JP4600747B2 - 車両操舵システム - Google Patents

Description

本発明は、ＥＰＳ（electric power steering：電動パワーステアリング）による車両操舵システムに関し、より詳細には、ＶＧＲ（variable steering gear ratio：可変ステアリングギアレシオ）を備えた車両操舵システムに関する。

近年、ＥＰＳ装置による車両操舵システムに、ＶＧＲ装置が使用されるようになってきている。従来、ＥＰＳ装置のトルク制御とＶＧＲ装置のギア比制御とは、一般に、それぞれ別個の電動モータにより行われていた。さらに、特開２００１―３０９２２号公報（特許文献１）には、ＥＰＳ装置のトルク制御と、ＶＧＲ装置のギア比制御の両方を一つの１軸出力の電動モータで行う操舵システムが開示されている。

特開２００１―３０９２２号公報 特開２０００−１４２１３５号公報 特開２００１−７８４０８号公報 特開２００４−７９７５号公報 特開２００１−３０９２２号公報

しかしながら、自動車においては、車両操舵システムの占有空間をより一層小さくすることが求められている。
そこで、本発明は、大きなコストアップ、大幅なレイアウトの悪化を伴うことなく、トルク制御及びＶＧＲのギア比制御を単一のモータで行うことができる、コンパクトな車両操舵システムを提供することを目的としている。

この目的を達成するため、本発明の車両操舵システムは、自動車の操舵ハンドルと車輪のギア比を可変に制御するＶＧＲ機構を備えた、操舵ハンドルの操舵力を電気的に助勢する操舵システムであって、自動車の操舵ハンドルから車輪へ操舵力を伝達する伝達機構に設けられた主減速機構と、操舵システムのトルク制御及びＶＧＲ機構のギア比制御の両方を行うための２出力モータと、を備え、２出力モータは、ステータと、ステータの外周側に配置されたアウターロータと、ステータの内周側に配置されたインナーロータと、から構成され、２出力モータの二つのロータのうちの一方のロータが、操舵ハンドルの操舵力を助勢するように、減速機構を介して、主減速機構の入力軸に連結され、２出力モータの二つのロータのうちの他方のロータが、主減速機構の減速比を制御するように、減速機構を介して、主減速機構に連結されていることを特徴としている。

このように構成された本発明の車両操舵システムによれば、単一の２出力モータを用いて、トルク制御とＶＧＲ装置のギア比制御の両方を行う。ここで、２出力モータとは、一つのステータで二つのロータを駆動する回転電機をいい、インナーロータの回転とアウターロータの回転とは、ステータの多相コイルに複合電流を流すことにより、互いに独立に制御される（例えば、特許文献２〜４）。
これにより、大きなコストアップ、大幅なレイアウトの悪化を伴うことなく、トルク制御及びＶＧＲのギア比制御を単一のモータで行うことができる。

また、本発明において、好ましくは、２出力モータのアウターロータは、主減速機構の入力軸に連結され、２出力モータのインナーロータは、主減速機構に連結されている。
アウターロータは、インナーロータよりも回転半径が大きいため、容易に高いトルクを発生させることができる。このため、アウターロータを主減速機構の入力軸に連結すれば、操舵力を助勢する大きなトルク容量を有するＥＰＳを容易に構成することができる。また、インナーロータは、アウターロータよりも、容易に高い回転数を発生させることができる。このため、インナーロータを主減速機構に連結すれば、ギア比制御の精度の高いＶＧＲを容易に構成することができる。

また、本発明において、好ましくは、２出力モータのアウターロータは、２つの減速機構を介して、主減速機構の入力軸に連結されている。
このような構成とすれば、アウターロータの回転についてより大きな減速を設定することができる。このため、より大きなトルク容量を有するＥＰＳを容易に構成することができる。

また、本発明において、好ましくは、２出力モータのインナーロータは、１つの減速機構を介して、主減速機構に連結されている。
このような構成とすれば、ギア比制御の精度のより高いＶＧＲを容易に構成することができる。

また、本発明において、好ましくは、主減速機構は、外輪歯車が入力軸と連結し、太陽歯車が出力軸と連結した遊星歯車機構であり、２出力モータのアウターロータは、入力軸に連結され、２出力モータのインナーロータは、当該遊星歯車機構の減速比を制御する遊星キャリアに連結されている。
このような構成とすれば、アウターローラが入力軸に連結されているので、大きなトルク容量を得ることができる。その上、ハンドルからの操舵力が、外輪歯車に入力されるので、大きなトルク容量のＥＰＳを容易に構成することができる。
また、外輪歯車の回転数に対する太陽歯車の回転数の減速比は、遊星キャリアの回転によって制御される。このため、インナーロータの回転により遊星キャリアの回転を制御することにより、容易にＶＧＲのギア比を制御することができる。

また、本発明において、好ましくは、減速機構は、外輪歯車が入力軸と連結し、遊星キャリアが出力軸と連結した遊星歯車機構であり、２出力モータのアウターロータは、入力軸に連結され、２出力モータのインナーロータは、太陽歯車に連結されている。
このような構成とすれば、ハンドルからの操舵力が、外輪歯車に入力されるので、大きなトルク容量を得ることができる。その上、アウターローラが入力軸に連結されているので、大きなトルク容量のＥＰＳを容易に構成することができる。
また、インナーロータが太陽歯車に連結されているので、インナーロータの出力により、主減速機構の減速比を制御して、容易にＶＧＲのギア比を制御することができる。この構成は、特に、回転速度を重視した制御を行うのに好適である。

また、本発明において、好ましくは、減速機構は、遊星キャリアが入力軸と連結され、太陽歯車が出力軸と連結した遊星歯車機構であり、２出力モータのアウターロータは、入力軸に連結され、２出力モータのインナーロータは、当該遊星歯車機構の減速比を制御する外輪歯車に連結されている。
このような構成とすれば、アウターローラが入力軸に連結されているので、大きなトルク容量のＥＰＳを容易に構成することができる。
また、遊星キャリアの回転数に対する太陽歯車の回転数の減速比は、外輪歯車の回転によって制御される。このため、インナーロータの回転により外輪歯車の回転を制御することにより、容易にＶＧＲのギア比を制御することができる。

本発明の車両操舵システムによれば、大きなコストアップ、大幅なレイアウトの悪化を伴うことなく、トルク制御及びギア比制御を単一のモータで行うことができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の車両操舵システムの実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態の操舵システム１を構成し、自動車の操舵ハンドルから車輪へ操舵力を伝達する伝達機構について説明する。図１に示すように、操舵ハンドル２には、ステアリングシャフト４の上端が連結されている。このステアリングシャフト４の下端部には、自在継手５を介して、中間シャフト６の上端が連結されている。さらに、この中間シャフト６の下端部には、主減速機構８が連結されている。

さらに、この主減速機構８の下には、中間シャフト１０が連結されており、この中間シャフト１０の下端部には、ステアリングギヤボックス１２が設けられている。そして、このステアリングギヤボックス１２の両側にはタイロッド１４が連結されており、これらの各タイロッド１４にはタイヤ（車輪）１６が取り付けられている。なお、図１では、主減速機構８のハウジングを示している。

さらに、主減速機構８の横には、操舵システムのトルク制御と、ＶＧＲ機構のギア比制御の両方を行う、即ち、ＥＰＳ用モータとＶＧＲ用モータを兼ねた２出力モータ９が設けられている。この２出力モータ９は、図２に示すように、ステータ９１と、ステータ９１の外周側に配置されたアウターロータ９２と、ステータ９１の内周側に配置されたインナーロータ９３とから構成されている。また、アウターロータ９２には、第１回転軸９４が回転一体に固定されており、インナーロータ９３には、第２回転軸９５が回転一体に固定されている。そして、アウターロータ９２の回転とインナーロータ９３の回転とは、ステータ９１の多相コイルに流す複合電流を制御することによって、互いに独立に制御される。この複合電流は、コントローラ２０によって制御される。

また、本実施形態では、主減速機構８は、遊星歯車機構から構成されている。遊星歯車機構８は、図３に示すように、太陽歯車８１と、この太陽歯車８１上に配置された複数の遊星歯車８２と、これらの遊星歯車８２の外側に配置された外輪歯車８３と、さらに、図３では示さないが、遊星歯車８２を支持する遊星キャリア８４（図３では図示せず。）と、から構成されている。

次に、図４を参照して、本発明の第一実施形態の車両操舵システムについてより詳細に説明する。
図４は、車両操舵システムのうちの、主減速機構８及び２出力モータ９を含む要部の模式図である。
本実施形態では、遊星歯車機構８の外輪歯車８３に、入力軸である中間シャフト６が固定されている。また、太陽歯車８１に、出力軸である中間シャフト１０が固定されている。

２出力モータ９のアウターロータ９２に回転一体に固定された第１回転軸９４は、減速機構としての歯車機構４１を介して、中間シャフト６に連結されている。また、２出力モータ９のインナーロータ９３に回転一体に固定された第２回転軸９５は、減速機構としての歯車機構４２を介して、遊星歯車機構８の遊星キャリア８４に連結されている。

そして、操舵ハンドル２の回転操舵力は、中間シャフト６を介して、遊星歯車機構８に伝達される。その際に、２出力モータ９のアウターロータ９３の回転力が、第１回転軸９４及び歯車機構４１を介して、中間シャフト６に伝達される。したがって、操舵ハンドル２の操舵に応じて、コントローラ２０によりアウターロータ９２の回転を制御することにより、中間シャフト６に加えられるトルクを制御して、操舵ハンドル２の操舵力を助勢することができる。この場合、特に、回転半径の大きいアウターロータ９３の回転力を付与するので、高いトルク容量を容易に得ることができる。

中間シャフト６の操舵力は、遊星歯車機構８の外輪歯車８３に入力される。この操舵力は、遊星歯車８２を介して、太陽歯車８１に伝達され、中間シャフト１０から出力される。その際に、インナーロータ９３の回転が、第２回転軸９５及び歯車機構４２を介して、遊星キャリア８４に伝達される。そして、遊星キャリア８４の回転によって、遊星歯車機構８における減速比が制御される。

２出力モータ２のアウターロータ９２の回転とインナーロータ９３の回転は、ステータ９１の多相コイルに流す複合電流を制御することによって、それぞれ互いに独立に制御される。この複合電流は、コントローラ２０によって制御される。

ここで、図５を参照して、コントローラ２０の構成及び作動について説明する。
このコントローラ２０には、車速センサ３１、舵角センサ３２、インナーロータ回転角センサ３３、トルクセンサ３４、及びアウターロータ回転角センサ３５の各々から、それぞれ出力信号が入力される。

ここで、車速センサ３１は、車両の速度を検出するものであり、舵角センサ３２は、操舵ハンドルの操舵角を検出するものであり、インナーロータ回転角センサ３３は、２出力モータ９のインナーロータ９３の回転角を検出するものである。また、トルクセンサ３４は、中間シャフト１０に作用している操舵トルクを検出するものであり、アウターロータ回転角センサ３５は、２出力モータ９のアウターロータ９１の回転角を検出するものである。

コントローラ２０は、特性記憶部２１と、基本操舵比演算部２２と、補正操舵比演算部２３と、目標制御量演算部２４と、インナーロータ駆動部２５と、アウターロータ駆動部２６と、から構成されている。

この特性記憶部２１には、例えば、車速Ｖに対する目標伝達比Ｒを設定した第１マップと、操舵ハンドル２の操舵角θＨに応じた補正伝達比を設定した第２マップとが記憶されている。そして、操舵比演算部２２が、車速センサ３１によって検出された車速Ｖに対応する目標伝達比を、第１マップを参照して演算する。続いて、補正操舵比演算部２３が、舵角センサ３２によって検出された操舵角θＨに対応する補正伝達比を、第２マップを参照して演算し、これを目標伝達比として設定する。続いて、目標制御量演算部２４が、その目標伝達比に対応するインナーロータ９３の目標回転角θｍを演算する。そして、インナーロータ駆動部２５は、インナーロータ回転角センサ３３の検出値θｉが、目標回転角θｍと一致するように、インナーロータ９１を回転駆動させる。

また、アウターロータ駆動部２６は、トルクセンサ３４により検出された運転者の操舵力（操舵トルク）、及び、アウターロータ回転角センサ３５の検出値に基づいて、所定の補正トルクを発生させるようにアウターロータ９３を回転駆動させて、運転者の操舵力の軽減を図っている。

次に、図６を参照して、本発明の第二実施形態の車両操舵システムについて詳細に説明する。
図６は、車両操舵システムのうちの、主減速機構８及び２出力モータ９を含む要部の模式図である。なお、図１に示した例では、２出力モータ９の回転軸線を、主減速機構８の回転軸線と実質的に平行に設けた様子を図示したが、本実施形態では、２出力モータ９の回転軸線は、主減速機構８の回転軸線と、実質的に垂直に配置されている。

本実施形態では、遊星歯車機構８の外輪歯車８３に、入力軸である中間シャフト６が固定されている。また、遊星キャリア８４に、出力軸である中間シャフト１０が固定されている。
そして、２出力モータ９のアウターロータ９２に固定された第１回転軸９４が、２段階の減速機構としての歯車機構４３及び４４を介して、中間シャフト６に連結されている。２段目の歯車機構４４は、ウォームギア（図示せず。）により、動力を伝達している。また、２出力モータ９のインナーロータ９３に固定された第２回転軸９５が、ウォームギア（図示せず。）を有する減速機構としての歯車機構４５を介して、遊星歯車機構８の太陽歯車８１に連結されている。

そして、操舵ハンドル２の回転操舵力は、中間シャフト６を介して、遊星歯車機構８に伝達される。その際に、２出力モータ９のアウターロータ９３の回転力が、第１回転軸９４及び２段回の歯車機構４３及び４４を介して、中間シャフト６に伝達される。したがって、操舵ハンドル２の操舵に応じて、コントローラ２０によりアウターロータ９２の回転を制御することにより、中間シャフト６に加えられるトルクを制御して、操舵ハンドル２の操舵力を助勢することができる。

この場合、特に、回転半径の大きいアウターロータ９３の回転力を付与するので、高いトルク容量を容易に得ることができる。また、アウターロータ９２の回転が、二段階の減速機構４３及び４４を介して中間シャフト６に伝達されるので、大きなトルク容量を容易に得ることができる。

中間シャフト６の操舵力は、遊星歯車機構８の外輪歯車８３に入力される。この操舵力は、遊星歯車８２を介して、太陽歯車８１に伝達され、中間シャフト１０から出力される。その際に、インナーロータ９３の回転が、第２回転軸９５及び歯車機構４５を介して、太陽歯車８１に伝達される。したがって、２出力モータ９のインナーロータ９３の回転によって、遊星歯車機構８における減速比が制御される。

次に、図７を参照して、本発明の第三実施形態の車両操舵システムについてより詳細に説明する。
図７は、車両操舵システムのうちの、主減速機構８及び２出力モータ９を含む要部の模式図である。なお、図１に示した例では、２出力モータ９の回転軸線を、主減速機構８の回転軸線と実質的に平行に設けた様子を図示したが、本実施形態では、２出力モータ９の回転軸線は、主減速機構８の回転軸線に対して実質的に垂直に配置されている。

本実施形態では、遊星歯車機構８の遊星キャリア８４に、入力軸である中間シャフト６が固定されている。また、太陽歯車８１に、出力軸である中間シャフト１０が固定されている。そして、２出力モータ９のアウターロータ９２に固定された第１回転軸９４が、２段階の減速機構としての歯車機構４３及び４４を介して、中間シャフト６に連結されている。なお、２段目の歯車機構４４は、ウォームギア（図示せず。）により、動力を伝達している。

したがって、操舵ハンドル２の操舵に応じて、コントローラ２０によりアウターロータ９２の回転を制御することにより、中間シャフト６に加えられるトルクを制御して、操舵ハンドル２の操舵力を助勢することができる。

また、２出力モータ９のインナーロータ９３に固定された第２回転軸９５が、ウォームギア（図示せず。）を有する歯車機構４５を介して、遊星歯車機構８の外輪歯車８３に連結されている。したがって、コントローラ２０でインナーロータ９３の回転を制御することにより、外輪歯車８３の回転を制御して、遊星歯車機構の減速比を制御することができる。

そして、操舵ハンドル２の回転操舵力は、中間シャフト６を介して、遊星歯車機構８に伝達される。その際に、２出力モータ９のアウターロータ９３の回転力が、第１回転軸９４及び２段回の歯車機構４３及び４４を介して、中間シャフト６に伝達される。したがって、操舵ハンドル２の操舵に応じて、コントローラ２０によりアウターロータ９２の回転を制御することにより、中間シャフト６に加えられるトルクを制御して、操舵ハンドル２の操舵力を助勢することができる。

この場合、特に、回転半径の大きいアウターロータ９３の回転力を付与するので、高いトルク容量を容易に得ることができる。また、アウターロータ９２の回転が、二段階の減速機構４３及び４４を介して中間シャフト６に伝達されるので、大きなトルク容量を容易に得ることができる。

中間シャフト６の操舵力は、遊星歯車機構８の遊星キャリア８４に入力される。この操舵力は、遊星歯車８２を介して、太陽歯車８１に伝達され、中間シャフト１０から出力される。その際に、インナーロータ９３の回転が、第２回転軸９５及び歯車機構４５を介して、外輪歯車８３に伝達される。したがって、２出力モータ９のインナーロータ９３の回転によって、遊星歯車機構８における減速比が制御される。

上述した各実施形態においては、本発明を特定の条件で構成した例について説明したが、本発明は種々の変更及び組み合わせを行うことができ、これに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、いずれも２出力モータのアウターロータを、主減速機構の入力軸に連結した例について説明したが、本発明では、２出力モータのインナーロータを、入力軸に連結してもよい。

本発明の車両操舵システムの概略図である。 ２出力モータの基本的な構造を説明するための断面模式図である。 遊星歯車機構の構造の説明図である。 本発明の第一実施形態の車両操舵システムの要部模式図である。 コントローラを説明するための機能ブロック図である。 本発明の第二実施形態の車両操舵システムの要部模式図である。 本発明の第三実施形態の車両操舵システムの要部模式図である。

符号の説明

１ 車両操舵システム
２ 操舵ハンドル
４ ステアリングシャフト
５ 自在継手
６ 中間シャフト
８ 主減速機構
９ ２出力モータ
１０ 中間シャフト
１２ ステアリングギアボックス
１４ タイロッド
１６ タイヤ
２０ コントローラ
２１ 特性記憶部
２２ 基本操舵比演算部
２３ 補正操舵比演算部
２４ 目標制御量演算部
２５ インナーロータ駆動部
２６ アウターロータ駆動部
３１ 車速センサ
３２ 舵角センサ
３３ インナーロータ回転角センサ
３４ トルクセンサ
３５ アウターロータ回転角センサ
４１、４２、４３、４４、４５ 減速機構
８１ 太陽歯車
８２ 遊星歯車
８３ 外輪歯車
８４ 遊星キャリア
９１ ステータ
９２ アウターロータ
９３ インナーロータ
９４ 第１回転軸
９５ 第２回転軸

Claims (7)

1. 自動車の操舵ハンドルと車輪のギア比を可変に制御するＶＧＲ機構を備えた、操舵ハンドルの操舵力を電気的に助勢する車両操舵システムであって、
   自動車の操舵ハンドルから車輪へ操舵力を伝達する伝達機構に設けられた主減速機構と、
   操舵システムのトルク制御及びＶＧＲ機構のギア比制御の両方を行うための２出力モータと、
   を備え、
   上記２出力モータは、
   ステータと、
   上記ステータの外周側に配置されたアウターロータと、
   上記ステータの内周側に配置されたインナーロータと、
   から構成され、
   上記２出力モータの上記二つのロータのうちの一方のロータは、上記操舵ハンドルの操舵力を助勢するように、減速機構を介して、上記主減速機構の入力軸に連結され、
   上記２出力モータの上記二つのロータのうちの他方のロータは、上記主減速機構の減速比を制御するように、減速機構を介して、上記主減速機構に連結されている
   ことを特徴とする、車両操舵システム。
2. 上記２出力モータの上記アウターロータは、上記主減速機構の入力軸に連結され、
   上記２出力モータの上記インナーロータは、上記主減速機構に連結されている、請求項１記載の車両操舵システム。
3. 上記２出力モータの上記アウターロータは、２つの減速機構を介して、上記主減速機構の入力軸に連結されている、請求項２記載の車両操舵システム。
4. 上記２出力モータの上記インナーロータは、１つの減速機構を介して、上記主減速機構に連結されている、請求項２又は３記載の車両操舵システム。
5. 上記主減速機構は、外輪歯車が入力軸と連結し、太陽歯車が出力軸と連結した遊星歯車機構であり、
   上記２出力モータの上記アウターロータは、上記入力軸に連結され、
   上記２出力モータの上記インナーロータは、当該遊星歯車機構の減速比を制御する遊星キャリアに連結されている、請求項２乃至４の何れか一項に記載の車両操舵システム。
6. 上記減速機構は、外輪歯車が入力軸と連結し、太陽歯車が出力軸と連結した遊星歯車機構であり、
   上記２出力モータの上記アウターロータは、上記入力軸に連結され、
   上記２出力モータの上記インナーロータは、上記太陽歯車に連結されている、請求項２乃至４の何れか一項に記載の車両操舵システム。
7. 上記減速機構は、遊星キャリアが入力軸と連結され、太陽歯車が出力軸と連結した遊星歯車機構であり、
   上記２出力モータの上記アウターロータは、上記入力軸に連結され、
   上記２出力モータの上記インナーロータは、当該遊星歯車機構の減速比を制御する外輪歯車に連結されている、請求項２乃至４の何れか一項に記載の車両操舵システム。

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