられる操舵反力（セルフアライニングトルクや摩擦感など）を、操作部材を介して運転者に伝達できる。
また、車両の運動状態に関わる物理量（操作部材の操作、舵取り機構の動作、制動機構の動作、駆動系、懸架系の動作などについてのものを含む。）に応じてアクチュエータを制御することにより、メカ系の異常や制御の異常、または路面から伝わる振動（フラッター、シミーなど）を、疑似反力として、操作部材を介して運転者に伝達できる。この疑似反力は、車両の走行状態（車速、前後加速度、横加速度、ヨーレート、操舵速度など）に応じて可変制御することとしてもよい。また、疑似反力の大きさを、運転者が好みに応じて調整するための調整手段（７５）を設けてもよい。
【００１１】
さらに、アクチュエータを、車両のタイヤ（舵取り車輪のタイヤであってもよいし、舵取り車輪以外の車輪のタイヤであってもよい。）に加わる負荷に応じて制御することにより、路面状況およびタイヤの状況をダイレクトに反映した反力制御を行うことができる。したがって、ステアリングトルク伝達系の機械的構成に依存することなく、路面からのキックバックを再現することができる。これにより、車両用操舵装置を搭載する車両ごとに反力制御の調整を行う必要がなくなり、車両適合技術を少なくすることができる。
【００１２】
また、優れた応答性でアクチュエータを制御することができる。そのため、路面状況に対応した低周波情報のみならず、タイヤ接地面過渡情報をも、アクチュエータの制御により、操作部材を介して運転者に伝達することができる。これにより、たとえば、操作部材と舵取り機構とが機械的に結合されていない構成であっても、通常型のステアリング機構と同様な情報を、操作部材を介して運転者に与えることができる。
【００１３】
さらに、この発明では、負荷検出手段、舵取り機構系検出手段および車両状態検出手段のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、運転者に教示を与える教示手段が備えられている。この教示手段は、音声を発生して運転者に対する教示を行うもの（音声警告）や、ランプ表示やメッセージ表示によって運転者に対する教示を行うもの（警告表示）のように、聴覚や視覚によって運転者が感知できる情報提供手段であってもよい。
【００１４】
たとえば、メカ系の異常や制御の異常または路面から伝わる振動（フラッター、シミーなど）の発生は、アクチュエータによる操作部材の制御に代えて、またはこのような操作部材の制御とともに、上記教示手段によって運転者に伝達するようにしてもよい。また、メカ系の異常や制御の異常または路面から伝わる振動の発生は、車両の状態に応じて、疑似反力および教示手段の両方で運転者に伝達するか、いずれか適切な一方のみで運転者に伝達するかが選択されるようになっていてもよい。
【００１５】
なお、上記負荷検出手段は、タイヤの内部において、タイヤに加わる負荷を検出するものであることが好ましい。
また、上記負荷検出手段は、タイヤの空気圧を検出する空気圧検出手段（ＳＰ）を含むものであってもよい。
上記負荷検出手段は、この発明では、タイヤに加わる応力を検出する応力検出手段（ＳＬ，ＳＲ，ＳＡ）を含む。
【００１６】
より具体的には、上記応力検出手段は、車両の進行方向に向かってタイヤの左側部および右側部に加わる応力をそれぞれ検出する左側応力検出手段（左側応力センサＳＬ）および右側応力検出手段（右側応力センサＳＲ）を含む。これらの左側応力検出手段および右側応力検出手段は、タイヤの左側サイドウォール部（５２Ｌ）および右側サイドウォール部（５２Ｒ）にそれぞれ設置される。
この構成により、車両が曲線軌跡を描いて進行する場合（カーブを通行する場合）におけるタイヤの変形量を検出することができるので、タイヤ接地面過渡情報を得ることができる。
請求項２記載の発明は、上記制御手段は、懸架系に異常があるか否かを判定する手段（Ａ６，Ａ１１，Ａ１２，Ａ１６，Ａ１７）と、懸架系に異常があると判定されると、補正トルク値を通常時の目標反力トルク値に加える手段（Ａ１８）とをさらに含むものである、請求項１記載の車両用操舵装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール１と舵取り機構との機械的な結合をなくし、ステアリングホイール１の回転操作に応じて駆動される操舵アクチュエータ２の動作を、ハウジング３に支持された転舵軸４の車幅方向の直線運動に変換し、この転舵軸４の直線運動を舵取り用の前部左右車輪５の転舵運動に変換することにより操舵を達成するようにした、いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システムである。
【００１８】
操舵アクチュエータ２は、たとえば、ブラシレスモータ等の電動モータを含む構成である。この操舵アクチュエータ２の駆動力（出力軸の回転力）は、転舵軸４に関連して設けられた運動変換機構（たとえば、ボールねじ機構）により、転舵軸４の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換される。この転舵軸４の直線運動は、転舵軸４の両端から突出して設けられたタイロッド６に伝達され、さらにタイロッド６を介してキングピンＰに連結されたナックルアーム７の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム７に支持された車輪５の転舵が達成される。転舵軸４、タイロッド６およびナックルアーム７などにより、舵取り用の車輪５を転舵するための舵取り機構が構成されている。
【００１９】
ステアリングホイール１は、車体に対して回転可能に支持された回転シャフト８に連結されている。この回転シャフト８には、ステアリングホイール１に操作反力を与えるための反力アクチュエータ９が付設されている。反力アクチュエータ９は、回転シャフト８と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。
回転シャフト８のステアリングホイール１とは反対側の端部には、渦巻きばね等からなる弾性部材１０が車体との間に結合されている。この弾性部材１０は、反力アクチュエータ９がステアリングホイール１にトルクを付加していないときに、その弾性力によって、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる。
【００２０】
ステアリングホイール１の操作入力値を検出するために、回転シャフト８に関連して、ステアリングホイール１の操作角を検出するための操作角センサＳ１が設けられている。また、回転シャフト８には、ステアリングホイール１に加えられた操作トルクを検出するためのトルクセンサＳ２が設けられている。一方、転舵軸４に関連して、舵取り用の車輪５の転舵角（タイヤ角）を検出するための転舵角センサＳ３および転舵軸４に作用する軸力を検出する軸力センサＳ４が設けられている。
【００２１】
これらのセンサの他にも、車速を検出する車速センサＳ５、車両の前後方向加速度を検出する前後加速度センサＳ６、車両の横加速度を検出する横加速度センサＳ７、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサＳ８、ショックアブソーバのストローク（変位）を検出するストロークセンサＳ９、ブレーキ油圧を検出するブレーキ液圧センサＳ１０、車両の荷重を検出する荷重センサＳ１１、および駆動回路１７から操舵アクチュエータ２に供給される駆動電流を検出する電流検出部Ｓ１２（駆動電流の検出により、転舵軸４に作用する力を間接的に検出することができる。）が設けられている。
【００２２】
さらに、後述するように、車輪５に装着されたタイヤＷの内部には、このタイヤＷの左右のサイドウォール部に作用する応力を検出する左側応力センサＳＬおよび右側応力センサＳＲ、ならびにタイヤＷの空気圧を検出する空気圧センサＳＰが設けられている。
上記のセンサ類Ｓ１〜Ｓ１２，ＳＬ，ＳＲ，ＳＰの各検出信号は、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなる制御装置１４に入力されるようになっている。ただし、応力センサＳＬ，ＳＲおよび空気圧センサＳＰの検出信号については、アンテナ１４ａを介する無線通信によって、制御装置１４に受信されるようになっている。
【００２３】
制御装置１４は、操作角センサＳ１によって検出される操作角、転舵角センサＳ３によって検出される転舵角、車速センサＳ５によって検出される車速、応力センサＳＬ，ＳＲによって検出されるタイヤの応力、および空気圧センサＳＰによって検出されるタイヤの空気圧に基づいて、操舵指令値を設定し、この操舵指令値に基づいて、駆動回路１７を介し、操舵アクチュエータ２を制御する。
ステアリングホイール１と舵取り機構との間には機械的な結合がないので、ステアリングホイール１の回転量と車輪５の転舵量との比（伝達比、ギヤ比）を可変設定するＶＧＲ（Variable Gear Ratio）機能を実現できる。すなわち、たとえば、制御装置１４は、車速センサＳ５によって検出される車速と、応力センサＳＬ，ＳＲおよび／または空気圧センサＳＰによって検出されるタイヤ負荷とに基づいて上記ギヤ比を設定し、このギヤ比とステアリングホイール１の操作角とに基づいて、操舵アクチュエータ２に与えるべき電圧に対応した操舵指令値を設定する。
【００２４】
一方、制御装置１４は、センサ類Ｓ１〜Ｓ１２が出力する検出信号に基づいて、ステアリングホイール１の操作方向と逆方向の適当な反力が発生されるように、駆動回路１８を介して、反力アクチュエータ９を制御する。
また、制御装置１４には、たとえば、車両のインスツルメントパネルに設けられた警報器１９が接続されている。警報器１９は、警報音発生装置からなっていてもよいし、警報表示（ランプ表示やメッセージ表示）を行う警報表示装置からなっていてもよい。制御装置１４は、センサ類Ｓ１１〜Ｓ１２（とくに転舵角センサＳ３、車速センサＳ５、ストロークセンサＳ９）の出力信号に基づいて、たとえば、所定の異常や走行状態（悪路走行中、フラッタ発生、アンバランス発生など）を検出したときに、警報器１９から警報を発生させる。
【００２５】
図２は、舵取り用の車輪５のタイヤＷの構成を説明するための図解的な断面図である。タイヤＷは、路面に接触するトレッド部５１と、このトレッド部５１の両側部に結合された一対のサイドウォール部５２Ｌ，５２Ｒとを備えている。車両の進行方向に向かって右側のサイドウォール部５２Ｒの内壁面には、右側応力センサＳＲが配置されており、車両の進行方向に向かって左側のサイドウォール部５２Ｌの内壁面には左側応力センサＳＬが配置されている。また、トレッド部５１の内壁面には、空気圧センサＳＰが配置されている。その他、必要に応じて、たとえば、トレッド部５１の内部に応力センサＳＡを埋設してもよい。
【００２６】
右側応力センサＳＲおよび左側応力センサＳＬは、右側サイドウォール部５２Ｒおよび左側サイドウォール部５２Ｌに加わる応力をそれぞれ検出するものであって、歪みゲージ等のセンサ部と、このセンサ部の検出信号を無線伝送するためのトランスポンダ部と、タイヤＷの回転運動を電気エネルギーに変換して蓄電する蓄電部とを備えており、この蓄電部に蓄積された電気エネルギーによって動作するようになっている。同様に、空気圧センサＳＰは、タイヤＷの内部に配置されていて、タイヤＷの内部空気圧を検出するセンサ部と、このセンサ部の検出信号を無線伝送するためのトランスポンダ部と、タイヤＷの回転運動を電気エネルギーに変換して蓄電する蓄電部とを備えており、この蓄電部に蓄積された電気エネルギーによって動作するようになっている。上記トランスポンダ部が発信する信号が、アンテナ１４ａから、制御装置１４に取り込まれるようになっている。
【００２７】
上記のような応力センサや空気圧センサとしては、たとえば、特許文献２および特許文献３に開示されているような公知のものを採用することができる。
図３は、コーナリング時におけるタイヤＷの変形を説明するための図解図である。図３（Ａ）には、摩擦係数が比較的小さな路面上において左方向操舵を行った場合における左右のタイヤＷＬ，ＷＲの断面形状が示されており、図３（Ｂ）には、路面摩擦係数が比較的大きな路面上において左方向操舵を行った場合における左右のタイヤＷＬ，ＷＲの断面形状が示されている。図３（Ａ）（Ｂ）のいずれにおいても、タイヤＷＬ，ＷＲの断面形状は、車両の進行方向後方から見た形状である。
【００２８】
左右のタイヤＷＬ，ＷＲのうち、操舵方向内側となる左側タイヤＷＬの変形は比較的小さく、操舵方向外側となる右側タイヤＷＲの変形が大きくなる。そして、左右のタイヤＷＬ，ＷＲのいずれにおいても、操舵方向内側となる左側サイドウォール部における変形は小さく、操舵方向外側となる右側サイドウォール部における変形が大きくなる。この変形は、路面摩擦係数が大きいほど大きくなる。
そこで、この実施形態では、制御装置１４は、転舵角センサＳ３の出力信号に基づき、操舵方向外側に位置するタイヤを特定し、そのタイヤ（図３の例では右側タイヤＷＲ）に装着された左右の応力センサＳＬ，ＳＲの出力を参照する。より具体的には、操舵方向外側となる右側サイドウォール部５２Ｒの応力を検出する右側応力センサＳＲが検出する外側サイドウォール部の応力Ｔｏと、操舵方向内側となる左側サイドウォール部５２Ｌの応力を検出する左側応力センサＳＬによって検出される内側サイドウォール部の応力Ｔｉとの差ΔＴ（＝Ｔｏ−Ｔｉ）が求められる。さらに、制御装置１４は、左右のサイドウォール部の応力差ΔＴの一階時間微分値（応力変化速度、タイヤ負荷変化速度）または二階時間微分値（応力変化加速度、タイヤ負荷変化加速度）を求め、こうして求められたタイヤ負荷変化速度またはタイヤ負荷変化加速度に基づき、操舵アクチュエータ２および反力アクチュエータ９を駆動制御する。
【００２９】
図４は、制御装置１４による反力アクチュエータ９の制御態様の一例を示す制御特性図である。制御装置１４は、たとえば、操舵方向外側のタイヤにおけるタイヤ負荷変化速度またはタイヤ負荷変化加速度に応じて、一定範囲内で、たとえばリニアに変化する反力アクチュエータ駆動目標値を設定し、この反力アクチュエータ駆動目標値が達成されるように、駆動回路１８に制御信号を与える。図４の特性図では、一定値以上のタイヤ負荷変化速度またはタイヤ負荷変化加速度に対して、タイヤ負荷変化速度またはタイヤ負荷変化加速度の増加に応じてリニアに増加する反力アクチュエータ駆動目標値が設定されるようになっており、かつ、車速センサＳ５が検出する車速が大きいほど大きな反力アクチュエータ駆動目標値が設定されるようになっている。
【００３０】
これにより、タイヤに加わる負荷の変化速度または変化加速度が大きいほど大きな反力がステアリングホイール１を介して運転者に伝えられ、また、車速が大きいほど大きな反力がステアリングホイール１を介して運転者に伝達されることになる。
図５は、運転者、車両および路面の間における情報の授受の様子を示す概念図である。たとえば路面からは、横風等の外乱が車両に加わり、また道路交通網に配置されたインフラから交通状況等の情報がたとえばＩＴＳ（Intelligent Transport Systems）電子情報などとして車両に提供される。さらに、轍路、カント路、波状路および雪道などの路面状況がタイヤを通じて車両に伝達される。
【００３１】
一方、車両から運転者には、制御装置１４（ＥＣＵ：電子制御ユニット）による反力アクチュエータ９の制御（反力制御）により、ステアリングホイール１を介して、路面情報（低周波情報）とともに、上述のタイヤ接地面過渡情報が伝達される。さらに、上述の警報器１９を通じて、操舵系の不安定情報や警告が、表示または音声によって運転者に伝達される。
反力アクチュエータ９は、操舵アクチュエータ２の発生トルクや、転舵角センサＳ３の出力に基づいて制御されることにより、低周波情報である路面情報をステアリングホイールを介して運転者に伝達することができる。この制御と併せて、上述のように、タイヤ負荷変化速度またはタイヤ負荷変化加速度に応じて反力アクチュエータ９が制御されることにより、ステアリングホイール１を介してタイヤ接地面過渡情報が運転者に伝達される。
【００３２】
警報器１９によって伝達される操舵系の不安定情報とは、タイヤアンバランスやシミーの発生などである。これらの情報は、反力アクチュエータ９の制御を介して運転者に伝達されてもよいが、警報器１９を用いて視覚的または聴覚的に運転者に伝達し、メンテナンスを促す方が効果的である。
制御装置１４は、操舵系の振動（消耗品・機構部品に関するメンテナンス不良や異常信号による制御異常などによるフラッタ、シミーなど）やタイヤ・サスペンション系の振動（アンバランスによる振動）などを、車両および／または各コンポーネント（車両運動に関わる物理量を検出する部位）に設けた変位センサ信号（操作角センサＳ１、転舵角センサＳ３、ストロークセンサＳ９などの信号）、加速度センサ信号（前後加速度センサＳ６、横加速度センサＳ７）や、それらの信号に対して信号処理によって解析を施して得られた解析結果（微分値、積分値、振動のパワースペクトラム解析により得られた周波数特性など）に基づいて、運転者に伝達すべき情報の有無を判定する。そして、さらに、運転者に伝達すべき情報があれば、その情報を操作反力として運転者に伝達すべきか、警報器１９を介して視覚的または聴覚的に運転者に伝達すべきかを判定し、その判定結果に応じた方法で当該情報を運転者に伝達する。
【００３３】
制御装置１４は、さらに、操作角センサＳ１などの出力や応力センサＳＬ，ＳＲおよび空気圧センサＳＰによって検出されるタイヤ負荷に応じて、操舵アクチュエータ２を制御する（操舵制御）。
一方、運転者は、警報器１９またはステアリングホイール１から伝達される上記の情報の他に、車両上において加速度Ｇを体感し、また、車速Ｖ、ヨーレートγ、ロールφおよびピッチτを体感する。これらの情報に基づき、運転者は、予覚制御、追跡制御および補償制御を行うべく、ステアリングホイール１を操作する。
【００３４】
予覚制御とは、運転者が次の状況を予知して行う制御であり、追跡制御とは、運転者が意図する車両挙動を目標としてこの目標を追跡しようとする制御であり、補償制御とは、横風などの外乱を補償するための制御である。これらの制御は、車両の運転に関する運転者の知識に基づいて行われるが、この知識は、スキルベース、ルールベースおよびインテリジェントベースに層別することができる。
スキルベースの運転知識とは、体で会得した知識であり、五感により知覚した情報に基づいて無意識に行動に移されるような知識である。ルールベースの運転知識とは、運転者の記憶に基づく判断結果（たとえば一定の条件に当てはまるかどうか）に応じて行動に移されるような知識、すなわち、パターン化された行動に関する知識である。インテリジェントベースの運転知識とは、パターン化された行動に関する知識ではなく、意識的で抽象的かつ論理的な思考を経て行動に移されるような高度な知識である。
【００３５】
たとえば、低周波情報としてステアリングホイール１から運転者に伝達される路面情報は、ルールベースの知識に働きかけて、運転者にパターン化された運転行動を促す。これに対して、同じくステアリングホイール１から運転者に伝達されるタイヤ接地面過渡情報は、インテリジェントベースの知識に働きかけて、より高度な判断（ステアリングトルクが抜ける限界点かどうかなど）のために用いられる。
【００３６】
図６は、反力アクチュエータ９の制御または警報器１９によって運転者に情報を伝達するために制御装置１４が実行する処理を説明するためのフローチャートである。まず、センサ類Ｓ１〜Ｓ１２が出力する検出信号が取り込まれ（ステップＡ１）、その後に、これらのセンサ類Ｓ１〜Ｓ１２の検出信号に対する信号処理（ステップＡ２）が行われる。具体的には、微分処理、積分処理、信号の周期性の解析、包絡線検波、スペクトル分析による周波数特性の解析などの処理が行われる。より具体的には、転舵角センサＳ３の出力信号の振動周波数（転舵角振動周波数）、ストロークセンサＳ９の出力信号の振動周波数（ショックアブソーバ振動周波数）、転舵角センサＳ３の出力信号の微分値（転舵角速度）が求められる。さらに、横加速度センサＳ７によって検出される横加速度（横Ｇ）、ヨーレートセンサＳ８によって検出されるヨーレート、ストロークセンサＳ９によって検出されるショックアブソーバストローク、ブレーキ液圧センサＳ１０によって検出されるブレーキ液圧の各振動周波数などが求められる。
【００３７】
さらに、制御装置１４は、車速センサＳ５が検出する車速Ｖが予め定める複数の車速域（この実施形態では、０km/h＜Ｖ≦３０km/h、３０km/h＜Ｖ≦６０km/h、６０km/h＜Ｖ≦９０km/h、９０km/h＜Ｖの４つの車速域）のいずれに属するかに応じて、処理を分岐させる（ステップＡ３，Ａ４，Ａ５）。
たとえば、車速Ｖが０km/h＜Ｖ≦３０km/hの車速域内の値のときには（ステップＡ３のＹＥＳ）、転舵角振動周波数が予め定めるしきい値である５Hz以上かどうかが判断される（ステップＡ６）。この判断が肯定されると、操舵系または転舵系の異常が発生している可能性があるので、さらに、横加速度センサＳ７によって検出される横加速度（横Ｇ）、ヨーレートセンサＳ８によって検出されるヨーレート、ストロークセンサＳ９によって検出されるショックアブソーバストローク、ブレーキ液圧センサＳ１０によって検出されるブレーキ液圧のうちの１つまたは予め定める２つ以上のものについて、その振動周波数が、予め定めるしきい値である２Hz以下かどうかが判断される（ステップＡ７）。この判断が否定されれば、操舵系または転舵系の異常はないものとして、反力アクチュエータ９を駆動するための目標反力トルクを通常時（異常がないとき）の目標反力トルク値であるＴａに定めて（ステップＡ８）、リターンする。この通常時の目標反力トルク値は、応力センサＳＬ，ＳＲや空気圧センサＳＰによって検出されるタイヤ負荷を反映した値である。
【００３８】
一方、ステップＡ７において、横加速度、ヨーレート、ショックアブソーバストロークおよびブレーキ液圧のうちの１つまたは予め定める２つ以上のものについて、その振動周波数が２Hz以下であると判断されると、操舵系または転舵系に異常があるとの判定がなされる（ステップＡ９）。この場合、制御装置１４は、反力アクチュエータ９の駆動のための目標反力トルクを、通常時の目標反力トルク値Ｔａに補正トルク値Ｔｂ（操舵系または転舵系異常時の補正トルク）を加えた値Ｔａ＋Ｔｂに設定して（ステップＡ１０）、リターンする。
【００３９】
補正トルク値Ｔｂは、たとえば、ステップＡ７において２Hz以下であると判断された判定対象値の振動周波数に応じて定められ、たとえば、その振動周波数が大きいほど大きく定められる。また、補正トルク値Ｔｂは、さらに車速や転舵角に応じて定められてもよく、車速が大きいほど大きく、また、転舵角が大きいほど大きく定めることとすればよい。
転舵角振動周波数が５Hz未満のときには（ステップＡ６のＮＯ）、懸架系の異常等の可能性があるので、さらに、ショックアブソーバ振動周波数が予め定める第１のしきい値である１Hz以上かどうかが判断される（ステップＡ１１）。ショックアブソーバ振動周波数が１Hz以上のときには、さらに、転舵角速度が予め定めるしきい値である５rad/sec以下かどうかが判断される（ステップＡ１２）。この判断が肯定されると、悪路走行中、フラッタ発生またはアンバランス発生のいずれかであると判定され（ステップＡ１３）、これらの異常等が警報器１９を通じて運転者に報知される（ステップＡ１４）。そして、反力アクチュエータ９の制御のための目標反力トルクを、通常時の目標反力トルク値Ｔａに設定して（ステップＡ１５）、リターンする。
【００４０】
転舵角周波数が５Hz未満であっても、ショックアブソーバ振動周波数が１Hz未満であるとき（ステップＡ１１のＮＯ）、または転舵角周波数が５Hz未満で、かつショックアブソーバ振動周波数が１Hz以上であっても転舵速度が５rad/secを超えているとき（ステップＡ１２のＮＯ）には、懸架系の異常の有無を調べるために、さらに、ショックアブソーバ振動周波数が予め定める第２のしきい値である１０Hz以上かどうかが判断される（ステップＡ１６）。この判断が肯定されると、懸架系に異常があるものと判定され（ステップＡ１７）、制御装置１４は、反力アクチュエータ９の駆動のための目標反力トルクを、通常時の目標反力トルク値Ｔａに補正トルク値Ｔｃ（懸架系異常時の補正トルク）を加えた値Ｔａ＋Ｔｃに設定して（ステップＡ１８）、リターンする。
【００４１】
補正トルク値Ｔｃは、たとえば、ショックアブソーバ振動周波数に応じて定められ、たとえば、ショックアブソーバ振動周波数が大きいほど大きく定められる。また、補正トルク値Ｔｃは、さらに車速や転舵角に応じて定められてもよく、車速が大きいほど大きく、また、転舵角が大きいほど大きく定めることとすればよい。
ステップＡ１６における上記の判断が否定されれば、懸架系の異常はないものとして、反力アクチュエータ９を駆動するための目標反力トルクを通常時（異常がないとき）の目標反力トルク値であるＴａに定めて（ステップＡ１９）、リターンする。
【００４２】
３０km/h＜Ｖ≦６０km/h、６０km/h＜Ｖ≦９０km/h、９０km/h＜Ｖの車速域においても、判定対象となる振動周波数の種類が適宜選択され、各振動周波数に対するしきい値が適切に設定されたうえで、上記と同様な処理が行われる。
このような処理の結果、操舵系、転舵系および懸架系の異常に関しては、ステアリングホイール１に与えられる操舵反力を通常時の値（Ｔａ）と異ならせることによって、ステアリングホイール１を介して運転者に伝達される。その一方で、悪路走行中、フラッタ発生、アンバランス発生などの情報は、ステアリングホイール１を介さずに、警報器１９を介して運転者に報知される。このように、発生した異常等の種類に応じて、適切な伝達ルートが選択されるから、運転者への情報伝達が円滑に行われ、運転ストレスを減少することができ、快適な運転環境を実現できる。
【００４３】
しかも、この実施形態では、タイヤに取り付けられた左右の応力センサＳＬ，ＳＲや空気圧センサＳＰによって直接的に検出されるタイヤの負荷に応じて、反力アクチュエータ９が制御されるようになっている。そのため、舵取り機構の機械的な構成によらずに、適切な反力制御を行うことができるから、車種毎または車両毎に反力制御を異ならせるような車両適合技術を減少または排除することができる。これにより、車両用操舵装置の開発期間を大幅に短縮することができる。
【００４４】
また、左右の応力センサＳＬ，ＳＲや空気圧センサＳＰによってタイヤＷの負荷状況を直接的に検出し、これを用いて反力制御を行う構成であるから、複雑な演算処理が不要であり、数十ミリ秒オーダの高速な応答性で反力アクチュエータ９を制御できる。そのため、タイヤＷがグリップ力を失うグリップ限界状況のようなタイヤ接地面過渡情報をステアリングホイール１を介して運転者に伝達することができる。
【００４５】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。この車両用操舵装置２１は、操作部材としてのステアリングホイール２２に一体回転可能に連結される第１操舵軸２３と、この第１操舵軸２３と同軸上に設けられラックアンドピニオン機構等の舵取り機構２４に連結される第２操舵軸２５と、第１および第２操舵軸２３，２５間の差動回転を許容するための差動伝達機構を構成する遊星伝達機構としての遊星ギヤ機構２６とを備える。
【００４６】
舵取り機構２４は、車両の左右方向に延びて配置された転舵軸２７と、この転舵軸２７の両端にタイロッド２８を介して結合され、舵取り用の車輪２９を支持するナックルアーム３０とを備える。転舵軸２７はハウジング３１により支承されて軸方向に摺動可能とされており、その途中部に、電動モータからなる操舵アクチュエータ３２が同軸的に組み込まれている。操舵アクチュエータ３２の駆動回転は、ボールねじ機構等の運動変換機構等によって転舵軸２７の摺動に変換され、この転舵軸２７の摺動により車輪２９の転舵が達成される。
【００４７】
転舵軸２７の一部には、ラック２７ａが形成されており、このラック２７ａには、第２操舵軸２５の端部に設けられて第２操舵軸２５と一体回転するピニオン３４が噛み合わされている。操舵アクチュエータ３２の故障時には、ステアリングホイール２２の操作に応じて第２操舵軸２５が回転駆動されると、この第２操舵軸２５の回転がピニオン３４およびラック２７ａにより、転舵軸２７の摺動に変換され、車輪２９の転舵が達成される。
【００４８】
遊星ギヤ機構２６は、第１操舵軸２３の端部に一体回転可能に連結された入力側となる太陽ギヤ３５と、出力側となるキャリア３６により回転自在に保持されて太陽ギヤ３５と噛み合う複数の遊星ギヤ３７と、各遊星ギヤ３７に噛み合う内歯３８ａを内周に持つリング部材としてのリングギヤ３８とを含む。
リングギヤ３８は外歯３８ｂを形成することで例えばウォームホイールを構成している。この外歯３８ｂは例えばウォームからなる駆動伝達ギヤ３９を介して、ステアリングホイール２２に操作反力を与えるための反力アクチュエータ４０に駆動連結されている。この反力アクチュエータ４０は例えば電動モータからなり、そのケーシングは車体の適所に固定されている。
【００４９】
操舵アクチュエータ３２および反力アクチュエータ４０は、ＣＰＵ６１、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ６２、演算処理等のワークエリアとして用いられるＲＡＭ６３等を含む制御装置Ｃ（ＥＣＵ：電子制御ユニット）により制御されるようになっている。
第１操舵軸２３にはステアリングホイール２２による操舵角を検出するための操舵角検出手段としての操舵角センサＳ１、およびステアリングホイール２２から入力される操舵トルクを検出するための操舵トルク検出手段としてのトルクセンサＳ２が設けられている。これら操舵角センサＳ１およびトルクセンサＳ２からの検出信号が制御装置Ｃに入力される。
【００５０】
また、転舵軸２７には、転舵軸２７の軸方向位置を検出することで、車輪２９の転舵角を検出するための転舵角センサＳ３と、転舵軸２７に作用する軸力を検出する軸力センサＳ４が設けられており、これらの転舵角センサＳ３および軸力センサＳ４による検出信号も制御装置Ｃに入力される。また、制御装置Ｃには、車速を検出するための車速センサＳ５からの検出信号が入力されるようになっている。
【００５１】
これらの他、制御装置Ｃには、上記の第１の実施形態の場合と同じく、車両の前後方向加速度を検出する前後加速度センサＳ６、車両の横加速度を検出する横加速度センサＳ７、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサＳ８、ショックアブソーバのストローク（変位）を検出するストロークセンサＳ９、ブレーキ油圧を検出するブレーキ液圧センサＳ１０、車両の荷重を検出する荷重センサＳ１１、および操舵アクチュエータ３２に供給される駆動電流を検出する電流検出部Ｓ１２が出力する検出信号がそれぞれ入力されるようになっている。また、車輪２９のタイヤの内部には、上述の第１の実施形態の場合と同様にして、タイヤ負荷検出手段として、タイヤ空気圧センサＳＰ、左側応力センサＳＬおよび右側応力センサＳＲが設けられている。これらのセンサの出力信号は、無線通信によって、アンテナＣａから、制御装置Ｃに取り込まれるようになっている。
【００５２】
制御装置Ｃは、上記各センサ類からの入力信号に基づいて、操舵アクチュエータ３２および反力アクチュエータ４０をそれぞれ駆動するための駆動部としての駆動回路４８，４９に制御信号を出力する。
制御装置Ｃは、転舵系が正常に動作しているかどうかを常時監視している。より具体的には、転舵角センサ４６および操舵アクチュエータ３２の少なくとも一方における異常発生を監視している。
【００５３】
転舵系に異常がなければ、制御装置Ｃは、反力アクチュエータ４０によって、路面反力に対応した操舵反力をステアリングホイール２２に与えるためのトルクを発生させる。
また、制御装置Ｃは、ステアリングホイール２２の操作量に応じて、操舵アクチュエータ３２の電圧指令値を設定し、その電圧指令値に応じた制御信号を駆動回路４８に与えることによって、操舵アクチュエータ３２を駆動制御する。ステアリングホイール２２と舵取り機構２４との間は、遊星ギヤ機構２６を介して結合されているものの、反力アクチュエータ４０がリングギヤ３８の回転を実質的に拘束せず、ステアリングホイール２２に操舵反力を与えるためにのみ動作している状態では、ステアリングホイール２２に加えられた操舵トルクは舵取り機構２４に実質的に伝達されることがない。その意味で、この図７に示された構成もまた、ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）型の車両用操舵装置であるということができ、上述の第１の実施形態の場合と同様な可変ギヤ比制御が可能である。
【００５４】
この実施形態において、制御装置Ｃは、上述の第１の実施形態の制御装置１４と同様に、図４に示されているような特性に従って、応力センサＳＬ，ＳＲおよび／または空気圧センサＳＰによって検出されるタイヤ負荷に基づいて、反力アクチュエータ４０を制御する。これによって、運転者に対して、路面状況を表す低周波域の情報のみならず、タイヤ接地面過渡情報のような高周波域の情報をも、ステアリングホイール２２を介して伝達することができる。
【００５５】
さらに、制御装置Ｃは、上述の第１の実施形態における制御装置１４と同じく、図６に示されているような処理を実行し、センサ類の信号を処理して、それらの振動周波数等に基づき、操舵系、転舵系および懸架系の異常については、反力制御によって運転者に伝達するとともに、悪路走行中、フラッタ発生およびアンバランス発生についての情報は警報器７０（第１の実施形態における警報器１９と同様な構成のもの）を介して運転者に報知する。
【００５６】
転舵系に異常が生じると、制御装置Ｃは、操舵アクチュエータ３２の制御を中止して操舵アクチュエータ３２をフリー回転状態とするとともに、反力アクチュエータ４０によってリングギヤ３８の回転に制限を加え、ステアリングホイール２２に加えられた操舵トルクが舵取り機構２４に伝達される状態とする。このとき、反力アクチュエータ４０の制御によって、操舵補助を行うことができるとともに、ギヤ比の可変制御を行うことができる。
【００５７】
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態でも実施することができる。たとえば、図１および図７に示すように、制御部１４，Ｃに操作部７５を接続しておき、この操作部７５からの操作により、操作反力の大小を調整できるようにしてもよい。
また、たとえば、ステアリングホイールと舵取り機構とを、トーションバーが介装されたステアリングシャフトによって結合するとともに、舵取り機構に対して、電動モータから操舵補助力を与える通常の電動パワーステアリング装置においても、ステアリングホイールに力を与えるアクチュエータと、警報器とを設けることによって、異常等の種類に応じて、ステアリングホイールか警報器かを使い分けて、運転者への情報伝達を行える。
【００５８】
また、電動モータによって駆動されるポンプによって油圧を発生させ、この油圧によって作動されるパワーシリンダが発生する駆動力を舵取り機構に伝達する構成のパワーステアリング装置においても、同様な構成の採用が可能である。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る車両用操舵装置の構成を説明するための概念図である。
【図２】舵取り用の車輪のタイヤの構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】コーナリング時におけるタイヤの変形を説明するための図解図である。
【図４】反力アクチュエータの制御態様の一例を示す制御特性図である。
【図５】運転者、車両および路面の間における情報の授受の様子を示す概念図である。
【図６】反力アクチュエータの制御または警報器によって運転者に情報を伝達するために制御装置が実行する処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール
２ 操舵アクチュエータ
４ 転舵軸
５ 車輪
９ 反力アクチュエータ
１４ 制御装置
１４ａ アンテナ
１７ 駆動回路
１８ 駆動回路
１９ 警報器
２１ 車両用操舵装置
２２ ステアリングホイール
２４ 舵取り機構
２６ 遊星ギヤ機構
２７ 転舵軸
２７ａ ラック
２９ 車輪
３２ 操舵アクチュエータ
３４ ピニオン
３５ 太陽ギヤ
３６ キャリア
３７ 遊星ギヤ
３８ リングギヤ
３９ 駆動伝達ギヤ
４０ 反力アクチュエータ
４４ 操舵角センサ
４５ トルクセンサ
４６ 転舵角センサ
４７ 車速センサ
４８ 駆動回路
５１ トレッド部
５２Ｌ 左側サイドウォール部
５２Ｒ 右側サイドウォール部
７０ 警報器
Ｃ 制御装置
Ｃａ アンテナ
ＳＡ 応力センサ
ＳＬ 左側応力センサ
ＳＰ 空気圧センサ
ＳＲ 右側応力センサ
Ｗ タイヤ
ＷＬ 左側タイヤ
ＷＲ 右側タイヤ
Ｓ１ 操作角センサ
Ｓ２ トルクセンサ
Ｓ３ 転舵角センサ
Ｓ４ 軸力センサ
Ｓ５ 車速センサ
Ｓ６ 前後加速度センサ
Ｓ７ 横加速度センサ
Ｓ８ ヨーレートセンサ
Ｓ９ ショックアブソーバストロークセンサ
Ｓ１０ ブレーキ液圧センサ
Ｓ１１ 荷重センサ
Ｓ１２ 電流検出部

Claims (2)

1. 運転者によって操作される操作部材の操作に応じて、舵取り車輪を転舵させるための舵取り機構を作動させる車両用操舵装置であって、
   上記運転者への情報伝達のために、上記操作部材に目標反力トルク値に応じた反力トルクを加えるアクチュエータと、
   車両のタイヤに加わる負荷であるタイヤ負荷を検出する負荷検出手段と、
   操舵方向外側に位置するタイヤを特定する特定手段と、
   上記舵取り機構に作用する物理量を検出する舵取り機構系検出手段と、
   車両の運動状態に関わる物理量を検出する車両状態検出手段と、
   上記負荷検出手段、舵取り機構系検出手段および車両状態検出手段のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、上記アクチュエータを制御する制御手段と、
   上記負荷検出手段、舵取り機構系検出手段および車両状態検出手段のうちの少なくとも１つの検出結果に基づいて、運転者に所定の教示を与える教示手段とを含み、
   上記負荷検出手段は、タイヤの右側サイドウォール部の応力を検出する右側応力センサと、タイヤの左側サイドウォール部の応力を検出する左側応力センサとを含み、
   上記制御手段は、少なくとも上記負荷検出手段の検出結果に基づいて上記アクチュエータを制御するものであり、当該負荷検出手段の検出結果に基づいて上記アクチュエータを制御するときに、上記特定手段によって特定されたタイヤの操舵方向外側となるタイヤの上記右側応力センサおよび左側応力センサの検出値の差の一階時間微分値または二階時間微分値に基づき、上記アクチュエータを駆動制御するものであり、
   上記制御手段は、さらに、操舵系または転舵系に異常があるか否かを判定する手段と、操舵系または転舵系に異常があると判定されると、補正トルク値を通常時の目標反力トルク値に加える手段とを含むものであることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 上記制御手段は、
   懸架系に異常があるか否かを判定する手段と、
   懸架系に異常があると判定されると、補正トルク値を通常時の目標反力トルク値に加える手段とをさらに含むものである、請求項１記載の車両用操舵装置。

Images