JP4600057B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ステアリングホイールの操舵に関わらずに操舵することができる自動操舵アクチュエータを備える車両用操舵装置に関するものである。
近年、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の転舵角との伝達比を変化させることができる舵角比可変操舵装置を用いて、ステアリングホイールの操舵とは無関係に転舵輪を転舵するいわゆる自動操舵が行われている。この自動操舵とは、運転者がステアリングホイールの操舵を行うことなく、例えば、車線に沿って追従走行するレーンキーピング走行や前車に追従走行する前車追従走行など自動的に行われる操舵である。この自動操舵が行われる場合には、舵角比可変操舵装置が作動することによる逆入力により、ステアリングホイールが回転されないようにする必要がある。この手段の一例が、例えば、特許文献1に開示されている。
特許文献1には、ステアリングホイールと舵角比可変操舵装置との間に設けられ、ハウジングに回転可能に支持されステアリングホイールに連結された駆動側シャフトおよび舵角比可変操舵装置に連結された従動側シャフトを有し、ハウジングが固定状態とされた際に駆動側シャフトからの入力は従動側シャフトへ伝達しかつ従動側シャフトからの入力は遮断して駆動側シャフトへ伝達しない逆入力遮断機構を備えることが記載されている。
特開2004−9989号公報
本発明は、上述した逆入力遮断機構とは異なる装置を用いて、自動操舵が行われることによる舵角比可変操舵装置からステアリングホイールへの逆入力を低消費電力にて確実に抑制できると共に、自動操舵が行われている際であっても運転者がステアリングホイールを容易に操舵できる車両用操舵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及び発明の効果
本発明の車両用操舵装置は、一端側をステアリングホイール側の入力軸に連結され他端側を転舵輪側の出力軸に連結されると共に前記入力軸の操舵とは別に前記出力軸を自動操舵して転舵輪を転舵する自動操舵アクチュエータと、前記自動操舵アクチュエータの作動により前記ステアリングホイール側へ伝達される伝達トルクを、前記自動操舵アクチュエータの制御量に基づいて算出する伝達トルク算出手段と、前記自動操舵アクチュエータと前記ステアリングホイールとの間に介在し、前記伝達トルクを抑制する伝達トルク抑制アクチュエータと、前記自動操舵アクチュエータが作動する際に前記伝達トルクを抑制する抑制トルクを算出する抑制トルク算出手段と、前記伝達トルク抑制アクチュエータに前記抑制トルクを出力させる抑制トルク出力手段と、を有し、前記抑制トルクは、前記伝達トルクに1以上の係数を乗じた値に、前記転舵輪側からの逆入力により前記ステアリングホイール側へ伝達される逆入力伝達トルク相当を抑制できるトルクを加算した値であることを特徴とする。
このように、伝達トルク抑制アクチュエータを用いてトルク制御を行うことで、確実に自動操舵アクチュエータの作動による伝達トルクがステアリングホイールに伝達されることを抑制できる。つまり、自動操舵が行われている際には、ステアリングホイールが回転することを抑制できる。さらに、伝達トルクに応じた抑制トルクを伝達トルク抑制アクチュエータに出力させているので、ステアリングホイールを回転させないために必要な伝達トルク抑制アクチュエータの消費電力を低減することができる。また、伝達トルクに応じた抑制トルクを伝達トルク抑制アクチュエータに出力させているので、危険回避時などで運転者がステアリングホイールを操舵する場合に容易に操舵することができる。
なお、自動操舵アクチュエータは、例えば、ステアリングホイールの操舵角に対する転舵輪の転舵角の伝達比を可変にすることができる舵角比可変アクチュエータを用いることができる。この場合、自動操舵アクチュエータは、ステアリングホイールの操舵力を入力して出力軸に出力する手動操舵モードと、ステアリングホイールの操舵とは別に(無関係に)出力軸を自動操舵する自動操舵モードとを切り換えることが可能である。
また、自動操舵アクチュエータは、例えば、舵角比可変電動機を含む構成からなるようにしてもよい。もちろん、自動操舵アクチュエータは、舵角比可変電動機および減速機から構成されるようにしてもよい。この場合、舵角比可変電動機の回転が減速機により減速されて出力軸に伝達される。
抑制トルクが伝達トルクに1以上の係数を乗じた値より大きな値としている。これにより、伝達トルクがステアリングホイールへ伝達されることを確実に抑制できる。つまり、自動操舵によりステアリングホイールが回転することを確実に抑制できる。
また、前記抑制トルクは、前記伝達トルクに1以上の係数を乗じた値に、前記転舵輪側からの逆入力により前記ステアリングホイール側へ伝達される逆入力伝達トルク相当を抑制できるトルクを加算した値としている。これにより、自動操舵アクチュエータが作動していない場合には、少なくとも逆入力伝達トルクを抑制することができる。従って、逆入力伝達トルクが発生した場合であっても、逆入力伝達トルクがステアリングホイールに伝達されることを確実に抑制できる。また、自動操舵アクチュエータが作動している場合には、伝達トルクおよび逆入力伝達トルクを確実に抑制することができる。
また、本発明の車両用操舵装置において、伝達トルク算出手段が、自動操舵アクチュエータの制御量に基づき伝達トルクを算出し、抑制トルク算出手段が、伝達トルクに基づき抑制トルクを算出するようにしている。ここで、例えば、自動操舵アクチュエータが舵角比可変電動機及び減速機から構成される場合には、自動操舵アクチュエータの制御量は、舵角比可変電動機および減速機全体の制御量、すなわち減速機から出力される制御角度や回転速度などとなる。この場合、前記制御角度は、舵角比可変電動機および減速機全体の制御角度、すなわち舵角比可変電動機の駆動により出力軸に伝達される角度となる。また、自動操舵アクチュエータの制御量は、舵角比可変電動機の制御量、すなわち舵角比可変電動機の制御角度や回転速度としてもよい。これにより、抑制トルクが自動操舵アクチュエータの制御量に応じて適切に算出されるので、確実に自動操舵アクチュエータの作動による伝達トルクがステアリングホイールに伝達されることを抑制できる。さらに、抑制トルクを出力するための電力は最低限の電力とすることができるので、低消費電力化を図ることができる。
また、前記伝達トルク算出手段は、前記自動操舵アクチュエータにより操舵される前記出力軸の操舵角、前記出力軸の操舵角速度、前記出力軸の操舵角加速度、前記出力軸に生じるトルク、車速およびヨーレートのうち少なくとも何れかに基づき前記伝達トルクを算出するようにしてもよい。このように伝達トルクを算出することにより、より正確に伝達トルクを推定することができ、結果として適切な抑制トルクを算出することができる。
また、前記伝達トルクは、自動操舵アクチュエータおよび出力軸などの自動操舵を行う構造部分のイナーシャ、及び、自動操舵を行う構造部分のフリクション等に基づき算出するようにしてもよい。さらに、前記伝達トルクは、自動操舵アクチュエータが自動操舵することにより生じるセフルアライニングトルク及び路面反力トルクを合成したトルクを含むようにしてもよい。なお、路面反力とは、路面とタイヤとのすべり及びねじり等に基づき生じる力である。そして、路面反力トルクは、路面反力により生じるトルクである。
また、前記自動操舵アクチュエータは、前記出力軸の操舵角、前記出力軸の操舵角速度、前記出力軸の操舵角加速度および前記出力軸に生じるトルクの何れかと車速に基づき算出される理想ヨーレートと車両に作用している実ヨーレートとの偏差が所定範囲内にない場合に作動するようにしてもよい。実ヨーレートと理想ヨーレートとの偏差が大きくなった場合には、偏差を0に近づけるように自動操舵アクチュエータを駆動させる場合がある。そして、レーンキーピング走行や前車追従走行などのいわゆる通常の自動操舵に加えて、ヨーレート偏差を0に近づけるように駆動させる自動操舵の場合にも本発明を適用することができる。なお、実ヨーレートは、例えば、路面摩擦係数、車速、出力軸の操舵角、出力軸の操舵角速度、出力軸の操舵角加速度、出力軸に生じるトルクなどに基づき算出することができる。
また、前記伝達トルク抑制アクチュエータは、電動機を有するようにするとよい。電動機を適切に制御することにより、抑制トルクを確実にかつ容易に発生することができる。また、前記伝達トルク抑制アクチュエータは、電磁ブレーキとしてもよい。電磁ブレーキは、電動機に比べて構成が容易となので、小型化を図ることができる。
次に、実施形態を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
(1)車両用操舵装置の全体構成
まず、車両用操舵装置の全体構成について図1および図2を参照して説明する。図1は、車両用操舵装置の全体構成を示す図である。図2は、伝達トルク抑制アクチュエータ2及び自動操舵アクチュエータ3等の軸方向断面図を示す。
図1に示すように、車両用操舵装置は、主として、ステアリングホイール1と、伝達トルク抑制アクチュエータ2と、自動操舵アクチュエータ3と、アッパステアリングシャフト(入力軸)4と、ロアステアリングシャフト(出力軸)5と、アクチュエータ制御部7と、ピニオン角センサ8と、自動操舵モード選択スイッチ9と、CCDカメラ10と、車速センサ11と、ヨーレートセンサ12とから構成される。
伝達トルク抑制アクチュエータ2は、自動操舵アクチュエータ3の自動操舵駆動によりステアリングホイール1側に伝達される伝達トルクを抑制するアクチュエータである。この伝達トルク抑制アクチュエータ2は、後述する自動操舵アクチュエータとステアリングホイールとの間に介在している。すなわち、伝達トルク抑制アクチュエータ2は、アッパステアリングシャフト4の下端側に配置されている。この伝達トルク抑制アクチュエータ2は、図2に示すように、伝達トルク抑制電動機21と、伝達トルク抑制電動機21により出力される回転を減速してアッパステアリングシャフト4に伝達する減速機22とから構成される。
自動操舵アクチュエータ3は、一端側をアッパステアリングシャフト4に連結され、他端側をロアステアリングシャフト5に連結されている。すなわち、自動操舵アクチュエータ3は、伝達トルク抑制アクチュエータ2の下方側に配置されている。そして、この自動操舵アクチュエータ3は、ステアリングホイール1の操舵角に対する転舵輪の転舵角の伝達比を可変にすることができる舵角比可変アクチュエータである。つまり、自動操舵アクチュエータは、ステアリングホイールの操舵力を入力してロアステアリングシャフト5に出力する手動操舵モードと、ステアリングホイール1の操舵とは別に(無関係に)ロアステアリングシャフト5を自動操舵する自動操舵モードとを切り換えることが可能なアクチュエータである。なお、ロアステアリングシャフト5の下端側には、ラックギヤに噛合するピニオンギヤが形成されている。
この自動操舵アクチュエータ3は、図2に示すように、舵角比可変電動機31と、アッパステアリングシャフト4の回転をロアステアリングシャフト5に伝達すると共に舵角比可変電動機31により出力される回転を減速してロアステアリングシャフト5に伝達する減速機32とから構成される。
アクチュエータ制御部7は、伝達トルク抑制アクチュエータ2及び自動操舵アクチュエータ3を制御する。ピニオン角センサ8は、ロアステアリングシャフト5の角度(ピニオン角)θaを検出する。自動操舵モード選択スイッチ9は、運転者により操作されるスイッチであって、ONのときが自動操舵モードが選択された状態で、OFFのときが手動操舵モードが選択された状態となる。CCDカメラ10は、車両前方側に配置され、車両前方画像を認識する。車速センサ11は、前輪に取り付けられ、車速Vを検出する。ヨーレートセンサ12は、車両のほぼ中央に取り付けられ、車両の生じる実ヨーレートγを検出する。
(2)アクチュエータ制御部7の詳細構成
次に、アクチュエータ制御部7の詳細構成について図1を参照して説明する。アクチュエータ制御部7は、図1に示すように、自動操舵判定部71と、理想ヨーレート算出部72と、自動操舵制御量算出部73と、自動操舵制御部74と、伝達トルク算出部75と、抑制トルク算出部76と、伝達トルク抑制制御部77とから構成される。
自動操舵判定部71は、自動操舵モード選択スイッチ9がONとされたか否かを判定して、自動操舵を行うか否かを判定する。理想ヨーレート算出部72は、車速V、ピニオン角θaおよび路面摩擦係数μに基づき、車両に生じるべき理想ヨーレートγtを算出する。なお、車速Vは車速センサにより検出され、ピニオン角θaはピニオン角センサ8により検出され、路面摩擦係数μは例えばタイヤ滑り角などから算出される。
自動操舵制御量算出部73は、自動操舵判定部71により自動操舵を行うと判定された場合に、CCDカメラ10から入力される車両前方画像に基づき、車両前方情報を検出する。この車両前方情報とは、例えば、レーンキーピング走行の場合には車両の前方のセンターラインなどの車線境界線の情報であり、前車追従走行の場合には前車の位置情報などである。そして、自動操舵制御量算出部73は、検出された車両前方情報、車速V、ピニオン角θa、実ヨーレートγおよび理想ヨーレートγtに基づき、自動操舵アクチュエータ3の舵角比可変電動機31の制御角度θcおよび回転速度Vcなどの制御量を算出する。ここで、実ヨーレートγと理想ヨーレートγtとの偏差であるヨーレート偏差Δγが所定範囲外の場合には、ヨーレート偏差Δγが所定範囲内に入るようにするための制御量を算出する。
自動操舵制御部74は、自動操舵制御量算出部73により算出された制御量に基づき舵角比可変電動機31を駆動制御して自動操舵を行う。具体的には、自動操舵制御部74は、自動操舵制御量算出部73により算出された制御角度θc及び回転速度Vcに基づき、舵角比可変電動機31を駆動制御する。
伝達トルク算出部75は、自動操舵判定部71により自動操舵を行うと判定された場合に伝達トルクTrを算出する。伝達トルクTrとは、自動操舵アクチュエータ3の自動操舵を行うことによりアッパステアリングシャフト4に生じるトルクである。この伝達トルク算出部75は、伝達トルクTrを算出する際に、自動操舵制御量算出部73により算出された制御角度θcを入力している。この伝達トルクTrは、数1に示すように、制御角度θc、自動操舵アクチュエータ3のイナーシャIc及びフリクションRc、自動操舵アクチュエータ3が自動操舵を行うことによるセルフアライニングトルク及び路面反力トルクなどの合成トルクTcに基づき算出することができる。
Figure 0004600057
抑制トルク算出部76は、伝達トルク算出部75により算出された伝達トルクTrに基づき、伝達トルクTrがステアリングホイール1に伝達されないようにするための抑制トルクTdを算出する。具体的には、抑制トルク算出部76は、数2に従って、抑制トルクTdを算出する。
ここで、係数A、Bは、車速V、伝達トルクTrなどによって決定される係数である。そして、伝達トルクTrがステアリングホイール1側へ伝達されないようにするために、抑制トルクTdは伝達トルクTr以上となるように、係数A、Bを決定している。例えば、係数Aを1以上とすることで、抑制トルクTdは伝達トルクTr以上となる。そして、係数Bは、伝達トルクTrが0の場合であっても出力させる抑制トルクTd分に相当する。例えば、転舵輪側からの逆入力によりステアリングホイール1側へ伝達される逆入力伝達トルク相当を抑制することができるトルク値相当の値とする。
Figure 0004600057
伝達トルク抑制制御部77は、抑制トルク算出部76により算出された抑制トルクTdに基づき、伝達トルク抑制アクチュエータ2の伝達トルク抑制電動機21を駆動制御する。具体的には、伝達トルク抑制電動機21の減速機22を介してアッパステアリングシャフト4に出力されるトルクが、抑制トルク算出部76により算出された抑制トルクTdとなるように、伝達トルク抑制電動機21が駆動制御される。
(3)アクチュエータ制御部7の処理動作
次に、アクチュエータ制御部7の処理動作について図3を参照して説明する。図3は、アクチュエータ制御部7の処理動作を示すフローチャートである。まず、アクチュエータ制御部7の自動操舵判定部71にて、自動操舵モード選択スイッチ9がONであるか否かを判定する(ステップS1)。そして、自動操舵モード選択スイッチ9がONでなければ(ステップS1:No)、ONになるまで判定を繰り返す。一方、自動操舵モード選択スイッチ9がONであれば(ステップS1:Yes)、各種センサから出力信号を読み込む(ステップS2)。具体的には、CCDカメラ10から車両前方画像を読み込み、車速センサ11から車速信号を読み込み、ヨーレートセンサ12から実ヨーレート信号を読み込み、ピニオン角センサ8からピニオン角信号を読み込む。
続いて、自動操舵制御量算出部73にて、自動操舵制御量を算出する(ステップS3)。自動操舵制御量は、具体的には、制御角度θc及び回転速度Vbである。なお、ヨーレート偏差Δγが所定範囲内にない場合には、ヨーレート偏差Δγが所定範囲内に入るような制御量が算出される。
続いて、伝達トルク算出部75にて、上述した数1に従って伝達トルクTrを算出する(ステップS4)。続いて、抑制トルク算出部76にて、上述した数2に従って抑制トルクTdを算出する(ステップS5)。続いて、自動操舵制御部74にて、自動操舵制御が行われる(ステップS6)。具体的には、自動操舵制御量算出部73にて算出した制御角度θcおよび回転角度Vbに基づき舵角比可変電動機31を制御する。
続いて、伝達トルク抑制制御部77にて、伝達トルク抑制電動機21が抑制トルクTdを出力するように伝達トルク抑制電動機21を制御する(ステップS7)。つまり、抑制トルクTdに相当する制御電流を伝達トルク抑制電動機21に供給することにより行われる。
(4)効果
上述した車両用操舵装置によれば、伝達トルク抑制アクチュエータ2に出力させる抑制トルクTdは上記数2により算出している。つまり、抑制トルクTdは、自動操舵アクチュエータ3の作動によりステアリングホイール1に伝達される伝達トルクTr以上としている。したがって、伝達トルク抑制アクチュエータ2を用いて抑制トルクTdを出力させることで、自動操舵アクチュエータ3の作動により生じる伝達トルクTrがステアリングホイール1に伝達されることを確実に抑制できる。つまり、自動操舵が行われている際には、ステアリングホイール1が回転することを抑制できる。
さらに、伝達トルク抑制アクチュエータ2に出力させる抑制トルクTdは上記数2により算出しているので、抑制トルクTdは伝達トルクTrに応じたトルクとなる。つまり、伝達トルクTrが増加すると伝達トルクTrに合わせて抑制トルクTdも増加し、伝達トルクTrが減少すると伝達トルクTrに合わせて抑制トルクTdも減少する。このように、ステアリングホイール1を回転させないために、常に大きな抑制トルクTdを出力しているわけではない。つまり、ステアリングホイール1を回転させないために必要かつ適切な抑制トルクTdを出力させている。その結果、伝達トルク抑制アクチュエータ2の消費電力を低減することができる。また、伝達トルクTrに応じた抑制トルクTdを伝達トルク抑制アクチュエータ2に出力させているので、危険回避時などで運転者がステアリングホイール1を操舵する場合に容易に操舵することができる。
(5)その他
上記実施例において、抑制トルクTdを伝達トルク抑制電動機21により発生させるようにしたが、これに限られるものではない。例えば、抑制トルクTdを発生させることができる電磁ブレーキを用いることもできる。電磁ブレーキとしては、例えば、パウダーブレーキなどである。この場合、車体に固定されたハウジングに対してアッパステアリングシャフト4を拘束することにより、伝達トルクTrを抑制することができる。
また、上記実施例において、自動操舵制御量算出部73により自動操舵制御量を算出する際に、ピニオン角センサ8により検出したピニオン角θaを用いたが、これに限られるものではない。例えば、ピニオン角θaに代えて、ピニオン角速度dθa/dt、ピニオン角加速度d2θa/dt2、またはロアステアリングシャフト5に作用するトルクなどを用いてもよい。
車両用操舵装置の全体構成を示す図である。 伝達トルク抑制アクチュエータ2及び自動操舵アクチュエータ3の軸方向断面図を示す図である。 アクチュエータ制御部7の処理動作を示すフローチャートである。
符号の説明
1:ステアリングホイール、 2:伝達トルク抑制アクチュエータ、 3:自動操舵アクチュエータ、 4:アッパステアリングシャフト(入力軸)、 5:ロアステアリングシャフト(出力軸)、 7:アクチュエータ制御部

Claims (4)

  1. 一端側をステアリングホイール側の入力軸に連結され他端側を転舵輪側の出力軸に連結されると共に前記入力軸の操舵とは別に前記出力軸を自動操舵して転舵輪を転舵する自動操舵アクチュエータと、
    前記自動操舵アクチュエータの作動により前記ステアリングホイール側へ伝達される伝達トルクを、前記自動操舵アクチュエータの制御量に基づいて算出する伝達トルク算出手段と、
    前記自動操舵アクチュエータと前記ステアリングホイールとの間に介在し、前記伝達トルクを抑制する伝達トルク抑制アクチュエータと、
    前記自動操舵アクチュエータが作動する際に前記伝達トルクを抑制する抑制トルクを算出する抑制トルク算出手段と、
    前記伝達トルク抑制アクチュエータに前記抑制トルクを出力させる抑制トルク出力手段と、
    を有し、
    前記抑制トルクは、前記伝達トルクに1以上の係数を乗じた値に、前記転舵輪側からの逆入力により前記ステアリングホイール側へ伝達される逆入力伝達トルク相当を抑制できるトルクを加算した値であることを特徴とする車両用操舵装置。
  2. 前記伝達トルク算出手段は、前記自動操舵アクチュエータにより操舵される前記出力軸の操舵角、前記出力軸の操舵角速度、前記出力軸の操舵角加速度、前記出力軸に生じるトルク、車速およびヨーレートのうち少なくとも何れかに基づき前記伝達トルクを算出する請求項1記載の車両用操舵装置。
  3. 前記自動操舵アクチュエータは、前記出力軸の操舵角、前記出力軸の操舵角速度、前記出力軸の操舵角加速度および前記出力軸に生じるトルクの何れかと車速に基づき算出される理想ヨーレートと車両に作用している実ヨーレートとの偏差が所定範囲内にない場合に作動する請求項2記載の車両用操舵装置。
  4. 前記伝達トルク抑制アクチュエータは、電動機を有する請求項1〜3の何れかに記載の車両用操舵装置。
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