(57)【要約】【課題】システムの異常時に、確実に、ロック歯車をロックして、バックアップシステムを機能させることができる車両用操舵装置を提供する。【解決手段】ステアリングホイールとステアリングギヤボックスとの機械的接続を絶った状態で、ステアリングホイールの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてステアリングギヤボックスに設けた操舵モータを駆動して車輪を転舵するとともに、前記操作量に応じてステアリングホイールに接続した操舵反力モータを駆動して該ステアリングホイールに操舵反力を付与する車両用操舵装置において、ロック歯車にロック爪を嵌合させてステアリングホイールとステアリングギヤボックスとを機械的に接続するクラッチ機構を備え、ロック爪がロック歯車の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリングホイールとステアリングギヤボックスとの機械的接続を絶った状態で、ステアリングホイールの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてステアリングギヤボックスに設けた操舵モータを駆動して車輪を転舵するとともに、前記操作量に応じてステアリングホイールに接続した操舵反力モータを駆動して該ステアリングホイールに操舵反力を付与する車両用操舵装置において、
ロック歯車にロック爪を嵌合させて前記ステアリングホイールと前記ステアリングギヤボックスとを機械的に接続するクラッチ機構を備え、
前記ロック爪が前記ロック歯車の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材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、バックアップ機構を備えたステア・バイ・ワイヤ方式の車両用操舵装置の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な車両用操舵装置としては、ステアリングホイールに転舵機構を連結し、ステアリングホイールの操舵力により転舵機構を介して車輪を転舵させる構成のものが知られている。
【０００３】
また、近年、ステアリングホイールから転舵機構を機械的に分離し、操舵量に応じて転舵用アクチュエータが転舵用動力を発生し、この転舵用動力を転舵機構へ伝えることで車輪を転舵させるステア・バイ・ワイヤ式（ｓｔｅｅｒ−ｂｙ−ｗｉｒｅ、以下「ＳＢＷ」と略称する）の車両用操舵装置が知られている。
【０００４】
このような車両用操舵装置では、ステアリングホイールとステアリングギヤボックスとが機械的に接続されていないため、操舵モータが故障するとステアリングホイールを操作しても車輪が転舵されなくなる可能性がある。そこで、システム異常時にも操舵を可能にするためにバックアップシステムを備えたものがある。
【０００５】
このバックアップシステムとして、ステアリングホイールの回転軸と転舵機構の入力軸とを遊星歯車機構（クラッチ）で接続し、この遊星歯車機構の１つの構成歯車をロック部材で回転不能にできるようにして構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このバックアップシステムでは、通常は遊星歯車機構の各構成歯車を自由回転可能にすることでステアリングホイールと転舵機構の入力軸とを機械的に分離し、ステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置として機能させることができ、ロック部材をソレノイドで駆動して、遊星歯車機構の１つの構成歯車（ロック歯車）をロックして回転不能にすることによりステアリングホイールと転舵機構の入力軸とを機械的に連結し、ステアリングホイールで転舵輪を直接転舵動作させる操舵装置（非ステア・バイ・ワイヤ式の操舵装置）として機能させることができる。また、このバックアップシステムでは、システム停止時もロック部材をロック動作させる。
【特許文献１】特開２００５−２９０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のバックアップシステムにおいては、ロック歯車の歯のピッチに対して、ロック部材によるロックが掛かるピッチ（以下、「ロックピッチ」と示す。）の縮小とロック歯車の高速回転時における速やかなロックの係合との両立が困難であるために、例えば、ロックピッチを縮小すると、ロック歯車が高速で回転している場合には、ロック歯車の角とロック部材の爪部の角とがぶつかって弾かれることにより、ロックを適切にかけることができないという問題があった。また、逆に、ロックピッチを拡大して、ロック爪を弾かれにくくすると、ロック爪が係合するための角度が大きくなるという問題もあった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、システムの異常時に、確実に、ロック歯車をロックして、バックアップシステムを機能させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、ステアリングホイールとステアリングギヤボックスとの機械的接続を絶った状態で、ステアリングホイールの操作量を電気信号に変換し、その電気信号に基づいてステアリングギヤボックスに設けた操舵モータを駆動して車輪を転舵するとともに、前記操作量に応じてステアリングホイールに接続した操舵反力モータを駆動して該ステアリングホイールに操舵反力を付与する車両用操舵装置において、ロック歯車にロック爪を嵌合させて前記ステアリングホイールと前記ステアリングギヤボックスとを機械的に接続するクラッチ機構を備え、  前記ロック爪が前記ロック歯車の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材を備えることを特徴とする車両用操舵装置を提案している。
【００１０】
この発明によれば、ロック爪がロック歯車の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材を備えている。したがって、ロック爪をロック歯車の歯に嵌合させてロックを行う場合、ロック歯車の歯溝部に対して、ロック爪の複数の爪部材が異なる位相で係合するため、ロック歯車が高速に回転しているときであっても、これら複数の爪部材がすべて同時にロック歯車の歯に弾かれることがなくなるため、確実にロック歯車をロックすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ロック爪がロック歯車の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材を備えることにより、ロック歯車が高速に回転している場合であっても、これら複数の爪部材がすべて同時にロック歯車の歯に弾かれることがなくなるため、確実にロック歯車をロックすることができるという効果がある。また、ロック歯車のロックを確実に行うことができるため、ロック歯車をロックするまでの時間が短縮できるという効果がある。また、ロックピッチを制約なく設定することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００１３】
＜車両用操舵装置の構成＞
図１を用いて、本実施形態に係る車両用操舵装置の構成について説明する。
車両用操舵装置１０は、操舵部材としてのステアリングホイール２１から転舵機構３０を機械的に分離し、ステアリングホイール２１の操舵量に応じて転舵用アクチュエータ３８から転舵用動力を発生させ、この転舵用動力を転舵機構３０へ伝えることで、転舵機構３０にて左右の転舵車輪３５，３５を転舵させる、いわゆるステア・バイ・ワイヤ（ＳＢＷ）方式の車両用操舵装置である。
【００１４】
この車両用操舵装置１０の操舵機構２０は、運転者が握るステアリングホイール２１と、ステアリングホイール２１に連結した操舵軸２２と、ステアリングホイール２１の操舵角を検出する舵角センサ２３と、ステアリングホイール２１に対する操舵反力（反力トルク）を発生する反力モータ２４と、反力モータ２４の回転角を検出するモータ回転角センサ２５と、操舵反力を操舵軸２２に伝達する反力伝達機構２６と、操舵軸２２のトルクを検出するトルクセンサ３２とから構成されている。
【００１５】
ここで、反力モータ２４は電動モータであり、反力伝達機構２６は、反力モータ２４のモータ軸に設けたウォーム２７と、操舵軸２２に結合するとともに、ウォーム２７に噛み合わせたウォームホイール２８とから構成される、ウォームギヤ機構、すなわち倍力機構である。また、操舵反力は、ステアリングホイール２１に対して回転方向に付加する操作抵抗である。
【００１６】
転舵機構３０は、操舵軸２２の操舵力を入力する入力軸３１と、入力軸３１にラックアンドピニオン機構３３を介して連結したラック軸３４と、ラック軸３４の両端に左右の転舵車輪３５，３５（例えば前輪）を連結するタイロッド３６，３６及びナックル３７，３７と、入力軸３１に転舵用動力を付加する転舵用アクチュエータ３８と、入力軸３１の回転角を検出する入力軸回転角センサ４１と、ラック軸３４の位置を検出するラック軸位置センサ４２とから構成されている。
【００１７】
ラックアンドピニオン機構３３は、入力軸３１に形成したピニオン４３とラック軸３４に形成したラック４４とからなる。また、転舵用アクチュエータ３８は、転舵用動力を発生する転舵動力モータ４５と、転舵用動力を入力軸３１に伝達する転舵動力伝達機構４６とからなる。ここで、転舵動力モータ４５は電動モータである。転舵動力伝達機構４６は、転舵動力モータ４５のモータ軸に設けたウォーム４７と、入力軸３１に結合するとともにウォーム４７に噛み合わせたウォームホイール４８とからなる、ウォームギヤ機構、すなわち倍力機構である。
【００１８】
このように車両用操舵装置１０は、ラック軸３４の両端から転舵トルクを取り出すようにしたエンドテイクオフ型操舵装置である。さらに、車両用操舵装置１０は、ステアリングホイール２１に設けた操舵軸２２と転舵機構３０に設けた入力軸３１との間を、遊星歯車機構５１にて連結したものである。具体的には、操舵軸２２にクラッチ機構５１、第１連結軸５２、第１自在軸継手５３、第２連結軸５４及び第２自在軸継手５５を介して入力軸３１を連結するようにしたものである。
【００１９】
また、制御部６１は舵角センサ２３、モータ回転角センサ２５、転舵トルクセンサ３２、ピニオンセンサ４１、ラック軸位置センサ４２からそれぞれ検出信号を受けるとともに、車両の走行速度を検出する車速センサ６２、ヨー角速度（ヨー運動の角速度）を検出するヨーレートセンサ６３、車両の加速度を検出する加速度センサ６４、その他の各種センサ６５からそれぞれ検出信号を受けて、反力モータ２４、転舵動力モータ４５及び遊星歯車機構５１に制御信号を発するものである。
【００２０】
すなわち、制御部６１は、反力モータ２４を制御することによって、ステアリングホイール２１の操作に応じた操舵反力を自動的に設定し、操舵反力をステアリングホイール２１に付加して、次の（１）〜（４）のように制御することができる。
【００２１】
（１）反力モータ２４によってウォームホイール２８を、ステアリングホイール２１の操舵方向とは逆方向へ回転させた場合には、ステアリングホイール２１の操舵力を反力モータ２４の操舵反力によって打ち消す作用が働く。このため、ステアリングホイール２１を操舵するときに、操舵反力分だけ大きい操舵力が必要となる。
【００２２】
（２）反力モータ２４によってウォームホイール２８を、ステアリングホイール２１の操舵方向と同方向へ回転させた場合には、ステアリングホイール２１の操舵力に反力モータ２４の操舵反力を加える作用が働く。このため、ステアリングホイール２１を操舵するときに、操舵反力分だけ小さい操舵力ですむ。
【００２３】
（３）ステアリングホイール２１を任意の角度で停止状態に保持させる場合には、それまでのステアリングホイール２１の回転方向とは逆方向に、反力モータ２４の操舵反力を調整しながらウォームホイール２８を回転させることによって、保持力を発生させる。
【００２４】
（４）その後にステアリングホイール２１を戻す場合には、ステアリングホイール２１の中立位置までステアリングホイール２１を自動的に戻す、いわゆるセルフアライニングトルクに相当する戻し力（操舵反力）が、反力モータ２４からウォームホイール２８に伝達する。
【００２５】
また、制御部６１は、転舵動力モータ４５を制御することによって、ステアリングホイール２１の操舵角に対する転舵車輪３５，３５の転舵角の角度比の特性、すなわち、操舵特性を自動的に設定することができる。つまり、上述のようにステアリングホイール２１から転舵機構３０を機械的に分離したので、ステアリングホイール２１の操舵角と転舵用アクチュエータ３８の動作量との対応関係を機械的な制約を受けることなく設定することができる。この結果、操舵特性を車速、車両の旋回程度や加減速の有無等、車両の走行状態に応じて柔軟に設定することができる。従って、車両用操舵装置１０の設計の自由度を高めることができる。
【００２６】
さらに、この車両用操舵装置１０では、操舵機構２０のステアリングシャフト２２と転舵機構３０の入力軸３１とが、遊星歯車機構５１、第１連結軸５２、第１自在軸継手５３、第２連結軸５４および第２自在軸継手５５を介して連結されている。
【００２７】
次に、遊星歯車機構５１について図２の模式図を参照して説明する。
遊星歯車機構５１は、中心のサンギヤ７１に複数個、例えば３個のプラネタリギヤ７２・・・を噛合させ、これらのプラネタリギヤ７２・・・に内歯のリングギヤ７３を噛合させ、プラネタリギヤ７２・・・をキャリア７４にそれぞれ回転可能に取付けて構成されている。
【００２８】
サンギヤ７１、リングギヤ７３およびキャリア７４は、第１連結軸５２を中心として同心上に配列されている。リングギヤ７３はステアリングシャフト２２に連結され、キャリア７４は第１連結軸５２に連結され、サンギヤ７１は第１連結軸５２に相対回転可能に支持されており、プラネタリギヤ７２・・・は、サンギヤ７１に対して等ピッチで放射状に配列されている。なお、図２において、符号９２はステアリングシャフト２２を支持する第１軸受、符号９３，９３は第１連結軸５２を支持する第２軸受、符号９４はリングギヤ７３を支持する第３軸受を示す。
【００２９】
さらに、この遊星歯車機構５１はサンギヤ７１を回転不能にするロック機構８０を備えている。ロック機構８０は、サンギヤ７１に一体的に設けられたロック用歯車８１と、ロック用歯車８１の歯に嵌合可能なスイングアーム（ロック部材）８２と、スイングアーム８２をロック状態あるいはアンロック状態に駆動するソレノイド（ロック駆動手段）８３とからなる。
【００３０】
ロック用歯車８１は、第１連結軸５２と同心上に配置され、第１連結軸５２に対して相対回転可能に設けられている。スイングアーム８２は支軸８５を中心にして回転可能に設けられており、一端にロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する複数の爪部材からなるロック爪８４を有している。スイングアーム８２は、図示しないリターンスプリングによってロック爪８４をロック用歯車８１に接近させる回転方向に付勢されており、スイングアーム８２の他端にソレノイド８３のプッシュロッド８８の先端が突き当てられている。
【００３１】
そして、ソレノイド８３の非励磁状態では図３において実線で示すようにプッシュロッド８８は後退しており、このときにはスイングアーム８２が前記リターンスプリングによってロック用歯車８１に接近する方向に回転するので、スイングアーム８２のロック爪８４がロック用歯車８１の歯に嵌合し（以下、この状態をロック状態と称す）、ロック用歯車８１の回転が阻止され、その結果、サンギヤ７１は回転不能になる。なお、この車両用操舵装置１０では、システム停止でソレノイド８３は非励磁となり、ロック機構８０はロック状態となるように構成されている。
【００３２】
一方、ソレノイド８３を励磁すると図２に示すように（図３において二点鎖線で示すように）プッシュロッド８８が前進し、前記リターンスプリングの弾性に抗してスイングアーム８２の他端を押動する。その結果、スイングアーム８２が弾性に抗して回転し、ロック爪８４がロック用歯車８１から離反し、ロックが解除される（以下、この状態をアンロック状態と称す）。
【００３３】
次に、遊星歯車機構５１の作用を説明する。
図示しないイグニッションスイッチがＯＮのときには、通常、ソレノイド８３は励磁されており、ロック機構８０はアンロック状態になる。このときには、ロック用歯車８１が回転可能になり、ロック用歯車８１と一体のサンギヤ７１も回転可能になる。その結果、プラネタリーギヤ７２・・・とリングギヤ７３は相互に規制されることなく回転可能になり、ステアリングシャフト２２から入力軸３１へ操舵力が伝わることはない。
【００３４】
つまり、ロック機構８０をアンロック状態にすると、遊星歯車機構５１において操舵トルクが遮断され、ステアリングホイール２１と転舵輪３５を実質的に分離することができる。このとき、反力モータ２４とステアリングモータ４５は後述するように制御部６１によってそれぞれ独立に制御され、車両用操舵装置１０はステア・バイ・ワイヤ式の車両用操舵装置になる。
【００３５】
一方、何らかの要因によって操舵機構２０と転舵機構３０との間での電気的な接続が解除されたとき、または前記イグニッションスイッチをＯＦＦにしたときには、ソレノイド８３が非励磁の状態になり、ロック機構８０はロック状態になる。このときには、ロック用歯車８１は回転不能にされ、ロック用歯車８１と一体のサンギヤ７１も回転不能になる。この状態でステアリングホイール２１を回転操作してリングギヤ７３を回転すると、その回転力がプラネタリギヤ７２・・・を介してキャリア７４に伝わり、キャリア７４が回転し、プラネタリギヤ７２・・・は自転しつつ公転する。
【００３６】
つまり、ロック機構８０をロック状態にすると、遊星歯車機構５１を介してステアリングシャフト２２から第１連結軸５２に操舵トルクを伝達可能になり、操舵機構２０と転舵機構３０がプラネタリーギヤ７２・・・とリングギヤ７３を介して機械的に接続され、ステアリングホイール２１と転舵輪３５とを機械的に連結することができる。その結果、ステアリングホイール２１の回転運動を機械的にラック軸９の軸方向運動に変換することができ、転舵輪３５を転舵することができる。
【００３７】
すなわち、このときには車両用操舵装置１０はステア・バイ・ワイヤではなくなり、手動で転舵輪３５を転舵することが可能な操舵装置となる。なお、このときには反力モータ２４は制御部６１によって操舵反力を発生しないように制御される。この場合、転舵輪３５，３５が受ける路面反力は、転舵機構３０および遊星歯車機構５１を介してステアリングシャフト２２に作用することとなる。
【００３８】
つまり、ロック機構８０をロック状態にするとステアリングホイール２１と転舵輪３５とを機械的に連結することができ、ロック機構８０をアンロック状態にするとステアリングホイール２１と転舵輪３５を実質的に分離することができる。
【００３９】
すなわち、この車両用操舵装置１０において遊星歯車機構５１はクラッチを構成し、ロック機構８０は該クラッチの断続を切り替えるクラッチ切り替え手段を構成する。そして、ロック機構８０のアンロック状態はクラッチ切断状態に対応し、ロック機構８０のロック状態はクラッチ接続状態に対応する。
【００４０】
次に、図４から図６を用いて、各実施例について説明する。
【００４１】
＜実施例１＞
実施例１に係るロック爪８４は、図４に示すように、ロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの爪部材８４ａ、８４ｂを有している。本実施例に係るロック爪８４は、ソレノイド８３の非励磁状態においてプッシュロッド８８が後退しているときに、ロック用歯車８１の歯に対して略直角な方向からロック用歯車８１に嵌合する。
【００４２】
したがって、本実施例のように、ロック爪８４をロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの爪部材８４ａ、８４ｂから構成することにより、ロック用歯車８１の歯のピッチに対して、ロックが掛かるピッチが１／２となるため、操舵無効角を小さくすることができ、かつ、ロック歯車が高速に回転しているときであっても、この双方の爪部材がロック用歯車８１の歯に弾かれることがなく、短い時間で確実にロック用歯車８１をロックすることができる。
【００４３】
なお、上記では、ロック爪８４の構成が、爪部材８４ａと爪部材８４ｂの２つの場合について説明したが、爪部材の数を増やすことにより、さらに、ロックが掛かるピッチを小さくできる。
【００４４】
＜実施例２＞
実施例２に係るロック爪８４は、図５に示すように、ロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの爪部材８４ｃ、８４ｄを有している。また、爪部材８４ｃ、８４ｄは、ぞれぞれ鍵型に形成されている。本実施例に係るロック爪８４は、ソレノイド８３の非励磁状態においてプッシュロッド８８が後退しているときに、ロック用歯車８１の歯に対して略平行な方向からロック用歯車８１に嵌合する。
【００４５】
したがって、本実施例のように、ロック爪８４をロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの鍵型の爪部材８４ｃ、８４ｄから構成することにより、ロック用歯車８１の歯のピッチに対して、ロックが掛かるピッチが１／２となるため、操舵無効角を小さくすることができ、かつ、ロック歯車が高速に回転しているときであっても、この双方の爪部材がロック用歯車８１の歯に弾かれることがなく、短い時間で確実にロック用歯車８１をロックすることができる。
【００４６】
なお、上記では、ロック爪８４の構成が、爪部材８４ｃと爪部材８４ｄの２つの場合について説明したが、爪部材の数を増やすことにより、さらに、ロックが掛かるピッチを小さくできる。
【００４７】
＜実施例３＞
実施例３に係るロック爪８４は、図６に示すように、ロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの爪部材８４ｅ、８４ｆをそれぞれ略対称に設けている。また、爪部材８４ｅ、８４ｆは、ぞれぞれ鍵型に形成されている。本実施例に係るロック爪８４は、それぞれの爪部材８４ｅ、８４ｆごとに、ソレノイド８３を備え、ソレノイド８３の非励磁状態においてプッシュロッド８８が後退しているときに、ロック用歯車８１の歯に対して略平行な方向からロック用歯車８１に嵌合する。
【００４８】
したがって、本実施例のように、ロック爪８４をロック用歯車８１の歯溝部に対して、異なる位相で係合する２つの爪部材８４ｅ、８４ｆから構成することにより、ロック用歯車８１の歯のピッチに対して、ロックが掛かるピッチが１／２となるため、操舵無効角を小さくすることができ、かつ、ロック歯車が高速に回転しているときであっても、この双方の爪部材がロック用歯車８１の歯に弾かれることがなく、短い時間で確実にロック用歯車８１をロックすることができる。
【００４９】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態に係る車両用操舵装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係るクラッチ機構の模式図である。
【図３】本実施形態に係る車両用操舵装置におけるロック機構の一例を示す構成図である。
【図４】実施例１に係る構成図である。
【図５】実施例２に係る構成図である。
【図６】実施例３に係る構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０・・・車両用操舵装置、２１・・・ステアリングホイール、２３・・・舵角センサ、２４・・・反力モータ、３８・・・操舵モータ、５１・・・遊星歯車機構、８０・・・ロック機構、８１・・・ロック用歯車、８２・・・スイングアーム、８３・・・ソレノイド、８４・・・ロック爪、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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