JP5088530B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両用操舵装置に関するものである。

車両用操舵装置には、ステアリングホイールと操舵機構とが機械的に連結されていないステアバイワイヤ式の車両用操舵装置がある。この種の車両用操舵装置では、ステアリングホイールと操舵機構とが機械的に連結されていないので、フェールセーフが必要である。
例えば特許文献１記載のステアバイワイヤ式の車両用操舵装置では、異常発生時に、一対の伝達ケーブルを含む伝達機構と連結手段等によって、ステアリングホイールと操舵機構とを機械的に連結させるようになっている。

各伝達ケーブルは、アウターチューブと、アウターチューブ内を移動可能なインナーケーブルとを有する。車両用操舵装置の異常発生時には、インナーケーブルを介してステアリングホイールの回転を操舵機構に伝達できるようになっている。また、車両用操舵装置の正常時には、インナーケーブルは、ステアリングホイールまたは操舵機構に従動してアウターケーブル内を移動するようになっている。
特開２００２−２２５７３３号公報

しかしながら、特許文献１記載の車両用操舵装置では、長期に亘って使用していた場合に、アウターチューブおよびインナーケーブルの相対移動による摩擦によって、インナーケーブルに摩耗等の損傷が生じる場合がある。インナーケーブルに損傷が生じると、車両用操舵装置の異常発生時に、ステアリングホイールの回転を操舵機構に確実に伝達できなくなるおそれがある。すなわち、フェールセーフの信頼性が不十分である。

この発明は、かかる背景のもとになされたものであり、フェールセーフの信頼性が高いステアバイワイヤ式の車両用操舵装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、操舵部材（２）と操舵輪（５）との機械的な連結が解除された車両用操舵装置において、フェールのときに操舵部材と操舵機構とを機械的に連結するためのケーブルを含む伝達機構（１８）と、伝達機構と操舵部材との間に介在しフェールのときに、両者を連結するための連結機構（１９）と、操舵機構を駆動するための電動モータ（１６）と、電動モータの電流を検出するための電流検出手段（１７）と、電動モータの動作を制御する制御部（９）と、車両の走行速度を検出する車速検出手段（３３）と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段（７）とを備え、上記制御部は、車速検出手段により検出された車速および操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて、予め記憶されたマップを用いて電流の閾値を求める閾値決定部（２８）と、電流検出手段により検出された電流が閾値決定部により決定された閾値を越える場合に、伝達機構の異常を検出する異常検出部（２９）とを含むことを特徴とする車両用操舵装置（１）である。

本発明によれば、電動モータの電流と所定の閾値との比較に基づいて伝達機構の異常（ケーブルの損傷等）を検出することができる。
また、伝達機構の異常の検出はフェールでないときに行われる。したがって、損傷のあるケーブルがフェ−ルのときに用いられることを防止することができる。これにより、フェールセーフの信頼性を向上させることができる。

また、電動モータの電流の閾値は、車速と操舵角とに基づいて予め記憶されたマップから求められる。そして、電動モータの電流がマップから求められた閾値を超える場合に、異常検出部が伝達機構に異常が生じていると判定する。
また、本発明において、異常検出部により異常が検出されたときに、異常を報知する異常報知手段（３０）を備える場合がある。この場合、異常報知手段によって運転者に伝達機構の異常を報知することにより、修理により伝達機構を正常な状態に復帰させるように促すことができる。

また、本発明において、上記制御部は、異常検出部により異常が検出されたときに、車両走行装置の起動を禁止する場合がある。この場合、次回の車両走行装置（エンジン、モータ等の駆動力発生装置）の起動を受け付けないようにすることにより、運転者に強制的に修理を促し、上記異常が放置されることを確実に防止することができる。
なお、上記において、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置１の概略構成を示す模式図である。
図１を参照して、本実施形態に係る車両用操舵装置１は、操舵部材と操舵機構とが機械的に連結されていないステアバイワイヤ式の車両用操舵装置であり、操舵部材としてのステアリングホイール２と、ラックアンドピニオン機構を含む操舵機構３とを備える。

ステアリングホイール２は、図示しない車体に回転可能に支持されたステアリングシャフト４の一端に連結されている。ステアリングシャフト４の途中部には、操舵輪５の操舵量等に応じた操舵反力をステアリングホイール２に付与するための反力用の電動モータ６が同軸的に結合されている。
また、電動モータ６とステアリングホイール２との間には、ステアリングホイール２の操舵方向および操舵角を検出するための操舵角センサ７と、運転者がステアリングホイール２に加えた操舵トルクを検出するためのトルクセンサ８とが、ステアリングシャフト４に沿って設けられている。操舵角センサ７およびトルクセンサ８によって検出された検出値は、ＥＣＵ９（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）に入力されるようになっている。

操舵機構３は、車両の左右方向に延びる操舵軸としてのラック軸１０と、ラック軸１０に形成されたラック１１に噛み合うピニオン１２が一端に連結されたピニオン軸１３と、ラック軸１０に同軸的に連結され、当該ラック軸１０に操舵力を付与するための操舵アクチュエータ１４とを含む。
ラック軸１０は、車体に固定された図示しないハウジング内で軸方向移動可能に支持されている。また、ラック軸１０の両端部にはそれぞれタイロッド１５が結合されており、各タイロッド１５はナックルアーム（図示せず）を介して操舵輪５に連結されている。操舵アクチュエータ１４は、電動モータ１６と、電動モータ１６の回転軸の回転をラック軸１０の軸方向移動に変換するための例えばボールねじ機構等の変換機構（図示せず）とを含む。

ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、ステアリングホイール２の操舵角および操舵トルクがそれぞれ操舵角センサ７およびトルクセンサ８によって検出され、検出された値がＥＣＵ９に入力される。そして、ＥＣＵ９は、入力された操舵角および操舵トルク、ならびに車速センサ３３から入力された車速等に基づいてラック軸１０に付与する操舵力を決定する。その後、ＥＣＵ９は、決定された操舵力から電動モータ１６に供給する電流値を決定し、ＥＣＵ９内の駆動回路（図示せず）を介して、この決定された値の電流を電動モータ１６に供給させる。

これにより、操舵角等の値から決定された操舵力が操舵アクチュエータ１４からラック軸１０に付与され、ラック軸１０がその軸方向に移動することにより操舵輪５の操舵が達成される。また一方で、ＥＣＵ９は、ステアリングホイール２の操舵角等から決定される操舵反力に基づく値の電流を反力用の電動モータ６に供給させる。これにより、反力用の電動モータ６が駆動され、ステアリングホイール２の操舵角等に基づく操舵反力がステアリングホイール２に付与される。

また、電動モータ１６に供給された電流は、モータ電流検出装置１７によって検出されるようになっており、このモータ電流検出装置１７によって検出された電流値は、ＥＣＵ９に入力されるようになっている。
図２は、上記車両用操舵装置１の要部の模式的な拡大図である。図１および図２を参照して、車両用操舵装置１は、当該車両用操舵装置１の異常時（例えば、操舵アクチュエータ１４やこれに関連する構成の故障によって、ステアバイワイヤ式の車両用操舵装置として機能しなくなったとき）に、ステアリングホイール２と操舵機構３とを機械的に連結して、操舵輪５の操舵を達成するための伝達機構１８および連結機構１９を備えている。

連結機構１９は、ステアリングシャフト４の他端（ステアリングホイール２が連結された側と反対側の端部）に連結されており、ステアリングシャフト４と伝達機構１８とを連結することができるようになっている。
具体的には、連結機構１９は、互いに対向する第１の部材１９ａと第２の部材１９ｂとを有し、第１の部材１９ａは、ステアリングシャフト４の他端に一体回転可能に連結されている。また、第２の部材１９ｂは、伝達機構１８から延びる回転軸１８ａに一体回転可能に連結されている。この第１の部材１９ａおよび第２の部材１９ｂが、ＥＣＵ９の制御により連結されることによって、ステアリングシャフト４と回転軸１８ａとが連結され、ステアリングシャフト４の回転を伝達機構１８に伝達できるようになっている。連結機構１９としては、例えば、電磁クラッチ、摩擦クラッチ、噛み合いクラッチ等が挙げられる。

図２を参照して、伝達機構１８は、第１のケーシング２０内に回転可能に保持された第１のプーリ２６と、第２のケーシング２１内に回転可能に保持された第２のプーリ２７と、一対の伝達ケーブル２２，２３とを有する。第１のプーリ２６は、上記回転軸１８ａに一体回転可能、且つ、同軸的に連結されている。また、第２のプーリ２７は、ピニオン軸１３の他端（ピニオン１２が連結された側と反対側の端部）に一体回転可能、且つ、同軸的に連結されている。

一対の伝達ケーブル２２，２３は、それぞれ、アウターチューブ２４と、アウターチューブ２４内を移動可能に挿通するインナーケーブル２５とを有する。各伝達ケーブル２２，２３のアウターチューブ２４の一端は、第１のケーシング２０に接続されている。また、各伝達ケーブル２２，２３のアウターチューブ２４の他端は、第２のケーシング２１に接続されている。

また、各伝達ケーブル２２，２３のインナーケーブル２５の一端は、第１のプーリ２６に取り付けられている。一方の伝達ケーブル２２のインナーケーブル２５と、他方の伝達ケーブル２３のインナーケーブル２５とは、第１のプーリ２６に互いに逆方向に巻き付けられている。
また、各伝達ケーブル２２，２３のインナーケーブル２５の他端は、第２のプーリ２７に取り付けられている。一方の伝達ケーブル２２のインナーケーブル２５と、他方の伝達ケーブル２３のインナーケーブル２５とは、第２のプーリ２７に互いに逆方向に巻き付けられている。

車両用操舵装置１に上記異常が発生しＥＣＵ９がこの異常を検出すると、ＥＣＵ９は、ステアリングシャフト４と伝達機構１８とを連結機構１９によって連結させるための信号を出力する。これにより、ステアリングシャフト４と伝達機構１８とが連結されて、ステアリングホイール２および操舵機構３が、ステアリングシャフト４、連結機構１９および伝達機構１８を介して機械的に連結される。

そして、この状態でステアリングホイール２を右回転させると、ステアリングシャフト４および第１のプーリ２６が右回転し、一方の伝達ケーブル２２のインナーケーブル２５の一端側が第１のプーリ２６に巻き取られ、当該インナーケーブル２５の他端側が第２のプーリ２７から繰り出される。これにより、第１のプーリ２６の回転が第２のプーリ２７に伝達される。また、第２のプーリ２７が回転するとこれに伴ってピニオン軸１３も回転する。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１２およびラック１１によって、車両の左右方向に沿うラック軸１０の軸方向移動に変換される。これにより、操舵輪５の操舵が達成される。

一方、連結機構１９によってステアリングホイール２と操舵機構３とが機械的に連結された状態で、ステアリングホイール２を左回転させると、ステアリングシャフト４および第１のプーリ２６が左回転し、他方の伝達ケーブル２３のインナーケーブル２５の一端側が第１のプーリ２６に巻き取られ、当該インナーケーブル２５の他端側が第２のプーリ２７から繰り出される。これにより、ステアリングホイール２を右回転させたときと逆方向への操舵輪５の操舵が達成される。

すなわち、車両用操舵装置１に上記異常が発生した場合であっても、ステアリングホイール２と操舵機構３とを機械的に連結することにより、確実に操舵輪５の操舵を達成することができる。また、上記異常が発生していない状態では、ステアリングシャフト４と伝達機構１８とが連結されていないので、各伝達ケーブル２２，２３のインナーケーブル２５は、ラック軸１０の軸方向移動に伴うピニオン軸１３および第２のプーリ２７の回転に従動して、アウターチューブ２４内を移動するようになっている。

図３は、上記車両用操舵装置１の電気的構成の一部を説明するためのブロック図である。
図１および図３を参照して、本実施形態の特徴とするところは、電動モータ１６の電流値と、車速および操舵角によって求められる電流の閾値とを比較することにより、車両用操舵装置１が異常でないときに、伝達機構１８の異常を検出することにある。

すなわち、ＥＣＵ９は、車速センサ３３から入力された車速に基づいて予めＥＣＵ９内に記憶されたマップを選択し、選択したマップと操舵角センサ７から入力された操舵角とからモータ電流の閾値を求めるための閾値決定部２８と、閾値決定部２８から入力されたモータ電流の閾値とモータ電流検出装置１７から入力された車両用操舵装置１が異常でないときのモータ電流とから伝達機構１８の異常を検出するための異常検出部２９と、異常検出部２９で異常が検出された場合に異常報知装置３０に異常を報知させるための信号を出力する信号出力部３１と、異常検出部２９で異常が検出された場合に車両走行装置（エンジン、モータ等の駆動力発生装置）の起動不能フラッグをオンにするための起動不能フラッグ部３２とを含む。

異常報知装置３０は、例えば、ブザーや異常報知ランプの点灯により伝達機構１８の異常を運転者に報知することができるようになっている。
図４は、上記車両用操舵装置１における伝達機構１８の異常判定の流れを示すフローチャートである。また図５は、低車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第１マップであり、図６は、中車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第２マップであり、図７は、高車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第３マップである。

図４を参照して、イグニッションキーがオンにされると、ＥＣＵ９が起動される。このとき、起動不能フラッグがオンであるか否かが確認され（ステップＳ１）、起動不能フラッグがオンの場合（Ｙｅｓ）には、起動不能処理（ステップＳ２）により上記車両走行装置の起動が禁止される。
また、起動不能フラッグがオンでない場合（Ｎｏ）には、上記車両走行装置が起動され、車両用操舵装置１が通常制御される（ステップＳ３）。すなわち、上述のように、操舵角等に基づいた操舵力が操舵アクチュエータ１４からラック軸１０に付与され、操舵輪５の操舵が達成される。

また、この通常制御中において、所定の周期で車両用操舵装置１の異常（フェール）検出が行われる（ステップＳ４）。そして、フェールが検出されると（Ｙｅｓ）、フェール処理が行われる（ステップＳ５）。すなわち、上述のように、連結機構１９によってステアリングホイール２と操舵機構３とが機械的に連結されて、伝達機構１８を用いた操舵輪５の操舵が達成される。

一方、フェールが検出されない場合（Ｎｏ）には、車速センサ３３および操舵角センサ７によって車速および操舵角が検出され（ステップＳ６）、検出された値がＥＣＵ９に入力される。そして、この入力された車速に対応するマップが選択される（ステップＳ７）。
具体的には、車速が、低速Ｖ１（例えば、０≦Ｖ１≦２０Ｋｍ／ｈ）である場合には、図５に示す第１マップが選択される。また、車速が、中速Ｖ２（例えば、２０＜Ｖ２≦６０Ｋｍ／ｈ）である場合には、図６に示す第２マップが選択される。また、車速が、高速Ｖ３（例えば、６０＜Ｖ３≦８０Ｋｍ／ｈ）である場合には、図７に示す第３マップが選択される。

モータ電流の閾値を決定するためマップが選択されると、次に、そのマップと入力された操舵角とからモータ電流の閾値が求められる（ステップＳ８）。すなわち、図５〜図７中の各ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、車速範囲毎の操舵角に対するモータ電流の閾値ラインを示しており、入力された車速および操舵角に対応するラインＬ１〜Ｌ３上の値が、入力された車速および操舵角におけるモータ電流の閾値ｉ１となる。

モータ電流の閾値ｉ１が求められると、次に、モータ電流検出装置１７によって電動モータ１６の電流ｉが検出され（ステップＳ９）、検出された電流ｉの値がＥＣＵ９に入力される。そして、入力されたモータ電流ｉが、ステップＳ８において求められたモータ電流の閾値ｉ１よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１０）。
入力されたモータ電流ｉが、閾値ｉ１以下の場合（Ｎｏ）には、再びステップＳ４に戻って、所定の周期で車両用操舵装置１のフェール検出が行われる。一方、入力されたモータ電流ｉが、閾値ｉ１よりも大きい場合（Ｙｅｓ）、すなわち、伝達機構１８の異常が検出された場合には、異常を報知させるための信号がＥＣＵ９から異常報知装置３０に入力され、伝達機構１８の異常が運転者に報知される（ステップＳ１１）。これにより、運転者に対して、伝達機構１８を正常な状態に復帰させるように促すことができる。

また、運転者に異常が報知されるとともに、次回起動不能フラッグがオンにされる（ステップＳ１２）。これにより、次回の上記車両走行装置の起動が禁止されるので、運転者に強制的に修理を促し、伝達機構１８の異常が放置されることを確実に防止することができる。
以上のように本実施形態では、モータ電流が所定の閾値よりも大きいか否かを判定することにより、伝達機構１８の異常を検出することができる。すなわち、長期に亘って車両用操舵装置１を使用すると、インナーケーブル２５とアウターチューブ２４との相対移動による摩擦によって、インナーケーブル２５に摩耗等の損傷が発生し、アウターチューブ２４内でのインナーケーブル２５の移動抵抗が大きくなる。そして、インナーケーブル２５の移動抵抗が大きくなるとラック軸１０の軸方向移動に抵抗が加えられるので、一定の操舵量に対して正常時よりも大きな操舵力が必要となる。つまり、より大きな電流が操舵アクチュエータ１４の電動モータ１６に供給される。したがって、本実施形態のように、モータ電流を検出し、この検出されたモータ電流を所定の閾値と比較することにより、伝達機構１８の異常（伝達ケーブル２２，２３の損傷等）を検出することができる。

また、この伝達機構１８の異常の検出は車両用操舵装置１の正常時において行われる。さらに、伝達機構１８の異常が検出された場合には、この異常を修理するように運転者に促す。したがって、ステアリングホイール２と操舵機構３とを機械的に連結して操舵を行う場合に、損傷のある伝達ケーブル２２，２３が用いられることを防止することができる。すなわち、フェールセーフの信頼性を向上させることができる。

この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、伝達機構１８の異常が検出された場合に、異常報知装置３０によって運転者に当該異常を報知させるとともに、次回起動不能フラッグをオンにする例について説明したが、異常報知装置３０による異常報知のみを行わせてもよいし、次回起動不能フラッグのオンのみを行わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。 上記車両用操舵装置の要部の模式的な拡大図である。 上記車両用操舵装置の電気的構成の一部を説明するためのブロック図である。 上記車両用操舵装置における伝達機構の異常判定の流れを示すフローチャートである。 低車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第１マップである。 中車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第２マップである。 高車速時におけるモータ電流の閾値を求めるための第３マップである。

符号の説明

１・・・車両用操舵装置、２・・・ステアリングホイール（操舵部材）、５・・・操舵輪、７・・・操舵角センサ（操舵角検出手段）、９・・・ＥＣＵ（制御部）、１６・・・電動モータ、１７・・・モータ電流検出装置（電流検出手段）、１８・・・伝達機構、１９・・・連結機構、２８・・・閾値決定部、２９・・・異常検出部、３０・・・異常報知装置（異常報知手段）、３３・・・車速センサ（車速検出手段）

Claims (3)

1. 操舵部材と操舵輪との機械的な連結が解除された車両用操舵装置において、
   フェールのときに操舵部材と操舵機構とを機械的に連結するためのケーブルを含む伝達機構と、
   伝達機構と操舵部材との間に介在しフェールのときに、両者を連結するための連結機構と、
   操舵機構を駆動するための電動モータと、
   電動モータの電流を検出するための電流検出手段と、
   電動モータの動作を制御する制御部と、
   車両の走行速度を検出する車速検出手段と、
   操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段とを備え、
   上記制御部は、車速検出手段により検出された車速および操舵角検出手段により検出された操舵角に基づいて、予め記憶されたマップを用いて電流の閾値を求める閾値決定部と、電流検出手段により検出された電流が閾値決定部により決定された閾値を越える場合に、伝達機構の異常を検出する異常検出部とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１において、異常検出部により異常が検出されたときに、異常を報知する異常報知手段を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１または２において、上記制御部は、異常検出部により異常が検出されたときに、車両走行装置の起動を禁止することを特徴とする車両用操舵装置。

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