JP2015500175A - 直流モータによって駆動されるアクチュエータを備えた触覚式アクセルペダル、及び、触覚式アクセルペダルの制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ペダルエレメント（５）とアクチュエータ（１３）とを備え、ペダルエレメント（５）は静止位置（Ｐｍｉｎ）から操作方向（７）で最大操作位置（Ｐｍａｘ）まで運動することができ、アクチュエータ（１３）はモータ（２３）によって移動可能な操作エレメント（２７）を介してペダルエレメント（５）と協働することができ、操作エレメント（２７）を介して操作方向（７）に対して反対向きの力をペダルエレメント（５）へ作用させることができる、車両（１）用の触覚式アクセルペダル（１１）に関する。本発明によれば、モータ（２３）は、直流モータであり、かつ、トランスミッション（２５）を介して操作エレメント（２７）に結合されている。

Description

本発明は、車両内の触覚式アクセルペダル、及び、触覚式アクセルペダルの制御方法に関する。本発明は、さらに、相応に構成された制御装置、及び、動作時にプログラミング可能な制御装置に本発明の方法を実行させるコンピュータプログラム製品、及び、こうしたコンピュータプログラム製品を記憶したコンピュータ読み出し可能媒体に関する。

従来技術
今日の車両では、ドライバーは車両を運転する際に供給される多数の情報によって支援される。例えば、ドライバーにとって、走行時の安全性乃至ドライバーの快適性を高め、また燃料を節約するために、求められた走行状態が信号の形態でフィードバックされれば役立つはずである。こうしたフィードバックは、光学式もしくは音響式など、種々の方式で形成される。

また、今日の車両では、付加的に車両のアクセルペダルによるドライバーへの触覚式フィードバック手段が実現されている。このためにアクセルペダルには意図的に所定の力を印加することのできるアクチュエータが設けられている。例えば、アクセルペダルが信号フェーズ中アクチュエータで形成された可変の力によって振動され、ドライバーはアクセルペダルに置いた足で振動ないし脈動を触覚的に知覚できるように構成される。これに代えて、アクチュエータがアクセルペダルに反対向きの力を作用させ、例えばアクセルペダルが所定のペダル位置以上に踏み込まれるのを困難にし、触覚的に知覚可能な可変の圧力点を表すこともできる。

このように、ドライバーは触覚によって示唆や警報を受け取ったり、快適性機能を利用したりすることができる。その際にも光学信号もしくは音響信号によって例えば交通観察の注意をそらされることがない。

ＤＥ２５５５４２９には、触覚によって知覚可能な信号（以下、触覚信号と称する）を形成する車両内の装置が記載されている。

発明の開示
本発明の特徴によれば、車両内の触覚式アクセルペダル及びその駆動方法の有利な実施形態が得られる。この場合、各要素の構造的工夫により、本発明のアクセルペダルの重量、寸法、費用等は従来技術の触覚式アクセルペダルに比べて低減できる。また、触覚式アクセルペダルの動作時のエネルギ消費量及び摩耗現象も低下させることができる。

本発明の触覚式アクセルペダルはペダルエレメントとアクチュエータとを備える。ペダルエレメントは、静止位置から操作方向で最大操作位置まで運動可能である。アクチュエータはモータによって移動可能な操作エレメントを介してペダルエレメントと協働でき、さらに、操作エレメントを介して操作方向に対して反対向きの力をペダルエレメントへ作用させることができる。ここで、アクチュエータのモータは、直流モータであり、かつ、トランスミッションを介して操作エレメントに結合されている。

本発明で提案される触覚式アクセルペダルのコンセプトは、以下の知識に基づいている。触覚信号の形成に必要な約２０Ｎから約１００Ｎの大きな力をアクセルペダルのペダルエレメントへ伝達するため、従来の触覚式アクセルペダルではふつう直接駆動機構を利用していた。こうした直接駆動機構として用いられるモータは、一般に、重量及び寸法とも大きくなるか、又は、コンパクトにすると小さな空間で大きなトルクを形成しなければならないため、例えば希土類材料から成る特別な磁石を要することになる。こうした磁石は効果である。さらに、例えば数アンペアの高い電流強度で駆動する必要がある。

これらの欠点にもかかわらず、これまで、触覚信号の形成のための短い時間で充分に大きな力を形成するために、直接駆動機構、例えばトルクモータを利用するしかないということが基礎となっていた。

本発明では、トルクモータを直流モータによって置換することが提案される。必要な力を形成するために、直流モータにトランスミッションが後置接続され、このトランスミッションが操作エレメントに結合される。当該操作エレメントはアクセルペダルのペダルエレメントに作用結合され、直流モータの力がペダルエレメントに伝達されるのである。

直流モータは、トルクモータ等とは異なって、トルクを制限なしにモータ軸の回転角度全体にわたって形成できる。このため、直流モータでは、ギヤトランスミッションと対応する変換段とにより、モータトルクをきわめて大きな値へ変換することができる。このようにすれば、電流消費量も重量もきわめて小さいコンパクトな直流モータによって、従来のトルクモータで形成されるのと同程度のトルクを形成することができる。

操作エレメント及びペダルエレメントは、有利には、アクチュエータが操作エレメントを介して、操作方向（ドライバーがペダルエレメントを静止位置から最大操作位置まで踏み込むことができる方向）に対して反対向きの力のみをペダルエレメントへ作用させることができるように構成される。言い換えれば、操作エレメント及びペダルエレメントは、例えば圧力もしくはこれに代わる張力としての力が操作エレメントからペダルエレメントへ一方向のみに作用し、反対方向の力の伝達が生じないように、結合される。これにより、アクチュエータはペダルエレメントの踏み込みに対して反対向きの対抗力をペダルエレメントの静止位置まで作用させ、ペダルエレメントを静止位置から動かさないことが保証される。

一方で充分な大きさの対抗力をペダルへ作用させ、他方で操作エレメントを迅速に移動させるため、アクチュエータのトランスミッションは二段式に構成される。

アクチュエータ内のトランスミッションを備えた直流モータの電流消費量は従来使用されている直接駆動機構に比べて格段に小さく、関連する損失電力も同様に小さいので、アクチュエータの駆動に用いられる電子回路は、制御部、例えば自動車の既存の内燃機関制御装置に組み込むことができる。よって、触覚式アクセルペダルの駆動のためのみの付加的な制御装置を設ける必要はない。

さらに、本発明では、触覚式アクセルペダルの制御方法が提案される。ここで、ペダルエレメントには、信号フェーズ中、アクチュエータで形成される対抗力が印加される。当該対抗力とは、操作方向、すなわち、ペダルエレメントが静止位置（ゼロ位置）から最大操作位置まで運動する方向に対して反対向きに作用する力のことである。信号フェーズ以外では、アクチュエータは、ペダルエレメントとアクチュエータとの間の結合が分離されるように駆動される。

言い換えれば、ペダルエレメント及びアクチュエータは、少なくともアクチュエータが一方の方向へ操作される際にアクチュエータとペダルエレメントとの間の作用結合が分離され、アクチュエータが他方の方向へ操作される際に上記の作用結合が形成もしくは維持されてアクチュエータからペダルエレメントへの力の伝達が可能となるように構成される。

ここで、アクチュエータは、ペダルエレメントとアクチュエータとの間の作用結合が、主として本来の信号フェーズ中のみ、すなわち、触覚信号を形成するための対抗力がペダルエレメントにかかっている期間中にのみ形成されるように駆動される。当該信号フェーズ以外の期間では、アクチュエータはペダルエレメントから切り離され、直接の作用を受けないようにすべきである。これにより、所定の信号フェーズ以外では触覚式アクセルペダルは従来のアクセルペダルと同様にふるまい、ドライバーがペダルエレメントに結合されたアクチュエータによる触覚的影響を感じないことが保証される。さらに、信号フェーズ以外では、アクチュエータはペダルエレメントから分離されていてエネルギコスト無しに静止させることができるため、短時間しかエネルギを要しないので、アクチュエータのエネルギ消費量は小さく保つことができる。

アクチュエータは、信号フェーズ後に静止状態を取り、この静止状態ではペダルエレメントの取りうる複数の位置のいずれにおいてもペダルエレメントとアクチュエータとの作用結合が生じないように、駆動される。

言い換えれば、アクチュエータの操作エレメントは、信号フェーズに続いて、ペダルエレメントの取る位置に関係なく、ペダルエレメントと協働しない状態へ移行する。この場合、アクチュエータは信号フェーズ後にいったん静止状態へ移行し、新たな信号フェーズが開始されてアクチュエータが再びペダルエレメントに作用結合されるまで、それ以上のエネルギ消費なしにそこに留まることができる。

また、アクチュエータは、信号フェーズ前の準備フェーズにおいて、ペダルエレメントとアクチュエータとの間の作用結合が生じない待機状態を取り、待機状態からの移行時には静止状態からの移行時に比べて短時間でペダルエレメントと係合するように駆動される。

ここで、待機状態とは、例えば、アクチュエータの操作エレメントが静止状態にあるときよりもペダルエレメントの近傍に位置し、ペダルエレメントとの機械的係合がより迅速に開始されるように選定される。アクチュエータを制御する制御装置は、近い将来、例えば次の２００ｍｓのうちに、触覚信号を形成すべきことを検出しこの信号を形成する準備としてアクチュエータを待機状態へ移行させ、後にできるだけ短時間でアクチュエータとペダルエレメントとの作用結合が生じるようにする。

ここでの待機状態は一定に定まっている必要はなく、ペダルエレメントのその時点での位置に追従させることができる。このため、例えば、センサによってペダルエレメントのその時点での位置が検出され、適切な制御でアクチュエータの位置をペダルエレメントのその時点の位置に追従させるとよい。こうした追従制御は、準備フェーズにおいて、アクチュエータとペダルエレメントとが係合しない期間に、アクセルペダルへの障害的な影響因子が排除され、アクチュエータが準備フェーズ中つねにきわめて短時間で（例えば数ミリ秒以内に）ペダルエレメントとの作用結合を形成できる位置に配されるように行われる。こうして、触覚信号を迅速に形成することができる。

本発明の方法について上述した実施形態及びこれにともなう機能は、車両内に設けられた触覚式アクセルペダルを制御するための制御装置によって実現される。

ここで、制御装置は、適切なインタフェースを介して制御信号をアクチュエータに含まれる駆動モータへ出力するように構成される。さらに、制御装置は、例えば適切なセンサからアクチュエータもしくはアクセルペダルのその時点の位置に関する情報及び／又はアクセルペダルにかかっている力に関する情報を受信するインタフェースを備えることもできる。

制御装置は、本発明のセンサ信号の制御及び情報評価のプロセスをハードウェア及び／又はソフトウェアとして実現できる。有利には、プログラミング可能な制御装置を上述した方法の実行のためにプログラミングできる。このために、コンピュータプログラム製品は、プログラミング可能な制御装置に上述した方法の各ステップの実行を指示するコンピュータ読み出し可能な複数の命令を含む。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み出し可能な媒体、例えばＣＤ，ＤＶＤ，フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭその他に記憶される。アクチュエータによって形成される力乃至その向きを正しく制御するために、他のセンサデータの処理のほか、データベースに記憶されているか又は特性曲線の形態で記憶されている、所定の制御信号に対するアクチュエータの応働に関する情報を利用することができる。

本発明の実施形態の特徴及び利点の一部を本発明の触覚式アクセルペダルの制御方法及び本発明の触覚式アクセルペダルの制御装置に則して説明した。当業者によれば、特に制御方法と触覚式アクセルペダルの発明の個々の特徴を任意に結合もしくは交換して、別の実施例及びさらなる相乗効果を達成できることは容易に理解されるはずである。

以下に、本発明の実施例を図示の実施例に則して詳細に説明する。ただし明細書及び図の説明は本発明を限定するものではない。

図は概略的なものであり、縮尺どおりに描かれていないことに注意されたい。

本発明の実施例の方法を実行する制御装置を備えた車両を示す図である。 アクチュエータをペダルエレメントに対して相対的に位置づけ、本発明の実施例の方法にしたがって制御したときの時間特性を示すグラフである。

図１には、触覚式アクセルペダル１１を備えた車両１の断面図が示されている。ペダルエレメント５を踏み込むことにより、ドライバーは、ケーブル１５を介して又は機関制御装置３７に接続された図示されていない線路を介して、内燃機関１７に車両１の加速を指示する。このためにドライバーは矢印７で示されている操作方向へペダルエレメント５を踏み込まなければならない。ペダル位置センサ２１はペダルエレメント５のその時点の位置又は状態を求めることができる。ばね１９は操作方向７に対して反対向きに、ペダルエレメント５が静止状態にとどまるよう、予バイアスをかけている。

アクセルペダル１１は触覚式アクセルペダルとして構成されている。このためにアクセルペダル１１にはアクチュエータ１３が設けられており、このアクチュエータ１３を介してペダルエレメント５が操作方向７に対して反対の所望の方向へ運動可能となり、また、当該反対方向で所定の力を印加することができる。この場合、アクチュエータ１３はペダルエレメント５を例えば揺動もしくは脈動の形態で励振でき、又は、可変の圧力点を形成できる。

アクチュエータ１３は、有利には、例えば２段式のトランスミッション２５を介して操作エレメント２７として用いられるディスクに結合された単純な直流モータ２３によって駆動される。モータ２３の操作により、操作エレメント２７は矢印３３で示されているように時計回りもしくは反時計回りで回転される。操作エレメント２７の偏心領域にはカム３１が設けられている。カム３１はペダルエレメント５に設けられたタペット２９と協働する。このために、タペット２９は、操作エレメント２７が相応の位置へ回転してきたときにカム３１に係合するフォーク状の収容部３５を、アクチュエータ１３に向かう端部に有している。

アクチュエータ１３は機関制御装置３７内に組み込まれている制御装置３によって制御される。制御装置３は、例えば危険状況を示すため、又は、燃料節約走行モードが可能であることを示すために、どの時点でアクセルペダル１１を介してドライバーに触覚信号を伝達すべきかを判別する。

制御装置３の機能を以下に図２に関連して説明する。上方の曲線は、時間に依存するアクチュエータ１３の位置もしくはアクチュエータ１３の操作エレメント２７の位置を示す。下方の曲線は、時間に依存するペダルエレメント５の位置もしくはタペット２９の収容部３５の位置を示す。ペダルエレメント５は未操作静止位置Ｐ_ｍｉｎから最大操作位置Ｐ_ｍａｘまでの間で運動することができる。

触覚信号が形成されない場合、制御装置３は、アクチュエータ１３が静止状態Ｐ_０へ移行し、そこにとどまるように駆動を行う。モータ２３は短時間だけ通電され、これにより、操作エレメント２７が相応に、つまり図１に示されているように時計回りに回転して、カム３１がアクセルペダル１１のタペット２９に接触しない位置へ移動する。有利には、カム３１がタペット２９と協働しない静止状態Ｐ_０が定められる。当該静止状態Ｐ_０はペダルエレメント５のその時点の位置に関連しない。つまり、ペダルエレメント５は、静止状態Ｐ_０にあるアクチュエータ１３と係合することなく、全運動路にわたって運動可能である。

触覚信号が形成される直前、例えば信号フェーズｔ_Ｓの開始時点ｔ_Ｓ０の１００ｍｓ前、制御装置３は準備フェーズｔ_Ｖにおいてアクチュエータ１３を駆動して待機状態Ｐ_Ｗへ移行させる。待機状態Ｐ_Ｗでは、操作エレメント２７がタペット２９の収容部３５の近傍まで移動される。有利には、この場合、ペダルエレメント５のその時点の位置が連続的にペダル位置センサ２１によって求められ、操作エレメント２７がペダルエレメント５もしくは収容部３５の時間的に変化する位置につねに追従するように制御される。当該追従制御は、準備フェーズｔ_Ｖ中、ペダルエレメント５と操作エレメント２７との間の作用結合が生じず、収容部３５から操作エレメント２７までの距離が小さく維持されるように設定される。例えば、当該距離は、ペダルエレメント５が操作エレメント２７との作用結合のために移動しなければならない角度位置を基準として、５°未満、有利には２°未満に制限される。

触覚信号が形成されてはじめて、つまり、信号フェーズｔ_Ｓの開始時点ｔ_Ｓ０後、制御装置３はモータ２３を制御して操作エレメント２７を回転させ、カム３１がタペット２９に機械的に接触するようにする。制御装置３はこの場合、ペダル位置センサ２１から送出されたペダルエレメント５のその時点の位置に関する情報を利用して、アクチュエータ１３を意図的に駆動し、操作エレメント２７が相応の位置へ回転してカム３１がフォーク状の収容部３５に係合するようにする。

このようにしてアクチュエータ１３がペダルエレメント５に作用結合されるとただちに、触覚信号の形成が開始される。このために、例えば、制御装置３からモータ２３に印加される制御電圧が時間変化され、モータ２３からトランスミッション２５及び操作エレメント２７を介してタペット２９にかかる力ひいては最終的にペダルエレメント５にかかる力が時間変化され、アクセルペダルが励振される。

信号フェーズｔ_Ｓの終了ｔ_Ｓ１後、制御装置３はアクチュエータ１３を再び静止状態Ｐ_０へ移行させる。なお、ペダルエレメント５は、触覚信号によって燃料節約モードで走行することを促されたドライバーによって緩められ、ばね１９によって静止位置Ｐ_ｍｉｎへ逆方向に駆動されてもよい。

Claims (13)

1. ペダルエレメント（５）とアクチュエータ（１３）とを備えた、車両（１）用の触覚式アクセルペダル（１１）であって、
   前記ペダルエレメント（５）は、静止位置（Ｐ_ｍｉｎ）から操作方向（７）で最大操作位置（Ｐ_ｍａｘ）まで運動することができ、
   前記アクチュエータ（１３）は、モータ（２３）によって移動可能な操作エレメント（２７）を介して前記ペダルエレメント（５）と協働することができ、前記操作エレメント（２７）を介して前記操作方向（７）に対して反対向きの力を前記ペダルエレメント（５）へ作用させることができる、触覚式アクセルペダルにおいて、
   前記モータ（２３）は、直流モータであり、かつ、トランスミッション（２５）を介して前記操作エレメント（２７）に結合されている
   ことを特徴とする触覚式アクセルペダル。
2. 前記操作エレメント（２７）及び前記ペダルエレメント（５）は、前記アクチュエータ（１３）が前記操作エレメント（２７）を介して前記操作方向（７）に対して反対向きの力のみを前記ペダルエレメント（５）へ作用させるように構成されている、請求項１記載の触覚式アクセルペダル。
3. 前記トランスミッション（２５）は、２段式に構成されている、請求項１又は２記載の触覚式アクセルペダル。
4. 触覚式アクセルペダル（１１）の制御方法であって、
   信号フェーズ（ｔ_Ｓ）中、アクチュエータ（１３）によって、ペダルエレメント（５）が静止位置（Ｐ_ｍｉｎ）から最大操作位置（Ｐ_ｍａｘ）まで運動可能となる操作方向（７）に対して反対向きの対抗力を形成し、該対抗力を前記ペダルエレメント（５）に印加する、方法において、
   前記信号フェーズ（ｔ_Ｓ）以外では、前記ペダルエレメント（５）と前記アクチュエータ（１３）との間の作用結合が分離されるように、前記アクチュエータ（１３）を駆動する
   ことを特徴とする方法。
5. 前記信号フェーズ（ｔ_Ｓ）後、前記アクチュエータ（１３）が静止状態（Ｐ_０）を取り、該静止状態では前記ペダルエレメント（５）の取りうる複数の位置のいずれにおいても前記ペダルエレメント（５）と前記アクチュエータ（１３）との作用結合が生じないように、前記アクチュエータ（１３）を駆動する、請求項４記載の方法。
6. 前記信号フェーズ（ｔ_Ｓ）前の準備フェーズ（ｔ_Ｖ）において、前記アクチュエータ（１３）が前記ペダルエレメント（５）との間の作用結合を生じない待機状態（Ｐ_Ｗ）を取り、該待機状態からの移行時には前記静止状態（Ｐ_０）からの移行時に比べて短時間で前記ペダルエレメント（５）と係合するように、前記アクチュエータ（１３）を駆動する、請求項４又は５記載の方法。
7. 前記待機状態（Ｐ_Ｗ）は、前記ペダルエレメント（５）のその時点の位置に追従する、請求項６記載の方法。
8. 車両（１）内の触覚式アクセルペダル（１１）を制御するための制御装置（３）であって、請求項４から７までのいずれか１項記載の方法を実行するように構成されていることを特徴とする制御装置（３）。
9. 請求項１から３までのいずれか１項記載の触覚式アクセルペダル（１１）と、
   前記触覚式アクセルペダル（１１）のアクチュエータ（１３）のモータ（２３）を制御する制御装置と、
   を備えていることを特徴とする車両（１）。
10. 前記制御装置は、請求項８記載の制御装置（３）である、請求項９記載の車両（１）。
11. 前記制御装置（３）は、前記車両（１）の機関制御装置（３７）内に組み込まれている、請求項９又は１０記載の車両（１）。
12. プログラミング可能な制御装置（３）に対して請求項４から７までのいずれか１項記載の方法の実行を指示するためのコンピュータ読み出し可能な複数の命令を含むコンピュータプログラム製品。
13. 請求項１２記載のコンピュータプログラム製品を記憶したコンピュータ読み出し可能媒体。

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