JP4221656B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の左右方向に延在する操舵軸を駆動するための複数のモータを備える車両用操舵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両のパワーステアリング装置として、油圧式に代えて電動式のものの普及が進んでいる。例えば、油圧アクチュエータに匹敵する操舵補助力を得るために、操舵軸としてのラック軸に並設された複数の電動モータを設け、各電動モータから操舵軸上のステアリングギヤを介してラック軸を軸方向にアシスト駆動する電動パワーステアリング装置が提供されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、操舵手段としてのステアリングホイールを舵取機構と機械的に連結せずに配する、いわゆるステア・バイ・ワイヤの車両用操舵装置において、ラック軸上の主操舵モータと、ピニオンを介してラック軸に操舵力を与える副操舵モータとを設け、通常時は両モータの合力により操舵し、何れかのモータの異常発生時には、正常なモータのみで操舵する車両用操舵装置が提案されている（例えば特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１５５３４３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２１８０００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数のモータを用いる場合、例えば特許文献１のように、これらのモータが何れもラック軸の側方に大きなスペースを要したり、或いは、特許文献２のように、一方のモータがラック軸と略直交する方向に大きく張り出したりしていた。このため、ラック軸の周辺の部品のレイアウトが困難になるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、操舵軸回りの部品のレイアウトが容易である車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するため、第１発明は、車両の左右方向に延在する操舵軸を駆動するための複数のモータを備える車両用操舵装置において、上記複数のモータが操舵軸の軸方向に対向し且つそれぞれ操舵軸を同心的に取り囲み、各モータのロータの回転を上記操舵軸の軸方向移動にそれぞれ変換するための複数の運動変換機構を備え、各運動変換機構は対応するモータのロータに一体回転可能で操舵軸の周囲を取り囲む回転筒をそれぞれ含み、隣接する回転筒間に弾性部材が介在することを特徴とするものである。本発明では、複数のモータが操舵軸の周囲にコンパクトにレイアウトされ、回りの部品との干渉等の懸念がなくなる。
【０００８】
また、各モータのロータの回転を上記操舵軸の軸方向移動にそれぞれ変換するための複数の運動変換機構を備え、各運動変換機構は対応するモータのロータに一体回転可能で操舵軸の周囲を取り囲む回転筒をそれぞれ含み、隣接する回転筒間に弾性部材が介在するので、下記の利点がある。すなわち、本発明では、隣接する回転筒が互いに逆向きに予圧され、軸方向のガタをなくすことができる結果、モータによる操舵軸駆動の応答性が良くなる。
【０００９】
第２発明は、第１発明において、上記複数のモータが共通のステータ又は共通のロータの何れか一方を含むことを特徴とするものである。本発明では、部材の共通化により製造コストを格段に安くすることができる。
第３発明は、第１又は第２発明において、上記複数のモータが共通のロータ回転角検出手段を含み、該ロータ回転角検出手段の検出信号に基づいて駆動されることを特徴とするものである。本発明では、複数のモータで例えばレゾルバ等のロータ回転角検出手段を共通に用いることで、製造コストを格段に安くすることができる。
【００１０】
第４発明は、第１又は第２発明において、上記複数のモータがそれぞれロータ回転角検出手段を含み、複数のモータのロータ回転角検出手段の検出信号の比較に基づいて、ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する手段をさらに備えることを特徴とするものである。本発明では、下記の作用効果を奏する。すなわち、仮にモータの電流値に基づいて異常を判定するとすると、異常が判定された時点で、既にモータ負荷が増大してしまっている。これに対して、本発明では、モータ制御のためのロータ回転角検出手段の検出信号に基づいて異常を判定するので、例えばモータ負荷があまり増大しない段階で、迅速に異常を判定することができる。
第５発明は、車両の左右方向に延在する操舵軸を駆動するための複数のモータを備える車両用操舵装置において、上記複数のモータが操舵軸の軸方向に対向し且つそれぞれ操舵軸を同心的に取り囲み、上記複数のモータがそれぞれロータ回転角検出手段を含み、複数のモータのロータ回転角検出手段の検出信号の比較に基づいて、ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する手段をさらに備え、上記複数のモータは２個のモータであり、ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する上記手段は、各モータが含むロータ回転角検出手段の検出信号の差分を演算する手段と、演算した差分と第１の閾値とを比較する第１比較手段と、演算した差分と第１の閾値よりも大きい第２の閾値とを比較する第２比較手段と、第１比較手段による比較結果に基づいてロータ回転角検出手段の異常を判定するとともに第２比較手段による比較結果に基づいてモータの異常を判定する異常判定手段とを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の第１実施の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、本実施の形態では、車両用操舵装置が電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１である場合に則して説明するが、本発明は、これに限らず、例えばステアリングホイール等の操舵部材２と舵取り機構との機械的な結合をなくしたいわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）システムに適用することもできる。
【００１２】
電動パワーステアリング装置１は、操舵部材２に連結しているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に中間軸１００を介して連結されたピニオン４と、このピニオン４に噛み合うラック５を有して車両の左右方向に延びる操舵軸としてのラック軸６とを有している。
ラック軸６の両端部にはそれぞれタイロッド７が結合されており、各タイロッド７は対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪８に連結されている。操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転がピニオン４およびラック５によって、車両の左右方向に沿ってのラック軸６の直線運動に変換される。これにより、車輪８の転舵が達成される。
【００１３】
ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸９と、ピニオン４に連なる出力軸１０とに分割されており、これら入、出力軸９，１０はトーションバー１１を介して同一の軸線上で互いに連結されている。
トーションバー１１を介する入、出力軸９，１０間の相対回転変位量により操舵トルクを検出するトルクセンサ１２が設けられており、このトルクセンサ１２のトルク検出結果は制御部（電子制御ユニット：ＥＣＵ）１３に与えられる。制御部１３では、トルク検出結果や車速センサ１４からの車速検出結果等に基づいて、各別のドライバ１５，１６を介して操舵補助用の複数の電動モータ１７，１８への供給電流を制御する。制御部１３は、ＣＰＵ１３ａ、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１３ｂ、ワークエリアとして用いられるＲＡＭ１３ｃ等を備えている。
【００１４】
各電動モータ１７，１８の出力回転は、それぞれ対応するボールねじ機構等の運動変換機構１９，２０を介して、ラック軸６の軸方向移動に変換され、操舵が補助される。本電動パワーステアリング装置１はいわゆるラックアシストタイプである。
電動モータ１７，１８は、例えばブラシレスモータからなり、互いにラック軸６の軸方向に対向して隣接し、かつそれぞれラック軸６を同心的に取り囲んで配置される。
【００１５】
各電動モータ１７，１８は、それぞれラックハウジング２１の内周に固定された円筒状のステータ２２，２３と、ラックハウジング２１に対応する軸受２４，２５を介して回転自在に支持され、対応するステータ２２，２３内に挿通されたロータ２６，２７とを備える。図示していないが、ステータ２２，２３の一部を巻回する複数の励磁相からなるコイルが設けられており、またロータ２６，２７の外周には、ステータ２２，２３に対向するようにして、円筒状の駆動用磁石が設けられている。駆動用磁石は円周方向にＮ極とＳ極とを交互に形成するように磁化されている。
【００１６】
また、各電動モータ１７，１８には、ロータ２６，２７の回転位置（回転角）検出用のレゾルバ４１，４２がそれぞれ設けられている。各レゾルバ４１，４２は、ラックハウジング２１に固定されるステータ部４３と、対応するロータ２６，２７に一体回転するロータ部４４とを備える。ステータ部４３には、ロータ部４４の回転位置に応じて、所定の電圧が誘起されるので、この電圧を測定することにより、ロータ部４４すなわちロータ２６，２７の回転位置（位相）を判断できる。
【００１７】
各レゾルバ４１，４２から出力される各ロータ２６，２７の回転位置（位相）に基づいて、制御部１３は、対応する電動モータ１７，１８のステータ２２，２３の回転方向に分割された各コイル（図示せず）の励磁相に順次電流を供給分配し、その結果、ブラシレスモータからなる電動モータ１７，１８が所定の回転出力を発生するよう駆動制御される。
運動変換機構１９，２０としては、ボールねじ機構又はベアリングねじ機構（例えば特開２０００−４６１３６号公報）を用いて回転運動を直線運動に変換することができる。本実施の形態では、ボールねじ機構が用いられる例に則して説明する。運動変換機構１９，２０はラック軸６の周囲を取り囲む回転筒としてのボールナット２８，２９を有する。ボールナット２８，２９は、ラック軸６の途中部に形成されたボールねじ溝６ａにボール３０を介して螺合しており、これにより運動変換機構１９，２０が構成されている。
【００１８】
電動モータ１７，１８のロータ２６，２７の対向端部に、対応するボールナット２８，２９が圧入固定され、ロータ２６，２７の反対側の端部は、対応する軸受２４，２５を介してラックハウジング２１に回転自在に支持されている。
また、各軸受２４，２５は対応するロータ２６，２７の外周面の位置決め段部に当接することにより、対応するロータ２６，２７が互いに遠ざかる方向への移動を規制している。
【００１９】
一方、ボールナット２８，２９の対向端部間には、圧縮コイルばね、環状ゴム等の弾性部材３１が介在しており、ボールナット２８，２９を互いに遠ざかる方向に弾性付勢している。これにより、ボールナット２８，２９が互いに逆向きに予圧され、軸方向のがたつきがないようにされている。その結果、電動モータ１７，１８によるラック軸６の駆動の応答性が高まる。
上述したトルク検出結果、車速検出結果等に基づいて、制御部１３が電動モータ１７，１８の制御量を決定し、各電動モータ１７，１８を対応するレゾルバ４１，４２により検出される回転角に基づいて所定の出力が得られるように駆動制御する。
【００２０】
この電動モータ１７，１８の駆動力（出力軸の回転力）は、対応する運動変換機構１９，２０により、ラック軸６の軸方向（車幅方向）の直線運動に変換され、これにより、車輪８の転舵のための所要の操舵補助力が得られる。
本実施の形態によれば、ラック軸６に同心的に配置される複数のモータ１７，１８をラック軸６の軸方向に対向配置して用いることで、動力発生部をラック軸６の周囲にコンパクトにレイアウトできるので、回りの部品との干渉等の懸念がなくなる。
【００２１】
また、隣接するボールナット２８，２９が両者間に介在する弾性部材３１によって互いに逆向きに予圧され、軸方向のガタをなくすことができる結果、電動モータ１７，１８による操舵補助の応答性が良くなる。
次いで、図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の別の実施の形態を示す車両用操舵装置の要部の模式的断面図である。図２（ａ）の実施の形態では、複数の電動モータ１７，１８が共通のロータとしてのロータユニット３２を備える。このロータユニット３２は、各電動モータ１７，１８にそれぞれ対応するロータ部３２ａ，３２ｂを例えばボールナット等の回転筒３２ｃを介して一体回転可能に連結してなる。
【００２２】
一方、図２（ｂ）の実施の形態では、複数の電動モータ１７，１８が共通の長尺のステータ３３を備える。図２（ａ）および（ｂ）において、図１の実施の形態と同様の構成には、同様の符号を付して、その説明を省略する。図２（ａ）および（ｂ）の実施の形態によれば、部材の共通化により製造コストを格段に安くすることができる。また、車両用操舵装置の小型化に寄与することができる。
次いで、図３は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図３の実施の形態では、複数の電動モータ１７，１８において、共通のロータ回転角検出手段としてのレゾルバ３５を用いている。電動モータ１７，１８が個別にロータを持つ場合（図１参照）には、図３においては図示していないが、レゾルバ３５のロータ部は、何れか一方の電動モータ１７，１８のロータと一体回転するように取り付ければ良い。また、電動モータ１７，１８間で共通化されたロータユニット３２が用いられる場合〔図２（ａ）参照〕には、該ロータユニット３２にレゾルバ３５のロータ部を取り付ければ良い。
【００２３】
本実施の形態では、複数の電動モータ１７，１８で共通のロータ回転角検出手段としてのレゾルバ３５を用いることで、製造コストを安くすることができ、また車両用操舵装置の小型化に寄与することができる。また、共通のレゾルバ３５からの検出信号を処理すれば良いので、制御部１３の制御負荷を軽減することができる。
次いで、図４は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図４の実施の形態では、フェール対策として、複数の制御部（ＥＣＵ）１３１，１３２を設けている。図３の実施の形態と同様に複数の電動モータ１７，１８で共通のレゾルバ３５を用い、このレゾルバ３５からの検出信号が各制御部１３１，１３２に与えられる。通常は、一方の制御部１３１のみを用いて各別の制御ラインａ，ｂを介して複数の電動モータ１７，１８を駆動制御しているが、該一方の制御部１３１が故障したときに、他方の制御部１３２により各別の制御ラインｃ，ｄを介して電動モータ１７，１８を駆動制御するようにする。本実施の形態では、フェール時のための制御系を別系統で備えるので、信頼性が高い。
【００２４】
次いで、図５は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図５の実施の形態では、各電動モータ１７，１８にそれぞれ設けられたレゾルバ４１，４２から２系統のラインｅ，ｆを介して複数の制御部１３１，１３２に出力信号が与えられている。通常は一方のレゾルバ４１の検出信号を用いて一方の制御部１３１が各別の制御ラインａ，ｂを介して複数の電動モータ１７，１８を駆動制御している。
【００２５】
上記一方のレゾルバ４１が故障すると、他方のレゾルバ４２を用いて上記一方の制御部１３１が各別の制御ラインａ，ｂを介して複数の電動モータ１７，１８を駆動制御する。さらに、一方の制御部１３１が故障した場合に、他方の制御部１３２を用いる点は、図４の実施の形態と同様である。図５の実施の形態では、複数のレゾルバ４１，４２および複数の制御部１３１，１３２を設けることで、フェール時にも良好な制御が可能となる。
【００２６】
次いで、図６は本発明のさらに別の実施の形態を示している。図６の実施の形態が、図５の実施の形態と異なるのは、複数の制御部１３１，１３２が信号伝達ラインｇを介して相互に監視し、各レゾルバ４１，４２からの信号の比較に基づきレゾルバ４１，４２又は電動モータ１７，１８のフェールを判定し、報知部材５０により警告を与えるようにした点である。報知部材５０としては、ランプ、液晶表示部、ブザー等を用いることができる。
【００２７】
具体的には、図７のフローチャートに示すように、複数のレゾルバ４１，４２からの検出信号ｍ１，ｍ２を入力して（ステップＳ１）、その差分Δｍ（Δｍ＝ｍ１−ｍ２）を演算し（ステップＳ２）、求められた差分Δｍが第１の閾値Ｋ１を超える（Δｍ＞Ｋ１）か否かが監視されている（ステップＳ３）。
上記の差分Δｍが第１の閾値Ｋ１を超えた場合には（ステップＳ３でＹＥＳ）、第１の閾値Ｋ１よりも大きい第２の閾値Ｋ２を新たな閾値として採用して、差分Δｍが第２の閾値Ｋ２を超える（Δｍ＞Ｋ２）か否かが判断される（ステップＳ４）。
【００２８】
差分Δｍが第２の閾値Ｋ２を超える（Δｍ＞Ｋ２）場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、何れかの電動モータ１７又は１８が停止しているものと判断し、例えば、音又は表示等により運転者に異常が発生したことを報知し、警告を与える（ステップＳ５）。なお、第２の閾値Ｋ２への変更は、車両の走行中に行われることになる。第１の閾値Ｋ１の値は、複数の電動モータ１７，１８間に存在する回転方向の機械的な位相差（がた）を考慮し、この位相差よりも少し大きな値が設定される。
【００２９】
図６および図７の実施の形態では、モータ制御のためのロータ回転角検出手段としてのレゾルバ４１，４２の検出信号に基づいて異常を判定するので、例えばモータ負荷があまり増大しない段階で、迅速に異常を判定することができ、迅速なフェール対応が可能となる。
これに対して、仮にモータの電流値に基づいて異常を判定する従来の場合では、異常が判定された時点で、既にモータ負荷が増大してしまっており、フェール対応が遅れるおそれがある。
【００３０】
なお、上記のフローチャートのように、閾値を二段階にするのは、検出手段としてのレゾルバのみの異常の場合と、電動モータ自身の異常の場合とを区別して対応するためである。すなわち、差分Δｍと小さい方の第１の閾値Ｋ１との比較（ステップＳ３）で、主にレゾルバ４１又は４２の出力異常を判定し、差分Δｍと大きい方の第２の閾値Ｋ２との比較（ステップＳ４）で、主に電動モータ１７又は１８の断線等の異常を判定するわけである。
【００３１】
また、図７の実施の形態において、上記の異常判定を司る制御部が車両全体を統括するメインの制御部（ＥＣＵ）であっても良い。この場合、レゾルバ４１，４２の検出信号を、例えばＣＡＮ（Controller Area Network ）等の通信手段を介してメインの制御部に与え、メインの制御部が異常判定を実施して報知部材を作動させるようにしても良い。
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明を、いわゆるステア・バイ・ワイヤの車両用操舵装置に適用することもでき、その他、本発明の特許請求の範囲で種々の変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の車両用操舵装置としての電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の別の実施の形態の車両用操舵装置の要部の模式的断面図である。
【図３】本発明のさらに別の実施の形態の車両用操舵装置の制御系の要部の模式図である。
【図４】本発明のさらに別の実施の形態の車両用操舵装置の制御系の要部の模式図である。
【図５】本発明のさらに別の実施の形態の車両用操舵装置の制御系の要部の模式図である。
【図６】本発明のさらに別の実施の形態の車両用操舵装置の制御系の要部の模式図である。
【図７】図６の実施の形態におけるフェールの判定の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置）
２ 操舵部材
６ ラック軸（操舵軸）
１３ 制御部（ＥＣＵ）
１５，１６ ドライバ
１７，１８ 電動モータ
１９，２０ 運動変換機構
２１ ラックハウジング
２２，２３ ステータ
２４，２５ 軸受
２６，２７ ロータ
２８，２９ ボールナット（回転筒）
３０ ボール
３１ 弾性部材
３２ ロータユニット（共通のロータ）
３３ （共通の）ステータ
３５ （共通の）レゾルバ（ロータ回転角検出手段）
４１，４２ レゾルバ（ロータ回転角検出手段）
１３１，１３２ 制御部（ＥＣＵ。異常を判定する手段）

Claims (5)

1. 車両の左右方向に延在する操舵軸を駆動するための複数のモータを備える車両用操舵装置において、
   上記複数のモータが操舵軸の軸方向に対向し且つそれぞれ操舵軸を同心的に取り囲み、 各モータのロータの回転を上記操舵軸の軸方向移動にそれぞれ変換するための複数の運動変換機構を備え、各運動変換機構は対応するモータのロータに一体回転可能で操舵軸の周囲を取り囲む回転筒をそれぞれ含み、隣接する回転筒間に弾性部材が介在することを特徴とする車両用操舵装置。
2. 請求項１において、上記複数のモータが共通のステータ又は共通のロータの何れか一方を含むことを特徴とする車両用操舵装置。
3. 請求項１又は２において、上記複数のモータが共通のロータ回転角検出手段を含み、該ロータ回転角検出手段の検出信号に基づいて駆動されることを特徴とする車両用操舵装置。
4. 請求項１又は２において、上記複数のモータがそれぞれロータ回転角検出手段を含み、複数のモータのロータ回転角検出手段の検出信号の比較に基づいて、ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する手段をさらに備えることを特徴とする車両用操舵装置。
5. 車両の左右方向に延在する操舵軸を駆動するための複数のモータを備える車両用操舵装置において、
   上記複数のモータが操舵軸の軸方向に対向し且つそれぞれ操舵軸を同心的に取り囲み、 上記複数のモータがそれぞれロータ回転角検出手段を含み、
   複数のモータのロータ回転角検出手段の検出信号の比較に基づいて、ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する手段をさらに備え、
   上記複数のモータは２個のモータであり、
   ロータ回転角検出手段又はモータの異常を判定する上記手段は、各モータが含むロータ回転角検出手段の検出信号の差分を演算する手段と、演算した差分と第１の閾値とを比較する第１比較手段と、演算した差分と第１の閾値よりも大きい第２の閾値とを比較する第２比較手段と、第１比較手段による比較結果に基づいてロータ回転角検出手段の異常を判定するとともに第２比較手段による比較結果に基づいてモータの異常を判定する異常判定手段とを含むことを特徴とする車両用操舵装置。

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