JP6115757B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

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Description

本発明は、操舵部材の操作に基づいて転舵輪を転舵させる車両用操舵装置に関する。
近年、ステアリングホイール等の操舵部材と転舵輪との間の機械的な連結を解き、操舵伝達系の一部を電気的な経路で構成する、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システム(単にSBWとも称する)を搭載した車両用操舵装置が知られている。
この種の車両用操舵装置では、操舵部材につながった操舵機構と、転舵輪を転舵させるための転舵モータを用いて実際にタイヤを転舵する転舵機構とが備えられている。転舵機構は、操舵部材の操舵角を検出するための操舵角センサにより検出される操舵角に基づいて転舵モータを駆動制御する。
この種のステア・バイ・ワイヤ・システムでは、操舵角センサに異常が発生した場合のフェールセーフ対策が重要である。特に操舵角センサの故障時には、転舵機構が正常でも操舵しにくくなってしまう。そのため、操舵角センサの故障時にも操舵が容易にできるようなメカリンクの搭載や(特許文献1)、センサの多重化などの冗長化(特許文献2)が行われている。
特開2004-90784号公報 特開平10-278826号公報
しかしメカリンクの搭載やセンサの冗長化による部品点数の増加、コストの増大が問題となっている。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡素な部材の追加でいわゆるステア・バイ・ワイヤ・システムにおけるセンサの故障発生時にも良好な操舵を達成することができる車両用操舵装置を提供することを目的とする。
本発明は、操舵部材及び操舵角検出手段を有する操舵機構と、転舵アクチュエータ及び転舵輪を有し操舵機構と機械的に非連結の転舵機構と、転舵アクチュエータの構成部材としての転舵モータを制御する制御装置とを備える車両用操舵装置であって、操舵機構は、操舵部材の中立位置を基準とした操舵方向のみを検出する操舵方向検出機構を有し、操舵方向検出機構は、操舵部材の操舵軸に形成されたボールねじと、ボールねじに嵌合し操舵軸の中心軸に平行な方向に中心軸を有する側孔が設けられたナットと、側孔を貫通する棒状部材と、操舵部材の中立位置に対応するナットの位置を基準とした操舵軸の中心軸方向の上下の各位置にそれぞれ配置されているセンサとを含み、操舵角検出手段の故障時に、制御装置は、操舵方向検出機構からの検出信号に基づき、転舵モータを制御する転舵モータ指令値を決定して転舵モータを制御する車両用操舵装置にかかるものである。
この構成によれば、通常時は、操舵部材の操舵角に応じて、転舵機構を介して転舵輪を転舵駆動することができる。操舵角検出手段に異常が発生したときには、操舵方向を検出する操舵方向検出機構からの検出信号に基づき、転舵モータを制御する転舵モータ指令値を決定して転舵モータを制御することができる。したがって、操舵角検出手段としてフェールセーフ用のものを予備として備えなくても、最低限の転舵機能を確保することができる。また、操舵方向検出機構は、操舵角検出手段よりも簡易な構造とすることができるので、コストダウンを図ることができる。
転舵モータ指令値は、前記検出信号が同一方向を示す時間の積分値に応じて変更されるようにしてもよい。これにより、操舵部材の切り初めや操舵方向が変化した際に、転舵モータ指令値(転舵量)が急変することを防止でき、車両の挙動が安定する。操舵方向が変化してから時間が経てば、転舵モータ指令値を増加させ、ドライバの操舵したい意図を反映することができる。
転舵モータ指令値は、車速に応じて変化するように設定される。
転舵角検出手段をさらに有し、転舵モータ指令値は、転舵角検出手段から受け取る転舵角信号の大きさに応じて変更される構成であれば、端当て付近での衝撃を防止することができる。
制御装置は、操舵方向検出機構の出力信号が右又は左の操舵方向を示す状態から中立の操舵方向を示す状態に切り替わるときに、 転舵モータが中立の転舵位置に戻るように転舵モータ指令値を制御することとしてもよい。この制御を行えば、操舵部材を右又は左に回した後、操舵部材を中立位置に戻し始めたことに対応して、転舵位置を、徐々に中立状態に戻すことができるので、転舵が穏やかになり、ドライバにとって操舵の違和感が少なくなる。
操舵方向検出機構には、中立付近に不感帯が設けられていてもよい。
転舵モータ指令値は、車両の前進時と後退時とで異なる特性に設定されるようにしてもよい。後退時に前進時と同じ転舵モータの出力とすると、旋回し過ぎてしまい、取り回し性が低下するが、本構成により、この取り回し性の低下を緩和できる。
本発明の一実施の形態の車両用操舵装置1の概略構成を示す模式図である。 方向検出機構40の構造を示す概略図である。 近接センサ44a,44bの検出電圧と、操舵部材2の操舵角との関係を示すグラフである。 制御装置19により実行される操舵角センサ12の異常時の転舵制御処理を説明するためのフローチャートである。 操舵角センサ12の異常時に制御装置19により実行される、他の転舵制御処理を説明するフローチャートである。 車速に応じて転舵モータを駆動するための転舵モータ指令値motor_reqを算出する方法を説明するためのグラフである。 (a)は、近接センサ44a,44bの検出信号を時間積分する積分回路52と、積分値に応じて転舵モータ指令値motor_reqを補正する補正回路51とを示すブロック図である。(b)はハイレベルの状態を維持する時間にわたる時間積分値と、補正ゲインKとの関係を示すグラフである。 (a)は、転舵機構Aに設けられている転舵角センサ14を利用して転舵位置を計算する転舵位置演算回路53と、転舵モータ指令値motor_reqを補正する補正回路51とを示すブロック図である。(b)は転舵角センサ14で検出された転舵位置と、補正回路51における補正ゲインKとの関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態の車両用操舵装置の概略構成を示す模式図である。図1を参照して、本車両用操舵装置1は、ステアリングホイール等の操舵部材2と転舵輪3との機械的な連結が解除された、いわゆるステア・バイ・ワイヤ・システムを構成している。
車両用操舵装置1では、操舵部材2の回転操作に応じて駆動される転舵アクチュエータ4の動作を、ハウジング5に支持された転舵軸6の車幅方向の直線運動に変換するようになっている。この転舵軸6の直線運動は、転舵用の左右の転舵輪3の転舵運動に変換され、これにより車両の転舵が達成される。車両が直進しているときの転舵輪3の位置に対応する操舵部材2の位置が、操舵中立位置として設定されている。
転舵アクチュエータ4は、例えば、転舵モータMを含んでいる。この転舵モータMの駆動力(出力軸の回転力)は、転舵軸6に関連して設けられた運動変換機構(ボールねじ装置)により、転舵軸6の軸方向の直線運動に変換される。この転舵軸6の直線運動は、転舵軸6の両端に連結されたタイロッド7に伝達され、ナックルアーム8の回動を引き起こす。これにより、ナックルアーム8に支持された転舵輪3の操向が達成される。
これらの転舵軸6、タイロッド7およびナックルアーム8により、転舵輪3を転舵するための転舵機構Aが構成される。転舵軸6を支持するハウジング5は、車体Bに固定されている。
操舵部材2は、車体Bに回転可能に支持された操舵軸9に連結されている。操舵軸9には、路面等から転舵輪3に伝わる反力をシミュレートして操舵反力として操舵部材2に与えるための反力モータ10が取り付けられている。反力モータ10は、ブラシレスモータ等のモータである。反力モータ10は、車体Bに固定されたハウジング11内に収容されている。
車両用操舵装置1には、操舵軸9に関連して、操舵部材2の操舵角を検出するための操舵角センサ12が設けられている。また、操舵軸9には、操舵部材2に加えられた操舵トルクTを検出するためのトルクセンサ13が設けられている。操舵部材2、操舵軸9、操舵角センサ12により、操舵機構Cが構成される。
さらに車両用操舵装置1には、操舵軸9に関連して、操舵部材2の操舵中立位置を基準とした操舵方向を検出する方向検出機構40を設けている。この方向検出機構40の構造は操舵方向を検出することができれば任意の構造を採用できるが、本実施形態では操舵軸9が回転すると、その動きを、上下動自在に設置されたボールナット41の上下の動きに変換することにより、操舵方向を検出している。その詳しい構造と動作は、後に図2を用いて説明する。
一方、車両用操舵装置1には、転舵軸6に関連して、転舵輪3の転舵角を検出するための転舵角センサ14が設けられている。
これらのセンサの他にも、車速Vを検出する車速センサ15が設けられている。車速センサ15は、動力シャフトの回転速度を検出することにより車速Vを検出してもよく、車内LAN(CAN)から取得される車速信号を用いて車速Vを検出しても良い。
これらのセンサ類12〜15の各検出信号は、マイクロコンピュータを含む構成の電子制御ユニットである制御装置19に入力されるようになっている。制御装置19は、駆動回路20Aに指令信号を送ることにより、転舵モータMを回転駆動する。また制御装置19は、駆動回路20Bに指令信号を送ることにより、反力モータ10を回転駆動する。
また、制御装置19はランダム・アクセス・メモリ(RAM)を備えていて、センサ電圧V1,V2の何れがハイレベル又はローレベルになっているかに基づいて判定された、右操舵(a1〜a2)、左操舵(−a2〜−a1)、中立状態(−a1〜0〜a1)の各状態を時系列にRAMに記憶している。
図2を参照して、操舵方向を検出する方向検出機構40は、操舵部材2から遠い側に、操舵軸9を貫通させる第1の孔が形成された第1の板状部材42aと、操舵部材2に近い側に、操舵軸9を貫通させる第2の孔が形成された第2の板状部材42bと、第1の板状部材42aと第2の板状部材42bとの間に設置され、2つの近接センサ44a,44bを配置しているセンサ支持部材45とを有している。これらの第1の板状部材42a、第2の板状部材42b、センサ支持部材45は、車体Bに固定されている。
操舵軸9の一部であって、第1の板状部材42aと第2の板状部材42bとの間に位置する部分にはボールねじ43が形成されている。そして多数のボールを内蔵した雌ねじが中心部に形成されたボールナット41が、ボールねじ43に嵌合する状態で、第1の板状部材42aと第2の板状部材42bとの間に設置されている。
さらにボールナット41には、その中心軸と平行な方向に中心軸を有する2つの側孔46が設けられている。そして第1の板状部材42aと第2の板状部材42bとの間には、ボールナット41に設けられた側孔46に貫通され、ボールナット41の自由な回転を阻止するための棒状部材47が渡されている。これにより、ボールナット41は自ら回転することなく、図2に示す矢印E方向にのみ移動することができる。
したがって、操舵軸9が図2に示す矢印Dのように回転すると、操舵軸9のボールねじ43が回転し、その動きは、車体Bに上下動自在に設置されたボールナット41の矢印E方向の上下移動に変換される。
なお、第1の板状部材42aと第2の板状部材42bは、ボールナット41の側面に当接することにより、操舵部材2の操舵角に限界を設けるためのストッパ部材としても機能する。
センサ支持部材45には、ボールナット41の近接を検出するための2つ近接センサ44a,44bが、ボールナット41と非接触状態で設けられている。近接センサ44a,44bは、操舵部材2の中立位置に対応するボールナット41の位置を挟む上下の各位置にそれぞれ配置されている。これらの近接センサの検出原理は限定されないが、例えば磁性体の接近を電圧の有無に変換する磁気センサであってもよい。また、発光部と受光部とを有し光路上に存在する物体を光学的に検出する光学センサなどであってもよい。特に後者のような光学的センサの場合、ボールナット41が通過する位置を挟んで、発光部と受光部とが対向配置されていることが好ましい。
図3は、近接センサ44a,44bの検出電圧と、操舵部材2の操舵角との関係を示すグラフである。操舵部材2を右回転させたときにボールナット41の動く領域に配置された近接センサ44aの検出電圧をV1、操舵部材2を左回転させたときにボールナット41の動く領域に配置された近接センサ44bの検出電圧をV2としている。
操舵部材2を中立位置から右回転させて角度a1に到達した時点で検出電圧V1がローレベルからハイレベルになり、操舵部材2を中立位置から左回転させて角度−a1に到達した時点で検出電圧V2がローレベルからハイレベルになる。中立位置を含む角度−a1〜0〜a1の間で操舵部材2を回転させても、検出電圧V1,V2ともにローレベルのままである。角度a2,−a2は、ボールナット41が第1の板状部材42a又は第2の板状部材42bに当接したときの角度であり、操舵部材2の回転限界角に相当する。以上のように、センサの検出電圧V1,V2を監視することにより、操舵部材2の操舵状態を検出することができる。
図4は、操舵角センサ12の異常時に、制御装置19により実行される転舵制御処理について説明するためのフローチャートである。
まず操舵角センサ12の正常時の制御装置19の処理を簡単に説明すると、制御装置19は、操舵角センサ12により検出された操舵部材2の操舵角および車速センサ15によって検出された車速Vに基づいて、転舵モータMの電流指令値又は回転速度指令値を選択し設定する。そして、この電流指令値又は回転速度指令値に基づいて、転舵モータMを駆動制御する。これにより、転舵モータMから、操舵部材2の操作方向及び操作量に応じた方向に転舵軸6を移動させるためのトルクが出力され、車両の走行状況や操舵部材2の操作態様に応じた良好な操舵が達成される。またこれと同時に、制御装置19は、センサ類12〜15が出力する検出信号に基づいて、操舵部材2が操舵された方向と逆方向を向く適当な反力が操舵部材2に付与されるように、駆動回路20Bを介して、反力モータ10を駆動制御(反力制御)する。
転舵モータMを駆動制御している間に、操舵角センサ12に異常が発生すると、車速センサ15を通して車速を検出する(ステップS1)。検出される車速には後退時の車速も含まれる。
次に転舵モータMを駆動するための転舵モータ指令値motor_reqを演算する(ステップS2)。転舵モータ指令値motor_reqは、符号を有し、右旋回させる場合を「正」、左旋回させる場合を「負」とする。
制御装置19が転舵モータMを駆動するのに前記電流指令値を選択する場合、転舵モータ指令値motor_reqは電流指令値motor_currentになる。回転速度指令値を選択する場合、転舵モータ指令値motor_reqは回転速度指令値motor_speedになる。この指令値の算出方法は図6を用いて後に説明する。
方向検出機構40の近接センサ44a,44bのセンサ電圧V1,V2を判定し(ステップS3)、センサ電圧V1,V2の何れかがハイレベルである場合にはステップS4に進み、操舵部材2の操舵方向を検出する。検出される操舵方向は図3を用いて説明したように、左(−a2〜−a1)、中立又はその近傍(−a1〜0〜a1)、右(a1〜a2)の3つの方向である。
センサ電圧V1がハイレベルであれば右操舵と判定し、ステップS6に進む。センサ電圧V2がハイレベルであれば左操舵と判定し、転舵モータ指令値motor_reqの符号を反転し(ステップS5)、ステップS6に進む。
ステップS6においては、転舵モータ指令値motor_reqを用いて転舵モータMを駆動制御する。
なお、ステップS3において、方向検出機構40のセンサ電圧V1,V2がいずれもローレベルであれば、操舵位置は中立又はその近傍と判定し、転舵モータMの駆動制御はしない。
図5は、操舵角センサ12の異常時に、制御装置19により実行される他の転舵制御処理を説明するためのフローチャートであり、図4の変更実施例にあたる。
操舵角センサ12に異常が発生すると、方向検出機構40のセンサ電圧V1,V2を調べることにより、操舵方向を検出する(ステップT1)。すなわち、センサ電圧V1,V2の何れがハイレベル又はローレベルになっているかに基づいて、右操舵をしているか(a1〜a2)、左操舵をしているか(−a2〜−a1)、あるいはどちらでもない中立状態(−a1〜0〜a1)であるかを判定する。この状態は、制御装置19のRAMに記憶しておく。
センサ電圧V1若しくはV2がハイレベルである、すなわち右操舵若しくは左操舵をしている状態と判定される場合は(ステップT2のYES)、車速センサ15を通して車速を検出する(ステップT3)。検出される車速には後退時の車速も含まれる。
次に転舵モータMを駆動するための転舵モータ指令値motor_reqを演算する(ステップT4)。演算される転舵モータ指令値motor_reqは、符号を有し、右旋回させる場合を「正」、左旋回させる場合を「負」となる。
前述したように制御装置19が転舵モータMを駆動するのに電流指令値を選択する場合、転舵モータ指令値motor_reqは電流指令値motor_currentに等しくなる。回転速度指令値を選択する場合、転舵モータ指令値motor_reqは回転速度指令値motor_speedに等しくなる。この指令値の算出方法は図6を用いて後に説明する。
次にステップT1 で調べた結果に基づき、右操舵、左操舵のいずれであるかを判定する(ステップT5)。
右操舵である場合ステップT7に進む。右操舵である場合、すなわち左操舵の場合は転舵モータ指令値motor_reqの符号を反転し(ステップT6)、ステップT7に進む。ステップT7では、転舵モータ指令値motor_reqを用いて転舵モータMを駆動制御する。
次に、ステップT2において、センサ電圧V1,V2の何れもローレベルである、すなわち中立状態と判定された場合の転舵中立戻し制御について説明する。
この場合、制御装置19のRAMに記憶しているデータに基づいて、中立状態になる前に、右操舵をしていたか左操舵をしていたかを判定する。
以前、右操舵をしていた場合、制御装置19は転舵アクチュエータ4を、右操舵状態から徐々に中立状態に戻すように制御する。すなわち転舵モータMを逆回転させ、転舵軸6を中立位置に向かって直線運動させる。この直線運動の速度は、一定速度に保持してもよく、右操舵状態から中立状態へ近づくにつれて速度を低下させていってもよい。
以前、左操舵をしていた場合も同様であり、制御装置19は転舵アクチュエータ4を、左操舵状態から徐々に中立状態に戻す。
このように、操舵部材2を右又は左に端当てした後、操舵部材2を中立位置に戻し始めたことに対応して、転舵アクチュエータ4を、徐々に中立状態に戻すこととしたので、転舵が穏やかになり、ドライバにとって操舵の違和感が少なくなる。特に、走行中に故障が発生した車両を停止させる場合に、道路脇に安全に寄せることができやすくなる。
図6は、車速に応じて転舵モータMを駆動するための転舵モータ指令値motor_reqを算出する方法を説明するためのグラフである。転舵モータ指令値motor_reqは、前進時であって車速が0であれば最大値をとり、車速が増大するほど低下し、車速がある値以上になれば、最低値を維持する。これは低速時ほどタイヤを転回させるのに力が必要なので、転舵モータ指令値motor_reqを増大させて転舵をスムーズにするためである。また、速い転舵を行っても危険の少ない低速時に指令値を大きくし、反対に高速時に指令値を小さくすることで、安全性と取り回し性を両立させることができる。
後退時の場合は、車速が0であれば最大値をとり、車速が増大するほど低下し、車速がある値以上であれば、最低値を維持する。ただし、転舵モータ指令値motor_reqの絶対値は前進の場合よりも小さく設定されている。これは、後退時に前進時と同じ転舵モータ指令値motor_reqとすると、後退時に旋回し過ぎてしまい、取り回し性が低下するためである。また、後退時は、前進時より視認性が良くないため、急激な転舵とならないようにすることで安全性を高めることができる。
以上のようにこの転舵モータ指令値motor_reqの算出方法によれば、通常時は、操舵部材2の操舵角に応じて、転舵機構Aを介して転舵輪を転舵駆動することができる。また、操舵角センサ12に異常が発生したときには、操舵方向を検出する方向検出機構40からの検出信号に基づき、転舵モータMを制御する転舵モータ指令値motor_reqを決定して転舵モータMを制御することができる。したがって、操舵角センサとしてフェールセーフ用のものを予備として備えなくても、転舵を継続することができる。また、方向検出機構40は、操舵角センサよりも簡易な構造とすることができるので、コストダウンを図ることができる。
以上のように算出された転舵モータ指令値motor_reqを補正する方法を、以下に説明する。
図7(a)は、近接センサ44a,44bの検出信号が同一方向を示す時間にわたって近接センサ44a,44bの検出信号を時間積分する積分回路52と、積分値に応じて、転舵モータ指令値motor_reqを補正する補正回路51とを示す図である。すなわち、積分回路52により、近接センサ44aの検出電圧V1がハイレベルの状態を維持する時間にわたって時間積分値を計算し、近接センサ44bの検出電圧V2がハイレベルの状態を維持する時間にわたって時間積分値を計算し、それらの積分値に応じて、補正回路51を使って転舵モータ指令値motor_reqを補正する。
同図(b)の横軸はハイレベルの状態を維持する時間にわたる時間積分値、縦軸は補正ゲインKを表す。曲線“e”や“f”に示すように、時間積分値が大きくなるほど、補正ゲインKを大きくし、時間積分値が小さければ、補正ゲインKを1に近く設定する。これにより、切り初めや操舵方向が変化した直後では、転舵モータ指令値motor_reqが急変することを防止でき、急激な転舵を防止でき車両の挙動が安定する。操舵方向が変化して時間が経てば、転舵モータ指令値motor_reqを増加させ、ドライバの操舵の意図を十分適性に反映することができる。
また車速が例えば2km/h以下のような比較的低速の場合は、同図(b)の曲線“e”に示すように、補正ゲインKの増大率を高くし、例えば10km/h以上のような比較的高速の場合は、同図(b)の直線“g”に示すように、補正ゲインKの増大率を高くしないで一定値“1”に保つ。これにより、比較的高速時は転舵モータ指令値motor_reqを小さくすることで旋回走行が安定する。比較的低速時は転舵モータ指令値motor_reqを大きくすることで旋回を素早く、かつスムーズにできる。
図8(a)は、転舵機構Aに設けられている転舵角センサ14を利用して転舵位置を計算する転舵位置演算回路53と、転舵モータ指令値motor_reqを補正する補正回路51とを示す図である。同図(b)のグラフの横軸は転舵角センサ14で検出された転舵位置を表し、縦軸は補正回路51における補正ゲインK′を表す。補正ゲインK′の値を転舵角センサ14で検出された転舵位置に応じて変化させている。特に、転舵位置は、ラックストロークにより左端から右端までとり得るが、端に近くなるほど、補正ゲインK′の補正値を低下させている。これにより、端当て付近での急激な旋回挙動を防止することができる。
以上で本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことができる。
1…車両用操舵装置、2…操舵部材、12…操舵角センサ、14…転舵角センサ、19…制御装置、40…方向検出機構、A…転舵機構、C…操舵機構、M…転舵モータ

Claims (7)

  1. 操舵部材及び操舵角検出手段を有する操舵機構と、転舵アクチュエータ及び転舵輪を有し操舵機構と機械的に非連結の転舵機構と、転舵アクチュエータの構成部材としての転舵モータを制御する制御装置とを備える車両用操舵装置であって、
    操舵機構は、操舵部材の中立位置を基準とした操舵方向のみを検出する操舵方向検出機構を有し、操舵方向検出機構は、操舵部材の操舵軸に形成されたボールねじと、ボールねじに嵌合し操舵軸の中心軸に平行な方向に中心軸を有する側孔が設けられたナットと、側孔を貫通する棒状部材と、操舵部材の中立位置に対応するナットの位置を基準として操舵軸の中心軸方向の上下の各位置にそれぞれ配置されているセンサとを含み、
    操舵角検出手段の故障時に、制御装置は、操舵方向検出機構からの検出信号に基づき、転舵モータを制御する転舵モータ指令値を決定して転舵モータを制御する、車両用操舵装置。
  2. 転舵モータ指令値は、前記検出信号が同一方向を示す時間の積分値に応じて変更される、請求項1に記載の車両用操舵装置。
  3. 転舵モータ指令値は、車速に応じて変化される、請求項1又は請求項2に記載の車両用操舵装置。
  4. 転舵角検出手段をさらに有し、
    転舵モータ指令値は、転舵角検出手段から受け取る転舵角信号の大きさに応じて変更される、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。
  5. 制御装置は、操舵方向検出機構の出力信号が右又は左の操舵方向を示す状態から中立の操舵方向を示す状態に切り替わるときに、 転舵モータが中立の転舵位置に戻るように転舵モータ指令値を制御する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。
  6. 操舵方向検出機構は、中立付近に不感帯が設けられている、請求項5に記載の車両用操舵装置。
  7. 転舵モータ指令値は、車両の前進時と後退時とで異なる特性に設定される、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の車両用操舵装置。
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