a.第1実施形態
以下、本発明の第1実施形態について図面を用いて説明すると、図1は、第1実施形態に係る車両の操舵装置の全体概略図である。この操舵装置は、操舵ハンドル11と操舵輪としての左右前輪FW1,FW2とを機械的に連結していて操舵ハンドル11の操舵操作に対応して左右前輪FW1,FW2を操舵する操舵機構と、同操舵機構を制御する電気制御装置とからなる。
操舵機構は、操舵ハンドル11に上端を一体回転するように接続したステアリングシャフト12を備え、同シャフト12の下端にはピニオンギヤ13が一体回転するように接続されている。ピニオンギヤ13は、ラックバー14に形成されたラック歯と噛み合ってラックアンドピニオン機構を構成する。ラックバー14の両端には左右前輪FW1,FW2が操舵可能に接続されており、左右前輪FW1,FW2はステアリングシャフト12の軸線回りの回転に伴うラックバー14の軸線方向の変位に応じて左右に操舵される。この操舵機構内には、アクティブ操舵装置20、操舵アシスト装置40および負荷装置50とが設けられている。そして、これらの装置20,40,50は、操舵ハンドル11から操舵輪である左右前輪FW1,FW2に向けて、負荷装置50、アクティブ操舵装置20および操舵アシスト装置40の順に操舵機構内に配置されている。
アクティブ操舵装置20は、図2に示すように、図示しない車体側に固定された段付き円筒状のハウジング21,22を備えており、ステアリングシャフト12は、これらのハウジング21,22内にて、詳しくは後述するハーモニックドライブ機構を介して動力伝達可能に連結されているが、上部ステアリングシャフト12aと下部ステアリングシャフト12bとに分離されている。上部ステアリングシャフト12aは、ハウジング21の内周面上にボールベアリング23を介して軸線回りに回転可能に支持されている。下部ステアリングシャフト12bは、ハウジング22の内周面上にボールベアリング24,25を介して軸線回りに回転可能に支持されている。上部ステアリングシャフト12aと下部ステアリングシャフト12bとの間には、ボールベアリング26が介装されて、両シャフト12a,12bは相対回転可能になっている。また、ハウジング21,22内にはアクティブ操舵用(すなわち補正操舵用)の電動モータ27と、ハーモニックドライブ機構とが収容されている。
電動モータ27は、ハウジング21の内周面上に固定されたコイルからなるステータ27aと、同ステータ27aに対向配置された永久磁石からなるロータ27bとからなる。ロータ27bは、段付き円筒状の回転体28の大径部外周面上に固定されている。回転体28の大径部内周面と上部ステアリングシャフト12aとの間にはボールベアリング31,32が介装されており、回転体28は電動モータ27のロータ27bの回転に応じて上部ステアリングシャフト12aに対して軸線回りに相対回転するようになっている。
ハーモニックドライブ機構は、図2および図3に示すように、ウェーブジェネレータ33、フレクスプライン34およびサーキュラスプライン35からなる。ウェーブジェネレータ33は、カム33aと、同カム33aの外周面上に設けたボールベアリング33bとからなる。カム33aは、金属剛体で楕円状に形成されて回転体28の外周面上に固着されている。ボールベアリング33bの内輪は金属剛体で構成されてカム33aの外周面に固定さているが、ボールベアリング33bの外輪は金属弾性体で構成されてボールを介して弾性変形する。フレクスプライン34は、薄肉の金属弾性体でカップ状に形成され、ボールベアリング33bの外輪上に同ボールベアリング33bの形状に合わせて楕円形状となるように組み付けられているとともに、その底面にて上部ステアリングシャフト12aに固定されている。このフレクスプライン34の外周面上には外歯が形成されている。
サーキュラスプライン35は、金属剛体で環状に形成されて、下部ステアリングシャフト12bに固着されている。このサーキュラスプライン35の内周面には、フレクスプライン34の外歯と噛み合う内歯が形成されている。サーキュラスプライン35の内歯の数はフレクスプライン34の外歯の数よりも僅かに多く(例えば、2個多く)、サーキュラスプライン35の内歯は、楕円状のフレクスプライン34の長軸部分でのみフレクスプライン34の外歯と噛み合っている。
操舵アシスト装置40は、図1に示すように、電動モータ41およびねじ送り機構42からなる。電動モータ41は、ラックバー14の外周面上に設けられてねじ送り機構42を駆動する。ねじ送り機構42は、電動モータ41の回転運動を直線運動に変えて、ラックバー14を軸線方向に駆動する。
負荷装置50は、上部ステアリングシャフト12aおよび操舵ハンドル11の軸線回りに回転に抵抗を付与して同回転を規制するものである。この負荷装置50は、図4に示すように、環状の固定側摩擦プレート51および変位側摩擦プレート52を備えている。固定側摩擦プレート51は、上部ステアリングシャフト12aを回転可能に支持するハウジング部材53に固着されるとともに、同ハウジング部材53に固着された電磁コイル54の通電時に励磁される高透磁率材料で構成されている。変位側摩擦プレート52は、高透磁率材料で構成され、上部ステアリングシャフト12aに固着された環状の固定プレート55に皿ばね56を介して組み付けられている。皿ばね56は、変位側摩擦プレート52を図示下方の固定プレート55側に常に付勢している。
この構成により、電磁コイル54の非通電時には、変位側摩擦プレート52は皿ばね56によって固定プレート55側に引っ張られて固定側摩擦プレート51から離れ、上部ステアリングシャフト12aおよび操舵ハンドル11の自由な回転が許容される図4(A)に示す規制解除状態に設定される。一方、電磁コイル54の通電時には、変位側摩擦プレート52は皿ばね56に抗して電磁コイル54によって吸引されて固定側摩擦プレート51に接し、上部ステアリングシャフト12aおよび操舵ハンドル11の回転が禁止される図4(B)に示す規制状態に設定される。
電気制御装置は、ハンドル操舵角センサ61、ハンドルトルクセンサ62、実操舵角センサ63および車速センサ64を有する。ハンドル操舵角センサ61は、操舵ハンドル11と負荷装置50との間に設けられており、上部ステアリングシャフト12aの回転角を計測することにより、操舵ハンドル11の回転角であるハンドル操舵角θhを検出する。このハンドル操舵角θhは、「0」により操舵ハンドル11の基準位置を表し、正の値により操舵ハンドル11の右回転角を表し、負の値により操舵ハンドル11の左回転角を表す。
ハンドルトルクセンサ62も操舵ハンドル11と負荷装置50との間に設けられており、上部ステアリングシャフト12aの一部を構成するトーションバー(弾性体)62aと、トーションバー62aの上下両端にそれぞれ設けられて両端の軸線回りの回転角θht1,θht2を検出する回転角センサ62b,62cとからなって、上部ステアリングシャフト12aおよび操舵ハンドル11に作用するトルク(以下、ハンドルトルクThという)を検出する。なお、これらの両回転角センサ62b,62cによって検出される回転角θht1,θht2は、「0」によりトーションバー62aの上下両端の基準位置をそれぞれ表し、正の値によりトーションバー62aの上下両端の右回転角をそれぞれ表し、負の値によりトーションバー62aの上下両端の操舵ハンドル11の左回転角をそれぞれ表す。そして、後述するECU65により、回転角θht1,θht2の差に応じてハンドルトルクThが計算される。なお、前記回転角を検出するハンドルトルクセンサ62に代えて、トーションバー62aまたは上部ステアリングシャフト12aの歪みを検出することによりハンドルトルクThを検出するハンドルトルクセンサを採用することもできる。
実操舵角センサ63は、アクティブ操舵装置20よりも左右前輪FW1,FW2側に設けられており、下部ステアリングシャフト12bの回転角を計測することにより、左右前輪FW1,FW2の実操舵角δを検出する。なお、この実操舵角センサ63に代えて、ラックバー14の軸線方向の変位量を計測することにより、左右前輪FW1,FW2の実操舵角δを検出するようにしてもよい。この実操舵角δは、「0」により左右前輪FW1,FW2の中立状態を表し、正の値により左右前輪FW1,FW2の右操舵角を表し、負の値により左右前輪FW1,FW2の左操舵角を表す。ただし、実操舵角δは、ハンドル操舵角θhに換算された値を示している。車速センサ64は、車速Vを検出する。
これらのセンサ61〜64には、電子制御ユニット65(以下、単にECU65という)が接続されている。ECU65は、CPU、ROM、RAMなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品とするもので、図5に示す操舵制御プログラムおよび図6に示す負荷装置制御プログラムを所定の短時間ごとに繰り返し実行する。
ECU65には、アクティブ操舵選択スイッチ66および駆動回路67〜69も接続されている。アクティブ操舵選択スイッチ66は、運転者によって選択操作されるもので、そのオン状態にてアクティブ操舵機能の選択状態を表し、そのオフ状態にてアクティブ操舵機能の非選択状態を表す。駆動回路67,68は、ECU54からの指示に従って電動モータ27,41に駆動電流を流し、電動モータ27,41の回転を制御する。駆動回路68は、電動モータ41に流れる駆動電流を検出してECU65に供給する駆動電流センサ68aを内蔵している。駆動回路69は、ECU65からの指示に従って電磁コイル54を通電制御する。
次に、上記のように構成した第1実施形態の動作について説明する。運転者が車両を走行させて、操舵ハンドル11を回動操作すると、上部ステアリングシャフト12aは操舵ハンドル11の回転角に等しい回転角だけ軸線回りに回転する。なお、この状態では、詳しくは後述するように負荷装置50は規制解除状態に設定されている。この上部ステアリングシャフト12aの回転はフレクスプライン34に伝達され、フレクスプライン34はボールベアリング33bの外輪と一体的に軸線回りに回転し、その外歯とサーキュラスプライン35の内歯との噛み合いによりサーキュラスプライン35を軸線回りに回転させる。ただし、フレクスプライン34の外歯の数は、サーキュラスプライン35の内歯の数よりも若干少ないので、微量ではあるが、サーキュラスプライン35の回転角は歯数の少ない分だけフレクスプライン34の回転角よりも小さい。このサーキュラスプライン35の回転は下部ステアリングシャフト12bに伝達され、ピニオンギヤ13を介してラックバー14を軸線方向に変位させる。そして、ラックバー14の軸線方向の変位により左右前輪FW1,FW2が左右に操舵される。したがって、左右前輪FW1,FW2は、操舵ハンドル11の回動操作により左右に操舵される。
一方、ECU54は、前記動作中、図5の操舵制御プログラムを所定の短時間ごとに繰り返し実行している。この操舵制御プログラムの実行はステップS10にて開始され、ECU54は、ステップS11にてハンドル操舵角センサ61、ハンドルトルクセンサ62、実操舵角センサ63および車速センサ64からの検出値を入力する。そして、ステップS12にて、アクティブ操舵選択スイッチ66によりアクティブ操舵が選択されているかを判定する。アクティブ操舵が選択されていれば、ステップS12にて「Yes」と判定してステップS13に進む。
ステップS13においては、ROM内に記憶されているアクティブ操舵角テーブルを参照して、ハンドル操舵角θhに対応した補正操舵角としてのアクティブ操舵角θaを計算する。アクティブ操舵角テーブルは、図7に示すように、ハンドル操舵角θhの増加に従って増加するアクティブ操舵角θaを記憶している。なお、このアクティブ操舵角テーブルを利用するのに代えて、ハンドル操舵角θhとアクティブ操舵角θaとの関係を示す関数を予め用意しておき、同関数を利用してアクティブ操舵角θaを計算するようにしてもよい。
また、前記アクティブ操舵角θaに代えまたは加えて、車両の走行状態に応じたアクティブ操舵角を計算するようにしてもよい。例えば、図1に破線で示すように、車両の実ヨーレートγを検出するヨーレートセンサ71をECU65に接続する。そして、ROM内に記憶されている目標ヨーレートテーブルを参照して、前記入力したハンドル操舵角θhおよび車速Vに応じた目標ヨーレートγ*を計算する。目標ヨーレートテーブルは、図8に示すように、ハンドル操舵角θhの増加に従って増加するとともに、車速Vの増加に従って絶対値の増加する目標ヨーレートγ*を記憶している。なお、この目標ヨーレートテーブルを利用するのに代えて、ハンドル操舵角θhおよび車速Vと目標ヨーレートγ*との関係を示す関数を予め用意しておき、同関数を利用して目標ヨーレートγ*を計算するようにしてもよい。次に、ヨーレートセンサ71によって検出された実ヨーレートγが目標ヨーレートγ*に等しくなるようなアクティブ操舵角(=k・(γ*−γ))を計算する。ただし、kは予め決められた係数である。そして、この計算したアクティブ操舵角を前述したアクティブ操舵角θaに代えて用い、または前述したアクティブ操舵角θaに加えて用いるようにしてもよい。
さらに、前記ヨーレートセンサ71に代えて、図1に破線で示すように、車両の実横加速度Gyを検出する横加速度センサ72をECU65に接続して、横加速度センサ72によって検出された実横加速度Gyが目標横加速度Gy*に等しくなるような補正操舵角としてのアクティブ操舵角(=k・(Gy*−Gy))を計算する。そして、この計算したアクティブ操舵角を前述したアクティブ操舵角θaに代えて用い、または前述したアクティブ操舵角θaに加えて用いるようにしてもよい。この場合も、目標横加速度Gy*の計算は、図8に示す特性を有するデータを記憶したテーブルを用いてもよいし、関数を用いてもよい。
一方、アクティブ操舵が選択されていなければ、ステップS12にて「No」と判定して、ステップS14にてアクティブ操舵角θaを「0」に設定する。
前記ステップS13またはS14の処理後、ステップS15にて、アクティブ操舵制御を実行すなわち前記アクティブ操舵角θaだけ左右前輪FW1,FW2を操舵制御する。このアクティブ操舵制御においては、アクティブ操舵角θaに対応した回転角だけ電動モータ27を回転させるように駆動回路67を制御する。言い換えれば、実操舵角センサ63によって検出される実操舵角δがハンドル操舵角θhとアクティブ操舵角θaの和θh+θaに等しくなるように、駆動回路68を介して電動モータ27の回転を制御する。なお、前記のように、操舵ハンドル11の回動のみによる上部ステアリングシャフト12aの回転角と下部ステアリングシャフト12bの回転角との間には若干の差が存在するが、これは操舵機構内のステアリングギヤ比の問題であると同時に、実操舵角δがハンドル操舵角θhに換算された値を示しているので問題ない。
前記のように電動モータ27が回転制御されると、ロータ27bおよび回転体28の回転により、ウェーブジェネレータ33のカム33aが軸線回りに回転し、フレクスプライン34は弾性変形しながらその外歯のサーキュラスプライン35の内歯に対する噛み合い位置を移動させる。そして、フレクスプライン34の外歯の数とサーキュラスプライン35の内歯の数とを異ならせてあるので、この歯数の差に対応した角度だけ、フレクスプライン34の回転角とサーキュラスプライン35の回転角との間には差が生じる。このことは、フレクスプライン34とサーキュラスプライン35との間に相対回転が発生していることを意味する。そして、運転者が操舵ハンドル11を把持していて上部ステアリングシャフト12aおよびフレクスプライン34の回転を規制している状態では、カム33aの回転により、サーキュラスプライン35がフレクスプライン34に対して回転することになる。これにより、上部ステアリングシャフト12aに対して下部ステアリングシャフト12bがアクティブ操舵角θa分だけ多く回転する。
そして、この下部ステアリングシャフト12bの回転も、ピニオンギヤ13を介してラックバー14の軸線方向の変位に変換される。したがって、左右前輪FW1,FW2は、前記操舵ハンドル11の回動操作による操舵に加えて、アクティブ操舵角θaだけ操舵されることになる。その結果、左右前輪FW1,FW2は、補正操舵角としてのアクティブ操舵角θaだけ補正操舵されるので、車両の操舵特性を任意に選択できるようになるとともに、同操舵特性を良好にすることもできる。
一方、前述のようにアクティブ操舵が選択されていなくて、アクティブ操舵角θaが「0」に設定されている場合には、ステップS15のアクティブ操舵制御処理により電動モータ27は基準位置に保たれて回転制御されない。したがって、この場合には、左右前輪FW1,FW2は実質的にアクティブ操舵されない。
前記ステップS15の処理後、ECU65は、ステップS16にて目標アシストトルクTa*を計算する。この目標アシストトルクTa*の計算においては、ROM内に記憶されているアシストトルクテーブルを参照して、前記入力したハンドル操舵角θhおよび車速Vに応じた目標アシストトルクTa*を計算する。アシストトルクテーブルは、図9に示すように、ハンドル操舵角θhの増加に従って増加するとともに、車速Vが小さくなる従って絶対値の増加する目標アシストトルクTa*を記憶している。なお、このアシストトルクテーブルを利用するのに代えて、ハンドル操舵角θhおよび車速Vと目標アシストトルクTa*との関係を示す関数を予め用意しておき、同関数を利用して目標アシストトルクTa*を計算するようにしてもよい。
次に、ステップS17にて、前記ステップS12の場合と同様にアクティブ操舵が選択されているかを判定する。アクティブ操舵が選択されていれば、ステップS12にて「Yes」と判定してステップS18に進む。
ステップS18においては、前記アクティブ操舵による操舵ハンドル11への反力を低減するための反力低減値Taaを計算する。この反力低減値Taaの計算においては、ROM内に記憶されている反力低減値テーブルを参照して、前記計算したアクティブ操舵角θaに応じた反力低減値Taaを計算する。反力低減値テーブルは、図10に示すように、アクティブ操舵角θaの増加に従って増加する反力低減値Taaを記憶している。なお、この反力低減値テーブルを利用するのに代えて、アクティブ操舵角θaと反力低減値Taaとの関係を示す関数を予め用意しておき、同関数を利用して反力低減値Taaを計算するようにしてもよい。
一方、アクティブ操舵が選択されていなければ、ステップS17にて「No」と判定して、ステップS19にて反力低減値Taaを「0」に設定する。
前記ステップS18またはS19の処理後、ステップS20にて、前記計算した目標アシストトルクTa*に前記計算した反力低減値Taaを加算することにより、反力低減値Taaにより補正した目標アシストトルクTa*(=Ta*+Taa)を計算する。そして、ステップS21にて、駆動回路68を介して電動モータ41を駆動制御して、ステップS22にて操舵制御プログラムの実行を一旦終了する。この駆動制御においては、ECU54は、駆動電流センサ68aによって検出された駆動電流を入力して、電動モータ41が目標アシストトルクTa*を発生するように駆動回路68を制御する。この制御のもとに、駆動回路68は、電動モータ41に目標アシストトルクTa*に対応した駆動電流をそれぞれ流して、電動モータ41を駆動する。
このような電動モータ41の駆動制御により、電動モータ41は、ねじ送り機構42を介してラックバー14に動力を伝達してラックバー14をその軸線方向に直線駆動する。これにより、運転者が操舵ハンドル11を回動操作して左右前輪FW1,FW2を操舵しようとすると、電動モータ41により前記運転者による操舵ハンドル11の回動操作がアシストされ、運転者は小さな操舵力で左右前輪FW1,FW2を操舵することができる。また、前記ステップS20の反力低減値Taaを用いた目標アシストトルクTa*の補正により、アクティブ操舵に起因した操舵反力も打ち消されるので、運転者はアクティブ操舵制御による左右前輪FW1,FW2の操舵による反力も感じない。
一方、前述のようにアクティブ操舵が選択されていなくて、反力低減値Taaが「0」に設定されている場合には、ステップS20の処理によって目標アシストトルクTa*は、前記ステップS16にて計算された値に保たれるので、アクティブ操舵に伴う反力低減値Taaは考慮されない。
このような操舵制御プログラムの実行に並行して、ECU65は、図6の負荷装置制御プログラムを所定の短時間ごとに繰り返し実行している。この負荷装置制御プログラムの実行は、ステップS30にて開始され、ステップS31にてアクティブ操舵選択スイッチ66によりアクティブ操舵が選択されているかを判定する。アクティブ操舵が選択されていなければ、ステップS31にて「No」と判定してステップS37の処理後、ステップS38にて負荷装置制御プログラムの実行を一旦終了する。ステップS37においては、負荷装置50の電磁コイル54への通電を停止することにより負荷装置50を前述した規制解除状態に設定する。これにより、操舵ハンドル11の回動操作に応じて左右前輪FW1,FW2が操舵される。なお、このアクティブ操舵が選択されていない状態では、左右前輪FW1,FW2はアクティブ操舵されない。
一方、アクティブ操舵が選択されていれば、ステップS31にて「Yes」と判定して、ステップS32以降に進む。ステップS32においては、ハンドル操舵角センサ61からハンドル操舵角θhを入力するとともに、ハンドルトルクセンサ62から回転角θht1,θht2を入力する。次に、ステップS33にて、前記入力した両回転角θht1,θht2の差θht1−θht2に所定の係数を乗算してハンドルトルクThを計算する。
次に、ステップS34にてハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が予め決められた小さな所定値θh1未満であるかを判定するとともに、ステップS35にてハンドルトルクThの絶対値|Th|が予め決められた小さな所定値Th1未満であるかを判定する。ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が所定値θh1以上またはハンドルトルクThの絶対値|Th|が所定値Th1以上であれは、ステップS34またはS35にて「No」と判定して、ステップS37にて前記のように負荷装置50を規制解除状態に設定してステップS38にてこの負荷装置制御プログラムを一旦終了する。したがって、この状態では、操舵ハンドル11の回動操作に応じて左右前輪FW1,FW2が操舵される。また、アクティブ操舵が選択されているので、前述のように、左右前輪FW1,FW2はアクティブ操舵される。
一方、ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が所定値θh1未満かつハンドルトルクThの絶対値|Th|が所定値Th1未満であれは、ステップS34,S35にて共に「Yes」と判定して、ステップS36にて負荷装置50の電磁コイル54に通電することにより同負荷装置50を規制状態に設定して、ステップS38にてこの負荷装置制御プログラムを一旦終了する。これにより、上部ステアリングシャフト12aおよび操舵ハンドル11の軸線回りの回転が規制される。一方、この状態では、操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aが固定されるので、アクティブ操舵装置20により左右前輪FW1,FW2はアクティブ操舵される。
このようなハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が所定値θh1未満かつハンドルトルクThの絶対値|Th|が所定値Th1未満の状態は、操舵ハンドル11がニュートラル付近にある状態すなわち操舵ハンドル11が操舵操作されていないときに対応する。そして、このような操舵ハンドル11が操舵操作されていないときには、負荷装置50によって操舵ハンドル11の回転が規制されるので、操舵ハンドル11が操舵操作されていないときに運転者に大きな違和感を与えるアクティブ操舵によるハンドルトルクの変動を解消できる。操舵ハンドル11が操舵操作されたときに、前述のように負荷装置50は規制解除状態に設定されるので、操舵ハンドル11の操舵操作に応じた左右前輪FW1,FW2の操舵の妨げにもならない。
なお、上記第1実施形態では、操舵ハンドル11の操舵操作の有無をハンドル操舵角θhとハンドルトルクThの両方を用いて検出するようにした。しかし、多少の精度は落ちるものの、ステップS34およびS35のうちの一方の判定処理を省略して、ハンドル操舵角θhおよびハンドルトルクThのうちのいずれか一方の判定処理により、操舵ハンドル11の操舵操作の有無を判定するようにしてもよい。これによっても、上記と同様な効果が期待される。
また、前記図6のステップS34,S35の判定処理を、操舵ハンドル11に対する運転者の手離し状態を検出する手離し検出手段とみることもできる。運転者が操舵ハンドル11から手を離している状態、または操舵ハンドル11に手を接触させているものの操舵ハンドル11を充分に把持していない状態(これも一種の手離し状態に相当)では、外力により操舵ハンドル11は回転してしまう。そして、ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が極めて小さく、かつハンドルトルクThの絶対値|Th|が極めて小さいことは、この手離し状態に相当する。したがって、この状態を検出することが可能な前記ステップS34,S35の判定処理は運転者による操舵ハンドル11の手離し状態の検出とみることもできる。
そして、運転者の手離し状態が検出されていないとき(|θh|≧θh1かつ|Th|≧Th1)、ステップS37の処理により、操舵ハンドル11に与えられる負荷が小さくなるように、すなわち操舵ハンドル11の回転規制が解除されるように制御される。また、運転者の手離し状態が検出されているとき(|θh|<θh1かつ|Th|<Th1)、ステップS36の処理により、操舵ハンドル11に与えられる負荷が大きくなるように、すなわち操舵ハンドル11の回転が規制されるように制御される。
その結果、運転者が操舵ハンドル11から手を離した状態で、アクティブ操舵装置20によって左右前輪FW1,FW2をアクティブ操舵する場合でも、アクティブ操舵による反力は負荷装置50によって操舵ハンドル11には伝達されないようにすることができる。したがって、左右前輪FW1,FW2はアクティブ操舵装置20によってアクティブ操舵されるとともに、操舵ハンドル11がアクティブ操舵によって運転者の意に反して変位することもなく、操舵ハンドル11の手離し状態における操舵ハンドル11の回動に伴う違和感が運転者には与えられない。また、運転者が操舵ハンドル11を把持している状態では、運転者による操舵ハンドル11の操舵操作に応じて左右前輪FW1,FW2が操舵されるとともに、アクティブ操舵による操舵ハンドル11への反力に対しても運転者による操舵操作力が対抗するので、アクティブ操舵装置20による左右前輪FW1,FW2のアクティブ操舵も許容される。
さらに、上記第1実施形態においては、操舵ハンドル11と負荷装置50との間に弾性変形可能な弾性体であるトーションバー62aが介装されている。したがって、負荷装置50によって操舵ハンドル11の変位が規制された状態でも、操舵ハンドル11の若干の変位が許容され、運転者の操舵ハンドル11の操作に対して良好な操作感覚を与えることができるとともに、負荷装置50に与える力を緩和することもできるようになる。
また、上記第1実施形態においては、負荷装置50の規制状態と規制解除状態とを択一的に切り換えるようにしたが、操舵ハンドル11の回転に対する規制力(抵抗力)を連続的に変化させるようにしてもよい。すなわち、ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|が小さくなるに従って、またはハンドルトルクThの絶対値|Th|が小さくなるに従って、負荷装置50による操舵ハンドル11の回転に対する規制力が大きくなるようにすればよい。この場合、負荷装置50の規制力の大きさを制御するために、電磁コイル54に流す電流値を規制力が大きくなるに従って大きくするようにすればよい。
また、上記第1実施形態では電磁コイル54を用いた電磁クラッチ装置で負荷装置50を構成するようにしたが、この負荷装置50を次のように変形することも可能である。図11は、負荷装置50の変形例を縦断面図により示している。この変形例に係る負荷装置50は、上部ステアリングシャフト12aを液密的かつ軸線回りに回転可能に貫通させた円筒状の導電性のケーシング81を備えている。ケーシング81内にて、上部ステアリングシャフト12aの外周上には、ロータ82が固定されている。ケーシング81は上部ステアリングシャフト12aを回転可能に支持するハウジング部材53に固着され、同ケーシング81内には電気粘性流体83が封入されている。この電気粘性流体83は、液体中に分散媒として粒子を分散させたものであり、電場内の電界の強さが大きくなるに従って粒子間の連結力が大きくなり、ロータ82の回転に対する抵抗力が増加する性質を有する。
したがって、負荷装置50による操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aの回転を規制しない場合には、電気粘性流体83に電界を印加しないようにする。そして、操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aの回転を規制する場合には、ケーシング81を介して電気粘性流体83に電界を印加するようにするとよい。また、操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aの回転を規制する力を連続的に変化させるために、ケーシング81を介して電気粘性流体83に印加される電界の強さを変化させるようにする。すなわち、操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aの回転を規制する力を増加させるためには、ケーシング81に印加する電圧を増加させるようにすればよい。
また、前記電気粘性流体83に代えて磁気粘性流体を用いるとともに、磁気粘性流体を磁場内におくようにすればよい。さらに、この負荷装置50として、電動モータを採用して電動モータの駆動力により上部ステアリングシャフト12aの回転を規制したり、パウダークラッチを採用して上部ステアリングシャフト12aの回転を規制したりしてもよい。
また、負荷装置50の負荷を連続的に変化させるようにした場合には、ECU65が、上記図6の負荷装置制御プログラムに代えて、図12の負荷装置制御プログラムを実行して負荷装置50を制御するようにするとよい。図12の負荷装置制御プログラムは図6の負荷装置制御プログラムのステップS34〜S36の処理をステップS34’,S35’,S41〜S43に変更したものである。他の部分に関しては、図6の負荷装置制御プログラムと同じであるので、同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
ステップS34’,S35’においては、上記図6の負荷装置制御プログラムの場合と同様に、ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|と予め決められた小さな所定値θh2未満であるかを判定するとともに、ハンドルトルクThの絶対値|Th|が予め決められた小さな所定値Th2未満であるかを判定する。ハンドル操舵角θhの絶対値|θh|は所定値θh2と比較され、またハンドルトルクThの絶対値|Th|は所定値Th2と比較されるが、これらの所定値θh2,Th2は、上述した図6の所定値θh1,Th1よりも若干大きな値に設定されている。ステップS41においては、ハンドル操舵角θhを微分演算することにより操舵ハンドル11の操舵速度θvを計算する。
そして、ステップS42にて、ROM内に記憶されている第1負荷制御値テーブルを参照して、前記計算した操舵速度θvの絶対値|θv|に対応した第1負荷制御値G1を計算する。また、同ステップS42にて、ROM内に記憶されている第2負荷制御値テーブルを参照して、前記計算したハンドルトルクThの絶対値|Th|に対応した第2負荷制御値G2を計算する。第1負荷制御値テーブルは、図13(A)に示すように、操舵速度θvの絶対値|θv|の増加に従って減少する第1負荷制御値G1を記憶している。第2負荷制御値テーブルは、図13(B)に示すように、ハンドルトルクThの絶対値|Th|の増加に従って減少する第2負荷制御値G2を記憶している。この場合、第2負荷制御値G2は、ハンドルトルクThの絶対値|Th|の小さな範囲内でのみ正の値となり、それ以上の範囲では「0」である。なお、この場合も、第1および第2負荷制御値テーブルを利用するのに代えて、操舵速度θvの絶対値|θv|と第1負荷制御値G1との関係を示す関数、およびハンドルトルクThの絶対値|Th|と第2負荷制御値G2との関係を示す関数を予め用意しておき、これらの関数を利用して第1および第2負荷制御値G1,G2を計算するようにしてもよい。
次に、ステップS43にて、第1および第2負荷制御値G1,G2の積G1・G2に比例した大きさの制御信号により負荷装置50を制御して、負荷装置50に、積G1・G2に比例した大きさの規制力(抵抗力)で操舵ハンドル11および上部ステアリングシャフト12aの回転を規制させるようにする。具体的には、負荷装置50を上記図4の電磁クラッチで構成した場合には、積G1・G2に比例した大きさの電流を電磁コイル54に流す。また、負荷装置50を図11のように電気粘性流体83または磁気粘性流体を用いて構成した場合には、電気粘性流体83に積G1・G2に比例した大きさの電圧(電界の強さ)を印加し、または磁気粘性流体に積G1・G2に比例した大きさの磁界を印加する。
その結果、この変形例によれば、操舵ハンドル11の操舵速度θvおよびハンドルトルクThの積G1・G2が大きいときに、負荷装置50による操舵ハンドル11の大きな規制状態(拘束状態)から操舵ハンドル11の規制解除状態に急に切り換えられる事態を回避できる。これにより、運転者は、急激な操舵反力の変化による違和感を覚えることがなくなる。
b.第2実施形態
次に、本発明の第2実施形態に係る車両の操舵装置について説明する。この操舵装置は、図14に示すように、出力トルクセンサ73を備えている点、およびECU65が図15の操舵制御プログラムを実行する点で、上記第1実施形態に係る車両の操舵装置とは異なる。他の点では、上記第1実施形態と同じであるので、同第1実施形態と同一部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。
出力トルクセンサ73は、負荷装置50よりも左右前輪FW1,FW2側に設けられ、この第2実施形態では負荷装置50とアクティブ操舵装置20との間に設けられている。出力トルクセンサ73は、上部ステアリングシャフト12aの一部を構成するトーションバー(弾性体)73aと、トーションバー73aの上下両端にそれぞれ設けられて両端の軸線回りの回転角θot1,θot2を検出する回転角センサ73b,73cとからなって、負荷装置50とアクティブ操舵装置20との間に位置する上部ステアリングシャフト12aに作用するトルク(以下、出力トルクToという)を検出する。これらの両回転角センサ73b,73cによって検出される回転角θot1,θot2は、「0」によりトーションバー73aの上下両端の基準位置をそれぞれ表し、正の値によりトーションバー73aの上下両端の右回転角をそれぞれ表し、負の値によりトーションバー73aの上下両端の操舵ハンドル11の左回転角をそれぞれ表す。なお、この出力トルクセンサ73をアクティブ操舵装置20よりも左右前輪FW1,FW2側に設けるようにしてもよい。また、前記回転角を検出する出力トルクセンサ73に代えて、トーションバー62aまたは下部ステアリングシャフト12bの歪みを検出したり、ラック軸14の歪みを検出したりすることにより前記出力トルクToを検出するトルクセンサまたは軸力センサを利用してもよい。
次に、上記のように構成した第2実施形態の動作について説明する。この第2実施形態では、ECU65は図15の操舵制御プログラムを実行する。この図15の操舵制御プログラムにおいても、上記第1実施形態と同様なステップS11〜S15の処理により、左右前輪FW1,FW2はアクティブ操舵制御される。また、ステップS11においては、ハンドル操舵角θh、回転角θht1,θht2および実操舵角δに加えて、出力トルクセンサ73の回転角センサ73b,73cからの回転角θot1,θot2も入力する。
前記アクティブ操舵制御後、ステップS51にて、前記入力した両回転角θot1,θot2の差θot1−θot2に所定の係数を乗算して出力トルクToを計算する。そして、ステップS52にて目標アシストトルクTa*を計算する。この目標アシストトルクTa*の計算においては、ROM内に記憶されているアシストトルクテーブルを参照して、前記入力した出力トルクToに応じた目標アシストトルクTa*を計算する。アシストトルクテーブルは、図16に示すように、出力トルクToの増加に従って増加する目標アシストトルクTa*を記憶している。なお、このアシストトルクテーブルを利用するのに代えて、出力トルクToと目標アシストトルクTa*との関係を示す関数を予め用意しておき、同関数を利用して目標アシストトルクTa*を計算するようにしてもよい。
次に、上記第1実施形態と同様なステップS21の処理により、電動モータ41が目標アシストトルクTa*を発生するように駆動回路68を制御する。その結果、この場合も、電動モータ41の回転により、左右前輪FW1,FW2は目標アシストトルクTa*に応じたアシスト力でアシスト操舵される。
上記第2実施形態においては、操舵ハンドル11から左右前輪FW1,FW2までの間に、負荷装置50、アクティブ操舵装置20および操舵アシスト装置40がこの順に配置され、負荷装置50よりも左右前輪FW1,FW2側の部材に作用する出力トルクに応じて左右前輪FW1,FW2が操舵アシストされるので、左右前輪FW1,FW2側から負荷装置50および操舵ハンドル11に逆入力される操舵反力を小さくすることができる。これにより、アクティブ操舵装置20が左右前輪FW1,FW2をアクティブ操舵しても操舵ハンドル11に与える影響を小さくすることができるとともに、負荷装置50としても小型すなわち最大許容負荷の小さなものを利用できるようになる。
また、このような第2実施形態においては、上記第1実施形態に係る車両の操舵装置に加えて、負荷装置50よりも左右前輪FW1,FW2側に出力トルクセンサ73を追加して、同出力トルクセンサ73によって検出された出力トルクToにより左右前輪FW1,FW2の操舵アシストを制御するようにしたので、前記第2実施形態に係る特有の効果に加えて、上記第1実施形態の効果も期待できる。
さらに、この第2実施形態においては、アクティブ操舵選択スイッチ66によりアクティブ操舵が選択されていない状態では負荷装置50による操舵ハンドル11の回転の規制を解除しておくが、アクティブ操舵選択スイッチ66によりアクティブ操舵が選択されている状態では負荷装置50を常時作動させて操舵ハンドル11の回転を常に規制するようにしてもよい。この場合、上記第1実施形態の図6のステップS32〜S36の処理を省略するようにするとともに、ステップS36の負荷装置50の作動制御においては、ある程度小さな規制力(抵抗力)が操舵ハンドル11に対して付与されるように負荷装置50を制御する。
これによれば、アクティブ操舵時に、負荷装置50の規制によって操舵ハンドル11に対する運転者の操舵トルク(ハンドルトルク)は増加する傾向にあるが、出力トルクセンサ73によって検出された出力トルクToを用いたステップS51,S52,S21の処理による操舵アシスト制御により、前記運転者の操舵トルクをある程度抑えることが可能になる。また、このアクティブ操舵時における負荷装置50の連続制御によっても、ハンドルトルクセンサ62は不要になるとともに、アクティブ操舵装置20による左右前輪FW1,FW2のアクティブ操舵による反力を含む反力トルクが操舵トルク(ハンドルトルク)にもたらす影響を低減できる。
さらに、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
例えば、上記実施形態においては、操舵アシスト用の電動モータ41でラックバー14を軸性方向に駆動するようにした。しかし、これに代えて、操舵アシスト用の電動モータ41で減速機構を介して下部ステアリングシャフト12bを回転駆動するようにしてもよい。
また、操舵ハンドル11の回動操作によって左右前輪FW1,FW2を操舵する車両の操舵装置に本発明を適用した。しかし、本発明は、ジョイスティックなどのように直線的な操作により左右前輪FW1,FW2を操舵する車両の操舵装置にも適用される。
11…操舵ハンドル、12…ステアリングシャフト、12a…上部ステアリングシャフト、12b…下部ステアリングシャフト、13…ピニオンギヤ、14…ラックバー、20…アクティブ操舵装置、27…電動モータ、40…操舵アシスト装置、41…電動モータ、50…負荷装置、61…ハンドル操舵角センサ、62…ハンドルトルクセンサ、63…実舵角センサ、64…車速センサ、65…ECU、66…アクティブ操舵選択スイッチ、71…ヨーレートセンサ、72…横加速度センサ、73…出力トルクセンサ。