JP7318450B2

JP7318450B2 - 転舵装置

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Publication number: JP7318450B2
Application number: JP2019173094A
Authority: JP
Inventors: 正和古吉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-08-01
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Description

本発明は、車両の転舵輪を独立して転舵する転舵装置に関する。

従来、自動車用のステアリングシステムとしては、ステアリングと転舵輪との間がメカニカルに接続された機構や、ステアリングと転舵輪との間にメカニカルにトルクを伝達する機構がなく、操舵角を示す情報に基づき転舵輪を転舵するいわゆるステアバイワイヤシステムが存在する。また、ステアバイワイヤシステムについても、左右の転舵輪がメカニカルなリンクで接続されるシステムや、特許文献１に記載されるような、左右の転舵輪の間にメカニカルなリンクが介在せずに、左右の転舵輪を別々のモータで転舵する左右独立転蛇型のシステムが提案されている。

特開２０１８－５８４８４号公報

ところが、モータを駆動源として転舵輪を独立して転舵する場合、モータの出力トルクを減速機により増大させて転舵輪を転舵するが、車両が走行している路面の状況や、操向の状況などによっては転舵輪から減速機にトルクが伝達されるいわゆる逆入力が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、転舵輪からの逆入力に対して減速機を保護する転舵装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の１つである転舵装置は、転舵輪を独立して転舵する駆動力を発生させるモータと、前記モータの回転軸体に接続される減速機と、前記モータと前記減速機との間のトルクの伝達を抑制するブレーキと、を備える。

本発明によれば、逆入力があった場合でも、モータの回転をブレーキで抑制することにより減速機の破損を回避することができる転舵装置を提供することができる。

実施の形態に係る転舵装置、サスペンション機構、および転舵輪を示す図である。実施の形態に係る転舵装置を示す断面図である。実施の形態に係るブレーキ制御部の機能構成を示すブロック図である。転舵装置の他の例を示す断面図である。

以下に、本発明に係る転舵装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の位置関係、および接続状態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下では複数の発明を一つの実施の形態として説明する場合があるが、請求項に記載されていない構成要素については、その請求項に係る発明に関しては任意の構成要素であるとして説明している。また、図面は、本発明を説明するために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。

図１は、転舵輪、およびサスペンションを示す図である。転舵装置１００は、複数配置されている転舵輪２００をそれぞれ独立して転舵する事ができる装置である。本実施の形態の場合、転舵装置１００は、例えばサスペンション機構を介して転舵輪２００を転舵する。図１には、サスペンション機構の１つであるストラット式のサスペンション機構を例示的に記載しており、転舵装置１００は、ストラット式サスペンション機構とタイヤハウスなどの車体２１０との間に介在配置され、ショックアブソーバ２２０、スプリング２４０と共にストラット軸２３０を中心として旋回させる事により転舵輪２００を転舵する。なお、ストラット式のサスペンション機構はさらに、転舵輪２００に取り付けられたナックル２５０と、ナックル２５０の下部に連結されたロアアーム２６０と、各部品を関節動作可能に接続する関節部材などを備えている。

図２は、操舵装置の内部構造を断面で示す断面図である。同図に示すように転舵装置１００は、モータ１１０と、減速機１２０と、ブレーキ１５０と、を備える。本実施の形態の場合、転舵装置１００は、第一回転センサ１４１と、第二回転センサ１４２と、ブレーキ制御部１８１と、を備えている。

モータ１１０は、転舵輪２００を転舵させる為の駆動力を発生させる駆動源である。本実施の形態の場合、モータ１１０は、回転軸体１１１と、ロータ１１２と、磁石１１３と、コイル１１４とを備えたサーボモータである。

回転軸体１１１は、モータ１１０の回転駆動力を出力する棒状の剛体である。回転軸体１１１は、軸方向（図中Ｚ軸方向）において、ロータ１１２、磁石１１３、およびコイル１１４の長さに対し長尺の部材となっている。具体的に回転軸体１１１は、減速機１２０の外歯歯車１２４（後述）に接続される出力側部材１７１の近傍から波動発生体１２１の中央部、およびブレーキ１５０を貫通している。本実施の形態の場合、回転軸体１１１は、軸方向に貫通する中空部１１５を備えた管状となっている。

ロータ１１２は、磁石１１３とコイル１１４との間で発生したトルクを回転軸体１１１に伝達する部材である。ロータ１１２の形状は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、磁石１１３を保持する短い円筒状の保持部１１６と、保持部１１６と回転軸体１１１の外周面とを接続する接続部１１７とを備えている。保持部１１６は、回転軸体１１１と同軸上に配置され、接続部１１７は保持部１１６の軸方向の一端部に一体に取り付けられている。ロータ１１２は、器形状となっており、ロータ１１２の内部には回転軸体１１１を止めるためのブレーキ１５０の少なくとも一部が収容されている。これにより、転舵装置１００の軸方向の長さを抑制することができる。

磁石１１３は、コイル１１４から発生する磁力との相互作用により回転軸体１１１を回転させるトルクを発生させる部材であり、ロータ１１２の保持部１１６の外周面に周方向に並んで取り付けられている。磁石１１３は、Ｎ極、Ｓ極の向きが所定のパターンとなるように並べて配置されている。

コイル１１４は、磁石１１３に作用する磁界を発生させる電磁石を構成する導電性の線材を巻き回した部材である。コイル１１４の巻き軸方向は、回転軸体１１１の軸を中心とした放射方向に沿っている。コイル１１４は、磁石１１３が回転する領域からわずかに外側に配置されており、磁石１１３を囲む様に周方向に並んで配置されている。コイル１１４は、円筒状の筐体１６０の内周面に固定されている。なお、コイル１１４は、磁界を集中させるコアを備えてもかまわない。

減速機１２０は、モータ１１０の回転軸体１１１に接続され、モータ１１０において発生した回転トルクを、転舵輪２００を転舵する事ができる回転トルクまで増幅する装置である。減速機１２０の種類は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、減速機１２０として入力軸と出力軸とが同軸である波動減速機が採用されている。この波動減速機は、剛体からなる円筒の内歯歯車１２３と、内歯歯車１２３の内歯と噛み合う外歯を有し、かつ径方向に可撓性のある筒状の外歯歯車１２４と、内歯歯車１２３に対し外歯歯車１２４を楕円状に変形させて複数箇所で噛み合わせ、噛み合い位置を内歯歯車１２３に沿って周回させる楕円形の波動発生体１２１とを備えている。

本実施の形態の場合、外歯歯車１２４は、いわゆるシルクハット型であり、一端部に外歯が形成された円筒部１２５と、円筒部１２５の他端部において径方向外側に突出するフランジ部１２６とを備えている。フランジ部１２６は、外歯に対し入力側に配置されている。フランジ部１２６の外周端部は、コイル１１４が固定されている筐体１６０に固定されている。外歯歯車１２４をこのような状態で配置することにより、外歯からフランジ部１２６までの間の円筒部１２５より外側に、筐体１６０に対し内歯歯車１２３を回転可能に固定するクロスローラーベアリングなどの第一軸受１２７を配置することができ、また、円筒部１２５の内側にブレーキ１５０の一部などを配置することができる。従って、軸方向において転舵装置１００の長さを抑制することが可能となる。

波動発生体１２１は、回転軸体１１１が同軸上に貫通状態で取り付けられており、回転軸体１１１から直接回転トルクが入力されている。また、波動発生体１２１は、回転軸体１１１によって波動発生体１２１の回転軸が決定されている。

内歯歯車１２３は、第一軸受１２７を介してコイル１１４が固定されている筐体１６０に回転可能に固定されており、出力側の部材として機能している。内歯歯車１２３には出力側を覆うように出力側部材１７１が固定されている。また、出力側部材１７１には、自在継手１７２が取り付けられている。内歯歯車１２３は、出力側部材１７１、および自在継手１７２を介してサスペンション機構のストラット軸２３０に接続され、転舵輪２００を転舵する回転トルクを出力する。

ブレーキ１５０は、モータ１１０と減速機１２０との間のトルクの伝達を抑制する装置である。具体的にブレーキ１５０は、モータ１１０の出力軸体である回転軸体１１１の回転を摩擦によって抑制し、停止させることができる。本実施の形態の場合、ブレーキ１５０は、非通電時にブレーキをかけ、通電時にブレーキを開放できる非通電作動型のブレーキであり、モータ１１０と減速機１２０との間に配置されている。具体的にブレーキ１５０は、電磁石１５５（図３参照）と付勢部材（不図示）とにより動作が制御される励磁作動型のブレーキであり、ブレーキディスク１５１と、ブレーキパッド１５２と、アーマチュア１５３と、動作手段１５４と、を備えている。

ブレーキディスク１５１は、回転軸体１１１に固定的に取り付けられる部材であり、回転軸体１１１の径方向に突出する断面矩形の円環状の部材である。ブレーキディスク１５１は、回転軸体１１１と共に回転し、ブレーキパッド１５２とアーマチュア１５３とに挟み込まれることで回転軸体１１１の回転とは反対向きのトルクを摩擦により発生させる部材である。

ブレーキパッド１５２は、ブレーキディスク１５１に対し動作手段１５４の反対側に配置され、動作手段１５４に固定される部材である。ブレーキパッド１５２は、回転軸体１１１の径方向に延在し回転軸体１１１を囲む様に配置される断面矩形の円環状の部材であり、ブレーキディスク１５１と平行に配置されている。

アーマチュア１５３は、ブレーキディスク１５１に対しブレーキパッド１５２の反対側に配置され、動作手段１５４が備える付勢部材の付勢力により、ブレーキパッド１５２と共にブレーキディスク１５１を挟み込む方向に移動し、動作手段１５４が備える電磁石１５５が励磁した場合、付勢部材の付勢力に抗して動作手段１５４に近づく方向に移動する部材である。アーマチュア１５３は、回転軸体１１１の径方向に延在し回転軸体１１１を囲む様に配置される断面矩形の円環状の部材であり、ブレーキディスク１５１と平行に配置されている。

動作手段１５４は、筐体１６０に固定される円筒状の部材であり、アーマチュア１５３を回転軸体１１１の軸方向に往復動させるための付勢部材と電磁石１５５とを備えている。付勢部材は、例えばコイルバネであり、動作手段１５４は、コイルバネを周方向に複数個並べて備えている。

第一回転センサ１４１は、減速機１２０の出力側の回転角を検出するセンサである。第一回転センサ１４１の種類は特に限定されるものではないが、光学式のロータリーエンコーダを例示することができる。本実施の形態の場合、第一回転センサ１４１は、検出軸体１４３を備えている。検出軸体１４３の一端部は、減速機１２０の波動発生体１２１を貫通し、減速機１２０の出力側である出力側部材１７１の回転中心に接続されている。また、検出軸体１４３は、回転軸体１１１の中空部１１５に刺し通され、検出軸体１４３の他端部は、回転軸体１１１から突出状態となっている。第一回転センサ１４１は、回転軸体１１１の他端部に設けられた円盤部１４４の回転角を検出する事により、減速機１２０の入力側であって、モータ１１０に対し減速機１２０の反対側において検出軸体１４３の回転に基づき減速機１２０の出力側の回転角を検出している。なお、第一回転センサ１４１は、減速機１２０に対しブレーキ１５０、および第二回転センサ１４２よりも遠くに配置されている。

以上の様に、検出軸体１４３を用いて第一回転センサ１４１を減速機１２０に対してモータ１１０よりも遠い位置に配置することで、複数の回転センサを一箇所に集約でき、回転センサに対する防塵対策などを容易にすることができる。また、複数の回転センサからの出力信号を一箇所に集中させて筐体１６０外に導出させることができ、筐体１６０外部の信号線の取り回しの容易化を図ることができる。なお、モータ１１０への電力供給用電線、ブレーキ１５０に供給する電力線などを前記信号線と同じ位置に集中させて筐体１６０の外部へ導出することでさらに電線の取り回しを容易にすることができる。なお、筐体１６０を貫通するコネクタ（不図示）することで、筐体１６０外の電線との間の接続や取り外しを容易にし、防塵も図る事が可能となる。

第二回転センサ１４２は、モータ１１０の回転軸体１１１に取り付けられ、モータ１１０の回転角を検出するセンサである。第二回転センサ１４２の種類は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合レゾルバが採用されている。レゾルバは高速で回転する回転軸体１１１の回転角を正確にセンシングすることができる。

以上の様に、出力側の回転角を第一回転センサ１４１により取得し、入力側の回転角を第二回転センサ１４２により取得することにより、第一回転センサ１４１に基づく情報に対し第二回転センサ１４２に基づく情報が所定の関係にない場合、第一回転センサ１４１に基づく情報を用いて第二回転センサを校正することができる。

筐体１６０は、モータ１１０、ブレーキ１５０、減速機１２０の少なくとも入力側、第二回転センサ１４２、および第一回転センサ１４１を当該記載順で収容する箱状の部材である。筐体１６０の形状は特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合は円筒形状であり、蓋部材１６１により第一回転センサ１４１の近傍が閉塞されている。筐体１６０は、モータ１１０、ブレーキ１５０、減速機１２０の少なくとも入力側、第二回転センサ１４２、および第一回転センサ１４１が、転舵輪２００、サスペンション機構が収容されるいわゆるタイヤハウスを形成する車体２１０の部分よりも外側に配置されるように車体２１０に固定されている。本実施の形態の場合、筐体１６０は、減速機１２０の出力側である内歯歯車１２３、および出力側部材１７１の一部も収容しており、内歯歯車１２３は、車体２１０よりも外側に配置されている。なお、筐体１６０は、車体２１０から外側に突出するように取り付けられているが、車両のボンネットに覆われているため視認可能な外部に露出するものではない。

以上のように、本実施の形態に係る転舵装置１００は、モータ１１０と減速機１２０との間にブレーキ１５０が介在接続されているので、減速機１２０に入力される前のモータ１１０の回転トルク、または慣性モーメントに抗することができ、逆入力が発生したことによる転舵装置１００の破損を防止する事ができる。

また、減速機１２０により増幅する前のモータ１１０の回転トルク、または慣性モーメントに抗してトルクを抑制するため、摩擦により発生させるトルクを小さく設定することができる。従って小型のブレーキ１５０を採用することができ転舵装置１００の小型化、特に軸方向の薄型化を図ることができる。

また、検出軸体１４３を用いて減速機１２０の出力側の回転角を入力側の位置に配置される第一回転センサ１４１でセンシングすることにより、減速機１２０の出力側に回転角センサを設ける場合よりも転舵装置１００の軸方向の長さを短くすることができる。

また、モータ１１０、ブレーキ、減速機１２０、第一回転センサ１４１、および第二回転センサ１４２が転舵輪２００の配置されているタイヤハウスを仕切る車体２１０の上方に配置され、車体２１０に取り付けられた筐体１６０に収容されているため、高い防塵性能を得ることができる。

また、筐体１６０の内外の間で電気信号や電力をやり取りする電線を一箇所に集約することができるため、ハーネスの取り回しを容易にすることができる。

また、非通電時作動型のブレーキを採用することで、車両が停車中など転舵装置１００に電力が供給されていない場合は、ブレーキ１５０が回転軸体１１１を固定することにより転舵輪２００の転舵を規制することが可能となる。

ブレーキ制御部１８１は第一回転センサ１４１からの情報に基づき転舵輪２００の挙動が異常と判断した場合にブレーキ１５０を作動させ回転軸体１１１の回転に抗するトルクを発生させる。ここで、転舵輪２００の挙動が異常な状態とは、例えば、走行中の車両がスリップして縁石に転舵輪２００が接触して転舵輪２００が意図しない方向に旋回した場合などである。

図３は、ブレーキ制御部の機能を示すブロック図である。同図に示すように、ブレーキ制御部１８１は、転舵ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１８０の一部であり、回転角取得部１８２と、計時部１８３と、角速度算出部１８４と、異常判断部１８５と、電磁石制御部１８６と、車両状態取得部１８７と、を備えている。

回転角取得部１８２は、第一回転センサ１４１から回転角を取得する処理部である。具体的に回転角取得部１８２は、第一回転センサ１４１からのパルス信号を計数するだけでもよく、パルス数から回転角を算出してもかまわない。

計時部１８３は、時間を計測する処理部である。計時部１８３の計時方法は特に限定されるものではないが、例えばブレーキ制御部１８１のサンプリング周期に基づき時間を計測してもかまわない。例えば、サンプリング周期の１回を時間１としてもかまわない。また、サンプリング周期の回数にサンプリング周期を乗算して実際の時間を算出してもかまわない。

角速度算出部１８４は、回転角取得部１８２から得られる回転角と、計時部１８３から得られる時間に基づき角速度を算出する。具体的に例えば、角速度算出部１８４は、ブレーキ制御部１８１のサンプリング周期１回分の回転角の差分を第一回転センサ１４１から得られるパルス数とし、この値を角速度として取得してもかまわない。なお、この場合でも回転角を計時部１８３から得られた時間で除算したものとする。

異常判断部１８５は、角速度算出部１８４から得られる角速度が所定の角速度閾値以上になった場合、逆入力が発生したと推定し異常であると判断する。

電磁石制御部１８６は、異常判断部１８５が異常であることを示す信号を出力した場合、ブレーキ１５０が備える電磁石１５５を制御して、回転軸体１１１に対しブレーキトルクを加える。本実施の形態の場合、ブレーキ１５０は、無励磁作動型であるため、電磁石制御部１８６は、電磁石１５５への電力の供給を遮断することにより回転軸体１１１にブレーキトルクを加える。

以上により、逆入力発生時に回転軸体１１１に対してブレーキをかけ、モータ１１０のイナーシャトルクを抑制することが可能となる。従って、出力側からの逆入力と入力側からのイナーシャトルクとによる減速機１２０の破損を防止することができる。

車両状態取得部１８７は、転舵輪２００が取り付けられた車両の状態、例えば車両が走行中か停止中かを転舵ＥＣＵなど上位のＥＣＵから取得し、車両の状態に応じてブレーキ１５０を制御する。本実施の形態の場合、車両状態取得部１８７は、車両が駐車中である情報を取得した場合、電磁石制御部１８６に電磁石１５５への電力の供給を遮断するように信号を出力する。これにより、車両の停止中に追突された場合などにおいても転舵輪２００が転舵することを防止できる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。

例えば上記実施の形態に係る転舵装置１００を、ショックアブソーバ２２０、ストラット軸２３０などサスペンション機構を介して転舵輪２００を転舵するものとして説明したが、その他の方式のサスペンション機構介して転舵装置１００が転舵輪２００を転舵してもよく、サスペンション機構とは別に転舵機構を介して転舵輪２００を転舵してもかまわない。

また、入力軸と出力軸とが同軸に配置される減速機１２０として波動歯車機構を例示したが、減速機１２０はこれに限定されるものではなく、例えば遊星歯車機構を利用した減速機１２０等でもかまわない。

また、転舵装置１００は、図４に示すように、過負荷保護装置１３０を備えてもかまわない。過負荷保護装置１３０は、モータ１１０と減速機１２０との間のトルクの伝達を過負荷が発生した場合に切断するいわゆるトルクリミッタである。過負荷保護装置１３０は、回転軸体１１１に同軸上に配置され回転軸体１１１の外周面に固定される第一部材１３１と、減速機１２０の入力側である波動発生体１２１の貫通孔１２８の外周縁部に取り付けられる第二部材１３２と、第一部材１３１に対し第二部材１３２を押しつける方向に付勢する付勢部材１３３と、第一部材１３１と第二部材１３２との間に介在配置され、付勢部材１３３により第二部材１３２が第一部材１３１に押しつけられた際に第一部材１３１、および第二部材１３２に強く係合する球状の係合部材１３４と、を備えている。

過負荷保護装置１３０は、通常の場合、付勢部材１３３の付勢力により第一部材１３１と第二部材１３２とが係合部材１３４を介して強く結合しているため、回転軸体１１１の回転トルクを減速機１２０の波動発生体１２１に伝達する。一方、転舵輪２００が縁石に当たるなどにより急激な逆入力が発生した場合、ストラット軸２３０から減速機１２０を介することにより弱められた逆入力の回転トルクが付勢部材１３３の付勢力に勝った場合、第一部材１３１に対し第二部材１３２が空回りし、逆入力が第一部材１３１、および回転軸体１１１などに及ばなくなる。

過負荷保護装置１３０は、減速機１２０の入力側に配置されているため、減速機１２０により減少した逆入力の回転トルクに対して動作する。つまり、過負荷保護装置１３０が空回りする際の回転トルクの閾値を小さくすることができ、小型の過負荷保護装置１３０を採用することができる。従って、転舵装置１００全体の大きさを抑制することが可能となる。

また、図４に示すように、ブレーキ１５０は、モータ１１０に対し減速機１２０の反対側に配置されてもかまわない。ブレーキ１５０は、過負荷保護装置１３０が空回りする前の状態において、モータ１１０のイナーシャトルクを抑制することで、減速機１２０を保護している。また、ブレーキ１５０によって、過負荷保護装置１３０が空回りする回数が減少し、過負荷保護装置１３０を保護することも可能である。

また、転舵装置１００の一部、または全部がタイヤハウスの内部に配置されていてもよい。

本発明は、自動車、建設機械、農業機械など独立して転舵輪を転舵する車両などに利用可能である。

１００…転舵装置、１１０…モータ、１１１…回転軸体、１１２…ロータ、１１３…磁石、１１４…コイル、１１５…中空部、１１６…保持部、１１７…接続部、１２０…減速機、１２１…波動発生体、１２３…内歯歯車、１２４…外歯歯車、１２５…円筒部、１２６…フランジ部、１２７…第一軸受、１２８…貫通孔、１３０…過負荷保護装置、１３１…第一部材、１３２…第二部材、１３３…付勢部材、１３４…係合部材、１４１…第一回転センサ、１４２…第二回転センサ、１４３…検出軸体、１４４…円盤部、１５０…ブレーキ、１５１…ブレーキディスク、１５２…ブレーキパッド、１５３…アーマチュア、１５４…動作手段、１５５…電磁石、１６０…筐体、１６１…蓋部材、１７１…出力側部材、１７２…自在継手、１８１…ブレーキ制御部、１８２…回転角取得部、１８３…計時部、１８４…角速度算出部、１８５…異常判断部、１８６…電磁石制御部、１８７…車両状態取得部、２００…転舵輪、２１０…車体、２２０…ショックアブソーバ、２３０…ストラット軸、２４０…スプリング、２５０…ナックル、２６０…ロアアーム

Claims

転舵輪を独立して転舵する駆動力を発生させるモータと、
前記モータの回転軸体に接続される減速機と、
前記モータと前記減速機との間のトルクの伝達を抑制するブレーキと、
前記減速機の出力側の回転角を検出する第一回転センサと、
前記第一回転センサからの情報に基づき前記転舵輪の挙動が異常な場合に前記ブレーキを作動させるブレーキ制御部と、
を備える転舵装置。
前記ブレーキ制御部は、
時間を計測する計時部と、
前記第一回転センサから得られる回転角、および計測された時間により算出される角速度に基づき前記転舵輪の挙動の異常を判断する異常判断部と、を備え、
前記異常判断部が異常と判断した場合に前記ブレーキを作動させる
請求項１に記載の転舵装置。
前記ブレーキ制御部は、
前記転舵輪が取り付けられた車両が停止中の場合に前記ブレーキを作動させる
請求項１または２に記載の転舵装置。
前記ブレーキは、
非通電時に前記モータの回転軸体の回転を摩擦により停止させる非通電作動型である
請求項１から３のいずれか一項に記載の転舵装置。