JP5929924B2 - 車両の操舵制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の操舵制御装置に関する。

例えば特許文献１には、入力軸と出力軸の接続と切断を切り換え、動力の伝達／非伝達を切り換える断接機構によりステアリングハンドルから転舵機構を機械的に分離し、操舵量に応じて転舵機構を駆動するステアバイワイヤ方式の操舵制御装置が記載されている。

特開２０１０−１８８９３０号公報

ステアバイワイヤ方式の車両においてはステアバイワイヤのシステムのフェイル時においても操舵を可能とするように、適切なフェイル対策を施すことが望まれる。典型的にはそのために、電気系統の多重化や、機械的なバックアップシステムが提案されている。電気系統の多重化により、１つの系統に異常が生じても他の系統により正常な操舵を継続することができる。機械的なバックアップシステムは通常は連結されていない操作部材と転舵輪とを電気的失陥の際に連結し、その輪を転舵できるようにする。

しかし、こうした対策には課題がある。例えば、対策のための機器にコストを要し、しばしば大幅なコストアップを招く。機器の搭載スペースを確保する必要もある。フェイルセーフ上のそうした課題は、ステアバイワイヤが未だ広く普及するには至っていない一因である。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、ステアバイワイヤ方式に好適な、フェイルセーフのための実用的な冗長性を備える操舵制御装置を提供することにある。

本発明のある態様は、車両の操舵制御装置である。この装置は、入力軸と、出力軸と、前記入力軸及び前記出力軸間の断続のためのクラッチと、前記出力軸に回転を与えるよう設けられている転舵アクチュエータと、前記転舵アクチュエータを制御するための制御部と、を備える。前記制御部は、下限をもつ回転数範囲で前記出力軸の回転を制御するように、前記クラッチの切断状態において前記転舵アクチュエータを制御する。該下限は前記入力軸の回転数に基づく。前記クラッチは、前記出力軸の回転数が前記下限より小さいとき接続される。

この態様によれば、操舵制御装置の入力軸回転数に基づく下限を上回るように操舵制御装置の出力軸回転数が制御される。その回転数制御範囲において入力軸回転数に対し出力軸回転数を随意に変化させ、例えば伝達比可変操舵制御を提供することができる。一方、出力軸回転数が制御範囲の下限を下回るとき入出力軸間のクラッチが接続され、入力軸から出力軸へと回転を機械的に伝えることができる。出力軸の駆動源である転舵アクチュエータがたとえ作動しなくとも、入出力軸の連結によって車両を操舵することができる。よって、フェイルセーフ機能を有する操舵制御装置が提供される。

前記クラッチは、前記出力軸の回転数が前記入力軸の回転数より小さいとき、または前記出力軸が前記入力軸と逆方向に回転するとき接続される機械式クラッチであってもよい。前記下限は前記入力軸の回転数であってもよい。前記制御部は、前記回転数範囲で前記入力軸と同方向に前記出力軸を回転させるよう前記転舵アクチュエータを制御してもよい。

入力軸及び出力軸の回転状態に応じて断続が切り替わる機械式クラッチが用いられる。機械式クラッチが繋がらないように出力軸の回転が制御され、そうした回転状態から逸脱したとき機械式クラッチが機械的に繋がる。そのため、フェイルセーフのためのクラッチの電子制御を不要とすることができる。

前記機械式クラッチは、外輪と、該外輪と同軸に配設されている内輪と、該外輪と該内輪との間に配設されている係合子と、を備えてもよい。前記機械式クラッチは、前記外輪の内面及び前記内輪の外面の一方にカム面を有し、前記外輪の内面及び前記内輪の外面の他方と該カム面との間に前記係合子を噛み込むことで接続されてもよい。前記外輪及び前記内輪の一方が前記入力軸と同軸に前記入力軸の一端に形成され、前記外輪及び前記内輪の他方が前記出力軸と同軸に前記出力軸の一端に形成されていてもよい。

このようにすれば、汎用の機械式クラッチ（例えば、いわゆるローラ式のツーウェイクラッチ）を操舵制御装置に組み込むことができる。

操舵制御装置は、前記入力軸にトルクを与えるための操舵反力アクチュエータを備えてもよい。

このようにすれば、操舵反力トルクを入力軸に付与することができる。

前記制御部は、前記操舵反力アクチュエータに異常が検出されている場合に、操舵当初において前記クラッチの接続のために前記転舵アクチュエータを制御してもよい。

このようにすれば、入力軸への操作がなされたとき速やかにクラッチを接続し、それによって入力軸に操舵反力を付与することができる。こうして、操舵反力アクチュエータによる不十分な操舵反力を補助することができる。運転者の過度の操作、例えばステアリングホイールの意図せざる切り過ぎを防ぎ、操作性を向上することができる。

前記制御部は、前記転舵アクチュエータに異常が検出されている場合に、前記操舵反力アクチュエータを操舵の補助のために制御してもよい。

転舵アクチュエータに異常がありその動作が不十分であるとき、入出力軸間のクラッチは上述のように接続され得る。このとき、操舵反力アクチュエータを操舵の補助のために用いることにより、操舵トルクの増大を抑え、操作性を向上することができる。

操舵制御装置は、前記入力軸または前記出力軸の回転状態を検出するための検出器を備えてもよい。前記制御部は、前記検出器の検出値と前記転舵アクチュエータの動作状態とに基づいて前記クラッチの異常検出を行ってもよい。

このようにすれば、クラッチに異常があるか否かを検出することができる。

前記検出器は前記入力軸に設けられたトルクセンサであってもよい。前記制御部は前記転舵アクチュエータの非動作状態において前記入力軸が回転されたときの前記トルクセンサの検出値に基づいて前記クラッチの異常検出を行ってもよい。

転舵アクチュエータが動作しないときに入力軸が回転されると、クラッチが正常である場合にはクラッチが接続され入力軸にトルクが生じる。よって、入力軸のトルクセンサの検出値から、クラッチが正常に繋がるか否かを検出することができる。

前記検出器は前記出力軸に設けられた回転角センサであってもよい。前記制御部は前記転舵アクチュエータの非動作状態において前記入力軸が回転されたときの前記回転角センサの検出値に基づいて前記クラッチの異常検出を行ってもよい。

クラッチが接続されると入力軸の回転により出力軸も回転される。よって、出力軸の回転角センサの検出値から、クラッチが正常に繋がるか否かを検出することができる。

操舵制御装置は、前記入力軸にトルクを与えるための操舵反力アクチュエータを備え、前記制御部は、前記クラッチの異常検出のために前記操舵反力アクチュエータにより前記入力軸を回転させてもよい。

このようにすれば、制御部が操舵反力アクチュエータにより入力軸を回転させることで、運転者の操作がなくともクラッチの異常検出を自動的に行うことができる。運転者の操作中に異常検出処理をする場合に比べて、運転者に与える違和感が軽減される。

前記制御部は、前記転舵アクチュエータがストロークエンドにあるときに前記クラッチの異常検出を行ってもよい。

転舵のストロークエンドにあるときにはクラッチに比較的大きなトルクが作用しうる。大トルクが作用したときにクラッチに異常な滑りが生じるか否かを検出することが可能となる。

本発明の他の態様は、車両の操舵制御装置である。この装置は、入力軸を備える操舵部と、出力軸を備える転舵部と、前記入力軸及び前記出力軸間の断続のためのクラッチと、前記操舵部からの入力に基づき前記転舵部を制御するための制御部と、を備える。前記制御部は、前記入力軸が回転するとき前記クラッチを空転させるよう前記出力軸の回転を制御する。

この態様によれば、クラッチ空転により操舵部と転舵部とは機械的に切り離される。よって、ステアバイワイヤ制御を提供することができる。

前記クラッチは、前記出力軸の回転数が前記入力軸の回転数以上であるとき空転し、前記出力軸の回転数が前記入力軸の回転数より小さいとき繋がるよう構成されていてもよい。

このようにすれば、出力軸の回転数が低下したときにクラッチが繋がり、操舵部から転舵部へのトルク伝達が保証され、操舵制御装置にフェイルセーフ性能が与えられる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システム、プログラムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、フェイルセーフのための実用的な冗長性を備える操舵制御装置を提供することができる。

本発明のある実施の形態に係る操舵制御装置の概略構成を示す図である。 本発明のある実施の形態に係るクラッチを示す断面図である。 図２に示すクラッチの動作を説明するための図である。 図２に示すクラッチの動作を説明するための図である。 図２に示すクラッチの動作を説明するための図である。 本発明のある実施の形態に係る操舵制御を説明するためのフローチャートである。 本発明のある実施の形態に係るクラッチ異常検出処理を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態における基本的な着想は、操舵軸及び転舵軸間のクラッチの断続と軸回転数との関係に着目し、クラッチ空転状態を継続する回転数範囲をステアバイワイヤ制御に割り当てたことにある。例えば転舵軸の回転が、常態としてクラッチを空転させるように制御される。クラッチ空転により操舵軸から転舵軸は切り離されており、ステアバイワイヤ制御を提供することができる。その一方で、クラッチは、転舵軸の回転数が低下したときに繋がる。操舵軸から転舵軸へのトルク伝達が保証され、操舵制御装置にフェイルセーフ性能が与えられる。

既に提案されている操舵制御装置においては異常があったときにクラッチが接続されるにすぎない。そうした典型的構成には、操舵制御においてクラッチの断続と軸回転数との関係に着目するという新たな発想は、存在しない。

図１は、本発明のある実施の形態に係る操舵制御装置１０の概略構成を示す図である。操舵制御装置１０は車両のための操舵装置である。操舵制御装置１０が適用される車両は、例えば普通乗用車、小型乗用車、小型コミュータ、またはその他の自動車であってもよい。あるいは、そうした自動車とは車輪（例えば転舵輪）の配置または数が異なる任意の車両に操舵制御装置１０が適用されてもよい。

操舵制御装置１０は、操作入力を電気信号に変換し、その電気信号から制御信号を生成し、その制御信号によって車両の操舵のためのアクチュエータを制御する。このようにして、機械的な連結を介さずに、操作入力に応じた車両の操舵が電気的に実現される。

操舵制御装置１０は、操舵部１２と、転舵部１４と、制御部１６と、バックアップ機構１８と、を備える。制御部１６は、操舵部１２からの入力に基づいて転舵部１４を制御する。操舵制御装置１０は、制御部１６の制御のもとで、操舵部１２に加えられる操作力によらずに、転舵部１４の生成する動力によって車輪を転舵する。このとき、バックアップ機構１８を介する操舵部１２と転舵部１４との機械的な連結は解除されている。

操舵部１２は、運転者の操作入力を受け付けるための操作部材、例えばステアリングホイール２０と、その操作に応じて回転する入力軸２２と、を備える。ステアリングホイール２０は入力軸２２の一端に設けられており、入力軸２２の他端はバックアップ機構１８に連結されている。入力軸２２は操舵部１２における主要な軸であるという点で、操舵軸と呼ぶこともできる。

操舵部１２は、操舵反力アクチュエータ２４を備える。操舵反力アクチュエータ２４は、入力軸２２にトルクを与えるために設けられている。操舵反力アクチュエータ２４は、トルクを生成するための反力モータ（図示せず）を備える。この反力モータは入力軸２２に直に連結されていてもよいし、必要に応じて減速機構を介して入力軸２２に連結されていてもよい。

操舵反力アクチュエータ２４は、通常は、ステアリングホイール２０に操舵反力トルクを与えるために使用される。しかし、操舵反力アクチュエータ２４は、操舵反力トルクとは逆向きのトルクをステアリングホイール２０に与えるよう構成されていてもよく、その逆向きトルクにより運転者の操舵を補助するために使用されてもよい。

操舵部１２は、操舵反力トルクを能動的に発生させる操舵反力アクチュエータ２４に代えて、またはそれとともに、入力軸２２に操舵反力を受動的に与える反力生成機構を備えてもよい。この反力生成機構は、例えばバネ、ダンパ等の機械要素を備え、機械的に操舵反力を生成するよう構成されていてもよい。

操舵部１２は、ステアリングホイール２０への操作入力を、または入力軸２２の回転状態を検出するための検出器を備える。具体的には例えば、操舵部１２は、操舵角センサ２６と、操舵トルクセンサ２８と、を備える。操舵角センサ２６は、ステアリングホイール２０の操舵角を検出するために設けられている。操舵トルクセンサ２８は、入力軸２２に作用する回転トルクを検出するために設けられている。操舵部１２のこれらの検出器は、例えば入力軸２２に設けられている。

操舵部１２、及び、特に操舵反力アクチュエータ２４は、上述の構成には限られず、適切な公知の構成を適宜採用してもよい。

転舵部１４は、出力軸３０と、転舵アクチュエータ３２と、を備える。出力軸３０の一端はバックアップ機構１８に連結され、出力軸３０の他端は転舵アクチュエータ３２に連結されている。出力軸３０は転舵部１４における主要な軸の１つであるという点で、転舵軸と呼ぶこともできる。出力軸３０は転舵アクチュエータ３２の構成要素の１つとみなしてもよい。

転舵アクチュエータ３２は、出力軸３０に回転を与えるよう設けられている。転舵アクチュエータ３２は例えば、動力源としての転舵モータ３４と、転舵モータ３４により作動するラックアンドピニオン機構３６と、を備える。ラックアンドピニオン機構３６のピニオンギヤ（図示せず）が出力軸３０の端部に固定されており、そのピニオンギヤがラックアンドピニオン機構３６のラックギヤ（図示せず）と噛み合う。転舵モータ３４が駆動されるときラックアンドピニオン機構３６を介して出力軸３０が回転する。なお、転舵モータ３４は出力軸３０に直に連結されていてもよいし、必要に応じて減速機構を介して出力軸３０に連結されていてもよい。

ラックアンドピニオン機構３６のラック軸（図示せず）は左右のタイロッドへと連結され、左右のタイロッドはそれぞれ左右のナックルアームを経て転舵輪へと連結される（図示せず）。なお、転舵アクチュエータ３２は、ラックアンドピニオン機構３６に代えて、転舵モータ３４により作動するボールねじ機構を備えてもよい。

転舵アクチュエータ３２は、転舵輪の転舵可能範囲を定めるための規制機構を内蔵する（図示せず）。この規制機構は、例えばラックアンドピニオン機構３６のラック端に設けられたストッパーであるが、同様な効果が得られれば他のものであっても構わない。なお、この転舵可能範囲の末端をストロークエンドと称する。

転舵部１４は、出力軸３０の回転状態を検出するための検出器を備える。具体的には例えば、転舵部１４は、出力軸３０の回転角を検出するための回転角センサ３８を備える。回転角センサ３８は、例えば出力軸３０に設けられている。

転舵部１４、及び、特に転舵アクチュエータ３２は、上述の構成には限られず、適切な公知の構成を適宜採用してもよい。

制御部１６は、少なくとも１つの電子制御ユニット（以下では単にＥＣＵという）を備える。ＥＣＵは例えば、コンピュータ、各種モータ及び各種アクチュエータ等のドライバ等からなる。制御部１６は、操舵制御装置１０を制御するための単一のＥＣＵを備えてもよい。あるいは、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４を制御するための反力ＥＣＵと、転舵アクチュエータ３２を制御するための転舵ＥＣＵと、を個別的に備えてもよい。

制御部１６には、操舵角センサ２６、操舵トルクセンサ２８、回転角センサ３８の測定値が入力される。制御部１６は、これらの入力値に基づき操舵反力指令値及び転舵角指令値を算出し、これらに応じた制御信号を操舵反力アクチュエータ２４及び転舵アクチュエータ３２に出力する。このようにして、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４及び転舵アクチュエータ３２をそれぞれ制御する。

また、制御部１６は、操舵角センサ２６の測定値から入力軸２２の回転数ωｉを算出する。必要に応じて、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２の制御のために入力軸２２の回転数ωｉを使用する。入力軸２２の回転数ωｉはたいていの場合、操舵角速度に等しい。同様に、制御部１６は、回転角センサ３８の測定値から出力軸３０の回転数ωｏを算出する。必要に応じて、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２の制御のために出力軸３０の回転数ωｏを使用する。出力軸３０の回転数ωｏはたいていの場合、ピニオン角速度に等しい。

制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２の異常を検出するための異常検出ＥＣＵを備えてもよい。または、上記の単一のＥＣＵ、反力ＥＣＵ、または転舵ＥＣＵが、操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２の異常を検出する機能を備えてもよい。制御部１６は、適切な公知の手法で、操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２に異常があるか否かを決定する。

バックアップ機構１８は、入力軸２２及び出力軸３０間の断続のためのクラッチ４０を備える。バックアップ機構１８は主として、入力軸２２、出力軸３０、及びクラッチ４０からなる。クラッチ４０は例えば、入力軸２２及び出力軸３０の回転状態によって断続する機械式のクラッチである。代案として、バックアップ機構１８は、電磁石への通電により断続する電磁クラッチを備えてもよい。

図２は、図１に示すクラッチ４０の概略構成を示す断面図である。クラッチ４０は、外輪４２、カム４４、及び複数のローラ４６を備える機械式クラッチである。クラッチ４０は、ローラ式のツーウェイクラッチとも呼ばれている。カム４４は、外輪４２と同軸に配設されている内輪である。ローラ４６は、外輪４２とカム４４との間に配設されている係合子である。

外輪４２は、出力軸３０と同軸に出力軸３０の一端に固定されている。なお図２は入力軸２２側から見ているため、出力軸３０は図示されていない。図２において外輪４２の例えば背後に出力軸３０は取り付けられている。カム４４は、入力軸２２と同軸に入力軸２２の一端に固定されている。

外輪４２の内面４３が円筒面である一方、カム４４の断面は例えば正多角形である。カム４４の平坦部分にカム面４５が形成されており、カム４４の外面は複数のカム面４５を有する。外輪４２の内面４３と複数のカム面４５との間に複数の楔形空間４７が形成されている。複数のローラ４６がそれぞれ楔形空間４７に配設されている。図示される実施の形態においてはカム４４の断面は正八角形であり、カム４４の外周に沿って均等に８つの楔形空間４７が形成されている。各楔形空間４７に１つのローラ４６が収容されており、合計８つのローラ４６が設けられている。

クラッチ４０は、複数のローラ４６を楔形空間４７に保持するための保持器４８を備える。保持器４８は外輪４２の内面４３とカム４４のカム面４５との間隙に組み込まれている。保持器４８は、内面４３とカム面４５との間で周方向に等間隔に複数のローラ４６を配列する。保持器４８は、複数のローラ４６を回転可能に保持する。

保持器４８は、カム４４（即ち入力軸２２）とともに回転可能に設けられている。保持器４８は、入力軸２２が回転するときその回転方向と逆向きの抵抗（例えば摩擦力）を受けるよう構成されている。例えば、保持器４８は、軸方向に隣接する部材（例えばスイッチングプレート、図示せず）に弾性的に押し当てられていてもよい。その隣接部材は、入力軸２２の回転に連動しない静止系に固定され、例えば波ばねによって保持器４８に押し付けられている。この場合、保持器４８がカム４４に連動して回転するときに保持器４８とその隣接部材との接触面に生じる摩擦力が、保持器４８に与えられるカム４４と逆回転方向の抵抗となる。

入力軸２２及びカム４４が回転すると、保持器４８に作用する抵抗によって、カム４４と保持器４８との位相差が生じる。つまり、保持器４８はカム４４に対してある角度遅れて回転する。そのため、ローラ４６は図２に示される中立位置から、カム４４に対し周方向に相対移動する。図３に示されるように、カム４４が例えば時計回りに回転するときローラ４６はそれと逆方向に（左方に）変位する。こうして、ローラ４６は外輪４２の内面４３とカム面４５との楔に噛み込まれていく。噛み込みによりローラ４６がロックされることで、カム４４（即ち入力軸２２）から外輪４２（即ち出力軸３０）に回転トルクが伝達されるようになる。このようにして、クラッチ４０は接続され、バックアップ機構１８による操舵が可能となる。

実際には、カム４４の回転数Ｎｉが外輪４２の回転数Ｎｏを上回るとき（即ち、Ｎｉ＞Ｎｏ）、カム４４と外輪４２との間に形成される楔にローラ４６が噛み込まれ、カム４４から外輪４２にトルクが伝達される。こうして、クラッチ４０は接続状態をとる。一方、カム４４及び外輪４２が同方向に回転しており、カム４４の回転数Ｎｉが外輪４２の回転数Ｎｏを下回るとき（即ち、Ｎｉ＜Ｎｏ）、ローラ４６は噛み込み位置から離れ、外輪４２は空転する。カム４４から外輪４２にトルクは伝達されない。こうして、クラッチ４０は切断状態をとる。クラッチ４０は正逆両方向に対称に構成されているため、カム４４が逆回転するときにも（例えば反時計回り）同様にクラッチ４０は断続する。

クラッチ４０の断続について、入力軸２２及び出力軸３０の回転数にも同様の関係が成り立つ。すなわち、クラッチ４０は、出力軸３０が入力軸２２と同方向に回転し、出力軸３０の回転数ωｏが入力軸２２の回転数ωｉより小さいとき（即ち、｜ωｉ｜＞｜ωｏ｜、かつ、ωｉとωｏとが同符号であるとき）接続される。あるいは、クラッチ４０は、出力軸３０が入力軸２２と逆方向に回転するとき（ωｉとωｏとが異符号であるとき）接続される。

反対に、クラッチ４０は、出力軸３０が入力軸２２と同方向に回転し、出力軸３０の回転数ωｏが入力軸２２の回転数ωｉ以上であるときに（即ち、｜ωｉ｜≦｜ωｏ｜、かつ、ωｉとωｏとが同符号であるときに）切断される。

以下では説明の便宜上、クラッチ４０が接続される入力軸２２及び出力軸３０の回転状態を「クラッチ接続条件」と呼び、クラッチ４０が切断される入力軸２２及び出力軸３０の回転状態を「クラッチ空転条件」と呼ぶことがある。本実施の形態では、「｜ωｉ｜＞｜ωｏ｜、または、ωｉとωｏとが異符号である」ことが「クラッチ接続条件」であり、「｜ωｉ｜≦｜ωｏ｜、かつ、ωｉとωｏとが同符号である」ことが「クラッチ空転条件」である。

ところで、既述のように、操舵制御装置１０は通常、操舵部１２からの入力に基づいて転舵部１４を制御する。操舵制御装置１０は所望の操舵制御、例えばステアバイワイヤ制御または伝達比可変操舵制御を行う。このとき操舵制御装置１０は通例、クラッチ４０を切断し、操舵部１２と転舵部１４とを機械的に分離する。

クラッチ４０においては上述のように、カム４４及び外輪４２が同方向に回転し、カム４４の回転数Ｎｉが外輪４２の回転数Ｎｏより小さいとき、外輪４２が空転する。クラッチ４０がそのような空転状態にあるとき、外輪４２は、カム４４の回転から独立に回転させることができる。

操舵制御装置１０においてはカム４４が入力軸２２に連結され、外輪４２が出力軸３０に連結されている。入力軸２２には操舵反力アクチュエータ２４が設けられ、出力軸３０には転舵アクチュエータ３２が設けられている。したがって、操舵反力アクチュエータ２４及び転舵アクチュエータ３２の少なくとも一方を制御して、外輪４２が空転するときと同様の回転状態をクラッチ４０に作り出すことが可能である。このようにして、クラッチ４０の空転状態を継続させることができる。

そこで、本実施の形態においては、制御部１６は、入力軸２２が回転するときクラッチ４０を空転させるように、出力軸３０の回転を制御する。そのようにして操舵部１２と転舵部１４とが切り離された状態を保ちながら、制御部１６は、所望の操舵制御のために操舵制御装置１０を制御する。

具体的には、制御部１６は、出力軸３０が入力軸２２と同方向に回転し、出力軸３０の回転数ωｏが入力軸２２の回転数ωｉ以上（即ち、ωｉとωｏとが同符号、かつ、｜ωｉ｜≦｜ωｏ｜）となるように、転舵アクチュエータ３２を制御する。制御部１６は、操舵制御を実行することが許可されている限り（例えば、操舵制御装置１０が正常であるとき）、クラッチ４０を常に空転状態とするよう転舵アクチュエータ３２を制御する。

このようにすれば、所望の操舵制御に際してクラッチ４０は切断されているので、いわゆるステアバイワイヤの機能を維持することができる。クラッチ４０の切断状態を保ちつつ、入力軸２２の回転数ωｉを下限とする回転数範囲において出力軸３０の回転数ωｏを随意に調整することができる。入力軸２２の回転数ωｉに対して出力軸３０の回転数ωｏを変化させ、所望の伝達比可変操舵制御を提供することができる。

その一方で、何らかの理由で出力軸３０の回転数ωｏが入力軸２２の回転数ωｉよりも低下したときには、運転者の操作入力に対して車輪の転舵角が不十分となり得る。しかし、操舵制御装置１０においては、出力軸３０の回転数ωｏが入力軸２２の回転数ωｉより小さいとき、クラッチ４０が機械的に接続されバックアップ機構１８が作動することが保証されている。よって、フェイルセーフ機能を有する操舵制御装置１０が提供される。

例えば、転舵アクチュエータ３２に異常があるために出力軸３０が回転されないことが想定される。図３、図４、図５は、転舵アクチュエータ３２に異常がある場合のクラッチ４０の動作を説明するための図である。図３、図４、図５は、図２に示すクラッチ４０の部分拡大図である。図３は、ステアリングホイール２０が右に切り増されたときを示す。図４及び図５は、図３とは逆に、右切りからのステアリングホイール２０の戻しを示す。図４は、セルフアライニングトルクが大きい場合を示し、図５は、セルフアライニングトルクが小さい場合を示す。

ステアリングホイール２０が切り増されると、入力軸２２が回転する。このときクラッチ４０が切れており転舵アクチュエータ３２が動作しなければ、出力軸３０は回転されない。そのとき出力軸３０の回転数ωｏは入力軸２２の回転数ωｉより明らかに小さく、クラッチ接続条件は満たされる。よって、図３に示されるように、クラッチ４０におけるクサビ効果によってローラ４６がロックされ、カム４４から外輪４２にトルクが伝達される。トルクの流れを矢印Ａで図示する。こうしてクラッチ４０は繋がり、入力軸２２と等しい回転数で出力軸３０が回転され、ステアリングホイール２０の切り増しに応じた車輪の転舵がなされる。

ステアリングホイール２０が戻されるときには、操舵方向が反転する。しかし、クラッチ４０は切り増し時に既に繋げられている。図４に示すように、十分に大きいセルフアライニングトルクは、クラッチ４０を接続するように作用する。クサビ効果によるローラ４６のロックが継続され、外輪４２からカム４４にトルクが伝達される。トルクの流れを矢印Ｂで図示する。こうして、操舵方向が反転してもクラッチ４０の接続状態が継続され、出力軸３０と等しい回転数で入力軸２２が回転され、ステアリングホイール２０が戻される。

図５に示すように、セルフアライニングトルクが小さい場合、例えば据え切り時の戻し操舵の際には、クラッチ４０の接続が一旦解除されることになる。外輪４２は静止し、戻し操舵によってカム４４が回転され、ローラ４６が図３とは反対側へと移動される。そうしてローラ４６が外輪４２に接触したとき、静止している出力軸３０の回転数ωｏは入力軸２２の回転数ωｉより明らかに小さく、クラッチ接続条件は再び満たされる。クサビ効果によってローラ４６がロックされ、カム４４から外輪４２にトルクが伝達される。トルクの流れを矢印Ｃで図示する。こうしてクラッチ４０は繋がり、入力軸２２と等しい回転数で出力軸３０が回転され、ステアリングホイール２０の戻し操舵に応じた車輪の転舵がなされる。

このようにして、操舵制御装置１０においては、転舵アクチュエータ３２が動作しなくとも、クラッチ４０が機械的に接続されて車両の操舵が可能である。ステアバイワイヤのフェイルセーフを機械的に実現することができるので、電子制御による冗長系を操舵制御装置１０に要しない。クラッチ４０の断続を切り替えるためのアクチュエータも不要である。機械的構成は一般に電子制御より信頼性が高い。確実なフェイルセーフ対応が低コストでなされているという点で実用性に優れるステアバイワイヤ装置を提供することができる。

また、正常時に比べて、クラッチ４０が接続されているときはステアリングギヤ比が大きくなる。正常時には転舵軸の回転数ωｏが操舵軸の回転数ωｉを上回るよう制御されているのに対し、クラッチ接続状態ではそれら両軸の回転数ωｉ、ωｏが等しいからである。クラッチ４０の接続によるギヤ比の増加は、転舵アクチュエータ３２が停止したことによる操舵力の増大を緩和するという利点を与える。

図６は、本発明のある実施の形態に係る操舵制御を説明するためのフローチャートである。制御部１６は例えば所定の制御周期で本操舵制御を実行する。処理が開始されると、制御部１６は、操舵制御装置１０が正常であるか否かを判定するか、または直近の判定結果を参照する（Ｓ１０）。制御部１６は、適切な公知の手法で、例えば操舵反力アクチュエータ２４及び／または転舵アクチュエータ３２が正常であるか否かを判定する。または、制御部１６は、例えば後述の手法で、クラッチ４０が正常であるか否かを判定する。

操舵制御装置１０が正常であると判定された場合には（Ｓ１０のＹ）、制御部１６は、通常の操舵制御を実行する（Ｓ１２）。この通常モードは例えば伝達比可変操舵制御であり、上述のクラッチ空転条件を満たすように出力軸３０の回転が制御される以外は既存のステアバイワイヤ制御と同様である。

操舵制御装置１０に何らかの異常があると判定された場合には（Ｓ１０のＮ）、制御部１６は異常モードに移行する（Ｓ１４）。このときクラッチ４０は機械的に接続される。それとともに、またはそれに代えて、異常モードにおいて制御部１６は、上述のクラッチ接続条件を満たすように出力軸３０及び／または入力軸２２の回転を制御してもよい。このようにして、クラッチ４０が接続されることを保証してもよい。

また、制御部１６は、転舵アクチュエータ３２に異常が検出されている場合に、操舵反力アクチュエータ２４を操舵の補助のために制御してもよい。制御部１６は、操舵反力方向からそれとは逆向きのパワーアシスト方向にトルクを切り替えるようにして操舵反力アクチュエータ２４を制御してもよい。このようにすれば、転舵アクチュエータ３２によるパワーアシストの少なくとも一部を操舵反力アクチュエータ２４によって代替することができる。転舵アクチュエータ３２の異常による操作性の悪化を緩和することができる。

あるいは、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４に異常が検出されている場合に、操舵当初においてクラッチ４０の接続のために転舵アクチュエータ３２を制御してもよい。制御部１６は、例えば操舵トルクセンサ２８の検出値に基づいてクラッチ４０が接続されたか否かを検出する。クラッチ接続が確認された場合には、制御部１６は、操舵反力の生成のために転舵アクチュエータ３２を制御する。このようにすれば、操舵反力アクチュエータ２４による操舵反力生成の少なくとも一部を転舵アクチュエータ３２によって代替することができる。操舵反力アクチュエータ２４の異常による操作性の悪化を緩和することができる。

この場合、例えば、制御部１６は、操舵角が閾値より小さいとき転舵アクチュエータ３２の動作を制限してもよい。このようにすれば、クラッチ接続条件のうち「｜ωｉ｜＞｜ωｏ｜」が満たされてクラッチ４０を繋ぐことができる。また、制御部１６は、操舵角が閾値より小さいとき転舵アクチュエータ３２を通常とは逆方向に動作させてもよい。このようにすれば、クラッチ接続条件のうち「ωｉとωｏとが異符号である」ことが満たされてクラッチ４０を繋ぐことができる。操舵角の閾値は例えば、ローラ４６が噛み込むガタ分に設定される。

次に、クラッチ４０の異常を検出する方法を例示する。図７は、本発明のある実施の形態に係るクラッチ異常検出処理を説明するためのフローチャートである。制御部１６は例えば所定の制御周期で本異常検出処理を実行する。処理が開始されると、制御部１６は、本異常検出処理を実行するタイミングであるか否かを判定する（Ｓ２０）。異常検出処理は例えば停車中、より具体的には例えば駐車中または非走行時といった、処理実行が許可される状況で行われる。制御部１６は、処理実行が許可される状況において所定のタイミングにあるか否かを判定する。

異常検出処理の実行タイミングにあると判定された場合には（Ｓ２０のＹ）、制御部１６は、異常検出のための動作を実行する（Ｓ２２）。一方、異常検出処理の実行タイミングにあると判定されなかった場合には（Ｓ２０のＮ）、制御部１６は、異常検出のための動作を実行しない。

この異常検出動作（Ｓ２２）は、異常検出のためのアクチュエータ動作を実行することと、その動作中に入力軸２２または出力軸３０の回転状態を検出することと、検出された回転状態とアクチュエータの動作状態とに基づいてクラッチ４０に異常があるか否かを判定することと、を含む。異常検出のためのアクチュエータ動作は、操舵反力アクチュエータ２４及び転舵アクチュエータ３２の少なくとも一方を動作させることを含む。入力軸２２または出力軸３０の回転状態は、操舵角センサ２６、操舵トルクセンサ２８、及び回転角センサ３８の少なくとも１つにより検出される。

本異常検出処理のいくつかの具体例を述べる。ある例においては、制御部１６は、ＩＧオン直後かつ運転者がステアリングホイール２０を操作したときに、異常検出処理を実行するタイミングであると判定する。運転者の操作の有無は操舵角センサ２６により検出される。このとき、異常検出のために、制御部１６は、転舵アクチュエータ３２の動作を一時的に禁止する。制御部１６は、転舵アクチュエータ３２の非動作状態においてステアリングホイール２０が操作されているときの操舵トルクセンサ２８の検出値に基づいて、クラッチ４０の異常検出を行う。

制御部１６は、操舵トルクセンサ２８の検出値がしきい値を超えた場合に、クラッチ４０が正常であると判定する。制御部１６は、クラッチ４０が正常であると判定した場合には、異常検出処理を終了し、通常の操舵制御に復帰する。一方、操舵角が所定値に達するまでに操舵トルクセンサ２８の検出値がしきい値を超えなかった場合には、制御部１６は、クラッチ４０が異常であると判定する。

運転者の操作によって入力軸２２は回転される一方転舵アクチュエータ３２の非動作によって出力軸３０は回転されないから、クラッチ接続条件が満たされる。クラッチ４０が正常である場合にはクラッチ４０が接続され入力軸２２にトルクが作用する。クラッチ４０が正常に繋がったとき、入力軸２２に設けられている操舵トルクセンサ２８の検出トルク値が高まる。こうしたトルクの増加量に基づいて、操舵トルクセンサ２８の検出値の判定しきい値は設定される。また、異常検出動作を終了するための操舵角の所定値は、通常の操舵制御への影響を考慮して設定される。

このようにして、入力軸２２に設けられている操舵トルクセンサ２８の検出値から、クラッチ４０が正常に繋がるか否かを検出することができる。ＩＧオン直後かつ運転者がステアリングホイール２０を操作したときに異常検出処理が行われるから、車両の使用のたびに確実に故障を検出することができる。

操舵トルクセンサ２８に代えて、回転角センサ３８が使用されてもよい。すなわち、制御部１６は、転舵アクチュエータ３２の非動作状態においてステアリングホイール２０が操作されているときの回転角センサ３８の検出値に基づいて、クラッチ４０の異常検出を行ってもよい。クラッチ４０が正常である場合にはクラッチ４０が接続されて入力軸２２とともに出力軸３０が回転されるからである。このようにして、出力軸３０の回転角センサ３８の検出値から、クラッチ４０が正常に繋がるか否かを検出することができる。

入力軸２２の駆動源として運転者の操作を利用することに代えて、操舵反力アクチュエータ２４が使用されてもよい。すなわち、制御部１６は、クラッチ４０の異常検出のために、転舵アクチュエータ３２の動作を一時的に禁止するとともに操舵反力アクチュエータ２４により入力軸２２を回転させてもよい。このようにすれば、運転者の操作がなくともクラッチ４０の異常検出を自動的に行うことができる。運転者の操作中に異常検出処理をする場合に比べて、運転者に与える違和感が軽減される。

クラッチ４０の異常検出のために操舵反力アクチュエータ２４を作動させる場合、異常検出処理の実行タイミングは、ＩＧオン直後に限られない。制御部１６は、例えば、ＩＧオフ直後、運転者の降車後または非乗車時、または車両のドアキー解除直後を、異常検出処理を実行するタイミングであると判定してもよい。こうした時点においては運転者はステアリングホイール２０に触れていない。よって、運転者に違和感を与えずにクラッチ４０の異常検出処理をすることができる。

異常検出処理の他の例においては、制御部１６は、転舵アクチュエータ３２がストロークエンドにあるときに、異常検出処理を実行する。異常検出のために、制御部１６は、操舵反力アクチュエータ２４の動作を一時的に制限する。制御部１６は、操舵角センサ２６の検出値に基づいて、クラッチ４０の異常検出を行う。

制御部１６は、操舵角センサ２６の検出値がしきい値を、所定の判定時間が経過するまでに超えなかった場合に、クラッチ４０が正常であると判定する。制御部１６は、クラッチ４０が正常であると判定した場合には、異常検出処理を終了し、通常の操舵制御に復帰する。一方、操舵角センサ２６の検出値がしきい値を超えた場合には、制御部１６は、クラッチ４０が異常であると判定する。

例えば、車庫入れのための据え切り等のときには転舵アクチュエータ３２のラックがラックエンドに当接し、出力軸３０の回転が物理的に規制されている。このとき通常の操舵制御では操舵反力アクチュエータ２４が、運転者の操作に抗するために比較的大きな操舵反力を入力軸２２に与えている。操舵反力アクチュエータ２４が停止されると運転者の操作により入力軸２２が回転し、クラッチ接続条件が満たされる。クラッチ４０が正常である場合にはクラッチ４０が接続され、入力軸２２はそれ以上回転されなくなる。操舵角センサ２６の検出値は一定となる。ところが、クラッチ４０に滑りが生じる場合には入力軸２２が回転を続けるから、操舵角センサ２６の検出値が増加していく。こうした操舵角の増加量に基づいて、操舵角センサ２６の検出値の判定しきい値は設定される。また、異常検出動作を終了するための判定時間は、通常の操舵制御への影響を考慮して設定される。

このようにして、比較的大きなトルクが作用するときにクラッチ４０に異常な滑りが生じるか否かを検出することができる。

操舵反力アクチュエータ２４を停止することに代えて、制御部１６は、操舵反力を通常より弱めるよう操舵反力アクチュエータ２４を制御してもよい。また、制御部１６は、ステアリングホイール２０を切り増す方向に操舵反力アクチュエータ２４を制御してもよい。このようにしても同様に、大きなトルクが作用するときにクラッチ４０に異常な滑りが生じるか否かを検出することができる。

操舵角センサ２６に代えて、操舵トルクセンサ２８が使用されてもよい。クラッチ４０に異常な滑りが生じる場合、操舵トルクセンサ２８の検出値は通常よりも低下する。そこで、制御部１６は、操舵トルクセンサ２８の検出値がしきい値を、所定の判定時間が経過するまでに下回らなかった場合に、クラッチ４０が正常であると判定してもよい。一方、操舵トルクセンサ２８の検出値がしきい値を下回った場合には、制御部１６は、クラッチ４０が異常であると判定してもよい。

異常検出処理の更なる他の例においては、制御部１６は、例えばＩＧオン直後に、好ましくはステアリングホイール２０のロックが解除される前に、異常検出処理を実行してもよい。異常検出のために、制御部１６は、転舵アクチュエータ３２を作動させ車輪を転舵させる。制御部１６は、操舵トルクセンサ２８の検出値に基づいて、クラッチ４０の異常検出を行う。

クラッチ４０が正常に切れている場合には、転舵アクチュエータ３２を作動させてもその動きは入力軸２２には伝わらない。よって、転舵アクチュエータ３２の作動と操舵トルクセンサ２８の検出値とに基づいて、クラッチ４０が正常に切れているか否かを検出することができる。車両が動き出す前に確実にクラッチの異常を検出することができる。

ところで、小型コミュータは概して、ホイールベースが短いため転舵角に対するヨーゲインが大きい。そのため、より大型の車両（例えば普通乗用車）よりもステアシステムのギヤ比を大きくとることが、高速時のふらつきを抑えるという観点からは好ましい。一方、街中では少ない手数で小回りができるようにするために、ギヤ比を小さくすることも望まれる。よって、高速での安定性と街中での使い勝手とを両立するために、小型コミュータにおいてはステアバイワイヤによってギヤ比を可変とすることが好ましい。

小型コミュータは、小型であるが故に、搭載機器の設置スペース及びコストの両面で、より大型の車両よりも一層厳しい制約を受けることになる。よって、既に提案されている、クラッチの電子制御を伴う機械的なバックアップシステムや、電気系統の多重化といったフェイルセーフの手法は、必ずしも現実的ではないかもしれない。また、こうした電子制御は車両の消費電力を増やすから、燃費に悪影響を与える。

したがって、本実施の形態の操舵制御装置１０は、コンパクトな構成で機械的にフェイルセーフ性能を確保したという点で、小型コミュータに特に好適である。しかし、高い信頼性、低コスト、省スペース、低消費電力といった利点は小型コミュータのみならずあらゆる車両に望まれるものであり、その意味で本発明はステアバイワイヤの普及をもたらすブレークスルーとなり得る有望な技術である。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

本発明の実施の形態に用いうるクラッチ４０は一例であり、それとは別の構造をもつクラッチを用いることもできる。例えば、内輪の外面にカム面を設けることに代えて、外輪の内面にカム面が設けられていてもよい。あるいは、外輪が入力軸の端部に形成され、内輪が出力軸の端部に形成されてもよい。外輪と内輪との間の係合子はスプラグであってもよい。

クラッチ４０は電磁クラッチを備えてもよい。制御部１６は、出力軸の回転数ωｏが設定された下限を上回るとき電磁クラッチを切断し、出力軸の回転数ωｏが当該下限を下回るとき電磁クラッチを接続してもよい。この場合、バックアップ機構１８の作動が望まれる程度に出力軸の回転数ωｏが低下したときに電磁クラッチが接続されれば充分である。そのため、入力軸の回転数ωｉに基づき設定される出力軸の回転数ωｏの下限は、入力軸の回転数ωｉに一致する必要はなく、入力軸の回転数ωｉの近傍に設定されればよい。

本発明によれば、フェイルセーフのための実用的な冗長性を備える操舵制御装置を提供することができる。

１０ 操舵制御装置、 １２ 操舵部、 １４ 転舵部、 １６ 制御部、 １８ バックアップ機構、 ２０ ステアリングホイール、 ２２ 入力軸、 ２４ 操舵反力アクチュエータ、 ２６ 操舵角センサ、 ２８ 操舵トルクセンサ、 ３０ 出力軸、 ３２ 転舵アクチュエータ、 ３４ 転舵モータ、 ３６ ラックアンドピニオン機構、 ３８ 回転角センサ、 ４０ クラッチ、 ４２ 外輪、 ４３ 内面、 ４４ カム、 ４５ カム面、 ４６ ローラ、 ４７ 楔形空間、 ４８ 保持器。

Claims (10)

1. 入力軸と、
   出力軸と、
   前記入力軸及び前記出力軸間の断続のための機械式クラッチであって、前記出力軸の回転数が前記入力軸の回転数より小さいとき、または前記出力軸が前記入力軸と逆方向に回転するとき接続される機械式クラッチと、
   前記出力軸に回転を与えるよう設けられている転舵アクチュエータと、
   前記入力軸の回転数を下限とする回転数範囲で前記入力軸と同方向に前記出力軸を回転させることによって常態として前記機械式クラッチを空転させるように前記転舵アクチュエータを制御するための制御部と、を備えることを特徴とする車両の操舵制御装置。
2. 前記機械式クラッチは、外輪と、該外輪と同軸に配設されている内輪と、該外輪と該内輪との間に配設されている係合子と、を備え、前記外輪の内面及び前記内輪の外面の一方にカム面を有し、前記外輪の内面及び前記内輪の外面の他方と該カム面との間に前記係合子を噛み込むことで接続され、
   前記外輪及び前記内輪の一方が前記入力軸と同軸に前記入力軸の一端に形成され、前記外輪及び前記内輪の他方が前記出力軸と同軸に前記出力軸の一端に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の操舵制御装置。
3. 前記入力軸にトルクを与えるための操舵反力アクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の操舵制御装置。
4. 前記制御部は、前記操舵反力アクチュエータに異常が検出されている場合に、操舵当初において前記クラッチの接続のために前記転舵アクチュエータを制御することを特徴とする請求項３に記載の操舵制御装置。
5. 前記制御部は、前記転舵アクチュエータに異常が検出されている場合に、前記操舵反力アクチュエータを操舵の補助のために制御することを特徴とする請求項３に記載の操舵制御装置。
6. 前記入力軸または前記出力軸の回転状態を検出するための検出器をさらに備え、
   前記制御部は、前記検出器の検出値と前記転舵アクチュエータの動作状態とに基づいて前記クラッチの異常検出を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の操舵制御装置。
7. 前記検出器は前記入力軸に設けられたトルクセンサであり、前記制御部は前記転舵アクチュエータの非動作状態において前記入力軸が回転されたときの前記トルクセンサの検出値に基づいて前記クラッチの異常検出を行うことを特徴とする請求項６に記載の操舵制御装置。
8. 前記検出器は前記出力軸に設けられた回転角センサであり、前記制御部は前記転舵アクチュエータの非動作状態において前記入力軸が回転されたときの前記回転角センサの検出値に基づいて前記クラッチの異常検出を行うことを特徴とする請求項６に記載の操舵制御装置。
9. 前記入力軸にトルクを与えるための操舵反力アクチュエータをさらに備え、
   前記制御部は、前記クラッチの異常検出のために前記操舵反力アクチュエータにより前記入力軸を回転させることを特徴とする請求項８に記載の操舵制御装置。
10. 前記制御部は、前記転舵アクチュエータがストロークエンドにあるときに前記クラッチの異常検出を行うことを特徴とする請求項６に記載の操舵制御装置。

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