(57)【要約】【課題】車両の走行状態や路面からの入力に応じて適切な操舵反力を付与できる車両用操舵装置を提供すること。【解決手段】車両用操舵装置は、ステアリングの操舵角度θhを検出する操舵角度センサ２４と、ステアリングの操舵角速度θh´を算出する微分器５３と、車速Ｖを検出する車速センサ６１と、転舵輪の転舵角を間接的に検出するピニオン角センサ３８と、路面から転舵輪を介して入力される外力を間接的に検出するラック軸力センサ３９と、を備える。制御装置５０は、ピニオン角θpと操舵角度θhとの偏差に、車速Ｖと操舵角度θhと操舵角速度θh´とラック軸力Ｆrとを含む複数の入力に応じて設定されるトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を乗じて算出される仮想トーションバー項に基づいて、目標反力トルクＴhを決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングと、該ステアリングの操舵操作に応じて転舵輪を転舵させる転舵機構と、前記ステアリングの操舵操作に応じて操舵反力を該ステアリングに付与する反力機構と、を備える車両用操舵装置において、
前記ステアリングの操舵角度を検出する操舵角度検出手段と、
前記ステアリングの操舵角速度を算出する操舵角速度算出手段と、
車速を検出する車速検出手段と、
転舵輪の転舵角度を検出する舵角検出手段と、
前記転舵角度と前記操舵角度との差に、前記操舵角度と前記操舵角速度との少なくとも１つの入力に応じて設定されるゲインを乗じて算出される捩れ近似項に基づいて、前記操舵反力を決定する制御手段と、を備えることを特徴とする車両用操舵装置。
【請求項２】
路面から前記転舵輪を介して入力される外力を検出する路面入力検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記路面入力検出手段により検出された外力の値に基づいて、前記転舵輪に所定の値よりも大きな撃力が入力されたか否かを判別し、前記転舵輪に所定の値よりも大きな撃力が入力された場合には、前記ゲインを小さな値に補正することを特徴とする請求項１に記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記操舵角速度が大きくなるに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用操舵装置。
【請求項４】
前記ステアリングの中立位置に対応する操舵角度を０として、
前記制御手段は、前記操舵角度が０の付近では、前記操舵角度が０に近づくに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の車両用操舵装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記車速が０の付近では、前記車速が０に近づくに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の車両用操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用の操舵装置に関する。より具体的には、運転者が操舵操作を行うステアリングと、転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に連結されていない所謂ステア・バイ・ワイヤ方式の操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ステアリングに結合した操舵軸と転舵輪を転舵させる転舵機構とが機械的に分離され、転舵機構に設けられた転舵アクチュエータを、ステアリングの操舵操作に基づいて電気的に制御する所謂ステア・バイ・ワイヤ方式（以下、ＳＢＷ方式）が提案されている。
【０００３】
このようなステアリング装置では、ステアリングと、転舵輪及びこれを転舵する転舵機構とが機械的に連結されていないため、路面反力がステアリングに伝達されることがない。そこで、路面反力を擬似的に再現するために、ステアリングに操舵反力を付与する反力用のアクチュエータを備える車両用操舵装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなステアリング装置では、反力アクチュエータで発生させるトルクの目標値が決定され、該決定された目標値に基づいて反力アクチュエータが駆動される。
【０００４】
また近年では、運転者が感じる操舵感覚を向上させることを目的として、上述のようなトルクの目標値を決定する方法について様々な提案がなされている。具体的には、例えば、トルクを決定するための多項式に、転舵輪の実舵角とステアリングの操舵角との偏差に定数を乗じた項を含めることが提案されている。このような実舵角と操舵角度の偏差に比例する項を含む多項式を用いて、トルクの目標値を決定することにより、通常のコラム機構によるパワーステアリング用のトーションバーの捩れを近似的に再現することができる。
【特許文献１】特開平４−１３３８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のようなトーションバーを近似する項を含めることにより、ＳＢＷ方式の操舵装置であっても通常のコラム機構の車両に近い操舵感覚を再現できるものの、一方では、路面からの入力による影響がステアリングの反力に反映されやすくなるため、運転者の操舵感覚を必ずしも向上できるものではなかった。
【０００６】
より具体的には、例えば、転舵輪に撃力が加わると、この撃力による衝撃も操舵反力として再現されることとなる。つまり、転舵輪に撃力が加わると、転舵輪の実舵角が瞬間的に変化する。この実舵角の変化は、上述のトーションバーを近似する項を介してトルクの目標値に反映され、これにより、ステアリング反力に撃力までも再現されてしまうこととなる。
【０００７】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、車両の走行状態や路面からの入力に応じた適切な操舵反力を付与できる車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）  ステアリング（例えば、後述のステアリング）と、該ステアリングの操舵操作に応じて転舵輪（例えば、後述の転舵輪３１，３１）を転舵させる転舵機構（例えば、後述の転舵機構３０）と、前記ステアリングの操舵操作に応じて操舵反力を該ステアリングに付与する反力機構（例えば、後述の反力機構７０）と、を備える車両用操舵装置において、前記ステアリングの操舵角度（例えば、後述の操舵角度θh）を検出する操舵角度検出手段（例えば、後述の操舵角度センサ２４）と、前記ステアリングの操舵角速度（例えば、後述の操舵角速度θh´）を算出する操舵角速度算出手段（例えば、後述の微分器５３）と、車速（例えば、後述の車速Ｖ）を検出する車速検出手段（例えば、後述の車速センサ６１）と、転舵輪の転舵角度（例えば、後述のピニオン角θp）を検出する舵角検出手段（例えば、後述のピニオン角センサ３８）と、前記転舵角度と前記操舵角度との差に、前記操舵角度と前記操舵角速度との少なくとも１つの入力に応じて設定されるゲイン（例えば、後述のトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)）を乗じて算出される捩れ近似項（例えば、後述の仮想トーションバー項）に基づいて、前記操舵反力を決定する制御手段（例えば、後述の制御装置５０）と、を備えることを特徴とする車両用操舵装置（例えば、後述の車両用操舵装置１）。
【０００９】
（１）の発明によれば、ステアリングに付与される操舵反力は、転舵角度と操舵角度との差に比例する捩れ近似項に基づいて決定される。これにより、通常のコラム機構におけるトーションバーの捩れを近似的に再現した操舵反力を、ステアリングに付与できる。
【００１０】
また、（１）の発明によれば、操舵反力は、上記の転舵角度と操舵角度との差に、操舵角度と操舵角速度との少なくとも１つの入力に応じて設定されるゲインを乗じた捩れ近似項に基づいて決定される。これにより、車両の走行状態や路面からの入力に応じた適切な操舵反力をステアリングに付与できる。
【００１１】
（２）  路面から前記転舵輪を介して入力される外力（例えば、後述のラック軸力Ｆr）を検出する路面入力検出手段（例えば、後述のラック軸力センサ３９）をさらに備え、前記制御手段は、前記路面入力検出手段により検出された外力の値に基づいて、前記転舵輪に所定の値よりも大きな撃力が入力されたか否かを判別し、前記転舵輪に所定の値よりも大きな撃力が入力された場合には、前記ゲインを小さな値に補正することを特徴とする（１）に記載の車両用操舵装置。
【００１２】
ここで、例えば、路面から転舵輪に撃力が入力されると、転舵輪の転舵角度が瞬間的に大きく変化する場合がある。上記の捩れ近似項は、転舵角度と操舵角度との差に比例するので、路面から撃力が入力されると、ステアリングに付与される操舵反力も大きく変化する場合がある。（２）の発明によれば、このような撃力が入力されると、これに伴い、ゲインが小さな値に補正されるので、運転者に衝撃が作用するのを防止できる。
【００１３】
（３）  前記制御手段は、前記操舵角速度が大きくなるに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする（１）又は（２）に記載の車両用操舵装置。
【００１４】
（３）の発明によれば、ステアリングを素早く操作すると、より大きな操舵反力がステアリングに付与されることとなる。これにより、運転者の過剰なステアリング操作を抑制して、車両の挙動を安定させることができる。
【００１５】
（４）  前記ステアリングの中立位置に対応する操舵角度を０として、前記制御手段は、前記操舵角度が０の付近では、前記操舵角度が０に近づくに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする（１）から（３）の何れかに記載の車両用操舵装置。
【００１６】
（４）の発明によれば、ステアリングを中立位置付近の角度から操舵する場合には、この中立位置以外の角度から操舵する場合よりも、より大きな操舵反力が付与されることとなる。これにより、ステアリングを中立に位置した状態、すなわち、車両が直進した状態でステアリングを保持しやすくできる。
【００１７】
（５）  前記制御手段は、前記車速が０の付近では、前記車速が０に近づくに従い、前記ゲインを大きな値に設定することを特徴とする（１）から（４）の何れかに記載の車両用操舵装置。
【００１８】
ここで、例えば、据え切り時において転舵輪を転舵させるには、一般的に、走行中よりも大きな転舵動力が必要となる。（５）の発明によれば、車速が０の付近において操舵操作する場合、すなわち据え切り時には、走行中よりも大きな操舵反力がステアリングに付与され、運転者によるステアリングの操舵操作が抑制されることとなる。これにより、転舵輪を転舵させるためのアクチュエータの出力が要求される出力未満となって、転舵輪が転追不足に陥るのを防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、通常のコラム機構におけるトーションバーの捩れを近似的に再現した操舵反力をステアリングに付与できる。これに加えて、車両の走行状態や路面からの入力に応じた適切な操舵反力をステアリングに付与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置１の構成を示す模式図である。
車両用操舵装置１は、運転者による操舵操作が入力される操舵機構２０と、この操舵機構２０の操舵操作に応じて一対の転舵輪３１，３１を転舵させる転舵機構３０と、これら操舵機構２０及び転舵機構３０を制御する制御装置５０と、を含んで構成される。本発明の車両用操舵装置１は、これら操舵機構２０と転舵機構３０とを機械的に分離した、所謂ステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置である。
【００２２】
操舵機構２０は、運転者が操舵可能なステアリング２１と、このステアリング２１を回転可能に支持する略棒状のステアリングシャフト２２と、ステアリング２１の操舵操作に応じて、このステアリング２１に操舵反力を付与する反力機構７０と、を備える。
【００２３】
反力機構７０は、ステアリング２１に操舵反力を付与するためのトルクを発生する反力モータ７１と、この反力モータ７１の出力軸に設けられたウォーム７２と、このウォーム７２と噛合するウォームホイール７３と、を含んで構成される。また、ウォームホイール７３は、ステアリングシャフト２２と同軸にして、その先端側に設けられている。
【００２４】
すなわち、この反力機構７０は、反力モータ７１で発生されたトルクを、所謂ウォームギヤ機構によりステアリングシャフト２２に伝達し、運転者による回転操舵操作に対する操作抵抗として、操舵反力をステアリング２１に付与する。
【００２５】
また、ステアリングシャフト２２には、このステアリングシャフト２２に連結されたステアリング２１の中立位置からの操舵角度θh（回転角度）を検出する操舵角度検出手段としての操舵角度センサ２４が設けられている。ここで、ステアリング２１の中立位置とは、転舵輪３１，３１が直進状態になるように制御装置５０によって制御されるステアリング２１の位置に対応する。
【００２６】
転舵機構３０は、略棒状のラック軸３２と、このラック軸３２に転舵動力を付与する転舵アクチュエータ３３と、ラック軸３２の両端側に連結された転舵輪３１，３１と、を含んで構成される。転舵アクチュエータ３３は、ステアリング２１の回転に応じて駆動される。また、この転舵アクチュエータ３３の出力軸は、ラック軸３２と図示しないラックアンドピニオン機構、あるいは、ボールアンドスクリュー機構等で連結されており、これにより、ラック軸３２を軸方向に駆動することが可能となっている。
【００２７】
ラック軸３２の両端部には、それぞれ、ステアリングロッド３５，３５、タイロッド３６，３６、及びナックルアーム３７，３７を介して、転舵輪３１，３１が連結されている。これにより、転舵アクチュエータ３３により付与された転舵動力は、ラック軸３２及びステアリングロッド３５，３５の直線運動に変換され、タイロッド３６，３６及びナックルアーム３７，３７を介して転舵輪３１，３１に伝達され、これら転舵輪３１，３１の舵角を変化させる。
【００２８】
また、ラック軸３２には、サブステアリングシャフト３４がピニオンギヤ３４１を介して連結されている。このサブステアリングシャフト３４は、ラック軸３２の軸方向に沿った運動に応じて回転すると共に、図示しないクラッチ機構を介して、上述のステアリングシャフト２２と機械的に連結可能となっている。これにより、例えば転舵アクチュエータ３３の失陥時には、ステアリングシャフト２２とサブステアリングシャフト３４とを連結して、ステアリング２１でラック軸３２を軸方向に沿って運動させることができる。
【００２９】
また、サブステアリングシャフト３４には、ピニオンギヤ３４１の回転角度（以下、ピニオン角θp）を検出する舵角検出手段としてのピニオン角センサ３８が設けられている。上述のように、ピニオンギヤ３４１はラック軸３２の運動に応じて回転するので、ピニオン角センサ３８は、ピニオン角θpを検出することにより、間接的に転舵輪３１，３１の転舵角を検出すると言える。
【００３０】
また、ラック軸３２には、ラック軸３２に作用する外力を検出する路面入力検出手段としてのラック軸力センサ３９が設けられている。このようなラック軸力センサ３９を設けることにより、路面から転舵輪３１，３１を介して、ラック軸３２に入力される外力（以下、ラック軸力Ｆr）を検出できる。
【００３１】
制御装置５０は、上述の操舵角度センサ２４及びピニオン角センサ３８の他、車両の車速Ｖを検出する車速検出手段としての車速センサ６１、及び、車両のヨーレートを検出するヨーレートセンサ６２等からの入力信号に基づいて、操舵機構２０及び転舵機構３０を制御する。ここで、操舵機構２０及び転舵機構３０は、それぞれ、反力モータ駆動回路５１及び転舵アクチュエータ３３を介して、制御装置５０に接続されている。
【００３２】
反力モータ駆動回路５１は、制御装置５０からの出力に基づいて反力モータ７１を駆動し、車両の走行状態及び運転者による操作状態に応じて、ステアリング２１に対して操舵反力を付与する。ここで、反力モータ駆動回路５１には、制御装置５０において車両の状態に応じて決定された目標反力トルクＴhが入力される。反力モータ駆動回路５１は、この入力に基づいて反力モータ７１を駆動し、ステアリング２１に、目標反力トルクＴhを発生させる。
【００３３】
転舵アクチュエータ駆動回路５２は、制御装置５０からの出力に基づいて転舵アクチュエータ３３を駆動し、転舵輪３１，３１を転舵させる。ここで、転舵アクチュエータ駆動回路５２には、制御装置５０において車両の走行状態及びステアリング２１の操作状態に応じて決定された目標転舵角が入力される。転舵アクチュエータ駆動回路５２は、転舵輪３１，３１の舵角が目標転舵角と一致するように、転舵アクチュエータ３３を駆動する。
【００３４】
図２は、制御装置５０の構成を示すブロック図であり、制御装置５０のうち、反力機構７０の制御に関する制御ブロックのみを示している。より具体的には、図２は、制御装置５０のうち、反力モータ駆動回路５１に出力する目標反力トルクＴhの決定に関わるブロックのみを示している。
【００３５】
制御装置５０は、目標反力トルクＴhを、次の多項式に基づいて決定する。
Ｔh＝ｋ(Ｖ,θh, θh´)・(θh−θp)＋ｃ(Ｖ)・θh´
ここで、操舵角度とピニオン角との偏差(θh−θp)に比例する項は、捩れ近似項としての仮想トーションバー項であり、操舵角速度θh´に比例する項は、ダンピング項である。また、ゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)は、車速Ｖ、操舵角度θh、及び操舵角速度θh´に応じて可変するトーションバーゲインであり、ｃ(Ｖ)はダンピングゲインである。以下では、このような目標反力トルクＴhを決定する制御ブロックについて説明する。
【００３６】
図２に示すように、制御装置５０は、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を算出するトーションバーゲイン算出部５４と、算出されたトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)に基づいて、目標反力トルクＴhを演算する目標反力トルク演算部５５と、を備える。また、制御装置５０は、これらの他、ステアリング２１の操舵角速度θh´を算出する操舵角速度算出手段としての微分器５３を備える。
【００３７】
トーションバーゲイン算出部５４は、車速Ｖ、操舵角度θh、及び操舵角速度θh´の入力に基づいて、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を設定するトーションバーゲイン設定部５６と、ラック軸力Ｆrの入力に応じて、設定されたトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を補正するショック補正部５７と、を含んで構成される。
【００３８】
トーションバーゲイン設定部５６は、車速Ｖ、操舵角度θh、及び操舵角速度θh´の３つの入力に応じたトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を規定する制御マップを備えており、この制御マップに基づいて、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を設定する。この制御マップの具体的な例については、後に実施例において説明する。
【００３９】
ショック補正部５７には、トーションバーゲイン設定部５６において設定されたトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)と、ラック軸力センサ３９から入力されたラック軸力Ｆrとが入力される。ショック補正部５７は、入力されたラック軸力Ｆrに基づいて、転舵輪３１，３１に所定の値よりも大きな撃力が作用したか否かを判別する。
【００４０】
ここで、ショック補正部５７は、所定の値よりも大きな撃力が転舵輪３１，３１に作用したと判別した場合には、この撃力の大きさに応じて、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)を小さな値に補正する。具体的には、撃力が大きくなるに従い、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)の値をより小さくするように補正する。これにより、路面から転舵輪３１，３１を介して撃力が入力された場合に、仮想トーションバー項を介して、操舵反力が大きく変化し、運転者に衝撃が作用するのを防止できる。
【００４１】
目標反力トルク演算部５５は、操舵角度θh、操舵角速度θh´、車速Ｖ、ピニオン角θp、及び、トーションバーゲイン算出部５４により算出されたトーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)に基づいて、次式に示す目標反力トルクＴhを算出する。
Ｔh＝ｋ(Ｖ,θh, θh´)・(θh−θp)＋ｃ(Ｖ)・θh´
ここで、ダンピングゲインｃ(Ｖ)は、予め設定された制御マップに基づいて、車速Ｖに応じて設定される。
【００４２】
＜実施例＞
次に、上記実施形態の車両用操舵装置１に係る実施例について図３から図５を参照して説明する。
図３は、トーションバーゲインを設定するための制御マップを示す図であり、より具体的には、車速Ｖ及び操舵角度θhを所定の値に保った状態における、操舵角速度θh´の変化に対するトーションバーゲインの変化を示す図である。
【００４３】
図３に示すように、操舵角速度θh´が大きくなるに従い、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)は大きな値に設定される。このような制御マップを用いることにより、例えば、ステアリング２１を速く操作すると、より大きな操舵反力がステアリング２１に付与されることとなる。これにより、運転者の過剰なステアリング操作を抑制して、車両の挙動を安定させることができる。
【００４４】
図４は、トーションバーゲインを設定するための制御マップを示す図であり、より具体的には、車速Ｖ及び操舵角速度θh´を所定の値に保った状態における、操舵角度θhの中立位置付近での変化に対するトーションバーゲインの変化を示す図である。
【００４５】
図４に示すように、ステアリング２１の中立位置付近においては、操舵角度θhが０に近づくに従い、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)は大きな値に設定される。このような制御マップを用いることにより、例えば、ステアリング２１を中立位置付近の角度から操舵する場合には、この中立位置以外の角度から操舵する場合よりも、より大きな操舵反力が付与されることとなる。これにより、ステアリング２１を中立に位置した状態、すなわち、車両が直進した状態でステアリング２１を保持しやすくできる。
【００４６】
図５は、トーションバーゲインを設定するための制御マップを示す図であり、より具体的には、操舵角度θh及び操舵角速度θh´を所定の値に保った状態における、車速Ｖの低速域付近での変化に対するトーションバーゲインの変化を示す図である。
【００４７】
図５に示すように、車速Ｖが０の付近では、車速Ｖが０に近づくに従い、トーションバーゲインｋ(Ｖ,θh, θh´)は大きな値に設定される。このような制御マップを用いることにより、例えば、車速Ｖが０の付近において操舵操作する場合、すなわち据え切り時には、走行中よりも大きな操舵反力がステアリング２１に付与され、運転者によるステアリング２１の操舵操作が抑制されることとなる。これにより、転舵アクチュエータ３３の出力よりも大きな出力が要求されて、転舵輪３１，３１が転舵不足に陥るのを防止できる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００４９】
例えば、上記実施形態では、路面から転舵輪３１，３１を介して入力される外力を検出する路面入力検出手段として、ラック軸力センサ３９を設けたが、これに限らない。例えば、転舵アクチュエータ３３に流れる実電流に基づいて、ラック軸に作用する外力を、間接的に検出してもよい。また、例えば、ピニオン角センサ３８により検出されたピニオン角の時間変化に基づいて、ラック軸に作用する外力を、間接的に検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る車両用操舵装置の構成を示す模式図である。
【図２】前記実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に係る車両用操舵装置の制御マップの例を示す図である。
【図４】前記実施例に係る車両用操舵装置の制御マップの例を示す図である。
【図５】前記実施例に係る車両用操舵装置の制御マップの例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…車両用操舵装置（車両用操舵装置）、２０…操舵機構、２１…ステアリング（ステアリング）、２４…操舵角度センサ（操舵角度検出手段）、７０…反力機構（反力機構）、３０…転舵機構（転舵機構）、３１，３１…転舵輪（転舵輪）、３８…ピニオン角センサ（舵角検出手段）、３９…ラック軸力センサ（路面入力検出手段）、６１…車速センサ（車速検出手段）、５０…制御装置（制御手段）、５３…微分器（微分器）、５４…トーションバーゲイン算出部、５６…ゲイン設定部、５７…ショック補正部、５５…目標反力トルク演算部、θh…操舵角度、θh´…操舵角速度、Ｖ…車速、Ｔh…目標反力トルク、θp…ピニオン角、Ｆr…ラック軸力、ｋ(Ｖ,θh, θh´)…トーションバーゲイン
【図１】
2008265687.tif 000003
【図２】
2008265687.tif 000004
【図３】
2008265687.tif 000005
【図４】
2008265687.tif 000006
【図５】
2008265687.tif 000007