JP5311102B2 - 車両用操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は車両用操舵装置に関するものである。

車両用操舵装置として、近年、車室内部のステアリングホイール等の操舵部材を車室外部の転舵機構から機械的に分離して配し、この操舵部材の操作方向及び操作量の検出結果に基づいて、転舵機構のための転舵モータを駆動制御し、転舵機構に動作力を加えて操舵を行わせる構成とした操舵装置、いわゆるステアバイワイヤ式の操舵装置が提案されている。

このようなステアバイワイヤ式の操舵装置においては、操舵部材と転舵機構との機械的な連結が絶たれていることから、転舵機構に設けられる転舵モータのフェイルセーフ対策が不可欠である。そこで、転舵機構に２つの転舵モータを設け、一方の転舵モータに異常が生じたとき、他方の転舵モータを単独にて駆動して補助的な操舵を行わせ得るようにしている（例えば、特許文献１，２，３を参照）。
特開２００１−８０５３０号公報 特開２００６−３４７２０８号公報 特開２００６−３４７２０９号公報

しかし、この種の車両用操舵装置において、システムのオフのときに、操舵部材と転舵機構の位置関係にずれを生ずると、次回のシステムのオンのときに、転舵機構の位置検出に誤差を生ずる。
したがって、システムのオンのときに、転舵機構の絶対位置を検出する必要がある。ポテンショメータや光学式センサなどの位置検出センサを用いて絶対位置を検出する場合、構造が複雑になり、製造コストが高くなる。

一方、操舵部材の操舵入力（例えば操舵角）に対する転舵機構の転舵出力（例えば転舵軸としてのラック軸の軸方向位置）を可変する差動式の伝達比可変機構を備えた車両用操舵装置においても、同様の課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で安価に操舵軸の絶対位置を検出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。

上記目的を達成するため、本発明は、操舵軸（５；１６）をそれぞれ対応する第１および第２の伝達機構（６，７；４１，４２）を介して駆動する第１および第２のモータ（１１，１２；１３１，１３２）と、上記第１および第２の伝達機構並びに第１および第２のモータを収容したハウジングと、上記第１および第２のモータの回転角をそれぞれ検出する第１および第２の回転角検出手段（２１，２２；５１，５２）と、上記第１および第２の回転角検出手段の検出結果を参照して、操舵軸の絶対位置を求める手段（１４）とを備え、各回転角検出手段は、対応するモータの駆動力を伝達する回転部材（２６，２７）に同行回転するように取り付けられたロータ（３３）と、上記ハウジングに固定されたステータ（３２）とを含み、上記第１および第２の回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量（Ｓ１，Ｓ２）を互いに異ならせてあり、第１回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量（Ｓ１）と第２回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量（Ｓ２）との最小公倍数（ＬＣＭ）が、操舵軸の移動量の上限値（Ｓｍａｘ）よりも大きくされていることを特徴とするものである。

本発明では、第１および第２の回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量が互いに異なるようにしてある。例えば、第１および第２の伝達機構の伝達比を互いに異ならせることにより、両回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量の最小公倍数（ＬＣＭ）を容易に調整することができる。すなわち、最小公倍数の値が、操舵軸の実際の移動量の上限値（Ｓｍａｘ）よりも大きくなるように、両者の値の関係を容易に調整することができ、操舵軸の絶対位置を検出することが可能となる。各モータに通常備えられている回転角検出手段を用いて操舵軸の絶対位置を検出するので、別途に操舵軸の絶対位置を検出するセンサを設ける必要がなく、構造の簡素化と小型化を達成することができる。

また、上記第１および第２の伝達機構は、第１および第２のモータとしての第１および第２の転舵モータの出力回転を、操舵軸としての転舵軸（５）の軸方向（Ｘ１）の移動にそれぞれ変換する第１および第２のボールねじ機構（６，７）を含み、上記第１および第２のボールねじ機構は、転舵軸と同軸上で転舵軸の軸方向に離隔する第１および第２のねじ軸（３６，３７）と、上記第１および第２のねじ軸とそれぞれ螺合し、上記第１および第２の転舵モータ（１１，１２）によってそれぞれ回転駆動される第１および第２のボールナット（３４，３５）とを含み、各回転角検出手段のロータが取り付けられる回転部材は、各ボールナットとそれぞれ一体回転する部材（２６，２７）であり、上記第１および第２の回転角検出手段の検出結果を参照して、転舵軸の軸方向の絶対位置が求められ、第１および第２の回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の軸方向の移動量（Ｓ１，Ｓ２）を互いに異ならせてあり、第１回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の移動量と第２回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の移動量との最小公倍数が、転舵軸の移動量の上限値よりも大きくされている場合がある（請求項２）。

この場合、例えば、第１のねじ軸および第１のボールナットの間の伝達比と、第２のねじ軸および第２のボールナットの間の伝達比とを互いに異ならせることにより、両回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の軸方向の移動量の最小公倍数（ＬＣＭ）を容易に調整することができる。すなわち、最小公倍数の値が、転舵軸の実際の移動量の上限値（Ｓｍａｘ）よりも大きくなるように、両者の値の関係を容易に調整することができ、転舵軸の絶対位置を検出することが可能となる。各転舵モータに通常備えられている回転角検出手段を用いて転舵軸の絶対位置を検出するので、別途に転舵軸の軸方向の絶対位置を検出するセンサを設ける必要がなく、構造の簡素化と小型化を達成することができる。

また、上記第１および第２の回転角検出手段のそれぞれはレゾルバ（２１，２２）を含み、第１および第２の伝達機構の伝達比（Ｒ１，Ｒ２）が互いに異なること、並びに、第１および第２の回転角検出手段としてのレゾルバの対極数（Ｎ１，Ｎ２）が互いに異なることの少なくとも一方が達成されている場合がある（請求項３）。
例えば、第１および第２の伝達機構がボールねじ機構である場合、両ボールねじ機構のねじ軸のリード（Ｌ１，Ｌ２）が互いに異なること、並びに、第１および第２の回転角検出手段としてのレゾルバの対極数が互いに異なることの何れか一方が達成されていればよい。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する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。

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１が、ステアリングホイール等の操舵部材２と転舵機構３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、操舵部材と転舵輪との間に、操舵部材の操舵角に対する転舵輪の転舵角の比である伝達比を可変する差動機構などの伝達比可変機構が介在する車両用操舵装置に適用することもできる。

転舵機構３は、車両の左右方向に延びハウジング４によって軸方向Ｘ１に移動可能に支持された操舵軸としての転舵軸５と、転舵軸５とは同軸に設けられ転舵軸５の軸方向Ｘ１に離隔する第１およひ第２の伝達機構としての第１および第２のボールねじ機構６，７と、一対のタイロッド８と、一対のナックルアーム９と、一対の転舵輪１０とを備えている。

転舵軸５の一対の端部に、それぞれ対応するタイロッド８が連結されており、各タイロッド８は、対応するナックルアーム９を介して、対応する転舵輪１０に連結されている。 車両用操舵装置１は、転舵機構３の第１および第２のボールねじ機構６，７に対してそれぞれ転舵のための動作力を加える第１および第２の転舵モータ１１，１２と、操舵部材２に操舵反力を加えるための反力モータ１３と、第１および第２の転舵モータ１１，１２に対する転舵制御動作および反力モータ１３に対する反力制御動作をなす制御装置１４とを備えている。

第１および第２の転舵モータ１１，１２の出力回転は、それぞれ、第１および第２のボールねじ機構６，７を介して、転舵軸５の軸方向移動に変換され、転舵が達成される。
操舵部材２は、車体に固定されたステアリングコラム１５によって、回転可能に支持されたステアリングシャフト１６に同行回転可能に連結されている。このステアリングコラム１５の側部には、上記の反力モータ１３が連結されている。反力モータ１３は、例えば減速のための伝達機構としてのウォームギヤ機構４０を介してステアリングシャフト１６にトルク伝達可能に連結されている。

第１および第２のボールねじ機構６，７、並びに、第１および第２の転舵モータ１１，１２は、ハウジング４の一部を大径として構成されたモータハウジング１７の内部に収容されている。
また、ステアリングシャフト１６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１８が設けられている。反力モータ１３には、反力モータ１３のロータの回転角を検出する回転角センサ１９が設けられている。転舵軸５の一側のタイロッド８には、タイロッド８の軸力を検出するタイロッド軸力センサ２０が設けられている。

また、第１の転舵モータ１１のロータの回転角を検出するための第１の回転角検出手段としての第１のレゾルバ２１と、第２の転舵モータ１２のロータの回転角を検出するための第２の回転角検出手段としての第２のレゾルバ２２とが設けられている。
操舵角センサ１８、反力モータ１７の回転角を検出する回転角センサ１９、タイロッド軸力センサ２０、第１および第２の転舵モータ１１，１２の回転角をそれぞれ検出する第１および第２のレゾルバ２１，２２、並びに、走行状態センサ２３からの信号が、制御装置１４に与えられるようになっている。

走行状態センサ２３は、例えば、車速、ヨーレート、横加速度、前後加速度等、操舵に影響を与える走行状態を検出するためのセンサである。
制御装置１４は、演算処理部としてのＣＰＵ、制御プログラムを記憶させてあるＲＯＭおよび演算処理の過程においてワークエリアとして使用されるＲＡＭを備える電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成されている。制御装置１４の出力は、第１および第２の転舵モータ１１，１２と、反力モータ１３とに、図示しない各別の駆動回路を介して与えられる。

制御装置１４による第１および第２の転舵モータ１１，１２の駆動制御としては、種々可能である。例えば、通常操舵時は、第１および第２の転舵モータ１１，１２の何れか一方のみを用い、その一方の転舵モータにフェールが発生したときに、他方の転舵モータを操舵に用いるようにしてもよい。
また、通常操舵時において、左操舵と右操舵で第１および第２の転舵モータ１１，１２を使い分け、第１および第２の転舵モータ１１，１２の何れか一方にフェールが発生したときに、他方の転舵モータによって左右の操舵を達成するようにしてもよい。

制御装置１４による反力モータ１３の反力制御は、タイロッド軸力センサ２０により検出される実際の転舵反力に応じて、反力モータ１３に操舵反力を発生させることにより達成される。
図２を参照して、第１および第２の転舵モータ１１，１２は、モータハウジング１７内にそれぞれ対応する軸受２４，２５を介して転舵軸５と同軸上に回転可能に支持された筒状のロータ２６，２７と、ロータ２６，２７の外周に設けられた磁極２８，２９と、磁極２８，２９に対向するようにモータハウジング１７の内周に固定された筒状のステータ３０，３１とを備えている。

上記の軸受２４，２５は、モータハウジング１７に対して、対応するロータ２６，２７の軸方向移動を規制している。
各磁極２８，２９は、対応するロータ２６，２７の周方向に交互に配置された複数対のＮ極およびＳ極により構成されている。図示していないが、各ステータ３０，３１には、複数の励磁相からなるコイルが設けられており、各転舵モータ１１，１２は、対応するステータコイルへの通電に応じて、対応するロータ２６，２７に回転力を発生する三相ブラシレスモータとして機能する。

また、第１および第２の転舵モータ１１，１２には、ロータ２６，２７の回転位置（回転角）検出するために、上記第１および第２のレゾルバ２１，２２が、それぞれ設けられている。各レゾルバ２１，２２は、モータハウジング１７に固定されたレルゾバステータ３２と、対応するロータ２６，２７とは同行回転するレゾルバロータ３３とを備えている。各レゾルバステータ３２には、各レゾルバロータ３２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、各レゾルバロータ３２すなわちロータ２６，２７の回転位置（位相）を判断できる。

各レゾルバ２１，２２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、制御装置１４は、各転舵モータ１１，１２のステータ３０，３１の回転方向に分割された各ステータコイル（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各転舵モータ１１，１２が所定の回転出力を発生するよう駆動制御される。

第１および第２の転舵モータ１１，１２のロータ２６，２７には、互いに対向する側に向けて第１および第２のボールナット３４，３５が一体に延設されている。第１および第２のボールナット３４，３５は、転舵軸５とは同軸に形成された第１および第２のねじ軸３６，３７の周囲をそれぞれ取り囲んでおり、第１および第２のボールナット３４，３５は、それぞれ、第１および第２のねじ軸３６，３７に、再循環可能なボール３８を介して螺合している。

第１および第２のレゾルバ２１，２２を用いて、転舵軸５の軸方向Ｘ１の絶対位置を検出するために、本実施の形態では、第１および第２のレゾルバ２１，２２の電気角Ａ１，Ａ２の１回転当たりの転舵軸５の軸方向の移動量Ｓ１，Ｓ２が、互いに異なるようにしてある。
具体的には、第１のねじ軸３６のリードをＬ１とし、第２のねじ軸のリードをＬ２とし、第１のレゾルバ２１の対極数をＮ１とし、第２のレゾルバ２２の対極数をＮ２としたときに、各レゾルバ２１，２２の電気角１回転当たりの、転舵軸５の移動量Ｓ１，Ｓ２は、制御装置１４のＡＤ変換の分解能が８ビットで２５６段階のデジタル値を出力するものとして、下記式（１）、（２）で表される。

Ｓ１＝Ｌ１／Ｎ１／２５６ …（１）
Ｓ２＝Ｌ２／Ｎ２／２５６ …（２）
例えば、第１のねじ軸３６のリードＬ１が５．１ｍｍであり、第２のねじ軸３７のリードＬ２が８．３ｍｍであり、各レゾルバ２１，２２の対極数Ｎ１，Ｎ２がそれぞれ４である場合、各移動量Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ下記となる。

Ｓ１＝０．００４９８（ｍｍ）
Ｓ２＝０．００８１０５（ｍｍ）
したがって、両移動量Ｓ１，Ｓ２の最小公倍数ＬＣＭは、下記となる。
ＬＣＭ＝２１１．６５（ｍｍ）
すなわち、下記の表１に示すように、転舵軸５の絶対位置が２１１．６５ｍｍである場合、リードＬ１が５．１ｍｍである第１のねじ軸３６を有する第１のボールねじ機構６と組み合わされた第１の転舵モータ１１の回転角は４１．５になるとともに、リードＬ２が８．３ｍｍである第２のねじ軸３７を有する第２のボールねじ機構７と組み合わされた第２の転舵モータ１２の回転角は２５．５になる。

また、対極数Ｎ１が４である第１のレゾルバ２１の電気角Ａは５９７６０になるとともに、対極数Ｎ２が４である第２のレゾルバ２２の電気角Ｂは３６７２０になり、両レゾルバ２１，２２の出力に対応するデジタル値はともに０に戻ることになる。
最小公倍数ＬＣＭの値と転舵軸５の実際の移動量の上限値Ｓｍａｘとの関係を、最小公倍数ＬＣＭの値（例えば２１１．６５ｍｍ）が上記上限値Ｓｍａｘ（例えば１５０ｍｍ）よりも大きくなるように、容易に調整することができる。したがって、表１に示されるような両レゾルバ２１，２２の出力するデジタル値の比較に基づいて、転舵軸５の絶対位置を検出することが可能となる。そのために、制御装置１４では、両レゾルバ２１，２２のデジタル値と転舵軸５の絶対位置との関係を予め記憶したテーブルマップを参照するようにする。つまり、第１のレゾルバ２１のデジタル値と第２のレゾルバ２２のデジタル値との組み合わせから、転舵軸５の絶対位置が一意に定められるようになっている。

本実施の形態によれば、第１および第２の転舵モータ１１，１２に通常備えられている第１および第２のレゾルバ２１，２２を用いて、転舵軸５の軸方向Ｘ１の絶対位置を検出するので、別途に転舵軸５の軸方向の絶対位置を検出するセンサを設ける必要がなく、車両用操舵装置１の構造の簡素化と小型化を達成することができる。また、製造コストを安くすることができる。

また、両レゾルバ２１，２２を用いて転舵軸５の絶対位置を検出するにあたっては、第１および第２のレゾルバ２１，２２の電気角Ａ１，Ａ２の１回転当たりの転舵軸５の軸方向Ｘ１の移動量Ｓ１，Ｓ２を互いに異ならせ、両移動量Ｓ１，Ｓ２の最小公倍数ＬＣＭが、転舵軸５の実際の移動量の上限値Ｓｍａｘよりも大きくなるように、上記の移動量Ｓ１，Ｓ２を適宜に設定すればよい。

そのためには、上述したように、第１および第２のボールねじ機構６，７の各伝達比Ｒ１，Ｒ２（各ボールナット３４，３５の回転角に対する、対応するねじ軸３６，３７の移動量の比）に相当する第１および第２のねじ軸３６，３７のリードＬ１，Ｌ２を互いに異ならせてもよい。また、第１および第２のねじ軸３６，３７のリードＬ１，Ｌ２を互いに等しくし、電気角に関連する第１および第２のレゾルバ２１，２２の対極数Ｎ１，Ｎ２を互いに異ならせてもよい。さらに、第１および第２のねじ軸３６，３７のリードＬ１，Ｌ２を互いに異ならせ、且つ第１および第２のレゾルバ２１，２２の対極数Ｎ１，Ｎ２を互いに異ならせてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、操舵部材２に操舵反力を与えるために第１およひ第２の反力モータ１３１，１３２が設けられ、第１および第２の反力モータ１３１，１３２が、それぞれ、第１および第２の伝達機構としての第１および第２ウォームギヤ機構４１，４２を介して、操舵軸としてのステアリングシャフト１６に操舵反力を与える場合にも、上記第１および第２の反力モータ１３１，１３２に設けられた第１および第２の回転角検出手段としての第１および第２のレゾルバ５１，５２を用いて、絶対操舵角を求めることが可能である。

第１および第２のウォームギヤ機構４１，４２は、第１および第２の反力モータ１３１，１３２によって回転駆動されるウォーム軸４３，４４と、ステアリングシャフト１６と同軸に同行回転可能な従動ギヤとしてのウォームホイール４５，４６とを有している。なお、図３において、図１の実施の形態と共通する構成については同じ参照符号を付してある。

第１および第２のウォームギヤ機構４１，４２の伝達比Ｒ１，Ｒ２を互いに異ならせること、および、第１および第２のレゾルバ５１，５２の対極数Ｎ１，Ｎ２を互いに異ならせることの少なくとも一方が達成されることにより、第１および第２のレゾルバ５１，５２の電気角１回転当たりのステアリングシャフト１６の移動量としての回転角を互いに異ならせてある
図３の実施の形態によれば、第１および第２の反力モータ１３１，１３２に通常備えられている第１および第２のレゾルバ５１，５２を用いて、操舵軸としてのステアリングシャフト１６の回転方向Ｙ１の絶対位置を検出するので、別途にステアリングシャフト１６の回転角に相当する絶対操舵角を検出する操舵角センサを設ける必要がなく、車両用操舵装置１の構造の簡素化と小型化を達成することができる。また、製造コストを安くすることができる。

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。

本発明の一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。 転舵軸を収容するハウジングの断面図である。 本発明の別の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。

符号の説明

１…車両用操舵装置、２…操舵部材、３…転舵機構、５…転舵軸（操舵軸）、６…第１のボールねじ機構（第１の伝達機構）、７…第２のボールねじ機構（第２の伝達機構）、１０…転舵輪、１１…第１の転舵モータ（第１のモータ）、１２…第２の転舵モータ（第２のモータ）、１３…反力モータ、１４…制御装置、１５…ステアリングコラム、１６…ステアリングシャフト（操舵軸）、２１…第１のレゾルバ（第１の回転角検出手段）、２２…第２のレゾルバ（第２の回転角検出手段）、２６，２７…ロータ、３０，３１…ステータ、３２…レゾルバステータ、３３…レゾルバロータ、３４…第１のボールナット、３５…第２のボールナット、３６…第１のねじ軸、３７…第２のねじ軸、Ｘ１…軸方向、１３１…第１の反力モータ（第１のモータ）、１３２…第２の反力モータ（第２のモータ）、４１…第１のウォームギヤ機構（第１の伝達機構）、４２…第２のウォームギヤ機構（第２の伝達機構）、５１…第１のレゾルバ（第１の回転角検出手段）、５２…第２のレゾルバ（第２の回転角検出手段）、Ｙ１…回転方向

Claims (3)

1. 操舵軸をそれぞれ対応する第１および第２の伝達機構を介して駆動する第１および第２のモータと、
   上記第１および第２の伝達機構並びに第１および第２のモータを収容したハウジングと、
   上記第１および第２のモータの回転角をそれぞれ検出する第１および第２の回転角検出手段と、
   上記第１および第２の回転角検出手段の検出結果を参照して、操舵軸の絶対位置を求める手段とを備え、
   各回転角検出手段は、対応するモータの駆動力を伝達する回転部材に同行回転するように取り付けられたロータと、上記ハウジングに固定されたステータとを含み、
   上記第１および第２の回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量を互いに異ならせてあり、
   第１回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量と第２回転角検出手段の電気角１回転当たりの操舵軸の移動量との最小公倍数が、操舵軸の移動量の上限値よりも大きくされてい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、上記第１および第２の伝達機構は、第１および第２のモータとしての第１および第２の転舵モータの出力回転を、操舵軸としての転舵軸の軸方向の移動にそれぞれ変換する第１および第２のボールねじ機構を含み、
   上記第１および第２のボールねじ機構は、転舵軸と同軸上で転舵軸の軸方向に離隔する第１および第２のねじ軸と、上記第１および第２のねじ軸とそれぞれ螺合し、上記第１および第２の転舵モータによってそれぞれ回転駆動される第１および第２のボールナットとを含み、
   各回転角検出手段のロータが取り付けられる回転部材は、各ボールナットとそれぞれ一体回転する部材であり、
   上記第１および第２の回転角検出手段の検出結果を参照して、転舵軸の軸方向の絶対位置が求められ、
   第１および第２の回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の軸方向の移動量を互いに異ならせてあり、
   第１回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の移動量と第２回転角検出手段の電気角１回転当たりの転舵軸の移動量との最小公倍数が、転舵軸の移動量の上限値よりも大きくされてい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、上記第１および第２の回転角検出手段のそれぞれはレゾルバを含み、
   第１および第２の伝達機構の伝達比が互いに異なること、並びに、第１および第２の回転角検出手段としてのレゾルバの対極数が互いに異なることの少なくとも一方が達成されていることを特徴とする車両用操舵装置。

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