JP4334953B2 - パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車のステアリングなどの操舵機構から出力された操舵トルクに応じて油圧パワーシリンダを作動させることにより、操舵アシスト力を付与するパワーステアリング装置に関する。

この種の従来のパワーステアリング装置としては、本出願人が先に出願した例えば以下の特許文献１に記載されているものが知られている。

このパワーステアリング装置は、ステアリングホィールに取付られた操舵軸と、該操舵軸の下端部に連結した出力軸と、該出力軸の下端部に設けられたラック、ピニオンと、ラックに連繋された油圧パワーシリンダと、該油圧パワーシリンダの左右の第１、第２油圧室に、第１連通路と第２連通路とを介して作動油圧を相対的に供給する可逆式ポンプと、前記第１、第２連通路の間に接続されたバイパス通路に設けられて、該バイパス通路を開閉する電磁弁とを備えている。

そして、車両走行中において、ステアリングホィールにより通常の左右操舵を行なうと、この操舵トルクを検知した検知機構が制御回路を介して前記電磁弁に通路閉信号を出力すると共に、可逆式ポンプを正転あるいは逆転させていずれか一方の油圧室や連通路内の作動油を他方の油圧室及び連通路に相対的に供給するようになっている。

また、前記可逆式ポンプを駆動する電動機の異常監視回路を備え、この電動機の回転数が零の場合には、該電動機が故障していると異常監視回路が判断した場合は、前記電磁弁を開いてフェールセーフ機能を発揮させるようになっている。
特開２００２−１４５０８７号公報

ところで、前記従来のパワーステアリング装置にあっては、異常監視回路は、前記電動機の回転数が零状態になっている場合のみに電動機が故障していると判断するようになっていることから、たとえ電動機が必要トルクを発生させていない場合であっても、電動機が僅かながらでも回転していれば異常ではなく、正常に駆動していると判断するため、電動機の異常状態（故障状態）を正確に判断することができなかった。

本発明は、前記従来のパワーステアリング装置の技術的課題に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、操舵軸に連係された操舵機構と、該操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、該油圧パワーシリンダの両油圧室に対して油圧を選択的に給排する可逆式ポンプと、該可逆式ポンプを正逆回転駆動させる電動機と、前記操舵機構に付与する操舵トルクを検出するトルクセンサと、該トルクセンサによって検出されたトルク信号に基づき前記電動機に対して駆動信号を出力する電動機制御手段と、前記電動機の回転数を検出または推定する駆動状態検出手段と、パワーステアリング装置の作動異常を検出する異常監視回路と、を備え、前記異常監視回路は、前記油圧パワーシリンダに供給される作動油の油量不足により前記油圧パワーシリンダのシリンダ圧が上がらないことによって発生する操舵トルクを所定トルク値として設定し、操舵トルクが前記所定トルク値以上で、かつ前記電動機の回転数が所定回転数以上であることをそれぞれ検出した場合に、前記パワーステアリング装置が故障していると判断することを特徴としている。

この発明によれば、異常監視回路が、単に電動機の回転数のみをチェックして行うのではなく、電動機の例えば回転数の他に、アシスト力検出手段からの必要操舵アシスト力（トルク値）をチェックし、電動機がたとえ回転していても必要操舵アシスト力に応じた回転駆動力を発揮していない場合に初めて、パワーステアリング装置が故障していると判断する。

このため、電動機のより正確な故障判断を行うことが可能になる。
しかも、ステアリングホイールを回転操作した際に、必要な操舵トルクが過度に大きくなってしまい、電動機の回転数も過回転してしまう状態とは、例えばアシスト用の油圧パワーシリンダの圧力が上がらずにアシスト力が働かない場合などであって、これは油圧経路での油のリークなどに起因したシリンダ内の液量不足によるものである。したがって、本発明では、かかる故障状態を的確に診断することが可能になる。
請求項２に記載の発明は、前記異常監視回路は、前記操舵トルクが所定値以上でかつ前記電動機の回転数が所定回転数以下であることを検出した場合に、パワーステアリング装置が故障していると判断することを特徴としている。

この発明によれば、アシスト力検出手段によって所定以上の要求操舵トルクであるにも拘わらず、電動機の回転数が所定以下になっている場合には、該電動機が例えば故障してロックしていると判断される。したがって、電動機の故障診断を正確に行なうことができる。

請求項３に記載の発明においては、前記駆動状態検出手段は、前記電動機の電流値と電圧値とから該電動機の回転数を推定することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、前記可逆式ポンプと前記油圧パワーシリンダの両油圧室とをそれぞれ連通する第１通路及び第２通路と、前記第１、第２通路を連通する連通路に設けられて、該連通路を開閉する開閉弁と、前記開閉弁を開閉制御する制御装置と、を備え、前記異常監視回路が装置の故障を検出した際に、前記制御装置によって前記開閉弁を開いて前記第１、第２通路を連通させることを特徴としている。
この発明によれば、パワーステアリング装置が故障した際には、開閉弁によって連通路を開いて、この連通路により第１通路と第２通路を連通させることにより、マニュアルステアリング操作が可能になる。

以下、本発明にかかるパワーステアリング装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。

図１は本発明の実施の形態におけるパワーステアリング装置の概略を示し、ステアリングホイール１と、該ステアリングホイール１が連結された操舵軸２の下端部の出力軸３に設けられて、左右の転舵輪ＦＬ、ＦＲに転舵トルクを付与する操舵機構であるラック・ピニオン機構４と、操舵軸２の下端側に設けられてステアリングホイール１の操舵トルクを検出するアシスト力検出手段であるトルクセンサ５と、前記ラック・ピニオン機構４のラック部４ａに連繋された油圧パワーシリンダ６と、該油圧パワーシリンダ６に作動油圧を給排する油圧回路７と、該油圧回路７に有する後述のギアポンプ１６を駆動する電動機である電動モータ８及び後述する開閉弁である電磁弁９を制御する制御手段であるコントロールユニット１０とから主として構成されている。

前記油圧パワーシリンダ６は、車体幅方向に延設された筒状シリンダ部１１内を前記ラック４ａに連繋したピストンロッド１２が貫通していると共に、該ピストンロッド１２に筒状シリンダ部１１内を摺動するピストン１３が固定されている。また、筒状シリンダ部１１内には、ピストン１３によって左右の第１油圧室１１ａと第２油圧室１１ｂが隔成されている。

前記油圧回路７は、各一端部が前記各油圧室１１ａ、１１ｂに接続された一対の第１、第２通路１４，１５と、該両通路１４，１５の他端部に接続された正逆回転可能な１つの可逆式ポンプであるギアポンプ１６と、前記第１、第２通路１４，１５の途中にそれぞれ接続された連通路１７と、該連通路１７の途中に設けられた前記電磁弁９とを備えている。

前記電動モータ８は、コントロールユニット１０から出力される制御電流により正逆回転駆動されて、これによって、前記ギアポンプ１６の駆動制御が行われるようになっており、このギアポンプ１６の駆動制御によって油圧パワーシリンダ６の各油圧室１１ａ、１１ｂに供給される油圧が制御されて、ステアリングホイール１による操舵力及び操舵方向に応じて操舵アシスト制御が行われるようになっている。

前記ギアポンプ１６は、正回転時及び逆回転時にそれぞれ発生する加圧油を吐出する一対の吐出口１６ａ、１６ｂを備えており、この吐出口１６ａ、１６ｂがそれぞれ第１、第２通路１４，１５を介して油圧パワーシリンダ６の各油圧室１１ａ、１１ｂに接続されている。一方、ギアポンプ１６の図外の吸入口には、吸入側通路を介してリザーバタンクに接続されている。

さらに、前記連通路１７は、前記第１、第２通路１４，１５との間にギアポンプ１６と並列状態に設けられている一方、前記電磁弁９は、常開型であって、前記コントロールユニット１０の後述する異常監視回路及び電磁弁駆動回路によって通電（オン信号）で閉制御され、非通電（オフ信号）で開制御されるようになっている。なお、前記電磁弁９には、作動油を油圧回路７内に供給して充填するリザーバタンクが接続されている。また、図中１９はインスツルメントパネルなどに設けられた異常表示ランプである。

また、前記コントロールユニット１０は、前記電動モータ８の現在回転数を検出する駆動状態検出手段である回転センサ１８（ホールセンサ）からの回転数信号が入力されると共に、前記トルクセンサ５から出力されたトルク信号を入力している。なお、電動モータ８には、前記回転センサ１８が円周方向のほぼ等間隔位置に３つ設けられている。

また、コントロールユニット１０は、トルク信号を処理するトルクセンサ信号処理回路と、前記回転センサ１８からの信号などに基づいて電動モータ８の回転を制御する電動モータ制御演算回路及び電動モータ駆動回路と、前記電動モータ８や油圧パワーシリンダなどのパワーステアリング装置の故障などによる異常を検出する異常監視回路と、前記電磁弁９を開閉制御する電磁弁駆動回路などが組み込まれている。

以下、コントロールユニット１０の異常監視回路による制御の概略を図２のフローチャートによって説明する。

まず、ステップ１では、前記回転センサ１８が異常か否かを判断し、異常でないと判断した場合は、ステップ２に移行する。

このステップ２では可逆式ポンプ１６が故障ロックしているか否かを判断し、故障ロックしていないと判断した場合は、ステップ３に移行する。

このステップ３では油圧パワーシリンダ６の油圧回路７内の油量が不足しているか否かを判断し、不足していないと判断した場合には、ステップ４に移行する。

このステップ４では、電動モータ８や油圧回路７に異常がないことから前記電磁弁９に電磁弁駆動回路から通電を継続させて、該電磁弁９の閉弁状態を維持する。

そして、前記ステップ１において回転センサ１８が異常であると判断した場合、ステップ２において電動モータ８が異常であると判断した場合、さらにステップ３において油圧回路７内で液漏れなどによって各油圧室１１ａ、１１ｂ内の油圧が低下していると判断した場合には、それぞれステップ５に移行する。

このステップ５では、前記電磁弁９を電磁弁駆動回路によって非通電（オフ信号）を出力して開制御する。これによって、第１、第２通路１４，１５が連通路１７を介して連通状態になることから各油圧室１１ａ、１１ｂには選択的に油圧が供給、排出されずに互いに連通状態になる。

このため、ステアリングホイール１の回転操作に対するアシスト力が付与されず、操舵軸２から出力軸３に伝達された操舵力がラック・ピニオン機構４に伝達されて、いわゆるマニュアルステアリング操作状態になる。

次に、前記コントロールユニット１０の前記ステップ１での回転センサ（ホールセンサ）１８の異常検出判断の具体的処理を図３のフローチャート及び図４の各ホールセンサの出力パターンに基づいて説明する。

すなわち、図３のステップ１１では、各回転センサ１８（ホールセンサ１〜３）の出力が全てＬｏまたはＨｉになっているか否かを判断し、なっていないと判断した場合は、ステップ１２において異常状態のタイマーをクリア処理を行う。その後、ステップ１３では回転センサ１８の出力が不連続になっているか否かを判断し、ここで連続していると判断した場合はそのまま終了する。

前記ステップ１１において、回転センサ１８の出力が全てＬｏまたはＨｉになっていると判断した場合は、ステップ１４で異常状態の時間（Ｔｒｏｔｇ）が、予め設定された所定の時間（ｔｒｏｔｎｇｔ）よりも大きい（等しい）か否かを判断する。ここで小さいと判断した場合は、ステップ１５に移行して、異常状態タイマーカウントを１つアップしてステップ１３に移行する。

また、前記ステップ１３において回転センサ１８の出力が不連続になっていると判断した場合は、ステップ１６に移行し、ここでは出力異常カウンタ値（Ｃｒｏｔｎｇ）が所定のカウンタ値（ｃｒｏｔｎｇ）よりも大きい（等しい）か否かを判断する。ここで、所定のカウント値よりも小さいと判断した場合は、ステップ１７に移行する。

このステップ１７では、出力異常カウントに１をカウントアップしてその後の処理を終了する。

また、前記ステップ１４で所定時間よりも大きい（等しい）と判断した場合、あるいは、ステップ１６において出力異常カウント値が所定のカウント値よりも大きい（等しい）と判断した場合には、ステップ１８に移行する。

このステップ１８では、異常確定処理（Ｆｒｏｔｎｇ＝ｓｅｔ）を行い終了する。

図４は前記フローチャート図に対応した電気角（０°〜３６０°）に対する各回転センサ（ホールセンサ１〜３）１８の出力レベル（Ｌｏ、Ｈｉ）を示しており、出力パターンとしては、ステアリングホイール１を右回転させているときは、１−２−３−４−５−６−１−２…となり、左回転させているときは６−５−４−３−２−１−６−５…という順番になる。そして、前記フローチャートに示すセンサ異常判断処理は、この順番を監視している。

次に、前記図２のステップ２に示す可逆式ポンプ１６の故障ロック状態の監視の具体的な制御を図５のフローチャート及び図６のタイムチャートに基づいて説明する。

まず、運転者がステアリングホイール１を、例えば右方向へ回転操作した場合に、図５のステップ２１では、トーションバーの捻りによる捻りトルク値（絶対値）が予め設定された所定トルク値（ＴＩ）よりも大きいか否かを判断し、小さいと判断した場合は、異常がないとしてステップ２２に移行する。

このステップ２２では、異常判断のカウンタをクリア処理する。

前記ステップ２１において所定トルク値（ＴＩ）よりも大きいか等しいと判断した場合、つまり図３に示すようにトーションバートルクがシリンダ圧が上がらないことから回転操舵力が重くなって所定トルク値（ＴＩ）よりも大きくなると、ステップ２３に移行する。

このステップ２３では、今度は前記電動モータ８の単位秒当たりの回転数値（絶対値）が、予め設定されている所定回転数値（ＮＩ）よりも小さいか否かを判断する。ここで大きいと判断した場合は、前記ステップ２２に移行して前記と同様の処理を行うが、小さいと判断した場合、つまり、回転が停止あるいは停止する少し前までの小さな回転数値である場合は、ステップ２４に移行する。

このステップ２４では、前記電動モータ８の小さな回転数の継続時間（異常判断時間）をタイマーによってカウントし、このカウント値が所定時間ＣＩよりも大きいか否かを判断する。ここで、継続時間が所定時間ＣＩよりも小さいと判断した場合は、異常ではないとしてステップ２５に移行する。

このステップ２５では、カウントＣＩに１を加算するカウントアップ処理を行いそのまま終了する。

前記ステップ２４で、異常継続時間が所定時間よりも長いと判断した場合は、ステップ２６に移行する。このステップ２６では、電動モータ８などが異常である。つまり図５に示すように、電動モータ８が故障によって停止してポンプロックしてしまった場合に、異常判断フラグ（ＦＩｆｐ）をセット処理して終了する。

したがって、この異常判断フラグに基づいてコントロールユニット１０は、図６にも示すように、前記電磁弁９に電磁弁駆動回路を介して非通電（オフ信号）を出力して開制御すると同時に、電動モータ８への駆動電流の供給を遮断する。

これによって、右側の第２油圧室１１ｂに発生した油圧が上がらずに、前記電磁弁９の開制御によって開放され、両油圧室１１ａ、１１ｂの油圧が同圧になる。

したがって、油圧パワーシリンダ６による操舵アシスト力の発生を停止させることは勿論のこと、無用な電力消費を防止することができると共に、ステアリングホイール１のマニュアル操舵が可能になる。

以上にように、この実施形態によれば、異常監視回路が、単に電動モータ８の回転数のみをチェックするのではなく、電動モータ８の回転数の他に、トルクセンサ５からの必要操舵アシスト力（トルク値）をチェックし、電動モータ８がたとえ回転していても必要操舵アシスト力に応じた回転駆動力を発揮していない場合に初めて、パワーステアリング装置が故障していると判断するため、該装置のより正確な故障判断を行うことが可能になる。

特にこの実施形態にあっては、トルクセンサ５によって所定以上の要求操舵トルクであるにも拘わらず、電動モータ８の回転数が所定回転数ＮＩ以下になっている場合には、該電動モータ８が故障してロックしていると判断されため、電動モータ８の故障診断を正確に行なうことができる。

図７及び図８は本発明の第２の実施形態を示し、コントロールユニット１０における異常監視回路での可逆式ポンプ１６の故障ロック状態の監視のさらに異なる制御を示し、図７はフローチャート図、図８はこのタイムチャート図である。

まず、運転者がステアリングホイール１を例えば右方向へ回転操作した場合に、図７のステップ３１では、トーションバーの捻りによる捻りトルク値（絶対値）が予め設定された所定トルク値（Ｔｋ）よりも大きいか否かを判断し、小さいと判断した場合は、異常がないとしてステップ３２に移行する。

このステップ３２では、異常判断のカウンタ（Ｃｋ）をクリア処理する。

前記ステップ３１において所定トルク値（Ｔｋ）よりも大きいか等しいと判断した場合、つまり図８に示すようにトーションバートルクがシリンダ圧が上がらないことから回転操舵力が重くなって所定トルク値（Ｔｋ）よりも大きいと判断した場合は、ステップ３３に移行する。

このステップ３３では、今度は前記電動モータ８の単位秒当たりの回転数値（絶対値）が、予め設定されている所定回転数値（Ｎｋ）よりも小さいか否かを判断する。ここで小さいと判断した場合は、前記ステップ３２に移行して前記と同様の処理を行うが、大きいと判断した場合、つまり、図８に示すように、回転数がＮｋよりも過回転（空回り）状態の回転数である場合は、ステップ３４に移行する。

このステップ３４では、前記電動モータ８の過回転状態の継続時間（異常判断時間）をタイマーによってカウントし、このカウント値が所定時間Ｃｋよりも大きいか否かを判断する。ここで、継続時間が所定時間Ｃｋよりも小さいと判断した場合は、異常ではないとしてステップ３５に移行する。

このステップ３５では、カウントＣｋに１を加算してカウントアップ処理を行いそのまま終了する。

前記ステップ３４で、異常継続時間が所定時間よりも長いと判断した場合は、ステップ３６に移行する。このステップ３６では、前記第１，第２油圧室１１ａ、１１ｂ内の作動油の油量が不足して圧力が上昇しない場合である。つまり、図８に示すように、油圧回路７での作動油のリークなどに起因して各油圧室１１ａ、１１ｂ内での油圧が低下した状態になり、油圧パワーシリンダ６が作動できずに異常と判断された場合に、異常判断フラグ（Ｆｋｆｐ）をセット処理して終了する。

したがって、この異常判断フラグに基づいてコントロールユニット１０は、図８にも示すように、前記電磁弁９に電磁弁駆動回路を介して非通電（オフ信号）を出力して開制御すると同時に、電動モータ８への駆動電流の供給を遮断する。

これによって、右側の第２油圧室１１ｂに発生した油圧が、前記電磁弁９の開制御によって開放され、両油圧室１１ａ、１１ｂの油圧が同圧になる。

したがって、無用な電力消費を防止することができると共に、マニュアル操舵が可能になる。

このように、本実施形態によれば、油圧回路７での油のリークなどに起因した各油圧室１１ａ、１１ｂ内の液量不足による故障状態を的確に診断することが可能になる。

また、前記各実施形態における回転数センサ１８を用いずに、電動モータ８に出力される電流値と電圧値とから電動モータ８の回転数を推定することも可能である。

すなわち、電動モータ８に印加する電圧は以下の式によって決定される。

Ｖｍ（電動モータに掛ける電圧）＝Ｖω（逆起電力と同等の電圧）＋Ｖｔｒｑ（トルク出力に必要な電圧）
ここで、Ｖω＝Ｋｅ（逆起電力係数）×ω（電動モータ角速度）
Ｖｔｒｑ＝Ｉｍ（モータ指令電流）×Ｒｃ（回路抵抗）
上記の式を書き換えると、
ω＝｛Ｖｍ−（Ｉｍ×Ｒｃ）｝／Ｋｅ
となる。

前記式中のＲｃとＫｅはパワーステアリング装置の仕様により決定するので、定数として扱え、ＶｍとＩｍはセンサ測定値から求められるため、前記式によって電動モータ８の回転数を推定することが可能になる。

前記各実施形態から把握できる前記請求項に記載の発明以外の技術的思想について以下に記載する。
（１）前記駆動状態検出手段は、電動機の電流値と電圧値とから電動機の回転数を推定することを特徴とする請求項２または３に記載のパワーステアリング装置。

この発明によれば、電動機の回転センサなどを別途設ける必要がないことから、コストの高騰を抑制できる。
（２）前記第１、第２通路を連通する連通路に設けられて、該連通路を開閉する開閉弁とを備え、
前記異常監視回路が装置の故障を検出した際に、前記開閉弁を開いて前記第１、第２通路を連通させたことを特徴とする請求項１〜（１）のいずれかに記載のパワーステアリング装置。

この発明によれば、パワーステアリング装置が故障した際には、開閉弁によって連通路を開いて、この連通路により第１通路と第２通路を連通させることにより、マニュアルステアリング操作が可能になる。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、パワーステアリング装置の仕様に応じて、例えば回転センサ１８に変えて可逆式ポンプ１６の回転数や第１、第２油圧室１ａ、１ｂの圧力センサを利用することも可能である。また、ギアポンプに変えて他のポンプに変更することも可能であり、また、開閉弁も電磁弁に限定されるものではない。さらに、油圧回路７の構成も車両の仕様などに応じて適宜変更することも可能である。

本発明のパワーステアリング装置の実施形態を示す構成概略図である。 本実施形態におけるコントロールユニットによる各構成部の故障を検出して処理する制御フローチャートである。 本実施形態におけるコントロールユニットの異常監視回路による回転センサの異常監視の制御フローチャート図である。 同回転センサの異常をチェックする出力特性図である。 第１の実施形態におけるコントロールユニットの制御フローチャート図である。 図５のフローチャート図に対応するタイムチャート図である。 第２の実施形態におけるコントロールユニットの制御フローチャート図である。 図７のフローチャート図に対応するタイムチャート図である。

符号の説明

１…ステアリングホイール
２…操舵軸
４…ラック・ピニオン機構（操舵機構）
５…トルクセンサ（アシスト力検出手段）
６…油圧パワーシリンダ
７…油圧回路
８…電動モータ（電動機）
９…電磁弁（開閉弁）
１０…コントロールユニット
１１…油圧室
１４，１５…第１、第２通路
１６…ギアポンプ
１８…回転センサ（駆動状態検出手段）

Claims (4)

1. 操舵軸に連係された操舵機構と、
   該操舵機構の操舵力を補助する油圧パワーシリンダと、
   該油圧パワーシリンダの両油圧室に対して油圧を選択的に給排する可逆式ポンプと、
   該可逆式ポンプを正逆回転駆動させる電動機と、
   前記操舵機構に付与する操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   該トルクセンサによって検出されたトルク信号に基づき前記電動機に対して駆動信号を出力する電動機制御手段と、
   前記電動機の回転数を検出または推定する駆動状態検出手段と、
   パワーステアリング装置の作動異常を検出する異常監視回路と、を備え、
   前記異常監視回路は、前記油圧パワーシリンダに供給される作動油の油量不足により前記油圧パワーシリンダのシリンダ圧が上がらないことによって発生する操舵トルクを所定トルク値として設定し、操舵トルクが前記所定トルク値以上で、かつ前記電動機の回転数が所定回転数以上であることを検出した場合に、前記パワーステアリング装置が故障していると判断することを特徴とするパワーステアリング装置。
2. 前記異常監視回路は、前記操舵トルクが所定値以上でかつ前記電動機の回転数が所定回転数以下であることを検出した場合に、パワーステアリング装置が故障していると判断することを特徴とする請求項１に記載のパワーステアリング装置。
3. 前記駆動状態検出手段は、前記電動機の電流値と電圧値とから該電動機の回転数を推定することを特徴とする請求項１また２のいずれか一項に記載のパワーステアリング装置。
4. 前記可逆式ポンプと前記油圧パワーシリンダの両油圧室とをそれぞれ連通する第１通路及び第２通路と、
   前記第１、第２通路を連通する連通路に設けられて、該連通路を開閉する開閉弁と、
   前記開閉弁を開閉制御する制御装置と、を備え、
   前記異常監視回路が装置の故障を検出した際に、前記制御装置によって前記開閉弁を開いて前記第１、第２通路を連通させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーステアリング装置。

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