(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転舵輪にタイロッドを介して転舵のための力を伝達する転舵軸と、
車体に取り付けられ、前記転舵軸を軸方向に往復移動可能に支持するハウジングと、
前記ハウジングまたは前記タイロッドに取り付けられた加速度センサと、
前記加速度センサの出力信号に基づいて、前記転舵輪側から前記タイロッドに入力する逆入力振動を推定する逆入力振動推定手段と、
前記逆入力振動推定手段によって推定された逆入力振動を、車両の操向のために操作される操舵部材に伝達させる逆入力振動伝達手段とを含み、
前記逆入力振動推定手段は、
前記加速度センサの出力信号を、時間領域信号から周波数領域信号に変換するＦＦＴ処理手段と
前記ＦＦＴ処理手段によって得られる周波数領域信号から、周波数が所定範囲内にあり、かつパワー密度が所定範囲内にある周波数領域信号を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段によって抽出された周波数領域信号を時間領域信号に変換することにより、前記加速度センサの出力信号に含まれている逆入力振動成分を抽出するＩＦＦＴ処理手段とを含む、車両用操舵装置。
【請求項２】
前記逆入力振動伝達手段は、
前記転舵軸に操舵補助力を与える電動モータと、
前記逆入力振動推定手段によって推定された逆入力振動を用いて、前記電動モータの目標電流値を設定する目標電流値設定手段と、
前記目標電流値設定手段によって設定された目標電流値に基づいて前記電動モータを制御する制御手段とを含む、請求項１に記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
前記逆入力振動伝達手段は、
前記操舵部材に操舵反力を与えるための反力モータと、
前記逆入力振動推定値手段によって推定された逆入力振動を用いて、前記反力モータの目標電流値を設定する目標電流値設定手段と、
前記目標電流値設定手段によって設定された目標電流値に基づいて前記反力モータを制御する制御手段を含む、請求項１に記載の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用操舵装置に関する。車両用操舵装置の一例は、電動パワーステアリング装置である。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、電動パワーステアリング装置として、タイロッド推力センサによってタイロッド推力を検出し、検出されたタイロッド推力を用いて電動モータを制御するものが開示されている。
また、下記特許文献２には、ステアバイワイヤ方式の操舵装置において、転舵軸に振動センサを取り付け、振動センサによって検出される振動を加味して操舵ハンドルへ加えるべき反力を求めるようにしたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−２５９５７０号公報
【特許文献２】特開平１０−３１００７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の目的は、転舵輪側からタイロッドに入力する高周波振動を新規な方法で推定して操作部材に伝達することができ、操舵感が向上する車両用操舵装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、転舵輪（４）にタイロッド（１５）を介して転舵のための力を伝達する転舵軸（１３）と、車体に取り付けられ、前記転舵軸を軸方向に往復移動可能に支持するハウジング（１８）と、前記ハウジングまたは前記タイロッドに取り付けられた加速度センサ（３０）と、前記加速度センサの出力信号に基づいて、前記転舵輪側から前記タイロッドに入力する逆入力振動を推定する逆入力振動推定手段（５２）と、前記逆入力振動推定手段によって推定された逆入力振動を、車両の操向のために操作される操舵部材に伝達させる逆入力振動伝達手段（６）とを含み、前記逆入力振動推定手段は、前記加速度センサの出力信号を、時間領域信号から周波数領域信号に変換するＦＦＴ処理手段（５２Ａ）と、前記ＦＦＴ処理手段によって得られる周波数領域信号から、周波数が所定範囲内にあり、かつパワー密度が所定範囲内にある周波数領域信号を抽出する抽出手段（５２Ｂ）と、前記抽出手段によって抽出された周波数領域信号を時間領域信号に変換することにより、前記加速度センサの出力信号に含まれている逆入力振動成分を抽出するＩＦＦＴ処理手段（５２Ｃ）とを含む、車両用操舵装置である。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
【０００６】
この発明では、加速度センサの出力信号に基づいて、転舵輪側からタイロッドに入力する逆入力振動が推定され、推定された逆入力振動が車両の操向のために操作される操舵部材に伝達される。これにより、運転者に路面状況を伝えることができるようになるので、操舵感が向上する。
加速度センサは、転舵軸を軸方向に往復移動可能に支持するハウジングまたはタイロッドに取り付けられている。加速度センサがハウジングに取り付けられている場合には、ハウジングはタイロッドに比べて動きが小さいため、加速度センサのハーネスが損傷しにくくなる。
【０００７】
前記逆入力振動伝達手段は、前記転舵軸に操舵補助力を与える電動モータ（２１）と、前記逆入力振動推定手段によって推定された逆入力振動を用いて、前記電動モータの目標電流値を設定する目標電流値設定手段（５１〜５４）と、前記目標電流値設定手段によって設定された目標電流値に基づいて前記電動モータを制御する制御手段（５５，５６）とを含むものであってもよい。
【０００８】
また、前記逆入力振動伝達手段は、前記操舵部材に操舵反力を与えるための反力モータと、前記逆入力振動推定値手段によって推定された逆入力振動を用いて、前記反力モータの目標電流値を設定する目標電流値設定手段と、前記目標電流値設定手段によって設定された目標電流値に基づいて前記反力モータを制御する制御手段を含むものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置の一例）の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、ＥＣＵの電気的構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】図３は、基本目標電流値の設定例を示す模式図である。
【図４】図４Ａは加速度センサの出力信号を示す模式図であり、図４ＢはＦＦＴ処理部によって得られた周波数領域信号を示す模式図であり、図４Ｃは逆入力振動抽出部によって抽出された、逆入力振動成分に対応する周波数領域信号を示す模式図であり、図４Ｄは、ＩＦＦＴ処理部によって得られた、逆入力振動成分に対応する時間領域信号を示す模式図である。
【図５】図５は、実験により測定されたタイロッド加速度とラックハウジング加速度を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置（車両用操舵装置の一例）の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置１は、操舵部材としてのステアリングホイール２が連結されたステアリングシャフト３と、ステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪４を転舵する転舵機構５と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構６とを備えている。
【００１１】
ステアリングシャフト３は、直線状に延びている。ステアリングシャフト３は、第１の自在継手７を介して中間軸８に連結されている。中間軸８は、第２の自在継手９を介して転舵機構５（具体的には、後述するピニオン軸１２）に連結されている。したがって、ステアリングホイール２は、ステアリングシャフト３、第１の自在継手７、中間軸８および第２の自在継手９を介して、転舵機構５に機械的に連結されている。
【００１２】
ステアリングシャフト３は、ステアリングホイール２に連結された入力軸３ａと、中間軸８に連結された出力軸３ｂとを含む。入力軸３ａと出力軸３ｂとは、トーションバー１０を介して同一軸線上で相対回転可能に連結されている。すなわち、ステアリングホイール２が回転されると、入力軸３ａおよび出力軸３ｂは、互いに相対回転しつつ同一方向に回転するようになっている。
【００１３】
ステアリングシャフト３の周囲には、トルクセンサ１１が配置されている。トルクセンサ１１は、入力軸３ａおよび出力軸３ｂの相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に与えられた操舵トルクＴを検出する。トルクセンサ１１の出力信号は、ＥＣＵ（電子制御ユニット：Electronic  Control  Unit）４０に入力される。
転舵機構５は、ピニオン軸１２と、転舵軸としてのラック軸１３とを含む。ラック軸１３は、車両の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１３は、車体に固定されるラックハウジング１８内に図示しない複数の軸受を介して軸方向に直線往復移動可能に支持されている。ラック軸１３の各端部は、それぞれ、ラックハウジング１８の対応する端部から突出している。ラック軸１３の各端部は、それぞれ、ボールジョイント１４を介して、タイロッド１５の一方の端部と連結されている。各タイロッド１５の他方の端部は、それぞれ、ナックルアーム１６を介して、転舵輪４に連結されている。
【００１４】
各ボールジョイント１４は、それぞれ、筒状のベローズ１７内に収容されている。各ベローズ１７は、それぞれ、ラックハウジング１８の端部からタイロッド１５まで延びている。各ベローズ１７の一端部および他端部は、それぞれ、ラックハウジング１８の端部およびタイロッド１５に取り付けられている。
ピニオン軸１２は、第２の自在継手９を介して中間軸８に連結されている。ピニオン軸１２の先端部には、ピニオン１２ａが連結されている。ラック軸１３の軸方向の中間部には、ピニオン１２ａに噛み合うラック１３ａが形成されている。このラック１３ａとピニオン１２ａとからからなるラックアンドピニオン機構によって、ステアリングギヤが構成されている。このステアリングギヤによって、ピニオン軸１２の回転がラック軸１３の軸方向移動に変換される。ラック軸１３を軸方向に移動させることによって、転舵輪４を転舵することができる。
【００１５】
ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト３および中間軸８を介して、ピニオン軸１２に伝達される。そして、ピニオン軸１２の回転は、ステアリングギヤ１２ａ，１３ａによって、ラック軸１３の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪４が転舵される。
操舵補助機構６は、操舵補助用の電動モータ２１と、電動モータ２１の出力トルクを転舵機構５に伝達するための減速機構２２とを含む。減速機構２２は、ウォーム軸２３と、このウォーム軸２３に噛み合うウォームホイール２４とを含むウォームギヤ機構からなる。ウォーム軸２３は電動モータ２１によって回転駆動される。また、ウォームホイール２４は、ステアリングシャフト３とは同方向に回転可能に連結されている。
【００１６】
電動モータ２１によってウォーム軸２３が回転駆動されると、ウォームホイール２４が回転駆動され、ステアリングシャフト３が回転する。そして、ステアリングシャフト３の回転は、中間軸８を介してピニオン軸１２に伝達される。ピニオン軸１２の回転は、ラック軸１３の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪４が転舵される。すなわち、電動モータ２１によって、ウォーム軸２３を回転駆動することによって、転舵輪４が転舵されるようになっている。
【００１７】
ラックハウジング１８の外面には、加速度センサ３０が取り付けられている。加速度センサ３０のハーネス３１は、ＥＣＵ４０に接続されている。加速度センサ３０は、ラックハウジング１８の加速度（ラックハウジング加速度αＲ）を検出する。加速度センサ３０は、タイロッド１５に転舵輪４側から入力される振動（以下、「逆入力振動」という）を推定するために設けられている。
【００１８】
ＥＣＵ４０には、加速度センサ３０の出力信号が入力される。また、ＥＣＵ４０には、車速センサ２６の出力信号も入力される。ＥＣＵ４０は、トルクセンサ１１の出力信号に基づいて演算される操舵トルクＴ、車速センサ２６によって検出される車速Ｖ、加速度センサ３０の出力信号に基づいて推定される逆入力振動等に基づいて、電動モータ２１を制御する。
【００１９】
図２は、ＥＣＵの電気的構成を概略的に示すブロック図である。
ＥＣＵ４０は、電動モータ２１を制御するためのマイクロコンピュータ（モータ制御用マイクロコンピュータ）４１と、マイクロコンピュータ４１によって制御され、電動モータ２１に電力を供給する駆動回路（インバータ回路）４２と、電動モータ２１に流れるモータ電流（実電流値）Ｉを検出する電流検出回路４３とを含んでいる。
【００２０】
マイクロコンピュータ４１は、ＣＰＵおよびメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭなど）を備えており、所定のプログラムを実行することにより、複数の機能処理部として機能するようになっている。この複数の機能処理部には、基本目標電流値設定部５１と、逆入力振動推定部５２と、目標電流補正値設定部５３と、補正値加算部５４と、偏差演算部５５と、ＰＩ制御部５６と、ＰＷＭ制御部５７とが含まれる。
【００２１】
基本目標電流値設定部５１は、トルクセンサ１１によって検出される操舵トルクＴと車速センサ２６によって検出される車速Ｖとに基づいて、基本目標電流値Ｉｏ＊を設定する。検出操舵トルクＴに対する基本目標電流値Ｉｏ＊の設定例は、図３に示されている。検出操舵トルクＴは、例えば右方向への操舵のためのトルクが正の値にとられ、左方向への操舵のためのトルクが負の値にとられている。また、基本目標電流値Ｉｏ＊は、電動モータ２１から右方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには正の値とされ、電動モータ２１から左方向操舵のための操舵補助力を発生させるべきときには負の値とされる。基本目標電流値Ｉｏ＊は、検出操舵トルクＴの正の値に対しては正をとり、検出操舵トルクＴの負の値に対しては負をとる。検出操舵トルクＴが−Ｔ１〜Ｔ１（たとえば、Ｔ１＝０．４Ｎ・ｍ）の範囲（トルク不感帯）の微小な値のときには、基本目標電流値Ｉｏ＊は零とされる。また、基本目標電流値Ｉｏ＊は、車速センサ２６によって検出される車速Ｖが大きいほど、その絶対値が小さくなるように設定されるようになっている。これにより、低速走行時には大きな操舵補助力を発生させることができ、高速走行時には操舵補助力を小さくすることができる。
【００２２】
逆入力振動推定部５２は、加速度センサ３０によって検出されるラックハウジング加速度αＲに基づいて、タイロッド１５に入力される逆入力振動を推定するものである。タイロッド１５に入力される逆入力振動は、１０［Ｈｚ］〜１００［Ｈｚ］程度の高い周波数を有している。
ラック軸１３は軸受（図示略）を介してラックハウジング１８に支持されているため、ラック軸１３に連結されたタイロッド１５に加えられた軸方向荷重は、軸受を介してラックハウジング１８にも伝達される。したがって、ラックハウジング１８に取り付けられた加速度センサ３０の出力信号には、タイロッド１５に加えられた軸方向荷重に応じた加速度が現われると考えられる。
【００２３】
そこで、本発明者は、次のような実験を行った。つまり、ラックハウジング１８とタイロッド１５のそれぞれに、特性が同じ加速度センサを取り付けた。そして、タイロッド１５に、正弦波状の軸方向荷重を印加し、各加速度センサの出力信号からラックハウジング加速度とタイロッド加速度を検出した。この実験結果を図５に示す。
図５から、タイロッド１５に印加された軸方向荷重に応じた加速度（タイロッド加速度）が、ラックハウジング１８に取り付けられた加速度センサの出力信号（ラックハウジング加速度）に現れていることがわかる。また、図５から、ラックハウジング加速度は、静的領域（０［Ｈｚ］に近い低周波数領域）においてはタイロッド加速度との相関性は低いが、高周波数領域のような動的な領域においてはタイロッド加速度との相関性が高いことがわかる。このように、ラックハウジング加速度は、高周波数領域においてはタイロッド加速度との相関性が高いので、転舵輪側４側からタイロッド１５に入力される逆入力振動を、ラックハウジング加速度に基づいて推定することが可能である。
【００２４】
タイロッド１５に入力される逆入力振動のほとんどは、タイロッド１５からステアリングホイール２までの動力伝達経路において摩擦等によって消滅するため、ステアリングホイール２に伝達されない。したがって、路面状況が運転者に伝達されず、操舵感が良くないという問題がある。この実施形態では、タイロッド１５に入力される逆入力振動を、ステアリングホイール２に伝達できるようになっている。
【００２５】
図２に戻り、逆入力振動推定部５２は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理部５２Ａと、逆入力振動成分抽出部５２Ｂと、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform：逆高速フーリエ変換）処理部５２Ｃとを含んでいる。図４Ａは加速度センサ３０の出力信号を示す模式図である。図４ＢはＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号を示す模式図である。図４Ｃは逆入力振動抽出部５２Ｂによって抽出された、逆入力振動成分に対応する周波数領域信号を示す模式図である。図４Ｄは、ＩＦＦＴ処理部５２Ｃによって得られた、逆入力振動成分に対応する時間領域信号を示す模式図である。
【００２６】
ＦＦＴ処理部５２Ａは、図４Ａに示すような加速度センサ３０の出力信号を、時間領域信号から周波数領域信号に変換する。これにより、図４Ｂに示すような周波数領域信号が得られる。
逆入力振動成分抽出部５２Ｂは、ＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号から、周波数ｆが所定範囲内（ｆＬ≦ｆ≦ｆＨ（ｆＨ＞ｆＬ））にあり、かつパワー密度ρが所定範囲内（ρＬ≦ｆ≦ρＨ（ρＨ＞ρＬ））にある信号（図４Ｂに斜線で示す領域内の信号）を抽出する。これにより、図４Ｃに示すような逆入力振動成分に対応した周波数領域信号が抽出される。
【００２７】
ｆＬは、ＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号のうち、逆入力振動成分より周波数が低い周波数領域信号を排除するために設定された閾値であり、例えば１０［Ｈｚ］に設定される。ｆＨは、ＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号からノイズを除去するために設定された閾値であり、例えば１００［Ｈｚ］に設定される。
ρＬは、ＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号からノイズを除去するために設定された閾値であり、例えば１０−４［Ｖ２／Ｈｚ］に設定される。ρＨは、ＦＦＴ処理部５２Ａによって得られた周波数領域信号のうち、逆入力振動成分よりパワー密度が大きい周波数領域信号を排除するために設定された閾値であり、例えば１［Ｖ２／Ｈｚ］に設定される。
【００２８】
ＩＦＦＴ処理部５２Ｃは、逆入力振動成分抽出部５２Ｂによって抽出された周波数領域信号を時間領域信号に変換する。これにより、図４Ｄに示すような逆入力振動成分に対応した時間領域信号が得られる。この逆入力振動成分に対応した時間領域信号が、タイロッド１５に入力された逆入力振動の推定値となる。
ＩＦＦＴ処理部５２Ｃによって求められた逆入力振動推定値は、その振動の方向が右方向操舵に対応するタイロッド１５の軸方向である場合には正をとり、その振動の方向が左方向操舵に対応するタイロッド１５の軸方向である場合には負をとるものとする。
【００２９】
目標電流補正値設定部５３は、逆入力振動推定部５２によって求められた逆入力振動推定値に基づいて、目標電流補正値Ｉｃ＊を設定する。目標電流補正値Ｉｃ＊は、逆入力振動推定値が正の値であれば正の値とされ、逆入力振動推定値が負の値であれば負の値とされ、逆入力振動推定値の絶対値が大きいほどその絶対値が大きくなるように設定される。
目標電流補正値設定部５３は、例えば、逆入力振動推定値に予め設定された乗算係数（＞０）を乗算することにより、目標電流補正値Ｉｃ＊を演算する。目標電流補正値設定部５３は、逆入力振動推定値と目標電流補正値Ｉｃ＊との関係をあらかじめ記憶したマップに基づいて、目標電流補正値Ｉｃ＊を設定するものであってもよい。
【００３０】
補正値加算部５４は、基本目標電流値設定部５１によって設定された基本目標電流値Ｉｏ＊に、目標電流補正値設定部５３によって設定された目標電流補正値Ｉｃ＊を加算することにより、目標電流値Ｉ＊を演算する。偏差演算部５５は、補正値加算部５４によって得られた目標電流値Ｉ＊と電流検出回路４３によって検出された実電流値Ｉとの偏差（電流偏差ΔＩ＝Ｉ＊−Ｉ）を演算する。
【００３１】
ＰＩ制御部５６は、偏差演算部５５によって演算された電流偏差ΔＩに対するＰＩ演算を行うことにより、電動モータ２１に流れる電流Ｉを目標電流値Ｉ＊に導くための駆動指令値を生成する。ＰＷＭ制御部５７は、前記駆動指令値に対応するデューティ比のＰＷＭ制御信号を生成して、駆動回路４２に供給する。これにより、駆動指令値に対応した電力が電動モータ２１に供給されることになる。
【００３２】
基本目標電流値設定部５１、逆入力振動推定部５２、目標電流補正値設定部５３および補正値加算部５４は、目標電流値Ｉ＊を設定するための目標電流値設定手段を構成している。偏差演算部５５およびＰＩ制御部５６は、電流フィードバック制御手段を構成している。この電流フィードバック制御手段の働きによって、電動モータ２１に流れるモータ電流Ｉが、目標電流設定手段５１〜５４によって設定される目標電流値Ｉ＊に近づくように制御される。
【００３３】
上記実施形態によれば、タイロッド１５に入力された逆入力振動を推定するための加速度センサ３０は、タイロッド１５に比べて動きの小さいラックハウジング１８に取り付けられている。このため、加速度センサ３０をタイロッド１５に取り付けた場合に比べて、加速度センサ３０のハーネスの動きが小さくなる。これにより、加速度センサ３０のハーネスが損傷しにくくなる。
【００３４】
また、このように加速度センサ３０をラックハウジング１８に取り付けても、加速度センサ３０の出力信号に基づいてタイロッド１５に入力された逆入力振動を推定することができる。そして、推定された逆入力振動を用いて、電動モータ２１の目標電流値Ｉ＊を設定しているので、タイロッド１５に入力された逆入力振動がステアリングホイール２に伝達されるようになる。これにより、運転者に路面状況を伝えることができるようになるので、操舵感が向上する。
【００３５】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、加速度センサ３０はラックハウジング１８に取り付けられているが、加速度センサ３０をタイロッド１５に取り付けてもよい。
また、この発明は、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が断たれた、いわゆるステアバイワイヤ方式の車両用操舵装置であって、操舵部材に操舵反力を付与する反力モータを備えたものにも適用することができる。この場合には、逆入力振動推定部５２によって推定された逆入力振動を用いて反力モータの目標電流値が設定され、反力モータに流れる電流が目標電流値に近づくように反力モータが制御される。これにより、逆入力振動推定部５２によって推定された逆入力振動が反力モータを介して操舵部材に伝達されるから、操舵感を向上させることができる。
【００３６】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
４…転舵輪、５…転舵機構、１３…ラック軸、１５…タイロッド、１８…ラックハウジング、２１…電動モータ、３０…加速度センサ、４０…ＥＣＵ、４１…マイクロコンピュータ、５１…基本目標電流値設定手段、５２…逆入力振動推定部、５２Ａ…ＦＦＴ処理部、５２Ｂ…逆入力振動抽出部、５２Ｃ…ＩＦＦＴ処理部、５３…目標電流補正値設定部、５４…補正値加算部、５５…偏差演算部、５６…ＰＩ制御部
【図１】
0005787165.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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