JP4788215B2

JP4788215B2 - 車両用操舵装置

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Publication number: JP4788215B2
Application number: JP2005210593A
Authority: JP
Inventors: 忠雄伊藤; 明長内; 賢司東
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: JP2007022462A

Description

本発明は、操作部材であるステアリングホイールと操舵機構との機械的連結を切り離した状態で、ステアリングホイールの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいて操舵機構を駆動して車輪を転舵する、いわゆるステアバイワイヤ（ＳＢＷ）方式を採用した車両用操舵装置に関する。

ステアバイワイヤ（ＳＢＷ）方式を採用した従来の車両用操舵装置として、特許文献１に開示されたものがある。この車両用操舵装置１００は、図７に示すように、ドライバにより操作されるステアリングホイール１０１と、このステアリングホイール１０１の操作量を電気信号として検出する舵角センサ１０２と、車輪の舵角を変換できる車輪角度変換機構１０３と、舵角センサ１０２の検出電気信号に基づいて車輪角度変換機構１０３の操舵モータ１０３ａを制御するステアバイワイヤ制御部１０４と、ステアリングホイール１０１と車輪角度変換機構１０３との間を機械的に連結できる電磁クラッチ機構１０５とを備えている。

電磁クラッチ機構１０５は、図８に示すように、ステアリングホイール１０１の操作力に連動して回転される第１クラッチ板１０６と、前記車輪角度変換機構１０３の入力軸に連結され、第１クラッチ板１０６に対向配置される第２クラッチ板１０７と、第１クラッチ板１０６をクラッチ切断方向に付勢する電磁力を出力する電磁クラッチ部１０８と、前記第１クラッチ板１０６をクラッチ連結方向に付勢するバネ１０９とを備えている。第１クラッチ板１０６と第２クラッチ板１０７の互いに対向する面には、放射状にクラッチ溝１０６ａ，１０７ａが形成されている。

上記構成において、通常時には、ステアバイワイヤ制御部１０４は、電磁コイル１０８ａに通電して電磁クラッチ機構１０５を切断状態とし、ステアリングホイール１０１と車輪角度変換機構１０３との機械的連結を絶った状態とする。そして、ステアバイワイヤ制御部１０４は、ステアリングホイール１０１が操作されると、舵角センサ１０２が検出した電気量に応じて車輪角度変換機構１０３を駆動して車輪（図示せず）が転舵される。

操舵モータ１０３ａが故障したと判断した場合には、ステアバイワイヤ制御部１０４は、電磁コイル１０８ａへの通電を止めて電磁クラッチ機構１０５を切断状態から連結状態とし、舵角センサ１０２が検出した電気量による車輪角度変換機構１０３の制御を止める。そして、ステアリングホイール１０１の操作力が電磁クラッチ機構１０５を介して車輪角度変換機構１０３に伝達され、車輪角度変換機構１０３によって車輪（図示せず）が転舵される。

このように前記従来例のステアバイワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置では、システム故障時にも、電磁クラッチ機構１０５を利用して車輪の転舵ができるようになっている。そして、第１クラッチ板１０６と第２クラッチ板１０７の互いの対向面にはクラッチ溝１０６ａ，１０７ａが形成してあるため、大きな伝達トルクを発生させることができる。
特開２００４−２３７７８５号公報

しかしながら、前記従来の車両用操舵装置１００では、電磁クラッチ機構１０５が切断状態から連結状態に切り換えられる際には、第２クラッチ板１０７は停止状態であるが、第１クラッチ板１０６はステアリングホイール１０１の操作に連動しているために回転している場合がある。このように、第１クラッチ板１０６と第２クラッチ板１０７に相対的回転差があると、双方のクラッチ溝１０６ａ，１０７ａが直ちに噛み合わない恐れがある。従って、瞬時に電磁クラッチ機構１０５を連結状態にできないという問題がある。ここで、第１及び第２クラッチ板１０６，１０７のクラッチ溝１０６ａ，１０７ａを無くすと瞬時に電磁クラッチ機構１０５を連結状態にできるが、大きな伝達トルクを発生させることができなくなる。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、ステアバイワイヤモードを正常に実行できないと判断した場合には、瞬時に電磁クラッチ機構を連結状態にでき、しかも、大きな伝達トルクを発生させ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。

請求項１の発明は、操作部材の操作に応じて操舵アクチュエータを駆動して、該操作部材と機械的連結を切り離して設けられた操舵機構に連結する車輪を転舵する車両用操舵装置において、前記操作部材と操舵機構を機械的に連結するクラッチ機構を設け、該クラッチ機構は、円柱形状を有しつつ、全円周上に沿って歯車部を具備し、前記操作部材の操作力によって円周方向に回転する第１シャフトと、円筒形状を有し、該第１シャフトを内挿しつつ、該第１シャフトの同軸上に回転自在に支持され、前記操舵機構に回転を伝達する第２シャフトと、該第１シャフトの該歯車部に対向する該第２シャフトの円周上の複数箇所に配置され、該歯車部の歯部間に係合し、該第１シャフトと該第２シャフトとを連結する連結位置と、該歯車部の歯部間から退避し、該第１シャフトと該第２シャフトとを切断する切断位置との間を移動可能に設けられたロック体と、該第２シャフトの円周上に配置され、該ロック体を連結位置、または切断位置に変位させるロック変位手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の車両用操舵装置であって、前記ロック変位手段は、前記ロック体を連結位置側に付勢するバネと、電磁コイルへの通電によって電磁力を発生し、この電磁力によって該ロック体を切断位置に付勢保持する電磁石とを備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の車両用操舵装置であって、前記ロック変位手段は、前記ロック体を磁力によって連結位置側に付勢する永久磁石と、電磁コイルへの通電によって電磁力を発生し、この電磁力によって該ロック体を切断位置に付勢保持する電磁石とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置であって、前記ロック変位手段のそれぞれが、前記歯車部の軸方向に対して、交互にオフセットした位置に配置されたことを特徴とする。

以上説明したように、請求項１の発明によれば、クラッチ機構が第１シャフトと第２シャフトを切断した状態では、操作部材の操作に連動して第１シャフトのみが回転し、第２シャフトは回転しない。しかし、操作部材の操作により操舵アクチュエータを駆動しての車輪の転舵が正常に実行できない場合には、ロック変位手段が各ロック体を連結位置側に変位する。そして、複数のロック体の内の一つでも歯車部の歯部間に嵌合する連結位置に変位すれば第１シャフトと一体となって第２シャフトが回転し、クラッチ機構が連結状態となる。

さらに、複数のロック体の一つでも連結位置に移動すると、歯車部と各ロック体の回転位置が一致するため、他のロック体も同時に連結位置に変位され、第１シャフトと第２シャフトは歯車部と複数のロック体との係合によって連結される。

以上より、操作部材の操作により操舵アクチュエータを駆動しての車輪の転舵を正常に実行できない場合には、瞬時にロック変位手段を連結状態にでき、しかも、歯車部と複数のロック体とが係合するため、大きな伝達トルクを発生させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、電磁コイルに電力が供給されない時には、バネの付勢力によってクラッチ機構が連結状態となるため、電源オフ状態にあっても操作部材によって車輪の転舵が可能である。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、電磁コイルに電力が供給されない時には、永久磁石の付勢力によってクラッチ機構が連結状態となるため、電源オフ状態にあっても操作部材によって車輪の転舵が可能である。

請求項４の発明によれば、請求項１〜請求項３の発明の効果に加え、歯車部の円周方向に沿って複数のロック変位手段を近接配置できるため、径の小さい歯車部に対しても多くのロック変位手段を設置できる。従って、クラッチ機構の切断状態から連結状態への切り換え時間の短縮化や装置のコンパクト化に寄与する。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の一実施形態を示し、図１は車両用操舵装置の全体概略構成図、図２は電磁クラッチ機構の全体断面図、図３は電磁クラッチ機構の要部断面図、図４は電磁ソレノイド機構の断面図、図５は歯車部の歯部間に位相同期しないで変位されたロック体が歯部間の連結位置まで入り込む状態を説明する図である。

図１に示すように、車両用操舵装置１は、ドライバにより操作される操作部材としてのステアリングホイール２と、このステアリングホイール２の操作量を電気信号として検出するホイール操作量検出手段である舵角センサ３と、ステアリングホイール２のトルクを検出するトルクセンサ４と、ステアリングホイール２に反力を付与する操舵反力機構５と、車輪１０の舵角を変換できる操舵機構としての車輪角度変換機構６と、ステアリングホイール２と車輪角度変換機構６との間をケーブル７を介して機械的に連結するクラッチ機構としての電磁クラッチ機構８と、上記した操舵トルク信号、舵角信号の他に、車速（Ｖ）、ヨーレート（ω）、横加速度（Ｇ）信号等が車両ＬＡＮ信号として入力されるステアバイワイヤ制御部（ＳＢＷ制御部）９とを備えている。

電磁クラッチ機構８は、その連結状態ではステアリングホイール２の操作量をケーブル７に伝達し、その機械的な入力量に基づいて車輪角度変換機構６が車輪１０の転舵を行う。電磁クラッチ機構８の詳しい構成は、下記する。

ステアバイワイヤ制御部９は、ステアバイワイヤモード時には、舵角センサ３の舵角検出信号に基づいて車輪角度変換機構６を制御し、ステアリングホイール２の操作量に応じて、車輪角度変換機構６に設けられている操舵アクチュエータ（図示せず）により、車輪１０の転舵を行うと共に、トルクセンサ４の操舵トルク検出信号等に基づいて操舵反力機構５を制御し、ステアリングホイール２を適切なトルクで操作できるようにする。又、ステアバイワイヤ制御部９は、車両電装系異常、ステアバイワイヤシステム異常等によってステアバイワイヤモードを正常に実行できないと判断した場合には電磁クラッチ機構８を切断状態から連結状態に切り換えるよう制御する。

次に、電磁クラッチ機構８の構成を詳しく説明する。電磁クラッチ機構８は、図２及び図３に示すように、ハウジング１１に軸受け部１２を介して回転自在に支持され、ステアリングホイール２側の出力軸２ａ（図１に示す）に連結された円柱状の第１シャフト１３と、円筒形状を有し、ハウジング１１に軸受け部１４を介して、第１シャフト１３の同軸上で回転自在に支持され、外周の出力プーリ面１５ａに車輪角度変換機構６側に連結されたケーブル７のインナーケーブル（図示せず）が巻き付けられるとともに、第１シャフト１３が内挿された第２シャフト１５とを備えている。

第１シャフト１３の外周には、全円周に亘って歯車部１６が設けられている。第２シャフト１５には、ロック変位手段として複数の電磁ソレノイド機構１７が設けられている。複数の電磁ソレノイド機構１７は、歯車部１６に対向する円周上に、且つ、歯車部１６の歯部ピッチ間隔ｐで配置されている。この実施形態では、歯車部１６の歯数は２５個であるため、２５個の電磁ソレノイド機構１７が配置されている。

各電磁ソレノイド機構１７は、図４に示すように、ケース１８外に突出する連結位置（図４の実線位置）とケース１８内に退避する切断位置（図４の仮想線位置）との間を移動自在に配置されたロック体１９と、このロック体１９を連結位置側に付勢する圧縮バネ２０と、電磁コイル２１への通電によって電磁力を発生させ、この電磁力によってロック体１９をバネ力に抗して切断位置側に付勢する電磁石２２とを備えている。図３に示すように、連結位置では、ロック体１９が歯車部１６の歯部１６ａ間に突出して係合し、切断位置では、歯車部１６の歯部１６ａ間から退避して係合しない。ロック体１９の先端側は、歯車部１６の歯部１６ａ間に進入し易いように半球形状に形成されている。

次に、上記車両用操舵装置１の作用を説明する。ステアバイワイヤ制御部９は、通常時にはステアバイワイヤモードを選択し、電磁コイル２１に通電して電磁クラッチ機構８を切断状態とし、ステアリングホイール２と車輪角度変換機構６との機械的連結を切り離した状態とする。そして、ステアバイワイヤ制御部９は、ステアリングホイール２が操作されると、舵角センサ３が検出した電気量に応じて車輪角度変換機構６を駆動して車輪１０が転舵される。

ステアバイワイヤ制御部９は、車両電装系異常、ステアバイワイヤシステム異常等によってステアバイワイヤモードが正常に実行できないと判断した場合には、電磁コイル２１への通電を停止し、電磁クラッチ機構８を切断状態から連結状態とし、舵角センサ３が検出した電気量による車輪角度変換機構６の制御を止める。そして、電磁クラッチ機構８が切断状態から連結状態になると、ステアリングホイール２の操作力が電磁クラッチ機構８からケーブル７を介して車輪角度変換機構６に伝達され、車輪角度変換機構６によって車輪１０が転舵される。

次に、電磁クラッチ機構８が切断状態から連結状態に切り換えられる過程の動作を詳しく説明する。電磁クラッチ機構８の切断状態は、各電磁コイル２１に通電されてその電磁力によって各ロック体１９が切断位置に位置する。従って、第１シャフト１３が回転しても第２シャフト１５は回転しない。

この切断状態にあって、電磁クラッチ機構８を連結状態とするべく各電磁コイル２１への通電が停止されると、図２及び図３に示すように、各圧縮バネ２０の付勢力によって各ロック体１９が歯車部１６の歯部１６ａ間に突出して係合する。ここで、複数のロック体１９の１つでも、歯車部１６の歯部１６ａ間の位置に一致し、連結位置に保持されれば、第１シャフト１３と一体となって第２シャフト１５が回転し、電磁クラッチ機構８が連結状態となる。そして、複数のロック体１９の一つでも連結位置に位置すると、歯車部１６と各ロック体１９の回転位置が一致するため、他のロック体１９も同時に連結位置に変位され、第１シャフト１３と第２シャフト１５は歯車部１６と複数のロック体１９との係合によって結合される。又、図５に示すように、ロック体１９と歯車部１６との最大回転位相差は歯車部１６の歯部ピッチ間隔ｐの半分（２／ｐ）であるため、仮にステアリングホイール２が１Ｈｚ（６０ｒｐｍ）で転舵されていた場合、１秒／（２５歯×２）＝０．０２秒で回転位置が一致し、上述したようにロック体１９が連結位置に変位することになる。

以上より、ステアバイワイヤモードを正常に実行できないと判断した場合には、瞬時に電磁クラッチ機構８を連結状態にでき、しかも、歯車部１６と複数のロック体１９とが係合するため、大きな伝達トルクを発生させることができる。又、歯車部１６は容易に歯数を増やすことができ、歯数の増加によってクラッチ連結時間は短縮されるため、クラッチ連結時間の短縮を容易に行うことができる。

なお、この実施形態では、各電磁ソレノイド機構１７は、ロック体１９を連結位置側に付勢する圧縮バネ２０と、電磁コイル２１への通電によって電磁力を発生させ、この電磁力によってロック体１９を切断位置側に付勢する電磁石２２とを備えたので、電力が供給されない時には、電磁クラッチ機構８が連結状態となるため、電源オフ状態にあってもステアリングホイール２によって車輪１０の転舵が可能である。

又、圧縮バネ２０の替わりに永久磁石を使用しても良い。つまり、各電磁ソレノイド機構を、ロック体１９を磁力によって連結位置側に付勢する永久磁石と、電磁コイル２１への通電によって電磁力を発生させ、この電磁力によってロック体１９を切断位置側に付勢する電磁石２２とから構成する。永久磁石の磁力は、反発力を利用しても良いし、吸着力を利用しても良い。このように構成しても、前記と同様に、電力が供給されない時には、電磁クラッチ機構８が連結状態となるため、電源オフ状態にあってもステアリングホイール２によって車輪１０の転舵が可能である。

図６は複数の電磁ソレノイド機構１７の配置パターンの変形例を示す斜視図である。図６に示すように、この配置パターンの変形例では、複数の電磁ソレノイド機構１７は、歯車部１６の軸方向に対し、交互にオフセットした位置（千鳥パターン）に配置されている。このように配置すれば、歯車部１６の円周方向に沿って複数の電磁ソレノイド機構１７を近接配置できるため、径の小さい歯車部１６に対しても多くの電磁ソレノイド機構１７を設置できる。従って、電磁ソレノイド機構１７の切断状態から連結状態への切り換え時間の短縮化や装置のコンパクト化に寄与する。

また、電磁石２２の電磁コイル２１を太いコイルと細いコイルから構成し、電磁コイル２１への通電開始当初は太いコイルに通電し、通電開始より所定時間経過後は細いコイルにも通電するようにする。このように構成すれば、電磁コイル２１への通電開始当初は大きな電磁力が作用するため、ロック体１９を確実に移動でき、ロック体１９の移動を終えた後は小さな電磁力が作用するため、電磁コイル２１を過剰に発熱させることなく低電力でロック体１９の切断位置を保持できる。

さらに、電磁石２２の電磁コイル２１への通電を終えると、所定時間だけ電磁コイル２１に逆相の電流を通電するようにする。このように構成すれば、電磁コイル２１への通電を終えると、逆相の電流によってロック体１９の残留磁気が瞬時に消去されるため、ロック体１９を圧縮バネ２０のバネ力によって瞬時に、且つ、確実に移動できる。

尚、電磁クラッチ機構８は、電磁コイル２１への通電時に切断状態とし、電磁コイル２１への非通電時に連結状態としたが、反対に、電磁コイル２１への通電時に連結状態とし、電磁コイル２１への非通電時に切断状態とするように構成しても良い。

本発明の一実施形態を示し、車両用操舵装置の全体概略構成図である。本発明の一実施形態を示し、クラッチ機構の全体断面図である。本発明の一実施形態を示し、クラッチ機構の要部断面図である。本発明の一実施形態を示し、ロック変位手段の断面図である。本発明の一実施形態を示し、歯車部の歯部間に位相同期しないで変位されたロック体が歯部間の連結位置まで入り込む状態を説明する図である。本発明の一実施形態を示し、複数のロック変位手段の配置パターンの変形例を示す斜視図である。従来例の車両用操作装置の全体概略構成図である。図７のＢ部の詳細図である。

符号の説明

１車両用操舵装置
２ステアリングホイール（操作部材）
３舵角センサ（ホイール操作量検出手段）
６車輪角度変換機構（操舵機構）
８電磁クラッチ機構（クラッチ機構）
９ステアバイワイヤ制御部
１０車輪
１３第１シャフト
１５第２シャフト
１６歯車部
１６ａ歯部
１７電磁ソレノイド機構（ロック変位手段）
１９ロック体
２０圧縮バネ（バネ）
２１電磁コイル
２２電磁石

Claims

操作部材の操作に応じて操舵アクチュエータを駆動して、該操作部材と機械的連結を切り離して設けられた操舵機構に連結する車輪を転舵する車両用操舵装置において、
前記操作部材と操舵機構を機械的に連結するクラッチ機構を設け、
該クラッチ機構は、
円柱形状を有しつつ、全円周上に沿って歯車部を具備し、前記操作部材の操作力によって円周方向に回転する第１シャフトと、
円筒形状を有し、該第１シャフトを内挿しつつ、該第１シャフトの同軸上に回転自在に支持され、前記操舵機構に回転を伝達する第２シャフトと、
該第１シャフトの該歯車部に対向する該第２シャフトの円周上の複数箇所に配置され、該歯車部の歯部間に係合し、該第１シャフトと該第２シャフトとを連結する連結位置と、該歯車部の歯部間から退避し、該第１シャフトと該第２シャフトとを切断する切断位置との間を移動可能に設けられたロック体と、
該第２シャフトの円周上に配置され、該ロック体を連結位置、または切断位置に変位させるロック変位手段と
を備えたことを特徴とする車両用操舵装置。
請求項１記載の車両用操舵装置であって、
前記ロック変位手段は、
前記ロック体を連結位置側に付勢するバネと、
電磁コイルへの通電によって電磁力を発生し、この電磁力によって該ロック体を切断位置に付勢保持する電磁石とを備えたことを特徴とする車両用操舵装置。
請求項１記載の車両用操舵装置であって、
前記ロック変位手段は、
前記ロック体を磁力によって連結位置側に付勢する永久磁石と、
電磁コイルへの通電によって電磁力を発生し、この電磁力によって該ロック体を切断位置に付勢保持する電磁石とを備えたことを特徴とする車両用操舵装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用操舵装置であって、
前記ロック変位手段のそれぞれが、
前記歯車部の軸方向に対して、交互にオフセットした位置に配置されたことを特徴とする車両用操舵装置。