JP2005047338A - 車両用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バネ等の弾性力を利用した機械的な反力と、反力モータ等で付与される電気的な反力とを、状況に応じて切り替えることができる車両用操舵装置を提供する。
【解決手段】車両の操作部材に連結したステアリングシャフト１０と、操舵部材の操作に応じて操舵反力をステアリングシャフト１０に付与する反力モータと、反力モータの異常を検知する異常検知手段５７と、ステアリングシャフト１０に弾性による反力を付与する反力付与手段３０と、ステアリングシャフト１０と機械的に連結されていない車輪操舵手段とを備えた車両用操舵装置において、反力付与手段は、弾性による反力を生じる弾性体４３と、弾性による反力を生じないよう弾性体４３に係着される係着部材４５と、異常検知手段５７で反力モータの異常が検知された場合、係着部材４５を弾性体４３から離脱させる係着部材離脱手段とを備える。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操舵輪等の操舵部材が車輪の向きを変える車輪操舵機構に機械的に連結されていない車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車室内部のレイアウトの自由度を大きくし、車室内の空間拡大を図るとともに、操舵輪の突き上げを防止することを目的として、ステアバイワイヤ方式のステアリング装置が用いられる。ステアバイワイヤ方式のステアリング装置は、ステアリングホイール等の操舵部材をステアリングギヤ等の車輪操舵機構に機械的に連結することなく、車輪を操舵することができる車両の操舵装置である。
【０００３】
ステアバイワイヤ方式のステアリング装置は、操舵部材をステアリングギヤ等の車輪操舵機構に機械的に連結していないことから、セルフアライニングトルクにより操舵部材を直進操舵位置に復帰させることはできない。したがって、操舵部材を直進操舵位置に復帰させるために、弾性部材により適度な反力を付与する。
【０００４】
例えば特許文献１では、電磁クラッチにより、モータの故障時であっても確実に操舵部材の回転トルクを車輪操舵機構に伝達することができるステアリング装置が開示されている。
【０００５】
しかし、特許文献２に開示されているステアバイワイヤ方式のステアリング装置のように、反力モータを車室外に配置し、伝動ケーブルで接続している場合、伝動ケーブルに障害が発生すると反力を付与することができない。そこで、通常は機械的な弾性力による反力付与手段を別途設けることで対応している。
【０００６】
例えば特許文献３では、ステアリングホイールの操舵回転角度を検出するセンサ及び車の速度を検出するセンサと、実操舵角度を検出するセンサを備え、ステアリングホイールの操舵回転角度と実操舵角度との偏差を最小にし、ステアリングシャフトの中立位置へ戻す適当な反力トルクを生じるステアリング装置が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
実開昭６１−４８８７０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２５７３３号公報
【特許文献３】
特開２０００−５３００８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、バネ等の弾性力を利用した機械的な反力と、反力モータ等で付与される電気的な反力との両方が同時に加わると、電気的な反力の大きさを制御する反力モータの制御が困難となる。すなわち、操舵部材の回転トルクはトルクセンサにより容易に検出することはできるが、バネ等の弾性力を利用した機械的な反力トルクを正確に検出することは困難であるので、反力モータ等で付与される電気的な反力が、ある場合には過剰に、ある場合には過小に付与されるおそれがあり、安全に車を運転するという観点から問題があった。
【０００９】
また、反力モータ等に障害が発生した場合、安全に車の運転を継続するために何らかのバックアップシステムを構築しておくことも必要である。
【００１０】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、バネ等の弾性力を利用した機械的な反力と、反力モータ等で付与される電気的な反力とを、状況に応じて切り替えることができる車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１発明に係る車両用操舵装置は、車両の操作部材に連結したステアリングシャフトと、前記操作部材の操作に応じて操舵反力をステアリングシャフトに付与する反力モータと、前記反力モータの異常を検知する異常検知手段と、前記ステアリングシャフトに弾性による反力を付与する反力付与手段と、前記ステアリングシャフトと機械的に連結されていない車輪操舵手段とを備えた車両用操舵装置において、前記反力付与手段は、弾性による反力を生じる弾性体と、弾性による反力を生じないよう前記弾性体に係着される係着部材と、前記異常検知手段で前記反力モータの異常が検知された場合、前記係着部材を前記弾性体から離脱させる係着部材離脱手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
第１発明に係る車両用操舵装置では、反力モータに異常が生じたことが検知されると、反力付与手段のバネ等の弾性体に係着された係着部材が離脱され、バネ等の弾性を利用した機械的な反力を付与することができることから、車の走行中に反力モータに異常が生じた場合であっても、安全に走行することが可能となる。
【００１３】
また、第２発明に係る車両用操舵装置は、第１発明において、前記係着部材離脱手段は、前記係着部材と前記操作部材とを連結し、前記操作部材の操作に応じて前記係着部材を前記弾性体から離脱させるワイヤであることを特徴とする。
【００１４】
第２発明に係る車両用操舵装置では、バネ等による機械的な反力を付与する反力付与手段に係着された係着部材が、操作部材とワイヤで連結されていることから、操作部材を回転操作してワイヤを巻き取ることで、容易に係着部材を反力付与手段から離脱させることができ、確実にバネ等の弾性力を利用した機械的な反力を付与することが可能となる。
【００１５】
また、第３発明に係る車両用操舵装置は、第２発明において、前記係着部材離脱手段は、少なくとも電磁クラッチと２つのプーリとを含み、該プーリは前記電磁クラッチの接続面の駆動部材と被駆動部材とにそれぞれ配置され、一方のプーリは前記操作部材と、他方のプーリは前記係着部材と、それぞれ前記ワイヤを介して連結され、前記異常検知手段で前記反力モータの異常が検知された場合、前記電磁クラッチを接続する接続手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
第３発明に係る車両用操舵装置では、通常時は電磁クラッチが接続されず、反力モータによる電気的な反力のみが付与され、反力モータに異常が生じたことを検知した場合は、電磁クラッチを接続して、操作部材を回転操作してワイヤを巻き取ることで、係着部材を反力付与手段から離脱し、反力付与手段のバネ等による弾性力を利用した機械的な反力のみを付与することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の全体構成を示す模式図である。図１では、ステアリングホイール（操作部材）１をステアリングギヤ３に機械的に連結せず、ステアリングホイール１の操作に応じて操舵用アクチュエータ２を駆動させる。
【００１８】
ステアリングギヤ３は、操舵用アクチュエータ２の出力シャフトの回転運動を、ステアリングロッド７の直線運動に変換する車輪操舵手段としての運動変換機構を有する。ステアリングロッド７の動きは、タイロッド８とナックルアーム９を介して車輪４に伝達される。操舵用アクチュエータ２は、例えばブラシレスモータ等の電動モータを用い、操舵用アクチュエータ２の動きを車輪４の操舵角度に変換できさえすればよい。
【００１９】
ステアリングホイール１は、車体側で回転可能に支持されるステアリングシャフト１０を有する。ステアリングシャフト１０の回転角度の検出センサ１１による検出信号と、速度センサ１３による車速の検出信号が、コンピュータにより構成される制御装置１２に送られる。制御装置１２は、検出された回転角度と車速に応じて目標転舵角度を演算する。例えば、検出された回転角度に対して目標転舵角度を比例させると共に、比例定数を車速の増大に応じて減少させる。また、車速以外の走行状態、例えば横加速度等を検出するセンサを設け、検出された横加速度等に応じて目標転舵角度を変化させるようにしてもよい。
【００２０】
一方、ステアリングロッド７の作動量を検出するポテンショメータ等の実操舵量センサ１４が設けられ、検出された信号が制御装置１２に送られる。制御装置１２は、検出されたステアリングロッド７の作動量に対応する実操舵角度と目標操舵角度との偏差がなくなるように、駆動回路１５を介して操舵用アクチュエータ２を駆動する。
【００２１】
また、ステアリングホイール１を操舵するのに要する操舵反力を作用させるため、ステアリングシャフト１０にトルクを付加する反力アクチュエータ１８が設けられる。反力アクチュエータ１８は、ステアリングシャフト１０と一体となる出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを反力モータとして用いる。
【００２２】
制御装置１２は、検出された回転角度と検出された車速に応じて目標反力トルクを演算し、演算された目標反力トルクを反力アクチュエータ１８が発生するように、駆動回路１６を介して反力アクチュエータ１８を駆動する。目標反力トルクと回転角度と車速の関係は、例えば、ステアリングホイール１とステアリングギヤ３とが機械的に連結されていた場合に作用する路面からの操舵抵抗トルクと操舵角度と車速との関係に基づいて求める。また、車速以外の走行状態、例えば横加速度等を検出するセンサを設け、その検出値に応じて目標反力トルクを変化させるようにしてもよい。
【００２３】
ステアリングシャフト１０により伝達される反力トルクを検出するトルクセンサ１７が設けられ、検出された反力トルク値が制御装置１２に送られる。制御装置１２は、検知された反力トルクに操舵用アクチュエータ２の発生操舵力が対応するように、駆動回路１５から出力される操舵用アクチュエータ２の駆動電流を制御する。すなわち、運転者が作用させる操作力に対応する反力トルクが大きくなれば操舵用アクチュエータ２の発生操舵力を大きくし、その反力トルクが小さくなれば操舵用アクチュエータ２の発生操舵力を小さくする。このようにすることで、運転者が操作力を作用させていない状態では操舵用アクチュエータ２は駆動されず、車輪４はセルフアライニングトルクにより直進状態に復帰する。操舵用アクチュエータ２と反力アクチュエータ１８の制御系は公知のものを用いればよく、回転操作部材の操作に応じて操舵用アクチュエータ２を駆動することさえできれば特に限定されるものではない。
【００２４】
車の運転者がステアリングホイール１を操舵していない場合、安全の観点から、ステアリングホイール１を直進操舵位置に復帰させる弾力を付与することが好ましい。そこで、斯かる反力を付与する弾性部材を有する反力付与機構３０を設ける。
【００２５】
図２に反力付与機構（反力付与手段）３０のステアリングシャフト１０の軸方向の断面図を示す。図２に示すように、反力付与機構３０は、ボールスクリューシャフト３１と、該スクリューシャフト３１を覆うと共にステアリングシャフト１０を覆うケーシング２９と一体の筒状のハウジング３２と、該ハウジング３２の一端側（図３の上方側）に挿入される第１ストッパー３３と、該ハウジング３２の他端側（図３の下方側）に挿入される第２ストッパー３４とを有する。
【００２６】
スクリューシャフト３１は、一端側（図３の上方側）でステアリングシャフト１０と同軸心になるよう一体化される。両ストッパー３３、３４は筒状で、径方向内側に向かう内向きフランジ３３’、３４’を有し、スクリューシャフト３１の軸方向の間隔をおいて配置される。ハウジング３２は、車体に例えばボルトにより固定され、各ストッパー３３、３４は、ハウジング３２に例えば圧入されることで固定される。スクリューシャフト３１は、ケーシング２９と第２ストッパー３４に嵌合されるベアリング３５、３６を介して車体側に支持される。
【００２７】
スクリューシャフト３１に、ボール３８を介してボールナット３９がねじ合わされる。ボールナット３９は、本体３９ａと、本体３９ａの外周に圧入されることで一体化される筒状部材３９ｂと、筒状部材３９ｂの両端外周から外方に突出する第１及び第２のフランジ３９ｃ、３９ｄと、筒状部材３９ｂの内周に圧入されることで一体化される抜け止め部材３９ｅを有する。筒状部材３９ｂは２部材３９ｂ’、３９ｂ”を例えばねじ合わせることで構成され、外周に後述のスライダー４１、４２とバネ４３（弾性部材）の嵌合が可能とされている。
【００２８】
ボールナット３９側の筒状部材３９ｂの外周に、環形状の第１スライダー４１と環形状の第２スライダー４２が、スクリューシャフト３１の軸方向に変位可能かつ径方向変位が規制されるように嵌め合わされる。両スライダー４１、４２は、スクリューシャフト３１の軸方向に沿って互いに間隔をおいて並列する。弾性部材は、両スライダー４１、４２の間においてナット３９側の外周を囲むように配置される圧縮コイルバネ４３により構成される。各スライダー４１、４２に、そのバネ４３の内部に向かい延びる筒状部４１ａ、４２ａが形成されている。両スライダー４１、４２によりバネ４３が挟まれることで、バネ４３は、第１スライダー４１にスクリューシャフト３１の一端に向かう（図３の上方に向かう）弾力を作用させ、第２スライダー４２にスクリューシャフト３１の他端に向かう（図３の下方に向かう）弾力を作用させる。
【００２９】
両スライダー４１、４２とバネ４３は、車体側部材である両ストッパー３３、３４の間に配置される。第１ストッパー３３は、第１スライダー４１に対向する第１阻止面３３ａを有する。第２ストッパー３４は、第２スライダー４２に対向する第２阻止面３４ａを有する。両阻止面３３ａ、３４ａは、その間に両スライダー４１、４２とバネ４３が位置するように配置される。図２は、ステアリングホイール１が直進操舵位置にある時の状態を示し、バネ４３の弾力により第１スライダー４１は第１阻止面３３ａに押し付けられ、第２スライダー４２は第２阻止面３４ａに押し付けられる。
【００３０】
また、両スライダー４１、４２とバネ４３は、ボールナット３９側である両フランジ３９ｃ、３９ｄの間に配置される。第１フランジ３９ｃは、第１スライダー４１に対向する第１受け面３９ｃ’を有する。第２フランジ３９ｄは、第２スライダー４２に対向する第２受け面３９ｄ’を有する。両受け面３９ｃ’、３９ｄ’は、その間に両スライダー４１、４２とバネ４３が位置するように配置される。ステアリングホイール１が直進操舵位置にある場合、第１受け面３９ｃ’は第１阻止面３３ａと、第２受け面３９ｄ’は第２阻止面３４ａと、スクリューシャフト３１の軸方向において同一位置に配置される。
【００３１】
反力モータによる反力が付与されている間に、上述した反力付与機構３０による機械的な反力が付与されると、反力モータの回転制御が困難になる。したがって、反力モータによる反力が付与されている間は、上述した反力付与機構３０による機械的な反力が付与されないよう規制する必要がある。そこで、本実施の形態では、反力付与機構３０のバネ（弾性体）４３が機能しないように、ストッパー（係着部材）４５をバネ４３を挟み込むよう係着する。図３にストッパー４５の概略構成の斜視図を示す。
【００３２】
図３に示すように、ストッパー４５は、反力付与機構３０のケーシング２９の一部に係着することができ、バネ４３を挟み込む楔形部４６を両端に備える。楔形部４６と反対側の面にはワイヤ４７が接続され、該ワイヤ４７は、電磁クラッチ機構５０に連結されている。
【００３３】
図４に、電磁クラッチ機構（係着部材離脱手段）５０の概略構成断面図を示す。図４に示すように、ストッパー４５に接続されるワイヤ４７は、一方のプーリ５１に掛け止めされ、第１シャフト（被駆動部材）５２と連動する。第１シャフト５２と第２シャフト（駆動部材）５３とは、コイル５６の発生する磁力によって、アーマチュア５５が摩擦板５４に引きつけられ、または離れることにより、それぞれ接続し、または離脱する。すなわち、コイル５６は、電磁クラッチ機構５０を接続する手段として機能する。第２シャフト５３にも端部に他方のプーリ５１が設けられ、ステアリングホイール１等の操舵機構と連結されるワイヤ４７が掛け止めされる。
【００３４】
電磁クラッチ機構５０は、反力用アクチュエータ１８の異常が検知されるか否かに応じて、コイル５６の発生する磁束を制御する。反力用アクチュエータ１８の異常については、反力用アクチュエータ１８に異常検出機構（異常検知手段）５７を備え、反力モータの回転状態を示す信号を制御装置１２が受信し、駆動回路１６から駆動電流が供給されたにもかかわらず反力モータの回転状態を示す信号を受信できなかった場合、反力用アクチュエータ１８に異常が発生したと判断する。
【００３５】
電磁クラッチ機構５０は、異常検出機構５７で反力用アクチュエータ１８の異常が検知されない場合、コイル５６は磁束を発生させず、アーマチュア５５は引きつけられない。したがって、ステアリングホイール１を回転させてもストッパー４５に接続されるワイヤ４７は巻き取られず、操舵用アクチュエータ２による反力のみが付与される。
【００３６】
異常検出機構５７で反力用アクチュエータ１８の異常が検知された場合、コイル５６は磁束を発生させ、アーマチュア５５を引きつける。したがって、ステアリングホイール１を回転させると、ストッパー４５に接続されるワイヤ４７は電磁クラッチ機構５０のプーリ５１に巻き取られ、ストッパー４５は反力付与機構３０から離脱する。ストッパー４５が反力付与機構３０から離脱されることで、バネ４３の動きは規制されず、操舵用アクチュエータ２による反力が付与されなくても、反力付与機構３０から機械的な反力が付与される。
【００３７】
以上のように本実施の形態によれば、反力モータに障害が発生していない場合には、反力モータによる電気的な反力のみを付与することができ、他の機構により付与される反力との干渉等を考慮することなく適切に反力の大きさを制御することができる。一方、走行中に反力モータに異常が生じた場合であっても、バネ等の弾性力を利用した機械的な反力を付与することができることから、操舵機構に確実に反力を付与することができ、より安全に走行することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されない。例えば、操舵機構としてステアリングホイールに限定されるものではなく、例えば二輪車のハンドルと同様の形態であってもよい。また、弾性部材として圧縮コイルバネ以外の形式のバネやゴム等を用いてもよい。また、ボールスクリューシャフトとボールナットに代えて、直接に噛み合う一般的なスクリューシャフトとナットを用いてもよい。スクリューシャフトのリード角は、ナットに作用する弾力によりスクリューシャフトを回転させるのに必要なトルクが発生するように定めることは言うまでもない。
【００３９】
また、操舵用アクチュエータ２及び反力アクチュエータ１８に用いる電動モータの障害発生の確率を低減する方法も、ステアバイワイヤ方式のステアリング装置の安全性を高める上で有効である。以下、操舵用アクチュエータ２の場合を例に挙げて、電動モータの障害発生の確率を低減する方法について説明する。
【００４０】
図５は、電動モータの障害発生の確率を低減する方法として電動モータを複数化した操舵用アクチュエータ２を含む操舵機構の模式図である。図５に示すように、通常用いる電動モータ６１の他に、スタンバイ用の電動モータ６２をさらに設け、電動モータ６１、６２と操舵用アクチュエータ２との間に電磁クラッチ６３、６４を設ける。
【００４１】
単に電動モータ６１、６２を並列して操舵用アクチュエータ２に機械的に接続し、いずれかに障害が発生した場合、他方で代用するという方法では、通常の動力付加時に、電動モータ６１、６２の互いの慣性が影響しあって、操舵用アクチュエータ２の駆動に用いる電動モータ６１に対して適正な回転制御を行うことが困難であるという問題があった。
【００４２】
そこで、本実施の形態では、電動モータ６１、６２と操舵用アクチュエータ２との間に電磁クラッチ６３、６４を設ける。通常は、電磁クラッチ６３を接続し、電磁クラッチ６４を開放することで、電動モータ６１のみが操舵用アクチュエータ２に接続される。電動モータ６１に何らかの障害が発生した場合には、電磁クラッチ６３を開放し、電磁クラッチ６４を接続することで、スタンバイ用の電動モータ６２が操舵用アクチュエータ２に接続される。
【００４３】
このようにすることで、操舵用アクチュエータ２の駆動に用いていない電動モータ６２の慣性が操舵用アクチュエータ２に与える影響を低減することができ、操舵用アクチュエータ２の駆動に用いている電動モータ６１に障害が発生した場合であっても、スタンバイ用の電動モータ６２に容易に切り替えることができるので、操舵用アクチュエータ２に含まれる電動モータ駆動回路からモータ用のリレーを省略することができ、より簡単な機構で電動モータの障害発生の確率を低減することが可能となる。
【００４４】
上述した例では、操舵用アクチュエータ２の駆動に用いる電動モータを複数化する場合について説明しているが、反力アクチュエータ１８に適用する場合であっても、同様の構成により同様の効果が期待できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、通常は反力モータによる電気的な反力のみを付与することができ、走行中に反力モータに異常が生じた場合であっても、バネ等の弾性力を利用した機械的な反力を付与することができることから、操舵機構に確実に反力を付与することができ、より安全に走行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る車両用操舵装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】反力付与機構のステアリングシャフトの軸方向の断面図である。
【図３】ストッパーの概略構成を示す斜視図である。
【図４】電磁クラッチ機構の概略構成断面図である。
【図５】電動モータを複数化した操舵用アクチュエータを含む操舵機構の模式図である。
【符号の説明】
１ ステアリングホイール（操作部材）
２ 操舵用アクチュエータ
１０ ステアリングシャフト
１８ 反力アクチュエータ（反力モータ）
３０ 反力付与機構（反力付与手段）
４３ ばね（弾性体）
４５ ストッパー（係着部材）
４７ ワイヤ
５０ 電磁クラッチ機構（係着部材離脱手段）
５１ プーリ
５２ 第１シャフト（被駆動部材）
５３ 第２シャフト（駆動部材）
５６ コイル
５７ 異常検出機構（異常検知手段）

Claims (3)

1. 車両の操作部材に連結したステアリングシャフトと、
   前記操作部材の操作に応じて操舵反力をステアリングシャフトに付与する反力モータと、
   前記反力モータの異常を検知する異常検知手段と、
   前記ステアリングシャフトに弾性による反力を付与する反力付与手段と、
   前記ステアリングシャフトと機械的に連結されていない車輪操舵手段とを備えた車両用操舵装置において、
   前記反力付与手段は、
   弾性による反力を生じる弾性体と、
   弾性による反力を生じないよう前記弾性体に係着される係着部材と、
   前記異常検知手段で前記反力モータの異常が検知された場合、前記係着部材を前記弾性体から離脱させる係着部材離脱手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
2. 前記係着部材離脱手段は、前記係着部材と前記操作部材とを連結し、前記操作部材の操作に応じて前記係着部材を前記弾性体から離脱させるワイヤであることを特徴とする請求項１記載の車両用操舵装置。
3. 前記係着部材離脱手段は、少なくとも電磁クラッチと２つのプーリとを含み、該プーリは前記電磁クラッチの駆動部材と被駆動部材とにそれぞれ配置され、
   一方のプーリは前記操作部材と、他方のプーリは前記係着部材と、それぞれ前記ワイヤを介して連結され、
   前記異常検知手段で前記反力モータの異常が検知された場合、前記電磁クラッチを接続する接続手段を備えることを特徴とする請求項２記載の車両用操舵装置。

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