(57)【要約】【課題】  操舵力センサを不要とすることで、ステアリング剛性を高め、かつ大幅なコストダウンを実現できる車両用操舵装置を提供する。【解決手段】  ハンドル１と連結された入力軸２と舵取機構と連結された出力軸３との間に設けられ、入力軸１の回転角度に角度アシストモータ８の出力を加算し、出力軸３の回転角度を可変する角度加算型の可変舵角機構４と、ハンドル１へ入力されるドライバの操舵力に基づいて、舵取機構に対しドライバの操舵負担を低減するアシストトルクを出力する電動パワーステアリング装置７と、を備えた車両用操舵装置において、角度アシストモータ８の電流値を検出する電流センサ１３と、検出された電流値に基づいて、電動パワーステアリング装置７を駆動制御するパワーステアリング制御装置１０と、を備える。【選択図】      図１
2006182053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンドルと連結された入力軸と舵取機構と連結された出力軸との間に設けられ、入力軸の回転角度に角度アシストモータの出力を加算し、出力軸の回転角度を可変する角度加算型の可変舵角機構と、
前記ハンドルへ入力されるドライバの操舵力に基づいて、前記舵取機構に対しドライバの操舵負担を低減するアシストトルクを出力するパワーステアリング機構と、
を備えた車両用操舵装置において、
前記角度アシストモータの電流値を検出するモータ電流値検出手段と、
検出された前記角度アシストモータの電流値に基づいて、前記パワーステアリング機構を駆動制御するパワーステアリング制御手段と、
を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用操舵装置において、
前記角度アシストモータの回転状態を検出するモータ回転状態検出手段を備え、
前記パワーステアリング制御手段は、検出された前記角度アシストモータの電流値と回転状態とに基づいて前記操舵力を推定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記パワーステアリング制御手段は、検出された電流値から所定の計算式に基づいて前記操舵力を算出することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の車両用操舵装置において、
前記パワーステアリング制御手段は、事前に測定した前記角度アシストモータの電流値に対する操舵力のテーブルを用いて前記操舵力を推定することを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に車両用操舵装置において、
前記パワーステアリング機構は、モータを用いた電動式パワーステアリング機構であることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に車両用操舵装置において、
前記パワーステアリング機構は、油圧サーボを用いた油圧式パワーステアリング機構であることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の車両用操舵装置において、
前記可変舵角機構は、前記入力軸に回転子または固定子の一方が連結され、前記出力軸に他方が連結された、前記入力軸および出力軸と同軸のモータを備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変舵角機構とパワーステアリング機構とを備えた車両用操舵装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用操舵装置としては、ハンドルに入力されるドライバの操舵力を測定するための操舵力センサを備え、操舵力と車速、横加速度等の走行状態に応じてパワーステアリング機構の出力であるアシストトルクを制御している（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３０８１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術にあっては、操舵軸の捩れ量からハンドル操舵力を推定しているため、ステアリング剛性感を失うことなく操舵力が大きくならないように設計すると、微少な捩れを検出する必要がある。よって、操舵力センサに高い加工精度が要求されるという問題があった。また、操舵力センサの加工精度が悪いと、捩れ量と力の関係が一意とならず、適正なアシストトルクを出力できないという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、操舵力センサを不要とすることで、ステアリング剛性を高め、かつ大幅なコストダウンを実現できる車両用操舵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するため、本発明では、
ハンドルと連結された入力軸と舵取機構と連結された出力軸との間に設けられ、入力軸の回転角度に角度アシストモータの出力を加算し、出力軸の回転角度を可変する角度加算型の可変舵角機構と、
前記ハンドルへ入力されるドライバの操舵力に基づいて、前記舵取機構に対しドライバの操舵負担を低減するアシストトルクを出力するパワーステアリング機構と、
を備えた車両用操舵装置において、
前記角度アシストモータの電流値を検出するモータ電流値検出手段と、
検出された前記角度アシストモータの電流値に基づいて、前記パワーステアリング機構を駆動制御するパワーステアリング制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の車両用操舵装置にあっては、角度アシストモータの出力トルクと正比例の関係となる角度アシストモータの電流値に基づいてパワーステアリング機構を駆動するため、角度アシストモータにかかる負荷を元にアシストトルクを決定することができる。よって、設計および製造が困難な操舵力センサを省略でき、操舵軸に操舵力センサの捩れ部を設ける必要が無いため、ステアリング剛性を高め、かつ大幅なコストダウンを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の車両用操舵装置を実施するための最良の形態を、実施例１，２に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。
ハンドル１と図外の前輪を転舵する舵取機構（不図示）は、入力軸２および出力軸３を介して連結され、入力軸２と出力軸３は、可変舵角機構４を介して連結されている。入力軸２には、入力軸２の回転角度を検出する入力角度センサ５が設けられている。また、出力軸３には、出力軸３の回転角度を検出する出力角度センサ６と、電動パワーステアリング装置（パワーステアリング機構）７とが設けられている。
【０００９】
可変舵角機構４は、入力軸２の回転角度に対し角度アシストモータ８の出力を加え、出力軸３の回転角度を加減算することにより、入力軸２の回転角度に対する出力軸３の回転角度、すなわち、ハンドル１の操舵角に対する前輪の転舵角の比である舵角比を可変する角度加算型の可変舵角機構である。角度アシストモータ８の出力は、可変舵角制御装置９により制御される。
【００１０】
電動パワーステアリング装置７は、例えば、電動モータと減速機により構成され、出力軸３に対しドライバの操舵負担を軽減するアシストトルクを出力する。このアシストトルクは、パワーステアリング制御装置（パワーステアリング制御手段）１０により制御される。
【００１１】
可変舵角制御装置９は、入力角度センサ２により検出された入力角度と、出力角度センサ６により検出された出力角度と、モータエンコーダ（モータ回転状態検出手段）１１により検出された角度アシストモータ８の回転角度と、車速センサ１２により検出された車速と、が入力される。
【００１２】
可変舵角制御装置９は、各センサの検出値に基づいて、所望の舵角比を得る電流指令値を算出し、角度アシストモータ８を駆動制御する。舵角比は、例えば、低車速域では大きく、高車速域では小さくすることにより、低車速域での旋回性能と高車速域での走行安定性とを両立している。
【００１３】
また、可変舵角制御装置９は、モータエンコーダ１１により検出された角度アシストモータ８の回転角度と、電流センサ（モータ電流値検出手段）１３により検出された角度アシストモータ８の電流値に基づいて、入力軸２へ入力されたドライバの操舵力を推定し、電動パワーステアリング装置１０へ出力する。
【００１４】
電動パワーステアリング制御装置１０は、可変舵角制御装置９により推定された操舵力および車速センサ１２により検出された車速に基づいて電流指令値を算出し、電動パワーステアリング装置７を駆動制御する。
【００１５】
図２は、実施例１の可変舵角機構４の構成図である。
実施例１の可変舵角機構４は、図３に示すような２つの遊星機構（遊星歯車機構）１５，１６が向かい合わせに配置されている。
【００１６】
図３に示すように、入力軸２側の遊星機構１５の遊星キャリア１５ｄには入力軸２が接続され、リングギア１５ｃは図外のハウジングに固定されている。２つの遊星機構１５，１６の太陽ギア１５ａ，１６ａ同士は連結され、出力軸３側の遊星機構１６の遊星キャリア１６ｄは出力軸３と接続されている。
【００１７】
遊星機構１６のリングギア１６ｃには、ウォームホイール１４ａが連結され、このウォームホイール１４ａは、角度アシストモータ８のモータ出力軸（不図示）と連結されたウォーム１４ｂと噛み合っている。ウォームホイール１４ａとウォーム１４ｂとからなるウォームギア機構により、角度アシストモータ８の出力が減速され遊星機構１６へ出力される。
【００１８】
次に、作用を説明する。
［操舵力推定方法］
実施例１の遊星機構１５（１６）では、図３に示すような力の釣り合いから、太陽ギア１５ａ（１６ａ）、ピニオン１５ｂ（１６ｂ）およびリングギア１５ｃ（１６ｃ）についてそれぞれ以下の式(1)〜(4)が成り立つ。
Ｔｓ＝Ｆｐｓ×ｒｓ  …(1)
Ｔｃ＝Ｆｓｐ×ｒｓ＋Ｆｒｐ×（ｒｓ＋２ｒｐ）  …(2)
Ｔｐ＝Ｆｓｐ×ｒｐ＝Ｆｒｐ×ｒｐ  …(3)
Ｔｒ＝Ｆｐｒ×（ｒｓ＋２ｒｐ）  …(4)
ただし各変数の添え字は、それぞれｓは太陽ギア１５ａ（１６ａ）、ｃは遊星キャリア１５ｄ（１６ｄ）、ｐはピニオン１５ｂ（１６ｂ）、ｒはリングギア１５ｃ（１６ｃ）を表し、各変数は、Ｔはトルク、Ｆは円周部で働く力、ｒは半径を表している。
【００１９】
式(1)〜(3)により、下記の式(5)が成り立つ。
Ｔｃ＝Ｔｓ×（２ｒｓ＋２ｒｐ）/ｒｓ  …(5)
また、式(1)，(2)，(4)により、下記の式(6)が成り立つ。
Ｔｒ＝Ｔｓ×（ｒｓ＋２ｒｐ）/ｒｓ  …(6)
【００２０】
太陽ギア１５ａ（１６ａ）から遊星キャリア１５ｄ（１６ｄ）までの速度比をＫｓｃ、太陽ギア１５ａ（１６ａ）からリングギア１５ｃ（１６ｃ）までの速度比をＫｓｒとおくと、
Ｋｓｃ＝ｒｓ/（２ｒｓ＋２ｒｐ）
Ｋｓｒ＝ｒｓ/（ｒｓ＋２ｒｐ）
であり、式(5)，(6)は、
Ｔｃ＝Ｔｓ/Ｋｓｃ  …(5)'
Ｔｒ＝Ｔｓ/Ｋｓｒ  …(6)'
となり、それぞれの部位における回転トルクは、正比例の関係にある。
【００２１】
２つの遊星機構１５，１６の速度比をそれぞれＫｓｃ１，Ｋｓｒ１，Ｋｓｃ２，Ｋｓｒ２とし、操舵力をＴｈ、角度アシストモータ負荷トルクをＴｍ、前輪からのステアリング反力トルクをＴｓｔｒｇとおくと、式(5)'，(6)'より、
Ｔｈ＝Ｔｓｔｒｇ×Ｋｓｃ２/Ｋｓｃ１  …(7)
Ｔｍ＝Ｔｈ×Ｋｓｃ１/Ｋｓｒ２  …(8)
となり、角度アシストモータ負荷トルクＴmから操舵力を求めることが可能であり、また操舵力は角度アシストモータ８の出力トルクの影響を受けないことが解る。ただし、ここでは理想状態としてフリクション等の影響は無視している。
【００２２】
式(8)によって、角度アシストモータ８にかかる負荷と操舵力とが比例関係にあることを示した。また、一般的なDCモータにおいて、その出力トルクと電流値の間には一次線形の関係があることが知られており、モータ回転時の電流からモータの出力トルクを推定することが可能である。
【００２３】
［従来技術の問題点］
現在、多くの力制御式パワーステアリング装置が実用化されているが、どの方式においてもハンドル操舵力を測定するための操舵力センサの設置が必要となっている。特開２００２−３０８１３２号公報に記載の技術では、車両状態に応じてアシスト力を変える電動パワーステアリング装置で、車両速度や横方向加速度などに応じてアシスト力を変化させている。また、特開２００２−１２１５９号公報に記載の技術では、可変舵角機構と電動パワーステアリング機構の組み合わせで、自動操舵機能を実現している。
【００２４】
上述したように、一般的な力制御式パワーステアリング装置においても、また可変舵角機構との組み合わせにおいても、パワーステアリングのアシストトルクを決定するために、操舵力を測定する操舵力センサが必要であった。操舵力を測定するためのセンサとしては、ステアリング軸に設けたトーションバー等の捩れ部が捩れる事を利用してその捩れ量から力を測定する方法が一般的である。
【００２５】
ところが、ステアリングの剛性感を失わずかつ操舵力が大きくならないよう設計すると、捩れ部の剛性を高く設定し、微小な捩れを検出する必要があるため、操舵力センサの設計が非常に困難であった。また、捩れ部の加工精度が悪いと捩れ量と力の関係が一意に求められないため、高い精度で加工を行わなければならないという問題点があった。
【００２６】
［角度アシストモータの電流値に基づく操舵力推定作用］
これに対し、実施例１では、角度アシストモータ８の動作状態からハンドル１にかかる操舵力を推定することで、従来必要とされていた操舵力センサを省略し、設計の容易化、機構全体の軸方向サイズの縮小、コスト削減を行うことができる。例えば、電動パワーステアリング装置７との組み合わせにおいては、図４(a)，(b)に示すように、可変舵角機構４と電動パワーステアリング装置８とを一体化した場合にも、操舵力センサが不要となるため、機構サイズと設計が非常に容易になる。
【００２７】
［角度アシストモータの回転数に基づく操舵力推定作用］
ここで、可変舵角機構４および角度アシストモータ８が理想的な構成の場合、式(8)によって操舵力を求めることができるが、実際にはモータのイナーシャや各部のフリクションなどの影響を無視することができない。
【００２８】
そこで、実施例１では、機構全体の動作状態から操舵力を推定している。可変舵角機構４はハンドル１からの操舵入力角度を拡大縮小して出力軸３に出力する動作を行うため、入出力回転速度は常に加減速を繰り返している。同様に角度アシストモータ８の回転も加減速を繰り返しており、モータのイナーシャや回転粘性によって加速トルク等が発生するため、モータの出力トルクがそのまま負荷トルクと等しくならない。そこで、モータの回転数を逐次測定することで、モータの加減速によるトルク変動を予測し、電流値とあわせて操舵力を推定することが可能となる。
【００２９】
各入出力部やトルク伝達機構部分のフリクションが充分に小さく、また伝達効率が良い場合、角度アシストモータ電流から式(8)によって操舵力を簡単に求めることが可能であるが、実施例１のように、角度アシストモータ入力にウォームギア（１４ａ，１４ｂ）を用いる場合などは、ウォームギアのフリクションの影響によって直接操舵力を求めることはできない。
【００３０】
そこで、本来可変舵角制御のために測定している入出力軸角度と角度アシストモータ８の電流値および回転数から、可変舵角機構４の内部モデルを用いウォームギアで発生しているフリクショントルクを推定することにより、操舵力をより正確に推定することができる。
【００３１】
車両に搭載した状態を考えると、路面反力は状況によって大きく異なるが、可変舵角機構４の特性が大きく変わることはない。そこで、事前に充分なデータを用意することで、操舵力と角度アシストモータ電流値の関係のテーブルを作成し、電流値のみから操舵力を推定することが可能である。このようにして求めた操舵力からアシストトルクを算出することで、複雑な処理を経ずにアシスト制御が可能である。
【００３２】
従って、上記の各手法によって操舵力を推定し、図５(a)に示す従来装置のフローに対し、図５(b)に示すフローによりパワーステアリング機構を制御することで、操舵力センサを省略することができる。
【００３３】
次に、効果を説明する。
実施例１の電動パワーステアリング装置では、以下に列挙する効果が得られる。
【００３４】
(1) 角度アシストモータ８の電流値を検出する電流センサ１３と、検出された電流値に基づいて、パワーステアリング機構（電動パワーステアリング装置７）を駆動制御するパワーステアリング制御装置１０と、を備えるため、設計および製造が困難な操舵力センサを省略でき、入力軸２に操舵力センサの捩れ部を設ける必要が無いため、ステアリング剛性を高め、かつコストを大きく削減できる。
【００３５】
(2) 角度アシストモータ８の回転角度（回転状態）を検出するモータエンコーダ１１を備え、パワーステアリング制御装置１０は、検出された電流値と回転角度とに基づいて操舵力を推定する。すなわち、角度アシストモータ８の回転速度や回転角速度から角度アシストモータ８の加速トルクや粘性抵抗等を求めることにより、電流値のみの場合よりも正確に操舵力を推定できる。
【００３６】
(3) パワーステアリング制御装置１０は、検出された電流値から所定の計算式（式(8)）に基づいて操舵力を算出する。すなわち、角度アシストモータ８の出力トルクとそのときモータに流れる電流値は正比例の関係にあるため、極単純な１次線形の式(8)によって電流値から可変舵角機構４にかかる負荷トルクを求めることができ、操舵力を推定できる。
【００３７】
(4) パワーステアリング制御装置１０は、事前に測定した角度アシストモータの電流値に対する操舵力のテーブルを用いて操舵力を推定する。すなわち、事前に測定したデータから角度アシストモータ８の電流値と操舵力との関係を求めるテーブルを作成し、このテーブルを用いてアシストトルクを決定することで、制御ユニットにおける計算量を低減できる。
【００３８】
(5)パワーステアリング機構は、モータを用いた電動式パワーステアリング機構であるため、油圧式パワーステアリング機構と比較して、部品点数を少なくでき、コストと機構の大きさを抑えることができる。
【実施例２】
【００３９】
図６は、実施例２の可変舵角装置の構成を示す図である。
実施例２の車両用操舵装置は、パワーステアリング機構として、油圧式パワーステアリング装置（油圧式パワーステアリング機構）１７を用いた例である。
【００４０】
舵取り機構１８には、油圧ポンプ１９から供給される油圧に応じて、ラック軸１８ａを左右方向に付勢する油圧ピストン２０が設けられている。油圧ポンプ１９の発生する油圧は、モータ２１により任意に可変でき、また、油圧ピストン２０の作動方向は、左切りバルブ２２ａと右切りバルブ２２ｂにより任意に切り替えることができる。
【００４１】
そして、パワーステアリング制御装置１０において、実施例１に示したような制御ロジックによりモータ２１、左切りバルブ２２ａおよび右切りバルブ２２ｂを駆動させることにより、操舵力を自在に制御できる。
【００４２】
図７は、実施例２の可変舵角機構２０の構成図である。
実施例２の可変舵角機構２０は、固定子２１ａが入力軸２と連結され、回転子２１ｂが減速機２２を介して出力軸３と連結された、入力軸２および出力軸３と同軸の角度アシストモータ２１を備えている。
【００４３】
また、可変舵角機構２０は、入力軸２と出力軸３とを機械的に連結する連結装置２３を備えている。この連結装置２３は、可変舵角制御が正常に動作している場合には非連結状態とし、角度アシストモータ２１の故障等、可変舵角制御が正常に動作しない場合に連結状態とする。これにより、角度アシストモータ２１が故障した場合でも、ドライバの操舵が不能となるのを防止できる。
【００４４】
次に、作用を説明する。
［操舵力推定作用］
実施例２の可変舵角装置では、実施例１の構成と比較してより単純な構成であり、角度アシストモータ２１の固定子２１ａが入力軸２と連結され、回転子２１ｂが出力軸３と連結されているため、作用反作用の法則により、角度アシストモータ２１の出力トルクと操舵力とが同等になる。よって、操舵力の推定を容易かつ正確に行うことができる。
【００４５】
また、実施例２では、パワーステアリング機構として、油圧サーボを用いた油圧式パワーステアリング装置１７を用いているため、高応答性が得られ、操舵力と操舵角度を自在に制御できる。
【００４６】
次に、効果を説明する。
実施例２の車両用操舵装置にあっては、実施例１の効果(1)〜(4)に加え、以下の効果が得られる。
【００４７】
(6) パワーステアリング機構は、油圧サーボを用いた油圧式パワーステアリング機構であるため、応答性の良い油圧パワーステアリング機構を用いることで、操舵力と操舵角度を自在に制御可能な車両用操舵装置を実現できる。
【００４８】
(7) 可変舵角機構２０は、入力軸２に固定子２１ａが連結され、出力軸３に回転子２１ｂが連結され、入出力軸２，３と同軸の角度アシストモータ２１を備えるため、操舵力の推定を容易かつ正確に行うことができる。
【００４９】
（他の実施例）
以上、本発明を実施するための最良の形態を、実施例１に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１の可変舵角機構４の構成図である。
【図３】遊星機構の力の釣り合いを示す図である。
【図４】可変舵角機構と電動パワーステアリング装置とを一体化した車両用操舵装置の例である。
【図５】実施例１と従来の車両用操舵装置との制御構成の差異を示すブロック図である。
【図６】実施例２の車両用操舵装置の構成を示すブロック図である。
【図７】実施例２の可変舵角機構の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ハンドル
２  入力軸
３  出力軸
４  可変舵角機構
５  入力角度センサ
６  出力角度センサ
７  電動パワーステアリング装置（パワーステアリング機構）
８  角度アシストモータ
９  可変舵角制御装置
１０  パワーステアリング制御装置（パワーステアリング制御手段）
１１  モータエンコーダ（モータ回転状態検出手段）
１２  車速センサ
１３  電流センサ（モータ電流値検出手段）
１４ａ  ウォームホイール
１４ｂ  ウォーム
１５  遊星歯車機構
１５ａ  太陽ギア
１５ｂ  ピニオン
１５ｃ  リングギア
１５ｄ  遊星キャリア
１６  遊星歯車機構
１６ａ  太陽ギア
１６ｂ  ピニオン
１６ｃ  リングギア
１６ｄ  遊星キャリア
【図１】
2006182053.tif 000003
【図２】
2006182053.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006182053.tif 000007
【図６】
2006182053.tif 000008
【図７】
2006182053.tif 000009