(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、
前記舵輪の軸に連結された第２の電動モータと、該第２の電動モータの逆起電圧又は該第２の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記操舵角、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第２の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する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】
前記第２の電動モータは、前記舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータである請求項１記載の車両用操舵装置。
【請求項３】
車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、
前記舵輪の軸に連結された第２の電動モータと、該第２の電動モータの逆起電圧又は該第２の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第２の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段と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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両の操舵は、車室の内部に配された操舵手段の操作、例えば、ステアリングホイール（舵輪）の回転を、舵取り用の車輪（一般的には前輪）の操向のために車室の外部に配された舵取機構に伝えて行われる。
近年においては、舵取機構の中途に油圧シリンダ、電動モータ等の操舵補助用のアクチュエータを配し、このアクチュエータを、操舵のためにステアリングホイールに加えられる操作力の検出結果に基づいて駆動して、ステアリングホイールの回転に応じた舵取機構の動作を補助し、操舵のための運転者の労力負担を軽減する構成とした車両用操舵装置（パワーステアリング装置）が広く普及している。
【０００３】
ところが、このような従来の車両用操舵装置においては、操舵手段であるステアリングホイールと舵取機構との機械的な連結が必要であり、車室の内部におけるステアリングホイールの配設位置が、車室外での舵取機構との連結が可能な位置に限定されるという問題があり、また、連結可能にステアリングホイールが配設された場合であっても、連結の実現のために複雑な連結構造を要し、車両の軽量化、組立て工程の簡素化を阻害する要因となっている。
【０００４】
例えば、実公平２−２９０１７号公報には、このような問題の解消を目的としたリンクレスのパワーステアリング装置である車両用操舵装置が開示されている。この車両用操舵装置は、ステアリングホイールを舵取機構から機械的に切り離して配し、また、従来の車両用操舵装置における操舵補助用のアクチュエータと同様に、舵取機構の中途に舵取り用のアクチュエータとしての電動モータを配してなり、この電動モータを、ステアリングホイールの操作方向及び操作量の検出結果に基づいて駆動することにより、ステアリングホイールの操作に応じた舵取りを行わせる構成となっている。
【０００５】
以上のように構成された分離型の車両用操舵装置は、ステアリングホイールの配設自由度の増加、車両の軽量化等の前述した目的に加え、レバー、ペダル等、ステアリングホイールに代わる新たな操舵手段の実現、及び路面上の誘導標識の検出、衛星情報の受信等の走行情報に従う自動運転システムの実現等、将来における自動車技術の発展のために有用なものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような車両用操舵装置では、操舵トルクを検出する手段として、従来からのトーションバーを使用したトルクセンサが考えられているが、トーションバーを使用したトルクセンサは、高価であり、また、サイズ、設置位置等の制約の為、設計の自由度が制約される問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る車両用操舵装置は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、前記舵輪の軸に連結された第２の電動モータと、該第２の電動モータの逆起電圧又は該第２の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記操舵角、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第２の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この車両用操舵装置では、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する。第２の電動モータが舵輪の軸に連結され、検出手段は、第２の電動モータの逆起電圧又は第２の電動モータに流れる電流を検出する。演算する手段は、検出手段が検出した逆起電圧又は電流、操舵角、舵輪の慣性モーメント及び第２の電動モータの慣性モーメントに基づき操舵トルクを演算する。これにより、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【０００９】
第２発明に係る車両用操舵装置は、前記第２の電動モータは、前記舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータであることを特徴とする。
【００１０】
この車両用操舵装置では、第２の電動モータが、舵輪にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータであるので、トルクを検出する為のスペースが不要であり、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００１１】
第３発明に係る車両用操舵装置は、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、前記舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する車両用操舵装置において、前記舵輪の軸に連結された第２の電動モータと、該第２の電動モータの逆起電圧又は該第２の電動モータに流れる電流を検出する検出手段と、該検出手段が検出した逆起電圧又は電流、前記舵輪の慣性モーメント及び前記第２の電動モータの慣性モーメントに基づき前記操舵トルクを演算する手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
この車両用操舵装置では、車輪の向きを変える舵取機構が舵輪と機械的に連結されず、舵輪の操舵角及び舵輪に加わる操舵トルクを求め、求めた操舵角及び操舵トルクに応じて、舵取機構が有する第１の電動モータを駆動制御し、舵角を増減制御する。第２の電動モータが舵輪の軸に連結され、検出手段は、第２の電動モータの逆起電圧又は第２の電動モータに流れる電流を検出する。演算する手段は、検出手段が検出した逆起電圧又は電流、舵輪の慣性モーメント及び第２の電動モータの慣性モーメントに基づき操舵トルクを演算する。これにより、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る車両用操舵装置の原理構成を示す原理図である。この車両用操舵装置は、ステアリングホイール２（舵輪）に連結され、ステアリングホイール２にその操作方向と逆方向の力を与える反力モータ３（第２の電動モータ）と、反力モータ３の逆起電圧又は反力モータ３に流れる電流を検出する検出器３４（検出手段）と、ステアリングホイール２の操舵角を検出するロータリエンコーダ３３とを備えている。
【００１４】
この車両用操舵装置は、また、検出器３４が検出した逆起電圧又は電流とロータリエンコーダ３３が検出した操舵角とステアリングホイール２の慣性モーメントと反力モータ３の慣性モーメントとに基づき、ステアリングホイール２に加わる操舵トルクを演算検出する操舵制御部４ａ（演算する手段）を備えている。操舵制御部４ａは、また、演算検出した操舵トルクに基づき、反力モータ３によりステアリングホイール２にその操作方向と逆方向の力を与える反力制御を行う。
図１（ｂ）は、上述した図１（ａ）に示す原理構成の車両用操舵装置のステアリングホイール２と反力モータ３との間に、反力モータ３の回転速度を増加させる為の増速ギヤ７を設けた場合の原理構成を示す原理図である。
【００１５】
以下に、このような構成の車両用操舵装置の原理を説明する。
図１（ｂ）に示すように、増速ギヤ７を設けてある場合、増速ギヤ７のギヤ比をｎ：１、ステアリングホイール２の操舵角をθh 、反力モータ３の回転角度をθm とすると、
θm ＝ｎ・θh       （１）
また、増速ギヤ７のステアリングホイール２側のギヤに加わるトルクをＴx 、増速ギヤ７の反力モータ３側のギヤに加わるトルクをＴy とすると、
Ｔx ＝ｎ・Ｔy       （２）
【００１６】
ここで、ステアリングホイール２に加わるトルク（操舵トルク）をＴ、反力モータ３に加わるトルクをＴm 、既知であるステアリングホイール２の慣性モーメントをＩh 、既知である反力モータ３の慣性モーメントをＩm 、既知であるステアリングホイール２から増速ギヤ７迄の粘性抵抗係数をＣh 、既知である増速ギヤ７から反力モータ３迄の粘性抵抗係数をＣm とすると、
Ｔx ＝Ｔ−Ｉh ・θh ″−Ｃh ・θh ′    （３）
Ｔy ＝Ｔm ＋Ｉm ・θm ″＋Ｃm ・θm ′  （４）
（但し、θ′＝ｄθ／ｄｔ  θ″＝ｄ2 θ／ｄｔ2 ）
【００１７】
（３），（４）式を（２）式に代入して、
Ｔ−Ｉh ・θh ″−Ｃh ・θh ′
＝ｎＴm ＋ｎＩm ・θm ″＋ｎＣm ・θm ′
（１）式より、
Ｔ−Ｉh ・θh ″−Ｃh ・θh ′
＝ｎＴm ＋ｎＩm ・ｎ・θh ″＋ｎＣm ・ｎ・θh ′
整理して、
Ｔ−ｎＴm ＝Ｉh ・θh ″＋Ｃh ・θh ′
＋ｎ2 Ｉm ・θh ″＋ｎ2 Ｃm ・θh ′
＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）θh ″
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）θh ′    （５）
【００１８】
ｉ）  反力モータの反力が無い（Ｔm ＝０）場合
粘性抵抗分を無視すると、（５）式から、
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）θh ″
θh ＝θm ／ｎより、
Ｔ＝（（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）／ｎ）θm ″      （６）
【００１９】
反力モータ３の逆起電圧定数をＫe とすると、このときの反力モータ３の逆起電圧Ｖ＝Ｋe ・θm ′である。従って、θm ′＝Ｖ／Ｋe 
∴  θm ″＝Ｖ′／Ｋe     （但し、Ｖ′＝ｄＶ／ｄｔ）
よって、（６）式より、
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）・Ｖ′／（ｎ・Ｋe ）        （７）
となり、検出器３４が検出した反力モータ３の逆起電圧Ｖ、ステアリングホイール２の慣性モーメントＩh 及び反力モータ３の慣性モーメントＩm より、ステアリングホイール２に加わるトルクＴを求めることが出来る。
つまり、反力モータ３に代えて、反力モータではない電動モータを使用した場合は、電動モータの逆起電圧Ｖ、ステアリングホイール２の慣性モーメントＩh 及び電動モータの慣性モーメントＩm より、ステアリングホイール２に加わるトルクＴを求めることが出来る。
【００２０】
ここで、粘性抵抗分を考慮すると、（５）式及びθh ＝θm ／ｎより、
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）θm ″／ｎ
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）θm ′／ｎ      （８）
θm ′＝Ｖ／Ｋe 及びθm ″＝Ｖ′／Ｋe より、
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）Ｖ′／ｎＫe 
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）Ｖ／ｎＫe       （９）
【００２１】
ii）反力モータの反力が有る（Ｔm ≠０）場合
反力モータ３に加わるトルクＴm は、反力モータ３に流れる電流ｉを検出することにより求めることが出来、反力モータ３のトルク定数をＫt とすると、Ｔm ＝ｉ・Ｋt である。
従って、反力モータ３を作動させる場合、その流れる電流ｉを検出すれば、ｉ）で求めた（６）〜（９）の各式にｎＴm を加えることで、ステアリングホイール２に加わるトルクＴを求めることが出来る。
【００２２】
例えば、（８）式にｎＴm を加えると、
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）θm ″／ｎ
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）θm ′／ｎ＋ｎＴm 
＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）ωm ′／ｎ
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）ωm ／ｎ＋ｎＴm     （１０）
（但し、ωm ＝θm ′＝反力モータ３の回転速度
ωm ′＝ｄωm ／ｄｔ）
となり、ロータリエンコーダ３３が検出したステアリングホイール２の操舵角θh （又は反力モータ３の回転角度θm ）、検出器３４が検出した反力モータ３に流れる電流ｉ、ステアリングホイール２の慣性モーメントＩh 及び反力モータ３の慣性モーメントＩm より、反力モータの反力が有り、粘性抵抗分を考慮した場合のステアリングホイール２に加わるトルクＴを求めることが出来る。
【００２３】
図２は、本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。この車両用操舵装置は、図示しない車体の左右に配された一対の舵取り用の車輪１０，１０に舵取り動作を行わせるための舵取機構１と、舵取機構１から機械的に切り離して配された操舵手段であるステアリングホイール２と、ステアリングホイール２に反力を付与する反力アクチュエータ３（第２の電動モータ）と、マイクロプロセッサを用いてなる操舵制御部４とを備え、ステアリングホイール２の操作に応じた操舵制御部４の動作により、舵取機構１の中途に配した操舵モータ５（第１の電動モータ）を駆動し、舵取機構１を作動させる構成となっている。
【００２４】
舵取機構１は、公知のように、車体の左右方向に延設されて軸長方向に摺動する操舵軸１１の両端部と、車輪１０，１０を支持するナックルアーム１２，１２とを、各別のタイロッド１３，１３により連結し、操舵軸１１の両方向への摺動によりタイロッド１３，１３を介してナックルアーム１２，１２を押し引きし、車輪１０，１０を左右に操向させるものであり、この操向は、操舵軸１１の中途部に同軸的に構成された操舵モータ５の回転を、適宜の運動変換機構により操舵軸１１の摺動に変換して行われる。
【００２５】
操舵軸１１は、操舵軸ハウジング１４との間に介装された図示しない回転拘束手段により軸回りの回転を拘束されており、操舵モータ５の回転は、操舵軸１１の軸長方向の摺動に変換され、操舵モータ５の回転に応じた舵取り（操舵用の車輪１０，１０の操向）が行われる。
このように舵取りされる車輪１０，１０の舵角は、操舵モータ５の一側の操舵軸ハウジング１４と操舵軸１１との相対摺動位置を媒介として、舵角センサ１６により検出されるようになしてあり、舵角センサ１６の出力は、操舵モータ５の回転位置を検出するロータリエンコーダ１５の出力と共に、操舵制御部４に与えられている。
【００２６】
ステアリングホイール２に反力を付与する反力アクチュエータ３は、電動モータ（例えば３相ブラシレスモータ）であり、回転軸３０に関連して、そのケーシングを図示しない車体の適宜部に固定して取り付けてある。ステアリングホイール２は、回転軸３０の一側の突出端に同軸的に固定されている。
【００２７】
反力アクチュエータ３は、操舵制御部４から与えられる反力指示トルク信号に応じた駆動回路３ａからの通電により正逆両方向に駆動され、回転軸３０の一端に取り付けたステアリングホイール２に、その操作方向と逆方向の力（反力）を付与する動作をなす。従って、ステアリングホイール２の回転操作には、反力アクチュエータ３が発生する反力に抗する操舵トルクを加える必要がある。このようにしてステアリングホイール２に加えられる操舵トルクは、操舵制御部４により、反力アクチュエータ３に流れる電流に基づき演算検出され、反力アクチュエータ３が発生する反力の調節に使用される。
電流センサ３ｂは、駆動回路３ａから反力アクチュエータ３に通電する電流を検出し、操舵制御部４に与える。
【００２８】
ステアリングホイール２の操作量（操舵角）は、反力アクチュエータ３に付設されたロータリエンコーダ３３により、操作方向を含めて検出されており、これらの検出結果は、操舵制御部４に与えられている。また、操舵制御部４には、車両の走行速度を検出する車速センサ６の検出結果が与えられている。
操舵制御部４の出力は、反力アクチュエータ３と操舵モータ５とに、各別の駆動回路３ａ，５ａを介して与えられており、反力アクチュエータ３及び操舵モータ５は、操舵制御部４からの指示信号に応じて各別の動作を行うようになしてある。
【００２９】
操舵制御部４は、ステアリングホイール２に付与すべき反力を決定し、反力を発生させるべく反力アクチュエータ３に反力指示トルク信号を発する反力制御を行い、また、ロータリエンコーダ３３が検出したステアリングホイール２の操舵角と、電流センサ３ｂが検出した反力アクチュエータ３（反力モータ）に流れる電流と、ステアリングホイール２の慣性モーメントと、反力アクチュエータ３の慣性モーメントとにより、上述したように、ステアリングホイール２に加えられる操舵トルクを演算検出する。
【００３０】
また、操舵制御部４は、ロータリエンコーダ３３からの入力によりステアリングホイール２の操作方向を含めた操作角度を認識し、舵取機構１に付設された舵角センサ１６からの入力により認識される実舵角度との舵角偏差を求め、この舵角偏差を、車速センサ６からの入力として与えられる車速の遅速、及び演算検出した操舵トルクに応じて大小となるように補正して目標舵角を求め、この目標舵角が得られるまで操舵モータ５を駆動する操舵制御動作を行う。このとき、ロータリエンコーダ１５からの入力は、操舵モータ５が所望の回転位置に達したか否かを調べるためのフィードバック信号として用いられる。
【００３１】
以下に、このような構成の車両用操舵装置の動作を、それを示す図３のフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、操舵制御部４は、電流センサ３ｂに、反力モータ３に流れる電流ｉを検出させて読み込み（Ｓ２）、ｎＴm をｎ・ｉ・Ｋt により求め記憶する（Ｓ４）。
次に、操舵制御部４は、ロータリエンコーダ３３が検出したステアリングホイール２の操舵角θh （又は反力モータ３の回転角度θm ）から反力モータ３の回転速度ωm を算出検出させて読み込み（Ｓ６）、今回のサンプリング周期の回転速度ωm （Ｎ）として記憶する（Ｓ８）。
次に、操舵制御部４は、今回のサンプリング周期の回転速度ωm （Ｎ）と、前回のサンプリング周期に検出し記憶した回転速度ωm （Ｎ−１）との差を演算し、Δωm として記憶する（Ｓ１０）。
【００３２】
次に、操舵制御部４は、サンプリング周期ΔｔによりΔωm を割り算して、反力モータ３の回転加速度ωm ′を求めて記憶する（Ｓ１２）。
次に、操舵制御部４は、記憶してあるｎＴm （Ｓ４）及び反力モータ３の回転加速度ωm ′（Ｓ１２）を、（１０）式
Ｔ＝（Ｉh ＋ｎ2 Ｉm ）ωm ′／ｎ
＋（Ｃh ＋ｎ2 Ｃm ）ωm ／ｎ＋ｎＴm       （１０）
に代入して、ステアリングホイール２に加わるトルクＴ（操舵トルク）を演算する（Ｓ１４）。
次に、操舵制御部４は、今回のサンプリング周期の回転速度ωm （Ｎ）を、前回のサンプリング周期の回転速度ωm （Ｎ−１）として記憶し（Ｓ１６）リターンする。
【００３３】
尚、反力モータ３に代えて、反力モータではない電動モータを使用した場合は、電動モータの逆起電圧Ｖ、ステアリングホイール２の慣性モーメントＩh 及び電動モータの慣性モーメントＩm より、（９）式を演算して、ステアリングホイール２に加わるトルクＴを求めることが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
第１，３発明に係る車両用操舵装置によれば、トルクを検出する為のスペースが小さく、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【００３５】
第２発明に係る車両用操舵装置によれば、トルクを検出する為のスペースが不要であり、また、その為の部品コストが安価な分離型の車両用操舵装置を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車両用操舵装置の原理構成を示す原理図である。
【図２】本発明に係る車両用操舵装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る車両用操舵装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  舵取機構
２  ステアリングホイール（舵輪）
３  反力モータ（反力アクチュエータ、第２の電動モータ）
３ａ，５ａ  駆動回路
３ｂ  電流センサ（検出手段）
４，４ａ  操舵制御部（演算する手段）
５  操舵モータ（第１の電動モータ）
７  増速ギヤ
３０  回転軸（舵輪の軸）
３３  ロータリエンコーダ
３４  検出器（検出手段）
【図１】
0004329220.tif 000002
【図２】
0004329220.tif 000003
【図３】
0004329220.tif 000004