JP4003059B2 - 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】
この発明は、車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両、主に自動車の操舵装置では、操舵ハンドルの回転操作によりステアリング軸が回転し、これに一定の固定ギヤ比で連結された操舵機構を介して操舵輪の方向が変えられる。その操舵機構には油圧式又は電動式等の操舵力助勢装置、いわゆるパーワーステアリング装置が付加されることが多く、これにより操舵ハンドルの回転操作に要する力は小さくて済む。
【０００３】
ところで、車庫入れ、縦列駐車、幅寄せ等の操舵ハンドルの大きな操作が必要なときには、ハンドルの操作力が小さくて済む（軽く回せる）ことに加え、少ないハンドル操作量で操舵輪の方向をより大きく変えられれば、取り回しが楽になるから都合がよい。これを実現するために、操舵ハンドルと転舵輪とを連結する操舵伝達系の途中に伝達比を可変にする可変ギヤユニットを介在させた伝達比可変型の操舵装置が提案されている。
【０００４】
より詳しくは、車両の操舵装置、特に自動車用の操舵装置において、近年、その更なる高機能化の一端として、操舵ハンドルの操作角（ハンドル操作角）と車輪操舵角とを１：１比率に固定せず、ハンドル操作角の車輪操舵角への変換比（舵角変換比）を車両の運転状態に応じて可変とした、いわゆる可変舵角変換比機構を搭載したものが開発されている。車両の運転状態としては、例えば、車両速度（車速）を例示でき、高速運転時においては舵角変換比を小さくすることにより、ハンドル操作角の増加に対して操舵角が急激に大きくならないようにすれば、高速走行の安定化を図ることができる。他方、低速走行時には、逆に舵角変換比を大きくすることで、一杯まで切るのに必要なハンドルの回転数を減少させることができ、車庫入れや縦列駐車あるいは幅寄せなど、操舵角の大きい運転操作を非常に簡便に行なうことができる。
【０００５】
舵角変換比を可変化する機構としては、例えば特開平１１−３３４６０４号公報に開示されているように、ハンドル軸と車輪操舵軸とを、ギア比が可変な歯車式伝達部にて直結したタイプのものがあるが、この構成は、歯車式伝達部のギア比変更機構が複雑になる欠点がある。そこで、ハンドル軸と車輪操舵軸とを分離し、モータ等のアクチュエータにより車輪操舵軸を回転駆動するタイプのものが、例えば特開平１１−３３４６２８号公報等に提案されている。具体的には、角度検出部が検出するハンドル操作角と車両運転状態とに応じて定まる舵角変換比とに基づいて、コンピュータ処理により最終的に必要な車輪操舵角を演算し、その演算された車輪操舵角が得られるように、ハンドル軸から機械的に切り離された車輪操舵軸をアクチュエータ（モータ）により回転駆動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方式では、車両の速度が遅ければ伝達比は大きく、車両の速度が速ければ伝達比は小さくなるようにアクチュエータが駆動される。しかし、車両の速度等の運転状況、言い換えればどのように車両が運転されているかという点は反映されるが、車両がどのような道路を走行しているかということは反映されない。
【０００７】
本発明は、道路の路面状況を、車両のハンドルの切れ易さと走行の安全性との関係上、運転状況とは別の重要なファクターとして捉え、路面状況を取り込んでハンドル軸から操舵軸（転舵軸）への伝達比を調整できるようにした車両用操舵装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明は、操舵ハンドルと転舵輪とを連結する操舵伝達系の途中に、その伝達比を可変にする伝達比可変装置を介在させ、その伝達比を車両の運転状況に応じて変化させる操舵制御部を備えた車両操舵装置において、
車両が走行中の路面反力（路面摩擦力）を検出する路面反力検出装置を有し、その路面反力検出装置により検出した路面摩擦力の大小に応じて前記操舵制御部により前記伝達比可変装置の伝達比を変更することを特徴とする。
【０００９】
より具体的には、本発明は、操舵用のハンドル軸と車輪操舵軸とが機械的に分離されてなり、ハンドル軸の操作角と車両の運転状態とに応じて前記車輪操舵軸に与えるべき操舵角を決定し、当該操舵角が得られるように前記車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動するようにした車両用操舵装置において、
前記ハンドル軸の角度位置（以下、ハンドル軸角度という）を検出するハンドル軸角度検出部と、
前記車輪操舵軸の角度位置（以下、操舵軸角度位置という）を検出する操舵軸角度検出部と、
前記車両の運転状態を検出する運転状態検出部と、
検出されたハンドル軸の角度位置（ハンドル軸角度）と車両の運転状態とに基づいて前記車輪操舵軸の目標角度位置を決定し、該操舵軸角度位置が前記目標角度位置に近づくように、前記アクチュエータの動作を制御する操舵制御部と、
車両が走行中の路面反力（路面摩擦力）を検出する路面反力検出装置とを備え、
前記操舵制御部は、その路面反力検出装置により検出した路面摩擦力が所定値以上の場合には前記路面摩擦力に応じて前記アクチュエータの回転速度を変化させ、前記ハンドル軸から前記車輪操舵軸への回転量の伝達率を変更し、前記路面摩擦が所定値以下の場合には前記伝達比を一定にしたことを特徴とする。
そして、前記伝達比は、伝達比を一定にした前記路面摩擦が所定値以下の場合よりも伝達率を変更する前記路面摩擦が所定値以上の場合の方が大きく設定されていることが好ましい。
【００１０】
前記路面反力検出装置は、車両の駆動力を生じている車輪と従動状態の車輪との路面に対する滑り率の差がどの程度あるか、言い換えれば駆動輪回転数と従動輪の回転数との差に基づいて、路面反力（路面摩擦力）を検出することができる。
また、前記伝達比可変装置は、操舵ハンドルと一体的に回転する操舵ハンドル軸に固定されたアクチュエータと、そのアクチュエータの出力軸に連結された前記車両操舵軸（転舵軸）とを含み、前記操舵ハンドル軸の回転量にアクチュエータの出力軸の回転量が加算されることにより、操舵ハンドル軸の回転量が伝達比１以上で前記車両操舵軸に伝達されるものとすることができる。
【００１１】
操舵制御部は、路面反力検出装置により検出した路面反力（路面摩擦力）の大小に応じて、伝達比可変装置の伝達比を変更する。より具体的には、操舵制御部は、路面反力が小さければ前記伝達比を小さく設定し、路面反力が大きければそれば小さい場合より前記伝達比を大きく設定する。
【００１２】
このように、車輪が路面から受ける路面反力、言い換えれば路面の摩擦力をパラメータとしてハンドル軸から操舵軸への伝達比を変えることにより、例えば雨天等のために濡れていて滑りやすい路面、凍結等で滑りやすい路面、砂地・砂利等の摩擦力が小さくてハンドルを取られやすい路面等においては、ハンドル軸から車両操舵軸への回転の伝達比を低めに設定することにより、ハンドルの回転量に対して操舵輪が大きく方向変換しないように制御され、走行の安定性を高めることができる。
他方、乾いた舗装路面等のように、路面摩擦力が比較的大きい場合は、上記伝達比可変機構の伝達比をある程度大きくしても車両の走行の安定性は確保されるから、この場合はハンドル軸及び操舵軸間の伝達比を大きくして、ハンドル操作を軽減し、運転感覚を向上させることができる。
また、上記本発明の車両用操舵装置は、より具体的な態様において、操舵用のハンドル軸と車輪操舵軸とが機械的に分離され、ハンドル軸の操作角（以下、ハンドル角ともいう）と車両の運転状態とに応じて車輪操舵軸に与えるべき操舵角（以下、車輪操舵角ともいう）を決定し、当該操舵角が得られるように車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動する。例えば、車両の速度等の運転状態に応じて定まる舵角変換比によりハンドル角を車輪操舵角に変換し、当該車輪操舵角が得られるように車輪操舵軸のアクチュエータを駆動制御する。この運転状況を伝達比のパラメータ（変数）にすることに加え、路面摩擦力等の路面状況を伝達比の別のパラメータとすることによって、運転状況と路面状況とを重層的に反映させた、きめの細かいかつ安定性の高い伝達比可変の車両用操舵装置を実現することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明が適用される車両用操舵装置（操舵制御システム）の、全体構成の一例を模式的に示したものである（なお、本実施形態において「車両」は自動車とするが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない）。該車両用操舵制御システム１は、操舵用ハンドル２に直結されたハンドル軸３と、車輪操舵軸８とが機械的に分離された構成を有する。車輪操舵軸８はアクチュエータとしてのモータ６により回転駆動される。車輪操舵軸８の先端はステアリングギアボックス９内に延び、該車輪操舵軸８とともに回転するピニオン１０がラックバー１１を軸線方向に往復動させることにより、車輪１３，１３の転舵角が変化する。なお、本実施形態の車両用操舵制御システム１においては、ラックバー１１の往復動が、周知の油圧式、電動式あるいは電動油圧式のパワーアシスト機構１２により駆動補助されるパワーステアリングが採用されている。
【００１４】
ハンドル軸３の角度位置φ（以下、ハンドル軸角度位置φという）は、ロータリエンコーダ等の周知の角度検出部からなるハンドル軸角度検出部１０１により検出される。他方、車輪操舵軸８の角度位置θは、同じくロータリエンコーダ等の角度検出部からなる操舵軸角度検出部１０３により検出される。また、本実施形態においては、自動車の運転状態を検出する運転状態検出部として、車速Ｖを検出する車速検出部（車速センサ）１０２が設けられている。車速検出部１０２は、例えば車輪１３の回転を検出する回転検出部（例えばロータリエンコーダやタコジェネレータ）で構成される。そして、操舵制御部１００が、検出されたハンドル軸３の角度位置φと車速Ｖとに基づいて、車輪操舵軸８の目標角度位置θ’を決定し、該車輪操舵軸８の角度位置θが目標角度位置θ’（以下、目標操舵軸角度位置θ’という）に近づくように、モータ６の動作を制御する。また、路面反力検出センサ１４０が操舵制御部１００に接続され、路面反力（摩擦力又は摩擦係数とも言える）μが、操舵制御部１００に取り込まれる。路面反力検出センサ１４０は、例えば車両の駆動輪と従動輪との回転数の差に基づいて路面の滑り易さ（摩擦係数）を検出ないし推定するものであるが、詳しくは後述する。
【００１５】
なお、ハンドル軸３と車輪操舵軸８との間には、両者を一体回転可能にロック結合したロック状態と、該ロック結合を解除したアンロック状態との間で切り替え可能なロック機構１９が設けられている。ロック状態では、ハンドル軸３の回転角が変換されることなく（つまり、舵角変換比が１：１）車輪操舵軸８に伝達され、マニュアルステアリングが可能となる。該ロック機構１９のロック状態への切り替えは、異常発生時などにおいて操舵制御部１００からの指令によりなされる。
【００１６】
図２は、モータ６による車輪操舵軸８の駆動部ユニットの構成例を、自動車への取付状態にて示すものである。該駆動部ユニット１４において、ハンドル２（図１）の操作によりハンドル軸３を回転させると、モータケース３３がその内側に組み付けられたモータ６とともに一体的に回転するようになっている。本実施形態においては、ハンドル軸３は、ユニバーサルジョイント３１９を介して入力軸２０に連結され、該入力軸２０がボルト２１，２１を介して第一カップリング部材２２に結合されている。この第一カップリング部材２２にはピン３１が一体化されている。他方、ピン３１は、第二カップリング部材３２の一方の板面中央から後方に延びるスリーブ３２ａ内に係合してはめ込まれている。他方、筒状のモータケース３３は、第二カップリング部材３２の他方の板面側に一体化されている。なお、符号４４はゴムあるいは樹脂にて構成されたカバーであり、ハンドル軸３と一体的に回転する。また、符号４６は、コックピットパネル４８に一体化された駆動部ユニット１４を収容するためのケースであり、符号４５は、カバー４４とケース４６との間をシールするシールリングである。
【００１７】
モータケース３３の内側には、コイル３５，３５を含むモータ６のステータ部分２３が一体的に組み付けられている。該ステータ部分２３の内側には、モータ出力軸３６がベアリング４１を介して回転可能に組み付けられている。また、モータ出力軸３６の外周面には永久磁石からなる電機子３４が一体化されており、この電機子３４を挟む形でコイル３５，３５が配置されている。なお、コイル３５，３５からは、モータケース３３の後端面に連なるように給電端子５０が取り出され、該給電端子５０において給電ケーブル４２によりコイル３５，３５に給電がなされる。
【００１８】
後述の通り、本実施形態においてモータ６はブラシレスモータであり、給電ケーブル４２は、該ブラシレスモータの各相のコイル３５，３５に個別に給電する素線を集合させた帯状の集合ケーブルとして構成されている。そして、モータケース３３の後端側に隣接する形でハブ４３ａを有するケーブルケース４３が設けられ、その中に給電ケーブル４２が、ハブ４３ａに対してゼンマイ状に巻かれた形で収容されている。給電ケーブル４２の、給電端子５０に接続されているのと反対の端部は、ケーブルケース４３のハブ４３ａに固定されている。そして、ハンドル軸３がモータケース３３ひいては給電端子５０とともに正方向又は逆方向に回転すると、ケーブルケース４３内の給電ケーブル４２は、ハブ４３ａへの巻き付き又は繰り出しを生じさせることにより、上記モータケース３３の回転を吸収する役割を果たす。
【００１９】
モータ出力軸３６の回転は、減速機構７を介して所定比率（例えば１／５０）に減速された上で車輪操舵軸８に伝達される。本実施形態において減速機構７は、周知のハーモニックドライブ減速機にて構成してある。すなわち、モータ出力軸３６には、楕円型のインナーレース付ベアリング３７が一体化され、その外側に変形可能な薄肉の外歯車３８がはめ込まれている。そして、この外歯車３８の外側に、カップリング４０を介して車輪操舵軸８が一体化された内歯車３９，１３９が噛み合っている。モータ出力軸３６が回転すると、外歯車３８と内歯車３９，１３９との歯数差をｎ、内歯車３９の歯数をＮとして、ｎ／Ｎに減速された形で車輪操舵軸８にその回転が伝達される。内歯車３９，１３９は、同軸的に配置された第一歯車３９と第二歯車１３９とからなり、第一歯車３９がモータケース３３に固定されて該モータケース３３と一体回転する一方、第二歯車１３９はモータケース３３に非固定とされ、該モータケース３３に対して相対回転可能とされている。また、内歯車３９，１３９は、本実施形態においては、コンパクト化を測るために、ハンドル軸３の入力軸２０、モータ出力軸３６及び車輪操舵軸８が同軸的に配置されている。
【００２０】
次に、ロック機構１９は、ハンドル軸３に対して相対回転不能なロックベース部（本実施形態においてはモータケース３３）側に固定されたロック部材５１と、車輪操舵軸８に対して相対回転不能なロック受けベース部（本実施形態においては、モータ出力軸３６側）に設けられたロック受け部材５２とを有する。図３に示すように、ロック部材５１は、ロック受け部材５２に形成されたロック受け部５３に係合するロック位置と、該ロック受け部５３から退避したアンロック位置との間で進退可能に設けられている。本実施形態においては、車輪操舵軸８と一体的に回転するロック受け部材５２の周方向にロック受け部５３が所定の間隔で複数形成され、ロック部材５１の先端に設けられたロック部５１ａが、車輪操舵軸８の回転角位相に応じて、それら複数のロック受け部５３の任意の１つのものに選択的に係合するようになっている。ハンドル軸３はモータケース３３に対し（本実施形態では、カップリング２２及びピンにより）相対回転不能に結合されている。ロック部材５１とロック受け部材５２とが係合してロック状態になると、モータ出力軸３６はモータケース３３に対して相対回転不能となる。そして、減速機構７の内歯車３９，１３９のうち、内歯車３９がモータケース３３に固定されているから、内歯車３９、外歯車３８及び内歯車１３９の順でハンドル軸３の回転が車輪操舵軸８に直接伝達されることとなる。
【００２１】
なお、本実施形態においては、ロック受け部材５２は、モータ出力軸３６の一端の外周面に取り付けられ、各ロック受け部５３は、該ロック受け部材５２の外周面から半径方向に切れ込む凹状に形成されている。また、図２に示すように、ロック部材５１は、モータケース３３に設けられた回転ベース３００に対し、車輪操舵軸８とほぼ平行な軸線周りに回転可能に取り付けられ、その後端部５５ａが結合されている。また、ソレノイド５５の付勢が解除されたときに、ロック部材５１を元の位置に弾性復帰させる弾性部材５４が設けられている。ソレノイド５５の付勢及び付勢解除の動作により、ソレノイド５５ａの先端に設けられた凸部５５ａとロック部材５１の一端部５１ｂに形成された溝部を介してロック部材５１の先端に形成されたロック部５１ａが、前記したロック／アンロックのためにロック受け部材５２に対し接近／離間する。
【００２２】
図４は、操舵制御部１００の電気的構成の一例を示すブロック図である。操舵制御部１００の要部をなすのは２つのマイコン１１０及び１２０である。主マイコン１１０は、主ＣＰＵ１１１、制御プログラムを格納したＲＯＭ１１２、ＣＰＵ１１１のワークエリアとなる主ＣＰＵ側ＲＡＭ１１３及び入出力インターフェース１１４を有する。また、副マイコン１２０は、副ＣＰＵ１２１、制御プログラムを格納したＲＯＭ１２２、副ＣＰＵ１２１のワークエリアとなる副ＣＰＵ側ＲＡＭ１２３及び入出力インターフェース１２４を有する。車輪操舵軸８を駆動するモータ６（アクチュエータ）の動作制御を直接行なうのは主マイコン１１０であり、副マイコン１２０は、必要なパラメータ演算等、モータ６の動作制御に必要なデータ処理を主マイコン１１０と並行して行なうとともに、そのデータ処理結果を主マイコン１１０との間で通信することにより、主マイコン１１０の動作が正常であるかどうかを監視・確認し、必要に応じて情報の補完を行なう補助制御部としての機能を果たす。本実施形態において主マイコン１１０と副マイコン１２０とのデータ通信は、入出力インターフェース１１４，１２４間の通信によりなされる。なお、両マイコン１１０及び１２０は、自動車の運転終了後（すなわち、イグニッションＯＦＦ後）においても、図示しない安定化電源からの電源電圧Ｖｃｃ（例えば＋５Ｖ）の供給を受け、ＲＡＭ１１３，１２３あるいはＥＥＰＲＯＭ（後述）１１５の記憶内容が保持されるようになっている。
【００２３】
ハンドル軸角度検出部１０１、車速検出部１０２及び操舵軸角度検出部１０３の各出力は、主マイコン１１０及び副マイコン１２０の入出力インターフェース１１４，１２４にそれぞれ分配入力される。本実施形態では、いずれの検出部もロータリエンコーダで構成され、そのエンコーダからの計数信号が図示しないシュミットトリガ部を経て入出力インターフェース１１４，１２４のデジタルデータポートに直接入力されている。また、主マイコン１１０の入出力インターフェース１１４には、前述のロック機構１９の駆動部をなすソレノイド５５が、ソレノイドドライバ５６を介して接続されている。また、この例では路面反力検出センサ１４０が主マイコン１１０及び副マイコン１２０に接続されている。
この路面反力検出センサ１４０は、例えば図１０に示すように、車両の駆動輪１４１の回転数を検出する駆動回転センサ１４３と、従動輪１４２の従動側センサ１４４とを備え、主マイコン１１０はこれらの回転数Ｎｆ及びＮｒの差をとって、路面に対する滑り率の差を求め、それに基づいて路面の摩擦力を算出ないし推定する。ここで、路面反力の検出を路面の滑り率として置き換えること、言い換えれば前記伝達比可変制御のパラメータは、路面反力とせず、これに代替して路面滑り率を用いてもよい。ただ実質的には言い方を変えているだけで、趣旨は等しいと言える。
なお、例えば通常は前輪駆動等で走行し、駆動輪たる前輪とこれに従動する後輪との回転数の差が一定以上になったら、それまで従動輪であった例えば後輪にも駆動力を分配する４輪駆動方式を採用する場合、その４輪に駆動力を分配する契機となる上記回転数の差をもって、路面の滑りを推定し、この値を上記路面摩擦力の検出に利用（流用）すること、つまり後述の操舵伝達比を変更するしきい値とすることも可能である。また、マイコンは主マイコン１１０のみとし、副マイコン１２０を省略することもできる。
【００２４】
モータ６はブラシレスモータ、本実施形態では３相ブラシレスモータにて構成され、ＰＷＭ制御により回転速度が調整される。また、モータドライバ１８には、モータ６の電源となる車載バッテリー５７が接続されている。モータドライバ１８が受電するバッテリー５７の電圧（電源電圧）Ｖｓは、自動車の各所に分散した負荷の状態や、オルタ−ネータの発電状態により随時変化する（例えば９〜１４Ｖ）。本実施形態においては、このような変動するバッテリー電圧Ｖｓを、安定化電源回路を介さず、モータ電源電圧として直接使用する。操舵制御部１００は、このように相当幅にて変動する電源電圧Ｖｓの使用を前提として、モータ６の制御を行なうので、電源電圧Ｖｓの測定部が設けられている。本実施形態では、モータ６への通電経路（ドライバ１８の直前）から電圧測定用の分岐経路が引き出され、そこに設けられた分圧抵抗６０，６０を経て電圧測定信号を取り出している。該電圧測定信号はコンデンサ６１により平滑化された後、電圧フォロワ６２を経て入出力インターフェース１１４，１２４のＡ／Ｄ変換機能付入力ポート（以下、Ａ／Ｄポートという）に入力される。
【００２５】
また、過電流発生の有無など、モータ６の通電状態を監視するために、モータ６への通電経路上に電流検出部が設けられている。具体的には、経路上に設けられたシャント抵抗（電流検出抵抗）５８の両端電圧差を電流センサ７０により測定し、該両端電圧差に基づく電流Ｉｓの測定信号を入出力インターフェース１１４，１２４のＡ／Ｄポートに入力するようにしている。なお、シャント抵抗以外にも、ホール素子や電流検出コイルなど、電磁的な原理に基づいて電流検出するプローブを用いてもよい。
【００２６】
図４に戻り、両マイコン１１０，１２０のＲＡＭ１１３，１２３には、それぞれ以下のようなメモリエリアが形成されている。
▲１▼車速測定値メモリ：車速センサ１０２からの現在の車速の測定値を記憶する。
▲２▼ハンドル軸角度位置（φ）カウンタメモリ：ハンドル軸角度位置検出部１０１をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、ハンドル軸角度位置φを示すそのカウント値を記憶する。なお、ロータリエンコーダは回転方向の識別が可能なものを使用し、正方向回転の場合はカウンタをインクリメントし、逆方向回転の場合はデクリメントする。
▲３▼舵角変換比（α）算出値メモリ：車速測定値に基づいて算出された舵角変換比αを記憶する。
▲４▼目標操舵軸角度位置（θ’）算出値メモリ：現在のハンドル軸角度位置φと舵角変換比αとの値から、例えばφ×αにより算出された操舵軸角度位置の目標値、すなわち目標操舵軸角度位置θ’の値を記憶する。
▲５▼操舵軸角度位置（θ）カウンタメモリ：操舵軸角度検出部１０３をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、操舵軸角度位置θを示すそのカウント値を記憶する。操舵軸角度検出部１０３は、回転方向の識別が可能なインクリメント型ロータリエンコーダとして構成され、車輪操舵軸８の回転方向が正であれば上記のカウンタをインクリメントし、逆であればカウンタをデクリメントする。
▲６▼Δθ算出値メモリ：目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの隔たりΔθ（≡θ’−θ）の算出値を記憶する。
▲７▼電源電圧（Ｖｓ）測定値メモリ：モータ６の電源電圧Ｖｓの測定値を記憶する。
▲８▼デューティ比（η）決定値メモリ：モータ６をＰＷＭ通電するための、Δθと電源電圧Ｖｓとに基づいて決定されたデューティ比ηを記憶する。
▲９▼電流（Ｉｓ）測定値：電流センサ７０による電流Ｉｓの測定値を記憶する。
さらに、この例では、路面反力検出センサ１４０による路面摩擦力の算出値を一時記憶する路面反力（摩擦力）算出値メモリが設けられている。
【００２７】
また、主マイコン１１０の入出力インターフェース１１４には、運転終了時（つまり、イグニッションＯＦＦ時）における車輪操舵軸８の角度位置、すなわち終了角度位置を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ１１５が第二の記憶部として設けられている。該ＥＥＰＲＯＭ１１５（ＰＲＯＭ）は、主ＣＰＵ１１１が主ＣＰＵ側ＲＡＭ１１２に対するデータ読出し／書込みを行なう第一の動作電圧（＋５Ｖ）においては、主ＣＰＵ１１１によるデータの読出しのみが可能であり、他方、第一の動作電圧（＋５Ｖ）とは異なる第二の動作電圧（本実施形態では、第一の動作電圧より高い電圧が採用される：例えば＋７Ｖ）を設定することにより主ＣＰＵ１１１によるデータの書込みが可能となるものであり、主ＣＰＵ１１１が暴走しても内容が誤って書き換えられることがない。第二の動作電圧は、ＥＥＰＲＯＭ１１５と入出力インターフェース１１４との間に介在する図示しない昇圧回路によって生成される。
【００２８】
以下、車両用操舵制御システム１の動作について説明する。
図８には、主マイコン１１０による制御プログラムの主ルーチンの処理の流れを示すものである。Ｓ１は初期化処理であり、前回イグニッションスイッチをＯＦＦにしたときの終了処理にてＥＥＰＲＯＭ１１５に書き込まれている車輪操舵軸８の終了角度位置（後述）を読み出し、該終了角度位置を、処理開始に際しての車輪操舵軸８の初期角度位置として設定することを要旨とする。具体的には、終了角度位置を示すカウンタ値を、前述の操舵軸角度位置カウンタメモリにセットする。なお、後述するＥＥＰＲＯＭ１１５へのデータ書込み完了フラグは、この時点でクリアしておく。
【００２９】
初期化処理が終了すれば、Ｓ２に進んで操舵制御処理となる。該操舵制御処理は、パラメータサンプリングの間隔を均一化するために、一定の周期（例えば数百μｓ）にて繰り返し実行される。その詳細を、図９により説明する。Ｓ２０１においては、現在の車速Ｖの測定値をリードし、次いでＳ２０２ではハンドル軸角度位置φをリードする。そして、Ｓ２０３においては、車速Ｖの算出値から、ハンドル軸角度位置φを操舵軸の目標操舵角度位置θ’に変換するための舵角変換比αを決定する。舵角変換比αは、車速Ｖに応じて異なる値が設定される。具体的には、図６に示すように、車速Ｖが一定以上に大きい状態では、舵角変換比αは小さく設定され、車速Ｖが一定以下に小さい低速走行時には舵角変換比αは大きく設定される。本実施形態では、図５に示すような、種々の車速Ｖに対応した舵角変換比αの設定値を与えるテーブル１３０をＲＯＭ１１２（１２２）に格納しておき、このテーブル１３０を参照して現在の車速Ｖに対応する舵角変換比αを補間法により算出する。なお、本実施形態においては、車両の運転状態を示す情報として車速Ｖを用いているが、これ以外にも、車両が受ける横圧や路面の傾斜角等を車両の運転状態を示す情報としてセンサにより検出し、その検出値に応じて舵角変換比αを特有の値に設定することが可能である。また、車速Ｖに応じて舵角変換比αの基本値を決定し、上記のような車速以外の情報に基づいて、その基本値を随時補正して使用することも可能である。
【００３０】
Ｓ２０４では、検出されたハンドル軸角度位置φに、決定された舵角変換比αを乗じて目標操舵軸角度位置θ’を算出する。そして、Ｓ２０５において、現在の操舵軸角度位置θを読み取る。Ｓ２０６では、操舵軸角度位置カウンタから求められた現在の操舵軸角度位置θと目標操舵軸角度位置θ’との隔たりΔθ（＝θ’−θ）を算出する。さらにＳ２０７においては、現在の電源電圧Ｖｓの測定値を読み取る。
【００３１】
モータ６は、目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの差（Δθ）が縮小するように車輪操舵軸８を回転駆動する。そして、操舵軸角度位置θが目標操舵軸角度位置θ’に迅速かつスムーズに近づくことができるように、Δθが大きいときはモータ６の回転速度を大きくし、逆にΔθが小さいときはモータ６の回転速度を小さくする。基本的にはΔθをパラメータとした比例制御であるが、オーバーシュートやハンチング等を抑制し、制御の安定化を図るために、Δθの微分あるいは積分を考慮した周知のＰＩＤ制御を行なうことが望ましい。
【００３２】
モータ６は前述の通りＰＷＭ制御されており、回転速度は、そのデューティ比ηを変更することにより調整される。電源電圧Ｖｓが一定であれば、デューティ比により回転速度をほぼ一義的に調整できるが、本実施形態では前述の通り電源電圧Ｖｓは一定でない。従って、電源電圧Ｖｓも考慮してデューティ比ηを定めるようにする。例えば、図７に示すように、種々の電源電圧ＶｓとΔθとの各組み合わせに対応したデューティ比ηを与える二次元のデューティ比変換テーブル１３１をＲＯＭ１１２（１２２）に格納しておき、電源電圧Ｖｓの測定値とΔθの算出値に対応するデューティ比ηの値を読み取って用いることができる。なお、モータ６の回転速度は負荷によっても変動する。この場合、電流センサ７０によるモータ電流Ｉｓの測定値を元に、モータ負荷の状態を推定し、デューティ比ηを補正して用いることも可能である。
【００３３】
ここまでの処理は、図４の主マイコン１１０と副マイコン１２０との双方にて並列的に実行される。例えば、主マイコン１１０の動作が正常であるかどうかは、主マイコン１１０のＲＡＭ１１３に記憶された各パラメータの演算結果を副マイコン１２０に随時転送し、副マイコン１２０側にて、ＲＡＭ１２３の記憶内容と照合することにより、異常発生の有無を監視させることができる。他方、主マイコン１１０側では、決定されたデューティ比ηを元にＰＷＭ信号を生成する。そして、操舵軸角度検出部１０３をなすロータリエンコーダからの信号を参照してモータドライバ１８に該ＰＷＭ信号を出力することにより、モータ６をＰＷＭ制御する。
【００３４】
図８に戻り、Ｓ３ではイグニッションスイッチがＯＦＦされているかどうかを確認し、もしＯＦＦされている場合はＳ４の終了処理となる。すなわち、イグニッションスイッチがＯＦＦになっている場合は、自動車の運転が終了したことを意味するから、主マイコン１１０において操舵軸角度位置カウンタに記憶されている、車輪操舵軸８の終了角度位置を読み出し、これをＥＥＰＲＯＭ１１５に格納し、さらに、ＲＡＭ１１３に設けられたデータ書込み完了フラグをセットして処理を終了する。
【００３５】
ところで、本実施例では、上記伝達比可変の制御（伝達比可変モータ６の制御）のパラメータの１つとして、路面反力（摩擦力）が設定される。図１１（ａ）はその制御パターンの一例を、また図１２はその処理の流れを示している。まず、路面摩擦力が大きい（摩擦係数μが大）かどうかを車両の走行中に前記路面反力検出センサ１４０で検出し（Ｑ１）、その摩擦力の度合いがメモリに一時記憶され、例えば摩擦力（μ1）をしきい値として、それより路面摩擦力が小さいかどうかが判断される（Ｑ２）。実際の検出値がしきい値μ1以下の領域では、前記ハンドル軸３から車輪操舵軸８に至る回転伝達系の伝達比αが比較的小さい伝達比α1に設定され（Ｑ３）、それより路面摩擦力が大きい領域ではより大きな伝達比α2が設定される（Ｑ４）。つまり、路面摩擦力が大きい走行安定性のよい路面では、上記伝達比を決めるモータ６をより多く回転させて伝達比を増大させ、操舵ハンドルの操作性を優先させる。他方、路面摩擦力が小さい滑りやすい路面では伝達比を小さくして１に近いものし、走行の安定性を優先させる。車両のイグニッションがＯＦＦされれば、この処理を抜ける（Ｑ５）。
【００３６】
図１１（ｂ）は、路面摩擦力（摩擦係数）μ1等のしきい値を境に伝達比を変えるのではなく、予め定めた変換テーブルないし関数式に基づいて伝達比αを可変に制御するパターンの一例を示すもので、図１３はそれに対応する処理の流れを示している。路面摩擦力の検出（Ｒ１）により、実際の路面摩擦力（摩擦係数）μを算出し、これを路面反力−伝達比テーブル又は関数式：α＝ｆ（μ）等に従い（Ｒ２）、逐次又は一定のサンプリングタイムで伝達比αを決定（変更）し（Ｒ３）、その決定された伝達比αに近づくように伝達比可変モータ６を駆動する。
【００３７】
以上の説明は、路面摩擦力を１つのパラメータとして伝達比αを設定し、それに基づいて伝達比可変モータ６の駆動を制御する場合を主に例示したが、伝達比αのパラメータとしては、前述のように車両の運転状況（例えば車両速度等）も取り込むことができる。その場合、車両運転状況（例えば車両速度）を第１のパラメータ、路面状況（例えば路面摩擦力、摩擦係数又は路面滑り率等）を第２のパラメータとして設定し、例えば車両速度が小さくて路面摩擦が大きい状況を検出すれば、上記伝達比は最も大きくし、逆に車両速度が大きくて路面摩擦が小さい状況を検出すれば、上記伝達比を最も小さく設定し、それらの中間では中間的な伝達比を設定することができる。そのような複数のパラメータに基づき、伝達比可変モータ等のアクチュエータを重層的に制御することが、車両の運転に最も効果的かつ安全性の高い操舵装置を実現することに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用操舵制御システムの全体構成を模式的に示す図。
【図２】駆動部ユニットの一実施例を示す縦断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】本発明の車両用操舵制御システムの電気的構成の一例を示すブロック図。
【図５】舵角変換比と車速との関係を与えるテーブルの模式図。
【図６】車速に応じて舵角変換比を変化させるパターンの一例を示す模式図。
【図７】モータ電源電圧と角度偏差Δθとによりデューティ比を決定するための二次元テーブルの模式図。
【図８】本発明の車両用操舵制御システムにおけるコンピュータ処理の主ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図９】図８の操舵制御処理の詳細の一例を示すフローチャート。
【図１０】路面反力検出センサの一例を概念的に示す説明図。
【図１１】路面反力（摩擦力）をパラメータに伝達比可変モータを制御する一例を示すグラフ。
【図１２】路面反力（摩擦力）をパラメータに伝達比可変モータを制御する一例を示すフローチャート。
【図１３】図１２の変形例を示すフローチャート。
【符号の説明】
３ ハンドル軸
６ モータ（アクチュエータ）
８ 車輪操舵軸
１００ 操舵制御部
１０１ ハンドル軸角度検出部
１０３ 操舵軸角度検出部
１１１ 主ＣＰＵ
１１５ ＥＥＰＲＯＭ（第二の記憶部）
１１３ 主ＣＰＵ側ＲＡＭ
１２１ 副ＣＰＵ
１２３ 副ＣＰＵ側ＲＡＭ（第一の記憶部）
１４０ 路面反力検出センサ
１４３ 駆動輪回転センサ
１４４ 従動輪回転センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両、主に自動車の操舵装置では、操舵ハンドルの回転操作によりステアリング軸が回転し、これに一定の固定ギヤ比で連結された操舵機構を介して操舵輪の方向が変えられる。その操舵機構には油圧式又は電動式等の操舵力助勢装置、いわゆるパーワーステアリング装置が付加されることが多く、これにより操舵ハンドルの回転操作に要する力は小さくて済む。
【０００３】
ところで、車庫入れ、縦列駐車、幅寄せ等の操舵ハンドルの大きな操作が必要なときには、ハンドルの操作力が小さくて済む（軽く回せる）ことに加え、少ないハンドル操作量で操舵輪の方向をより大きく変えられれば、取り回しが楽になるから都合がよい。これを実現するために、操舵ハンドルと転舵輪とを連結する操舵伝達系の途中に伝達比を可変にする可変ギヤユニットを介在させた伝達比可変型の操舵装置が提案されている。
【０００４】
より詳しくは、車両の操舵装置、特に自動車用の操舵装置において、近年、その更なる高機能化の一端として、操舵ハンドルの操作角（ハンドル操作角）と車輪操舵角とを１：１比率に固定せず、ハンドル操作角の車輪操舵角への変換比（舵角変換比）を車両の運転状態に応じて可変とした、いわゆる可変舵角変換比機構を搭載したものが開発されている。車両の運転状態としては、例えば、車両速度（車速）を例示でき、高速運転時においては舵角変換比を小さくすることにより、ハンドル操作角の増加に対して操舵角が急激に大きくならないようにすれば、高速走行の安定化を図ることができる。他方、低速走行時には、逆に舵角変換比を大きくすることで、一杯まで切るのに必要なハンドルの回転数を減少させることができ、車庫入れや縦列駐車あるいは幅寄せなど、操舵角の大きい運転操作を非常に簡便に行なうことができる。
【０００５】
舵角変換比を可変化する機構としては、例えば特開平１１−３３４６０４号公報に開示されているように、ハンドル軸と車輪操舵軸とを、ギア比が可変な歯車式伝達部にて直結したタイプのものがあるが、この構成は、歯車式伝達部のギア比変更機構が複雑になる欠点がある。そこで、ハンドル軸と車輪操舵軸とを分離し、モータ等のアクチュエータにより車輪操舵軸を回転駆動するタイプのものが、例えば特開平１１−３３４６２８号公報等に提案されている。具体的には、角度検出部が検出するハンドル操作角と車両運転状態とに応じて定まる舵角変換比とに基づいて、コンピュータ処理により最終的に必要な車輪操舵角を演算し、その演算された車輪操舵角が得られるように、ハンドル軸から機械的に切り離された車輪操舵軸をアクチュエータ（モータ）により回転駆動する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方式では、車両の速度が遅ければ伝達比は大きく、車両の速度が速ければ伝達比は小さくなるようにアクチュエータが駆動される。しかし、車両の速度等の運転状況、言い換えればどのように車両が運転されているかという点は反映されるが、車両がどのような道路を走行しているかということは反映されない。
【０００７】
本発明は、道路の路面状況を、車両のハンドルの切れ易さと走行の安全性との関係上、運転状況とは別の重要なファクターとして捉え、路面状況を取り込んでハンドル軸から操舵軸（転舵軸）への伝達比を調整できるようにした車両用操舵装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明は、操舵ハンドルと転舵輪とを連結する操舵伝達系の途中に、その伝達比を可変にする伝達比可変装置を介在させ、その伝達比を車両の運転状況に応じて変化させる操舵制御部を備えた車両操舵装置において、
車両が走行中の路面反力（路面摩擦力）を検出する路面反力検出装置を有し、その路面反力検出装置により検出した路面摩擦力の大小に応じて前記操舵制御部により前記伝達比可変装置の伝達比を変更することを特徴とする。
【０００９】
より具体的には、本発明は、操舵用のハンドル軸と車輪操舵軸とが機械的に分離されてなり、ハンドル軸の操作角と車両の運転状態とに応じて前記車輪操舵軸に与えるべき操舵角を決定し、当該操舵角が得られるように前記車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動するようにした車両用操舵装置において、
前記ハンドル軸の角度位置（以下、ハンドル軸角度という）を検出するハンドル軸角度検出部と、
前記車輪操舵軸の角度位置（以下、操舵軸角度位置という）を検出する操舵軸角度検出部と、
前記車両の運転状態を検出する運転状態検出部と、
検出されたハンドル軸の角度位置（ハンドル軸角度）と車両の運転状態とに基づいて前記車輪操舵軸の目標角度位置を決定し、該操舵軸角度位置が前記目標角度位置に近づくように、前記アクチュエータの動作を制御する操舵制御部と、
車両が走行中の路面反力（路面摩擦力）を検出する路面反力検出装置とを備え、
前記操舵制御部は、その路面反力検出装置により検出した路面摩擦力が所定値以上の場合には前記路面摩擦力に応じて前記アクチュエータの回転速度を変化させ、前記ハンドル軸から前記車輪操舵軸への回転量の伝達率を変更し、前記路面摩擦が所定値以下の場合には前記伝達比を一定にしたことを特徴とする。
そして、前記伝達比は、伝達比を一定にした前記路面摩擦が所定値以下の場合よりも伝達率を変更する前記路面摩擦が所定値以上の場合の方が大きく設定されていることが好ましい。
【００１０】
前記路面反力検出装置は、車両の駆動力を生じている車輪と従動状態の車輪との路面に対する滑り率の差がどの程度あるか、言い換えれば駆動輪回転数と従動輪の回転数との差に基づいて、路面反力（路面摩擦力）を検出することができる。
また、前記伝達比可変装置は、操舵ハンドルと一体的に回転する操舵ハンドル軸に固定されたアクチュエータと、そのアクチュエータの出力軸に連結された前記車両操舵軸（転舵軸）とを含み、前記操舵ハンドル軸の回転量にアクチュエータの出力軸の回転量が加算されることにより、操舵ハンドル軸の回転量が伝達比１以上で前記車両操舵軸に伝達されるものとすることができる。
【００１１】
操舵制御部は、路面反力検出装置により検出した路面反力（路面摩擦力）の大小に応じて、伝達比可変装置の伝達比を変更する。より具体的には、操舵制御部は、路面反力が小さければ前記伝達比を小さく設定し、路面反力が大きければそれば小さい場合より前記伝達比を大きく設定する。
【００１２】
このように、車輪が路面から受ける路面反力、言い換えれば路面の摩擦力をパラメータとしてハンドル軸から操舵軸への伝達比を変えることにより、例えば雨天等のために濡れていて滑りやすい路面、凍結等で滑りやすい路面、砂地・砂利等の摩擦力が小さくてハンドルを取られやすい路面等においては、ハンドル軸から車両操舵軸への回転の伝達比を低めに設定することにより、ハンドルの回転量に対して操舵輪が大きく方向変換しないように制御され、走行の安定性を高めることができる。
他方、乾いた舗装路面等のように、路面摩擦力が比較的大きい場合は、上記伝達比可変機構の伝達比をある程度大きくしても車両の走行の安定性は確保されるから、この場合はハンドル軸及び操舵軸間の伝達比を大きくして、ハンドル操作を軽減し、運転感覚を向上させることができる。
また、上記本発明の車両用操舵装置は、より具体的な態様において、操舵用のハンドル軸と車輪操舵軸とが機械的に分離され、ハンドル軸の操作角（以下、ハンドル角ともいう）と車両の運転状態とに応じて車輪操舵軸に与えるべき操舵角（以下、車輪操舵角ともいう）を決定し、当該操舵角が得られるように車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動する。例えば、車両の速度等の運転状態に応じて定まる舵角変換比によりハンドル角を車輪操舵角に変換し、当該車輪操舵角が得られるように車輪操舵軸のアクチュエータを駆動制御する。この運転状況を伝達比のパラメータ（変数）にすることに加え、路面摩擦力等の路面状況を伝達比の別のパラメータとすることによって、運転状況と路面状況とを重層的に反映させた、きめの細かいかつ安定性の高い伝達比可変の車両用操舵装置を実現することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明が適用される車両用操舵装置（操舵制御システム）の、全体構成の一例を模式的に示したものである（なお、本実施形態において「車両」は自動車とするが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない）。該車両用操舵制御システム１は、操舵用ハンドル２に直結されたハンドル軸３と、車輪操舵軸８とが機械的に分離された構成を有する。車輪操舵軸８はアクチュエータとしてのモータ６により回転駆動される。車輪操舵軸８の先端はステアリングギアボックス９内に延び、該車輪操舵軸８とともに回転するピニオン１０がラックバー１１を軸線方向に往復動させることにより、車輪１３，１３の転舵角が変化する。なお、本実施形態の車両用操舵制御システム１においては、ラックバー１１の往復動が、周知の油圧式、電動式あるいは電動油圧式のパワーアシスト機構１２により駆動補助されるパワーステアリングが採用されている。
【００１４】
ハンドル軸３の角度位置φ（以下、ハンドル軸角度位置φという）は、ロータリエンコーダ等の周知の角度検出部からなるハンドル軸角度検出部１０１により検出される。他方、車輪操舵軸８の角度位置θは、同じくロータリエンコーダ等の角度検出部からなる操舵軸角度検出部１０３により検出される。また、本実施形態においては、自動車の運転状態を検出する運転状態検出部として、車速Ｖを検出する車速検出部（車速センサ）１０２が設けられている。車速検出部１０２は、例えば車輪１３の回転を検出する回転検出部（例えばロータリエンコーダやタコジェネレータ）で構成される。そして、操舵制御部１００が、検出されたハンドル軸３の角度位置φと車速Ｖとに基づいて、車輪操舵軸８の目標角度位置θ’を決定し、該車輪操舵軸８の角度位置θが目標角度位置θ’（以下、目標操舵軸角度位置θ’という）に近づくように、モータ６の動作を制御する。また、路面反力検出センサ１４０が操舵制御部１００に接続され、路面反力（摩擦力又は摩擦係数とも言える）μが、操舵制御部１００に取り込まれる。路面反力検出センサ１４０は、例えば車両の駆動輪と従動輪との回転数の差に基づいて路面の滑り易さ（摩擦係数）を検出ないし推定するものであるが、詳しくは後述する。
【００１５】
なお、ハンドル軸３と車輪操舵軸８との間には、両者を一体回転可能にロック結合したロック状態と、該ロック結合を解除したアンロック状態との間で切り替え可能なロック機構１９が設けられている。ロック状態では、ハンドル軸３の回転角が変換されることなく（つまり、舵角変換比が１：１）車輪操舵軸８に伝達され、マニュアルステアリングが可能となる。該ロック機構１９のロック状態への切り替えは、異常発生時などにおいて操舵制御部１００からの指令によりなされる。
【００１６】
図２は、モータ６による車輪操舵軸８の駆動部ユニットの構成例を、自動車への取付状態にて示すものである。該駆動部ユニット１４において、ハンドル２（図１）の操作によりハンドル軸３を回転させると、モータケース３３がその内側に組み付けられたモータ６とともに一体的に回転するようになっている。本実施形態においては、ハンドル軸３は、ユニバーサルジョイント３１９を介して入力軸２０に連結され、該入力軸２０がボルト２１，２１を介して第一カップリング部材２２に結合されている。この第一カップリング部材２２にはピン３１が一体化されている。他方、ピン３１は、第二カップリング部材３２の一方の板面中央から後方に延びるスリーブ３２ａ内に係合してはめ込まれている。他方、筒状のモータケース３３は、第二カップリング部材３２の他方の板面側に一体化されている。なお、符号４４はゴムあるいは樹脂にて構成されたカバーであり、ハンドル軸３と一体的に回転する。また、符号４６は、コックピットパネル４８に一体化された駆動部ユニット１４を収容するためのケースであり、符号４５は、カバー４４とケース４６との間をシールするシールリングである。
【００１７】
モータケース３３の内側には、コイル３５，３５を含むモータ６のステータ部分２３が一体的に組み付けられている。該ステータ部分２３の内側には、モータ出力軸３６がベアリング４１を介して回転可能に組み付けられている。また、モータ出力軸３６の外周面には永久磁石からなる電機子３４が一体化されており、この電機子３４を挟む形でコイル３５，３５が配置されている。なお、コイル３５，３５からは、モータケース３３の後端面に連なるように給電端子５０が取り出され、該給電端子５０において給電ケーブル４２によりコイル３５，３５に給電がなされる。
【００１８】
後述の通り、本実施形態においてモータ６はブラシレスモータであり、給電ケーブル４２は、該ブラシレスモータの各相のコイル３５，３５に個別に給電する素線を集合させた帯状の集合ケーブルとして構成されている。そして、モータケース３３の後端側に隣接する形でハブ４３ａを有するケーブルケース４３が設けられ、その中に給電ケーブル４２が、ハブ４３ａに対してゼンマイ状に巻かれた形で収容されている。給電ケーブル４２の、給電端子５０に接続されているのと反対の端部は、ケーブルケース４３のハブ４３ａに固定されている。そして、ハンドル軸３がモータケース３３ひいては給電端子５０とともに正方向又は逆方向に回転すると、ケーブルケース４３内の給電ケーブル４２は、ハブ４３ａへの巻き付き又は繰り出しを生じさせることにより、上記モータケース３３の回転を吸収する役割を果たす。
【００１９】
モータ出力軸３６の回転は、減速機構７を介して所定比率（例えば１／５０）に減速された上で車輪操舵軸８に伝達される。本実施形態において減速機構７は、周知のハーモニックドライブ減速機にて構成してある。すなわち、モータ出力軸３６には、楕円型のインナーレース付ベアリング３７が一体化され、その外側に変形可能な薄肉の外歯車３８がはめ込まれている。そして、この外歯車３８の外側に、カップリング４０を介して車輪操舵軸８が一体化された内歯車３９，１３９が噛み合っている。モータ出力軸３６が回転すると、外歯車３８と内歯車３９，１３９との歯数差をｎ、内歯車３９の歯数をＮとして、ｎ／Ｎに減速された形で車輪操舵軸８にその回転が伝達される。内歯車３９，１３９は、同軸的に配置された第一歯車３９と第二歯車１３９とからなり、第一歯車３９がモータケース３３に固定されて該モータケース３３と一体回転する一方、第二歯車１３９はモータケース３３に非固定とされ、該モータケース３３に対して相対回転可能とされている。また、内歯車３９，１３９は、本実施形態においては、コンパクト化を測るために、ハンドル軸３の入力軸２０、モータ出力軸３６及び車輪操舵軸８が同軸的に配置されている。
【００２０】
次に、ロック機構１９は、ハンドル軸３に対して相対回転不能なロックベース部（本実施形態においてはモータケース３３）側に固定されたロック部材５１と、車輪操舵軸８に対して相対回転不能なロック受けベース部（本実施形態においては、モータ出力軸３６側）に設けられたロック受け部材５２とを有する。図３に示すように、ロック部材５１は、ロック受け部材５２に形成されたロック受け部５３に係合するロック位置と、該ロック受け部５３から退避したアンロック位置との間で進退可能に設けられている。本実施形態においては、車輪操舵軸８と一体的に回転するロック受け部材５２の周方向にロック受け部５３が所定の間隔で複数形成され、ロック部材５１の先端に設けられたロック部５１ａが、車輪操舵軸８の回転角位相に応じて、それら複数のロック受け部５３の任意の１つのものに選択的に係合するようになっている。ハンドル軸３はモータケース３３に対し（本実施形態では、カップリング２２及びピンにより）相対回転不能に結合されている。ロック部材５１とロック受け部材５２とが係合してロック状態になると、モータ出力軸３６はモータケース３３に対して相対回転不能となる。そして、減速機構７の内歯車３９，１３９のうち、内歯車３９がモータケース３３に固定されているから、内歯車３９、外歯車３８及び内歯車１３９の順でハンドル軸３の回転が車輪操舵軸８に直接伝達されることとなる。
【００２１】
なお、本実施形態においては、ロック受け部材５２は、モータ出力軸３６の一端の外周面に取り付けられ、各ロック受け部５３は、該ロック受け部材５２の外周面から半径方向に切れ込む凹状に形成されている。また、図２に示すように、ロック部材５１は、モータケース３３に設けられた回転ベース３００に対し、車輪操舵軸８とほぼ平行な軸線周りに回転可能に取り付けられ、その後端部５５ａが結合されている。また、ソレノイド５５の付勢が解除されたときに、ロック部材５１を元の位置に弾性復帰させる弾性部材５４が設けられている。ソレノイド５５の付勢及び付勢解除の動作により、ソレノイド５５ａの先端に設けられた凸部５５ａとロック部材５１の一端部５１ｂに形成された溝部を介してロック部材５１の先端に形成されたロック部５１ａが、前記したロック／アンロックのためにロック受け部材５２に対し接近／離間する。
【００２２】
図４は、操舵制御部１００の電気的構成の一例を示すブロック図である。操舵制御部１００の要部をなすのは２つのマイコン１１０及び１２０である。主マイコン１１０は、主ＣＰＵ１１１、制御プログラムを格納したＲＯＭ１１２、ＣＰＵ１１１のワークエリアとなる主ＣＰＵ側ＲＡＭ１１３及び入出力インターフェース１１４を有する。また、副マイコン１２０は、副ＣＰＵ１２１、制御プログラムを格納したＲＯＭ１２２、副ＣＰＵ１２１のワークエリアとなる副ＣＰＵ側ＲＡＭ１２３及び入出力インターフェース１２４を有する。車輪操舵軸８を駆動するモータ６（アクチュエータ）の動作制御を直接行なうのは主マイコン１１０であり、副マイコン１２０は、必要なパラメータ演算等、モータ６の動作制御に必要なデータ処理を主マイコン１１０と並行して行なうとともに、そのデータ処理結果を主マイコン１１０との間で通信することにより、主マイコン１１０の動作が正常であるかどうかを監視・確認し、必要に応じて情報の補完を行なう補助制御部としての機能を果たす。本実施形態において主マイコン１１０と副マイコン１２０とのデータ通信は、入出力インターフェース１１４，１２４間の通信によりなされる。なお、両マイコン１１０及び１２０は、自動車の運転終了後（すなわち、イグニッションＯＦＦ後）においても、図示しない安定化電源からの電源電圧Ｖｃｃ（例えば＋５Ｖ）の供給を受け、ＲＡＭ１１３，１２３あるいはＥＥＰＲＯＭ（後述）１１５の記憶内容が保持されるようになっている。
【００２３】
ハンドル軸角度検出部１０１、車速検出部１０２及び操舵軸角度検出部１０３の各出力は、主マイコン１１０及び副マイコン１２０の入出力インターフェース１１４，１２４にそれぞれ分配入力される。本実施形態では、いずれの検出部もロータリエンコーダで構成され、そのエンコーダからの計数信号が図示しないシュミットトリガ部を経て入出力インターフェース１１４，１２４のデジタルデータポートに直接入力されている。また、主マイコン１１０の入出力インターフェース１１４には、前述のロック機構１９の駆動部をなすソレノイド５５が、ソレノイドドライバ５６を介して接続されている。また、この例では路面反力検出センサ１４０が主マイコン１１０及び副マイコン１２０に接続されている。
この路面反力検出センサ１４０は、例えば図１０に示すように、車両の駆動輪１４１の回転数を検出する駆動回転センサ１４３と、従動輪１４２の従動側センサ１４４とを備え、主マイコン１１０はこれらの回転数Ｎｆ及びＮｒの差をとって、路面に対する滑り率の差を求め、それに基づいて路面の摩擦力を算出ないし推定する。ここで、路面反力の検出を路面の滑り率として置き換えること、言い換えれば前記伝達比可変制御のパラメータは、路面反力とせず、これに代替して路面滑り率を用いてもよい。ただ実質的には言い方を変えているだけで、趣旨は等しいと言える。
なお、例えば通常は前輪駆動等で走行し、駆動輪たる前輪とこれに従動する後輪との回転数の差が一定以上になったら、それまで従動輪であった例えば後輪にも駆動力を分配する４輪駆動方式を採用する場合、その４輪に駆動力を分配する契機となる上記回転数の差をもって、路面の滑りを推定し、この値を上記路面摩擦力の検出に利用（流用）すること、つまり後述の操舵伝達比を変更するしきい値とすることも可能である。また、マイコンは主マイコン１１０のみとし、副マイコン１２０を省略することもできる。
【００２４】
モータ６はブラシレスモータ、本実施形態では３相ブラシレスモータにて構成され、ＰＷＭ制御により回転速度が調整される。また、モータドライバ１８には、モータ６の電源となる車載バッテリー５７が接続されている。モータドライバ１８が受電するバッテリー５７の電圧（電源電圧）Ｖｓは、自動車の各所に分散した負荷の状態や、オルタ−ネータの発電状態により随時変化する（例えば９〜１４Ｖ）。本実施形態においては、このような変動するバッテリー電圧Ｖｓを、安定化電源回路を介さず、モータ電源電圧として直接使用する。操舵制御部１００は、このように相当幅にて変動する電源電圧Ｖｓの使用を前提として、モータ６の制御を行なうので、電源電圧Ｖｓの測定部が設けられている。本実施形態では、モータ６への通電経路（ドライバ１８の直前）から電圧測定用の分岐経路が引き出され、そこに設けられた分圧抵抗６０，６０を経て電圧測定信号を取り出している。該電圧測定信号はコンデンサ６１により平滑化された後、電圧フォロワ６２を経て入出力インターフェース１１４，１２４のＡ／Ｄ変換機能付入力ポート（以下、Ａ／Ｄポートという）に入力される。
【００２５】
また、過電流発生の有無など、モータ６の通電状態を監視するために、モータ６への通電経路上に電流検出部が設けられている。具体的には、経路上に設けられたシャント抵抗（電流検出抵抗）５８の両端電圧差を電流センサ７０により測定し、該両端電圧差に基づく電流Ｉｓの測定信号を入出力インターフェース１１４，１２４のＡ／Ｄポートに入力するようにしている。なお、シャント抵抗以外にも、ホール素子や電流検出コイルなど、電磁的な原理に基づいて電流検出するプローブを用いてもよい。
【００２６】
図４に戻り、両マイコン１１０，１２０のＲＡＭ１１３，１２３には、それぞれ以下のようなメモリエリアが形成されている。
▲１▼車速測定値メモリ：車速センサ１０２からの現在の車速の測定値を記憶する。
▲２▼ハンドル軸角度位置（φ）カウンタメモリ：ハンドル軸角度位置検出部１０１をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、ハンドル軸角度位置φを示すそのカウント値を記憶する。なお、ロータリエンコーダは回転方向の識別が可能なものを使用し、正方向回転の場合はカウンタをインクリメントし、逆方向回転の場合はデクリメントする。
▲３▼舵角変換比（α）算出値メモリ：車速測定値に基づいて算出された舵角変換比αを記憶する。
▲４▼目標操舵軸角度位置（θ’）算出値メモリ：現在のハンドル軸角度位置φと舵角変換比αとの値から、例えばφ×αにより算出された操舵軸角度位置の目標値、すなわち目標操舵軸角度位置θ’の値を記憶する。
▲５▼操舵軸角度位置（θ）カウンタメモリ：操舵軸角度検出部１０３をなすロータリエンコーダからの計数信号をカウントし、操舵軸角度位置θを示すそのカウント値を記憶する。操舵軸角度検出部１０３は、回転方向の識別が可能なインクリメント型ロータリエンコーダとして構成され、車輪操舵軸８の回転方向が正であれば上記のカウンタをインクリメントし、逆であればカウンタをデクリメントする。
▲６▼Δθ算出値メモリ：目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの隔たりΔθ（≡θ’−θ）の算出値を記憶する。
▲７▼電源電圧（Ｖｓ）測定値メモリ：モータ６の電源電圧Ｖｓの測定値を記憶する。
▲８▼デューティ比（η）決定値メモリ：モータ６をＰＷＭ通電するための、Δθと電源電圧Ｖｓとに基づいて決定されたデューティ比ηを記憶する。
▲９▼電流（Ｉｓ）測定値：電流センサ７０による電流Ｉｓの測定値を記憶する。
さらに、この例では、路面反力検出センサ１４０による路面摩擦力の算出値を一時記憶する路面反力（摩擦力）算出値メモリが設けられている。
【００２７】
また、主マイコン１１０の入出力インターフェース１１４には、運転終了時（つまり、イグニッションＯＦＦ時）における車輪操舵軸８の角度位置、すなわち終了角度位置を記憶するためのＥＥＰＲＯＭ１１５が第二の記憶部として設けられている。該ＥＥＰＲＯＭ１１５（ＰＲＯＭ）は、主ＣＰＵ１１１が主ＣＰＵ側ＲＡＭ１１２に対するデータ読出し／書込みを行なう第一の動作電圧（＋５Ｖ）においては、主ＣＰＵ１１１によるデータの読出しのみが可能であり、他方、第一の動作電圧（＋５Ｖ）とは異なる第二の動作電圧（本実施形態では、第一の動作電圧より高い電圧が採用される：例えば＋７Ｖ）を設定することにより主ＣＰＵ１１１によるデータの書込みが可能となるものであり、主ＣＰＵ１１１が暴走しても内容が誤って書き換えられることがない。第二の動作電圧は、ＥＥＰＲＯＭ１１５と入出力インターフェース１１４との間に介在する図示しない昇圧回路によって生成される。
【００２８】
以下、車両用操舵制御システム１の動作について説明する。
図８には、主マイコン１１０による制御プログラムの主ルーチンの処理の流れを示すものである。Ｓ１は初期化処理であり、前回イグニッションスイッチをＯＦＦにしたときの終了処理にてＥＥＰＲＯＭ１１５に書き込まれている車輪操舵軸８の終了角度位置（後述）を読み出し、該終了角度位置を、処理開始に際しての車輪操舵軸８の初期角度位置として設定することを要旨とする。具体的には、終了角度位置を示すカウンタ値を、前述の操舵軸角度位置カウンタメモリにセットする。なお、後述するＥＥＰＲＯＭ１１５へのデータ書込み完了フラグは、この時点でクリアしておく。
【００２９】
初期化処理が終了すれば、Ｓ２に進んで操舵制御処理となる。該操舵制御処理は、パラメータサンプリングの間隔を均一化するために、一定の周期（例えば数百μｓ）にて繰り返し実行される。その詳細を、図９により説明する。Ｓ２０１においては、現在の車速Ｖの測定値をリードし、次いでＳ２０２ではハンドル軸角度位置φをリードする。そして、Ｓ２０３においては、車速Ｖの算出値から、ハンドル軸角度位置φを操舵軸の目標操舵角度位置θ’に変換するための舵角変換比αを決定する。舵角変換比αは、車速Ｖに応じて異なる値が設定される。具体的には、図６に示すように、車速Ｖが一定以上に大きい状態では、舵角変換比αは小さく設定され、車速Ｖが一定以下に小さい低速走行時には舵角変換比αは大きく設定される。本実施形態では、図５に示すような、種々の車速Ｖに対応した舵角変換比αの設定値を与えるテーブル１３０をＲＯＭ１１２（１２２）に格納しておき、このテーブル１３０を参照して現在の車速Ｖに対応する舵角変換比αを補間法により算出する。なお、本実施形態においては、車両の運転状態を示す情報として車速Ｖを用いているが、これ以外にも、車両が受ける横圧や路面の傾斜角等を車両の運転状態を示す情報としてセンサにより検出し、その検出値に応じて舵角変換比αを特有の値に設定することが可能である。また、車速Ｖに応じて舵角変換比αの基本値を決定し、上記のような車速以外の情報に基づいて、その基本値を随時補正して使用することも可能である。
【００３０】
Ｓ２０４では、検出されたハンドル軸角度位置φに、決定された舵角変換比αを乗じて目標操舵軸角度位置θ’を算出する。そして、Ｓ２０５において、現在の操舵軸角度位置θを読み取る。Ｓ２０６では、操舵軸角度位置カウンタから求められた現在の操舵軸角度位置θと目標操舵軸角度位置θ’との隔たりΔθ（＝θ’−θ）を算出する。さらにＳ２０７においては、現在の電源電圧Ｖｓの測定値を読み取る。
【００３１】
モータ６は、目標操舵軸角度位置θ’と現在の操舵軸角度位置θとの差（Δθ）が縮小するように車輪操舵軸８を回転駆動する。そして、操舵軸角度位置θが目標操舵軸角度位置θ’に迅速かつスムーズに近づくことができるように、Δθが大きいときはモータ６の回転速度を大きくし、逆にΔθが小さいときはモータ６の回転速度を小さくする。基本的にはΔθをパラメータとした比例制御であるが、オーバーシュートやハンチング等を抑制し、制御の安定化を図るために、Δθの微分あるいは積分を考慮した周知のＰＩＤ制御を行なうことが望ましい。
【００３２】
モータ６は前述の通りＰＷＭ制御されており、回転速度は、そのデューティ比ηを変更することにより調整される。電源電圧Ｖｓが一定であれば、デューティ比により回転速度をほぼ一義的に調整できるが、本実施形態では前述の通り電源電圧Ｖｓは一定でない。従って、電源電圧Ｖｓも考慮してデューティ比ηを定めるようにする。例えば、図７に示すように、種々の電源電圧ＶｓとΔθとの各組み合わせに対応したデューティ比ηを与える二次元のデューティ比変換テーブル１３１をＲＯＭ１１２（１２２）に格納しておき、電源電圧Ｖｓの測定値とΔθの算出値に対応するデューティ比ηの値を読み取って用いることができる。なお、モータ６の回転速度は負荷によっても変動する。この場合、電流センサ７０によるモータ電流Ｉｓの測定値を元に、モータ負荷の状態を推定し、デューティ比ηを補正して用いることも可能である。
【００３３】
ここまでの処理は、図４の主マイコン１１０と副マイコン１２０との双方にて並列的に実行される。例えば、主マイコン１１０の動作が正常であるかどうかは、主マイコン１１０のＲＡＭ１１３に記憶された各パラメータの演算結果を副マイコン１２０に随時転送し、副マイコン１２０側にて、ＲＡＭ１２３の記憶内容と照合することにより、異常発生の有無を監視させることができる。他方、主マイコン１１０側では、決定されたデューティ比ηを元にＰＷＭ信号を生成する。そして、操舵軸角度検出部１０３をなすロータリエンコーダからの信号を参照してモータドライバ１８に該ＰＷＭ信号を出力することにより、モータ６をＰＷＭ制御する。
【００３４】
図８に戻り、Ｓ３ではイグニッションスイッチがＯＦＦされているかどうかを確認し、もしＯＦＦされている場合はＳ４の終了処理となる。すなわち、イグニッションスイッチがＯＦＦになっている場合は、自動車の運転が終了したことを意味するから、主マイコン１１０において操舵軸角度位置カウンタに記憶されている、車輪操舵軸８の終了角度位置を読み出し、これをＥＥＰＲＯＭ１１５に格納し、さらに、ＲＡＭ１１３に設けられたデータ書込み完了フラグをセットして処理を終了する。
【００３５】
ところで、本実施例では、上記伝達比可変の制御（伝達比可変モータ６の制御）のパラメータの１つとして、路面反力（摩擦力）が設定される。図１１（ａ）はその制御パターンの一例を、また図１２はその処理の流れを示している。まず、路面摩擦力が大きい（摩擦係数μが大）かどうかを車両の走行中に前記路面反力検出センサ１４０で検出し（Ｑ１）、その摩擦力の度合いがメモリに一時記憶され、例えば摩擦力（μ1）をしきい値として、それより路面摩擦力が小さいかどうかが判断される（Ｑ２）。実際の検出値がしきい値μ1以下の領域では、前記ハンドル軸３から車輪操舵軸８に至る回転伝達系の伝達比αが比較的小さい伝達比α1に設定され（Ｑ３）、それより路面摩擦力が大きい領域ではより大きな伝達比α2が設定される（Ｑ４）。つまり、路面摩擦力が大きい走行安定性のよい路面では、上記伝達比を決めるモータ６をより多く回転させて伝達比を増大させ、操舵ハンドルの操作性を優先させる。他方、路面摩擦力が小さい滑りやすい路面では伝達比を小さくして１に近いものし、走行の安定性を優先させる。車両のイグニッションがＯＦＦされれば、この処理を抜ける（Ｑ５）。
【００３６】
図１１（ｂ）は、路面摩擦力（摩擦係数）μ1等のしきい値を境に伝達比を変えるのではなく、予め定めた変換テーブルないし関数式に基づいて伝達比αを可変に制御するパターンの一例を示すもので、図１３はそれに対応する処理の流れを示している。路面摩擦力の検出（Ｒ１）により、実際の路面摩擦力（摩擦係数）μを算出し、これを路面反力−伝達比テーブル又は関数式：α＝ｆ（μ）等に従い（Ｒ２）、逐次又は一定のサンプリングタイムで伝達比αを決定（変更）し（Ｒ３）、その決定された伝達比αに近づくように伝達比可変モータ６を駆動する。
【００３７】
以上の説明は、路面摩擦力を１つのパラメータとして伝達比αを設定し、それに基づいて伝達比可変モータ６の駆動を制御する場合を主に例示したが、伝達比αのパラメータとしては、前述のように車両の運転状況（例えば車両速度等）も取り込むことができる。その場合、車両運転状況（例えば車両速度）を第１のパラメータ、路面状況（例えば路面摩擦力、摩擦係数又は路面滑り率等）を第２のパラメータとして設定し、例えば車両速度が小さくて路面摩擦が大きい状況を検出すれば、上記伝達比は最も大きくし、逆に車両速度が大きくて路面摩擦が小さい状況を検出すれば、上記伝達比を最も小さく設定し、それらの中間では中間的な伝達比を設定することができる。そのような複数のパラメータに基づき、伝達比可変モータ等のアクチュエータを重層的に制御することが、車両の運転に最も効果的かつ安全性の高い操舵装置を実現することに寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用操舵制御システムの全体構成を模式的に示す図。
【図２】駆動部ユニットの一実施例を示す縦断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】本発明の車両用操舵制御システムの電気的構成の一例を示すブロック図。
【図５】舵角変換比と車速との関係を与えるテーブルの模式図。
【図６】車速に応じて舵角変換比を変化させるパターンの一例を示す模式図。
【図７】モータ電源電圧と角度偏差Δθとによりデューティ比を決定するための二次元テーブルの模式図。
【図８】本発明の車両用操舵制御システムにおけるコンピュータ処理の主ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図９】図８の操舵制御処理の詳細の一例を示すフローチャート。
【図１０】路面反力検出センサの一例を概念的に示す説明図。
【図１１】路面反力（摩擦力）をパラメータに伝達比可変モータを制御する一例を示すグラフ。
【図１２】路面反力（摩擦力）をパラメータに伝達比可変モータを制御する一例を示すフローチャート。
【図１３】図１２の変形例を示すフローチャート。
【符号の説明】
３ ハンドル軸
６ モータ（アクチュエータ）
８ 車輪操舵軸
１００ 操舵制御部
１０１ ハンドル軸角度検出部
１０３ 操舵軸角度検出部
１１１ 主ＣＰＵ
１１５ ＥＥＰＲＯＭ（第二の記憶部）
１１３ 主ＣＰＵ側ＲＡＭ
１２１ 副ＣＰＵ
１２３ 副ＣＰＵ側ＲＡＭ（第一の記憶部）
１４０ 路面反力検出センサ
１４３ 駆動輪回転センサ
１４４ 従動輪回転センサ
Claims (3)
- 操舵用のハンドル軸と車輪操舵軸とが機械的に分離されてなり、ハンドル軸の操作角と車両の運転状態とに応じて前記車輪操舵軸に与えるべき操舵角を決定し、当該操舵角が得られるように前記車輪操舵軸をアクチュエータにより回転駆動するようにした車両用操舵装置において、
前記ハンドル軸の角度位置（以下、ハンドル軸角度という）を検出するハンドル軸角度検出部と、
前記車輪操舵軸の角度位置（以下、操舵軸角度位置という）を検出する操舵軸角度検出部と、
前記車両の運転状態を検出する運転状態検出部と、
検出されたハンドル軸の角度位置（ハンドル軸角度）と車両の運転状態とに基づいて前記車輪操舵軸の目標角度位置を決定し、該操舵軸角度位置が前記目標角度位置に近づくように、前記アクチュエータの動作を制御する操舵制御部と、
車両が走行中の路面反力（路面摩擦力）を検出する路面反力検出装置とを備え、
前記操舵制御部は、その路面反力検出装置により検出した路面摩擦力が所定値以上の場合には前記路面摩擦力に応じて前記アクチュエータの回転速度を変化させ、前記ハンドル軸から前記車輪操舵軸への回転量の伝達比を変更し、前記路面摩擦が所定値以下の場合には前記伝達比を一定にしたことを特徴とする車両用操舵装置。 - 前記伝達比は、前記路面摩擦が所定値以下の場合よりも前記路面摩擦が所定値以上の場合の方が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
- 前記路面反力検出装置は、車両の駆動力を生じている車輪と従動状態の車輪との路面に対する滑り率の差がどの程度あるかで路面反力（路面摩擦力）を検出する請求項２に記載の車両用操舵装置。
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