JP5419565B2 - ステアバイワイヤ式操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、転舵用の転舵軸と機械的に連結されていないステアリングホイールで操舵を行うようにしたステアバイワイヤ式操舵装置に関する。

この種のステアバイワイヤ式操舵装置において、操舵輪を転舵する転舵用モータが失陥しても、補助モータによって操舵輪を転舵するように構成したものが提案されている（特許文献１）。
また、前輪系統または後輪系統における左右輪を独立に転舵するようにしたステアバイワイヤ式操舵装置において、異常時に前記左右輪のそれぞれをトーインあるいはトーアウト状態に制御して制動力を得る方法が提案されている（特許文献２）。

特開２００５−３４９８４５号公報 特開２００５−２６３１８２号公報

特許文献１に開示の技術は、転舵用モータの失陥時に補助モータを作動させるフェールセーフ機能を持たせたものであるが、転舵用モータが正常である場合、補助モータは一切機能しておらず不経済である。
また、特許文献２に開示の技術は、各輪を独立に転舵する方法であるが、異常が生じた車輪は制御不能になるため、正常に転舵して危険回避する動作が取れないという問題がある。

この発明の目的は、転舵用モータが失陥してもトー角調整用モータを転舵の駆動源に転用して転舵を行うことができるフェールセーフ機能を持たせ、かつトー角調整用モータが失陥してもトー角調整機構を固定して安全に走行でき、しかも構成がコンパクトなステアバイワイヤ式操舵装置を提供することである。

この発明のステアバイワイヤ式操舵装置は、転舵軸に機械的に連結されていないステアリングホイールと、このステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、転舵用モータと、この転舵用モータの回転を前記転舵軸に伝える転舵動力伝達機構と、トー角調整用モータと、このトー角調整用モータの回転によりトー角を調整させるトー角調整動力伝達機構と、前記操舵角センサの検出する操舵角を基に転舵角の指令信号およびトー角の指令信号を生成し、これら指令信号を前記転舵用モータおよびトー角調整用モータにそれぞれ与えるステアリング制御手段とを備えるステアバイワイヤ式操舵装置において、前記転舵用モータが失陥したときに、前記転舵用モータを前記転舵動力伝達機構から切り離し、かつトー角の変化を止めておき、前記転舵用モータに代えて前記トー角調整用モータの回転を前記転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とし、前記トー角調整用モータが失陥したときに、前記トー角調整動力伝達機構を動力伝達不能状態として前記転舵用モータによる転舵のみ行わせる切換機構を設け、前記転舵用モータおよびトー角調整用モータのいずれか一方、または両方に、中空モータを用いたことを特徴とする。
この構成によると、切換機構により、転舵用モータが失陥したときに、転舵用モータを転舵動力伝達機構から切り離し、かつトー角の変化を止めておき、転舵用モータに代えてトー角調整用モータの回転を転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とすることにより、転舵用モータ失陥時でも転舵可能なフェールセーフ機能を持たせられる。また、切換機構により、トー角調整用モータが失陥したときに、トー角調整動力伝達機構を動力伝達不能状態として転舵用モータによる転舵のみ行わせることにより、トー角調整用モータ失陥時にトー角調整機構を固定して安全に走行できる。
転舵用モータおよびトー角調整用モータのいずれか一方、または両方に、中空モータを用いることにより、ステアバイワイヤ式操舵装置の各構成部品を狭いスペースに無理なく配置することができ、全体の構成をコンパクトにできる。

この発明において、前記転舵軸は、軸方向移動により操舵輪を転舵させ、かつ回転よって操舵輪のトー角を変える軸であり、前記転舵動力伝達機構は、前記転舵用モータの回転により前記転舵軸を軸方向に移動させる機構であり、前記トー角調整動力伝達機構は、前記トー角調整用モータの回転により前記転舵軸を回転させる機構であり、前記切換機構は、前記転舵用モータが失陥したときに、前記転舵用モータを前記転舵動力伝達機構から切り離し、かつ前記転舵軸の回転を止め、前記転舵用モータに代えて前記トー角調整用モータの回転を前記転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とし、前記トー角調整用モータが失陥したときに、前記転舵軸の回転を止めて前記転舵用モータによる転舵のみ行わせる機構であってよい。
この構成とすれば、転舵動力伝達機構を介して転舵用モータの回転で転舵軸を軸方向移動させて転舵を良好に行うことができ、かつトー角調整動力伝達機構を介してトー角調整用モータの回転で転舵軸を回転させてトー角調整を良好に行うことができる。また、切換機構により、転舵用モータが失陥したとき、ならびにトー角調整用モータが失陥したときの、転舵動力伝達機構およびトー角調整動力伝達機構の伝動系統の切換を良好に行うことができる。

この発明において、前記トー角調整用モータを中空モータとし、この中空モータからなるトー角調整用モータの中空モータ軸内に前記転舵軸を挿通させてもよい。また、前記転舵用モータを中空モータとし、この中空モータからなる転舵用モータの中空モータ軸内に、前記切換機構の構成部品を挿通させてもよい。
上記各構成とすれば、トー角調整用モータおよび転舵用モータと、転舵軸および切換機構の構成部品とを、コンパクトに配置できる。

この発明において、前記転舵軸の一部にボールねじ軸部を設け、このボールねじ軸部に螺合するボールナットを回転のみ自在に設け、前記転舵動力伝達機構は、前記転舵用モータの回転により前記ボールナットを回転させて前記転舵軸を軸方向に移動させ転舵を行うものとするのが良い。
この構成によれば、転舵動力伝達機構の動作箇所を最低でボールナットだけにすることができるため、転舵動力伝達機構の構成を簡略にできる。

この発明において、前記転舵軸にスプライン軸部を設け、このスプライン軸部に軸方向に相対移動自在に噛み合うスプラインナットを回転自在に設け、前記トー角調整動力伝達機構は、前記トー角調整用モータで前記スプラインナットを回転させることにより、前記転舵軸の軸方向移動を許容しつつ転舵軸を回転させ、転舵軸の端部のトー角調整用雄ねじ部に螺合したタイロッドの転舵軸からの突出長さを変えてトー角を変化させるものとしても良い。
この構成によれば、トー角調整動力伝達機構の動作箇所を最低でスプラインナットだけにすることができるため、トー角調整動力伝達機構の構成を簡略にできる。

上記構成とする場合、前記転舵軸の前記スプライン軸部のスプライン歯と前記スプラインナットのスプライン歯が滑り接触していても、転がり接触していてもよい。いずれであっても、スプラインナットからスプライン軸部へ、力を良好に伝達することができる。

また、前記転舵軸の両端に設けられた一対のトー角調整用雄ねじ部が、互いに左右逆ねじになっており、前記スプラインナットをある一定方向に回転させることで左右のタイロッドを突出させ、逆方向に回転させることで前記タイロッドを引き込めるものとするのが良い。
この構成によれば、１個のスプラインナットを回転させるだけで、転舵軸に対して左右のタイロッドを軸方向に進退させることができる。

また、前記転舵動力伝達機構を収容し前記転舵軸を貫通させたハウジングを設け、このハウジングに、前記転舵軸のトー角調整用雄ねじ部に螺合する前記タイロッドのナット部の外周側にあり、前記転舵軸のトー角調整用雄ねじ部に螺合する前記タイロッドのナット部の外周に、このナット部の内端よりも軸方向外側に突出させた筒状ハウジング部を設け、前記ナット部の軸心と直交する断面の外周形状を外周の全部または一部が軸心を中心とする円とは異なる形状とし、このナット部の外周形状と合致する内周形状を有する固定滑り軸受を前記筒状ハウジング部の内周に固定して設け、この固定滑り軸受により、前記ナット部を軸方向に摺動自在かつ軸心回りに回転不能に支持してもよい。
この構成とすれば、タイロッドのナット部が固定滑り軸受により軸方向に摺動自在に支持されているため、転舵軸を軸方向移動させるとき、および転舵軸を回転させて転舵軸からのタイロッドの突出長さを変えるとき、タイロッドを安定して軸方向移動させられる。また、固定滑り軸受は前記ナット部を回転不能に支持しているため、転舵軸の回転がタイロッドの軸方向移動に確実に変換させられる。

さらに、前記タイロッドのナット部の外周面における軸方向の一部に、前記筒状ハウジング部の内周面に沿って摺動自在な環状の移動滑り軸受を固定して設けてもよい。
移動滑り軸受を設ければ、タイロッドの軸方向移動がさらに安定する。

前記固定滑り軸受および移動滑り軸受の両方を設ける場合、前記転舵軸が軸方向移動範囲の、車両を直進状態とする位置である中心位置にあるときに、前記固定滑り軸受および移動滑り軸受の対向する端面間の距離が、前記軸方向範囲の長さの半分以上とする。
上記寸法関係とすることにより、転舵軸が軸方向移動範囲の端まで移動したときでも、固定滑り軸受と移動滑り軸受が互いに干渉しない。

この発明において、前記トー角調整用モータは、最大発生トルクが前記転舵用モータの最大発生トルクよりも小さいものとすることができる。
トー角調整用モータによる通常時のトー角調整および転舵用モータ失陥時の転舵用駆動源としての代替は、車両走行時に行う動作であるため、その最大発生トルクは、据え切り動作時に転舵用モータに必要なトルクよりもはるかに小さいものである。したがって、トー角調整用モータは、転舵用モータよりも小型のものでよい。

この発明のステアバイワイヤ式操舵装置は、転舵軸に機械的に連結されていないステアリングホイールと、このステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、転舵用モータと、この転舵用モータの回転を前記転舵軸に伝える転舵動力伝達機構と、トー角調整用モータと、このトー角調整用モータの回転によりトー角を調整させるトー角調整動力伝達機構と、前記操舵角センサの検出する操舵角を基に転舵角の指令信号およびトー角の指令信号を生成し、これら指令信号を前記転舵用モータおよびトー角調整用モータにそれぞれ与えるステアリング制御手段とを備えるステアバイワイヤ式操舵装置において、前記転舵用モータが失陥したときに、前記転舵用モータを前記転舵動力伝達機構から切り離し、かつトー角の変化を止めておき、前記転舵用モータに代えて前記トー角調整用モータの回転を前記転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とし、前記トー角調整用モータが失陥したときに、前記トー角調整動力伝達機構を動力伝達不能状態として前記転舵用モータによる転舵のみ行わせる切換機構を設けたため、転舵用モータが失陥してもトー角調整用モータを転舵の駆動源に転用して転舵を行うことができ、かつトー角調整用モータが失陥してもトー角調整機構を固定して安全に走行でき、また前記転舵用モータおよびトー角調整用モータのいずれか一方、または両方に、中空モータを用いたため、構成をコンパクトにできる。

この発明の一実施形態にかかるステアバイワイヤ式操舵装置の概略構成を示すブロック図である。 同ステアバイワイヤ式操舵装置における転舵軸駆動部の正常動作時の水平断面図である。 図２のIII部拡大図である。 同転舵軸駆動部におけるトー角調整用モータ失陥時の水平断面図である。 図４のＶ部拡大図である。 同転舵軸駆動部における転舵用モータ失陥時の水平断面図である。 図６のVII部拡大図である。 同転舵軸駆動部の回転規制機構の側面図であり、（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ異なる状態を示す。 通常のスプライン軸のスプライン歯の歯先形状を示す説明図である。 （Ａ）は前記転舵軸駆動部の中間軸の一例の側面図、（Ｂ）は同正面図である。 （Ａ）は同転舵軸駆動部の中間軸の他の一例の側面図、（Ｂ）は同正面図である。 （Ａ）は同転舵軸駆動部の中間軸のさらに他の一例の側面図、（Ｂ）は同正面図である。 （Ａ）は同転舵軸駆動部の中間軸のさらに他の一例の側面図、（Ｂ）は同正面図である。 同ステアバイワイヤ式操舵装置タイロッドのナット部の支持部の拡大断面図である。 図１４のXV−XV断面図である。 この発明の異なる実施形態にかかるステアバイワイヤ式操舵装置における転舵軸駆動部の正常動作時の水平断面図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。このステアバイワイヤ式操舵装置は、図１に概略図で示すように、運転者が操舵するステアリングホイール１と、操舵角センサ２と、操舵トルクセンサ３と、操舵反力モータ４と、左右の車輪１３にナックルアーム１２およびタイロッド１１を介して連結された転舵用の軸方向移動自在な転舵軸１０と、この転舵軸１０を駆動する転舵軸駆動部１４と、転舵角センサ８と、ＥＣＵ（電気制御ユニット）５とを備える。ＥＣＵ５は、ステアリング制御手段５ａ、失陥対応制御手段５ｂ、および補正動作制御手段５ｃを含む。ＥＣＵ５およびその各制御手段５ａ，５ｂ，５ｃは、マイクロコンピュータおよびその制御プログラムを含む電子回路等により構成される。

ステアリングホイール１は、転舵用の転舵軸１０と機械的に連結されていない。ステアリングホイール１に対して、操舵角センサ２および操舵トルクセンサ３が設けられ、操舵反力モータ４が接続されている。操舵角センサ２は、ステアリングホイール１の操舵角を検出するセンサである。操舵トルクセンサ３は、ステアリングホイール１に作用する操舵トルクを検出するセンサである。操舵反力モータ４は、ステアリングホイール１に反力トルクを付与するモータである。

図２は転舵軸１０を駆動する転舵軸駆動部１４の正常時の水平断面図、図３はその部分拡大図である。この転舵軸駆動部１４には、転舵軸１０を軸方向に移動させて車輪１３の転舵を行う転舵機構１５と、車輪１３のトー角調整を行うトー角調整機構１６と、切換機構１７とが設けられている。

転舵機構１５は、転舵用モータ６と、この転舵用モータ６の回転により転舵軸１０を軸方向に移動させる転舵動力伝達機構１８とを備える。

転舵用モータ６は、転舵軸駆動部１４のハウジング１９に、前記転舵軸１０と平行に取付けられている。転舵用モータ６は中空モータであって、筒状の中空モータ軸２０を有する。この中空モータ軸２０の中空部内に、転舵軸１０と平行に設けた転舵用中間軸２１が、針状ころ軸受２２を介して回転自在かつ軸方向に移動自在に支持されている。転舵用中間軸２１は、後記トー角調整用中間軸３５と共に、後述する切換機構１７の直動アクチュエータ４７により、図２および図３に示す基準位置と、図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置と、図６および図７に示す転舵用モータ失陥時位置の各位置に軸方向に位置切換される。

転舵動力伝達機構１８は、転舵用回転部材である転舵用モータ６の前記中空モータ軸２０と、前記転舵用中間軸２１と、この転舵用中間軸２１の外周にキー２３を介して回転伝達可能に嵌合した出力ギヤ２４と、この出力ギヤ２４と噛み合う入力ギヤ２５と、この入力ギヤ２５に固定され前記転舵軸１０のボールねじ軸部１０ａに螺合するボールナット２６とでなる。これらボールねじ軸部１０ａとボールナット２６とでボールねじ機構Ａを構成する。中空モータ軸２０の内周に内歯からなるスプライン歯２０ａ（図３、図５、図７）、転舵用中間軸２１の外周に外歯からなるスプライン歯２１ａ（図３、図５、図７）がそれぞれ形成されており、転舵軸駆動部１４の正常時状態（図２）では、これらスプライン歯２０ａ，２１ａが互いに噛み合ってスプライン嵌合部２７を構成することで、中空モータ軸２０と転舵用中間軸２１とが回転伝達可能に連結されている。中空モータ軸２０のスプライン歯２０ａは軸方向に長く、どの軸方向箇所にも転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａが噛み合うことができる。

転舵軸駆動部１４の正常時状態（図２）において、転舵用モータ６の回転出力は、転舵用中間軸２１、出力ギヤ２４、入力ギヤ２５を経てボールナット２６に伝達され、ボールナット２６の回転が転舵軸１０の軸方向への移動に変換されて転舵が行なわれる。

入力ギヤ２４は転がり軸受２８を介して、出力ギヤ２５は転がり軸受２９を介して、それぞれ前記ハウジング１９に支持されている。転舵用中間軸２１は、前記のように、転舵用モータ６の中空モータ軸２０に針状ころ軸受２２を介して嵌合し、かつ出力ギヤ２４にキー２３を介して嵌合しているため、軸方向への移動が許容されている。

トー角調整機構１６は、トー角調整用モータ７と、このトー角調整用モータ７の回転によりトー角を調整させるトー角調整動力伝達機構３０とを備える。

トー角調整用モータ７は、転舵軸駆動部１４のハウジング１９に、転舵軸１０と同心に取付けられている。トー角調整用モータ７も中空モータであって、その筒状の中空モータ軸３１が転舵軸１０の外周に設けられている。

トー角調整動力伝達機構３０は、前記中空モータ軸３１に固定された出力ギヤ３２と、この出力ギヤ３２と噛み合う第１中間ギヤ３３と、この第１中間ギヤ３３とスプライン嵌合部３４で噛み合うトー角調整用中間軸３５と、このトー角調整用中間軸３５とスプライン嵌合部３６で噛み合う第２中間ギヤ３７と、この第２中間ギヤ３７と噛み合う入力ギヤ３８と、この入力ギヤ３８に固定され転舵軸１０のスプライン軸部１０ｂにボール３９を介してスプライン嵌合するスプラインナット４０とでなる。第１中間ギヤ３３および第２中間ギヤ３７とトー角調整用中間軸３５とは、両中間ギヤ３３，３７に形成された内歯からなるスプライン歯３３ａ，３７ａ（図３、図５、図７）とトー角調整用中間軸３５に形成された外歯からなるスプライン歯３５ａ，３５ｂ（図３、図５、図７）とが互いに噛み合うことで、スプライン嵌合部３４，３６を構成する。トー角調整用中間軸３５のスプライン歯３５ｂは軸方向に長く、どの軸方向箇所にも第２中間ギヤ３７のスプライン歯３７ａが噛み合うことができる。第１中間ギヤ３３は、トー角調整用中間軸３５の外周に位置してトー角調整用モータ７で回転させられるトー角調整用駆動側部材であり、第２中間ギヤ３７は、トー角調整用中間軸３５の回転を下流側に伝えるトー角調整用従動側部材である。

転舵軸駆動部１４の正常時状態（図２）において、トー角調整用モータ７の回転出力は、中空モータ軸３１、出力ギヤ３２、第１中間ギヤ３３、トー角調整用中間軸３５、第２中間ギヤ３７、入力ギヤ３８を経てスプラインナット４０に伝達され、スプラインナット４０の回転で転舵軸１０が回転させられ、後述するトー角調整用雄ねじ部１０ｃの作用で車輪１３のトー角調整が行なわれる。

中空モータ軸３１は転がり軸受４１を介して、第１中間ギヤ３３は転がり軸受４２を介して、第２中間ギヤ３７は転がり軸受４３を介して、入力ギヤ３８は転がり軸受４４を介して、それぞれハウジング１９に支持されている。また、第１中間ギヤ３３と第２中間ギヤ３７間には転がり軸受４５が介在し、両ギヤ３３，３７は互いに回転自在である。トー角調整用中間軸３５は、前記のように、第２中間ギヤ３７にスプライン嵌合部３６で噛み合っているため、軸方向への移動が許容されている。操舵用中間軸２１とトー角調整用中間軸３５は、同軸上に互いに隣接して配置されており、両中間軸２１，３５の互いに対向する軸端間にスラスト軸受４６（図３、図５、図７）を介在させてある。これにより、両中間軸２１，３５が相対回転可能となるようにされている。

なお、この実施形態では、転舵軸１０のスプライン軸部１０ｂとスプラインナット４０とが、ボール３９を介して互いに転がり接触しているが、両者が滑り接触していてもよい。いずれであっても、スプラインナット４０からスプライン軸部１０ｂへ、回転を良好に伝達することができる。

トー角調整機構１６は、前記トー角調整用モータ７およびトー角調整動力伝達機構３０とは別に、転舵軸１０の両端に形成され左右のタイロッド１１がそれぞれ螺合するトー角調整用雄ねじ部１０ｃを備える。これらのトー角調整用雄ねじ部１０ｃは互いに逆ねじとした雄ねじ部からなり、転舵軸１０の一方向への回転で左右のタイロッド１１が互いに突出し、転舵軸１０の他方向への回転で左右のタイロッド１１が互いに後退するようにされている。トー角調整用雄ねじ部１０ｃは、例えば台形ねじとされる。また、トー角調整用雄ねじ部１０ｃには廻り止めが設けられていても良い。

図１４の拡大断面図に示すように、前記タイロッド１１は、転舵軸１０のトー角調整用雄ねじ部１０ｃにナット部１１ａで螺合している。このナット部１１ａの外周には、ハウジング１９から側方に突出する筒状ハウジング部１９ｂが設けられており、この筒状ハウジング部１９ｂとナット部１１ａとの間に固定滑り軸受８０および移動滑り軸受８１を介在させてある。固定滑り軸受８０および移動滑り軸受８１はいずれも滑り軸受であり、互いの区別のために「固定」および「移動」を付した。

固定滑り軸受８０は、筒状ハウジング部１９ｂの内周面における軸方向外端部に形成された大径部８２に固定されている。図１５に示すように、ナット部１１ａの軸心と直交する断面の外周形状は、外周の全部または一部が軸心Ｏを中心とする円とは異なる形状をしている。この例の場合、円周面Ｃの一部が平坦面Ｆで切り落とされた形状とされている。固定滑り軸受８０は、上記ナット部１１ａの外周形状と合致する内周形状を有する。この固定滑り軸受８０により、ナット部１１ａは軸方向に摺動自在かつ軸心回りに回転不能に支持されている。

移動滑り軸受８１は、ナット部１１ａの外周面における軸方向内端部に形成された小径部８３に固定された環状の部材であり、前記筒状ハウジング部１９ｂの内周面に沿って摺動自在である。転舵軸１０が軸方向移動範囲８４の中心Ｎ、すなわち車両を直進状態にする中心位置にあるときの固定滑り軸受８０および移動滑り軸受８１の対向する端面間の距離Ｌは、前記軸方向範囲８４の長さＳの半分以上としてある。これにより、転舵軸１０が軸方向移動範囲８４の端まで移動したときでも、固定滑り軸受８０と移動滑り軸受８１が互いに干渉しないようにできる。

これら固定滑り軸受８０および移動滑り軸受８１を設ければ、転舵軸１０を軸方向移動させるとき、および転舵軸１０を回転させて転舵軸１０からのタイロッド１１の突出長さを変えるとき、タイロッド１１を安定して軸方向移動させられる。また、固定滑り軸受８０はナット部１１ａを回転不能に支持しているため、転舵軸１０の回転がタイロッド１１の軸方向移動に確実に変換させられる。固定滑り軸受８０だけでも上記作用を得ることができる。

切換機構１７は、転舵用モータ６が失陥したとき、ならびにトー角調整用モータ７が失陥したときに、転舵動力伝達機構１８およびトー角調整動力伝達機構３０の動力伝達系統を切り換えるためのものである。この切換機構１７は、転舵用中間軸２１およびトー角調整用中間軸３５と、これら中間軸２１，３５を一緒に軸方向に移動させる直動アクチュエータ４７と、両中間軸２１，３５が常に互いに接する状態に維持されるように押圧力を付与する押圧機構４８と、両中間軸２１，３５の移動により転舵動力伝達機構１８およびトー角調整動力伝達機構３０の各伝動連結部の伝動を係脱する伝動係脱機構４９とを備える。

直動アクチュエータ４７は、ばね部材５１と、ばね係脱機構５２とでなる。さらに、ばね係脱機構５２は、ばね部材５１の直線運動を回転運動に変換する直線・回転運動変換機構５３と、この直線・回転運動変換機構５３で得られる回転運動を規制する回転規制機構５４とでなる。

この例では、ばね部材５１は圧縮コイルばねであり、サポート部材５５を図２、図４、図６の左方向に付勢している。つまり、ばね部材５１は、サポート部材５５に接する側の端部が左右方向に直線運動をする。サポート部材５５は操舵用中間軸２１と同軸上に互いに隣接して設けられている。サポート部材５５と転舵用中間軸２１間にスラスト軸受５６を、サポート部材５５とばね部材５１間にスラストころ軸受５７をそれぞれ介在させてあり、サポート部材５５は中心軸回りに回転自在である。

また、この例では、直線・回転運動変換機構５３はボールねじ機構であり、サポート部材５５と一体のボールねじ軸５８と、このボールねじ軸５８に螺合するボールナット５９とで構成される。直線・回転運動変換機構５３はボールねじ機構以外の構成であってもよく、例えばラックとピニオンを組み合わせたものとしてもよい。

図８に示すように、回転規制機構５４は、回転軸であるボールねじ軸５８に設けた突起物６０、この突起物６０に引っ掛かることでボールねじ軸５８の回転を止める役割を果たすレバー６１、およびこのレバー６１を作動させる回転規制駆動源６２で構成される。突起物６０は、外周の一部が他よりも外径側に張り出す突起部６０ａとなった板状の部材で、その突起部６０ａの周方向一方端に、レバー６１が当たる段面６０ｂが形成されている。厳密には、突起物６０の突起部６０ａが、レバー６１が引っ掛かる突起物である。レバー６１は、ボールねじ軸５８と平行な回動中心軸６１ａに回動自在に設けられ、前記突起物６０の突起部６０ａに引っ掛かる一対の引っ掛かり部６１ｂ，６１ｃを有する。回転規制駆動源６２は、直動式のアクチュエータからなり、例えばリニアソレノイドとされる。回転規制駆動源６２は、一方向（上下方向）に進退作動する進退ロッド６２ａを有し、この進退ロッド６２ａが前記レバー６１に連結リンク６３を介して連結されている。

図８（Ａ）は、転舵軸駆動部１４が正常時状態にあるときの回転規制機構５４の状態を示す。この状態では、レバー６１の一方の引っ掛かり部６１ｂが突起物６０の突起部６０ａに引っ掛かっており、それによって突起物６０およびそれと一体のボールねじ軸５８の回転が拘束されている。そのため、ボールねじ機構からなる直線・回転運動変換機構５３の作用により、ボールねじ軸５８が軸方向に移動できず、ばね部材５１（図２）がサポート部材５５（図２）を押すことが規制されている。つまり、ばね部材５１は圧縮状態に保持され、両中間軸２１，３５（図２）を軸方向に付勢することが不能な無付勢状態になっている。

図８（Ａ）の状態から回転規制駆動源６２の進退ロッド６２ａを後退させると、レバー６１の引っ掛かり部６１ｂと突起物６０の突起部６０ａとの引っ掛かりが解除され、ボールねじ軸５８が回転可能になる。それにより、ばね部材５１の弾性反発力によって、ボールねじ軸５８がボールナット５９に対して回転しながら図２の左方向へ移動する。つまり、ばね部材５１は前記圧縮状態から開放され、両中間軸２１，３５を軸方向に付勢する状態となる。突起物６０が所定の位相だけ回転すると、図８（Ｂ）のように、突起物６０の突起部６０ａがレバー６１のもう一方の引っ掛かり部６１ｃに引っ掛かり、突起物６０およびボールねじ軸５８の回転が拘束される。この間、両中間軸２１，３５は左側へ軸方向移動して、図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置になる。

図８（Ｂ）の状態から回転規制駆動源６２の進退ロッド６２ａを進出させると、レバー６１の引っ掛かり部６１ｃと突起物６０の突起部６０ａとの引っ掛かりが解除され、ボールねじ軸５８が回転可能になる。それにより、前記同様、ばね部材５１が両中間軸２１，３５を軸方向に付勢する状態となり、両中間軸２１，３５が左側へ軸方向移動する。それに伴い、突起物６０とレバー６１の軸方向位置が外れる。そのため、突起物６０が回転しても突起部６０ａがレバー６１のいずれの引っ掛かり部６１ｂ，６１ｃにも引っ掛からなくなり、ばね部材５１は直線運動範囲端まで移動する。このばね部材５１が直線運動範囲端まで移動したときの両中間軸２１，３５の位置が、図６および図７に示す転舵用モータ失陥時位置である。

前記ばね係脱機構５２は、作用的な面から見た場合、次のように言うこともできる。すなわち、ばね係脱機構５２は、ばね部材５１の直線運動範囲内、またはばね部材５１と共に直線運動する部材であるボールねじ軸５８の運動範囲内に配されて直線運動を妨げる障害物と、この障害物を取り除くことでばね部材５１を圧縮状態から開放する障害物取り除き機構Ｂとでなる。この場合、障害物は、ボールねじ軸５８に取付けた突起物６０に引っ掛かってボールねじ軸５８の直線運動を妨げるレバー６１であり、障害物取り除き機構Ｂは、ボールねじ軸５８の運動範囲内に突出させた障害物としてのレバー６１を取り去るように作用する回転規制駆動源６２と連結リンク６３とを組み合わせた機構である。

押圧機構４８は、図３および図５に示すように、トー角調整用中間軸３５に隣接して転舵用およびトー角調整用両中間軸２１，３５と同軸上に配置された押圧軸６４と、この押圧軸６４をトー角調整用中間軸３５に押付ける側に弾性付勢するコイルばね６５とでなる。押圧軸６４およびコイルばね６５は、ハウジング１９の一部である押圧機構収容部１９ａに収容されている。押圧軸６４とトー角調整用中間軸３５の互いに対向する軸端間にはスラスト軸受６６が配置され、これにより押圧軸６４に対してトー角調整用中間軸３５が回転自在となるようにされている。

伝動係脱機構４９は、第１〜第３伝動係脱機構７１〜７３（図３、図５、図７）を有する。
第１伝動係脱機構７１は、転舵用回転部材である転舵用モータ６の中空モータ軸２０と、転舵用中間軸２１と、トー角調整用駆動側部材である第１中間ギヤ３３とでなる。両中間軸２１，３５が図２および図３に示す基準位置にあるとき、ならびに図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置にあるときは、中空モータ軸２０のスプライン歯２０ａと転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａが互いに噛み合ってスプライン嵌合部２７を構成することにより、中空モータ軸２０と転舵用中間軸２１とが結合する。両中間軸２１，３５が図６および図７に示す転舵用モータ失陥時では、転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａが中空モータ軸２０のスプライン歯２０ａから外れ、転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａが第１中間ギヤ３３のスプライン歯３３ａと噛み合ってスプライン嵌合部７４を構成することにより、転舵用中間軸２１が第１中間ギヤ３３と結合する。

第２伝動係脱機構７２は、転舵用中間軸２１と、トー角調整用駆動側部材である第１中間ギヤ３３と、トー角調整用中間軸３５とでなる。両中間軸２１，３５が図２および図３に示す基準位置にあるときは、第１中間ギヤ３３のスプライン歯３３ａとトー角調整用中間軸３５のスプライン歯３５ａが互いに噛み合ってスプライン嵌合部３４を構成することにより、第１中間ギヤ３３とトー角調整用中間軸３５とが結合する。両中間軸２１，３５が図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置にあるとき、ならびに図６および図７に示す転舵用モータ失陥時位置にあるときは、上記スプライン嵌合部３４の噛み合いが外れて、第１中間ギヤ３３とトー角調整用中間軸３５とが非結合になる。

第３伝動係脱機構７３は、トー角調整用中間軸３５と、トー角調整用従動側部材である第２中間ギヤ３７と、ハウジング１９とでなる。ハウジング１９の前記押圧機構収容部１９ａの基端には、内歯からなるスプライン歯７５ａ（図３、図５）が形成されている。両中間軸２１，３５が図２および図３に示す基準位置にあるときは、トー角調整用中間軸３５のスプライン歯３５ｂと第２中間ギヤ３７のスプライン歯３７ａが互いに噛み合ってスプライン嵌合部３６を構成することにより、トー角調整用中間軸３５と第２中間ギヤ３７とが結合する。両中間軸２１，３５が図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置にあるとき、ならびに図６に示す転舵用モータ失陥時位置にあるときは、上記スプライン嵌合部３６に加えて、トー角調整用中間軸３５のスプライン歯３７ｂとハウジング１９スプライン歯７５ａが互いに噛み合って、スプライン嵌合部７５が構成される。このスプライン嵌合部７５により、トー角調整用中間軸３５は、ハウジング１９に結合されて回転が拘束される。

上記伝動係脱機構４９の切換動作において、両中間軸２１，３５が基準位置から転舵用モータ失陥時位置へ軸方向移動する過程で、トー角調整用中間軸３５が第１中間ギヤ３３から外れるのよりも先に、トー角調整用中間軸３５がハウジング１９に結合されるように各部材の位置関係が設定されている。

上記伝動切換機構４９の切換動作を円滑に行うために、転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａ、およびトー角調整用中間軸３５のスプライン歯３５ａ，３５ｂは、図９に示す通常のスプライン軸８０におけるスプライン歯８０ａのように歯先の形状を平坦な形状とせず、例えば図１０または図１１に示すように、その歯先の形状を鋭角状とするのが望ましい。あるいは、他の例として、図１２または図１３に示すように、スプライン歯２１ａ，３５ａｂ，３５ｂの歯先の形状を歯先凸部の無いテーパ状とするのが望ましい。

また、図１１または図１３に示すように、転舵用中間軸２１のトー角調整用中間軸３５に対向する側の先端に、スプライン歯２１ａよりも軸端側に突出させて突出部７６を設けてもよい。この突出部７６の外径は、スプライン歯２１ａの歯底半径以下とする。このような突出部７６が転舵用中間軸２１の先端に設けられていれば、転舵用中間軸２１およびトー角調整用中間軸３５が基準位置から転舵用モータ失陥時位置に位置切換するときに、突出部７６の軸方向長さ分だけ、先にトー角調整中間軸３５のスプライン歯３５ａが第１中間ギヤ３３のスプライン歯３３ａから外れ、その後で転舵用中間軸２１のスプライン歯２１ａが第１中間ギヤ３３のスプライン歯３３ａに噛み合う。つまり、トー角調整用モータ７とトー角調整用中間軸３５との動力的な結合が解除されてから、トー角調整用モータ７と転舵用中間軸２１とが動力的に結合される。なお、図２〜図７に示す転舵軸駆動部１４には、図１１または図１３に示す軸端形状の転舵用中間軸２１が採用されている。

ＥＣＵ５のステアリング制御手段５ａは、操舵反力モータ４、転舵用モータ６、およびトー角調整用モータ７を制御する。すなわち、ステアリング制御手段５ａは、操舵角センサ２の検出する操舵角の信号、図示しない車速センサの検出する車輪回転速度の信号、および運転状態を検出する各種センサの信号に基づいて目標操舵反力を設定し、実際の操舵反力トルクが目標操舵反力に一致するように操舵トルクセンサ３の検出する操舵トルクの信号をフィードバックして、操舵反力モータ４を制御する。

失陥対応制御手段５ｂは、切換機構１７の回転規制駆動源６２を制御する。すなわち、失陥対応制御手段５ｂは、転舵用モータ６の失陥、およびトー角調整用モータ７の失陥を検出した場合に、それに応答して回転規制駆動源６２を動作させ、転舵用およびトー角調整用の両中間軸２１，３５を、基準位置から転舵用モータ失陥時位置またはトー角調整用モータ失陥時位置へ軸方向移動させる。

補正動作制御手段５ｃは、上記失陥対応制御手段５ｂにより両中間軸２１，３５を軸方向移動させる制御の補正をする。詳しくは、トー角調整用中間軸３５のスプライン歯３５ｂとハウジング１９のスプライン歯７５ａとをスプライン嵌合７５させて、トー角調整用中間軸３５の回転を拘束する際に、トー角調整用モータ７でトー角調整用中間軸３５をスプライン歯３５ｂの１ピッチ分以上回転させることで、両スプライン歯３５ｂ，７５ａの位相を揃える。このような補正動作を行わせることで、トー角調整用中間軸３５のハウジング１９への固定を誤動作無く円滑に行うことができる。

次に、このステアバイワイヤ式操舵装置の転舵軸駆動部１４での動作を説明する。転舵用モータ６およびトー角調整用モータ７が正常である場合には、図２のように、転舵用モータ６の中空モータ軸２０の回転が転舵動力伝達機構１８を介してボールナット２６に伝達されると共に、トー角調整用モータ７の中空モータ軸３１の回転がトー角調整動力伝達機構３０を介してスプラインナット４０に伝達される。転舵軸１０のボールねじ軸部１０ａに螺合するボールナット２６の回転は、転舵軸１０を軸方向に移動させ、これにより車輪１３の操舵が行なわれる。トー角調整動力伝達機構３０のスプラインナット４０は、転舵軸１０のスプライン軸部１０ｂにスプライン嵌合しているので、転舵軸１０の軸方向移動が許容される。転舵軸１０のスプライン軸部１０ｂに嵌合するスプラインナット４０の回転は転舵軸１０を回転させ、この回転により転舵軸１０の両端のトー角調整用雄ねじ部１０ｃに螺合しているタイロッド１１が進退して、トー角調整が行なわれる。

トー角調整用モータ７が失陥した場合、ＥＣＵ５の失陥対応制御手段５ｂからの指令により、切換機構１７の回転規制駆動源６２を作動させて、回転規制機構５４を図８（Ａ）の状態から同図（Ｂ）の状態に切り換える。それにより、直動アクチュエータ４７を構成するばね部材５１の弾性反発力によって、両中間軸２１，３５が図４および図５に示すトー角調整用モータ失陥時位置まで軸方向移動して停止する。

トー角調整用モータ失陥時位置では、第１伝動係脱機構７１により転舵用中間軸２１は中空モータ軸２０に結合したままに保持され、第２伝動係脱機構７２によりトー角調整用中間軸３５は第１中間ギヤ３３に対し非結合になり、第３伝動係脱機構７３によりトー角調整用中間軸３５がハウジング１９に結合された状態となる。すなわち、トー角調整動力伝達機構３０が動力伝達不能状態となると共に、トー角調整用中間軸３５の回転が拘束される。その結果、転舵用モータ６による転舵のみが行われる。前述したように、この転舵軸駆動部１４には、図１１または図１３に示す軸端形状の転舵用中間軸２１が採用されており、トー角調整用モータ７とトー角調整用中間軸３５との動力的な結合が解除されてから、トー角調整用モータ７と転舵用中間軸２１とが動力的に結合されるため、伝動系統の切換動作が円滑に行える。

転舵用モータ６が失陥した場合、ＥＣＵ５の失陥対応制御手段５ｂからの指令により、切換機構１７の回転規制駆動源６２を作動させて、回転規制機構５４を図８（Ａ）の状態から同図（Ｂ）の状態を経てから同図（Ａ）の状態に戻す。それにより、ばね部材５１の弾性反発力によって、両中間軸２１，３５が、前記トー角調整用モータ失陥時位置を経由して、図６および図７に示す転舵用モータ失陥時位置まで軸方向移動する。

転舵用モータ失陥時位置では、第１伝動係脱機構７１および第２伝動係脱機構７２により、転舵用中間軸２１と中空モータ軸２０の結合、ならびにトー角調整用中間軸３５と第１中間ギヤ３３の結合が外れて、新たに転舵用中間軸２１が第１中間ギヤ３３と結合し、第３伝動係脱機構７３によりトー角調整用中間軸３５がハウジング１９に結合された状態となる。すなわち、転舵用モータ６が転舵動力伝達機構１８から切り離され、かつトー角調整用中間軸３５の回転を拘束したうえで、転舵用中間軸２１がトー角調整動力伝達機構３０に連結される。それにより、転舵用モータ６に代えて、トー角調整用モータ７の回転を転舵用動力伝達機構１８に伝えて転舵することが可能になる。

このように、このステアバイワイヤ式操舵装置では、切換機構１７により、転舵用モータ６が失陥したときに、転舵用モータ６を転舵動力伝達機構１８から切り離し、かつトー角の変化を止めておき、転舵用モータ６に代えてトー角調整用モータ７の回転を転舵動力伝達機構１８に伝えて転舵可能とすることにより、転舵用モータ失陥時でも転舵可能なフェールセーフ機能を持たせられる。また、切換機構１７により、トー角調整用モータ７が失陥したときに、トー角調整動力伝達機構３０を動力伝達不能状態として転舵用モータ６による転舵のみ行わせることにより、トー角調整用モータ失陥時にトー角調整機構１６を固定して安全に走行できる。これら転舵用モータ失陥時およびトー角調整用モータ失陥時における転舵動力伝達機構１８およびトー角調整動力伝達機構３０の動力伝達系統を切り換える一連の動作は、直動アクチュエータ４７で転舵用およびトー角調整用の各中間軸２１，３５を軸方向に移動させることで、伝動係脱機構４９により確実に行われる。

転舵用モータ６およびトー角調整用モータ７として中空モータを用いることにより、これら中空モータ６，７の中空部内に転舵用中間軸２１および転舵軸１０をそれぞれ挿通させて設けることができる。そのため、ステアバイワイヤ式操舵装置の各構成部品を狭いスペースに無理なく配置することができ、全体の構成をコンパクトにできる。転舵用モータ６の中空部内に、転舵用中間軸２１以外の切換機構１７の構成部品を配置してもよい。転舵用モータ６およびトー角調整用モータ７のいずれか一方だけが中空モータであってもよい。また、転舵用中間軸２１とトー角調整用中間軸３５を同軸心上にかつ軸方向移動自在に配置し、これら両中間軸２１，３５を直動アクチュエータ４７で一緒に軸方向に移動させる構成としたことにより、切換機構１７をコンパクトにできる。

なお、トー角調整用モータ７によるトー角調整および転舵用モータ６の失陥のときの転舵用駆動源としての代替は、車両走行時に行う動作であるため、その最大発生トルクは、据え切り動作時に転舵用モータ６に必要なトルクよりもはるかに小さなものである。したがって、トー角調整用モータ７は、転舵用モータ６よりも小型のもので良い。

上記実施形態は、タイロッド１１のナット部１１ａを固定滑り軸受８０および移動滑り軸受８１で筒状ハウジング部１９ｂに支持させた構成としたが、図１６のように、ナット部１１ａは何にも支持されないフリー状態としてもよい。

１…ステアリングホイール
２…操舵角センサ
５ａ…ステアリング制御手段
６…転舵用モータ
７…トー角調整用モータ
１０…転舵軸
１０ａ…ボールねじ軸部
１０ｂ…スプライン軸部
１０ｃ…トー角調整用雄ねじ部
１１…タイロッド
１１ａ…ナット部
１７…切換機構
１８…転舵動力伝達機構
１９ｂ…筒状ハウジング部
２０…中空モータ軸
２１…転舵用中間軸
２６…ボールナット
３０…トー角調整動力伝達機構
３１…中空モータ軸
３５…トー角調整用中間軸
４０…スプラインナット
８０…固定滑り軸受
８１…移動滑り軸受
８４…軸方向移動範囲
Ｌ…端面間の距離
Ｓ…軸方向移動範囲の長さ

Claims (13)

1. 転舵軸に機械的に連結されていないステアリングホイールと、このステアリングホイールの操舵角を検出する操舵角センサと、転舵用モータと、この転舵用モータの回転を前記転舵軸に伝える転舵動力伝達機構と、トー角調整用モータと、このトー角調整用モータの回転によりトー角を調整させるトー角調整動力伝達機構と、前記操舵角センサの検出する操舵角を基に転舵角の指令信号およびトー角の指令信号を生成し、これら指令信号を前記転舵用モータおよびトー角調整用モータにそれぞれ与えるステアリング制御手段とを備えるステアバイワイヤ式操舵装置において、
   前記転舵用モータが失陥したときに、前記転舵用モータを前記転舵動力伝達機構から切り離し、かつトー角の変化を止めておき、前記転舵用モータに代えて前記トー角調整用モータの回転を前記転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とし、前記トー角調整用モータが失陥したときに、前記トー角調整動力伝達機構を動力伝達不能状態として前記転舵用モータによる転舵のみ行わせる切換機構を設け、
   前記転舵用モータおよびトー角調整用モータのいずれか一方、または両方に、中空モータを用いたことを特徴とするステアバイワイヤ式操舵装置。
2. 請求項１において、前記転舵軸は、軸方向移動により操舵輪を転舵させ、かつ回転よって操舵輪のトー角を変える軸であり、前記転舵動力伝達機構は、前記転舵用モータの回転により前記転舵軸を軸方向に移動させる機構であり、前記トー角調整動力伝達機構は、前記トー角調整用モータの回転により前記転舵軸を回転させる機構であり、前記切換機構は、前記転舵用モータが失陥したときに、前記転舵用モータを前記転舵動力伝達機構から切り離し、かつ前記転舵軸の回転を止め、前記転舵用モータに代えて前記トー角調整用モータの回転を前記転舵動力伝達機構に伝えて転舵可能とし、前記トー角調整用モータが失陥したときに、前記転舵軸の回転を止めて前記転舵用モータによる転舵のみ行わせる機構であるステアバイワイヤ式操舵装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記トー角調整用モータを中空モータとし、この中空モータからなるトー角調整用モータの中空モータ軸内に前記転舵軸を挿通させたステアバイワイヤ式操舵装置。
4. 請求項１または請求項２において、前記転舵用モータを中空モータとし、この中空モータからなる転舵用モータの中空モータ軸内に、前記切換機構の構成部品を挿通させたステアバイワイヤ式操舵装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記転舵軸の一部にボールねじ軸部を設け、このボールねじ軸部に螺合するボールナットを回転のみ自在に設け、前記転舵動力伝達機構は、前記転舵用モータの回転により前記ボールナットを回転させて前記転舵軸を軸方向に移動させ転舵を行うものとしたステアバイワイヤ式操舵装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記転舵軸にスプライン軸部を設け、このスプライン軸部に軸方向に相対移動自在に噛み合うスプラインナットを回転自在に設け、前記トー角調整動力伝達機構は、前記トー角調整用モータで前記スプラインナットを回転させることにより、前記転舵軸の軸方向移動を許容しつつ転舵軸を回転させ、転舵軸の端部のトー角調整用雄ねじ部に螺合したタイロッドの転舵軸からの突出長さを変えてトー角を変化させるものとしたステアバイワイヤ式操舵装置。
7. 請求項６において、前記転舵軸の前記スプライン軸部のスプライン歯と前記スプラインナットのスプライン歯が滑り接触しているステアバイワイヤ式操舵装置。
8. 請求項６において、前記転舵軸の前記スプライン軸部のスプライン歯と前記スプラインナットのスプライン歯が転がり接触しているステアバイワイヤ式操舵装置。
9. 請求項６において、前記転舵軸の両端に設けられた一対のトー角調整用雄ねじ部が、互いに左右逆ねじになっており、前記スプラインナットをある一定方向に回転させることで左右のタイロッドを突出させ、逆方向に回転させることで前記タイロッドを引き込めるものとしたステアバイワイヤ式操舵装置。
10. 請求項６において、前記転舵動力伝達機構を収容し前記転舵軸を貫通させたハウジングを設け、このハウジングに、前記転舵軸のトー角調整用雄ねじ部に螺合する前記タイロッドのナット部の外周側にあり、前記ナット部の内端よりも軸方向外側に突出させた筒状ハウジング部を設け、前記ナット部の軸心と直交する断面の外周形状を外周の全部または一部が軸心を中心とする円とは異なる形状とし、このナット部の外周形状と合致する内周形状を有する固定滑り軸受を前記筒状ハウジング部の内周に固定して設け、この固定滑り軸受により、前記ナット部を軸方向に摺動自在かつ軸心回りに回転不能に支持したステアバイワイヤ式操舵装置。
11. 請求項１０において、前記タイロッドのナット部の外周面における軸方向の一部に、前記筒状ハウジング部の内周面に沿って摺動自在な環状の移動滑り軸受を固定して設けたステアバイワイヤ式操舵装置。
12. 請求項１１において、前記転舵軸が軸方向移動範囲の、車両を直進状態とする位置である中心位置にあるときに、前記固定滑り軸受および移動滑り軸受の対向する端面間の距離が、前記軸方向移動範囲の長さの半分以上であるステアバイワイヤ式操舵装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記トー角調整用モータは、最大発生トルクが前記転舵用モータの最大発生トルクよりも小さいものとしたステアバイワイヤ式操舵装置。

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