JP4329220B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
車両の操舵は、車室の内部に配された操舵手段の操作、例えば、ステアリングホイール(舵輪)の回転を、舵取り用の車輪(一般的には前輪)の操向のために車室の外部に配された舵取機構に伝えて行われる。
近年においては、舵取機構の中途に油圧シリンダ、電動モータ等の操舵補助用のアクチュエータを配し、このアクチュエータを、操舵のためにステアリングホイールに加えられる操作力の検出結果に基づいて駆動して、ステアリングホイールの回転に応じた舵取機構の動作を補助し、操舵のための運転者の労力負担を軽減する構成とした車両用操舵装置(パワーステアリング装置)が広く普及している。
【0003】
ところが、このような従来の車両用操舵装置においては、操舵手段であるステアリングホイールと舵取機構との機械的な連結が必要であり、車室の内部におけるステアリングホイールの配設位置が、車室外での舵取機構との連結が可能な位置に限定されるという問題があり、また、連結可能にステアリングホイールが配設された場合であっても、連結の実現のために複雑な連結構造を要し、車両の軽量化、組立て工程の簡素化を阻害する要因となっている。
【0004】
例えば、実公平2−29017号公報には、このような問題の解消を目的としたリンクレスのパワーステアリング装置である車両用操舵装置が開示されている。この車両用操舵装置は、ステアリングホイールを舵取機構から機械的に切り離して配し、また、従来の車両用操舵装置における操舵補助用のアクチュエータと同様に、舵取機構の中途に舵取り用のアクチュエータとしての電動モータを配してなり、この電動モータを、ステアリングホイールの操作方向及び操作量の検出結果に基づいて駆動することにより、ステアリングホイールの操作に応じた舵取りを行わせる構成となっている。
【0005】
以上のように構成された分離型の車両用操舵装置は、ステアリングホイールの配設自由度の増加、車両の軽量化等の前述した目的に加え、レバー、ペダル等、ステアリングホイールに代わる新たな操舵手段の実現、及び路面上の誘導標識の検出、衛星情報の受信等の走行情報に従う自動運転システムの実現等、将来における自動車技術の発展のために有用なものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような車両用操舵装置では、操舵トルクを検出する手段として、従来からのトーションバーを使用したトルクセンサが考えられているが、トーションバーを使用したトルクセンサは、高価であり、また、サイズ、設置位置等の制約の為、設計の自由度が制約される問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
第1発明に係る車両用操舵装置は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、前記舵輪の軸に連結された第2の電動モータと、該第2の電動モータの逆起電圧又は該第2の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記操舵角、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第2の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする。
【0008】
この車両用操舵装置では、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する。第2の電動モータが舵輪の軸に連結され、検出手段は、第2の電動モータの逆起電圧又は第2の電動モータに流れる電流を検出する。演算する手段は、検出手段が検出した逆起電圧又は電流、操舵角、舵輪の慣性モーメント及び第2の電動モータの慣性モーメントに基づき操舵トルクを演算する。これにより、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【0009】
第2発明に係る車両用操舵装置は、前記第2の電動モータは、前記舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータであることを特徴とする。
【0010】
この車両用操舵装置では、第2の電動モータが、舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータであるので、トルクを検出する為のスペースが不要であり、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【0011】
第3発明に係る車両用操舵装置は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、前記舵輪の軸に連結された第2の電動モータと、該第2の電動モータの逆起電圧又は該第2の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第2の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする。
【0012】
この車両用操舵装置では、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する。第2の電動モータが舵輪の軸に連結され、検出手段は、第2の電動モータの逆起電圧又は第2の電動モータに流れる電流を検出する。演算する手段は、検出手段が検出した逆起電圧又は電流、舵輪の慣性モーメント及び第2の電動モータの慣性モーメントに基づき操舵トルクを演算する。これにより、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図1(a)は、本発明に係る車両用操舵装置の原理構成を示す原理図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール2(舵輪)に連結され、ステアリングホイール2にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータ3(第2の電動モータ)と、反力モータ3の逆起電圧又は反力モータ3に流れる電流を検出する検出器34(検出手段)と、ステアリングホイール2の操舵角を検出するロータリエンコーダ33とを備えている。
【0014】
この車両用操舵装置は、また、検出器34が検出した逆起電圧又は電流とロータリエンコーダ33が検出した操舵角とステアリングホイール2の慣性モーメントと反力モータ3の慣性モーメントとに基づき、ステアリングホイール2に加わる操舵トルクを演算検出する操舵制御部4a(演算する手段)を備えている。操舵制御部4aは、また、演算検出した操舵トルクに基づき、反力モータ3によりステアリングホイール2にその操作方向と逆方向の力を与える反力制御を行う。
図1(b)は、上述した図1(a)に示す原理構成の車両用操舵装置のステアリングホイール2と反力モータ3との間に、反力モータ3の回転速度を増加させる為の増速ギヤ7を設けた場合の原理構成を示す原理図である。
【0015】
以下に、このような構成の車両用操舵装置の原理を説明する。
図1(b)に示すように、増速ギヤ7を設けてある場合、増速ギヤ7のギヤ比をn:1、ステアリングホイール2の操舵角をθh 、反力モータ3の回転角度をθm とすると、
θm =n・θh (1)
また、増速ギヤ7のステアリングホイール2側のギヤに加わるトルクをTx 、増速ギヤ7の反力モータ3側のギヤに加わるトルクをTy とすると、
x =n・Ty (2)
【0016】
ここで、ステアリングホイール2に加わるトルク(操舵トルク)をT、反力モータ3に加わるトルクをTm 、既知であるステアリングホイール2の慣性モーメントをIh 、既知である反力モータ3の慣性モーメントをIm 、既知であるステアリングホイール2から増速ギヤ7迄の粘性抵抗係数をCh 、既知である増速ギヤ7から反力モータ3迄の粘性抵抗係数をCm とすると、
x =T−Ih ・θh ″−Ch ・θh ′ (3)
y =Tm +Im ・θm ″+Cm ・θm ′ (4)
(但し、θ′=dθ/dt θ″=d2 θ/dt2
【0017】
(3),(4)式を(2)式に代入して、
T−Ih ・θh ″−Ch ・θh
=nTm +nIm ・θm ″+nCm ・θm
(1)式より、
T−Ih ・θh ″−Ch ・θh
=nTm +nIm ・n・θh ″+nCm ・n・θh
整理して、
T−nTm =Ih ・θh ″+Ch ・θh
+n2 m ・θh ″+n2 m ・θh
=(Ih +n2 m )θh
+(Ch +n2 m )θh ′ (5)
【0018】
i) 反力モータの反力が無い(Tm =0)場合
粘性抵抗分を無視すると、(5)式から、
T=(Ih +n2 m )θh
θh =θm /nより、
T=((Ih +n2 m )/n)θm ″ (6)
【0019】
反力モータ3の逆起電圧定数をKe とすると、このときの反力モータ3の逆起電圧V=Ke ・θm ′である。従って、θm ′=V/Ke
∴ θm ″=V′/Ke (但し、V′=dV/dt)
よって、(6)式より、
T=(Ih +n2 m )・V′/(n・Ke ) (7)
となり、検出器34が検出した反力モータ3の逆起電圧V、ステアリングホイール2の慣性モーメントIh 及び反力モータ3の慣性モーメントIm より、ステアリングホイール2に加わるトルクTを求めることが出来る。
つまり、反力モータ3に代えて、反力モータではない電動モータを使用した場合は、電動モータの逆起電圧V、ステアリングホイール2の慣性モーメントIh 及び電動モータの慣性モーメントIm より、ステアリングホイール2に加わるトルクTを求めることが出来る。
【0020】
ここで、粘性抵抗分を考慮すると、(5)式及びθh =θm /nより、
T=(Ih +n2 m )θm ″/n
+(Ch +n2 m )θm ′/n (8)
θm ′=V/Ke 及びθm ″=V′/Ke より、
T=(Ih +n2 m )V′/nKe
+(Ch +n2 m )V/nKe (9)
【0021】
ii)反力モータの反力が有る(Tm ≠0)場合
反力モータ3に加わるトルクTm は、反力モータ3に流れる電流iを検出することにより求めることが出来、反力モータ3のトルク定数をKt とすると、Tm =i・Kt である。
従って、反力モータ3を作動させる場合、その流れる電流iを検出すれば、i)で求めた(6)〜(9)の各式にnTm を加えることで、ステアリングホイール2に加わるトルクTを求めることが出来る。
【0022】
例えば、(8)式にnTm を加えると、
T=(Ih +n2 m )θm ″/n
+(Ch +n2 m )θm ′/n+nTm
=(Ih +n2 m )ωm ′/n
+(Ch +n2 m )ωm /n+nTm (10)
(但し、ωm =θm ′=反力モータ3の回転速度
ωm ′=dωm /dt)
となり、ロータリエンコーダ33が検出したステアリングホイール2の操舵角θh (又は反力モータ3の回転角度θm )、検出器34が検出した反力モータ3に流れる電流i、ステアリングホイール2の慣性モーメントIh 及び反力モータ3の慣性モーメントIm より、反力モータの反力が有り、粘性抵抗分を考慮した場合のステアリングホイール2に加わるトルクTを求めることが出来る。
【0023】
図2は、本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。この車両用操舵装置は、図示しない車体の左右に配された一対の舵取り用の車輪10,10に舵取り動作を行わせるための舵取機構1と、舵取機構1から機械的に切り離して配された操舵手段であるステアリングホイール2と、ステアリングホイール2に反力を付与する反力アクチュエータ3(第2の電動モータ)と、マイクロプロセッサを用いてなる操舵制御部4とを備え、ステアリングホイール2の操作に応じた操舵制御部4の動作により、舵取機構1の中途に配した操舵モータ5(第1の電動モータ)を駆動し、舵取機構1を作動させる構成となっている。
【0024】
舵取機構1は、公知のように、車体の左右方向に延設されて軸長方向に摺動する操舵軸11の両端部と、車輪10,10を支持するナックルアーム12,12とを、各別のタイロッド13,13により連結し、操舵軸11の両方向への摺動によりタイロッド13,13を介してナックルアーム12,12を押し引きし、車輪10,10を左右に操向させるものであり、この操向は、操舵軸11の中途部に同軸的に構成された操舵モータ5の回転を、適宜の運動変換機構により操舵軸11の摺動に変換して行われる。
【0025】
操舵軸11は、操舵軸ハウジング14との間に介装された図示しない回転拘束手段により軸回りの回転を拘束されており、操舵モータ5の回転は、操舵軸11の軸長方向の摺動に変換され、操舵モータ5の回転に応じた舵取り(操舵用の車輪10,10の操向)が行われる。
このように舵取りされる車輪10,10の舵角は、操舵モータ5の一側の操舵軸ハウジング14と操舵軸11との相対摺動位置を媒介として、舵角センサ16により検出されるようになしてあり、舵角センサ16の出力は、操舵モータ5の回転位置を検出するロータリエンコーダ15の出力と共に、操舵制御部4に与えられている。
【0026】
ステアリングホイール2に反力を付与する反力アクチュエータ3は、電動モータ(例えば3相ブラシレスモータ)であり、回転軸30に関連して、そのケーシングを図示しない車体の適宜部に固定して取り付けてある。ステアリングホイール2は、回転軸30の一側の突出端に同軸的に固定されている。
【0027】
反力アクチュエータ3は、操舵制御部4から与えられる反力指示トルク信号に応じた駆動回路3aからの通電により正逆両方向に駆動され、回転軸30の一端に取り付けたステアリングホイール2に、その操作方向と逆方向の力(反力)を付与する動作をなす。従って、ステアリングホイール2の回転操作には、反力アクチュエータ3が発生する反力に抗する操舵トルクを加える必要がある。このようにしてステアリングホイール2に加えられる操舵トルクは、操舵制御部4により、反力アクチュエータ3に流れる電流に基づき演算検出され、反力アクチュエータ3が発生する反力の調節に使用される。
電流センサ3bは、駆動回路3aから反力アクチュエータ3に通電する電流を検出し、操舵制御部4に与える。
【0028】
ステアリングホイール2の操作量(操舵角)は、反力アクチュエータ3に付設されたロータリエンコーダ33により、操作方向を含めて検出されており、これらの検出結果は、操舵制御部4に与えられている。また、操舵制御部4には、車両の走行速度を検出する車速センサ6の検出結果が与えられている。
操舵制御部4の出力は、反力アクチュエータ3と操舵モータ5とに、各別の駆動回路3a,5aを介して与えられており、反力アクチュエータ3及び操舵モータ5は、操舵制御部4からの指示信号に応じて各別の動作を行うようになしてある。
【0029】
操舵制御部4は、ステアリングホイール2に付与すべき反力を決定し、反力を発生させるべく反力アクチュエータ3に反力指示トルク信号を発する反力制御を行い、また、ロータリエンコーダ33が検出したステアリングホイール2の操舵角と、電流センサ3bが検出した反力アクチュエータ3(反力モータ)に流れる電流と、ステアリングホイール2の慣性モーメントと、反力アクチュエータ3の慣性モーメントとにより、上述したように、ステアリングホイール2に加えられる操舵トルクを演算検出する。
【0030】
また、操舵制御部4は、ロータリエンコーダ33からの入力によりステアリングホイール2の操作方向を含めた操作角度を認識し、舵取機構1に付設された舵角センサ16からの入力により認識される実舵角度との舵角偏差を求め、この舵角偏差を、車速センサ6からの入力として与えられる車速の遅速、及び演算検出した操舵トルクに応じて大小となるように補正して目標舵角を求め、この目標舵角が得られるまで操舵モータ5を駆動する操舵制御動作を行う。このとき、ロータリエンコーダ15からの入力は、操舵モータ5が所望の回転位置に達したか否かを調べるためのフィードバック信号として用いられる。
【0031】
以下に、このような構成の車両用操舵装置の動作を、それを示す図3のフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、操舵制御部4は、電流センサ3bに、反力モータ3に流れる電流iを検出させて読み込み(S2)、nTm をn・i・Kt により求め記憶する(S4)。
次に、操舵制御部4は、ロータリエンコーダ33が検出したステアリングホイール2の操舵角θh (又は反力モータ3の回転角度θm )から反力モータ3の回転速度ωm を算出検出させて読み込み(S6)、今回のサンプリング周期の回転速度ωm (N)として記憶する(S8)。
次に、操舵制御部4は、今回のサンプリング周期の回転速度ωm (N)と、前回のサンプリング周期に検出し記憶した回転速度ωm (N−1)との差を演算し、Δωm として記憶する(S10)。
【0032】
次に、操舵制御部4は、サンプリング周期ΔtによりΔωm を割り算して、反力モータ3の回転加速度ωm ′を求めて記憶する(S12)。
次に、操舵制御部4は、記憶してあるnTm (S4)及び反力モータ3の回転加速度ωm ′(S12)を、(10)式
T=(Ih +n2 m )ωm ′/n
+(Ch +n2 m )ωm /n+nTm (10)
に代入して、ステアリングホイール2に加わるトルクT(操舵トルク)を演算する(S14)。
次に、操舵制御部4は、今回のサンプリング周期の回転速度ωm (N)を、前回のサンプリング周期の回転速度ωm (N−1)として記憶し(S16)リターンする。
【0033】
尚、反力モータ3に代えて、反力モータではない電動モータを使用した場合は、電動モータの逆起電圧V、ステアリングホイール2の慣性モーメントIh 及び電動モータの慣性モーメントIm より、(9)式を演算して、ステアリングホイール2に加わるトルクTを求めることが出来る。
【0034】
【発明の効果】
第1,3発明に係る車両用操舵装置によれば、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【0035】
第2発明に係る車両用操舵装置によれば、トルクを検出する為のスペースが不要であり、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る車両用操舵装置の原理構成を示す原理図である。
【図2】本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図3】本発明に係る車両用操舵装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 舵取機構
2 ステアリングホイール(舵輪)
3 反力モータ(反力アクチュエータ、第2の電動モータ)
3a,5a 駆動回路
3b 電流センサ(検出手段)
4,4a 操舵制御部(演算する手段)
5 操舵モータ(第1の電動モータ)
7 増速ギヤ
30 回転軸(舵輪の軸)
33 ロータリエンコーダ
34 検出器(検出手段)

Claims (3)

  1. 車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、
    前記舵輪の軸に連結された第2の電動モータと、該第2の電動モータの逆起電圧又は該第2の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記操舵角、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第2の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
  2. 前記第2の電動モータは、前記舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータである請求項1記載の車両用操舵装置。
  3. 車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第1の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、
    前記舵輪の軸に連結された第2の電動モータと、該第2の電動モータの逆起電圧又は該第2の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第2の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
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