JP5018446B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏心カム機構を用いた車両用操舵装置に関する。

従来から、偏心カム機構を用いた車両用操舵装置自体は知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の車両用操舵装置では、入力軸と出力軸の間にトーションバーが設けられ、トーションバーの捩れに応じてトルクアシストが実現されている。
特開平３−２２７７７２号公報

ところで、一般的に、車両用操舵装置では、ステアリングホイールに付与される操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段が設けられる。この操舵トルク検出手段により検出された操舵トルクは、典型的には、パワーステアリング機構のトルクアシスト制御に用いられる。

しかしながら、操舵トルク検出手段は、例えばトーションバーを用いてトルクセンサにより実現するのが一般的であるが、かかるトルクセンサを用いる場合、トーションバーの長さ分だけ軸方向の長さが長くなる。

そこで、本発明は、偏心カム機構を利用してステアリングホイールに付与される操舵トルクを推定できる車両用操舵装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る車両用操舵装置は、ステアリングホイールの回転量を後記出力軸に伝達する入力軸と、
前記入力軸に対して偏心して配置され、前記入力軸から伝達された回転量を車輪の転舵機構に伝達する出力軸と、
前記入力軸及び出力軸の一方と共に回転し、カム溝を有する円盤状のカムと、
前記入力軸及び出力軸の他方と共に回転し、該他方の軸の回転軸に対して径方向で所定距離オフセットした位置にて後記偏心ピンを保持する保持部と、
一端が前記保持部に保持され、他端が前記カムのカム溝内に摺動可能に支持される偏心ピンと、
前記保持部と前記偏心ピンの間に作用する荷重を検出する荷重検出手段と、
前記荷重検出手段により検出された荷重に基づいてステアリングホイールに付与された操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段とを備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る車両用操舵装置において、
ステアリングホイールの回転量に対応する舵角を検出する舵角検出手段を更に備え、
前記操舵トルク推定手段は、前記舵角検出手段により検出された舵角と、前記荷重検出手段により検出された荷重とに基づいて、前記操舵トルクを推定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る車両用操舵装置において、
前記操舵トルク推定手段は、前記荷重検出手段により検出された荷重（Ｆ）に、前記所定距離（Ｒｐ）を乗じて得られるトルク（Ｆ・Ｒｐ）と、前記舵角検出手段により検出された舵角に応じて定まるトルク伝達比（Ｋ）との積（Ｆ・Ｒｐ・Ｋ）に基づいて、前記操舵トルクを推定することを特徴とする。

第４の発明は、第１〜３のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記保持部は、パワーステアリング機構を構成するウォームホイールギアに一体的に連結されることを特徴とする。

第５の発明は、第１〜４のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に設けられることを特徴とする。

第６の発明は、第１〜５のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に作用する荷重であって、前記保持部の回転中心に関する接線方向の荷重を検出することを特徴とする。

第７の発明は、第１〜６のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に弾性部材を介して設けられることを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明に係る車両用操舵装置において、
前記弾性部材は、バネ若しくはゴムブッシュであることを特徴とする。

第９の発明は、第１〜８のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記保持部と前記偏心ピンの間に、前記保持部と前記偏心ピンの間の摩擦を低減する摩擦低減手段を更に備えることを特徴とする。

第１０の発明は、第１〜９のうちのいずれかの発明に係る車両用操舵装置において、
前記操舵トルク推定手段により推定された操舵トルクに基づいて、パワーステアリング機構のトルクアシスト制御を行う制御手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、偏心カム機構を利用してステアリングホイールに付与される操舵トルクを推定できる車両用操舵装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明による車両用操舵装置１０の一実施例を概略的に示す全体図である。車両用操舵装置１０は、運転者が操作するステアリングホイール１１を含むステアリングコラム１２を備える。ステアリングコラム１２は、ステアリングホイール１１の回転軸となるステアリングシャフト１４を回転可能に支持する。ステアリングシャフト１４は、後述の偏心カム機構（伝達比可変機構）４０等を介して出力軸１６に接続される。ステアリングシャフト１４の回転軸Ｏ１は、出力軸１６の回転軸Ｏ２に平行であり、出力軸１６の回転軸Ｏ２に対して偏心している。出力軸１６はピニオン１７に接続され、ピニオン１７がステアリングラック（転舵ロッド）１８に噛合される。ステアリングラック１８の両端には、それぞれタイロッド１９の一端が接続されると共に各タイロッド１９の他端にはナックルアーム等（図示せず）を介して転舵輪（図示せず）が接続されている。また、ステアリングシャフト１４には、ステアリングホイール１１の操舵角に応じた信号を発生する舵角センサ（ハンドル角センサ）１５が設けられる。例えば、舵角センサ１５は、ステアリングシャフト１４に一体的に連結され、ステアリングコラム１２内に設けられてよい。

車両用操舵装置１０は、パワーステアリング装置２０を備える。パワーステアリング装置２０は、主要な構成要素として、操舵補助用のアクチュエータ２４（以下、「アシストモータ２４」という）を備える。アシストモータ２４の出力軸（フォーム軸）は、出力軸１６に一体的に連結されるウォームホイールギア２２に噛合される。アシストモータ２４の出力軸が回転されると、ウォームホイールギア２２が回転され、その駆動力によりステアリングラック１８の移動が助勢される。尚、パワーステアリング装置２０は、かかる構成に限られず、任意である。例えば、パワーステアリング装置２０は、ステアリングラック１８と同軸に設けられ、その駆動力によりステアリングラック１８の移動を助勢するアシストモータを用いるタイプであってもよい。

車両用操舵装置１０は、その他の主要な構成要素として、偏心カム機構４０と、荷重センサ７０と、制御ＥＣＵ８０とを備える。

図２は、偏心カム機構４０の一実施例を示す断面図である。図３は、図２の偏心カム機構４０をＢ視で示す図である。図４は、偏心カム機構４０により実現される舵角比可変機能の原理図である。

偏心カム機構４０は、上記の特許文献１（若しくは、特開平５−１７８２２２号公報等）に記載されるような偏心カム機構と原理的に同様であってよい。偏心カム機構４０は、主たる構成要素として、カム４２と、カム溝４４と、偏心ピン４６とを含む。

カム４２は、ステアリングシャフト１４の回転軸Ｏ１と同心の回転軸を有し、出力軸１６の回転軸Ｏ２に対して偏心して回転する。カム４２には、ステアリングシャフト１４の回転出力が入力される。カム４２には、回転軸Ｏ１を通る直径方向にカム溝４４が形成される。カム溝４４には、偏心ピン４６の一端が摺動可能に嵌合される。偏心ピン４６の他端は、出力軸１６と一体的に設けられる保持プレート５０により保持される。従って、偏心ピン４６は、出力軸１６の回転軸Ｏ２と同心の回転軸を有し、ステアリングシャフト１４の回転軸Ｏ１に対して偏心して回転する。カム４２の回転出力は、偏心ピン４６の回転を介して出力軸１６へと伝達される。この際、この偏心カム機構４０により、入力角（ハンドル角）に対する出力角（タイヤの転舵角）である操舵比が一定でなくなり、入力角に応じて変化することになる。尚、操舵比は非線形に変化し、入力角の増加に伴い徐々に大きくなるような特性であってよい（図６参照）。

ここで、図４を参照して、偏心カム機構４０により実現される舵角比可変機能の原理について概説する。図４において、偏心ピン４６の中心Ｐと偏心ピン４６の回転中心Ｒ（＝Ｏ２）を結ぶ線分ＰＲの長さは一定である。カム溝４４の回転中心Ｏ（＝Ｏ１）と偏心ピン４６の中心Ｐを結ぶ線分ＯＰの長さは、カム溝４４の回転角ψに応じて変化する。従って、線分ＰＲの長さの線分ＯＰの長さに対する比が、回転角ψに応じて変化するので、偏心ピン４６の回転角θも回転角ψの関係として変化する。このようにしてカム溝４４の回転角ψに応じた操舵比の変化特性が実現される。

図５は、図２の偏心カム機構４０のＡ−Ａ断面を示す図であり、偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部の構成を示す。

本実施例では、偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部には、図５に示すように、荷重センサ７０が設けられる。荷重センサ７０は、偏心ピン４６と保持プレート５０との間に作用する荷重Ｆを検出する。荷重Ｆは、図５に示すように、保持プレート５０の回転中心Ｏ２に関する接線方向（径方向に対して直角な方向）の荷重に相当する。荷重Ｆは、上述の構成からも明らかなように、ステアリングホイール１１が回転される際にその操舵トルクに応じて発生する荷重である。

図示の例では、保持プレート５０には、偏心ピン４６の端部が隙間を持って嵌入される開口穴５２が形成されている。開口穴５２は、偏心ピン４６の端部より大きい穴形状を有し、開口穴５２における偏心ピン４６のまわりには、荷重センサ７０及びスライドブッシュ５４が設けられる。荷重センサ７０は、偏心ピン４６の端部の周方向の両側の面４６ｃ、４６ｄに対して設けられ、保持プレート５０との間で当該面４６ｃ、４６ｄに発生する荷重を検出する。尚、荷重センサ７０が面４６ｃ、４６ｄのそれぞれに対して設けられるのは、ステアリングホイール１１の各操舵方向に対応する操舵トルクを推定するためである。スライドブッシュ５４は、偏心ピン４６の端部の径方向内外の面４６ａ，４６ｂに対して設けられる。スライドブッシュ５４は、偏心ピン４６の端部の面４６ａ，４６ｂと保持プレート５０との間の摩擦を低減する。スライドブッシュ５４を設けることにより、摩擦の影響が低減されるので、荷重センサ７０は、偏心ピン４６に加わる力Ｆを精度良く検出することができる。

尚、図示の例において、荷重センサ７０は、保持プレート５０側に固定されてもよいし、偏心ピン４６の端部側に固定されてもよい。同様に、スライドブッシュ５４は、保持プレート５０側に固定されてもよいし、偏心ピン４６の端部側に固定されてもよい。

制御ＥＣＵ８０は、マイクロコンピューターで構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えている。尚、制御ＥＣＵ８０は、操舵システムを統括する単一のＥＣＵであってもよいし、２つ以上のＥＣＵにより協動して実現されてもよい。

制御ＥＣＵ８０には、図１に示すように、荷重センサ７０及び舵角センサ１５が接続される。制御ＥＣＵ８０には、荷重センサ７０及び舵角センサ１５からそれぞれのセンサ値が入力される。また、制御ＥＣＵ８０には、車速やアシストモータ２４の回転角のような、パワーステアリング装置２０のパワーアシスト制御に必要な情報が入力される。また、制御ＥＣＵ８０には、制御対象としてパワーステアリング装置２０のアシストモータ２４が接続される。

制御ＥＣＵ８０は、図１に示すように、操舵トルク推定部８２及びパワーアシスト制御部８４を備える。操舵トルク推定部８２には、荷重センサ７０及び舵角センサ１５からそれぞれのセンサ値が入力される。

操舵トルク推定部８２は、荷重センサ７０からの荷重Ｆ及び舵角センサ１５からの舵角に基づいて、ステアリングホイール１１が回転される際に付与される操舵トルク（ハンドルトルク）Ｔを推定（演算）する。例えば、操舵トルク推定部８２は、操舵トルクＴを、Ｔ＝Ｆ・Ｒｐ・Ｋとして推定してもよい。ここで、Ｒｐは、図５に示すように、偏心ピン４６の回転中心Ｏ２に対する荷重センサ７０の荷重測定点の径方向の位置、即ち偏心ピン４６の回転中心Ｏ２に対する偏心ピン４６の中心位置の距離である。また、Ｋは、舵角に応じて定まるトルク伝達比（出力トルク／入力トルク）である。ここで、トルク伝達比Ｋを考慮するのは、上述の如く偏心カム機構４０により操舵比が可変されていることを補償するため、即ち操舵比の変化の影響を補償して精度良く操舵トルクＴを推定するためである。トルク伝達比Ｋは、上述の偏心カム機構４０の操舵比（伝達比）の特性に対応し、例えば操舵角に応じた線分ＯＰの長さ（図４参照）の逆数に相当する値であってもよい。尚、図示の例では、トルク伝達比Ｋは、舵角の絶対値がゼロから増加するにつれて非線形的に増加していく特性となっている。

操舵トルク推定部８２は、例えば所定のサンプリング周期毎に、荷重センサ７０からの荷重Ｆ及び舵角センサ１５からの舵角に基づいて、操舵トルクＴを推定する。操舵トルク推定部８２により推定された操舵トルクＴは、所定のサンプリング周期毎に、パワーアシスト制御部８４に供給される。

パワーアシスト制御部８４は、車速センサ（図示せず）からの車速、及び、操舵トルク推定部８２からの操舵トルクＴの推定値に基づいて、アシスト電流を演算し、回転角センサ（図示せず）からのアシストモータ２４の回転角に基づいて、ドライブ回路（図示せず）を制御してアシストモータ２４を駆動する。これにより、操舵トルク等に応じたパワーステアリング装置２０のパワーアシスト制御が実現される。尚、車速及び操舵トルクＴの推定値からアシスト電流を演算する態様は、車速及びトルクセンサからの操舵トルクからアシスト電流を演算する態様と同様であってよい。

以上説明した本実施例の車両用操舵装置１０によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

上述の如く、偏心カム機構４０の構造を利用して、偏心カム機構４０の偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部に荷重センサ７０を設けることで、操舵トルクＴを精度良く推定することができる。これにより、例えば、トーションバーを利用したトルクセンサが不要となり、車両用操舵装置１０における軸方向の必要な長さを低減することができる。例えば、図示の例では、保持プレート５０をトーションバーを介さずに出力軸１６（及び出力軸１６に一体に連結されるウォームホイールギア２２）に連結することができ、保持プレート５０とウォームホイールギア２２との間の長さを短くすることができる。また、同様のトルクセンサをステアリングコラム１２内に備える構成では、トルクセンサを無くすことでステアリングコラム１２の小型化を図ることも可能である。

次に、上述の実施例に対する幾つかの好ましい代替実施例について説明する。尚、以下では、各代替実施例における特有の構成のみを説明するが、他の構成は、上述の実施例と同様であってよい。

図７は、第１の代替実施例による偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部の構成を示す図であり、上述の実施例における図５に相当する断面図である。この第１の代替実施例では、荷重センサ７０は、スプリング７２を介して偏心ピン４６と保持プレート５０との間に設けられる。スプリング７２は、主に、荷重Ｆの方向に対して弾性を有し、即ち、保持プレート５０の回転中心Ｏ２に関する接線方向に弾性を有する。図示の例では、荷重センサ７０は、偏心ピン４６の端部の周方向の両側の面４６ｃ、４６ｄに取り付けられ、荷重センサ７０と保持プレート５０の開口穴５２の間にスプリング７２が設けられている。尚、スプリング７２に代えて、ゴムのような他の弾性体が用いられてもよい。

ところで、上述の如く偏心カム機構４０の構造を利用して、偏心カム機構４０の偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部に荷重センサ７０を設ける場合には、トーションバーを利用したトルクセンサが不要となり、トーションバーを省略することができる。しかしながら、トーションバーを無くすと、ステアリングシャフト系の剛性が必要以上に高くなり、エンジンのアイドル振動を起振源としたハンドル振動の悪化が問題となりうる。これに対して、この第１の代替実施例によれば、偏心ピン４６の荷重検出部にスプリング７２を追加することで、ステアリングシャフト系の剛性の適正化を図ることができ、ハンドル振動の悪化を防止することができる。

図８は、第２の代替実施例による偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部の構成を示す図であり、上述の実施例における図５に相当する断面図である。この第２の代替実施例では、荷重センサ７０は、ゴムブッシュ７３を介して偏心ピン４６と保持プレート５０との間に設けられる。ゴムブッシュ７３は、主に、荷重Ｆの方向に対して弾性を有する。図示の例では、ゴムブッシュ７３は、偏心ピン４６の端部の周方向の両側の面４６ｃ、４６ｄに取り付けられ、荷重センサ７０は、ゴムブッシュ７３と保持プレート５０の開口穴５２の間に設けられている。尚、ゴムブッシュ７３に代えて、スプリング（板バネ等を含む）のような他の弾性体が用いられてもよい。

この第２の代替実施例によっても、上述の第１の代替実施例と同様、偏心ピン４６の荷重検出部にスプリング７２を追加することで、ステアリングシャフト系の剛性の適正化を図ることができ、ハンドル振動の悪化を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例において、ステアリングシャフト１４は、直接的に偏心カム機構４０に回転を伝達するものである必要はなく、例えばインターミディエイトシャフト等を介して偏心カム機構４０に回転を伝達するものであってもよいし、減速比が一定の減速機構を介して偏心カム機構４０に回転を伝達するものであってもよい。

また、上述した実施例では、偏心カム機構４０におけるカム４２がステアリングシャフト１４側に取り付けられ、偏心ピン４６を保持する保持プレート５０が出力軸１６側に取り付けられているが、その逆であってもよい。即ち、カム４２が出力軸１６側に取り付けられ、偏心ピン４６を保持する保持プレート５０がステアリングシャフト１４側に取り付けられてもよい。

また、上述した実施例では、荷重センサ７０の検出荷重に基づいて推定された操舵トルクＴは、パワーステアリング装置２０のパワーアシスト制御に利用されているが、その他の制御に利用することも可能である。例えば、推定された操舵トルクＴは、車両挙動の安定性の制御、レーンキープアシスト制御、駐車支援制御等に利用することも可能である。

本発明による車両用操舵装置１０の一実施例を概略的に示す全体図である。 偏心カム機構４０の一実施例を示す断面図である。 図２の偏心カム機構４０をＢ視で示す図である。 偏心カム機構４０により実現される舵角比可変機能の原理図である。 図２の偏心カム機構４０のＡ−Ａ断面を示す図である。 トルク伝達比Ｋの一例を示す図である。 第１の代替実施例による偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部の構成を示す図である。 第２の代替実施例による偏心ピン４６と保持プレート５０との間の結合部の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 車両用操舵装置
１１ ステアリングホイール
１２ ステアリングコラム
１４ ステアリングシャフト
１５ 舵角センサ
１６ 出力軸
１７ ピニオン
１８ ステアリングラック
１９ タイロッド
２０ パワーステアリング装置
２２ ウォームホイールギア
２４ アシストモータ
４０ 偏心カム機構
４２ カム
４４ カム溝
４６ 偏心ピン
５０ 保持プレート
５２ 開口穴
５４ スライドブッシュ
７０ 荷重センサ
７２ スプリング
７３ ゴムブッシュ
８０ 制御ＥＣＵ
８２ 操舵トルク推定部
８４ パワーアシスト制御部

Claims (10)

1. ステアリングホイールの回転量を後記出力軸に伝達する入力軸と、
   前記入力軸に対して偏心して配置され、前記入力軸から伝達された回転量を車輪の転舵機構に伝達する出力軸と、
   前記入力軸及び出力軸の一方と共に回転し、カム溝を有する円盤状のカムと、
   前記入力軸及び出力軸の他方と共に回転し、該他方の軸の回転軸に対して径方向で所定距離オフセットした位置にて後記偏心ピンを保持する保持部と、
   一端が前記保持部に保持され、他端が前記カムのカム溝内に摺動可能に支持される偏心ピンと、
   前記保持部と前記偏心ピンの間に作用する荷重を検出する荷重検出手段と、
   前記荷重検出手段により検出された荷重に基づいてステアリングホイールに付与された操舵トルクを推定する操舵トルク推定手段とを備えることを特徴とする、車両用操舵装置。
2. ステアリングホイールの回転量に対応する舵角を検出する舵角検出手段を更に備え、
   前記操舵トルク推定手段は、前記舵角検出手段により検出された舵角と、前記荷重検出手段により検出された荷重とに基づいて、前記操舵トルクを推定する、請求項１に記載の車両用操舵装置。
3. 前記操舵トルク推定手段は、前記荷重検出手段により検出された荷重（Ｆ）に、前記所定距離（Ｒｐ）を乗じて得られるトルク（Ｆ・Ｒｐ）と、前記舵角検出手段により検出された舵角に応じて定まるトルク伝達比（Ｋ）との積（Ｆ・Ｒｐ・Ｋ）に基づいて、前記操舵トルクを推定する、請求項２に記載の車両用操舵装置。
4. 前記保持部は、パワーステアリング機構を構成するウォームホイールギアに一体的に連結される、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
5. 前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に設けられる、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
6. 前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に作用する荷重であって、前記保持部の回転中心に関する接線方向の荷重を検出する、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
7. 前記荷重検出手段は、前記保持部と前記偏心ピンの間に弾性部材を介して設けられる、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
8. 前記弾性部材は、バネ若しくはゴムブッシュである、請求項７に記載の車両用操舵装置。
9. 前記保持部と前記偏心ピンの間に、前記保持部と前記偏心ピンの間の摩擦を低減する摩擦低減手段を更に備える、請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。
10. 前記操舵トルク推定手段により推定された操舵トルクに基づいて、パワーステアリング機構のトルクアシスト制御を行う制御手段を更に備える、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の車両用操舵装置。

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